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LED多波段光譜治療儀的研製 (I)

來源 : 中國醫療設備雜誌2018年第7期
update : 2018/09/03
引言
隨著人口老齡化時代的到來,骨質疏鬆症作為一種退化性的老年疾病,逐步成為影響人類健康的重大問題,尤其是骨質疏鬆導致的頸部及椎體、關節的骨折,嚴重影響了老年人群的健康和生活品質,並增加死亡率[1]。目前骨質疏鬆症治療主要採取藥物療法, 如雙磷酸鹽、鈣劑、維生素D、降鈣素、雌激素等, 對於提升骨密度效果不太明顯,而且藥物治療存在不少不良反應及副作用[2]。

《骨折癒合學》中講到前蘇聯學者首先發現,採用紫外線照射骨折部位後,可使骨痂生長加快、骨折癒合過程縮短[3]。王耀琴等[4] 在臨床上應用紫外線照射傷患全身及骨折部位,也證明能促進骨折癒合。其機理在於紫外線照射皮膚後,維生素D3 生成增多,調節鈣磷代謝,照射後產生的蛋白分解產物—組織胺類物質使血管擴張、局部充血,代謝增強,有利於骨折癒合。同時,紫外線照射經過反射和體液途徑,能改善全身情況提高肌體反應性,增強組織的修復再生能力。促進骨折癒合,並證明最佳溫度為36℃ ~38℃,溫度過高則反使骨質溶解吸收,不利於骨折癒合,其機理在於適宜的溫度擴張血管,改善局部迴圈,提高營養物質與氧的供給水準,同時適宜的溫度提高酶的活性,加速酶促反應,提高新陳代謝水準,這些均有利於骨折癒合。

結合以上原理,為改變藥物作用的不足,河北奧特維力醫療器械有限公司
自主研製了一種可以預防和治療原發性骨質疏鬆症的LED 多波段光譜治療儀,該治療儀對原發性骨質疏鬆症及其引起的腰背疼痛或周身骨骼疼痛有較好的治療作用,對促進傷口癒合、骨折患者提早恢復有明顯的效果,具有較高的社會和經濟效益。

1 設計原理
傳統的紫外光源以水銀燈和特殊燒制的螢光粉燈為主,使用波段太寬,有較高紅斑效應波段的紫外線極易對人體造成傷害,所以不宜用於人體醫療。隨著紫外LED(UVLED)的出現及技術應用的推廣,使得在“安全紫外”範圍的紫外LED 用於醫療器械成為可能。本文推出的多波段光譜治療儀就是應用窄譜 LED 光源 [5],其對人體的“ 紅斑效應”可以降到最低,從而達到安全、有效的機理。

該儀器類比太陽光中對人體有益的中波紫外LED、紅光LED 與紅外光LED 組合光照射人體,其中中波紫外線可使皮膚上的7- 脫氫膽固醇轉變成維生素D3,維生素D3可促進小腸對鈣磷的吸收,調節鈣磷代謝,參與骨代謝過程,增進骨對骨鹽的吸收,直接促進骨的加速形成與鈣化,有助於防治骨質疏鬆症。紅光、紅外線可以擴張血管、紅光和紅外光可改善血液迴圈,加快轉換後的維生素D3 和鈣磷的吸收,提高組織的新陳代謝和改善骨組織的營養,同時適宜的溫度提高酶的活性,加速酶促反應,有利於鈣的吸收和骨營養的改善[6-7]。

2 設計材料與方法
2.1 設計思路
本文通過設計組合LED 照射燈頭、控制系統及輔助部件,開發出一款LED 多波段光譜治療儀。本儀器重點設計多波段LED 照射燈頭及電控系統,設計中通過光源的分散式排列及控制系統,調節控制直接照射人體的輻射強度大小和時間長短,達到治療需要的劑量,提高治療效果。
通過本產品的使用,不需要再服用相關藥物,即可透過物理輻射治療促進人體自身的7- 脫氫膽固醇轉換成維生素D3,促進人體血液迴圈,進而促進人體的鈣磷吸收,有益於骨質疏鬆及骨折病人的康復治療。

三種光線照射既可同時應用也可單獨使用,組成了不同模式的治療處方供臨床使用選擇。儀器顯示器設計為觸摸液晶顯示器,其上明顯的表示了光譜應用的各種模式組成和調節鍵,點擊所需光譜模式即可設計形成不同的光譜治療方案,方便了臨床使用。

2.2 儀器設計
2.2.1 照射強度與面積的設計紫外線在應用於人體照射時,主要影響使用安全性與有效性指標的有照射面積及照射劑量。
照射面積:該儀器採用照射方式是局部經皮照射,設計照射面積為700
照射劑量:該儀器照射劑量根據維生素D 缺乏風險人
群的維生素D 每天需要攝取量來確定,見表1[8-15]。

1 風險人群攝入維生素D、照射劑量建議

該儀器設計採用固定輻照強度輸出,通過調節治療時間控制治療劑量。根據LED 的工作特性,設計LED 的輸出輻照強度為100 μW/

2.2.2 機械結構件的設計
整體設計的高度要求滿足GB9706.1、YY0505、YY0306 標準。由幾部分組成:台車(電控櫃、觸控式螢幕)、支臂及照射頭組成。治療儀實物圖,見圖1。

圖1 治療儀實物圖

照射頭部分:整體功能端的設計有效照射面積為700 ,結合中國成年人的四肢尺寸、腹部尺寸以及背部的尺寸,設計整體照射部分分為4 個同等大小的照射區域,其中中間兩部分為固定結構,兩翼可以實現90°轉動結構,在照射背部、腹部、四肢及關節時,使儀器與人更加貼合、提高光的利用率。照射頭結構圖,見圖2。

圖2 照射頭結構圖

2.2.3 電控制的設計
整體方案:① PLC 採用220 V 繼電器式,能夠為LED驅動電源提供電源,考慮LED 的額定功率及損耗,選擇PLC 的型號為西門子S7-200 ;② 觸控式螢幕為DC 24 V 工作電壓,選擇開關電源24 W ;③ LED 驅動電源的設計:紫外LED 驅動電源能夠通過控制,實現輸出電流可調,方便在儀器生產過程中的調試。設計採用PLC 控制模擬量輸出,給予LED 驅動電源不同的電壓信號,進而控制電源的輸出電流。電控簡圖,見圖3。

圖3 電控制簡圖

2.3 設計儀器測試
將該治療儀電源線插頭與交流電源插座相接,患者取適宜體位,裸露治療所需照射部位。將光源照射頭中心正對患者所需的治療部位中心位置。打開該治療儀電源開關,儀器顯示器亮。選擇需要的光譜模式,然後再選擇該模式下對應的照射治療時間。按啟動鍵開始治療,治療結束時,關閉儀器背面的電源開關。

治療方法:採用紅光+ 紅外+ 紫外綜合應用,紅外光和紅光的治療時間均為20 min,中波紫外所用照射治療時間為15 min,光能量為90 mJ/cm²、且療程中不隨治療次數的增加而增量,即保持每天每次被照射部位接受等量的紫外線強度照射[16]。


LED多波段光譜治療儀的研製 (II)