1、LED-医疗领域未来之光,上海市光电子行业协会2012.4.12,一. 当前医用照明现状,1. 我国医疗照明产业概况 我国一目前用于医疗领域(窥测类和光疗类)的照明产品(办公和病房类功能性照明除外)及生产产业,总体看,技术水平整体较低,品牌效应不高,大多数医院用的医用照明产品购自国外,如德国马丁、创乎等品牌,市场几乎被国外公司垄断。虽然医用照明产品数量不及常用照明,但因价格昂贵,市值较高,值得关注。 在我国,医用照明产业,归在医疗器械产业,据2008年统计约有7300多家企业从事医疗器械生产,但能生产医用照明产品的仅不到3%,仅数十家,但大多仅生产观片灯之类低端传统光源产品。直到近年才有LED
2、光源的医用照明产品,并被应用。,随着社会进入低碳经济发展阶段,对医疗健康、医疗康复、绿色环保和节能的重视,从2007年起我国LED医疗照明开始起步,但由于对产品入门门槛高,技术风险大,大多医疗器械企业对LED性能、使用技术还不太了解,加上用于医疗的照明产品的研制涉及医疗机理、光、机、电、热等复合技术的运用,只有少部份大企业与医疗机构合作才能问津,因此进展不太理想,与需求不相适应。 从另一方面看,国内有近3000多家LED企业,其中不少企业在LED景观照明,功能性照明产品方面有较强的研制、开发和生产能力,但因不归属医疗器械类企业,缺乏入门途径,参与不了这一领域,仅在医疗信息、导医、专家介绍等用的
3、LED显示屏方面介入！,2.我国医用照明市场规模、产业特殊性筒述 据卫生部卫生事业发展统计公报,2008年我国有27.8万家医疗卫生机构,医院2万余家,卫生院6万余家,街道、社区诊所17余万家,这些单位目前均在使用传统光源的医用和一般功能性照明装置,市场规模不小,仅从节能耍求来考虑,值得用LED升级换代。 但必须知道：医疗照明属于医用器械,有严格的法规耍求,在技术、安规方面要求极严,与普通功能性照明相比,技术风险耍大许多！ 为此,对生产企业的准入、许可审核应当更严格,但应不排斥非医疗器械企业,如LED照明企业进入这一领域！,3. 当前LED光源的应用正在向医用领域廷伸 LED照明目前正在从景规
4、照明到功能性照明,从户外照明向户内照明,从一般照明到特殊照明廷伸,这是技术进步、社会进步的必然！ LED的特点更适合医疗照明对光源耍求,即：定点、定向、高亮度、光谱纯、冷光、色温可调、显色性高和可调可控、高可靠、长寿命的耍求,它是取代目前卤素灯、汞灯、氙灯的最佳半导体固体光源！ 2010年起,国产LED手术无影灯己在部分三甲医院应用,并己向日本、澳大利亚、菲利宾等国家出口。,二. LED-21世纪绿色之光,1. LED-目前人工光源中光效最高,无有害辐射和有害物的健康、绿色之光！ LED的优越性表现在以下几大优势： (1). 节能 自一百多年前爱迪生发明电光源-白炽灯以来,人们一直在为提高光效
5、而努力攻关，到目方前为止,LED以外的人工光源中电-光转换能效最高的是低压钠灯(LPS),约为140lm/w,而2011年,美国Cree公司的功率LED光效达203lm/w,2012年己达245lm/w,因而是最节能的人工光源。用LED光源“替代”白炽灯、荧光灯、纳灯(HID)、卤素灯、汞蒸气灯、氙灯等可平均节能30-80。权威机构测算,若我国的所有建筑内、外照明均用LED取代,其节省的电能等于一个半三峡水电站的发电量！,(2). 环保 LED光源为半导体固体光源(SSL),是电致发光,不是热发光，是冷光,光源中不含有毒、有害物,而传统人工光源如：荧光灯、纳灯(HID)、汞蒸气灯、氙气灯等均含
6、有：汞、钠等有害物,其废弃物对环境会造成污染,一支节能(荧光)灯中含有5-10mg汞,一旦破碎,会对水、土地造成严重污染,1mg汞可污染5吨水使其超标而不能饮用,其废弃物回收处理成本也极高。而LED光源则不存在对环境造成污染等问题。,(3). LED光源-光谱纯,无有害光谱之光 LED辐射出的光,光谱纯,半波宽仅20nm-30nm,无论红(R)、蓝(B)、黄(Y)、绿(G)色单色光中均不含紫外光(UV)和红外光(IR),(UVLED和IRLED除外),即使是多色混合光,如白光(w)或其他宽光谱光色,光谱中也不含UV和IR等对人眼、皮肤会造成危害的光辐射。而其他人工光源如白炽灯、卤素灯的光谱中含
7、45%-70%的IR光,荧光灯,纳灯的光谱中均含有15-25IR光和5-10的UV光,不加防护,均会对使用、操作人员产生光污染的危害。故LED被称作21世紀的健康之光。这可从各种光源的光谱上看出。,自然光、LED白光、荧光灯的光谱,625nm LED 红光光谱图,460nm LED 蓝光光谱图,6500k(日光色)白色LED光谱图,525nm 绿光 LED光谱图,(4). LED响应快,无频闪,十分易于调色(色温)、调光(光功率)和光的投射方向调节,便于实现智能化,构成智慧型光源！ LED由于是半导体发光器件,因此瞬态响应仅ns级,可用数十到数百kHz频率驱动,因此不存在导至人眼视觉疲劳的所谓
8、频闪,正因如此,它十分易于数码化,智能化,其他人工光源较难实现的光源色温(CCT)连续调节,LED可轻易实施。这对手术照明、手术清创照明中观察不同病灶、不同组织、血液颜色的清晰度十分重耍,而LED光源可达到这一耍求。,(5). LED是低电压驱动的光源,十分安全 LED光源可用低电压工作,在应急照明时可瞬即转入电池工作,应急转换时间仅零点几秒,不会造成因仃电,引发事故,且转换快,转换过程无应急发电机的噪声的优点！ LED驱动供电装置完全可达到对医用器械规定必须达到的国际、国内标准,如EN60601-1-2、UL60950、IEC68-2-29和3C等和对医用设备电气安全和电磁干扰的认证耍求。,
9、(6). LED是可靠性高与寿命时间长的光源 LED是固体光源,是高可靠、长寿命的电子器件,其30%光哀的时间大于35000hrs(即寿命判定值时间) 在-30-+55环境温度下工作,寿命时间可达30,000Hrs-50,000Hrs,是目前人工光源中寿命最长的光源。(白炽灯灯丝的寿命约2000Hrs,荧光灯8000Hrs,钠灯与汞蒸气灯等也仅仅约为10000Hrs)。 LED是目前在光源生命周期内,使用成本(指使用基期内,购置+能耗+维修+更换等成本之和)最低的光源。,2. 常用传统光源的不足 目前在医疗领域中常用的人工光源若与LED光源作比较,存在一些不足与问题,除上面提到的能效、光谱纯度
10、、色温调控、响应时间、频闪、可靠性、寿命时间以及生命基期成本等方面比不上LED光源外,归纳起来还有以下一些不足。 在医疗领域中应用的传统光源大至可归纳为：,（,三.目前医疗系统光源应用的现狀,1. 在医疗领域照明光源应用的分类 光源在医疗领域的应用大致可分为： (1). 医院建筑内、外功能性照明 指除医疗资源、导医等信息显示(指已普遍在使用的LED显示屏)以外的功能性照明,大多使用荧光日光灯,格栅灯,吸顶灯,射灯,筒灯及HID路灯等。 这些传统光源,如荧光节能灯 、日光灯、纳灯及卤素灯等均可进行用LED替代的节能改造。,医用照明,(2). 窥测照明 这部分主耍是病灶探测、观察用照明,也是投射式
11、,小角度,定向照明的灯具。分体内、外两种,前者耍与光导纤维配合作胃、肠、肛等体闪窥测照朋。后者为可移动的定向照明灯具。日前已有激光(LD)和LED作光源。 体外窥测,例如：耳、鼻、眼、口等五官检查照明。体内、外窥测照明要求健康型光源,不能因光辐射中含有有害机体组织的辐射光,造成对人体肌肤、器官组织伤害。目前用卤素灯为主,合IR光,热量高。 (3). 手术照明 分固定和移动式两类,用于医生为病人手术时提供高质量(即高照度、无影、高照度均匀度、高显色性、色温、光强可调和低热,不影向手术室净化层流和空调温度)的照明灯具。这是一种价格不菲的特殊灯具。主流为氙灯。,消毒、灭菌,(4). 消毒、灭菌辐照光
12、源 利用紫外光的辐照,可以对医疗器械、医用装备和医用器皿进行消毒灭菌,与蒸煮高温消毒(20分钟左右)相比,具有速度快(1到几秒)效率高的优点。目前用汞蒸气灯较多。 UV辐照消毒、灭菌是利用紫外光能穿透微生物细胞膜和细包核,破坏其DNA或RNA的分子链,使其失去复制能力和活动功能,达到灭菌杀毒的目的,UV的穿透度与波长成正比,一般分为UVA、UVB和UVC三种,通常將UVA和UVB二种波长用于医用。用UV LED构成的光源可以制成各种几何形状的灭菌光源,灵活性优于汞蒸气UV光源,能耗也低。 利用UV消毒,不存在如蒸煮消毒后废液物、容器等处理问题,十分环保。,光疗,(5). 光疗-光辐照治疗 光疗
13、是利用光生物效应,用特定波长的光照使人体的皮肤或某些组织细胞催生长或抑制生长,来达到治疗目的。 目前光疗己被医疗机构十分重视,医学界,生物学界,光学界人士正在从病理、光化学、光生物学、物理学等多学科联动研究治疔机理和治疗方法,己不断有LED光疗的临床疗效的文献报导，LED用于光疗的疗效正在凸显。 较之传统光源，LED更符合光疗对光源的各项特殊耍求,这些要求是：光波长选择范围要广,辐射光量、辐照光斑要可控可调,光色纯，无有害光谱成份，以及电气安全等,因LED具备上述特点，符合上述要求，它必將成为替代传统光疗光源的首选健康之光源。,光疗,光疗作为一种有效的临床治疗手段，应用日渐广泛，LED在这一领
14、域大有作为； 光疗是利用生物组织吸收不同波长的光能，并将其转化成热能和化学能，导致体内产生一系列的化学反应，达到所需不同疗效； 光疗的治疗机理归结起来为： （1）光致分解 （3）光致聚合 （2）光致氧化 （4）光致敏化,不同波长的光在光疗中的应用,A.红光：波长为635nm的红光具有纯度高、光源强、能量密度均匀的特点，在皮肤护理、保健治疗中效果显着，被称为生物活性光。红光能让细胞的活性提高，促进细胞的新陈代谢，使皮肤大量分泌胶原蛋白与纤维组织来自身填充。加速血液循环，增加肌肤弹性，改善皮肤萎黄、暗哑的状况，从而达到抗衰老、抗氧化、修复的功效，有着传统护肤无法达到的效果。 主要功效：美白淡斑、嫩
15、肤祛皱、修复受损皮肤、抚平细小皱纹、缩小毛孔、增生胶原蛋白。,不同波长的光在光疗中的应用,B.蓝光：波长为415nm的蓝光具有快速抑制炎症的功效，在痤疮的形成过程中，主要是丙酸杆菌在起作用所致，而蓝光可以在对皮肤组织毫无损伤的情况下，高效的破坏这种细菌，最大限度减少痤疮的形成，并且在很短时间内使炎症期的痤疮明显减少至愈合。,不同波长的光在光疗中的应用,C.紫光：是红光和绿光的混合光，其结合了两种光的功效，尤其在治疗痤疮和祛痤疮印痕方面有着特别好的效果和修复作用。 D.黄光：波长为580nm的黄光，治疗过敏性皮肤疾病。,光辐照病理捡测,(6). 用光辐射检测病理样本-病理检测 (a). 捡 测血
16、沉 用570nm绿光，可测血沉,而用640nm蓝光和900nmIR光可捡测血液內的含氯量； (b). 膀光癌诊断 用488nm蓝光照射尿样,通过它所激发尿样产生荧光光谱中观察在550nm-570nm绿光光谱区域内是否出现峰值,可诊断有否膀光癌变。,2. LED光源在医疗领域中的适用性(1).LED用于光疔的波长范围,(a). 紫外光：紫外LED波长可选择范围： 311nm400nm，波宽：20nm30nm，光功率：几毫瓦几百毫瓦，可治疗皮肤病如银屑病等，也可用于美容、消毒杀菌等应用。 (b). 红外光：LED适合近红外,可选择： 780nm1200nm范围IR LED,可用于消炎、镇痛，促进肌
17、肤新陈代谢和细胞再生,如创伤愈合,秃发再生等。 (c). 蓝光：在425nm475nm均可使用LED光源，可控范围3nm，可治疗新生儿黄疸症等十分有效。446nm-477nm的光能促进对人体生物周期起调节作用的松果体胺类激素-褪黑色素的分秘，有利到人体增強脑活力，减少老年痴呆症的发病风险。,LED光源波长可选性,(d). 红光：在615nm700nm范围内可用红光LED作光源、光色纯，用它通过光化学作用，使人体内的线粒体的过氧化氢酶活性增加，加快细胞新陈代谢,增加糖元、蛋白和三磷腺苷分解量,促进细胞合成,促进伤口愈合,促进毛交发生长等，可对多种疾病治疔； (e). 混合光与白光：用LED白光或
18、几种不同波长LED在同一封装体内混光构成诸如黄绿光、紫光及蓝绿混合光等，适应不同治疗需要，这是LED的一大特点，美国宇航局报导：用630nm-800nm混合光，可治疗类风湿关节炎、皮肤癌等疾病。不同色温的白光辐照可作失眠调节治疗。LED 白光作为全波段可见光，其色温从2700k-6500k按需选择,进行生产。其显色指数Ra(即还原被照物颜色能力)也可达80-95，与卤素灯相近。,(2).LED光源适应医用的其他优点,用LED可以构成任何几何形状，任何尺寸的点、线、面光源。也可微型化。 用LED可构成柔软光源与毯子式光源，甚至与衣服结合构成穿载式光源。 例如用蓝光LED封装在毯子状婴儿被内则可照
19、射新生儿治疗黄疸症时，不用将婴儿眼部用眼罩保护眼睛或会阴处保护。 LED可用低于6V的直流电压工作，从而不存在诸如汞蒸气灯等高压引起的用电安全问题。,(3). LED配光操作简便、安全灵活性强,用LED作光疗光源，其照射面光斑面积可用二次配光按需控制,依照当前LED制造工艺技术，用微透镜制作在芯片上控制投射光角度，不用二次配光，投射角度、方向灵活可调,照射光强度连续可调，甚至根据需要可调节照射光的色温，十分易于用数码控制。 LED作光源的光疗设备可制成便携式、固定式、头载式、眼载式窥测灯具，可用电池供电,按不同光疗要求制成不同型式的光源，除红外光与紫外光在使用时要加以防护外，其他红、蓝光的光色
20、纯，无光污染，也无光辐射温度，不会损伤操作和病员。,大量的医疗文献报导：用LED作光源进行蓝光光疗，红光光疗，近红外光光疗、紫外光光疗，多色混合光光疗等己取得较明显的临床效果。美国、日本、欧洲各大公司已推出了用LED的各种光疗设备，成为一种趋势，国内也正在开展企业、学校、医疗机构的产学研大合作，展开LED光疗设备的研发与临床试验，也取得了不少成果与突破。研发方面,我国与国际先进差距不大,处在同一起跑线上。,四. 推进LED在医疗照明中的应用的必耍性、紧迫性,1. 目前现状 用LED光源取代传统光源应用于医疗照明，是当前照明产业节能减排产品升级换代的大趋势。2010年上海世博园区的景观照明，80
21、%已使用节能的LED光源，向世人展示了国产LED灯具的与时俱进，与国际同步和超越的风貌。也促进了用LED替代传统功能性照明光源的步伐！ 但应当看到,在我国由于用于医疗领域的照明产品,除户内、外功能性照明灯具外,均属于医疗器械,准入门槛较高,生产企业产品须经国家药品食品监督局许可，一般LED照明企业不属医疗行业范畴，无入门路径,而医疗器械有资质企业又不太了解LED照明的特性,从而形成一个空白盲区。使国外产品乖虚进入。,近年来,国际照明巨子GE、OSRAM、PHILIP及日本丰田、东芝等正在化巨资进行用LED作光源的医疗照明和光疗产品研发,只是因他们占有传统光源医疗设备的庑大国际市场分额,不会一哄
22、而取代,会有步聚有计划更新替换保持其市场话语权。从美国购置一台双头氙气手术无影灯售价20万元RMB,德国马丁的无影灯售价高达RMB60佘万元,他们不会轻易快速淘汰这些产品。但2004年,美国、德国、俄罗斯己首先在其本土开始采用LED无影灯！ 再以用LED作光源的用于加快手术创伤修复愈合的红光治疗仪为例，LED波长630nm(与He-Ne632.8nm类似,输出光功率2w,距光源0.1m处的光斑直径120mm,仅增加0-99min可调定时光照输出和数字显示。这种设备成本不高,但售价不菲。 可见在医疗领域用光源设备的国产化十分迫切,也是降低患者医疗负担的有效途径之一。,2. 在医疗领域用 LED替
23、代的必耍性 (1). 节能的紧迫性 以手术照明无影灯作例子,看一下用LED取代氙灯或金卤灯的节能潜力。 据卫生部统计资料： 全国有三甲医院1273家,按每家20间手术台计,共用无影灯25460盏，二级医院6460家,每家8间手室需用灯51680盏,总计77140盏无影灯。这些手术室按国家颁布的标准,每室年均运行时间为6240小时。若每一传统光源灯的功耗800W,则每盏灯年耗电为：4992kwh,全国仅二、三级医院在手术无影灯上的年耗电量达3.85亿度电,若用LED取代，节能率60%计,可节电2.31亿度电,可节支电费1.85亿元RMB。,(2). 医院节能改造可采用LED整体解决方案 医用照明
24、的LED化实现节能 ,除如上面例子外,实际上LED照明替代升级换代,可采用整体解决方案,即专用与通用,捡测、治疗与功能照明一搅子升级换代,从而大幅度节能,降低照明成本支出,而光疗、光捡测的国产化,可大幅降低医患双方支出。 以医院功能性照明用的荧光日光灯，用LED替代为例,若一家三甲医院共用6000支36w T8日光灯，现用LED直管灯替代来测算其节能 效果：,36w T8日光灯加上镇流器耗电(约6-8W),每支耗电42w,若每天开灯平均15h,全年365天计,每支灯耗电125.9kwh全院功能照明年耗电75.56万度,电费支出60.4万元。 用18wLED直管灯取代,照明效果相同,但可节电57
25、.1,节省用电量： 75.56万度0.571=43.15万度, 节省电费支出34.5万元。,(3). 高质量的LED光源可提高疗效降低治疗风险 医疗用的器械、设施包括窥测、冶疗、康复照明灯具,均耍经安全认证,安全不仅是电气安全,还包括其他损伤、损害性安全,以及可能引发的治疗风险。 对光源,重耍的是对人体组织、皮肤、眼睛要绝对安全,也即不能有光污染,可靠性耍极高，不允许因灭灯引发医疗事故,必要时要运用冗余技术,一旦出现LED故障,迅即自捡修复,确保万无一失！ 为此,近期在学术界正在开展对LED光源对人眼及生物安全性影响的研讨。,针对每类波长的光对生物有什幺影响进行实验分析和研究以及光对人的褪黑色
26、素、生物钟、生物节律的影响作大量研究,例如北京空军总医院皮肤科用色温2800k的LED白光和荧光日光灯白光对志愿者做比对试验,证明经荧光灯照射对人的皮肤有伤害,使肤色变红,含水量下降,而LED白光对皮肤是安全的。可见LED是健康之照明光源。 此外节能的LED光源可方便地从电网供电瞬间转成应急电池供电,防止仃电造成手术事故。 可见LED是高质、安全、可靠的光源。,另外必须说明,医疗领域用LED光源,由于是冷光,即使在大功率手术无影灯(一般用200w-250w光源可取代600w-800w氙灯)下操作的医务人员,不会因光的热量(即光谱中的IR光)造成热疲劳,也不会使病员因过高热量引起伤口感染。 由于
27、人体不同部位和不同组织,在不同的照度和色温下有不同的清晰度,因此理想的医疗照明光源应能对色温、照度、光的密度按需进行连续调节相对传统光源,LED可方便地实现这些耍求。 以上说明,LED作医疗照明与光疗,是科技发展的必然,也是时代的呼唤。,五.推进 LED医用照明产业发展的建议与设想,1. 产学研结合,跨行业联动，跨部门协调,制订医用光源、灯具准入标准和更新发展规划,助推LED医用照明产业发展！2.在政府主管部组级领导下,通过行业协会索头,促进应用(医学界)与LED光源生产企业结合,展开光对人体组识影晌的研究,包括不同波长对生物体的不同作用的机理研究,研发适用的产品系列； 3. 对光致化学、光致
28、敏化、光致氧化和光致聚合等光作用的研究,制订医用光源的光、色、电、热等技术规范和标准,提高光源品质 。,4. 先易后难,通过示范和试点,有序推进医疗领域整体化的光源升级换代和光源LED化,实现产品国产化更新换代；5.上海要率先通过LED业界、医疗器械业界、医学院校、医院和政府主管部门以及行业协会大联合,制订医用照明产品发展规划,有序推进上海LED医用照明产业发展！,6. 迅速改变上海医疗资源丰厚,但医用照明研制力量不强,配置不均衡的状况！ 上海能研制LED医用照明的企业少之又少,仅上诲二医大社行医用器械厂及儿家外资背企业在涉及医用照明研发,行业集中度小,品牌效应不见突显,落后于北京、杭州、重庆
29、、广东等地区。应当加怏推进上海在LED光源应用于医疗照明的技术创新,培育一批品牌企业与产品！,附：从手术照明看医疗照明的技术特点,1. 医用照明典型产品-手术无影灯技术耍求 (1). 无影耍求 在医生对病员施行外科手术时,必需耍在明亮的照明环境下进行,以实施病灶摘除,清创、缝合等工作。因此要求手术作业面照度达到相当于夏天正午太阳光的照度,即达60000lx-120000lx。 由于医务人员的头、手、手术器械等均会对手术部位造成阴影,干扰医生对手术部住视觉的辨识,因此手术照明必需达到无影,或无影率低于某一值(10)。因此配光设计十分关健。,(2). 冷光与色温可调、显色性耍高的要求 手术照明光源
30、,辐射光中应不含IR光谱,不会产生热量,使医务人员产生热疲劳,降低病员创伤部位因温度过高而感染风险。 由于人体组织中不同部位在不同光的色温下视觉清晰度也不同,因此耍求手术照明光的色温2700k-6500k可调节,同时显色性耍高于90。以提高医务人定对病灶组织、血液等色泽变化的辨识、判断能力。,(3). 光源(灯头)可按需遥控调节 灯具的灯臂、灯头等均可按需进行上下,左右移动,且可遥控,对光的照射光场大小也可调节,还能对其作消毒等处理。 灯具应对术室空调、洁净层流等不构成不良影响,以不对手术室温度、洁净度构成影晌,这耍求适应层流的造型设计、及材料选用来加以解决！,(4). 应急处理 手术照明灯具
31、必需具有仃电应急功能,一旦仃电,瞬间即转入电池或备用电供电,转换时间小于1 sec,耍无噪音,应急时间4-6h确保不因仃电造成医疗事故。 (5). 无眩光 手术照明 不能因光照射在手术影械、床单、纱布、医用器皿等物品上造成闪光或反射光,干扰医务人员视线,造成眩光危害。,以上可见,手术无影灯的耍求十分严格,涉及光学、电子学、微机电、造型结构、层流分析以及色度学等的综合技术的复合运用,技术含量高。 随着心藏手术、裸关节手术的普及,对手术无影灯需求也在扩大,LED光源因其特出优势正在被广泛认可,前景十分光明！,附二：国产LED电动手术无影灯,移动式LED医用应急手术灯,LED红光治疗仪,LED医用头載式窥测灯,现,LED医用固定式手术灯,不妥之处,敬请教正！ 谢谢大家！,
