LED光源在生物醫學中的應用分析

文章來源:恒光電器

發布時間:2017-03-05

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目前LED PDT、LED皮 膚美容、LED熒光光譜檢測技術等已取得了創新性 和實用性的成果。但是，LED光源應用于生物 醫學領域的研究還有大量的實際工作要做，包括繼 續開發光效率更好的醫用大功率LED、開發專業服 務于生物醫學領域的LED醫療器件、系統研究LED 作用于人體各類細胞的生理機制、研究在太空中用 LED光源對宇航員進行恢復治療等，還需要LED生 物醫學行業人士給予足夠的重視。

本文首先分析了生物醫學用LED光源的特點, 之后就LED光源在生物醫學中應用的情況、存在的 問題進行介紹與探討，并對LED光源應用在生物醫 學中的前景進行了展望。

1生物醫學用LED光源的特點

隨著LED光源技術的發展，LED在發光效率、 顏色穩定性、色品等參數性能上有了很大的提高。 這為LED光源應用于生物醫學領域奠定了基礎。與 傳統的生物醫學用光源相比，LED光源具有以下特 點與優勢：

1)  安全可靠。LED為非熱效應固態冷光源, 不會對皮膚、眼睛、肌肉等造成熱損傷，且低電壓 驅動，相比高壓驅動的激光光源系統，具有更高的 安全性；此外，LED光源具有使用壽命長的優勢, 應用在醫療設備中可保障其具有較高的可靠性。

2)  節能環保。LED發光效率高，應用在醫療 空間需要功能性照明的場所，可以實現照明節能，

同時兼有無汞、無紫外輻射等優點。

3)  波長范圍廣。LED發射的光的波長已經覆 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，避免了雜散光的干擾，同時便于實現調 光、調色。

5)  體積小。小體積的LED給醫用設備的設計 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，可精準控光，便于靶 向治療、精準探測。

此外，相比于生物醫學用激光光源系統，LED 光源醫療器械的整體成本相對較低。

2應用分析

LED光源應用于生物醫學領域的實驗基礎和理 論基礎是由KARU T I、YOUNG S等人奠定的。 他們通過實驗研究，從細胞分子水平上，提出光刺 激效應、光療等主要與光的波長、照射劑量和照射 方式有關，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光源在生物醫學 領域的應用。

近年來，隨著LED光源性價比的不斷提高， LED光源在生物醫學的應用在不斷增多。LED光源 在生物醫學中的應用主要包括醫療照明、光照治療、 生物醫學診斷等。

2.1   LED光源在生物醫學治療中的應用

作為新的治療方法，光照治療替代抗生素的研 究，已成為生物醫學領域的熱門課題。隨著LED發 光效率的不斷提升、波長范圍的不斷擴大、LED作 用活體細胞的生理機制研究的不斷深入，LED光源 在生物醫學治療中的應用也越來越廣。

2.1.1應用在皮膚醫學中

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 組織結構，其中660nm波長的LED光源發出的光可 以到達皮膚組織真皮的網狀層，從而對真皮中的皮 膚纖維細胞發揮作用；藍光（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 皮膚角質層形成細胞，釋放內皮素等。作為非熱效 應光源，LED光源被用于治療皮膚炎癥、痤瘡、色 素沉著、創面愈合、疤痕預防等的研究，已取得了 諸多臨床應用成果。

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

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、不同強度的光的吸收不同，從 而產生不同的生物學效應。LED光可以刺激皮膚細 胞線粒體的新陳代謝，刺激纖維原細胞的活性，從 而促進膠原細胞和彈性細胞的產生，以實現皮膚再 生、提升皮膚修復能力。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 常細胞，使其失去活力并被其周圍的正常細胞和組 織吸收，從而實現治療痤瘡、濕疹等皮膚病，達到 美容的效果。

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

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光源技術的不斷 創新，LED皮膚生物學效應機理研究的不斷深入, LED在皮膚醫學上的應用具有不可限量的前景。 2.1.2應用在生理節律上

David Berson發現了人眼視網膜上存在一種新 的感光細胞（ipRGC),它獨立于人眼的桿狀細胞和 錐狀細胞，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，從而參與調解人體 的多項生理效應，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、亮度等性能參數可調節的優勢，為其 在調節人體生理節律中的應用提供了條件。

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

2)  LED光源用于促進睡眠。工作時間不規律、 生活作息不規律、各種發光設備的過多使用與接觸 等，已影響到人的正常生理節律，引起神經衰弱、 失眠等不良病狀。睡眠與大腦松果腺分泌的褪黑素 有關，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。實驗表明 LED的藍光波段與褪黑素的分泌密切相關，可以通 過人為調節藍光波段的LED,有效地調節褪黑素的 分泌，從而實現改善睡眠質量、治療失眠等睡眠障 礙的效果。