LED在傷口愈合與皮膚護(hù)理方面的應(yīng)用

用作激光替代品的LED在傷口愈合方面的應(yīng)用越來越多。 NASA的早期研究表明，630至880 nm范圍內(nèi)的近紅外LED可促進(jìn)細(xì)胞生長，從而刺激燒傷，骨折，放射組織損傷和皮膚移植，以及治療肌肉和骨骼萎縮的更快愈合，這是一種普遍存在的疾病。宇航員在長距離任務(wù)中的應(yīng)用。

本文將回顧該領(lǐng)域的一些研究，并重點(diǎn)介紹LED現(xiàn)在被納入LED光療產(chǎn)品的類型，以促進(jìn)傷口愈合和皮膚護(hù)理。最流行的波長是660nm（表面愈合）和880nm（更深的傷口愈合）。治療產(chǎn)品和醫(yī)療設(shè)備通常在一個單元中組合多個波長。

圖1：發(fā)射可見紅光的便攜式設(shè)備，如Quantum的Warp 10，設(shè)計用于為遭受輕微傷口的武裝部隊提供即時急救治療。

這些可見紅色LED和近紅外發(fā)射器在這些波長下很容易獲得，包括Lumex，Marktech Optoelectronics和Osram Semiconductor等公司。

加速愈合

有充分證據(jù)表明，在太空中，特別是在太空任務(wù)中，由于長時間的失重，宇航員患有肌肉和骨骼萎縮。此外，輕微的傷害，例如割傷和擦傷，在微重力環(huán)境或海底大氣中不易愈合，這些大氣中氧氣含量低，二氧化碳含量高，缺乏陽光。 NASA最初確定最初為植物生長實驗開發(fā)的LED在治療傷口方面是有效的，從而加速了愈合過程。進(jìn)一步的研究更精細(xì)地調(diào)整了最佳波長，并發(fā)現(xiàn)它們單獨(dú)使用，與高壓氧一起產(chǎn)生最佳效果。

LED光療法用于治療傷口愈合和肌肉和骨骼萎縮的應(yīng)用引起相當(dāng)大的興趣，不僅在空間應(yīng)用和軍事戰(zhàn)斗傷員護(hù)理方面，而且在民用醫(yī)療方面。市場研究 1 預(yù)測生物光子和醫(yī)療設(shè)備中使用的LED市場將快速增長，預(yù)測2019年將比2012年的6450萬美元增長5倍，達(dá)到3.247億美元。

光療和細(xì)胞再生僅占該市場的一小部分。然而，營銷人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)紅色LED，包括近紅外和紅外設(shè)備，至少占生命科學(xué)應(yīng)用中銷售設(shè)備的一半。此外，顧問們已經(jīng)注意到令人印象深刻的增長預(yù)測并未反映出真正的市場擴(kuò)張，因為單位價格繼續(xù)下降且數(shù)量使用量增加。

紅色是研究人員與NASA合作 2 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用近紅外LED的光療法通過激活身體組織中的顏色敏感化學(xué)物質(zhì)來刺激細(xì)胞線粒體中的過程。已發(fā)現(xiàn)680nm至880nm的光波長穿過皮膚和肌肉組織，促進(jìn)組織和深層傷口愈合。光穿透取決于功率和波長，更高波長的LED更有可能進(jìn)一步滲透。

美國和其他地方的醫(yī)院正在進(jìn)行各種單波長和混合波長LED燈的臨床試驗。結(jié)果表明，與未處理的細(xì)胞相比，近紅外光療法使細(xì)胞生長加速150至200％。目標(biāo)波長為630至680 nm，730 nm和850至880 nm，但研究正在繼續(xù)確定哪種方法對刺激細(xì)胞生長最為有效。

在歐洲，維也納Ludwig Boltzmann實驗和臨床創(chuàng)傷研究所的研究奧地利已經(jīng)將最初的NASA研究成果建立在近紅外線上，并將其研究范圍擴(kuò)展到研究470 nm藍(lán)光。 3 作為奧地利組織再生研究工作的一部分，該研究所發(fā)現(xiàn)藍(lán)光可以顯著和積極地影響生物系統(tǒng)。紅光和藍(lán)光之間的比較表明，與沒有光療法相比，兩種光源都能顯著促進(jìn)傷口愈合。它們之間的關(guān)鍵區(qū)別在于它們對角蛋白表達(dá)的影響。

廣泛的研究正在不斷尋找新的和不斷擴(kuò)大的LED光療應(yīng)用領(lǐng)域。除了加速軍事人員在訓(xùn)練或行動中可能遇到的傷口愈合，如燒傷，骨折，放射組織損傷和皮膚移植，醫(yī)學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)該技術(shù)還可以幫助治愈甚至預(yù)防由口腔潰瘍引起的化療和放射治療，加速整容手術(shù)后的皮膚/組織愈合和激光燒蝕重修，并有助于加速糖尿病皮膚潰瘍的愈合。

正在進(jìn)行進(jìn)一步的專業(yè)研究，以驗證特定波長LED光治療眼疾的有效性作為‘懶惰的眼睛’，糖尿病性黃斑變性和視網(wǎng)膜病變。美國宇航局和其他研究人員已成功使用紅色LED探頭治療腦腫瘤。正在進(jìn)行其他試驗以使用LED與其他癌癥治療相結(jié)合來破壞一些癌細(xì)胞。深入穿透波長被認(rèn)為可有效治療顱骨創(chuàng)傷，并有可能幫助癡呆癥患者。

輕量級光陣列

商業(yè)上可用的光療產(chǎn)品通常使用LED陣列。例如，Quantum Warp-Light器件的Warp 10（圖2）是一個陣列，提供10平方厘米的治療區(qū)域，輸出功率為50 mW/cm2。

圖2：來自Quantum Warp-Light Devices的消費(fèi)者版Warp 10使用660 nm紅色LED陣列來提供傷口愈合光療法。

近紅外LED （670 nm中心波長），它是治療面部擦傷和防止因放射和化療引起的口腔潰瘍的理想選擇。另一家供應(yīng)商Elixa提供尺寸僅為5 cm x 10 cm的小型手持設(shè)備，其中包含120個紅色LED （660nm），近紅外（880nm）或藍(lán)色（470nm）。輸出約為1焦耳/分鐘。

圖3：Elixa的這款LED陣列治療產(chǎn)品采用120個高強(qiáng)度LED，密集包裝，打造便攜式手持設(shè)備。據(jù)稱紅光版（圖3）滲透到約25毫米的深度，用于治療皮膚傷口和感染，而近紅外陣列可穿透至75毫米，以增加血液流動和釋放一氧化氮，以舒緩和治愈疼痛的肌肉和關(guān)節(jié)。其他產(chǎn)品包括雙向和三向組合的紅色/紅外/藍(lán)色可切換單元和安裝在支架上的三重陣列。

在光療設(shè)備中使用LED有許多好處，但有兩個突出。第一個是陣列可以容易且廉價地構(gòu)建以包含多個設(shè)備。根據(jù)其應(yīng)用，它們可以包含多個波長器件或單波長LED。簡單的電子設(shè)備可以根據(jù)照明設(shè)備的數(shù)量和波長來控制陣列。

LED陣列可以輕松組裝成大型扁平結(jié)構(gòu)，用于治療大面積傷口，如燒傷。目標(biāo)應(yīng)用還將確定陣列的最佳尺寸，功率要求，以及LED是否需要緊密包裝以使表面貼裝器件至關(guān)重要，或者通孔封裝器件是否足夠。

另一個關(guān)鍵的好處是，通過使用微型，表面貼裝設(shè)備，輕便，手動或現(xiàn)場便攜，也可以建造低功率單元。這使得它們成為軍事野戰(zhàn)醫(yī)院或遠(yuǎn)程醫(yī)療中心以及特殊軍事行動的理想選擇，在這些地區(qū)，裝備精良的部隊部署在高流動性和最佳身體狀況至關(guān)重要的危險區(qū)域。在美國，海軍特種作戰(zhàn)小組（SEALS）一直在試驗一種結(jié)合670，720和880納米LED的裝置，用于訓(xùn)練中持續(xù)的肌肉骨骼損傷。

光線需要穿透的深度取決于產(chǎn)品是否正在攻擊表面組織傷口或深部肌肉治療，這也將是在波長，能量和功率方面選擇LED的重要因素。由mcd中的一些LED制造商測量的亮度在這種類型的應(yīng)用中不被認(rèn)為是相關(guān)的。以mW/cm2為單位測量的光強(qiáng)度是一個更合適的參數(shù)。

選擇LED時的設(shè)計考慮因素

波長：

各種研究項目促進(jìn)了不同波長對某些治療的益處條件。一般認(rèn)為625和900nm之間的波長對傷口愈合和相關(guān)條件最有效。在較低端，630nm和660nm似乎是有利的。在較長的波長下，850 nm和880 nm是最受歡迎的。在730 nm至760 nm和900至940 nm水平下的工作也證明是有用的，但是這里的成本較高且適用性較低的可用性也是一個問題。

近紅外波長（通常為850 nm或880 nm）已被報道因為穿透皮膚和骨骼更深，但對于開放性傷口，已經(jīng)證明630和660nm裝置在加速愈合方面同樣有益。皮膚深度因身體而異，傳播也會受到膚色的影響。包含混合波長的面板繼續(xù)用于實驗，以收集關(guān)于光必須穿透的各種傷口類型，位置和組織內(nèi)容的愈合數(shù)據(jù)。

功率/能量： 《研究表明，在某些情況下，治療劑量為4至6焦耳/平方厘米是最佳的。大約6 J/cm2相當(dāng)于使用強(qiáng)度為30 mW/cm2的LED器件，持續(xù)時間為200秒。更強(qiáng)大的設(shè)備可能意味著可以縮短治療時間。其他研究表明，長時間使用更強(qiáng)大的設(shè)備可以更深入地滲透治療燈。

熱管理：

高密度，高能量LED密集封裝的設(shè)計人員可能需要考慮冷卻要求。例如，一個由5個封裝組成的二十個850 nm LED陣列，裝在一個最小的25mm2空間內(nèi)，每個都連續(xù)使用50 mA，會過熱。根據(jù)經(jīng)驗，設(shè)計人員認(rèn)為50 mW LED的間距約為1.65個/cm2。更強(qiáng)大的設(shè)備，100 mW需要間隔更遠(yuǎn)。有人會認(rèn)為使用830 nm或850 nm芯片超過25 mW/cm2可能需要冷卻風(fēng)扇。 FDA要求規(guī)定每平方英寸0.8 W是可以應(yīng)用于接觸皮膚的設(shè)備的最大能量。

熱量的另一個方面涉及安全性。實驗表明，在幾秒鐘后，在600至900nm范圍內(nèi)施加30mW/cm 2的LED時，蒼白的皮膚幾乎感覺不到任何溫暖。然而，150 mW/cm2施加1至2分鐘至較深的膚色可能會導(dǎo)致皮膚表面過多的熱量，因為黑色素可以阻擋更多光線穿透。如果長時間使用燈泡在熱量無法逃逸的環(huán)境中（即緊緊包裹在皮膚上），即使50 mW/cm2也可能導(dǎo)致2度灼傷。

LED鏡片：

對于這種類型的應(yīng)用，聚焦LED光輸出的鏡頭在許多產(chǎn)品中可能不太相關(guān)，因為光通常在穿過皮膚時分散。同樣，如果要將產(chǎn)品用于靠近皮膚，寬視角并不總是很重要。

設(shè)備選擇

LED制造商，包括Lumex和Osram Opto Semiconductors，提供LED陣列和定制構(gòu)建服務(wù)以及需要特定波長或波長組合的客戶的分立器件。 Marktech Optoelectronics擁有專門的片上板載解決方案，可集成多達(dá)6種小型混合或相同波長的LED芯片，如TO5罐或表面貼裝封裝。這三家公司都熟悉醫(yī)療行業(yè)嚴(yán)格的安全要求，并定期向OEM客戶提供標(biāo)準(zhǔn)和定制零件，以建立認(rèn)可的醫(yī)療設(shè)備。

在采購630至680 nm范圍內(nèi)的LED可見光發(fā)射器時，Marktech擁有可用的最廣泛的范圍之一。 MTE6066N5-UR的正向電流（DC）為50 mA，功耗為120 mW。該器件采用T1?，5 mm徑向封裝，據(jù)稱可提供高發(fā)光強(qiáng)度。

對于850至880 nm LED發(fā)光器，Osram Opto在其廣受歡迎的Oslon，Smartled和Midled系列中提供多種產(chǎn)品。表面貼裝封裝選項。設(shè)計人員可以選擇70 mA，100 mA或1的正向電流（DC）.SFH4050的正向電流為100 mA，輻射強(qiáng)度為10 mW/sr（100 mA）。功耗為180 mW，正向電壓為1.5 V，包含在標(biāo)準(zhǔn)的0603表面貼裝封裝中。

對于中間波長，以770 nm為中心，Marktech再次提供了許多器件。 MTE1077N1-R專為醫(yī)療應(yīng)用而設(shè)計，具有高可靠性，窄光束角，采用5 mm1?徑向引線封裝。正向電流額定值為50 mA，功耗為100 mW。它可用于額定電流為0.5 A的脈沖應(yīng)用。正向電壓通常為1.55 V.一些專業(yè)光療應(yīng)用需要940 nm區(qū)域的器件，進(jìn)入紅外區(qū)域。許多供應(yīng)商都為這一領(lǐng)域提供通孔和表面貼裝設(shè)備。 Lumex的典型示例是OED-EL-1L2，其包含在標(biāo)準(zhǔn)的5mm徑向封裝中。它具有100 mA的正向電流，100 mA時的輻射強(qiáng)度為60 mW/sr，典型的正向電壓為1.2 V.