光纤耦合LED光学治疗仪分析-光电信息工程专业论文.docxVIP

华中科技大学硕士学位论文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 PAGE 10 PAGE 10 1 绪论 1.1 光学疗法概述 光是一种电磁波，已经广泛应用于各个领域，如航空、电子、通信和医疗等等。其 中光在医疗上的应用是一个非常重要的方面。早在公元 18 世纪当时的人们就利用太阳 作为辐射源治疗各种疾病，但是太阳辐射受到时间和地理的限制，并且单位面积辐射 能量小，治疗效果并不好。后来在 19 世纪 90 年代丹麦科学家芬森发明了“芬森灯”来 治疗天花[1]，取得了一定的治疗效果，这方法初次被人们称为光学疗法，但在当时并没 有引起人们的广泛关注。光学疗法真正引起人们注意的是从 1960 年梅曼发明了世界上 第一台红宝石激光器开始的，在 1961 年泽瑞特等人就发表了激光用于眼底疾病的研究 [1]。随后 1963 年戈德曼用激光治疗皮肤病，取得了显著的疗效[1]。当今光学疗法进入 了一个空前发展的阶段，21 世纪许多新型的人工光源不断被发明出来，光的生物效广 泛应用于促进机体功能恢复，并且激光、紫外、红外和可见光疗法逐渐成熟且广泛应 用。随着科学技术的进步，目前光学疗法已经深入到细胞、微分子阶段了。 光学疗法的治疗原理是生物组织吸收光子后，在组织内产生了一系列的光生物化 学反应，主要分为：光致敏化、光致氧化、光致分解和光致聚合[2]。并且不同波长的光 的光生物效应也不尽相同。 红光光疗原理是光源发射红光带状光谱共振于人体组织线粒体的吸收谱,其吸收导 入人体的光子,发生高效率的光化学生物反应—酶促反应,被细胞线粒体强烈吸收,激发 了线粒体过超氧化物岐化酶、氧化氢酶等多种酶的活性,从而促进细胞的新陈代谢,提高 肌体免疫力[3]。并且红光不同于其他方式的光学疗法，它比紫外光穿透力强，又没有红 外线很强的热效应，可以直接作用于较深层的组织，输出功率大，其穿透深度可以达 到 3cm，而红外光只有 0.1cm 左右。 红外线与生物组织相互作用主要是热效应,红外线被机体组织吸收后引起体温升高, 局部或全身血管扩张,血流速度加快促进了细胞增生和新陈代谢,红外线具有消炎和镇 痛作用[3]。红外线功率过高时对皮肤损伤主要表现为热红斑,严重时可导致灼伤皮肤， 其主要用于皮肤病的治疗。 蓝光主要应用在新生儿黄疸治疗当中。光子被体内胆红素吸收后，通过氧化异构 化产生胆绿色、无毒的水溶性吡咯,经泌尿系统排出,通过改变胆红素在体内的代谢途径 而减轻新生儿黄疸[4]。 光学疗法进行临床治疗副作用小、无痛无创伤、疗效明显并且低碳环保，得到了 广泛应用和快速发展，推动其快速发展的重要原因之一是医疗光源的不断革新。 1.2 医疗光源的发展及 LED 的优势 我们已经知道因为激光器的发明引起了光学疗法的快速发展，激光技术经过 40 多 年的发展，使得激光成为在医疗器械中应用得最广泛，也是最成熟的医疗光源。在外 科 532nm 激光具有切割组织效率高，止血效果好等特点。随着光纤和内窥镜技术的进 步，半导体激光器体积小，稳定性高等优点让腔内疾患进行开放性手术治疗成为了可 能。后来人们发现利用弱激光对生物组织照射可以促进其血液循环、刺激和加快伤口 愈合，增强机体免疫力。Karu 长达 6 年的研究发现光刺激性效应主要与波长、照射方 式和照射剂量有关，与光源是否为相干光无关。这样比激光器体积小，光电转换效率 更高，寿命更长的半导体发光二极管在临床医疗上获得了人们越来越多的研究。随着 半导体技术的进步，半导体发光二极管在波长、发光强度和价格比激光毫不逊色，人 们也发现它的光生物效应与低强度激光几乎是完全相似的，因此在未来在生物医学， 半导体发光二极管完全有可能成为代替激光的新型光源，应用前景十分光明。 半导体发光二极管，简称 LED(Light-Emitting Diode),是一种能将电能直接转换为光 能的发光器件，是于 1962 年美国通用电气公司工作的 Holonyak 博士发明的[5]，当时采 用化合物 GaAsP 材料，发光效率小于 0.1lm/w，而且其价格昂贵仅作为电子设备的指 示灯用。此后在 20 世纪 70 年代，同质结 GaP、GaAsP 的红光、蓝光和绿光 LED，广 泛的应用于汽车、飞机、航空航天、通信等领域,但 LED 的发光效率很低，不超过 1lm/w。 随后的几十年中，LED 向着高亮度、全波长段发展，构成 LED 的材料由原来的单一的 GaP、GaAsP 化合物到目前由多种化合物材料 GaP、AIGaAs、AIInGaP、GaN 等组成， 光谱范围由原来的红光扩展到绿光，黄光，橙光等整个可见光波段甚至达到了红外波 段和紫外波段，发光效率也提高了 1000 多倍。 如今我们面临能源枯竭，生态环境恶化等全球性问题，许多国家都加快新型