CN220778852U - 一种近红外激光集成医疗光源 - Google Patents

Abstract

一种近红外激光集成医疗光源，包含封装基板、垂直腔面发射近红外激光器集成芯片阵列、透镜组、目标指示激光器及测温模块；目标指示激光器及测温模块设置在透镜组的外部镜头的周围；所述透镜组为一组平凸镜头，将垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列聚焦成像在前方；垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列经基板封装后被固定在散热装置上，散热装置包含散热鳍片和风扇，与透镜组组合成一光源单元，固定在光源壳体内部；垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列中的任意位置配置一颗或几颗LED红光芯片以直观显示芯片阵列工作状态；垂直腔面发射近红外激光器芯片的波长为940nm或808nm。

Description

一种近红外激光集成医疗光源

技术领域

本实用新型属于医学保健康复医疗设备领域，尤其涉及一种近红外激光集成医疗光源。

背景技术

红外线是一种不可见光，在电磁波谱中它的波长范围为760nm-15um。目前医用红外线分为两段，即短波红外线(亦称近红外线，波长760nm-1.5um)和长波红外线(包含中红外线及远红外线，波长1.5um-15um)。物理光线随着波长的增加(即光子能量的下降)其穿透人体组织的能力逐渐增强。

红外线光子能量被皮肤及皮下组织吸收后，可以产生如下的治疗作用：

1.引起血管扩张、血流加速、局部血液循环改善、组织营养代谢加强；加快局部渗出物吸收，促进肿胀的消退。

2.使骨骼肌的肌张力降低，胃肠平滑肌松弛，缓解肌痉挛。

3.降低感觉神经兴奋，提高疼痛阈值。同时血液循环的改善、缺血缺氧的好转、渗出物的吸收、肿胀的消退、痉挛的缓解等综合因素可达到镇痛的治疗作用。

从以上的红外线治疗机理可以看出，由于近红外线对人体组织的穿透深度较大，近红外线治疗对软组织挫伤(如皮肤、皮下浅深筋膜、肌肉、肌腱、腱鞘、韧带、关节囊、滑膜囊、椎间盘、周围神经血管等组织的病理损害等)具有更好的疗效。

本发明团队在中国发明专利(ZL 202010521887.4)中公开了一种短波红外集成医疗光源及应用，该专利的技术方案就是将一种波长为940nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片通过一定的工艺封装成一种集成医疗光源。该集成光源发光效率高，安全可靠，适合于医学保健康复设备领域的应用。利用该集成近红外光源可以制造分别应用于医院及家庭使用的保健康复医疗设备。所述医疗光源包括以下部件：封装基板、垂直腔面发射激光器芯片、基板电极、基板定位孔；所述的封装基板，其主体材质为高导热陶瓷材料，或铝板，或铜板；基板上覆盖有高强度导热绝缘薄膜材料，在导热绝缘薄膜上制备有芯片电气连接电路，电路上覆盖有高强度绝缘薄膜；在基板上部覆盖的绝缘薄膜上预留连接电路的正负电极区域；基板的中心区域为垂直腔面发射激光器芯片的放置区域。

本发明团队在中国发明专利申请(申请号：202111111414.8)中提出了一种双路近红外激光集成医疗光源及制备，将一种波长为940nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片通过一定的工艺封装成的一种集成医疗光源，同时在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案的***(也可以包含在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案中)设置一组红光LED芯片，且940nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片和一组红光LED芯片采用双电路控制，以达到在工作激光光束照射前发射瞄准光束，以便于调整医疗光源瞄准预定的人体照射治疗位置。

上述LED芯片发出的光线经透镜组聚焦后只会在光路前方某一点处形成一个点型的光斑，而在该点前后的光路位置则会形成扩大的虚像。而且，在治疗过程中点状光斑处的物理位置并不一定就是患者接受治疗的位置，可能造成光斑不清晰。

本申请人实用新型专利(ZL 202223290230.5)中提出了一种新型结构近红外医疗光源，将一种波长为940nm或808nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片通过一定的工艺封装成的一种集成医疗光源，然后在光源出光口处设置一组小功率并经聚焦的红光激光器用于目标指示，发射瞄准光束，此外，还在光源出光口处设置测温模块，用于监测人体受治疗部位的体温。该结构近红外医疗光源在透镜组的外部镜头前方设置有散光膜或毛玻璃透光体(白玻璃透光体)，且紧贴光源体的出光口，这种光源结构设置不适用激光医疗设备。

此外，考虑到光辐射可能对人体造成光热、光机械及光化学危害，国家药监局颁发了《医疗器械光辐射安全注册评审指导原则(征求意见稿)》，对医疗设备的光辐射安全提出了更高的要求。目前，光辐射类激光医疗设备普遍缺乏在人体接受照射处的体表温度监测功能，这对于仪器和被使用者的安全应用很重要。

实用新型内容

本实用新型的目的是，针对现有近红外激光医疗光源领域遇到的技术困难及使用上的不足，本实用新型提出了一种近红外激光集成医疗光源，将一种波长为940nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片通过一定的工艺封装成的一种集成医疗光源，同时在镜头前方的出光口周边设置一组红光或近红外(暗红色，颜色可见)5mW以下聚光的激光灯珠，或者配置聚焦镜头的LED灯珠，以达到在工作激光光束照射前发射瞄准光束，以便于调整医疗光源瞄准预定的人体照射位置。同时，在光源出光口处设置测温模块，用于监测人体受治疗部位的体表温度。

本实用新型的技术方案是，一种近红外激光集成医疗光源，包含封装基板、垂直腔面发射近红外激光器集成芯片阵列、透镜组、目标指示激光器及测温模块，目标指示激光器及测温模块设置在透镜组的外部镜头的周围；所述透镜组为一组(平)凸镜头，将垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列聚焦成像在前方。

垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列经基板封装后被固定在散热装置上，该散热装置包含散热鳍片和风扇，与透镜组组合成一光源体，固定在光源壳体内部。

目标指示激光器包含多个激光器，多个激光器均匀或大致均匀分布在一圆周上。

测温模块包含激光测距元件、目标指示激光器及红外温度探测元件，激光测距元件、目标指示激光器及红外温度探测元件呈圆柱形构造，且这些圆柱形构造的中轴线优选设置在一个平面上，且平行排列。这些圆柱形构造的中轴线所在的平面与出光口中轴线间呈一定角度。当确定出光口到患者接受治疗的距离后，该角度的设置可以保证测温模块包含的目标指示激光器及红外温度探测元件所发出的光线落在患者接受治疗的区域内，以保证探测到的人体局部组织表面的温度真实可靠。

所述近红外激光集成医疗光源中垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列的物理尺度、单颗芯片的光功率、单颗芯片之间的间隔、透镜组的焦距、透镜组中各光学镜头的材质和透光率之间具有协同效应，确保在治疗过程中患者接受激光辐射治疗部位的表面温度在42℃以下。

所述近红外激光集成医疗光源中也可以缺失透镜组，垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列所发出的激光在往前方传播过程中所造成的能量损失可以通过提高垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列的总功率，或提高其工作电流来弥补；在出光口处应使用玻璃(石英玻璃或普通光学玻璃)或透明有机玻璃作为窗口，保护芯片，及保护操作人员或患者遭受意外的激光辐照。

所述目标指示激光器，包含一定数量的激光器，分布在一圆周上，圆周半径大于壳体圆形出光口半径；目标指示激光器在圆周上等角度间隔或大致等角度间隔分布，相互间串联，通过正负电极与外电路连接；焊接有激光器的电路板通过定位孔固定在壳体上；带有聚焦镜头的激光器通过壳体出光口侧面预留的孔露出；目标指示激光器的数量也可以调整，指示的图形区域大致与垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列所发出近红外光线照射区域相仿即可；目标指示激光器可以选择波长在440nm-810nm范围可见光或近红外激光器，其设置目的是指示近红外光线的大致辐射范围，单颗目标指示激光器的功率小于5mW，属于I类激光；目标指示激光器优选红光激光器，或颜色可见的近红外激光器，以达到在工作激光光束照射前发射瞄准光束，以便于调整医疗光源瞄准预定的人体照射位置。

所述测温模块，测温模块主要包括红外温度探测传感器(遥测体温计)，测温模块的改进是：包含激光测距、目标指示及温度探测三种功能，三种功能由三个独立的元器件分别来完成；

针对目前保健康复治疗设备领域基于垂直腔面发射近红外激光器芯片的近红外激光治疗仪中目标指示光斑易于虚化的问题及治疗区域缺乏体表温度监测等不足之处，本实用新型公开一种近红外激光集成医疗光源，将一种波长为940nm或808nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片通过一定的工艺封装成的一种集成医疗光源，然后在光源出光口处设置一组小功率并经聚焦的红光激光器用于目标指示，发射瞄准光束。还在光源出光口处设置测温模块，用于监测人体受治疗部位的体表温度，并将所测温度数据通过串口传输给医疗设备的主控板，在其显示终端显示出来，或者将所测温度数据通过串口传输给另外的液晶显示屏模块或LED数据显示模块。

有益效果：在激光出光口***设置目标指示器，分布在一圆周上，可以简化垂直腔面发射近红外激光器集成芯片阵列的设计(阵列中无需设置用于目标指示的LED芯片图案，也无需配套组合镜头来聚焦LED芯片所发出的光线，即使配套组合镜头也仅是为了提高激光传输效率，因为提高激光传输效率还可以利用其它技术方案来解决；芯片阵列中配置适当数量的LED红光芯片(一颗即够)是为了直观显示工作状态；目标指示激光器在圆周上等角度间隔或接近等角度间隔分布；还在光源出光口处设置测温模块，用于监测人体受治疗部位的体表温度。该结构设置大大增加了近红外激光医疗光源的功能。

附图说明

图1为近红外激光集成医疗光源的光源体结构示意图。

图2为目标指示激光器分布结构及电路示意图。

图3为测温模块倾斜分布设置原理示意图。

图4为近红外激光集成医疗光源体外形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做具体说明。

实施例：该近红外激光集成医疗光源包括封装基板、垂直腔面发射激光器芯片阵列、透镜组、目标指示器及测温模块。垂直腔面发射近红外激光器芯片的中心波长约940nm，其光束外沿与芯片的中垂线成约12±3°角，单颗垂直腔面发射近红外激光器芯片的光功率为0.5W。所述垂直腔面发射近红外激光器集成芯片阵列包含一定数量的垂直腔面发射近红外激光器芯片。由于近红外光线不可见，为了方便使用者观察到光源的工作状态，所述垂直腔面发射近红外激光器集成芯片阵列中还可以包含较少数量的红光LED芯片(甚至可以少至1颗)，或颜色可见的近红外LED芯片，或颜色可见的垂直腔面发射近红外激光器芯片(如808nm)。

所述每颗垂直腔面发射近红外激光器芯片包括如下三部分：上分布布拉格反射镜(P-DBR)、有源区和下分布布拉格反射镜(N-DBR)；有源区材料体系为GaInAs/GaAs材料；垂直腔面发射近红外激光器芯片的出光方式采用顶出射方式，且出射的激光束呈圆形光斑，其光束外沿与芯片的中垂线成约12±3°角，芯片所发出光线的中心波长约940nm；单颗垂直腔面发射近红外激光器芯片的光功率范围为0.01-1W。

所述垂直腔面发射近红外激光器芯片也可以选择808nm垂直腔面发射激光器芯片，单颗垂直腔面发射近红外激光器芯片的光功率范围为0.01-1W。

测温模块的电路板在光源壳体内部或外部被以一定倾斜角固定，使得元件发出的激光束在离出光口2厘米至15厘米范围内均能照射在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列所发出近红外光线的光斑范围内。

测温模块中目标指示激光器和红外温度探测元件之间的连线离与该连线平行的圆形出光口的直径间的距离为45cm。

红光LED芯片的中心波长在640nm-780nm之间，单颗红光LED芯片的功率在1W左右；红光LED芯片非唯一选择，也可以选择波长在440nm-810nm范围的其他可见光或近红外芯片，其设置目的是在垂直腔面发射近红外激光器集成芯片阵列处于工作状态时，使用者无需借助仪器就能够在出光口处观察到可见光线。

由于红光波长较其他可见光波长较长，对人体组织的穿透能力较强，同样具备较好的治疗作用，且与近红外光比亮度较强，因此优选红光LED芯片。

红光LED芯片的中心波长为680nm，单颗红光LED芯片的功率为1W。

垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列包含36颗芯片，其中包含1颗680nm红光LED芯片，排列成6╳6方形阵列，1颗680nm红光LED芯片分布在6╳6方形阵列的任一点上。

图1所示，所述透镜组1为一组(平)凸镜头，将新型结构近红外医疗光源中垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列2聚焦成像在前方，以避免在传播过程中发生能量损失。透镜组1包括第一镜头1-1、第二镜头1-2、第三镜头1-3。

透镜组焦距f＝55cm，最下面透镜离芯片的距离X1＝25mm，透镜组总长X2＝46.8mm，成像距离X3＝133mm。

第三镜头1-3平的一面即为出光口，圆形出光口的直径为55cm。

垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列2经基板封装后被固定在散热装置上，该散热装置包含散热鳍片3和风扇4，与透镜组组合成一光源体，如图1所示，被固定在光源壳体内部。

在41伏工作电压下，离光源体出光口10厘米处的光功率密度为186mW/cm²。

该新型结构近红外医疗光源中设置有目标指示器，包含6个目标指示激光器5，设有6个目标指示激光器5均匀分布在一圆周上。

如图2所示，直径为73cm，6个激光器5在圆周上间隔60°角分布，相互间串联，通过正负电极与外电路连接；焊接有激光器的电路板7通过定位孔6固定在壳体上；带有聚焦镜头的激光器通过壳体出光口侧面预留的孔露出，如图2所示。电路板7上设有电极7-1。

目标指示激光器的波长为650nm，功率1mW。

图3所示，本实用新型近红外激光集成医疗光源中的测温模块包含目标指示激光器5及红外温度探测元件8，测温模块9中目标指示激光器和红外温度探测元件之间的连线离与该连线平行的圆形出光口的直径间的距离为45cm。

测温模块9至少包含两块电路板，一块是元件电路板，一块是中控板；元件电路板包含激光测距、目标指示及温度探测元件；激光测距元件的作用是保证测温模块离人体接受激光辐射的区域在一定距离内时才启动测温功能，以保护设备；目标指示元件的作用是让操作人员可以清晰地判断所测温度的区域；元件电路板通过数据线与测温模块的中控板连接；中控板是测温模块的中枢，负责控制元件电路板上元件的动作，接受并解算激光测距、温度探测元件所反馈的数据；经解算的温度数据通过该中控板上的数据传输串口传输给医疗设备的主控电路板，在设备的显示屏或触摸屏上显示温度数据，并接受由触摸屏发出的测温或停止测温的指令；经解算的温度数据还可通过该中控板上的数据传输串口传输给另外的液晶显示屏模组，或LED数据显示模组显示出来。

上述测温模块的中控板上还包含一个校准按键，该按键设置的目的是为了对所显示的温度数据进行校准，校准采用顶触的方式；基于其设置功能，该按键还可以独立设置在另一块线路板上，并可以安装在光源外壳的任何部位，以便于操作；如果医疗设备设置独立的温度显示模组(如液晶显示模组，或LED显示模组)，则校准按键也可以设置在显示模组上，以便于操作并节省空间。

该测温模块可以用电池独立供电，或在医疗设备的中控板上提供一路独立的直流输出供电。

由于激光医疗设备在对患者进行辐射治疗时，出光口离患者接受光辐射治疗的距离普遍较近(一般在15厘米以内)，在元件电路板上也可以缺省激光测距元件。

测温模块中的元件电路板在光源壳体内部被以一定倾斜角固定，使得元器件发出的激光束在离出光口2厘米至15厘米范围内均能落在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列所发出近红外光线的光斑内；中控板用螺丝固定在光源壳体内部。

测温模块中的元件电路板还可以外设的方式设置在光源壳体的外部，以简化光源壳体的塑胶模具的设计工艺。

目标指示激光器可以选择波长在440nm-810nm范围可见光或近红外激光器，其设置目的是指示近红外光线的大致辐射范围，单颗目标指示激光器的功率小于5mW，属于I类激光，以满足《医用电器设备第1部分：安全通用要求》(GB 9706.1-2020)、《激光产品的安全第1部分：设备分类、要求》(GB 7247.1-2012)及《医用电气设备第2部分：诊断和治疗激光设备安全专用要求》(GB9706.20-2000)等的要求；由于红光或近红外激光器的光子能量较低，光色温和，目标指示激光器优选红光激光器，或颜色可见的近红外激光器。

所述近红外激光集成医疗光源中的测温模块，包含目标指示模块、温度探测模块或再加激光测距模块的二、三种功能，三种功能由三个独立的元器件分别来完成；激光测距、目标指示及温度探测三个元件被垂直、平行、并且等距焊接在一块电路板上，三个元器件可以通过数据线与测温模块的中控板连接。

测温模块即温度探测模块(红外探测器)的电路板在光源壳体内部被以一定倾斜角通过螺丝固定，使得元器件发出的激光束与光源出光口圆形平面C的中垂线可以相交设置规则如下。

在光源出光口圆形平面E的中垂线M上离出光口2厘米，9厘米及15厘米处分别画出与出光口圆形平面C大小相同且平行的圆形平面D1，D2及D3；三个元件发出的三束激光与D2平面相交，且三个交点分布在D2的一条直径上(A′B′C′)；三个元件发出的三束激光与D1平面相交，且三个焦点在D1平面的上部与其直径平行的一条直线上(ABC)；三个元件发出的三束激光与D3平面相交(A″B″C″)，且三个交点在D3平面的下部与其直径平行的一条直线上；上述设置可以保证在医疗光源在对人体照射过程中即使出光口离人体的距离在2-15厘米范围内时，都能保证测量的温度是治疗区域人体的体表温度。

由于近红外激光集成医疗光源在使用时，光源出光口离病灶部位的距离都在15厘米以内，因此在测温模块中可以缺失激光测距元件，仅包含目标指示元件和测温元件。测温模块中包括目标指示元件11、测温元件12、激光测距元件13。图4中所示，激光窗口14、壳体15。

所述近红外激光集成医疗光源的测温模块(TN9红外测温模块)等中，激光测距元件的作用是，在测温前，先测量目标离出光口的距离(如采用VL53L1X激光测距模块，小于4米测距模块)；如果距离大于15厘米，则控制***拒绝执行测温的命令；目标指示元件的作用是发射红色激光照射即将测温的区域，起目标指示作用；温度探测元件的作用就是发射一束红外光照射目标区域，然后接受反射或散射回来的红外光，反馈给控制***，通过解析方法推断目标区域的人体体表温度。

Claims (4)

1.一种近红外激光集成医疗光源，其特征是，包含封装基板、垂直腔面发射近红外激光器集成芯片阵列、透镜组、目标指示激光器及测温模块；目标指示激光器及测温模块设置在透镜组的外部镜头的周围；所述透镜组为一组平凸镜头，将垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列聚焦成像在前方；垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列经基板封装后被固定在散热装置上，散热装置包含散热鳍片和风扇，与透镜组组合成一光源单元，固定在光源壳体内部；垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列中的任意位置配置一颗或几颗LED红光芯片以直观显示芯片阵列工作状态；垂直腔面发射近红外激光器芯片的波长为940nm或808nm；设有红外测温模块；测温模块包含激光测距、目标指示及温度探测元件；测温模块的电路板在光源壳体内部或外部被以一定倾斜角固定，使得元件发出的激光束在离出光口2厘米至15厘米范围内均能照射在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列所发出近红外光线的光斑范围内；测温模块中目标指示激光器和红外温度探测元件之间的连线离与该连线平行的圆形出光口的直径间的距离为45cm。

2.根据权利要求1所述的近红外激光集成医疗光源，其特征是，透镜组焦距f=55cm，透镜组最下的透镜离芯片的距离X1=25mm，透镜组总长X2=46.8mm，成像距离X3=133mm。

3.根据权利要求1所述的近红外激光集成医疗光源，其特征是，目标指示激光器包含六个以上激光器；目标指示激光器为六个激光器时，均匀分布在一圆周上，间隔60^o角分布。

4.根据权利要求1所述的近红外激光集成医疗光源，其特征是，目标指示激光器的中心波长在650nm-780nm之间，功率1mW。