多光譜治療設備的設計與應用研究

張雪飛

（河北奧特維力醫療器械有限公司，河北石家莊 050000）

1 光治療的歷史背景

人類誕生于地球，離不開陽光、空氣和水。使用光治療人體疾病在世界各地都有悠久的歷史，丹麥醫生Niels Finsen 將紫外線應用到醫學上，開創了光治療方法，用來治療由結核菌引起的皮膚病——真性狼瘡，而獲得1903年諾貝爾生理學及醫學獎；美國、德國等發達國家都十分注重生物學研究，美國麻省理工學院神經與內分泌實驗室研究了中波紫外線（UVB）對人體照射的實驗研究。近年來，光治療方法在醫學研究和醫療實踐中的應用也越來越廣泛。

2 多光譜光治療的作用機理

多波段光譜治療儀采用LED 半導體（紫外光、紅光、紅外光）組合光譜直接照射皮膚，使人體皮下的7-脫氫膽固醇轉化成維生素D3，通過肝、腎的代謝轉化成活性維生素D3[1.25（OH）2D3]，這種活性維生素D3可誘導鈣結合蛋白的生成，在小腸中促進鈣的吸收，調節鈣磷代謝，使鈣鹽沉著于骨內，紅光和紅外光可改善血液循環，提高組織的新陳代謝，增加酶的活性，加速酶促反應，具有消炎消腫、治療腰背疼痛或周身骨骼疼痛作用。

3 多光譜治療設備的設計

結合醫療機構的使用環境、功能以及實用性、快捷性，多光譜治療設備主要由多窄波LED 燈頭、主機、小推車及支架和電控系統組成。

3.1 結構設計

3.1.1 燈頭設計

多波段LED 燈頭的設計采用雙翼可折疊方式，以適應身體不同部位的曲線，結構簡單，操作方便。根據治療部位的不同調整燈頭左、右單元角度，方便用于病患的四肢和腹背部治療，可以提高治療效果。將燈頭的連接線隱藏在旋轉軸內，整體更加整齊美觀。

3.1.2 主機設計

主機包括主機外殼、顯示屏、核心控制模塊及核心控制模塊電性連接的控制按鍵，以及為顯示屏、控制按鍵和核心控制模塊提供電源的電源模塊等組成。所有控制部分均設在主機殼內，便于操作、控制。

3.1.3 小推車設計

用于放置主機和支持燈頭，輕便可移動。小推車設計分為安裝臺、儲物空間及電源箱三部分功能，另配有扶手、具有萬向多關節活動結構的腳輪等配套件；提供連接主機與燈頭的連接的支架裝置，并具有伸展支撐結構，方便使用者多方位多角度調節旋轉。

3.2 硬件設計

（1）設計要符合GB9706.1的電氣安全性能要求。

（2）電源設計為恒流輸出電源，對紅光LED、紅外LED 及紫外LED 進行恒流驅動。

（3）顯示系統可根據病患病情的不同自由選擇不同的模式，進而調節LED 的工作狀態。

（4）通過按鍵選擇各波段治療時間，啟動設備運行，通過單片機調節紅光、紅外和紫外三路恒流驅動電路的工作時間及調節電源的輸出電流。

（5）電控系統設計報警系統，對于治療過程中的錯誤、治療完成后進行報警提示。

（6）采用PWM 調光技術，自動調整光源的照度值，以滿足不同使用者的要求。

電控系統設計電路框圖如圖1所示。

圖1 電控系統設計電路

3.3 光源設計

選擇對人體有益波段的紅光、紅外及紫外三種組合光譜進行照射設計，紅外光、紅光、紫外光的組合光譜能改善組織的新陳代謝和骨組織的營養，提高骨密度和骨質量，改善血液循環、促進組織細胞代謝營養。

LED 在排布設計時，不僅要考慮LED 光源之間的相互作用，重點研究紫外LED 功能性、功率、波段、布局、出光面、出光距離等要求，并配以一定的比例與強度，提高紫外LED 的照射效果。

為了適用于不同的使用人群，采取多種光譜模式設計，紅外＋紅光＋紫外任意組合。模式分別 為：①UVB+RED+IR（紫 外+紅 光+紅 外）②UVB+RED（紫外+紅光）；③RED+IR（紅光+紅外）；④UVB+IR（紫外+紅外）；⑤UVB 紫外；⑥RED 紅光；⑦IR 紅外。

4 多光譜設備應用研究

4.1 多光譜照射在骨折愈合的研究

本研究采用LED 多光譜治療儀發出的紅光、紅外及紫外照射股骨骨折模型大鼠，檢測其對大鼠股骨骨折愈合的影響。骨折是指骨的完整性和連續性喪失，由外界暴力、應力性損傷等多種原因導致，以疼痛、腫脹、異常活動為主要臨床表現，是創傷骨科常見的疾病。骨折愈合過程是骨組織再生修復重建的高度復雜的動態過程，堅強固定后可自我愈合，愈合時間較長，且有5%～10%的骨折出現延遲愈合甚至不愈合。骨折愈合時間長、并發癥多，為縮短骨折愈合時間，減少并發癥，電磁場、低強度超聲等諸多物理療法因其簡便有效已被應用于臨床。隨著物理醫學的發展，光生物調節療法作為一種非入侵無創治療方法，已被廣泛應用于神經損傷、傷口愈合及骨關節炎治療等領域。

光生物調節治療手段最早可追溯至1967年。從1980年開始，激光療法在醫學領域被廣泛應用。至目前光生物調節的光源類型包括低水平激光及發光二極管光源，或者二者結合使用。許多研究證實光生物可調節損傷后的炎癥反應、加速軟硬組織愈合的能力以及刺激心血管生成。目前，對于光生物調節的研究仍集中于激光的調控作用，對于非相干光源LED 的研究較少，且主要集中于治療皮膚及軟組織疾病中。為探討LED 多光譜是否促進大鼠股骨骨折愈合，本研究選擇雄性大鼠作為研究對象，采用開放截骨方式建立大鼠骨折模型，使用LED 多光譜治療儀對模型大鼠進行治療。X 光結果顯示，兩組大鼠在治療2周時即表現出了差異性，LEDT 組的骨痂量明顯多于模型對照組。在治療8周時，LEDT 組大鼠術側股骨基本恢復原始形態，模型對照組仍然可見骨折線，其愈合速度及質量明顯較差。

4.2 多光譜照射用于骨質疏松治療

骨質疏松是威脅中老年健康的常見病和多發病，隨著我國人口老齡化現象的日益加重，原發性骨質疏松癥比例也隨之呈直線上升趨勢。骨質疏松癥是一種全身性的代謝性骨骼疾病，其特征是骨量減少和（或）骨組織微結構破壞，因此導致骨強度下降，骨脆性增加，易發生骨折的全身性疾病。骨質疏松及其引起的骨折已成為威脅中老年健康的主要疾病之一，因此有效防治骨質疏松癥已經成為改善老年生活質量的重要措施。

本次研究的多光譜治療儀，采用LED 半導體光源UVB 窄譜中波紫外線、紅光、紅外線組合應用，模擬太陽光譜照射人體，光源點狀呈矩陣式排列。人體所需的維生素D 約有80%∽90%靠自身合成，對于大多數來說，維生素D 主要來自陽光對皮膚的照射，維生素D 的產生與日照中紫外線的照射密不可分。多光譜照射所用的窄譜紫外線具有較強的促進維生素D 生成的作用，可使皮下膽固醇（7-脫氫膽固醇）轉化成維生素D3；經過肝臟、腎臟羥化為1，25-（OH）2D3，1，25-（OH）2D3經過腸，引起一種蛋白酶性的Ca 轉移因子，Ca 被小腸吸收入血，在1，25-（OH）2D3作用下在骨中沉積。促進鈣磷的吸收，調節鈣磷代謝，使鈣沉于骨內。LED 窄譜紅光主要生物學作用以光化學效應為主，可被細胞器線粒體強烈吸收而導入人體，促進過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等多種酶的活性得到激發，有助消除患者體內自由基，避免脂質過氧化對組織細胞的損傷，減緩細胞衰老過程。

多光譜的綜合應用照射，通過光的生物能量和生物信息對人體組織細胞產生調控作用，引起細胞功能的改變，可增強機體免疫防御系統功能，調節人體內分泌激素的分泌和平衡，局部直接作用可達皮膚各層。通過干擾和掩蓋效應阻止疼痛信號的傳遞過程，通過中樞系統的負誘導效應起到鎮痛效果，同時可促進體液中嗎啡樣鎮痛介質腦腓肽釋放和增加，改善組織血液循環產生較為持久的鎮痛效果，并具有消炎消腫、促進組織細胞代謝營養的作用。試驗證實，多光譜照射對原發性骨質疏松癥及引起的腰背疼痛或周身骨骼疼痛具有明顯的鎮痛效果，僅30天療程治療時間，鎮痛有效率達80%。

目前，日光照射不足仍是世界各地維生素D 缺乏的主要原因，維生素D 缺乏在全球仍較為普遍。應用多光譜組合照射，能更好地滿足臨床實際使用需要，為原發性骨質疏松癥的預防和治療提供一種非藥物的物理治療技術，具有良好的應用前景，值得推廣。

4.3 多光譜用于二型糖尿病治療的研究

糖尿病是一種由于胰島素分泌或（和）作用缺陷而引起的、以長期高血糖為特征的代謝性疾病。由于這些缺陷改變了機體細胞對葡萄糖、氨基酸、脂肪酸的攝取和利用能力，高血糖及高胰島素水平造成營養物質代謝紊亂，引起微血管和大血管病變，導致心血管、腎臟、視網膜、神經等全身多個系統的并發癥發生。并發癥的發生與很多因素相關，包括遺傳、年齡、性別、血糖控制水平、糖尿病病程以及其他心血管危險因素等。常見并發癥有高血壓、腦血管病、心血管病、下肢血管病等。

本試驗的目的是以維生素D 缺乏的2型糖尿糖病初診或經治血糖控制未達標的患者為對象，在研究期內保持原有基礎治療和治療藥物不變的基礎上，觀察多波段光譜經皮照射對患者血糖控制的影響，12周后觀察糖化血紅蛋白（HbA1c）、空腹血糖（FPG）、25羥維生素D1，25-（OH）2D3相對于基線的變化，有無不良反應和不良事件的發生，以評價多波段光譜治療儀對維生素D 缺乏的2型糖尿病患者血糖控制的安全性和有效性。

紫外光照射對糖代謝的影響遠在二十世紀二、三十年代就進行過不少的臨床觀察和動物實驗，近年來仍有報導。總的來看，紫外線照射可使相當一部分的健康人和糖尿病患者的血糖降低，糖耐性增強，糖元在各器官的蓄積增加，血糖氧化加強。糖尿病患者酸中毒時，紫外線照射可使尿中酮體有所減少。據觀察紅斑反應的強弱與降糖作用大小并不呈平行關系。有人用小劑量紫外線全身照射或紅斑量紫外線局部照射均可引起血糖下降。另有人報告：紫外線照射的近期效果因劑量不同而有差別，但最終結果都觀察到血糖和血中乳酸的含量下降，肝和肌肉的糖元含量上升。動物實驗證明：1/10紅斑量紫外線照射也可有降血糖作用。此外還有人觀察到：小劑量紫外線照射可使血糖下降，而大劑量照射可使血糖上升。

研究顯示，截至2008年全球已有10億人存在維生素D 缺乏或不足。流行病學研究數據顯示，缺乏維生素D 與糖尿病的發生直接相關。在疾病動物模型中的研究結果也表明，缺乏維生素D 會引發糖尿病；反之，補充維生素D 有助于預防糖尿病的發生。并對2型糖尿病患者改善胰島素抵抗（IR）、胰島素β細胞功能恢復和血糖控制有一定作用。維生素D 通過抑制炎癥反應、抑制自身免疫反應、促進胰島素合成分泌、增加胰島素敏感性及維生素D 相關基因多態性等多種作用機制對糖尿病的發病及血糖的控制發揮著重要作用。

目前在物理治療中利用紫外線、可見光、紅外光、太陽燈治療技術和方法已在臨床廣泛得到應用，且UVB 紫外線具有促進維生素D 生成的作用，從理論和臨床應用已經得到了認可，屬于成熟臨床技術方法。

5 結束語

經反復論證，組合應用窄譜波長的LED 光，直接作用可達皮膚各層及皮下，具有消炎消腫、鎮痛解痙、促進組織細胞新陳代謝，改善血液循環和血脂代謝，促進維生素D3生成和鈣磷的吸收，提高患者生活質量的作用。多波段光譜治療儀光譜中的窄譜中波紫外線（UVB）具有較強的促進維生素D 生成的作用，在光的適宜溫度和化學效應下提高了酶的活性，加速酶促反應，加快了維生素D3的生成和轉化。另外，該項目預實驗結果初步證實：對維生素D 缺乏的2型糖尿病血糖的控制和并發癥的治療有顯著的治療作用。