一种强脉冲光系统

1.本发明属于光疗技术领域，具体涉及强脉冲光系统。

背景技术：

2.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上。例如：采用低功率810nm的近红光激光眼光眼、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。
3.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。
4.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。
5.为解决上述问题，本发明提供一种强脉冲光系统。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。本系统既能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。基于本系统还可进一步地研制适用于多种疾病的光疗设备或非医学用途的光照设备。

技术实现要素：

6.本发明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强脉冲光系统。
7.本发明提供的强脉冲光系统，包括led光源模块、控制模块、驱动模块和外罩；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；外罩用以封闭部分led光源模块、控制模块和驱动模块；其中：所述强脉冲光，其脉冲光的峰值光功率密度能达到300 w/cm2，通常使用时控制范围为100~300 w/cm2。
8.所述led光源模块，由一种或多种led阵列光源和电路基板组成；所述led光源模块与所述驱动模块连接。其中，led阵列为单led光源或峰值波长不同的多种单led光源（led峰值波长种类n》2，例如，n为3，4，5，等等）。进一步地，其中心波长范围为200nm~1000nm，光谱半波宽小于40nm。
9.所述控制模块，主要由两个降压电路和一个由单片机构成的主控电路构成。控制信号由所述单片机产生。所述控制信号，有连续脉冲信号和脉冲信号两种。
10.其中，所述连续脉冲信号为数量无限的pwm脉冲；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。所述脉冲信号由数量有限的脉冲和一个固定的时间段组成；所述数量有限的脉冲为10-1000个范围的pwm脉冲。
11.进一步地，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。所述最短脉宽对应的占空比为1%，周期为100us。所述最长脉宽对应的占空比为10%，周期10s。所述数量有限的脉冲，工作总时间等于所述的数量与周期的乘积。所述的一个固定的时间段，为微秒级或毫秒级。所述的一个固定的时间段，等于所述工作总时间的至少两倍。
12.所述驱动模块，由四个电解电容、两个n沟道增强型场效应管、一个栅极驱动器、一个六路反相器组成；其中：所述六路反相器，其输入端与所述单片机连接，输出端与所述栅极驱动器连接；输入端接收所述控制信号。其中，输出端输出幅值5v，最大电流100ma的信号；所述栅极驱动器，其输入端与所述六路反相器连接，输出端与所述两个n沟道增强型场效应管连接，用以控制所述场效应管的开关；进一步地，所述栅极驱动器的输出端输出幅值15v，最大电流1500ma的信号；所述两个n沟道增强型场效应管，其输出端与所述四个电解电容连接，用以控制所述电解电容的充放电。所述四个电解电容，产生所述驱动信号。进一步地，所述驱动信号，具体参数为：幅值范围为0-50v，电流范围为0-200a；所述四个电解电容，优选ewh2cm471m30ot型号，四个电解电容的容量要求分别小于47000 uf，例如为47 uf
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47000 uf ；优选为47uf
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470uf，或者为470uf
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47000uf，进一步优选470 uf
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4700 uf。具体根据实际应用对象的需要确定。
13.本发明还涉及基于上述强脉冲光系统的光疗仪。具体地，是按光疗对象的具体要求，配置相应的上述强脉冲光系统，组成相应的光疗仪。
14.本发明的有益效果在于：（1）本发明提出的强脉冲光系统，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）本发明提出的强脉冲光系统，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）本发明提出的强脉冲光系统可控，多种脉冲光参数可调，包括频率、占空比、幅值等，可用于光疗设备，还可用于基于led的pbm技术的双相剂量响应研究。
附图说明
15.图1为本发明的模块关系示意图。
16.图2为本发明实施例1的整体示意图。
17.图3为本发明实施例1的led光源模块示意图。
18.图4为本发明实施例1的第一个降压电路图。
19.图5为本发明实施例1的第二个降压电路图。
20.图6为本发明实施例1的驱动模块电路图。
21.图7为本发明实施例1的脉冲模式的周期示意图。
22.图8为本发明实施例2的led灰指甲光疗仪示意图。
23.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led光源模块，15为控制模块，16为驱动模块，17为装置外壳，18为led阵列，19为电路基板，29为缠带，21为柔性外壳。
具体实施方式
24.下面将结合实施例和附图，对本发明的技术方案进一步描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
25.本发明的强脉冲光系统各模块关系如图1所示。由于基于本系统研制的光疗仪和非医用的照明设备种类繁多。在此，举两个实施例。实施例1为基于强脉冲光系统研制的led脱毛仪。实施例2为基于强脉冲光系统研制的led灰指甲光疗仪。
26.实施例1，一种基于强脉冲光系统的led脱毛仪。led脱毛仪由led光源模块1、控制模块2、驱动模块3、系统外罩4和探头外罩5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。外罩4用以封闭led光源模块1、控制模块2和驱动模块3。外罩5用于封闭探头。
27.led光源模块1，如图3所示。该模块由led阵列6和电路基板7组成。led阵列6由封装大小为1.4mm*1.4mm、电功率为5w的led颗粒组成，具体型号为luxeon rubix，led阵列6的排布采用五并联七串联。led阵列6的光源为单led光源或峰值波长不同的多种单led光源（led峰值波长种类n》2）。峰值波长范围为200nm~1000nm，光谱半波全宽小于40nm。本脱毛仪优选630nm和660nm峰值波长的led作为led阵列6的光源。led阵列6通过电路基板7接收来自驱动模块3的工作信号，用以发出光线。电路基板7具有两个固定孔8，用以将led光源模块1固定于探头罩5内部。电路基板7中有多个过孔9。
28.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。
29.驱动模块3的电路设计如图6所示。驱动模块由为大容量电解电容10，六路反相器11，栅极驱动器12，两个场效应管13构成。
30.六路反相器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、源极与大容量电解电容10连接，用以控制大容量电解电容10的充放电。大容量电解电容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。大容量电解电容10，优选ewh2cm471m30ot型号，容量为470uf。
31.当本强脉冲光系统接通电源后，其驱动模块3具体的工作原理：大容量电解电容10开始充电，当大容量电解电容10充满电后，大容量电解电容10两端的电压与电源的电压相等。通过控制两个场效应管13的开关，形成幅值与大容量电解电容10两端电压相等的功率脉冲，当两个场效应管13上方的场效应管导通、下方的场效应管关断时，可在短时间内可输出大电流，实现大电流脉冲。驱动模块3输出脉冲信号的频率、脉宽与控制模块2输出的pwm信号的频率与脉宽相等。led光源模块1中的led阵列6，由于流经的峰值电流非常大，考虑若长时间大电流流经会使led阵列6的发热严重。为延长led光源模块中的led阵列6的寿命，建议将控制模块2中的pwm脉冲的占空比设定在1%以下。
32.使用实施例1的脱毛仪对腋下的体毛进行脱毛处理。目标细胞为毛囊组织的黑素。已有文献表明，脱毛的有效能量密度阈值为5j/cm2，适用的低强度激光光疗的光剂量密度常为10j/cm2。在人体临床脱毛时，采用峰值波长650nm的强脉冲光，给30例患者进行，治愈率达100%。2017—2020年间皖西卫生职业学院附属医院皮肤科收治的189例脱毛患者中，中等光能量密度（20~30 j/cm2）和高光能量密度（30~40 j/cm2）的激光光疗技术均能显著脱毛并减少并发症的发生率。
33.本实验例1中的脱毛仪发出的光功率密度最高达300 w/cm2。根据已有的文献数据结果，在脱毛仪的使用过程中，优选用户在控制模块中选择“脉冲”信号模式，以保证光疗的效果，同时延长led光源模块1中的led阵列6的使用寿命。led光疗脱毛的光生物调节pbm原理为：在毛囊的热弛豫时间内使用多个脉冲光，这些脉冲光的能量叠加在一起就会使得单位时间的能量密度超过脱毛的有效能量密度阈值。当足够的光能量打到毛囊细胞时，将导致其坏死。具体的，假定毛囊的热驰豫时间为100ms，如图7所示，选定脱毛仪的控制信号为脉冲信号。设定数量有限的脉冲的具体参数为：幅值为50v，脉宽为1ms，占空比50%，周期为2ms，数量50个，所以工作总时间等于则100ms。固定的时候段设定为900ms，为工作总时间的9倍。因此，脉冲信号的周期为1.0s。在一个周期内，脉冲的峰值光功率达到300 w/cm2。由此可算得，在毛囊的热弛豫时间内，经过脉冲信号的一个周期时间后，毛囊细胞累计接收的总能量密度等于15j/cm2。该总能量密度高于低强度激光用于脱毛的有效能量密
度阈值，因此本脱毛仪能有效脱毛。然后具体的脱毛仪使用操作，可参考常规激光用于脱毛的相关步骤，最终可达到较大面积脱毛的效果。疗效主要通过计算有效率和毛发清除率。有效率=(治愈+显效+有效)例数/总例数
×
100%，其中，治愈:区无肉眼可见粗大毛发;显效:区域平均少于5根/cm2；有效：区平均少于10根/cm2，无效:区平均大于10根/cm2。毛发清除率=(前毛发密度-后毛发密度)/前毛发密度
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100%，其中，毛发密度为每平方厘米面积的毛发根数(根/cm2)。
34.实施例2，提供一种基于强脉冲光系统的led灰指甲光疗仪。红毛癣菌是毛癣菌属下的一个种，是一种人源的皮癣菌。红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。目前的一般使用止痒杀菌的药膏进行涂抹患处。本实施例2的led灰指甲光疗仪，依据强脉冲光对红毛癣菌的灭活基理，是基于强脉冲光系统进行研制的。led灰指甲光疗仪由led光源模块14、控制模块15、驱动模块16、装置外壳17组成，如图8所示。led光源模块14用以向外发射强脉冲光。控制模块15用以产生控制信号。驱动模块16用以接收控制信号并产生驱动信号，以驱动led光源模块14。装置外壳17用以封闭led光源模块14、控制模块15和驱动模块16，与用户患处隔开。
35.led光源模块14由led阵列18、电路基板19、缠带20和柔性外壳21组成，用以向患处发出光照。led阵列18在电路基板19的正面，朝向柔性外壳21内侧，用以发出光线。电路基板19背面固定于缠带20的侧面，正面与柔性外壳21连接，用以接收来自驱动模块16的信号，并传输至led阵列18。柔性外壳21固定在电路基板19的正面，用以隔离用户患处与led阵列18。缠带20用以方便用户包裹指甲患处，使柔性外壳21与患处相对而贴。led阵列18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18的排布优选五并联七串联。电路基板19具有两个固定孔，用以固定于缠带 20的侧面。电路基板19中有多个过孔。电路基板19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21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14发出的光线，其峰值脉冲光功率密度范围为10-300w/cm2。
36.控制模块15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。实现方式同实施例1的控制模块2：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16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16的六路反相器11。
37.驱动模块16的电路设计如图6所示。驱动模块16由为大容量电解电容10，六路反相器11，栅极驱动器12，两个场效应管13构成。实现方式同实施例1的驱动模块3。
38.装置外壳17，选用金属或其他不导电的材料制成，用以封闭控制模块15和驱动模块16。装置外壳17朝上一面有机械按钮，用以供用户输入设置参数。装置外壳17与缠带20之间有一连接线，用以将驱动模块16产生的信号传输至led光源模块14。
39.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，使外壳21与患处接触贴稳，开启光疗。步骤参考激光光疗的步骤。
40.真菌学疗效评价：分别于结束及结束后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%。

技术特征：

1.一种强脉冲光系统，其特征在于，包括led光源模块、控制模块、驱动模块和外罩；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；外罩用以封闭部分led光源模块、控制模块和驱动模块；其中：所述强脉冲光，其脉冲光的峰值光功率密度达到300 w/cm2；所述led光源模块，由一种或多种led阵列光源和电路基板组成；所述led光源模块与所述驱动模块连接；所述led阵列为单led光源，或为峰值波长不同的多种单led光源，led峰值波长种类n>2，其中心波长范围为200nm~1000nm，光谱半波宽小于40nm；所述控制模块，由两个降压电路和一个由单片机构成的主控电路构成；控制信号由所述单片机产生；所述控制信号有连续脉冲信号和脉冲信号两种；所述驱动模块，由四个电解电容、两个n沟道增强型场效应管、一个栅极驱动器、一个六路反相器组成；其中：所述六路反相器，其输入端与所述单片机连接，输出端与所述栅极驱动器连接；输入端接收所述控制信号；所述栅极驱动器，其输入端与所述六路反相器连接，输出端与所述两个n沟道增强型场效应管连接，用以控制所述场效应管的开关；所述两个n沟道增强型场效应管，其输出端与所述四个电解电容连接，用以控制所述电解电容的充放电。2. 根据权利要求1所述的强脉冲光系统，其特征在于，所述四个电解电容，其容值分别为47 uf
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47000 uf。3. 根据权利要求2所述的强脉冲光系统，其特征在于，所述控制模块中，所述连续脉冲信号为数量无限的pwm脉冲；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；所述脉冲信号由数量有限的脉冲和一个固定的时间段组成；所述数量有限的脉冲为10-1000个范围的pwm脉冲。4. 根据权利要求3所述的强脉冲光系统，其特征在于，所述控制模块中，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；所述最短脉宽对应的占空比为1%，周期为100us；所述最长脉宽对应的占空比为10%，周期10s；所述数量有限的脉冲，工作总时间等于所述的数量与周期的乘积；所述的一个固定的时间段，为微秒级或毫秒级；所述的一个固定的时间段，等于所述工作总时间的至少两倍。5.根据权利要求4所述的强脉冲光系统，其特征在于，所述六路反相器，其输出端输出幅值5v，最大电流100ma的信号。6.根据权利要求5所述的强脉冲光系统，其特征在于，所述栅极驱动器，其输出端输出幅值15v，最大电流1500ma的信号。7.根据权利要求6所述的强脉冲光系统，其特征在于，所述四个电解电容，产生所述驱动信号；所述驱动信号，具体参数为：幅值范围为0-50v，电流范围为0-200a。

技术总结

本发明属于光疗技术领域，具体为一种强脉冲光系统。本发明强脉冲光系统包括LED光源模块、控制模块、驱动模块和外罩；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；本强脉冲光系统能在短时间内产生高能量的光照，满足单位时间内目标组织的接收的有效光能量要求。本系统可调多种脉冲光参数，包括频率、占空比、幅值等，可用于基于LED的PBM技术的双相剂量响应研究。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，可用于光疗设备，还可用于基于LED的PBM技术的双相剂量响应研究。PBM技术的双相剂量响应研究。PBM技术的双相剂量响应研究。