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做和LED照明技术五大方面对比分析

发布时间:2021-10-13 01:33:36 阅读: 来源:水环式真空泵厂家
做和LED照明技术五大方面对比分析

LED照明技术五大方面对比分析

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LED照明技术五大方面对比分析来源:中国五金商机日期:此前已简单介绍过LED在医疗的应用,可以从用途和光源(如紫外光、红外光等)两个角度分类。现首先对LED与传统光源的特点进行对比分析,然后对LED在医疗卫生领域的应用进行总结、分析,主要从医用特殊灯具照明、

此前已简单介绍过LED在医疗的应用,可以从用途和光源(如紫外光、红外光等)两个角度分类。现首先对LED与传统光源的特点进行对比分析,然后对LED在医疗卫生领域的应用进行总结、分析,主要从医用特殊灯具照明、

  此前已简单介绍过LED在医疗的应用,可以从用途和光源(如紫外光、红外光等)两个角度分类。现首先对LED与传统光源的特点进行对比分析,然后对LED在医疗卫生领域的应用进行总结、分析,主要从医用特殊灯具照明、疾病诊断、医学治疗三方面进行讨论。当然,以下所举例子只是LED医疗应用的一小部分而已。

1、LED与传统光源的对比

    LED具有与传统光源所无法比拟的优点,光源体积小、发光效率高、能耗低、功率小、寿命长、环保,各种性能的对比详见表1。

    由上对比,可以看出:

(1)LED发光效率高且环保,因此在医学方面可用于普通照明;

(2)LED为点光源、体积小、色温范围可在一定范围调节,因此可替代医用特殊照明设备,如无影灯、牙科头灯;

(3)LED体积小,可选发光波1、定期检讨控制器后面板的衔接线能否接触优越段多,可用作诊断设备的光源,因此可用于医学诊断;

(4)LED指向性好、发光波段可选择性多,因此可用于靶向治疗等。

2、医用特殊灯具照明

    一般情况下在视机能检查室(主要指眼科)的照度值需到达7500 Ix,并且要求调光至50 lx范围;对手术室,一般照度要求不低于1000 lx,无影灯作为局部照明,应在手术台30cm范围内达到20000 Ix以上,并且需要可调的辅助光源;内视镜检查室、X线透视室、眼科暗室等的照度在50~100 lx范围,且可调光至0 lx。以往医学环境中主要使用的热辐射光源或气体放电光源,由于发光效率低下,使用寿命短等诸多原因,很难满足现在飞速发展的医疗卫生科学的要求。针对这样的照明的要求可以采用可见光LED代替传统光源。

    目前临床上使用的无影灯多属于卤素灯,照明中产热高,且容易造成手术室内气体乱流,使无菌条件发生改变,影响无菌级别。LED是冷光源,在发光过程中只有极少量的紫外线、红外线辐射,避免了长时间发光产生较高热量,对周围环境温度影响很小,不产生乱流,可以营造稳定的手术环境,使无菌级别大大提高,加之LED使用寿命长,驱动电压、电流小,整个手术过程中电源稳定性更强。

   

    重庆将LED技术与机械工艺相结合,成功研制了色温连续可调的大功率LED芯片手术无影灯,通过利用LED的良好的发光特性和新型机械工艺——万向节悬臂技术,使新型定期对实验机进行清洁处理的手术无影灯与传统设备相比有极大的优势,无频闪、机械性强、能耗小,关键是实现通过调节色温满足手术状态下人体不同组织在不同色温条件下的显色特性要求,这是对新一代医疗设备的启发,但还需要在临床的应用中得到验证并不断完善。

    由于半导体发光器的体积小,光束集中,设计过程中的可塑性更强,故在照明过程中,对光线的控制可以更加精细,覆盖更广的面积,达到传统光源所不能达到的角落,真正实现“无影灯”的概念。另外,LED的可塑性强,不但使得在照明过程中的照明效果更加完善和精确,而且使照明设备体积大大缩小,可以设计成便于医生携带的,轻巧灵敏的小型发光器,方便医生工作。

    随着光纤技术的发展,新一代具有良好特性的光纤被广泛地应用于各种医疗仪器,特别是在内窥镜、手术拉钩、口内深部照明器和头灯等方面。而该技术的关键,也是难点就在于如何将光线导入光纤。这方面,传统的光源如卤素灯、弧光灯,发光散,照度低,很难满足需求,而大部分激光器的产热量高,长时间工作容易损坏仪器。

    现在在内窥镜中广泛采用的光源是氙气灯,但由于其基本技术原理仍然采用高压击穿方式,因而不可避免地需要较高的驱动电压,工作温度也很高;而LED光源则不存在这方面的问题,LED的封装单体,全部光线集中在15°角以内,发光光束窄,使得光线与光纤更容易耦合,且保证了发光效率和发光强度,在理论上可简化或省去原本复杂的驱动电路和散热系统,提高了仪器的工作效率。

    2008年7月徐佳等提出了基于Etendue和显色特性的LED照明系统设计,采用W-LED为主光源研制了内窥镜照明系统试验样机,它提供了高亮度均匀的照明,同时加入另一支补色光路提高了显色特性。其主要也是应用W-LED所能提供的较宽频谱,使物体能根据自身的光谱反射率反射相应波长的光,从而显示出物体的正确颜色。光纤技术的发展必然会要求性能更高的光源,目前的半导体发光器无论是从已有的光学特性还是发展空间上,都有非常可观的前景。

    为了满足医用照明的需要,需要使用大功率LED作为光源,而市场上大功率白光发光二极管的价格较传统光源较高,提高了设备成本。除此之外,LED的一个致命的缺点在于显色指数低,虽已达到基本要求,但为了让半导体发光器真正的普及到医疗照明与成像中,必须在技术上和工艺上解决这些问题。目前,已有研究表明将橙色、黄色、蓝色和绿色的荧光粉以一定比率混合可以提高显色性。

3、医学治疗

    与激光器相比,LED发射光谱可覆盖365~880nm波长范围,同激光器相比有更多的选择,且价格相对较低。与普通宽光谱光源相比,LED的发射光谱可以控制在约10nm的范围内,可以使用治疗效果最佳的波段而无须担心杂光造成的影响。

    和药物治疗与手术治疗相比,现在采用的新技术光动力学疗法(PDT)不存在副作用,但传统用于光动力治疗的激光器发光效率低,价格昂贵,操作复杂。而近年来愈多研究机构表明用LED作为发光光源替代激光器是完全可行的,且方法简便,安全。采用新型LED光源,既容易生产便于携带的治疗器械,又能够通过LED点阵进行大面积治疗,还以利用其窄光束和高效率,制成定向治疗仪器,将治疗集中到靶目标上。

    消毒、灭菌辐照光源,目前用汞蒸气灯较多。如果利用紫外光LED对医疗器械、医用装备和医用器皿进行消毒灭菌,具有速度快、效率高的优点。UV 辐照消毒、灭菌是利用紫外光能穿透微生物细胞膜和细胞核,破坏其DNA 或RNA 的分子链,使其失去复制能力和活动功能,达到灭菌杀毒的目的。利用UV 消毒,不存在如蒸煮消毒后处理废液物、容器等问题,环保可靠。

    在美容中半导体发光器也有广泛应用,且有较大的发展前景。因LED波长范围变化广、光照范围大,而且不会产生疤痕,得到了使用者的广泛青睐,目前应用于除皱、嫩肤、祛除痤疮等方面。

    在除皱、嫩肤方面,LED的工作电压和温度低,易于实现系统固化,同时减小了治疗可能带来危险的几率,减轻了患者治疗时的心理压力。它通过利用低强度激光的生物刺激作用促进胶原层增厚,收缩毛孔,发挥其美白嫩肤的功效,同时治疗皮肤损伤,修复敏感性皮肤。整个系统同传统光子嫩肤相比,治疗过程温和,副作用小,且用LED代替激光器,仪器成本降低,操作更加简便,有更为广阔的市场前景。

    在LED治疗痤疮方面,复旦大学曾经对10例轻、中度痤疮患者进行LED蓝光治疗,每周两次,共四周。与治疗前比较,治疗后患者炎性痤疮治愈率明显升高,有2例完全治愈,6例显著好转,1例中度好转,1例轻度好转,无效1例。同时,研究发现使用415nm左右的蓝光治疗效果最佳。这主要是由于蓝光作用于痤疮丙酸杆菌正常代谢产物粪卟啉Ⅲ,可产生光动力学反应,此反应可产生自由基和单态氧,从而达到杀灭厌氧性痤疮杆菌的作用。LED本身光谱宽,可即便到2030年也会如此以方便选择不同波长范围的光同时保证较窄的光谱范围,既有效地控制了紫外线含量,又能够增大光照面积,保证光照质量。

    LED的照射还有促进伤口和溃疡愈合的作用。Whelan对体外培养的细胞进行不同波长范围的LED光照射,发现LED对体外细胞的繁殖有明显的促进作用,生长速度是正常细胞的五倍。第四军医大学的学者在局部氧疗的基础上结合近红外线LED照射试验,证实采用该办法可以促进慢性难愈合伤口的愈合,20只家兔被随机平均分成4组(每组5只,每只4个伤口),愈合伤口数为对照组16、TOT(topical oxygen therapy,局部氧疗)组19,NIR-LED照射组19,结合治疗组20。

    华南师范大学研究低强度光照射对大鼠结肠粘膜组织的修复作用,通过对34只大鼠进行LED照射,清楚的表明LED对结肠炎症组织有修复作用,照射后水肿减轻、炎症细胞减少、溃疡愈合,其机制可能是减少过氧化物对组织的损伤;该研究表明LED照射后可以提高局部组织纤维生长因子和血管内皮生长因子的质量分数,也是LED能促进伤1:3愈合的重要因素。这些实验都明确表明LED光照在愈合伤口中有特殊的效果。

    在治疗肿瘤方面,在不同的光照射计量下,会产生不同的作用效果,对在体外培养的犬神经瘤细胞2A9和人成胶质瘤细胞用LUTEX和BDP做光敏剂,用PDT方法杀死肿瘤细胞,分别用发射峰值在728nm和628nm的LED作光源,两细胞系中50%~78%肿瘤细胞被杀死。

    目前在肺癌和食道癌癌症治疗上使用的光动力疗法是给癌症病患服用Photofrin(药名),该药物受红光照射后可附着于癌症细胞上进而杀死癌症细胞。同传统化疗相比,该方法目标性更强,治疗方法简单,减少了患者的痛苦,而光源使用LED也可以方便地控制光波长范围,且光线比传统激光器温和,提高了系统稳定性。

    另外使用630nm的LED点阵光源,结合2%的Aminolaevulinicacid ALA对肢体的鲍思病(Bowen’sdisease)一种癌前皮炎来进行治疗,照射剂量为240J/cm2,前后间隔时间90min,此LED点阵功率为40mW/cm2,其治疗效果与传统外科治疗相比,不会产生伤疤或使肢体功能丧失。

    随着LED的功率不断提升,LED可以成为更多的医用治疗仪器的光源,如弱视治疗仪,新生儿黄疸治疗仪,新型生物刺激治疗仪器(一种红光和近红外LED光疗仪)等。

    目前,国内外都有很多这样的设备,如国内四川设计的牙科发光二极管固化灯,英国的THOR公司研发的LED光疗系统等。

总而言之,细胞在不同波长的光照射下会产生不一样的机理反应,对某些特殊波段的光,照射体现出极好的治疗效果,因此可根据需要选用不同波长的光用于不同疾病的治疗。另外在医学治疗中,还可以配合LED光照作为辅助治疗手段,如在手术、化疗后进行一定时间的光疗可以减轻病人的痛苦,加快康复速度。

    然压电式负荷传感器的扭转试验机优点而,与传统方法比较,目前LED治疗方法仍有许多不足之处。在发光二极管应用与光动力学疗法中,所有的研究结果都是针对已有的光敏剂进行的,要想真正意义上用LED发光器取代传统激光器,必须在光敏剂更新换代的过程中不段重复试验排除激光相干光源对生物特性的影响。另外,现阶段的治疗工作主要集中在实验阶段,真正的治疗机制还处在摸索阶段,因而将实验结果应用于临床治疗还需要更多工作。

4、医疗诊断

    人体不同组织对特定波段的光具有不同的物理反应特性,如吸收、反射等,因此可以利用光学检测方法对生物生理状态进行检测。

    实验表明,低强度激光与非视觉细胞有信号作用,其作用机理是低强度激光与细胞配体的受体的非共振作用介导,细胞膜受体处于相干状态时,这种非共振作用可以被受体的数目非线性放大,而只有病理状态下的细胞才处于相干状态。利用这种特性,可以设计新型的检测仪器,对癌症和一系列病变进行更精准的检测。

    李良成等人2007年发表了一篇关于双光源双探头脑血氧监测仪的设计,主要利用氧合血红蛋白和还原血红蛋白对近红外光的吸收特征实现双侧脑组织局部血氧参数的测量,属于无损伤检测。这些仪器之所以选择LED作为光源主要原因在于LED的光谱范围广,单个发光器的光束,波长可控制在一个极小的范围内,无论是在细胞吸收,还是信号检测上,都可以减少干扰提高准确度。

    美国的NASA就在很早以前用LEDPDT方法治疗检测在太空中宇宙射线可能引发的肿瘤,并以及对宇航员的检测和治疗。

现在,各种医疗设备都朝着更小、更轻便的方向发展,LED的出现使得医疗仪器原本的散热系统、电源、光学系统都得到了不同程度的简化,一般的LED工作电压大概3V左右,一般的锂电池就能驱动,缩小了仪器体积,使很多原来无法检测的死角都能够达到;同时由于它工作电流小,也更加安全。

    各种新型设备中引人注目的有胶囊内镜和新型内窥镜。胶囊内镜是内科的新型检测工具,主要用于检测肠道疾病。患者服用下胶囊大小的仪器,其在人体消化道内将影像资料传出体外,用特殊仪器接收,胶囊最后随代谢产物一起排出体外。它体积小,方便使用,而且同传统内镜相比,减少了患者的痛苦。但其主要技术问题在于体内照明和影像传送。通过使用LED光源不但可以进一步缩小内镜体积,延长内镜在体内的工作时间,而且照明效果好,光线能量大,产生的图像贴近真实颜色。在内窥镜上,通过与光纤的结合,使得镜子本身的线度更小,容易到达更加狭小的部位,如血管,淋巴等。

    现代离体病理检查已经较为完善,其余方法多作为辅助手段。为了使LED检测仪器进一步普及,还必须对LED发光与组织的作用机理进行进一步的研究和测试,特别是对应不同的病理组织,不同波长的光是否产生不同的反应。将这些LED检测手段与传统检测方法相结合能够达到对病理组织更清晰的观察,提高诊断准确度。

5、发展前景

    LED发光器与传统光源在医疗应用当中相比,发光效率高,光谱范围窄,寿命长,响应迅速,能够更好的应用于医疗照明,治疗和诊断中,同时降低医疗成本,提高安全性能。通过利用LED的特殊性能,将其与现代技术(如机械制造、光纤传导、系统成像等)相结合,能够得到治疗更加安全、检测更加准确的新医疗设备。

    现在阻碍LED普及的主要问题在于光源成本相对高。因此,生产企业更倾向于价格低廉的卤素灯或荧光灯。其次,LED的发光光束过于集中,在一些设备中必须设计相应的光学系统使光线柔和,而这将会使仪器相对复杂、庞大。最后,LED的发光功率与其他光源相比较低,在有特殊要求的医疗设备和治疗、照明过程中无法满足需求。

    但是,相关技术进展很快,可以预见,LED在未来的医疗卫生的发展中将起到关键的作用。

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