LED在醫療設備方面的應用現狀及展望

山東大學附屬省立醫院 醫學工程部，山東 濟南 250014

LED在醫療設備方面的應用現狀及展望

劉延梅，王曉民

山東大學附屬省立醫院 醫學工程部，山東 濟南 250014

本文主要介紹了LED的類型及特點，分析了其在醫療設備方面的應用現狀及未來的發展趨勢，期待其能夠推動醫療設備不斷進步。

LED；手術無影燈；醫用頭燈；光固化機；熒光顯微鏡；醫用診斷設備；醫用治療設備

發光二極管（Light Emitting Diode, LED）是一種能夠將電能轉化為光能的半導體，經過近50年的發展，LED已被廣泛地應用到日常生活和特殊作業的照明中，近幾年，LED還被應用到一些專業的非照明設計中。目前，醫療設備光源以鹵素燈和氙燈為主，由于LED相比傳統光源具有壽命長、光效高、色溫與亮度可調、無輻射與低功耗等特點，因此以LED作為醫療設備光源，將大大提升醫療品質，這也意味著LED必將成為21世紀的新一代光源——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光源。

1 LED概述

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

LED的發光顏色由組成半導體的材料決定，通常N區和P區材料構成是有細微差異的。目前，照明領域使用的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、藍色和白色LED。20世紀90年代中期，照明領域又出現了超亮度的氮化鎵LED，高強度的綠光和藍光銦氮鎵LED也隨之產生。超亮度藍光芯片是白光LED的核心，在這個發光芯片上抹上熒光磷，熒光磷通過吸收來自芯片上的藍色光源再轉化為白光。現在的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出從紅外線到紫外線的一系列不可見光[1]。

目前，LED的發光效率一般可達到100～150 lm/W以上，壽命（光源光通50%衰減的時間）達到1×105h，亮度達到1×105cd/m2以上，輸入功率6.7 W/Lamp，顯色指數80以上，光通調節范圍為0%～100%，色溫調節范圍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具有傳統醫療設備光源無法比擬的優點[2]：

（1）壽命長。LED的使用壽命可達1×105h，實際使用壽命超過5×104h，而傳統醫療光源壽命一般為500 h，遠遠低于LED燈壽命。由于LED燈的壽命很長，不需要經常更換，可大大節省設備維護費用。

（2）體積小。LED陣列模塊可以直接手持或者被固定在靶目標上，一些用于體內的LED可以不使用光纖而直接插入體內照射。LED這一特性可以使醫療設備結構緊湊、易操作、節省空間。

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

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

2 LED在醫療設備方面的應用

醫療設備一般分為診斷設備、治療設備及輔助設備，不同的設備對光源有不同的要求與規范。自20世紀60年代LED問世以來，由于性能參數如功率、光強、色溫及發光效率等的制約，LED在醫療設備方面的應用局限于指示燈、數字和文字顯示。近年來，隨著半導體技術的不斷發展，相繼有以LED作為光源的醫療設備問世。

2.1 手術無影燈

LED手術無影燈的推出成為手術室照明設備領域的一大亮點，LED手術燈集LED特性與光色表現為一體，為手術室照明提供了現代的視覺感受，主要表現為優異的色彩還原性、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，能夠覆蓋更廣的面積，達到傳統光源所不能達到的角落，給醫護人員提供了極佳的手術視野[3]。另外，以多個LED組成的手術燈即使在一個或多個LED出現故障的情況下也能提供足夠的光線。LED手術無影燈從根本上突破了傳統手術燈存在的色溫不可調、溫升較高等局限，解決了醫護人員長時間工作時視覺疲勞問題和手術區域溫升較高問題[4]。

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

2.2 醫用頭燈

醫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過程，具有攜帶方便、定向照明和亮度高等特點。傳統醫用頭燈由白熾燈泡或鹵素燈泡提供光源，具有重量大、結構復雜、易損壞、高功耗、高傳導損耗、壽命短、維護保養復雜等缺點[6]，而LED醫用頭燈則克服了以上缺點。LED驅動電路具有體積小、輸入電壓低、LED亮度可調等優點，因此LED醫用頭燈具有顯色性好、亮度可調、重量輕、耗電量低、壽命長等特點，并且白色LED發出的光，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技術的發展，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。以鹵素燈泡為光源的光固化機只能在一些有效波長內伴隨大量熱的產生來固化樹脂，而發光二極管光功率強度大大超過了鹵素燈泡，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、單體轉化率、表面硬度及微露方面，LED光固化機的優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用于臨床，有取代傳統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象研究有機或無機物性質的光學顯微鏡。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胞。一般是先將標本用熒光色素染色，再將標本放在熒光顯微鏡下，用紫外光線照射激發，使標本發出熒光（可見光），然后通過顯微鏡觀察標本的熒光圖像。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，無須預熱，不像汞燈或氙燈需預熱方能使用[8]。而且LED使用壽命遠遠大于汞燈和氙燈，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定性好、熒光激發性好等特點。

3 LED在醫療設備方面應用發展趨勢

3.1 醫用診斷類設備

診斷類設備主要包括：X射線診斷設備、功能檢查設備、超聲波診斷設備、核醫學設備、內窺鏡檢查設備、實驗室診斷設備及病理診斷設備。其中內窺鏡檢查設備和實驗室診斷設備中大多都包含光源系統，如內窺鏡采用基于光纖傳輸的照明系統，將光源發出的光聚焦耦合到光纖中，采用光纖作為光傳輸介質，將光能量傳輸到照明物，主要采用球面或者非球面反射鏡形式來提高光源的利用率。內窺鏡中廣泛使用的光源為氙燈，一般以鹵素燈作為備用光源。氙燈利用氙氣放電而發光，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。當前LED產品性能指標已經達到了可應用于光纖傳輸照明系統的水平，在LED二次光學開發基礎上，LED在散熱技術、LED驅動和控制技術的配合下可以替代氙燈。但要將LED應用于光纖傳輸照明系統中，還存在一些技術問題如LED發光效率的提高、LED芯片最大驅動電流密度的增加、LED產品的封裝結構與二次光學開發結構的匹配等[9-10]。

實驗室診斷設備光源種類較多，綜合起來有鹵素燈、氘燈、汞燈、溴鎢燈及鈉燈等[11]，此類光源的主要用途是照明和產生特定波長的光線。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光源成為可能，是技術發展的趨勢。

3.2 醫用治療類設備

治療類設備包括病房護理設備、手術設備、放射治療設備、理療設備、激光設備等。除了手術照明設備適宜推廣LED光源外，理療設備也是LED發展的另一重要領域。理療設備主要有光療設備、電療設備、超聲波治療設備及磁療設備。其中光療設備是利用各種光輻射能，作用于肌體以達到治療疾病目的。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、藍光、藍紫光及多光譜療法。這些光線的產生主要通過特殊材料和技術來實現，如紫外線是通過懸浮著水銀蒸汽的石英玻璃管激發產生。而LED可通過改變半導體材料，得到治療所用波段的光，直接把電轉化為光，光效大大提高，可以使用治療效果最佳的波段而無須擔心雜光造成的影響。另外，可以將兩個或者多個LED發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、藍光及黃光治療儀問世，主要應用于痤瘡、嫩膚、色斑等皮膚問題的治療[13-14]。隨著LED技術的發展，紅外LED和紫外LED也會相繼應用在光療設備中。

激光設備常用于眼科、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、電磁場效應、光化作用等，因此激光對生物組織的作用是由許多復雜因素所決定的，特別是生物組織的層次結構，使影響因素變得更為復雜。LED光源和激光光源都具有發熱低、壽命長、環保等特點，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。在科學文獻中，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，而關于LED研究極少。有文獻指出在一些疾病的治療中，LED效果不如激光效果好，LED要達到激光的效果還有很長的路要走。

4 結束語

隨著半導體技術的不斷發展，LED在發光強度、峰值波長、半波帶寬等參數性能上會有很大提高，為LED應用于醫療領域提供技術基礎。利用LED的特殊性能，將其與現代技術相結合，能夠研制各種實用、新型、簡便、安全易推廣的LED系列醫療設備，服務于醫療領域。

LED應用于醫療領域的前景廣闊，目前醫療設備的光學系統相對比較成熟，但研發以LED為光源的光學系統，成本較高，因此企業更傾向于研發傳統光源。另一方面，醫療設備準入門檻高、技術難度大、市場規模小等問題制約了LED在醫療設備方面的發展。但LED技術的日益成熟，必將推動LED在醫療領域不斷發展，進而推動醫療設備不斷前進。

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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