LED công suất cao ứng dụng trong thẩm mỹ và vật lý trị liệu

22

*Nguyễn Thanh Phương

Đặt vấn đề
Hiện nay, khi nhu cầu về chăm sóc sức khỏe cũng như làm đẹp ngày càng cao, các thiết bị chăm sóc y tế không xâm lấn, không gây đau đang rất được ưa chuộng do giá thành hợp lý và an toàn cho người sử dụng. Trong những năm gần đây phương pháp trị liệu sử dụng ánh sáng đơn sắc cũng đang trở nên phổ biến ở Việt Nam cũng như trên thế giới đặc biệt là công nghệ laser và công nghệ LED. Kết quả cho thấy ánh sáng có tác động tính cực đến các quá trình làm lành vết thương, thúc đẩy trao đổi chất, làm giảm đau và nâng cao thể trạng chung cho vùng da được chiếu cũng như vùng tổ chức bị tổn thương bằng các bước sóng thích hợp và tần số điều biến xung thích hợp. Hơn thế nữa việc điều trị bằng LED không cung cấp năng lượng nhiệt cao để làm tổn thương, phá hủy hoặc đốt cháy các mô da cụ thể hoặc chromophore, mà các tế bào da được kích thích bằng cách hấp thụ năng lượng bước sóng cụ thể (chỉ phụ thuộc vào chính bản thân ánh sáng đó) mà không phụ thuộc vào tính kết hợp hay tính phân cực của ánh sáng được sử dụng. Vì thế mà các nguồn sáng an toàn như LED dần chiếm ưu thế do có nhiều đặc tính vượt trội [1-2]. Trên cơ sở nhu cầu đã nêu, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị LED trị liệu công suất cao điều biến quang dùng trong lĩnh vực da liệu, thẩm mỹ và các ứng dụng quang trị liệu trên da nói chung. Thiết bị trị liệu thiết kế chế tạo đáp ứng một số yều cầu chung đặt ra cho quang trị liệu như: chọn được vùng bước sóng phù hợp, điều khiển được công suất bức xạ nhằm kiểm soát liều chiếu, chức năng điều khiển linh hoạt dễ dùng hay nói chung là thân thiện với người sử dụng, cấu hình phù hợp với chức năng định hướng ứng dụng trong điều trị, có các chế độ bảo vệ an toàn cho thiết bị và đặc biệt là đảm bảo an toàn y tế, cuối cùng là yêu cầu về độ linh hoạt về mặt cơ khí (gọn nhẹ, dễ di chuyển đến vị trí cần điều trị).
——————————-
Từ khóa: LED, Quang trị liệu, LED trị liệu
——————————————-
*Tác giả: Nguyễn Thanh Phương, Trần Quốc Tiến
Đơn vị: Viện Vật lý Kỹ thuật , Trường Đại học bách khoa Hà Nội,
Viện Khoa học Vật liệu , Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Email:Phuong.nguyenthanh@hust.edu.vn
————————————————-

Hình 1. Sơ đồ khối của thiết bị quang trị liệu

Thiết kế chế tạo
Thiết bị quang trị liệu trên cơ sở LED công suất cao điều biến quang được thiết kế chế tạo bao gồm các khối chính được mô tả trên sơ đồ hình 1. Khối phát quang là phần thiết kế cho mục đích phát ra bức xạ quang trực tiếp phục vụ quá trình điều trị. Cung cấp năng lượng cho các LED ở phần quang là khối nguồn cấp dòng trong phần điện tử. Khối nguồn cấp dòng này hoạt động theo tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển cũng nằm trong phần điện tử của thiết bị. Việc đặt và điều chỉnh các thông số hoạt động chính của thiết bị thực hiện thông qua khối giao tiếp. Đây là phần nhận các lệnh từ người sử dụng, chuyển thành tín hiệu số đưa tới mạch điện tử trong khối điều khiển qua đó kiểm soát hoạt động của toàn bộ thiết bị.

a)

b)
Hình 2. a) Phổ phát quang của các LED đơn sử dụng trong thiết bị trị liệu; b) Cấu hình panel phát quang của khối phát quang (nhìn từ cạnh và nhìn trực tiếp)

Trong khối phát quang, chúng tôi sử dụng 4 loại LED công suất cao với các bước sóng phát xạ là: 430 nm, 525 nm, 590nm và 630nm (hình 2a). Công suất điện tiêu thụ danh định cho mỗi LED đơn vào khoảng từ 0.8 – 1.1 W. Tại dòng bơm 350 mA, công suất quang ra của mỗi LED đơn vào khoảng từ 200 mW đến 400 mW. Điện thế rơi trên các LED đơn này trong khoảng từ 2.3 – 3.3 V. Panel phát quang được thiết kế cho thiết bị trị liệu từ các LED đơn, có dạng khum như trên hình 2b. Các LED đơn được chia đều thành 3 phần trên panel hai phần bên tạo góc 150 độ so với phần giữa. Hình dạng này của panel phù hợp với hình dạng các phần trên cơ thể người nhằm đảm bảo tối đa tia bức xạ đến bề mặt da theo hướng vuông góc. Để tăng mật độ bức xạ trên bề mặt nhờ đó giúp tăng hiệu quả điều trị, chúng tôi sử dụng kết hợp các ma trận thấu kính nhằm thu hẹp góc phát xạ của các LED. Trên panel phát quang, các LED màu khác nhau được phân bố đồng đều như thấy trên hình 2b. Trong thiết bị này chúng tôi sử dụng 84 LED đơn từ 4 loại bước sóng khác nhau với công suất tiêu thụ tối đa khoảng 80W.
Phần điện tử của thiết bị gồm hai khối chính: (i) phần nguồn cấp dòng nuôi các mảng LED và (ii) phần điều khiển cấp dòng. Phần điện tử sẽ điều khiển các LED hoạt động theo hai chế độ: chế độ liên tục và chế độ điều biến xung. Chúng tôi sử dụng 4 kênh cấp dòng độc lập cho 4 dãy LED màu khác nhau của phần quang (đỏ, vàng, lục, xanh). Khối điều khiển sẽ xác lập các thông số cụ thể cho hoạt động của từng kênh theo yêu cầu.

Hình 3. Giao diện điều khiển thiết bị

Hệ thống cấp dòng được điều khiển bằng khối điều khiển với linh kiện trung tâm là vi điều khiển ATMEGA128. Khối điều khiển nhận lệnh từ khối giao tiếp. Các lệnh từ bàn phím trên màn hình cảm ứng được truyền xuống bảng mạch điều khiển trung tâm đến vi điều khiển xử lý lệnh ATMEGA128. Vi điều khiển đưa ra số liệu để đặt dòng nuôi cho từng dãy LED màu. Vi điều khiển trong khối điều khiển này được nạp chương trình điều khiển để nhận thông tin điều khiển từ khối giao tiếp, xử lý thông tin và cuối cùng là xuất thông tin điều khiển cho các module chấp hành ở khối cấp dòng nuôi LED.
Khối giao tiếp dựa trên cơ sở chính là phần hiển thị được thiết kế với màn hình LCD 7 inch cảm ứng điện trở (model S70 Frendly ARMCo). Màn hình này được lập trình trên nền linux và giao tiếp với khối điều khiển bằng giao tiếp RS232. Thông tin được hiển thị trên màn hình sẽ bao gồm: bước sóng của LED, dòng cung cấp cho LED, tần số hoạt hoạt động của LED và thời gian làm việc (thời gian phát xạ của LED). Các thông số cụ thể được nhập vào trực tiếp trên màn hiển thị. Hình ảnh giao diện tương tác người dùng của thiết bị được giới thiệu trên hình 3.
Hệ thống cơ khí và và vỏ thiết bị được thiết kế dựa trên cơ sở yêu cầu sử dụng thực tế. Vỏ thiết bị đảm bảo được các yêu cầu về bảo vệ về mặt cơ học các module điện tử, nguồn nuôi của toàn bộ thiết bị, có dủ không gian cho việc tỏa nhiệt giúp thiết bị làm việc ổn định. Hệ thống vỏ được thiết kế phù hợp với chiều cao của giường bệnh, đáp ứng nhu cầu di chuyển linh hoạt của thiết bị xung quanh giường bệnh và từ giường bệnh này sang giường bệnh khác. Để giữ panel quang và đưa nó đến các vị trí cần thao tác, sử dụng một cách linh hoạt, chúng tôi đã thiết kế cánh tay đòn giữ và di chuyển đầu phát LED. Trên cơ sở các kết cấu cơ khí sẵn có cánh tay đòn được thiết kế dạng hai đoạn và hai khớp trên giá quay với độ cao thay đổi và giữ cố định nhờ các lò xo hãm. Cánh tay đòn giữ đầu phát quang này được gắn vào vỏ thiết bị chắc chắn và di chuyển linh hoạt được tới tất cả các vị trí theo 3 chiều trong không gian. Hình 4 là ảnh tổng thể của thiết bị LED trị liệu công suất cao mà chúng tôi đã chế tạo hoàn chỉnh.

Hình 4. Thiết bị LED trị liệu
Hình 4. Thiết bị LED trị liệu

Các thông số kỹ thuật và úng dụng thử nghiệm
Thiết bị LED trị liệu chế tạo hoàn chỉnh đã được tiến hành đo đạc các thông số kỹ thuật tổng thể và một số đặc trưng quang. Trên hình 5 chúng tôi giới thiệu kết quả đo phân bố quang của panel LED theo chiều ngang và dọc (x và y) trên mặt phẳng nằm ngang cách panel 10 cm. Kết quả này cho thấy nhờ có ma trận thấu kính sử dụng cho panel LED phân bố quang đã đồng đều hơn đặc biệt là theo chiều y và tập trung vào khu vực trung tâm của panel LED, nhờ đó tăng năng lượng chiếu xạ ở vùng cần điều trị.

Hình 5. Phân bố mật độ bức xạ của panel LED trên mặt phẳng ngang tại khoảng cách 10 cm

Các thông số kỹ thuật chính của thiết bị LED trị liệu như sau:
• Bước sóng hoạt động: 430/520/590/630 nm
• Công suất tiêu thụ/Công suất quang của LED (max): 80.0/16.5 W
• Mật độ công suất trung bình trên bề mặt: 30 – 50 mW/cm2
• Điện áp nuôi đầu vào: AC 220 V
• Kích thước đầu phát quang (w x d x h): 310 x 190 x 60 (mm)
• Độ dài cánh tay đòn giữ đầu phát quang: 480 + 350 (mm)
• Góc mở của cánh tay: 20o ÷ 180o
• Góc quay của đầu phát quang (trên trục): – 90o ÷ + 90o
• Góc quay của cánh tay đòn (trên trục): – 180o ÷ + 180o
• Chế độ hoạt động: Liên tục/Xung (tỉ lệ 1:1) 30 Hz – 1000 Hz

Hình 6. Thử nghiệm thiết bị LED trị liệu trên thỏ

Trên cơ sở thiết bị LED công suất cao, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm tác động y sinh của một số bước sóng trên động vật tại Khoa Y học thực nghiệm – Bệnh viện Trung ương Quân đội 108. Nghiên cứu cụ thể này khảo sát quá trình liền vết thương ở vết thương hở (đường kính 5mm) trên da lưng thỏ khi chiếu ánh sáng LED bước sóng 630 nm của thiết bị LED trị liệu với công suất 4.5 W, thời gian chiếu 30 phút (hình 6). Kết quả cho thấy đa số các vết thương được chiếu LED liền nhanh hơn các vết thương không được chiếu. Điều này cho thấy bức xạ đỏ từ thiết bị có khả năng kích thích phát triển các tế bào và mô trên da.
Kết luận
Chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thành công thiết bị LED công suất cao ứng dụng trong điều trị liền vết thương, da liệu, thẩm mỹ và quang trị liệu nói chung:
• Thiết bị kết hợp bốn bước sóng: xanh (430nm), lục (520nm), vàng (590nm), đỏ (630nm) ứng với các chức năng trị liệu khác nhau.
• Thiết kế đầu chiếu xạ hình vòng cung phù hợp với diện tích chiếu trên khuôn mặt và các vùng khác nhau của cơ thể. Cơ cấu cơ khí của thiết bị thao tác vận hành dễ dàng.
• Thiết bị LED trị liệu chế tạo được có mật độ bức xạ cao từ cực đại 30 – 50mW/cm2 trên bề mặt đầu chiếu sáng.
• Giao diện của thiết bị dễ sử dụng và điều khiển được các thông số như: công suất phát xạ, thời gian chiếu, tần số xung ánh sáng.
• Thiết bị đã được thử nghiệm y sinh bước đầu cho kết quả tích cực trên động vật.
Tài liệu tham khảo
1. W. L. Morison, “Phototherapy and photochemotherapy of skin disease”, 3rd Edition, Taylor and Francis, 2005, ISBN-10:1574448803.
2. D. Barolet, Semin. Cutan. Med. Surg. 27, 2008, pp 227-238.
3. N. M. Hung, V. D. Mien, T. M. Van, N. V. Hieu, T. Q. Tien, P. V. Truong, “Using laser diode therapy equipment to treat burns and wounds of rabbits”, Proc. of 8th International Workshop on Photonics & Applications, ISSN 1859 – 4271, pp. 657-661, Danang, Aug. 12-16th, (2014).