Evaluation of light penetration of LED phototherapy apparatus in skin

FENG Zefeng; WANG Peipei; YANG Xu; LIU Hu; XIONG Daxi

doi:10.37188/OPE.20223010.1139

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Evaluation of light penetration of LED phototherapy apparatus in skin

Modern Applied Optics | 更新时间：2026-09-11

- Evaluation of light penetration of LED phototherapy apparatus in skin
- Optics and Precision Engineering Vol. 30, Issue 10, Pages: 1139-1150(2022)
- 作者机构：
  
  1.中国科学技术大学生物医学工程学院（苏州），江苏苏州 215163
  2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州 215163
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20223010.1139
  CLC： TB133
- Received：13 December 2021，
  
  Revised：2022-01-06，
  
  Published：25 May 2022
- 稿件说明：
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冯泽峰,王沛沛,杨旭等.LED光疗仪在皮肤中的穿透评估[J].光学精密工程,2022,30(10):1139-1150.

FENG Zefeng,WANG Peipei,YANG Xu,et al.Evaluation of light penetration of LED phototherapy apparatus in skin[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(10):1139-1150.
冯泽峰,王沛沛,杨旭等.LED光疗仪在皮肤中的穿透评估[J].光学精密工程,2022,30(10):1139-1150. DOI： 10.37188/OPE.20223010.1139.

FENG Zefeng,WANG Peipei,YANG Xu,et al.Evaluation of light penetration of LED phototherapy apparatus in skin[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(10):1139-1150. DOI： 10.37188/OPE.20223010.1139.

摘要

基于LED光源的低强度光治疗（LLLT）是一项快速发展的非侵入式光治疗技术。相比于激光，LED光疗能轻易产生较大面积的治疗光斑，并且获得与激光几乎一致的治疗效果。在LED光疗仪设计及光疗方案制定时，考虑到边缘光线与皮肤间角度过大会影响光的穿透效果，因此需要一个皮肤模型分析大面积光斑时的光穿透情况。首先，本论文根据皮肤组织的光学特性建立了一个通用的皮肤模型样本。然后，利用蒙特卡洛模拟方法对LED光源发出的光进行追迹，并分析了不同波长、不同发散角的光，在该样本中的光分布和能量吸收情况。最后，根据人体肩部、前臂背侧、臀部三个部位皮肤的参数，与样本模型进行对照，验证模型的可靠性。模拟的最终结果给出了大尺寸LED光斑在皮肤中的传输情况，并且在不同部位皮肤的模拟实验中，均得到需要将光斑发散半角控制在30°以内的结论，为LED光治疗领域提供了重要参考。

Abstract

Low-level light therapy （LLLT） based on light-emitting diode （LED） light sources is a rapidly-developing and non-invasive light therapy technology. In contrast to a laser， LED phototherapy can easily produce a larger treatment spot area， while achieving almost the same treatment effect. When designing LED phototherapy equipment and formulating phototherapy plans， too large an angle between the edge light and skin could affect the light penetration effect. Therefore， a skin model is required to analyze the light penetration for a large area of light spots. First， this study identified a general skin model sample based on the optical properties of skin tissue. Then， Monte Carlo simulation was used to trace the light emitted by the LED light source， and the wavelength distribution of light and different divergence angles were analyzed. Finally， the reliability of the sample model was verified based on the skin parameters of the human shoulder， forearm back， and buttocks. The simulation results demonstrated the transmission of a large-sized LED spot in the skin. Experimental simulations of different skin parts proved that the spot divergence half-angle needs to be controlled within 30°. This provides an important reference for the field of LED light therapy.

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徐建根，崔锦江，董宁宁，等 . 用于大功率激光治疗的瞬态喷雾冷却系统［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 6 ）： 1309 - 1317 . doi: 10.3788/OPE.20192706.1309 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192706.1309

XU J G ， CUI J J ， DONG N N ， et al . Transient spray cooling system for high-power laser treatment ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2019 ， 27 （ 6 ）： 1309 - 1317 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20192706.1309 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192706.1309

HAMBLIN M R ， DEMIDOVA T N . Mechanisms of low level light therapy ［C］. SPIE BiOS. Proc SPIE 6140 ， Mechanisms for Low-Light Therapy， San Jose， California， USA . 2006 ， 6140 ： 614001 . doi: 10.1117/12.646294 http://dx.doi.org/10.1117/12.646294

PATTERSON M S ， CHANCE B ， WILSON B C . Time resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties ［J］. Applied Optics ， 1989 ， 28 （ 12 ）： 2331 - 2336 . doi: 10.1364/ao.28.002331 http://dx.doi.org/10.1364/ao.28.002331

WANG L H ， JACQUES S L ， ZHENG L Q . MCML—Monte Carlo modeling of light transport in multi-layered tissues ［J］. Computer Methods and Programs in Biomedicine ， 1995 ， 47 （ 2 ）： 131 - 146 . doi: 10.1016/0169-2607(95)01640-f http://dx.doi.org/10.1016/0169-2607(95)01640-f

HOKR B H ， WINBLAD A ， BIXLER J N ， et al . Accurately modeling Gaussian beam propagation in the context of Monte Carlo techniques ［C］. SPIE BiOS. Proc SPIE 9706 ， Optical Interactions With Tissue and Cells XXVII， San Francisco， California， USA . 2016 ， 9706 ： 179 - 185 . doi: 10.1117/12.2213653 http://dx.doi.org/10.1117/12.2213653

PERIYASAMY V ， PRAMANIK M . Monte Carlo simulation of light transport in turbid medium with embedded object： spherical， cylindrical， ellipsoidal， or cuboidal objects embedded within multilayered tissues ［J］. Journal of Biomedical Optics ， 2014 ， 19 （ 4 ）： 045003 . doi: 10.1117/1.jbo.19.4.045003 http://dx.doi.org/10.1117/1.jbo.19.4.045003

ASH C ， DUBEC M ， DONNE K ， et al . Effect of wavelength and beam width on penetration in light-tissue interaction using computational methods ［J］. Lasers in Medical Science ， 2017 ， 32 （ 8 ）： 1909 - 1918 . doi: 10.1007/s10103-017-2317-4 http://dx.doi.org/10.1007/s10103-017-2317-4

陈岩 . 动态皮肤光学性质的研究［D］. 天津：天津大学， 2010 . doi: 10.7666/d.y1874335 http://dx.doi.org/10.7666/d.y1874335

CHEN Y . Study on optical properties of the dynamic human skin ［D］. Tianjin ： Tianjin University ， 2010 . （in Chinese） . doi: 10.7666/d.y1874335 http://dx.doi.org/10.7666/d.y1874335

MEGLINSKI I V . Method Monte Carlo in optical diagnostics of skin and skin tissues ［C］. Proc SPIE 5254， Third International Conference on Photonics and Imaging in Biology and Medicine ， 2003 ， 5254 ： 30 - 43 . doi: 10.1117/12.546628 http://dx.doi.org/10.1117/12.546628

JACQUES S L . Optical properties of biological tissues： a review ［J］. Physics in Medicine and Biology ， 2013 ， 58 （ 11 ）： R37 - R61 . doi: 10.1088/0031-9155/58/11/r37 http://dx.doi.org/10.1088/0031-9155/58/11/r37

HALE G M ， QUERRY M R . Optical constants of water in the 200-nm to 200-microm wavelength region ［J］. Applied Optics ， 1973 ， 12 （ 3 ）： 555 - 563 . doi: 10.1364/ao.12.000555 http://dx.doi.org/10.1364/ao.12.000555

GEMERT M JVAN ， JACQUES S L ， STERENBORG H J ， et al . Skin optics ［J］. IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering ， 1989 ， 36 （ 12 ）： 1146 - 1154 . doi: 10.1109/10.42108 http://dx.doi.org/10.1109/10.42108

SALOMATINA E V ， JIANG B ， NOVAK J ， et al . Optical properties of normal and cancerous human skin in the visible and near-infrared spectral range ［J］. Journal of Biomedical Optics ， 2006 ， 11 ： 064026 . doi: 10.1117/1.2398928 http://dx.doi.org/10.1117/1.2398928

SIMPSON C R ， KOHL M ， ESSENPREIS M ， et al . Near-infrared optical properties of ex vivo human skin and subcutaneous tissues measured using the Monte Carlo inversion technique ［J］. Physics in Medicine and Biology ， 1998 ， 43 （ 9 ）： 2465 - 2478 . doi: 10.1088/0031-9155/43/9/003 http://dx.doi.org/10.1088/0031-9155/43/9/003

BISWAS T K ， LUU T M . In vivo MR Measurement of Refractive Index， Relative Water Content and T2 Relaxation time of Various Brain lesions With Clinical Application to Discriminate Brain Lesions ［J］. The Internet Journal of Radiology ， 2011 ， 13 （ 1 ）： 1 . doi: 10.5580/1483 http://dx.doi.org/10.5580/1483

CHOUDHURY N ， SAMATHAM R ， JACQUES S L . Linking visual appearance of skin to the underlying optical properties using multispectral imaging ［C］. SPIE BiOS. Proc SPIE 7548 ， Photonic Therapeutics and Diagnostics VI， San Francisco， California， USA . 2010 ， 7548 ： 111 - 116 . doi: 10.1117/12.842648 http://dx.doi.org/10.1117/12.842648

陈荣，黄宝华，王月云，等 . 皮肤的光学模型［J］. 激光生物学报， 2005 ， 14 （ 6 ）： 401 - 404 . doi: 10.3969/j.issn.1007-7146.2005.06.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-7146.2005.06.001

CHEN R ， HUANG B H ， WANG Y Y ， et al . The optical model of human skin ［J］. Acta Laser Biology Sinica ， 2005 ， 14 （ 6 ）： 401 - 404 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-7146.2005.06.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-7146.2005.06.001

吴琼，王博，王涛，等 . 基于蒙特卡洛法的水下无线光传输特性分析［J］. 光子学报， 2021 ， 50 （ 4 ）： 0406002 . doi: 10.3788/gzxb20215004.0406002 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20215004.0406002

WU Q ， WANG B ， WANG T ， et al . Analysis of underwater wireless optical transmission characteristics based on Monte Carlo method ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2021 ， 50 （ 4 ）： 0406002 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20215004.0406002 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20215004.0406002

张编妹 . 偏振光在散射介质中的传输特性分析［D］. 合肥：合肥工业大学， 2018 .

ZHANG B M . The transmission characteristics analysis of polarization light in scattering medium ［D］. Hefei ： Hefei University of Technology ， 2018 . （in Chinese）

陈兴兴 . 低能见度大气中激光的散射偏振特性研究［D］. 西安：西安电子科技大学， 2019 . doi: 10.1109/csqrwc.2019.8799159 http://dx.doi.org/10.1109/csqrwc.2019.8799159

CHEN X X . Study on scattering polarization characteristics of laser in low visibility atmosphere ［D］. Xi'an ： Xidian University ， 2019 . （in Chinese） . doi: 10.1109/csqrwc.2019.8799159 http://dx.doi.org/10.1109/csqrwc.2019.8799159

刘欣缘，曾昊旻，田昕，等 . 太赫兹辐射在皮肤中的传输仿真与安全性分析［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 5 ）： 999 - 1007 . doi: 10.37188/OPE.20212905.0999 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212905.0999

LIU X Y ， ZENG H M ， TIAN X ， et al . Transmission simulation and safety analysis of terahertz radiation in skin ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2021 ， 29 （ 5 ）： 999 - 1007 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212905.0999 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212905.0999

DE J M L . Monte Carlo simulations of light distributions in an embedded tumour model： studies of selectivity in photodynamic therapy ［J］. Lasers in Medical Science ， 2000 ， 15 （ 1 ）： 49 - 56 . doi: 10.1007/s101030050047 http://dx.doi.org/10.1007/s101030050047

CLEMENT M ， DANIEL G ， TRELLES M . Optimising the design of a broad-band light source for the treatment of skin ［J］. Journal of Cosmetic and Laser Therapy ， 2005 ， 7 （ 3/4 ）： 177 - 189 . doi: 10.1080/14764170500344575 http://dx.doi.org/10.1080/14764170500344575

鞠强 . 中国痤疮治疗指南（2019修订版）［J］. 临床皮肤科杂志， 2019 ， 48 （ 9 ）： 583 - 588 . doi: 3760/j.issn.1000-8039.2019.24.028 http://dx.doi.org/3760/j.issn.1000-8039.2019.24.028

JU Q . Guideline for diagnosis and treatment of acne （the 2019 revised edition）［J］. Journal of Clinical Dermatology ， 2019 ， 48 （ 9 ）： 583 - 588 . （in Chinese） . doi: 3760/j.issn.1000-8039.2019.24.028 http://dx.doi.org/3760/j.issn.1000-8039.2019.24.028

陈茜茜 . 光生物调节作用治疗糖尿病溃疡的量效关系和生物效应研究［D］. 北京：北京协和医学院， 2020 . doi: 10.18240/ijo.2021.05.24 http://dx.doi.org/10.18240/ijo.2021.05.24

CHEN Q Q . Study on dose-effect relationship and biological effects of photobiomodulation in the treatment of diabetic ulcer ［D］. Beijing ： Peking Union Medical College ， 2020 . （in Chinese） . doi: 10.18240/ijo.2021.05.24 http://dx.doi.org/10.18240/ijo.2021.05.24

周浩 . 早期局部低能量光疗对烧伤创面瘀滞区进行性坏死的防治作用［D］. 上海：中国人民解放军海军军医大学， 2019 .

ZHOU H . Therapeutic efficacy of early low level laser（light）therapy on the zones of stasis in bu rns ［D］. Shanghai ： Naval Medical University ， 2019 . （in Chinese）

SANDBY-MØLLER J ， POULSEN T ， WULF H C . Epidermal thickness at different body sites： relationship to age， gender， pigmentation， blood content， skin type and smoking habits ［J］. Acta Dermato-Venereologica ， 2003 ， 83 （ 6 ）： 410 - 413 . doi: 10.1080/00015550310015419 http://dx.doi.org/10.1080/00015550310015419

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