光动力疗法LED光透镜阵列设计*

黄仁祥 王小辉 郭南萍 林珊莉 王炎 邓晓君



光动力疗法LED光透镜阵列设计*

黄仁祥1王小辉2郭南萍1林珊莉2王炎2邓晓君2

（1.广州美锐健康产业股份有限公司2.广州生物工程中心）

为解决现有光动力疗法辐照器光源采用的多光谱固态发光器件出光效率低、出射光束发散角大、能量不集中、不同波长光在光束照射靶面所形成的均匀照射光斑位置存在差异等问题，设计一种光透镜阵列多光谱固态发光器件，通过一次透镜阵列设计和材料选择，集成封装工艺达到医用LED光源的标准；通过二次透镜阵列补偿，阻止光能分散，实现对病变组织表面光照射总能量的精确控制。

光动力疗法；多光谱固态发光器件；辐照器；透镜阵列

0　引言

光动力疗法（photodynamic therapy，PDT）是采用内源性或外源性光敏剂和特定光谱光源，通过光动力学反应，有选择地破坏病变组织的一种新型治疗技术，在医疗、医学美容领域得到广泛应用[1-2]。多光谱固态发光器件LED具有体积小、重量轻、寿命长、价格低等优点，正逐渐替代效率较低、价格昂贵的激光器成为光动力疗法辐照器光源[2]。然而，现有LED的封装通常使用环氧树脂、硅胶等透明封装材料，采用平面封装结构或在平面封装结构的出光表面增加一个半球形透镜。前者由于存在光线临界角的“逸出锥”，而使出射光能损失严重；后者虽然提高了出光效率，但由于不同波长光经透镜后存在折射率以及空间角分布的差异，使得光束照射目标靶面时，形成的均匀照射光斑位置不同。

在光动力治疗中，采用呈阵列排布的多光谱固态发光器件LED作为光源，会出现光能利用率低、光照不均匀、不同波长的照射光斑在治疗区域表面位置不一致、治疗区域表面不同波长光照功率密度分布曲面形状差异较大等一系列问题，从而导致光动力治疗效果不佳，制约了多光谱固态发光器件作为光动力疗法辐照器光源的应用与发展。

为解决上述问题，本文提出多光谱固态发光器件的光透镜阵列设计，实现对病变组织表面光照射总能量的精确控制。

1　光动力反应基本原理

在光动力疗法中，受到特定波长光照射的内源性或外源性光敏剂在吸收光子能量后将由基态转换成激发态。由于处于激发态的光敏剂很不稳定，因此可通过物理或化学退激过程释放能量而返回基态。物理退激过程可产生荧光；化学退激过程可生成大量活性氧，其中最主要的是单线态氧。单线态氧能与多种生物大分子相互作用，产生细胞毒性作用，损伤细胞结构或影响细胞功能，进而产生治疗作用。

光动力疗法的辐照器光源是光动力治疗的核心与关键，其光源的波长、光照功率密度、光照均匀度、不同波长光在有效照射区域内的光照功率密度分布曲面等技术指标直接影响光动力治疗的效果[3]。

2　光透镜阵列设计方案

本文提出的光动力疗法辐照器光源的多光谱固态发光器件光透镜阵列设计如图1所示。在出光面封装一次透镜阵列的多光谱固态发光器件呈阵列排布在线路板上，一次透镜阵列将器件上各波长LED芯片的光线散射角约束为近似相同，并对光线进行准直和光斑均匀，产生多条不同波长的平行准直且光斑均匀的细光束。所有器件产生的细光束一起构成一个准直平行宽光束被投射到二次透镜阵列。

二次透镜阵列由透镜阵列2和透镜阵列3组成，两者具有相同的光学参数。平行准直的宽光束垂直投射到透镜阵列2的凸面，被分成多条细光束，并聚焦于透镜阵列3的每个透镜中心；细光束在目标靶面上相互叠加，形成光功率密度均匀分布的光斑，为光动力治疗提供足够的光照功率密度。

1-线路板 2-透镜阵列 3-透镜阵列 4-目标靶面

3　一次透镜阵列

3.1　一次透镜阵列结构

一次透镜阵列多光谱固态发光器件结构如图2、图3所示，包括封装基板、电极、反射杯、光源芯片、和一次透镜阵列。其中光源芯片分别为625 nm红光、525 nm绿光和465 nm蓝光LED芯片，并在封装基板上按等边三角形排布；一次透镜阵列由多个呈正交阵列排布的折射型半球形微透镜组成，设置在反射杯出光口，与封装基板平行。图3中，为微透镜半径；为相邻微透镜圆形底面间的距离；=2+为相邻微透镜圆形底面圆心之间的距离。

一次透镜阵列能够收集光源芯片在大角度发光范围内出射的光线，并形成与一次透镜阵列微透镜数量相同的多条平行准直细光束。这样尽管设置在同一封装基板上的光源芯片空间位置不同，但对于一次透镜阵列上的每一个微透镜来说，入射的不同波长光线可被近似看作来自同一位置的点光源。因此，光源芯片发出的光线经过一次透镜阵列准直后，在细光束中各个不同波长光线的空间角分布差异被约束成很小，每条不同波长的细光束在目标靶面所形成的光斑位置接近相同。由于一次透镜阵列上的微透镜紧密排布，多条细光束在目标靶面上形成的光斑彼此连接，形成光照功率密度分布均匀且位置一致的大光斑，可有效提高光动力治疗效果。虽然由多条细光束组成的出射光线并非是理想的平行光，而具有一定的发散角，但因发散角较小，所以近似认为是平行光。

图2 一次透镜阵列多光谱固态发光器件结构

图3 一次透镜阵列多光谱固态发光器件三维结构　

3.2　一次透镜阵列加工工艺

一次透镜阵列的制作材料选用具有良好透光性的光学玻璃。由于微透镜的直径非常小，且一次透镜阵列上的微透镜排布紧密，因此无法采用冷加工技术。本研究采用微光学等离子体刻蚀加工技术进行微透镜阵列的制作。此外，通过镀膜处理改进光学玻璃的易碎特性。本文一次透镜阵列是针对OSRAM的光源芯片与封装进行开发，主要工艺路线如图4所示。

图4 一次透镜阵列生产工艺路线图

3.3　一次透镜阵列仿真验证

将一次透镜阵列结构导入TracePro光学软件进行仿真，并定义封装基板的外形尺寸为5 mm×5 mm；固态发光元件的尺寸为1 mm×1 mm×0.5 mm；反射杯的底部直径为3.3 mm，出光口直径为3.8 mm，高度为0.8 mm；一次透镜阵列的直径为4.0 mm；微透镜的半径=0.15 mm，焦距为0.8 mm；相邻微透镜的圆形底面之间距离=0 mm。建立配光模型进行追迹仿真，多光谱发光器件中625 nm波长红光的光强分布如图5所示。可以看出安装一次透镜阵列后，光强分布由圆形变成椭圆形，半强度角约为40°，光线分布明显改善。

图5 多光谱发光器件中625 nm波长红光的光强分布

设均匀度=/；均匀系数=/。其中，为光线照射目标靶面形成的光斑的某一点的光照功率密度；为光线照射目标靶面形成的光斑内的光照功率密度峰值；为光线照射目标靶面形成的光斑的总面积；为光线照射目标靶面形成的光斑内满足≥ 0.85的区域面积，≥ 0.85的区域被定义为均匀光斑区域。均匀系数越高，意味着光斑内光照功率密度分布越均匀。

在距离多光谱发光器件中一次透镜阵列150 mm的位置处设置一个目标靶面；分别向目标靶面投射625 nm波长红光、525 nm波长绿光和465 nm波长蓝光，使用光辐照计测量各不同波长的光线在目标靶面上形成的光斑的光照功率密度。把目标靶面分为 10 mm×10 mm的正方形测量子区域，测量目标为各个测量子区域的几何中心点。测量目标的光照功率密度值，根据均匀度公式计算测量目标的均匀度。在同一坐标系中将3种不同波长的光线所形成的光斑最外围中≥ 0.85的点用折线相连，形成3个封闭的区域，该区域即为3种不同波长的光线各自形成的均匀光斑区域，如图6所示。从图6可见：3种不同波长的光线各自形成的均匀光斑区域的面积基本相同，且集中分布在光斑的中心，3个均匀光斑区域在目标靶面上的位置大致重合。

图6　目标靶面均匀光斑区域分布图

4　二次透镜阵列

为给光动力治疗提供足够光照功率密度的照射光，将一定数量的一次透镜阵列多光谱固态发光器件呈正交阵列排布在线路板上构成一个面光源。由每个多光谱固态发光器件产生不同波长的平行准直且光斑均匀的细光束构成一个面光源的宽光束。在实际应用中，出于散热及安装考虑，线路板上相邻的多光谱固态发光器件之间必须留有一定的间隙。因此，如果将这些各自准直、均匀的光束直接投射到目标靶面，即患者治疗区域，并不能彼此相接连成一片。通过在面光源光路后端平行设置二次光学透镜阵列可有效解决上述问题。

4.1　二次透镜阵列设计

二次光学透镜阵列由2个光学参数完全相同的透镜阵列组成，其中透镜阵列由一定数量的折射型小透镜呈正交阵列紧密排布构成。在本研究中小透镜的底面为矩形，小透镜的尺寸为5.8 mm×3.4 mm；在方向的半宽为2.9 mm；在方向的半宽为1.7 mm；焦距为15 mm。透镜阵列2位于面光源光路后端，透镜阵列3位于透镜阵列2光路后端，三者相互平行。透镜阵列2与透镜阵列3上的各小透镜的中心重合且各边一一对应，两者间距离为小透镜的焦距的0.85~1.15倍，如图1所示。

当宽光束入射到透镜阵列2上时，透镜阵列2上的多个小透镜将入射的宽光束分裂成与小透镜数量相同的多条小光束，此时每条小光束范围内的均匀性优于宽光束范围内的均匀性。透镜阵列3上的每一个透镜将透镜阵列2上对应小透镜出射的光重新聚集后出射到目标靶面上，各光斑相互叠加且不均匀性相互补偿，从而实现目标靶面的均匀辐照。

与多光谱固态发光器件中的一次透镜阵列相比，二次透镜阵列上的小透镜尺寸较大。二次透镜阵列可以选用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料，通过模具加工制作。

4.2　二次透镜阵列光照射效果对比

将采用二次透镜阵列设计方案的光动力治疗辐照器与现有辐照器的光照射效果对比，如图7所示。其中，图7(a)是采用光透镜阵列设计方案的辐照器在暗室环境下向距离50 cm的白色幕布投射峰值波长为625 nm红光后所拍摄的图片，图7(b)是将图7(a)多光谱固态发光器件中的一次、二次透镜阵列去除后，采用环氧树脂对其进行平面封装的辐照器；在同样的暗室环境下向距离50 cm的白色幕布投射峰值波长为625 nm红光后所拍摄的图片。从图7中可以明显看到：图7(a)比图7(b)不论是从光照均匀性还是光照强度来看，都有显著提高。

图7　光动力治疗辐照器的光照射效果图

5 结语

光动力疗法采用多光谱固态发光器件LED替代激光器作为辐照器光源，确保聚焦光发射到治疗部位，不会造成不必要的光能损失，同时实现对病变组织表面光照射总能量的精确控制，具有广阔的应用前景。

[1] 陈文辉,浦宇.光动力疗法的起源和发展史[J].中国医学文摘(皮肤科学),2015,32(2):109-118.

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Design of LED Light Lens Array for Photodynamic Therapy

Huang Renxiang1Wang Xiaohui2Guo Nanping1Lin Shanli2Wang Yan2Deng Xiaojun2

(1.Guangzhou Race Medical & Beauty Equipment Co., Ltd. 2.Guangzhou Biotechnology Center)

A micro lens array multi spectral light-emitting device for photodynamic therapy is studied in this paper. Through primary lens design, material selection and integrated packaging technology, it can make LED to meet the light source requirements of photodynamic therapy. By arranging the monomer array of the light source in the irradiator and compensating the secondary lens on the front of the irradiator, the emitted light energy from the irradiator can be prevented from dispersing and can be ensured to focus on the therapeutic tissues. The scheme solves the problems of low efficiency of multi-spectral solid-state light emitting devices, large divergence angle of the emitted beam, non-concentration of energy, and difference of the uniform spot position formed by different wavelength light irradiation on the target surface. It realizes accurate control of the total energy of illumination on the surface of diseased tissues.

Photodynamic Therapy; Multispectral Solid LED Light Source; Irradiator; Lens Array

黄仁祥，男，1964年生，硕士，高级工程师，主要研究方向：生物医学工程。E-mail: 2861610521@qq.com

王小辉，男，1963年生，硕士，研究员，主要研究方向：光电技术、医疗仪器。E-mail: 503225328@qq.com

广州市对外科技合作计划项目（201807010009）