光的治愈能力:从紫外光消毒到光动力癌症治疗

日期:  
2020年 6月 29日
作者: 
Anne Corning  | 
主题: 

太阳光的电磁光谱使生命成为了可能,如果没有太阳光,地球将是一个贫瘠、冰冷的岩石球。从产生温带气候的天气系统,到产生氧气和食物的植物光合作用,光线都起着许多重要的作用。近来,各种波长的光线在医疗保健、医学和健康领域的新用途已经被发现或者已经引起了新的关注。这篇博客文章将探讨光线的一些有益应用。

快速回顾:光线与色彩知识

整个电磁光谱包含人眼可见的光和人眼不可见的光。一种对光线进行表征的方法是通过光线的波长。光谱范围从一端的超高能量伽马(γ)射线(短波长)开始,一直到另一端的低能量微波和无线电波(长波长)。光谱中间位置的极小波段是人眼可见光的范围。可见光的波长范围大约在380纳米(nm)到830 nm之间,该范围的低能量端边界为紫外光(UV),高能量端边界为红外光(IR)。
 

顶部条图显示了完整的电磁辐射光谱,包括X射线、微波、无线电波等不可见光,按波长递增的顺序绘制。底部条图显示了可见光的放大视图:人眼可以感知的狭窄电磁光谱范围。

绿光可以缓解疼痛

慢性疼痛影响着超过1亿美国人,每年的治疗花费高达6300亿美元。1 美国亚利桑那州图森市班纳大学医学中心慢性疼痛管理诊所负责人Mohab Ibrahim博士最新进行的一项研究为这些患者带来了新的希望,并且这种新希望并非来自阿片类药物。

在一项为期25周的临床研究中,研究人员将患有慢性疼痛的患者曝露于525 nm波长的低强度环境绿光下。据患者报告,疼痛减轻了60%,尤其是患有纤维肌痛、偏头痛和间质性膀胱炎的患者。从理论上讲,进入人眼的绿光会激活人体的神经系统,促进脑啡肽的产生,脑啡肽是一种可以调节疼痛感并作用于阿片类受体以缓解疼痛的物质。2016年发布的一项更早的研究报告也显示了绿光在缓解偏头痛方面的有益作用。2

低强度绿光LED光带(图片:Source)。

水的净化

除了阳光外,水是另一种对于地球上的所有生物都至关重要的元素。如果没有水,一般人通常无法生存超过3-4天。然而,在地球上的许多地方,获取足够的饮水供应以满足总人口的饮水需求是一项挑战。即使可以获取水资源,它们也可能含盐、充满沉淀物或者受到了细菌和疾病的污染。

值得庆幸的是,阳光本身可以对水进行消毒和净化。这种效应被称为“阳光消毒法”SODIS,部分原因在于阳光的辐射热可以将透明的水容器加热到70-100°C的温度,这足以杀死许多病原体。水容器必须由玻璃或非反应性塑料(比如:PET)制成。

此外,研究已经证明,紫外光具有杀菌作用,特别是波长为254 nm的UV-C光。紫外光分为UV-A(波长约为320至400 nm)、UV-B(波长约为280至320 nm)和UV-C(波长约为200至280 nm)。245 nm波长的紫外光破坏了病原微生物的DNA,以致它们无法繁殖,从而被去活化。3

阳光消毒法(SODIS)在印度尼西亚的应用,使用透明PET塑料饮料瓶(图片来自 SODIS Eawag,经由Creative Commons Unported, CC 3.0获取)

蓝光用于癌症治疗

研究已证明,蓝光激光器和LED灯可以帮助治疗部分癌症,无需进行手术或放射治疗。这种称为“光动力疗法”的新治疗方法将药物与曝光相结合。仅当患者曝露于蓝光(通常为蓝光LED)下时,药物才会在患者体内“激活”。该方法可以有效地治疗位于皮肤表面或附近或者光线可以进入体内的其他部位的癌症。

当患者摄入药物后,则将光线照射到患者需要治疗的部位,促使药物发生反应,并形成一种特殊的氧分子,该氧分子可以杀死癌细胞,并帮助破坏滋养癌细胞的血管。4此外,研究还表明,光动力疗法(药物+蓝光)可以有效治疗部分癌前皮肤病。

红光和蓝光LED用于皮肤治疗?目前尚无定论

一些专家一直在吹捧使用红光和蓝光LED灯(功率相对较低)进行美容保健治疗。举例来说,他们表示,红光LED灯可以作用于皮肤上的纤维原细胞,该细胞在胶原蛋白的产生方面发挥作用。作为一种蛋白质,胶原蛋白构成结缔组织的很大一部分,其可以在皮肤受到伤害时帮助皮肤恢复。
因此,从理论上讲,红光可以帮助逆转一些与皮肤的光衰老有关的迹象。5 一些研究也表明,红光可以帮助患有雄激素源性脱发或者男性或女性脱发的人恢复头发。6

一些医疗专业人员正在使用蓝光LED灯来治疗痤疮。据他们认为,蓝光有助于减少皮脂腺的活动,从而减少油脂的产生。“蓝光还可以杀死引起痤疮的细菌,称为痤疮嗜酸杆菌。通常将蓝光与红光结合使用,以帮助对抗痤疮,蓝光针对痤疮嗜酸杆菌,红光则针对炎症和发红症状”。7

目前尚无明确的研究表明,这些基于光的治疗方法比目前用于美容用途的任何其他治疗方法更有效,还需要进行更多的研究来确认其功效和长期效果。

紫外光用于医疗消毒

自新冠肺炎(COVID-19)疫情发生以来,消毒方法已成为头版新闻。尤其令人关注的是紫外光用于对空气和表面进行消毒的潜在应用。UV-C光波已被用于对实验室设备等物体(不规则的形状和装配的零部件可能导致难以通过擦拭对这类物体进行彻底消毒)以及飞机、公共汽车等封闭空间进行消毒。

虽然UV-C光消毒方法以前一直未在医院或医疗机构中得到广泛使用,但这种情况正在迅速发生改变。虽然研究尚未最终证明UV-C射线能够杀死新型冠状病毒,但它们确实能够杀死与冠状病毒有关的其他菌株,比如引起MERS(中东呼吸综合征)的一种菌株,因此专家表示,UV-C光“可能”对SARS-CoV- 2(COVID-19)有效。8 紫外光技术领域和医疗行业目前都在迅速致力于UV-C光的测试和医疗机构消毒标准的制定。

许多公司正在制造便携式UVC灯,用于对经常曝露于病毒之下的区域进行消毒。此类手持式仪器在医院、EMS、警察和消防部门使用的车辆中尤其有用,可以帮助对车辆进行消毒。9

紫外灯阵列,可用于帮助对手术室或其他医疗环境进行消毒。

随着零售商店、饭店和教室正在考虑重新开放后如何维持卫生标准,使用紫外光进行消毒的做法在其他行业也变得流行起来。一种称为“房间上层杀菌辐照”的技术曾在21世纪初首次出现,该技术现在又重新流行起来,其使用“安装在墙壁或天花板上的固定装置,类似于荧光灯,用于将紫外光照射到内部空间的顶部(头顶上方)”,并通过吊扇帮助将病原体吸入该装置。10

这类系统经过精心设计,确保仅将光线投射到房间顶部,而不会穿过人类可能占据的任何空间,因为直接曝露于紫外光下可能对人体有害。举例来说,许多皮肤癌与曝露在阳光中的紫外线下有关。11

此外,“介于400 nm与500 nm之间的蓝光会对视网膜造成光化学损伤,并可能导致视网膜黄斑变性。现行的国际IEC 62471标准包含有关灯具和灯具系统光生物安全性评估的准则”。12 这些风险意味着,在接近人体的位置使用任何基于紫外光的消毒方法都必须严格遵循使用准则,并对紫外光光源进行校准。

紫外光光源的测量

要对紫外光LED进行可靠且准确的测量,必须使用极为灵敏的光学测量系统进行精确的辐射特性表征,以确保紫外光光源的有效性,并最大程度地减少伤害风险。辐射通量测量方法适用于医疗保健和其他环境中使用的UV-B和U-VC LED的光谱范围。这类LED通常具有相对较低的光功率。

Radiant的关联公司柯尼卡美能达美洲传感公司(KM Sensing)多年来一直提供紫外光测量仪器,并帮助设定紫外光LED校准标准,以解决蓝光的危害问题。柯尼卡美能达传感事业部(KM Sensing)提供一款一体化系统用于确定各种测量值,并提供多种工具用于验证测量结果。了解更多有关用于实验室和生产应用的紫外光测量仪器的信息。

光线与色彩的可见光谱测量

为了测量可见光谱中的光线,比如来自红光、绿光或蓝光LED的可见光,Radiant开发了完整的总承包解决方案,可用于在研发阶段和生产线环境下进行强度、照度、亮度和色度测试。

实验室环境。LED的物理结构比大多数光源更为复杂。在基于LED系统的设计过程中创建的准确光源模型将使照明工程师能够实现系统设计所需的性能,并在生产过程中验证装配正确性。

Radiant的一体化小型光源测量系统包括成像色度计和精密测角仪及专用软件,可以采集完整且精确的数据,以对光源输出进行表征。然后,用户可以将这些数据用于设计评估,并导入到任何主要的光学设计软件包中,比如ASAP®, FRED®, LightTools®, LucidShape®, Photopia™, IES TM-25, Opticad®, OSLO®, SimuLux®, SPEOS®, TracePro®,和OpticStudio™ (ZEMAX) 以及 IES 或 EULUMDAT等常规文件格式。

生产线环境。 LED的制造必须完全符合色度、亮度和色温设计规范要求。Radiant的ProMetric®成像色度计和光度计 配备先进的滤光片(与CIE色彩匹配函数完全匹配)和获得专利的 ProMetric 标定技术,可通过单个图像提供最准确、最完整的测量数据。

这些测量系统充分利用了基于图像的紧凑型系统的速度和空间效率,非常适合量产环境,并且能够同时测量光源阵列中、PCB上或背光组件(比如:背光装置(BLU)和LED光带)中安装的成百上千个小型光源。

Radiant的TrueTest™ 软件中显示的LED光带表征


引用文献

  1. Burkhart, F., “In the war on opioids, 525-nm LEDs offer hope”, SPIE News, October 1, 2019.
  2. Nosedo, R., et al., “Migraine photophobia originating in cone-driven retinal pathways”, Brain, Volume 139 (7): 1971-1986, July 2016.
  3. Oram, B., “UV Disinfection Drinking Water Treatment”, Water Research Center. (Retrieved June 19, 2020)
  4. Getting Photodynamic Therapy”, American Cancer Society. (Retrieved June 18, 2020)
  5. LED lights: Are they a cure for your skin woes?Harvard Health, October, 2019.
  6. Ibid.
  7. Ibid.
  8. Does ultraviolet (UV) light kill the coronavirus?”, Based on Science, published by The National Academies of Sciences / Engineering / Medicine, April 22, 2020
  9. Using UV Light to Kill Bacteria”, Konica Minolta Sensing Americas. (Retrieved June 25, 2020)
  10. Chang, K., “Scientists Consider Indoor Ultraviolet Light to Zap Coronaviruses in the Air”, The New York Times, May 7, 2020, updated May 21, 2020.
  11. Ultraviolet (UV) Radiation”, American Cancer Society. (Retrieved June 19, 2020)
  12. Blue Light Safety”, Konica Minolta Sensing Americas. (Retrieved June 25, 2020)
     
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