CN111803799A - 一种led脉冲光祛斑仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED脉冲光祛斑仪，包括LED光源模块、传感器模块、交互模块和驱动控制模块；所述LED光源模块用于产生脉冲光照，所述脉冲光照的光参数基于人体组织的热弛豫计算得到；所述传感器模块用于获取工作数据；所述交互模块用于接收控制命令；所述驱动控制模块用于根据所述工作数据和所述控制命令控制所述LED光源模块工作。本发明的LED脉冲光祛斑仪体积小，发光效率高，光斑均匀且光参数容易调控。

Description

一种LED脉冲光祛斑仪

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种LED脉冲光祛斑仪。

背景技术

人体的斑痕是困扰人们的一大问题。长期以来，人们采用了口服药物，涂抹化学试剂等多种方法尝试祛斑，然而这些方法的作用都很有限，不能有效祛斑。近年来，随着光电技术的发展，光子学在生物领域的应用受到了越来越多的关注，光照治疗疾病被证明是一种切实可行的手段。

对于斑痕的光照治疗，为了穿透表层皮肤作用于斑痕处，破坏其中的黑素小体，达到祛斑的目的，一般需要采用高强度的光照。目前的光照祛斑设备，普遍采用激光光源，发射高能量光线，用高能量的光线穿透皮肤，照射到斑痕细胞和组织，以达到治疗目的。受发光机制和目前工程技术限制，激光光源光效不高，为了实现治疗效果必须增大体积和功率，导致基于激光光源的祛斑仪工作发热较大，必须配备冷却头以降低治疗区域的皮肤温度，在增加成本的同时也增大了设备的体积。另一方面，冷却头在使用过程中必须紧贴皮肤，也会刺激皮肤，影响用户的使用体验。由于光疗设备的光源与光疗区域之间的距离较近，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，不利于皮肤的祛斑效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种能发射瞬时高光强光束且装置总体发热较低的LED祛斑仪，在具有相似或更好祛斑效果的同时，减少发热并降低成本，提高用户体验。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种LED脉冲光祛斑仪，包括LED光源模块、传感器模块、交互模块和驱动控制模块；所述LED光源模块用于产生脉冲光照，所述脉冲光照的光参数基于人体组织的热弛豫计算得到；所述传感器模块用于获取工作数据；所述交互模块用于接收控制命令；所述驱动控制模块用于根据所述工作数据和所述控制命令控制所述LED光源模块工作。

优选地，所述脉冲光照的光参数包括占空比，所述占空比在Dr1和Dr2范围内；Dr1和Dr2基于人体组织的热弛豫计算得到：Dr1满足T1-T0＝(El×Dr1/f)×α×β1/Ch，式中T1为黑素小体发生不可逆损伤的最低温度，T0为皮肤组织初始温度，El为LED光源模块的电功率，f为频率，α为光热转化系数，β1为黑素小体吸收系数，Ch为黑素小体的比热容；Dr2满足T2-T0＝(El×Dr2/f)×α×β2/Cb，式中T2为表皮细胞发生损伤的最低温度，T0为皮肤组织初始温度，El为LED光源模块的电功率，f为频率，α为光热转化系数，β2为表皮组织吸收系数，Cb为表皮组织比热容。

优选地，所述LED脉冲光祛斑仪还包括相互连接的机身框架和光照支架，所述LED光源模块设置在所述光照支架内，所述驱动控制模块设置在所述机身框架内，所述交互模块连接在所述机身框架上；所述交互模块与所述驱动控制模块电连接，所述驱动控制模块与所述LED光源模块电连接。

优选地，所述LED光源模块包括LED灯板和聚光透镜，所述LED灯板和所述聚光透镜从内到外依次在所述光照支架内；所述光照支架上设有开关键，所述开关键与所述驱动控制模块电连接，用于控制所述LED灯板的通断。

优选地，所述LED光源模块还包括红光光源，所述红光光源与所述LED灯板的照射范围相同，所述红光光源在所述LED脉冲光祛斑仪启动时工作。

优选地，所述LED灯板上包括多个LED阵列；所述LED阵列由单色LED光源组成，或者所述LED阵列包括峰值波长不同的多种单色LED光源；所述单色LED光源中心波长范围为200nm至1000nm，光谱半波全宽小于40nm。

优选地，所述驱动控制模块包括脉冲驱动单元和控制器；所述脉冲驱动单元包括多组LED驱动芯片，多组所述LED驱动芯片用于基于所述控制器的控制信号输出多路脉冲激励并分别独立驱动各个所述LED阵列；所述控制器用于输出控制信号，所述控制信号包括多路PWM信号和电压信号；所述PWM信号幅值为0至20V，频率范围为20Hz至20kHz，占空比范围为0.01％至10％；所述电压信号范围为0至2V。

优选地，所述传感器模块包括脉冲驱动单元温度传感器、LED光源模块温度传感器、LED光源模块功率传感器、治疗区域温度传感器和治疗区域距离传感器；所述脉冲驱动单元温度传感器设置在所述脉冲驱动单元上，所述LED光源模块温度传感器和所述LED光源模块功率传感器设置在所述LED光源模块上，所述治疗区域温度传感器和所述治疗区域距离传感器连接所述光照支架并位于所述LED光源模块的外侧。

优选地，当所述脉冲驱动单元温度传感器检测到的温度高于第一预设温度、所述LED光源模块温度传感器检测到的温度高于第二预设温度、所述治疗区域温度传感器检测到的温度高于第三预设温度、所述LED光源模块功率传感器检测到的功率高于预设功率或者所述治疗区域距离传感器检测到的距离大于预设距离时，所述驱动控制模块停止所述LED光源模块的工作，并通过所述交互模块发出警报。

优选地，所述交互模块包括触控屏，所述触控屏镶嵌在所述机身框架上；所述触控屏用于接收所述控制命令并显示所述工作数据。

优选地，所述机身框架与所述光照支架通过可伸缩的连接管连接；所述连接管中设有可伸缩的连接线，所述连接线连接所述LED光源模块和所述驱动控制模块；所述机身框架上设有容纳所述光照支架的放置槽。

与现有技术相比，本发明能够取得以下有益效果：

1、本发明提出的LED脉冲光祛斑仪采用LED光源代替传统的激光光源，能达到与传统激光祛斑仪设备相同的祛斑效果，且对皮肤刺激小，因此可以替代激光祛斑仪进行祛斑。

2、本发明的LED脉冲光祛斑仪采用的LED光源光效高、响应快，能够通过PWM调光或电流调光等方式调节光束的光强、频率、占空比，光斑均匀且照射面积大，能够更加灵活的适应不同照射面积的需求。

3、本发明的LED脉冲光祛斑仪采用了LED光源，光谱宽、体积小、功耗低，相对生物医学领域使用的激光光源，体积和整体成本相对较低，可以满足不同层次消费者的需求。

4、本发明的LED脉冲光祛斑仪同稳态LED光源相比，使用LED脉冲光源能在更短时间内输出同等能量光线，而在脉冲间隙装置能够充分散热，使得长时间工作状态下目标区域升温并不明显。本发明的LED脉冲光祛斑仪基于人体组织的热弛豫计算了频率光的光参数，在保证破坏黑素小体的同时减少对其他组织的伤害，高效安全，减少患者不适感。

5、本发明的LED脉冲光祛斑仪工作稳定性强，相比具有中高功率的稳态LED祛斑仪，宏观上设备产热不明显，无需配备冷却模块，减小了设备体积，提升用户体验。

6、本发明的LED脉冲光祛斑仪通过调整发光参数以及不同LED阵列的发光，能够提供多种治疗模式，可以依据用户需求进行选择，具有通用性。

附图说明

图1为本发明LED脉冲光祛斑仪实施例的简化结构示意图。

图2为本发明LED脉冲光祛斑仪实施例中光照支架的简化结构示意图。

图3为本发明LED脉冲光祛斑仪实施例中LED灯板的简化结构示意图

图4为本发明LED脉冲光祛斑仪实施例祛斑仪的原理图。

以下结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式

如图1至4所示，本实施例提供的LED脉冲光祛斑仪，是针对表皮组织内的黑素小体的仪器，包括LED光源模块U1、驱动控制模块U2、传感器模块U3、交互模块U4。LED光源模块U1用以产生脉冲光照，使光照作用于治疗区域中的黑素小体,脉冲光照具有基于人体组织的热弛豫计算得到的光参数。驱动控制模块U2用于分析和处理用户及设备数据，控制设备运行。传感器模块U3用于采集设备各方面工作数据，并提供给驱动控制模块U2。交互模块U4用于人机交互，显示设备状态并接收控制命令。

其中，热弛豫计算包括以下步骤：对于频率为f、LED光照电功率为El的脉冲光，照射在初始温度为T0的皮肤组织上，因该处黑素小体较多且其吸光能力强于其他组织，大部分光量被黑素小体吸收转化为热能。设一个周期内的脉冲能量为Ep＝El×Dr/f，其中Dr为脉冲光的占空比。该脉冲能量作用到目标组织时，黑素小体产生的热效应为Eh＝Ep×α×β1，α为光热转化系数，β1为黑素小体吸收系数。表皮组织产生的热效应Eb＝Ep×α×β2，β2为表皮组织吸收系数；一个光照周期内的光照阶段结束时，黑素小体温度为T1，单位体积温升ΔT1＝T1-T0＝Eh/Ch，Ch为黑素小体的比热容。若温度T1下的黑素小体发生不可逆损伤，设置该光照周期的占空比Dr1为下限。一个光照周期结束时，表皮组织的温度为T2，单位体积温升ΔT2＝T2-T0＝Eb/Cb，Cb为表皮组织比热容。当温度T2下表皮细胞发生损伤，设置LED光照周期占空比Dr2为上限。因此，应设置脉冲光的占空比在Dr1和Dr2范围内。在一个光照周期内，若满足脉冲光间隔时长远大于表皮组织热弛豫时间，ΔT2≈0，则表皮组织宏观上表现为不发热。

LED脉冲光祛斑仪还包括光照支架41、机身框架42，光照支架41与机身框架42通过连接管43连接。交互模块U4包括触控屏44，触控屏44例如可以是10寸彩色触控屏，镶嵌在机身框架42上。机身框架42可以是落地带滑轮的柜子，优选为长方形柜体，用于支撑和安装各模块设备，机身框架42包括的仪器外壳用于保护和包装设备各模块，仪器外壳可以采用金属和塑料制成。仪器外壳上设置有用于容纳光照支架41的容纳槽45。连接管43为可伸缩塑料管，管中串有可伸缩电源线和信号线，用于连接机身框架和光照支架的各模块。光照支架41中安装LED光源模块U1，光照支架41可以手持在连接管43长度范围以内自由活动，方便对于不同位置的祛斑，存放时可收纳在机身框架42的容纳槽45内。

LED光源模块U1由LED灯板11和聚光透镜12组成，LED灯板11和聚光透镜12从内向外依次固定在光照支架41内，LED灯板11上有多个LED阵列，多个LED阵列在驱动控制模块U2的控制下可发出不同参数的脉冲光，LED光源模块U1与驱动控制模块U2通过连接线连接。聚光透镜12将LED灯板11发出的光线进行汇聚，可以调节焦距，准确作用于治疗部位。LED光源模块U1在工作时能够发出不同参数的光束，对待祛斑处进行治疗。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不小于2；其中的单色LED光源中心波长范围为200nm至1000nm，光谱半波全宽小于40nm。LED阵列光源向远离所述主面的方向发射光线。LED光源模块U1还带有一组恒流低功率红光光源，用于辅助用户确定仪器工作时的作用范围。透镜12具有对LED光线进行干涉功能，固定在LED灯板11下方。LED光线进入透镜12后，可以将光线汇聚到较小的区域内用于治疗。

驱动控制模块U2由脉冲驱动单元21和控制器22组成，用于产生脉冲激励电流，脉冲驱动单元21和控制器22固定在机身框架42内。脉冲驱动单元21能够输出多路脉冲激励电流驱动对应LED阵列，具体地，脉冲驱动单元21可以由多组LED驱动芯片组成，能够输出多路脉冲激励，独立驱动各LED阵列，并能基于控制器控制信号分别对各LED阵列进行PWM调光。控制器22为整个设备的控制中心，负责收集分析用户指令和传感器数据，通过触控屏44向用户显示设备和治疗信息，并通过控制信号控制脉冲驱动单元21的驱动输出。控制器22的控制信号为PWM信号和电压信号，PWM信号幅值为0至5V，频率范围为20Hz至20kHz，用以控制LED光源模块U1发出脉冲光的波长、频率和占空比；电压信号范围为0至2V，用以控制LED光源模块U1发出脉冲光的峰值光强；PWM调光控制的参数包括波长、频率、占空比和峰值电流。

传感器模块U3，由温度、功率和距离等多个传感器组成。具体可以包括测量LED光源模块11的温度Td的温度传感器、测量治疗光照位置的温度Tb的温度传感器、测量光源与治疗位置距离L1的距离传感器和测量LED光源模块11的LED电功率W1的电功率传感器组成，还可以包括脉冲驱动单元21温度的温度传感器。以上传感器采集的数据由驱动控制模块U2中控制器进行计算分析，用以避免设备故障或用户操作不当造成的危险。

本实施例的LED脉冲光祛斑仪的工作流程如下：触控屏44接收用户的设置和开机命令后，将包含用户治疗信息(治疗类型和治疗功率等)的命令信息发送给控制器22，控制器22基于命令信息加载预设光参数。控制器22收集并计算分析传感器模块U3收集的LED光源模块11的温度Td、治疗区域温度Tp，当Td低于70℃，温度Tp无数据(设备光源没有对着物体)时，设备开机发出红色引导光，辅助用户将设备调整到合适位置；当接近合适位置后，用户按下开关，控制器22发送PWM信号和电压控制信号，控制脉冲驱动单元21产生脉冲激励，驱动LED光源模块U1发出预设参数的脉冲光。治疗过程中，控制器实时采集温度Td、Tp，距离L1与光照功率W1。当Td温度超过70℃时，控制器22控制设备停止治疗，并通过触控屏44发出警报，提醒用户检查设备。当温度Tp超过50℃时，控制器22控制设备停止治疗，并通过触控屏44发出警报，提醒用户防止灼伤。当功率W1偏差超过5％时，控制器控制设备停止治疗，并通过触控屏报警，提醒用户检查设备。当距离L1偏差超过20％时，控制器暂时停止光照治疗并通过触控屏提醒用户调整作用区域。

本实施例的LED脉冲光祛斑仪可以用于祛除雀斑，目标组织为色素沉着斑，雀斑处表皮组织的黑色素细胞数目并不存在明显变化，但黑素小体数量明显增多，如果能对黑素小体进行破坏，则能改善或消除雀斑。例如可以采用如下步骤：对雀斑处进行照射，由于黑素小体对光束能量吸收能力远强于其他组织，可认为大部分光被黑素小体吸收。黑素小体吸收光能，该区域温度迅速上升，黑素小体在短时高温下被破坏。当光能量超过阈值，其他组织升温明显，因此需要将光束能量限制在阈值之内。假设黑素小体的有效吸收光波段峰值为630nm的光线，从LED灯板发出的脉冲光峰值功率为5W/mm²，占空比Dr为0.5％。单次治疗周期照射时长2s，能量密度为5J/cm²。一个疗程以10次光照为宜，治疗间隔7天，能够有效祛除雀斑。

由上可见，本发明与现有祛斑仪相比，具有下列明显优势：使用基于LED的脉冲光作为治疗光，相较激光光源同类产品，LED光源体积更小，发光效率更高，光斑均匀且光参数容易调控，能有效降低治疗时长；相较同类LED产品，脉冲光峰值功率更高，能穿透浅层组织，有效到达黑素小体密集区域；脉冲光占空比小，平均功率更低，无需配备冷却装置，可以在低功率的条件下实现破坏黑素小体的效果；配备温度、距离传感器，实时监测用户皮肤温度、距离，给出建议工作模式与使用距离。本发明具有广阔的应用前景与市场空间。

最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LED脉冲光祛斑仪，其特征在于：

包括LED光源模块、传感器模块、交互模块和驱动控制模块；

所述LED光源模块用于产生脉冲光照，所述脉冲光照的光参数基于人体组织的热弛豫计算得到；

所述传感器模块用于获取工作数据；

所述交互模块用于接收控制命令；

所述驱动控制模块用于根据所述工作数据和所述控制命令控制所述LED光源模块工作。

2.根据权利要求1所述的一种LED脉冲光祛斑仪，其特征在于：

所述脉冲光照的光参数包括占空比，所述占空比在Dr1和Dr2范围内；

Dr1和Dr2基于人体组织的热弛豫计算得到：

Dr1满足T1-T0＝(El×Dr1/f)×α×β1/Ch，式中T1为黑素小体发生不可逆损伤的最低温度，T0为皮肤组织初始温度，El为LED光源模块的电功率，f为频率，α为光热转化系数，β1为黑素小体吸收系数，Ch为黑素小体的比热容；

Dr2满足T2-T0＝(El×Dr2/f)×α×β2/Cb，式中T2为表皮细胞发生损伤的最低温度，T0为皮肤组织初始温度，El为LED光源模块的电功率，f为频率，α为光热转化系数，β2为表皮组织吸收系数，Cb为表皮组织比热容。

3.根据权利要求1或2所述的一种LED脉冲光祛斑仪，其特征在于：

所述LED脉冲光祛斑仪还包括相互连接的机身框架和光照支架，所述LED光源模块设置在所述光照支架内，所述驱动控制模块设置在所述机身框架内，所述交互模块连接在所述机身框架上；所述交互模块与所述驱动控制模块电连接，所述驱动控制模块与所述LED光源模块电连接。

4.根据权利要求3所述的一种LED脉冲光祛斑仪，其特征在于：

所述LED光源模块包括LED灯板和聚光透镜，所述LED灯板和所述聚光透镜从内到外依次在所述光照支架内；所述光照支架上设有开关键，所述开关键与所述驱动控制模块电连接，用于控制所述LED灯板的通断；

所述LED光源模块还包括红光光源，所述红光光源与所述LED灯板的照射范围相同，所述红光光源用于发出红色引导光。

5.根据权利要求4所述的一种LED脉冲光祛斑仪，其特征在于：

所述LED灯板上包括多个LED阵列；

所述LED阵列由单色LED光源组成，或者所述LED阵列包括峰值波长不同的多种单色LED光源；所述单色LED光源中心波长范围为200nm至1000nm，光谱半波全宽小于40nm。

6.根据权利要求3所述的一种LED脉冲光祛斑仪，其特征在于：

所述驱动控制模块包括脉冲驱动单元和控制器；

所述脉冲驱动单元包括多组LED驱动芯片，多组所述LED驱动芯片用于基于所述控制器的控制信号输出多路脉冲激励并分别独立驱动各个所述LED阵列；

所述控制器用于接收工作数据和控制命令并输出控制信号，所述控制信号包括多路PWM信号和电压信号；所述PWM信号幅值为0至20V，频率范围为20Hz至20kHz，占空比范围为0.01％至10％；所述电压信号范围为0至2V。

7.根据权利要求6所述的一种LED脉冲光祛斑仪，其特征在于：

所述传感器模块包括脉冲驱动单元温度传感器、LED光源模块温度传感器、LED光源模块功率传感器、治疗区域温度传感器和治疗区域距离传感器；

所述脉冲驱动单元温度传感器设置在所述脉冲驱动单元上，所述LED光源模块温度传感器和所述LED光源模块功率传感器设置在所述LED光源模块上，所述治疗区域温度传感器和所述治疗区域距离传感器连接所述光照支架并位于所述LED光源模块的外侧。

8.根据权利要求7所述的一种LED脉冲光祛斑仪，其特征在于：

当所述脉冲驱动单元温度传感器检测到的温度高于第一预设温度、所述LED光源模块温度传感器检测到的温度高于第二预设温度、所述治疗区域温度传感器检测到的温度高于第三预设温度、所述LED光源模块功率传感器检测到的功率高于预设功率或者所述治疗区域距离传感器检测到的距离大于预设距离时，所述驱动控制模块停止所述LED光源模块工作，并通过所述交互模块发出警报。

9.根据权利要求3所述的一种LED脉冲光祛斑仪，其特征在于：

所述交互模块包括触控屏，所述触控屏镶嵌在所述机身框架上；所述触控屏用于接收所述控制命令并显示所述工作数据。

10.根据权利要求3所述的一种LED脉冲光祛斑仪，其特征在于：

所述机身框架与所述光照支架通过可伸缩的连接管连接；所述连接管中设有可伸缩的连接线，所述连接线连接所述LED光源模块和所述驱动控制模块；

所述机身框架上设有用于容纳所述光照支架的放置槽。

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