大功率LED红蓝光装置设计及其在动物学中应用

杨景发 申文增 牛 培 赵 通 李 乾

(1河北大学物理科学与技术学院，河北保定 071002，2河北大学医学部，河北保定 071000)

1 引言

颜色能影响人的情绪、精神和身心健康，传统的“色光”由白光分光、滤光、激光器等方式产生，存在光斑小、不可调制、结构复杂等缺陷，制约其广泛应用和疗效。而LED以其多色、窄带、直流供电、冷光、体积小、寿命长、节能环保等优点，正在成为在生物医学领域具有广阔应用前景的人工光源。“色光”在生物医学包括动物模型、临床医学实验、医用照明、医学治疗和诊断等方面的研究和应用正方兴未艾。但目前市场上的装置存在工作模式单一、光强和光谱被预置固化等缺点，无法满足人们的需求，多功能大功率LED发生装置的设计成为科学工作者竞相研究的热点。

2 设计部分

2.1 设计原理

2.1.1 LED发光原理

LED发光是一个电光转换过程。利用固体半导体芯片作为发光材料，在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子 (少子)一部分与多数载流子 (多子)复合复合引起光子发射而产生光。

2.1.2 红光的光化学作用

红光照射肌体，细胞中的线粒体将其大部分吸收，并使线粒体的过氧化酶、超氧化物歧化酶等多种酶的活性增强，进而可以加速细胞的新陈代谢，提高肌体免疫力;

红光照射可加速红细胞内SOD的合成，减少自由基及其对细胞的破坏，促进细胞的产生，增加血液携氧能力，提高机体耐力及抗疲劳能力，增强皮下胶质和胶原蛋白与纤维的有机组合;

红光照射可使糖元含量增加，蛋白质合成、三磷酸腺苷分解加快，使纤维细胞数目增加，增加胶原的形成，从而促进细胞合成、肉芽组织生长，加速创伤愈合;红光能够增加白血球的吞噬作用，可以使炎症部位的五羟色胺含量降低，而起到消炎镇痛作用。红光还可引起血液白细胞总数和嗜酸性粒细胞减少，改善生长代谢，促进卵巢黄体形成;

红色刺激交感神经系统，代表增加兴奋和紧张。

2.1.3 蓝光的光化学作用

蓝光照射肌体，可以相对提高副交感神经系统的兴奋性，拮抗交感神经，达到缓解和治疗相关疾病的目的。研究发现蓝光对机体具有多种作用，它能增加ipRGCs细胞的光吸收能量，抑制褪黑素的分泌，缓解疲劳;兴奋副交感神经，降低血压;照射孕鼠，提高子代行为学能力;明显改善免疫功能及缓解免疫应激反应;还可以杀菌、治疗皮肤痤疮、治疗新生儿黄疸等等。

蓝色刺激副交感神经系统，代表放松、减轻焦虑、减轻敌意。

2.2 大功率LED红蓝光装置的设计

大功率LED红蓝光装置主要包括LED灯具、LED驱动器、控制模块和电源与时控模块四部分。其结构框图见图1。

图1 大功率LED红蓝光装置结构框图Fig.1 Principle block diagram of the high－power LED red and blue light device

2.2.1 单颗LED灯珠的选定

利用PMS－50光谱分析系统、LED626分布光度计、LED专用积分球等仪器测试LED灯珠的主要光色电性能参数，见表1。特别关注LED的发光强度及其空间分布、半宽度参数，为灯具设计中LED的选取提供指导。

表1 LED发光管的主要光色电参数Table 1 Main light－color－electricity parameter of LED light tube

2.2.2 LED灯具的设计

LED灯具的结构如图2所示，每个LED灯珠安装透镜⑤，前方是灯盖⑥。LED灯珠④焊接在直径为4.5cm圆形铝基PCB板③上，再将其固定在具有侧齿的高散热能力的铝质灯罩②上，最后将其安装在万向旋转臂①上，实现多角度照射。

图2 单色LED灯具结构示意图Fig.2 The schematic diagram of the monochromatic LED lamps

2.2.3 大功率LED驱动电路设计

采用降压型电感电流连续模式驱动芯片PT4115设计LED驱动电路，考虑输出功率，依据设计手册，确定PT4115外围器件参数，其电路原理图见图3。通过 DIM引脚可以实现模拟调光和 PWM调光。

图3 PT4115驱动电路图Fig.3 The principle of PT4115 drive circuit

2.3 光强调节电路设计

在DIM管脚外加直流电压方式实现模拟调光(图4)，电流调节范围0－0.1/Rs。输入低于0.2V电压，关闭输出。若设计要求:Imax=350mA，电源为5V，则电位器R2、电阻R1、R3的阻值分别为22kΩ、27kΩ 和 8.2kΩ，调 光 范 围 为 0.56V－2.55V，对应输出电流调整范围从25%到100%。

图4 LED光强调节电路Fig.4 The circuit of adjusting luminous intensity

2.4 闪烁给光模式电路的设计

由NE555定时器组成的方波信号发生器电路(图5)产生基频方波，分成两路输出，并由TIP127控制，施加于LED驱动模块的接地输入端，通过调整电位器R3，改变TH和TL时间，实现红、蓝光的闪烁给光模式。

图5 闪烁控制电路Fig.5 The circuit of controlling

2.5 控制电路的设计

“大功率LED红蓝光装置”的控制器由时间控制、光质选择、光强调整和工作方式 (闪频、连续)设定等单元模块组成。控制电路总图见图6

图6 控制电路总图Fig.6 The circuit of total controlling

2.6 整机设计和制作

在制作过程中遵循科学布局，结构严谨，整体优化，务实简洁的思想，在制作初期设计好样机模型，然后经过多次论证，确定最终的设计结构 (如图7)。

图7 大功率LED红蓝光装置样机Fig.7 The prototype of high power LED red and blue device

3 红蓝光发生装置的应用效果试验

3.1 实验材料与仪器

3.1.1 实验动物

健康雌性SD大白鼠60只，体重240－280克;昆明种小鼠70只，体重22—25g，雌雄各半。由河北大学医学部动物室提供，饲料由北京科奥协力饲料有限公司提供。

3.1.2 实验药品

氨基甲酸乙酯、盐酸利多卡因注射液、硫酸庆大霉素、75%酒精、碘伏、生理盐水、甲醛溶液、盐酸肾上腺素注射液、甲磺酸酚妥拉明注射液、硝酸甘油注射液、呋塞米注射液、重酒石酸去甲肾上腺素注射液、肝素钠注射液 (均有批号和生产厂家)。

3.1.3 实验仪器与器械

BL－410生物机能系统，电动离心机、LED多源光子试验仪，电子秤，婴儿秤，天平、大鼠解剖手术台、常用手术器械一套、一次性注射器 (1ml、5ml、20ml)、纱布、绷带、医用胶布、采血针 (山东省威武县医用制药厂)、采血管 (10050江苏健康医疗用品有限公司)，一次性输液器，输液针头，手术器械1套，纱布，绷带，胶布等。由河北大学医学部机能实验室提供。

3.2 红、蓝LED光源对肝损伤大鼠模型肝脏再生的影响

选择健康雌性SD大白鼠40只，体重240－280克。随机分为4组，每组10只，A为正常对照组，B为肝损伤模型组，C为肝损伤模型红光LED20min治疗组，D为LED为肝损伤模型蓝光20min治疗组。

将B、C、D组大鼠复制成大鼠肝脏损伤模型。A组不做任何处理，B组为模型对照组不做光照处理，C组大鼠进行20min的红光LED照射，D组大鼠进行20min的蓝光LED照射治疗。每日两次，连续4周。

照射4周后，腹主动脉取血约4ml，4000r/min离心四分钟，取血清检测肝功能及血常规。取出肝脏称重，计算肝指数。取出脾脏称重，测量脾指数。

表2 红蓝光对大白鼠肝功能影响Table 2 The effect of red and blue on rat liver function

由实验结果可知，红蓝光对肝功能有一定保护作用，主要表现在ALT，红蓝光照射组均明显降低，且红光照射组优于蓝光照射组。

表3 红蓝光对大白鼠肝脏重量影响Table 3 The effect of red and blue on rat liver weight

实验结果可知:三个实验组的新生肝脏明显大于正常组的相应肝叶重量，证明我们的大鼠结扎肝叶致肝再生模型复制成功。

红光、蓝光治疗组的残存肝脏明显小于模型组，证明被结扎的肝脏在四周之内吸收较为完全，这与红光具有加速细胞的新陈代谢，消炎、镇痛，提高机体免疫力作用有关;与蓝光具有明显改善免疫功能及缓解免疫应激反应，杀菌、消炎的作用有关。模型组残肝重量明显大于光照组，证明缺血萎缩的肝脏还没有被机体吸收完全。

3.3 红、蓝LED光源对小鼠游泳耐力的影响

昆明种小鼠30只，雌雄各半，随机分为3组，A组为正常对照组，B组为红光LED20分钟照射组，C组为蓝光LED20分钟照射组。每天照射一次，连续两周。照射期间，小白鼠自由饮食饮水，注意观察小白鼠的一般活动情况。

照射治疗结束，将各组小白鼠分别置于水温为25℃，容积为50cm*30cm*25cm的恒温水浴箱内，当小鼠头部第一次没入水中，即刻捞出，记录各组小鼠的游泳时间。

表4 红蓝光对小鼠游泳耐力的影响Table 4 The effect of the swimming endurance of mice

统计处理结果显示:红、蓝光照射组小鼠的游泳时间明显延长，均优于正常对照组小鼠;且蓝光照射组小鼠游泳时间明显优于红光照射组小鼠。红光照射组小鼠在游泳过程中运动幅度较大，不动时间较蓝光照射组短。

以上行为学的改变可能与下列因素有关:

分析认为:一、长时间的光照刺激可能使小鼠骨骼肌纤维增粗增大，肌肉中毛细血管数量增多，管腔增大，血液供氧能力增强。二、红光具有加速红细胞内SOD的合成，减少自由基及其对细胞的破坏，促进细胞的产生，增加血液携氧能力，提高机体耐力及抗疲劳能力。较长时间的蓝光照射使机体处于心率减慢，皮肤和内脏血管舒张的状态，机体储备能量较为充足。三、红光可使交感神经系统兴奋，心跳加快，皮肤及内脏血管收缩，冠状动脉扩张，血压上升，脑部血供增加。当机体处于紧张活动状态 (由日常生活的饲养笼环境，突然进入水中)时，交感神经发挥了非常重要的指挥 (调节)功能，合理调整自身的各种机能，使其能够很快适应新的环境。蓝光能够兴奋迷走神经，保持机体在安静状态下的生理平衡，这可能是小鼠进入游泳环境后“处乱不惊”的主要原因，使其在泳池中不动时间较长，很好的保存体力，缓解疲劳，延长了游泳时间。

4 结束语

“大功率LED红蓝光装置”，具有光强可调、光谱 (R、B、R+B)可选择、工作方式 (连续、闪烁、交替)可设定、定时报警等功能，操作简单、节能环保;本装置在动物学应用试验表明:治疗组的新生肝脏明显大于正常组的相应肝叶重量;残存肝脏明显小于模型组。红、蓝光照射组小鼠的游泳时间明显延长，均优于正常对照组小鼠;且蓝光照射组小鼠游泳时间明显优于红光照射组小鼠。红光照射组小鼠在游泳过程中运动幅度较大，不动时间较蓝光照射组短。

本装置在动物疾病模型复制、实验、治疗乃至LED系列试验、光疗仪器开发等方面具有广阔应用前景。

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