CN219048812U - 一种基于强脉冲光的led脱毛仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光疗技术领域，具体为一种基于强脉冲光的LED脱毛仪。本实用新型LED脱毛仪包括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LED脱毛仪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LED脱毛仪可调多种脉冲光参数，包括频率、占空比、幅值等。强脉冲光峰值光功率密度可达300W/cm2，能量密度达到激光光疗的有效能量密度阈值，可实现有效的大面积的脱毛。
Description
技术领域
本实用新型属于光疗技术领域，具体涉及一种LED脱毛仪。
背景技术
目前，光疗所用的光源主要为激光和LED。其中，激光在医疗领域中的应用较早，已被广泛用于多种临床治疗上。例如：采用低功率810nm的近红光激光治疗眼光眼、飞秒激光、采用808nm低功率激光进行外科手术、采用980nm激光治疗口腔疾病等。例如激光脱毛，其理论依据为选择性光热作用。激光发出的光能量会选择性地被毛球和毛干内的黑色素吸收。后者吸收光能量后，将光能转化为热能，并将热量传递给毛囊毛球和隆突，使毛囊不可逆地被破坏。脱毛的波长在600~1000nm。常用红宝石激光（694nm）、翠绿宝石激光（755nm）、半导体激光（810nm）、Nd:YAG激光（1064nm）。激光脱毛治疗的终点反应是治疗后数分钟内会在毛囊周围出来红斑或水肿。这种终点反应是嗜酸粒细胞的炎症反应, 与毛囊的损伤有关。炎症反应是由于表皮中存在的黑色素也会参与光能量的吸收，使周边组织和细胞受到损伤。此外，激光仅有毫米级的激光光斑面积，使得激光光疗还不适用于较大患处面积等疾病的治疗。
LED具有120°的发光角度，更适用于较大面积患处的光疗，已越来越多地作为光疗设备的光源应用到临床等医疗领域。LED光疗依据光生物调节（PBM）的作用机制，即将光能转移到细胞和细胞器内的分子，促使细胞产生光致化学、电化学和热反应，最终引起细胞基因水平的表达差异和代谢差异。目前，科学家们已发现基于LED的PBM技术在治疗过程中存在双相剂量响应。即过低或过强的光剂量会导致实验结果产生显著差异。这说明采用LED的PBM技术进行治疗时，存在一个最佳光剂量的要求，过低或过高的光剂量均不可取。因此，LED光疗设备有必要进行预实验，以确定不同目标组织的最佳光剂量。
此外，由于LED本身的光能量密度较激光小得多，且角度大的光线在皮肤内的穿透深度有限，使得穿透皮肤到达目标组织的能量密度有限，有时甚至达不到有效能量密度阈值，影响了光疗的效果。因此LED光疗设备需要进一步改进，以使其光能量密度达到激光光疗的阈值。
为解决上述问题，本实用新型提供一种基于强脉冲光的LED脱毛仪，它是基于LED进行研制的，能产生最高达300 W/cm2的峰值光功率密度的脉冲光，能量密度达到激光光疗的有效能量密度阈值，可实现有效的大面积的脱毛。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种能够产生高峰值光功率密度脉冲光的强脉冲光的LED脱毛仪。
本实用新型提供的机遇强脉冲光的LED脱毛仪，由LED光源模块、控制模块、驱动模块、系统外罩和探头外罩组成。LED光源模块用以向外发射强脉冲光。控制模块用以产生控制信号。驱动模块用以接收控制信号并产生驱动信号，以驱动LED光源模块。系统外罩用以封闭LED光源模块、控制模块和驱动模块。探头外罩用于封闭探头。其中：
所述LED光源模块，由LED阵列和电路基板组成。LED阵列由封装大小为1.4mm*1.4mm、电功率为5W的LED颗粒组成， LED阵列的排布采用五并联七串联。LED阵列的光源为单色LED光源或峰值波长不同的多种单色LED光源（LED峰值波长种类N>2，例如，N为3，4，5，等等））。峰值波长范围为200nm~1000nm，光谱半波全宽小于40nm。
LED阵列通过电路基板接收来自驱动模块的工作信号，用以发出光线。
所述控制模块，主要由两个降压电路和一个主要由单片机构成的主控电路构成。第一个降压电路的电路可实现48V-5V的电压转换，用以对单片机供电。另一个降压电路的电路可实现48V-15V的电压转换，用以对驱动模块中的栅极驱动器供电。单片机用以接收用户输入的按键信号，产生并输出控制信号。所述控制信号有连续脉冲信号和脉冲群信号两种。连续脉冲信号为数量无限的PWM脉冲。脉冲群信号由数量有限的脉冲和一个固定的时间段组成。数量有限的脉冲，工作总时间等于所述的数量与周期的乘积。一个固定的时间段，为微秒级或毫秒级。一个固定的时间段，等于所述工作总时间的至少两倍。单片机产生的控制信号传输至驱动模块的六路反相器。
所述驱动模块由四个为大容量电解电容、六路反相器、栅极驱动器、两个场效应管构成。
六路反相器，其输入端与单片机连接，其输出端与栅极驱动器连接，用以增加输入信号的驱动电流。六路反相器的输入端接收控制信号。六路反相器输出幅值5V，最大电流100mA的信号。栅极驱动器，其输入端与六路反相器连接，其输出端与两个N沟道增强型场效应管连接，用以将信号幅值调整为15V，并控制场效应管的开关。栅极驱动器输出幅值15V，最大电流1500mA的信号。两个N沟道增强型场效应管，其漏极、源极与四个大容量电解电容连接，用以控制大容量电解电容的充放电。大容量电解电容，其输出端与LED电源模块连接，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，优选EWH2CM471M30OT型号，470 uf -47000uf。
当本强脉冲光系统接通电源后，其驱动模块具体的工作原理：大容量电解电容开始充电，当大容量电解电容充满电后，大容量电解电容两端的电压与电源的电压相等。通过控制两个场效应管的开关，形成幅值与大容量电解电容两端电压相等的功率脉冲，当两个场效应管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。驱动模块输出脉冲信号的频率、脉宽与控制模块输出的PWM信号的频率与脉宽相等。
本实用新型的有益效果在于：
（1）本实用新型提出的强脉冲光的LED脱毛仪，输出的峰值光功率密度最高可达300 W/cm2，能量密度约15J/cm2，达到低水平激光光疗的能量密度阈值要求；
（2）本实用新型提出的强脉冲光的LED脱毛仪，基于LED研制，光疗光斑面积常为厘米级，比激光的光斑面积大。解决了目前基于LED的PBM技术难点；
（3）本实用新型提出的强脉冲光的LED脱毛仪，强脉冲光可控，多种脉冲光参数可调，包括频率、占空比、幅值等，可实行有效的大面积的脱毛。
附图说明
图1为本实用新型的基本模块关系示意图。
图2为本实用新型的整体示意图。
图3为本实用新型的LED光源模块示意图。
图4为本实用新型的第一个降压电路图。
图5为本实用新型的第二个降压电路图。
图6为本实用新型的驱动模块电路图。
图7为本实用新型的脉冲群模式的周期示意图。
图中标号：1为LED光源模块，2为控制模块，3为驱动模块，4为系统外罩，5为探头外罩，6为LED阵列，7为电路基板，8为固定孔，9为过孔,10为大容量电解电容，11为六路反相器，12为栅极驱动器，13为两个场效应管。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图，对本实用新型的技术方案进一步描述。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护范围。
本实用新型的基本模块关系如图1所示。
基于强脉冲光的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。
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的光源为单色LED光源或峰值波长不同的多种单色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。
控制模块2主要由两个降压电路和一个主要由单片机构成的主控电路构成。第一个降压电路的电路设计如图4所示，可实现48V-5V的电压转换，用以对单片机供电。另一个降压电路的电路设计如图5所示，可实现48V-15V的电压转换，用以对驱动模块3中的栅极驱动器12供电。单片机用以接收用户输入的按键信号，产生并输出控制信号。控制信号有连续脉冲信号和脉冲群信号两种。连续脉冲信号为数量无限的PWM脉冲。PWM脉冲参数为：幅值5V，最大电流20mA，频率范围为0.1~10000 Hz，脉宽范围为1us~1000ms。脉冲群信号由数量有限的脉冲和一个固定的时间段组成。数量有限的脉冲，为10-1000个范围的PWM脉冲。数量有限的脉冲，具体参数为：幅值5V，最大电流20mA，频率范围为0.1~10000 Hz，脉宽范围为1us~1000ms。即最短脉宽为1us，最长脉宽为1000ms。最短脉宽对应的占空比为1%，周期为100us。最长脉宽对应的占空比为10%，周期10s。数量有限的脉冲，工作总时间等于所述的数量与周期的乘积。一个固定的时间段，为微秒级或毫秒级。一个固定的时间段，等于所述工作总时间的至少两倍。单片机产生的控制信号传输至驱动模块3的六路反相器11。
驱动模块3的电路设计如图6所示。驱动模块由为大容量电解电容10，六路反相器11，栅极驱动器12，两个场效应管13构成。
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-47000 uF。
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。
使用本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色素。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。在人体临床脱毛治疗时，采用峰值波长650nm的强脉冲光，给30例患者进行治疗，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。
本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“脉冲群”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群信号。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，脉冲群信号的周期为1.0s。在一个周期内，脉冲群的峰值光功率达到300 W/cm2。由此可算得，在毛囊的热弛豫时间内，经过脉冲群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治疗的相关步骤，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来度量。有效率=（治愈+显效+有效）例数/总例数×100%，其中，治愈:治疗区无肉眼可见粗大毛发；显效:治疗区域平均少于5根/cm2；有效：治疗区平均少于10根/cm2，无效:治疗区平均大于10根/cm2。毛发清除率=（治疗前毛发密度-治疗后毛发密度）/治疗前毛发密度×100%，其中，毛发密度为每平方厘米面积的毛发根数（根/cm2）。
Claims (5)
1.一种基于强脉冲光的LED脱毛仪，其特征在于，由LED光源模块、控制模块、驱动模块、系统外罩和探头外罩组成；LED光源模块用以向外发射强脉冲光；控制模块用以产生控制信号；驱动模块用以接收控制信号并产生驱动信号，以驱动LED光源模块；系统外罩用以封闭LED光源模块、控制模块和驱动模块，探头外罩用于封闭探头；其中：
所述LED光源模块，由LED阵列和电路基板组成；LED阵列由封装大小为1.4mm*1.4mm、电功率为5W的LED颗粒组成； LED阵列的排布采用五并联七串联；LED阵列的光源为单色LED光源或峰值波长不同的多种单色LED光源，多色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；
LED阵列通过电路基板接收来自驱动模块的工作信号，用以发出光线；
所述控制模块，由两个降压电路和一个主要由单片机构成的主控电路构成；第一个降压电路的电路用于实现48V-5V的电压转换，用以对单片机供电；另一个降压电路的电路用于实现48V-15V的电压转换，用以对驱动模块中的栅极驱动器供电；单片机用于接收用户输入的按键信号，产生并输出控制信号；所述控制信号有连续脉冲信号和脉冲群信号两种；连续脉冲信号为数量无限的PWM脉冲；脉冲群信号由数量有限的脉冲和一个固定的时间段组成；数量有限的脉冲，工作总时间等于所述的数量与周期的乘积；一个固定的时间段，为微秒级或毫秒级；一个固定的时间段，等于所述工作总时间的至少两倍；单片机产生的控制信号传输至驱动模块的六路反相器；
所述驱动模块，由四个为大容量电解电容、六路反相器、栅极驱动器、两个场效应管构成；其中，六路反相器，其输入端与单片机连接，其输出端与栅极驱动器连接，用以增加输入信号的驱动电流；六路反相器的输入端接收控制信号；六路反相器输出幅值5V，最大电流100mA的信号；栅极驱动器，其输入端与六路反相器连接，其输出端与两个N沟道增强型场效应管连接，用以将信号幅值调整为15V，并控制场效应管的开关；栅极驱动器输出幅值15V，最大电流1500mA的信号；两个N沟道增强型场效应管，其漏极、源极与四个大容量电解电容连接，用以控制大容量电解电容的充放电；大容量电解电容，其输出端与LED电源模块连接，用以产生驱动信号。
2.根据权利要求1所述的基于强脉冲光的LED脱毛仪，其特征在于，所述控制模块中，所述PWM脉冲参数为：幅值5V，最大电流20mA，频率范围为0.1~10000 Hz，脉宽范围为1us~1000ms；所述数量有限的脉冲，为10-1000个范围的PWM脉冲；所述数量有限的脉冲，具体参数为：幅值5V，最大电流20mA，频率范围为0.1~10000 Hz，脉宽范围为1us~1000ms；即最短脉宽为1us，最长脉宽为1000ms；最短脉宽对应的占空比为1%，周期为100us；最长脉宽对应的占空比为10%，周期10s。
3.根据权利要求1所述的基于强脉冲光的LED脱毛仪，其特征在于，所述驱动信号的具体参数为：幅值范围为0-50V，电流范围为0-200A。
4.根据权利要求1所述的基于强脉冲光的LED脱毛仪，其特征在于，所述大容量电解电容容量为470 uf -47000uf。
5.根据权利要求1所述的基于强脉冲光的LED脱毛仪，其特征在于，LED阵列的光源的峰值波长为630nm和660nm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220296299A1 (en) * | 2019-01-15 | 2022-09-22 | Boston Scientific Scimed, Inc. | Alignment method and tools |
| CN115445095A (zh) * | 2022-08-06 | 2022-12-09 | 复旦大学 | 一种强脉冲光系统 |
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2022
- 2022-08-06 CN CN202222060628.3U patent/CN219048812U/zh active Active
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