目前LED PDT、LED皮 肤美容、LED荧光光谱检测技术等已取得了创新性 和实用性的成果。但是，LED光源应用于生物 医学领域的研究还有大量的实际工作要做，包括继 续开发光效率更好的医用大功率LED、开发专业服 务于生物医学领域的LED医疗器件、系统研究LED 作用于人体各类细胞的生理机制、研究在太空中用 LED光源对宇航员进行恢复治疗等，还需要LED生 物医学行业人士给予足够的重视。
本文首先分析了生物医学用LED光源的特点, 之后就LED光源在生物医学中应用的情况、存在的 问题进行介绍与探讨，并对LED光源应用在生物医 学中的前景进行了展望。
1生物医学用LED光源的特点
随着LED光源技术的发展，LED在发光效率、 颜色稳定性、色品等参数性能上有了很大的提高。 这为LED光源应用于生物医学领域奠定了基础。与 传统的生物医学用光源相比，LED光源具有以下特 点与优势：
1) 安全可靠。LED为非热效应固态冷光源, 不会对皮肤、眼睛、肌肉等造成热损伤，且低电压 驱动，相比高压驱动的激光光源系统，具有更高的 安全性；此外，LED光源具有使用寿命长的优势, 应用在医疗设备中可保障其具有较高的可靠性。
2) 节能环保。LED发光效率高，应用在医疗 空间需要功能性照明的场所，可以实现照明节能，
同时兼有无汞、无紫外辐射等优点。
3) 波长范围广。LED发射的光的波长已经覆 盖紫外、红外、可见光，可选波段多。
4) 光谱纯，光谱半波带宽窄，可以控制在 10nm之内，避免了杂散光的干扰，同时便于实现调 光、调色。
5) 体积小。小体积的LED给医用设备的设计 和制造提供了无限可能，同时便于携带和操作。
6) 光束窄，指向性好，可精准控光，便于靶 向治疗、精准探测。
此外，相比于生物医学用激光光源系统，LED 光源医疗器械的整体成本相对较低。
2应用分析
LED光源应用于生物医学领域的实验基础和理 论基础是由KARU T I、YOUNG S等人奠定的。 他们通过实验研究，从细胞分子水平上，提出光刺 激效应、光疗等主要与光的波长、照射剂量和照射 方式有关，而光的相干性、偏振性并不是必需的。 这就开拓了非相干、非偏振的LED光源在生物医学 领域的应用。
近年来，随着LED光源性价比的不断提高， LED光源在生物医学的应用在不断增多。LED光源 在生物医学中的应用主要包括医疗照明、光照治疗、 生物医学诊断等。
2.1 LED光源在生物医学治疗中的应用
作为新的治疗方法，光照治疗替代抗生素的研 究，已成为生物医学领域的热门课题。随着LED发 光效率的不断提升、波长范围的不断扩大、LED作 用活体细胞的生理机制研究的不断深入，LED光源 在生物医学治疗中的应用也越来越广。
2.1.1应用在皮肤医学中
不同波长的LED光可以被皮肤组织中不同的色 基所吸收。通常情况下，红光、近红外光（630nm ~830nm)波长的LED光源被用于治疗深层的皮肤 组织结构，其中660nm波长的LED光源发出的光可 以到达皮肤组织真皮的网状层，从而对真皮中的皮 肤纤维细胞发挥作用；蓝光（400nm~470nm)波 长的LED光源被用于治疗位于表皮的皮肤损伤；紫 外光（200nm~380nm)波长的LED光源能够促进 皮肤角质层形成细胞，释放内皮素等。作为非热效 应光源，LED光源被用于治疗皮肤炎症、痤疮、色 素沉着、创面愈合、疤痕预防等的研究，已取得了 诸多临床应用成果。
1) LED用于创口愈合。伤口愈合困难是临床 各科常见的并发症。小体积的LED光源可排列成阵 列应用于大面积伤口照射，成为低能量光照应用在 伤口愈合的优势。使用近红外线波长的LED光源照 射机体组织，诱导机体中分子量72-kDa的热休克 蛋白（HSP 70)的产生，以对抗身体细胞、组织与 器官体温的升高，提升细胞成活率，促进羟脯氨酸 合成，从而促进疤痕的形成和创口的愈合。
2) LED用于皮肤美容。人体中的水分子和血 红蛋白对不同波长、不同强度的光的吸收不同，从 而产生不同的生物学效应。LED光可以刺激皮肤细 胞线粒体的新陈代谢，刺激纤维原细胞的活性，从 而促进胶原细胞和弹性细胞的产生，以实现皮肤再 生、提升皮肤修复能力。此外，采用特定波长的 LED光源照射皮肤，可以杀伤皮肤表面或皮下的异 常细胞，使其失去活力并被其周围的正常细胞和组 织吸收，从而实现治疗痤疮、湿疹等皮肤病，达到 美容的效果。
3) LED用于皮肤消炎抗炎。采用蓝光LED光 源照射皮肤，具有快速抑制炎症的功效，可以高效 地破坏皮肤细菌的生成，促进皮肤细胞的新陈代谢， 在皮肤炎症期间产生消炎抗炎的功效。
此外，LED光源还被用于减轻紫外线照射后的 皮肤损伤、预防或治疗炎症后色素沉着、改善皮肤 病患者的疼痛、瘙痒等。随着LED光源技术的不断 创新，LED皮肤生物学效应机理研究的不断深入, LED在皮肤医学上的应用具有不可限量的前景。 2.1.2应用在生理节律上
David Berson发现了人眼视网膜上存在一种新 的感光细胞（ipRGC),它独立于人眼的杆状细胞和 锥状细胞，直接感受光信号，通过非视觉通路，将 接收到的信号传递到大脑的下丘脑视交叉上核 (SCN),并直接作用于松果体，从而参与调解人体 的多项生理效应，包括人体的警觉性、心率与体温 等生命体征的变化、褪黑激素的分泌等。LED光源 色温、波长、亮度等性能参数可调节的优势，为其 在调节人体生理节律中的应用提供了条件。
1) LED光源用于治疗季节性情感障碍 (SAD)。SAD是近年来报道较多的一种抑郁症，其 症状主要表现为睡眠失常、饮食失常、情绪失常等， 严重影响了患者的身心健康。Kripke等最先发现光 照能缓解SAD患者的抑郁症状，临床实验表明光照 时长、光照强度与SAD的发病率相关。LED光源亮 度可调、光线可控，可模拟出类似日光的光照，可 以依据SAD患者的个性化需求，实现缓解、治疗抑 郁症状的效果。
2) LED光源用于促进睡眠。工作时间不规律、 生活作息不规律、各种发光设备的过多使用与接触 等，已影响到人的正常生理节律，引起神经衰弱、 失眠等不良病状。睡眠与大脑松果腺分泌的褪黑素 有关，夜间褪黑素的分泌增加，人体体温、脉搏渐 降，有助于入夜安眠；清晨褪黑素的分泌减少，人 体体温、脉搏渐升，有助于人的苏醒。实验表明 LED的蓝光波段与褪黑素的分泌密切相关，可以通 过人为调节蓝光波段的LED,有效地调节褪黑素的 分泌，从而实现改善睡眠质量、治疗失眠等睡眠障 碍的效果。
此外，暖色调的LED光照使人兴奋活跃，冷色 调的LED光照使人安静，因此可以通过调节LED 光源的色温就可以实现调节心理与情绪的目的。而 且，依据LED光源波长覆盖范围广、色温亮度可调 的特点，我们可以设计开发出符合人体生理节律的 LED光源或LED阵列，以满足心理治疗时对不同波 长和强度的光照需求。
2.1.3应用在口腔医学中
1) 用于口腔医疗器械。①牙科LED光固化机， 即LED牙科光敏树脂固化机，在牙医帮病人修复牙 齿时，被用来固化光敏树脂材料的机器。LED为非 热效应冷光源，用于固化光敏树脂材料，具有固化 速度快、污染少、节能、固化产物性能优异等优点， 且其固化效果不亚于卤素灯固化机的固化效果。② 口腔LED冷光美白仪。低温冷光的LED光源，对 —般外因性变色牙（如咖啡、茶渍、烟渍沉积等）、 药物性变色牙、遗传性黄牙以及氟斑牙等进行冷光 美白，美白过程不接触牙龈，避免了操作中对牙神 经的刺激，不会对牙齿造成任何损伤。
2) 用于治疗口腔癌病变。LED红光治疗口腔 红白斑病变等口腔癌前病变，效果良好。此外，化 疗病人经常会引发急性口腔溃疡，导致吞咽困难， 用688nm波长的LED光源照射治疗病人，其口腔疼 痛得到缓解，口腔溃疡得到很好的治愈。
3) 用于治疗牙周炎。牙周炎是一种侵犯牙龈 和牙周组织的慢性炎症性疾病，会导致牙周红肿疼 痛、出血、溢脓等，最后引起掉牙。LED光源用于 治疗牙周炎，具有良好的杀菌效果，且其结构简单、 体积较小、便携性强、单色性好。
在生物医学治疗中，LED光源的其他应用还 有：①用于治疗儿童和成人脑瘤的LED光动力学疗 法（PDT),特别是LED^PDT适用于航空环境，有 望成为航天医学领域的首选。②LED发光角度小、 方向性强、波长可集中在可见光波段，可用于治疗 弱视。③蓝光LED冷光源用于治疗新生儿黄疸，疗 效好、不良反应轻。④利用LED光源的开/关可提 高加热或冷却基因样本的速度，加速DNA的复制。 此外，基于人体组织对不同波段的光的生物学效应， 合适波段的LED光源还可以用于治疗乳腺癌、乳腺 炎、光学针灸治疗、光学增发、光学理疗等，治疗 无创无痛、方便、成本低、副作用小，而且结合 LED易控、可调光等特点亦可为患者提供个性化的 优化治疗方案。
2.2 LED光源在生物医学诊断中的应用
LED光源不仅可以用于治疗疾病，还可以用于 诊断疾病，如用于诊断前列腺疾病、腰椎间盘突出 疾病、眼底疾病、胃早期癌、大肠早期癌、皮肤癌 等，并可用于初步诊断遗传性及传染性疾病 等。LED光源波长范围广、光谱纯、光束可 控，用于生物细胞活体检测与诊断，可以减少杂散 光的干扰，提高检测与诊断的准确度。另外，LED 光源体积小的特点，缩小了诊断仪器的体积，可以 实现对检测死角的检测与诊断。
1) LED用于荧光光谱检测。由于LED光源寿 命长、体积小、低压供电、光谱纯、发光效率高的 特点，作为荧光光谱检测技术的激发光源，不仅安 全稳定可靠，而且操作简单，可以实现LED荧光光 谱检测设备小型化、便携式的设计，还有利于数据 采集与分析。临床疾病诊断中，LED荧光光谱检测 技术具有无损伤性、特异性好、灵敏度高等优点， 受到了医务人员的重视。LED荧光光谱检测技术已 被用于早期诊断肉眼难以发现的微小癌变和不典型 的组织增生，用于诱导人体血液产生荧光光谱以实 现对血液的检测与分析，用于早期的室内和室外环 境的皮肤病诊断，用于诊断牙结石等。此外，LED 荧光光谱检测技术还被用于检测医用药品、检测黄 霉素、检测农药残留、现场检测海藻等，应用范围 十分广阔。
2) LED医疗内窥镜。LED光源体积小、颜色 性能好、光色可调等特点，使得LED医疗内窥镜兼 具小型化、操作简单、安全可靠等优点，且可提高 医生辨别不同组织的能力，容易到达更加狭小的部 位，如血管、淋巴等，主要用于检测与诊断消化道 疾病、肠道疾病、中下咽头早期癌、食道上皮内癌、 胃早期癌、大肠早期癌等疾病。
3) LED医用影像观片灯。医用影像观片灯是 直接获取数字影像照片诊断信息的器械，其性能的 优劣直接影响诊断的质量。LED光源具有发光效率 高、亮度色温可调、光束角度小、光谱窄、体积小 等优点，应用于医学影像观片灯，可以扩展亮度范 围，消除负效光影响，提高影像信息识读率，降低 使用者视觉疲劳，且兼具节能、维护方便、操作简 便、使用寿命长等优势。LED医用影像观片灯，还 具有可移动操作、低压供电的特点，适用于临床科 室医护人员查房时床旁阅片观片，且可供在无电源 条件下或停电时医疗机构人员应急阅片诊断，不仅 提高了数字影像照片诊断的精确度和质量，提高了 医学影像诊断的效率，还可以提升医务工作者观片 诊断时的视觉舒适度。
此外，LED光源在生物医学诊断中的其他应用 还有：①应用LED光源制成的LED视力表灯箱， 适用于眼科和视光学的临床诊断、学术科研的视力 测定等，可方便更换视标，杜绝背记视标的可能， 保证视力诊断结果的精确性。②应用LED光源制成 的LED荧光显微镜，呈现图像质量优异，兼具智能 型自动化特色，用于结核病实验室诊断结核分枝杆 菌，其诊断效果在一定程度上优于传统的Ziehl- Neelsen涂片镜检方法。③应用LED制成的LED活 体检测装置，用于诊断识别手指静脉，可以准确检 测出试图进入系统的用户的静脉特征是否为活体， 在一定程度上避免了伪造特征对后续识别系统的影 响，增加了反射式手指静脉识别系统的可靠性。此 外，LED光源还可用于制成动物活体成像系统，检 测活体中的微弱荧光等。
2.3 LED光源在生物医学照明中的应用
LED光源以其节能环保的优势，已发展成为照 明用主流光源，广泛应用在道路/隧道照明、城市景 观照明、楼宇建筑照明等。生物医学场所，包括医 疗空间、生物医学诊断室、生物医疗工作台、病患 休息室等，其照明不仅要满足治疗、诊断时医务工 作人员的生理需求，还需满足医务工作人员、病患 及其家属的心理需求，具有一定的特殊性。随着 LED光源技术的发展，及其与智能控制技术的融 合，LED光源在生物医学照明中的应用越来 越多E9—22。
1) 用于手术室照明。LED光源具有色温可调、 光线可控、体积小、性能稳定等特点，用于手术室 照明（包括手术台照明、一般性照明、指示性照明 等），突破了传统手术室照明存在的色温不可调、 手术视野不佳、视觉感受不好等局限，能够为手术 室提供更广的照明面积、更现代的视觉感受、更精 准的重点区域照明，解决医务工作人员长时间工作 时的视觉疲劳问题，提高手术的效率和精准度。 LED手术无影灯是手术室照明用的重要设备，具有 良好的色品性能，可以增加血液与人体其他组织、 脏器的色差，使得手术中医生的视觉更加清晰，更 容易区分出在流淌、渗透的血液中人体的各个组织、 脏器，便于观察处于切口和体腔中不同深度、大小 及对比度低的物体，确保手术更加安全顺利地进行， 提高手术的质量。此外，LED光源还应用在耳鼻喉 科、口腔科、脑外科等手术过程中手术医生佩戴的 头戴型手术灯（即医用头灯）。LED医用头灯具有 定向精准照明、携带方便、颜色还原性能优良等特 点，若融合互联网、大数据、智能控制等技术，除 了可以实现功能性照明外，还兼具摄像、数据传输 等的功能，可将手术过程中的影像、语音等通过高 清数字传输系统，实时传输到电子终端上，供其他 医生观摩和视频教学，还可开展远程会诊。
2) 用于病房场所照明。病房是患者在医院的 家，也是患者家属探访的场所，其照明包括一般性 照明、阅读照明、观察照明、护士站照明等，需要 满足病患、家属及护士的生理和心理需求。偏暖色 调的LED光源用于病房场所照明，可以营造出舒适 宜人的光环境，且LED光源亮度灵活可控、色温可 调，可以满足病患个性化的光环境需求，不仅可以 缓解病患生理上的疼痛，还可以减轻病患心理上的 压力，使其精神上感受到亲切和温暖，从而利于病 患情绪的稳定和身体的康复。
3) 用于医院大空间照明。 医院大空间包括医 院门厅、挂号厅、收费厅、取药厅等区域，具有进 深大、层高大、空间宽敞等特点，一般是病患进入 医院的第一场所。该空间的照明除了满足功能性照 明的要求外，还应该提供给病患及其家属舒适亲切 的光环境，使其放下压抑、恐惧、焦虑、紧张的心 情，增强战胜疾病的信心。LED光源兼有无眩光、 可控亮度、可调色温、颜色特性好等优势，可以为 医院大空间照明营造出视觉舒适的光环境，给病患 及其家属良好的光环境体验，使他们对医院建立起 亲切的、友好的第一印象，有利于病患及其家属与 医务及医护工作人员建立良好的医患关系。同时， 医院大空间照明使用LED光源，将充分实现医疗建 筑的节能，为我国节能减排综合工程贡献力量。
此外，LED光源还可以用于医用标识照明，给 病患及家属提供便捷的就医流线，确保就诊的正常 运行，和应急状态下医生、病患等的人身安全。而 作为医学治疗的辅助措施，LED媒体界面也被引入 生物医学领域，用以改造和提升医疗空间的光环境， 给病患、医务工作人员营造轻松、友好、和谐的环 境。随着绿色医疗建筑的发展和‘‘生物一心理一社 会医疗”理念的深入，LED光源在生物医学领域中 的应用将会越来越多。
3存在的问题
随着LED光源性价比的提高、LED生物医学基 础理论研究的深入，LED光源在生物医学领域中的 应用越来越多，但是仍然存在诸多待解决的问题。
1)将LED光源应用在生物医学领域中，已发 展成为半导体照明应用的细分领域。越来越多的主 营LED照明业务的企业开始涉足体外诊断器材、医 学影像成像系统、生物医学照明、智能型照护产品、 居家体检系统等，各类LED治疗仪、LED诊断仪、 LED美容仪等层出不穷，产品的质量参差不齐。但 是，现代生物医学是综合了医学影像技术、生物医 学信息、图像处理、纳米科学、生物材料等的交叉 前沿学科，随着社会一心理一生物医学模式的提出， 现代系统生物医学不断发展，对LED光源应用于生 物医学领域的专业性的要求越来越高，即准入门槛 在不断提高。当前诸多LED生物医学用器械设备在 研发与设计方面都缺少创新，与综合生物医学领域 专业化的、特殊化的要求和相关从业人员实际的需 要还有相当差距，只是简单的将LED光源替换传统 光源用于生物医学中，既没有充分发挥出LED光源 色品质佳、可控性强、可调光等的优势，又没有给 生物医学的实际应用提供更优秀的服务与技术支撑。
2) LED光疗法已发展多年，对它的基础研究 与应用研究已取得了实用性的成果，LED光疗法用 于治疗新生儿黄疸病的成功案例很多，其他临床应 用案例不一而足。我们知道，生物组织接受LED光 照射后，将吸收的光能转换为热能和化学能，从而 导致机体内部产生光致分解、光致聚合、光致氧化、 光致敏化等系列的生理反应，对于不同波段、不同 强度的光照，生物组织细胞会产生不一样的机理反 应，这为LED光疗法用于治疗不同的疾病提供了理 论基础。但是，采用什么波段、什么光谱分布、多 少光强的LED光源，通过多长时间、多大剂量的照 射，可以实现治疗病患的最佳效果并不完全清楚， 如何既能更快更好地治愈病患生理上的病痛，又能 很好地缓解病患心理上和精神上的负面情绪，这是 LED光疗法研究与应用中的关键性科学问题，真正 科学的、有效的LED光疗机制仍在摸索与探究中。 依据不同生物机体组织细胞的光生物学与光化学刺 激效应，依据不同生物机体组织的个性化、特殊化 需求，综合生物医学临床的实际要求及LED光源的 参数性能，研发与创新设计专业化、个性化的LED 光疗系统，还有很多实际工作需要我们去做。
3) LED光源是一种新型固态光源，其应用对 人眼视网膜、皮肤、生理节律等的影响及其光生物 安全性、光化学危害等已经引起了人们的广泛关注， 大家对建立与完善LED光源相关产品及应用标准的 呼声已经越来越高。与LED光源应用在生物医学领 域相关的标准有：①IEC/EN 62471《灯和灯系统的 光生物安全性》系列，规范了灯和灯系统对人眼视 网膜的热危害、蓝光危害、紫外危害，皮肤的光化 学紫外危害、热危害等的评估，并给出了相应的测 试要求，但该标准系列没有针对现场的光生物安全 测试与评估，且其适用范围未包含医用仪器，但是 医用LED设备需要参考该系列的标准要求，对设备 的光生物安全的风险等级进行评估与测试。②IEC 60601《医用电气设备》系列，规定了治疗、诊断、 监测和整容/美学使用的非激光光源设备的性能要 求、安全要求，对危险输出的防止、光辐射危害等 内容提出了限定。③GB 50034《建筑照明设计标 准》JGJ 312《医疗建筑电气设计规范》，对医疗建 筑中手术室、医疗监护室、诊断室、治疗室等场所 的照明指标进行了规范。此外，ISO 15004 -2《眼 科仪器-基本要求和试验方法第2部分：光危害防 护》划分了眼科仪器的类别，提出根据风险等级应 采取相应措施；YY 0055. 2《牙科光固化机第2部 分：发光二极管LED灯》规定了 LED光固化机具 体波长范围内的光辐射值和测试要求；YY/T 061 《医学影像照片观察装置通用技术条件》给出了医 学影像照片观察装置所用光源的性能要求与安全要 求等。其他相关的标准还有ICNIRP所发布的非相 关光源的光生物安全阈值、指导方针和声明等。但 是，随着LED光源发光强度的不断提高，蓝光波 段、紫外波段、红外波段LED光源的广泛使用， LED光作用生物机体组织的生理机理研究的不断深 入，关于LED光源辐射剂量、照射时长、辐射限值 等的要求在相关标准中需要不断更新，标准中关于 LED生物医学设备的辐射危险等级的分类系统需要 更加细化，以更好地指导和规范设备制造商、设备 使用者依据标准科学、有效、安全地使用。
LED光源在生物医学领域的应用是一个跨学科 的综合交叉应用领域，还存在其他众多问题，如如 何改变LED光源的色温与显色性，以提高医学解剖 时分辨机体组织的能力，如何融合LED光源与传统 检测诊断技术以提高诊断病理组织的准确度，LED 光源作用生物机体组织的生理机理研究成果是否适 用于太空中飞行的宇航员等等。
4结束语
随着LED光源技术的不断发展，LED光源在皮 肤美容美体、心理治疗、调节情绪、生物医学诊断 与治疗中的应用不断扩大，其在生物医学中的应用， 不仅开拓了半导体照明应用新的市场，还对生物医 学与生命科学的发展贡献了重要的力量。虽然目前 LED光源在生物医学中的应用还存在很多问题，还 有许多的实际工作待完成，但是我们相信在半导体 照明产业与生物医学领域相关从业人员的共同关注 与协同攻关下，这些问题都可以得到有效的解决， 其发展与应用前景非常广阔。
