LED在医学中的应用研究

1、LED在医学中的应用研究刘振华2012年10月24日目录 引言 产品背景 LED医学应用原理 LED医疗照明应用现状 国内LED医疗照明市场分析 国内LED医疗照明主要问题 LED光疗应用背景 LED光疗优点 LED光疗研究进展 LED医疗应用展望引言发光二极管(light emitting diode，LED)驱动电路易于控制，使用寿命长，价格低廉。随着半导体技术的不断发展，LED在发光强度、峰值波长、半波带宽等参数性能上有很大提高。现阶段单个LED的光通量已经超过125lm/W；峰值波长越来越稳定，半波带宽更窄，单色性能好；方向性好；覆盖波长从紫外到红外，几乎可以找到任意波长的单色LED。

2、这些特性为LED应用于医疗领域提供了技术基础。LED医疗应用包括:光疗医用照明；光线在自律神经系统调节中的应用；光线与生理时钟应用；季节性忧郁症治疗；以应用于特殊部位或特殊病症治疗的特种波长、强度的光治疗设备，如光动力治疗仪、红外光病毒灭活仪、新生儿黄疸蓝光治疗仪、痤疮粉刺光疗仪以及紫外消毒灯等。产品背景从户外到室内，从特种到通用，LED在照明领域的地盘不断扩大。据相关研究机构预测，2012年到2017年，LED在手术照明方面的应用预计将会以每年76.4%的速度高速增长。不少企业加大马力，向医疗照明进军。然而，与通用照明相比，医疗照明无论在照明需求还是市场准入方面都有一定的特殊性。作为特殊照明

3、，LED医疗照明具有高技术、高风险、高进入门槛等特点。国内LED医疗照明市场目前也尚处于初级阶段，无论是市场规模还是生产企业都还较少。随着国家对医疗卫生及国民健康的关注与投入的加大，医疗器械行业飞速发展，医疗照明需求日益扩大，也给LED医疗照明发展带来了新的机遇和挑战。LED医学应用原理LED医用照明原理：LED在实现定点、定向照明、高强度照明、调光控制、实现高显色性、低光谱伤害等方面具有先天优势，可以有力克服常规医疗照明的不足。比如，LED是点光源、定向照明光源，只需通过合理的芯片与封装设计，并稍微配合一点二次配光，就可以实现理想的定向照明，其光学系统简单、配光效果理想；LED的发射光谱全部

4、在可见光区域，没有紫外、红外等有害光谱成分，可以杜绝紫外光对人体组织的伤害以及红外光造成的体液挥发及组织灼伤等。LED光疗原理：利用生物组织吸收不同波长的光能，并将其转化成热能和化学能，导致体内产生一系列的化学反应，达到所需不同疗效。光疗的机理归结起来分为：光致分解、光致聚合、光致氧化和光致敏化四种。LED作为光疗源，其波长几乎适应光疗的从紫外到红外的全波段。LED医疗照明应用现状目前，在全球LED 通用照明领域内虽已形成了以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局，而且美国Cree，Lumileds，日本Nichia，ToyodaGosei，德国Osram 等大型企业基本

5、垄断了高端产品的市场。但是，在LED的医疗照明领域应用方面，因LED医疗照明属于医疗器械范畴，具有严格的法律法规要求，在规格、规范及认证方面也十分严格，时至今日也仅有欧美少数发达国家以及我国的少数LED 照明企业在研发类似项目。因此，国内外的差距相对较小，正可谓方兴未艾、中外同步且机会均等。地区国内外医疗照明灯具品牌德国马克博士(DR MACH)、肯莎维(BERCHTOLD)、马丁(MARTIN)、贺利氏(Heraeus)、迈柯唯(MAQUET、Healforce)、德尔(DRAGOR)、百合(Berchtold)等法国迈外(ALM、HERUS、HANNUEX)、喜万年(SYLVANIA)、肯

6、莎维(kenswick)等美国AMOSCO、医用照明(NUVO)、波顿(Burton)、MIDMARK、思泰瑞(Amsco)等台湾三丰集团、美迪兰(MEDILAND)、雅科美德等大陆上海五厂、上海汇丰、上海医达、山东铭泰、山东育达、江苏科凌、汕头福利等国内LED医疗照明市场分析需求量：每年大约需要有几千台以上需求结构：辐射城市到城镇、农村需求特点：LED医疗手术无影灯需求日增5.134.243.362.782.372.11.941.8601234562011年2010年2009年2008年2007年2006年2005年2004年 2004-2011年我国传统医疗照明行业市场规模及增长情况年我国

7、传统医疗照明行业市场规模及增长情况国内LED医疗照明主要问题对新问题的研究投入不足 由于LED医疗照明是一个跨学科交叉的新兴照明领域，因此派生出许多新的问题，如将医学解剖与色度学结合，通过改变光源的色温、显色性，突出对某种组织器官的分辨能力;将医疗消毒除尘与空气动力学结合，进行光源结构流线型优化；将生理学与心理学、美学结合，研究健康照明、改善医院整体照明效果；将医疗照明特点与半导体照明优点结合，研究、开拓全新的医疗照明理念，获得全新的医疗照明体验，开发全新的医疗照明产品，提升现有医疗照明的水平。 面对这些医疗照明的特殊需要，LED医疗照明已经暴露出研究力量匮乏、研究基础及研究资金不足的先天缺陷

8、，因此急需从基础研究出发，提出科学概念、原理，然后构建模型、原型器件和应用，再进一步延伸到技术路线，通过工程化、产业化的过程，最后形成产品，这样才能走出“仿制”道路，改变国产医疗设备一直落于进口医疗设备的状况。国内LED医疗照明主要问题新技术需要新标准 目前已有的灯具标准在安全、性能、电磁兼容和能效方面都适用于LED医疗照明，只是LED医疗照明灯具的一些已知特性在现有标准中尚无具体体现，所以为保证LED医疗照明灯具具有良好的性能和能效，在现有标准的基础上，针对LED医疗照明灯具的特性，制定LED灯具特殊的性能和能效标准是一项急需解决的课题。 目前由于LED医疗照明产品标准尚无，故标准编制、发布

9、工作及相应检测设备、检测方法确定工作亟待完善，从而对LED医疗照明产品进行质量评价或认证。新技术需要核心专利 影响发展的众多因素中，技术问题是目前横在国内LED企业面前的首要障碍。然而国内掌握LED核心技术的企业很少，大部分企业处在中下游产业链；上游产业链中只有少数国内企业，且生产异常艰难。LED光疗应用背景采用光来治疗人类的疾病是一种很古老的方法，早在几千年前中国、埃及等国就采用日光来治疗疾病。LED作为一种新型光源，随着其生物学效应逐步被人们所认识，目前正逐步应用于医学中并发挥积极的作用。随着半导体工艺的快速发展， 新型发光二极管(light emitting diode , LED) 不

10、断推出。相对以前的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。发光强度越来越高，单个LED 的光通量已经超过125lm/W； 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也开发了出来。这为LED 应用于光疗提供了基础。LED光疗优点可以构成任何几何形状，任何尺寸的点、线、面光源。可构成柔软光源与毯子式光源，甚至可与服装相结合。例用蓝光LED封装在毯子状婴儿被内则可照射新生儿治疗黄疸症，而不用将

11、婴儿眼部用眼罩保护眼睛。可用低于6V的直流电压工作，而不存在诸如汞蒸气灯的用电安全问题。作光疗光源，其照射面光斑面积，照射光强度，都可根据需要调节，也可调节照射光的光色，十分易于控制。作光源的光疗设备可制成便携式、固定式，按不同光疗要求制成不同型式的光源，除红外与紫外光在使用时要加以防范外，其他红、蓝光光色纯，且无光污染，也无辐射温度，不会损伤操作者和病员，是冷光安全光源。LED光疗研究进展蓝光光疗 LED蓝光光疗的典型应用是新生儿黄疸的治疗。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。 美国natus 公司生产的EO BLU

12、E LED 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。 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1 。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GaN LED为窄带蓝光光源的新型光疗仪2 ,与传统的光疗仪相比，LED 光源的疗效更显著。 国内医护工作者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3 。LED光疗研究进展红光

13、光疗 红光光疗的机理是通过发射红光带状光谱, 与人体组织线粒体的吸收谱产生共振, 产生高效率的光化学生物反应酶促反应, 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4 。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5 。 Daly Steven R 设计新型的LED 阵列6 , 对猪的肌肉光疗证明有明显的治疗效

14、果，能够治疗体积较大的肿瘤。LED红外光疗仪LED光疗研究进展紫外光疗 日本凭借其在蓝光LED领域的先发优势,在UV-LED方面的进展举世瞩目。尤其是日亚公司，在365nmUV-LED的研究上遥遥领先。日本产业技术综合研究所公布了其一项发明，他们用260nm的发光二极管(LED) 制作出具有杀菌效果明显的紫外线灯。 美国在深紫外的研究方面领先,但是近年已经被日本超越；我国台湾和韩国起步相对较晚,在该领域也取得了一些进步。 国内在该领域近年发展很快。与蓝光不同，紫外LED正处于技术发展期，专利和知识产权方面限制较少，有利于引领未来的技术制高点。国内在紫外LED的装备、材料和器件方面都有了一定的积

15、累，目前正在积极向应用模块发展。在UV-LED成大规模产业之前，还需要国家的引导和支持，以便在核心技术方面取得先机。LED紫外光疗仪LED医疗应用展望LED具有安全、可靠、体积小、电光转换效率高、光谱覆盖面广、易操作、价格低等优点。在低能量光疗领域逐步代替了半导体激光器。相干性、光强、波长、实用性和价格等方面， LED以它固有的优势，完全有可能在未来的生物医学领域替代目前的激光，并有希望形成一个专门服务于生物医学领域的新产业。现有资料报道多集中在紫外、蓝光、红光、近红外等波段的LED疗效，而对其它波段LED的医疗研究较少。 还需要生物医学领域的研究者掌握各种条件下光疗对人体细胞的作用规律及其参

16、数、机理做深入的研究。随着LED技术的不断发展， LED应用于医疗领域的发展巨大，各种实用、新型、简便、安全易推广的LED系列医疗器械将更加广泛地服务于生物、医学领域。THANKS参考文献 1 Vreman HJ , Wong RJ , et al . Light2emitting diodes : a novel light source for phototherapy. Pediatric Research , 1998 , 44 (5) : 804- 809 2 A new blue light2emitting phototherapy device. a prospective r

17、andomized controlled study. J Pediatr , 2000 , 136 (6) : 771-775 3 牟园芬. 蓝光毯与蓝光箱治疗新生儿黄疸的疗效比较. 护士进修杂志, 2001 , 16 (11) : 814 - 815 4 JodeML , Dilkes Mike G, et al . NewLED source for photodynamic therapy: preclinical study. Proceedings of SPIE2The International Society for Optical Engineering , 1996 , 2629 : 299 - 305 5 Whelan HT , Wong2Riley Margaret TT , Eells Janis T. Protection against methanol2Induced reti