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[转载]【好文荐读】北京理工大学胡晓明:一种用于口腔光动力治疗的便携式照明光源

已有 668 次阅读 2022-11-18 11:11 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

本文介绍北京理工大学胡晓明与北京大学口腔医学院韩莹合作设计的一种用于口腔光动力治疗设备,它可方便地被置于口腔内部,并具有良好的光照均匀度、线性调光范围和温度安全性,论文发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2022年第6期。

A portable illumination device for photodynamic therapy of the oral cavity

一种用于口腔光动力治疗的便携式照明设备

Xiaoming Hu, Jiyuan Xiong, Xu Wang, Qin Li and Ying Han


研究背景

口腔白斑是一种可能导致口腔鳞状细胞癌的恶性疾病,通常比恶性转化早几个月到几年。口腔白斑的早期诊断和治疗有助于降低口腔癌的发病率,提高患者的生活质量,并节省医疗费用。由于口腔空间环境狭窄,传统光动力治疗设备难以置于口腔内部进行照明。因此,本文设计了一款能置于口腔内部的小型光源照明设备,为进行口腔光动力治疗提供了一种新型治疗方案。


内容简介

本文设计了一种用于口腔光动力治疗的小型光源设备,并对光照均匀性、调光范围、线性度和温度安全性等进行了评估。光源设备主要由LED柔性阵列、水冷散热器、液体循环水泵和驱动控制电路组成。LED柔性电路基板由微型发光二极管阵列构成,背面粘贴3D打印水冷散热器,用于维持光源正常工作温度;液体循环水泵用于维持冷却水的循环;驱动控制电路用于对LED阵列进行调光和控制水泵运行。实验结果表明LED光源线性调光范围在10~100 mW/cm2内具有良好的线性度和光照均匀性。LED阵列光源以100 mW/cm2的辐照度工作时,表面温度能够保持在42℃以下。因此,该光源装置可满足口腔光动力治疗的需求。


图文导读

1. 光源设备构成

图1展示了该LED光源设备的治疗示意图和工作原理。LED光源柔性阵列尺寸仅为17×11×4 mm3,LED光源阵列采用柔性电路加工完成以减小厚度和便于散热,LED光源阵列表面涂有一层防水涂层,用于保护LED和内部电路走线。其背面粘贴有一个U型冷却器,冷却水循环通过冷却器对电路板散热。LED光源驱动电路采用专用的LED恒流驱动芯片,可保证良好的调光线性度。驱动器通过场效应管控制直流水泵转速以调节冷却水流量,避免高温对病人口腔的灼伤并维持光功率的恒定。

图1. 便携式口腔光动力设备的应用和组成

2. LED光源均匀性仿真和实验评估

LED光源辐照度均匀性实验测试如图2所示,在LED光源阵列上方放置一个半透明塑料板,然后通过手机相机拍摄光照分布,对图像灰度值的统计分析,用变异系数衡量LED光源光照均匀性。

图2. 辐照度均匀性测量

实验设置相机曝光时间为1 ms,拍摄光源在半透明塑料板上的照明效果,如图3所示。图3a为原始图像,图3b为经过处理后的灰度图。在10*10 mm2区域内,系数变化降至4.9%,在9 *9 mm2区域内则降至3.7%。

图3. LED光源辐照度图

此外,我们还采用Trace Pro对光源辐照度分布进行仿真模拟。如图4所示,分别计算光源辐照度在不同范围的变异系数。结果表明,在10*10 mm2范围内,变异系数变化小于19%;在9*9 mm2范围内,变异系数下降到7%以下。

图4. LED光源均匀性的蒙特卡罗模拟

3. LED光源温度仿真和实验评估

我们采用有限元分析方法研究治疗设备的温度分布情况,当光源在治疗表面的辐照度为100 mW/cm2时,光动力治疗仪的温度分布如图5所示,可以看出其温度最高点位于LED光源照明侧,且温度分布比较均匀。通过测温仪实时记录在不同冷却水流量下的表面温度,结果如图6所示。可以看到随着冷却水流量的提高,光源表面温度呈下降趋势,当冷却水流量大于12 mL/min,LED光源表面温度低于42℃。

图5. 仿真温度分布

图6. LED光源温度和冷却水流量关系

4.LED光源调光范围和线性度评估

我们控制驱动电路的PWM信号占空比以10%步进从10%调节至100%,通过光功率仪测量治疗设备输出的光功率,测量结果如图7所示。从图7可以看出该LED光源在10~100 mW/cm2的工作范围内且具有较好的线性度。在辐照度低于60 mW/cm2时,相关系数R2达到0.9997;在整个辐照度范围内,相关系数R2为0.9983。因此在进行口腔光动力治疗时可以很方便的进行光照调节,满足医生需要的光功率值。

图7. 辐照度与PWM占空比之间的关系曲线

通讯作者简介


胡晓明,北京理工大学生命学院,副教授。长期从事光动力治疗技术及应用研究,发展了用于皮肤病及口腔疾病的光动力治疗设备,对治疗设备、光照优化均匀性控制与时间调制技术等提供了解决思路,在JBO、ANAL METHODS-UK、Comput Method Biomec等期刊发表SCI论文10余篇。获得国家自然科学基金及企业资助,主持各类国家、省部级项目4项,参与国家科技重大专项等项目4项,授权国际国内发明专利6件。


韩莹,北京大学口腔医学院口腔黏膜科,副主任医师,副教授。第八届中华口腔医学会口腔黏膜病专业委员会委员;北京口腔医学会第三届口腔黏膜病专业委员会委员;北京中西医结合学会第四届口腔专业委员会委员。参与多项国家级及省部级科研课题,发表中英文文章十余篇。擅长诊治口腔黏膜潜在恶性疾患及疑难口腔黏膜病,作为工作组组长,参与中华口腔医学会口腔黏膜病专业委员会《5-氨基酮戊酸光动力疗法治疗口腔潜在恶性疾患的专家共识》的撰写。



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