LED在伤口愈合与皮肤护理方面的应用

用作激光替代品的LED在伤口愈合方面的应用越来越多。 NASA的早期研究表明，630至880 nm范围内的近红外LED可促进细胞生长，从而刺激烧伤，骨折，放射组织损伤和皮肤移植，以及治疗肌肉和骨骼萎缩的更快愈合，这是一种普遍存在的疾病。宇航员在长距离任务中的应用。

本文将回顾该领域的一些研究，并重点介绍LED现在被纳入LED光疗产品的类型，以促进伤口愈合和皮肤护理。最流行的波长是660nm（表面愈合）和880nm（更深的伤口愈合）。治疗产品和医疗设备通常在一个单元中组合多个波长。

图1：发射可见红光的便携式设备，如Quantum的Warp 10，设计用于为遭受轻微伤口的武装部队提供即时急救治疗。

这些可见红色LED和近红外发射器在这些波长下很容易获得，包括Lumex，Marktech Optoelectronics和Osram Semiconductor等公司。

加速愈合

有充分证据表明，在太空中，特别是在太空任务中，由于长时间的失重，宇航员患有肌肉和骨骼萎缩。此外，轻微的伤害，例如割伤和擦伤，在微重力环境或海底大气中不易愈合，这些大气中氧气含量低，二氧化碳含量高，缺乏阳光。 NASA最初确定最初为植物生长实验开发的LED在治疗伤口方面是有效的，从而加速了愈合过程。进一步的研究更精细地调整了最佳波长，并发现它们单独使用，与高压氧一起产生最佳效果。

LED光疗法用于治疗伤口愈合和肌肉和骨骼萎缩的应用引起相当大的兴趣，不仅在空间应用和军事战斗伤员护理方面，而且在民用医疗方面。市场研究 1 预测生物光子和医疗设备中使用的LED市场将快速增长，预测2019年将比2012年的6450万美元增长5倍，达到3.247亿美元。

光疗和细胞再生仅占该市场的一小部分。然而，营销人员已经发现红色LED，包括近红外和红外设备，至少占生命科学应用中销售设备的一半。此外，顾问们已经注意到令人印象深刻的增长预测并未反映出真正的市场扩张，因为单位价格继续下降且数量使用量增加。

红色是研究人员与NASA合作 2 已经发现使用近红外LED的光疗法通过激活身体组织中的颜色敏感化学物质来刺激细胞线粒体中的过程。已发现680nm至880nm的光波长穿过皮肤和肌肉组织，促进组织和深层伤口愈合。光穿透取决于功率和波长，更高波长的LED更有可能进一步渗透。

美国和其他地方的医院正在进行各种单波长和混合波长LED灯的临床试验。结果表明，与未处理的细胞相比，近红外光疗法使细胞生长加速150至200％。目标波长为630至680 nm，730 nm和850至880 nm，但研究正在继续确定哪种方法对刺激细胞生长最为有效。

在欧洲，维也纳Ludwig Boltzmann实验和临床创伤研究所的研究奥地利已经将最初的NASA研究成果建立在近红外线上，并将其研究范围扩展到研究470 nm蓝光。 3 作为奥地利组织再生研究工作的一部分，该研究所发现蓝光可以显着和积极地影响生物系统。红光和蓝光之间的比较表明，与没有光疗法相比，两种光源都能显着促进伤口愈合。它们之间的关键区别在于它们对角蛋白表达的影响。

广泛的研究正在不断寻找新的和不断扩大的LED光疗应用领域。除了加速军事人员在训练或行动中可能遇到的伤口愈合，如烧伤，骨折，放射组织损伤和皮肤移植，医学研究人员发现该技术还可以帮助治愈甚至预防由口腔溃疡引起的化疗和放射治疗，加速整容手术后的皮肤/组织愈合和激光烧蚀重修，并有助于加速糖尿病皮肤溃疡的愈合。

正在进行进一步的专业研究，以验证特定波长LED光治疗眼疾的有效性作为‘懒惰的眼睛’，糖尿病性黄斑变性和视网膜病变。美国宇航局和其他研究人员已成功使用红色LED探头治疗脑肿瘤。正在进行其他试验以使用LED与其他癌症治疗相结合来破坏一些癌细胞。深入穿透波长被认为可有效治疗颅骨创伤，并有可能帮助痴呆症患者。

轻量级光阵列

商业上可用的光疗产品通常使用LED阵列。例如，Quantum Warp-Light器件的Warp 10（图2）是一个阵列，提供10平方厘米的治疗区域，输出功率为50 mW/cm²。

图2：来自Quantum Warp-Light Devices的消费者版Warp 10使用660 nm红色LED阵列来提供伤口愈合光疗法。

近红外LED （670 nm中心波长），它是治疗面部擦伤和防止因放射和化疗引起的口腔溃疡的理想选择。另一家供应商Elixa提供尺寸仅为5 cm x 10 cm的小型手持设备，其中包含120个红色LED （660nm），近红外（880nm）或蓝色（470nm）。输出约为1焦耳/分钟。

图3：Elixa的这款LED阵列治疗产品采用120个高强度LED，密集包装，打造便携式手持设备。据称红光版（图3）渗透到约25毫米的深度，用于治疗皮肤伤口和感染，而近红外阵列可穿透至75毫米，以增加血液流动和释放一氧化氮，以舒缓和治愈疼痛的肌肉和关节。其他产品包括双向和三向组合的红色/红外/蓝色可切换单元和安装在支架上的三重阵列。

在光疗设备中使用LED有许多好处，但有两个突出。第一个是阵列可以容易且廉价地构建以包含多个设备。根据其应用，它们可以包含多个波长器件或单波长LED。简单的电子设备可以根据照明设备的数量和波长来控制阵列。

LED阵列可以轻松组装成大型扁平结构，用于治疗大面积伤口，如烧伤。目标应用还将确定阵列的最佳尺寸，功率要求，以及LED是否需要紧密包装以使表面贴装器件至关重要，或者通孔封装器件是否足够。

另一个关键的好处是，通过使用微型，表面贴装设备，轻便，手动或现场便携，也可以建造低功率单元。这使得它们成为军事野战医院或远程医疗中心以及特殊军事行动的理想选择，在这些地区，装备精良的部队部署在高流动性和最佳身体状况至关重要的危险区域。在美国，海军特种作战小组（SEALS）一直在试验一种结合670，720和880纳米LED的装置，用于训练中持续的肌肉骨骼损伤。

光线需要穿透的深度取决于产品是否正在攻击表面组织伤口或深部肌肉治疗，这也将是在波长，能量和功率方面选择LED的重要因素。由mcd中的一些LED制造商测量的亮度在这种类型的应用中不被认为是相关的。以mW/cm²为单位测量的光强度是一个更合适的参数。

选择LED时的设计考虑因素

波长：

各种研究项目促进了不同波长对某些治疗的益处条件。一般认为625和900nm之间的波长对伤口愈合和相关条件最有效。在较低端，630nm和660nm似乎是有利的。在较长的波长下，850 nm和880 nm是最受欢迎的。在730 nm至760 nm和900至940 nm水平下的工作也证明是有用的，但是这里的成本较高且适用性较低的可用性也是一个问题。

近红外波长（通常为850 nm或880 nm）已被报道因为穿透皮肤和骨骼更深，但对于开放性伤口，已经证明630和660nm装置在加速愈合方面同样有益。皮肤深度因身体而异，传播也会受到肤色的影响。包含混合波长的面板继续用于实验，以收集关于光必须穿透的各种伤口类型，位置和组织内容的愈合数据。

功率/能量： 《研究表明，在某些情况下，治疗剂量为4至6焦耳/平方厘米是最佳的。大约6 J/cm²相当于使用强度为30 mW/cm²的LED器件，持续时间为200秒。更强大的设备可能意味着可以缩短治疗时间。其他研究表明，长时间使用更强大的设备可以更深入地渗透治疗灯。

热管理：

高密度，高能量LED密集封装的设计人员可能需要考虑冷却要求。例如，一个由5个封装组成的二十个850 nm LED阵列，装在一个最小的25mm²空间内，每个都连续使用50 mA，会过热。根据经验，设计人员认为50 mW LED的间距约为1.65个/cm²。更强大的设备，100 mW需要间隔更远。有人会认为使用830 nm或850 nm芯片超过25 mW/cm²可能需要冷却风扇。 FDA要求规定每平方英寸0.8 W是可以应用于接触皮肤的设备的最大能量。

热量的另一个方面涉及安全性。实验表明，在几秒钟后，在600至900nm范围内施加30mW/cm 2的LED时，苍白的皮肤几乎感觉不到任何温暖。然而，150 mW/cm²施加1至2分钟至较深的肤色可能会导致皮肤表面过多的热量，因为黑色素可以阻挡更多光线穿透。如果长时间使用灯泡在热量无法逃逸的环境中（即紧紧包裹在皮肤上），即使50 mW/cm²也可能导致2度灼伤。

LED镜片：

对于这种类型的应用，聚焦LED光输出的镜头在许多产品中可能不太相关，因为光通常在穿过皮肤时分散。同样，如果要将产品用于靠近皮肤，宽视角并不总是很重要。

设备选择

LED制造商，包括Lumex和Osram Opto Semiconductors，提供LED阵列和定制构建服务以及需要特定波长或波长组合的客户的分立器件。 Marktech Optoelectronics拥有专门的片上板载解决方案，可集成多达6种小型混合或相同波长的LED芯片，如TO5罐或表面贴装封装。这三家公司都熟悉医疗行业严格的安全要求，并定期向OEM客户提供标准和定制零件，以建立认可的医疗设备。

在采购630至680 nm范围内的LED可见光发射器时，Marktech拥有可用的最广泛的范围之一。 MTE6066N5-UR的正向电流（DC）为50 mA，功耗为120 mW。该器件采用T1¾，5 mm径向封装，据称可提供高发光强度。

对于850至880 nm LED发光器，Osram Opto在其广受欢迎的Oslon，Smartled和Midled系列中提供多种产品。表面贴装封装选项。设计人员可以选择70 mA，100 mA或1的正向电流（DC）.SFH4050的正向电流为100 mA，辐射强度为10 mW/sr（100 mA）。功耗为180 mW，正向电压为1.5 V，包含在标准的0603表面贴装封装中。

对于中间波长，以770 nm为中心，Marktech再次提供了许多器件。 MTE1077N1-R专为医疗应用而设计，具有高可靠性，窄光束角，采用5 mm1¾径向引线封装。正向电流额定值为50 mA，功耗为100 mW。它可用于额定电流为0.5 A的脉冲应用。正向电压通常为1.55 V.一些专业光疗应用需要940 nm区域的器件，进入红外区域。许多供应商都为这一领域提供通孔和表面贴装设备。 Lumex的典型示例是OED-EL-1L2，其包含在标准的5mm径向封装中。它具有100 mA的正向电流，100 mA时的辐射强度为60 mW/sr，典型的正向电压为1.2 V.