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1、第24卷第4期2005年8月北京生物医学工程BeijingBiomedicalEngineeringVol124No14Aug.2005LED应用于光疗的研究进展项红升1李明2霍荣龄2杨巍2孙君泓3摘要本文探讨了不同波段的LED在光疗上的应用进展包括可见光、红外光、紫外光三大部分。尤其是在可见光区和近红外区的进展很大并有了一些工程和医学实践的证实。关键词LED光疗理疗中图分类号R45412文献标识码A文章编号10022320820050420311205TheApplicationandProspectofLEDinPhototherapyXIANGHongsheng1LIMing2HUORo
2、ngling2YANGWei2SUNJunhong2.1GraduateSchoolofChineseAcademySciencesBeijing1000802InstituteofElectricalEngineeringChineseAcademyofSciencesBeijing1000803UniversityofSydneySydneyAustralia.【Abstract】LightemittingdiodeLEDwithdifferentwavelenghsincludingvisiblelightsinfraredlightsandultravioletlightsareuse
3、dinphototherapy.Manybio2effectsofLEDareprovedinclinic.TheprospectsofLEDinphototherapyarepredicted.【Keywords】lightemittingdiodephototherapyphysicaltherpay作者单位:1中国科学院电工研究所生物电磁实验室中国科学院研究生院北京1000802中国科学院电工研究所北京1000803澳大利亚悉尼大学医学系中国科学院电工研究所生物医学部北京100080作者简介:项红升1979男硕士研究生。光疗作为一种有效的治疗手段在临床和工程上正得到越来越广泛的应用。光疗
4、的理论基础是生物组织吸收光能并将光能转变成热能和化学能从而导致体内产生一系列连锁的化学反应。这些化学反应概括起来有四种类型:光致分解、光致氧化、光致聚合和光致敏化。不同波段的光所产生的生物效应也有不同由此人们研究开发了一些针对不同疾病的不同波段的治疗方法和治疗仪器。概括的讲红外光主要是利用它的热效应机体吸收红外光后引起体温升高局部或全身血管扩张血流速度加快促进新陈代谢和细胞增生有消炎和镇痛作用紫外光主要利用它的高能辐射杀菌治疗各种病菌引起的皮肤病可见光的效应因波长不同而有差异:红光可引起血液白细胞总数和嗜酸性粒细胞减少改善生长代谢降低血糖促进卵巢黄体形成。蓝紫光是红橙光生理作用的拮抗物能防止胰
5、岛素低血糖症能漂白血液中的胆红素治疗新生儿黄疸。随着半导体工艺的快速发展新型发光二极管lightemittingdiodeLED不断推出。相对原来的LED无论是在发光强度、峰值波长、半波带宽等各项参数性能上都有很大的提高。发光强度越来越大单个LED的光效果已经超过100lmW峰值波长越来越稳定可以稳定在2nm半波带宽更窄达到10nm单色性能更好半功率角可以达到10方向性更好覆盖波长从紫外到红外几乎可以找到任意波长的单色LED同时性能优良的双色、三色、白色LED也开发出来了。这为LED应用于光疗提供了基础。下面从可见、红外、紫外LED光疗等三个方面进行讨论。1可见光区在可见光范围内波长400nm
6、660nm之间一般的划分是七色即赤橙黄绿青蓝紫在光的生物效应研究中是按照食物效应来划分的赤橙黄色的生物效应相似绿蓝紫的生物效应也相似蓝绿光是红橙光的生物作用的拮抗物。总的来说蓝光具有镇静作用红光具有兴奋的作用。111蓝光光疗蓝光光疗的典型应用是新生儿黄疸的治疗。新生儿高未结合胆红素血症黄疸是新生儿常见多发病易导致听力损害严重者可发生胆红素脑病而影响生存质量。体内胆红素吸收光线后通过氧化异构化产生胆绿色、无毒的水溶性吡咯经胆汁和尿液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1。胆红素能吸收的光线以波长450460nm最佳而蓝光波长主峰在425475nm之间至今仍是光疗最好的光源。近年来制
7、造的高亮、超亮和超高亮的蓝色发光二极管的主波长在460470nm发光强度超亮型10002000mcd超高亮型20003000mcd。视角半功率角较小一般在1520发光功率几毫瓦到几十毫瓦不等已经达到传统的蒸气蓝灯或者蓝光激光器的发光功率。在国外一些医疗研究开发单位已经有一些采用蓝光LED作为治疗光源的新生儿黄疸治疗仪。比如美国natus公司生产的neoBLUELED光疗仪。通过蓝色发光二极管该光疗仪提供极其有效的胆红素退化效应。相对于传统的光疗设备NeoBLUE紫外光的辐射量极低降低了对婴儿皮肤的伤害红外光的辐射量也极少降低了婴儿体内水分丢失的危险。通用电气公司医学部研制的蓝光新生儿光疗仪具有
8、三个蓝光治疗LED灯可以对新生儿进行全方位的治疗可以击碎胆红素色素没有副作用。对LED光疗的疗效国内外也进行了相关的临床观察:H.J.Vreman通过对比不同波长的单个LED的效应并制造了含有300个LED的光疗仪模型2。同传统仪器的对比研究可通过对人体血清白蛋白的光降解的测量来进行。对比了蓝光、蓝绿光、绿光、白光LED蓝光最有效果。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3光强度同传统的光疗仪大致一致甚至更强。通过对包括69个黄疸病患儿的群体进行开放随机研究得到持续光疗和血清胆红素浓度下降的关系数据。LED光源的结果-3116mmolLh传统光源的是-2119mmolL
9、h说明LED光源的疗效更显著。国内医护工作者的观察也证实了LED蓝光光疗仪的疗效。牟园芬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4。综上分析蓝光LED光疗在临床使用上有显著的优点尤其对早产儿高胆红素血症的效果好。蓝光LED具有以下临床优点:体积小开放治疗不需中断其他治疗减少了护理工作量治疗时患者无需裸露副作用少LED是冷光源不产热因此不会导致体温升高。光垫不直接照射面部不会对眼睛造成损害。由于其独特的优越性成为代替传统蓝光箱治疗的有效方法。112红光光疗红光光疗的作用很广泛治疗的机理是通过发射红光带状光谱与人体组织线粒体
10、的吸收谱产生共振其吸收的光子导入人体产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使线粒体过氧化氢酶、超氧化物岐化酶等多种酶的活性得到激发从而促进细胞的新陈代谢提高肌体免疫力。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5。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。还有学者研究了采用LED阵列治疗周围神经系统疾病6。设计了圆柱表面分布的LED阵列光学阵列的参数:波长660nm带宽小于20nm对水肿表面的光密度0153mWcm2覆盖发病区域。在对病变区实行10天疗程每天1520
11、min的照射治疗后认为LED阵列光疗具有稳定的镇痛效果促使肌肉强度增强最终使标记的病变区减少。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7。验证实验:一组甲醇陶醉一组甲醇陶醉并进行LED治疗另一组不进行光疗。LED光疗组:105s内给50mWcm24Jcm2的光疗功率。眼电测量数据表明LED光疗能保护视网膜抵抗甲酸细胞毒素刺激细胞色素氧化酶的活性提高线粒体呼吸链的功能。DalyStevenR设计新型的LED阵列8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645670nm在38时输出60mW的功率。
12、LEDs放入生物相容的硅材质中再植入治疗组织的空隙中。对猪的肌肉光疗证明有明显的治疗效果能够治疗体积较大的肿瘤。俄罗斯常规人类病理生态科学研究所研制的新型生物刺激治疗仪器是一种红光和近红外LED光疗仪LENA。该设备可用于人体和动物身上。动物的光生物效应和人体的类似。采用高能LED发光强度可达到4000mcd超过了He2Ne激光器和LGN2111激光器2倍是传统使用的UZOR激光器的1520倍。尽管尺寸很小但是LENA具备了两种激光器的优点。比如He2Ne激光器和LGN2111激光器只有2530mW的输出LENA的输出功率可达100mW激光管的几何长度约为115mLENA的长度仅有几厘米。相对
13、于激光二极管LED的平均使用寿命很长超过20000h。很高的辐照亮度确保了对个体的大动态范围的照射剂量允许对大面积的皮肤和其他组织进行照射而不损失有效的照射能量。LENA对很多疾病的治疗显示了广阔的应用前景比如免疫缺陷、心肌梗死、心肌萎缩、脑部疾病或者需要进行静脉内血液照射的疾病中。很高的输出功率可以只对靶目标的皮肤进行照射由于具有很深的透射深度就可以穿过皮肤作用于皮下组织和血液。这样就不必像He2Ne激光器那样必须插入血管光引导物。通过对以上学者的研究和工程实践的分析可以看出:红光光疗不同于其他光疗如红外光、紫外光、可见光等它既没有很强的热效应又比紫外光穿透力强可以作用于较深层组织。输出功率
14、大光斑大小可调直径58cm穿透深度达3cm以上而红外光大量被人体水分吸收穿透仅为011cm左右。红光光疗在应用上有诸多的优点:红光对急性炎症有很好的疗效而红外光对急性炎症是禁忌使用的。除治疗体表疾病外配加光学导管可以治疗诸多浅腔内疾病适应症范围广可满足治疗的各种需要性能稳定使用安全。?213?北京生物医学工程第24卷113其他单色及多色光疗除了单独使用红光和蓝光LED进行光疗以外研究人员还进行了其他单色光如黄绿光双色结合如蓝绿结合多色及全波段的光疗的实验研究分析。我国学者高淑梅使用峰值波长570nm的黄绿LED刺激健康小白鼠的红细胞观察了其可视荧光光谱910。随着生理盐水中红细胞量的增加荧光的
15、主激发光谱从588nm移动到615nm。当鼠红细胞浓度达到1时最大荧光强度出现在600nm。发现老鼠的血液红血球、血色素的光谱轮廓相似。分析了LED诱导血细胞荧光光谱的物理机制。认为LED光疗有助于对血液荧光特征的了解。P.papagergiou等人使用了峰值波长415nm的蓝光和峰值波长660nm的红光对107位轻中度痤疮患者进行了随机分组治疗实验各组分别是蓝光、红蓝混合光、冷白光和5的过氧化霜剂11。实验表明:经过12周的每天15min光疗红蓝光平均有效率达到76。红蓝混合光的疗效明显高于其他两组光疗。他们认为红蓝混合光具有抗菌和消炎作用并且短期内没有明显的副作用。Al2Watban对比了
16、多色LED对糖尿病和非糖尿病兔子的烧伤康复的光疗作用12。多色LED是一簇25个LED波长分别为510543nm594599nm626639nm640670nm842879nm发射功率272mW。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。光照环境能够影响人的心理。不同位置和颜色的光照对人的心理刺激作用是不同的比如暖色调使人兴奋活跃冷色调使人安静。由于人造光源和自然光有差异所以长时间处于人造光源环境容易造成人的心理的紊乱。人的生理节奏和自然光的变化是一致的所以可以开发生理节奏的光源这种通过调整色温来模拟自然界的光。人的生
17、理节奏的峰值响应为蓝光460nm。通过增加LED蓝光就可以模拟红外相干能量图中普朗克轨迹的色温稳定人的心理13。同时可以设计全波段的LED阵列能够调整各色LED的发光强度从而满足心理治疗的不同波长和强度的要求。LED光疗还可以增强人体的免疫力。通过光化学反应使IgG从低抗原亲和性转到高抗原亲和性这种转化是多级不可逆的依赖光的波长和光强14。对于不同的疾病模型LED的光疗的效果也不同这是由于生物组织中的生物大分子吸收光产生的光生化效应不同导致的。采用双色组合甚至是全色光疗能诱导更复杂的光敏生化反应这方面的研究还在继续深入的进行。同时LED光疗的心理效应也受到了人们的重视相关研究值得探讨。2红外L
18、ED光疗研究进展红外线的生物效应主要是热效应红外线被机体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新陈代谢和细胞增生有消炎和镇痛作用。红外线对皮肤损伤表现为热红斑严重时可导致皮肤烧伤。红外光疗主要用于皮肤浅表疾患的治疗。红外线的这些生理效应一方面有利于人体健康有助于保健养生和疾病的康复这主要是改善血液循环和撤循环的作用改善免疫功能的作用另一方面可用于多种疾病治疗或辅助治疗。试验测试还发现当主辐射波段为40006000nm辐照度011Wm2辐照距离1015cm条件下进行辐照时皮下层温度可高于表面35这就产生了对皮下病毒的杀伤能力有利于浅层疾病的治疗。红外光疗分为远红外和近红外光疗两种:
19、远红外治疗使用28000m波长宽频带电磁波谱能量主要分布在225m峰值能量的波长在4um以上。主要通过生物热效应改善血液循环尤其是微循环。近红外治疗的波长范围为016116m水对0172116m的近红外难吸收近红外线不易被反射和散射如果采用线偏振调制穿透力增强穿透皮肤和组织深度可达5cm以上。现有的红外LED的发射波长在近红外区即016116m这为红外LED应用于此提供了条件。美国航空宇航总局NASA开发出了一种新型LED球型装置此装置的10cm长空心管内有三个通道分别导入LED电线冷却蒸馏水和011脂肪乳液冷却蒸馏水围绕LED发光芯片进行循环冷却整个装置可保持在体温37以下脂肪乳液使LED光
20、均匀分散球心中央放置144个LED发光芯片其LED总输出功率可达到110W球的直径2cm5cm选用的LED芯片波长由治疗的需要来决定包括680、730、880三个红色和近红外波长。该装置输出功率高省去了光纤输出所以减少50的损耗在光动力治疗食道癌时将该装置放入食道内能杀死食道内避光处的肿瘤细胞15。美国宇航局NASA在太空飞船中用LED阵光源630800nm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LED2PDT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16。Whelan等人采用688nm的LED对体外培养的上皮细胞进行
21、一定剂量的照射测得繁殖率比对照组增加557117。Whelan还对高血糖老鼠创伤康复的LED光疗中基因表达改变进行了研究18。将药物植入老鼠背部皮下每天进行LED光疗最后切开皮肤去除药物海绵提取RNA随后使用cDNA阵列进行分析。结果表明:相对没有光疗的样本进行光疗的组织中基因再生很明显。LED光?313?第4期LED应用于光疗的研究进展疗能加速自然伤口的愈合进程使病患更快的恢复到病前的活动能力水平。同红外激光器相比现在市场上的光疗仪都是气体或者固体激光器为照射治疗光源的新型的采用半导体激光器。激光器的控制电路复杂而且固体和气体激光器需要冷却。虽然激光的方向性和单色性好但是激光的辐照面积太小波
22、长带宽很窄有时反而不利于治疗另外一个重要因素半导体激光器的使用寿命较短极容易由于静电原因而损坏相比起来LED不但价格更低廉使用寿命相当长属于冷光源。电路实现简单更利于家庭便携的光动力治疗。3紫外LED光疗展望紫外线是治疗皮肤病的重要手段其中311313nm的窄谱中波紫外线与340400nm的长波紫外线对某些皮肤病有独特的疗效。紫外光疗对于特异性皮炎、白癜风、硬皮病、皮肤T细胞淋巴瘤等皮肤病的疗效正得到许多学者的认可尽管还有些长期不良反应还没有得到充分认识。由于紫外LED最近才研究出来利用紫外LED进行光疗的研究还没有报道。日亚化学工业成功开发出发光波长为365nm、发光功率为100mW的紫外发
23、光二极管。南昌大学也在2002成功研制出紫外LED光输出功率大于50W。传统的紫外灯是采取汞蒸气放电方法以获取紫外光源。与其相比紫外发光二极管发光的紫外光光子能量大是一种新的半导体光电器材符合环保要求。紫外发光二极管直径小于5mm寿命在10万小时比紫外灯长100倍具有单色性好、体积小、寿命长、响应速度快、可靠性高等特点。由以上特性可知利用单个紫外LED或者多个组成不同形状的阵列可以进行紫外光疗的探索。4LED光疗的展望目前研究使用的光疗仪器大多使用激光为光源这主要是由于激光应用于光疗领域历史相对LED较长。随着LED的发展其发光功率、发光强度、单色性、发射角等都向激光靠拢。由于激光是相干光LE
24、D发光是接近自然光的非相干光这就引导研究人员对两者的生物效应的不同进行对比分析Karu等人研究认为光的刺激效应与是否相干光无关19用相干和不相干的红光治疗溃疡有相同的效果20。目前LED所能覆盖的波长从紫外到红外都有典型的波长有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为光疗仪器的多功能化开辟了道路。比如安捷伦公司推出了可见光的橘红、纯绿、蓝三色超亮LED。目前使用的光源多为激光光源如He2Ne红色激光。常用的
25、光敏剂是血卟啉衍生物其激发光谱405nm发射光谱630nm可用相应波长的蓝光和红光LED进行替代检测和治疗。以激光为光源的治疗当对体内或者皮下深层治疗时多采用光纤导光。如果使用LED微型胶囊光源就可以进行皮下埋敷治疗或者运动到体内腔道的相应部位进行光疗。目前已经设计出了这样的微型光电模块由光源、微处理器、微型光学器件以及不同的形式的电源:自带电池或者通过脉冲磁场传送能量。已经研制成的有8mm16mm大小的自嵌电源的能工作几个小时功率从几十毫瓦到几毫瓦的治疗模块。进行了口腔炎症和耳鼻喉的炎症的治疗21。操作方便同时降低了对病变组织周围正常组织的损伤。综上分析可以看出随着LED照明世纪的到来LED
26、以其在光强、波长、价格、寿命、外型尺寸等方面的固有优势有理由成为光学治疗的新光源为光学治疗的进一步应用开辟新的道路。参考文献1杨光英吴晓翠.新生儿黄疸治疗进展.临床儿科杂志2003214:249-2502VremanHJWongRJetal.Light2emittingdiodes:anovellightsourceforphototherapy.PediatricResearch1998445:804-8093Anewbluelight2emittingphototherapydevice.aprospectiverandomizedcontrolledstudy.JPediatr20001
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