LED光源设计调研报告

LED光源设计调研报告摘要：：通过光源照射可以补充人体细胞线粒体能量,从而激活细胞的生物活性,使其可以更好地进行自我代谢和生长"随着科学技术的不断发展,光疗方法及仪器已经被越来越多地运用于医学!美容和保健领域，并且取得了非常好的辅助理疗效果"其中丄ED辐射源理疗是近年来这些领域中较为先进的一种光疗方法"LED可以发出不同波长即不同颜色的光"研究结果表明,这些不同颜色LED光在理疗活动中可以产生较好的疗效。通过对LED光源产生的光辐射影响人体细胞心生代谢的作用进行分析总结，结合市场上现有的光疗仪和传统的激光光疗仪的功能以及其优缺点进行分析从而进行改进与创新。从而制作出更符合当今人们需求的产品。随着半导体技术的发展，高性能LED产品的应用领域也逐渐拓展到各行各业。其中，全波段LED应用于生物医学领域就是最热门的研究课题之一，特别是以LED作为光源的光动力光疗法，是目前皮肤科光疗领域较为新颖的治疗手段，成为该领域新的研究热点。光学疗法的概述光是一种电磁波，已经广泛应用于各个领域。其中光在医疗上的应用是一个非常重要的方面。早在公元18世纪当时的人们就利用太阳作为辐射源治疗各种疾病，但是太阳辐射受到时间和地理的限制，并且单位面积辐射能量小，治疗效果并不好。后来在19世纪90年代丹麦科学家芬森发明了“芬森灯”来治疗天花，取得了一定的治疗效果，这方法初次被人们称为光学疗法，但在当时并没有引起人们的广泛关注。光学疗法真正引起人们注意的是从1960年梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器开始的，在1961年泽瑞特等人就发表了激光用于眼底疾病的研究。随后1963年戈德曼用激光治疗皮肤病，取得了显著的疗效。人们发现利用弱激光对生物组织照射可以促进其血液循环、刺激和加快伤口愈合，增强机体免疫力。Karu长达6年的研究发现光刺激效应主要与波长、照明方式和照射剂量有关，与光源是否为相干光无关。这样比激光器体积小，光电转换效率更高，寿命更长的半导体发光二极管在临床医疗上获得了人们越来越多的研究。随着半导体技术的进步，半导体发光二极管在波长、发光强度和价格比激光毫不逊色，人们也发现它的光生物效应与低强度激光几乎是完全相似的，因此在未来在生物医学，半导体发光二极管完全有可能成为代替激光的新型光源，应用前景十分光明。随着半导体技术的发展和新的半导体的材料的发现，LED将会更多的新波长输出。目前LED的光谱范围主要在可见光波段，以后扩展的LED新波长将会开启医疗应用的新方向。目前，LED所能覆盖的波长从紫外到红外都有，典型的波长又365、380、410、460、500、520、560、590、610、630、650、670、730、880nm等，几乎满足所有光疗所需的波长。而且现在可以将两个或者三个LED发光芯片制作在同一个封装，可以满足不同的组合光疗的需要，各个波长对医疗的应用处在研究和使用阶段。国内医疗工作者牟园芬的观察证实了LED蓝光医疗仪的效应，通过对比观察，认为以蓝光LED为光源的蓝光毯没有明显副作用而传统光源的蓝光箱则有发热、烦躁呕吐、腹泻、皮疹等副作用。我国学者高淑梅使用峰值波长570nm的黄绿光LED刺激健康小白鼠的红细胞，观察了其可视荧光光谱。第四军医大学利用蓝光LED治疗轻中度炎症座疮，采用415nm，输出光强为40mw/2cm的LED对105为患者治疗，每周接受2次照射，每次20min,能量密度为48J/2cm，最终取得了良好的疗效。在国外，美国natus公司生产的neoBLUELED光疗仪,通过蓝色发光二极管该光疗仪能够提供极其有效的胆红素退化效应。以色列的研究人员设计了用GaNLED为窄带蓝光光源的新型光疗仪，光强度同传统的光疗仪大致一致甚至更强。M.L.Jode等人研究了650nm的LED光源用于光动力学治疗的可行性。通过测量正常鼠肝上坏疽的深度,对比铜蒸气泵脯的染料激光器,证实LED光对坏疽细胞有足够的杀伤力,可以替代激光器作为光动力治疗的光源。Whelan等采用670nm波长的LED进行光照治疗,证实能够缓解甲醇中毒的啮齿模型动物的甲酸诱导视网膜功能紊乱。DalyStevenR设计新型的LED阵列,设计专用的硅导管,使用100个LED压封在底层，另外50个放在顶层，光谱带宽从645-670nm,在38°C时输出60mW的功率°AI-Watban对比了多色LED对糖尿病和非糖尿病兔子的烧伤康复的光疗作用。实验表明,多色LED在对非糖尿病兔子的烧伤光疗中,效果不明显,与低功率激光的作用相似,但在对糖尿病兔子的烧伤康复中作用显著。美国宇航局(NASA)在太空飞船中用LED阵光源(630~800nm)来对宇航员的肌肉与骨骼进行恢复治疗和加速伤口的愈合,均收到很好效果,同时NASA还用LED-PDT(光动力学治疗)技术来对太空中由于宇宙射线可能引发的肿瘤的宇航员进行早期检查与防治。无论是国内还是国外关于LED在医学上的研究主要集中在细胞照射、体表治疗等方面上，还未发现有关LED在腔内治疗的研究，其主要原因是因为LED发散角过大，很难耦合到光纤中去。对一关键问题，本论文将展开详细的讨论和论证，设计出LED光纤耦合系统，从而提高LED与光纤的耦合效率，并完成便携式光纤耦合式LED光学治疗仪设计。光动力疗法是目前医学光疗领域最热门的研究方法之一，其基本原理是以光、光敏剂和氧的相互作用为基础，以达到对目标细胞的治愈效果。其中理想的光敏剂，要求其具有以下几个特点：毒性小，异常(靶)组织对光敏剂的吸收比正常组织更快，可被能穿透靶组织的相应波长的光激发以及能产生大量的细胞毒性产物，并且能够快速从组织中被除掉，达到高效安全的治疗目的。下图为光动力治疗法基本原理图。光学疗法的治疗原理光学疗法的治疗原理是生物组织吸收光子后在组织内产生了一系列的光生物化学反应，主要分为：光致敏化、光致氧化、光致分解和光致聚合。并且不同波长的光的光生物效应也不尽相同。红光光疗原理是光源发射红光带状光谱共振于人体组织线粒体的吸收谱，其吸收导入人体的光子发生高效率的光化学生物反应——酶促反应，被细胞线粒体强烈吸收，激发了线粒体过超氧化物歧化酶、氧化氢酶的活性、从而促进细胞的新陈代谢，提高机体免疫力。并且红光不同于其他方式的光学疗法，它比紫外线穿透力强，又没有红外线很强的热效应可以直接作用于较深层的组织，输出功率大其穿透深度可达到3cm,而红外光只有0.1cm左右。红外线与生物组织相互作用主要是热效应，红外线被机体组织吸收后引起体温升高，局部或全身血管扩张，血流速度加快促进了细胞增生和新陈代谢，红外光具有消炎镇痛作用。红外线功率过高时对皮肤损伤主要表现为热红斑，严重时可导致灼伤皮肤其主要用于皮肤病的治疗。蓝光主要应用在新生儿黄疸治疗当中光子被体内胆红素吸收后通过氧化异构化产生胆绿素、无毒的水溶性吡咯，经泌尿系统排出通过改变胆红素在体内的代谢途径而减轻新生儿黄疸。生物组织的不同组分（如水!血红蛋白和黑色素等）对不同波长辐射的吸收情况各具特点"当生物组织接受光辐射源的照射后,组织温度会升高,组织结构会发生变性,细胞内环境会改变,从而对生物组织产生热作用!化学作用!电磁场作用以及机械作用等生物效应!"在长期的研究和应用中,人们已经总结出各种辐射源作用于人体的生物学效应"例如,紫外线对病变组织具有消炎!止痛的作用,常用以治疗皮肤化脓性炎症和其他皮炎!疼痛症候群!佝偻或软骨病等"红外线主要是以热辐射的形式作用于人体,具有改善局部循环!促进水肿吸收和组织修复!减轻疼痛的功用,临床常用以治疗软组织损伤和关节炎等光学疗法的现状当今的光学疗法进入了一个空前发展的阶段，21世纪许多新型的人工光源不断被发明出来，光的生物效应广泛应用于促进机体功能恢复，并且激光、紫外、红外和可见光疗法逐渐成熟且广泛应用。随着科学技术的进步，目前光学疗法已经深入到细胞、微分子阶段了。光学疗法进行临床治疗副作用小、无痛无创伤、疗效明显并且低碳环保，得到了广泛应用和快速发展，推动其快速发展的重要原因之一是医疗光源的不断革新。与激光器相比，LED发射光谱可以覆盖365~880nm波长范围，同激光器相比有更多的选择，且价格相对较低。与普通宽光源相比，LED的发射光谱可以控制在约10nm的范围内，可以使用治疗效果最佳的波段而无须担心杂光造成的影响。和药物治疗与手术治疗相比，现在采用的新技术光动力学疗法（PDT）不存在副作用，但传统用于光动力治疗的激光器发光效率低，价格昂贵，操作复杂。而近年来愈多研究机构表明用LED作为发光光源代替激光器是完全可行的，且方法简单，安全，采用新型LED光源，既容易生产便于携带的治疗器械，又能够通过LED点阵进行大面积治疗，还以利用其窄光束和高效率，制成定向治疗仪器，将治疗集中到靶目标上。在美容中半导体也有广泛应用，且有较大的发展前景，因LED波长范围广、光照范围大，而且不会产生疤痕，得到了使用者的广泛青睐，目前应用于除皱、嫩肤、祛除痤疮等方面。在除皱、嫩肤方面，LED工作电压和温度低，易于实现系统固化，同时减少了治疗可能带来的危险的几率，减轻了患者治疗时的心理压力，它通过利用低强度激光的生物刺激作用促进胶原层增厚，收缩毛孔，发挥其美白嫩肤的功效，同时治疗皮肤损伤，恢复敏感性皮肤，整个系统同传统光子嫩肤相比，治疗过程温和，副作用小，且用LED代替激光器，仪器成本降低，操作更加简便，有更为广泛的市场前景。在LED治疗痤疮方面，复旦大学对10例轻、中度痤疮患者进行LED蓝光治疗，每周两次，共四周。与治疗前比较，治疗后患者炎性痤疮治愈率明显升高，有2例完全治愈，6例显著好转，1例中度好转，1例轻度好转，无效1例。同时研究发现使用415nm左右的蓝光治疗效果最佳。这主要是由于蓝光作用于座疮丙酸杆菌正常代谢产物粪卟啉III,可产生光动力学反应，此反应可产生自由基和单态氧，从而达到杀灭厌氧性座疮杆菌的作用。LED本身光谱宽，可以方便选择不同波长范围的光同时保证较窄的光谱范围，既有效地控制了紫外线含量，又能增大光照面积，保证光照质量。LED的照射还有促进伤口和溃疡愈合的作用。Whelan对体外培养的细胞进行不同波长范围的LED光照射，发现LED对体外细胞的繁殖有明显的促进作用，生长速度是正常细胞的五倍。第四军医大学的学者在局部氧疗的基础上结合近红外LED照射试验,证实采用该办法可以促进慢性难愈合伤口的愈合，20只家兔被随机平均分成4组（每组5只，每只4个伤口），愈合伤口数为对照组16、TOT（topicaloxygentherapy，局部氧疗）组19，NIR-LED照射组19结合治疗组20.华南师范大学研究低强度光照射对大鼠结肠粘膜组织的修复作用，通过34只大鼠进行LED照射，清楚的表明LED对结肠炎症组织有修复作用，照射后水肿减轻、炎症细胞减少、溃疡愈合，其机制可能是减少过氧化物对组织的损坏；该研究表明LED照射后可以提高局部组织纤维生长因子和血管内皮生长因子的质量分数，也是LED能促进伤口愈合的重要因素。这些实验都表明LED光照在愈合伤口中有特殊效果。在治疗肿瘤方面，在不同的光照射剂量下，会产生不用的作用效果，对在体外培养的犬神经瘤细胞2A9和人成胶质瘤细胞用LUTEX和BDP做光敏剂，用PDT方法杀死肿瘤细胞，分别用发射峰值在729nm和628nm的LED作光源，两细胞系中50%~78%肿瘤细胞被杀死。目前在肺癌和食道癌癌症治疗上使用的光动力疗法是给癌症患者服用Photofrin（药名），该药物受红光照射后可附着在癌症细胞上进而杀死癌细胞，同传统化疗相比，该方法目标性更强，治疗方法简单，减少了患者的痛苦，而光源使用LED也可以方便地控制波长范围，且光线比传统激光器温和，提高了系统稳定性。另外使用630nm的LED点阵光源，结合2%的AminolaevulinicacidALA对肢体的鲍思病（Bowen'sdisease）—种癌症皮肤炎来进行治疗，照射剂量为240J/cm2,前后时间90min，此LED点阵功率为40mW/cm2，其治疗效果与传统外科治疗相比，不会产生伤疤或肢体功能丧失。随着LED功率的不断提升，LED可以成为更多的医疗仪器的光源，如弱视治疗仪，新生儿黄疸治疗仪，新型生物刺激治疗仪（一种红外和近红外LED光疗仪）等。"激光具有光的共性,既可用于保健理疗,又可用于多种疾病的治疗圈"光疗法以其无痛!便捷!高效!环保的优势,越来越受到普通群众和业界的青睐"随着近些年来科学技术的高速发展,有更多新兴光学技术的生物学效应开始受到人们的关注并得到开发利用"与许多传统光源相比丄ED在发光强度!峰值波长和半波带宽等各项参数性能上都有很大的提高"此外丄ED产品的长寿命!小体积和高亮度等特性均为其应用于光疗领域打下了良好的基础lv]"LED光是利用固体半导体芯片作为发光材料,在其两端加上正电压，使半导体中的载子流发生复合,从而引起光子发射来产生的[S]"研究结果表明丄ED光能够刺激每一个细胞线粒体的新陈代谢，特别是当LED光刺激到里面的光敏化学物质（发色团和细胞色素系统）时，这种现象更为明显"进一步的研究结果表明丄ED光能够刺激纤维原细胞的活性,促进胶原细胞和弹性细胞的产生,从而减少干痒皮肤,消除痊疮,提高修复能力"显然丄ED光源是一种促进皮肤再生的自然治疗方法，而不会像其他发热的理疗光源那样产生一定的组织破坏性"因此,将LED光照射运用于皮肤的美容保健具有显著的优势"辐射源的波长范围决定了其作用于人体皮肤组织时是否能够产生最佳的生物学效应"在本实验中,我们用光谱仪分别得到了8种波长范围的LED光透过与人体组织性能相近的离体猪皮组织后的光频率曲线,然后分析了LED光透过组织后的波形!波长分布以及光强度"综合比较各光谱图后发现,845~550nm（红外）!620~625nm（红色）和465!470nm（蓝色）这三种LED光透过组织后的波形峰值都比较高，而剩余集中波长的LED光透过组织后的波峰值较低"结果还表明,465~470nm（蓝色）!620!625nm（红色）和545!550nm（红外）这三种波长的LED光的穿透能力较好"如果将这三种波长的LED组合成辐射源,其作用于组织的层次就比较深,这样便可激活调动机体更多组织结构的生物学效能,从而产生最为有效的光热效应和光化学效应"LED光疗仪市场调研——现有产品功能及顾客反馈目前市场上出现的光疗仪多为红光、蓝光和黄光光疗仪。红光光疗仪以其光照柔和对皮肤的渗透性强的优势在价格上往往明显高于蓝光LED光疗仪在美容方面红光的功能为促进新陈代谢，改善血液循环，刺激自身胶原蛋白生成，增强肌肤弹性，抚平微小皱纹。此外红光LED光疗仪还有抗衰老、美白嫩肤，抗过敏，改善皮肤干燥