CN115430063A - 一种提高认知力的头戴式光疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，具体为一种提高认知力的头戴式光疗装置。本发明装置包括光照模块、控制模块和电源模块；光照模块由圆形电路基板、LED阵列光源、扩散片和散热装置组成，用以近距离照射右额前位置。控制模块包含调光芯片、按钮及其配套电路，用于接收用户指令并对脉冲光波长、频率、光强、功率和光照作用时间进行设置。电源模块用于向控制模块和光源模块供电。本装置可以实现向前额处大脑皮层发射具有穿透力的一定功率、频率和占空比的脉冲光或稳态光。本装置针对健康者可进行认知功能的保健及增强，对脑部认知力受损的患者进行辅助性治疗。本发明创新性地利用光子与大脑皮层神经元之间的光生物调节作用以达到提高认知力的效用。

Description

一种提高认知力的头戴式光疗装置

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

经颅红光及红外光照射是近十年兴起的一种被证明可以显著提升年轻人、老年人和认知疾病患者认知力的手段。认知力具体包括警戒性、注意力、记忆力、执行力等。目前对提升认知力的方法有多种，如药物治疗，体育锻炼，经颅磁脉冲等。近十年来，有关经颅光对认知力提升的影响得到了广泛的研究。细胞实验、动物实验和人体实验的数据都表明，经颅光照射对认知力的提升具有显著性的积极影响。经颅光照射往往利用红光或红外光的穿透能力，让光穿透头皮、头骨到达大脑皮层的有效区域，利用光子与脑组织的相互光生物调节作用提升神经元ATP活性、提高线粒体膜电位，促进脑氧合速率，调制脑电频率，从而达到提升认知力的功效。

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。经颅光领域的一个技术性难题是头皮、头骨对光的削减作用明显，往往只有1%-5%左右的光能量能够达到大脑皮层，故难以将有效剂量的光能量传递到大脑皮层处。利用脉冲光可以等效提升穿透深度，解决这一难题。同时，脉冲光的频率可以和人脑固有的脑电节律形成共振，起到调制脑电节律的作用，并进一步提升认知能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效提升光穿透深度以提高认知力的头戴式光疗装置。

本发明提供的提高认知力的头戴式光疗装置，包括电源模块、光照模块和控制模块；其中：

所述电源模块，为整个装置提供稳定电源，输出电压范围为10~20V；

所述光照模块，用于光照目标细胞；为薄圆柱体的形状，由柔性电路基板、扩散板、光源和散热装置组成；所述光源为同一型号的单色LED阵列或峰值波长不同的多种单色LED阵列，峰值波长在600~1000nm范围内；所述LED阵列按同心圆型方式分布在所述光照模块的柔性电路基板上；所述扩散板为同尺寸的均光板或蒙光片，设置在柔性电路基板的主面和光源发出光线所朝向的一侧，用于对出射的光线进行扩散；所述散热装置为铝型材散热片或半导体制冷片，紧贴于柔性电路基板的背面，作用为在光源启动时予以散热；

所述控制模块包含调光芯片、按钮及其配套电路，用于接收用户指令并对脉冲光波长、频率、光强、功率和光照作用时间进行设置。

本装置为头戴式穿戴装置，通过弹力带固定于头部，使用时光照模块应紧贴于额头处，使用者通过控制模块处的按钮对光线进行控制。

进一步地：

所述控制模块，对LED阵列光源进行恒流驱动和PWM调光。

所述控制模块对所述光源进行PWM调光，其中幅值范围为10~20V，频率设置范围为10Hz~20kHz，占空比设置范围为10~1000%。优选占空比为50-200%。

所述目标细胞，具体为神经元细胞。

所述认知力，具体包括警戒性、注意力、记忆力、执行力等。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明采用特定有效波长的LED，匹配脑部组织所含发色团的吸收峰，可以大大提高光疗的有效性；

（2）本发明使用脉冲波形，可以在功率相同的情况下实现较高峰值强度，穿透组织的深度更高，解决大部分经颅光装置难以达到有效深度的问题；

（3）本装置作用于前额叶皮层神经元细胞，可以提高细胞线粒体功能，激活ATP产生，促进脑氧合速率，达到提高认知力的有益效果。

附图说明

图1为本发明头戴式光疗装置模块框图。

图2为本发明头戴式光疗装置结构图示。

图3为本发明实施例的脉冲光与低功率稳态光的比较。

图中标号：1为柔性电路基板，2为扩散板，3为LED阵列光源，4为弹力带，5为散热装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实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。

目前市场上针对认知力提升的光疗仪器较少，国外有用低强度弱激光作为光源的产品。激光的波形很难调整，多为恒流光；而LED可以更为轻松地调节脉冲波形，提高峰值功率，达到更深的穿透深度。同时，LED具有响应时间短、体积小，发光效率高、高亮度、低热量、耗电量低、寿命长等优点，因此近年来越来越多的可穿戴式光疗设备以LED作为发光光源。本发明目的是能够将治疗所使用的有效剂量的红光穿透额头处的皮肤和头骨，到达前额叶处大脑皮层，因此需要借助脉冲调光，在功率恒定的情况下达到更深的穿透深度。同时考虑到热效应，设备所散发出来的热量不能太高，以免损伤额头表皮处细胞。

本发明实施例提供了一种提升认知力的头戴式光疗装置，包括电源模块、光照模块和控制模块 （图1）。

图2是本发明光照模块装置结构图示。光照模块由柔性电路基板1、扩散板2和LED阵列光源3组成，柔性电路基板1为圆形，直径4cm。扩散板2为同尺寸的均光板或蒙光片。设置在电路基板1的主面所朝向的一侧，为一块具有对出射的光线进行干涉的板块，用以扩散光线。扩散板2材料为常见的玻璃和聚碳酸酯(PC)，也可以选择其他材质。LED阵列光源2为单色LED光源或峰值波长不同的多种单色LED光源。峰值波长范围为600nm~1000nm，光谱半波全宽小于40nm。LED阵列光源2通过柔性电路基板1接收来自控制模块的工作信号，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。将光疗装置做成穿戴式，并设置弹力带4，用于将光疗装置固定于头部，提高便携性和可用性。散热装置5用于在光源启动时进行散热，维持舒适的温度。

本发明装置发出的脉冲光可以达到更深穿透深度，其原理参加图3所示。对于大脑皮层处的目标光疗区域，对应的目标细胞为神经元细胞。假设有效光疗波段为峰值波长为630nm，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。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，神经元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。

综上所述，本发明的经颅脉冲光光疗装置，可通过PWM调光方法获得具有一定频率和占空比的LED脉冲光源，其瞬时能量可以设置为较高状态。特定波段的脉冲LED红光可以穿透额头处的头皮、头骨，到达脑部前额叶处，并通过光化学效应激活神经元活力，提高脑氧合速率，进而提升认知力如警戒性、记忆力、注意力等。总之，本发明的脉冲光光疗设备具有瞬时功率高和从内在机理层面分析两大优点，具有广阔应用前景。

Claims (2)

1.一种提高认知力的头戴式光疗装置，其特征在于，包括电源模块、光照模块和控制模块；其中：

所述电源模块，为整个装置提供稳定电源，输出电压范围为10~20V；

所述光照模块，用于光照目标细胞；为薄圆柱体的形状，由柔性电路基板、扩散板、散热装置和光源组成，用以近距离照射右额前位置；所述光源为同一型号的单色LED阵列或峰值波长不同的多种单色LED阵列，峰值波长在600~1000nm范围内；所述LED阵列按同心圆型方式分布在所述光照模块的柔性电路基板上；所述扩散板为同尺寸的均光板或蒙光片，设置在柔性电路基板的主面和光源发出光线所朝向的一侧，用于对出射的光线进行扩散；所述散热装置为铝型材散热片或半导体制冷片，紧贴于柔性电路基板的背面，作用为在光源启动时予以散热；

所述控制模块包含调光芯片、按钮及其配套电路，用于接收用户指令并对脉冲光波长、频率、光强、功率和光照作用时间进行设置。

2.根据权利要求要求1所述的头戴式光疗装置，其特征在于，所述控制模块对LED阵列光源进行恒流驱动和PWM调光；

所述光源进行PWM调光，其中幅值范围为10~20V，频率范围为10Hz~20kHz，占空比范围为10~1000%。

Images