项红升1 李明2 霍荣龄2 杨巍2 孙君泓3
【摘要】本文探讨了不同波段的LED 在光疗上的应用进展, 包括可见光、红外光、紫外光三大部分。
尤其是在可见光区和近红外区的进展很大, 并有了一些工程和医学实践的证实。
【关键词】LED 光疗 理疗
光疗作为一种有效的治疗手段, 在临床和工程上正得到越来越广泛的应用。光疗的理论基础是生物组织吸收光能并将光能转变成热能和化学能从而导致体内产生一系列连锁的化学反应。这些化学反应, 概括起来有四种类型:光致分解、光致氧化、光致聚合和光致敏化。不同波段的光所产生的生物效应也有不同, 由此, 人们研究开发了一些针对不同疾病的不同波段的治疗方法和治疗仪器。概括的讲, 红外光主要是利用它的热效应, 机体吸收红外光后引起体温升高, 局部或全身血管扩张, 血流速度加快促进新陈代谢和细胞增生, 有消炎和镇痛作用; 紫外光主要利用它的高能辐射杀菌, 治疗各种病菌引起的皮肤病; 可见光的效应因波长不同而有差异: 红光可引起血液白细胞总数和嗜酸性粒细胞减少, 改善生长代谢, 降低血糖, 促进卵巢黄体形成。蓝紫光是红橙光生理作用的拮抗物, 能防止胰岛素低血糖症, 能漂白血液中的胆红素治疗新生儿黄疸。
随着半导体工艺的快速发展, 新型发光二极管（lightemitting diode , LED） 不断推出。相对原来的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。发光强度越来越大, 单个LED 的光效果已经超过100lm/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 也开发出来了。这为LED 应用于光疗提供了基础。
下面从可见、红外、紫外LED 光疗等三个方面进行讨论。
可见光区
在可见光范围内, 波长400nm～660nm之间, 一般的划分是七色, 即赤橙黄绿青蓝紫, 在光的生物效应研究中,是按照食物效应来划分的, 赤橙黄色的生物效应相似, 绿蓝紫的生物效应也相似, 蓝绿光是红橙光的生物作用的拮抗物。总的来说, 蓝光具有镇静作用, 红光具有兴奋的作用。
蓝光光疗 蓝光光疗的典型应用是新生儿黄疸的治疗。新生儿高未结合胆红素血症（黄疸） 是新生儿常见多发病, 易导致听力损害, 严重者可发生胆红素脑病而影响生存质量。体内胆红素吸收光线后通过氧化异构化产生胆绿色、无毒的水溶性吡咯, 经胆汁和尿液排出, 通过改变胆红素在体内的代谢途径而减轻新生儿黄疸［1］ 。胆红素能吸收的光线以波长450～460nm 最佳, 而蓝光波长主峰在425～475nm 之间, 至今仍是光疗最好的光源。
近年来, 制造的高亮、超亮和超高亮的蓝色发光二极管的主波长在460 ～ 470nm , 发光强度, 超亮型1000 ～2000mcd , 超高亮型2000～3000mcd。视角（半功率角） 较小, 一般在15～20°, 发光功率几毫瓦到几十毫瓦不等, 已经达到传统的蒸气蓝灯或者蓝光激光器的发光功率。
在国外, 一些医疗研究开发单位已经有一些采用蓝光LED 作为治疗光源的新生儿黄疸治疗仪。比如美国natus 公司生产的neoBLUE 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。相对于传统的光疗设备, NeoBLUE 紫外光的辐射量极低, 降低了对婴儿皮肤的伤害; 红外光的辐射量也极少, 降低了婴儿体内水分丢失的危险。通用电气公司医学部研制的蓝光新生儿光疗仪, 具有三个蓝光治疗LED 灯, 可以对新生儿进行全方位的治疗, 可以击碎胆红素色素, 没有副作用。
对LED 光疗的疗效, 国内外也进行了相关的临床观察: 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］ , 光强度同传统的光疗仪大致一致甚至更强。通过对包括69 个黄疸病患儿的群体进行开放随机研究, 得到持续光疗和血清胆红素浓度下降的关系数据。LED 光源的结果- 3116 mmol/ （L/h） , 传统光源的是- 2119mmol/ （L/h） , 说明LED 光源的疗效更显著。
国内医护工作者的观察也证实了LED 蓝光光疗仪的疗效。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［4］ 。
综上分析, 蓝光LED 光疗在临床使用上有显著的优点, 尤其对早产儿高胆红素血症的效果好。蓝光LED 具有以下临床优点: ① 体积小, 开放治疗, 不需中断其他治疗,减少了护理工作量; ② 治疗时患者无需裸露; ③ 副作用少,LED 是冷光源, 不产热, 因此不会导致体温升高。光垫不直接照射面部, 不会对眼睛造成损害。由于其独特的优越性, 成为代替传统蓝光箱治疗的有效方法。
红光光疗 红光光疗的作用很广泛, 治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, 其吸收的光子导入人体, 产生高效率的光化学生物反应酶促反应, 被细胞线粒体强烈吸收, 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［5］ 。通过测量正常鼠肝上坏疽的深度, 对比铜蒸气泵脯的染料激光器, 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。
还有学者研究了采用LED 阵列治疗周围神经系统疾病［6］ 。设计了圆柱表面分布的LED 阵列, 光学阵列的参数: 波长660nm , 带宽小于20nm , 对水肿表面的光密度, 0.5～3mW/cm2 , 覆盖发病区域。在对病变区实行10 天疗程, 每天15～20min 的照射治疗后, 认为LED 阵列光疗具有稳定的镇痛效果, 促使肌肉强度增强, 最终使标记的病变区减少。
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［7］ 。验证实验: 一组甲醇陶醉, 一组甲醇陶醉并进行LED 治疗, 另一组不进行光疗。LED 光疗组: 105s 内给50mW/cm2 , 4J/cm2 的光疗功率。眼电测量数据表明, LED光疗能保护视网膜, 抵抗甲酸细胞毒素, 刺激细胞色素氧化酶的活性, 提高线粒体呼吸链的功能。
Daly Steven R 设计新型的LED 阵列［8］ , 设计专用的硅导管, 使用100 个LED 压封在底层, 另外50 个放在顶层,光谱带宽从645～ 670nm , 在38 ℃时输出60mW 的功率。LEDs 放入生物相容的硅材质中, 再植入治疗组织的空隙中。对猪的肌肉光疗证明有明显的治疗效果, 能够治疗体积较大的肿瘤。
俄罗斯常规人类病理生态科学研究所研制的新型生物刺激治疗仪器是一种红光和近红外LED 光疗仪（LENA） 。该设备可用于人体和动物身上。动物的光生物效应和人体的类似。采用高能LED , 发光强度可达到4000mcd , 超过了He-Ne 激光器和LGN-111 激光器2 倍, 是传统使用的UZOR激光器的15～20 倍。尽管尺寸很小, 但是LENA 具备了两种激光器的优点。比如, He-Ne 激光器和LGN-111 激光器只有25～30mW的输出, LENA 的输出功率可达100mW;
激光管的几何长度约为1.5m , LENA 的长度仅有几厘米。相对于激光二极管, LED 的平均使用寿命很长, 超过20000h。
很高的辐照亮度确保了对个体的大动态范围的照射剂量, 允许对大面积的皮肤和其他组织进行照射而不损失有效的照射能量。LENA 对很多疾病的治疗显示了广阔的应用前景, 比如免疫缺陷、心肌梗死、心肌萎缩、脑部疾病,或者需要进行静脉内血液照射的疾病中。很高的输出功率,可以只对靶目标的皮肤进行照射, 由于具有很深的透射深度, 就可以穿过皮肤作用于皮下组织和血液。这样就不必像He-Ne 激光器那样, 必须插入血管光引导物。
通过对以上学者的研究和工程实践的分析, 可以看出:红光光疗不同于其他光疗（如红外光、紫外光、可见光等） , 它既没有很强的热效应, 又比紫外光穿透力强, 可以作用于较深层组织。输出功率大, 光斑大小可调（直径5～8cm） , 穿透深度达3cm 以上, 而红外光大量被人体水分吸收, 穿透仅为0.1cm左右。
红光光疗在应用上有诸多的优点: 红光对急性炎症有很好的疗效, 而红外光对急性炎症是禁忌使用的。除治疗体表疾病外, 配加光学导管, 可以治疗诸多浅腔内疾病,适应症范围广, 可满足治疗的各种需要, 性能稳定, 使用安全。
其他单色及多色光疗 除了单独使用红光和蓝光LED 进行光疗以外, 研究人员还进行了其他单色光如黄绿光, 双色结合如蓝绿结合,多色及全波段的光疗的实验研究分析。
我国学者高淑梅使用峰值波长570nm 的黄绿LED 刺激健康小白鼠的红细胞, 观察了其可视荧光光谱［9 ,10］ 。随着生理盐水中红细胞量的增加, 荧光的主激发光谱从588nm移动到615nm。当鼠红细胞浓度达到1 %时, 最大荧光强度出现在600nm。发现老鼠的血液, 红血球、血色素的光谱轮廓相似。分析了LED 诱导血细胞荧光光谱的物理机制。认为LED 光疗有助于对血液荧光特征的了解。
P. papagergiou 等人使用了峰值波长415nm 的蓝光和峰值波长660nm的红光, 对107 位轻中度痤疮患者进行了随机分组治疗实验, 各组分别是蓝光、红蓝混合光、冷白光和5 %的过氧化霜剂［11］。实验表明: 经过12 周的每天15min 光疗, 红蓝光平均有效率达到76 %。红蓝混合光的疗效明显高于其他两组光疗。他们认为红蓝混合光具有抗菌和消炎作用, 并且短期内没有明显的副作用。
Al-Watban 对比了多色LED 对糖尿病和非糖尿病兔子的烧伤康复的光疗作用［12］。多色LED 是一簇25 个LED , 波长分别为510 ～ 543nm , 594 ～ 599nm , 626 ～ 639nm , 640 ～670nm , 842～879nm , 发射功率272mW。实验表明, 多色LED 在对非糖尿病兔子的烧伤光疗中, 效果不明显, 与低功率激光的作用相似。但在对糖尿病兔子的烧伤康复中作用显著。
光照环境能够影响人的心理。不同位置和颜色的光照,对人的心理刺激作用是不同的, 比如暖色调使人兴奋活跃,冷色调使人安静。由于人造光源和自然光有差异, 所以长时间处于人造光源环境, 容易造成人的心理的紊乱。人的生理节奏和自然光的变化是一致的, 所以可以开发生理节奏的光源, 这种通过调整色温来模拟自然界的光。人的生理节奏的峰值响应为蓝光460nm。通过增加LED 蓝光就可以模拟红外相干能量图中普朗克轨迹的色温, 稳定人的心理［13］。同时, 可以设计全波段的LED 阵列, 能够调整各色LED 的发光强度, 从而满足心理治疗的不同波长和强度的要求。
LED 光疗还可以增强人体的免疫力。通过光化学反应,使IgG从低抗原亲和性转到高抗原亲和性, 这种转化是多级不可逆的, 依赖光的波长和光强［14］。
对于不同的疾病模型, LED 的光疗的效果也不同, 这是由于生物组织中的生物大分子吸收光产生的光生化效应不同导致的。采用双色组合, 甚至是全色光疗能诱导更复杂的光敏生化反应, 这方面的研究还在继续深入的进行。同时, LED 光疗的心理效应也受到了人们的重视, 相关研究值得探讨。
红外LED 光疗研究进展
红外线的生物效应主要是热效应, 红外线被机体吸收后引起体温升高, 局部或全身血管扩张, 血流速度加快促进新陈代谢和细胞增生, 有消炎和镇痛作用。红外线对皮肤损伤表现为热红斑, 严重时可导致皮肤烧伤。
红外光疗主要用于皮肤浅表疾患的治疗。红外线的这些生理效应, 一方面有利于人体健康, 有助于保健养生和疾病的康复, 这主要是改善血液循环和撤循环的作用, 改善免疫功能的作用; 另一方面可用于多种疾病治疗或辅助治疗。试验测试还发现, 当主辐射波段为4000～6000nm ,辐照度0.1W/m2 , 辐照距离10～15cm 条件下进行辐照时,皮下层温度可高于表面3～5℃, 这就产生了对皮下病毒的杀伤能力, 有利于浅层疾病的治疗。
红外光疗分为远红外和近红外光疗两种: ① 远红外治疗使用2～8000μm波长宽频带电磁波谱, 能量主要分布在2～25μm , 峰值能量的波长在4um 以上。主要通过生物热效应改善血液循环, 尤其是微循环。② 近红外治疗的波长范围为0.6～1.6μm , 水对0.72～1.6μm 的近红外难吸收, 近红外线不易被反射和散射, 如果采用线偏振调制, 穿透力增强, 穿透皮肤和组织深度可达5cm以上。
现有的红外LED 的发射波长在近红外区, 即0.6～1.6μm , 这为红外LED 应用于此提供了条件。
美国航空宇航总局（NASA） 开发出了一种新型LED 球型装置, 此装置的10cm长空心管内有三个通道, 分别导入LED 电线, 冷却蒸馏水和011 %脂肪乳液, 冷却蒸馏水围绕LED 发光芯片进行循环冷却, 整个装置可保持在体温37℃以下, 脂肪乳液使LED 光均匀分散, 球心中央放置144 个LED 发光芯片, 其LED 总输出功率可达到110W, 球的直径2cm～5cm , 选用的LED 芯片波长由治疗的需要来决定, 包括680、730、880 三个红色和近红外波长。该装置输出功率高, 省去了光纤输出, 所以减少50%的损耗, 在光动力治疗食道癌时, 将该装置放入食道内, 能杀死食道内避光处的肿瘤细胞［15］。
美国宇航局（NASA） 在太空飞船中用LED 阵光源（630～800nm） 来对宇航员的肌肉与骨骼进行恢复治疗和加速伤口的愈合, 均收到很好效果, 同时NASA 还用LED2PDT（光动力学治疗） 技术来对太空中由于宇宙射线可能引发的肿瘤的宇航员进行早期检查与防治［16］。
Whelan 等人采用688nm的LED 对体外培养的上皮细胞进行一定剂量的照射, 测得繁殖率比对照组增加55 %～71 %［17］。Whelan 还对高血糖老鼠创伤康复的LED 光疗中基因表达改变进行了研究［18］。将药物植入老鼠背部皮下,每天进行LED 光疗, 最后切开皮肤去除药物海绵提取RNA , 随后使用cDNA 阵列进行分析。结果表明: 相对没有光疗的样本, 进行光疗的组织中基因再生很明显。LED 光疗能加速自然伤口的愈合进程, 使病患更快的恢复到病前的活动能力水平。
同红外激光器相比, 现在市场上的光疗仪都是气体或者固体激光器为照射治疗光源的, 新型的采用半导体激光器。激光器的控制电路复杂, 而且固体和气体激光器需要冷却。虽然激光的方向性和单色性好, 但是激光的辐照面积太小, 波长带宽很窄, 有时反而不利于治疗, 另外一个重要因素, 半导体激光器的使用寿命较短, 极容易由于静电原因而损坏, 相比起来, LED 不但价格更低廉, 使用寿命相当长, 属于冷光
源。电路实现简单, 更利于家庭便携的光动力治疗。
紫外LED 光疗展望
紫外线是治疗皮肤病的重要手段, 其中311～313nm 的窄谱中波紫外线与340～400nm的长波紫外线对某些皮肤病有独特的疗效。紫外光疗对于特异性皮炎、白癜风、硬皮病、皮肤T细胞淋巴瘤等皮肤病的疗效正得到许多学者的认可, 尽管还有些长期不良反应还没有得到充分认识。
由于紫外LED 最近才研究出来, 利用紫外LED 进行光疗的研究, 还没有报道。
日亚化学工业成功开发出发光波长为365nm、发光功率为100mW的紫外发光二极管。南昌大学也在2002 成功研制出紫外LED , 光输出功率大于50μW。
传统的紫外灯是采取汞蒸气放电方法以获取紫外光源。与其相比, 紫外发光二极管发光的紫外光光子能量大, 是一种新的半导体光电器材, 符合环保要求。紫外发光二极管直径小于5mm , 寿命在10 万小时, 比紫外灯长100 倍,具有单色性好、体积小、寿命长、响应速度快、可靠性高等特点。
由以上特性可知, 利用单个紫外LED 或者多个组成不同形状的阵列可以进行紫外光疗的探索。
LED 光疗的展望
目前, 研究使用的光疗仪器大多使用激光为光源, 这主要是由于激光应用于光疗领域历史相对LED 较长。随着LED 的发展, 其发光功率、发光强度、单色性、发射角等都向激光靠拢。由于激光是相干光, LED 发光是接近自然光的非相干光, 这就引导研究人员对两者的生物效应的不同进行对比分析, Karu 等人研究认为光的刺激效应与是否相干光无关［19］，用相干和不相干的红光治疗溃疡有相同的效果［20］。
目前, LED 所能覆盖的波长从紫外到红外都有, 典型的波长有365、380、410、460、500、520、560、590、610、630、650、670、730、880nm等, 几乎满足所有光疗所需的波长。而且, 现在可以将两个或者三个LED 发光芯片制作在同一个封装, 可以满足不同的组合光疗的需要, 为光疗__仪器的多功能化开辟了道路。比如, 安捷伦公司推出了可见光的橘红、纯绿、蓝三色超亮LED。
目前使用的光源多为激光光源, 如He-Ne 红色激光。常用的光敏剂是血卟啉衍生物, 其激发光谱405nm , 发射光谱630nm , 可用相应波长的蓝光和红光LED 进行替代检测和治疗。以激光为光源的治疗, 当对体内或者皮下深层治疗时, 多采用光纤导光。如果使用LED 微型胶囊光源,就可以进行皮下埋敷治疗, 或者, 运动到体内腔道的相应部位进行光疗。目前已经设计出了这样的微型光电模块,由光源、微处理器、微型光学器件以及不同的形式的电源:自带电池或者通过脉冲磁场传送能量。已经研制成的有8mm ×16mm大小的自嵌电源的能工作几个小时, 功率从几十毫瓦到几毫瓦的治疗模块。进行了口腔炎症和耳鼻喉的炎症的治疗［21］。操作方便, 同时降低了对病变组织周围正常组织的损伤。
综上分析, 可以看出, 随着LED 照明世纪的到来,LED 以其在光强、波长、价格、寿命、外型尺寸等方面的固有优势, 有理由成为光学治疗的新光源, 为光学治疗的进一步应用开辟新的道路。
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（摘至：北京生物医学工程2005年8月第24卷第4期）