LED光源在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用分析

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2017-03-05

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目前LED PDT、LED皮 膚美容、LED熒光光譜檢測(cè)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(kāi)發(fā)光效率更好的醫(yī)用大功率LED、開(kāi)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(duì)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(wèn)題進(jìn)行介紹與探討，并對(duì)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L(zhǎng)ED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(shì)：

1)  安全可靠。LED為非熱效應(yīng)固態(tài)冷光源, 不會(huì)對(duì)皮膚、眼睛、肌肉等造成熱損傷，且低電壓 驅(qū)動(dòng)，相比高壓驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)的優(yōu)勢(shì), 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(chǎng)所，可以實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能，

同時(shí)兼有無(wú)汞、無(wú)紫外輻射等優(yōu)點(diǎn)。

3)  波長(zhǎng)范圍廣。LED發(fā)射的光的波長(zhǎng)已經(jīng)覆 蓋紫外、紅外、可見(jiàn)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(shí)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(wú)限可能，同時(shí)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(cè)。

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(duì)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(guò)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(zhǎng)、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(kāi)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(lái)，隨著LED光源性價(jià)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(mén)課題。隨著LED發(fā) 光效率的不斷提升、波長(zhǎng)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(lái)越廣。

2.1.1應(yīng)用在皮膚醫(yī)學(xué)中

不同波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)真皮中的皮 膚纖維細(xì)胞發(fā)揮作用；藍(lán)光（400nm~470nm)波 長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiàn)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(shì)。使用近紅外線波長(zhǎng)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(duì)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(duì)不同波長(zhǎng)、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(zhǎng)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?chē)�的正常�?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(hào)，通過(guò)非視覺(jué)通路，將 接收到的信號(hào)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(jué)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(zhǎng)、亮度等性能參數(shù)可調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，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(lái)報(bào)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(shí)長(zhǎng)、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(gè)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(shí)間不規(guī)律、 生活作息不規(guī)律、各種發(fā)光設(shè)備的過(guò)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(guò)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。