以LED为光源的生命医疗前沿技术进展

分类：论文范文 发表时间：2020-02-20 10:42

　　摘要：光源是生命科学研究及医疗技术中不可缺少的重要工具。本论文以LED在生命医疗领域的光源应用为主题，介绍了面向生物医疗和检测的各种光学方法的技术原理；特别是LED光源在生物医学治疗、生物信号检测、生物荧光探测与成像以及光遗传学中的应用，同时分析了LED光源在生命和医疗技术应用的特点，并展望了未来发展趋势和所面临的挑战。

　　关键词：LED；光源；光治疗；光学检测；光学成像

　　前言

　　生命科学前沿问题的探索、先进医学诊断以及疾病治疗手段的开发，越来越依赖于科学技术的进步。在生命医疗研究中，通过对研究部位实施声、电、光、化学等刺激，或者采集相应部位机体产生的温度、应变、电位、荧光、血压、含氧量、化学组成等信息，对生物体进行研究或者治疗。在这些形形色色的研究方法中，利用光吸收特性、光-热转换、荧光发射、化学发光等原理的光学检测方法对研究对象的副作用小，仪器成本相对较低，检测结果精准，成为医学诊断和治疗领域最重要的技术之一。

　　1LED光源在生物医学治疗中的应用

　　光疗可分为两种完全不同但互补的治疗方法—低能激光（光）疗法（lowlevellaser(orlight)therapy,LLLT）[1]和光动力学疗法（photodynamictherapy,PDT）[2]（图1a）。低能激光（光）疗法是主要使用红光或近红外光来减少炎症和疼痛以及刺激组织修复和再生的一种医学诊疗方法，主要应用于医疗康复和保健领域。光动力学疗法则是使用光和无毒染料的组合（称为光敏剂，photosensitizers，PS）产生不会对组织产生破坏但是可以杀死传染性微生物和癌细胞的活性氧物质从而达到治疗效果。光动力疗法在临床上已用来治疗各类皮肤病，并积极探索其在癌症治疗方面的应用[3]。

　　2LED光源在生物信号检测中的应用

　　进入新世纪，高血糖等慢性疾病是人类需要重点解决的健康问题之一。这些疾病的诊断和治疗需要根据疾病的严重程度进行调整，因此要求实现对血糖、血压等生理信号的精确检测，该需求可以借助新型光电子器件来实现。LED技术的发展为研究者提供了全新的血糖监测手段。光学法检测生物信号使用LED作为光源，不但可以实现微创或无创诊断，同时还拥有检测灵敏度高、特意选择性强、工作状态稳定等特点。目前光学检测血糖的方法主要采用吸收光谱法或者荧光光谱法。

　　3LED光源在生物荧光探测与成像中的应用

　　荧光探测与成像由于其高灵敏度、高稳定性、低毒性、可商业化等优势在生物学领域发挥着重要作用，帮助人们获取与理解生物体组成、生理状态信息。在荧光成像系统中，具有高荧光效率的荧光物质被相同频率的外界能量激发并吸收该能量，从而在释放能量的过程中产生可被检测的荧光信号。现代荧光成像系统中最常用的光源有传统光源（钨丝灯或气体放电灯）、激光光源与发光二极管光源[25]。其中，LED光源由于其体积小、价格低、工作时间长等优点成为应用前景可观的主流光源。

　　4LED光源在光遗传学中的应用

　　2005年，斯坦福大学KarlDeisseroth实验室研究人员使用慢病毒基因载体结合高速光开关将一种天然的海藻蛋白质ChR2转染到神经元中，实现动作电位与突触传导的兴奋抑制性控制[29]，这项技术的出现宣布人类正式拥有了精确操控大脑的工具。随后的几年里，结合了基因工程与光学研究成果的光遗传学技术被广泛地应用于神经科学的研究，科学家们运用这项开创性的技术在构建并富集稳定耐受的表达载体，体外实时检测电生理水平、成像水平及行为水平的数据，设计并安装用于体内光传递和行为学控制的神经接口等多个方向取得了突破。伴随着方法学与技术不断的发展与完善，光遗传学被科学界广泛认可，如何实现分别控制哺乳动物大脑中的所有细胞及将光遗传学这项技术运用到临床研究中，将是未来研精度控制神经元活动。[30]其中，如何准确的向神经元传递光源是该技术的关键点之一。LED可直接作用于光传输需要位点的特点使其成为首要选择元件[31]。

　　4结语

　　LED光源在生物医疗领域的使用率在不断的提升，其在低能激光（光）疗法和光动力学疗法已经在临床医疗中获得实际的应用，在生物信号探测、生物荧光成像和光遗传研究中的应用也取得了巨大的进展。但是LED光源在生物医疗领域应用的过程中也显露出了种种问题，比如（1）随着生物医学的不断发展，生命医疗领域对LED光源的专业性的要求越来越高。然而当前诸多LED生命医疗用器械设备的研发与设计都缺少创新，只是简单的将传统光源替换为LED光源，与生命医学领域专业化的、特殊化和个性化的要求还有相当差距。如何实现LED光源波长和强度的智能化控制是未来发展的重要方向之一。（2）随着可植入设备和微型化技术的进步，复合结构更多的被引入到光电器件中，从而能够继承更多地功能，应用于更多的研究领域。这也对LED光源的尺寸、机械性质以及生物相容性等方面的性能也提出了更高的要求。这就需要相关领域的从业人员的共同协助去解决这些问题从而使LED光源的作用发挥到最大化。

　　参考文献

　　[1]HuangYY,ChenAC,HamblinMR.Lowlevellaserandlighttherapy[M]//HandbookofBiomedicalOptics.CRCPress,2016:771-814.

　　[2]DoughertyTJ,GomerCJ,HendersonBW,etal.Photodynamictherapy[J].JNCI:JournaloftheNationalCancerInstitute,1998,90(12):889-905.

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