1 引言

黄疸是新生儿常见的症状,是由新生儿血液中过量的4Z,15Z-胆红素IXα(Z-Z型)异构体分子引起的。光疗法由于简便且疗效好在临床上成为一种常用的方法^[1-3],患儿的皮肤和组织中有Z-Z型胆红素异构体分子、4Z,15E-胆红素IXα(Z-E型)异构体分子和光红素(LR)。其中Z-Z型和Z-E型胆红素异构体分子在光照射下可以转化成LR,LR的亲水性高,与其他几种异构体相比更易溶于水,可以通过胆汁、体液、尿液排出体外,达到治疗目的。

由于发光二极管(LED)光源的优越性,国内外已经开展了对LED光源光疗仪的研究。Sebbe等^[4]通过小白鼠实验将卤素灯光源的光疗仪与LED光疗仪相比较,发现LED光疗仪使白鼠体内胆红素降解的速度更快。Agati等^[5]通过临床实验将蓝光灯和蓝绿光灯相比较,发现蓝绿光的治疗效果比单纯的蓝光好。Ebbesen等^[6]发现主波长为450 nm的蓝光与主波长为490 nm的青光相比,由Z-Z胆红素异构体转化为LR的转化率没有明显的差异。在胆红素光照实验中发现460 nm左右波长的蓝光最易被胆红素吸收。但胆红素位于皮下血管的血清中,光需要穿透皮肤和血管壁等才能到达血管内部使胆红素发生反应。因此,胆红素异构化效率与皮肤的穿透及白蛋白的含量等有重要联系^[5,7]。研究人员采用紫外-可见光分度计在避光条件下测定420~800 nm波段内标准胆红素的吸收光谱曲线作为光谱匹配的目标光谱^[8]。由于光线要通过皮肤和组织才能照射进血液,并且光线在皮肤和组织中的传递过程更复杂。Lisenko等^[9]在对胆红素异构化效率进行理论仿真研究时,建立胆红素光致异构化的模型,并通过模型来计算LR的合成率。同时,他们在研究中考虑了皮肤的精细组织和ZZ→LR、ZZ↔ZE的转换率^[10],仿真得到使胆红素异构化效率最高的光谱范围为484~496 nm。本课题组也应用阵列透镜进行了光谱范围在490 nm左右的黄疸光疗仪光源系统的设计研究^[11]。

本文设计了一个蓝绿光LED黄疸光疗仪光源模块,其光谱范围在484~496 nm之间。利用光谱匹配方法,获得与目标光谱相近的光谱光源,并结合菲涅耳透镜增加光照均匀度,使光源模块符合设计要求。

2 光源模块的设计

2.1 目标光谱

人体的皮肤由真皮和表皮组成。光穿透皮肤的深度与光波长有关,皮肤通常有几毫米厚,计算光致异构化率需要考虑全部深度的真皮组织。假设所有的胆红素都在真皮中,血管在深度上均匀分布,一种胆红素a转化为另一种胆红素b的转换率与表皮表面垂直方向的辐射密度E(z,λ)成正比。照射组织深度表示为z。最初的胆红素异构体a的摩尔分数表示为C_a,对光的吸收系数为δ_a(λ);转化后的胆红素异构体b的摩尔分数表示为C_b。在波长为λ的光照下,胆红素异构体a的光致异构化产率为θ_ab(λ)。

∂Cb∂t=Caλln10LdNuhc×∫z1z2dz∫λ1λ2E(z,λ)δaλθab(λ)dλ,(1)

式中:λ₁和λ₂为光波长的上、下限;z₁和z₂为照射组织深度的上、下限;t为照射时间;h为普朗克常数;c为光速;N_u为阿伏伽德罗常数;L_e和L_d分别指表皮和真皮的厚度,z₁=L_e,z₂=L_e+L_d。

在光照条件下产生的胆红素异构体LR可以快速排出体外,光照时间决定了LR的产生率。但是LR的产量很低,并且由光致异构化产生的ZZ→LR的转换速度很慢。与此同时,在光照下ZZ↔ ZE的转换是可逆的(ZZ→ZE,ZE→ZZ)。在光照区域内ZZ胆红素分子与ZE胆红素分子之间存在动态平衡,即ZZ↔ ZE在同一方向上的转化率相同。在光疗系统下Z-Z胆红素异构体转化为无毒水溶性的LR的产生率可表示为

MLR=CTλLdNuhc∫z1z2dz∫λ1λ2E(z,λ)δZZλθLR(λ)dλ1+∫z1z2dz∫λ1λ2E(z,λ)δZZλθZE(λ)dλ/∫z1z2dz∫λ1λ2E(z,λ)δZEλθZZ(λ)dλ,(2)

式中:C_T=C_ZZ+C_ZE为组织中的总胆红素摩尔分数,C_ZZ和C_ZE分别为ZZ-胆红素和ZE-胆红素的摩尔分数;δ_ZZ和δ_ZE分别为ZZ-胆红素和ZE-胆红素的摩尔吸光系数;θ_ZZ和θ_ZE分别为ZZ-胆红素和ZE-胆红素的光异构量子化产率。

Lisenko等^[9-10]获得的胆红素异构体LR的产生率与波长的关系如图1所示。

2.2 光谱匹配

光谱匹配是由波长、强度、半峰全宽均不同的两个光谱合成一个目标光谱,即

图 1. LR的生成率MLR与光波长的关系

Fig. 1. Relationship between LR generation rate MLR and light wavelength

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A=exp-(λ-λp)Δλ2,(3)P=13×(A+2×A5),(4)PLED=KB×PB+KG×PG,(5)

式中:K_B和K_G分别为蓝光和绿光的量;P_B和P_G分别为蓝光和绿光的光谱线型;Δλ为光谱半峰全宽;A为相对光谱功率分布;λ_p为峰值波长;P_LED为混合光谱功率分布。

LED选择常见的主波长约为480 nm的3 W蓝光LED(总光通量为90 lm)和主波长约为520 nm的3 W绿光LED(总光通量为160 lm)。改变蓝光和绿光的比例绘制光谱图,使绘制的光谱与目标光谱匹配度达到最好。由此得出在最佳匹配光谱下两种光的峰值波长、光谱半峰全宽以及蓝光绿光的比例。图2是目标光谱(虚线)和匹配光谱(实线)的比较图。可以看出,经光谱匹配计算后,得到与目标光谱匹配度较好的光谱形式,其中,蓝光峰值波长λ_PB=477 nm,光谱半峰全宽Δλ_B=60 nm;绿光峰值波长λ_PG=510 nm,光谱半峰全宽Δλ_G=40 nm。绿光的比例K_G=0.4,蓝光的比例K_B=0.6,其匹配度达到90%。因此,光谱匹配得到的所需蓝绿光LED的波长与实验选取的LED在最大程度上相似。利用绿光与蓝光为2∶3的比例即可获得Lisenko等^[9-10]仿真得到的LR的生成率最高的蓝绿光LED光源。

图 2. 目标光谱和匹配光谱之间的比较

Fig. 2. Comparison between target spectrum and matching spectrum

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2.3 光源模块的设计

根据黄疸患儿体征和理想光疗标准^[12],设计的光斑面积为S=300 mm×500 mm,受照面总辐照度E≥30 μW·cm^-2·nm^-1,光均匀度不小于80%。对于绿光,根据理想光疗标准,设辐照密度E_G=2 mW·cm^-2,视见函数约为0.5,光通量Φ约为1024 lm。而对于蓝光,由于蓝光的视见函数约为0.09,用相同的方法计算,其光通量远小于1024 lm。为了提高光疗的效果,将蓝光的最低光通量也设定为1024.5 lm。根据上文得出蓝光与绿光的比值约为1.5,定义蓝光的光通量为1536.8 lm。

由上文得出光源由20个功率为3 W蓝光LED和8个功率为3 W绿光LED组成,如图3所示,其中4、10~12、17~19、25为绿光LED,其他为蓝光LED。采用铝基板做灯板以达到较好的散热效果。

图 3. 蓝绿光LED阵列形式

Fig. 3. Blue-green LED array form

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利用光线追迹原理对光源模型进行光学模拟,如图4所示,根据仿真的结果,在距离光源为400 mm,面积为300 mm×500 mm的受照面上的照度均匀度达到82.8%,达到了设计要求。

图 4. 仿真得到受照面上的照度图

Fig. 4. Simulated illuminance map on illuminated surface

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2.4 菲涅耳透镜的设计

为获得更均匀的光照效果,减少眩光效应,需要对透镜进行设计。考虑透镜效果和加工成本,最终确定为阵列形式的菲涅耳透镜。光线照射到菲涅耳透镜的环带面一侧,根据折射定律,光线发生偏转,每个环带面都相当于一个棱镜,光线在环带面处发生偏折,偏折后沿平行于轴线方向出射,最终照射在接收面上。正是菲涅耳透镜不同环带对光线的作用,使 LED光源发出的光以等光强的形式叠加于接收面上,从而达到受照面照度均匀的目的。

在设计中,每个LED对应一个菲涅耳透镜单元,透镜阵列由7×4个圆形菲涅耳透镜组成,透镜厚度为3 mm,环形半径为40 mm,固定菲涅耳透镜的齿深为1 mm。从单个菲涅耳透镜的环距和透镜到光源的距离两方面对照明效果进行仿真和分析。图5和图6分别为透镜环距和透镜到光源间的距离与均匀度的关系。经分析得到,当菲涅耳透镜的环距为1 mm、透镜到光源的距离为1 cm时,均匀度达到最高约为85%。

图 5. 透镜环距与均匀度的关系

Fig. 5. Relationship between lens ring distance and uniformity

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图 6. 透镜到光源间的距离与均匀度关系

Fig. 6. Relationship between distance from lens to light source and uniformity

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3 光源系统的照明效果测试

对以上设计的光源系统和透镜进行加工,并应用照度计对照明区域进行检测。经测试,光源光谱的主波长为492 nm,与预期的490 nm主波长极为接近。将300 mm×500 mm的有效区域分成6×10个50 mm×50 mm正方形区域,测量点为各子区域的几何中心点,测量点间距为100 mm^[11]。测量结果如图7所示。根据测量的数据进行计算得到,照度平均值为32.9 μW·cm^-2·nm^-1,均匀度达到81%,满足国家光疗设备安全专用要求中关于黄疸光疗仪均匀度的要求。

图 7. 蓝绿光LED阵列的照度分布测试

Fig. 7. Illumination distribution test of blue-green LED array

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对安装菲涅耳透镜后的光源系统进行测试,测量距离光源为40 cm处受照面的照度分布,如图8所示。照度下降为31 μW·cm^-2·nm^-1,均匀度约为85%,与仿真结果相符。由图可知,安装透镜后,在受照面上的均匀度有所提高,但是照度下降。其均匀度与未安装菲涅耳透镜相比有所提高,并且达到了设计要求。

图 8. 加透镜的光源系统的照度分布测试

Fig. 8. Illumination distribution test of light source system with lens

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4 结论

提出了一种新型的黄疸光疗光源系统方案。根据光线在皮肤和组织中的复杂的传递过程及胆红素和光红素之间的转化过程,通过光谱匹配建立与目标光谱匹配度较高的光源光谱,并以计算得到的波长、半峰全宽以及蓝绿光的比例为依据选取实际LED光源。对LED光源阵列进行设计、仿真以及加工后,对光源系统进行照度检测,其照度平均值为32.9 μW·cm^-2·nm^-1,均匀度达到81%。为进一步提高光源系统的均匀度,设计了菲涅耳透镜阵列,当单个菲涅耳透镜的环距为1 mm、透镜到光源的距离为1 cm时,得到最佳均匀效果,经系统加工及测试后得到,照度为31 μW·cm^-2·nm^-1,均匀度约为85%,与仿真结果相符。符合婴儿光治疗设备安全专用要求中的规定^[12],达到了设计要求。本研究对治疗新生儿黄疸有较高的应用价值,为提高黄疸光疗仪光源系统的光照效果提供了更加经济有效的方法。