LED在医疗设备方面的应用现状及展望

山东大学附属省立医院 医学工程部，山东 济南 250014

LED在医疗设备方面的应用现状及展望

刘延梅，王晓民

山东大学附属省立医院 医学工程部，山东 济南 250014

本文主要介绍了LED的类型及特点，分析了其在医疗设备方面的应用现状及未来的发展趋势，期待其能够推动医疗设备不断进步。

LED；手术无影灯；医用头灯；光固化机；荧光显微镜；医用诊断设备；医用治疗设备

发光二极管（Light Emitting Diode, LED）是一种能够将电能转化为光能的半导体，经过近50年的发展，LED已被广泛地应用到日常生活和特殊作业的照明中，近几年，LED还被应用到一些专业的非照明设计中。目前，医疗设备光源以卤素灯和氙灯为主，由于LED相比传统光源具有寿命长、光效高、色温与亮度可调、无辐射与低功耗等特点，因此以LED作为医疗设备光源，将大大提升医疗品质，这也意味着LED必将成为21世纪的新一代光源——第四代电光源，用以代替白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源。

1 LED概述

LED属于一种固态的半导体器件，可以将电能转化为光能，它由两个半导体（P型和N型半导体）和二者中间的有源层组成，其发光原理是利用半导体中的电子和空穴相结合而发出光子，与传统使用电阻加热发光的灯泡，或者利用真空管放电的日光灯是不同的。

LED的发光颜色由组成半导体的材料决定，通常N区和P区材料构成是有细微差异的。目前，照明领域使用的LED可分为两类：一类是由磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金做成的红色、橙色和黄色LED；另一类是由氮化铟和氮化镓的合金做成的绿色、蓝色和白色LED。20世纪90年代中期，照明领域又出现了超亮度的氮化镓LED，高强度的绿光和蓝光铟氮镓LED也随之产生。超亮度蓝光芯片是白光LED的核心，在这个发光芯片上抹上荧光磷，荧光磷通过吸收来自芯片上的蓝色光源再转化为白光。现在的LED颜色宽泛，单个器件具有多种颜色、亮度和功耗等级，并且还有多个器件能够发出从红外线到紫外线的一系列不可见光[1]。

目前，LED的发光效率一般可达到100～150 lm/W以上，寿命（光源光通50%衰减的时间）达到1×105h，亮度达到1×105cd/m2以上，输入功率6.7 W/Lamp，显色指数80以上，光通调节范围为0%～100%，色温调节范围2000-8000 K，工作温度范围为-55～100 ℃，初始启动时间和热启动时间均为纳米级。因此LED具有传统医疗设备光源无法比拟的优点[2]：

（1）寿命长。LED的使用寿命可达1×105h，实际使用寿命超过5×104h，而传统医疗光源寿命一般为500 h，远远低于LED灯寿命。由于LED灯的寿命很长，不需要经常更换，可大大节省设备维护费用。

（2）体积小。LED阵列模块可以直接手持或者被固定在靶目标上，一些用于体内的LED可以不使用光纤而直接插入体内照射。LED这一特性可以使医疗设备结构紧凑、易操作、节省空间。

（3）安全性。LED的能量较低、光通量稳定，对眼睛不会产生伤害；同时，这种高效率的LED不需要高压供电，比传统高压供电光源更安全。

（4）波长范围广。目前，LED的波长几乎已经涵盖了所有的可见光和近红外光的波段，但半导体激光器还不具备该功能。随着新的高效率的半导体材料的应用，扩展波长也必将应用于LED。

2 LED在医疗设备方面的应用

医疗设备一般分为诊断设备、治疗设备及辅助设备，不同的设备对光源有不同的要求与规范。自20世纪60年代LED问世以来，由于性能参数如功率、光强、色温及发光效率等的制约，LED在医疗设备方面的应用局限于指示灯、数字和文字显示。近年来，随着半导体技术的不断发展，相继有以LED作为光源的医疗设备问世。

2.1 手术无影灯

LED手术无影灯的推出成为手术室照明设备领域的一大亮点，LED手术灯集LED特性与光色表现为一体，为手术室照明提供了现代的视觉感受，主要表现为优异的色彩还原性、低热量的光源、超长的使用寿命及色温可调性。由于LED体积小、光速集中、可塑性强，故在照明过程中，其对光线的控制可以更加精细，能够覆盖更广的面积，达到传统光源所不能达到的角落，给医护人员提供了极佳的手术视野[3]。另外，以多个LED组成的手术灯即使在一个或多个LED出现故障的情况下也能提供足够的光线。LED手术无影灯从根本上突破了传统手术灯存在的色温不可调、温升较高等局限，解决了医护人员长时间工作时视觉疲劳问题和手术区域温升较高问题[4]。

目前单个LED的亮度还无法满足手术灯照明需求，只能通过增加LED的数量来增加手术灯的亮度，也就是采用点阵式LED光源布局[5]，这样必然会造成产品价格的上升，这也成为LED手术灯发展的主要瓶颈。

2.2 医用头灯

医用头灯常用于口腔科、耳鼻喉科、普外科、脑外科等各种检查和手术过程，具有携带方便、定向照明和亮度高等特点。传统医用头灯由白炽灯泡或卤素灯泡提供光源，具有重量大、结构复杂、易损坏、高功耗、高传导损耗、寿命短、维护保养复杂等缺点[6]，而LED医用头灯则克服了以上缺点。LED驱动电路具有体积小、输入电压低、LED亮度可调等优点，因此LED医用头灯具有显色性好、亮度可调、重量轻、耗电量低、寿命长等特点，并且白色LED发出的光，呈接近自然光的冷白色，更能真实地还原表皮或组织、器官的本色。目前LED医用头灯已成为市场主流。

2.3 光固化机

自2000年起，LED光固化机就已投放市场，但其发光功率强度不够，而且光波长范围狭窄，能适用的材料有限。随着LED技术的发展，各种新型LED光固化机问世，光波长范围逐渐拓宽，可以固化市场上所有类型的光固化树脂材料。以卤素灯泡为光源的光固化机只能在一些有效波长内伴随大量热的产生来固化树脂，而发光二极管光功率强度大大超过了卤素灯泡，且升温极少、固化时间短、安全性高。大量研究表明在固化深度、单体转化率、表面硬度及微露方面，LED光固化机的优势相对于卤素光固化机更为明显[7]。LED光固化机已被广泛应用于临床，有取代传统卤素光固化机的趋势。

2.4 荧光显微镜

荧光显微镜是一种通过观察荧光现象研究有机或无机物性质的光学显微镜。采用荧光显微镜，可以观察到普通显微镜看不见的无色透明的组织或细胞。一般是先将标本用荧光色素染色，再将标本放在荧光显微镜下，用紫外光线照射激发，使标本发出荧光（可见光），然后通过显微镜观察标本的荧光图像。目前已有多种型号LED荧光显微镜问世。LED荧光显微镜采用单波段或多波段的LED作为荧光装置，开机即用，无须预热，不像汞灯或氙灯需预热方能使用[8]。而且LED使用寿命远远大于汞灯和氙灯，一般200 W汞灯的平均寿命，在每次使用2 h的情况下约为200 h，开动一次工作时间越短，则寿命越短。而LED使用寿命大于5×104h，并且操作更加灵活。另外，LED荧光显微镜还具有稳定性好、荧光激发性好等特点。

3 LED在医疗设备方面应用发展趋势

3.1 医用诊断类设备

诊断类设备主要包括：X射线诊断设备、功能检查设备、超声波诊断设备、核医学设备、内窥镜检查设备、实验室诊断设备及病理诊断设备。其中内窥镜检查设备和实验室诊断设备中大多都包含光源系统，如内窥镜采用基于光纤传输的照明系统，将光源发出的光聚焦耦合到光纤中，采用光纤作为光传输介质，将光能量传输到照明物，主要采用球面或者非球面反射镜形式来提高光源的利用率。内窥镜中广泛使用的光源为氙灯，一般以卤素灯作为备用光源。氙灯利用氙气放电而发光，它具有色温舒适度高、光效高、光谱能量均匀等特点，但氙灯寿命短、价格昂贵、工作温度高，而LED光源则弥补了上述缺点。当前LED产品性能指标已经达到了可应用于光纤传输照明系统的水平，在LED二次光学开发基础上，LED在散热技术、LED驱动和控制技术的配合下可以替代氙灯。但要将LED应用于光纤传输照明系统中，还存在一些技术问题如LED发光效率的提高、LED芯片最大驱动电流密度的增加、LED产品的封装结构与二次光学开发结构的匹配等[9-10]。

实验室诊断设备光源种类较多，综合起来有卤素灯、氘灯、汞灯、溴钨灯及钠灯等[11]，此类光源的主要用途是照明和产生特定波长的光线。随着LED光效的提高，LED波长范围的扩大，以LED新光源代替上述传统光源成为可能，是技术发展的趋势。

3.2 医用治疗类设备

治疗类设备包括病房护理设备、手术设备、放射治疗设备、理疗设备、激光设备等。除了手术照明设备适宜推广LED光源外，理疗设备也是LED发展的另一重要领域。理疗设备主要有光疗设备、电疗设备、超声波治疗设备及磁疗设备。其中光疗设备是利用各种光辐射能，作用于肌体以达到治疗疾病目的。常用光有可见光、红外线及紫外线，可见光波长介于红外线与紫外线之间，常用的有红光、蓝光、蓝紫光及多光谱疗法。这些光线的产生主要通过特殊材料和技术来实现，如紫外线是通过悬浮着水银蒸汽的石英玻璃管激发产生。而LED可通过改变半导体材料，得到治疗所用波段的光，直接把电转化为光，光效大大提高，可以使用治疗效果最佳的波段而无须担心杂光造成的影响。另外，可以将两个或者多个LED发光芯片制作在同一个封装里，满足不同组合光疗的需求，为光疗仪器的多功能化开辟了道路[12]。目前，已有LED的红光、蓝光及黄光治疗仪问世，主要应用于痤疮、嫩肤、色斑等皮肤问题的治疗[13-14]。随着LED技术的发展，红外LED和紫外LED也会相继应用在光疗设备中。

激光设备常用于眼科、泌尿外科、骨科等方面疾病的治疗。激光是基于受激辐射放大原理产生的一种光辐射，具有单色性、定向性、相干性及高度集中等特点。激光有许多物理特性，如光热效应、电磁场效应、光化作用等，因此激光对生物组织的作用是由许多复杂因素所决定的，特别是生物组织的层次结构，使影响因素变得更为复杂。LED光源和激光光源都具有发热低、寿命长、环保等特点，但单个LED的亮度不如激光，激光独有的汇聚性也是LED无法比及的。在科学文献中，上千项研究和临床报告都有研究低强度单色光通过激光形式操作的效果，而关于LED研究极少。有文献指出在一些疾病的治疗中，LED效果不如激光效果好，LED要达到激光的效果还有很长的路要走。

4 结束语

随着半导体技术的不断发展，LED在发光强度、峰值波长、半波带宽等参数性能上会有很大提高，为LED应用于医疗领域提供技术基础。利用LED的特殊性能，将其与现代技术相结合，能够研制各种实用、新型、简便、安全易推广的LED系列医疗设备，服务于医疗领域。

LED应用于医疗领域的前景广阔，目前医疗设备的光学系统相对比较成熟，但研发以LED为光源的光学系统，成本较高，因此企业更倾向于研发传统光源。另一方面，医疗设备准入门槛高、技术难度大、市场规模小等问题制约了LED在医疗设备方面的发展。但LED技术的日益成熟，必将推动LED在医疗领域不断发展，进而推动医疗设备不断前进。

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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

作者邮箱：liuyanmei2000@163．com