LED光療儀在皮膚中的穿透評(píng)估

馮澤峰王沛沛*楊旭劉虎熊大曦

LED光療儀在皮膚中的穿透評(píng)估

馮澤峰1，2，王沛沛2*，楊旭1，2，劉虎1，2，熊大曦2

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（蘇州），江蘇 蘇州 215163；2.中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215163）

基于LED光源的低強(qiáng)度光治療（LLLT）是一項(xiàng)快速發(fā)展的非侵入式光治療技術(shù)。相比于激光，LED光療能輕易產(chǎn)生較大面積的治療光斑，并且獲得與激光幾乎一致的治療效果。在LED光療儀設(shè)計(jì)及光療方案制定時(shí)，考慮到邊緣光線與皮膚間角度過(guò)大會(huì)影響光的穿透效果，因此需要一個(gè)皮膚模型分析大面積光斑時(shí)的光穿透情況。首先，本論文根據(jù)皮膚組織的光學(xué)特性建立了一個(gè)通用的皮膚模型樣本。然后，利用蒙特卡洛模擬方法對(duì)LED光源發(fā)出的光進(jìn)行追跡，并分析了不同波長(zhǎng)、不同發(fā)散角的光，在該樣本中的光分布和能量吸收情況。最后，根據(jù)人體肩部、前臂背側(cè)、臀部三個(gè)部位皮膚的參數(shù)，與樣本模型進(jìn)行對(duì)照，驗(yàn)證模型的可靠性。模擬的最終結(jié)果給出了大尺寸LED光斑在皮膚中的傳輸情況，并且在不同部位皮膚的模擬實(shí)驗(yàn)中，均得到需要將光斑發(fā)散半角控制在30°以內(nèi)的結(jié)論，為L(zhǎng)ED光治療領(lǐng)域提供了重要參考。

LED光療；低強(qiáng)度光治療；皮膚模型；蒙特卡洛模擬；光發(fā)散角；光穿透

1 引　言

基于LED光源的低強(qiáng)度光治療（Low-Leved Light Therapy， LLLT）常使用可見光或近紅外（Near Infrared， NIR）光來(lái)減輕患者疼痛、炎癥和水腫，促進(jìn)傷口愈合，并且LLLT的重要特點(diǎn)是不會(huì)引起組織的熱效應(yīng)［1］。雖然在體外、動(dòng)物模型和隨機(jī)對(duì)照臨床試驗(yàn)中有許多積極結(jié)果的報(bào)道，但LLLT仍然存在爭(zhēng)議，主要由于LLLT背后的生化機(jī)制尚未被完全了解，并且相關(guān)研究中使用大量不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)（光波長(zhǎng)、光功率密度、光照劑量、照射皮膚位置等），導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往很難被復(fù)現(xiàn)。此外，LLLT中觀察到存在雙相劑量響應(yīng)（過(guò)高或過(guò)低的劑量會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生顯著差異），這使得發(fā)表的很多研究有著不同的結(jié)論［2］。因此迫切需要一個(gè)具有多變量的皮膚模型來(lái)模擬不同實(shí)驗(yàn)條件下光的傳輸情況，為光治療提供可靠的數(shù)據(jù)參考。

研究皮膚模型中的光傳播主要采用蒙特卡洛模擬方法，1989年，Patterson首次將蒙特卡洛模擬應(yīng)用于組織光學(xué)［3］，1995年，Wang等又將該模擬方法編寫成了開源的程序，更促進(jìn)了該領(lǐng)域的發(fā)展［4］。目前蒙特卡洛模擬被廣泛用于研究光在皮膚中的傳播，例如Hokr等使用蒙特卡洛模擬方法研究高斯光束在皮膚中的傳播特性［5］；Periyasamy等在皮膚模型中加入不同形狀的物體來(lái)模擬患者腫瘤［6］；Ash等研究光束寬度和波長(zhǎng)對(duì)光穿透皮膚的影響［7］。但前人的研究都集中于準(zhǔn)直性強(qiáng)、光斑尺寸較小的激光光源，光源產(chǎn)生的入射光束都是近平行光，不符合LED光療實(shí)際情況。臨床上前胸、后背等大面積部位需要光照治療時(shí)，激光光療儀產(chǎn)生的小光斑難以滿足治療的需要，因而更容易實(shí)現(xiàn)較大尺寸光斑的LED光療儀被廣泛采用。但LED光療儀大光斑照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的發(fā)散角，不同發(fā)散角的光在皮膚中傳輸情況不同，一些LED光療設(shè)備，雖然有很高的出光能量，但由于沒有合理的出光發(fā)散角，實(shí)際穿透皮膚到達(dá)目標(biāo)組織的光能并不高，影響了治療效果。

隨著LED光治療在臨床上應(yīng)用日益廣泛，為滿足LED光治療領(lǐng)域的迫切需求，建立針對(duì)LED光照模式的皮膚模型顯得格外重要。本論文在多變量皮膚光學(xué)模型基礎(chǔ)上，利用蒙特卡洛模擬方法，定量分析了不同角度發(fā)散光在組織中的傳播情況，并且為了驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，選用三個(gè)不同部位皮膚的參數(shù)進(jìn)行多次模擬，最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具備足夠的可靠性。

2 多變量皮膚模型

2.1　皮膚模型構(gòu)建

將皮膚按照不同光學(xué)性質(zhì)以及成分分為若干層，如圖1所示，最外面由角質(zhì)層（Stratum corneum）與活性表皮層（Living epidermis）組成，其中角質(zhì)層對(duì)光線起到很好的屏蔽作用。為簡(jiǎn)化計(jì)算，真皮層按是否含有血管叢分為有血真皮層（上層血管叢（Upper blood net dermis）、深層血管叢（Deep blood net dermis））和無(wú)血真皮層（乳頭狀真皮層（Papillary dermis）、網(wǎng)狀真皮層（Dermis）），有血真皮層的血液含量遠(yuǎn)大于無(wú)血真皮層，因此可以將有血真皮層的光學(xué)特性看作是無(wú)血真皮層和血液光學(xué)特性的疊加。模型最深層是皮下脂肪層（Subcutaneous fat），將其作為光傳輸?shù)谋尘埃?-9］。

在這個(gè)皮膚組織模型中，認(rèn)為主要有以下幾個(gè)因素對(duì)光在皮膚內(nèi)的傳播有較大影響，分別是：全血體積分?jǐn)?shù)、含氧血紅蛋白比例、平均含水量，皮膚角質(zhì)層與活性表皮層的黑色素含量［10］。這些參數(shù)對(duì)不同波長(zhǎng)的光顯示出不同的影響特性，在參數(shù)確定后，該模型對(duì)光波長(zhǎng)將會(huì)具有高度敏感性。

圖1　皮膚分層模型

2.2　吸收系數(shù)計(jì)算

水的吸收系數(shù)可以根據(jù)式（3）計(jì)算得到［11］：

圖2為血紅蛋白以及水對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收系數(shù)，各個(gè)影響因子吸收系數(shù)確定后，總的吸收系數(shù)可根據(jù)式（5）得到［10］：

其中：B代表全血體積分?jǐn)?shù)，S代表含氧血紅蛋白比例，W代表平均含水量，M代表皮膚角質(zhì)層與活性表皮層所含的黑色素含量［10］。

2.3　散射各向異性因子

根據(jù)Jacques與Burls的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，表皮層與真皮層的散射各向異性因子幾乎是一致的，因此在模型中使用式（6）來(lái)分析散射各向異性因子與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系［12］：

2.4　約化散射系數(shù)計(jì)算

表1約化散射系數(shù)擬合方程參數(shù)

Tab.1　Reduced scattering coefficient fitting equation parameters

2.5　平均折射率

各層組織的平均折射率主要與組織含水量有關(guān)，為簡(jiǎn)化模型，令組織間的折射率按式（9）計(jì)算［15］：

2.6　生物組織含量及樣本模型確定

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［8，15-16］，將皮膚各組織層的重要參數(shù)匯總，針對(duì)不同部位的皮膚可根據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)行參數(shù)修改，表2為一份標(biāo)準(zhǔn)皮膚樣本的組織參數(shù)。其中皮下脂肪層為傳輸背景，厚度為無(wú)窮。兩個(gè)血管叢全血體積分?jǐn)?shù)中的1、2代表變化的血液含量，由于心臟泵浦的原因，使得血液含量周期性變化。因此在上層血管叢和深層血管叢中的組織光學(xué)參數(shù)按照式（10）進(jìn)行計(jì)算［17］。

表2樣本組織參數(shù)

Tab.2　Sample tissue parameters

如圖3和圖4所示，在吸收系數(shù)圖中可以看到無(wú)血真皮層（乳頭狀真皮層、網(wǎng)狀真皮層）相較于其他層處于較低水平，在圖4中可以看出各個(gè)層的約化散射系數(shù)隨著波長(zhǎng)的增加均呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。

圖3　吸收系數(shù)與波長(zhǎng)關(guān)系

圖4　約化散射系數(shù)與波長(zhǎng)關(guān)系

3 蒙特卡洛仿真

3.1　仿真原理

蒙特卡洛模擬方法是一種計(jì)算隨機(jī)過(guò)程結(jié)果的技術(shù)，在光傳播中應(yīng)用蒙特卡洛模擬技術(shù)是一種靈活而嚴(yán)格的方法［18-21］。本文使用的是Jacques的經(jīng)典蒙特卡洛模擬程序Mcxyz，具體的光子傳播模擬流程如圖5所示［4］。

流程如下：

（3）利用產(chǎn)生的隨機(jī)步長(zhǎng)以及光子的方向余弦，更新光子位置：

圖5　蒙特卡洛模擬流程

圖6　光子坐標(biāo)初始化

光子新的方向余弦：

（6）直到該光子逸出組織或者光子能量低于閾值，在算法中加入“輪盤賭”，隨機(jī)使部分光子消失，最后重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

3.2　不同波長(zhǎng)光穿透情況

將第二節(jié)計(jì)算得到的皮膚樣本光學(xué)參數(shù)帶入到蒙特卡洛模擬程序中，對(duì)440 nm、650 nm、800 nm的大口徑光源垂直入射時(shí)的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以清楚地看出，在皮膚治療中使用的光波長(zhǎng)從440 nm變化到800 nm時(shí)，光的穿透深度也相應(yīng)增加，440 nm的光穿透角質(zhì)層與活性表皮層（0.02 cm）之后能量大幅度衰減，而650 nm的光與800 nm的光均有良好的穿透表現(xiàn)，在穿過(guò)深層血管層（0.2 cm）后仍然保持著較高的相對(duì)注入率。

將圖7與Clement M的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［23］（圖8）進(jìn)行對(duì)照，Clement M的實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為440 nm波長(zhǎng)的藍(lán)光穿透深度約為1 mm，650 nm的宏觀穿透深度為4～5 mm，近紅外光穿透深度為6～8 mm，與本文模擬結(jié)果高度符合。

圖7　三種波長(zhǎng)穿透情況

圖8　光穿透皮膚深度

再對(duì)比三個(gè)波長(zhǎng)的光子沉積率分布，如圖9所示，光子沉積率分布可以體現(xiàn)組織各層的吸收情況。能夠清楚地看到，不論是哪個(gè)波長(zhǎng)的光，在角質(zhì)層、活性表皮層以及兩個(gè)血管叢處均有相對(duì)較高的吸收，但由于乳頭狀真皮層及網(wǎng)狀真皮層的血液含量較低，導(dǎo)致吸收系數(shù)與其他組織層最大相差了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此圖中在這兩個(gè)組織的位置顯示出了吸收斷層。此外越接近皮膚表層，光子沉積率越高，組織對(duì)光的吸收也越強(qiáng)。隨著波長(zhǎng)的增加，表層組織的光子沉積率不斷減少，深層組織的光子沉積率卻不斷增加。因此在治療痤瘡［24］等表層疾病時(shí)推薦使用短波長(zhǎng)的藍(lán)光，治療糖尿病足［25］、燒傷［26］等深層皮膚疾病時(shí)推薦使用長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅光和近紅外光。

圖9　光子沉積率分布

3.3　不同發(fā)散半角時(shí)光穿透情況

圖10　實(shí)際光路圖

圖11　不同光束入射示意圖

在圖12中可以清楚地看到最大穿透深度隨著發(fā)散半角的增大不斷減小，并且當(dāng)發(fā)散半角大于30°以后光最大穿透深度減小的速度明顯增加，不同角度對(duì)應(yīng)的穿透深度分別為0.565 cm、0.541 cm、0.512 cm、0.473 cm、0.416 cm、0.277 cm。在75°發(fā)散半角時(shí)，穿透深度從0°時(shí)的0.565 cm變?yōu)榱?.277 cm，下降了約51%。并且最大穿透深度邊界線的形狀也以發(fā)散半角30°為分界線，從“平臺(tái)狀”改變?yōu)椤奥┒窢睢?，意味著大發(fā)散角使得在皮膚深處的光能量分布均勻性變差。為驗(yàn)證該結(jié)果是否適用于其他部位，從文獻(xiàn)中選取肩部、前臂背側(cè)、臀部三處的組織進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，改變了對(duì)光穿透影響較大的角質(zhì)層和活性表皮層的多個(gè)參數(shù)，如表3所示［27］。

圖12　發(fā)散光入射示意圖

表3肩部、前臂背側(cè)、臀部皮膚參數(shù)

Tab.3　Skin parameters of shoulder， forearm dorsal and buttock

將四份不同的皮膚模型穿透深度進(jìn)行對(duì)照，如圖13所示，可以看到這四份模型下降趨勢(shì)十分接近，因此可以認(rèn)為樣本組織所得出的結(jié)論具有足夠的可靠性及適用性。接下來(lái)在該樣本組織模型上進(jìn)一步進(jìn)行分析。

圖13　四種皮膚模型穿透深度對(duì)比

圖14　不同發(fā)散半角穿透深度的對(duì)比

圖14是從0°垂直入射至75°發(fā)散半角入射時(shí)的光穿透情況，隨著角度的增大，上層血管叢至皮下脂肪層的光分布在加速減弱，發(fā)散角度到達(dá)45°時(shí)，在上層血管叢附近的紅色區(qū)域消失殆盡。但角質(zhì)層處的顏色卻在逐漸變紅，這意味著表層的光子相對(duì)注入率在增加，在角質(zhì)層處大幅度衰減。在LED光療治療傷口時(shí)，活性表皮層、上層血管叢、深層血管叢是LED光療中三個(gè)重要的靶面，活性表皮層細(xì)胞分裂活躍，不斷產(chǎn)生新細(xì)胞，而兩個(gè)血管叢受到光照后會(huì)加速血管生長(zhǎng)并刺激血液流動(dòng)，有助于營(yíng)養(yǎng)供給，幫助傷口愈合［2］。并且由于大發(fā)散角時(shí)存在較大的菲涅爾反射損耗，以及光子在水平方向的運(yùn)動(dòng)在角質(zhì)層與活性表皮層有很大的吸收，導(dǎo)致了圖14中的光斑在不同發(fā)散角的情況下，水平方向的變化不明顯。圖15是在不同發(fā)散半角時(shí)，光療重要靶面活性表皮層和兩個(gè)血管叢的光子相對(duì)注入率統(tǒng)計(jì)，將發(fā)散半角控制在30°以內(nèi)時(shí)，活性表皮層與深層血管叢光子相對(duì)注入率基本穩(wěn)定，上層血管叢相對(duì)注入率能控制在89.6%以內(nèi)；但是隨著發(fā)散半角增加至30°后，血管叢的相對(duì)注入率加速減少，并且相對(duì)注入率在這三層之間的比例也遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了垂直入射時(shí)的比例。在圖16中不同發(fā)散半角光束入射情況下，將各組織層的平均能量分布與垂直入射時(shí)的平均能量分布進(jìn)行對(duì)比，發(fā)散半角為30°時(shí)各層能量分布分別為垂直照射時(shí)的94.71%、98.91%、94.52%、93.15%、93.02%、92.35%、90.36%，整體分布與垂直入射時(shí)的能量分布較為相近；但45°時(shí)深層的光子相對(duì)注入率偏差大于20%，60°與75°時(shí)在乳頭狀真皮層至皮下脂肪層的能量偏差超過(guò)了50%，且經(jīng)過(guò)角質(zhì)層與活性表皮層之后光子相對(duì)注入率大幅度衰減。在角質(zhì)層的能量對(duì)比中，75°發(fā)散半角能量甚至是垂直入射時(shí)的1.88倍，這說(shuō)明了當(dāng)發(fā)散半角較大時(shí)，有一大部分光能量被限制在了角質(zhì)層，這是由于當(dāng)光線以更大的傾斜角度進(jìn)入皮膚時(shí)，它在和方向上散射并通過(guò)皮膚頂部離開的幾率更高，而不是像光線沿法線方向進(jìn)入時(shí)那樣沿方向向下移動(dòng)。這會(huì)導(dǎo)致穿過(guò)皮膚表層的光子數(shù)量增加，由于能量的守恒，產(chǎn)生了表層具有較高相對(duì)注入率，深層相對(duì)注入率變低現(xiàn)象。

圖15　不同發(fā)散半角靶面光子相對(duì)注入率對(duì)比

圖16　各層組織相對(duì)注入率對(duì)比

一般光療設(shè)備設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要考慮到出射光斑發(fā)散半角的問(wèn)題，光發(fā)散半角過(guò)大會(huì)使得入射的光能量只停留在皮膚表層，這將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的使用，結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，可以將光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)的最大發(fā)散半角規(guī)定為30°。

4 結(jié)　論

文章提供了一種新的皮膚光學(xué)模型，將皮膚分為七層結(jié)構(gòu)，利用四個(gè)光學(xué)參數(shù)來(lái)模擬皮膚的光學(xué)性質(zhì)，并使用蒙特卡洛方法對(duì)光子進(jìn)行追蹤分析?；谠撈つw模型，測(cè)試三種波長(zhǎng)的光的穿透情況、光吸收情況以及650 nm光以不同光發(fā)散半角照射時(shí)對(duì)組織的穿透情況，發(fā)現(xiàn)了在短波長(zhǎng)以及大發(fā)散角的光照射時(shí)光能量大部分停留在皮膚表層，最后對(duì)大口徑LED光療設(shè)備的設(shè)計(jì)提出了發(fā)散半角限制在30°以內(nèi)的要求。為了在保證光斑面積的前提下控制發(fā)散角，根據(jù)光學(xué)擴(kuò)展量守恒，朗伯分布的LED光源發(fā)光面積需要盡可能小，而能夠提供大功率、高亮度、易散射、設(shè)計(jì)靈活的板上（Chips on Board， COB）封裝LED作為光療儀的光源將會(huì)是LED光療儀領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

本論文提供的基于蒙特卡洛的多變量皮膚模型，其優(yōu)點(diǎn)是它的適應(yīng)性。只要有皮膚組織的光學(xué)特性可用，模擬就可以很容易地用于表示許多不同的皮膚類型以及不同的入射光設(shè)置。隨著可用光學(xué)特性的精度和多樣性的增加，該模型的可靠性和適用性也相應(yīng)增加。具體來(lái)說(shuō)，該模型的適應(yīng)性將在疾病定向方面發(fā)揮作用。

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Evaluation of light penetration of LED phototherapy apparatus in skin

FENG Zefeng1，2，WANG Peipei2*，YANG Xu1，2，LIU Hu1，2，XIONG Daxi2

（1（），，，215163，；2，，215163，），：

Low-level light therapy （LLLT） based on light-emitting diode （LED） light sources is a rapidly-developing and non-invasive light therapy technology. In contrast to a laser， LED phototherapy can easily produce a larger treatment spot area， while achieving almost the same treatment effect. When designing LED phototherapy equipment and formulating phototherapy plans， too large an angle between the edge light and skin could affect the light penetration effect. Therefore， a skin model is required to analyze the light penetration for a large area of light spots. First， this study identified a general skin model sample based on the optical properties of skin tissue. Then， Monte Carlo simulation was used to trace the light emitted by the LED light source， and the wavelength distribution of light and different divergence angles were analyzed. Finally， the reliability of the sample model was verified based on the skin parameters of the human shoulder， forearm back， and buttocks. The simulation results demonstrated the transmission of a large-sized LED spot in the skin. Experimental simulations of different skin parts proved that the spot divergence half-angle needs to be controlled within 30°. This provides an important reference for the field of LED light therapy.

LED phototherapy； LLLT； skin model； Monte Carlo simulation； light divergence angle； light penetration

TB133

A

10.37188/OPE.20223010.1139

1004-924X（2022）10-1139-12

2021-12-13；

2022-01-06.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No.2018YFC0114800）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（No.51376191）；蘇州市重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（No.SYG202035）

馮澤峰（1997），男，浙江嘉興人，碩士研究生，2016年于浙江師范大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（蘇州）碩士研究生，主要從事光健康方向研究。E-mail： fengzefeng@mail.ustc.edu

王沛沛（1990），男，浙江紹興人。2012年于浙江大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2015年獲中國(guó)科學(xué)院大學(xué)碩士學(xué)位?，F(xiàn)于中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所從事特種LED光源的開發(fā)和應(yīng)用工作，主要負(fù)責(zé)光療及特種照明設(shè)備的研發(fā)。E-mail：wangpp@sibet.ac.cn