LED應用于光療的研究進展

1、第24卷第4期2005年8月北京生物醫(yī)學工程beijingbiomedicalengineeringvol124no14aug.2005led應用于光療的研究進展項紅升1李明2霍榮齡2楊巍2孫君泓3摘要本文探討了不同波段的led在光療上的應用進展包括可見光、紅外光、紫外光三大部分。尤其是在可見光區(qū)和近紅外區(qū)的進展很大并有了一些工程和醫(yī)學實踐的證實。關鍵詞led光療理療中圖分類號r45412文獻標識碼a文章編號10022320820050420311205theapplicationandprospectofledinphototherapyxianghongsheng1liming2huoro

2、ngling2yangwei2sunjunhong2.1graduateschoolofchineseacademysciencesbeijing1000802instituteofelectricalengineeringchineseacademyofsciencesbeijing1000803universityofsydneysydneyaustralia.【abstract】lightemittingdiodeledwithdifferentwavelenghsincludingvisiblelightsinfraredlightsandultravioletlightsareuse

3、dinphototherapy.manybio2effectsofledareprovedinclinic.theprospectsofledinphototherapyarepredicted.【keywords】lightemittingdiodephototherapyphysicaltherpay作者單位:1中國科學院電工研究所生物電磁實驗室中國科學院研究生院北京1000802中國科學院電工研究所北京1000803澳大利亞悉尼大學醫(yī)學系中國科學院電工研究所生物醫(yī)學部北京100080作者簡介:項紅升1979男碩士研究生。光療作為一種有效的治療手段在臨床和工程上正得到越來越廣泛的應用。光療

4、的理論基礎是生物組織吸收光能并將光能轉(zhuǎn)變成熱能和化學能從而導致體內(nèi)產(chǎn)生一系列連鎖的化學反應。這些化學反應概括起來有四種類型:光致分解、光致氧化、光致聚合和光致敏化。不同波段的光所產(chǎn)生的生物效應也有不同由此人們研究開發(fā)了一些針對不同疾病的不同波段的治療方法和治療儀器。概括的講紅外光主要是利用它的熱效應機體吸收紅外光后引起體溫升高局部或全身血管擴張血流速度加快促進新陳代謝和細胞增生有消炎和鎮(zhèn)痛作用紫外光主要利用它的高能輻射殺菌治療各種病菌引起的皮膚病可見光的效應因波長不同而有差異:紅光可引起血液白細胞總數(shù)和嗜酸性粒細胞減少改善生長代謝降低血糖促進卵巢黃體形成。藍紫光是紅橙光生理作用的拮抗物能防止胰

5、島素低血糖癥能漂白血液中的膽紅素治療新生兒黃疸。隨著半導體工藝的快速發(fā)展新型發(fā)光二極管lightemittingdiodeled不斷推出。相對原來的led無論是在發(fā)光強度、峰值波長、半波帶寬等各項參數(shù)性能上都有很大的提高。發(fā)光強度越來越大單個led的光效果已經(jīng)超過100lmw峰值波長越來越穩(wěn)定可以穩(wěn)定在2nm半波帶寬更窄達到10nm單色性能更好半功率角可以達到10方向性更好覆蓋波長從紫外到紅外幾乎可以找到任意波長的單色led同時性能優(yōu)良的雙色、三色、白色led也開發(fā)出來了。這為led應用于光療提供了基礎。下面從可見、紅外、紫外led光療等三個方面進行討論。1可見光區(qū)在可見光范圍內(nèi)波長400nm

6、660nm之間一般的劃分是七色即赤橙黃綠青藍紫在光的生物效應研究中是按照食物效應來劃分的赤橙黃色的生物效應相似綠藍紫的生物效應也相似藍綠光是紅橙光的生物作用的拮抗物。總的來說藍光具有鎮(zhèn)靜作用紅光具有興奮的作用。111藍光光療藍光光療的典型應用是新生兒黃疸的治療。新生兒高未結合膽紅素血癥黃疸是新生兒常見多發(fā)病易導致聽力損害嚴重者可發(fā)生膽紅素腦病而影響生存質(zhì)量。體內(nèi)膽紅素吸收光線后通過氧化異構化產(chǎn)生膽綠色、無毒的水溶性吡咯經(jīng)膽汁和尿液排出通過改變膽紅素在體內(nèi)的代謝途徑而減輕新生兒黃疸1。膽紅素能吸收的光線以波長450460nm最佳而藍光波長主峰在425475nm之間至今仍是光療最好的光源。近年來制

7、造的高亮、超亮和超高亮的藍色發(fā)光二極管的主波長在460470nm發(fā)光強度超亮型10002000mcd超高亮型20003000mcd。視角半功率角較小一般在1520發(fā)光功率幾毫瓦到幾十毫瓦不等已經(jīng)達到傳統(tǒng)的蒸氣藍燈或者藍光激光器的發(fā)光功率。在國外一些醫(yī)療研究開發(fā)單位已經(jīng)有一些采用藍光led作為治療光源的新生兒黃疸治療儀。比如美國natus公司生產(chǎn)的neoblueled光療儀。通過藍色發(fā)光二極管該光療儀提供極其有效的膽紅素退化效應。相對于傳統(tǒng)的光療設備neoblue紫外光的輻射量極低降低了對嬰兒皮膚的傷害紅外光的輻射量也極少降低了嬰兒體內(nèi)水分丟失的危險。通用電氣公司醫(yī)學部研制的藍光新生兒光療儀具有

8、三個藍光治療led燈可以對新生兒進行全方位的治療可以擊碎膽紅素色素沒有副作用。對led光療的療效國內(nèi)外也進行了相關的臨床觀察:h.j.vreman通過對比不同波長的單個led的效應并制造了含有300個led的光療儀模型2。同傳統(tǒng)儀器的對比研究可通過對人體血清白蛋白的光降解的測量來進行。對比了藍光、藍綠光、綠光、白光led藍光最有效果。以色列的研究人員設計了用ganled為窄帶藍光光源的新型光療儀3光強度同傳統(tǒng)的光療儀大致一致甚至更強。通過對包括69個黃疸病患兒的群體進行開放隨機研究得到持續(xù)光療和血清膽紅素濃度下降的關系數(shù)據(jù)。led光源的結果-3116mmollh傳統(tǒng)光源的是-2119mmoll

9、h說明led光源的療效更顯著。國內(nèi)醫(yī)護工作者的觀察也證實了led藍光光療儀的療效。牟園芬通過對比觀察認為以藍光led為光源的藍光毯沒有明顯副作用而傳統(tǒng)光源的藍光箱則有發(fā)熱、煩躁、嘔吐、腹瀉、皮疹等副作用4。綜上分析藍光led光療在臨床使用上有顯著的優(yōu)點尤其對早產(chǎn)兒高膽紅素血癥的效果好。藍光led具有以下臨床優(yōu)點:體積小開放治療不需中斷其他治療減少了護理工作量治療時患者無需裸露副作用少led是冷光源不產(chǎn)熱因此不會導致體溫升高。光墊不直接照射面部不會對眼睛造成損害。由于其獨特的優(yōu)越性成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)藍光箱治療的有效方法。112紅光光療紅光光療的作用很廣泛治療的機理是通過發(fā)射紅光帶狀光譜與人體組織線粒體

10、的吸收譜產(chǎn)生共振其吸收的光子導入人體產(chǎn)生高效率的光化學生物反應酶促反應被細胞線粒體強烈吸收使線粒體過氧化氫酶、超氧化物岐化酶等多種酶的活性得到激發(fā)從而促進細胞的新陳代謝提高肌體免疫力。m.l.jode等人研究了650nm的led光源用于光動力學治療的可行性5。通過測量正常鼠肝上壞疽的深度對比銅蒸氣泵脯的染料激光器證實led光對壞疽細胞有足夠的殺傷力可以替代激光器作為光動力治療的光源。還有學者研究了采用led陣列治療周圍神經(jīng)系統(tǒng)疾病6。設計了圓柱表面分布的led陣列光學陣列的參數(shù):波長660nm帶寬小于20nm對水腫表面的光密度0153mwcm2覆蓋發(fā)病區(qū)域。在對病變區(qū)實行10天療程每天1520

11、min的照射治療后認為led陣列光療具有穩(wěn)定的鎮(zhèn)痛效果促使肌肉強度增強最終使標記的病變區(qū)減少。whelan等采用670nm波長的led進行光照治療證實能夠緩解甲醇中毒的嚙齒模型動物的甲酸誘導視網(wǎng)膜功能紊亂7。驗證實驗:一組甲醇陶醉一組甲醇陶醉并進行l(wèi)ed治療另一組不進行光療。led光療組:105s內(nèi)給50mwcm24jcm2的光療功率。眼電測量數(shù)據(jù)表明led光療能保護視網(wǎng)膜抵抗甲酸細胞毒素刺激細胞色素氧化酶的活性提高線粒體呼吸鏈的功能。dalystevenr設計新型的led陣列8設計專用的硅導管使用100個led壓封在底層另外50個放在頂層光譜帶寬從645670nm在38時輸出60mw的功率。

12、leds放入生物相容的硅材質(zhì)中再植入治療組織的空隙中。對豬的肌肉光療證明有明顯的治療效果能夠治療體積較大的腫瘤。俄羅斯常規(guī)人類病理生態(tài)科學研究所研制的新型生物刺激治療儀器是一種紅光和近紅外led光療儀lena。該設備可用于人體和動物身上。動物的光生物效應和人體的類似。采用高能led發(fā)光強度可達到4000mcd超過了he2ne激光器和lgn2111激光器2倍是傳統(tǒng)使用的uzor激光器的1520倍。盡管尺寸很小但是lena具備了兩種激光器的優(yōu)點。比如he2ne激光器和lgn2111激光器只有2530mw的輸出lena的輸出功率可達100mw激光管的幾何長度約為115mlena的長度僅有幾厘米。相對

13、于激光二極管led的平均使用壽命很長超過20000h。很高的輻照亮度確保了對個體的大動態(tài)范圍的照射劑量允許對大面積的皮膚和其他組織進行照射而不損失有效的照射能量。lena對很多疾病的治療顯示了廣闊的應用前景比如免疫缺陷、心肌梗死、心肌萎縮、腦部疾病或者需要進行靜脈內(nèi)血液照射的疾病中。很高的輸出功率可以只對靶目標的皮膚進行照射由于具有很深的透射深度就可以穿過皮膚作用于皮下組織和血液。這樣就不必像he2ne激光器那樣必須插入血管光引導物。通過對以上學者的研究和工程實踐的分析可以看出:紅光光療不同于其他光療如紅外光、紫外光、可見光等它既沒有很強的熱效應又比紫外光穿透力強可以作用于較深層組織。輸出功率

14、大光斑大小可調(diào)直徑58cm穿透深度達3cm以上而紅外光大量被人體水分吸收穿透僅為011cm左右。紅光光療在應用上有諸多的優(yōu)點:紅光對急性炎癥有很好的療效而紅外光對急性炎癥是禁忌使用的。除治療體表疾病外配加光學導管可以治療諸多淺腔內(nèi)疾病適應癥范圍廣可滿足治療的各種需要性能穩(wěn)定使用安全。?213?北京生物醫(yī)學工程第24卷113其他單色及多色光療除了單獨使用紅光和藍光led進行光療以外研究人員還進行了其他單色光如黃綠光雙色結合如藍綠結合多色及全波段的光療的實驗研究分析。我國學者高淑梅使用峰值波長570nm的黃綠led刺激健康小白鼠的紅細胞觀察了其可視熒光光譜910。隨著生理鹽水中紅細胞量的增加熒光的

15、主激發(fā)光譜從588nm移動到615nm。當鼠紅細胞濃度達到1時最大熒光強度出現(xiàn)在600nm。發(fā)現(xiàn)老鼠的血液紅血球、血色素的光譜輪廓相似。分析了led誘導血細胞熒光光譜的物理機制。認為led光療有助于對血液熒光特征的了解。p.papagergiou等人使用了峰值波長415nm的藍光和峰值波長660nm的紅光對107位輕中度痤瘡患者進行了隨機分組治療實驗各組分別是藍光、紅藍混合光、冷白光和5的過氧化霜劑11。實驗表明:經(jīng)過12周的每天15min光療紅藍光平均有效率達到76。紅藍混合光的療效明顯高于其他兩組光療。他們認為紅藍混合光具有抗菌和消炎作用并且短期內(nèi)沒有明顯的副作用。al2watban對比了

16、多色led對糖尿病和非糖尿病兔子的燒傷康復的光療作用12。多色led是一簇25個led波長分別為510543nm594599nm626639nm640670nm842879nm發(fā)射功率272mw。實驗表明多色led在對非糖尿病兔子的燒傷光療中效果不明顯與低功率激光的作用相似。但在對糖尿病兔子的燒傷康復中作用顯著。光照環(huán)境能夠影響人的心理。不同位置和顏色的光照對人的心理刺激作用是不同的比如暖色調(diào)使人興奮活躍冷色調(diào)使人安靜。由于人造光源和自然光有差異所以長時間處于人造光源環(huán)境容易造成人的心理的紊亂。人的生理節(jié)奏和自然光的變化是一致的所以可以開發(fā)生理節(jié)奏的光源這種通過調(diào)整色溫來模擬自然界的光。人的生

17、理節(jié)奏的峰值響應為藍光460nm。通過增加led藍光就可以模擬紅外相干能量圖中普朗克軌跡的色溫穩(wěn)定人的心理13。同時可以設計全波段的led陣列能夠調(diào)整各色led的發(fā)光強度從而滿足心理治療的不同波長和強度的要求。led光療還可以增強人體的免疫力。通過光化學反應使igg從低抗原親和性轉(zhuǎn)到高抗原親和性這種轉(zhuǎn)化是多級不可逆的依賴光的波長和光強14。對于不同的疾病模型led的光療的效果也不同這是由于生物組織中的生物大分子吸收光產(chǎn)生的光生化效應不同導致的。采用雙色組合甚至是全色光療能誘導更復雜的光敏生化反應這方面的研究還在繼續(xù)深入的進行。同時led光療的心理效應也受到了人們的重視相關研究值得探討。2紅外l

18、ed光療研究進展紅外線的生物效應主要是熱效應紅外線被機體吸收后引起體溫升高局部或全身血管擴張血流速度加快促進新陳代謝和細胞增生有消炎和鎮(zhèn)痛作用。紅外線對皮膚損傷表現(xiàn)為熱紅斑嚴重時可導致皮膚燒傷。紅外光療主要用于皮膚淺表疾患的治療。紅外線的這些生理效應一方面有利于人體健康有助于保健養(yǎng)生和疾病的康復這主要是改善血液循環(huán)和撤循環(huán)的作用改善免疫功能的作用另一方面可用于多種疾病治療或輔助治療。試驗測試還發(fā)現(xiàn)當主輻射波段為40006000nm輻照度011wm2輻照距離1015cm條件下進行輻照時皮下層溫度可高于表面35這就產(chǎn)生了對皮下病毒的殺傷能力有利于淺層疾病的治療。紅外光療分為遠紅外和近紅外光療兩種:

19、遠紅外治療使用28000m波長寬頻帶電磁波譜能量主要分布在225m峰值能量的波長在4um以上。主要通過生物熱效應改善血液循環(huán)尤其是微循環(huán)。近紅外治療的波長范圍為016116m水對0172116m的近紅外難吸收近紅外線不易被反射和散射如果采用線偏振調(diào)制穿透力增強穿透皮膚和組織深度可達5cm以上?，F(xiàn)有的紅外led的發(fā)射波長在近紅外區(qū)即016116m這為紅外led應用于此提供了條件。美國航空宇航總局nasa開發(fā)出了一種新型led球型裝置此裝置的10cm長空心管內(nèi)有三個通道分別導入led電線冷卻蒸餾水和011脂肪乳液冷卻蒸餾水圍繞led發(fā)光芯片進行循環(huán)冷卻整個裝置可保持在體溫37以下脂肪乳液使led光

20、均勻分散球心中央放置144個led發(fā)光芯片其led總輸出功率可達到110w球的直徑2cm5cm選用的led芯片波長由治療的需要來決定包括680、730、880三個紅色和近紅外波長。該裝置輸出功率高省去了光纖輸出所以減少50的損耗在光動力治療食道癌時將該裝置放入食道內(nèi)能殺死食道內(nèi)避光處的腫瘤細胞15。美國宇航局nasa在太空飛船中用led陣光源630800nm來對宇航員的肌肉與骨骼進行恢復治療和加速傷口的愈合均收到很好效果同時nasa還用led2pdt光動力學治療技術來對太空中由于宇宙射線可能引發(fā)的腫瘤的宇航員進行早期檢查與防治16。whelan等人采用688nm的led對體外培養(yǎng)的上皮細胞進行

21、一定劑量的照射測得繁殖率比對照組增加557117。whelan還對高血糖老鼠創(chuàng)傷康復的led光療中基因表達改變進行了研究18。將藥物植入老鼠背部皮下每天進行l(wèi)ed光療最后切開皮膚去除藥物海綿提取rna隨后使用cdna陣列進行分析。結果表明:相對沒有光療的樣本進行光療的組織中基因再生很明顯。led光?313?第4期led應用于光療的研究進展療能加速自然傷口的愈合進程使病患更快的恢復到病前的活動能力水平。同紅外激光器相比現(xiàn)在市場上的光療儀都是氣體或者固體激光器為照射治療光源的新型的采用半導體激光器。激光器的控制電路復雜而且固體和氣體激光器需要冷卻。雖然激光的方向性和單色性好但是激光的輻照面積太小波

22、長帶寬很窄有時反而不利于治療另外一個重要因素半導體激光器的使用壽命較短極容易由于靜電原因而損壞相比起來led不但價格更低廉使用壽命相當長屬于冷光源。電路實現(xiàn)簡單更利于家庭便攜的光動力治療。3紫外led光療展望紫外線是治療皮膚病的重要手段其中311313nm的窄譜中波紫外線與340400nm的長波紫外線對某些皮膚病有獨特的療效。紫外光療對于特異性皮炎、白癜風、硬皮病、皮膚t細胞淋巴瘤等皮膚病的療效正得到許多學者的認可盡管還有些長期不良反應還沒有得到充分認識。由于紫外led最近才研究出來利用紫外led進行光療的研究還沒有報道。日亞化學工業(yè)成功開發(fā)出發(fā)光波長為365nm、發(fā)光功率為100mw的紫外發(fā)

23、光二極管。南昌大學也在2002成功研制出紫外led光輸出功率大于50w。傳統(tǒng)的紫外燈是采取汞蒸氣放電方法以獲取紫外光源。與其相比紫外發(fā)光二極管發(fā)光的紫外光光子能量大是一種新的半導體光電器材符合環(huán)保要求。紫外發(fā)光二極管直徑小于5mm壽命在10萬小時比紫外燈長100倍具有單色性好、體積小、壽命長、響應速度快、可靠性高等特點。由以上特性可知利用單個紫外led或者多個組成不同形狀的陣列可以進行紫外光療的探索。4led光療的展望目前研究使用的光療儀器大多使用激光為光源這主要是由于激光應用于光療領域歷史相對led較長。隨著led的發(fā)展其發(fā)光功率、發(fā)光強度、單色性、發(fā)射角等都向激光靠攏。由于激光是相干光le

24、d發(fā)光是接近自然光的非相干光這就引導研究人員對兩者的生物效應的不同進行對比分析karu等人研究認為光的刺激效應與是否相干光無關19用相干和不相干的紅光治療潰瘍有相同的效果20。目前l(fā)ed所能覆蓋的波長從紫外到紅外都有典型的波長有365、380、410、460、500、520、560、590、610、630、650、670、730、880nm等幾乎滿足所有光療所需的波長。而且現(xiàn)在可以將兩個或者三個led發(fā)光芯片制作在同一個封裝可以滿足不同的組合光療的需要為光療儀器的多功能化開辟了道路。比如安捷倫公司推出了可見光的橘紅、純綠、藍三色超亮led。目前使用的光源多為激光光源如he2ne紅色激光。常用的

25、光敏劑是血卟啉衍生物其激發(fā)光譜405nm發(fā)射光譜630nm可用相應波長的藍光和紅光led進行替代檢測和治療。以激光為光源的治療當對體內(nèi)或者皮下深層治療時多采用光纖導光。如果使用led微型膠囊光源就可以進行皮下埋敷治療或者運動到體內(nèi)腔道的相應部位進行光療。目前已經(jīng)設計出了這樣的微型光電模塊由光源、微處理器、微型光學器件以及不同的形式的電源:自帶電池或者通過脈沖磁場傳送能量。已經(jīng)研制成的有8mm16mm大小的自嵌電源的能工作幾個小時功率從幾十毫瓦到幾毫瓦的治療模塊。進行了口腔炎癥和耳鼻喉的炎癥的治療21。操作方便同時降低了對病變組織周圍正常組織的損傷。綜上分析可以看出隨著led照明世紀的到來led

26、以其在光強、波長、價格、壽命、外型尺寸等方面的固有優(yōu)勢有理由成為光學治療的新光源為光學治療的進一步應用開辟新的道路。參考文獻1楊光英吳曉翠.新生兒黃疸治療進展.臨床兒科雜志2003214:249-2502vremanhjwongrjetal.light2emittingdiodes:anovellightsourceforphototherapy.pediatricresearch1998445:804-8093anewbluelight2emittingphototherapydevice.aprospectiverandomizedcontrolledstudy.jpediatr20001

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