刘伟平1 ,黄红斌1 ,林仕相1 ,杜卫冲2
(1. 暨南大学电子系,广州510632 ;2. 中山新诺科技有限公司,中山528437）
【摘要】:对皮肤美容、护理光子技术的基本原理进行了分析,比较了目前国内外流行的皮肤光疗系统的优缺点,设计了一种多波长LED 皮肤美容光疗系统。系统选择高亮度LED 作为光源,并采用6 种波长:红外,红、橙、黄、绿、篮LED 形成多个面阵光源。系统的光疗方案可选,应用范围广,适应性强。
【关键词】:LED;多波长;光子美容;光疗系统
引 言
就皮肤美容美体和一系列皮肤病的治疗而言,在LED（Light Emitting Diode） 光子美容技术出现之前,常用的光子技术主要有两大类型:激光和强光脉冲技术［1］。日前激光和强脉冲光美容皮肤治疗仪（象去斑、去皱、脱毛、换肤、美白或其它常见的皮肤病治疗） 已经被国内外医疗系统和美容行业所接受。这类治疗方案的特点是见效快,属于一种入侵或破坏式治疗,被照射者会有一种烧灼感,对人体的正常组织会带来一定的损失和事后副作用,而且其治疗效果有些会反复,一般接受治疗的对象有些会产生恐惧感。由于现有的光子美容美体技术有一定的缺陷,最早把激光/ 强脉冲光引入美容领域的北美同行开始寻求新的光子美容技术。国外的相关研究表明,LED 光能美肤系统是一种新型有效的抗老化工具;它以其鲜明的特点受到国外业界的青睐。本文参考目前国外有关光致皮肤美容的最新研究成果,设计了一种多波长LED 皮肤美容综合光疗系统。系统的光源由LED 点阵所形成,并采用6 种不同波长的形成一个面阵光源;系统可以根据不同的治疗目的,选择和优化不同的光疗方案,从而达到美容、美体、治疗多种皮肤病的目的。
光疗原理及各种光疗技术的比较
光疗原理及作用过程 激光和强脉冲这两类光子美容技术的光疗原理基本相同;即选用一些波长的激光或强脉冲光直接照射要处理的皮肤,皮肤表面或皮下异常组织（细胞） 、象色素、老人斑等强力吸收入射的光照而在短时间内局部升高温度达到让病毒细胞被破坏或气化的程度。研究表明,人体中水分子和血红蛋白对不同波长有不同的吸收谱［2］;另一方面,在激光（强脉冲光） 照射下,不同的功率密度与爆光时间条件下可以引发人体的不同反应［3］。显然,利用人体对不同波长的吸收以及不同光通量所产生的不同效应,可根据不同的需要选择合适的激光和强脉冲光波长、照射强度和照射时间,实现对不同皮肤疾病的治疗、护理,或实现美容美体。当激光或宽谱强脉冲光直接照射于皮肤表面时,光束可穿透至皮肤深层,选择性地作用于皮下色素或血管,分解色斑,闭合异常的红血丝,解除肌肤上的各种瑕疵。此外,还可以采用特定波长范围的强脉冲光,直接穿透皮肤到达毛囊深部,通过毛囊对光的吸收而产生的光热效应,毛囊温度迅速升高直至凝固、坏死,达到永久性祛除毛发的效果。然而,目前这类光子美容技术实际存在着一定的缺陷。由于美容的效果决定于光脉冲的曝光强度和光谱范围, 当光脉冲的强度大时,即时的美容效果会明显,但对正常皮肤组织产生伤害的机会增大,事后会引起一定的副作用;如果光脉冲强度偏低,则达不到消除瑕疵皮肤组织的阈值,从而达不到治疗的效果。
LED 光疗与激光和强脉冲光的光疗原理及过程不同。国外的最新研究表明,不同波长的LED 对人体有着不同的光学疗效。美国国家航天局（NASA） 的研究表明［4］,发光二极管（LED） 的光能够刺激每一个细胞线粒体的新陈代谢,特别是LED 光刺激到里面的光敏化学物质（发色团,细胞色素系统） 时,这种现象更为明显。进一步的研究表明,冷光源LED的光能能够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,减少干痒皮肤,消除痤疮,提高修复能力。显然,LED 冷光源是一种促进皮肤再生的自然治疗方法,而不是象发热的医用激光那样是一种破坏性的治疗。应用LED进行光疗、美容、美体,主要是采用适合波长的可见光和近红外光作用皮肤表面和皮下的异常细胞,激发单体氧,这种单体氧对异常细胞具有很强的杀伤力,同时会降低细胞周围的PH梯度,异常细胞在这种环境会失去活力而被周围的正常细胞和组织吸收,从而达到治疗各种痤疮、湿疹、皮炎等皮肤病。另一方面适合的LED 柔光可以促进皮下胶原蛋白的生产,促进皮下色斑的分解、退色,因而能够起到消除脸部皱纹、老人斑、嫩化、美白皮肤等功效。
各种光疗系统的比较 如上所述,目前的光疗系统主要有激光器/ 强脉冲光系统,加上最近出现的LED 发光二极管系统;它们之间的比较如下表所示。表中从多个方面对三种光疗系统进行了比较,包括:光强度,光照范围,光谱成分,治疗原理等几个方面的比较。从表中可以看到基于LED 的光疗系统有着很大的优势,是光子美容、美体发展的新趋势。
LED 皮肤美容光疗系统的设计
设计依据 本文所涉及的基于LED 皮肤美容光疗系统主要从如下几个方面进行设计:
① 冷光源LED 的选择 从上一节的分析讨论可知,不同波长的光源对皮肤有着不同的作用效应。就所研发的LED 光子美容美体系统而言,其主要功能是用于肌肤美化（年轻化） / 美容、美体（这包括去斑（老人斑、色斑） 、去皱、嫩化肌肤、消除疤痕、消除皮肤瑕疵） 和治疗一系列皮肤顽症） （这包括治疗痤疮、粉刺、湿疹、皮炎、牛皮癣、皮肤溃疡等） ,因此所选择的光源必须覆盖相当大的波长范围。考虑到目前波长LED 的带宽限制,势必要求系统选择多种波长LED 的组合。另一方面,考虑到本系统所需的光强要求,以及相关LED 工艺的成熟程度,系统拟选择新型高亮度LED 作为系统的光源。
② 大面积光源的形成以及光路控制 从光疗的角度,要求系统具有较大的发光面积,即要求应用面光源。本系统拟采用LED 阵列形式,用LED 点光源阵列构成LED 面光源。为便于控制和驱动的实现,系统将采用单色阵列的形式,整个系统由多个单色阵列构成。同时,考虑到光疗仪的具体应用,系统需要有相应的光路控制子系统,以适应不同的需求。
③ LED 阵列驱动和LED 散热优化 与用于LED 显示的驱动有所不同,用于本系统的LED阵列驱动无需精确控制每一发光点,仅需对单色阵列的光强有精确的控制,以适应不同的光疗需求。在驱动形式上,无需对单色阵列进行动态驱动控制,仅需对不同的阵列进行组合控制,适应不同需求。另一方面,LED 光源所需的驱动电流较大,LED 本身的发热也相当大,需要进行散热优化设计。
④ 智能控制系统 本系统的另一主要设计是系统的智能控制部分。系统可根据用户的要求进行光疗方案选择和方案优化,也可以根据输入给系统的皮肤参数自动选择光疗方案。
LED 多波长光疗系统所设计的基于LED的多波长皮肤美容光疗系统结构框图如【图1】 所示。其中光源部分采用了6 种波长（红外,红、橙、黄、绿、篮） 每种波长光的强度单独可调, 最大总光强60W,最大照射面积500 ×250mm2 。为便于控制,多波长LED 单元由（6X6） 点阵列构成,再用单元阵列组合成3 ×3、4 ×4、5 ×5 和10 ×10 的大面积阵列。各单元阵列及由它们所组成的大面积阵列分别受到相应阵列驱动电路的驱动,由PC 统一控制。此外,大面积LED 阵列的聚光透镜可以调节聚光的范围。
【图1】系统框图
本系统的特色在于:
1） 将发光效率高,使用寿命长,安全可靠的LED 冷光源应用于光子美容美体;系统提供了多波长LED 全谱医用光源, 含6 种不同波长（颜色） 的LED 点发光单元,各个波长的光强可以独立控制:
2） 系统采用单片控制技术,集LED 功率控制和恒温控制于一体,并可以实现连续和脉冲的自动切换,简化了系统控制结构,提高了系统的可靠性。
3） 系统可根据不同的用途、不同的皮肤特点设置LED 光谱组合和强度组合,实现智能化操控。
结 论
本文分析比较了目前国内外流行的光疗技术及相应的光疗原理,参考国外有关光致皮肤美容的最新研究成果和国际上几家专业公司研制的LED 柔光美容和皮肤病治疗仪,设计了一种多波长LED 皮肤美容综合光疗系统,系统集成6 种波长:红外,红、橙、黄、绿、篮LED 形成一个面阵光源,具有高度智能化,以根据不同的治疗目的,设置合适的波长和波长组合,光照的强度和照射的时间等,达到美容、美体、治疗多种皮肤病的目的。系统采用多波长的LED 光源组合来治疗一系列皮肤病和应用于美容、美体行业,其应用范围将大大地超出目前已经商品化的激光或强脉冲光皮肤美容、美体仪器。鉴于目前国内尚未有自主研发的LED 光疗系统的报道, 本文的分析和设计将为同类系统的设计提供相应的参考。
【参考文献】
［1］http :/ / www. consultingroom. com/ Aesthetics/ Treatment/ Treatment-Details. asp ? Treatment = 47.
［2］http :/ / www. medphys. ucl . ac. uk/ research/ borl/ research/ NIR-topics/ nirs. htm.
［3］Meglinski I. V. ; Matcher S. J . Quantitative assessment of skin layers absorption and skin reflectance spectra simulation in the visible and near - infrared spectral regions［J］. Physiological Measurement , 2002 ,23 （4） :741 - 753.
［4］ Harry T. Whelan , M. D et al . The NASALight - Emitting Diode Medical Program Progress in Space Flight and Terrestrial Applications
［C］. / / ［M. S. EI – Genk］ space Technology and Applications International Forum ,［J］. American Institute of Physics ,2000 ,37 - 43.
（摘至：激光杂志2005年6月第26卷第6期）