LED光源在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用分析

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2017-03-05

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目前LED PDT、LED皮 膚美容、LED熒光光譜檢測技術(shù)等已取得了創(chuàng)新性 和實(shí)用性的成果。但是，LED光源應(yīng)用于生物 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究還有大量的實(shí)際工作要做，包括繼 續(xù)開發(fā)光效率更好的醫(yī)用大功率LED、開發(fā)專業(yè)服 務(wù)于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的LED醫(yī)療器件、系統(tǒng)研究LED 作用于人體各類細(xì)胞的生理機(jī)制、研究在太空中用 LED光源對宇航員進(jìn)行恢復(fù)治療等，還需要LED生 物醫(yī)學(xué)行業(yè)人士給予足夠的重視。

本文首先分析了生物醫(yī)學(xué)用LED光源的特點(diǎn), 之后就LED光源在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的情況、存在的 問題進(jìn)行介紹與探討，并對LED光源應(yīng)用在生物醫(yī) 學(xué)中的前景進(jìn)行了展望。

1生物醫(yī)學(xué)用LED光源的特點(diǎn)

隨著LED光源技術(shù)的發(fā)展，LED在發(fā)光效率、 顏色穩(wěn)定性、色品等參數(shù)性能上有了很大的提高。 這為LED光源應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。與 傳統(tǒng)的生物醫(yī)學(xué)用光源相比，LED光源具有以下特 點(diǎn)與優(yōu)勢：

1)  安全可靠。LED為非熱效應(yīng)固態(tài)冷光源, 不會對皮膚、眼睛、肌肉等造成熱損傷，且低電壓 驅(qū)動，相比高壓驅(qū)動的激光光源系統(tǒng)，具有更高的 安全性；此外，LED光源具有使用壽命長的優(yōu)勢, 應(yīng)用在醫(yī)療設(shè)備中可保障其具有較高的可靠性。

2)  節(jié)能環(huán)保。LED發(fā)光效率高，應(yīng)用在醫(yī)療 空間需要功能性照明的場所，可以實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能，

同時兼有無汞、無紫外輻射等優(yōu)點(diǎn)。

3)  波長范圍廣。LED發(fā)射的光的波長已經(jīng)覆 蓋紫外、紅外、可見光，可選波段多。

4)  光譜純，光譜半波帶寬窄，可以控制在 10nm之內(nèi)，避免了雜散光的干擾，同時便于實(shí)現(xiàn)調(diào) 光、調(diào)色。

5)  體積小。小體積的LED給醫(yī)用設(shè)備的設(shè)計(jì) 和制造提供了無限可能，同時便于攜帶和操作。

6)  光束窄，指向性好，可精準(zhǔn)控光，便于靶 向治療、精準(zhǔn)探測。

此外，相比于生物醫(yī)學(xué)用激光光源系統(tǒng)，LED 光源醫(yī)療器械的整體成本相對較低。

2應(yīng)用分析

LED光源應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理 論基礎(chǔ)是由KARU T I、YOUNG S等人奠定的。 他們通過實(shí)驗(yàn)研究，從細(xì)胞分子水平上，提出光刺 激效應(yīng)、光療等主要與光的波長、照射劑量和照射 方式有關(guān)，而光的相干性、偏振性并不是必需的。 這就開拓了非相干、非偏振的LED光源在生物醫(yī)學(xué) 領(lǐng)域的應(yīng)用。

近年來，隨著LED光源性價比的不斷提高， LED光源在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用在不斷增多。LED光源 在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要包括醫(yī)療照明、光照治療、 生物醫(yī)學(xué)診斷等。

2.1   LED光源在生物醫(yī)學(xué)治療中的應(yīng)用

作為新的治療方法，光照治療替代抗生素的研 究，已成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的熱門課題。隨著LED發(fā) 光效率的不斷提升、波長范圍的不斷擴(kuò)大、LED作 用活體細(xì)胞的生理機(jī)制研究的不斷深入，LED光源 在生物醫(yī)學(xué)治療中的應(yīng)用也越來越廣。

2.1.1應(yīng)用在皮膚醫(yī)學(xué)中

不同波長的LED光可以被皮膚組織中不同的色 基所吸收。通常情況下，紅光、近紅外光（630nm ~830nm)波長的LED光源被用于治療深層的皮膚 組織結(jié)構(gòu)，其中660nm波長的LED光源發(fā)出的光可 以到達(dá)皮膚組織真皮的網(wǎng)狀層，從而對真皮中的皮 膚纖維細(xì)胞發(fā)揮作用；藍(lán)光（400nm~470nm)波 長的LED光源被用于治療位于表皮的皮膚損傷；紫 外光（200nm~380nm)波長的LED光源能夠促進(jìn) 皮膚角質(zhì)層形成細(xì)胞，釋放內(nèi)皮素等。作為非熱效 應(yīng)光源，LED光源被用于治療皮膚炎癥、痤瘡、色 素沉著、創(chuàng)面愈合、疤痕預(yù)防等的研究，已取得了 諸多臨床應(yīng)用成果。

1)  LED用于創(chuàng)口愈合。傷口愈合困難是臨床 各科常見的并發(fā)癥。小體積的LED光源可排列成陣 列應(yīng)用于大面積傷口照射，成為低能量光照應(yīng)用在 傷口愈合的優(yōu)勢。使用近紅外線波長的LED光源照 射機(jī)體組織，誘導(dǎo)機(jī)體中分子量72-kDa的熱休克 蛋白（HSP 70)的產(chǎn)生，以對抗身體細(xì)胞、組織與 器官體溫的升高，提升細(xì)胞成活率，促進(jìn)羥脯氨酸 合成，從而促進(jìn)疤痕的形成和創(chuàng)口的愈合。

2)  LED用于皮膚美容。人體中的水分子和血 紅蛋白對不同波長、不同強(qiáng)度的光的吸收不同，從 而產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)。LED光可以刺激皮膚細(xì) 胞線粒體的新陳代謝，刺激纖維原細(xì)胞的活性，從 而促進(jìn)膠原細(xì)胞和彈性細(xì)胞的產(chǎn)生，以實(shí)現(xiàn)皮膚再 生、提升皮膚修復(fù)能力。此外，采用特定波長的 LED光源照射皮膚，可以殺傷皮膚表面或皮下的異 常細(xì)胞，使其失去活力并被其周圍的正常細(xì)胞和組 織吸收，從而實(shí)現(xiàn)治療痤瘡、濕疹等皮膚病，達(dá)到 美容的效果。

3)  LED用于皮膚消炎抗炎。采用藍(lán)光LED光 源照射皮膚，具有快速抑制炎癥的功效，可以高效 地破壞皮膚細(xì)菌的生成，促進(jìn)皮膚細(xì)胞的新陳代謝， 在皮膚炎癥期間產(chǎn)生消炎抗炎的功效。

此外，LED光源還被用于減輕紫外線照射后的 皮膚損傷、預(yù)防或治療炎癥后色素沉著、改善皮膚 病患者的疼痛、瘙癢等。隨著LED光源技術(shù)的不斷 創(chuàng)新，LED皮膚生物學(xué)效應(yīng)機(jī)理研究的不斷深入, LED在皮膚醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用具有不可限量的前景。 2.1.2應(yīng)用在生理節(jié)律上

David Berson發(fā)現(xiàn)了人眼視網(wǎng)膜上存在一種新 的感光細(xì)胞（ipRGC),它獨(dú)立于人眼的桿狀細(xì)胞和 錐狀細(xì)胞，直接感受光信號，通過非視覺通路，將 接收到的信號傳遞到大腦的下丘腦視交叉上核 (SCN),并直接作用于松果體，從而參與調(diào)解人體 的多項(xiàng)生理效應(yīng)，包括人體的警覺性、心率與體溫 等生命體征的變化、褪黑激素的分泌等。LED光源 色溫、波長、亮度等性能參數(shù)可調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，為其 在調(diào)節(jié)人體生理節(jié)律中的應(yīng)用提供了條件。

1)  LED光源用于治療季節(jié)性情感障礙 (SAD)。SAD是近年來報道較多的一種抑郁癥，其 癥狀主要表現(xiàn)為睡眠失常、飲食失常、情緒失常等， 嚴(yán)重影響了患者的身心健康。Kripke等最先發(fā)現(xiàn)光 照能緩解SAD患者的抑郁癥狀，臨床實(shí)驗(yàn)表明光照 時長、光照強(qiáng)度與SAD的發(fā)病率相關(guān)。LED光源亮 度可調(diào)、光線可控，可模擬出類似日光的光照，可 以依據(jù)SAD患者的個性化需求，實(shí)現(xiàn)緩解、治療抑 郁癥狀的效果。

2)  LED光源用于促進(jìn)睡眠。工作時間不規(guī)律、 生活作息不規(guī)律、各種發(fā)光設(shè)備的過多使用與接觸 等，已影響到人的正常生理節(jié)律，引起神經(jīng)衰弱、 失眠等不良病狀。睡眠與大腦松果腺分泌的褪黑素 有關(guān)，夜間褪黑素的分泌增加，人體體溫、脈搏漸 降，有助于入夜安眠；清晨褪黑素的分泌減少，人 體體溫、脈搏漸升，有助于人的蘇醒。實(shí)驗(yàn)表明 LED的藍(lán)光波段與褪黑素的分泌密切相關(guān)，可以通 過人為調(diào)節(jié)藍(lán)光波段的LED,有效地調(diào)節(jié)褪黑素的 分泌，從而實(shí)現(xiàn)改善睡眠質(zhì)量、治療失眠等睡眠障 礙的效果。