CN1382065A - 用于光疗的柔性发光器 - Google Patents

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Abstract

一种用于外部光疗的柔性发光器,在一柔性基底上具有至少一个发光源,最好多个发光源。该柔性基底可以是一印刷电路板,而该发光源可以是安装有LED的表面。设有自离散光源散射光的结构和/或使热自皮肤的接触表面传递出去的系统。该发光器可以以一个围绕婴儿或成人的肢体裹绕的垫的形式制成,或可以以一个较大的结构设置,例如席子。该发光器可以被动或主动冷却,从而使皮肤的接触表面保持在所需温度之下。LED最好是蓝色或绿色的,且可以提供紫外线过滤器。

Description

用于光疗的柔性发光器
技术领域
本发明涉及外部光疗的装置和方法，特别是涉及很靠近或接触患者的皮肤使用的光疗装置。更具体地，本发明提供了一种可以安全而舒适地佩戴的柔性、高强度的柔性光疗装置。
背景技术
“光疗”一词指的是光在治疗方面的应用，而本文所用“发光器”指的是要在体外使用且为了治疗的目的将光导入皮肤的装置。与其相反，有些光疗装置提供有探头且设计成在体内使用。
体外光疗已经在处理许多病症中表现出效果。例如，研究表明，特定的光谱在治疗易饿病、疱疹、牛皮癣、季节性情感障碍、睡眠障碍、痤疮和其它病症时有效果。最普遍地采用光疗处理的一种疾病是新生婴儿的高胆红素血症，该病表现为新生儿血液中被称之为“胆红素”的有毒分子的水平升高。在人体从称之为“亚铁血红素”的物质中清除铁的自然过程中产生胆红素。正常情况下，胆红素在肝脏内呈结合胆红素并排泄掉。但是，胎儿不能结合胆红素，所以它是通过胎盘清理的。在新生儿的最初一段时间，婴儿的肝脏可能还不太成熟，以致于不能结合胆红素。如果保持这种状态不处理，由于没有有效的排泄通道，所以血浆中的胆红素水平可能增高，出现黄疸的临床症状。婴儿的胆红素水平高可能造成不可逆的脑损伤，甚至死亡。
在生命第一周，大约60％的新生儿有时在临床上会出现黄疸。结果，高胆红素血症成为新生儿再次入院的主要原因之一。对于新生儿的未结合高胆红素血症，光疗是一种治疗选择，而且在世界范围内已经应用了数十年，未见明显的副作用。用光疗来治疗高胆红素血症是将胆红素从其非水溶形式转变成水溶型副产物，这种副产物可以与白蛋白结合，输送到肝脏，并排泄出去。
作为微黄色色素，胆红素吸收蓝色、紫色和绿色光谱的可见光，且最容易吸收的波长范围在400nm～500nm，最大吸收峰在450nm～460nm范围，即蓝光。绿光在光疗中也有效，因为波长较长的光能更深地透入皮肤。在光疗的功效中存在一个剂量响应关系。亦即，对于较大剂量的治疗光存在增强响应，表现为胆红素水平降低。
在本技术领域内众所周知的光疗用发光器不外乎两大类：排灯和光纤发光器。早期的光疗发光器包括置于育婴箱上方、摇篮上方，处于护罩或透明支架下的排灯。一般用荧光管或金属卤化物灯作为光源，尽管采用数排LED(发光二极管)在本技术领域中也是已知的。这些光源与婴儿间隔一段距离并照射婴儿的整个身体。
采用排灯发光器有许多缺点。因为强烈的光线可造成眼睛的永久性损伤，所以在治疗时婴儿有时必须佩戴不舒服的眼睛保护装置，要么采用适用的屏蔽罩或护目镜，要么甚至是用带使眼睛闭上。设备的体积较大，会挤占通常较狭窄的新生儿病房的宝贵空间。排灯产生所不希望有的热，妨碍医务人员护理患者。所产生的热在婴儿的光疗中是生死攸关的。新生婴儿对热极端敏感，而且人们已经发现，当环境温度较体温正常值仅仅提高五摄氏度时，新生婴儿的心率显著增加。高热可并发心率不齐、中暑、和婴儿猝死综合征。结果，当婴儿处在一排光疗灯下时，必须定时监测婴儿的体温。再者，笨重的设备不适合于家庭使用，因此新生婴儿必须在医院内滞留较长时间。
最初是为了迎合父母要将其新生婴儿尽早带回家的需要，开发了便携式光纤垫或包裹布。这些光纤发光器将光自远处的光源通过光缆传送到具有可紧挨患者的皮肤佩戴的具有光纤织物的柔性垫。因为光纤发光器仅仅围绕婴儿的一部分或布置在婴儿的一部分之下，所以婴儿的眼睛不暴露在强烈的光线下，而不需要对眼睛进行保护。因为光源远离紧挨患者的柔性垫，所以可以用滤光装置来减弱所有可感知的热。最重要的，由于在进行光疗的同时可以抱起或护理婴儿，所以光纤发光器可以在生命最初的数周内促进较好亲子关系的形成。商业化的光纤光疗发光器包括Ohmeda的BiliBlanket和Respironics的Wallaby II型，它们分别采用卤素钨灯和卤素石英灯作为光源。
图1给出了先有技术发光器的光纤垫的型式。该发光器包括通过光缆12连接到一外壳14的织造光纤垫10。联接器16固定在光缆12的一端，并插入到外壳14内接受光能。外壳14包括在其上可安装电源开关20的前面24、控制显示器22和指示灯26和28。垫10包括多个光纤织造物，从而自垫的一侧发射光能。
尽管比辐射型发光器有许多优点，但是从几个因素看光纤发光器还是不理想。很明显，由于光自远处的光源传送到较小的光纤垫，所以光纤发光器输出的光的总量一般较高架排灯的低。再者，即使是为了输出此量值有限的光，光纤发光器也需要诸如卤素灯的高强度光源，以及昂贵的光纤滤光器，来消除所不希望有的热和紫外光。光纤垫一般依赖各种纤维照射层的几何形状来控制光的照射水平。由于患者与光纤垫直接接触，所以会有可能改变其几何形状的压力施加在上面，从而改变光的强弱。最后，同垫的其它端相比光强可能更集中在靠近光源之处。
近来，斯坦福大学的研究人员研究了高强度发光二极管(LED)对高胆红素血症光疗的功效。测量了在LED和传统光源下人类血清白蛋白中的胆红素在玻璃试管中的光降解，得出LED效果更好的结论。提到了在家用光疗装置中LED的使用。但是，没有公开具体的装置结构，对进行光疗时的患者，例如新生婴儿的安全性和舒适性也没有任何考虑。
总之，光纤发光器较传统的高架光疗发光器的效率低，两者均有明显的缺点。另外，对于在家用光疗装置中采用LED还存在几个障碍，例如，在患者的安全性和舒适性，以及治疗效果方面。因此需要这样的光疗发光器，它发出的治疗光要强于现有的光纤发光器，同时保留柔性发光垫的优点，且在使用中安全和舒适。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了一种用于向皮肤输送光能进行光疗的发光器。该发光器包括一个薄的、重量轻的柔性基底，它具有多条附接其上、适于连接到电源的导电轨迹。至少一个离散的发光源，最好是至少两个离散的发光源，设置在基底上且与该导电轨迹相连。最后，一覆盖层至少部分地包围该基底且具有一个与发光源间隔开的、适于与患者的皮肤接触的外表面。该发光器最好足够轻、足够柔软，以紧靠新生婴儿的皮肤佩戴而不致使其受伤。该发光器最好包括一个光线弥散装置，使来自离散发光源的光能更加均匀。另外，最好设置一冷却装置，使该外表面的温度低于预定值。
在另一个实施例中，本发明提供一个用于向皮肤输送光能进行光疗的发光器，其包括一个薄的、重量轻的柔性基底，多条附接该基底上、适于连接到电源的导电轨迹。至少一个设置在基底上且与该导电轨迹相连的离散的发光源，和在该基底上有一个至少覆盖或邻接该发光源的界面。
本文所用“界面”一词指的是本发光器的一个区域，该区域位于至少部分围绕和/或至少部分邻接发光源或发光器的光源。该界面可包括中空或开放的空间或通道。
该界面最好提供或适于携带一有效的传热装置或介质，以便消散发光源或各发光源所产生的热，使得该发光器能够安全地接触患者，例如新生儿的皮肤。在一有用的实施例中，该发光器包括一个覆盖层，且在该覆盖层和该基底之间，该界面提供或适于携带一个冷却装置或介质。例如，该界面可在覆盖层和基底之间构成一个空间，用于进行主动或被动的热传导。该发光器可以设在与一个或多个携带电线和冷却液介质的导管相连的柔性席垫上。
在又一个实施例中，本发明的用于向皮肤输送光能进行光疗的发光器，其包括一个薄的、重量轻的柔性基底和多条附接在该基底上、适于连接到电源的导电轨迹。设置在基底上的至少一个离散的发光源，最好是至少两个离散的发光源，与该导电轨迹相连。一界面至少部分覆盖该基底上的发光源，且起到使自该离散光源发出的光弥散的作用。该发光器适于与患者的皮肤接触。该界面可以包括任何适用的光散射装置。例如，可以采用诸如玻璃泡或中空玻璃珠和类似的光散射元件。其它光散射元件包括，但并不局限于，氧化钛、一氧化钛、氧化锆、氧化锌、石英、氧化铝、钻石粉、碳化钙、氟化钙、无色玻璃、氟化钡、其它玻璃，折射指数与放置光散射元件的基体的折射指数相差至少5％的材料和类似材料及其混合物的细粒或颗粒。该界面可以包括凹坑、纹理或类似表面特征来弥散光线。也可以采用一个或多个散射装置来弥散光线。另外，可以采用一个或多个朗伯(lambertian)(随机)反射表面来弥散光线，例如，一个或多个无色表面。当然，也可以采用两种或多种光弥散装置的组合。
该界面可以包括一带有玻璃珠或玻璃泡的硅酮橡胶基体，例如散布其中的中空玻璃珠或具有不同的折射指数的材料的搀和物、混合物、和结合物。作为替代，或另外，该界面可以具有一个适于与患者的皮肤接触的外表面，为了散射自一个或多个离散光源发出的光，该表面是不规则的，例如，具有不光滑的表面状态。
在本发明的一个优选实施例中，光散射装置(诸如玻璃泡或类似物质)置于发光器要与患者相接触的表面，即接触表面附近。一个或多个光源位于该接触表面的背后或远离接触表面，而柔性朗伯反射表面位于距接触表面更远之处。这种布置减少了光的损失并强化了光的弥散和利用。该发光器位于紧靠患者的皮肤之处，基本没有光漏出的空间。该反射表面起到使被患者的组织和/或散射元件散射的光线返回到患者直至其被吸收的效果，并且是在较近的距离完成的，从而保持光的强度。来自光源的集中的光线散布在反射装置的表面上，进一步强化了散射。这种布置还允许使用额外的散射材料，同时保持大体恒定的光输出强度。
在本发明发光器的辐照度或接触表面处的平均辐射度大于每平方厘米50微瓦。
在本发明的又一个方面，一个用于向皮肤输送光能的可佩戴的光疗发光器包括一柔性基底和设置在该基底上的至少一个光源。一柔性聚合物层覆盖该发光源，该层允许光能从中穿过，且适于基本上或构成能够基本上，与患者的皮肤的一部分相吻合。该层最好选自这样的一组材料，包括硅酮橡胶、尿烷(氨基甲酸乙酯)、和聚亚安酯。可以有多个发光源，而为了散射自发光源发射出的光，可有多个玻璃泡、或具有不同折射指数的材料的混合物散布在该层。
在此所公开的特性包括在本发明的权利要求的范围内。另外，现在所公开的相互没有不一致或相互矛盾的两种或多种特性的结合，也包括在本发明的范围内。
本发明的这些和其它一些方面和优点在下面的详细说明和权利要求中是明显的，特别是结合附图考虑时，其中相同的部件使用相同的参考标记。
附图说明
图1是先有技术光纤发光器的透视图；
图2是本发明柔性垫型发光器的透视图；
图3是采用本发明的柔性垫型发光器的光疗系统的示意图；
图3A是图3所示光序系统的控制外壳的示意图；
图4是本发明另一个席垫型发光器的透视图；
图5是裹绕在成人肢体上的本发明柔性垫型发光器的透视图；
图5A是本发明佩戴在成人或青少年的面部呈面罩型式的发光器；
图6是本发明垫型发光器的平面图，给出依次剖切的各个层面；
图7是贯穿图6所示发光器一部分的截面图；
图8是贯穿类似图6所示的另一个发光器的一部分的截面图；
图9是本发明的示例发光器中所用多个发光源的基底和电连接装置的平面图；
图10是在本发明的示例发光器内形成的内部冷却通道的部分剖切图；
图11A-11D是表示本发明发光器的多种结构的截面图；
图12A-12F是表示本发明发光器的其它一些结构的截面图；
图13A-13D是表示本发明发光器的其它一些结构的截面图；
图14A-14C是本发明在其中具有被动冷却通道的发光器的平面图；
图15A-15C是本发明在其上具有外部冷却翅片的发光器的透视图；
图16是另一个具有内部间隔销钉的发光器的透视图；
图17是表示根据本发明的发光器的另一种结构的透视图；以及
图17A-D是图17所示结构中多种有用类型的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种具有多种用途的柔性发光器，例如用于新生儿高胆红素血症的治疗、以及牛皮癣、季节性情感障碍、睡眠障碍、疱疹、痤疮和其它病症的治疗。因为提高了光源的强度，本发明优于现有的光纤型发光器。本文对多种结构进行了说明，但总体上并不认为哪种特别优选。而实际是，在某种特定应用场合一种结构可能优于其它结构。
发光器系统
图2给出了本发明的一种发光器30，它包括一个长的柔性主体32，该主体具有前表面或接触表面34和面向相反方向且在图2中看不见的后表面。在所示实施例中，发光器30具有一圆角矩形结构，长度为L、宽度为W、厚度为t，长度L实际上大于宽度W，而两者均实际上大于厚度t。这些尺寸的比例最好使发光器30能够裹绕小婴儿、或裹绕成人的肢体，如图3和图5中所见，但本技术领域的技术人员可以理解，其它的结构也是可能的。
正如下面将更详细说明的，发光器30包括多个电发光源和连接到主体32的第一窄端38的电缆36。主体32在邻近第一端38的区域40较厚，目的是在主体和电缆36的界面处提供应变松弛。在一特定的优选实施例中，主体32是围绕发光源和电缆36模制而成的，相应地形成增厚区40。如将在下面说明的，发光器30可以包括将热自前表面传导出去的装置，这将涉及冷却介质向在主体32内构成的内通道中的流动。在这种情况下，环绕电缆36的护套也可提供一导管，用于向发光器30输送和自其输出冷却介质。
发光器的结构
图3、3A、4、5和5A给出了本发明发光器的几种可能的结构。在图3中，类似于图2中所示的发光器44环绕婴儿患者的腹部完全裹绕。发光器44可以利用皮带、Velcro、粘接到一次性覆盖层上的胶带或其它诸如此类的连接装置固定在位。如上所述，电缆46自控制外壳48向发光器44供应电能和冷却介质。图3示意性地示出了通过电源导管51向发光器44供电的(传统设计的)控制组件49。控制组件49还控制包括冷却介质源52和泵54的主动冷却系统50的操作。介质源52可以包括用于将冷却介质或冷却剂的温度保持在所需水平的冷却盘管或其它适用的组件。一对导管56和57将冷却介质输送到发光器44并使冷却后的介质返还系统50。
图4给出一个较大的、婴儿可置于其上的席垫型发光器60。单独一根电缆62为发光器供电(亦可包括冷却介质)。
图5示出一个垫型发光器64，非常类似于图2中所示的发光器30，环绕患者的肢体裹绕，并用Velcro钩/环紧固片66固定。同样，单独一根导管68为发光器64提供电源和可能需要的冷却介质。
图5A给出了根据本发明的发光器的另一种特定型式。此发光器61呈置于成人或青少年的面部的面罩的型式。弹性带63连接在面罩61上并环绕患者的头部放置，将该面罩固定在面部上的所需的位置。提供有眼孔65、鼻孔67和嘴孔69，因此在患者处于治疗例如痤疮的同时，可以保护眼睛免受光的损害，且可以进行正常的呼吸/讲话。单独一根导管59为面罩61提供电源和可能需要的冷却介质。
为了治疗各种病症，如本文所说明的，在保护患者避免暴露于所不希望有的和可能有害的光和/或热之下的同时，根据本发明的发光器可以制成任何适用的结构。例如，本发光器可以构形成洗澡巾的形式，用于治疗季节性情感障碍，以及痤疮和其它皮肤症状；或者可以构形成类似于卫生巾、止血棉塞或避孕套的形式，用于治疗疱疹。
简而言之，所示的本发光器的形式不旨在且不应该用作限制。
发光器结构示例
图6和图7给出了类似于图2中所示的发光器的内部结构。图6的平面图示出了发光器的主体70的一端，自右至左逐层剥离。这些层可以参见图7中的截面图。主体70的前表面或接触表面71在图6中自纸面向外。因此，前覆盖层72在图6的右侧，且于线74处切去，以显露发光源76的排列。多个玻璃泡73(图7的右侧)随机地设在前覆盖层72中，如后面所讨论的，使光线分散和散射。在此实施例中，多个横向延伸的间隔装置78环绕各发光源76的侧面，使其相互间隔开以在其间提供冷却通道80。该间隔装置78可以或不可以至少部分包围光源76。为了强化热的消散和光的散射，以及保护光源免受物理损坏和/或脱离，最好是进行这样的包围。如图6中明显可见，冷却通道80沿着主体70的长度方向蛇行延伸。在图6中，间隔装置78的层面在线82处被剖切，以显露在其上安装有发光源76的基底84。此外，导电线路86的阵列设置在基底84上，以向发光源76供电。在图6中继续向左，基底层在线88处被切去，以显露一层在其中形成有第二冷却通道92的第二间隔材料90。同样，冷却通道92沿主体70的长度方向蛇行延伸且与基底相邻接。最后，该第二间隔材料层90于线94处被切去，以显露后覆盖层96。
作为替代的发光器结构
图8以截面图形式给出发光器100，它具有基底102，带有多个安装在其上的发光源104。如图7中一样，在冷却通道108之间也提供了一排间隔装置106。另外，绝缘层110和外覆盖层112包括在构成界面的元件的组合内。也包括在内的是多个位于外覆盖层112中构成相对完好的层面内的玻璃泡111，用来分散或散射光线，如后面所讨论的。如图7，背衬层包括包围在后覆盖层118内的第二间隔装置114和第二冷却通道116。附加绝缘层110还有助于防止自发光源104至发光器的接触表面的热传导。
内发光器系统
图9是本发明发光器120的一端的剖面图，表示电缆122和一排为多个发光源126提供导电通路的导电轨迹124之间的界面。导线128电连接到与各个发光源126的负极接线端子电联通的电极130。同样，导线132电连接到与各个发光源126的正极接线端子电联通的电极134。各导线可以通过搭接锡焊连接到该电极或母线排上或通过采用DIMM或MOLEX型多导线连接器电连接到导电轨迹。在此实施例中，横过发光器120的宽度，提供有十七排发光源，列与列之间是相互交错的。即，第一列九个发光源136接下来是处在不同导电轨迹124的第二列八个发光源。沿发光器120的长度方向，这种模式自行重复。
图10给出发光源126、第一冷却通道140和设于基底之下的第二冷却通道142的相对位置。箭头144指示在各列发光源126之间流动的冷却介质进入第一冷却通道140的流入方向。水平剖切线146展现基底下面的第二冷却通道142。尽管未表示出来，但第一冷却通道140与第二冷却通道142在发光器的相对端流体联通。即，冷却介质沿着发光器120的长度方向(自右向左)流动，然后横过基底的平面(即，进入纸页)，通过一个孔进入第二冷却通道142。冷却介质随后沿第二冷却通道142的长度方向流动(自左向右)，直至排出发光器，如箭头148所示。
因此，图10表示了发光器120的主动冷却，其中冷却介质受到推进通过内通道。在此，冷却介质可以呈液体或气体形式，最好是空气，以免在使用中增加发光器的重量。当然，正如下面将更详细说明的，冷却装置也可以是其它布置形式。
功能上的考虑
现在更具体地参见图7的截面图，可以看到发光器的总体视图，包括安装在基底84上的发光源76，以及设于基底84和前表面或接触表面98之间的界面。在此图示实施例中，接触表面98包括覆盖层72的外表面，而内表面包括覆盖层、间隔装置78和冷却通道80的组合。另外，发光器最好包括一背衬层，它在此实施例中包括第二间隔装置90、第二冷却通道92和后覆盖层96。在界面和背衬层的优选功能特性方面，本发明是最佳的，如下所述。
该界面最好实现两项主要功能：绝缘和光散射。即，独立的发光源76在工作中产生一些热，必须要在其到达接触表面98之前将其截住并带走或削弱。因此，该界面最好提供一传导热的热屏障件，且还可以包括一个借助于冷却通道80的被动或主动冷却的系统。另外，离散的且相互间隔开的发光源76形成多个强光点，而不是均匀分布的。因此，该界面最好能使这些离散的光点弥散，以提供更加均匀的散射。另外，该界面还实现其它功能。例如，该界面保护光源和电路免受损坏和/或脱离，减少甚至消除患者暴露于电流的危险和提供额外的衬垫作用，以提高患者的舒适程度。
该背衬层最好也实现两项主要功能：导热和光反射。即，该背衬层最好能为发光源76产生的热提供一有效的散热装置，与界面所提供的热屏障协同工作，使热自接触表面98转移走。这样，第二间隔装置90最好用与基底84的背侧紧密接触的高导热材料制成。该背衬层还保护电路和光源，保护患者免受电流伤害，且为提高患者的舒适性提供额外的衬垫作用。
从下面的多种结构中显而易见，界面和背衬层的组合可以有许多种。如图3-图5的例子中所见，由于发光器可以采用许多种结构，所以不存在单独一种最佳结构，但是对于某种特定应用场合总要以成本效益最佳的方式提供上述功能特性。因此，例如，如果该发光器被用作席子，如图4所示，可能需要在基底84和发光源76之间有额外的衬垫作用，将增加界面和/或背衬层的厚度。同样，对于长垫型发光器，如图2、图3和图5所示，衬垫作用不是很重要，因为发光器需要轻柔。另外，如果它被用来治疗新生儿的高胆红素血症，发光器的接触表面必须相对柔软和最好是低变应原的。
发光器可以制成各种形状，例如所示的垫或席子。或者，发光器可以制成皮带、包布、软垫或枕头、衣领、毯子、带子、背心或任何其它所需的形状。在患者身上的特定形状和最终结构最好不要象先有技术光纤装置那样影响所输出的光的质量和强度。
光散射
最好至少一部分界面能使自多个发光源射出的光散射或按照需要照射。相对于类似的设备，包括多个没有光散射的离散发光源，这种散射或照射能够在接触表面上提供更加均匀、恒定和强的光照图案。因此，该界面可以用单一材料或具有不同反射指数的材料的混合物制成，例如硅酮和玻璃泡或硅酮和氧化钛。这样，在图7中，前覆盖层72包括硅酮的基体，在其中随机散布着多个玻璃泡。图8示出覆盖层112，它包括硅酮的基体，具有多个更加均匀分布的玻璃泡111。应该指出，出于图示的目的，图中玻璃泡的尺寸被放大了。作为替代，或另外，在覆盖层72或112上，或绝缘层110上，可以提供借助机械、化学、或其它装置形成的残缺或斑纹，使自发光源射出的光散射。这种残缺或斑纹可以通过模制、切割、热冲压、蚀刻、涂漆、加工、涂层、成型、铣或印刷形成。该残缺可以在密度、不透明性、形状、颜色、反射指数、尺寸、深度和阴影方面有所变化，从而产生所需的散射和光分布。在一个实施例中，这种表面残缺通过利用玻璃珠或砂子使模制覆盖层的表面粗糙化，以赋予该表面以不光滑的表面状态而形成。该界面，例如覆盖层在沿发光器的长度方向，在颜色、反射指数、或形状上可有所变化。一个或多个反射装置可以用于散射光线。也可以使用朗伯(lambertian)反射器。也可采用棱镜薄膜和散射装置、凸透镜、涂层和其它系统或材料使光线根据需要散射。对于散射，可以采用反射漆或涂层、例如氧化镁、氧化铝、其它白色粉末和类似物质及其混合物的涂层。
图17、17A、17B、17C和17D给出了这种油漆或涂层的使用。根据本发明，所示的LED 504相对于发光器510的光反射表面506定位。反射表面506可以是金属化的表面或具有不光滑或类似的表面特性。接触表面512是发光器510的界面的一部分，且与LED 504相间隔开。弧514表示LED 504所产生的强光没有光散射时在接触表面512上的型式。弧514内的光非常强，而弧外侧来自LED 514的光强度一般较低且可能没有治疗效果。
图17A给出了白点520的一种图案，可以在接触表面512上涂漆或涂层，位于弧514之内，用于散射该强光。点的直径自图案的中心向外逐渐减小。点520的这种图案将一些光分散和/或反射回反射表面506。点的图案取决于在其上有接触表面的层面的厚度及其距LED 504的距离，和任何一种或多种其它光散射材料在界面上的存在。点520的图案实际上导致更多的反射，进而在接触表面512上形成有治疗效果的光照图案。
图17B、17C和17D给出了其它可以用于代替点520的涂层图案。因此，可以采用矩形522的型式、外放射线524或一系列圆圈526的型式，通过与点520非常相同的方式，提供强化的光散射。
该界面还可以包括过滤器，以反射或吸收一定波长的光。为了控制患者暴露在紫外线下，或减小发光器上这种辐射的有害效应，可以采用一层紫外线吸收剂或含有紫外线吸收剂的涂层。例如图8所示的绝缘层110也可以代表紫外线吸收剂。紫外线吸收剂的例子包括bezophrenones、苯并三唑和水杨酸盐。另外，发光器还可以包括添加剂，其包含红外线吸收剂(例如金属)、抗氧化剂、着色剂、增塑剂、稳定剂和抗静电剂。
柔性基底
本发明可以采用本技术领域中众所周知的任何形状的柔性电路基底。一般，“柔性基底”一词适用于能够弯曲或卷成卷而不断裂的聚合物片。在一个实施例中，如果该基底能够卷成直径小于30cm，或最好更小至5cm，的圆柱形管状而不断裂，就可以说它是柔性的。这种柔性基底的例子是柔性印刷电路板，它是由甲基导体和绝缘基底借助粘结系统粘接在一起的合成物。其它柔性基底可以不用粘结剂，例如可用电化学沉积或轧制-退火的铜箔。
该基底应该是柔性的且能够承受制造过程中和发光源所产生的热。还应该考虑尺寸稳定性、化学耐受性、电性能、阻燃性能和成本。基底可以是热固化的也可以是热塑聚合物，例如聚酯和聚酰亚胺薄膜。
如果采用粘合剂将导电轨迹固定到基底上，应该考虑粘接剂的热性能。该粘接剂最好是高导热的，以更加便于使发光源所产生的热通过基底传导到相邻的散热装置。
柔性基底在面向接触表面的一侧可以包括一反射装置，用于将光自发光源导向到接触表面。该反射装置可以是粘接在柔性基底上的一个薄的、柔软的薄片。或者，该反射装置可以包括直接涂敷在柔性基底上的反射性材料。该反射装置最好在发光源的位置上穿有孔，并涂层，以反射波长或波长范围合适的光。该反射材料可以是金属，例如铝、银、或金(或其合金)，或设计为反射所需波长的以一定厚度涂敷的绝缘材料，或反射性油漆。在一个实施例中，反射光采用白色或与LED的颜色相匹配的油漆或涂层。
导电轨迹
该柔性基底可以涂敷、铸造、沉积、或用其它方法粘附在导电轨迹上，或者相反。在一优选实施例中，导电轨迹直接附接柔性基底并与其接触。或者，在导电轨迹和柔性基底之间可以存在一个或多个附加层，例如当采用粘接剂时。导电轨迹可以是各种材料，包括轧制-退火铜、电解-沉积铜、银、金、铝、铁、钢、焊料、或其它任何金属或导体。将导电涂层涂敷到或加工到导电轨迹上，可以采用任何涂敷或去除的手段，包括化学的、机械的和光学的手段，以及采用激光。在一优选实施例中，例如，采用传统的光刻技术，在柔性基底的轧制-退火铜涂层上蚀刻出多对平行的导电轨迹。
也可以采用包括一种或多种精细划分的导电材料的聚合物厚膜，如银、镍、或碳与聚合物的结合物，如聚酯、环氧系、丙烯酸系或乙烯基系材料。聚合物厚膜印刷配线比铜导体便宜，因为它通常利用筛网印刷一步完成，没有传统的电镀、蚀刻、剥离和清洗等。聚合物厚膜的例子为其它类型的电路提供了一种替代选择，可以按照CB系列聚合物厚膜糊自杜邦(Du Pont)公司购得。
在导体表面可以涂敷一层绝缘薄膜或涂层，以保护电路免受潮湿、污物的侵害，保护导体免受损害，以及在弯折的过程中减小导体上的应力。这些保护涂层可以是包括以粘接剂涂敷上的绝缘薄膜的叠盖层、包括涂敷到电路上并使衬垫区域保持暴露的液体聚合物的涂层、和包括在其中形成有导体进入孔的薄膜层件构成的焊料掩蔽涂层。叠盖层和层件可以采用诸如环氧树脂和聚酰亚胺树脂之类的粘接剂。
发光源
发光源最好是表面安装品种的发光二极管(LED)芯片或电路小片。或者，其它类型的LED、激光和激光二极管也适用。发光源可以是多色LED，或多种颜色LED的组合、不同LED的组合，或同类LED的布置，取决于所需的颜色、分布或图案。
为治疗新生儿的高胆红素血症，优选的LED颜色是蓝色，尽管绿色的LED也有效。治疗其它病症可能需要不同颜色的LED。例如，疱疹用红色LED治疗最有效，季节性情感障碍可用白色或黄色LED治疗，而牛皮癣可用紫外线LED治疗。
本发明的发光器可以包括任何适用的内连接技术，以提供LED、基底、电源和任何控制装置之间的电路。在这方面，可以采用柔性或传统的导线连接、锡焊连接、导电件连接、和/或压力连接器连接。一优选实施例采用了表面安装技术，将发光源附接到柔性基底上。这种制造技术可以包括松紧带上表面组装技术(SMT，surfacemount-on-flex)、松紧带上芯片安装(COF，chip-on-flex)、松紧带上反转芯片安装(FCOF，flip chip-on-flex)、显微表面安装技术(micro SMT，micro-surface mount technology)、显微球格栅阵列(micro BGA，micro-ball grid array)、受控折叠芯片连接(C4，controlled collapsed chip connection)或任何已知的制造或组装方法。
发光器控制
发光器可以包括能够对发光源进行独立控制的控制器，从而使它们可以有选择地以特定的型式发光，实现特定的治疗效果。另外，为了使所需的光强度最佳化，混合所用不同LED的色彩，或在过热的情况下关闭发光源，可以控制其中一个或所有发光源的电源水平。在后一种情况下，可以在发光源中及周围或在接触表面上提供热电偶，以监测发光器的温度并为控制器提供反馈。最后，发光器控制器可以包含一定时器，以有助于根据医生的指示计量患者的曝光时间。
冷却装置
发光器的界面最好占据基底和外接触表面之间的空间。该界面可以包括翅片、叶片、凸脊、沟槽、管、孔、通道、或其它特殊功能部件，以吸热或散热，来提高表面区域的热交换，和/或控制或导引空气、水或其它流体的流动。或者，如果热不集中，该界面也可以是实心的。
从本文所示的结构变化型式可以明显看出，该发光器可以包括穿过基底、覆盖层、或覆盖层与基底之间的孔或空间，其位置位于避免妨碍导电轨迹、光源、和冷却流体之处。该发光器可以利用空气或水，和相关的鼓风机或泵来迫使冷却流体通过这些空间。
该界面可以用硅酮、尿烷、聚亚安酯、或柔性塑料或其它半透明或透明材料、或带色材料、或其组合制成。如上所述，至少一部分带有玻璃泡和/或其中充满氧化钛的硅酮是优先的。
一次性外包装
发光器最好至少部分为一次性外包装包绕，作为发光器和患者的皮肤之间的污染屏障。这种外包装可以是薄的聚乙烯或玻璃纸，例如，且最好是透明的，从而不会妨碍光传输到患者。该外包装最好是以任何型式松散地配装在发光器上，且可以容易地用胶带或其它装置固定和出于卫生的目的除去，并随后立即再次使用该发光器。
其它的发光器结构
图11至图13给出了根据本发明的发光器的各种截面图，表示基底、发光源(在此为LED)、基底至接触表面之间的界面和背衬层的基本元件。与上述就功能特性方面的讨论一致，这些改变型式有助于表示在构造本发明的发光器中可能采用的材料和结构的多种变化型式。
图11A至图11D给出了四个截面图，均具有基底160、LED 162和包括光散射和隔热材料制成的实心层164的界面。层164具有皮肤接触外表面166。用作该层164的材料的一个例子是具有贯穿其中的随机散布的玻璃泡的硅酮。用作该层164的材料的另一个例子是贯穿其中的分布有氧化钛的硅酮。作为替代，或另外，层164可以是在皮肤接触表面166上具有不光滑表面的硅酮。该皮肤接触表面可以有某种有效的分散和弥散光的图案，例如，印刷的图案。
在图11A中，该背衬层包括一反光、导热材料的固体层168。图11B包括一种由散光、导热材料的固体层170制成的背衬层。在图11C中，该背衬层包括借助第二间隔装置174与基底160间隔开的后覆盖层172。第二间隔装置174在其中包括自各LED 162直接横过基底160的缝隙或通道176。在图11D中，该背衬层包括借助第二间隔装置180与基底160间隔开的后覆盖层178。在这种情况下，第二间隔装置180直接设置于各LED 162之下，且最好用高导热材料制成。因此热自LED 162通过基底流传到在缝隙182的两侧均进行冷却的第二间隔装置180。
图12A至图12F均包括基底160、LED 162和其外表面是要用作与患者的皮肤接触的前覆盖层190。另外，图12A至12F的各截面图包括一个或多个用于冷却的缝隙或通道。
在图12A中，覆盖层190借助间隔装置192与基底160间隔开。间隔装置192直接在LED 162上制成，并形成缝隙或通道194。背衬层包括反光、导热材料的固体层196。在图12B中，该界面如图12A一样包括上述间隔装置192和通道194，但是该背衬层包括借助第二间隔装置200与基底160间隔开的后覆盖层198。在此实施例中，第二间隔装置200直接在LED 162下提供缝隙或通道202。
图12C表示使覆盖层190与基底160分离开的间隔装置204，该间隔装置204直接围绕各LED 162提供缝隙或通道206。在此实施例中，界面由覆盖层190、间隔装置204和通道206形成，而冷却介质可以直接流过各个LED 162。同样，背衬层由实心反光导热层208提供。图12D也示出了间隔装置204和通道206，它们连同覆盖层190一起组成该界面，但是背衬层由间隔装置210和后覆盖层212提供。间隔装置210直接处于各LED 162之下，并围绕各LED形成通道214。
图12E和12F大体上相互呈镜象，各自在基底160的上方和下方具有冷却通道。在图12E中，该界面包括覆盖层190、直接围绕各LED的间隔装置220和由该间隔装置构成的缝隙或通道222。背衬层包括直接在各LED 162下方的第二间隔装置224、后覆盖层226、和多条邻接第二间隔装置的缝隙或通道228。在图12F中，间隔装置230将覆盖层190与基底160分离开，并直接在各LED162上形成冷却缝隙或通道232。背衬层包括使后覆盖层236与基底160分离开并在各LED 162之下直接构成多个冷却缝隙或通道238的第二间隔装置234。
图13至13D给出了几个发光器的截面图，在两覆盖层之间借助叶片或壁构成最大的空间。更具体地，图13A至13D中的各截面图包括基底160、LED162、前覆盖层250和后覆盖层252。
图13A包括多个使前覆盖层250与基底160相间隔开的叶片或壁254。围绕各162的壁254构成冷却缝隙或通道256。背衬层包括借助第二壁258与基底160间隔开的后覆盖层252。同样，在基底下出于冷却的目的提供有缝隙或通道260。
在图13B的实施例中，壁262在前覆盖层250和设于基底160的顶部的涂层264之间延伸。该涂层延伸到与各LED 162相接触。如同图13A，壁262围绕各LED 162构成缝隙或通道266。背衬层包括在后覆盖层252和涂层270之间延伸的第二壁268，而缝隙272直接设于各LED 162之下。
图13C与图13B所示的类似，且包括在前覆盖层250和在基底160上形成的层276之间延伸的壁274。在这种情况下，层276完全覆盖各LED 162。在各LED上形成有冷却缝隙或通道278，且该覆盖层保护各LED免受流体冷却介质的腐蚀。再有，如同图13B，背衬层包括使后覆盖层252与在基底160的背侧上形成的层282相间隔开的第二壁280。同样，在各LED之下提供有冷却缝隙284。
最后，图13D包括在基底160和前覆盖层250之间延伸的间隔装置290。该间隔装置290覆盖基底160，如在292处，但是提供用于冷却的缝隙或通道294。该背衬层包括在基底160和后覆盖层252之间延伸的第二间隔装置296，该间隔装置总体讲是实心的，但是直接在各LED162之下形成有缝隙或通道298。
被动冷却
至此为止，已经描述的本发明发光器的各种结构具有内缝隙或通道，可以理解的是冷却介质在其中主动流动。主动冷却当然是一种选择，而一种便宜的变化型式是被动冷却。图14A至图14C给出三个其中具有被动冷却通道的发光器垫的实施例。
图14A示出发光器垫300，它具有多列自前侧向后侧延伸的孔302。各列孔302最好形成于各列LED 304之间，以使散热最大。当然，该孔应该避免妨碍任何铜轨迹或光源。图14B给出具有一系列沿宽度方向延伸的通道308的发光器306。通道308最好在各列LED310之间形成。最后，图14C示出具有优选纵向通道314在其中形成的发光器312。在图14A至14C所见的所有实施例中，孔或通道的两端是开通的并起到被动消散LED所产生的热的作用。
便于被动冷却的另一种结构是采用外翅片，如图15A至图15C所见。具体地讲，图15A示出一具有多个沿宽度方向延伸的翅片322的发光器320。在图15C中，该翅片324沿纵向延伸。最后，在图15C中，翅片以华夫饼干的图案沿宽度方向和纵向延伸。再有，如图15A所示，翅片322位于发光器的顶表面和底表面上。当然，如果存在，翅片可以位于发光器的顶表面和/或底表面。这些翅片为发光器提供被动冷却，且可设于前表面或后表面上，或两者上。
在图16中还可以看到被动冷却的其它的变化型式。出于图示的目的，发光器340的覆盖层342以剖视图表示，展现多个在基底346和覆盖层342之间延伸的销钉或间隔装置344。发光器340的侧缘保持开通，以便能够进行LED 348的被动冷却。或者，该侧缘可以封闭，而冷却介质通过导管350流动。在任何一种情况下，间隔装置344在前覆盖层342和基底346之间沿发光器340的长度方向保持有缝隙。
尽管已经就多个特定的例子和实施例对本发明进行了说明，但可以理解，本发明并不局限于此，且在下面的权利要求的范围内可以多种多样地实施。

Claims (37)

1.一种用于向患者的皮肤发送光能进行光疗的发光器，该发光器包括：
一个薄、轻的柔性基底；
多个附接到该基底上且适于连接到电源的导电轨迹；
至少一个设置在该基底上且与该导电轨迹相连的离散发光源；和
一个至少部分包围基底且具有一与发光源间隔开的外表面的覆盖层，该外表面适于与患者的皮肤接触。
2.如权利要求1所述的发光器，其中，该发光器足够轻和柔软，能够佩戴在新生儿的皮肤上而不使其受到伤害。
3.如权利要求1所述的发光器，其中，其包括多个设置在该基底上且与该导电轨迹相连的离散发光源。
4.如权利要求1所述的发光器，其中，该覆盖层构形成便于使发光源所产生的热自患者的皮肤有效地散走。
5.如权利要求4所述的发光器，其中，该覆盖层包括相对于基本相同但没有翅片的覆盖层能够提供更多的将发光源所产生的热自患者的皮肤散走所设置的翅片。
6.如权利要求4所述的发光器，其中，该覆盖层与基底间隔开，且在该覆盖层和基底之间还包括空腔。
7.如权利要求1所述的发光器，其中，该覆盖层至少部分地构成一内部结构，它适合于为下面至少一个提供便利a)使发光源所产生的热自患者的皮肤散去，和b)光总体朝向患者皮肤的散射。
8.如权利要求1所述的发光器，其还包括一反射装置，用于将来自发光源的光线自基底向患者反射。
9.如权利要求8所述的发光器，其中，发光源包括安装LED的表面，且该反射装置包括一个薄的、柔性的薄板，其上穿有LED自其中穿出的孔。
10.如权利要求1所述的发光器，其还包括冷却装置，用于有效地散去发光源所产生的热，从而使该发光器能够安全舒适地接触患者的皮肤。
11.如权利要求1所述的发光器，其还包括一次性外包装，其尺寸确定为至少部分环绕发光器，且为发光器和患者的皮肤之间提供污染屏障。
12.一种用于向患者的皮肤发送光能进行光疗的发光器，该发光器包括：
一个薄、轻的柔性基底；
多个附接到该基底上且适于连接到电源的导电轨迹；
至少一个设置在该基底上且与该导电轨迹相连的发光源；和
一个至少部分覆盖该基底上的发光源的界面，该界面提供一有效的热传导装置，以将发光源所产生的热散去，使得该发光器可以安全地接触患者的皮肤。
13.如权利要求12所述的发光器，其中，该发光器足够轻，能够紧贴新生婴儿的皮肤裹绕而不至使其受到伤害。
14.如权利要求12所述的发光器，其中，该发光器是柔性的，适于与患者的皮肤贴合一致。
15.如权利要求12所述的发光器，其中，该界面在覆盖层和基底之间形成空间。
16.如权利要求15所述的发光器，其中，该空间包括用于对流传热的通道。
17.如权利要求15所述的发光器，其中，有多个发光源，而该空间与发光源直接邻接。
18.如权利要求15所述的发光器，其中，该空间与穿过基底设置的孔联通。
19.如权利要求12所述的发光器，其中，该界面包括绝缘层。
20.如权利要求12所述的发光器，其还包括被动冷却发光源的装置。
21.如权利要求12所述的发光器，其还包括主动冷却发光源的装置。
22.如权利要求12所述的发光器，其中，该发光器确定一皮肤接触表面，该发光源具有超过50毫瓦的强度，而该界面将皮肤接触表面的最高温度限制在约110°F左右。
23.如权利要求12所述的发光器，其中，该界面包括一柔性、聚合材料层，允许光能从中穿透且与患者的皮肤贴合一致。
24.一种用于向皮肤发送光能进行光疗的发光器，该发光器包括：
一个薄、轻的柔性基底；
多个附接到该基底上且适于连接到电源的导电轨迹；
至少两个设置在该基底上且与该导电轨迹相连的发光源；和
一个至少部分覆盖该基底上的发光源的界面，该界面使自该离散光源发出的光散射，该发光器适于与患者的皮肤接触。
25.如权利要求24所述的发光器，其中，该发光器足够轻，能够紧贴新生婴儿的皮肤裹绕而不至使其受到伤害。
26.如权利要求24所述的发光器，其中，界面包括至少一种能够散射来自光源的光能的材料。
27.如权利要求24所述的发光器，其中，该界面包括具有不同反射指数的材料的混合物。
28.如权利要求24所述的发光器，其中，该界面具有一外表面，它适于接触患者的皮肤，为了反射自离散光源发出的光，该外表面是不规则的。
29.如权利要求24所述的发光器，其中，该光源是LED。
30.如权利要求24所述的发光器，其还包括一与基底紧密接触且由热传导材料制成的反射背衬层。
31.如权利要求24所述的发光器，其中，该基底包括一印刷电路板。
32.如权利要求24所述的发光器，其还包括将来自光源的光自该基底反射出去的反射装置。
33.一种可佩戴的光疗发光器，用于向患者的皮肤发送光能，其包括：
一柔性基底；
至少一个设置在该基底上的发光源；和
一个覆盖该发光源的柔性、聚合材料层，该材料层允许光能从中穿过且适于与患者的皮肤大体贴合一致。
34.如权利要求33所述的发光器，其中，该发光器足够轻，能够紧贴新生婴儿的皮肤裹绕而不至使其受到伤害。
35.如权利要求33所述的发光器，其中，有多个发光源，该材料层包括带有散布其中的玻璃泡透明基体，以散射自发光源发出的光。
36.如权利要求33所述的发光器，其中，有多个发光源，该材料层包括具有不同反射指数的材料的混合物，以散射自发光源发出的光。
37.如权利要求33所述的发光器，其中，有多个发光源，该材料层具有一适于与患者的皮肤接触的外表面，为了反射自离散光源发出的光，该外表面是不规则的。
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