光動力療法LED光透鏡陣列設計*

黃仁祥 王小輝 郭南萍 林珊莉 王炎 鄧曉君

?

光動力療法LED光透鏡陣列設計*

黃仁祥1王小輝2郭南萍1林珊莉2王炎2鄧曉君2

（1.廣州美銳健康產業(yè)股份有限公司2.廣州生物工程中心）

為解決現(xiàn)有光動力療法輻照器光源采用的多光譜固態(tài)發(fā)光器件出光效率低、出射光束發(fā)散角大、能量不集中、不同波長光在光束照射靶面所形成的均勻照射光斑位置存在差異等問題，設計一種光透鏡陣列多光譜固態(tài)發(fā)光器件，通過一次透鏡陣列設計和材料選擇，集成封裝工藝達到醫(yī)用LED光源的標準；通過二次透鏡陣列補償，阻止光能分散，實現(xiàn)對病變組織表面光照射總能量的精確控制。

光動力療法；多光譜固態(tài)發(fā)光器件；輻照器；透鏡陣列

0　引言

光動力療法（photodynamic therapy，PDT）是采用內源性或外源性光敏劑和特定光譜光源，通過光動力學反應，有選擇地破壞病變組織的一種新型治療技術，在醫(yī)療、醫(yī)學美容領域得到廣泛應用[1-2]。多光譜固態(tài)發(fā)光器件LED具有體積小、重量輕、壽命長、價格低等優(yōu)點，正逐漸替代效率較低、價格昂貴的激光器成為光動力療法輻照器光源[2]。然而，現(xiàn)有LED的封裝通常使用環(huán)氧樹脂、硅膠等透明封裝材料，采用平面封裝結構或在平面封裝結構的出光表面增加一個半球形透鏡。前者由于存在光線臨界角的“逸出錐”，而使出射光能損失嚴重；后者雖然提高了出光效率，但由于不同波長光經透鏡后存在折射率以及空間角分布的差異，使得光束照射目標靶面時，形成的均勻照射光斑位置不同。

在光動力治療中，采用呈陣列排布的多光譜固態(tài)發(fā)光器件LED作為光源，會出現(xiàn)光能利用率低、光照不均勻、不同波長的照射光斑在治療區(qū)域表面位置不一致、治療區(qū)域表面不同波長光照功率密度分布曲面形狀差異較大等一系列問題，從而導致光動力治療效果不佳，制約了多光譜固態(tài)發(fā)光器件作為光動力療法輻照器光源的應用與發(fā)展。

為解決上述問題，本文提出多光譜固態(tài)發(fā)光器件的光透鏡陣列設計，實現(xiàn)對病變組織表面光照射總能量的精確控制。

1　光動力反應基本原理

在光動力療法中，受到特定波長光照射的內源性或外源性光敏劑在吸收光子能量后將由基態(tài)轉換成激發(fā)態(tài)。由于處于激發(fā)態(tài)的光敏劑很不穩(wěn)定，因此可通過物理或化學退激過程釋放能量而返回基態(tài)。物理退激過程可產生熒光；化學退激過程可生成大量活性氧，其中最主要的是單線態(tài)氧。單線態(tài)氧能與多種生物大分子相互作用，產生細胞毒性作用，損傷細胞結構或影響細胞功能，進而產生治療作用。

光動力療法的輻照器光源是光動力治療的核心與關鍵，其光源的波長、光照功率密度、光照均勻度、不同波長光在有效照射區(qū)域內的光照功率密度分布曲面等技術指標直接影響光動力治療的效果[3]。

2　光透鏡陣列設計方案

本文提出的光動力療法輻照器光源的多光譜固態(tài)發(fā)光器件光透鏡陣列設計如圖1所示。在出光面封裝一次透鏡陣列的多光譜固態(tài)發(fā)光器件呈陣列排布在線路板上，一次透鏡陣列將器件上各波長LED芯片的光線散射角約束為近似相同，并對光線進行準直和光斑均勻，產生多條不同波長的平行準直且光斑均勻的細光束。所有器件產生的細光束一起構成一個準直平行寬光束被投射到二次透鏡陣列。

二次透鏡陣列由透鏡陣列2和透鏡陣列3組成，兩者具有相同的光學參數。平行準直的寬光束垂直投射到透鏡陣列2的凸面，被分成多條細光束，并聚焦于透鏡陣列3的每個透鏡中心；細光束在目標靶面上相互疊加，形成光功率密度均勻分布的光斑，為光動力治療提供足夠的光照功率密度。

1-線路板 2-透鏡陣列 3-透鏡陣列 4-目標靶面

3　一次透鏡陣列

3.1　一次透鏡陣列結構

一次透鏡陣列多光譜固態(tài)發(fā)光器件結構如圖2、圖3所示，包括封裝基板、電極、反射杯、光源芯片、和一次透鏡陣列。其中光源芯片分別為625 nm紅光、525 nm綠光和465 nm藍光LED芯片，并在封裝基板上按等邊三角形排布；一次透鏡陣列由多個呈正交陣列排布的折射型半球形微透鏡組成，設置在反射杯出光口，與封裝基板平行。圖3中，為微透鏡半徑；為相鄰微透鏡圓形底面間的距離；=2+為相鄰微透鏡圓形底面圓心之間的距離。

一次透鏡陣列能夠收集光源芯片在大角度發(fā)光范圍內出射的光線，并形成與一次透鏡陣列微透鏡數量相同的多條平行準直細光束。這樣盡管設置在同一封裝基板上的光源芯片空間位置不同，但對于一次透鏡陣列上的每一個微透鏡來說，入射的不同波長光線可被近似看作來自同一位置的點光源。因此，光源芯片發(fā)出的光線經過一次透鏡陣列準直后，在細光束中各個不同波長光線的空間角分布差異被約束成很小，每條不同波長的細光束在目標靶面所形成的光斑位置接近相同。由于一次透鏡陣列上的微透鏡緊密排布，多條細光束在目標靶面上形成的光斑彼此連接，形成光照功率密度分布均勻且位置一致的大光斑，可有效提高光動力治療效果。雖然由多條細光束組成的出射光線并非是理想的平行光，而具有一定的發(fā)散角，但因發(fā)散角較小，所以近似認為是平行光。

圖2 一次透鏡陣列多光譜固態(tài)發(fā)光器件結構

圖3 一次透鏡陣列多光譜固態(tài)發(fā)光器件三維結構　

3.2　一次透鏡陣列加工工藝

一次透鏡陣列的制作材料選用具有良好透光性的光學玻璃。由于微透鏡的直徑非常小，且一次透鏡陣列上的微透鏡排布緊密，因此無法采用冷加工技術。本研究采用微光學等離子體刻蝕加工技術進行微透鏡陣列的制作。此外，通過鍍膜處理改進光學玻璃的易碎特性。本文一次透鏡陣列是針對OSRAM的光源芯片與封裝進行開發(fā)，主要工藝路線如圖4所示。

圖4 一次透鏡陣列生產工藝路線圖

3.3　一次透鏡陣列仿真驗證

將一次透鏡陣列結構導入TracePro光學軟件進行仿真，并定義封裝基板的外形尺寸為5 mm×5 mm；固態(tài)發(fā)光元件的尺寸為1 mm×1 mm×0.5 mm；反射杯的底部直徑為3.3 mm，出光口直徑為3.8 mm，高度為0.8 mm；一次透鏡陣列的直徑為4.0 mm；微透鏡的半徑=0.15 mm，焦距為0.8 mm；相鄰微透鏡的圓形底面之間距離=0 mm。建立配光模型進行追跡仿真，多光譜發(fā)光器件中625 nm波長紅光的光強分布如圖5所示?？梢钥闯霭惭b一次透鏡陣列后，光強分布由圓形變成橢圓形，半強度角約為40°，光線分布明顯改善。

圖5 多光譜發(fā)光器件中625 nm波長紅光的光強分布

設均勻度=/；均勻系數=/。其中，為光線照射目標靶面形成的光斑的某一點的光照功率密度；為光線照射目標靶面形成的光斑內的光照功率密度峰值；為光線照射目標靶面形成的光斑的總面積；為光線照射目標靶面形成的光斑內滿足≥ 0.85的區(qū)域面積，≥ 0.85的區(qū)域被定義為均勻光斑區(qū)域。均勻系數越高，意味著光斑內光照功率密度分布越均勻。

在距離多光譜發(fā)光器件中一次透鏡陣列150 mm的位置處設置一個目標靶面；分別向目標靶面投射625 nm波長紅光、525 nm波長綠光和465 nm波長藍光，使用光輻照計測量各不同波長的光線在目標靶面上形成的光斑的光照功率密度。把目標靶面分為 10 mm×10 mm的正方形測量子區(qū)域，測量目標為各個測量子區(qū)域的幾何中心點。測量目標的光照功率密度值，根據均勻度公式計算測量目標的均勻度。在同一坐標系中將3種不同波長的光線所形成的光斑最外圍中≥ 0.85的點用折線相連，形成3個封閉的區(qū)域，該區(qū)域即為3種不同波長的光線各自形成的均勻光斑區(qū)域，如圖6所示。從圖6可見：3種不同波長的光線各自形成的均勻光斑區(qū)域的面積基本相同，且集中分布在光斑的中心，3個均勻光斑區(qū)域在目標靶面上的位置大致重合。

圖6　目標靶面均勻光斑區(qū)域分布圖

4　二次透鏡陣列

為給光動力治療提供足夠光照功率密度的照射光，將一定數量的一次透鏡陣列多光譜固態(tài)發(fā)光器件呈正交陣列排布在線路板上構成一個面光源。由每個多光譜固態(tài)發(fā)光器件產生不同波長的平行準直且光斑均勻的細光束構成一個面光源的寬光束。在實際應用中，出于散熱及安裝考慮，線路板上相鄰的多光譜固態(tài)發(fā)光器件之間必須留有一定的間隙。因此，如果將這些各自準直、均勻的光束直接投射到目標靶面，即患者治療區(qū)域，并不能彼此相接連成一片。通過在面光源光路后端平行設置二次光學透鏡陣列可有效解決上述問題。

4.1　二次透鏡陣列設計

二次光學透鏡陣列由2個光學參數完全相同的透鏡陣列組成，其中透鏡陣列由一定數量的折射型小透鏡呈正交陣列緊密排布構成。在本研究中小透鏡的底面為矩形，小透鏡的尺寸為5.8 mm×3.4 mm；在方向的半寬為2.9 mm；在方向的半寬為1.7 mm；焦距為15 mm。透鏡陣列2位于面光源光路后端，透鏡陣列3位于透鏡陣列2光路后端，三者相互平行。透鏡陣列2與透鏡陣列3上的各小透鏡的中心重合且各邊一一對應，兩者間距離為小透鏡的焦距的0.85~1.15倍，如圖1所示。

當寬光束入射到透鏡陣列2上時，透鏡陣列2上的多個小透鏡將入射的寬光束分裂成與小透鏡數量相同的多條小光束，此時每條小光束范圍內的均勻性優(yōu)于寬光束范圍內的均勻性。透鏡陣列3上的每一個透鏡將透鏡陣列2上對應小透鏡出射的光重新聚集后出射到目標靶面上，各光斑相互疊加且不均勻性相互補償，從而實現(xiàn)目標靶面的均勻輻照。

與多光譜固態(tài)發(fā)光器件中的一次透鏡陣列相比，二次透鏡陣列上的小透鏡尺寸較大。二次透鏡陣列可以選用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料，通過模具加工制作。

4.2　二次透鏡陣列光照射效果對比

將采用二次透鏡陣列設計方案的光動力治療輻照器與現(xiàn)有輻照器的光照射效果對比，如圖7所示。其中，圖7(a)是采用光透鏡陣列設計方案的輻照器在暗室環(huán)境下向距離50 cm的白色幕布投射峰值波長為625 nm紅光后所拍攝的圖片，圖7(b)是將圖7(a)多光譜固態(tài)發(fā)光器件中的一次、二次透鏡陣列去除后，采用環(huán)氧樹脂對其進行平面封裝的輻照器；在同樣的暗室環(huán)境下向距離50 cm的白色幕布投射峰值波長為625 nm紅光后所拍攝的圖片。從圖7中可以明顯看到：圖7(a)比圖7(b)不論是從光照均勻性還是光照強度來看，都有顯著提高。

圖7　光動力治療輻照器的光照射效果圖

5 結語

光動力療法采用多光譜固態(tài)發(fā)光器件LED替代激光器作為輻照器光源，確保聚焦光發(fā)射到治療部位，不會造成不必要的光能損失，同時實現(xiàn)對病變組織表面光照射總能量的精確控制，具有廣闊的應用前景。

[1] 陳文輝,浦宇.光動力療法的起源和發(fā)展史[J].中國醫(yī)學文摘(皮膚科學),2015,32(2):109-118.

[2] 聶國朝,俸小平,賴昌生,等.LED陣列腫瘤光熱光動力熱治療儀研究[J].光學與光電技術,2017,15(5):80-84.

[3] 張智慧,陳文暉.光照功率密度及照射方式對光動力療法影響的研究進展[J].中國激光醫(yī)學雜志,2017,26(1):34-38.

[4] 李莉莉.基于LED陣列的光動力反應裝置設計及其應用研究[D].廣州:華南師范大學,2013.

[5] 黃志勇,李步洪.基于LED的光動力療法光源設計[J].激光與光電子學進展,2013,50(7): 108-112.

[6] Infanger M, Ulbrich C, Baatout S, et al. Modeled gravitational unloading induced downregulation of endothelin-1 in human endothelial cells[J]. Journal of Cellular Biochemistry. 2007,101(6):1439-1455.

[7] Ulbrich C, Westphal K, Baatout S, et al. Effects of basic fibroblast growth factor on endothelial cells under conditions of simulated microgravity[J]. Journal of Cellular Biochemistry. 2008,104(4):1324-1341.

Design of LED Light Lens Array for Photodynamic Therapy

Huang Renxiang1Wang Xiaohui2Guo Nanping1Lin Shanli2Wang Yan2Deng Xiaojun2

(1.Guangzhou Race Medical & Beauty Equipment Co., Ltd. 2.Guangzhou Biotechnology Center)

A micro lens array multi spectral light-emitting device for photodynamic therapy is studied in this paper. Through primary lens design, material selection and integrated packaging technology, it can make LED to meet the light source requirements of photodynamic therapy. By arranging the monomer array of the light source in the irradiator and compensating the secondary lens on the front of the irradiator, the emitted light energy from the irradiator can be prevented from dispersing and can be ensured to focus on the therapeutic tissues. The scheme solves the problems of low efficiency of multi-spectral solid-state light emitting devices, large divergence angle of the emitted beam, non-concentration of energy, and difference of the uniform spot position formed by different wavelength light irradiation on the target surface. It realizes accurate control of the total energy of illumination on the surface of diseased tissues.

Photodynamic Therapy; Multispectral Solid LED Light Source; Irradiator; Lens Array

黃仁祥，男，1964年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：生物醫(yī)學工程。E-mail: 2861610521@qq.com

王小輝，男，1963年生，碩士，研究員，主要研究方向：光電技術、醫(yī)療儀器。E-mail: 503225328@qq.com

廣州市對外科技合作計劃項目（201807010009）