TW201440837A - 光電治療系統及包含具有可程式波形之動態ｌｅｄ驅動器之過程 - Google Patents

光電治療系統及包含具有可程式波形之動態ｌｅｄ驅動器之過程 Download PDF

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Abstract

一種光電治療或光生物調變過程，其使用電磁輻射(EMR)至通常為一人之一活有機體的施加。該EMR係藉由一或多個LED串產生，且經程式化以發射通常在光譜之可見部分與紅外線部分中的一或多個波長，以具有所指定的接通時間、斷開時間、光激發頻率、工作因數、相位延遲及功率振幅之脈衝而遞送每一波長中的該EMR。一種用於提供此EMR之系統包含：一微控制器，其具有一演算法型樣庫，該等演算法中之每一者定義一特定合成脈衝序列；及較佳地可撓性之一應用板，其含有該等LED串。

Description

光電治療系統及包含具有可程式波形之動態LED驅動器之過程 對相關申請案之交叉參考
本申請案主張2012年11月8日申請之臨時申請案第61/723,950號的優先權，該申請案被以引用的方式全部併入本文中。
本發明係關於用於醫療應用之生物技術，包含光生物調變及光電治療。
簡介
眾所周知，電磁輻射為穿透整個宇宙之基本能量，其以廣泛的多種方式影響活有機體。取決於輻射之頻率或波長，及其強度或功率位準，電磁輻射(其亦被稱為EMR)可對生物有益或有害。
儘管蜂巢式電話中使用之無線電波及低功率微波大部分被視為良性的，但已知，深UV(紫外光)及x射線甚至處於中等劑量時仍對生物而言致癌且有潛在生命威脅。諸如可見光之再其他頻率對有機體有益且必要，其藉由實現位於我們的行星食物鏈之底部的植物與細菌之光合作用，幫助為地球之生物圈提供動力。EMR已亦變為在射頻及微波通信及光譜中及在成像及夜視之光譜之紅外線部分中使用的不可或缺之工具。非吾人所樂見之電磁輻射常被稱為EMI或電磁干擾。
在電子學中，滿足用於電磁雜訊之排放的政府建立之標準，且避免非吾人所樂見之對其他電器件的干擾被稱作EMC或電磁相容性。其他政府標準適用於由器件排放的最大可接受功率位準(例如，雷射指示筆或工業雷射之亮度，或微波爐或微波通信塔之最大功率位準)，且尤其對於涉及諸如阿伐(α)粒子與x射線源或核材料之電離輻射的任何裝置。
現今，物理學家將EMR視為基於自然中之電磁力描述單一類型能量的連續光譜(總稱為電磁光譜)，其隨著其頻率(替代地隨著其波長或波數)變化且隨著亮度、通量密度或強度變化。圖1中展示的在波長減小(及頻率增大)之頻帶中描述(自左至右)的電磁光譜1包含最長波長下的AC功率分佈(未圖示)，繼之以無線電、微波、紅外線、可見光、紫外線、x射線、伽瑪(γ)射線，及此外的宇宙射線(未圖示)。
對人類具有特別重要性的光之可見光譜(或可見頻帶3)的範圍自750nm至400nm，色彩自紅至橙、黃、綠、藍及紫(如彩虹中所見的)單調變化。此等色彩之組合產生白光，該白光對色彩視覺而言尤其重要。可見光對植物與藻類用於為光合作用提供動力同樣重要。植物細胞內的葉綠體、細胞器使用葉綠素俘獲陽光，且使用光合作用之過程將陽光轉換成能量。由於葉綠素吸收紅光、藍光及紫光，因此其使植物呈現出綠色。
鄰近可見光之頻帶中的長於750nm且短於1mm的光波長被稱作紅外線頻帶2，其中最接近可見光之光波長被稱作「近」紅外線或NIR，且較長波長被稱作長紅外線及遠紅外線。8μm至15μm之範圍中的長紅外線光用於醫療與安全應用中的紅外線成像6。
鄰近頻帶中的短於400nm且長於10nm之光波長被稱作紫外頻帶4，其中最接近可見光的光波長被稱作近UV，且頻帶中的最短波長被稱作極端UV或深UV。剛好超過紫外頻帶的X射線頻帶5包括低至0.1 nm的軟X射線及超出此之硬X射線。軟X射線用於安全應用7中的貨物及乘客檢察，而較短波長X射線用於X射線結晶學中、放射攝影術8中及電腦化斷層攝影術或CT掃描中。
所有EMR為經由帶電粒子之移動或振動而創造之時變電場及對應的互補磁場所達成的穿過空間且在物質中進行的能量傳播。由於該時變電場誘發一對應的時變磁場，且該時變磁場反過來誘發一電場，因此EMR可不借助任何媒體行進，甚至在真空空間中。其穿透物質之能力取決於該物質在每一特定EMR波長下的吸收及散射性質。
在空間或物質中行進時，EMR能夠自身顯現為粒子或波(但不同時顯示為該兩者)。當EMR自身顯現為粒子時，其通常被稱作「光子」，而當其以波狀方式表現時，常常被稱作「光波」。接著，術語「光」以兩種方式使用--在一般意義上意謂光譜中之任何電磁輻射，且在特定狀況下，僅意謂可見光及其光譜上的鄰居紫外光及紅外光。
當EMR確實與物質接觸時，EMR可被反射，穿過該物質，或被吸收，此影響EMR且常常亦改變該物質。EMR與物質之交互作用可使其自身顯現出粒子狀行為，該粒子狀行為由古典物理學(歷史上首先在「康普頓效應」中)控管，作為展現諸如反射、折射或干擾之古典波狀現象的任何組合之波，或由諸如經量化能帶轉變、分子變換或量子機械穿隧之量子機械效應控管。物質與EMR之間的此等交互作用已用於大量商業、科學及醫療應用。
EMR與物質的交互作用已廣泛用於科學研究中，尤其在成像與分析中。X射線繞射允許結晶形態學之精確分析，且甚至在DNA之發現過程中起極重要的作用。EMR亦廣泛用於醫療成像。現今，常規上將X射線用於放射攝影術8以識別斷骨及牙洞，且用於CT掃描中以識別腫瘤及結核病。亦可常使用紅外光6執行成像，以在X射線分析無 法判定或不方便之情況下分析組織。進階式研究亦包含新的手持型IR成像器件，該手持型IR成像器件可在外科手術期間識別組織中的癌，特別適用於在乳房切除術期間識別且移除邊界組織中之癌細胞，從而避免對等待實驗室結果之成本高的延遲及自延遲之實驗室分析產生的重複外科手術之需求。
EMR亦在醫學中起到重要且不斷增長之治療作用。在一些狀況下，EMR用以殺死外來或有害細胞，而在其他實例中，EMR用以刺激癒合、促進免疫回應、減輕疼痛及緩解局部發炎。
也許，EMR之最著名且最古老的治療使用為主要應用於癌症治療的輻射治療9。因為此等輻射協定涉及將患者曝露至在X射線頻帶5中的電離輻射，所以患者常常經受來自輻射中毒之嚴重副作用，其因降低患者之生活品質而有損醫療益處。輻射治療之目標在於，在不傷害或殺死大量正常細胞之情況下達成癌細胞之靶向細胞破壞。研究繼續將輻射局部化，以最小化對正常細胞的附帶傷害。然而，在許多狀況下，此僅僅為統計問題--在治療殺死患者之前破壞大多數癌症的比賽。
比X射線使用少的高能光子的EMR之另一治療協定使用紫外光4自皮膚移除非吾人所樂見之抗原及細菌。UV光電治療之一普通實例為由皮膚科醫生局部應用以治療皮疹及發炎的紫外光之抗菌使用11，基本上為「灼傷」可存在於患者之皮膚上的造成皮疹或瘙癢的任何物。甚至在無法證實發炎之實際原因時常指示其使用。
一般而言，為破壞或以其他方式抑制突變的、癌前的、癌的或不正常細胞之生長，需要將EMR集中至窄頻寬及聚集區域中，以避免傷害正常細胞。應用聚焦波束治療大區域存在問題--尤其一旦開始轉移時。對使用聚焦能量之波束執行靶向細胞破壞的研究橫跨自遠紅外線至硬x射線之光譜。
EMR亦用於並非針對細胞破壞而取而代之促進體內的自然癒合過程之治療。在熱治療10中，經由燈或LED之長波紅外線加熱用以將患者之體溫升高至類似於輕微運動所經歷的溫度。研究展示熱治療藉由改良大區域上之心血管血液流動及循環系統之容積而有益於不能運動的經受嚴重心血管疾病之患者。
本文中被稱作光學刺激12的另一EMR治療用以藉由用人造彩色光或白光(基本上模仿陽光或其部分)在視覺上刺激患者的眼睛，以愉悅心情且提供幸福感，來抵抗人的抑鬱及焦慮。此等光學刺激治療對於極區之住民而言尤其重要，在該等極區中，延長之黑夜週期佔據大部分冬日，且酗酒及自殺率遠遠超過全球一般人口。光學刺激治療亦已用以抵抗嚴重時差，且恢復及幫助調節睡眠模式。
光生物調變
再次參看圖1，與本發明之裝置有關的新興醫療領域--光電治療14--在本文中大體定義為：經由生物分子之光生物調變及光激發而有益地影響細胞及組織的光之治療應用。
光生物調變為細胞及組織對藉由紫外光、可見光及紅外光進行之直接照射的電化學回應，表示一物理機制，藉由該物理機制，能量由光子直接賦予至細胞，以產生任何數目個光生物回應，包含形成ATP(能量之分子源)、加速細胞內與細胞間化學反應、刺激DNA轉錄及RNA轉譯(蛋白質合成)、增大細胞內催化劑濃度且有益地影響細胞及其宿主。取決於衝擊光之波長，光生物調變實際上已在地球上自細菌至複雜有機體之每一生物(包含動物、哺乳動物且甚至人類)中觀察到。由於在許多狀況下光生物調變刺激ATP之形成且起始蛋白質合成，基意謂著(在光之恰當頻率下)光合作用不僅發生於細菌及植物中，且亦發生在動物中。
光生物調變之早期觀察中的一者在1967年由研究紅外線雷射光 對動物之生物效應的研究員報告。該研究員深信雷射光導致癌症，研究員剃掉老鼠毛，接著用低位準紅外光輻照一半數目的老鼠，卻發現，不僅該等老鼠未染上癌症，讓該研究員大為驚訝的是，經輻照老鼠的毛髮以大大加快的步伐重新長出。
該報告很大程度上被遺忘，直至後來(且相當意外地)光生物調變基本上由NASA在太空穿梭計劃期間再次發現，觀察到曝露至來自植物生長燈之紅外光的太空人正常癒合，而沒有生長燈之執行先前任務的太空人並未正常癒合。進一步研究識別出，甲醇中毒並用紅外光處理的老鼠保留了其大多數視力，而對照組完全失明。研究識別出，正常附著至視神經中之三磷酸腺苷(ATP)化學鍵結點(且基本上神經組織急需能量)的甲醇分子被移走且被由紅外光之光生物調變產生的ATP替換。此研究之重要性在於其早期識別出ATP及其在光生物過程中的作用。
細菌及浮游生物之分子研究隨後揭露，光(尤其在光譜之可見紅光及近紅外線部分13中的光)由生物分子細胞色素C氧化酶(CCO)直接吸收。COO分子充當將單磷酸腺苷(AMP)轉換成二磷酸腺苷(ADP)且接著轉換成三磷酸腺苷(ATP)的細胞內電池組充電器。若以比喻方式來說，CCO為電池組充電器，則ATP為細胞之電池組--為細胞自身內的所有其他電化學反應提供動力之電池組。
對老鼠及人類患者進行的研究發現，受損組織或器官之光生物調變導致細胞修復、組織再生長且加速癒合、改良之免疫回應、減輕之組織發炎、低續發感染風險及更快地自損傷或疾病恢復。在人類試驗中，患者亦報告，在僅僅幾次光電治療處理之後疼痛減輕且健康狀況得以改良。在經受周圍神經系病(亦即，在糖尿病患病者者中常見的肢體神經死亡)之患者中，亦指出其觸覺之部分恢復。眾多參考之專業期刊(例如，醫學中之雷射期刊)及各種教科書現今可用，其概述 光生物調變之發現及其治療處理之前景，亦即，「光電治療」[Charles T.McGee之「Healing Energies of Heat and Light」(Medipress，Coeur d'Alene，2000年)]。
迄今，光生物調變及其潛在治療效應已研究達四十幾年。儘管早期得到令人興奮的、幾乎難以置信的結果，但數十年後，歸因於理解限制且更多的當前技術之限制，醫生或科學家並未發現將光電治療投入市場之實際或商業可行的手段。
如圖1中所示，可使用非相干光17或藉由雷射15執行光電治療。一開始，使用來自太陽之非相干光及後來來自燈之雷射，此部分地由於其廣譜17A及其覆蓋大區域17B的能力。然而，發現燈笨重，消耗大量電力，且產生比光多的熱量。受試者抱怨過熱，且研究員在處置熱白熾燈時被灼傷。其他研究(尤其在USSR中)聚焦於將自工業爐及加熱器改進的陶瓷紅外線燈應用於光電治療。主要集中於光譜之長波長部分的此等努力包含有益的光電治療以及靶向細胞破壞兩者。後來，科學家亦使用氣體放電燈及惰性氣體嘗試治療，但由於其無法控制經輻射之波長而受到限制。
研究員接著轉向在比燈泡冷得多的溫度下操作且比熱有益地產生更多光之雷射15。起初，人們認為相干光將在穿透深度及療效上賦予額外優點，但不久後發現，雷射之小光點大小16B使諸如整個器官或大型肌肉之大面積的治療存在問題。進一步研究亦揭露，幾乎立即自在皮膚頂層中無論以何種方式散射而失去光學相干，使得深穿透光甚至自相干源發出時亦並非相干的。此外，氣體與染料雷射成本高、易碎、大、重、耗電且不便於運輸。其他研究揭露，雷射光特有的過窄頻譜16B可能不利地降低光電治療療效。
雖然半導體雷射二極體之出現幫助降低雷射光電治療的潛在成本，但與特性上窄頻寬組合的雷射二極體之小光點大小仍存在問題。 此外，雷射醫療器件繼續對患者及臨床醫生兩者造成潛在安全風險，且需要嚴格遵從一組不斷改變之政府法規。因而，基於雷射二極體之使用的光電治療器件之大規模商業部署仍面臨眾多挑戰。
相比之下，相對低成本亮LED之最近商業可用性提供工程設計實際光電治療器件所藉的更具前景之手段。不同於雷射二極體，LED迅速作為有待用於實際上不受限制之範圍之應用的較佳光源而興起。現今，LED照明排他性地提供所銷售的實際上每一行動電話與智慧型手機中之背光及攝影機閃光燈。LED亦促進最新代LCD HDTV之背光照明，從而提供「綠色」(亦即，節能)操作及增強型影像對比度。自2010以來，LED開始擴展至包含汽車前照燈、尾燈及座艙照明之一般照明應用；擴展至路燈，且甚至擴展至商業與工業燈，替換效率低的白熾燈且廢棄有害的汞污染緊密型螢光燈(CFL)。
藉由其驅動高輸送量之普遍存在的用途，所得規模經濟受益，供應商競爭及新技術繼續驅動LED成本降低，進一步實現LED在全球市場中之競爭優勢。此外，倘若LED之功率輸出不超過FDA之準則300mW/cm2，LED之特別的安全記錄提示美國政府進一步放寬LED安全法規，將LED作為與雷射及雷射二極體分開且相異的種類區別開，授權無限制使用。
LED閃光燈及手電筒
有效LED光電治療之一要求為能夠在延長之治療持續時間(例如，至少60分鐘或更長)維持一致LED電流的電光設計。然而，用於閃光燈、手電筒及許多電話背光中的低成本LED驅動器電路及設計缺少在此等延長之持續時間內充分控制LED亮度或均勻分佈光的必要特徵及能力。該等電路及設計亦缺少例如藉由調變LED激發以變化其操作頻率來執行適用於針對特定醫療條件定製治療之許多重要功能的能力。圖2(例如)說明一習知低成本LED驅動器，其中四個串聯連接之 電池組20a至20d為一或多串並聯LED 26a至26n提供電力，其中每一串包括「m」個串聯連接之LED。
計數器23a及反相器23b總體作為數位控制器23，其藉由反覆接通且斷開MOSFET 27a至27n，依次觸發接通及斷開LED串26a至26n中之LED電流ILED1至ILEDn，在固定時鐘頻率下以數位方式震盪。藉由由控制器23變化脈衝寬度及LED電流導電時間之對應的工作因數D，LED之選通操作能夠促進固定頻率PWM亮度控制。
遺憾地，如所示之電路的基本問題在於，其用電壓源而非電流源為LED串提供電力。LED偏好(亦即，表現得更佳)由恆定電流源驅動。電壓源驅動由於LED正向電壓彼此不匹配而無法均勻地平衡LED串26a至26n中的電流，從而隨製造隨機改變且亦隨操作電流及亮度動態地改變。在更均勻地平衡LED串中之電流的嘗試中包含串聯鎮流電阻器24a至24n，但其仍然不保證電流或LED亮度的匹配。
不同於電流源驅動，使用電壓源及電阻器允許LED電流與亮度隨著電源供應器電壓而改變，亦即，隨著電池組電壓之衰減而改變。如圖3中所示，隨著電池組電壓Vbatt 30下降，該電池組電壓與LED串電壓VLED 31之間的電位差按比例下降。由於任一給定串中的LED電流由以下給出ILED=(Vbatt-VLED)/R
因此Vbatt隨時間流逝的任何改變會將自身顯現為LED亮度之時間相關改變。當Vbatt在電池組之衰減期間接近VLED時，LED最終關閉且停止照射。具有較高正向電壓的LED串將比具有較低正向電壓之串快地變暗且早地關閉，從而造成LED亮度隨時間流逝不一致及亦不良的發光均勻性。
返回圖2，為了防止自通道當中的開關雜訊與電流瞬變產生之閃爍，添加電容器25a至25n以供濾波。亦包含低壓差(LDO)線性調節器 21及濾波電容器Creg 22，以提供一致電壓Vdriver以供應數位控制器23，而不管電池組20之輸出電壓Vbatt在放電期間及在LED電流瞬變之情況下的變化。雖然LDO 21亦可用以為LED串24a至24n提供電力，但LDO上的附加電壓降藉由減小峰值LED亮度，增大功率消耗且導致LED比其他方式早地關斷而不利地影響器件。
在設計中，串聯連接之LED的最大數目「m」取決於LED正向電壓、電池組化學性及所得電池組電壓Vbatt。若電池組20包括可再充電鋰離子化學性，則每個電池展現3.6V標稱電壓，且Vbatt=14.4V。若使用紅色LED，其中每一者具有1.6V正向電壓，則「m」可選擇為8個或9個LED。若使用紅外線LED，則每一LED具有2.2V正向電壓降，使得「m」限於5或6個串聯LED。若交替紅色LED串，則串對串電壓及電流失配問題將進一步加劇。所示之LED手電筒驅動無法適應電壓與電流的此等失配，且因此混合LED類型存在問題。
然而，在消費型器件中，鹼性電池組比昂貴的可再充電鋰離子電池更不常用。在此等狀況下，每一電池開始於大致1.5V，但逐漸衰減至每電池1V，其中電池組電壓的範圍大約稍高於6V且衰減至4V及以下。在放電期間，LED亮度將在使用期間不斷下降。在4.2V處，LED不再照射，且必須替換電池組以繼續使用。
藉由在電池組20與LED串之間引入電壓調節器來調節LED電壓之嘗試僅使問題更嚴重，此係因為轉換器本身消耗電力，從而進一步縮短電池組壽命。若轉換器為類似於LDO 21的另一LDO，則LDO上的電壓降實際上縮短電池組壽命。若使用昂貴的升壓轉換器產生高於Vbatt之固定電壓，則出現新問題。由於LED串上的正向電壓降在較高操作電壓下隨製造而隨機變化，且對應地隨串聯連接LED之較大數目而變化，因此LED電壓之變化可相當大，尤其在產品之整個製造使用期限期間。
為確保每一LED串始終具有足夠電壓以在所指定電流下照射，來自升壓轉換器之固定電壓輸出必須超過在製造過程中所預期的最高串電壓。此設計方法自然地導致「高」供應電壓--高於對於正常單元具有接近統計平均值之LED電壓所需之電壓的一電壓。未使用之超額電壓在電阻器24a至24n及MOSFET 27a至27n中的驅動器電路中產生熱量，從而降低效率且縮短電池組壽命。在具有低於平均值的LED電壓之LED串中(亦即，在分佈之下端)，附加電壓可變得過大，甚至造成驅動電路中之過熱。若LED電流亦變化，則問題變得進一步加劇，此係因為LED串電壓亦隨操作電流而變。
機械設計表示LED手電筒設計之另一重要限制。圖4A說明此類光電治療產品特有之LED手電筒35的藝術家之概念化。手電筒或「杖」具有手柄部分及包括LED陣列35a之LED部分。LED陣列堅硬且不可撓，其中基本上共面之LED安裝於收納在杖35內之電路板上。其他型式將LED嵌入發刷內。
此設計之第一問題為治療時間之實際考慮。光電治療藉由將足夠數目個光子引入至組織中以改變經治療之組織中的細胞之電化學來達成光生物調變。可將光子引入至組織中的最大速率實際上限於最高LED亮度，以避免皮膚灼傷且遵從政府法規。考慮此等態樣，最小治療時間之範圍為20分鐘至60分鐘，此取決於正在治療之組織。短於規定量之時間完全無效，類似於僅僅將電話插入電池組充電器中幾分鐘。在此短持續時間中，細胞之電化學(類似電池組)未標準化，且能量未以任何有益的方式進行吸收。
將杖固持於皮膚上的一特定地方保持60分鐘不移動係不可能的。任何移動改變治療條件。如圖4A之最左側實例中所示，當LED杖35固持於皮膚上方一距離處時，光子散佈在大區域上，但主要由皮膚之外部上皮層吸收，僅僅穿透至皮下組織37內。如中間圖中的稍微移 動杖35導致完全不同的治療容量，面積較小且穿透較深。最右側狀況展示緊密近接治療，其照射不大於LED陣列35a之面積的表面積，但深入穿透至皮下層37中。為緊密近接地覆蓋大區域，患者將需要多次長時間將杖固持於一固定位置，直至所有區域得以治療。此無遺漏的程序根本不實用，尤其對於遭受疾病或疼痛之脅迫的患者而言。同樣，診療所無法承擔費用來雇傭在整個治療期間與患者坐在一起僅僅將LED杖35固持於適當位置的護士。
擴展杖35之大小亦不能解決面積問題。將LED面積35a變大進一步加劇在大區域上達成均勻穿透深度的問題，尤其因為患者之大多數治療區域涉及彎曲表面，例如，腿、臂、頸部、體側等。如圖4B中所示，用堅硬平坦的LED陣列照射彎曲身體表面導致LED與皮膚之間的連續變化距離，從而導致光子穿透深度之大變化38。如所說明的，平坦LED陣列中位於陣列中心之最接近皮膚的部分將比邊緣穿透得深。
治療之身體部分的彎曲愈緊，均勻性問題變得愈嚴重，其中臂與腿及手指的照射均勻性最差。
組合低成本LED手電筒驅動電路與平杖或閃光燈照射器形狀致使此消費者導向之完全不實際地使用及低效率結果。給定此等嚴重設計問題，此消費型「小器具」無法被視為真正的光電治療器件或視為用於達成光生物調變或遞送光電治療處理的先前技術裝置或方法。
HDTV背光驅動器
現今，用於LED陣列之電子驅動的目前先進技術由用於對大LCD(液晶顯示器)面板進行LED背光照明之積體電路(IC)最佳舉例說明，尤其在LED背光HDTV(高清晰度電視)中使用的IC。雖然此等系統之終端應用、設計、操作及軟體程式化已經特定設計且創造以用於驅動LED背光HDTV中的白色LED，但此等系統之硬體及IC實施遠遠優於 在當今光電治療器件及消費型小器具中使用的手電筒驅動器電路。
圖5A說明LED背光HDTV之基本元件，其包括液晶顯示器(LCD)面板42、一彩色濾光片43及一LED背光，該LED背光包含白色LED陣列41及LED背光驅動器IC 45。TV觀看者44藉由看到穿透液晶顯示器面板42中之像素(亦即，像元)的一些片段且穿過彩色濾光片43的由白色LED陣列41產生之光來觀察LCD面板上之彩色2D或3D影像。LCD面板42表現得像可調整窗簾用品256，或範圍自黑色(不透明)至全亮度(透明)及每一中間亮度的透光率之更多「灰階」位準。黑色、白色與灰色像素之組合形成如觀察者44之左眼及右眼兩者同時所見的顯示器上之二維(2D)影像。
透射光穿過彩色濾光片43，其中來自任何給定LCD像素的光僅僅穿過三種色彩(紅色、綠色或藍色)中的一者。因為自白色LED 41發出的白光含有彩虹之所有色彩，所以彩色濾光片43能夠將每一像素過濾成僅一個色彩--紅色、藍色或綠色。舉例而言，紅色濾光片實際上吸收除紅色光之外的所有色彩，移除藍色、綠色、紫色等，使光呈紅色。
接著，所有三個有色像素(一紅色、一藍色與一綠色)之組合可用以重新創造影像，其中實際上任一色彩具有數百萬陰影及亮度等級。此顯示器被稱作RGB彩色LCD。發送至每一紅色、綠色及藍色像素的資料由視訊處理器IC處理，且設定為列與行驅動器之組合，由複雜數位視訊時序控制器管理。在被稱為垂直同步或Vsync脈衝之固定週期載入且重新掃描新圖像，其通常在較舊TV模型中以60Hz之速率出現，且在現今最新高效能HDTV中以120Hz或240Hz之速率出現。
經同步至LCD影像及同步至Vsync脈衝後，LED背光驅動器45使用按固定時鐘頻率操作且每一Vsync脈衝更新一次的脈衝寬度調製(PWM)亮度控制來控制白色LED陣列41的亮度。背光可亮度均勻，在 單一工作因數D下操作，且可針對整個顯示器調整亮度。LCD背光之均勻背光亮度被稱作全域調光控制。替代地，背光可斷成塊(tile)或片段，其中每一塊被照射至對應於LCD面板42中直接位於背光塊上方之部分中的影像之適當亮度。藉由結合影像變化LED亮度，例如，在由較暗的LED背光照射影像之暗部分之情況下，節省電力且增強影像對比度。使用局部調光，對於第一次實現用於LCD中與耗電電漿顯示器之「動態高對比(mega-contrast)」效能相當的「動態高對比」效能之構件而言，黑色看起來更黑，且亮影像看起來更亮。
LED背光LCD的局部調光係使用如圖5B中所示的通常稱為「電流槽」之接地電流源藉由LED串電流之「電流控制」而達成。此等電流槽56a至56n個別地分別控制LED串57a至57n中之電流。每一電流槽包含回饋(藉由電流感測迴路及至每一相依電流源之類比輸入示意性地表示)，以動態地調整包括所述電流槽之電晶體的閘驅動，以便獨立於電壓維持槽電流之經預程式化值。每一電流槽56a至56n分別由數位信號58a至58n觸發接通及斷開。
此等數位信號係自包括LED驅動器ASIC 56之LED驅動器電路55輸出，需要一組數位緩衝器，以驅動分佈於LED背光板上之信號58a至58n的線路電容。在固定頻率下切換後，數位信號58a至58n各獨立變化工作因數D，以調整每一LED串57a至57n之對應的電流及亮度。全域調光與總體亮度控制藉由以相同工作因數D操作每一LED串來執行。在自身唯一工作因數D1至Dn下操作每一串回應於經由數位SPI匯流排59a傳達至LED驅動器55的自視訊純量IC 54接收之指令而執行局部調光。在一些狀況下，視訊純量IC 54與微控制器(未圖示)通信，解譯且反過來關於用於局部調光的對每一LED串之適當驅動而指導LED驅動器55。
如所示，切換模式電源供應器52及濾波電容器53c在經調節之電 壓+VLED下為所有LED串提供電力。白色LED大體上使用寬頻帶間隙材料建構以產生藍光。該藍光隨後藉由LED透鏡中之磷光體轉換成白光。因為白色LED使用寬頻帶間隙材料，所以白色LED上的電壓降相當高，通常為每LED 3.5V至4V。此意謂著SMPS 52之輸出常為高電壓，範圍為自60V(當串聯連接之LED的數目m低於15時)至200V以上(針對較大m值)。
電容器53c之電壓額定應相應地按其電容值Creg3按比例調整，從而足以穩定調節器之控制迴路，且足夠在不失去調節的情況下支援最差狀況LED瞬變。此設計中無需每一LED串(如圖2中所示之LED串)上的個別漣波濾波電容器，此係因為電流槽56a至56n維持個別LED電流ILED1至ILEDn，而不管自瞬變電壓降或串對串電壓失配造成的電壓波動。在諸如筆記型電腦之電池組供電的應用中，Vin通常處於15V至20V之範圍中，SMPS 52通常包括升壓轉換器，且Vlogic及Vdriver使用LDO線性調節器50及51進行調節。
在監視器及HDTV中，輸入電壓通常為AC幹線，110VAC或220VAC，且SMPS 52大體上為隔離返馳轉換器。在此等狀況下，SMPS 52常常包含第二輸出，通常為24VDC或12VDC，用於為LDO 50及51提供電力。
如圖6A中所示，2D HDTV中的PWM亮度控制係使用固定頻率時鐘脈衝執行，以產生可程式的經工作因數控制之LED(輸出)電流波形。微控制器、視訊處理器IC或時序產生器IC產生垂直同步信號Vsync 60，其具有通常對應於60Hz、120Hz，或240Hz之頻率的週期Tsync。此等頻率中之最低者(亦即，60Hz)在歷史上被選擇為足夠快使得人眼無法看到螢幕影像改變或閃爍的最低頻率。最近，已使用雙倍或四倍Vsync頻率降低影像模糊，且促進3D顯示器。Vsync脈衝充當LCD或HDTV中的主時鐘，此係由於該Vsync脈衝用於多種功能中， 包含將來自視訊處理器之視訊資料載入至LCD行驅動器中、將LCD掃描前進一列及將資訊載入至LED背光驅動器控制暫存器內之指令。
在提供亮度控制之LED背光HDTV中，第二時鐘61經產生且同步至Vsync時鐘60，但在更高頻率下操作。舉例而言，在提供4096級或12位元之調光控制的HDTV中，有時被稱作灰階時鐘或GSK的第二時鐘在比Vsync脈衝速率快4096倍(亦即，灰階時鐘週期為Tθ=Tsync/4096)的頻率fθ下運作。藉由在LED驅動器IC中使用可程式計數器，平均LED亮度可局部或全域地以4096階自0%至100%變化，其中每一階表示大致0.0244%的背光亮度變化。
可在無需改變LED傳導電流的情況下實施此背光亮度控制及調光特徵。在用於電流參考62之曲線圖中，由精確電流參考62設定的任何通道中之LED電流之值保持恆定在等於Iref輸送量的使用者可程式值62a。動態地變化工作因數D以調整背光亮度，而非改變電流。再次參考圖6A，LED接通時間一開始在導致由曲線65a所展示之66%工作因數的特定接通時間ton1下操作，其中D1=ton1/Tsync=66%
意謂著在時間t1之前的每一Tsync週期期間，LED(輸出)電流63在工作狀態64a中操作三分之二的時間，傳導等於αIref之電流，且在非工作狀態中操作三分之一的時間64b，此時電流為零。就在頻率fθ=4096/Tsync下切換之可程式計數器及時鐘61而言來描述，66%工作因數操作的接通時間與斷開時間分別為2730個時鐘脈衝與1366個時鐘脈衝。平均LED電流及因此由曲線65a展示的LED亮度表示脈衝電流值αIref的位準之66%之位準。
在時間t1與時間t2之間，亮度控制改變為如由平均值65b展示的50%工作因數，使得D2=ton2/Tsync=50%
且其中ton2在數位上表示2048個時鐘脈衝，或週期之4096個脈衝的一半數目。類似地，在時間t2與時間t3之間，亮度控制增大至如由平均值65c展示的75%工作因數，其中D3=ton3/Tsync=75%
且其中ton3在數位上表示3072個時鐘脈衝，或週期之4096個脈衝的四分之三。在時間t3之後，平均工作因數65d降至僅僅12%，或每週期491個脈衝。在此低工作因數下的背光操作成為睡眠模式操作之典型，其中顯示器急劇變暗，以降低功率消耗，節省電池組壽命，或改良顯示器之綠色功率額定。
圖6B展示用於同一顯示器將操作自2D模式改變成3D模式之波形。亦稱為3D模式的HDTV中之三維影像顯示涉及交替地顯示兩個影像，一個針對左眼，另一個針對右眼，且以眼睛無法看見交替影像的足夠高之速率切換該等影像。左影像與右影像係使用僅僅允許左眼看見左眼影像且僅僅允許右眼看見右眼影像的觀看者所佩戴之眼鏡分開。此可使用包括兩個不同偏光濾波器的被動式眼鏡且藉由以交替方式改變顯示影像之偏光以將影像引導至對應的眼睛來實現。替代地，經同步至顯示影像的包括LCD快門之主動式眼鏡可用以控制哪隻眼鏡看見哪個影像。
在任何情況中，因為每次僅有一隻眼睛看見顯示器之影像，所以影像得以顯示之持續時間必須為2D模式中的時間之一半。為避免察覺閃爍，必須以正常Vsync的兩倍掃描影像。舉例而言，若HDTV以60Hz Vsync速率正常操作，則在3D模式中，顯示器與背光必須以120Hz操作。若在2D模式中HDTV以120Hz正常操作，則在3D模式中，使Vsync速率雙倍增加為240Hz。
如時間t7之前所展示，Vsync脈衝以固定速率出現，其具有用於正常2D模式操作的週期Tsync，在此之後，Vsync速率雙倍為具有週期 Tsync/2的脈衝。在時間t7，灰階時鐘61頻率亦自fθ(2D模式)=4096/Tsync至速率fθ(2D模式)=4096/Tsync雙倍增加。儘管時鐘速率雙倍增加，但由於可程式計數器依賴於時鐘，因此工作因數保持恆定。舉例而言，在時間t6與時間t7之間，亮度控制具有如由平均值65f展示的50%之工作因數，藉以D7=ton7/Tsync=50%
在頻率於3D操作開始時雙倍增加之後，ton8減小至ton7之值的一半，亦即ton8=ton7/2
但同樣地，Tsync3D減小至Tsync/2，使得D8=ton8/Tsync3D=(ton7/2)/(Tsync/2)=D7=50%
因此如由工作因數曲線65f及65g展示，改變Vsync頻率對PWM工作因數或PWM亮度無影響。但因為在3D模式中，每次僅有一隻眼睛看見顯示影像，所以人類思維察覺亮度為正常亮度之一半。為補償此效應，LED背光之亮度必須在3D模式中自αIref雙倍增加至值2αIref。換言之，LED脈衝的亮度在3D模式中亮度雙倍增加，但由於每次僅有一隻眼睛看見該等脈衝，因此相比2D模式，亮度看起來無改變。
能夠執行所有此等操作的TV背光驅動器IC示意性地說明於圖7中，其包括驅動由SMPS 52供電之LED串57a至57n的通道驅動器69a至69n及控制段69z(共稱為LED驅動器69)。在此系統中，來自視訊純量IC 54的視訊資訊經由SPI匯流排59a傳送至微控制器67。微控制器67解譯此視訊資訊，且將其傳遞至LED驅動器IC 69之控制段69z，特定言之，經由SPI匯流排介面59b。接著，SPI匯流排使用在包含時序與偏壓之驅動條件下指導個別通道驅動器的數位匯流排73將資訊分佈至解碼器74a至74n。對於具有最小數目個互連件的高速資料傳輸，數位匯流排73表示串行與並行通信的一些組合。由於匯流排專用於LED驅 動器，因此此匯流排可遵守其自身定義的標準，且不必遵從如SPI匯流排59a及59b所遵從的任何預建立之協定。
來自數位匯流排73之此數位資訊一旦由解碼器74a至74n解碼，接下來便被傳遞至存在於每一個別通道驅動器69a至69n內的數位資料暫存器，亦即，資料鎖存器。在圖7之示意圖中，經解碼資料包含在工作因數D中定義至多達4096個增量的12位元字，為了亮度控制，在相位延遲Φ中定義高達4096個增量的12位元字，其用以補償面板上的傳播延遲且最小化電源供應器湧入電流，及用於設定LED電流的8位元字點，其用在電流校準中改良背光均勻性(亦即，點校正)，且用以在2D與3D顯示模式之間切換。
舉例而言，同步至Vsync線60上之每一垂直同步脈衝的解碼器74a將12位元字載入至D暫存器75a中，將12位元字載入至Φ暫存器76a中，且將8位元字載入至點暫存器77a中，其中該等暫存器包含於個別LED驅動通道69a內。以類似方式且同步至線60上之Vsync脈衝，解碼器74b將12位元字載入至D暫存器75b中，將12位元字載入至相位延遲Φ暫存器76b中，且將8位元字載入至點暫存器77b中，其中該等暫存器包含於個別LED驅動通道69b內。針對所有n個通道(亦即，來自通道驅動器69a至69n的)同時發生相同過程。
一旦將來自解碼器74a之資料載入工作因數D暫存器75a及相位延遲Φ暫存器76a中，計數器78a便開始計數存在於時鐘fθ線61上之脈衝，計數器78a之輸出判定精確閘偏壓電路70a之時序，以觸發接通及斷開電流槽MOSFET 71a。藉由控制包含其工作因數D(亦即，其在每一Vsync週期的接通時間)的在LED串57a中流動之電流ILED1的傳導時序，LED 57a的亮度得以精確控制。載入至點暫存器77a中的位元資料由D/A轉換器79a同時解譯，以設定對精確閘偏壓電路70a饋電的參考電流αIref。每當觸發接通且傳導特定通道時，此參考電流設定在 MOSFET 71a及LED串57a中流動之LED電流ILED1的類比量值。當計數器78a觸發斷開特定69a通道時，對MOSFET之電流無影響。針對所有n個通道(亦即，來自通道驅動器69a至69n)同時發生相同過程。
任何給定通道驅動器中的參考電流αIref之值係以兩個方式進行設定。首先，藉由存在於每一通道驅動器69a至69n中的精確電阻器Rset設定Iref之值。藉由電阻器Rset之值將存在於LED驅動器IC 69(但未圖示)內的精確修正之電壓參考Vref轉換成精確參考電流Iref，使得Iref=Vref/Rset。可在電阻器Rset於製造期間針對絕對準確度進行修正的情況下整合電阻器Rset，或電阻器Rset可包括外部連接至LED驅動器IC 69之每一通道的離散精確電阻器(每通道一個)。雖然可想像，Rset之值可在通道間有變化，但大體較佳地精確地在每一通道中使用同一Rset值，以如藉由儲存於每一通道之點暫存器中的數位值而判定的，經由經數位控制之參數值α最大化通道與通道之匹配且改變通道參考電流。
舉例而言，在通道驅動器69a中，儲存於點暫存器中的8位元字被轉換成256階中針對乘數α的一者，允許每當接通且傳導MOSFET 71a時，MOSFET 71a及LED串57a中的電流在任何處設定為按256階自0%至100%．Iref，亦即，以每階0.39%遞增。所有通道驅動器69a至69n中發生相同操作，從而實現經由數位匯流排73對每一LED串57a至57n中之LED電流的數位控制。
應指出，在LED背光HDTV中，使用數位PWM調光方法與計數器78a至78n改變LED亮度比使用點暫存器77a至77n改變每一通道中之對應的αIref值較佳，主要因為白色LED之色溫隨電流變化。在顯著不同之電流下執行顯示器上的LED串可不利地導致顯示影像中之色像差。
為維持每一LED串(包含具有最高正向電壓降之LED串)中的適當電流，已包含電流感測回饋電路CSFB 72a至72n以即時判定哪個串展 現最高電壓，且將彼資訊用作至SMPS 52之回饋，以將其輸出+VLED設定為剛好稍微高於具有最高正向電壓之LED串的電壓。
CSFB電路以菊鏈方式連接，亦即，按「頭至腳」串聯，其中至CSFB電路72a中之輸入73b來自CSFB電路72b之輸出，至CSFB電路72b中之輸入73c來自CSFB電路72c(未顯示)之輸出，等等。每一CSFB電路將其輸入電壓中的較低者或通道中之對應電流槽MOSFET的汲極上之電壓傳遞至其輸出端，直至最後一個CSFB電路72a具有表示IC中作為CSFB回饋信號提供至SMPS 52之最低汲極電壓(且因此最高正向電壓LED串)的輸出73a。串CSFB 72n中的第一CSFB電路必須使其輸入與最高便利電壓(例如，Vlogic或Vdriver)相連繫。
然而，由於用於彩色HDTV之LCD背光中的所有LED串為可能來自同一製造商且甚至同一製造批次之彩色LED，因此LED串之正向電壓的變化主要自LED之製造的自然隨機可變性產生，而非自正在驅動之LED之類型的功能差異產生。
先前技術之概述
總而言之，使LED技術適應於光生物調變及在醫療上用於光電治療的先前嘗試面臨其機械與電設計方面的嚴重缺陷。用以實施光電治療之早期嘗試的LED驅動器電路基本上包括恆定電壓驅動LED手電筒，其不能夠在改變電壓、LED電流或故障情境之條件下維持一致LED操作。該等恆定電壓驅動LED手電筒基本上作為固定頻率等調光器電路操作，亦缺少促進模式定序及波形合成(潛在有益於最大化光生物調變及隨其之治療效益的序列與波形)的能力。
類似不足的，現今LED陣列之硬體遭受導致來自LED陣列中之過度線互連之不良可靠性的普通機械設計，且不能夠維持恆定位置或針對一致光學穿透深度使LED陣列之形狀符合患者，尤其在必要超過數十分鐘或更長之治療期間。
雖然用於HDTV之恆定電流LED背光驅動器IC以電方式包含比前述LED手電筒設計好的用於驅動大型LED陣列之功能性，但其特徵經特定工程設計以解決在照射LCD顯示器過程中的問題，包含與視訊顯示時序信號的同步及回應於視訊內容而改進亮度的能力--與實施光電治療器件完全無關的功能。此外，以其目前形式，此HDTV背光驅動器未實現或甚至預期對於產生複雜波形、執行演算法定序、合成變化頻率或驅動不均勻LED(不同建構、波長及正向電壓中的若干者)的需求。
所需為對於LED光電治療之新設計，其經實施以均勻且連續地在延長之持續時間內遞送最高光生物調變程度，理想地，具有擴展的程式靈活性及可由主治醫師控制的特徵。
在本發明之光電治療程序中，將具有一或多個波長或波長之光譜帶的電磁輻射(EMR)之定義型樣(例如，方形波脈衝)引入至活有機體(例如，人)中。輻射通常在EMR光譜之紅外線或可見部分內。可使用單一波長之EMR，或型樣可包含具有兩個、三個或三個以上波長的EMR。EMR可包含常常表示為集中於中心波長之波長範圍(例如，λ±△λ)的輻射光譜帶，而非由由單一波長之輻射組成。脈衝可由間隙分開，在此期間未產生輻射，一脈衝之後緣可在時間上與後一脈衝之前緣重合，或脈衝可重疊，使得可同時產生兩個或兩個以上波長的輻射(或波長之光譜帶)。
EMR較佳地由配置於連接至共用電源供應器之串聯「串」中的發光二極體(LED)產生。每一LED串可包括經設計以產生單一波長或波長之頻帶之輻射的LED。該等LED可嵌入於經設計以貼身地配合於人體之皮膚表面上的可撓性板中，從而允許目標組織或器官曝露至均勻型樣之輻射。
該等LED串中的每一者由一通道驅動器控制，該通道驅動器又由一微控制器控制。該微控制器包含一演算法「型樣庫」，其中之每一者定義由該等LED串產生之該EMR的一特定脈衝過程序列。使用顯示器、鍵盤或其他輸入器件，醫生或臨床醫生可選擇適合於病情或正在治療之疾病的特定演算法(過程序列)。
1‧‧‧電磁光譜
2‧‧‧紅外線頻帶
3‧‧‧可見頻帶
4‧‧‧紫外頻帶/紫外光
5‧‧‧X射線頻帶
6‧‧‧紅外線成像/紅外光
7‧‧‧安全應用
8‧‧‧放射攝影術
9‧‧‧輻射治療
10‧‧‧熱治療
11‧‧‧紫外光之抗菌使用
12‧‧‧光學刺激
13‧‧‧光譜之可見紅光及近紅外線部分
14‧‧‧光電治療
15‧‧‧雷射
16B‧‧‧頻譜/小光點大小
17‧‧‧非相干光
17A‧‧‧廣譜
17B‧‧‧大區域
20‧‧‧電池組
20a-20d‧‧‧電池組
21‧‧‧低壓差(LDO)線性調節器
22‧‧‧濾波電容器Creg
23‧‧‧數位控制器
23a‧‧‧計數器
23b‧‧‧反相器
24a-24n‧‧‧鎮流電阻器
25a-25n‧‧‧電容器
26a-26n‧‧‧LED/LED串
27a-27n‧‧‧MOSFET
30‧‧‧電池組電壓
31‧‧‧LED串電壓
35‧‧‧LED手電筒/LED杖
35a‧‧‧LED陣列/LED面積
36‧‧‧上皮組織層
37‧‧‧皮下組織/皮下層/表皮組織層
38‧‧‧光子穿透深度之大變化
41‧‧‧白色LED陣列
42‧‧‧液晶顯示器(LCD)面板
43‧‧‧彩色濾光片
44‧‧‧TV觀看者/觀察者
45‧‧‧LED背光驅動器IC
50‧‧‧LDO線性調節器
51‧‧‧LDO線性調節器
52‧‧‧切換模式電源供應器(SMPS)
53c‧‧‧濾波電容器
54‧‧‧視訊純量IC
55‧‧‧LED驅動器電路/LED驅動器
56‧‧‧LED驅動器ASIC
56a-56n‧‧‧電流槽
57a-57n‧‧‧LED串
58a-58n‧‧‧數位信號
59a‧‧‧數位SPI匯流排
59b‧‧‧SPI匯流排/SPI匯流排介面
60‧‧‧垂直sync信號/Vsync時鐘/Vsync線
61‧‧‧第二時鐘/時鐘fθ線/時鐘/灰階時鐘
62‧‧‧電流參考
62a‧‧‧使用者可程式值
63‧‧‧LED(輸出)電流
64a‧‧‧工作狀態
64b‧‧‧三分之一的時間
65a‧‧‧曲線
65b‧‧‧平均值
65c‧‧‧平均值
65d‧‧‧平均工作因數
65f‧‧‧平均值/工作因數曲線
65g‧‧‧工作因數曲線
67‧‧‧微控制器
69‧‧‧LED驅動器/LED驅動器IC
69a‧‧‧通道驅動器/LED驅動通道
69b‧‧‧通道驅動器/LED驅動通道
69n‧‧‧通道驅動器
69z‧‧‧控制段
70a‧‧‧精確閘偏壓電路
71a‧‧‧電流槽MOSFET
72a-72n‧‧‧電流感測回饋電路CSFB
73‧‧‧數位匯流排
73a‧‧‧輸出
73b、73c‧‧‧輸入
74a-74n‧‧‧解碼器
75a、75b‧‧‧工作因數D暫存器
76a、76b‧‧‧相位延遲Φ暫存器
77a-77n‧‧‧點暫存器
78a-78n‧‧‧計數器
79a‧‧‧D/A轉換器
81‧‧‧可撓性電路板
82‧‧‧可撓性生物惰性囊封劑
83‧‧‧光
84‧‧‧照明及吸收輪廓
85‧‧‧可撓性無菌衛生障壁
86‧‧‧LED驅動器IC
90‧‧‧衝擊光子/經吸收能量
91‧‧‧分子
92‧‧‧化學鍵
93‧‧‧電荷
93a-93e‧‧‧LED陣列/LED
94‧‧‧分子至較高或較低能態的結構變換
95‧‧‧電荷輸送
96‧‧‧熱振動/光生物過程
97‧‧‧粒線體
98‧‧‧動物細胞/細胞
100‧‧‧細胞色素C氧化酶(CCO)
101‧‧‧三磷酸腺苷或ATP
102‧‧‧能量
103‧‧‧例示性說明
104‧‧‧光生物回應
109‧‧‧矩形線或能帶
110‧‧‧光子/LED
111‧‧‧跳躍/量子轉變
112‧‧‧狀態
113‧‧‧轉變
114‧‧‧光子/轉變
115‧‧‧轉變/箭頭
120‧‧‧衝擊光子/LED
121‧‧‧分子
122‧‧‧穩定態/箭頭
123‧‧‧箭頭/轉變
124‧‧‧光子/箭頭/轉變
125‧‧‧箭頭/轉變
126‧‧‧箭頭/轉變
127‧‧‧箭頭/轉變
130‧‧‧光子
131‧‧‧能量
135‧‧‧自由電荷/雷射光
139‧‧‧轉變
140‧‧‧光譜/光譜帶/波長/LED光譜
150‧‧‧光譜/光譜帶/LED光譜
160‧‧‧光譜/光譜帶/最短波長/LED光譜
161‧‧‧最高能量轉變
161a‧‧‧相對療效
161b‧‧‧高療效
161c‧‧‧減小之療效
162‧‧‧最高能量轉變
163‧‧‧最高能量轉變
165‧‧‧極窄頻寬光激發/雷射光譜/窄光譜帶
165a‧‧‧能量轉變
165b‧‧‧能量轉變
165c‧‧‧不良轉變
166‧‧‧轉變
167‧‧‧轉變
170‧‧‧依序波形合成演算法
171a‧‧‧光激發/操作
171b‧‧‧光激發/操作
171c‧‧‧光激發/操作
171d‧‧‧時間延遲/操作
171e‧‧‧照射/操作
171f‧‧‧雷射光激發
171g‧‧‧光激發/操作
172‧‧‧流程
173‧‧‧箭頭/流程
174‧‧‧箭頭/流程
177‧‧‧依序並行波形合成演算法
180‧‧‧時序圖/時鐘/波形
181‧‧‧時序圖/經疊加之波形表示
182‧‧‧時序圖
183‧‧‧時序圖
184‧‧‧EMR輸出/正弦波/光輸出
184a、184b、184c‧‧‧正弦波
184e‧‧‧電磁輻射(EMR)
185‧‧‧波形
186‧‧‧波形
198‧‧‧顯示器
199‧‧‧醫生或臨床醫生
201‧‧‧患者
202‧‧‧組織
203‧‧‧EMR
204‧‧‧無菌LED板
205‧‧‧電路連接
205a-205n‧‧‧LED串
206‧‧‧LED驅動及控制裝置/LED驅動及控制
207‧‧‧LED驅動器IC/LED驅動器
207a、207b、207d、207e、207f、207g、207h、207j、207k、207m、207n‧‧‧通道驅動器/LED驅動器/通道
207p‧‧‧通道
207z‧‧‧控制部分
208‧‧‧動態切換模式電源供應器(SMPS)
209‧‧‧可程式微控制器
210a‧‧‧型樣庫
210b‧‧‧數位匯流排埠/SPI匯流排介面實體介面
210c‧‧‧LED設定暫存器
210d‧‧‧故障管理單元
210e‧‧‧時鐘及時序介面
210f‧‧‧程式命令及控制單元/程式及控制
210g‧‧‧基於軟體演算法之波形合成
210h‧‧‧使用者介面
210i‧‧‧類比介面
210j‧‧‧數位介面
211‧‧‧圖形介面/小鍵盤
212‧‧‧鍵盤/觸控式螢幕
213‧‧‧數位匯流排/串列周邊介面(SPI)匯流排
214‧‧‧控制及介面/控制及介面電路/SPI匯流排介面
215‧‧‧精確閘偏壓及控制電路/精確閘驅動電路
215a-215n‧‧‧精確閘偏壓及控制電路
216‧‧‧高電壓電流槽MOSFET
216a-216n‧‧‧電流槽MOSFET
217‧‧‧電流感測回饋(CSFB)電路
217a-217n‧‧‧電流感測回饋(CSFB)電路
219‧‧‧類比控制及感測電路
220‧‧‧SPI介面
221a-221n‧‧‧解碼器/資料暫存器/計數器
222‧‧‧內部數位匯流排
223a‧‧‧線/時鐘線
223b‧‧‧線/Clk θ線/時鐘線
224a-224n‧‧‧ton暫存器
225a-225n‧‧‧Φ暫存器
226a-226n‧‧‧ILED暫存器
227a-227n‧‧‧計數器
228a-228n‧‧‧D/A轉換器
231‧‧‧ILED資料暫存器/ILED暫存器資料
241‧‧‧LED光激發型樣/合成之波形
242‧‧‧LED光激發型樣/合成之波形
243‧‧‧LED光激發型樣/合成之波形
245‧‧‧波形
246‧‧‧波形
247‧‧‧波形
251‧‧‧波形/圖
252‧‧‧圖
253‧‧‧Sync脈衝/圖/變化之波長
254‧‧‧Clk/變化之LED波長
256‧‧‧窗簾用品/低頻率波形
281‧‧‧波形
282‧‧‧波形
285‧‧‧波形
288‧‧‧短時脈衝波形干擾
289‧‧‧波形
300‧‧‧插圖/製造
301‧‧‧ILED資料暫存器/使用者設置
301d-301h‧‧‧ILED資料暫存器
302‧‧‧D/A轉換器/A/D轉換器
303‧‧‧電流/治療
304‧‧‧光波輸出
305‧‧‧第1階
306‧‧‧第255階
307‧‧‧間隙
310‧‧‧LED
311‧‧‧LED
312‧‧‧LED
320‧‧‧插圖/曲線
321‧‧‧電流
322‧‧‧電流消耗/穩定狀態LED電流
323‧‧‧電流尖峰/曲線/尖峰電流
324‧‧‧曲線
330‧‧‧光電治療波形合成演算法
330a‧‧‧較大板部分
330b‧‧‧較小板部分
331‧‧‧連接器/電連接器
332a-332n‧‧‧LED串
333‧‧‧LED驅動器PCB/LED驅動器板
334‧‧‧連接器
335‧‧‧可彎曲接縫
336‧‧‧機械緊固件
337a‧‧‧LED驅動器IC
337b‧‧‧LED驅動器IC
338‧‧‧微控制器
340‧‧‧功率輸出曲線
341‧‧‧功率輸出曲線/水
342‧‧‧LED輸出/曲線/脂質與脂肪
343‧‧‧曲線/去氧血紅蛋白
344‧‧‧曲線
345a‧‧‧曲線/細胞色素C氧化酶(CCO)
345b‧‧‧二次吸收尾部
346‧‧‧實體粗線/吸收光譜
347‧‧‧表皮
360‧‧‧透射窗
381‧‧‧可撓性PCB
382‧‧‧可撓性模
384‧‧‧穿透
385‧‧‧可撓性無菌障壁
圖1為將光電治療與輻射治療相對比的輻射之電磁光譜之圖形說明。
圖2為基於電壓之LED驅動器及調光器電路之示意性電路圖。
圖3為說明電池組放電對基於電壓之LED驅動器中之LED電流的影響之曲線圖。
圖4A為說明藉由手持型LED杖或手電筒維持一致位置及光電治療深度之問題之圖。
圖4B為說明藉由機械不可撓LED陣列在大區域上維持一致光電治療深度之問題之詳圖。
圖5A為如人眼所見的用於LED HDTV中之白色LED背光之橫截面圖。
圖5B為用作HDTV背光的類型之恆定電流LED驅動器之示意性電路圖。
圖6A為說明在2D模式LED背光HDTV中的固定頻率PWM背光亮度控制之一系列曲線圖。
圖6B為說明在3D模式LED背光照明之HDTV中的固定頻率PWM背光亮度控制之一系列曲線圖。
圖7為用於LED背光HDTV的架構之示意性電路圖。
圖8A為照射上皮組織之LED板之示意性說明。
圖8B為光生物調變之物理機制之圖形描繪。
圖8C描繪動物細胞中之光合作用(ATP產生)。
圖8D為展示人類中之動物光生物調變之階層式影響之圖表。
圖9A為分子之光激發之能帶示意性表示。
圖9B為各種光波長之光生物調變之能帶示意性表示。
圖9C為窄頻光生物調變之示意性表示。
圖9D為寬頻光生物調變中之生物干擾之能帶示意性表示。
圖9E為隨光譜頻寬變化的所觀察之相對療效之能帶描述。
圖10A為包括不同波長之LED串之序列操作的一例示性動態光電治療協定之流程圖。
圖10B為圖10A中所示之例示性動態序列光電治療協定之時序圖。
圖10C為波形表示之細節之說明。
圖10D為組合不同波長之LED串之依序及並行操作的一例示性動態光電治療協定之流程圖。
圖11為用於可程式波形合成之動態光電治療系統及使用者介面之示意圖。
圖12為具有可程式波形合成能力之動態光電治療系統之示意性表示。
圖13為動態光電治療系統中之獨立多通道LED控制之圖。
圖14A為用於控制多波長動態光電治療系統中的特定波長LED串中之電流的暫存器資料之一實例之圖。
圖14B為用於控制動態光電治療系統中的不同波長LED串中之電流的暫存器資料之一實例之圖。
圖15A展示在動態光電治療系統中之各種合成頻率下的波形之時序圖。
圖15B展示在動態光電治療系統中之各種合成頻率下的多個波長 LED串之時序圖。
圖15C為在系統之最大合成頻率下的動態光電治療系統中之多個波長LED串之時序圖。
圖15D為使用可變時鐘信號合成動態光電治療系統中之高頻率的一替代方法之時序圖。
圖15E為用於合成動態光電治療系統中等於Vsync頻率之頻率之時序圖。
圖15F為用於合成動態光電治療系統中低於Vsync頻率之頻率之時序圖。
圖16為說明用於同時合成兩個不同光激發頻率之資料暫存器更新之時序圖。
圖17A為用於藉由PWM亮度控制在多波長動態光電治療系統中合成固定頻率之時序圖。
圖17B為用於藉由PWM亮度控制在多波長動態光電治療系統中合成多個頻率之時序圖。
圖17C為用於藉由恆定接通時間亮度控制在多波長動態光電治療系統中合成動態變化頻率之時序圖。
圖18為具有固定頻率合成之動態光電治療系統中的具有獨立PWM亮度控制(摻合)之並聯驅動之多波長LED串之時序圖。
圖19為LED串中之電流作為儲存於使用可程式D/A轉換器之動態光電治療系統中的ILED暫存器中之資料之函數之曲線圖。
圖20為在不同波長下之光學輸出功率作為儲存於ILED暫存器中的資料之函數之曲線圖，其說明亮度補償。
圖21為說明針對亮度補償載入ILED暫存器資料之電路圖。
圖22為接通之電流瞬變波形之曲線圖，其說明相位延遲之益處。
圖23A為說明工作因數D、合成頻率fsynth、相位延遲Φ及參考電流乘數α之全參數控制的一例示性動態光電治療協定之流程圖。
圖23B為用於藉由動態亮度控制在多波長光電治療系統中合成動態變化頻率之時序圖。
圖24為表示根據本發明之光電治療系統中的微控制器之功能之方塊圖。
圖25為本發明之光電治療系統中的微控制器之設置及操作之流程圖。
圖26為LED板之平面圖及等效電路。
圖27為與曲線表面一致之可撓性LED板之橫截面圖。
圖28為輻射強度(標準化功率輸出)對各種波長之波長LED之曲線圖。
圖29A為各種生物化學藥劑之相對吸收係數作為入射EMR之波長之函數之曲線圖。
圖29B為內部組織之相對吸收係數作為入射EMR之波長之函數之曲線圖。
圖30為表面組織之相對吸收係數作為入射EMR之波長之函數之曲線圖。
光生物調變之原理
光生物調變涉及光子至活細胞及組織內之受控制遞送，從而刺激生物化學回應。當應用於醫學時，使用光生物調變產生有益或治療結果在本文中被稱作「光電治療」。若干變數可影響光生物調變，包含正被照射之有機體、組織、細胞或細胞器；所使用之光的波長、靶向及介入組織中的衝擊波長下之光的吸收深度及散射性質；光激發之功率、時序、持續時間及頻率，包含多個波長之潛在定序、正受影響 之特定生物化學反應及在治療狀況下的需要治療之受傷或病情的本質。
圖8A以橫截面示意性地說明光電治療遞送系統之元件，包含一可撓性電路板81、一LED陣列93a至93e、一可撓性生物惰性囊封劑82、一可撓性無菌衛生障壁85及一LED驅動器IC 86。LED陣列93a至93e及其外殼(在本文中共稱為LED「板」)理想地應足夠可撓且可彎曲以在不損壞板內互連導體或電子組件之情況下貼身地配合患者。接著，如藉由照射及吸收輪廓84所示，光83相應地照射上皮組織層36及表皮組織層及37。在如所示的LED板中，在囊封劑82足夠薄且在LED波長下透明以便不會阻擋LED之光輸出的情況下，該囊封劑可覆蓋LED 93a至93e之透鏡。
注意：如本文中所用之術語「LED驅動器IC」與「LED驅動器」可互換使用，以指含有用於控制多個通道之電路的IC，每一通道由一LED串表示。術語「通道驅動器」用以指LED驅動器IC內用以控制單一LED串(通道)的電路。
光生物調變開始於以圖片方式表示於圖8B中的原子及分子之光激發，其中具有波長λ及對應EMR頻率ν(由希臘字母ν，或「nu」表示)的衝擊光子90撞擊分子91，打破化學鍵92且形成新鍵，且潛在地射出電荷93。經吸收能量90可被劃分成系統中動能(KE)與位能(PE)之改變的任何組合，包含分子至較高或較低能態的結構變換94，藉由局部電場中之漂移傳導qE或歸因於濃度梯度之擴散傳導dNq/dx的電荷輸送95，及/或自加熱造成的或按量子動力學術語由光子進行的分子之熱振動96。此等光子誘發或「光子激發」之反應可發生，其涉及細胞內任何數目個分子。
該等反應中的一些可涉及純粹無機組分，而其他涉及有機分子或該等兩者。如圖8C(至少一確認之光生物過程96)中所表示，藉由在 粒線體97內充當電池組充電器的細胞色素C氧化酶(CCO)100吸收衝擊光子90，從而將單磷酸腺苷(AMP)抽汲至較高能態二磷酸腺苷(ADP)，且最終將ADP抽汲至最高能態分子三磷酸腺苷或ATP 101。針對CCO 100之儲存能量的能力，CCO 100有時被稱作質子泵。替代地，若在細胞層面將ATP 101視為電池組，則可將CCO 100視為電池組充電器。相反地，當ATP 101分解成ADP或AMP時，其釋放大量能量102，超過每莫耳6k卡路里。
如動物細胞98中之細胞器，粒線體97以共生關係提供能量，其中細胞98為粒線體97提供有益的保護性環境。使用CCO 100，粒線體97可將糖(消化之副產品)轉換成能量，或經由光生物過程96，粒線體可吸收光以產生ATP 101。
自粒線體之光生物調變產生的能量產生導致一連串生物化學效應、電效應及熱效應，其影響在自細胞器及細胞至組織、器官及整個有機體(包含人類)之每一層面的有機體。所報告之效應表列於圖8D中，包含受影響細胞、組織、器官或系統的例示性說明103，連同所觀察之光生物回應104的特定描述。詳言之，應注意，ATP之活化導致酶活性、細胞間催化劑之形成，及DNA轉錄、RNA轉譯及蛋白質合成(亦即，動物中之光合作用)的開始與加速。發現一副產物(一氧化氮(NO))為促進組織修復及粒化從而形成新毛細管且擴張動脈以增大血流及細胞氧合同時修復神經、抑制疼痛且調變免疫回應以抑制感染及發炎的關鍵。雖然此等機制超出本發明之全部範疇，但所參考之文章可提供對此等生物化學及細胞學機制的額外洞察。
光生物調變之另一重要考慮在於光激發頻率。不會與光之波長λ及其對應電磁頻率νEM混淆，光激發頻率fsynth描述重複週期，藉以曝露至EMR之生物有機體展示比在其他頻率下循環吸收更大量之能量的能力。在物理學中，此等諧振頻率為以週期方式吸收且釋放能量之物 質的天然發生性質。此等諧振頻率通常比紅外光及可見光本身之震盪頻率慢數個數量級，對應於原子能階轉變--發生在頻率下且具有類似於原子吸收或發射之光的波長之對應的能階之轉變。
由於生物化學分子、細胞器、細胞、組織、器官及有機體全部具有質量，且由化學與機械力固持在一起，因此所有此等形式之生物物質必須有必要呈現振動移動及諧振，其中之每一者具有其自身的特性頻率。主要地由於所涉及之質量、器官及組織在比分子及分子內之原子的振動低得多的頻率下諧振。
在動物中，諸如心臟、肌肉、神經系統及腦之各種器官的操作亦涉及電或電化學過程而操作。此等電信號亦在某些特定頻率下操作，且亦可呈現諧振，主要涉及電化學震盪而非熱振動。在20世紀60年代，Nogier等人首先論述用微電流刺激人體組織的週期電信號的影響。後來，USSR亦使用陶瓷燈進行實驗，以在經控制之頻率下誘發光激發，但工作大部分保持未公開。
雖然對動力學仍瞭解甚少，但顯然，意欲刺激光生物調變之任何器件應不僅能控制光之亮度及波長，且亦能控制光激發之任何週期性重複型樣的頻率。
光譜頻寬對光生物調變之影響
在本文中，出於光生物調變之目的的對光子之電子控制被稱作「生物光子學」。為設計且建構生物光子裝置以執行具有最大功效之光電治療，檢查與現今存在之有限經驗證據一致的光激發之物理機制係重要的。
通常用以模型化固態電子器件及半導體器件之行為的固體能帶理論一旦適宜於分子及分子鍵，便可提供對出現在活細胞、細胞器及其內含有之分子的光激發期間的機制之額外理解。一類似方法由Linus Pauling深刻地用於其標誌性著作「The Nature of the Chemical Bond」[康乃爾大學出版社，Ithaca,N.Y.,1939，1960年第三版]中，且現今仍用在生物化學中及有機半導體之研究與發展中。雖然本發明中論述之主題並不特定與在所引證之教科書中考慮的分子有關，但使用能帶及電子軌道的類似分析方法深刻地解釋所觀察之結果且最佳化光電治療策略。
圖9A說明EMR與物質的三種可能交互作用。在曲線圖中，矩形線或能帶109以各種形式表示分子之各種位能狀態，其中E0為接地或最低能態，E1處於較高能態，E3處於更高能態等等。在一個別原子中，此等能帶表示離散能階，且點表示存在於彼能階處的電荷，與Niels Bohr在20世紀初期提議之情況類似(所謂玻爾(Bohr)原子)。後來，能帶理論適宜於晶體中之交互作用原子的群組，從而替換離散能階，其中經允許能態之能帶由不存在穩定量子能階之能隙Eg分開。當物質吸收足夠能量之光以克服此等能帶間隙時，電荷經歷自基態至高能態或能帶之對應的能量轉變。
舉例而言，在最左側圖中，當光子擊中藉由能帶109表示之材料時，位於基態E0處之電荷跳躍111至激發態E3。為顯現此轉變，衝擊光子必須攜載比能帶間隙多的能量，否則量子轉變111將不會出現。如由A.Einstein所描述，光子所攜載之能量E與其頻率成比例，如由熟知關係式E=hν=hc/λ所給出，其中ν=νEM為EMR之頻率，λ為其波長，h為普朗克常數(Planck's constant)，且c為光速。在光子能量E超過實現分子之位能的改變所需之最小能量(數學上展示為E>Eg)的情況下，將發生轉變111。在電荷跳躍至E3態之後，該電荷落回至較低能態E1。由於此較小轉變不涉及大量能量，因此光子114(振動能量之量子)得以釋放，從而對分子振動及加熱有影響。
若吾人現將能帶視為表示一或多個交互作用分子之能態，而非將此圖解譯為晶體中之能帶，則可以雖然隱喻但類似的方式理解能量 吸收及能量再釋放之過程。再次參看圖9A，涉及較低能量光子的左圖將分子激發至狀態112(較低經允許能態中的一者)，且導致光子114。中間圖表示以下狀況：衝擊光子120具有比光子110高的能量，且導致將分子121光激發至狀態E5，卻崩潰回到穩定態122並在此過程中釋放光子124。
在最右側圖中，比光子110或光子120具有更高頻率νEM及更短波長λ之更高能量光子130賦予如此多的能量131使得其將分子斷開，從而釋放能夠在細胞內自由傳導或能夠參與細胞間電荷輸送的自由電荷135。
圖9B將所描述之現象能帶分析擴展至分子之集合及其與不具有單一波長但表示頻率及波長之光譜帶的光子之交互作用，其中光子。在曲線圖中，垂直軸線表示由能帶109表示的分子之化學位能(PE)，其具有多種能態E0至E12。水平軸線描述衝擊光子之相對頻率(及波長)，其中曲線圖左側表示較低EMR頻率νEM(且因此增大之EMR波長λ)，且右側表示較高EMR頻率νEM(減小之EMR波長λ)。轉變表示分子與不同波長光子之許多且變化的交互作用。
如所示，自發光二極體陣列LED1發射之光子不包括單一波長，而包括頻率及波長之光譜帶140，其具有標稱值λ1且上下變化某一量±△λ1，亦即，包括光譜帶λ1±△λ1。由於E=hνEM=hc/λ，因此光譜帶140不僅表示頻率與波長之範圍，亦表示對應的光子能量之範圍。類似地，自發光二極體陣列LED2及LED3發射的光不包括單一波長，而分別包括具有波長λ2±△λ2之光譜帶150及具有波長λ3±△λ3之光譜帶160，其中λ1>λ2>λ3。舉例而言，發光二極體陣列LED1可構成中心波長λ1=875nm，及自860nm變化至890nm的光譜頻寬，使得在紅外線頻帶中，λ1±△λ1=875nm±15nm。類似地，發光二極體陣列LED2可包括在近紅外線頻帶中的光譜λ2±△λ2=740nm±15nm，且 LED3可包括在可見紅光光譜之長波長部分中的λ3±△λ3=670nm±15nm。
LED陣列之光譜中的擴展△λ自兩個隨機的(亦即，任意的)物理機制產生。首先，在LED之製造中，用於頻帶間隙工程設計之材料的頻帶間隙及缺陷、錯位及非意欲之雜質的存在之一致性影響自每一個別LED發出的光波長。第二，陣列中的所有LED之中心值總體展現統計分佈，即使每一LED僅發射具有單一波長的光。由於此等兩個任意效應具有實體上獨立之起源，因此統計標準差σλ以積分形式增加，亦即，其中σλ=SQRT[σ1 2+σ2 2]且其中σ1與σ2表示個別LED內及LED之集合中的標準差。LED陣列之總光譜寬度±△λ可在統計上近似三倍標準差分佈，使得±△λ=±3σλ。
光激發具有能帶109之分子導致包含例示性轉變113、114及115的能量轉變165b之集合，能帶109排他性地具有來自發光二極體陣列LED1之波長140。應注意，並非每一能態皆穩定。舉例而言，能態E1可在溫度、濕度、pH值等某些環境條件下不穩定。立即或在一段持續時間之後將分子激發至彼狀態導致該分子崩潰回至(箭頭115)其基態E0。可自此分析中進行兩個重要觀察：首先，自LED陣列發出的光譜帶調用若干(而非一個)分子反應及能量轉變；及第二，發光二極體陣列LED1因其長波長不能夠將分子光激發至高於E4之任何位能。
以類似方式，具有較短波長150之發光二極體陣列LED2光激發若干反應，包含由箭頭123、124、122、125、126及127表示之反應。雖然此等反應及狀態改變重疊一些能量轉變165b，但傾向於涉及比自包括較長波長LED1發光二極體之陣列光激發的反應高的能階。舉例而言，發光二極體陣列LED2調用高達能階E7之轉變，而發光二極體陣列LED1導致從未超過能階E4之轉變。諸如E5之一些能階可事實上不穩定，其中對於受影響之分子，至此等狀態之轉變崩潰回至基態E0。
具有最短波長160且因此最高光子能量的發光二極體陣列LED3調用最高能量轉變161、162、163，直至能階E10，遠遠超出由來自發光二極體陣列LED2或LED1之光激發所誘發的反應及能量轉變。自發光二極體陣列LED3光激發的最高能量狀態(確切而言，E10)低於觸發不利或嚴重分子不穩定性的能階E11或E12。
圖9C說明極窄頻寬光激發165之影響。在此狀況下，衝擊EMR具有適當頻寬λ3±δλ3，其中δλ3粗略地為比△λ3窄的數量級，亦即，其中δλ3<<△λ3。舉例而言，窄頻寬照明之一實例為λ3±δλ3=670nm±1.5nm，而非λ3±△λ3=670nm±15nm。此窄頻寬通常自雷射發出，而非自LED發出。即使中心波長為與發光二極體陣列LED3相同的值λ3，但使用窄頻寬雷射得到的反應及轉變165a遠遠少於自使用發光二極體陣列LED3產生的反應及轉變。此處展示僅包括轉變166及167的過少反應可負面地影響光生物調變(依賴於過多催化及生物化學交互作用之反應)之量值。在光電治療中，涉及窄頻寬EMR之治療調用最小光生物調變，其面臨治療效益相比較廣光譜LED之治療效益減少的問題。
儘管窄光譜光激發在刺激細胞修復上比較廣光譜展現低的功效，但此等協定有望目標針對且破壞特定非吾人所樂見之細胞、有機體或感染宿主的病原體。細胞破壞之選擇性靶向(而非細胞及組織修復)為超出本發明範疇之主題。
雖然過窄頻寬光激發可在刺激治療效益方面無效，但過廣頻寬光激發亦可為無效且甚至有害的。圖9D說明由具有兩個頻寬之發光二極體陣列進行的同時光激發可產生不良結果所藉之一機制。如先前所描述，由具有光譜帶150及波長λ2±△λ2之發光二極體陣列LED2光激發的具有能帶109之分子的集合刺激多種轉變123、124、125、126、127及其他，在本文中共稱為「有益」或治療轉變。然而，若與 正在照射之發光二極體陣列LED2同時，相同分子由具有光譜帶160及波長λ3±△λ3之發光二極體陣列LED3光激發，則結果可包含在單獨且不同時使用發光二極體陣列LED2或LED3時不存在的轉變。
自來自發光二極體陣列LED2及LED3兩者之同時照射及光激發發生的此等預期之外且不良轉變165c包含將轉變刺激至不穩定且甚至不利的狀態，如由轉變139舉例說明。不利能態E11及E12之形成又可取決於導致生物化學有益之分子的損壞或破壞之周圍條件。導致不良轉變165c的機制包含：光波干擾，其在細胞及組織中之能量分佈中產生空間相依之峰及谷；兩階轉變，其中光譜帶150將分子光激發至能帶E4或E6，且光譜帶160進一步將分子光激發至不利能帶E11及E12；催化效應，其更可能產生能量上不宜之反應，等等。
術語「不利的(hostile)」狀態並非意謂著暗示所得分子對細胞有毒、突變或致癌，而是轉變阻礙將另外藉由自光電治療處理刺激的光生物調變形成之有益分子之形成或活化。結果主要為來自治療上顯現為減小功效之光激發的益處之減少。此減小之功效在本文中被稱作分子「生物干擾」。機械上，來自不良轉變165c之生物干擾表示：有益分子之斷開或生物化學去活化、有益分子之形成的損害、損害有益分子之形成或活性的催化劑之形成、改變不利地影響有益分子之化學反應的周圍pH值的分子之形成及轉移以其他方式涉及於有益分子之形成中的衝擊能量之任何機構。
不同波長之LED之陣列的同時應用可能避免顯著生物干擾的一可能情境在光譜「摻合」中。在光譜摻合中，包括兩個LED類型且具有不同光譜帶的發光二極體陣列同時照射，但其中一LED陣列經調光至為另一者之小部分的功率位準(亮度)。舉例而言，若包括具有光譜帶λ2±△λ2之LED2的LED陣列經供電處於全亮(在工作因數D2=100%下)，且包括具有光譜帶λ3±△λ3之LED3的第二LED陣列經供電至為 LED2陣列之亮度的十分之一(亦即，其中工作因數D3=10%)之亮度，則顯著生物干擾之統計可能性最小，此係因為僅有一小部分光子正好能夠調用不良轉變。現今不存在摻合提供任何光生物調變益處之證據，但可想像，少量「不利」催化劑可在有限濃度下提供抑制其他更不利分子之形成的益處。本質上之一類比實例為，曝露至正常環境水平之電離輻射的有機體常比完全隔離所有電離輻射之有機體健壯，部分係因為輻射抑制了外來侵入物且殺死了較弱細胞，因此較強細胞群體可活躍。
考慮所有前述機構，光譜頻寬對光生物調變之行為及重要性及其對光激發之療效的影響概述於圖9E中，其包括橫座標量測相對光譜頻寬(λmax-λmin)且縱座標表示相對療效(亦即，有益光生物調變之程度的量測)之曲線圖。該曲線圖係在衝擊頻率可由靶向細胞吸收且EMR並未由存在於靶向細胞與光源之間的任何介入組織阻擋或吸收的假設上進行預測。
另外，區B說明使用相對廣光譜頻寬EMR(例如，數十奈米之範圍中)的組織之照射，其中光激發導致多樣生物化學反應及高療效161b。可分別使用具有對應的光譜帶140、150或160之發光二極體陣列LED1、LED2或LED3而不同時組合來獨立地達成此條件。表示自廣譜頻寬EMR之照射的區C(例如，比區B廣的數量級)歸因於自過廣光譜光激發產生的生物干擾而展現減小之療效161c。此條件可自LED2及LED3之同時照明(亦即，光譜帶150及160同時存在)引起，或自加熱燈、日光燈及未濾波陽光之寬光譜光引起。
區A說明使用極窄光譜頻寬EMR(例如，在數奈米或更小之範圍中)的組織之照明產生極少且極特定之生物化學反應，該等反應過於受限，而不能調用實質光生物調變或顯著治療結果。此條件對於雷射光之照射(按其本質，調諧至窄頻寬的EMR)係典型的。由於高度特定 反應，其刺激細胞修復之相對療效161a因此減小，但可仍好於使用過廣光譜頻寬光。實際而言，相比由LED照射之面積，雷射光亦面臨小光點大小。亦即，窄頻寬光激發雖然處於較高功率位準，但可用以調用細胞、細胞器或生物化學分子之靶向破壞。
雖然本文中描述的光譜頻寬對光生物調變之影響的現象描述係自固體能帶理論外推而得，但療效對光譜頻寬之所得曲線與吾人自身的經驗資料、量測及觀察一致。該結果亦與由NASA執行之早期研究一致，其中發現陽光及來自白熾燈之廣光譜比來自紅外線雷射之窄光譜光在刺激癒合時效率低。
雖然現今光電治療功效係藉由對治療之組織之視覺檢查且藉由患者訪談而進行量測，但在未來，至少在紅外線光譜中，可想像，使用與用於光激發組織或細胞相同的紅外光在光生物調變期間即時成像(亦即，「看見」)分子交互作用可為可能的。
此章節之結論為：一般而言，LED比雷射展現更好地適於光生物調變及適於光電治療的波長之光譜，但若需要，應依序而非同時使用各種光譜LED，以避免不利地限制光電治療功效的生物干擾。常識亦規定，任何特定器官、組織、細胞或細胞器之光生物調變要求任何介入組織(例如，血液、水、脂肪)不阻擋或吸收正應用之EMR的大部分波長，且需要用於不同器官及組織之光激發的各種波長之組合。
因此，經適當設計以用於最大化醫學光電治療之功效的裝置必須使用覆蓋相對大區域之光源陣列按多種序列遞送複數個光波長。理想地，此等序列及LED設定應可調整且可程式化，以促進使用者靈活性的最大化，此對於俘獲臨床醫生及主治醫師之學問且使其永久化而言特別重要。雖然主要功能應包括依序應用不同波長LED，但若後來發現特別有益的治療，該裝置應仍可調適以包含同時LED照射(摻合)及甚至雷射治療。
動態LED驅動器操作
醫學光電治療裝置應包括許多元件，包含含有具有不同波長的多個經個別控制之LED串的一可撓性無菌板、一控制器及LED驅動器電路，該LED驅動器電路具有能夠可程式波形合成及可調整定序之可撓性介面、動態電源供應器及視情況一電池組電源。需要醫學光電治療裝置中之電子控制的變數包含
˙對每一LED串中之電流的獨立控制
˙使用PWM調光對每一LED串之亮度的獨立控制
˙對每一LED串之切換頻率的獨立控制
˙對LED串之相控接通的獨立控制
˙以最小功率損耗維持必需的LED電流之經動態調整之電壓調節器
˙LED串之可撓性定序
˙藉由回應選項之選擇，對LED故障之偵測
對LED串之獨立控制可使用專用硬體及定製積體電路實現，或藉由使用介面連接至可程式微控制器的經匯流排控制之驅動器IC實現。後一選擇之優點在於，微控制器提供在實施特定LED控制演算法時的使用者靈活性，同時一開始經開發用於HDTV背光(如本發明中較早所描述)的經匯流排控制之LED驅動器IC現以合理價格市售。不管硬體平台如何，用於醫學光電治療的LED驅動系統必須支援波形合成之演算法控制，以便向醫師提供其在治療策略及協定方面的選擇。
圖10A說明用於光電治療之一依序波形合成演算法的一實例。如所示，在演算法170中，與用於最大化光生物調變及光電治療功效的先前論述一致，每次僅僅照射一波長LED陣列。在此實例中，將許多操作條件預先設定為固定條件，包含藉由工作因數D設定(藉由ton及Tsync控制)之LED亮度、藉由相位延遲Φ設定的最小化電源供應器接通 與湧入電流之LED定序、分別藉由Tsync及fθ設定的sync及系統時鐘頻率及藉由ILED設定的LED電流αIref。變數ton、Φ，及ILED之數位表示係針對每一通道儲存於數位暫存器中，且可經由數位匯流排介面匯流排而動態程式化。
在圖10A實例中，序列開始於光激發171a，其中具有包括波長λ2±△λ2之光譜帶150的LED陣列照射達持續時間△ta，繼之以光激發171b，其中具有包括波長λ3±△λ3之光譜帶160的LED陣列照射達持續時間△tb。在光激發171c中，具有包括波長λ2±△λ2之光譜帶150的LED陣列一旦再次照射，則此次達持續時間△tc。在持續時間△td之時間延遲171d之後，具有包括波長λ1±△λ1之光譜帶140的LED陣列照射171e達持續時間△te，此作為依序波形合成演算法170之最終步驟。
如由箭頭174指示，在整個序列完成之後，可按程式化重複任何次數。在第一序列期間，或在每一重複期間，或在僅僅一些重複期間，可繞過，亦即，跳過(箭頭173)光激發171c。替代地，在一些循環、所有循環或無一循環期間，具有包括波長λ3±δλ3之窄光譜帶165的雷射光激發171f於光激發171b與171c之間照射達持續時間△tf。甚至具有相同的中心波長λ3，窄光譜帶165(例如，自雷射陣列發出)表示比藉由LED陣列產生之光譜帶160緊的光譜分佈，亦即，數學上表示為δλ3<<△λ3。在波形合成演算法170中，任何持續時間△ta、△tb、△tc、△td、△te或△tf可經動態調整至任何值，包含零。
圖10B說明自波形合成演算法170之主要序列產生的輸出及用於其建構中之各種元件。波形合成(在此狀況下為方形脈衝)係針對包括各種波長LED(亦即λ1、λ2，及λ3之LED串)使用分開的可程式計數器執行，其中每一相異數位計數器計數來自時鐘θ之時鐘脈衝。時鐘θ之時序圖180說明每一週期Tθ之數位時鐘脈衝的連續串。雖然實例出於簡單起見說明在幾個時鐘脈衝上持續的時間間隔△t，但實務上，△t間隔 可能持續幾分鐘至數十分鐘，且可包含以經程式化控制之合成頻率fsynth合成的重複型樣之波形。本發明中稍後描述用於波形合成之程序。
時鐘θ可用以產生第二較慢時鐘，其稱為Sync信號(未圖示)，或代替地，時鐘θ及Sync脈衝兩者可產生自一共同的數位振盪器及相關聯定時器。在一替代性實施例中，時鐘θ及Sync脈衝可產生自以不同頻率操作之不同振盪器，但使用鎖相迴路(PLL)電路(熟習此項數位時鐘邏輯技術者所熟知的方法)同步。
如時序圖181中所示，用於觸發接通及斷開具有波長λ1之LED串的計數器計數持續達持續時間△ta的一系列脈衝(例如，如所示之9個脈衝)，在照射λ2 LED串時保持λ1 LED串斷開。此後立即斷開λ2 LED串且接通λ1 LED串，從而使LED板發射由正弦波184b照射達持續時間△tb的λ1 EMR(例如，如所示之4個脈衝)。λ1 LED通道在所示剩餘持續時間(△tc+△td+△te)內保持斷開。
出於澄清之目的，時序圖181(連同時序圖182及183)實際上描繪三個分開曲線之重疊。將圖181擴展至其在圖10C中之三個組分，波形185描繪數位「啟用」信號，其具有展示為數位「0」或0V之恆定電壓的非工作狀態，及藉由數位「1」或具有電壓Vdriver之高邏輯信號描繪的工作狀態。單獨地說明，數位波形顯得為一或多個方形波脈衝。相同形狀波形186亦表示任何導電LED串中的電流傳導波形，其在LED串斷開時具有0mA之值，且在LED串接通且導電時具有電流αIref。說明在LED接通、導電且經照射時之正弦波的EMR輸出184描繪自所照射的特定波長λ之LED發出的EMR及在其不工作時展示無EMR發射的平坦線。
出於方便起見(且出於簡潔起見)，三條曲線在圖10B中所示且遍及本發明之波形中疊加。應澄清，在經疊加之波形表示181中，EMR 輸出184表示光功率，而非電信號，而用於通道啟用之分量波形185及用於ILED電流之分量波形186純粹為電信號。此等電波形中不存在正弦波(不同於非意欲之雜訊)。
此外，光信號與電信號之間由於其頻率範圍而不存在不明確性。LED之EMR輸出具有在數百百萬赫至數百兆赫之範圍中的電磁頻率ν EM ，而合成激發型樣之頻率fsynth通常在可聞聲譜中，亦即，低於20kHz，且理論上不能超過時鐘θ之頻率，該頻率為至多在百萬赫範圍中、比EMR 184低的五至八個數量級的頻率。對於完整性，應清楚，在此等及後續波形時序圖中，正弦波184之時間刻度並非為與較低頻率數位波形之時間刻度相同的刻度。
返回至圖10B之時序圖，用於如時序圖182中所示的觸發接通及斷開波長λ2±△λ2之LED串的計數器在一脈衝之後接通，從而照射λ2±△λ2 LED串及板。此等串保持接通達持續時間△ta，而λ2±△λ2通道計數器計數一系列9個時鐘脈衝，在此之後，斷開λ2±△λ2 LED串，從而導致藉由正弦波184a說明之EMR。同步至被斷開之λ2±△λ2 LED串，λ3±△λ3 LED串經接通且照射。在包括4個時鐘脈衝之△tb的持續時間之後，λ3±△λ3 LED串斷開，且λ2±△λ2 LED串接通，從而使LED板在持續時間△tc(例如，3個時鐘脈衝)內再次發射如藉由正弦波184c說明之λ2±△λ2 EMR。此後，λ2±△λ2 LED通道斷開，且在所示之剩餘持續時間(△td+△te)內保持斷開。
同時，用於如時序圖183中所示的觸發接通及斷開波長λ1±△λ1之LED串的計數器在持續時間(△ta+△tb+△tc+△td)或22個時鐘脈衝內保持斷開。此後，λ1±△λ1 LED串接通，且LED板在持續時間△te或4個時鐘脈衝內發射λ1±△λ1 EMR 184e，此後，λ1±△λ1 LED串亦斷開。因為在持續時間△td期間(亦即，在介於16與22個時鐘脈衝之間的間隔上)無LED串在工作中，所以間隔△td顯得為4脈衝延遲。
所示之時序圖說明來自圖10A之依序波形合成演算法170的基於時鐘邏輯計數器之實施，從而導致光輸出184包括LED板之序列照射，該照射由λ2±△λ2 LED串在持續時間△ta內、由λ3±△λ3 LED串在持續時間△tb內、由λ2±△λ2 LED串再次在持續時間△tc(其中無LED經照射的持續時間△td之延遲)內且最後由λ1±△λ1 LED串在持續時間△te內進行。
如上文所提到，依序操作之重要性不應排除同時混合一種以上波長LED的可能性。作為依序波形合成演算法170之修改，圖10D中所示的依序並行波形合成演算法177之一實例開始於持續時間△ta內的單一波長光激發171a，其包括波長λ2±△λ2之光譜150。此步驟繼之以兩個波長LED的同時照射，包括：持續時間△tb內的光激發171b，其包括波長λ3±△λ3之光譜160；且同時，持續時間△tg內的光激發171g，其包括波長λ1±△λ1之光譜140。出於本發明揭示之目的，同時應用具有一個以上波長之光在本文中被稱作「摻合」。每一LED之亮度可相等或不同(一者比另一者更亮)，從而允許顯現摻合之範圍。光激發171b與171g之持續時間無需相同，亦即，使得△tb≠△tg。在此等狀況下，在演算法177中，光激發171c直至兩個持續時間中之較長者(△tb或△tg)完成方開始。接著，用包括波長λ2±△λ2之光譜150的在持續時間△tc內之單一波長光激發171c完成演算法177。如由箭頭174所指示，只要需要，便可重複該序列。
波形合成演算法170及177並不意謂著表示使用多個波長LED及雷射之光電治療中可能的所有依序及依序並行之序列的詳盡描述，而僅僅藉由實例說明許多可能序列及此等序列中的操作要素。在實例中，LED光譜140、150及160經說明具有單調減小之波長(且對應地增大頻率)，藉以λ1>λ2>λ3，但演算法並不意謂著暗示應排除其他組合，例如，其中λ2>λ1>λ3。同樣，演算法170中的雷射光譜165展示為展現 與LED光譜160相同的中心值波長λ3，但可不更改本發明之意義或意圖的情況下替代地使用諸如λ1或甚至完全不同之波長λx的其他波長。
除了需要實現依序多波長光電治療協定之演算法之外，亦需要硬體平台或光電治療裝置，從而促進LED控制及波形產生、LED陣列及板及經調節之電壓供應，以為LED及其驅動器提供電力。能夠實施用於光生物調變及醫學光電治療之此LED控制的一裝置表示於圖11中，其中將多通道LED驅動器207與可程式微控制器209、動態切換模式電源供應器(SMPS)208、圖形介面211及鍵盤212組合的LED驅動及控制裝置206驅動包括LED串205a至205n之陣列，該等LED串嵌入用EMR 203(在此實例中為紅光或近紅外光)照射患者201之組織202的無菌LED板204內，且其中醫生或臨床醫生199視情況管理治療期，同時在治療之前、治療之後及(若需要)治療期間於顯示器198上監視患者之病情。LED串205a至205n中之每一者含有一群串聯連接之LED。在一實施例中，LED串205a至205n中之每一者含有相等數目「m」個LED。
在LED驅動及控制裝置206中心，微控制器209含有在本文中稱為「型樣庫」210a之多種LED設定及治療演算法，其內部儲存有其嵌入式非揮發性記憶體。實務上，程式化及LED設定可永久地儲存於遮罩ROM、EPROM、E2PROM中，或替代地，可自硬碟機(HDD)下載且臨時儲存於SRAM或DRAM中。程式化及/或LED設定亦可經由乙太網而在網際網路上或經由WiFi、藍芽、3G、4G/LTE或其他無線協定而以無線方式經由USB、Firewire或Thunderbolt或任何其他專屬連接器載入。
微控制器209經由實施於其數位匯流排埠210b中的數位匯流排213(例如，使用串列周邊介面(SPI)協定)而介面連接至通道驅動器207a至207n。在其「n」個通道中之每一者內，LED驅動器IC 207含 有高電壓電流槽MOSFET 216、電流感測回饋(CSFB)電路217及由微控制器209經由控制及介面214管理之精確閘偏壓及控制電路215。微控制器209亦產生經由線223a及223b傳輸的基於時間之參考時鐘Sync與Clk θ，以促進通道驅動器207a至207n內的波形產生。CSFB電路217將回饋與控制信號遞送至SMPS 208，從而取決於LED操作電流及必要電壓而動態地調整+VLED。
圖12中更詳細說明用於光電治療LED驅動與控制206的系統之一可能實施，其包括控制部分207z及包括分別驅動LED串205a至205n之通道驅動器207a至207n的通道a至n，其中LED串205a至205n可包括不同類型之LED，該等LED具有不同建構、不同正向電壓、變化之電流需求，且發出不同EMR波長λ1、λ2、λ3、λ4等。LED驅動器207a至207n形成於LED驅動器IC 207(圖11)上，且通道驅動器207a至207n中之每一者及其相關聯LED串表示一通道。系統中或給定驅動器IC內的通道之數目「n」可自1變化至64，其中每驅動器IC有8至16個通道係較佳的，以在減少每IC之接腳計數的同時最小化組件數目。光電治療裝置亦可每系統利用一個以上驅動器IC。關於LED驅動及控制電路之另外資訊揭示於美國公開申請案第2013/0082614 A1號、第2013/0099681 A1號及第2013/0147370 A1號中，該等申請案中之每一者申請於2012年1月9日，且該等申請案中之每一者被以引用的方式全部併入本文中。
為避免LED板上之亮度的不均一或不規則均勻性，在一較佳實施例中，LED串205a至205n中之任一給定者中的所有「m」個LED包括經選擇或分類用於在相同電流下具有類似亮度的相同類型及波長LED。對於在同一板上具有變化類型之LED的多串LED板，在一較佳實施例中，具有任一給定類型及波長LED的串應以某一規則週期性方式在n通道上一致地變化。舉例而言，在包括具有集中圍繞λ1、λ2及λ3 之波長光譜之LED的一板中，通道1、4、7、10、13及16(或代替地，a、d、g、j、m及p)包括λ1類型LED串，通道2、5、8、11及14(或代替地，b、e、h、k及n)包括λ2類型LED串，且通道3、6、9、12及15(或代替地，c、f、i、l及o)包括λ3類型LED串。在四波長板中，LED驅動系統可按重複序列λ1、λ2、λ3、λ4、λ1、λ2、λ3、λ4、λ1及……來配置。
按照規則間隔重複LED序列的重要性為，提供板上任何給定波長LED之最均勻光分佈，而不會使至LED驅動器IC之互連線複雜化。若將所有相似類型LED歸群在一起，例如，針對λ1波長LED之通道1至4、針對λ2波長LED之通道5至8等，則驅動器IC 207至LED串205a至205n之互連將會需要許多跨接線或昂貴的多層PCB以將LED驅動器IC連接至LED。
對比HDTV背光中LED之控制及驅動與LED光電治療中之LED驅動之間的一些顯著差異，微控制器在HDTV背光系統中的作用為充當解譯器--在處理視訊影像資訊之視訊純量IC與顯示器之背光控制器之間的數位連絡者。在視訊顯示器中，知識、專屬演算法及相關聯之智慧財產駐於圖形及視訊IC中，並非位於微控制器中。事實上，此等高度整合之電路的產品地圖最終完全消除HDTV中之微控制器。
然而，在所揭示之光電治療裝置中，在較佳實施例中，用於合成用於驅動不同類型之LED陣列的波形及頻率之系統中的型樣、演算法、序列及知識並非包括在定製積體電路中，而包含於微控制器或可易於程式化之邏輯器件內。此外，程式化且再程式化控制器之能力為在快速演進領域中維持靈活性的關鍵。藉由專用及定製積體電路及解決方案，此靈活性係不可能的。舉例而言，在圖12之光電治療系統中，微控制器209於其型樣庫210內含有由LED驅動器IC 207執行之波形合成演算法。使用高速數位匯流排，在實例中經由串列周邊介面 (SPI)匯流排213，將由微控制器209產生之此波形資訊自其內部匯流排介面210b轉送至一或多個LED驅動器IC。雖然可使用其他數位介面，但SPI匯流排已變成LCD及HDTV背光系統中的行業標準及用於大型顯示器中(並非用於手持型電子器件中的小型顯示器)之LED驅動器IC的普通介面。
使用SPI協定，每一LED驅動器IC具有其自身唯一的晶片ID碼。SPI匯流排213上的自微控制器209廣播之所有資料封包包含在資料流之標頭中的此唯一晶片ID作為位址類型--用以將資料引導至一個且唯一一個LED驅動器IC(亦即，目標LED驅動器IC)的位址。即使所有驅動器IC接收同一資料廣播，僅匹配一特定晶片ID之資料亦將由對應的目標LED驅動器IC處理。晶片ID通常經針對IC上具有一或兩個接腳之每一LED驅動器IC硬體程式化。使用每一接腳可接地、與Vlogic連繫、留空或經由電阻器接地的四狀態輸入，多狀態類比比較器解譯類比位準且輸出2位元數位程式碼。使用兩個接腳，4位元二進位字(亦即，二進位半位元組)唯一地識別42或16個晶片ID中之一者。每當在SPI匯流排213上接收到資料廣播時，匹配任何特定LED驅動之晶片ID，亦即，特定IC被「選擇」，意謂著特定LED驅動器IC回應廣播指令及設定。忽略其資料標頭不匹配一特定LED驅動器IC之晶片ID的資料廣播。總之，包括一組「n」個通道驅動器之每一LED驅動器207大體實現為單一積體電路，其中其自身唯一的「晶片ID」用以將來自微控制器209之指令直接引導至彼特定IC，且引導至包含於其內之通道驅動器。來自微控制器209之相同通信被在積體電路中製造而無匹配晶片ID的所有其他LED驅動器忽略。
在選定LED驅動器IC之控制部分207z內，SPI介面220自SPI匯流排213接收指令，接著解譯此資訊且使用內部數位匯流排222將其分佈至解碼器221a至221n，該內部數位匯流排222在驅動條件(包含逐個通 道時序及LED偏壓)下指導個別通道驅動器。對於使用最小數目之互連件的高速資料傳輸，內部數位匯流排222包括串行與並行通信之一些組合。由於匯流排專用於LED驅動器，因此此匯流排可遵守其自身定義之標準，且不必遵從任何預建立之協定。
來自數位匯流排222之此數位資訊一旦由解碼器221a至221n解碼，接下來便傳遞至存在於通道a至n中每一者內之通道驅動器中的數位資料暫存器。出於識別之清晰性，給定通道及其通道驅動器內之各別元件將利用與通道相同的字母指定符，例如，CSFB電路217在通道a中標註為217a，且若展示，則在通道b中標註為217b，而計數器227在通道a中標註為227a，且若展示，則在通道b中標註為227b。此等暫存器可藉由熟習此項技術者已知的S型或D型正反器、靜態鎖存電路或SRAM單元來實現。
在所展示之特定驅動器IC中，每一通道之解碼資料包含分別儲存於ton暫存器224a至224n、Φ暫存器225a至225n及ILED暫存器226a至226n中的定義通道之接通時間ton的一12位元字、定義相位延遲Φ之一12位元字及定義LED電流之一8位元字。舉例而言，包括用於通道a之ton、Φ及ILED資料的解碼器221a之經解碼輸出分別載入至暫存器224a、225a及226a內。
LED之接通時間ton連同時鐘信號Clk θ與Sync組合以經由其對應PWM工作因數D設定LED之亮度，且在波形合成中設定光激發之合成型樣的頻率fsynth。類似地，包括用於通道b之ton、Φ及ILED資料的解碼器221b之解碼輸出分別載入至暫存器224b、225b及226b中，且包括用於通道n之ton、Φ及ILED資料的解碼器221n之解碼輸出分別載入至暫存器224n、225n及225n中。
此等資料暫存器可僅在預定義之時間(例如，每當Sync脈衝出現時)作為時控鎖存載入資料操作，或可即時地連續改變。將資料載入 及執行與時鐘同步在本文中被稱為「同步」或「鎖存」操作，而操作鎖存器及計數器(其中可在任何時間動態改變資料)被稱作「非同步」或「非鎖存」操作。鎖存操作限制最大操作頻率，但相比非同步操作展現大的雜訊抗擾性。在本發明揭示中，藉由標註為LED驅動器IC 207的整合至IC中之通道驅動器207a至207n在微控制器209之控制下執行的波形合成可藉由以下任一方法實現--使用鎖存或非同步方法。然而，在顯示器應用中，由於LCD影像對雜訊的嚴重敏感性，僅使用鎖存操作。
在非鎖存或非同步操作中，經由SPI匯流排213接收之資料經解碼且立即載入至ton、Φ及ILED暫存器224a至224n、225a至225n及226a至226n中。取決於LED驅動器IC之實施，此後可出現兩種可能的情境。在第一狀況下，在計數器227a至227n中之任一給定者中執行的計數允許為其完整操作，接著新資料被載入至計數器，且開始新計數。
藉由實例，在非鎖存操作中，最新自解碼器221a載入至ton、Φ及ILED暫存器224a、225a及226a內的資料將等待，直至計數器227a中之計數完成。在計數完成後，用於暫存器224a與225a中之ton及Φ的經更新資料被載入至計數器227a中，且同時暫存器226a中之經更新ILED資料被載入至D/A轉換器228a中，從而改變精確閘驅動電路215a上的偏壓條件。在載入資料之後，計數器227a立即開始計數Clk θ線223b上的脈衝，首先藉由斷開LED串205a(若其接通)，接著在將精確閘偏壓及控制電路215a及MOSFET 216a接觸接通回之前計數資料暫存器225a中的Φ脈衝之數目。在接通回LED串205a之後，計數器227a接著在再次關斷LED串205a之前，計數Clk θ線223b上的自暫存器224a載入之ton計數數目。接著，計數器227a等待另一指令。
在第二替代方案中，非鎖存或非同步操作表現得正與先前描述之非鎖存操作相同，惟以下情況除外：每當經由SPI匯流排213上之廣 播接收指令時，鎖存立即經重寫且同時重新開始。除縮短暫存器資料重寫時的正在進行之計數循環之外，操作序列相同。無論使用哪種非同步方法，皆花時間逐一針對每一個通道廣播、解碼，且開始操作。在顯示器應用中，LCD面板之第一個與最後一個通道之間的寫入新資料(及改變LED串之操作條件)之延遲可導致閃爍及抖動。因而，非同步操作並非LCD背光中的可行選項。然而，在可維持固定條件達數分鐘的LED光電治療中，非鎖存操作為尤其用於產生較高頻率LED激發型樣(亦即，較高fsynth值)的可行選項。
不同於資料連續更新的非同步操作，在鎖存或同步操作中，僅僅在同步至固定時間或規定事件的預定情況下更新LED操作條件。在圖12中所示之電路的鎖存操作中，每當Sync脈衝出現在線223a上時，最近載入至ton暫存器224a及Φ暫存器225a中的資料被載入至計數器227a中。接著，計數器227a在觸發接通精確閘偏壓及控制電路215a之前開始計數Clk θ線223b上的相位延遲脈衝之數目。在完成計數之後，計數器觸發接通精確閘偏壓及控制電路215a，向電流槽MOSFET 216a之閘極施加偏壓以傳導規定量之電流ILEDa，藉此將LED 205a照射至所要的亮度等級。隨後，計數器227a計數自ton暫存器224a載入之Clk θ脈衝的數目，直至計數完成，且觸發接通切換精確閘偏壓及控制電路215a，以關斷電流MOSFET 216a且終止照明。在此點，取決於LED驅動器IC設計，LED 205a可在Tsync週期之剩餘期內保持斷開，亦即，直至下一Sync脈衝出現在線223a上，或替代地，在載入至工作因數暫存器224a的值處重複地觸發接通及斷開，直至下一Sync脈衝出現在線223a上。
在同一Tsync脈衝上，最近載入至ton暫存器224b及Φ暫存器225b內之資料被載入至計數器227b。在觸發接通精確閘偏壓及控制電路215b，向電流槽MOSFET 216b之閘極施加偏壓以傳導規定量之電流 ILEDb，藉此將LED 205b照射至所要的亮度等級之前，計數器227b計數出現在Clk θ線223b上的相位延遲脈衝Φ之所儲存數目。隨後，計數器217b計數自ton暫存器224b載入之Clk θ脈衝的數目，直至計數完成，且接著觸發精確閘偏壓及控制電路215b，以關斷電流MOSFET 216b且終止照射。在此點，取決於LED驅動器IC之設計，LED串205b可在Tsync週期之剩餘時間內保持斷開，亦即，直至下一Sync脈衝出現，或替代地，在載入至工作因數暫存器224b的值處重複地觸發接通及斷開，直至下一Sync脈衝出現。針對LED驅動器IC之所有n個通道發生類似過程。
在鎖存系統中，Sync脈衝用於若干目的。首先，Sync脈衝為將資料自ton及Φ暫存器224a至224n及225a至225n載入至可程式數位計數器227a至227n中之對應者中之指令。第二，其為重設計數器且開始計數之指令，其中，首先經過相位延遲Φ之一時間段，接著針對載入至對應的ton暫存器224a至224n之時鐘計數之數目而接通LED串。第三，其為將ILED暫存器226a至226n中之值載入至對應的D/A轉換器228a至228n內從而每當經觸發接通時便精確地設定用於彼特定通道的傳導電流之類比值之指令。最後，其防止雜訊覆寫資料暫存器中流中的使計數雜亂之資料。
亦在鎖存操作中藉由Sync脈衝觸發，載入至ILED暫存器225a內的位元資料同時由D/A轉換器228a解譯，以設定饋電精確閘偏壓及控制電路215a之參考電流αIref。每當觸發接通且傳導特定通道時，此參考電流設定在MOSFET 216a中及在LED串205a中流動之LED電流ILED1的類比量值。當計數器227a觸發斷開特定207a通道時，其對MOSFET之電流無影響。針對所有n個通道(亦即，通道驅動器207a至207n)同時發生相同過程。
任一給定通道驅動器中的參考電流αIref之值係以兩種方式進行設 定。首先，存在於通道驅動器207a至207n中之單一精確修正電壓參考Vref連同精確電阻器Rset(未圖示)設定Iref值。電阻器Rset可經整合，其限制性條件為其於製造期間針對絕對準確度進行修正，或可包括一外部連接至含有LED驅動器207a至207n之IC的離散精確電阻器。此單一參考電流接著鏡射至每一通道a至n，且視需要，可進一步針對改良式通道與通道匹配而進行修正。第二，經數位控制之乘數α根據載入至ILED暫存器226a至226n中之對應者中且藉由D/A轉換器228a至228n中之一對應者解譯的8位元字，設定通道a至n中之每一者中的電流。
舉例而言，在通道a中之通道驅動器207a中，儲存於ILED暫存器226a中的8位元字經轉換成256階中針對乘數α之一者，從而允許每當MOSFET 216a接通且正傳導時將MOSFET 216a中及LED串205a中的電流按256階設定在自0%至100%．Iref之任何處，亦即，以每階0.39%遞增。在通道驅動器207b至207n中之每一者中發生相同操作，從而實現經由SPI匯流排213對每一LED串205a至205n中之LED電流的數位控制。
應注意，在LED背光HDTV中，較佳地，使用PWM調光而非藉由改變LED電流的值來改變LED亮度，此係因為白色LED之色溫隨電流變化。此考慮並非所揭示之LED光電治療裝置中的關注問題。事實上，在LED光電治療中，LED電流、PWM亮度控制或兩者之組合可用以設定LED亮度。然而，在本發明之一較佳實施例中，LED亮度亦藉由PWM亮度控制來設定，此並非出於維持LED之色溫的目的，而主要使得LED電流之控制可用於其他目的，特定言之，用於改良安全性及促進板上的更好LED均勻性。本發明中之此等特徵稍後在本揭示內容中進行描述。
智慧且動態地調節LED電壓以確保每一LED串之適當偏壓的能力為所揭示之光電治療裝置的另一重要要素。LED串之正向電壓隨其建 構及其電流兩者而變化。由於具有不同波長之LED需要唯一且不同的建構，因此如圖13之實例中所說明的，其正向電壓不可能彼此匹配。
將Vλ1定義為發射波長λ1之LED串上的平均電壓，將Vλ2定義為發射波長λ2之LED串上的平均電壓，且將Vλ3定義為發射波長λ3之LED串上的平均電壓，且假定製造之自然可變性導致正向電壓針對任一給定波長之LED而圍繞其平均值±△Vf的任意(亦即，高斯)分佈，則用於光電治療中之LED驅動器必須能夠一致地驅動包括集合Vλ1±△Vf、Vλ2±△Vf及Vλ3±△Vf之一群LED電壓。若吾人此外隨意地定義Vλ2>Vλ1>Vλ3，則SMPS必須提供比最高LED串電壓高的電壓+VLED，數學上為+VLED>(Vλ2+△Vfe)>Vλ2>(Vλ3-△Vfe)
由於最高電壓串並非先驗已知，因此LED驅動器IC必須能夠識別最高串電壓，且將LED電源供應器電壓+VLED動態地調整至稍高於彼電壓之一電壓。由於所有LED串共用一共同陽極，因此具有最高正向電壓降Vf之LED串自然地在串中之最後LED的陰極展現最低電壓，亦即，其電流槽MOSFET之汲極上的電壓。CSFB電路217a至217n中之每一者將在其輸入端子處的電壓或通道中之對應的電流槽MOSFET之汲極上的電壓中之較低者傳遞至其輸出端。
如圖13中所說明的，CSFB電路以菊鏈方式連接，亦即，「頭至腳」串聯，其中至CSFB電路217d之輸入來自CSFB電路217e之輸出，至CSFB電路217e之輸入來自CSFB電路217f之輸出等等。鏈(未圖示)中之第一CSFB 217n具有其與電源電壓Vdriver相連的輸入，以免限制+VLED輸出的範圍。菊鏈中之最後一個CSFB電路217a(圖13中未示)將輸入驅動至SMPS 208，從而最終控制電源輸出電壓+VLED。
在圖13中所示之實例中，CSFB電路217g之輸出輸出一電壓(VLED-Vλ2)。CSFB電路217f將此電壓與通道驅動器207f中的MOSFET 216f之汲極電壓比較，即，(VLED-Vλ3)，但由於Vλ2>Vλ3，則(VLED-Vλ3) >(VLED-Vλ2)，因此CSFB電路217f輸出較低電壓，即，(VLED-Vλ2)。在下一個下游通道中，CSFB電路217e將其輸入(VLED-Vλ2)與通道驅動器207e中的MOSFET 216e之汲極電壓比較，即，(VLED-(Vλ2+△Vfe))，但由於(Vλ2+△Vfe)>Vλ2，則相應地(VLED-Vλ2)>(VLED-(Vλ2+△Vfe))，因此CSFB電路217e輸出較低電壓，即，(VLED-(Vλ2+△Vfe))。此過程繼續，直至最後一通道(通道a)中的CSFB電路將一電壓輸出至SMPS 208之負輸入端子。若負回饋電壓降低，則SMPS 208藉由增大其+VLED輸出而回應。由於通道a至n中之CSFB電路217a至217n的菊鏈輸出最低通道電壓(不管CSFB電路的連接次序)，因此+VLED=f(CSFB)將自動調整以供應最小所需電壓，以對最高電壓LED串提供電力，即使LED未在相同電流下運作。
控制傳導哪個通道僅僅為向特定暫存器載入適當資料之問題。存在三種方式斷開LED驅動器IC中之任何給定通道中的電流。第一，一些LED驅動器IC具有經數位控制之觸發暫存器，使得便於獨立於其D值或其電流αIref而接通且斷開通道。第二，待斷開之通道可載入有接通時間ton=0。第三，待施加偏壓而截止之通道將其ILED資料暫存器231設定為α=0。
第三狀況展示於圖14A中，其中僅照射λ2通道207b、207e、207h、207k及207n，其中設定為α>0，例如在50%處。所有其他通道具有ILED=0，且因此α=0。類比參數Iref針對所有通道而施加偏壓至值Vref/R，接通時間ton等於全週期Tsync(亦即，D=100%)，且相位延遲Φ全域設定為零。接著，五個接通通道中之每一者中的電流為αIref。為對λ2 LED陣列提供電力，+VLED輸出電壓Vλ2+ζ，其中ζ為高於確保電流槽電路適當操作所需之Vλ2的附加電壓。除Iref(藉由類比電壓及電阻設定)之外的所有此等參數經由包含於通道解碼器電路內的資料暫存器221a至221p而經程式化。
圖14B說明藉由在暫存器221a至221p中重寫資料，可易於改變正在照射之波長LED。在此狀況下，ILED暫存器資料231改變，使得通道207a、207d、207g、207j、207m及207p設定為值ILED>0(且因此α>0)，例如，在50%處，且其他通道設定為ILED=0(且α=0)。如先前所描述的，類比參數Iref針對所有通道而施加偏壓至值Vref/R，接通時間ton固定於全週期Tsync(其中D=100%)，且相位延遲Φ全域設定為零。接著，六個接通通道中之每一者中的電流為αIref。為向λ1 LED陣列提供電力，+VLED輸出電壓Vλ1+ζ，其中ζ為高於確保電流槽電路正常操作所需之Vλ1的附加電壓。
理想地，為了藉由利用高容量消費型及計算產品中所用之半導體的規模經濟來最小化BOM(構建材料)成本，醫學光電治療裝置中之硬體組件可與經設計用於電腦與HDTV背光之LED驅動器中的硬體組件共用某些組件及IC。亦即，電腦監視器或HDTV螢幕之操作電壓、電流、功率位準、散熱考慮、電路板形狀因數、被動組件選擇及互連件佈線與光電治療裝置中所需完全不同。
此外，在操作中，用於醫學光電治療裝置之功能、韌體及軟體與用於HDTV之功能、韌體及軟體完全不同，且必然解決不同問題。HDTV中的LED電流之PWM控制之目的的一關鍵差異為全域(整個螢幕)或局部(在螢幕之一部分中)地促進亮度控制，且將背光驅動電路之時序與視訊影像之時序同步，以避免頻疊、閃爍、定格動畫(pixilation)、圖像模糊及其他視覺及心理光學效應。相比之下，在光電治療中，LED電流之PWM控制的目的為定序多個LED波長，同時執行波形合成(包含頻率及亮度控制兩者)。
可程式波形合成
如先前所解釋的，用於光電治療中之控制變數與顯示器中使用之控制變數完全不同。在LCD背光應用中，工作因數D僅用以促進在 固定頻率下操作之背光照射中的亮度控制，基本上設定每一Vsync週期LED應照射的百分比。相位延遲用以補償大面積LCD面板上之信號傳播延遲。此外，在顯示器中，Vsync週期係固定的，且因此系統之控管操作頻率係固定的。Vsync脈衝維持在操作期間之整個HDTV系統、視訊影像再新、背光系統內之每一LED驅動器IC及驅動器IC內之每一通道的恆定速率。在LCD顯示器中，僅僅使用某些固定頻率及其整數倍數，例如，60Hz、120Hz、240Hz及可能的480Hz。雖然此等設定頻率可在設置時由使用者選擇，但其在使用期間保持固定。
然而，在用於光電治療之本發明中，變數ton連同時鐘信號Sync及Clk θ在動態變化之頻率下而非在固定頻率下操作，從而一致地操作以針對每一通道執行獨立波形合成，從而設定光激發型樣之頻率fsynth及亮度兩者。
舉例而言，在圖15A中，三個不同頻率LED光激發型樣241、242及243係自產生自微控制器209之單一時鐘180合成，均具有50%的所得經工作因數控制之亮度。如所示，來自時鐘Clk θ之脈衝以週期Tθ重複，例如在9.346kHz及對應的週期Tθ=107μsec下。在經數位合成之波形241中，接通波長為λ之LED陣列達16個時鐘脈衝(藉由程式化接通時間ton=16)，且接著隨後斷開。若使用12位元計數器，則計數器之全計數為4096個時鐘脈衝，其在此時鐘頻率下對應於最大週期Tcntr=4096．0.107msec=438msec，意謂著在無微控制器之介入的情況下，LED陣列將在接通達僅16個脈衝後在另一4080個脈衝內保持斷開。在全計數下，計數器之輸出的所得頻率將為fcntr=2.28Hz。
在時間t=32個脈衝(在LED關斷後僅16個脈衝)，強迫循環進行重複，而非讓時鐘運作至其全計數4096。可以若干方式實現強迫較短週期。在非同步(非鎖存)模式中，暫存器可藉由SPI匯流排在第31個時鐘脈衝之後但在第32個脈衝之前寫入。由於SPI匯流排可在10MHz 下廣播資料，且每一時鐘脈衝持續107μsec，因此有大量時間改變暫存器資料以在第32個脈衝上終止。僅特定通道受影響。
若一個以上通道需要重設且重新開始其對應的計數器，則必須經由SPI匯流排逐一指導每一通道。替代地，在鎖存(同步)模式中，計數可在第31個時鐘脈衝之後但第32個脈衝之前由Sync脈衝重新開始。在第32個脈衝上，序列將在此通道及經施加偏壓至接通狀態(亦即，其中ton>0且ILED>0)的每一其他通道上自然地重新開始其計數。除非ton、Φ及ILED暫存器中之資料在Sync脈衝之前改變，否則先前資料將被載入至計數器中且將重複最後一循環。若載入新資料，則新資料將與Sync脈衝同步地生效。
所得合成之波形為波長λ之LED陣列傳導達16個時鐘脈衝且斷開達16個脈衝的方形波。合成之波形241因此具有32個時鐘脈衝或表示為nTθ=32．0.107msec=3.424msec之週期，具有對應的頻率fsynth1=1/nTθ=292Hz。
因為接通時間與切斷時間相等，亦即，ton=toff，且週期Tsynth=ton+toff，所以合成之工作因數由以下給出D=ton/Tsynth=ton/(ton+toff)=ton/2ton=50%
因此，即使ton暫存器經在其全計數4096下針對12位元計數器程式化達僅16個脈衝(其對應於工作因數D=16/4096=1/256=0.39%)(對應的頻率fcntr=2.28Hz)，但因為計數器在t=32個脈衝處重新開始，所以所得工作因數與頻率高128倍，亦即，50%與292Hz。
應注意，在鎖存操作模式中，Sync脈衝必須出現在等於或高於正在合成之波形之頻率的一頻率下，亦即，Tsync nTθ，或如由頻率關係fsync>fsynth所表達的。若不滿足此準則，則無法及時更新資料暫存器以強迫計數器重新觸發以滿足所指定的合成頻率。
在電方面，合成頻率fsynth1=292Hz緊密對應於聲譜中之中間C上 的音符D，或D0。如先前所描述，諸如心臟、肺、腸、神經及腦之許多器官及組織的自然操作頻率、視覺及聽覺的最大資料速率連同許多分子振動均出現在音訊及次音速頻譜中，大多低於幾千赫，且一些低至一赫。即使合成頻率顯現為一系列重複光脈衝且並非顯現為聲音，衝擊光能量仍被吸收且重新分佈至相同頻率下的分子及組織中，從而導致動力學中之物理回應，及同步至聲譜的位能。因而，使用記譜法將合成之光激發波形以音樂方式描述為音符和絃而非以機械方式描述為傅立葉級數及變換係方便的(即使並不深刻)。
在圖15A之經數位合成之波形242中，接通波長為λ之LED陣列達8個時鐘脈衝(藉由程式化接通時間設定至ton=8)，且接著隨後斷開。若使用12位元計數器，則計數器之全計數為4096個時鐘脈衝，其在此時鐘頻率下對應於最大週期Tcntr=4096．0.107msec=438msec，意謂著在無微控制器之介入的情況下，LED陣列將在接通達僅8個脈衝之後於另一4088個脈衝內保持斷開。
在時間t=16個脈衝(在LED關斷後僅8個脈衝)，強迫循環重複，而非讓時鐘運作至其全計數。如在波形241中，可以若干方式實現強迫較短週期。在非同步(非鎖存)模式中，資料暫存器可由SPI匯流排在第15個時鐘脈衝之後但第16個脈衝之前寫入。由於SPI匯流排可在10MHz下廣播資料，且每一時鐘脈衝維持107μsec，因此有大量時間改變暫存器資料以在第16個脈衝上終止。僅特定通道受影響。
若一個以上通道需要重設且重新開始其對應的計數器，則必須經由SPI匯流排逐一指導每一通道。替代地，在鎖存(同步)模式中，計數可在第15個時鐘脈衝之後但第16個脈衝之前藉由Sync脈衝重新開始。在第16個脈衝上，序列將在此通道及經施加偏壓至接通狀態的每一其他通道(亦即，其中ton>0且ILED>0)上自然地重新開始其計數。除非ton、Φ及ILED暫存器中之資料在Sync脈衝之前改變，否則先前資 料將被載入至計數器中且將重複最後一循環。若載入新資料，則新資料將與Sync脈衝同步地生效。
所得合成之波形為波長λ之LED陣列傳導達8個時鐘脈衝且斷開達8個脈衝之方形波。合成之波形242因此具有16個時鐘脈衝或表示為nTθ=16．0.107msec=1.712msec之週期，具有對應的頻率fsynth2=2/nTθ=584Hz。所得波形具有恰好為ton=toff=16脈衝之先前實例中之頻率的兩倍之一頻率，使得fsynth2=2fsynth1=584Hz。由於fsynth1經合成以在對應於中間C上之音符D或D0的聲譜頻率下震盪，因此雙倍增加後，頻率fsynth2亦在音符「D」下震盪，惟高於中間C一個八音度(亦即，D1)除外。
波形243說明具有為波形241之頻率的四倍或表示為fsynth3=4fsynth1的光激發型樣之合成。因而，接通時間ton設定至4個時鐘脈衝，且計數器重設為8個時鐘脈衝。所得合成之波形為波長λ之LED陣列傳導達4個時鐘脈衝且斷開達4個脈衝之方形波。合成之波形243因此具有8個時鐘脈衝或表示為nTθ=8．0.107msec=0.856msec之週期，其具有對應的頻率fsynth3=4/nTθ=1,168Hz，對應於高於中間C兩個八音度之音符D，或D2。
概述合成之波形，表1說明12位元計數器與9.346kHz時鐘可藉由在適當時間重設可程式計數器而以演算法方式合成寬範圍頻率，亦即，因此Treset Tsynth，其中該重設可經由SPI匯流排非同步地發生，或使用Tsync脈衝同步地發生。藉由外推，fsynth4與fsynth5係藉由將292Hz D0波形合成之週期雙倍且四倍增加而產生，從而導致對應於低於中間C一個八音度之音符D及低於中間C兩個八音度之音符D(亦即，D-1及D-2)的146Hz及73Hz頻率。
以演算法方式合成不同頻率之波形的所揭示之方法可僅僅藉由改變如先前在圖14A與圖14B中所說明的正自控制具有λ2波長之LED的通道驅動至控制具有λ1波長之LED的彼等通道的通道而適宜於圖10A中展示的先前所揭示之光電治療依序波形合成演算法170。在固定亮度及光激發頻率下使用多個波長LED之LED板之所得輸出說明於圖15B之波形245中，其中以50%之PWM亮度及頻率fsynth驅動的在λ2波長下之LED陣列在時間t1改變成以50%之PWM亮度及相同頻率fsynth驅動的在λ1波長下之LED陣列。
在一替代性實施例中，如圖15B之波形246中所說明的，合成頻率及LED波長兩者可均動態改變。在此實例中，以50%之PWM亮度及頻率fsynth1驅動的λ2波長LED陣列在時間t1改變成以50%之PWM亮度但在不同頻率fsynth2下驅動的在λ1波長下之LED陣列。如所說明的，由fsynth1=1/nTθ給出的頻率與由fsynth1=1/mTθ給出的頻率僅因為m≠n而不同，無需時鐘Clk θ之頻率的任何改變。
亦可在不同光激發頻率下同時激發(例如)相同波長之不同LED串，亦即，以同時合成fsynth1與fsynth2(在本文中被稱作「調諧」之方法，亦即，經由波形合成而形成諧波頻率倍數)。舉例而言，一給定治療可發現，若一起使用諸如D0及D1之兩個頻率，則功效得以改良。應提到，將多個合成之光激發頻率混合在一起(「調諧」)不同於先前在圖9E中論述及概述的用不同波長之光同時照射組織(「摻合」)。雖然光激發頻率之多個共合成的概念在即使不平常之情況下仍可顯得明 顯，但當使用LED驅動器IC之硬體時，任務並非直截了當的。
再次參看表1及圖15A，回憶，若使用鎖存模式操作在不同通道上同時合成一系列波形頻率，則將重設脈衝必須等於(或快於)合成頻率之規則應用於最高合成頻率。舉例而言，若一通道合成由波形242展示之584Hz信號fsynth2，則每一通道之計數器有必要在時間t=16、32、48……個脈衝時藉由Tsync重設，從而強迫每一通道重新載入其對應的資料暫存器且重新開始其計數。每16個脈衝後重設計數器(亦即，在584Hz或更快之頻率下)的此要求保持有效得如此之長，使得fsynth2為所產生之最高頻率。若代替地，合成諸如fsynth3=1,168Hz之更高頻率，則Sync脈衝必須在更高頻率下出現，至少與合成頻率一樣快，意謂著在最小1/Tsync>fsynth3中。
每當Sync脈衝出現時，在較低頻率下切換之任一通道必須以維持其目前計數值之方式重新開始，意謂著該通道必須以新的ton及Φ重新開始，以繼續進行其正進行之操作，直至完成其經程式化之週期。特定言之，仍然接通且傳導之任一通道應在接通條件中重新開始，其中載入至計數器之接通時間ton等於意欲之接通時間減去在彼通道接通時已出現的計數之數目。同樣地，已完成其計數、斷開且不傳導之任一通道應在斷開條件中重新開始，其中載入至計數器之相位延遲Φ等於意欲之斷開時間減去在彼通道斷開時已出現的計數之數目。
對於同步模式波形合成實例的此多頻率驅動要求於圖16中進行澄清，其中最高頻率合成之波形243的頻率fsynth3為波形241之頻率fsynth1的四倍，亦即，波形241之週期為nTθ，且其中波形243之較短週期具有週期nTθ/4。如波形180中所示，時鐘Clk θ在此實例中具有固定頻率1/Tθ。若吾人在時鐘Clk θ具有頻率9.346kHz且週期為Tθ=107μs之情況下假定前述值，其中fsynth1=292Hz且其中fsynth3=1,168Hz，則Sync脈衝253必須出現在不慢於1,168Hz之頻率下，亦即，每8個時 鐘脈衝(0.856msec)。由於Sync脈衝在脈衝8、16、24、32……上每隔8個時鐘脈衝出現，因此用於fsynth1波形241之合成的暫存器資料需要隨每一Sync脈衝而更新。
如圖16中所示，在開始時，亦即，在時間t0時，用於波形241之暫存器資料作為ton=16且Φ=0而載入，意謂著LED串立即接通，且除非中斷，否則將在16個脈衝內保持接通。當下一Sync脈衝在時間t1出現時，由於通道意欲接通達16個脈衝且已過了8個脈衝，還剩餘8個，因此不僅有必要更新用於波形243之暫存器資料，亦有必要更新載入有資料ton=8及Φ=0的用於波形241之暫存器資料。實際上，等於或大於8的任何ton值將同等適用(由於無論如何，將在t2強迫通道斷開)，但出於程式化目的，追蹤剩餘傳導時間係方便的，尤其在調用PWM亮度控制且ton≠toff時。在時間t1，維持Φ=0係重要的；否則，受影響通道之LED將在Sync脈衝之時間斷開。
稍後，在時間t2，當下一Sync脈衝出現時，再次更新波形241之暫存器資料，此時斷開通道，具有設定ton=0及Φ=0或16。設定ton=0強迫通道斷開，而不管相位延遲Φ之值。
儘管並非較佳，在一替代性方法中，相位延遲Φ可用以保持通道斷開，例如，設定Φ8使其延遲，以即使在ton>0時亦不會在下一Sync脈衝出現之前接通。八個時鐘脈衝之後，在時間t3，通道必須再次保持斷開，從而確保暫存器資料載入有ton=0。儘管通道亦可藉由設定而Φ8而保持斷開，但在一較佳實施例中，通道係藉由維持ton=0而保持斷開，從而出於另一目的而保留相位延遲特徵，且不專用於執行波形合成。
在所規定之方式中，可甚至在使用同步(亦即，鎖存模式)操作時達成具有顯著不同頻率fsynth1及fsynth3之兩個波形241與243的同時合成。所以，藉由明智選擇接通時間ton、相位延遲Φ及Sync脈衝之強迫 時序的值，同步模式操作可達成任何數目之方形波與高達受LED驅動器IC之最大操作速率限制之頻率的脈控光激發波形的合成。此限制通常由於用於計數脈衝的Clk θ時鐘180之最大速率而出現，且並非因Sync脈衝自身之最大頻率。
舉例而言，在圖12中，LED驅動器IC 207包含使用12位元暫存器及計數器之ton及Φ暫存器。對於在最大解析度下之鎖存操作，不管週期Tsync過了多少時間(以毫秒為單位)，Clk θ應比Sync脈衝速率快4096倍。在於計數器227a至227n之全計數下操作的固定時鐘速率下，儲存於ton暫存器中之數目除以4096的意義真實表示計數器之工作因數Dcntr=ton/Tsync。此工作因數Dcntr定義LED接通時間在每Sync週期的高達4096個增量，且相位延遲Φ定義LED首次接通時任何給定Sync週期中之接通延遲時間的高達4096個增量。
由於Clk θ通常運作得比Sync脈衝速率快4096倍，亦即，其中fθ=4096/Tsync，因此最快電路(且因此最有可能限制操作速度之函數)為計數器可準確計數的最大頻率。在1,168kHz下合成前述fsynth3波形需要Sync以相同速度操作，且由於Clk θ必須運作得快4096倍，因此fθ=4096/Tsync 4096．fsynth=4.784MHz，其為比大多數顯示器應用中所需高得多的速度。如先前所提到，用於高端HDTV中之最高Vsync再新速率為480Hz，且許多甚至無法超過240Hz來操作。若LED驅動器IC經設計以僅工作直至Vsync再新速率480Hz，則其意謂著fθ操作剛好超過1.97MHz之最大速率，例如，2MHz。
為在無需重新設計LED驅動器IC或開發定製IC之情況下克服此限制，可更改微控制器程式以產生用於計數之10位元時鐘，而非12位元。由於執行PWM控制及調光的計數器經設計用於12位解析度(亦即，時間及工作因數之4096增量)的操作，因此用10位元時鐘(其中fθ=1024/Tsync之時鐘)驅動12位元計數器並不明顯。但如本發明中先前 所說明，在光電治療應用中，頻率合成(而非精確亮度控制)為關鍵參數。由於Sync脈衝縮短全計數，因此無論如何不利用此亮度控制精確度。在此狀況下，在為Sync脈衝之速率1024倍之時鐘速率下操作將波形合成之範圍擴展至較高頻率。
舉例而言，使用具有12位元精確度之同步模式操作的2MHz時鐘在先前展示為僅能夠合成高達480Hz之數位(脈衝)波形。在同一控制方案中使用10位元之精確度可將最大合成頻率自480Hz增大4倍至1.92KHz，足以合成等效於音符D2(及更高)的頻率。然而，對於正弦波合成之頻率要求更嚴格，且超過本發明之範疇。
另一方法為，按最大可能速率執行Clk θ且獨立於Clk θ產生Sync脈衝，惟Sync脈衝應使用AND(「及」)閘、單發單穩態多諧振動器或僅PLL(鎖相迴路)而強迫出現在下一有效Clk θ之上升邊緣除外。接著，Sync與Clk θ信號之同步型式分別在時鐘線223a至223b上廣播至LED驅動器IC，惟不同於先前描述的兩個時鐘信號以固定比率操作之狀況除外，在此實施例中，其並不以固定比率操作。
若需要方形脈衝之更高合成頻率，則可利用高速時鐘電路，或代替地，可用非鎖存(非同步)操作替換鎖存(同步)操作。
非同步操作類似於鎖存模式，惟每當資料暫存器由SPI匯流排載入時計數器之計數必須重設除外。在無資料更新之頻率限制的情況下，可由圖12之系統以演算法方式合成的最大頻率實際上限制於波形247，如圖15C中所示，波形247具有等於時鐘Clk θ之速率之一半頻率的頻率。舉例而言，若時鐘180正在fθ=1/Tθ之頻率下操作，則合成頻率之極限限於fsynth 0.5fθ=1/2Tθ
舉例而言，2MHz可如波形247中所示產生1MHz之合成脈衝頻率，從而在無中斷之情況下於時間t1自具有λ2波長之LED陣列切換至 具有λ1波長之LED陣列。此快速改變可藉由SPI匯流排的能夠在時鐘速率10MHz或0.1μsec下發送資料之高頻寬能力而成為可能。2MHz時鐘之時鐘週期為Tθ=0.5MHz，其比SPI匯流排慢五倍。理想地，對於在此等高速率下之操作，計數器可經重新設計至「設定且遺忘」，意謂著一旦條件經寫入至計數器，則該計數器保持在完成每一時鐘循環之後重新設定且重新開始。但隨著任何合成之頻率接近時鐘頻率，按任何程度之一致性，僅有50%係可能。
應注意，此時，不存在已知理由來合成高於幾千赫之光激發頻率。然而，波形180使用所描述之硬體表示頻率合成之範圍的上端。然而，最大時鐘速率下的功率耗散可為顯著的。在正常操作下，較低頻率之合成不連續需要此快速時鐘。僅在需要時，如圖15D之波形251中的時間t1處所示，將時鐘切換至高頻率節省電力，惟需要效能時除外。每當必須合成高頻波形且在通常情況下使用Clk θ之較慢時鐘速率時，可使用Clk θ之相同動態頻率切換。
雖然此等方法在將光電治療裝置之操作擴展至最高可能頻率過程中重要，但純粹使用硬體實施合成極低頻率可能同樣地有問題，從而需要計數器具有消耗大矽區域之大量位元。
LED驅動器IC之實際極限本身由計數器大小設定。12位元計數器具有最大持續時間Tcntr=4096．Tθ。在時鐘週期Tθ=107μsec之較早期狀況下，最大持續時間為438msec，其對應於具有低於fsynth 2.28Hz之頻率n的合成之波形。如圖15E中所示，此方法需要使計數器運作至其全計數。因而，Tsync週期設定為等於最大時鐘計數。藉由利用微控制器多次重寫且重新觸發計數器，可產生任何低頻率。在圖15F所示之實例中，Clk 254連同Sync脈衝253重新觸發計數器三次，從而導致具有1.5T=657msec之接通時間、1,314msec之週期及對應的數位脈衝頻率為0.76Hz的低頻率波形256。藉由組合微控制器中之韌體或軟 體控制與LED驅動器IC中之硬體計數器，可產生任何低或極低之波長頻率，甚至可低於由用於LED驅動器IC內的計數器之全計數產生之頻率。
總而言之，使用原先僅僅意欲用於TV背光的與微控制器組合之LED驅動器IC的LED光電治療之波形合成提供合成光激發及多個波長LED之定序所需的變化之頻率及型樣所藉之靈活方式。與工作因數變化且Vsync週期保持恆定之HDTV中不同，在所揭示之光電治療器件中，均由微控制器209產生的LED接通時間ton、Sync脈衝之週期Tsync及時鐘θ之頻率可動態變化，從而連續地或每當出現新Sync脈衝時改變時鐘速率。用變化之時基及時變Sync脈衝實施LED驅動器系統與在遵守國際視訊廣播標準且遵從政府通信規制之在HDTV中強制使用固定速率Vsync脈衝速率完全相反。因此，雖然光電治療可使用動態時鐘方法(類似於電腦核心)，但視訊系統不能。
可程式亮度控制
與HDTV中之背光相似，在光電治療中之LED板同樣需要亮度控制。雖然TV背光系統使用來自TV之垂直同步信號的固定頻率執行基於工作因數之PWM亮度控制，且將全12位元計數器用於精確調光及相位延遲控制，但光電治療中之LED驅動並非基於固定頻率調光，而是必須合成具有可程式頻率與調光控制兩者之波形。
與TV背光照明中的不同，工作因數並非為位於個別通道之ton暫存器中的時鐘脈衝除以全計數4096所得的值，而是必須針對每一合成頻率計算。此任務係在經由SPI匯流排213介接至LED驅動器IC 207的微控制器209內以演算法方式執行。本發明中稍後描述用於此等計算之演算法。
圖17A說明固定頻率PWM調光之實例。在所展示之實例中，時鐘週期為nTθ之固定值(出於方便起見展示為n=8)，但實務上，實施於 微控制器209中之計數「n」可大得多。在波形281中，在具有合成工作因數及對應的經PWM控制之亮度D=6/8=75%的8個時鐘脈衝中的6個時鐘脈衝，照射具有波長λ之LED陣列。合成之波形的頻率fsynth=1/nTθ經使用先前章節中描述之技術程式化至規定值。在時間t1，微控制器將ton值自8變為2個脈衝，從而導致合成工作因數改變為D=2/8=25%。
在實例波形282中，在時間t1，經工作因數控制之PWM亮度與LED波長兩者改變。在轉變之前，以針對所得工作因數及PWM亮度D=4/8=50%的4個脈衝之接通時間照射具有波長λ2之LED陣列。在時間t1之後，LED陣列改變至具有波長λ3之LED，且經PWM控制之亮度為D=6/8=75%。
在圖17B之波形285中，PWM亮度、合成頻率及LED波長全部改變。在時間t1之前，藉由對應於工作因數D=6/8=75%的接通時間ton(例如，藉由ton=6個脈衝)及合成週期Tsynth1=nTθ(例如，其中n=8個脈衝)照射具有波長λ2之LED陣列。在時間t1，具有波長λ2之同一LED陣列改變為ton=4個脈衝，其對應於50%之工作因數。在時間t2，具有波長λ2之LED陣列關斷，且具有波長λ3之LED陣列接通，其具有新的接通時間ton(例如，其中ton=1個脈衝)及新的週期Tsynth2=mTθ(以實例說明，其中n=4個脈衝)。結果為新的合成頻率為先前頻率之兩倍，亦即，其中fsynth2=2fsynth1且其中D=25%。
在以上描述中，設定LED陣列之PWM亮度等級的工作因數控制係藉由調整針對任一給定合成頻率fsynth及對應的週期Tsynth之接通時間ton而達成，如由以下關係式給出D=ton/Tsynth=ton．fsynth
實務上，一固定頻率波形係針對經擴展之持續時間△t(通常自數分鐘至數十分鐘)而合成。
在一替代性實施例中，合成頻率Tsynth=ton+toff對於每一個脈衝有變化。結果為連續變化之頻譜。用於此可變頻率操作之演算法的實例包含恆定接通時間可變頻率操作、恆定斷開時間可變頻率操作、恆定工作因數可變頻率操作及掃頻操作。
在圖17C中所示的恆定接通時間可變頻率合成之狀況下，所要的頻譜係在具有固定且恆定接通時間ton及不斷變化之斷開時間toff、工作因數D、週期Tsynth及對應的頻率fsynth之微控制器控制之下產生，如由以下關係式給出Tsynth=1/fsynth=ton(constant)+toff(variable)
其中ton(constant)經設定為固定間隔，(以實例說明，如所展示之持續時間為ton(constant)=2個脈衝)，且具有不斷變化之值ton(constant)。隨著toff變化，Tsynth及工作因數D=ton/(ton+toff)亦變化。表2中展示具有範圍自1至7個時鐘間隔之斷開週期的一系列脈衝，且概述所得等效合成頻率及工作因數。出於說明性目的，合成頻率fsynth亦取決於針對固定頻率值9,346Hz(具有對應的時鐘週期Tθ=107μs)及935Hz(具有對應的時鐘週期Tθ=1070μs)而說明之Clk θ之頻率。
如所示，第6個脈衝經針對100%工作因數程式化，亦即，toff=0。達成零斷開時間脈衝之能力取決於LED驅動器IC及操作之頻率。在一些狀況下，LED將在整個週期Tsynth內保持接通，且可其後嘗試斷 開。歸因於將電流源斷開且又接通所需之有限轉變時間，可產生與時鐘週期Tθ無關之小斷開間隔或「短時脈衝波形干擾(glitch)」288。此短時脈衝波形干擾之影響為稍微縮短後續脈衝之接通時間，其意謂著第7個脈衝之工作因數將自表中所示之50%稍微降低。然而，若未出現短時脈衝波形干擾，則第6個脈衝將與第7個脈衝之接通部分合併，從而導致4脈衝接通時間及2脈衝斷開時間。第6個與第7個脈衝之混合導致6時鐘脈衝週期，工作因數為D=4/6=66%。
恆定斷開時間LED驅動演算法類似於上表，惟ton與toff欄中的資料交換除外。在LED驅動中，恆定接通時間與恆定斷開時間可變頻率LED驅動演算法之結果為，LED陣列之合成光激發頻率fsynth及PWM亮度與固定比成比例。在恆定工作因數變頻驅動中，接通時間隨頻率按比例調整以維持恆定工作因數，使得頻率變化，而亮度不變化。一般而言，恆定亮度在LED驅動中比在連續化變亮度中有用。
另一可能可變頻率演算法為掃頻操作，其中頻率在操作期間單調地增大或減小，例如，開始於10kHz且在數分鐘至數十分鐘之間隔上下掃至10Hz，或替代地，開始於5Hz且在數分鐘至數十分鐘之間隔上上掃至5,000Hz。再次，保持亮度恆定(調整接通時間以維持固定工作因數及PWM亮度)通常優於變化LED亮度。
最後，使用PWM亮度及工作因數控制之LED電流可用以摻合具有不同波長之LED，從而藉由其相對亮度控制其混合，亦即，其「摻合」。舉例而言，在圖18中，具有波長λ2之LED陣列經照射至具有波長λ1之LED陣列的經PWM控制之亮度的28%之經PWM控制之亮度。在同時照射之波形289之實例中，在時間t1之前，具有波長λ1之LED陣列以50%之PWM工作因數驅動，而具有波長λ2之LED陣列在14%之PWM亮度下驅動，亦即，在同時照射之LED的亮度28%下驅動。在時間t1之後，具有波長λ1之LED陣列以PWM70%之工作因數驅動，而具有波 長λ2之LED陣列在20%之PWM亮度下驅動。儘管改變總體LED亮度，但λ2波長LED之亮度與λ1波長LED之亮度的比率保持在28%。
LED電流控制
儘管LED電流控制可用以控制LED亮度，但LED之量子效率隨每個在較高電流下消耗之功率產生更多熱量及更少光子之電流而變化。為此且出於安全原因，LED之電流應一般經施加偏壓至適度位準，例如，每者20mA至30mA，此取決於LED之建構。使用在較適度電流下運作之LED的另一原因在於，高電流高亮度LED實質上在市場中更昂貴，且極少供應商支援該等LED之製造。在光電治療應用中，將高亮度光集中於小區域使在諸如LED板之全部的大區域上比使用具有較低亮度等級之較高密度的LED難以獲得均勻光強度。
即使可藉由PWM調光而非調整LED電流來達成動態亮度控制，LED電流在於LED板上獲得良好亮度均勻性過程中保持仍然重要。在圖12中(其中一通道藉由圖19之插圖300中所展示之實例而展示)，每一通道包括精確閘偏壓及控制電路215a至215n，其控制對應的電流槽MOSFET 216a至216n及LED串205a至205n。穿過每一MOSFET之電流由精確閘偏壓電路監視，且與參考電流αIref比較。參考電流與等效於經量測之LED電流之比率之間的任何誤差導致電壓中較高或較低的閘偏壓之動態調整，直至兩個電流匹配。因為LED電流係使用低電壓電流槽或運算放大器而為了準確度進行鏡射及修正，所以實際參考電流僅需要包括LED電流ILEDa至ILEDn之一部分，但出於簡單起見，吾人將仿似其具有相同量值(亦即，其中ILED(max)=Iref)般對待參考電流。
LED驅動器IC 207之每一通道中的此最大LED電流藉由值Iref設定，且在多數狀況下，由單一外部精確電阻器Rset及共同精確電壓參考Vref針對每一多通道LED驅動器IC僅設定一次。為保證較優的通道與通道匹配，精確電壓Vref由所有通道(且較佳地，由所有LED驅動器 IC)共用。最大LED電流係在數位乘數α=100%(由數位資料暫存器ILED經由SPI匯流排設定)時由電阻器值設定，且藉由以下關係式給出ILED(max)=αIref
其中Iref=k(Vref/Rset)
出於安全起見，此值可設定為遵守國際與政府健康與安全標準的用於最大亮度之ILED(max)電流值。每當ILED暫存器301設定為藉以使得α=100%之一值時，出現最大值。圖19之曲線圖中說明載入於ILED資料暫存器301中之數位暫存器程式碼與自D/A轉換器302輸出之類比值αIref之間的關係。假定D/A轉換器302包括一8位元數位/類比轉換器電路，則通道電流αIref可按0.39%階控制至自0mA(斷開)至100%．Iref之256級。
在數位程式化過程中，8位元或1位元組字可由兩個十六進位字元表示，該等字元範圍自表示第1階305具有值αIref=0之十六進位程式碼00，而表示第255階306具有值αIref=100%．Iref之十六進位程式碼FF。以下方程式將十六進位數轉換成其十進位等效數：十進位=(Hex1．16+Hex0)
因此，將十六進位FF轉換成其十進位表示(其中F等於15)係由(15．16)+15=255或100%給出。儘管可表示任何數學轉移函數，但出於簡單起見，吾人假定一線性關係ILEDn=[(Hex1．16+Hex0)/255]．Iref
其中用於十六進位80或十進位階8．15+0=128之程式碼表示峰值電流的值為(128/255)．Iref或約略50%。
有意地，出於清晰起見，多數電流階增量已在圖19之曲線圖中隱藏(其位於間隙307中)。對於所展示之彼等電流階增量，每一階包含電流303之常數值及來自LED之光波輸出304的類比表示(類似於圖10C中先前描述的組合信號表示)。注意，隨著電流增大，表示光輸出 的正弦波之量值在振幅上增大。
在本發明之另一實施例中，微控制器209內之可程式暫存器藉由以登入特權或安全碼限制允許的ILED暫存器程式碼將由A/D轉換器302設定之電流αIref限於經預程式化之最大值。在本文中揭示之光電治療裝置中，在製造或設置期間建立的使用者登入或安全碼將機器之高功率操作模式限制於熟練的醫師或合格的技術人員。舉例而言，雖然臨床醫生可受限於將機器操作至50%或Hex 80之最大亮度，但執業醫師可經授權將機器操作至hex E4之ILED暫存器程式碼，或以十進位表示操作至(14．16+4)/255=89%。
此意謂著醫師可將裝置操作至最大亮度之設定89%，而其他使用者限於最大亮度之50%。在最差狀況下，若機器出故障，則藉由在製造期間永久焊接至電路內的暫存器之值設定之最大可能亮度仍限於定義為「擺脫」管制機構之一位準。
除實現安全性及安全特徵之外，可程式ILED暫存器301之其他益處在於亦補償LED亮度之非均勻性。LED中之不一致亮度產生自製造變化、產生自LED中之結晶缺陷、因將不同製造商之器件混合至同一光電治療裝置中而產生或因同時驅動具有不同波長之LED串而產生。圖20說明LED之光學輸出功率對其電流，此處由α之對應值按百分比表示，且由ILED資料暫存器中之數位及十六進位程式碼表示。
如所示，在如由ILED資料暫存器中之hex程式碼80(十進位等效於128)程式化的標稱電流0.5．Iref下操作的三個LED 310、311、312分別展現三個光學功率輸出P2、P1，及P3。此等變化可作為LED製造中之自然隨機可變性的結果而出現，或因為LED串表示具有不同波長λ之LED陣列而出現。在LED具有不同波長之情況下，通道驅動器之CSFB電路補償LED之正向電壓的變化。亮度之變化因此不與正向電壓有關，而僅與LED亮度之電流依賴性有關。
無論機制如何，若LED陣列意欲在LED板之表面上展現均勻功率輸出P1，則LED 310及312必須在不同電流條件下驅動，以達成與LED311相同的光學功率輸出。由於接通時間及時鐘週期以演算法之方式用以判定LED之經PWM控制的亮度D及合成頻率fsynth，因此較佳地不使PWM控制功能複雜化，以補償失配之LED亮度。取而代之，可在製造期間使用ILED設定一次來補償失配，且此後可忽略該失配。若(例如)LED 310具有其自標稱值hex 80改變至hex 84(十進位132)的電流，則LED之電流增大至0.52．Iref，且結果，LED光學輸出視需要自P2增大至P1。類似地，若LED 312具有其自標稱值hex 80改變至hex 7E(十進位126)的電流，則LED之電流減小至0.49．Iref，且結果，LED光學輸出按需要自P3減小至P1。
藉由將LED 310、311，及312之十六進位值永久儲存於微控制器209內之非揮發性記憶體中，經由SPI匯流排廣播LED電流設定(分別為hex 84、hex 80及hex 7E)且在起動時將其載入至其在通道驅動器207a至207n內的如由圖21中之ILED資料暫存器301d至301h展示之對應的ILED暫存器中，可不管製造差異，將不同LED施加偏壓至相同亮度。接著，儲存於微控制器中之ILED值充當LED亮度的一類型之補償或校正表。
相位延遲
如先前所展示，組合微控制器209與LED驅動器IC 207之波形合成能夠以靈活序列、使用者定義之光激發頻率fsynth及PWM亮度的變化之等級驅動變化之波長LED之陣列。亦展示，雖然相位延遲Φ可用於波形合成過程中，但ton連同Clk θ及Sync信號之明智使用可在不將相位延遲Φ用於此等任務之情況下產生光電治療裝置所需之所有所要的波形。因而，相位延遲Φ保持可用於實施其他重要特徵。
一旦此顯著特徵展示於圖22之曲線圖中，在圖22中對照在系統 之起動期間所過去之時間用曲線圖表示由LED驅動器(見插圖320中之多通道LED驅動器實例)之多個通道拉動的電流需求。在曲線324中，無通道延遲之光電治療裝置在時間ta開始，包括均立即接通且傳導(而其他波長LED保持斷開)的特定波長之LED陣列。結果為電流尖峰323，其可達到系統之正常穩定電流消耗322的兩倍或三倍以上的峰值電流。
若藉由可程式相位延遲接通LED陣列，而非同時接通所有通道，則通道依序開始傳導，因此該等通道不全部嘗試立即傳導，從而大大減小接通電流尖峰。舉例而言，藉由僅在無相位延遲(亦即，其中相位延遲Φ=000hex)的情況下於時間ta接通一串LED，湧入電流自具有300mA之峰值電流的曲線323改變至具有40mA之峰值湧入電流的曲線320之湧入電流，從而將湧入電流改良好於7倍。
在湧入電流穩定至表示一LED串之穩定狀態傳導的電流321之後，具有相位延遲Φ=008hex之第二LED串則在8個脈衝之後於時間td接通，繼之以具有相位延遲Φ=010hex之第三串，其在另外8個脈衝之後於時間tg接通，繼之以具有相位延遲Φ=018hex、020hex及028hex之第四、第五及第六串，每一者分別以8個脈衝之增量於時間t1、tm及tp接通。結果，峰值電流僅僅稍微超過穩定狀態LED電流322或120mA。結果，在無相位延遲特徵之情況下，將湧入電流維持於在接通期間傳導之尖峰電流323的一半以下。
微控制器及波形合成演算法
圖23A表示所揭示之方法及裝置的一例示性光電治療波形合成演算法。演算法並不意欲建議特定序列或治療，而是藉由實例組合許多先前定義之操作元件或控制變數。
在實例中，僅有少數變數保持普通系統範圍，特定言之，電流參考Iref、同步脈衝之週期Tsync及用於在各種通道計時器中計數的時鐘 信號Clk θ之頻率fθ。雖然此等參數係全域的，意謂著對不同操作而言共用且共同的，但該等參數係動態的且可隨時間而變化。如所示，Tsync先前在任何可變頻率波形合成期間連續變化，且在一些狀況下，時鐘頻率fθ同樣如此。
所有其他變數經特別針對每一操作定義，即，PWM亮度控制工作因數D、合成之波形的頻率fsynth、每一傳導通道在接通期間之相位延遲Φ及通道電流αa Iref。變數D及fsynth實際上本身並非控制變數，而是用於特定通道或LED陣列之ton連同全域變數Tsync(且可能fθ)之組合控制的合成結果。
在光電治療波形合成演算法330之實例中，操作171a包括在具有光譜帶λ2±△λ2中之波長之LED 120中在持續時間△ta(具有PWM亮度Da傳導電流αa Iref)內之合成頻率fsyntha的產生。接著，操作171a後緊跟著操作171b，其包括在具有相同波長帶λ2±△λ2之LED 120中在持續時間△tb(具有PWM亮度Db傳導電流αb Iref)內之合成頻率fsynthb。自操作171b合成之波形在持續時間△tg內與具有PWM亮度Dg且在電流αb Iref下施加偏壓的波長λ1±△λ1之LED 110摻合。
此後操作171c包括在具有光譜帶λ3±△λ3中之波長的LED中在持續時間△tc(具有PWM亮度Dc傳導電流αx Iref)內之合成頻率fsynthc的產生。替代地，在流程173中，可全部跳過操作171c，或在流程172中，在持續時間△tf內照射具有光譜帶λ3±δλ3之雷射光135，其具有PWM亮度Df、相位延遲Φf，且經在電流αf Iref下施加偏壓。此後，操作171d包括延遲△td，其中在操作171e之前，不照射LED或雷射，該操作171e包括在具有光譜帶λ1±△λ1中之波長的LED 110中在持續時間△te(具有PWM亮度De傳導電流αe Iref)內之合成頻率fsynthe的產生。替代地(未圖示)，相同波長LED 110之一分開陣列可與在相同驅動條件(惟具有不同於合成頻率fsynthe之合成頻率fsynthg且較佳地合成頻率fsynthg之一偶次 諧波除外除外)下照射的在操作171e中之LED陣列「調諧」。接著，可按需要總體或部分地重複(流程174)整個過程。
光電治療波形合成演算法330之結果展示於圖23B之時序圖中，其包括圖251、252及253中之波長λ1、λ2及λ3的LED陣列之照射，其具有變化之波長253與變化之LED波長254之總功率輸出Pλout的組合輸出λout混合，皆將時鐘Clk θ 180作為共同時基參考。出於簡單起見，僅僅展示演算法330中之主要序列的LED輸出，該演算法包括操作171a、171b、171c、171d、171e及171g。
在間隔△ta期間，操作171a導致具有重複週期1/fsyntha及大致D=12/18=67%之PWM亮度的波形。雖然間隔僅展示合成之波形的兩個循環，但應理解，△ta持續時間為數分鐘或數十分鐘，而fsyntha持續時間為數毫秒或數十毫秒，且無法準確地表示在同一時間刻度上。同樣，應理解，持續時間△tb、△tc、△td及△te亦包括數分鐘至數十分鐘之持續時間的間隔，且合成之波形具有更快數量級的頻率。
繼續圖23B，在間隔△tb中，操作171b導致具有重複週期1/fsynthb及大致為D=4/7=57%之PWM亮度的波形。在間隔△tc中，操作171c導致具有重複週期1/fsynthc及大致為D=6/12=50%之PWM亮度的波形。在間隔△te中，操作171e導致具有重複週期1/fsynthe及大致為D=16/19=85%之PWM亮度的波形。若fθ=935Hz，則Tθ=1.07ms且fsyntha=1/((1.07ms)．18)=52Hz。類似地，fsynthb=134Hz，fsynthc=78Hz，且fsynthe=49Hz。替代地，若使用快十倍的時鐘，亦即，其中fθ=9,356Hz，則所有合成頻率將同樣高十倍。
亦應重申，圖23B中之正弦波表示LED之光學輸出，且亦未表示於時間刻度上，此係由於紅外光及可見光之頻率比合成頻率高出許多數量級。
圖24說明光電治療系統及裝置中的微控制器功能之方塊圖表 示。如所示，LED驅動及控制206包括：微控制器209，其具有小鍵盤211及觸控式螢幕212；SMPS 208；及一或多個LED驅動器IC 207，其驅動包括具有任何數目個波長λ之LED或雷射二極體的LED 205a之各種陣列。
微控制器209含有硬體、記憶體、韌體與軟體介面及控制元件，其包含
˙型樣庫210a，其包括資料及含有任何數目個光激發演算法之非揮發性記憶體，
˙SPI匯流排介面實體介面210b，其具有基於硬體及韌體之計時及協定管理(包含高速實體匯流排及用於時控SPI資料之10MHz SPI匯流排時鐘SCK)，
˙LED設定暫存器210c，其包括含有用於每一波長之LED的預先設定且可重新組態之LED偏壓及驅動設定的記憶體及資料(包含序列持續時間△t、合成頻率fsynth、藉由工作因數D之PWM亮度控制、接通相位延遲Φ及電流乘數α1)。
˙故障管理單元210d，其包括韌體及硬體，包含用於多種故障條件之故障偵測及恢復演算法(諸如，短路LED偵測、開路LED偵測及過溫偵測)。
˙時鐘及時序介面210e，其包括用於動態產生全域系統時序時鐘(包含Sync與Clk θ)之硬體、韌體及軟體，
˙程式命令及控制單元210f，其包括對於指導微控制器209中之演算法邏輯單元(ALU)、計數器、移位暫存器及資料儲存器如何以演算法方式合成波形所需的內部資料匯流排、資料堆疊、程式計數器、指標、資料累積器、暫存器、韌體及軟體。
˙基於軟體演算法之波形合成210g，其包括用以按演算法方式合成波形且產生用於LED驅動器IC 207之控制信號(包含動態變化具有 週期Tsyncx之同步脈衝Sync、動態變化具有週期Tθx之計數器Clk θ脈衝、針對LED之每一個通道動態判定LED接通時間tonx、針對LED之每一個通道動態判定接通期間之LED相位延遲Φx及針對LED之每一個通道動態設定數位暫存器資料ILEDx)的程式軟體及核心ALU，
˙使用者介面210h，其包括具有韌體及軟體之實體介面，用於解碼小鍵盤、驅動LCD顯示器、解譯觸控式螢幕指令、將使用者選擇傳達至程式及控制210f(用以選擇演算法及覆寫預先設定之操作參數)，以及執行使用者識別且實行登入或所用的基於ID之安全與特權，
˙類比介面210i，其包括硬體及韌體，包含用於連接至感測器及類比生物回饋資訊或用於輸出類比控制信號(諸如，由LED驅動器IC 207使用之Vref)的資料類比/數位(A/D)及數位/類比(D/A)轉換器，及
˙數位介面210j，其用於連接至來自感測器及其他數位生物回饋資訊之數位輸入(包含與外部器件及周邊器件之數位資料交握)，且替代地用於介面連接至諸如乙太網、USB、IEEE1394、PC Express卡及Thunderbolt之數位通信匯流排或諸如藍芽、WiFi、3G或4G/LTE之無線資料通信。
如所示，微控制器209經由高速數位匯流排(此處展示為SPI匯流排213)將其指令發送至LED驅動器IC 207(其中高速資料交握由SPI串列時鐘SCK管理)。類比介面210亦產生精確電壓參考Vref，其由每一LED驅動器IC 207內之類比控制及感測電路219用以產生精確參考電流Iref。替代地，Vref可使用離散組件產生。包括計數器時鐘Clk θ及Sync脈衝信號的時鐘線223a與223b連接至LED驅動器IC 207中之計數器221a至221n。
在LED驅動器IC 207內，控制及介面電路214包含單一SPI匯流排 介面214(每驅動器IC一個)，及與解碼器227a至227n(每通道一個解碼器)通信之內部數位匯流排222。經解碼資料分別傳送至分別針對ton、Φ，及ILED資料之對應的暫存器224a至224n、225a至225n及226a至226n。在下一Sync脈衝之後，ton及Φ資料經載入至計數器227a至227n內，且ILED資料經載入至D/A轉換器228a至228n中，從而控制精確閘偏壓及控制電路215a至215n。因此，流經MOSFET 216a至216n及LED串205a至205n之電流由微控制器209個別地控制。
圖25說明在揭示之光電治療裝置中的微控制器209之設置及操作之流程圖，其包括步驟300至304。在製造300期間，系統經針對藉由Iref定義且藉由將Vref修正至至精確值且選擇對應於針對一特定模型及地理銷售地區或國家之最大可允許電流(亦即，其中ILED暫存器經設定至FF，使得α=100%)的Rset值而設定之最大可能LED電流組態。接著，藉由使用ILED資料暫存器將此最大電流按比例調整至較小數且將此值儲存於預設暫存器中來判定標稱值操作電流。同樣地，在新單元之初始化期間，將預設演算法載入至型樣庫210a內，且針對每一類型及波長之LED將用於LED偏壓及操作條件的預設值載入至LED設定暫存器210c內。在初始化期間，亦將包含LED通道之數目n及串聯LED之數目m之對應的LED板組態載入至預設暫存器中。在最終電測試期間，LED板可可選地設定為校準模式，其中給定波長LED之所有LED在全亮度下操作，且ILED之預設值經調整以達成最佳亮度均勻性。重複此過程且將其儲存於用於ILED之預設暫存器中。如先前所描述的，所有預設暫存器儲存於非揮發性記憶體中。
在本發明之一替代性實施例中，裝置能夠偵測所附接之LED板，且自動地針對板之特定組態(包含其LED之總數目、通道數目、LED串中的串聯連接之LED之數目m及用於每一通道中的LED之波長)來組態單元。
在使用光電治療裝置前，醫師或臨床醫生首先執行使用者設置301，其涉及登入或安全檢查以判定使用者之特權。在登入ID及通行碼之確認之後，裝置將先前由使用者儲存之程式及設定載入至選單選擇內。成功登入亦實現由器件所有者針對彼特定使用者建立的特權。此等特權可包含以下能力：改變預設設定、創造新配方及演算法，及具有適當憑證之人在比正常高的允許之功率位準下操作器件。舉例而言，醫師可經授權以在30mA之電流下驅動LED，而所有其他使用者限於電流20mA及以下。在缺少登入之情況下，可防止單元操作，或可允許單元以受限方式操作，例如，限於某些一般演算法及LED設定。
為了開始操作，使用者首先選擇一型樣，亦即，最接近所要的治療之經預程式化之演算法。儲存於型樣庫210a中之演算法指定用於驅動LED之各種序列，包含用於序列中之每一步驟的LED波長λ及對應的光激發頻率fsynth。當自型樣庫中選擇時，將演算法複製至揮發性記憶體，特定言之，藉由讀取選定非揮發性記憶體中之內容且將其複製至SRAM內。所選擇之演算法自動選擇用於針對演算法中之每一步驟驅動每一波長之LED的預設條件，包含持續時間△t、合成頻率fsynth、PWM亮度(藉由工作因數D設定)、接通相位延遲Φ及LED電流乘數α(藉由ILED校準曲線設定)。一旦經選擇，儲存於「LED設定暫存器」210c中的此等LED條件便自非揮發性記憶體複製至RAM內。
亦在使用者設置301期間，針對裝置如何偵測及處置操作故障之預設條件自非揮發性「故障恢復」暫存器複製至RAM內。操作故障包含LED板或電纜線中之出故障，從而導致偵測到「開路」或「短路」LED，或偵測到出現在任何LED板中或任何LED驅動器IC中的過溫條件。當故障條件出現時可用的選擇包含立即關斷整個系統、停用出故障通道、調整偏壓條件且確認故障是否消失、藉由在驅動電流時 後退而操作具有故障之單元，或忽略故障，直至偵測到後續故障。
在過溫偵測之狀況下，自LED驅動器IC發送之警告通知微控制器IC過熱。在一實施例中，微控制器接著識別出具有短路LED之任何通道，且關斷該通道或減小彼通道內之電流，再次檢查以確認故障已消除或關閉。第二熱保護電路獨立於微控制器指令而確保器件在出現危險溫度之前關斷。
使用者設置301根據使用者之特權而促進光電治療裝置的控制。藉由將選定程式演算法、LED設定及故障恢復設定複製至RAM內，經授權使用者可在無意外修改儲存於非揮發性記憶體中的單元之預設設定之風險的情況下，經由小鍵盤212或觸控式螢幕211改變配方及LED設定。
雖然本發明使用方形脈衝合成光激發頻率fsynth，但諸如鋸齒狀、三角形及正弦波合成之其他波形亦係可能的。
在選擇條件之後，圖25中之操作302說明必須在操作開始之前計算若干變數。計算出的變數最重要地包含Sync脈衝之週期Tsync及每一通道之接通時間ton，該等變數經展示以實際上隨著波形合成中之每一步驟而改變。此等計算取決於Clk θ之頻率，此係由於此時鐘表示用於在頻率合成、亮度控制及相位延遲中之計數器的時基。
在一狀況下，將Clk θ之時鐘週期Tθ的選擇設定為Tsync之固定倍數，等於計數器之最大計數或替代地等於某一較小比率。舉例而言，若使用12位元計數器，則Clk θ可在比Sync脈衝快4096倍之頻率下操作，或若較高速度優於精確度，則Clk θ可在比Sync脈衝快1024倍之頻率下操作。在一替代性實施例中，Clk θ係不同步的，且每當需要在不影響Clk θ之情況下更新資料時，Sync脈衝出現。出於論述起見，吾人假定Tsync之固定Tθ及動態變化之週期。
一旦針對一特定LED波長及序列中之一給定階選擇頻率fsynth，微 控制器便計算對應於選定頻率之適當週期Tsynth，其中Tsynth=1/fsynth=nsynthTθ。接著，在合成之波形之週期中產生Sync脈衝，亦即，Tsync≡Tsynth。然而，若同時合成一個以上頻率，則最高頻率下(亦即，Tsynth之最短值)應用以判定Sync脈衝。
每一傳導通道必須重複其對應於其合成頻率之循環計數。按照Clk θ時鐘脈衝之數目nsynth重新排列關係式導致nsynth=Tsynth/Tθ=1/(Tθ．fsynth)
此意謂著一特定通道必須每隔nsynth個脈衝重新開始其序列。若正在僅合成頻率，則此重新開始每Sync脈衝發生一次。若正在一給定通道上合成最快頻率，則對於彼通道，重新開始亦每Sync脈衝發生一次。然而，若正在產生多個頻率之光電治療系統中合成頻率，則多個Sync脈衝可在特定通道重複其循環之前出現。在此等狀況下，微控制器必須計算剩餘之脈衝，在重新開始循環且再次接通通道(亦即，設定ton>0)之前清空彼計數。
所要的亮度(藉由演算法指定為工作因數D)用以計算亦藉由脈衝之數目表示的每一通道之接通時間ton，其中ton=D．nsynth
此計算係針對每一通道執行。因此對於每一通道，微控制器計算藉由時鐘脈衝之數目描述的接通時間ton及藉由時鐘脈衝之數目nsynth指定的週期Tsynth。對於每一Clk θ脈衝，微控制器波形合成計算內的nsynth與ton之值按一脈衝遞減，其具有由變數n'synth及t'on表示之電流值。
倘若Sync脈衝未首先出現，則當ton計數達到零時，通道驅動器中之計數器將關斷彼通道之LED串。同時，微控制器將繼續倒計數nsynth暫存器中剩餘的脈衝之結餘，且否則不採取措施更新LED驅動器IC中之暫存器。又，倘若在此間隔期間Sync脈衝未首先出現，則當用於通 道之nsynth計數最終達到零時，微控制器產生Sync脈衝，且通道重新載入有ton之原始值，從而將通道中之斷開LED接通回且重新開始計數器。同時，在微控制器程式內，nsynth之全值經重新載入，且倒計數重新開始。
然而，若Sync脈衝出現在ton計數器或nsynth計時器達到零之前，則將電流平衡t'on重寫至通道驅動器中之計數器，藉此保持LED通道接通，且用剩餘接通時間之新(較小)值重新開始計數器，同時微控制器繼續不減弱地遞減n'synth計數器，直至其達到零。
替代地，若Sync脈衝出現在通道已斷開之後(亦即，在ton計數器倒計數至零之後)，但在已完成合成週期之前(其中nsynth計數器尚未達到零)，則當Sync脈衝出現時，必須以值ton=0將通道接通時間重寫至通道驅動器中之暫存器，以維持通道處於其斷開狀態，而微控制器繼續不減弱地遞減n'synth計數器，直至其達到零。
總而言之，時鐘脈衝之數目nsynth表示合成如由選自型樣庫210a及LED設定暫存器210c之給定演算法及LED設定指定的所要的頻率所需之計數，不管是否由使用者修改或未更改。每當n'synth之當前值在系統中之任一通道上倒計數至零時，微控制器自動地發送Sync脈衝。回應於Sync脈衝，造成Sync脈衝之通道重新載入其ton暫存器、重新接通其LED串，且再一次開始計數其nsynth計數。回應於Sync脈衝，仍接通之任一通道必須將其目前剩餘t'on結餘重新載入至通道驅動器之ton暫存器內(保持LED串接通)，且重新開始倒計數，同時無任何改變地繼續遞減其n'synth計數。替代地，回應於Sync脈衝，已斷開之任一通道必須重新載入具有零之其ton暫存器(藉此保持LED斷開)，同時無任何改變地繼續遞減其n'synth計數。
雖然上文使用計數器描述演算法，但由於時間及時鐘速率先驗指定，因此將產生Sync脈衝時之實際時鐘脈衝可提前計算，儲存於暫 存器中，且與自Clk θ時鐘產生Tsync脈衝之計數器中的值比較。當出現所定義之情況時，Sync脈衝經產生，且將適當資料載入至LED驅動器IC之資料暫存器中。
再次參看操作302「計算驅動參數」，在時鐘脈衝中指定的總持續時間△t之值僅為即時持續時間(以分鐘為單位)除以時鐘週期Tθ。電流ILED之值直接自校準表複製。若需要不同值，則應線性地向所要的數目添加或自所要的數目減去用於校準之校正，以維持準確亮度。
對於相位延遲，除非手動覆寫，否則所指定的時鐘延遲Φ=z以遞增方式添加至每一通道，使得延遲線性地傳播(如圖22中所示)，藉以對於每一通道Φ1=0
Φ2=z
Φ3=2z
Φ4=3z
Φn=(n-1)z
為參與治療303，使用者具有按比例調整治療持續時間或替代地重複該循環之選項。在按比例調整持續時間選項中，將整個循環按比例劃分，以適應所分配之時間。重複循環將整個序列重複固定數目個循環且報告所需之時間。運作/暫停開始或保持程序，而重設從頭開始設置301。自動保存記錄在執行程序且自手動越控件產生新設定時保留執行程序之數位記錄。
一旦程式開始操作304，SPI匯流排便經由SPI匯流排介面210b及SPI匯流排213將ton、Φ及ILED值寫入LED驅動器IC 207內之資料暫存器中，Clk θ與Sync之時控隨著產生自時鐘及時序電路210e而開始，且實施光電治療波形合成演算法330之LED操作開始。如先前所描述的，藉由每一Sync脈衝，根據所指定演算法而將暫存器資料之更新值 重寫至LED驅動器IC，且將任何故障條件報告至系統且最終報告至使用者。
LED板設計
除電子控制之外，所揭示之光電治療裝置亦包含含有圖26之平面圖中說明的LED陣列且具有如所示之相關聯等效電路圖的無菌可撓性板。板204係使用材料(諸如鐵氟龍或其他無孔非反應性材料之生物化學惰性材料)形成，且含有嵌入式電子組件，該等電子組件包含連接器、有線或傳導互連件、可撓性及半可撓性PCB(印刷電路板)、電晶體、IC、被動式組件(諸如，電阻器及電容器)及LED。
板材料可為同質的，且包括具有不透水無菌塗層之較軟內部材料。為防止患者之間的生物交叉污染，板之外部應相對無孔以避免困住細菌、病毒及微生物污染物，且不應受到皂及水、磷酸鹽、酒精、低濃度乙酸、商業殺毒劑及其他抗菌劑破壞。在不實質減少光輸出之情況下，板應理想地完全將其LED圍封且包含於此細菌障壁或塗層材料內，或以其他方式與經由板材料突出之LED形成密封。板亦應較佳地形成與自板突出之任何連接器或電線的密封、細菌障壁及防濕層。若絕對密封性不可能，則應在製造中採取步驟以確保最佳密封可能，尤其確保板材料與擠出線之間的分層，且藉由在模製或形成板自身過程中所用的條件最小化組件。
在一實施例中，板204被劃分成兩個板部分：一較大板部分330a，其包括16個經直線配置之LED串332a至332p；及一較小板部分330b，其包括經直線配置之8個LED串332q至332x。較大板部分330a與較小板部分330b以機械方式一起緊固在可彎曲接縫335處，可彎曲接縫335含有由連接器331表示之電連接。該板經設計以(在需要時)圍繞患者之附肢，且視情況藉由機械緊固件336將板330b之頂部固定至板330a之底部。
LED驅動器PCB 333安裝於可撓性或半可撓性PCB上，包含被動式及半導體組件兩者(包含LED驅動器IC 337a至337b，及視情況，微控制器338)。在一實施例中，PCB 333位於較大板部分330a中在緊固件336附近之末端部分內。連接器334以電方式將板204連接至電力，且替代地，連接至LED驅動器PCB 333內不含有之LED驅動器電路。給定LED驅動器IC 333包含於較大LED板320a內且LED串332q至332x包含於較小板部分330b內，則串聯連接之LED串205q至205x之陰極經由電連接器331連接至LED驅動器PCB 333，而來自LED串205a至205p之陰極可在無介入連接器之情況下連接。
在電學上，如所示之每一串含有共用一共同陽極的12個串聯連接之LED，且其中陰極分開來連接至LED驅動器PCB 333。舉例而言，LED串332a包括較大板部分330a上之最底部LED串，且具有由12個串聯連接之LED 205a表示、由LED驅動器PCB 333內含有之LED驅動器IC 337a上的單一通道驅動之等效電路。類似地，LED串332p包括較大板部分330a上之最頂部LED串，且具有藉由12個串聯連接之LED 205p表示、由LED驅動器IC 337a上的一不同通道分開來驅動之等效電路。在較小板部分330b上，LED串332q具有由12個串聯連接之LED 205q表示、由LED驅動器PCB 333內亦含有且經由電連接器331連接之LED驅動器IC 337b上的單一通道驅動之等效電路。類似地，LED驅動器IC 337b用由12個串聯連接之LED 205x表示的等效電路驅動LED串332x。替代地，LED驅動器PCB 333可完全消除，且所有LED串之陰極可直接連接至連接器334。
如圖26之實施例中所展示，該陣列中之每一經直線定位之LED串包括實質上相同波長λ(理想地，類似亮度)的LED，其中板上之LED的波長以某種規則且週期性方式變化。舉例而言，LED串332a、332d、332g、332j、332m、332p、332s及332v包括波長λ1之LED， LED串332b、332e、332h、332k、332n、332q、332t及332w包括波長λ2之LED，且LED串332c、332f、332i、332l、332o、332r、332u及332x包括波長λ3之LED。
雖然相同波長之LED經展示以直線定位且配置成列，但LED可以其他型樣分佈，例如，以更複雜之型樣沿著列及行兩者交替LED波長，其中任何給定串332之佈局不能表示為直線，但其中電路連接205仍保持12個LED之簡單的串聯連接。為促進各種波長LED之更均勻的分佈，可能需要兩層可撓性PCB或使用導電跨接線，以按電的方式維持相同波長LED之串聯連接。重要的，不同波長之LED不應混合至相同串列電連接中，否則將丟失定序或摻合光之不同波長的亮度之能力。
為維持LED板204之大小的靈活調整，較小板部分330b可自較大板部分330a移除，且在不擾亂較大板部分330a中之LED陣列的操作之情況下使用連接器331以電的方式斷開連接。替代地，板可經設計以支援經由第二連接器(未圖示)電連接至LED驅動器板333之第二小板部分(未圖示)。在一實施例中，第二小板部分由在較大板部分330a之底部的緊固件或藉由調適緊固件336以支援兩種組態而實體附接至大的板部分330a。在此等情況下，較大板部分330a與含有驅動額外LED串之共同陽極連接及分開的陰極連接之可選較小板部分之間的電連接器不應干擾用以連接至電源或將電子器件驅動至板204的電連接器334之功能。
在第二實施例中，第二小板部分由位於較大板部分330a之頂部的緊固件實體附接至大的板部分330a。在此等情況下，驅動額外LED串之共同陽極連接及分開之陰極連接必須經由較小板部分330b而佈線至LED驅動器PCB 333，從而需要第二電連接器位於較小板部分330b之頂部，以連接至可選的小部分板330c，且需要將連接器331上之接腳 加倍增加，以容納額外的LED驅動器線。舉例而言，在無添加可選小板部分330c之能力的情況下，電連接器331需要最小10個接腳--8個連接器接腳用於LED陰極線205q至205x，且另兩個用於共同陽極線及接地。
在具有擴展特徵之替代性實施例中，驅動可選第二小部分板所需之連接需要8條額外線，且共用該等共同陽極與接地線，從而將連接器331中所需之接腳數目增加9個，亦即，自10個連接器接腳增大至18個連接器接腳。如所示，LED驅動器IC驅動來自單一器件之16個LED串。LED驅動器IC亦包含16個分開之輸出端，惟斷開之LED連接不應觸發LED驅動器IC 337b中的斷開之LED故障除外，將第二較小板部分作為擴展添加至LED板204需要不改變板之電設計或操作。避免錯誤的斷開LED偵測故障之故障設定暫存器在多數LED驅動器IC中為使用者可程式，且可經由微控制器209控制。
儘管接地在小板部分330b及第二可選小板部分中不起作用，但在一替代性實施例中，接地電位用以經由板204向電遮蔽施加偏壓，以遵從用於在操作期間控制非吾人所樂見之電磁干擾(EMI)的工業EMC(電磁相容性)規範，尤其在將高速時鐘用於高頻寬波形合成時。在單層PCB中，接地層可用以藉由攜載LED電流向所有PCB區域中之未使用之導體施加偏壓；在雙層PCB中，第二層可用作接地平面，從而大大減少輻射雜訊且提供EMI遮蔽，或在3層PCB中，前層及後層兩者可接地，從而充當包圍且包住攜載LED電流之導體的法拉第(Faraday)籠，其中僅前側導體中之開口打開以適應安裝LED。在另一實施例中，包括絕緣線之線網置放於單層PCB周圍，其中僅LED突出超出網，藉以線網經施加偏壓以接地，以形成法拉第籠。接著，用鐵氟龍模製包含PCB及線網之整個單元，藉以僅LED自板204突出。
LED板204遵守接收光激發的區域之地形曲率之靈活性對於避免 係關於諸如圖4A與圖4B中所說明之杖、手電筒及堅硬板的不良光均勻性及變化之穿透深度問題而言係重要的。圖27中展示了可撓性及半可撓性板之益處，包含可撓性模382(例如，包括鐵氟龍)、可撓性PCB 381及可撓性無菌障壁385。皮下組織37及上皮組織及36自然地符合需要光電治療之身體部分，其對於均勻地照射臂、腿或頸部上之組織而言尤其重要。藉由彎曲以符合治療之區域之曲率，LED 93a至93e能夠調整其近乎垂直於上皮層36之彎曲表面的輻射光型樣，從而導致均勻亮度及皮下層37中的穿透384之深度。
應注意，LED驅動器IC 86及LED 93a至93e包括無法顯著彎曲的相對堅硬(亦即，不可撓)塑膠封裝。因為LED之表面積小，所以最小變形很明顯，使得惟具有極緊密之彎曲半徑的彎曲除外，無破裂或破損產生。然而，LED驅動器IC足夠大，使得封裝破裂成為關注問題，其部分藉由在應力下的引線之彎曲而緩和，藉以引線充當減震器以緩解塑膠腔之應力。出於此原因及其他，LED驅動器IC應封裝在類似於LQFP之引線式封裝中--金屬引線自封裝之外表面延伸且向下彎曲至印刷電路板的封裝。因為金屬引線(通常為銅)能夠彎曲，所以其在LED板之變形期間減小應力。為進一步減小來自彎曲的應力之量值且降低破裂風險，將LED驅動器IC安裝於可撓性PCB 381中在板之連接器附近的邊緣上，或替代地，安裝於分開的較堅硬PCB上，再次位於彎曲受限的板連接器附近。
相比之下，封裝之底面上的小導電區域直接焊接至PCB上之如QFN之無引線封裝無法彎曲，且因此不能夠在封包不破裂或不折斷其至PCB之焊接接頭的情況下吸收變形之應力。出於此原因起見且因為引線式封裝可在較舊且較廉價之PCB工廠中使用低成本波焊組裝，所以引線式封裝在所揭示之光電治療裝置中較佳。
取決於其應用，LED板可包含以多種方式組態的任何數目個LED 及雷射二極體。雖然LED板204展示為包括三個不同波長LED之陣列，但可在其建構中使用任何數目個波長。整個板(例如)可包括僅單一波長LED的陣列、兩個波長之LED的陣列或四個或四個以上類型之LED的陣列，而非使用如所示的三個類型之LED波長的陣列。如在圖28中的相對輻射強度(%)(LED之光學功率輸出的標準化量測)對LED波長之曲線圖中所展示，LED可構成多種波長。
LED 342之功率輸出曲線具有平均值670nm，且圍繞其平均值的光譜變化大致為±10nm。在電磁光譜中，LED輸出342表示可見光之較低頻率端，深紅色占主導地位。功率輸出曲線341描述人眼不可見之近紅外光譜中的LED，該近紅外光譜具有標稱波長740nm，且圍繞其平均值的光譜變化大致為±15nm。功率輸出曲線340描述人眼同樣不可見之較深紅外光譜中的LED，該較深紅外光譜具有標稱波長875nm，且圍繞其平均值的光譜變化大致為±20nm。按需要，具有遍及可見光譜且至紫外光譜中之波長的其他LED亦為可用的。
LED可分開來組裝至相異封裝中，其中每一者在封裝頂部具有其自己之光學透鏡，以更好地分佈LED之光輸出，或可作為「三LED」器件組合至單一封裝中，較佳地，對於三個LED中之每一者，具有分開的陽極及陰極接點。LED板包括多個LED陣列亦係可能的，可部分地使用雷射二極體來代替LED。如先前所描述，相比LED，雷射二極體產生之窄光譜頻寬減小藉由雷射之光生物調變的觀察之量值。為此，且由於其較高成本，其使用可能保持限於專門應用。
同時傳導之LED的總數目判定LED之平均亮度，亦即，光學功率輸出。雖然可同時照射多個波長之LED，但出於先前在應用中所描述之原因，同時僅僅驅動具有相同波長之LED串大體為有益的。假定，在多數狀況下，將同時照射僅有一LED波長之陣列且均藉由同一電流ILED量值，則LED板之總光學功率輸出由以下給出 PEMR=k[m．n．ILED/(#個類型之LED波長)]
舉例而言，圖26中所示之LED板204(包含大板部分330a及小板部分330b兩者)包括24個LED串，其中每一串自串聯連接之12個LED建構而成。在任一給定波長之每一陣列中，LED之總數目因此為288或96個LED。若LED在20mA下以100%工作因數施加偏壓，則LED陣列具有與96．20mA=1.92 LED安培成比例之輸出功率。給定LED安培及比例常數k，可計算出實際光學功率輸出。然而，為判定實際光學功率輸出，需要知曉在給定電流下的LED光學功率輸出--LED之資料工作表上常不估出或指定的參數。
然而，若需要較高面積功率密度(以W/cm2為單位)，則可在較高電流下驅動LED，或可使用更密集之LED陣列。一其他選擇為用三LED替換所有單一LED列。在LED板204包括LED板部分330a及330b之實例中，使用三LED將面積功率密度增加三倍，但將LED驅動器IC通道之數目自24增加至72，從而將16通道LED驅動器之數目自2增加至5。亦將連接器331上的接腳之數目增加16，亦即，自10至26，以容納所添加之佈線。
如所示，板204包括24個列及12個行，亦即，其中LED驅動器IC通道之數目n=24，且串聯連接之LED的數目m=12。替代地，為增大板之光學功率輸出，可增加列數目(藉由添加更多LED驅動器IC通道)，或可增加行數目，亦即，串聯連接之LED之數目m(但藉由增大驅動LED串所需之電源電壓)。在一較佳實施例中，為了安全操作，應限制串聯連接之LED的最大數目，以便避免需要超過42V(對於安全低電壓且對於UL批准的行業認可之標準)的電源電壓+VLED。
LED選擇
為最大化內部器官及組織之光電治療處理的先前描述之光生物調變效應，自LED發射的光之波長必須穿透皮膚，從而穿過身體以藉 由內部器官或組織之靶向組織吸收。眾多研究實驗室已特性化用於人體內各種分子之波長吸收資料，各種分子中之每一者對自其特定工作之光譜分析有影響。
共同地，圖29A中概述各種重要生物分子之吸收光譜。涵蓋自600nm至1100nm之可見紅光與近紅外線光譜中之範圍的曲線圖表示非電離EMR展現其在動物、哺乳動物及人類中之最佳穿透深度的幾個區中之一者。該曲線圖以相對吸收量值在曲線341中說明水(H2O)之吸收光譜，在曲線342中說明脂質及脂肪之吸收光譜，在曲線344中說明氧合血紅蛋白(OxyHb)之吸收光譜，在曲線343中說明去氧血紅蛋白(DeoxyHb)之吸收光譜。細胞色素C氧化酶(CCO)之吸收光譜(先前描述為粒線體中之細胞電池組充電器的生物化學藥劑)由曲線345a展示，且展現二次吸收尾部345b。
在比較之基礎上使用相對吸收，水341在950nm及更長之波長的吸收光譜中占主導地位，脂質與脂肪342在範圍自900至950nm之稍較短波長之光譜帶中的吸收中占主導地位。在750nm以下，靜脈系統中之血液中的去氧血紅蛋白343為占主導地位的生物分子吸收器，其以比動脈系統中之含氧血液之吸收係數多四倍的吸收係數吸收EMR。
參看圖29B，實體粗線346醒目提示人體中的在可見光譜之紅光部分中且確切而言低於675nm的短波長處的占主導地位之生物分子吸收器(亦即，DeoxyHb 343)，且係針對對於自900nm至1050nm之較長紅外絲波長的脂質及水。在此等波長下，身體基本上不透明，從而防止EMR穿透皮下組織到達內部器官。
粗線346清晰地識別出，在水在紅外光譜中的吸收與血液在紅色可見光譜中的吸收之間，在自675nm至900nm之光譜帶中存在一透射窗360，其中光可穿透皮膚且到達內部器官。在此透射窗中間，位於自780nm至900nm之範圍中的為細胞色素C氧化酶(CCO)345a(粒線 體中之占主導地位的光吸收器)之吸收光譜。因此，精確存在於頻率窗(其中光可穿透且到達動物的內部器官)中間的為粒線體吸收光且細胞色素C氧化酶之光激發產生能量的一頻帶。
演化生物學家用共生演化解釋動物中的光之透射窗與粒線體中的CCO之吸收光譜之此偶然且非常巧合的對準，其中粒線體(類似於其在現今的遠親藍綠藻)曾為生活在淺水中且自藉由水過濾的陽光獲得其能量的自由漂浮有機體。水吸收或反射紫外線及多數可見光但穿過紅外波長的事實提供粒線體為何經演化尤其以吸收紅外波長下之光的間接證據。後來，在粒線體併入至第一真核細胞中且最終併入於動物及哺乳動物細胞中之後，演化生物學家假定血液(且特定言之，血紅蛋白)以共生形式演化，以免阻礙粒線體吸收紅外光之能力。雖然神學提供一替代性解釋，但不管原因如何，事實仍然為粒線體中之CCO精確地以不受水、脂肪及血液阻攔之波長吸收光及紅外輻射。因此，透射窗360表示內部器官之細胞與組織之光生物調變具有其最大吸收峰值的光譜帶。
使用具有此透射窗中之波長之LED的光激發展現未受其他生物分子阻擋的良好穿透深度及由CCO之有效吸收。四個LED波長光譜帶良好匹配，以促進粒線體CCO之光激發，即，875nm、819nm、740nm及670nm。實際上，CCO之二次吸收尾部345b部分受到DeoxyHb 343阻擋，將在此等波長下之光的穿透減小至衝擊光之穿透的一半或三分之一，且大體減少內部器官在較短波長下的光激發回應及光生物調變。
雖然CCO之光激發及ATP之所得創造文件齊全，但此時其他細胞內吸收機構是否直接刺激光生物調變並不明確。已提出，例如，可經由光激發直接形成催化劑過氧化氫(H2O2)。同樣在圖29B中，另一小型EMR透射窗存在於1080nm周圍。此時，尚未識別出生物分子吸收 此波長下的光，因此，是否將藉由在此窗中之照射顯現任何光生物調變仍然不清楚。
雖然內部器官及皮下組織上的光生物調變及光電治療的機會受到介入血壓、脂肪、水及其他生物分子的吸收光譜限制，但皮膚及表層的光激發並不受限。對於皮膚之表面上的光激發，圖30中之吸收光譜346(展示為虛線)並不相干，此係因為血液、脂肪及水位於受影響之組織下方，且因此無法阻擋衝擊EMR。在自600nm至1100nm之整個光譜(特別包含670nm及740nm LED)中的EMR未受阻礙，可用於光激發之目的。在此範圍上的表面上之EMR之吸收(更準確而言，「吸附」)包含光由CCO 345a吸附，藉由CCO之二次尾部345b吸附，藉由表皮347吸附，及藉由黑素體(未圖示)吸收。目前，可見光譜中超出紅光的較短波長光是否展現光生物調變或提供任何光電治療可能性仍不清楚。
雖然主要用於皮膚鞣之紫外光或UVL造成皮膚傷害且可誘發贅瘤(皮膚癌)，但在較低劑量下，其提供用於去除皮膚表面上之病毒、酵母菌與細菌侵入物的可能性，基本上創造對抗感染之環境。在槍彈傷、穿刺傷、皮膚撕裂、燒傷及三度骨折(其中皮膚被骨頭穿透)之狀況下，在連續光電治療方案中使用紫外線LED結合紅光與紅外線光激發可至少臨時地輔助避開感染，同時刺激免疫回應及組織修復，直至可施行在無菌環境中之適當治療。
總而言之，EMR吸收光譜之分析表明，810nm與875nm中的較長波長LED展現出對於內部器官中之更大光生物調變之可能性，而整個光譜(尤其670nm與740nm LED)有益於皮膚與上皮組織中的光生物調變。所揭示之光電治療裝置提供驅動且控制LED及雷射二極體以最大化根據本發明之光生物調變的一受控制方式。
140‧‧‧光譜/光譜帶/波長/LED光譜
150‧‧‧光譜/光譜帶/LED光譜
160‧‧‧光譜/光譜帶/最短波長/LED光譜
165‧‧‧極窄頻寬光激發/雷射光譜/窄光譜帶
170‧‧‧依序波形合成演算法
171a‧‧‧光激發/操作
171b‧‧‧光激發/操作
171c‧‧‧光激發/操作
171d‧‧‧時間延遲/操作
171e‧‧‧照射/操作
171f‧‧‧雷射光激發
172‧‧‧流程
173‧‧‧箭頭/流程
174‧‧‧箭頭/流程

Claims (26)

  1. 一種光電治療過程，其包括將電磁輻射(EMR)引導至一活有機體內，該EMR包括一波長λ1之輻射，且作為具有該波長λ1之輻射之一系列脈衝而傳輸，該等脈衝中之每一者具有一選定持續時間。
  2. 如請求項1之光電治療過程，其中該脈衝由預定持續時間之間隙分開。
  3. 如請求項2之光電治療過程，其中該脈衝之該等持續時間及該間隙之該等持續時間相等，使得一脈衝之一持續時間與一間隙之一持續時間的一總和定義等於該總和之倒數的一頻率fsynth。
  4. 如請求項3之光電治療過程，其中藉由該總和除該脈衝之該持續時間等於一工作因數D，該工作因數D判定該輻射之一亮度。
  5. 如請求項2之光電治療過程，其進一步包括產生用於控制波長λ1之該輻射的一時鐘信號θ，該時鐘信號θ包括具有由一時間間隔Tθ分開之前緣的一系列時鐘脈衝，該時鐘信號θ因此具有等於1/Tθ之一頻率，該波長λ1之輻射之該脈衝的該持續時間等於整數數目個連續時鐘脈衝。
  6. 如請求項5之光電治療過程，其中該間隙之該持續時間等於整數數目個連續時鐘脈衝。
  7. 如請求項1之光電治療過程，其中該EMR包括一第二波長λ2之輻射，其作為該第二波長λ2之輻射之一系列脈衝而傳輸。
  8. 如請求項7之光電治療過程，其中該第一波長λ1之一脈衝的一終止與該第二波長λ2之一脈衝的一開始重合。
  9. 如請求項7之光電治療過程，其中該第一波長λ1之一脈衝與該第二波長λ2之一脈衝由一間隙分開。
  10. 如請求項7之光電治療過程，其中該第一波長λ1之一脈衝與該第二波長λ2之一脈衝同時存在。
  11. 如請求項1之光電治療過程，其中該EMR包括在一第一光譜帶λ1±△λ1內之複數個波長。
  12. 如請求項11之光電治療過程，其中該EMR包括作為一系列脈衝傳輸的在一第二光譜帶λ2±△λ2內之複數個波長，該等脈衝中之每一者具有一選定持續時間。
  13. 如請求項1之光電治療過程，其中該EMR在紅外線光譜及可見光譜中。
  14. 一種光電治療系統，其包括：一第一發光二極體(LED)串，該第一LED串包括經調適成產生電磁輻射(EMR)之複數個LED，該EMR包含具有一第一波長λ1之輻射；一第一通道驅動器，其耦接至該第一LED串，用於控制經由該第一LED串之一電流；一微控制器，其包括一型樣庫，該型樣庫儲存至少一演算法，該至少一演算法定義用於控制該第一LED串之一過程序列；及一板，其包括該第一LED串，該第一LED串定位於該板中，以便允許該EMR在該板鄰近一活有機體定位時被輻射至該活有機體。
  15. 如請求項14之光電治療系統，其中該第一通道驅動器包括一ton暫存器，其用於儲存表示接通該第一LED串的一時間長度之資料。
  16. 如請求項15之光電治療系統，其中該第一通道驅動器進一步包括一計數器及一MOSFET，該MOSFET與該第一LED串串聯連接，該計數器耦接至該ton暫存器，該計數器耦接至該MOSFET之一閘極端子，以便回應於儲存於該ton暫存器中之該資料，在該時 間長度內接通該MOSFET。
  17. 如請求項16之光電治療系統，其中該微控制器包括耦接至該計數器之一時鐘及時序介面，其用於產生一時鐘脈衝以使該計數器前進。
  18. 如請求項14之光電治療系統，其中該第一通道驅動器包括用於儲存表示該電流之一量值的資料之一ILED暫存器。
  19. 如請求項18之光電治療系統，其中該第一通道驅動器進一步包括一數位/類比(D/A)轉換器及一MOSFET，該MOSFET與該第一LED串串聯連接，該D/A轉換器耦接至該ILED暫存器，該D/A轉換器耦接至該MOSFET之一閘極端子，以便回應於儲存於該ILED暫存器中之該資料，判定該電流之該量值。
  20. 如請求項14之光電治療系統，其中該至少一演算法定義該第一波長λ1之該輻射的一系列脈衝。
  21. 如請求項14之光電治療系統，其中該板包括複數個LED串，該等LED串中之每一者包括經調適成產生電磁輻射(EMR)之複數個LED，該EMR包含一選定波長之輻射，該過程序列用於控制該等LED串中之每一者。
  22. 如請求項21之光電治療系統，其中該過程序列包含在所有該等其他LED串斷開時接通該等LED串中之一者。
  23. 如請求項21之光電治療系統，其中該過程序列包含同時接通該LED串中之至少兩者。
  24. 如請求項14之光電治療系統，其中該板係可撓的，使得該板可貼身地配合該活有機體之一彎曲表面。
  25. 如請求項14之光電治療系統，其中該活有機體為一人。
  26. 如請求項14之光電治療系統，其中該EMR包括波長λ1±△λ1之一光譜帶。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109757011A (zh) * 2019-03-27 2019-05-14 华域视觉科技(上海)有限公司 通用点灯盒
CN112996559A (zh) * 2018-04-06 2021-06-18 生旭生物科技有限公司 分布式光生物调节疗法系统和方法

Families Citing this family (68)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210268301A1 (en) * 2020-02-28 2021-09-02 Biophotas, Inc. Battery powered systems for light therapy and related methods
US9877361B2 (en) * 2012-11-08 2018-01-23 Applied Biophotonics Ltd Phototherapy system and process including dynamic LED driver with programmable waveform
US10328276B2 (en) 2014-02-14 2019-06-25 Applied Biophotonics Ltd. Sinusoidal drive system and method for phototherapy
US11109458B2 (en) * 2012-11-08 2021-08-31 Applied Biophotonics Ltd. Phototherapy system with dynamic drive for light-emitting diodes
US9743473B2 (en) * 2013-03-15 2017-08-22 Lumenetix, Inc. Cascade LED driver and control methods
KR102232621B1 (ko) * 2013-07-30 2021-03-29 삼성디스플레이 주식회사 광 테라피 표시 장치
IN2013CH04410A (zh) * 2013-09-27 2015-04-03 Xsi Semiconductors Pvt Ltd
US9336704B2 (en) * 2013-10-18 2016-05-10 Sct Technology, Ltd. Apparatus and method for powering LED driver
CN103957644B (zh) * 2014-05-14 2017-04-26 深圳市华星光电技术有限公司 用于液晶显示设备的led背光源
GB201410886D0 (en) 2014-06-18 2014-07-30 Univ Newcastle Implantable optrode
EP3838341A1 (en) * 2014-09-09 2021-06-23 Lumithera, Inc. Multi-wavelength phototherapy devices for the non-invasive treatment of damaged or diseased tissue
US9818338B2 (en) * 2015-03-04 2017-11-14 Texas Instruments Incorporated Pre-charge driver for light emitting devices (LEDs)
CN107535039A (zh) * 2015-03-31 2018-01-02 卢克斯科技有限责任公司 发光二极管(led)暗光暖色电路
US10057965B2 (en) 2015-05-04 2018-08-21 Fulham Company Limited LED driver and lighting systems technologies
US11642547B2 (en) 2015-07-08 2023-05-09 Wave Force Electronics Inc. Bioresonance frequency emitting device, system, and method
US9877824B2 (en) 2015-07-23 2018-01-30 Elwha Llc Intraocular lens systems and related methods
US10154897B2 (en) * 2015-07-23 2018-12-18 Elwha Llc Intraocular lens systems and related methods
US10376357B2 (en) 2015-07-23 2019-08-13 Elwha Llc Intraocular lens systems and related methods
US10307246B2 (en) 2015-07-23 2019-06-04 Elwha Llc Intraocular lens devices, systems, and related methods
US10324309B2 (en) 2015-07-23 2019-06-18 Elwha Llc Modifiable-focus lens devices, systems, and related methods
EP3328492B8 (en) * 2015-07-28 2020-10-21 KNOW Bio, LLC Phototherapy devices for treatment of dermatological disorders of the scalp
BR122020024964B1 (pt) 2015-07-28 2024-01-16 Know Bio, Llc Métodos e dispositivos para reduzir a presença, a concentração ou o crescimento de patógenos dentro ou sobre tecido de mamíferos vivos
US9907129B2 (en) * 2016-04-07 2018-02-27 Microchip Technology Incorporated Multiple LED string dimming control
AU2017250572B2 (en) * 2016-04-14 2019-08-01 Med-El Elektromedizinische Geraete Gmbh Multichannel optogenetic stimulation and inhibition
EP3254636B1 (en) * 2016-06-07 2019-07-24 Braun GmbH Skin treatment device
US10251235B2 (en) 2016-10-31 2019-04-02 Hubbell Incorporated System and method for indicating operational characteristics of a lighting system
EP3582852A4 (en) * 2017-02-15 2020-11-25 The Regents of the University of California IMPROVED LIGHT THERAPY SYSTEM AND METHOD OF USE
US11433253B2 (en) * 2017-02-15 2022-09-06 The Regents Of The University Of California Light therapy system and methods of use
CN108692278B (zh) * 2017-03-22 2024-02-06 常州星宇车灯股份有限公司 一种汽车动态转向灯系统
US10455779B2 (en) * 2017-07-24 2019-10-29 Osram Sylvania Inc. Irradiance-controlled fixture for horticultural applications
US20190217119A1 (en) * 2017-08-22 2019-07-18 Laserstim, Inc. Interchangeable modular cap for laser light therapy
US11590248B2 (en) * 2017-10-30 2023-02-28 Hubbell Lighting, Inc. Pulsing high intensity narrow spectrum light
US10104738B1 (en) * 2017-11-08 2018-10-16 Meanwell (Guangzhou) Electronics Co., Ltd. Feedback circuit capable of regulating response according to variation of dimming signal
JP7119435B2 (ja) * 2018-03-09 2022-08-17 富士フイルムビジネスイノベーション株式会社 発光ダイオードの制御装置およびプログラム
US20190336789A1 (en) * 2018-04-26 2019-11-07 Osram Gmbh Methods of Controlling Lighting Systems for Light Related Health and Systems Incorporating the same
US11191136B2 (en) 2018-07-16 2021-11-30 Jiaxing Super Lighting Electric Appliance Co., Ltd. LED lighting system, apparatus, and dimming method
US11071178B2 (en) * 2018-07-16 2021-07-20 Jiaxing Super Lighting Electric Appliance Co., Ltd. LED lighting system, apparatus, and dimming method
CN109192149B (zh) * 2018-10-31 2020-05-15 京东方科技集团股份有限公司 背光驱动装置及其驱动方法、背光模组及显示装置
US11694601B2 (en) 2019-03-29 2023-07-04 Creeled, Inc. Active control of light emitting diodes and light emitting diode displays
US11790831B2 (en) 2019-03-29 2023-10-17 Creeled, Inc. Active control of light emitting diodes and light emitting diode displays
US20200312222A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-01 Cree, Inc. Active control of light emitting diodes and light emitting diode displays
US11727857B2 (en) 2019-03-29 2023-08-15 Creeled, Inc. Active control of light emitting diodes and light emitting diode displays
US11776460B2 (en) 2019-03-29 2023-10-03 Creeled, Inc. Active control of light emitting diodes and light emitting diode displays
US11234304B2 (en) 2019-05-24 2022-01-25 Express Imaging Systems, Llc Photocontroller to control operation of a luminaire having a dimming line
AU2020293261A1 (en) 2019-06-14 2022-02-03 Biophotas, Inc. Light therapy systems and methods
US11317497B2 (en) * 2019-06-20 2022-04-26 Express Imaging Systems, Llc Photocontroller and/or lamp with photocontrols to control operation of lamp
US11684334B2 (en) * 2019-08-27 2023-06-27 GE Precision Healthcare LLC Methods and systems for protocol management
JP2021048523A (ja) * 2019-09-19 2021-03-25 株式会社東芝 Ｌｅｄ駆動制御回路、電子回路及びｌｅｄ駆動制御方法
FR3101931B1 (fr) * 2019-10-15 2021-09-24 Valeo Vision Système d’eclairage comportant une source de lumiere pixelisee et un capteur de courant
JP2022553317A (ja) * 2019-10-21 2022-12-22 セラバイオニック インコーポレイティド 対象の治療のための電気システム
US11986666B2 (en) 2020-03-19 2024-05-21 Know Bio, Llc Illumination devices for inducing biological effects
US11147984B2 (en) 2020-03-19 2021-10-19 Know Bio, Llc Illumination devices for inducing biological effects
US12011611B2 (en) 2020-03-19 2024-06-18 Know Bio, Llc Illumination devices for inducing biological effects
US11975215B2 (en) 2020-05-26 2024-05-07 Know Bio, Llc Devices and related methods for phototherapeutic treatment of skin
US11695102B2 (en) 2020-06-19 2023-07-04 Creeled, Inc. Active electrical elements with light-emitting diodes
US11259391B2 (en) * 2020-07-15 2022-02-22 General Luminaire Co., Ltd. Method and system for controlling display condition which is pre-written into passive light board by mobile device
US20220161047A1 (en) * 2020-11-23 2022-05-26 RayBalance, Inc. Systems and methods for photobiomodulation
US11654294B2 (en) 2021-03-15 2023-05-23 Know Bio, Llc Intranasal illumination devices
US11878183B1 (en) 2021-06-14 2024-01-23 Jaals, Llc Laser therapy device and method of conducting laser therapy
US11632834B2 (en) * 2021-07-15 2023-04-18 Weida Hi-Tech Corporation Ltd. Serial LED driver with built-in calibratable parameter and LED system using the same
KR102624810B1 (ko) * 2021-07-23 2024-01-15 현광철 광 조사 장치 및 그 제어 방법
CN113597043B (zh) * 2021-09-29 2022-01-18 广州市浩洋电子股份有限公司 一种固定灯的始亮等级方法、系统、存储介质和灯具系统
US12014673B2 (en) 2022-02-07 2024-06-18 Creeled, Inc. Light-emitting diodes with mixed clock domain signaling
US20230422373A1 (en) * 2022-05-17 2023-12-28 Diodes Incorporated LED Color and Brightness Control Apparatus and Method
US20230414962A1 (en) * 2022-06-23 2023-12-28 Mark Sawyer Light therapy system
CN115023014A (zh) * 2022-07-22 2022-09-06 佛山市工匠照明科技有限公司 一种智能迷你灯具控制系统
DE102022212158A1 (de) 2022-11-15 2024-05-16 Kbl Gmbh Körperbestrahlungsvorrichtung für eine Anwendung von aktinischer Strahlung an einem Lebewesen
US12014677B1 (en) 2023-04-10 2024-06-18 Creeled, Inc. Light-emitting diode packages with transformation and shifting of pulse width modulation signals and related methods

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5420768A (en) 1993-09-13 1995-05-30 Kennedy; John Portable led photocuring device
US6459919B1 (en) * 1997-08-26 2002-10-01 Color Kinetics, Incorporated Precision illumination methods and systems
RU2145247C1 (ru) * 1998-04-10 2000-02-10 Жаров Владимир Павлович Фотоматричное терапевтическое устройство для лечения протяженных патологий
US6663659B2 (en) * 2000-01-13 2003-12-16 Mcdaniel David H. Method and apparatus for the photomodulation of living cells
US20050099824A1 (en) * 2000-08-04 2005-05-12 Color Kinetics, Inc. Methods and systems for medical lighting
US20060229690A1 (en) * 2001-03-02 2006-10-12 Shanks Steven C Device that emits laser beams at automatically-changing pulse frequencies
US6974224B2 (en) * 2003-07-30 2005-12-13 Tru-Light Corporation Modularized light processing of body components
JP4247102B2 (ja) * 2003-12-12 2009-04-02 株式会社フューテック 美容機器
WO2005086846A2 (en) * 2004-03-09 2005-09-22 Ledeep, Llc Phototherapy systems and methods
CA2521973C (en) * 2004-09-29 2013-12-10 Tir Systems Ltd. System and method for controlling luminaires
US20090254154A1 (en) * 2008-03-18 2009-10-08 Luis De Taboada Method and apparatus for irradiating a surface with pulsed light
US7896908B2 (en) * 2008-01-08 2011-03-01 Oregon Aesthetic Technologies Skin therapy system
WO2010078581A1 (en) 2009-01-05 2010-07-08 Plextronics, Inc. Organic light emitting diode phototherapy lighting system
US20100274329A1 (en) * 2009-04-24 2010-10-28 Chris Bradley System and method for skin care using light and microcurrents
CA2772424A1 (en) * 2009-09-01 2011-03-10 Smart Technologies Ulc Interactive input system with improved signal-to-noise ratio (snr) and image capture method
US8334662B2 (en) * 2009-09-11 2012-12-18 Iwatt Inc. Adaptive switch mode LED driver
US20110125078A1 (en) * 2009-11-25 2011-05-26 Medtronic, Inc. Optical stimulation therapy
US20120143285A1 (en) * 2010-10-07 2012-06-07 Jian Wang Handheld excitation terminal and emf emitter providing dynamic optimization of emission and therapeutic effect and remote therapeutic system
US9232587B2 (en) * 2011-09-30 2016-01-05 Advanced Analogic Technologies, Inc. Low cost LED driver with integral dimming capability
US9288861B2 (en) * 2011-12-08 2016-03-15 Advanced Analogic Technologies Incorporated Serial lighting interface with embedded feedback
US8779696B2 (en) * 2011-10-24 2014-07-15 Advanced Analogic Technologies, Inc. Low cost LED driver with improved serial bus
WO2013092656A1 (de) * 2011-12-23 2013-06-27 Tridonic Gmbh & Co Kg Led-konverter mit resonantem wandler
US10328276B2 (en) * 2014-02-14 2019-06-25 Applied Biophotonics Ltd. Sinusoidal drive system and method for phototherapy
US9877361B2 (en) * 2012-11-08 2018-01-23 Applied Biophotonics Ltd Phototherapy system and process including dynamic LED driver with programmable waveform
EP3446742B1 (en) * 2013-03-15 2023-06-21 Carewear Corp. Light therapy device
US10594318B2 (en) * 2017-08-29 2020-03-17 City University Of Hong Kong Electric circuit arrangement and a method for generating electric current pulses to a load

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112996559A (zh) * 2018-04-06 2021-06-18 生旭生物科技有限公司 分布式光生物调节疗法系统和方法
TWI787493B (zh) * 2018-04-06 2022-12-21 香港商生旭生物科技有限公司 分佈式光生物調節療法系統和方法
CN112996559B (zh) * 2018-04-06 2023-11-21 生旭生物科技有限公司 分布式光生物调节疗法系统和方法
CN109757011A (zh) * 2019-03-27 2019-05-14 华域视觉科技(上海)有限公司 通用点灯盒
CN109757011B (zh) * 2019-03-27 2024-05-24 华域视觉科技(上海)有限公司 通用点灯盒

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180049270A (ko) 2018-05-10
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WO2014072821A2 (en) 2014-05-15

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