LED在醫(yī)療設(shè)備方面的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

山東大學(xué)附屬省立醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，山東 濟南 250014

LED在醫(yī)療設(shè)備方面的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

劉延梅，王曉民

山東大學(xué)附屬省立醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，山東 濟南 250014

本文主要介紹了LED的類型及特點，分析了其在醫(yī)療設(shè)備方面的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來的發(fā)展趨勢，期待其能夠推動醫(yī)療設(shè)備不斷進步。

LED；手術(shù)無影燈；醫(yī)用頭燈；光固化機；熒光顯微鏡；醫(yī)用診斷設(shè)備；醫(yī)用治療設(shè)備

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode, LED）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體，經(jīng)過近50年的發(fā)展，LED已被廣泛地應(yīng)用到日常生活和特殊作業(yè)的照明中，近幾年，LED還被應(yīng)用到一些專業(yè)的非照明設(shè)計中。目前，醫(yī)療設(shè)備光源以鹵素?zé)艉碗療魹橹?，由于LED相比傳統(tǒng)光源具有壽命長、光效高、色溫與亮度可調(diào)、無輻射與低功耗等特點，因此以LED作為醫(yī)療設(shè)備光源，將大大提升醫(yī)療品質(zhì)，這也意味著LED必將成為21世紀(jì)的新一代光源——第四代電光源，用以代替白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈等傳統(tǒng)光源。

1 LED概述

LED屬于一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，可以將電能轉(zhuǎn)化為光能，它由兩個半導(dǎo)體（P型和N型半導(dǎo)體）和二者中間的有源層組成，其發(fā)光原理是利用半導(dǎo)體中的電子和空穴相結(jié)合而發(fā)出光子，與傳統(tǒng)使用電阻加熱發(fā)光的燈泡，或者利用真空管放電的日光燈是不同的。

LED的發(fā)光顏色由組成半導(dǎo)體的材料決定，通常N區(qū)和P區(qū)材料構(gòu)成是有細(xì)微差異的。目前，照明領(lǐng)域使用的LED可分為兩類：一類是由磷化鋁、磷化鎵和磷化銦的合金做成的紅色、橙色和黃色LED；另一類是由氮化銦和氮化鎵的合金做成的綠色、藍(lán)色和白色LED。20世紀(jì)90年代中期，照明領(lǐng)域又出現(xiàn)了超亮度的氮化鎵LED，高強度的綠光和藍(lán)光銦氮鎵LED也隨之產(chǎn)生。超亮度藍(lán)光芯片是白光LED的核心，在這個發(fā)光芯片上抹上熒光磷，熒光磷通過吸收來自芯片上的藍(lán)色光源再轉(zhuǎn)化為白光?，F(xiàn)在的LED顏色寬泛，單個器件具有多種顏色、亮度和功耗等級，并且還有多個器件能夠發(fā)出從紅外線到紫外線的一系列不可見光[1]。

目前，LED的發(fā)光效率一般可達(dá)到100～150 lm/W以上，壽命（光源光通50%衰減的時間）達(dá)到1×105h，亮度達(dá)到1×105cd/m2以上，輸入功率6.7 W/Lamp，顯色指數(shù)80以上，光通調(diào)節(jié)范圍為0%～100%，色溫調(diào)節(jié)范圍2000-8000 K，工作溫度范圍為-55～100 ℃，初始啟動時間和熱啟動時間均為納米級。因此LED具有傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備光源無法比擬的優(yōu)點[2]：

（1）壽命長。LED的使用壽命可達(dá)1×105h，實際使用壽命超過5×104h，而傳統(tǒng)醫(yī)療光源壽命一般為500 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LED燈壽命。由于LED燈的壽命很長，不需要經(jīng)常更換，可大大節(jié)省設(shè)備維護費用。

（2）體積小。LED陣列模塊可以直接手持或者被固定在靶目標(biāo)上，一些用于體內(nèi)的LED可以不使用光纖而直接插入體內(nèi)照射。LED這一特性可以使醫(yī)療設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、易操作、節(jié)省空間。

（3）安全性。LED的能量較低、光通量穩(wěn)定，對眼睛不會產(chǎn)生傷害；同時，這種高效率的LED不需要高壓供電，比傳統(tǒng)高壓供電光源更安全。

（4）波長范圍廣。目前，LED的波長幾乎已經(jīng)涵蓋了所有的可見光和近紅外光的波段，但半導(dǎo)體激光器還不具備該功能。隨著新的高效率的半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，擴展波長也必將應(yīng)用于LED。

2 LED在醫(yī)療設(shè)備方面的應(yīng)用

醫(yī)療設(shè)備一般分為診斷設(shè)備、治療設(shè)備及輔助設(shè)備，不同的設(shè)備對光源有不同的要求與規(guī)范。自20世紀(jì)60年代LED問世以來，由于性能參數(shù)如功率、光強、色溫及發(fā)光效率等的制約，LED在醫(yī)療設(shè)備方面的應(yīng)用局限于指示燈、數(shù)字和文字顯示。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，相繼有以LED作為光源的醫(yī)療設(shè)備問世。

2.1 手術(shù)無影燈

LED手術(shù)無影燈的推出成為手術(shù)室照明設(shè)備領(lǐng)域的一大亮點，LED手術(shù)燈集LED特性與光色表現(xiàn)為一體，為手術(shù)室照明提供了現(xiàn)代的視覺感受，主要表現(xiàn)為優(yōu)異的色彩還原性、低熱量的光源、超長的使用壽命及色溫可調(diào)性。由于LED體積小、光速集中、可塑性強，故在照明過程中，其對光線的控制可以更加精細(xì)，能夠覆蓋更廣的面積，達(dá)到傳統(tǒng)光源所不能達(dá)到的角落，給醫(yī)護人員提供了極佳的手術(shù)視野[3]。另外，以多個LED組成的手術(shù)燈即使在一個或多個LED出現(xiàn)故障的情況下也能提供足夠的光線。LED手術(shù)無影燈從根本上突破了傳統(tǒng)手術(shù)燈存在的色溫不可調(diào)、溫升較高等局限，解決了醫(yī)護人員長時間工作時視覺疲勞問題和手術(shù)區(qū)域溫升較高問題[4]。

目前單個LED的亮度還無法滿足手術(shù)燈照明需求，只能通過增加LED的數(shù)量來增加手術(shù)燈的亮度，也就是采用點陣式LED光源布局[5]，這樣必然會造成產(chǎn)品價格的上升，這也成為LED手術(shù)燈發(fā)展的主要瓶頸。

2.2 醫(yī)用頭燈

醫(yī)用頭燈常用于口腔科、耳鼻喉科、普外科、腦外科等各種檢查和手術(shù)過程，具有攜帶方便、定向照明和亮度高等特點。傳統(tǒng)醫(yī)用頭燈由白熾燈泡或鹵素?zé)襞萏峁┕庠?，具有重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損壞、高功耗、高傳導(dǎo)損耗、壽命短、維護保養(yǎng)復(fù)雜等缺點[6]，而LED醫(yī)用頭燈則克服了以上缺點。LED驅(qū)動電路具有體積小、輸入電壓低、LED亮度可調(diào)等優(yōu)點，因此LED醫(yī)用頭燈具有顯色性好、亮度可調(diào)、重量輕、耗電量低、壽命長等特點，并且白色LED發(fā)出的光，呈接近自然光的冷白色，更能真實地還原表皮或組織、器官的本色。目前LED醫(yī)用頭燈已成為市場主流。

2.3 光固化機

自2000年起，LED光固化機就已投放市場，但其發(fā)光功率強度不夠，而且光波長范圍狹窄，能適用的材料有限。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，各種新型LED光固化機問世，光波長范圍逐漸拓寬，可以固化市場上所有類型的光固化樹脂材料。以鹵素?zé)襞轂楣庠吹墓夤袒瘷C只能在一些有效波長內(nèi)伴隨大量熱的產(chǎn)生來固化樹脂，而發(fā)光二極管光功率強度大大超過了鹵素?zé)襞?，且升溫極少、固化時間短、安全性高。大量研究表明在固化深度、單體轉(zhuǎn)化率、表面硬度及微露方面，LED光固化機的優(yōu)勢相對于鹵素光固化機更為明顯[7]。LED光固化機已被廣泛應(yīng)用于臨床，有取代傳統(tǒng)鹵素光固化機的趨勢。

2.4 熒光顯微鏡

熒光顯微鏡是一種通過觀察熒光現(xiàn)象研究有機或無機物性質(zhì)的光學(xué)顯微鏡。采用熒光顯微鏡，可以觀察到普通顯微鏡看不見的無色透明的組織或細(xì)胞。一般是先將標(biāo)本用熒光色素染色，再將標(biāo)本放在熒光顯微鏡下，用紫外光線照射激發(fā)，使標(biāo)本發(fā)出熒光（可見光），然后通過顯微鏡觀察標(biāo)本的熒光圖像。目前已有多種型號LED熒光顯微鏡問世。LED熒光顯微鏡采用單波段或多波段的LED作為熒光裝置，開機即用，無須預(yù)熱，不像汞燈或氙燈需預(yù)熱方能使用[8]。而且LED使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汞燈和氙燈，一般200 W汞燈的平均壽命，在每次使用2 h的情況下約為200 h，開動一次工作時間越短，則壽命越短。而LED使用壽命大于5×104h，并且操作更加靈活。另外，LED熒光顯微鏡還具有穩(wěn)定性好、熒光激發(fā)性好等特點。

3 LED在醫(yī)療設(shè)備方面應(yīng)用發(fā)展趨勢

3.1 醫(yī)用診斷類設(shè)備

診斷類設(shè)備主要包括：X射線診斷設(shè)備、功能檢查設(shè)備、超聲波診斷設(shè)備、核醫(yī)學(xué)設(shè)備、內(nèi)窺鏡檢查設(shè)備、實驗室診斷設(shè)備及病理診斷設(shè)備。其中內(nèi)窺鏡檢查設(shè)備和實驗室診斷設(shè)備中大多都包含光源系統(tǒng)，如內(nèi)窺鏡采用基于光纖傳輸?shù)恼彰飨到y(tǒng)，將光源發(fā)出的光聚焦耦合到光纖中，采用光纖作為光傳輸介質(zhì)，將光能量傳輸?shù)秸彰魑铮饕捎们蛎婊蛘叻乔蛎娣瓷溏R形式來提高光源的利用率。內(nèi)窺鏡中廣泛使用的光源為氙燈，一般以鹵素?zé)糇鳛閭溆霉庠?。氙燈利用氙氣放電而發(fā)光，它具有色溫舒適度高、光效高、光譜能量均勻等特點，但氙燈壽命短、價格昂貴、工作溫度高，而LED光源則彌補了上述缺點。當(dāng)前LED產(chǎn)品性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了可應(yīng)用于光纖傳輸照明系統(tǒng)的水平，在LED二次光學(xué)開發(fā)基礎(chǔ)上，LED在散熱技術(shù)、LED驅(qū)動和控制技術(shù)的配合下可以替代氙燈。但要將LED應(yīng)用于光纖傳輸照明系統(tǒng)中，還存在一些技術(shù)問題如LED發(fā)光效率的提高、LED芯片最大驅(qū)動電流密度的增加、LED產(chǎn)品的封裝結(jié)構(gòu)與二次光學(xué)開發(fā)結(jié)構(gòu)的匹配等[9-10]。

實驗室診斷設(shè)備光源種類較多，綜合起來有鹵素?zé)簟㈦疅?、汞燈、溴鎢燈及鈉燈等[11]，此類光源的主要用途是照明和產(chǎn)生特定波長的光線。隨著LED光效的提高，LED波長范圍的擴大，以LED新光源代替上述傳統(tǒng)光源成為可能，是技術(shù)發(fā)展的趨勢。

3.2 醫(yī)用治療類設(shè)備

治療類設(shè)備包括病房護理設(shè)備、手術(shù)設(shè)備、放射治療設(shè)備、理療設(shè)備、激光設(shè)備等。除了手術(shù)照明設(shè)備適宜推廣LED光源外，理療設(shè)備也是LED發(fā)展的另一重要領(lǐng)域。理療設(shè)備主要有光療設(shè)備、電療設(shè)備、超聲波治療設(shè)備及磁療設(shè)備。其中光療設(shè)備是利用各種光輻射能，作用于肌體以達(dá)到治療疾病目的。常用光有可見光、紅外線及紫外線，可見光波長介于紅外線與紫外線之間，常用的有紅光、藍(lán)光、藍(lán)紫光及多光譜療法。這些光線的產(chǎn)生主要通過特殊材料和技術(shù)來實現(xiàn)，如紫外線是通過懸浮著水銀蒸汽的石英玻璃管激發(fā)產(chǎn)生。而LED可通過改變半導(dǎo)體材料，得到治療所用波段的光，直接把電轉(zhuǎn)化為光，光效大大提高，可以使用治療效果最佳的波段而無須擔(dān)心雜光造成的影響。另外，可以將兩個或者多個LED發(fā)光芯片制作在同一個封裝里，滿足不同組合光療的需求，為光療儀器的多功能化開辟了道路[12]。目前，已有LED的紅光、藍(lán)光及黃光治療儀問世，主要應(yīng)用于痤瘡、嫩膚、色斑等皮膚問題的治療[13-14]。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，紅外LED和紫外LED也會相繼應(yīng)用在光療設(shè)備中。

激光設(shè)備常用于眼科、泌尿外科、骨科等方面疾病的治療。激光是基于受激輻射放大原理產(chǎn)生的一種光輻射，具有單色性、定向性、相干性及高度集中等特點。激光有許多物理特性，如光熱效應(yīng)、電磁場效應(yīng)、光化作用等，因此激光對生物組織的作用是由許多復(fù)雜因素所決定的，特別是生物組織的層次結(jié)構(gòu)，使影響因素變得更為復(fù)雜。LED光源和激光光源都具有發(fā)熱低、壽命長、環(huán)保等特點，但單個LED的亮度不如激光，激光獨有的匯聚性也是LED無法比及的。在科學(xué)文獻(xiàn)中，上千項研究和臨床報告都有研究低強度單色光通過激光形式操作的效果，而關(guān)于LED研究極少。有文獻(xiàn)指出在一些疾病的治療中，LED效果不如激光效果好，LED要達(dá)到激光的效果還有很長的路要走。

4 結(jié)束語

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，LED在發(fā)光強度、峰值波長、半波帶寬等參數(shù)性能上會有很大提高，為LED應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域提供技術(shù)基礎(chǔ)。利用LED的特殊性能，將其與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，能夠研制各種實用、新型、簡便、安全易推廣的LED系列醫(yī)療設(shè)備，服務(wù)于醫(yī)療領(lǐng)域。

LED應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的前景廣闊，目前醫(yī)療設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)相對比較成熟，但研發(fā)以LED為光源的光學(xué)系統(tǒng)，成本較高，因此企業(yè)更傾向于研發(fā)傳統(tǒng)光源。另一方面，醫(yī)療設(shè)備準(zhǔn)入門檻高、技術(shù)難度大、市場規(guī)模小等問題制約了LED在醫(yī)療設(shè)備方面的發(fā)展。但LED技術(shù)的日益成熟，必將推動LED在醫(yī)療領(lǐng)域不斷發(fā)展，進而推動醫(yī)療設(shè)備不斷前進。

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Application Status and Prospect of LED in Medical Equipment

LIU Yan-mei, WANG Xiao-min
Department of Medical Engineering, Provincial Hospital Affiliated to Shandong University, Jinan Shandong 240014, China

This paper introduces the types and characteristics of LED, analyzes the application status and prospect of LED in the aspect of medical equipment to expect that LED can constantly promote the development of medical equipment.

LED; operation shadowless lamp; medical headlamp; curing light; fluorescence microscope; medical diagnostic equipment; medical therapeutic equipment

TN312.8；TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.09.022

1674-1633(2013)09-0064-03

2013-03-08

2013-03-26

作者郵箱：liuyanmei2000@163．com