一种护膝式LED灯关节炎保健仪设计.pdf

-103-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 7 期三星推荐关节炎是一种常见的慢性关节疾病，全球范围内患病人数众多，且发病率逐年上升。传统的关节炎治疗方法主要包括药物治疗、物理治疗和手术治疗等。药物治疗主要通过抗炎药、镇痛药等缓解症状，但长期使用可能产生副作用；物理治疗包括热敷、冷敷、电疗等，但效果因人而异；手术治疗则适用于严重病例，存在一定的风险和局限性。所以，探索一种安全且高效的非药物疗法成为医疗领域的重要研究议题。LED 光疗是一种新兴的光疗法，具有操作简便、安全有效等优点。LED 灯发出特定波长的光，通过光化学作用和温热效应，可产生消炎、缓解疼痛、促进血液循环等作用。护膝式LED灯关节炎保健仪正是基于LED光疗原理设计而成，为关节炎患者提供了一种新型的非药物治疗方法。近年来，国内外学者对护膝式 LED 灯关节炎保健仪进行了广泛的研究。早期研究主要集中在 LED 光的波长、功率、照射时间和频率等参数的选择和优化上，以确定最佳的治疗参数。随着研究的深入，越来越多的学者开始关注护膝式 LED 灯关节炎保健仪与其他治疗方法的协同作用。研究表明，护膝式 LED 灯关节炎保健仪与药物治疗联合使用可以显著提高治疗效果。此外，有学者还对护膝式 LED 灯关节炎保健仪在临床实践中的应用效果进行了评估，结果显示大多数患者在使用后症状得到缓解，生活质量得到提高。护膝式LED灯关节炎保健仪作为一种新型的非药物治疗方法，为关节炎的治疗提供了新的思路和方法。然而，目前的研究还存在一些不足之处，如缺乏长期随访的数据、样本量较小以及患者个体差异的影响等。因此，未来的研究需要进一步深入探讨护膝式 LED 灯关节炎保健仪的作用机制和最佳治疗参数，同时加强与其他治疗方法的协同研究，以提高综合治疗效果。此外，还需要关注护膝式 LED 灯关节炎保健仪在实际应用中的安全性和可靠性问题，加强质量控制和安全操作规程的制定。关节炎症状分析关节炎是一种涉及关节及其周围组织的炎症性疾病，其症状主要包括关节部位的红肿、热痛，以及功能障碍和关节畸形等。这种疾病可以影响全身各个关节，但膝关节和踝关节等关节是常见的受累部位。关节炎是一种严重的自身免疫病，其中关节处的免疫组织释放特异性抗体，这些抗体与某种抗原结合，但由于某种原因无法消灭这些抗原，导致关节处产生慢性炎症。这种炎症反应会导致关节内释放致炎因子，行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种护膝式 lED 灯关节炎保健仪设计李玉浩 侯超颖 邵承东 刘泓君 张 宇李玉浩 侯超颖 邵承东 刘泓君 张 宇*佳木斯大学通信作者：张宇基金项目：佳木斯大学大学生创新创业计划训练项目资助。中国科技信息 2024 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-104-三星推荐从而引发关节疼痛。发病初期，关节痛经常呈现为轻度或中度的间接性隐痛，经过适当的休息可以得到一定程度上的缓解。然而，当再次活动关节时，疼痛往往会加剧。此外，天气变化，特别是寒冷和潮湿的环境，也可能加重关节疼痛。在病情晚期时，疼痛可能变为持续性，甚至在夜间也会发生。此外，关节炎还可能导致骨质增生，也就是在关节表面形成骨赘。随着病情的发展，关节疼痛可能导致人的活动能力下降，甚至出现下肢用力不均的情况，长久之后可能导致肌肉萎缩，使关节变得无力。保健仪治疗作用分析缓解疼痛据研究发现大部分关节炎患者的临床表现为，关节处剧烈疼痛。同样，缓解疼痛是目前最有效，首选的治疗方式，可以通过降低关节处的疼痛感，去改善患者的生活质量。近年来，低能量激光技术在医学领域的应用逐渐受到关注。许多科学研究探讨了低能量激光对人体作用的机理，这些研究认为，低能量激光通过多种方式调节人体生理过程。根据美国发明家 Edmund Wong 等人的发明专利“利用低功率激光缓解疼痛的方法”，为牵扯疼痛的缓解与治疗提供了一种新型有效的手段。通过弱激光照射可以促进关节部位的血液循环，从而增加细胞的代谢和营养供应，有助于加速伤口愈合和减轻炎症反应，提高组织的修复能力。进而起到镇痛和减轻炎症的效果。另外，可以通过激光照射特定穴位或直接照射疼痛部位能够刺激神经末梢，从而抑制疼痛信号的传递，进而达到缓解疼痛的效果。Marvin Prescott 等人的实验结果表明，低能量激光照射伤口缝合处可以有效减轻或消除疼痛。综上所述，低能量激光治疗关节炎具有显著的优势和效果。它可以促进血液循环、增加细胞代谢和营养供应、抑制炎症反应并提高组织修复能力。这些作用可以有效缓解疼痛、改善患者的生活质量。减缓炎症黄保续等研究者在其研究中指出，从现代分子免疫学的视角出发，低能量激光在减轻炎症方面具有显著效果。特以He-Ne 激光为例，其波长为 632.8 纳米，在光谱中属于典型的红色可见光。当这种特定波长的光线被生物组织吸收后，会产生一系列的光化学和热效应。这些效应通过人体神经系统对下丘脑产生影响，促进分泌调节多性肽（HRP）。当HRP 与细胞膜上的受体结合后，会进一步激活腺苷酸环化酶，从而增强免疫细胞的分泌功能，提高免疫力。另外，当低功率 632.8 纳米的 He-Ne 激光照射免疫器官时，其产生的热作用对局部组织的血液循环有显著的改善效果，使血管扩张、人体细胞的细胞膜通透性增加以及能量ATP 供应的相应增加等。这些变化进一步促使 LDH、SDH和 GDH 的活性提高，加强了三羧酸循环和糖酵解代谢过程。加快了细胞内核糖核酸的合成，局部糖原及-球蛋白的含量也明显增高。这些变化还增强了交感肾上腺系统的活力。这些综合效应导致白细胞和巨噬细胞的活性显著增强，从而显著增强了免疫系统消灭难以根除的入侵抗原的能力，使免疫系统恢复平衡。因此，低能量激光在免疫调节和治疗方面具有广阔的应用前景。对肌肉的作用Vanin 等人对 2017 年之前的 LEDT 和低水平激光疗法（LLLT）进行了全面的文献回顾，他们精心挑选并分析了39 项相关试验，这些试验共涉及 861 名参与者。经过深入的研究，他们发现 LED 的波长在 655 950 纳米之间时，对改善运动相关的肌肉疲劳最为有效。对于小肌肉群而言，最佳的能量剂量范围是 20 60 焦耳，而对于大肌肉群，能量剂量范围则提升至 60 300 焦耳。这些发现进一步强化了 LEDT 和 LLLT 作为改善运动相关的肌肉疲劳的有效治疗手段的地位。进而验证了 LED 可以通过改善肌肉功能的方式使关节炎得到一定程度的缓解，造福患者。促进细胞增殖LED 光疗是一种利用光生物调节作用（PBM）来发挥治疗作用的方法。这种机制的关键在于线粒体内部的细胞色素 C 氧化酶（COX）。在受到低能量激光的刺激后，该酶能够将光效应能量转化为生物代谢能量。这种转化过程为有氧呼吸提供了更多的电子和三磷酸腺苷（ATP），进而促进了细胞表达中 DNA 和 RNA 的合成，进一步激发了细胞的增殖和分化等重要调节作用。另外，还有其他研究表明了，光生物调节（PBM）能够通过增加活性氧簇（ROS）的产量来激活某些转录因子。这种激活作用能够抑制细胞凋亡，并促进细胞的迁移、黏附和增殖。正是由于这些复杂的生物化学过程，使得 LED 在光疗方面的应用日益受到重视，并在临床领域逐步扩大其应用范围。在临床应用方面，LED 光疗为许多疾病的治疗提供了新的途径，例如皮肤疾病、炎症和疼痛等。随着研究的深入，未来可能会有更多的应用领域被发掘出来。LED灯原理分析LED 灯的工作原理LED 灯是一种电致发光的半导体材料芯片，当电流通过时，它可以将电能转化为光能。LED 灯的发光原理基于LED 内部的 PN 结，在 PN 结上加电压后，电子和空穴被电场加速，并在 PN 结附近相遇，形成电流。这个过程释放出能量，并产生光子，从而实现电致发光。LED 灯具有高效、节能、环保、寿命长、体积小等特点，被广泛应用于各种照明和显示领域。LED 灯的发光原理发光二极管，也称为 LED，是由-V 族化合物制成的半导体器件。这类化合物包括 GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）和 GaAsP（磷砷化镓）等。这些化合物具有一个核心的 PN 结，它具有典型的 P-N 结特性，即在正向偏置下导通，而在反向偏置下则截止或击穿。然而，在特定条件下，这些半导体材料展现出独特的发光特性。LED 灯的发光原理-105-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 7 期三星推荐基于半导体材料中的电子和空穴的复合过程。在正向电压的驱动下，电子从 N 区注入 P 区，同时空穴从 P 区注入 N 区。这些少数载流子与多数载流子在对方区域内进行复合，释放出能量，表现为可见光或其他波长的光辐射。这种发光过程具有高效、耐用和紧凑的特性，使得 LED 成为现代照明、显示和信号指示的重要元件。根据不同材料的半导体和掺杂元素，可以调节 LED 发出光的颜色和波长。LED灯具的材料与性能在制作 LED 灯具时，材料选取至关重要。LED 灯的发光芯片作为核心部件，其品质直接影响到 LED 灯的发光效果和寿命。目前最优的发光芯片当属蓝宝石芯片，由于蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量上乘，稳定性好，易于处理和清洗。散热材料的选取也关乎 LED 灯的寿命。铝制材料因其良好的散热性能而广受欢迎，而亚克力板虽然透光性稍高，但不具备自熄性，且不具备耐燃性。灯罩材料的多样性也给 LED 灯的设计提供了无限可能。现代款式的灯罩多采用 PP 材料、羊皮纸材料、金属材料、亚克力材料和玻璃材料等制成，而传统款式的灯罩则倾向于使用铜材、石材和玻璃等材料制作。制作 LED 灯具时需要综合考虑使用的场合以及需要确保治疗的功能需求等多方面因素来选取合格和效果优良的材料。同时还要关注材料的品质和加工工艺等因素，以确保制作出的 LED 灯具有优良的性能和使用质量。本文选用的 LED 性能指标参数如下。（1）峰 值 波 长：四 色 LED 分 别 输 出 630nm、410nm、595nm、850nm 的光波，这四种颜色构成了丰富多彩的光谱。（2）发光强度：每个 LED 的发光强度在 8 000 10 000mcd 之间，确保了足够的亮度，使得即使在远距离下也能保持清晰可见。（3）光谱半宽度：每款 LED 的光谱分布都非常集中，半宽度仅为 2nm，这保证了颜色的纯正，避免出现杂色。（4）半值角：每个 LED 的发光角度均为 15，这意味着光线主要集中在较小角度的范围内，使得光线更为集中，适用于需要精确光照的场合。产品结构设计LED 保健仪功能设计在本次设计中，我们详细规划了 LED 保健仪的功能架构。这款仪器具备自动程序控制功能，同时用户也可以根据个人需求进行自定义操作。其工作方式允许用户自由选择波长，并可调节光强度和治疗时间，为用户提供了极大的便利性和灵活性。LED 在生物医学方面的应用非常广泛，治疗机理大体相同，主要基于光生物调节作用。在治疗过程中，我们需要关注的关键因素是治疗波长和照射剂量。照射剂量由照射的光强度和治疗时间共同决定，它是衡量治疗效果的重要指标。LED 灯阵列设计 在护膝式 LED 灯关节炎保健仪的设计中，特别选用了一种先进的 LED 阵列。该阵列包含了四种波长的 LED，分别为 635nm、590nm、530nm 和 410nm，每个波长的LED 都有其独特的治疗效果。为了确保准确性，这些 LED的波长范围被严格控制在 2nm 之内，这样可以确保发出的光线能够精准地作用于患者的关节部位。每个 LED 的直径为 5mm，这种小巧的设计使得整个保健仪非常轻便，便于患者穿戴。此外，每个 LED 的额定功率约为 0.1W，这使得整个保健仪的能耗非常低，同时也确保了长时间使用的安全性。值得注意的是，由于 LED 属于非线性器件，其驱动方式需要特别注意。为了确保 LED 能够稳定、高效地工作，我们采用了恒流源的方式来驱动它。这种方式可以有效地避图 1 发光原理图图 2 设计方案图 3 LED 灯排列示意图中国科技信息 2024 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-106-三星推荐免由于电压波动或其他外部因素导致的电流不稳定，从而保证了 LED 的寿命和治疗效果。LED 保健仪整体设计在整体设计上，LED保健仪需充分融合功能、人体工学、图 4 保健仪正面图 5 保健仪背面和遥控装置安全性、耐用性和成本等要素。优先，考虑到护膝式 LED灯关节炎保健仪主要用于膝关节治疗，其形状与尺寸需符合人体工学，便于患者穿戴，并注重易用性和舒适性。在材料选择上，应选用具备足够强度、耐久性、阻燃性等安全特性的材料，以确保 LED 保健仪的耐用性和安全性，并符合相关国家和国际安全标准。另外，LED阵列的布局需合理设计，确保光线能够均匀照射到膝关节，同时有利于散热，降低工作温度。电源与控制模块作为核心部分，应选用高效稳定的电源，并具备过热保护、过流保护等功能，防止仪器在异常情况下损坏。操作界面应简洁明了，操作方式简单易懂，配备必要的控制按钮和显示屏，方便用户调整治疗参数和查看工作状态。在保证性能和安全性的前提下，应尽可能降低成本，提高产品的可维护性。考虑到未来可能的治疗需求和技术发展，兼容性与扩展性也需纳入设计考量范围，为产品升级留出空间。总之，LED 保健仪的整体设计需综合权衡各方面因素，以实现最佳平衡，开发出高性能、安全可靠、经济实用的产品。结语护膝式 LED 灯关节炎保健仪，通过利用低能量可见光LED的生物调节作用，为关节炎患者提供了一种安全、舒适、无副作用的治疗选择。该设备能够缓解疼痛、减缓炎症，改善肌肉功能，满足广大患者的需求。由于其轻便、可调节和易于携带等特点，护膝式 LED 灯关节炎保健仪具有广阔的市场前景和应用价值，为关节炎患者带来福音。随着老龄化的加剧，关节炎的发病率逐渐上升，护膝式 LED 灯关节炎保健仪的发展将为更多患者提供有效的治疗方式，促进健康和福祉。