大功率LED紅藍光裝置設計及其在動物學中應用

楊景發(fā) 申文增 牛 培 趙 通 李 乾

(1河北大學物理科學與技術(shù)學院，河北保定 071002，2河北大學醫(yī)學部，河北保定 071000)

1 引言

顏色能影響人的情緒、精神和身心健康，傳統(tǒng)的“色光”由白光分光、濾光、激光器等方式產(chǎn)生，存在光斑小、不可調(diào)制、結(jié)構(gòu)復雜等缺陷，制約其廣泛應用和療效。而LED以其多色、窄帶、直流供電、冷光、體積小、壽命長、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，正在成為在生物醫(yī)學領(lǐng)域具有廣闊應用前景的人工光源。“色光”在生物醫(yī)學包括動物模型、臨床醫(yī)學實驗、醫(yī)用照明、醫(yī)學治療和診斷等方面的研究和應用正方興未艾。但目前市場上的裝置存在工作模式單一、光強和光譜被預置固化等缺點，無法滿足人們的需求，多功能大功率LED發(fā)生裝置的設計成為科學工作者競相研究的熱點。

2 設計部分

2.1 設計原理

2.1.1 LED發(fā)光原理

LED發(fā)光是一個電光轉(zhuǎn)換過程。利用固體半導體芯片作為發(fā)光材料，在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子 (少子)一部分與多數(shù)載流子 (多子)復合復合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。

2.1.2 紅光的光化學作用

紅光照射肌體，細胞中的線粒體將其大部分吸收，并使線粒體的過氧化酶、超氧化物歧化酶等多種酶的活性增強，進而可以加速細胞的新陳代謝，提高肌體免疫力;

紅光照射可加速紅細胞內(nèi)SOD的合成，減少自由基及其對細胞的破壞，促進細胞的產(chǎn)生，增加血液攜氧能力，提高機體耐力及抗疲勞能力，增強皮下膠質(zhì)和膠原蛋白與纖維的有機組合;

紅光照射可使糖元含量增加，蛋白質(zhì)合成、三磷酸腺苷分解加快，使纖維細胞數(shù)目增加，增加膠原的形成，從而促進細胞合成、肉芽組織生長，加速創(chuàng)傷愈合;紅光能夠增加白血球的吞噬作用，可以使炎癥部位的五羥色胺含量降低，而起到消炎鎮(zhèn)痛作用。紅光還可引起血液白細胞總數(shù)和嗜酸性粒細胞減少，改善生長代謝，促進卵巢黃體形成;

紅色刺激交感神經(jīng)系統(tǒng)，代表增加興奮和緊張。

2.1.3 藍光的光化學作用

藍光照射肌體，可以相對提高副交感神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性，拮抗交感神經(jīng)，達到緩解和治療相關(guān)疾病的目的。研究發(fā)現(xiàn)藍光對機體具有多種作用，它能增加ipRGCs細胞的光吸收能量，抑制褪黑素的分泌，緩解疲勞;興奮副交感神經(jīng)，降低血壓;照射孕鼠，提高子代行為學能力;明顯改善免疫功能及緩解免疫應激反應;還可以殺菌、治療皮膚痤瘡、治療新生兒黃疸等等。

藍色刺激副交感神經(jīng)系統(tǒng)，代表放松、減輕焦慮、減輕敵意。

2.2 大功率LED紅藍光裝置的設計

大功率LED紅藍光裝置主要包括LED燈具、LED驅(qū)動器、控制模塊和電源與時控模塊四部分。其結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 大功率LED紅藍光裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Principle block diagram of the high－power LED red and blue light device

2.2.1 單顆LED燈珠的選定

利用PMS－50光譜分析系統(tǒng)、LED626分布光度計、LED專用積分球等儀器測試LED燈珠的主要光色電性能參數(shù)，見表1。特別關(guān)注LED的發(fā)光強度及其空間分布、半寬度參數(shù)，為燈具設計中LED的選取提供指導。

表1 LED發(fā)光管的主要光色電參數(shù)Table 1 Main light－color－electricity parameter of LED light tube

2.2.2 LED燈具的設計

LED燈具的結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個LED燈珠安裝透鏡⑤，前方是燈蓋⑥。LED燈珠④焊接在直徑為4.5cm圓形鋁基PCB板③上，再將其固定在具有側(cè)齒的高散熱能力的鋁質(zhì)燈罩②上，最后將其安裝在萬向旋轉(zhuǎn)臂①上，實現(xiàn)多角度照射。

圖2 單色LED燈具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of the monochromatic LED lamps

2.2.3 大功率LED驅(qū)動電路設計

采用降壓型電感電流連續(xù)模式驅(qū)動芯片PT4115設計LED驅(qū)動電路，考慮輸出功率，依據(jù)設計手冊，確定PT4115外圍器件參數(shù)，其電路原理圖見圖3。通過 DIM引腳可以實現(xiàn)模擬調(diào)光和 PWM調(diào)光。

圖3 PT4115驅(qū)動電路圖Fig.3 The principle of PT4115 drive circuit

2.3 光強調(diào)節(jié)電路設計

在DIM管腳外加直流電壓方式實現(xiàn)模擬調(diào)光(圖4)，電流調(diào)節(jié)范圍0－0.1/Rs。輸入低于0.2V電壓，關(guān)閉輸出。若設計要求:Imax=350mA，電源為5V，則電位器R2、電阻R1、R3的阻值分別為22kΩ、27kΩ 和 8.2kΩ，調(diào) 光 范 圍 為 0.56V－2.55V，對應輸出電流調(diào)整范圍從25%到100%。

圖4 LED光強調(diào)節(jié)電路Fig.4 The circuit of adjusting luminous intensity

2.4 閃爍給光模式電路的設計

由NE555定時器組成的方波信號發(fā)生器電路(圖5)產(chǎn)生基頻方波，分成兩路輸出，并由TIP127控制，施加于LED驅(qū)動模塊的接地輸入端，通過調(diào)整電位器R3，改變TH和TL時間，實現(xiàn)紅、藍光的閃爍給光模式。

圖5 閃爍控制電路Fig.5 The circuit of controlling

2.5 控制電路的設計

“大功率LED紅藍光裝置”的控制器由時間控制、光質(zhì)選擇、光強調(diào)整和工作方式 (閃頻、連續(xù))設定等單元模塊組成。控制電路總圖見圖6

圖6 控制電路總圖Fig.6 The circuit of total controlling

2.6 整機設計和制作

在制作過程中遵循科學布局，結(jié)構(gòu)嚴謹，整體優(yōu)化，務實簡潔的思想，在制作初期設計好樣機模型，然后經(jīng)過多次論證，確定最終的設計結(jié)構(gòu) (如圖7)。

圖7 大功率LED紅藍光裝置樣機Fig.7 The prototype of high power LED red and blue device

3 紅藍光發(fā)生裝置的應用效果試驗

3.1 實驗材料與儀器

3.1.1 實驗動物

健康雌性SD大白鼠60只，體重240－280克;昆明種小鼠70只，體重22—25g，雌雄各半。由河北大學醫(yī)學部動物室提供，飼料由北京科奧協(xié)力飼料有限公司提供。

3.1.2 實驗藥品

氨基甲酸乙酯、鹽酸利多卡因注射液、硫酸慶大霉素、75%酒精、碘伏、生理鹽水、甲醛溶液、鹽酸腎上腺素注射液、甲磺酸酚妥拉明注射液、硝酸甘油注射液、呋塞米注射液、重酒石酸去甲腎上腺素注射液、肝素鈉注射液 (均有批號和生產(chǎn)廠家)。

3.1.3 實驗儀器與器械

BL－410生物機能系統(tǒng)，電動離心機、LED多源光子試驗儀，電子秤，嬰兒秤，天平、大鼠解剖手術(shù)臺、常用手術(shù)器械一套、一次性注射器 (1ml、5ml、20ml)、紗布、繃帶、醫(yī)用膠布、采血針 (山東省威武縣醫(yī)用制藥廠)、采血管 (10050江蘇健康醫(yī)療用品有限公司)，一次性輸液器，輸液針頭，手術(shù)器械1套，紗布，繃帶，膠布等。由河北大學醫(yī)學部機能實驗室提供。

3.2 紅、藍LED光源對肝損傷大鼠模型肝臟再生的影響

選擇健康雌性SD大白鼠40只，體重240－280克。隨機分為4組，每組10只，A為正常對照組，B為肝損傷模型組，C為肝損傷模型紅光LED20min治療組，D為LED為肝損傷模型藍光20min治療組。

將B、C、D組大鼠復制成大鼠肝臟損傷模型。A組不做任何處理，B組為模型對照組不做光照處理，C組大鼠進行20min的紅光LED照射，D組大鼠進行20min的藍光LED照射治療。每日兩次，連續(xù)4周。

照射4周后，腹主動脈取血約4ml，4000r/min離心四分鐘，取血清檢測肝功能及血常規(guī)。取出肝臟稱重，計算肝指數(shù)。取出脾臟稱重，測量脾指數(shù)。

表2 紅藍光對大白鼠肝功能影響Table 2 The effect of red and blue on rat liver function

由實驗結(jié)果可知，紅藍光對肝功能有一定保護作用，主要表現(xiàn)在ALT，紅藍光照射組均明顯降低，且紅光照射組優(yōu)于藍光照射組。

表3 紅藍光對大白鼠肝臟重量影響Table 3 The effect of red and blue on rat liver weight

實驗結(jié)果可知:三個實驗組的新生肝臟明顯大于正常組的相應肝葉重量，證明我們的大鼠結(jié)扎肝葉致肝再生模型復制成功。

紅光、藍光治療組的殘存肝臟明顯小于模型組，證明被結(jié)扎的肝臟在四周之內(nèi)吸收較為完全，這與紅光具有加速細胞的新陳代謝，消炎、鎮(zhèn)痛，提高機體免疫力作用有關(guān);與藍光具有明顯改善免疫功能及緩解免疫應激反應，殺菌、消炎的作用有關(guān)。模型組殘肝重量明顯大于光照組，證明缺血萎縮的肝臟還沒有被機體吸收完全。

3.3 紅、藍LED光源對小鼠游泳耐力的影響

昆明種小鼠30只，雌雄各半，隨機分為3組，A組為正常對照組，B組為紅光LED20分鐘照射組，C組為藍光LED20分鐘照射組。每天照射一次，連續(xù)兩周。照射期間，小白鼠自由飲食飲水，注意觀察小白鼠的一般活動情況。

照射治療結(jié)束，將各組小白鼠分別置于水溫為25℃，容積為50cm*30cm*25cm的恒溫水浴箱內(nèi)，當小鼠頭部第一次沒入水中，即刻撈出，記錄各組小鼠的游泳時間。

表4 紅藍光對小鼠游泳耐力的影響Table 4 The effect of the swimming endurance of mice

統(tǒng)計處理結(jié)果顯示:紅、藍光照射組小鼠的游泳時間明顯延長，均優(yōu)于正常對照組小鼠;且藍光照射組小鼠游泳時間明顯優(yōu)于紅光照射組小鼠。紅光照射組小鼠在游泳過程中運動幅度較大，不動時間較藍光照射組短。

以上行為學的改變可能與下列因素有關(guān):

分析認為:一、長時間的光照刺激可能使小鼠骨骼肌纖維增粗增大，肌肉中毛細血管數(shù)量增多，管腔增大，血液供氧能力增強。二、紅光具有加速紅細胞內(nèi)SOD的合成，減少自由基及其對細胞的破壞，促進細胞的產(chǎn)生，增加血液攜氧能力，提高機體耐力及抗疲勞能力。較長時間的藍光照射使機體處于心率減慢，皮膚和內(nèi)臟血管舒張的狀態(tài)，機體儲備能量較為充足。三、紅光可使交感神經(jīng)系統(tǒng)興奮，心跳加快，皮膚及內(nèi)臟血管收縮，冠狀動脈擴張，血壓上升，腦部血供增加。當機體處于緊張活動狀態(tài) (由日常生活的飼養(yǎng)籠環(huán)境，突然進入水中)時，交感神經(jīng)發(fā)揮了非常重要的指揮 (調(diào)節(jié))功能，合理調(diào)整自身的各種機能，使其能夠很快適應新的環(huán)境。藍光能夠興奮迷走神經(jīng)，保持機體在安靜狀態(tài)下的生理平衡，這可能是小鼠進入游泳環(huán)境后“處亂不驚”的主要原因，使其在泳池中不動時間較長，很好的保存體力，緩解疲勞，延長了游泳時間。

4 結(jié)束語

“大功率LED紅藍光裝置”，具有光強可調(diào)、光譜 (R、B、R+B)可選擇、工作方式 (連續(xù)、閃爍、交替)可設定、定時報警等功能，操作簡單、節(jié)能環(huán)保;本裝置在動物學應用試驗表明:治療組的新生肝臟明顯大于正常組的相應肝葉重量;殘存肝臟明顯小于模型組。紅、藍光照射組小鼠的游泳時間明顯延長，均優(yōu)于正常對照組小鼠;且藍光照射組小鼠游泳時間明顯優(yōu)于紅光照射組小鼠。紅光照射組小鼠在游泳過程中運動幅度較大，不動時間較藍光照射組短。

本裝置在動物疾病模型復制、實驗、治療乃至LED系列試驗、光療儀器開發(fā)等方面具有廣闊應用前景。

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