技术|医用光疗LED技术研究

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技术|医用光疗LED技术研究

September 16, 2020

近年来，LED 凭借其优良特性在医疗领域的应用也越来越广泛，尤其在诊断和治疗方面的应用，使疾病的无创诊断和治疗有了新的突破。激光技术的出现实现了光疗应用的突破，医学研究发现，一定强度的激光照射可以引起人体组织的生物效应，对皮肤病、心脑血管病等有一定的治疗效果，LED 凭借显著优势，引起人们对其在光疗领域应用的关注，并加大了LED 作为无创激光治疗的替代光源相关技术的研究，LED 光疗技术得以迅速发展，应用逐渐广泛。

LED在光疗中的应用及前景

在医疗领域中，LED 在治疗、诊断或辅助医疗设备等方面均展现出优越的性能。其中，辅助医疗方面，LED 主要作照明使用，比如医用头灯、窥测照明灯和手术无影灯等等。以手术无影灯为例，过去很长时间里，手术室内的手术照明灯采用的是卤素灯泡，而用卤素灯泡作为手术光源存在诸多缺陷，主要有发热高、光效低，易造成人的视觉疲劳等，用LED 作为手术无影灯时，可以很好地补充以上缺陷，通过调节色温大大缓解医生长时间工作造成的视觉疲劳。诊断应用方面，LED 窥测灯在胃镜检测时，可以使人们很好的探测到肠胃的状况，并且小功率LED 发热低，可以增加体内探测时间。LED 配合荧光诊断方法对癌症的早期诊断具有重大意义，LED 的应用大大提高了荧光显微镜的稳定性和便捷性。在治疗领域，LED 光疗是一种创造性应用，目前，LED 在皮肤炎症的治疗和美容方面应用较为广泛，例如痤疮、皮炎等，可通过医用的LED 光疗设备对皮肤进行照射，使皮肤得以治疗和修复。LED 波长范围广，在光疗领域，常用的主要有红光、蓝光、蓝紫光和黄光等。

随着医学病理研究的深入，以及医疗设备的创新发展，光疗设备的种类日益增多，LED 在医疗中的应用范围不断扩大，LED 光疗研究和应用趋向于多样化，便携式可穿戴的LED 光疗设备成为当前的迫切需求和未来的发展方向。

红光LED在心血管系统疾病治疗中的应用

红光对组织的穿透力较强，红光LED 在皮肤修复、骨关节疾病和肿瘤治疗等方面发挥出积极作用，另外有研究表明LED 红光可以促进血管的再生，增强ASCs 的存活并刺激缺血肢体中生长因子的分泌。目前，激光预防和治疗心血管病已经有较为成熟的仪器供人们使用，但是LED 光照代替激光治疗疾病仍处于初步发展

通过对小鼠的照射实验研究得知，红光LED 对于心血管系统疾病的治疗展现出较好效果，如图1.2 所示为课题研究中动物照射实验装置。在LED 治疗心血管系统疾病的研究中，需要将LED 光照射在靠近心脏部位，主要是为了使光更好的透过皮肤照射到心脏等相关区域，采用的光源类型主要有点光源和面光源两种。LED 光疗不同于激光或其它常规治疗方式，该方法往往需要对人体连续照射一定的时间，并且要保证一定次数的照射才能起到治疗效果，这对LED 光疗设备有了更高的要求，便携可穿戴式成为当前心血管系统疾病LED 光疗设备研究的重要方向，可穿戴式的光疗设备可以使患者在治疗中不受时间和地点的限制，在家中即可进行自我治疗，大大提升了心血管系统疾病治疗的效率，降低了成本。由于此穿戴式光疗设备需要贴近人体皮肤进行照射，因此设备必须具有很高的安全性和可靠性，并且要降低温升，提高设备柔性等等。此外，LED 光并不能完全透过皮肤，因此植入式的LED 光疗方式被提出来，但由于LED 发热等问题，导致该方式在应用到人体上的安全性和可靠性有待研究。

医用红光LED 驱动芯片关键技术

驱动芯片主要是根据LED 实际应用需求对其进行驱动发光，根据LED 实际应用的不同，人们对驱动芯片的技术研究侧重点也不同。目前，对LED 驱动芯片技术的研究主要集中在以下几个方面：

(1)芯片效率。通过优化芯片结构和电路，调节参数或选型等方式，降低芯片的功耗，提高转换效率，可以达到节能的目的。

(2)恒流精度。一般LED 驱动芯片实现的是对LED 的恒流驱动，保证电流输出的精度，才能使LED 发光更加稳定，影响芯片精度的因素有很多，主要受到恒流控制系统电路稳定性的影响，通过提高电路稳定性使输出波动小，精确度更高。

(3)功率因数。对于直接接220V 交流市电的芯片，还致力于实现高功率因数，这样可以尽可能的降低电网损失。

(4)调光功能。根据实际应用，有时需要对LED 进行调光已到达对不同亮度的需求，将调光功能集成到芯片之中，可以使调光更加便捷。

在LED 光疗应用中，无论是动物实验还是临床实验，都需要对不同LED 光照强度下的治疗效果进行研究，这就要求其驱动芯片要集成比较好的调光功能，另外，保证驱动的精度才能使发光更加稳定和精确，这将使研究减小误差，可穿戴式的光疗设备采用电池供电最为理想，因此降低功耗可以使设备使用周期更长，达到节能的效果。因此，本文在对芯片结构设计和各模块研究中，主要基于提高芯片的效率、精度和保证调光功能方面的考虑，此外结合心血管系统疾病LED光疗的特点，还将重点考虑到芯片温升和LED 温升问题。

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