LED在傷口愈合與皮膚護理方面的應用

用作激光替代品的LED在傷口愈合方面的應用越來越多。 NASA的早期研究表明，630至880 nm范圍內的近紅外LED可促進細胞生長，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中的應用。

本文將回顧該領域的一些研究，并重點介紹LED現(xiàn)在被納入LED光療產品的類型，以促進傷口愈合和皮膚護理。最流行的波長是660nm（表面愈合）和880nm（更深的傷口愈合）。治療產品和醫(yī)療設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備，如Quantum的Warp 10，設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

有充分證據表明，在太空中，特別是在太空任務中，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。進一步的研究更精細地調整了最佳波長，并發(fā)現(xiàn)它們單獨使用，與高壓氧一起產生最佳效果。

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

光療和細胞再生僅占該市場的一小部分。然而，營銷人員已經發(fā)現(xiàn)紅色LED，包括近紅外和紅外設備，至少占生命科學應用中銷售設備的一半。此外，顧問們已經注意到令人印象深刻的增長預測并未反映出真正的市場擴張，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物質來刺激細胞線粒體中的過程。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更有可能進一步滲透。

美國和其他地方的醫(yī)院正在進行各種單波長和混合波長LED燈的臨床試驗。結果表明，與未處理的細胞相比，近紅外光療法使細胞生長加速150至200％。目標波長為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，并將其研究范圍擴展到研究470 nm藍光。 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)藍光可以顯著和積極地影響生物系統(tǒng)。紅光和藍光之間的比較表明，與沒有光療法相比，兩種光源都能顯著促進傷口愈合。它們之間的關鍵區(qū)別在于它們對角蛋白表達的影響。

廣泛的研究正在不斷尋找新的和不斷擴大的LED光療應用領域。除了加速軍事人員在訓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)學研究人員發(fā)現(xiàn)該技術還可以幫助治愈甚至預防由口腔潰瘍引起的化療和放射治療，加速整容手術后的皮膚/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。

正在進行進一步的專業(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。正在進行其他試驗以使用LED與其他癌癥治療相結合來破壞一些癌細胞。深入穿透波長被認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。另一家供應商Elixa提供尺寸僅為5 cm x 10 cm的小型手持設備，其中包含120個紅色LED （660nm），近紅外（880nm）或藍色（470nm）。輸出約為1焦耳/分鐘。

圖3：Elixa的這款LED陣列治療產品采用120個高強度LED，密集包裝，打造便攜式手持設備。據稱紅光版（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節(jié)。其他產品包括雙向和三向組合的紅色/紅外/藍色可切換單元和安裝在支架上的三重陣列。

在光療設備中使用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建以包含多個設備。根據其應用，它們可以包含多個波長器件或單波長LED。簡單的電子設備可以根據照明設備的數(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構，用于治療大面積傷口，如燒傷。目標應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重要，或者通孔封裝器件是否足夠。

另一個關鍵的好處是，通過使用微型，表面貼裝設備，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）一直在試驗一種結合670，720和880納米LED的裝置，用于訓練中持續(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用中不被認為是相關的。以mW/cm2為單位測量的光強度是一個更合適的參數(shù)。

選擇LED時的設計考慮因素

波長：

各種研究項目促進了不同波長對某些治療的益處條件。一般認為625和900nm之間的波長對傷口愈合和相關條件最有效。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，以收集關于光必須穿透的各種傷口類型，位置和組織內容的愈合數(shù)據。

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相當于使用強度為30 mW/cm2的LED器件，持續(xù)時間為200秒。更強大的設備可能意味著可以縮短治療時間。其他研究表明，長時間使用更強大的設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，每個都連續(xù)使用50 mA，會過熱。根據經驗，設計人員認為50 mW LED的間距約為1.65個/cm2。更強大的設備，100 mW需要間隔更遠。有人會認為使用830 nm或850 nm芯片超過25 mW/cm2可能需要冷卻風扇。 FDA要求規(guī)定每平方英寸0.8 W是可以應用于接觸皮膚的設備的最大能量。

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也可能導致2度灼傷。

LED鏡片：

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

設備選擇

LED制造商，包括Lumex和Osram Opto Semiconductors，提供LED陣列和定制構建服務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)嚴格的安全要求，并定期向OEM客戶提供標準和定制零件，以建立認可的醫(yī)療設備。

在采購630至680 nm范圍內的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，據稱可提供高發(fā)光強度。

對于850至880 nm LED發(fā)光器，Osram Opto在其廣受歡迎的Oslon，Smartled和Midled系列中提供多種產品。表面貼裝封裝選項。設計人員可以選擇70 mA，100 mA或1的正向電流（DC）.SFH4050的正向電流為100 mA，輻射強度為10 mW/sr（100 mA）。功耗為180 mW，正向電壓為1.5 V，包含在標準的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)療應用而設計，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的脈沖應用。正向電壓通常為1.55 V.一些專業(yè)光療應用需要940 nm區(qū)域的器件，進入紅外區(qū)域。許多供應商都為這一領域提供通孔和表面貼裝設備。 Lumex的典型示例是OED-EL-1L2，其包含在標準的5mm徑向封裝中。它具有100 mA的正向電流，100 mA時的輻射強度為60 mW/sr，典型的正向電壓為1.2 V.