LED阵列模拟针灸照射系统的设计

　　0 前言

　　发光二极管(lightemittingdiode，LED)是21世纪具有竞争力的新型固体光源，它是利用半导体材料中的电子和空穴相互结合并释放出能量，使得能量带(energygat)位阶改变，以发光显示其所释放出的能量[1]。LED具有体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、开关速率快等优点，被广泛应用于信号指示、数码显示、景观照明等领域。

　　随着技术的不断进步，研制成功了高亮度LED，尤其是白光LED的研制成功，使得它越来越多地用在许多特定领域，比如中医中的无痛针灸研究中。笔者利用LED阵列发光源作用于人体穴位，研究皮表温度的提升，进而测量对人体产生的影响。此套无痛针灸系统可以取消病人对传统针灸疼痛的顾虑，广泛推动中医的发展。

　　1　高亮度LED的特点

　　LED光源其实是一个P‐N结的二极管。它由管芯即发光半导体材料和导线支架组成，管芯周围由环氧树脂封装，以保护管芯，其光路结构如图1所示[2]。

　　图1　高亮度LED光路结构图

　　1.1　高亮度LED与普通LED的差异

　　LED可连续使用10万h，而白炽灯的寿命一般不超过2000h，荧光灯的寿命也不超过5000h。LED比节能灯还要节能1/4，与广泛使用的第二代照明荧光灯相比，LED不含汞、无频闪，是一种环保光源。环境使用温度在-40～80℃，环境适应性非常强。

　　与普通LED相比较，高亮度LED最显著的特点是亮度提高了近百倍。普通LED的发光强度仅十几至几十mCd，而高亮度LED的发光强度最低也可达到1500mCd。另一明显的区别是发光管颜色的产生机理不同。普通LED是通过着色封装材料来得到某一种颜色的光，也就是说封装材料起着滤色片的作用，而高亮度LED外壳都是无色透明树脂封装，其发光体本身就能发出某一波长的光，从而呈现出某种颜色。

　　1.2　高亮度LED的光通量

　　图2是LED的温度与光通量(φv)关系曲线[3]。由图2可知光通量与温度成反比，85℃时的光通量是25℃时的1/2，而-40℃时光输出是25℃时的1.8倍。温度的变化对LED的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。

　　图2　LED的温度与光通量关系曲线(IF=60mA)

　　2　LED的工作特性分析及其应用

　　2.1　发光原理

　　高亮度LED是指光效达到或超过100lm/W的LED[4]。LED外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长也是不同的。发光二极管的实质性结构是P‐N结，在半导体P‐N结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。半导体P‐N结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其他的方式合成白光。高亮度白光LED通常是在发射蓝光的InGaN基材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光。

　　2.2　工作特性

　　由于LED是直流供电器件，很容易制成直流灯具，广泛应用于直流系统，如太阳能灯具产品。高亮度白光LED应用于太阳能灯具，单个束光型高亮度LED发光管所产生的光线方向性太强，综合视觉效果较差，因此应首选平光型高亮度LED或平光型与束光型超高亮LED组合使用，将多个LED集中于一起，排列组合成一定规则的LED发光源[5]。高亮度白光LED发光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点作为最佳工作点(一般为17.5mA)。

　　2.3　LED在医学中的应用

　　根据高亮度LED的特性，使一定数量的高亮度LED长时间照射人体皮肤，将LED产生的能量汇聚到皮肤的表面，经测定皮肤表面温度会升高。研究进一步发现，皮肤表面温度的升高能影响人体组织的机理，从而在治疗某些疾病上可以起到一定的疗效。实际上，LED已经广泛用于生物医学的研究，例如一些皮肤疾病的治疗方面。

　　日本教授口亚绀发现LED灯对神经细胞有一定影响。利用LED照射神经细胞，可促进神经细胞的生长与串联方向，可望进行动物实验，希望突破脊髓损伤治疗的瓶颈[6]。

　　本系统利用高亮度LED的特性，使得高亮度LED按照一定规则组成阵列，在阵列前放置一个透镜陈列，将光汇集成点光源，使得此光源照射人体穴位或皮肤，制成一个类似中医针灸的仪器，更方便地对某些疾病进行治疗。

　　3　LED照射光源的光路设计

　　作为照射人体组织器官的LED光源必须使照射光汇聚到一点，从而使能量全部集中起来。当辐射照度为一常数时，便可通过调节照射时间准确控制样品接受的照射剂量。因此，本光源系统的输出光都尽可能是平行光，通过透镜阵列聚焦来提高LED输出光的辐射照度，其光路模型如图3所示。

　　图3　LED阵列照射光路模型

　　对于透镜来说，LED从严格意义上讲不是点光源，发的光也有一定的谱宽，但本文从实际应用出发，采用合理近似，将LED看成是类点光源，在光度导轨上通过LED对不同曲率的透镜在光屏上所成的最小像的像距，利用高斯公式反求得选定的LED中阵列透镜和图中透镜L1的经验焦距，而透镜L2则采用已知焦距的透镜，从而使输出光汇聚后，增强了光源的辐射照度。

　　使用时，将LED光源阵列与透镜组结合后，再用外侧包紧光亮锡箔的玻璃筒与之固定，前端是一个直径约为5mm的小孔径，使光源汇聚成点，直接照射人体穴位或皮肤。

　　4　结语

　　用高亮度LED阵列照射人体皮肤或者组织，使其产生的能量汇聚成点，模拟中医的针灸技术，减少传统针灸的疼痛恐惧感。LED阵列模拟针灸照射笔的研究，给无痛针灸技术提供了重要的参考价值。

编辑：Cedar