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LED阵列模拟针灸照射系统的设计

2014-4-1  来源:  (1.河北科技大学研究生学院;2.河北科技大学信息科学与工程学院)  作者:石桂菊 刘艳明 陈书旺  有2695人阅读

LED在发光强度、波长、实用性和价格上有很多优点,因此它被广泛应用于生物医学工程领域。如果用高亮度LED照射人体皮肤或组织,皮肤表面温度会提升。通过对LED阵列光源结构的研究,设计了一套研究LED影响的系统——LED阵列模拟针灸照射笔。

  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

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