LED在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究

1、LED在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究劉振華2012年10月24日目錄 引言 產(chǎn)品背景 LED醫(yī)學(xué)應(yīng)用原理 LED醫(yī)療照明應(yīng)用現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)LED醫(yī)療照明市場(chǎng)分析 國(guó)內(nèi)LED醫(yī)療照明主要問(wèn)題 LED光療應(yīng)用背景 LED光療優(yōu)點(diǎn) LED光療研究進(jìn)展 LED醫(yī)療應(yīng)用展望引言發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)驅(qū)動(dòng)電路易于控制，使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格低廉。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，LED在發(fā)光強(qiáng)度、峰值波長(zhǎng)、半波帶寬等參數(shù)性能上有很大提高?，F(xiàn)階段單個(gè)LED的光通量已經(jīng)超過(guò)125lm/W；峰值波長(zhǎng)越來(lái)越穩(wěn)定，半波帶寬更窄，單色性能好；方向性好；覆蓋波長(zhǎng)從紫外到紅外，幾乎可以找到任意波長(zhǎng)的單色LED。

2、這些特性為L(zhǎng)ED應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域提供了技術(shù)基礎(chǔ)。LED醫(yī)療應(yīng)用包括:光療醫(yī)用照明；光線在自律神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)中的應(yīng)用；光線與生理時(shí)鐘應(yīng)用；季節(jié)性憂郁癥治療；以應(yīng)用于特殊部位或特殊病癥治療的特種波長(zhǎng)、強(qiáng)度的光治療設(shè)備，如光動(dòng)力治療儀、紅外光病毒滅活儀、新生兒黃疸藍(lán)光治療儀、痤瘡粉刺光療儀以及紫外消毒燈等。產(chǎn)品背景從戶外到室內(nèi)，從特種到通用，LED在照明領(lǐng)域的地盤不斷擴(kuò)大。據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2012年到2017年，LED在手術(shù)照明方面的應(yīng)用預(yù)計(jì)將會(huì)以每年76.4%的速度高速增長(zhǎng)。不少企業(yè)加大馬力，向醫(yī)療照明進(jìn)軍。然而，與通用照明相比，醫(yī)療照明無(wú)論在照明需求還是市場(chǎng)準(zhǔn)入方面都有一定的特殊性。作為特殊照明

3、，LED醫(yī)療照明具有高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、高進(jìn)入門檻等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)LED醫(yī)療照明市場(chǎng)目前也尚處于初級(jí)階段，無(wú)論是市場(chǎng)規(guī)模還是生產(chǎn)企業(yè)都還較少。隨著國(guó)家對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生及國(guó)民健康的關(guān)注與投入的加大，醫(yī)療器械行業(yè)飛速發(fā)展，醫(yī)療照明需求日益擴(kuò)大，也給LED醫(yī)療照明發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。LED醫(yī)學(xué)應(yīng)用原理LED醫(yī)用照明原理：LED在實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定向照明、高強(qiáng)度照明、調(diào)光控制、實(shí)現(xiàn)高顯色性、低光譜傷害等方面具有先天優(yōu)勢(shì)，可以有力克服常規(guī)醫(yī)療照明的不足。比如，LED是點(diǎn)光源、定向照明光源，只需通過(guò)合理的芯片與封裝設(shè)計(jì)，并稍微配合一點(diǎn)二次配光，就可以實(shí)現(xiàn)理想的定向照明，其光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、配光效果理想；LED的發(fā)射光譜全部

4、在可見光區(qū)域，沒(méi)有紫外、紅外等有害光譜成分，可以杜絕紫外光對(duì)人體組織的傷害以及紅外光造成的體液揮發(fā)及組織灼傷等。LED光療原理：利用生物組織吸收不同波長(zhǎng)的光能，并將其轉(zhuǎn)化成熱能和化學(xué)能，導(dǎo)致體內(nèi)產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到所需不同療效。光療的機(jī)理歸結(jié)起來(lái)分為：光致分解、光致聚合、光致氧化和光致敏化四種。LED作為光療源，其波長(zhǎng)幾乎適應(yīng)光療的從紫外到紅外的全波段。LED醫(yī)療照明應(yīng)用現(xiàn)狀目前，在全球LED 通用照明領(lǐng)域內(nèi)雖已形成了以美國(guó)、亞洲、歐洲三大區(qū)域?yàn)橹鲗?dǎo)的三足鼎立的產(chǎn)業(yè)分布與競(jìng)爭(zhēng)格局，而且美國(guó)Cree，Lumileds，日本Nichia，ToyodaGosei，德國(guó)Osram 等大型企業(yè)基本

5、壟斷了高端產(chǎn)品的市場(chǎng)。但是，在LED的醫(yī)療照明領(lǐng)域應(yīng)用方面，因LED醫(yī)療照明屬于醫(yī)療器械范疇，具有嚴(yán)格的法律法規(guī)要求，在規(guī)格、規(guī)范及認(rèn)證方面也十分嚴(yán)格，時(shí)至今日也僅有歐美少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家以及我國(guó)的少數(shù)LED 照明企業(yè)在研發(fā)類似項(xiàng)目。因此，國(guó)內(nèi)外的差距相對(duì)較小，正可謂方興未艾、中外同步且機(jī)會(huì)均等。地區(qū)國(guó)內(nèi)外醫(yī)療照明燈具品牌德國(guó)馬克博士(DR MACH)、肯莎維(BERCHTOLD)、馬丁(MARTIN)、賀利氏(Heraeus)、邁柯唯(MAQUET、Healforce)、德爾(DRAGOR)、百合(Berchtold)等法國(guó)邁外(ALM、HERUS、HANNUEX)、喜萬(wàn)年(SYLVANIA)、肯

6、莎維(kenswick)等美國(guó)AMOSCO、醫(yī)用照明(NUVO)、波頓(Burton)、MIDMARK、思泰瑞(Amsco)等臺(tái)灣三豐集團(tuán)、美迪蘭(MEDILAND)、雅科美德等大陸上海五廠、上海匯豐、上海醫(yī)達(dá)、山東銘泰、山東育達(dá)、江蘇科凌、汕頭福利等國(guó)內(nèi)LED醫(yī)療照明市場(chǎng)分析需求量：每年大約需要有幾千臺(tái)以上需求結(jié)構(gòu)：輻射城市到城鎮(zhèn)、農(nóng)村需求特點(diǎn)：LED醫(yī)療手術(shù)無(wú)影燈需求日增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年我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)療照明行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模及增長(zhǎng)情況年我國(guó)

7、傳統(tǒng)醫(yī)療照明行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模及增長(zhǎng)情況國(guó)內(nèi)LED醫(yī)療照明主要問(wèn)題對(duì)新問(wèn)題的研究投入不足 由于LED醫(yī)療照明是一個(gè)跨學(xué)科交叉的新興照明領(lǐng)域，因此派生出許多新的問(wèn)題，如將醫(yī)學(xué)解剖與色度學(xué)結(jié)合，通過(guò)改變光源的色溫、顯色性，突出對(duì)某種組織器官的分辨能力;將醫(yī)療消毒除塵與空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)合，進(jìn)行光源結(jié)構(gòu)流線型優(yōu)化；將生理學(xué)與心理學(xué)、美學(xué)結(jié)合，研究健康照明、改善醫(yī)院整體照明效果；將醫(yī)療照明特點(diǎn)與半導(dǎo)體照明優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，研究、開拓全新的醫(yī)療照明理念，獲得全新的醫(yī)療照明體驗(yàn)，開發(fā)全新的醫(yī)療照明產(chǎn)品，提升現(xiàn)有醫(yī)療照明的水平。 面對(duì)這些醫(yī)療照明的特殊需要，LED醫(yī)療照明已經(jīng)暴露出研究力量匱乏、研究基礎(chǔ)及研究資金不足的先天缺陷

8、，因此急需從基礎(chǔ)研究出發(fā)，提出科學(xué)概念、原理，然后構(gòu)建模型、原型器件和應(yīng)用，再進(jìn)一步延伸到技術(shù)路線，通過(guò)工程化、產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程，最后形成產(chǎn)品，這樣才能走出“仿制”道路，改變國(guó)產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備一直落于進(jìn)口醫(yī)療設(shè)備的狀況。國(guó)內(nèi)LED醫(yī)療照明主要問(wèn)題新技術(shù)需要新標(biāo)準(zhǔn) 目前已有的燈具標(biāo)準(zhǔn)在安全、性能、電磁兼容和能效方面都適用于LED醫(yī)療照明，只是LED醫(yī)療照明燈具的一些已知特性在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中尚無(wú)具體體現(xiàn)，所以為保證LED醫(yī)療照明燈具具有良好的性能和能效，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)LED醫(yī)療照明燈具的特性，制定LED燈具特殊的性能和能效標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)急需解決的課題。 目前由于LED醫(yī)療照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)尚無(wú)，故標(biāo)準(zhǔn)編制、發(fā)布

9、工作及相應(yīng)檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)方法確定工作亟待完善，從而對(duì)LED醫(yī)療照明產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)或認(rèn)證。新技術(shù)需要核心專利 影響發(fā)展的眾多因素中，技術(shù)問(wèn)題是目前橫在國(guó)內(nèi)LED企業(yè)面前的首要障礙。然而國(guó)內(nèi)掌握LED核心技術(shù)的企業(yè)很少，大部分企業(yè)處在中下游產(chǎn)業(yè)鏈；上游產(chǎn)業(yè)鏈中只有少數(shù)國(guó)內(nèi)企業(yè)，且生產(chǎn)異常艱難。LED光療應(yīng)用背景采用光來(lái)治療人類的疾病是一種很古老的方法，早在幾千年前中國(guó)、埃及等國(guó)就采用日光來(lái)治療疾病。LED作為一種新型光源，隨著其生物學(xué)效應(yīng)逐步被人們所認(rèn)識(shí)，目前正逐步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中并發(fā)揮積極的作用。隨著半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展， 新型發(fā)光二極管(light emitting diode , LED) 不

10、斷推出。相對(duì)以前的LED， 無(wú)論是在發(fā)光強(qiáng)度、峰值波長(zhǎng)、半波帶寬等各項(xiàng)參數(shù)性能上都有很大的提高。發(fā)光強(qiáng)度越來(lái)越高，單個(gè)LED 的光通量已經(jīng)超過(guò)125lm/W； 峰值波長(zhǎng)越來(lái)越穩(wěn)定, 可以穩(wěn)定在2nm； 半波帶寬更窄，達(dá)到10nm，單色性能更好；半功率角可以達(dá)到10， 方向性更好； 覆蓋波長(zhǎng)從紫外到紅外，幾乎可以找到任意波長(zhǎng)的單色LED，同時(shí)性能優(yōu)良的雙色、三色、白色LED也開發(fā)了出來(lái)。這為L(zhǎng)ED 應(yīng)用于光療提供了基礎(chǔ)。LED光療優(yōu)點(diǎn)可以構(gòu)成任何幾何形狀，任何尺寸的點(diǎn)、線、面光源?？蓸?gòu)成柔軟光源與毯子式光源，甚至可與服裝相結(jié)合。例用藍(lán)光LED封裝在毯子狀嬰兒被內(nèi)則可照射新生兒治療黃疸癥，而不用將

11、嬰兒眼部用眼罩保護(hù)眼睛?？捎玫陀?V的直流電壓工作，而不存在諸如汞蒸氣燈的用電安全問(wèn)題。作光療光源，其照射面光斑面積，照射光強(qiáng)度，都可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，也可調(diào)節(jié)照射光的光色，十分易于控制。作光源的光療設(shè)備可制成便攜式、固定式，按不同光療要求制成不同型式的光源，除紅外與紫外光在使用時(shí)要加以防范外，其他紅、藍(lán)光光色純，且無(wú)光污染，也無(wú)輻射溫度，不會(huì)損傷操作者和病員，是冷光安全光源。LED光療研究進(jìn)展藍(lán)光光療 LED藍(lán)光光療的典型應(yīng)用是新生兒黃疸的治療。膽紅素能吸收的光線以波長(zhǎng)450460nm 最佳，而藍(lán)光波長(zhǎng)主峰在425475nm 之間，至今仍是光療最好的光源。 美國(guó)natus 公司生產(chǎn)的EO BLU

12、E LED 光療儀。通過(guò)藍(lán)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(yīng)。 H. J . Vreman 通過(guò)對(duì)比不同波長(zhǎng)的單個(gè)LED 的效應(yīng)，并制造了含有300個(gè)LED的光療儀模型1 。同傳統(tǒng)儀器的對(duì)比研究可通過(guò)對(duì)人體血清白蛋白的光降解的測(cè)量來(lái)進(jìn)行。對(duì)比了藍(lán)光、藍(lán)綠光、綠光、白光LED , 藍(lán)光最有效果。 以色列的研究人員設(shè)計(jì)了用GaN LED為窄帶藍(lán)光光源的新型光療儀2 ,與傳統(tǒng)的光療儀相比，LED 光源的療效更顯著。 國(guó)內(nèi)醫(yī)護(hù)工作者牟園芬通過(guò)對(duì)比觀察, 認(rèn)為以藍(lán)光LED為光源的藍(lán)光毯沒(méi)有明顯副作用，而傳統(tǒng)光源的藍(lán)光箱則有發(fā)熱、煩躁、嘔吐、腹瀉、皮疹等副作用3 。LED光療研究進(jìn)展紅光

13、光療 紅光光療的機(jī)理是通過(guò)發(fā)射紅光帶狀光譜, 與人體組織線粒體的吸收譜產(chǎn)生共振, 產(chǎn)生高效率的光化學(xué)生物反應(yīng)酶促反應(yīng), 使線粒體過(guò)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(jìn)細(xì)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(dòng)力學(xué)治療的可行性4 。證實(shí)LED 光對(duì)壞疽細(xì)胞有足夠的殺傷力，可以替代激光器作為光動(dòng)力治療的光源。 Whelan 等采用670nm波長(zhǎng)的LED進(jìn)行光照治療，證實(shí)能夠緩解甲醇中毒的嚙齒模型動(dòng)物的甲酸誘導(dǎo)視網(wǎng)膜功能紊亂5 。 Daly Steven R 設(shè)計(jì)新型的LED 陣列6 , 對(duì)豬的肌肉光療證明有明顯的治療效

14、果，能夠治療體積較大的腫瘤。LED紅外光療儀LED光療研究進(jìn)展紫外光療 日本憑借其在藍(lán)光LED領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢(shì),在UV-LED方面的進(jìn)展舉世矚目。尤其是日亞公司，在365nmUV-LED的研究上遙遙領(lǐng)先。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所公布了其一項(xiàng)發(fā)明，他們用260nm的發(fā)光二極管(LED) 制作出具有殺菌效果明顯的紫外線燈。 美國(guó)在深紫外的研究方面領(lǐng)先,但是近年已經(jīng)被日本超越；我國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)起步相對(duì)較晚,在該領(lǐng)域也取得了一些進(jìn)步。 國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域近年發(fā)展很快。與藍(lán)光不同，紫外LED正處于技術(shù)發(fā)展期，專利和知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面限制較少，有利于引領(lǐng)未來(lái)的技術(shù)制高點(diǎn)。國(guó)內(nèi)在紫外LED的裝備、材料和器件方面都有了一定的積

15、累，目前正在積極向應(yīng)用模塊發(fā)展。在UV-LED成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)之前，還需要國(guó)家的引導(dǎo)和支持，以便在核心技術(shù)方面取得先機(jī)。LED紫外光療儀LED醫(yī)療應(yīng)用展望LED具有安全、可靠、體積小、電光轉(zhuǎn)換效率高、光譜覆蓋面廣、易操作、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。在低能量光療領(lǐng)域逐步代替了半導(dǎo)體激光器。相干性、光強(qiáng)、波長(zhǎng)、實(shí)用性和價(jià)格等方面， LED以它固有的優(yōu)勢(shì)，完全有可能在未來(lái)的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域替代目前的激光，并有希望形成一個(gè)專門服務(wù)于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)有資料報(bào)道多集中在紫外、藍(lán)光、紅光、近紅外等波段的LED療效，而對(duì)其它波段LED的醫(yī)療研究較少。 還需要生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究者掌握各種條件下光療對(duì)人體細(xì)胞的作用規(guī)律及其參

16、數(shù)、機(jī)理做深入的研究。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展， LED應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展巨大，各種實(shí)用、新型、簡(jiǎn)便、安全易推廣的LED系列醫(yī)療器械將更加廣泛地服務(wù)于生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。THANKS參考文獻(xiàn) 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 牟園芬. 藍(lán)光毯與藍(lán)光箱治療新生兒黃疸的療效比較. 護(hù)士進(jìn)修雜志, 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