多光谱治疗设备的设计与应用研究

张雪飞

（河北奥特维力医疗器械有限公司，河北石家庄 050000）

1 光治疗的历史背景

人类诞生于地球，离不开阳光、空气和水。使用光治疗人体疾病在世界各地都有悠久的历史，丹麦医生Niels Finsen 将紫外线应用到医学上，开创了光治疗方法，用来治疗由结核菌引起的皮肤病——真性狼疮，而获得1903年诺贝尔生理学及医学奖；美国、德国等发达国家都十分注重生物学研究，美国麻省理工学院神经与内分泌实验室研究了中波紫外线（UVB）对人体照射的实验研究。近年来，光治疗方法在医学研究和医疗实践中的应用也越来越广泛。

2 多光谱光治疗的作用机理

多波段光谱治疗仪采用LED 半导体（紫外光、红光、红外光）组合光谱直接照射皮肤，使人体皮下的7-脱氢胆固醇转化成维生素D3，通过肝、肾的代谢转化成活性维生素D3[1.25（OH）2D3]，这种活性维生素D3可诱导钙结合蛋白的生成，在小肠中促进钙的吸收，调节钙磷代谢，使钙盐沉着于骨内，红光和红外光可改善血液循环，提高组织的新陈代谢，增加酶的活性，加速酶促反应，具有消炎消肿、治疗腰背疼痛或周身骨骼疼痛作用。

3 多光谱治疗设备的设计

结合医疗机构的使用环境、功能以及实用性、快捷性，多光谱治疗设备主要由多窄波LED 灯头、主机、小推车及支架和电控系统组成。

3.1 结构设计

3.1.1 灯头设计

多波段LED 灯头的设计采用双翼可折叠方式，以适应身体不同部位的曲线，结构简单，操作方便。根据治疗部位的不同调整灯头左、右单元角度，方便用于病患的四肢和腹背部治疗，可以提高治疗效果。将灯头的连接线隐藏在旋转轴内，整体更加整齐美观。

3.1.2 主机设计

主机包括主机外壳、显示屏、核心控制模块及核心控制模块电性连接的控制按键，以及为显示屏、控制按键和核心控制模块提供电源的电源模块等组成。所有控制部分均设在主机壳内，便于操作、控制。

3.1.3 小推车设计

用于放置主机和支持灯头，轻便可移动。小推车设计分为安装台、储物空间及电源箱三部分功能，另配有扶手、具有万向多关节活动结构的脚轮等配套件；提供连接主机与灯头的连接的支架装置，并具有伸展支撑结构，方便使用者多方位多角度调节旋转。

3.2 硬件设计

（1）设计要符合GB9706.1的电气安全性能要求。

（2）电源设计为恒流输出电源，对红光LED、红外LED 及紫外LED 进行恒流驱动。

（3）显示系统可根据病患病情的不同自由选择不同的模式，进而调节LED 的工作状态。

（4）通过按键选择各波段治疗时间，启动设备运行，通过单片机调节红光、红外和紫外三路恒流驱动电路的工作时间及调节电源的输出电流。

（5）电控系统设计报警系统，对于治疗过程中的错误、治疗完成后进行报警提示。

（6）采用PWM 调光技术，自动调整光源的照度值，以满足不同使用者的要求。

电控系统设计电路框图如图1所示。

图1 电控系统设计电路

3.3 光源设计

选择对人体有益波段的红光、红外及紫外三种组合光谱进行照射设计，红外光、红光、紫外光的组合光谱能改善组织的新陈代谢和骨组织的营养，提高骨密度和骨质量，改善血液循环、促进组织细胞代谢营养。

LED 在排布设计时，不仅要考虑LED 光源之间的相互作用，重点研究紫外LED 功能性、功率、波段、布局、出光面、出光距离等要求，并配以一定的比例与强度，提高紫外LED 的照射效果。

为了适用于不同的使用人群，采取多种光谱模式设计，红外＋红光＋紫外任意组合。模式分别 为：①UVB+RED+IR（紫 外+红 光+红 外）②UVB+RED（紫外+红光）；③RED+IR（红光+红外）；④UVB+IR（紫外+红外）；⑤UVB 紫外；⑥RED 红光；⑦IR 红外。

4 多光谱设备应用研究

4.1 多光谱照射在骨折愈合的研究

本研究采用LED 多光谱治疗仪发出的红光、红外及紫外照射股骨骨折模型大鼠，检测其对大鼠股骨骨折愈合的影响。骨折是指骨的完整性和连续性丧失，由外界暴力、应力性损伤等多种原因导致，以疼痛、肿胀、异常活动为主要临床表现，是创伤骨科常见的疾病。骨折愈合过程是骨组织再生修复重建的高度复杂的动态过程，坚强固定后可自我愈合，愈合时间较长，且有5%～10%的骨折出现延迟愈合甚至不愈合。骨折愈合时间长、并发症多，为缩短骨折愈合时间，减少并发症，电磁场、低强度超声等诸多物理疗法因其简便有效已被应用于临床。随着物理医学的发展，光生物调节疗法作为一种非入侵无创治疗方法，已被广泛应用于神经损伤、伤口愈合及骨关节炎治疗等领域。

光生物调节治疗手段最早可追溯至1967年。从1980年开始，激光疗法在医学领域被广泛应用。至目前光生物调节的光源类型包括低水平激光及发光二极管光源，或者二者结合使用。许多研究证实光生物可调节损伤后的炎症反应、加速软硬组织愈合的能力以及刺激心血管生成。目前，对于光生物调节的研究仍集中于激光的调控作用，对于非相干光源LED 的研究较少，且主要集中于治疗皮肤及软组织疾病中。为探讨LED 多光谱是否促进大鼠股骨骨折愈合，本研究选择雄性大鼠作为研究对象，采用开放截骨方式建立大鼠骨折模型，使用LED 多光谱治疗仪对模型大鼠进行治疗。X 光结果显示，两组大鼠在治疗2周时即表现出了差异性，LEDT 组的骨痂量明显多于模型对照组。在治疗8周时，LEDT 组大鼠术侧股骨基本恢复原始形态，模型对照组仍然可见骨折线，其愈合速度及质量明显较差。

4.2 多光谱照射用于骨质疏松治疗

骨质疏松是威胁中老年健康的常见病和多发病，随着我国人口老龄化现象的日益加重，原发性骨质疏松症比例也随之呈直线上升趋势。骨质疏松症是一种全身性的代谢性骨骼疾病，其特征是骨量减少和（或）骨组织微结构破坏，因此导致骨强度下降，骨脆性增加，易发生骨折的全身性疾病。骨质疏松及其引起的骨折已成为威胁中老年健康的主要疾病之一，因此有效防治骨质疏松症已经成为改善老年生活质量的重要措施。

本次研究的多光谱治疗仪，采用LED 半导体光源UVB 窄谱中波紫外线、红光、红外线组合应用，模拟太阳光谱照射人体，光源点状呈矩阵式排列。人体所需的维生素D 约有80%∽90%靠自身合成，对于大多数来说，维生素D 主要来自阳光对皮肤的照射，维生素D 的产生与日照中紫外线的照射密不可分。多光谱照射所用的窄谱紫外线具有较强的促进维生素D 生成的作用，可使皮下胆固醇（7-脱氢胆固醇）转化成维生素D3；经过肝脏、肾脏羟化为1，25-（OH）2D3，1，25-（OH）2D3经过肠，引起一种蛋白酶性的Ca 转移因子，Ca 被小肠吸收入血，在1，25-（OH）2D3作用下在骨中沉积。促进钙磷的吸收，调节钙磷代谢，使钙沉于骨内。LED 窄谱红光主要生物学作用以光化学效应为主，可被细胞器线粒体强烈吸收而导入人体，促进过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等多种酶的活性得到激发，有助消除患者体内自由基，避免脂质过氧化对组织细胞的损伤，减缓细胞衰老过程。

多光谱的综合应用照射，通过光的生物能量和生物信息对人体组织细胞产生调控作用，引起细胞功能的改变，可增强机体免疫防御系统功能，调节人体内分泌激素的分泌和平衡，局部直接作用可达皮肤各层。通过干扰和掩盖效应阻止疼痛信号的传递过程，通过中枢系统的负诱导效应起到镇痛效果，同时可促进体液中吗啡样镇痛介质脑腓肽释放和增加，改善组织血液循环产生较为持久的镇痛效果，并具有消炎消肿、促进组织细胞代谢营养的作用。试验证实，多光谱照射对原发性骨质疏松症及引起的腰背疼痛或周身骨骼疼痛具有明显的镇痛效果，仅30天疗程治疗时间，镇痛有效率达80%。

目前，日光照射不足仍是世界各地维生素D 缺乏的主要原因，维生素D 缺乏在全球仍较为普遍。应用多光谱组合照射，能更好地满足临床实际使用需要，为原发性骨质疏松症的预防和治疗提供一种非药物的物理治疗技术，具有良好的应用前景，值得推广。

4.3 多光谱用于二型糖尿病治疗的研究

糖尿病是一种由于胰岛素分泌或（和）作用缺陷而引起的、以长期高血糖为特征的代谢性疾病。由于这些缺陷改变了机体细胞对葡萄糖、氨基酸、脂肪酸的摄取和利用能力，高血糖及高胰岛素水平造成营养物质代谢紊乱，引起微血管和大血管病变，导致心血管、肾脏、视网膜、神经等全身多个系统的并发症发生。并发症的发生与很多因素相关，包括遗传、年龄、性别、血糖控制水平、糖尿病病程以及其他心血管危险因素等。常见并发症有高血压、脑血管病、心血管病、下肢血管病等。

本试验的目的是以维生素D 缺乏的2型糖尿糖病初诊或经治血糖控制未达标的患者为对象，在研究期内保持原有基础治疗和治疗药物不变的基础上，观察多波段光谱经皮照射对患者血糖控制的影响，12周后观察糖化血红蛋白（HbA1c）、空腹血糖（FPG）、25羟维生素D1，25-（OH）2D3相对于基线的变化，有无不良反应和不良事件的发生，以评价多波段光谱治疗仪对维生素D 缺乏的2型糖尿病患者血糖控制的安全性和有效性。

紫外光照射对糖代谢的影响远在二十世纪二、三十年代就进行过不少的临床观察和动物实验，近年来仍有报导。总的来看，紫外线照射可使相当一部分的健康人和糖尿病患者的血糖降低，糖耐性增强，糖元在各器官的蓄积增加，血糖氧化加强。糖尿病患者酸中毒时，紫外线照射可使尿中酮体有所减少。据观察红斑反应的强弱与降糖作用大小并不呈平行关系。有人用小剂量紫外线全身照射或红斑量紫外线局部照射均可引起血糖下降。另有人报告：紫外线照射的近期效果因剂量不同而有差别，但最终结果都观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。动物实验证明：1/10红斑量紫外线照射也可有降血糖作用。此外还有人观察到：小剂量紫外线照射可使血糖下降，而大剂量照射可使血糖上升。

研究显示，截至2008年全球已有10亿人存在维生素D 缺乏或不足。流行病学研究数据显示，缺乏维生素D 与糖尿病的发生直接相关。在疾病动物模型中的研究结果也表明，缺乏维生素D 会引发糖尿病；反之，补充维生素D 有助于预防糖尿病的发生。并对2型糖尿病患者改善胰岛素抵抗（IR）、胰岛素β细胞功能恢复和血糖控制有一定作用。维生素D 通过抑制炎症反应、抑制自身免疫反应、促进胰岛素合成分泌、增加胰岛素敏感性及维生素D 相关基因多态性等多种作用机制对糖尿病的发病及血糖的控制发挥着重要作用。

目前在物理治疗中利用紫外线、可见光、红外光、太阳灯治疗技术和方法已在临床广泛得到应用，且UVB 紫外线具有促进维生素D 生成的作用，从理论和临床应用已经得到了认可，属于成熟临床技术方法。

5 结束语

经反复论证，组合应用窄谱波长的LED 光，直接作用可达皮肤各层及皮下，具有消炎消肿、镇痛解痉、促进组织细胞新陈代谢，改善血液循环和血脂代谢，促进维生素D3生成和钙磷的吸收，提高患者生活质量的作用。多波段光谱治疗仪光谱中的窄谱中波紫外线（UVB）具有较强的促进维生素D 生成的作用，在光的适宜温度和化学效应下提高了酶的活性，加速酶促反应，加快了维生素D3的生成和转化。另外，该项目预实验结果初步证实：对维生素D 缺乏的2型糖尿病血糖的控制和并发症的治疗有显著的治疗作用。