CN219001769U

CN219001769U - 一种基于强脉冲光的led灰指甲光疗仪

Info

Publication number: CN219001769U
Application number: CN202222060627.9U
Authority: CN
Inventors: 刘木清; 赵杰; 林上飞
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2022-08-06
Filing date: 2022-08-06
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2032-08-06

Abstract

本实用新型属于光疗技术领域，具体为一种基于脉冲光的LED灰指甲光疗仪。本实用新型光疗仪依据强脉冲光对红色毛癣菌的灭活基理研制，由LED光源模块、控制模块、驱动模块、装置外壳组成；LED光源模块用以向外发射强脉冲光；控制模块用以产生控制信号；驱动模块用以接收控制信号并产生驱动信号，以驱动LED光源模块；装置外壳用以封闭LED光源模块、控制模块和驱动模块，与用户患处隔开。本光疗仪可调多种脉冲光参数，包括频率、占空比、幅值等；强脉冲光峰值光功率密度可达300W/cm²，能量密度达到激光光疗的有效能量密度阈值，且光照面积较激光光斑大，有效改善灰指甲症状。

Description

一种基于强脉冲光的LED灰指甲光疗仪

技术领域

本实用新型属于光疗技术领域，具体涉及一种LED灰指甲光疗仪。

背景技术

目前，光疗所用的光源主要为激光和LED。其中，激光在医疗领域中的应用较早，已被广泛用于多种临床治疗上。例如：采用低功率810nm的近红光激光治疗眼光眼、飞秒激光、采用808nm低功率激光进行外科手术、采用980nm激光治疗口腔疾病等。以激光脱毛为例，其理论依据为选择性光热作用。激光发出的光能量会选择性地被毛球和毛干内的黑色素吸收。后者吸收光能量后，将光能转化为热能，并将热量传递给毛囊毛球和隆突，使毛囊不可逆地被破坏。但由于表皮中存在的黑色素也会参与光能量的吸收，使周边组织仍会受到损伤。此外受限于毫米级的激光光斑面积，激光的光疗还不适用于较大面积的伤口和炎症等疾病。

LED具有120°的发光角度，更适用于较大面积患处的光疗，已越来越多地作为光疗设备的光源应用到临床等医疗领域。LED光疗依据光生物调节（PBM）的作用机制，即将光能转移到细胞和细胞器内的分子，促使细胞产生光致化学、电化学和热反应，最终引起细胞基因水平的表达差异和代谢差异。目前，科学家们已发现基于LED的PBM技术在治疗过程中存在双相剂量响应。即过低或过强的光剂量会导致实验结果产生显著差异。这说明采用LED的PBM技术进行治疗时，存在一个最佳光剂量的要求，过低或过高的光剂量均不可取。因此，LED光疗设备有必要进行预实验，以确定不同目标组织的最佳光剂量。

此外，由于LED本身的光能量密度较激光小得多，且角度大的光线在皮肤内的穿透深度有限，使得穿透皮肤到达目标组织的能量密度有限，有时甚至达不到有效能量密度阈值，影响了光疗的效果。因此LED光疗设备需要进一步改进，以使其光能量密度达到激光光疗的阈值。

甲真菌病（onychomycosis）是甲板、甲床和甲周围组织的真菌感染,占所有甲疾病的50%和所有皮肤感染的10%,是最常见的指（趾）甲疾病。大约90%的甲真菌病由皮肤癣菌引起，国内外大部分地区最常见的引起甲真菌病的皮肤癣菌是红色毛癣菌、指(趾)间毛癣菌、絮状表皮癣菌。国内外研究表明，皮肤癣菌中最主要引起甲真菌病的是红色毛癣菌。红色毛癣菌是毛癣菌属下的一个种，是一种人源的皮癣菌。红色毛癣菌常会引起皮肤浅部的真菌病，如手癣、足癣、头癣等。其中，皮肤和指甲是最常见的感染部位。

目前的治疗方法主要为药物治疗、非药物治疗等。药物治疗常为特比萘芬、伊曲康唑和氟康唑，有口服药和外用药。外用药物治疗疗程需 6 个月及以上，且局部药物不能很好渗透至整个甲板，浓度达不到MICs 而疗效有限。口服药虽然有良好的杀菌抑菌效果，疗效好，但常伴有不良反应，如胃肠道不适、肝肾功能损害等。非药物治疗有传统的拔甲、病甲清除术和新型的光疗技术。拔甲的损伤较大，适用范围窄，仅限于不伴手足癣的单个甲真菌病的治疗。新型光疗技术中，最早出现的激光光疗治疗甲真菌病，具有快速、安全、有效、无需用药且无不良反应的优势，是目前主要的光疗方法。虽然如此，甲真菌病的患处面积常为厘米级的，激光光疗单次仅能光疗很小的光疗区域，具有一定局限性。

为解决上述问题，本实用新型提供一种基于强脉冲光的LED灰指甲光疗仪，它是基于LED进行研制的，能产生最高达300 W/cm²的峰值光功率密度的脉冲光，从而获得与低强度激光相近的光能量密度，还能用于探寻不同目标组织的最佳光剂量。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种能够产生高峰值光功率密度脉冲光的LED灰指甲光疗仪。

本实用新型提供的基于脉冲光的LED灰指甲光疗仪，依据强脉冲光对红色毛癣菌的灭活基理研制，具体由LED光源模块、控制模块、驱动模块、装置外壳组成。LED光源模块用以向外发射强脉冲光；控制模块用以产生控制信号；驱动模块用以接收控制信号并产生驱动信号，以驱动LED光源模块；装置外壳用以封闭LED光源模块、控制模块和驱动模块，与用户患处隔开。其中：

所述LED光源模块由LED阵列、电路基板、缠带和柔性外壳组成，用以向患处发出光照；LED阵列在电路基板的正面，朝向柔性外壳内侧，用以发出光线；电路基板背面固定于缠带的侧面，正面与柔性外壳连接，用以接收来自驱动模块的信号，并传输至LED阵列；柔性外壳固定在电路基板的正面，用以隔离用户患处与LED阵列；缠带用以方便用户包裹指甲患处，使柔性外壳与患处相对而贴；

LED阵列的光源优选峰值波长为405nm和450nm的LED，优选MLUVA-P105系列和CREEXPE2系列。

LED阵列由封装大小为1.4mm*1.4mm、电功率为5W的LED颗粒组成， LED阵列的排布采用五并联七串联的方式。电路基板具有两个固定孔，用以固定于缠带的侧面。电路基板中有多个过孔。电路基板采用柔性电路板，以使LED阵列与患处弧度尽量相近。柔性外壳采用具有较高透光率的柔性材料制成。

本光疗仪的LED光源模块发出的光线，其峰值脉冲光功率密度范围为10-300W/cm²。

所述控制模块，主要由两个降压电路和一个主要由单片机构成的主控电路构成。第一个降压电路，可实现48V-5V的电压转换，用以对单片机供电。另一个降压电路的电路，可实现48V-15V的电压转换，用以对驱动模块中的栅极驱动器供电。单片机用以接收用户输入的按键信号，产生并输出控制信号。控制信号有连续脉冲信号和脉冲群信号两种。连续脉冲信号为数量无限的PWM脉冲。脉冲群信号由数量有限的脉冲和一个固定的时间段组成。数量有限的脉冲，为10-1000个范围的PWM脉冲。

数量有限的脉冲，工作总时间等于所述的数量与周期的乘积。一个固定的时间段，为微秒级或毫秒级。一个固定的时间段，等于所述工作总时间的至少两倍。单片机产生的控制信号传输至驱动模块的六路反相器。

所述驱动模块，由四个电解电容组成的模块，六路反相器，栅极驱动器，两个场效应管构成。其中：

六路反相器的输入端与单片机连接，其输出端与栅极驱动器连接，用以增加输入信号的驱动电流。六路反相器的输入端接收控制信号。六路反相器输出幅值5V，最大电流100mA的信号。栅极驱动器，其输入端与六路反相器连接，其输出端与两个N沟道增强型场效应管连接，用以将信号幅值调整为15V，并控制场效应管的开关。栅极驱动器输出幅值15V，最大电流1500mA的信号。两个N沟道增强型场效应管，其漏极、源极与电解电容模块连接，用以控制电解电容模块的充放电。电解电容模块，其输出端与LED电源模块连接，用以产生驱动信号。

所述装置外壳，选用金属或其他不导电的材料制成，用以封闭控制模块和驱动模块。装置外壳朝上一面有机械按钮，用以供用户输入设置参数。装置外壳与缠带之间有一连接线，用以将驱动模块产生的信号传输至LED光源模块。

本实用新型的有益效果在于：

（1）本实用新型提出的强脉冲光的LED灰指甲光疗仪，输出的峰值光功率密度最高可达300 W/cm²，能量密度约15J/cm²，达到低水平激光光疗的能量密度阈值要求；

（2）本实用新型提出的强脉冲光的LED脱毛仪，基于LED研制，光疗光斑面积常为厘米级，比激光的光斑面积大。解决了目前基于LED的PBM技术难点；

（3）本实用新型提出的强脉冲光的LED灰指甲光疗仪，强脉冲光可控，多种脉冲光参数可调，包括频率、占空比、幅值等，可有效改善灰指甲症状。

附图说明

图1为本实用新型的基本模块关系示意图。

图2为本实用新型的整体示意图。

图3为本实用新型的LED光源模块示意图。

图4为本实用新型的第一个降压电路图。

图5为本实用新型的第二个降压电路图。

图6为本实用新型的驱动模块电路图。

图中标号：1为LED光源模块，2为控制模块，3为驱动模块，4为系统外罩，5为探头外罩，6为LED阵列，7为电路基板，8为固定孔，9为过孔,10为大容量电解电容，11为六路反相器，12为栅极驱动器，13为两个场效应管；14为缠带。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图，对本实用新型的技术方案进一步描述。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型保护范围。

本实用新型的基于强脉冲光系统的LED灰指甲光疗仪，依据强脉冲光对红色毛癣菌的灭活基理，是基于强脉冲光系统进行研制的，其基本模块组成参见图1。LED灰指甲光疗仪具体由LED光源模块1、控制模块2、驱动模块3、装置外壳4组成，如图2所示。LED光源模块1用以向外发射强脉冲光。控制模块2用以产生控制信号。驱动模块3用以接收控制信号并产生驱动信号，以驱动LED光源模块1。装置外壳4用以封闭LED光源模块1、控制模块2和驱动模块3，与用户患处隔开。

LED光源模块1 由LED阵列6、电路基板7、缠带14和柔性外壳5组成，用以向患处发出光照。LED阵列6在电路基板7的正面，朝向柔性外壳5内侧，用以发出光线。电路基板7背面固定于缠带14的侧面，正面与柔性外壳5连接，用以接收来自驱动模块3的信号，并传输至LED阵列6。柔性外壳5固定在电路基板7的正面，用以隔离用户患处与LED阵列7。缠带14用以方便用户包裹指甲患处，使柔性外壳5与患处相对而贴。LED阵列6的光源优选峰值波长为405nm和450nm的LED，优选MLUVA-P105系列和CREE XPE2系列。LED阵列由封装大小为1.4mm*1.4mm、电功率为5W的LED颗粒组成，LED阵列6的排布优选五并联七串联。电路基板7具有两个固定孔，用以固定于缠带 14的侧面。电路基板7中有多个过孔。电路基板7采用柔性电路板，以使LED阵列与患处弧度尽量相近。柔性外壳5采用具有较高透光率的柔性材料制成。本光疗仪的LED光源模块1发出的光线，其峰值脉冲光功率密度范围为10-300W/cm²。

控制模块2主要由两个降压电路和一个主要由单片机构成的主控电路构成。第一个降压电路的电路设计如图4所示，可实现48V-5V的电压转换，用以对单片机供电。另一个降压电路的电路设计如图5所示，可实现48V-15V的电压转换，用以对驱动模块3中的栅极驱动器12供电。单片机用以接收用户输入的按键信号，产生并输出控制信号。控制信号有连续脉冲信号和脉冲群信号两种。连续脉冲信号为数量无限的PWM脉冲。PWM脉冲参数为：幅值5V，最大电流20mA，频率范围为0.1~10000 Hz，脉宽范围为1us~1000ms。脉冲群信号由数量有限的脉冲和一个固定的时间段组成。数量有限的脉冲，为10-1000个范围的PWM脉冲。数量有限的脉冲，具体参数为：幅值5V，最大电流20mA，频率范围为0.1~10000 Hz，脉宽范围为1us~1000ms。即最短脉宽为1us，最长脉宽为1000ms。最短脉宽对应的占空比为1%，周期为100us。最长脉宽对应的占空比为10%，周期10s。数量有限的脉冲，工作总时间等于所述的数量与周期的乘积。一个固定的时间段，为微秒级或毫秒级。一个固定的时间段，等于所述工作总时间的至少两倍。单片机产生的控制信号传输至驱动模块3的六路反相器11。

驱动模块3的电路设计如图6所示。驱动模块由为四个电解电容模块10，六路反相器11，栅极驱动器12，两个场效应管13构成。

六路反相器11，其输入端与单片机连接，其输出端与栅极驱动器12连接，用以增加输入信号的驱动电流。六路反相器11的输入端接收控制信号。六路反相器11输出幅值5V，最大电流100mA的信号。栅极驱动器12，其输入端与六路反相器11连接，其输出端与两个N沟道增强型场效应管13连接，用以将信号幅值调整为15V，并控制场效应管13的开关。栅极驱动器12输出幅值15V，最大电流1500mA的信号。两个N沟道增强型场效应管13，其漏极、源极与电解电容模块10连接，用以控制电解电容模块10的充放电。电解电容模块10，其输出端与LED电源模块1连接，用以产生驱动信号。驱动信号的具体参数为：幅值范围为0-50V，电流范围为0-200A。电解电容模块10中，优选EWH2CM471M30OT型号，每个电解电容的容量为47 uF-470uF。

装置外壳4，选用金属或其他不导电的材料制成，用以封闭控制模块2和驱动模块3。装置外壳4朝上一面有机械按钮，用以供用户输入设置参数。装置外壳4与缠带15之间有一连接线，用以将驱动模块3产生的信号传输至LED光源模块1。

当使用本LED灰指甲光疗仪前，设置连续脉冲信号，选择405nm的LED光源，设置脉冲参数为：幅值50V，脉宽10us，占空比0.1%,周期为10ms，频率为100Hz，相应的峰值光功率密度为100W/cm²。为达到有效光剂量阈值216J/cm²，设置光疗时间为36分钟。将缠带缠于患灰指甲处，使柔性外壳5与患处接触贴稳，开启光疗。步骤参考激光光疗的步骤。

真菌学疗效评价：分别于治疗结束及治疗结束后6个月、12个月采集患者的甲屑进行真菌镜检测及真菌培养。痊愈：真菌镜检和培养均为阴性；未愈：真菌镜检和/或培养为阳性。真菌学有效率=痊愈数/总例数×100%。临床疗效评价：参考甲真菌病治疗指南 (2008版)进行临床疗效评价。痊愈：病甲清除>90%；显效：病甲清除50%~90%；好转：病甲清除25%~49%；无效：病甲清除<25%。临床有效率= (痊愈数+显效数) /总例数×100%。

Claims

1.一种基于强脉冲光的LED灰指甲光疗仪，其特征在于，依据强脉冲光对红色毛癣菌的灭活基理研制，由LED光源模块、控制模块、驱动模块、装置外壳组成；LED光源模块用以向外发射强脉冲光；控制模块用以产生控制信号；驱动模块用以接收控制信号并产生驱动信号，以驱动LED光源模块；装置外壳用以封闭LED光源模块、控制模块和驱动模块，与用户患处隔开；其中：

所述LED阵列的排布采用五并联七串联的方式；电路基板采用柔性电路板，以使LED阵列与患处弧度尽量相近；柔性外壳采用具有较高透光率的柔性材料制成；

所述控制模块，由两个降压电路和一个主要由单片机构成的主控电路构成；第一个降压电路，用于实现48V-5V的电压转换，用以对单片机供电；另一个降压电路的电路，用于实现48V-15V的电压转换，用以对驱动模块中的栅极驱动器供电；单片机用以接收用户输入的按键信号，产生并输出控制信号；控制信号有连续脉冲信号和脉冲群信号两种；连续脉冲信号为数量无限的PWM脉冲；脉冲群信号由数量有限的脉冲和一个固定的时间段组成；数量有限的脉冲，为10-1000个范围的PWM脉冲；数量有限的脉冲，工作总时间等于所述的数量与周期的乘积；一个固定的时间段，为微秒级或毫秒级；一个固定的时间段，等于所述工作总时间的至少两倍；单片机产生的控制信号传输至驱动模块的六路反相器；

所述驱动模块，由四个电解电容组成的模块、六路反相器、栅极驱动器、两个场效应管构成；其中：

六路反相器的输入端与单片机连接，其输出端与栅极驱动器连接，用以增加输入信号的驱动电流；六路反相器的输入端接收控制信号；六路反相器输出幅值5V，最大电流100mA的信号；栅极驱动器的输入端与六路反相器连接，输出端与两个N沟道增强型场效应管连接，用以将信号幅值调整为15V，并控制场效应管的开关；栅极驱动器输出幅值15V，最大电流1500mA的信号；两个N沟道增强型场效应管的漏极、源极与电解电容模块连接，用以控制电解电容模块的充放电；电解电容模块的输出端与LED电源模块连接，用以产生驱动信号。

2.根据权利要求1所述的基于强脉冲光的LED灰指甲光疗仪，其特征在于，所述控制模块中，所述PWM脉冲参数为：幅值5V，最大电流20mA，频率范围为0.1~10000 Hz，脉宽范围为1us~1000ms；所述数量有限的脉冲，具体参数为：幅值5V，最大电流20mA，频率范围为0.1~10000 Hz，脉宽范围为1us~1000ms；即最短脉宽为1us，最长脉宽为1000ms；最短脉宽对应的占空比为1%，周期为100us；最长脉宽对应的占空比为10%，周期10s。

3.根据权利要求1所述的基于强脉冲光的LED灰指甲光疗仪，其特征在于，所述LED阵列的光源峰值波长为405nm和450nm的LED组成。

4.根据权利要求1所述的基于强脉冲光的LED灰指甲光疗仪，其特征在于，所述LED光源模块发出的光线，其峰值脉冲光功率密度范围为10-300W/cm²。

5.根据权利要求1所述的基于强脉冲光的LED灰指甲光疗仪，其特征在于，所述驱动信号的具体参数为：幅值范围为0-50V，电流范围为0-200A。

6.根据权利要求1所述的基于强脉冲光的LED灰指甲光疗仪，其特征在于，大容量电解电容的容量为47uF -470uF。

7.根据权利要求1所述的基于强脉冲光的LED灰指甲光疗仪，其特征在于，所述装置外壳，选用金属或不导电的材料制成，装置外壳朝上一面有机械按钮，用以供用户输入设置参数；装置外壳与缠带之间有一连接线，用以将驱动模块产生的信号传输至LED光源模块。