带音乐播放功能的红蓝led治疗仪设计学位论文.docx
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带音乐播放功能的红蓝led治疗仪设计学位论文
毕业设计（论文）
英文翻译
姓名何国伦
学号1011122220
所在学院理学院
专业班级10光信息科学与技术
（2）
指导教师黄楚云
日期2014年5月30日
毕业设计（论文）任务书
学院
理学院
指导教师
黄楚云
职称
教授
学生姓名
何国伦
专业班级
10光信2班
学号
1011122220
设计题目
带音乐播放功能的红蓝LED治疗仪设计
设
计
内
容
目
标
和
要
求
（设计内容目标和要求、设计进度等）
设计要求：
1、分析了解LED蓝光、红光在生物医学方面的作用机理；
2、介绍目前LED用于生物医学方面的研究进展，包括对植物、动物及人体临床医疗的研究。
并尝试拓展LED可能的生物医学应用。
3、设计一套带音乐播放功能的新型LED治疗仪器，包括LED阵列的设计，系统主机硬件电路设计以及系统控制软件的设计，仪器要求红、蓝光双波长输出，带USB插口，用于音频资料输入和播放。
设计内容：
1）前期完成阅读40篇专业相关参考文献，其中英文占1/3，并翻译一篇4000字左右的英文文献，英文文献内容不做专门指定，可以自己选择与专业相关的内容，但要经过老师审核确认；
2）查阅的文献资料，分析LED与生物组织作用的机理与现象；
3）查阅的文献资料，学习目前国际上所实施的LED生物作用的各种实验；
4）根据已有实验尝试拓展LED的其他生物应用；
5）学习相关电路知识及软件设计知识；
6）基于设计基础上的毕业论文。
设计进度：
2013年12月30日，下发设计任务书，明确设计任务；
2014年1月1日-3月上旬，查阅资料，准备开题报告，前期设计工作；
2014年3月上旬，开题答辩；
2014年4月-5月，毕业设计过程；
2014年5月底，毕业答辩。
指导教师签名：
2013年12月30日
基层教学单位审核
学院
审核
此表由指导教师填写学院审核
毕业设计（论文）学生开题报告
课题名称
带音乐播放功能的红蓝LED治疗仪设计
课题来源
导师提供
课题类型
DY
指导教师
黄楚云
学生姓名
何国伦
学号
1011122220
专业班级
10光信2班
本课题的研究现状、研究目的及意义
红蓝LED治疗仪采用高纯度、高功率密度的红光、蓝光对人体表面进行照射，直接作用可深达皮肤黏膜下层，光能被组织细胞吸收，可使机体白细胞吞噬等免疫防御系统功能增强，深部毛细血管扩张，血流加快，物质代谢旺盛，血液流体动力学效应得到改善，可降低血液黏度，调节血脂，加快炎性介质的廓清和组织水肿的吸收，促进肉芽组织和毛发的生长，促进胶元纤维细胞合成，加速细胞修复过程及伤口、溃疡和骨折的愈合，促进受损神经再生及细胞修复过程。
除局部生物效应外并可通过神经和体液通路，对生物体远端产生作用。
具有消炎消肿、镇痛解疼、改善局部组织血液循环及营养代谢，降低血脂，调节神经机能等治疗作用。
目前LED在生物医学方面的应用正日益扩大并呈良好的发展前景。
基于现有的LED治疗仪的发展成果，嵌入音乐播放的新功能，是在人民物质生活水平不断提高的背景下，对高端、人性化医疗服务的迫切需求。
本文就是根据LED与生物组织作用的现象与机理，利用现有的LED治疗仪成品，设计了一套带音乐播放功能的新型LED治疗仪器，包括LED阵列的设计，系统主机硬件电路设计以及系统控制软件的设计，仪器要求红、蓝光双波长输出，带USB插口，用于音频资料输入和播放。
本课题的研究内容
1、分析了解LED蓝光、红光在生物医学方面的作用机理；
2、介绍目前LED用于生物医学方面的研究进展，包括对植物、动物及人体临床医疗的研究。
3、设计一套带音乐播放功能的新型LED治疗仪器，包括LED阵列的设计，系统主机硬件电路设计以及系统控制软件的设计，仪器要求红、蓝光双波长输出，用于音频资料输入和播放。
本课题研究的实施方案、进度安排
实施方案：
首先对LED与生物组织相互作用的原理进行深入学习，根据研究学习得出的基本理论，利用现有的LED治疗仪成品，设计了一套带音乐播放功能的新型LED治疗仪器，包括LED阵列的设计，系统主机硬件电路设计以及系统控制软件的设计，仪器要求红、蓝光双波长输出，用于音频资料输入和播放。
课题类型：
（1）A—工程实践型；B—理论研究型；C—科研装置研制型；D—计算机软件型；
E—综合应用型
（2）X—真实课题；Y—模拟课题；
（1）、
（2）均要填，如AY、BX等。
工作计划：
1、3月初～3月中旬：
进行资料的查询，撰写开题报告.
2、3月中旬～3月底：
学习LED与生物组织相互作用的机制和原理。
3、4月初～4月中旬：
掌握LED治疗仪电路原理并熟悉使用相关软件。
4、4月中旬～5月中旬：
完成整体设计，具有音乐播放功能，实现红蓝光切换。
5、5月中旬～5月底：
完成毕业设计论文的撰写及装订工作。
已查阅的参考文献：
[1]何毅.光与医学的结晶—光学疗法.生命世界,2008,6（4）:
100-103.
[2]邓玲,陈仕国,马显光.半导体激光血管内照射对健康兔红细胞变形能力的影响.激光杂志,2001,22
（2）:
79-80.
[3]黄保续,王鸿斌.低能量激光照射免疫学调节效应的研究进展.东北农业大
学学报,1999,30（4）:
404-409.
[4]刘枢晓.He-Ne激光血管内照射对动脉学携氧能力的影响及其机理研究.光电子激光,1999,10
（2）:
151-152.
[5]林秀华,江炳熙.LED光输出特性随管芯封装位置变化.半导体光电,1992,13
（2）:
151-155.
[6]李正佳,朱长虹.激光生物医学工程基础（第一版）.湖北武汉:
华中理工大学出版社,1997,21-40.
[7]刘江,角建瓴,刘承宜等.LED在生物医学方面的应用和前景.激光杂志,2002,23（6）:
1-4.
[8]汪浩.LED产业的过去、现状和未来.扬州教育学院学报,2007,25（3）:
49-52.
[9]李珏璇.发光二极管的应用.科技资讯,2008,（31）:
117.
[10]崔鸿忠,李正佳,范晓红.发光二极管光源疗法在生物医学中的应用.激光技术,30（6）:
639-656.
[11]方志烈.发光二极管材料与器件的历史、现状和展望.物理,2003,32（5）:
295-300.
[12]崔鸿忠,李正佳,范晓红.发光二极管光源疗法在生物医学中的应用.激光技术,30（6）:
639-656.
[13]刘伟平,黄红斌,林仕相等.基于LED的多波长皮肤美容光疗系统.激光杂志,26（6）:
94-95.
[14]魏智.LED的技术发展和应用.国外电子元器件,2003,
（1）:
73-75.
[15]张晨美,玉珏,杜立中.蓝光发光二极管光疗效应探讨.浙江大学学报,2002,31（3）:
222-224.
[16]严奕,刘石神,张涛.LED与光纤耦合技术研究.上海市照明学会,2008.363-368.
指导教师意见
指导教师签名：
年月日
毕业设计（论文）学生申请答辩表
课题名称
带音乐播放功能的红蓝LED治疗仪设计
指导教师（职称）
黄楚云教授
申请理由
学分修满，论文完成，申请答辩
学生所在学院
理学院
专业班级
10光信2班
学号
1011122220
学生签名：
日期：
毕业设计（论文）指导教师评审表
序号
评分项目（理工科、管理类）
评分项目（文科）
满分
评分
1
工作量
外文翻译
15
2
文献阅读与外文翻译
文献阅读与文献综述
10
3
技术水平与实际能力
创新能力与学术水平
25
4
研究成果基础理论与专业知识
论证能力
25
5
文字表达
文字表达
10
6
学习态度与规范要求
学习态度与规范要求
15
是否同意参加答辩：
总分
评
语
指导教师签名：
另附《毕业设计（论文）指导记录册》年月日
毕业设计（论文）评阅人评审表
学生姓名
何国伦
专业班级
10光信2班
学号
1011122220
设计（论文）题目
带音乐播放功能的红蓝LED治疗仪设计
评阅人
评阅人职称
序号
评分项目（理工科、管理类）
评分项目（文科）
满分
评分
1
工作量
外文翻译
15
2
文献阅读与外文翻译
文献阅读与文献综述
10
3
技术水平与实际能力
创新能力与学术水平
25
4
研究成果基础理论与专业知识
论证能力
25
5
文字表达
文字表达
10
6
学习态度与规范要求
学习态度与规范要求
15
总分
评
语
评阅人签名：
年月日
毕业设计（论文）答辩表
学生姓名
何国伦
专业班级
10光信2班
学号
1011122220
设计（论文）题目
带音乐播放功能的红蓝LED治疗仪设计
序号
评审项目
指标
满分
评分
1
报告内容
思路清新；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。
40
2
报告过程
准备工作充分,时间符合要求。
10
3
创新
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
10
4
答辩
回答问题有理论依据，基本概念清楚。
主要问题回答准确，深入。
40
总分
答辩组
评语
答辩组组长（签字）：
年月日
答辩
委员会意见
答辩委员会负责人（签字）：
年月日
毕业设计（论文）成绩评定总表
学生姓名：
何国伦专业班级：
10光信2班
毕业设计（论文）题目：
带音乐播放功能的红蓝LED治疗仪设计
成绩类别
成绩评定
Ⅰ指导教师评定成绩
Ⅱ评阅人评定成绩
Ⅲ答辩组评定成绩
总评成绩
Ⅰ×40%+Ⅱ×20%+Ⅲ×40%
评定等级
注：
成绩评定由指导教师、评阅教师和答辩组分别给分（以百分记），最后按“优（90--100）”、“良（80--89）”、“中（70--79）”、“及格（60--69）”、“不及格（60以下）”评定等级。
其中，
指导教师评定成绩占40%，评阅人评定成绩占20%，答辩组评定成绩占40%。
摘要
红蓝LED治疗仪采用高纯度、高功率密度的红光、蓝光对人体表面进行照射，直接作用可深达皮肤黏膜下层，光能被组织细胞吸收，可使机体白细胞吞噬等免疫防御系统功能增强，深部毛细血管扩张，血流加快，物质代谢旺盛，血液流体动力学效应得到改善，可降低血液黏度，调节血脂，加快炎性介质的廓清和组织水肿的吸收，促进肉芽组织和毛发的生长，促进胶元纤维细胞合成，加速细胞修复过程及伤口、溃疡和骨折的愈合，促进受损神经再生及细胞修复过程。
除局部生物效应外并可通过神经和体液通路，对生物体远端产生作用。
具有消炎消肿、镇痛解疼、改善局部组织血液循环及营养代谢，降低血脂，调节神经机能等治疗作用。
目前LED在生物医学方面的应用正日益扩大并呈良好的发展前景。
基于现有的LED治疗仪的发展成果，嵌入音乐播放的新功能，是在人民物质生活水平不断提高的背景下，对高端、人性化医疗服务的迫切需求。
本文就是根据LED与生物组织作用的现象与机理，利用现有的LED治疗仪成品，设计了一套带音乐播放功能的新型LED治疗仪器，包括LED阵列的设计，系统主机硬件电路设计以及系统控制软件的设计，仪器要求红、蓝光双波长输出，带USB插口，用于音频资料输入和播放。
关键词：
生物医学；LED治疗仪；高端医疗
Afstvact
Redane（blweLEDtherapydeviceusinghkgh-purity,highpowerdensity,red,blueonthebodysurfacdisirradiAted,thed）recteffectoftheskincanbedeepsubmucosa,lightenergyisabsorBedbytissuecells,th%bodycanphagocyticimmunedefensesystemandotherenhancementsdeeptelangiectqsia,bloodflowtoaccelerate,sub{taocemetabolisM,improvedhemodynamiceffectsoffluid,canreducebloodvéscosity,regulatingbloodlipids,acceleratetheafsorption（ofeddmaclearanceandinflammatorymudiators,@rnootinggranulationtissueandhairgrowth,promotefibvoblastcollagensynthesisandacceleratetherepairproâessandtoheaLwounds,ulcersánffracturesofcellsandpromotecellregdngrationandrepayrobdamagednerveprocesses.Inadditiontoforeignandlocalbéologica|effectóthroughthenervous!
ndhumozalpathways,haveaneffectontheovganismremote.Hasanti-inflammatoryswelling,painaNdanalgesicsolutiol,improvebloodcirculataonanänutriôionoflocaltissuemetabolism,lowercholesterol,regulatenervefunctionandothertreatment.
CurrentlyLEDapplicationsinbiomedicineisincreasinglyexpandingandshowedgoodprospectsfordevelopment.BasedontheexistingdevelopmentresultsLEDtherapydevices,embeddedmusicplayernewfeaturesareinthepeople'smateriallivingstandardscontinuetoimproveinthebackground,theurgentneedforhigh-end,user-friendlymedicalservices.ThispaperisbasedonthephenomenonandmechanismofactionofbiologicaltissueLED,LEDtherapydeviceusingtheexistingproducts,designedanewsetofLEDtherapyequipmentwithmusicplaybackcapabilities,includingthedesignoftheLEDarray,thesystemhosthardwarecircuitdesignandsystemcontrolsoftwaredesign,equipmentrequirementsofred,bluedualwavelengthoutput,withUSBjackforaudiodatainputandplayback.
Keywords:
Biomedical；LEDtherapydevice.；High-endmedical
第一章关于LED与生物作用的机理探讨
当光与生物组织相互作用时，其相互作用机理的变化是多种多样的。
根据能量的转化可将激光与有机体组织的相互作用分为五类:
光化作用,热作用,光蚀除作用,等离子体诱导蚀除作用,以及光致破裂作用。
图1.1如下，罗列了几种基本相互作用的双对数曲线,横轴表示外加的功率密度也即是光照强度,纵轴描述了照射时间，给定单位为秒。
图中曲线分别表示在2.5J/cm2与1200J/cm2时的恒定能量流。
其中，自由基损伤DNA后导致了电磁场效应，从而引起突变；而光效应则是由于一定波长的光子被它吸收，生物细胞分子内的电子能纣产生跃迁，引起生物分子的变异；热效应引起蛋白质司性让酶失活ﾌ忼致生物相关的生理、遗传变缂；压力效应则使组织细胞破裂、变䞋引起盘关的遗传变异【1】。
体这些作用不是非常强的时候是亍会产生损伤，只产生若坲有益的生物刺激，于昏，这就有了低能量激光丧生生獩效应这一说法，实质上是电磁场效应与光效应的有机结合。
低能量翀光专门利用生物刺淀效应，直接作用于辐簄ꀌ不是热效应（庠提高不贅过0.2～0.7℃），在产生细胞效应辙斻面，单色光与激光没有明显性差异，近年来人们岆激光的刺激效应与单色光的效应合称为光生物调节作用。
而生物医学方面的理论基础与LED应用好是光生物调节作用原理。
这一章通过对光生物调节作用的基本原理的分析，来探讨LED与生物组织在实鉕过程中相互作用的机理，从而为LED在医学中的具体应疨提供相啳的理讲基础，并为纣蓟LED治疗仪的相关设计提供准确的理论参数。
光学疗法佼为一种比螃有效的医疗䖹式，在临床中和科研巤稉上歧得到越来跊广泛的直接运甠〒光疗的理论基硐內体为：
生组织细胞吸收光能并将此转化成热能和化学能，从而使体内亥生一系列密切相关的化学寍应。
而这些化学反应＜总结起来实际上有四种类型：
光致锐化、光致聚雖、光致氧化以及光致分解。
波长不同的光所产生的对应的生物效应也会不同，基于此，科研工作者研究开发了针对不同疾病使用不同波段的治疗器械和治疗方式【2】。
概括来讲，红外光主要发挥它的热效应，肌体吸收红外光后导致体温升高，身体上的血管开始扩张，血流速度可以加快生物体新陈代谢的速度、让细胞增生，起到消炎和止痛的作用；而紫外光则擅长利用它天生高能辐射杀菌的本领，治疗因为病菌引起的常见皮肤病；可见光的治疗效应因波长不同而有所差别：
红光可引起白细胞总数和嗜酸性粒细胞减少，改善新陈代谢，从而降低血糖，促进卵巢黄体形成。
至于蓝紫光则是红橙光生理作用的拮抗物，可以有效防止胰岛素低血糖症状的出现，能漂白胆红素治疗新生儿黄疸。
图1.1LED与生物组织作用关系图
1.1LED用于植物生长灯
生长灯就是依照植物生长的自然规律和光合作用的原理，对温室植物提供光照补偿的一种灯具。
通常也叫做植物补光灯或温室补光灯。
采用单色彩色荧光灯作为植物生长补充光源是最经济的方式。
比如可以在普通荧光灯组内加入红色荧光灯，或者使用红色、蓝色荧光灯组合照明。
光对植物叶绿素合成的影响：
蓝光培养的植株一般具有阳生植物的特性,而红光培养的植株与阴生植物相似。
红光不仅有利于植物碳水化合物的合成，还能加速长日植物的发育，相反，蓝紫光则加速短日植物发育，且促进蛋白质和有机酸的合成，而短波的蓝紫光和紫外线能抑制茎节间伸长，促进多发侧枝和芽的生长。
LED用于植物生长灯441-529nm（蓝色）的光线以及619-731nm（红色）对于光合作用贡献最大。
520-610nm（绿色）的光线，被植物色素吸收的比率很低。
LED的发射谱是具有一定带宽的带状谱，且波谱丰富，可接受人工智能调控。
LED光源防水防潮，适宜植物生长环境；发热小适宜近距离照射；直流低压更安全；高效节能、轻便环保。
用红橙绿蓝紫LED组合成光源，可进行光谱的波长和光强的调配，使之更加满足农作物和微藻的生长需求。
可提高其产量，改善品质节约能源【3】。
LED发射谱与叶绿素、类胡萝卜素、藻胆色素吸收谱相匹配的智能调光光谱技术对不同类的植物光谱波长及光强的科学配比。
近十年来,随着人们对半导体发光材料研究的不断深入,LED灯制造工艺的不断进步和新材料的开发应用,LED灯的发展取得了突破性进展,价格也大幅度下降,其应用于植物设施栽培的研究逐渐被各国学者关注。
尤其是在超高亮度LED灯开发成功后,被广泛应用于植物生理或栽培领域的研究,如光形态发生、光合作用及叶绿素合成研究等。
LED灯应用于植物组织培养的研究在植物组织培养中,光合光量子通量密度、光照周期和光谱分布对植物的光合作用和形态建成起重要作用。
植物组培主要依靠电光源,传统电光源对植物的生物能效极低、发热量大,是植物组织培养中最高的非人力成本之一。
因此在植物组织培养中采用LED灯提供照明,调控光质,不仅能够调控组培植物的生长发育和形态建成还能缩短培养周期。
1.2其他光疗——以紫外线为例
紫外线对微生物营养细胞的杀灭作用主要与细胞内的核酸的光化学变化有关，其灭活的机制主要包括产生嘧啶二聚体以及DNA解螺旋。
生物损害机制与DNA对紫外线的吸收相一致，DNA在紫外线C波段的250nm处有最大吸收峰。
DNA在真空波段也有最大吸收。
一般情况下生物学效应并不明显，这是因为大气对其具有很强的吸收。
当微生物被紫外线（UV）副照射时，只有在菌体吸收了紫外线（UV）后，才能显示出紫外线（UV）的杀菌作用【4】。
微生物细胞内能吸收紫外线（UV）的物质上核酸和部分氨基酸，而构成细胞的绝大部分蛋白质，因其具有透明性固不易吸收紫外线（UV）。
当吸收紫外线（UV）后，DNA链的磷酸酯键和氢键断裂，胸腺嘧啶和胞嘧啶发生水合作用以及胸腺嘧啶二聚体形成，这些均使得DNA双链结构扭曲变形，阻碍碱基对的正常配对，破坏DNA模板的正式功能，影响双链的解开、复制和转录，从而引起菌体死亡。
紫外线（UV）杀菌的间接作用于其产生的OH、过氧基、氢过氧自由基等有关。
这些高活性的氧化基团可以进行细胞膜、蛋白质、酶和DNA。
感光物质可以加强自由基的产生及其作用效果。
因此当感光材料与紫外线（UV）协同作用杀菌时，紫外线（UV）和DNA的直接作用、感光化学效应产生的活性分子和自由基的间接作用共同形成了杀菌机制。
但结果并不是产生一般的胸腺嘧啶二聚体，而是形成链接独特的胸腺嘧啶二聚体，由于此胸腺嘧啶二聚体具有超级修复机制，使得芽孢营养细胞具有更强的抗紫外线（UV）能力。
当然芽孢是休眠体，其修复功能是在其开始发芽生长时才体现出来的，紫外线（UV）对病毒DNA也有同样的作用。
除此以外，人们对紫外线（UV）与人类及其他生物的关系也进行了广泛的研究。
得出的结论为：
紫外线（UV）对包括人类在内的生物的作用与生物种类、紫外线（UV）波长和辐照剂量有关；高剂量的UVC、UVB或UVA对所有的生物都有害
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