用于治疗脑疾病的近红外光治疗仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种近红外光治疗仪，包括能发射近红外光的光源、光源的载体，固定载体的半球面支架，驱动所述光源发光的驱动器、用于向驱动器提供控制光源的信号控制器、整个系统的信息输入输的人机交互模块以及电源模块，所述人机交互模块与控制器的输入端连接，控制器的输出端与驱动器的输入端连接，驱动器的输出端与光源连接，所述电源模块与驱动器、控制器、人机交互模块连接；所述光源照射范围覆盖整个前额，下齐眉骨，包绕太阳穴，头顶，后脑勺，下齐颈部上缘，所述光源的波长范围为600nm～900nm。我们独创性地将近红外光引入到头部功能疾病的治疗当中，提供了一种无创的，成本低廉、方便实用的脑部功能疾病的治疗仪器。
【专利说明】用于治疗脑疾病的近红外光治疗仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物医学工程【技术领域】，具体是一种用于治疗脑疾病的近红外光治疗仪。
【背景技术】
[0002]近些年来脑部疾病的种类越来越多，发病率也越来越闻,例如中风、创伤后脑功能异常症、少儿多动症、抑郁症、阅读障碍、记忆缺失、更年期综合症、老年痴呆症等。脑功能疾病对人类健康的危害越来越大，它不但影响病人的寿命和生活品质/状况，甚至影响病人家庭的幸福。人们对脑部疾病预防和治疗的需求也是越来越大。目前主要治疗方法是药物治疗或手术治疗，还有养生治疗、中医治疗等辅助治疗。药物治疗会产生副作用、毒性反应、变态反应、继发性反应、后遗效应和致畸作用，对人体的伤害是不可估量的。手术治疗属于有创治疗，对人脑的伤害极大，其后遗症随时都有可能造成病人肢体麻木、疼痛、运动不灵、语言不利，甚至脑瘫等情况。养生疗法和中医疗法的疗效目前还处在不被广泛认可或疗效不明确不可控的阶段。脑功能疾病治疗需要新更好的技术。
[0003]随着科技的发展与进步，以及人们对脑健康的重视，新兴的治疗方式也随之产生。目前开始进入市场的新治疗手段，有磁共振治疗、红外线治疗。但是，这些治疗都有一些弊端:磁共振治疗因其条件有限未能在大部分人群中普及开来，存在电离辐射对人体的危害，而且身体内有金属的人不能用；红外线治疗，则是基于热作用的治疗，不是根本性治疗，无法达到治疗预期效果。
[0004]目前相关的属于新型脑疾病治疗技术的专利申请中，有一项是用电磁波对脑部疾病进行治疗，即发明专利W02011072472A1，该项专利采用532nm、980nm、1470nm、2000nm以及2100nm波长电磁波辐射来实现治疗，主要利用热作用来治疗，与本发明不同。另一项相关发明专利CN102186538A，通过产生脉冲电磁场对脑部治疗，同样与本发明技术治疗机理不同，而且其对人的身体治疗存在条件限制，还带辐射伤害，并且技术要求高，治疗设施昂虫贝ο
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种无创的光治疗脑功能疾病的仪器，该仪器通过调节照射到脑部内病灶组织区域、照射强度、辐照时长以及闪烁频率，使光以一定的强度和闪烁频率照射到指定的病灶，一方面，使该区域的线粒体及相关酶活性升高或大量增加，从而引起一系列较强的生理反应，进而修复受损神经元；另一方面，照射使该区域的血液动力学增强，也进一步促进病灶区域的修复，从而对小儿多动症，抑郁，中风和更年期综合征等脑疾病产生显著的疗效。
[0006]我们提出一种基于近红外光治疗脑功能疾病的发明。该技术通过近红外光的照射，利用其光电生物效应活跃脑部特定部位的线粒体，从而提高酶的代谢，使细胞再生来修复神经元组织；同时近红外光还可以促进局部渗出物的吸收，使血管扩张，血流加速，有明显的增强血液循环的作用，疏通病灶区域的栓塞，以及增强脑疾病修复所必需的血氧供应和代谢，以产生显著的治疗效果。我们独创性地将近红外光引入到头部功能疾病的治疗当中，提供了一种无创的，成本低廉、方便实用的脑部功能疾病的治疗仪器。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为本发明近红外光治疗仪结构示意图；
[0008]图2为本发明圆形光源载体的连接图；
[0009]图3为本发明光源载体上光源的分布图一(R = 15mm, LED呈放射状排布，包含13颗 LED)；
[0010]图4为本发明光源载体上光源的分布图二(R = 15mm, LED呈行列式排布，包含11颗 LED)；
[0011]图5为本发明光源载体上光源的分布图三(R = 20mm, LED呈放射状排布，包含19颗 LED)；
[0012]图6为本发明光源载体上光源的分布图四(R = 20mm, LED呈行列式排布，包含16颗 LED)；
[0013]图7为本发明多边形光源载体及其光源分布示意图；
[0014]图8为本发明治疗仪使用状态图；
【具体实施方式】
[0015]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0016]本发明提供一种近红外光治疗仪，包括能发射近红外光的光源、光源的载体，固定载体的半球面支架、驱动所述光源发光的驱动器、用于向驱动器提供控制光源的信号控制器、整个系统信息输入输出的人机交互模块以及电源模块。所述光源最大照射范围覆盖整个头部，包括整个前额，下齐眉骨，包绕太阳穴，头顶，后脑勺，下齐颈部上缘。
[0017]本发明的光源载体的形状可以是圆形,所述圆形载体的直径为20mm?60mm,对于未加弯曲的载体，其直径优选值为20mm?30mm ;当圆形载体的直径为30mm?60mm时,通过增加一定的弯曲度，以改善与脑外表面的贴合度，弯曲的曲率半径应大于圆块半径的数倍，该倍数范围应大于2。
[0018]本发明的光源载体的形状还可以是多边形，所述多边形载体的边长为Omm?60mm,对于未加弯曲的多边形载体,多边形载体的边长优选为1mm?30mm。当多边形载体的边长为30_?60mm时,通过增加一定的弯曲度，以改善与脑外表面的贴合度，弯曲的曲率半径应大于多边形最长对角线的数倍，该倍数范围应大于2。
[0019]本发明所述光源的载体可以使用线和光源载体上的孔进行相互连接，将载体串成半球面状的近红外光源支架，所述线可以采用弹性和非弹性材料。所述孔位于载体上，对于圆形载体，孔距圆周3mm?5mm,直径为0.5mm?2mm,每块圆形载体包含6个孔,相邻两个孔与圆心连线的夹角为60° ;对于多边形载体，孔位于每条边的中垂线上，距边3mm?5mm，直径为0.5mm?2mm。
[0020]本发明所述光源的载体还可以嵌入带有圆形镂空或多边形镂空的半球面状的支架内。半球面状支架的材料可以是弹性和非弹性的。对于圆形镂空支架，相邻两圆形镂空圆心间的球面距离为2R+lmm?2R+10mm(R为圆形镂空的半径)；对于多边形镂空,两相邻多边形相邻边间距离为Imm?1mm,典型值为3mm?8mm。
[0021]所述光源的载体上分布着一个以上的近红外光源。所述近红外光源可采用集成近红外LED，也可以采用光纤传输近红外光并通过散射片散射形成与光源载体投射面积和形状相同的光源。
[0022]所述近红外光源可以以行列方式排列于光源载体上，相邻两光源间距5mm?15mm,最外层光源距圆周或多边形边的距离为3mm?8mm。
[0023]所述近红外光源还可以以同心圆放射状分布于光源载体上。对于圆形载体，最外层光源距圆周的距离为3mm?8mm，优选值为4mm，5mm ;相邻两层光源沿径向的距离为5mm?8mm,优选值为5mm, 6mm, 7mm ;各层相邻两光源与圆心连线的夹角为10°?120° ,优选值为10°，15° ,30° ,40° ,60° ,90° ,120° ;对于多边形载体，最外层光源距离其临近边的距离为3mm?8mm,优选值为4mm, 5mm ;相邻两层光源沿径向的距离为5mm?8mm,优选值为5mm, 6mm, 7mm ;各层相邻两光源与多边形中心连线的夹角为10°?120° ,典型值为
10。,15° ,30° ,40° ,60° ,90° ,120° 。
[0024]所述近红外光源在载体上以串联或并联或串并联结合方式连接在一起，并通过一个统一驱动接口引出，所述驱动接口位于载体的非LED面。
[0025]所述近红外光源波长范围为600nm?900nm,优选值为780nm?850nm。
[0026]本发明的所述驱动器用于驱动光源，使光源发射近红外线。其输出端与所述光源载体驱动接口连接，输入端与控制器连接。所述驱动器包括模拟调光信号发生器或数字调光信号发生器或两者同时包含。
[0027]所述控制器用于向驱动器提供控制光源的信号，接受并处理人机交互的输入信号，提供显示器显示信号等。控制器通过数字调光接口和模拟调光接口与驱动器连接，通过地址线和数据线与人机交互模块连接。
[0028]本发明的人机交互模块包括信息输入设备和信息输出设备。所述信息输入设备的输入信息包括光源亮灭状态、亮度、闪烁频率、辐照时间等控制器决策信号，信息输出设备显示设备的状态信息，包括光源的电流大小、闪烁频率、亮灭状态、已辐照时间和病人信息等；信息输入输出设备与控制器可以通过有线或无线的方式连接。
[0029]本发明的电源模块包括主电源和辅助电源，主电源为驱动器供电，辅助电源为除驱动器以外的其他设备供电。
[0030]实施例1:
[0031]在本实施例中，采用圆块电路板作为光源载体，采用近红外发光LED作为近红外光源，通过圆块电路板上的孔，使用弹性绳将模块串接成头盔状。采用的圆块电路板的直径为 15mm。
[0032]在图2中展示了圆块电路板的连接方式。如图2中所示，每块电路板上有六个圆孔，每个孔圆心距电路板圆周的距离Dl,取值范围应满足1.5mm ^ Dl ^ 3mm,圆孔直径rl,取值范围应满足0.5mm ^rl ^ 2_，相邻两圆孔与电路板圆心连线之间的夹角为60°。电路板通过穿过圆孔的弹性绳相互连接形成LED光源载体。共需要59块圆块电路板。
[0033]在本实施例中，每块圆块电路板上的LED分布按同心圆放射状排列，共需13颗LED，构成近红外光发射阵列。如图3所示，LED采用放射状排布，其中，D3为最外层LED距圆周的距离，取值范围应满足3mm彡D3彡8mm,典型值为4mm，5mm ；D2为相邻两层LED沿径向的距离，取值范围应满足5mm ^ D2 ^ 8mm,典型值为5mm, 6mm, 7mm ;本实施例中，每块圆块电路板上分布三层LED光源。α、β分别为最外层和次外层相邻两颗LED与圆心连线的夹角，α =40°，β = 120°。每块圆块电路板上的所有LED采用串联方式连接。
[0034]本实施例的驱动器采用集成LED驱动芯片，最大3通道输出，每个通道可驱动一个圆块电路板上的所有LED。芯片包括3个独立的模拟调光端口和3个数字调光端口，通过调节模拟调光端口上的电压大小控制对应通道的电流(电压)大小(即LED的亮度)，通过控制数字调光端口上的电平高低控制对应通道的开关，即LED的亮灭，通过在此通道输入一定频率方波，实现LED闪烁。
[0035]本实施例包括59块圆块电路板，共需59路独立模拟电压信号和59路独立数字方波信号，分别用以模拟调光和亮灭控制。
[0036]模拟电压信号通过3-8译码器和8通道8位DA芯片配合控制器产生，本实施例中共用I片3-8译码器和8片上述DA芯片，8片DA公用一条8位数据总线，通过地址编码，使一次只能一片DA的一个通道可以得到数据总线上的数据。3-8译码器的每一个输出都接至一片DA芯片的转换控制引脚。对于3-8译码器的三个地址输入端(作为片选)，可编码8个输出端，对于一个地址输入，只有一个输出端有效，对应连连接于此的DA芯片也使能DA转换，DA芯片也具有3个地址输入端(作为位选)，编码8个DA转换通道。即可通过6个地址位编码64个DA输出通道，进而可产生64路独立的电压信号。
[0037]数字方波信号通过3-8译码器和8位锁存器芯片配合控制器实现。本实施例公用I片3-8译码器和8片8位锁存器，8片锁存器共用一条8位数据总线，通过地址编码，使某一时刻数据总线上的的数据只能输出到一片锁存器的输出端上。3-8译码器的每一个输出都接至一片锁存器芯片时钟引脚。对于3-8译码器的三个地址输入端，可编码8个输出端，对于一个地址输入，只有一个输出端有效，当此输出由无效变为有效是时，在接至此引脚的锁存器芯片的时钟引脚上产生一个时钟沿，此时钟沿可触发锁存器将8为输入数据传至输出端，当上述有效位再次变为无效时，产生一个相反方向时钟沿，使锁存器输出不再跟随锁存器输入，因此可通过时钟沿的有无来决定输出是改变还是保持，共可产生独立64路数字方波信号。
[0038]本实施例的控制器采用单片机作为控制核心，通过程序控制通用1 口，作为数字方波信号发生模块和模拟电压信号发生模块的地址输入(包括片选和位选)和数据输入，实现对每块圆块电路板上LED的亮灭以及亮度的控制。
[0039]人机交互模块由键盘和显示器组成，键盘采用4x4矩阵键盘，键盘驱动程序采用行扫描法。显示器可以采用OLED显示屏。
[0040]本发明的电源模块，包括主电源和辅助电源。主电源提供给集成LED驱动器和辅助电源使用，所需电压较高，采用220V输入36V输出的开关电源模块；辅助电源主要用于控制器，键盘和显示器供电，电压比较低，采用三端稳压器从主电源降压得到。
[0041]实施例2:
[0042]本实施例采用如图4所示的LED排布方式，其他部分与实施例1完全相同。
[0043]实施例3:
[0044]本实施例采用如图5所示的LED排布方式，且圆块电路板的半径R = 20，其他部分与实施例1完全相同。
[0045]实施例4:
[0046]本实施例采用如图6所示的LED排布方式，且圆块电路板的半径R = 20，其他部分与实施例1完全相同。
[0047]实施例5:
[0048]本实施例的光源载体采用多边形光源载体，光源分布采用同心圆放射状分布，其它部分与实施例1完全相同。如图7所示。
[0049]实施例6:
[0050]本实施例的人机交互模块采用触摸屏代替实施例1中的键盘和显示器，其他部分与实施例1完全相同。
[0051]实施例7:
[0052]本实施例的人机交互模块采用PC机来实现，PC机与微控制器之间通过UART实现信息的交换。如图8。
[0053]实施例8:
[0054]本实施例的人机交互模块采用手机来实现，手机与为控制器之间通过蓝牙或者WiFi实现通信。
[0055]本发明的近红外线主要采用的是光电生物效应，具体一点就是:利用其光电生物效应活跃脑部特定部位的线粒体，从而提高酶的代谢，使细胞再生来修复神经元组织；同时近红外光还可以促进局部渗出物的吸收，使血管扩张，血流加速，有明显的增强血液循环的作用，疏通病灶区域的栓塞，以及增强脑疾病修复所必需的血氧供应和代谢。
[0056]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种近红外光治疗仪，其特征在于，包括能发射近红外光的光源、光源的载体，固定载体的半球面支架，驱动所述光源发光的驱动器、用于向驱动器提供控制光源的信号控制器、整个系统的信息输入输的人机交互模块以及电源模块，所述人机交互模块与控制器的输入端连接，控制器的输出端与驱动器的输入端连接，驱动器的输出端与光源连接，所述电源模块与驱动器、控制器、人机交互模块连接；所述光源照射范围覆盖整个前额，下齐眉骨，包绕太阳穴，头顶，后脑勺，下齐颈部上缘，所述光源的波长范围为600nm?900nm。
2.根据权利要求1所述的近红外光治疗仪，其特征在于，所述光源的载体形状为圆形，该圆形载体的直径为20mm?60mm ;对于未加弯曲的圆形载体,优选直径为20mm?30mm ;直径为30_?60_的圆形载体,通过增加一定的弯曲度，以改善与脑外表面的贴合度，弯曲的曲率半径为圆块半径的2倍以上。
3.根据权利要求1所述的近红外光治疗仪，其特征在于，所述光源的载体形状为多边形，该多边形载体的边长为Omm?60mm ;对于未加弯曲的多边形载体,优选边长为1mm?30mm ;边长为30mm?60mm的多边形载体,通过增加一定的弯曲度，以改善与脑外表面的贴合度，弯曲的曲率半径大于多边形最长对角线的2倍以上。
4.根据权利要求2或3所述的近红外光治疗仪，其特征在于，包括若干光源的载体，光源的载体之间使用线和载体上的孔进行相互连接，将光源的载体串成半球面状的支架。
5.根据权利要求4所述的近红外光治疗仪，其特征在于，对于圆形的载体，孔距圆周1.5mm?5mm,孔直径为0.5mm?2mm,每块圆形载体包含6个孔,相邻两个孔与圆心连线的夹角为60° ;对于多边形载体，孔位于每条边的中垂线上，孔距边3mm?5mm，孔直径为0.5mm ?2mm。
6.根据权利要求2或3所述的近红外光治疗仪，其特征在于，所述光源的载体嵌入带有圆形镂空或多边形镂空的半球面状的支架内，半球面状支架的材料可以是弹性或非弹性的；对于圆形镂空支架，相邻两圆形镂空圆心间的球面距离为2R+lmm?2R+10mm, R为圆形镂空的半径；对于多边形镂空支架，两相邻多边形相邻边间距离为Imm?10mm，优选为3mm ?8mm η
7.根据权利要求2或3所述的近红外光治疗仪，其特征在于，所述载体上分布有一个以上的近红外光源，所述近红外光源采用集成近红外LED，或者采用光纤传输近红外光并通过散射片散射形成与光源载体投射面积和形状相同的光源。
8.根据权利要求2或3所述的近红外光治疗仪，其特征在于，所述近红外光源以行列方式排列于光源载体上，相邻两光源间距5mm?15mm，最外层光源距圆周或多边形边的距离为3mm?8mm ；或 所述近红外光源以同心圆放射状分布于光源载体上，对于圆形载体，最外层光源距圆周的距离为3mm?8mm,优选为4mm或5mm，相邻两层光源沿径向的距离为5mm?8mm，优选为5mm或6mm或7mm,各层相邻两光源与圆心连线的夹角为10°?120° ,优选为10° ,15° ,30° ,40° ,60° ,90° ,120° ;对于多边形载体，最外层光源距离其临近边的距离3mm?8mm,优选值为4mm或5mm ;相邻两层光源沿径向的距离为5mm?8mm,优选值为5mm或6mm或7mm，各层相邻两光源与多边形中心连线的夹角为10°?120°，或值为10°，15°，30。 ,40° ,60° ,90° ,120° 。
9.根据权利要求8所述的近红外光治疗仪，其特征在于，所述近红外光源在载体上以串联或并联或串并联结合方式连接在一起，并通过一个统一驱动接口引出，所述驱动接口位于载体的非LED面。
10.根据权利要求1所述的近红外光治疗仪，其特征在于，所述光源的波长范围为780nm ?850nm。
【文档编号】A61N5/06GK104162233SQ201410450333
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】李婷, 胡晓翔 申请人:电子科技大学