LED光源在生物医学中的应用分析

文章来源:恒光电器

发布时间:2017-03-05

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目前LED PDT、LED皮 肤美容、LED荧光光谱检测技术等已取得了创新性 和实用性的成果。但是，LED光源应用于生物 医学领域的研究还有大量的实际工作要做，包括继 续开发光效率更好的医用大功率LED、开发专业服 务于生物医学领域的LED医疗器件、系统研究LED 作用于人体各类细胞的生理机制、研究在太空中用 LED光源对宇航员进行恢复治疗等，还需要LED生 物医学行业人士给予足够的重视。

本文首先分析了生物医学用LED光源的特点, 之后就LED光源在生物医学中应用的情况、存在的 问题进行介绍与探讨，并对LED光源应用在生物医 学中的前景进行了展望。

1生物医学用LED光源的特点

随着LED光源技术的发展，LED在发光效率、 颜色稳定性、色品等参数性能上有了很大的提高。 这为LED光源应用于生物医学领域奠定了基础。与 传统的生物医学用光源相比，LED光源具有以下特 点与优势：

1)  安全可靠。LED为非热效应固态冷光源, 不会对皮肤、眼睛、肌肉等造成热损伤，且低电压 驱动，相比高压驱动的激光光源系统，具有更高的 安全性；此外，LED光源具有使用寿命长的优势, 应用在医疗设备中可保障其具有较高的可靠性。

2)  节能环保。LED发光效率高，应用在医疗 空间需要功能性照明的场所，可以实现照明节能，

同时兼有无汞、无紫外辐射等优点。

3)  波长范围广。LED发射的光的波长已经覆 盖紫外、红外、可见光，可选波段多。

4)  光谱纯，光谱半波带宽窄，可以控制在 10nm之内，避免了杂散光的干扰，同时便于实现调 光、调色。

5)  体积小。小体积的LED给医用设备的设计 和制造提供了无限可能，同时便于携带和操作。

6)  光束窄，指向性好，可精准控光，便于靶 向治疗、精准探测。

此外，相比于生物医学用激光光源系统，LED 光源医疗器械的整体成本相对较低。

2应用分析

LED光源应用于生物医学领域的实验基础和理 论基础是由KARU T I、YOUNG S等人奠定的。 他们通过实验研究，从细胞分子水平上，提出光刺 激效应、光疗等主要与光的波长、照射剂量和照射 方式有关，而光的相干性、偏振性并不是必需的。 这就开拓了非相干、非偏振的LED光源在生物医学 领域的应用。

近年来，随着LED光源性价比的不断提高， LED光源在生物医学的应用在不断增多。LED光源 在生物医学中的应用主要包括医疗照明、光照治疗、 生物医学诊断等。

2.1   LED光源在生物医学治疗中的应用

作为新的治疗方法，光照治疗替代抗生素的研 究，已成为生物医学领域的热门课题。随着LED发 光效率的不断提升、波长范围的不断扩大、LED作 用活体细胞的生理机制研究的不断深入，LED光源 在生物医学治疗中的应用也越来越广。

2.1.1应用在皮肤医学中

不同波长的LED光可以被皮肤组织中不同的色 基所吸收。通常情况下，红光、近红外光（630nm ~830nm)波长的LED光源被用于治疗深层的皮肤 组织结构，其中660nm波长的LED光源发出的光可 以到达皮肤组织真皮的网状层，从而对真皮中的皮 肤纤维细胞发挥作用；蓝光（400nm~470nm)波 长的LED光源被用于治疗位于表皮的皮肤损伤；紫 外光（200nm~380nm)波长的LED光源能够促进 皮肤角质层形成细胞，释放内皮素等。作为非热效 应光源，LED光源被用于治疗皮肤炎症、痤疮、色 素沉着、创面愈合、疤痕预防等的研究，已取得了 诸多临床应用成果。

1)  LED用于创口愈合。伤口愈合困难是临床 各科常见的并发症。小体积的LED光源可排列成阵 列应用于大面积伤口照射，成为低能量光照应用在 伤口愈合的优势。使用近红外线波长的LED光源照 射机体组织，诱导机体中分子量72-kDa的热休克 蛋白（HSP 70)的产生，以对抗身体细胞、组织与 器官体温的升高，提升细胞成活率，促进羟脯氨酸 合成，从而促进疤痕的形成和创口的愈合。

2)  LED用于皮肤美容。人体中的水分子和血 红蛋白对不同波长、不同强度的光的吸收不同，从 而产生不同的生物学效应。LED光可以刺激皮肤细 胞线粒体的新陈代谢，刺激纤维原细胞的活性，从 而促进胶原细胞和弹性细胞的产生，以实现皮肤再 生、提升皮肤修复能力。此外，采用特定波长的 LED光源照射皮肤，可以杀伤皮肤表面或皮下的异 常细胞，使其失去活力并被其周围的正常细胞和组 织吸收，从而实现治疗痤疮、湿疹等皮肤病，达到 美容的效果。

3)  LED用于皮肤消炎抗炎。采用蓝光LED光 源照射皮肤，具有快速抑制炎症的功效，可以高效 地破坏皮肤细菌的生成，促进皮肤细胞的新陈代谢， 在皮肤炎症期间产生消炎抗炎的功效。

此外，LED光源还被用于减轻紫外线照射后的 皮肤损伤、预防或治疗炎症后色素沉着、改善皮肤 病患者的疼痛、瘙痒等。随着LED光源技术的不断 创新，LED皮肤生物学效应机理研究的不断深入, LED在皮肤医学上的应用具有不可限量的前景。 2.1.2应用在生理节律上

David Berson发现了人眼视网膜上存在一种新 的感光细胞（ipRGC),它独立于人眼的杆状细胞和 锥状细胞，直接感受光信号，通过非视觉通路，将 接收到的信号传递到大脑的下丘脑视交叉上核 (SCN),并直接作用于松果体，从而参与调解人体 的多项生理效应，包括人体的警觉性、心率与体温 等生命体征的变化、褪黑激素的分泌等。LED光源 色温、波长、亮度等性能参数可调节的优势，为其 在调节人体生理节律中的应用提供了条件。

1)  LED光源用于治疗季节性情感障碍 (SAD)。SAD是近年来报道较多的一种抑郁症，其 症状主要表现为睡眠失常、饮食失常、情绪失常等， 严重影响了患者的身心健康。Kripke等最先发现光 照能缓解SAD患者的抑郁症状，临床实验表明光照 时长、光照强度与SAD的发病率相关。LED光源亮 度可调、光线可控，可模拟出类似日光的光照，可 以依据SAD患者的个性化需求，实现缓解、治疗抑 郁症状的效果。

2)  LED光源用于促进睡眠。工作时间不规律、 生活作息不规律、各种发光设备的过多使用与接触 等，已影响到人的正常生理节律，引起神经衰弱、 失眠等不良病状。睡眠与大脑松果腺分泌的褪黑素 有关，夜间褪黑素的分泌增加，人体体温、脉搏渐 降，有助于入夜安眠；清晨褪黑素的分泌减少，人 体体温、脉搏渐升，有助于人的苏醒。实验表明 LED的蓝光波段与褪黑素的分泌密切相关，可以通 过人为调节蓝光波段的LED,有效地调节褪黑素的 分泌，从而实现改善睡眠质量、治疗失眠等睡眠障 碍的效果。