多光譜治療設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

張雪飛

（河北奧特維力醫(yī)療器械有限公司，河北石家莊 050000）

1 光治療的歷史背景

人類誕生于地球，離不開陽(yáng)光、空氣和水。使用光治療人體疾病在世界各地都有悠久的歷史，丹麥醫(yī)生Niels Finsen 將紫外線應(yīng)用到醫(yī)學(xué)上，開創(chuàng)了光治療方法，用來(lái)治療由結(jié)核菌引起的皮膚病——真性狼瘡，而獲得1903年諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)；美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都十分注重生物學(xué)研究，美國(guó)麻省理工學(xué)院神經(jīng)與內(nèi)分泌實(shí)驗(yàn)室研究了中波紫外線（UVB）對(duì)人體照射的實(shí)驗(yàn)研究。近年來(lái)，光治療方法在醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療實(shí)踐中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

2 多光譜光治療的作用機(jī)理

多波段光譜治療儀采用LED 半導(dǎo)體（紫外光、紅光、紅外光）組合光譜直接照射皮膚，使人體皮下的7-脫氫膽固醇轉(zhuǎn)化成維生素D3，通過肝、腎的代謝轉(zhuǎn)化成活性維生素D3[1.25（OH）2D3]，這種活性維生素D3可誘導(dǎo)鈣結(jié)合蛋白的生成，在小腸中促進(jìn)鈣的吸收，調(diào)節(jié)鈣磷代謝，使鈣鹽沉著于骨內(nèi)，紅光和紅外光可改善血液循環(huán)，提高組織的新陳代謝，增加酶的活性，加速酶促反應(yīng)，具有消炎消腫、治療腰背疼痛或周身骨骼疼痛作用。

3 多光譜治療設(shè)備的設(shè)計(jì)

結(jié)合醫(yī)療機(jī)構(gòu)的使用環(huán)境、功能以及實(shí)用性、快捷性，多光譜治療設(shè)備主要由多窄波LED 燈頭、主機(jī)、小推車及支架和電控系統(tǒng)組成。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 燈頭設(shè)計(jì)

多波段LED 燈頭的設(shè)計(jì)采用雙翼可折疊方式，以適應(yīng)身體不同部位的曲線，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。根據(jù)治療部位的不同調(diào)整燈頭左、右單元角度，方便用于病患的四肢和腹背部治療，可以提高治療效果。將燈頭的連接線隱藏在旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)，整體更加整齊美觀。

3.1.2 主機(jī)設(shè)計(jì)

主機(jī)包括主機(jī)外殼、顯示屏、核心控制模塊及核心控制模塊電性連接的控制按鍵，以及為顯示屏、控制按鍵和核心控制模塊提供電源的電源模塊等組成。所有控制部分均設(shè)在主機(jī)殼內(nèi)，便于操作、控制。

3.1.3 小推車設(shè)計(jì)

用于放置主機(jī)和支持燈頭，輕便可移動(dòng)。小推車設(shè)計(jì)分為安裝臺(tái)、儲(chǔ)物空間及電源箱三部分功能，另配有扶手、具有萬(wàn)向多關(guān)節(jié)活動(dòng)結(jié)構(gòu)的腳輪等配套件；提供連接主機(jī)與燈頭的連接的支架裝置，并具有伸展支撐結(jié)構(gòu)，方便使用者多方位多角度調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)要符合GB9706.1的電氣安全性能要求。

（2）電源設(shè)計(jì)為恒流輸出電源，對(duì)紅光LED、紅外LED 及紫外LED 進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)。

（3）顯示系統(tǒng)可根據(jù)病患病情的不同自由選擇不同的模式，進(jìn)而調(diào)節(jié)LED 的工作狀態(tài)。

（4）通過按鍵選擇各波段治療時(shí)間，啟動(dòng)設(shè)備運(yùn)行，通過單片機(jī)調(diào)節(jié)紅光、紅外和紫外三路恒流驅(qū)動(dòng)電路的工作時(shí)間及調(diào)節(jié)電源的輸出電流。

（5）電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)于治療過程中的錯(cuò)誤、治療完成后進(jìn)行報(bào)警提示。

（6）采用PWM 調(diào)光技術(shù)，自動(dòng)調(diào)整光源的照度值，以滿足不同使用者的要求。

電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路框圖如圖1所示。

圖1 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路

3.3 光源設(shè)計(jì)

選擇對(duì)人體有益波段的紅光、紅外及紫外三種組合光譜進(jìn)行照射設(shè)計(jì)，紅外光、紅光、紫外光的組合光譜能改善組織的新陳代謝和骨組織的營(yíng)養(yǎng)，提高骨密度和骨質(zhì)量，改善血液循環(huán)、促進(jìn)組織細(xì)胞代謝營(yíng)養(yǎng)。

LED 在排布設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮LED 光源之間的相互作用，重點(diǎn)研究紫外LED 功能性、功率、波段、布局、出光面、出光距離等要求，并配以一定的比例與強(qiáng)度，提高紫外LED 的照射效果。

為了適用于不同的使用人群，采取多種光譜模式設(shè)計(jì)，紅外＋紅光＋紫外任意組合。模式分別 為：①UVB+RED+IR（紫 外+紅 光+紅 外）②UVB+RED（紫外+紅光）；③RED+IR（紅光+紅外）；④UVB+IR（紫外+紅外）；⑤UVB 紫外；⑥RED 紅光；⑦IR 紅外。

4 多光譜設(shè)備應(yīng)用研究

4.1 多光譜照射在骨折愈合的研究

本研究采用LED 多光譜治療儀發(fā)出的紅光、紅外及紫外照射股骨骨折模型大鼠，檢測(cè)其對(duì)大鼠股骨骨折愈合的影響。骨折是指骨的完整性和連續(xù)性喪失，由外界暴力、應(yīng)力性損傷等多種原因?qū)е拢蕴弁?、腫脹、異?；顒?dòng)為主要臨床表現(xiàn)，是創(chuàng)傷骨科常見的疾病。骨折愈合過程是骨組織再生修復(fù)重建的高度復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，堅(jiān)強(qiáng)固定后可自我愈合，愈合時(shí)間較長(zhǎng)，且有5%～10%的骨折出現(xiàn)延遲愈合甚至不愈合。骨折愈合時(shí)間長(zhǎng)、并發(fā)癥多，為縮短骨折愈合時(shí)間，減少并發(fā)癥，電磁場(chǎng)、低強(qiáng)度超聲等諸多物理療法因其簡(jiǎn)便有效已被應(yīng)用于臨床。隨著物理醫(yī)學(xué)的發(fā)展，光生物調(diào)節(jié)療法作為一種非入侵無(wú)創(chuàng)治療方法，已被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)損傷、傷口愈合及骨關(guān)節(jié)炎治療等領(lǐng)域。

光生物調(diào)節(jié)治療手段最早可追溯至1967年。從1980年開始，激光療法在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。至目前光生物調(diào)節(jié)的光源類型包括低水平激光及發(fā)光二極管光源，或者二者結(jié)合使用。許多研究證實(shí)光生物可調(diào)節(jié)損傷后的炎癥反應(yīng)、加速軟硬組織愈合的能力以及刺激心血管生成。目前，對(duì)于光生物調(diào)節(jié)的研究仍集中于激光的調(diào)控作用，對(duì)于非相干光源LED 的研究較少，且主要集中于治療皮膚及軟組織疾病中。為探討LED 多光譜是否促進(jìn)大鼠股骨骨折愈合，本研究選擇雄性大鼠作為研究對(duì)象，采用開放截骨方式建立大鼠骨折模型，使用LED 多光譜治療儀對(duì)模型大鼠進(jìn)行治療。X 光結(jié)果顯示，兩組大鼠在治療2周時(shí)即表現(xiàn)出了差異性，LEDT 組的骨痂量明顯多于模型對(duì)照組。在治療8周時(shí)，LEDT 組大鼠術(shù)側(cè)股骨基本恢復(fù)原始形態(tài)，模型對(duì)照組仍然可見骨折線，其愈合速度及質(zhì)量明顯較差。

4.2 多光譜照射用于骨質(zhì)疏松治療

骨質(zhì)疏松是威脅中老年健康的常見病和多發(fā)病，隨著我國(guó)人口老齡化現(xiàn)象的日益加重，原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥比例也隨之呈直線上升趨勢(shì)。骨質(zhì)疏松癥是一種全身性的代謝性骨骼疾病，其特征是骨量減少和（或）骨組織微結(jié)構(gòu)破壞，因此導(dǎo)致骨強(qiáng)度下降，骨脆性增加，易發(fā)生骨折的全身性疾病。骨質(zhì)疏松及其引起的骨折已成為威脅中老年健康的主要疾病之一，因此有效防治骨質(zhì)疏松癥已經(jīng)成為改善老年生活質(zhì)量的重要措施。

本次研究的多光譜治療儀，采用LED 半導(dǎo)體光源UVB 窄譜中波紫外線、紅光、紅外線組合應(yīng)用，模擬太陽(yáng)光譜照射人體，光源點(diǎn)狀呈矩陣式排列。人體所需的維生素D 約有80%∽90%靠自身合成，對(duì)于大多數(shù)來(lái)說，維生素D 主要來(lái)自陽(yáng)光對(duì)皮膚的照射，維生素D 的產(chǎn)生與日照中紫外線的照射密不可分。多光譜照射所用的窄譜紫外線具有較強(qiáng)的促進(jìn)維生素D 生成的作用，可使皮下膽固醇（7-脫氫膽固醇）轉(zhuǎn)化成維生素D3；經(jīng)過肝臟、腎臟羥化為1，25-（OH）2D3，1，25-（OH）2D3經(jīng)過腸，引起一種蛋白酶性的Ca 轉(zhuǎn)移因子，Ca 被小腸吸收入血，在1，25-（OH）2D3作用下在骨中沉積。促進(jìn)鈣磷的吸收，調(diào)節(jié)鈣磷代謝，使鈣沉于骨內(nèi)。LED 窄譜紅光主要生物學(xué)作用以光化學(xué)效應(yīng)為主，可被細(xì)胞器線粒體強(qiáng)烈吸收而導(dǎo)入人體，促進(jìn)過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等多種酶的活性得到激發(fā)，有助消除患者體內(nèi)自由基，避免脂質(zhì)過氧化對(duì)組織細(xì)胞的損傷，減緩細(xì)胞衰老過程。

多光譜的綜合應(yīng)用照射，通過光的生物能量和生物信息對(duì)人體組織細(xì)胞產(chǎn)生調(diào)控作用，引起細(xì)胞功能的改變，可增強(qiáng)機(jī)體免疫防御系統(tǒng)功能，調(diào)節(jié)人體內(nèi)分泌激素的分泌和平衡，局部直接作用可達(dá)皮膚各層。通過干擾和掩蓋效應(yīng)阻止疼痛信號(hào)的傳遞過程，通過中樞系統(tǒng)的負(fù)誘導(dǎo)效應(yīng)起到鎮(zhèn)痛效果，同時(shí)可促進(jìn)體液中嗎啡樣鎮(zhèn)痛介質(zhì)腦腓肽釋放和增加，改善組織血液循環(huán)產(chǎn)生較為持久的鎮(zhèn)痛效果，并具有消炎消腫、促進(jìn)組織細(xì)胞代謝營(yíng)養(yǎng)的作用。試驗(yàn)證實(shí)，多光譜照射對(duì)原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥及引起的腰背疼痛或周身骨骼疼痛具有明顯的鎮(zhèn)痛效果，僅30天療程治療時(shí)間，鎮(zhèn)痛有效率達(dá)80%。

目前，日光照射不足仍是世界各地維生素D 缺乏的主要原因，維生素D 缺乏在全球仍較為普遍。應(yīng)用多光譜組合照射，能更好地滿足臨床實(shí)際使用需要，為原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的預(yù)防和治療提供一種非藥物的物理治療技術(shù)，具有良好的應(yīng)用前景，值得推廣。

4.3 多光譜用于二型糖尿病治療的研究

糖尿病是一種由于胰島素分泌或（和）作用缺陷而引起的、以長(zhǎng)期高血糖為特征的代謝性疾病。由于這些缺陷改變了機(jī)體細(xì)胞對(duì)葡萄糖、氨基酸、脂肪酸的攝取和利用能力，高血糖及高胰島素水平造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝紊亂，引起微血管和大血管病變，導(dǎo)致心血管、腎臟、視網(wǎng)膜、神經(jīng)等全身多個(gè)系統(tǒng)的并發(fā)癥發(fā)生。并發(fā)癥的發(fā)生與很多因素相關(guān)，包括遺傳、年齡、性別、血糖控制水平、糖尿病病程以及其他心血管危險(xiǎn)因素等。常見并發(fā)癥有高血壓、腦血管病、心血管病、下肢血管病等。

本試驗(yàn)的目的是以維生素D 缺乏的2型糖尿糖病初診或經(jīng)治血糖控制未達(dá)標(biāo)的患者為對(duì)象，在研究期內(nèi)保持原有基礎(chǔ)治療和治療藥物不變的基礎(chǔ)上，觀察多波段光譜經(jīng)皮照射對(duì)患者血糖控制的影響，12周后觀察糖化血紅蛋白（HbA1c）、空腹血糖（FPG）、25羥維生素D1，25-（OH）2D3相對(duì)于基線的變化，有無(wú)不良反應(yīng)和不良事件的發(fā)生，以評(píng)價(jià)多波段光譜治療儀對(duì)維生素D 缺乏的2型糖尿病患者血糖控制的安全性和有效性。

紫外光照射對(duì)糖代謝的影響遠(yuǎn)在二十世紀(jì)二、三十年代就進(jìn)行過不少的臨床觀察和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，近年來(lái)仍有報(bào)導(dǎo)。總的來(lái)看，紫外線照射可使相當(dāng)一部分的健康人和糖尿病患者的血糖降低，糖耐性增強(qiáng)，糖元在各器官的蓄積增加，血糖氧化加強(qiáng)。糖尿病患者酸中毒時(shí)，紫外線照射可使尿中酮體有所減少。據(jù)觀察紅斑反應(yīng)的強(qiáng)弱與降糖作用大小并不呈平行關(guān)系。有人用小劑量紫外線全身照射或紅斑量紫外線局部照射均可引起血糖下降。另有人報(bào)告：紫外線照射的近期效果因劑量不同而有差別，但最終結(jié)果都觀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。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明：1/10紅斑量紫外線照射也可有降血糖作用。此外還有人觀察到：小劑量紫外線照射可使血糖下降，而大劑量照射可使血糖上升。

研究顯示，截至2008年全球已有10億人存在維生素D 缺乏或不足。流行病學(xué)研究數(shù)據(jù)顯示，缺乏維生素D 與糖尿病的發(fā)生直接相關(guān)。在疾病動(dòng)物模型中的研究結(jié)果也表明，缺乏維生素D 會(huì)引發(fā)糖尿??；反之，補(bǔ)充維生素D 有助于預(yù)防糖尿病的發(fā)生。并對(duì)2型糖尿病患者改善胰島素抵抗（IR）、胰島素β細(xì)胞功能恢復(fù)和血糖控制有一定作用。維生素D 通過抑制炎癥反應(yīng)、抑制自身免疫反應(yīng)、促進(jìn)胰島素合成分泌、增加胰島素敏感性及維生素D 相關(guān)基因多態(tài)性等多種作用機(jī)制對(duì)糖尿病的發(fā)病及血糖的控制發(fā)揮著重要作用。

目前在物理治療中利用紫外線、可見光、紅外光、太陽(yáng)燈治療技術(shù)和方法已在臨床廣泛得到應(yīng)用，且UVB 紫外線具有促進(jìn)維生素D 生成的作用，從理論和臨床應(yīng)用已經(jīng)得到了認(rèn)可，屬于成熟臨床技術(shù)方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)反復(fù)論證，組合應(yīng)用窄譜波長(zhǎng)的LED 光，直接作用可達(dá)皮膚各層及皮下，具有消炎消腫、鎮(zhèn)痛解痙、促進(jìn)組織細(xì)胞新陳代謝，改善血液循環(huán)和血脂代謝，促進(jìn)維生素D3生成和鈣磷的吸收，提高患者生活質(zhì)量的作用。多波段光譜治療儀光譜中的窄譜中波紫外線（UVB）具有較強(qiáng)的促進(jìn)維生素D 生成的作用，在光的適宜溫度和化學(xué)效應(yīng)下提高了酶的活性，加速酶促反應(yīng)，加快了維生素D3的生成和轉(zhuǎn)化。另外，該項(xiàng)目預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步證實(shí)：對(duì)維生素D 缺乏的2型糖尿病血糖的控制和并發(fā)癥的治療有顯著的治療作用。