CN110681058A - 一种脉冲光光疗设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗器械技术领域，具体一种脉冲光光疗设备。本发明设备包括照明模块、调光模块和扩散模块；照明模块由一种或多种LED阵列组成，用以照明光疗区域；调光模块对每种LED阵列进行独立的恒流驱动，并通过PWM调光对每种LED光源的恒流驱动电路进行控制，以控制照明模块的开关、调节照明模块的功率、亮度、占空比和频率，实现本装置向光疗区域发射具有一定功率和一定占空比的脉冲光。本发明与现有LED光疗设备相比均具有较大的优势：对目标细胞具有更高的瞬时输出光能量，使治疗效果更佳；对光疗区域产生更低的热量，避免发热严重导致的用户灼伤，提升用户体验。本发明具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种光疗设备。
背景技术
近十年，发光二极管 (Light-emitting diodes, LED)凭借其自身的优越性，越来越多地作为光疗设备的光源应用到临床等医疗领域, 对多种皮肤病 (如痤疮、皮炎、甚至秃发等) 、萎缩纹、伤口愈合的治疗取得积极满意疗效。光疗设备，是一种通过配备合适的光源和相关控制的设备，可通过对人体患处如人体皮肤等的光疗区域发射一定能量的光线进行光疗，达到疤痕淡化、伤口愈合、改善睡眠等效果。
目前的LED光疗设备，按功率大小主要有低功率和中高功率的稳态LED光疗设备。前者由于功率较低，只适用于功率要求低的目标细胞，若目标细胞或组织在皮肤深层处，接收的光能量可能不足而影响治疗效果。而后者通过设置较高的光源功率，使光源持续发射高能量光线，高能量的光线穿透皮肤，照射到目标细胞和组织，从而达到影响其生物活性的目的。但由于光疗设备的光源与光疗区域之间的距离较近，光源射出的大部分光线均达到光疗区域，同时光源的电热转化的热量也都随光线传递至光疗区域，造成短时间内光疗区域产生明显的热感，使用户体验大大降低。当发热严重时，极容易导致用户灼伤，而且过高的温度也会对细胞和组织的活性产生不可逆的伤害，不利于皮肤的疤痕淡化。
因此，本领域亟需一种能发射足够能量光线且发热效应不明显的光疗设备，以达到相似甚至相同的疗效且大大提升用户的体验。LED具有光效高、响应速度快、光谱较窄、光谱可组合等特点，可通过PWM调光或电流调光手段获得具有一定频率和占空比的LED脉冲光源。与稳态LED光相比，脉冲光LED光源发射同等能量的光线时时间更短且产生的热量更低，具有解决上述问题的潜在可能性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工作稳定性强、治疗效果好的脉冲光光疗设备。
本发明提供的脉冲光光疗设备，包括照明模块、调光模块和扩散模块；其中，所述照明模块用于照明光疗区域；所述调光模块用于控制照明模块的开关以及脉冲光的产生，使照明模块产生较高（如最高为额定功率的50-100倍）的瞬时功率,并且使照明模块充分利用非脉冲光工作时间进行有效的散热；所述扩散模块用于将照明模块发出的光线进行发散，使光线覆盖光疗的全部区域。
本发明中，所述的照明模块，由一种或多种LED阵列光源和电路基板组成，所述LED阵列光源设置于所述电路基板的主面上，两者的法线方向重合；其中：
所述LED阵列为单色LED光源，或为峰值波长不同的多种单色LED光源（LED峰值波长种类N>2）；
所述的单色LED光源，其中心波长范围为200nm~1000nm，光谱半波全宽小于40nm；
所述电路基板用于为所述LED光源提供工作电源；
所述LED阵列光源向远离所述主面的方向发射光线。
本发明中，所述脉冲光，具体为具有不高于50%的占空比和不低于20Hz频率的光。
本发明中，所述调光模块，采用PWM调光。
本发明中，所述调光模块，对每种LED阵列光源进行独立恒流驱动和PWM调光。其中：
所述PWM调光，幅值设置范围为1~5V，频率设置范围为20Hz~20kHz，占空比设置范围为0~100%，优选的，占空比为50%以下。
本发明中，所述扩散模块，设置在所述电路基板的主面所朝向的一侧，用以对入射的光线进行发散，使所述LED阵列光源发出光线的发散角度范围增大。
可选的，所述扩散模块具体为扩散板。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提出的脉冲光光疗设备，能达到与稳态光LED光疗设备相同的光疗效果。因此，本设备可替代稳态光光疗设备对患者进行光疗；
2、本设备的工作稳定性强，比低功率稳态LED光疗设备具有更高的瞬时功率，能传递给目标细胞或组织更大的瞬时能量，激活细胞活性，使治疗效果更佳；
3、本设备的工作稳定性强，相同工作时间内，比中高功率稳态LED光疗设备产热更低，避免了发热严重导致的用户灼伤，提升用户体验；
4、本设备完全可控，可因光疗区域的具体情况，设置所需的波长、占空比、频率和波长的脉冲光和工作时间，对光疗区域进行光照。
附图说明
图1为本发明的***示意图。
图2为本发明实施例的装置示意图。
图3为本发明实施例的光疗效果与低功率稳态LED光疗设备的比较。
图4为为本发明实施例的光疗效果与中高功率稳态LED光疗设备的比较。
图中标号：1为照明模块，2为调光模块，3为扩散模块，4为电路基板，5为LED阵列光源，6为电路基板，7为PWM调光单元，8为控制面板。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图，对本发明技术方案在进一步描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
目前的光疗设备的厚度越来越薄，使得光疗设备中光源产生的热量难以散热。光疗设备在一定时间内以恒定功率工作时，热量随着光源发出的光线传递到光疗区域，因此在光疗区域中容易由于热量过多难以排散导致用户灼热感的产生。尤其是将LED作为光源的可穿戴式光疗设备更甚。
本发明实施例提供了一种脉冲光光疗设备，该设备包括照明模块1、调光模块2和扩散模块3，如图1和图2所示。照明模块1用以照明光疗区域。调光模块2用以控制照明模块1的开关以及脉冲光的产生。扩散模块3用以将照明模块1发出的光线进行发散，使光线覆盖光疗的全部区域。
照明模块1由电路基板4和LED阵列光源5组成，电路基板4用给LED阵列光源5传输工作信号。电路基板4的主面上设置了LED阵列光源5，两者的法线方向重合。电路基板4的背面贴有导热硅胶和散热片。LED阵列光源5为单色LED光源或峰值波长不同的多种单色LED光源（LED峰值波长种类N>2）。峰值波长范围为200nm~1000nm，光谱半波全宽小于40nm。LED阵列光源5通过电路基板4接收来自调光模块2的工作信号，发出脉冲光线。脉冲光为具有一定工作时间、峰值波长、占空比和频率的单色光。
调光模块2由电路基板6、PWM调光单元7和控制面板8组成。电路基板6上焊有电通路，不仅用以给照明模块1的LED阵列光源5、PWM调光单元7和控制面板8提供工作电源，还负责信号的传输，包括控制面板8与调光单元7之间的信号传输和照明模块1与调光模块2之间的信号传输。调光模块2对照明模块1进行控制，具体为，对照明模块1中的每种LED阵列光源5进行独立恒流驱动，同时对每种LED阵列光源5传达PWM信号。调光模块2可输出的PWM信号的幅值范围为1~5V、PWM频率范围为20Hz~20kHz、占空比范围为0~100%。控制面板8固定在调光模块2的电路基板6上，与电路基板6的法线方向重合，并且贯穿扩散模块3。控制面板的一面朝外，与扩散模块3朝外的面在同一水平面上。控制面板8用以给用户设置光疗参数，具体为，峰值波长、占空比、频率和工作时间的设置。所设置的参数，包括峰值波长、占空比、频率和工作时间，均通过电路基板6传至PWM调光单元7。调光单元7对参数信息进行处理后，发出新的信号再次通过电路基板6的电通路传输至照明模块1的LED阵列光源5，使LED阵列光源5发出特定工作时间、特定峰值波长、特定占空比和特定频率的脉冲光。
扩散模块3，设置在电路基板4的主面所朝向的一侧，为一块具有对入射的光线进行干涉的板块，用以扩散光线。LED阵列光源5发射的光线进入到扩散模块3中，后者对光线进行干涉，将光线的角度范围从原来的120°扩大至160°以上，从而达到将照明模块1发出的光线折射到光疗的所有区域。扩散模块3材料为常见的玻璃和聚碳酸酯(PC)，也可以选择其他材质。
实施例1，对腹部上的妊娠纹进行光疗，对应的目标细胞为成纤维细胞。成纤维细胞具有一定的活性的繁殖能力，通过合成弹力纤维和胶原蛋白，使真皮层内被破坏的***得以修复。因此可以通过激活成纤维细胞，改善妊娠纹。而成纤维细胞的活力与接收到的光能量成正相关，当光能量超过一定阈值时，活性将被抑制。假设有效光疗波段为峰值波长为630nm，波段为40nm的光线，光疗有效能量的最低阈值W1为50J，假定LED光源发光效率为50%，即有50%的能量转化为热量，W2为50J。LED光源总能量W为100J。
一方面，与低功率稳态光LED光疗设备比较，如图3所示。假设低功率LED光疗设备的功率P1为10mW，本发明的脉冲光光疗设备的平均功率P2也为10mW。为达到W1值，两者的工作时间T1和T2均为166.7分钟，产热相同。不同之处在于，本发明的脉冲光LED光疗设备具有的瞬时功率的灵活性，可将峰值电压设置为3V，电流恒定为111mA，30%占空比。此时平均功率仍为10mW,但瞬时功率P2’达到33.3mW，成纤维细胞接收到的瞬时能量为低功率LED光疗设备的3.3倍，提高了133%。因此，本发明的脉冲光疗设备对目标细胞的激活能力比低功率LED光疗设备更高，预期治疗效果更佳，具有一定的优势。
另一方面，与中高功率稳态光LED光疗设备比较，如图4所示。假设中高功率LED光疗设备的功率P3为30mW，本发明的脉冲光光疗设备平均功率P2为25mW，瞬时功率P2’设置为30mW，占空比为83%。为达到W1值，前者的工作时间T3为55.6分钟，单位时间内产生的热量为0.015J/s。本发明的脉冲光疗设备，工作时间T2’为66.7分钟，单位时间产生的热量为0.0125J/s，仅为前者的83%，减少17%热量。说明本发明的脉冲光疗设备，在治疗期间，比中高功率稳态LED光疗设备产生更低的热量，可有效避免用户灼热感的产生并且降低灼伤的风险。
虽然三种光疗设备都能达到目标光能量的治疗要求，但是稳态光LED光疗设备功率过低或过高都会引起不同的问题。综合上述的例子，可以看出，本发明的脉冲光光疗设备，具有瞬时功率设置上的灵活性和低产热的效果，比目前的稳态光LED光疗设备更有优势，可替代其进行光疗。
实施例2，本发明设备适用于慢性自身免疫性甲状腺炎的辅助治疗。配合激素药物的使用，可缓解自身免疫性甲状腺炎的进一步加重，增强细胞免疫力，改善甲状腺激素活性。已有研究表明，患者在用药时，进行光生物刺激疗法后对左甲状腺素剂量的需求减少，TPOAb水平降低，超声实质回声有明显增加。说明光生物刺激具有一定的辅助疗效。
本例中，激素药物选用左甲状腺素，按医用药。LED阵列光源5选用红外光LED，峰值波长为780nm。对调光模块2进行设置：幅值为5V，电流为1A，频率为5kHz，输出的平均功率为250mW。在用药治疗期间，使用本发明设备对甲状腺炎处进行4分钟/每次的光疗，治疗周期为30天，每周两次。光照的剂量按需调节，范围为38-108J/cm^2，此例选60J/cm^2，因而对调光模块2的占空比为5%。在光疗前以及光疗后均用超声检查，用灰度直方图来定量分析回声。此外，还对甲状腺功能和甲状腺自身抗体作光疗前后的评估，如三碘甲状腺素、甲状腺素(T4)、促甲状腺素、甲状腺过氧化物酶(TPOAb)等。
实施例3，本发明设备适用于慢性治疗抗性银屑病的治疗。银屑病是一种慢性自身免疫性皮肤病，是由于角质形成细胞的异常生长过度导致的，这种异常的增殖发生在真皮层。光生物刺激疗法已被证实具有消炎的作用，因此本发明设备可用于治疗顽固性银屑病。在本例中，将本发明设备固定在距离患处1cm处。LED阵列光源5采用两种型号，峰值波长分别为630nm红光LED和830nm的近红外光LED。两种阵列光源5集成在照明模块1的电路基板4上，并能通过调光模块2进行独立的设置。对调光模块2进行设置：频率为5kHz，输出的平均功率为250mW。使用本发明设备对银屑病患处进行20分钟/每次的光疗，治疗周期为28天，每3天进行一次光疗。调节占空比，使红光LED的光照剂量为126J/cm^2，近红外光LED的光照剂量为60J/cm^2。每次光疗结束后，嘱咐患者对患处使用非处方软膏涂抹以保持皮肤湿润。整个治疗周期结束后的3至8个月内随机访问患者，观察皮肤的炎症情况，包括炎症面积、皮肤疼痛和其他副作用。前期研究结果表明，银屑病的清除率大于60%，满意度普遍较高。
实施例4，本发明设备适用于治疗关节炎。关节炎常见的有骨关节炎和类风湿性关节炎。前者由于骨质增生，产生炎症，后者由于滑膜炎而产生的自身免疫性炎症。如上述例子相似的，通过光生物刺激，本发明设备具有一定的消炎作用。在本例中，对滑膜处或软骨处的进行光疗，选用波长范围覆盖810nm的LED作为 LED阵列光源5。然后设置调光模块2：平均功率为224mW，频率5kHz,6分钟/次，光照剂量约为40.32J/cm^2，每三天进行一次光照，光照周期为80天。在光疗期间及光疗结束后6个月，对患者光照前后膝盖的运动状况、压痛部位、疼痛和僵硬情况进行评价。
实施例5，本发明设备也可用于减少延迟性肌肉酸痛和改善剧烈运动后的肌肉损伤，特别是有固定运动计划且运动量大的运动员，由于光疗需要一定时间，因此本发明设备很适合需要逐渐增大运动量且休息时间有限的运动员。LED阵列光源5不妨仍选用波长覆盖850nm的LED，调光模块2设置：平均功率为312.5mW，光照时间为4分钟/次，光照剂量为75J/cm^2。频率和占空比可按光疗效果而调整。每周光照3次，持续至第12周。当用户进行剧烈运动，如力量训练后立即进行光照，通过对肌肉活组织检查、磁共振成像、最大负荷和抗疲劳试验，对训练前后的基因表达、肌肉情况进行评价。训练期间，也可对肌酸激酶水平进行测量，以评估肌肉损伤和延迟发作的肌肉酸痛。结果表明，与使用安慰剂相比，用本发明设备进行有效的光疗可抑制炎症的标示蛋白，即白细胞介素1β的数量，同时也减少肌肉萎缩的标示蛋白数量，增加用户的运动负荷，减少疲劳。
Claims (8)
1.一种脉冲光光疗设备，其特征在于，包括照明模块、调光模块和扩散模块；其中，所述照明模块用于照明光疗区域；所述调光模块用于控制照明模块的开关以及脉冲光的产生，使照明模块产生最高为额定功率50-100倍的瞬时功率，并且使照明模块充分利用非脉冲光工作时间进行有效的散热；所述扩散模块用于将照明模块发出的光线进行发散，使光线覆盖光疗的全部区域。
2.根据权利要求1所述的脉冲光光疗设备，其特征在于，所述照明模块由一种或多种LED阵列光源和电路基板组成，所述LED阵列光源设置于所述电路基板的主面上，两者的法线方向重合；所述电路基板用于为所述LED光源提供工作电源。
3.根据权利要求2所述的脉冲光光疗设备，其特征在于，所述LED阵列为单色LED光源，或为峰值波长不同的多种单色LED光源，LED峰值波长种类N>2；其中：
所述单色LED光源，其中心波长范围为200nm~1000nm，光谱半波全宽小于40nm；
所述LED阵列光源向远离所述主面的方向发射光线。
4.根据权利要求2所述的脉冲光光疗设备，其特征在于，所述调光模块对每种LED阵列光源进行独立恒流驱动和PWM调光；其中：
所述PWM调光，幅值设置范围为1~5V，频率设置范围为20Hz~20kHz，占空比设置范围为0~100%。
5.根据权利要求2所述的脉冲光光疗设备，其特征在于，所述扩散模块设置在所述电路基板的主面所朝向的一侧，用以对入射的光线进行发散，使所述LED阵列光源发出光线的发散角度范围增大。
6.根据权利要求1所述的脉冲光光疗设备，其特征在于，调光模块由电路基板、PWM调光单元和控制面板组成；所述电路基板上焊有电通路，用以给照明模块的LED阵列光源、PWM调光单元和控制面板提供工作电源，并用于信号的传输，包括控制面板与调光单元之间的信号传输，以及照明模块与调光模块之间的信号传输。
7.根据权利要求6所述的脉冲光光疗设备，其特征在于，调光模块对照明模块进行控制，具体为：对照明模块中的每种LED阵列光源进行独立恒流驱动，同时对每种LED阵列光源传达PWM信号；调光模块输出的PWM信号的幅值范围为1~5V，PWM频率范围为20Hz~20kHz，占空比范围为0~100%；控制面板固定在调光模块的电路基板上，与电路基板的法线方向重合，并且贯穿扩散模块；控制面板的一面朝外，与扩散模块朝外的面在同一水平面上；控制面板用以给用户设置光疗参数，所述光疗参数为，峰值波长、占空比、频率和工作时间；所设置的参数均通过电路基板传至PWM调光单元；调光单元对参数信息进行处理后，发出新的信号再次通过电路基板的电通路传输至照明模块的LED阵列光源，使LED阵列光源发出特定工作时间、特定峰值波长、特定占空比和特定频率的脉冲光。
8.根据权利要求1-7之一所述的脉冲光光疗设备，其特征在于，所述扩散模块为一块具有对入射的光线进行干涉的板块，用以扩散光线；LED阵列光源发射的光线进入到扩散模块中，扩散模块对光线进行干涉，将光线的角度范围从原来的120°扩大至160°以上。
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