一种紫外光疗系统及其使用方法与流程

本发明涉及光电，具体涉及一种紫外光疗系统及其使用方法。

背景技术：

1、维生素d具有广泛的生理作用，其主要功能包括调节体内钙、磷代谢，维持血钙和血磷的水平。维生素d不足，不仅可导致老年人骨质疏松、骨折、关节疼痛，同时增高糖尿病、免疫性疾病、神经系统疾病、感染性疾病的风险。

2、人体内源性维生素d约 80% -90% 在皮肤的表皮层合成，仅10-20% 从食物中摄取。晒太阳是补充维生素d最简单、经济的方法。医学研究证明：发光二极管（led，lightemitting diodes）产生的紫外光，是具备安全性的自然阳光替代品。与自然阳光相比，led紫外光在皮肤中产生维生素d3的效率更高，效果更好。

3、国内外已试制成功多种紫外光疗器械，用于动物和人体试验、取得了明显疗效。在光疗专业领域存在以下待解决的技术问题：

4、可穿戴紫外光疗的特殊性在于，一方面，led（light-emitting diode）贴近皮肤照射，才能产生显著疗效。另一方面，紫外线是一种不可见辐射。如果不慎照射剂量超过安全限，紫外辐射可能伤害眼和皮肤。

5、（1）光疗专业领域有待解决“既要近距离照射皮肤，又要减弱led光斑功率密度”的问题；

6、mini led的发光功率虽小，但该器件是一种“点光源”，其管芯的功率密度却很高。

7、以1 mw级mini led为例, 其芯片输出面的功率密度高达1w量级（管芯 50µm*300µm）。在贴近皮肤的状态下，此功率密度数据远大于相关的医用安全标准。

8、已公开的光疗装置，采取“加长led到皮肤的距离（使led远离皮肤）”的方法，减小光斑的功率密度。以市售光疗装置为例，其厚度≥21 mm（即，led到皮肤的距离≌ 20mm）。

9、在沿用传统技术方案的背景下，现有技术暂未解决“装置厚度小于10mm，led近距离照射人体，且安全性达标”的技术难点。

10、注解1：法规依据，国家标准gb/t 41265-2022《可穿戴设备的光辐射安全要求》。

11、（2）传统光疗装置存在“led紫外光近距离伤害人眼”的事故隐患：

12、led体小量轻，使得治疗仪器可随身佩戴、居家光疗（一般没有医师陪护）。这是一种受民众欢迎的、新的康复模式。

13、但是，操作者贴身穿戴紫外光源，稍有不慎，紫外辐射近距离伤害人眼的事故概率很大。医用法规指出：近距离观看紫外led阵列发光，可能引起光致角膜炎、光致结膜炎（或白内障）。

14、注解2：法规依据，国际标准photobiological safety of lamps and lampssystems（cie s 009/e:2002）及中国标准《灯和灯系统的光生物安全性》(gb/t 20145-2006)。

技术实现思路

1、本发明的目的是，既要贴近皮肤发射紫外光、产生显著疗效，又要避免紫外辐射近距离伤害人眼和皮肤。为消除现有技术方案的缺陷，本发明提出三项技术措施：

2、一是在装置厚度小于10mm的条件下，采用微反射镜/微透镜同体结构，或者抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构，扩展led点光源的有效照射面积，从而降低光斑功率密度，消除紫外辐射损伤dna的隐患。

3、措施之二：设置安全监测装置，在裸眼可能直接观看led装置发光的场景，监测电路阻止违规开机行为（自动切断led电源）。

4、措施之三：单只发光二极管一物两用，即采用光发射器/光探测器双功能可切换器件，作为紫外光探测器。把肉眼不可见的紫外辐射，转换成听觉可感知的音频“警示”信号，促使人员增强规避意识。

5、技术方案：本发明提供一种紫外光疗系统，包括发光系统、安全监测系统、紫外告警系统和控制系统，

6、其中，所述发光系统包括底层和覆盖层，所述底层与覆盖层之间有空气间隙；所述底层采用反射材料制成，该底层的内侧安装有发光二极管组成的阵列；所述阵列被划分为四小区，每小区至少有1只发光二极管能够在光发射器和光探测器两种功能之间可逆切换；

7、所述覆盖层采用紫外透射/反射分束比小于1、比值可调节的材料制成，其内侧等间距地设置有微光学元件；该微光学元件为微反射镜/微透镜同体结构，或者为抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构；

8、所述发光系统的作用是产生强度近似均匀分布的光斑、照射肌肤；其封装形式为可弯曲的夹层型、或者带围坝的cob型；

9、安全监测分系统由柔性触觉传感器、生理检测器、语音识别芯片、微动开关和信号处理电路组成，所述生理检测器为心音检测器或者脉搏检测器，所述安全监测系统用于阻止违规运行本紫外装置，用于预防紫外led近距离照射人眼的事故隐患。

10、紫外告警系统由非可见光探测模块、vf变换器和音频信号放大电路组成，以发出紫外辐射具有潜在危险性的警示信号；其中，所述紫外告警系统与所述发光系统共用一种光发射器/光探测器双功能可切换器件；

11、控制分系统由集成电路芯片组成，根据手动指令或软件存储的操控程序，控制各分系统的运行状态。

12、微反射镜/微透镜同体结构4a的运行方式：

13、优选地，所述覆盖层和微光学元件的材料反射率≥60 %、透射率≤20 %；单只发光二极管位于单个微光学元件的光轴上。

14、覆盖层上等间隔地设置微反射镜/微透镜同体结构的微光学元件；该微反射镜/微透镜同体结构的微光学元件的内表面具有微反射镜功能，该微反射镜/微透镜同体结构的微光学元件与覆盖层外侧平面构成微透镜。紫外材料的透射/反射板可调节，为实现微反射镜/微透镜同体结构提供了材料基础；优选地，微反射镜/微透镜同体结构的微光学元件使用含氟聚合物；光路实例中，单只发光二极管具有点光源的属性，发光二极管所发射的锥形光束被变换成下述四类子光束：

15、所述锥形光束的第一部分，照射所述微反射镜/微透镜同体结构，形成透射子光束i和反射子光束ii；根据透射成像定律，该透射子光束i被所述微反射镜/微透镜同体结构中的微透镜变换成放大的虚像光源；根据反射成像定律，该反射子光束ii被所述微反射镜/微透镜同体结构中的微反射镜变换成缩小的虚像光源；

16、所述锥形光束的第二部分，直接照射覆盖层上没有安装所述微光学元件的平面区域，形成透射子光束iii和反射子光束iv；

17、上述透射子光束i和iii 离开光疗装置，到达皮肤；上述反射子光束ii和iv进入底层与覆盖层之间的空气夹层，沿多路径反射、传播，直至透射离开覆盖层，被皮肤或被沿途介质吸收；

18、在空气夹层中，上述反射子光束ii和iv沿多路径反射、传播；所形成的折叠路径，起到扩展单只发光二极管照射范围的作用；

19、多个所述发光二极管点光源被变换成多个虚像光源，与所述虚像光源对应的一部分实光线穿透所述覆盖层到达治疗对象；

20、与所述虚像光源对应的另一部分实光线进入空气夹层，并沿多路径反射、传播，其中一部分光线穿透所述覆盖层到达治疗对象；多个所述发光二极管点光源被变换成多个虚像光源，所发出的多光束非相干叠加、产生强度分布近似均匀的光斑；

21、抛物面的微反射镜/透射棱镜同体结构的运行方式：

22、覆盖层的内侧，等间隔地设置抛物面的微反射镜/透射棱镜同体结构（即，微光学元件的本体）；该抛物面的微反射镜/透射棱镜同体结构的表面是旋转抛物面，构成微反射镜。所述的抛物面微反射镜结构与覆盖层外侧平面构成“透射式”微棱镜。

23、抛物面的微反射镜/透射棱镜同体结构的反射/透射光路：

24、抛物面的反射镜/透射微棱同体结构的光轴线与单只发光二极管对齐。单只发光二极管具有点光源的属性，所发射的锥形光束被变换成下述四类子光束：

25、所述锥形光束的第一部分，照射抛物面的微反射镜/透射棱镜同体结构，形成透射子光束i和反射子光束ii；根据棱镜透射定律，透射属于非成像过程，“透射式”微棱镜的出射子光束i，在覆盖层外侧产生圆形透射光斑，到达皮肤。

26、根据棱镜反射定律，抛物面的微反射镜/透射棱镜同体结构中的微抛物面反射镜产生准平行反射光束，并在底层形成环形光斑。位于底层的环形光斑，“发出”光线（即，子光束ii形成二次光源），照射覆盖层，会产生 “次级透射子光束和反射子光束”。

27、所述点光源锥形光束的第二部分，直接照射覆盖层的平面区域，即没有微光学元件的区域，形成透射子光束iii和反射子光束iv；

28、上述的反射光束、以及次级反射光束，进入空气夹层，沿多路径反射、传播。其中一部分光线穿透覆盖层到达治疗对象；部分光能量被沿途介质吸收。

29、多个所述发光二极管点光源，产生多个透射子光束，多光束在皮肤附近非相干叠加、产生强度分布近似均匀的光斑。总的效果是，led点光源的有效照射面积被扩大，近似等于上述“环形光斑（二次光源）”的面积。

30、夹层型装置的结构：作为优选，所述夹层型装置的覆盖层和底层采用弹性、可弯曲材料制成，所述夹层型光疗装置的边框形状与局部肌肤表面形状相似。

31、cob封装型器件的结构：作为优选，所述cob（chip on board）器件中，围坝的横截面轮廓为正多边形、或长方形、或梯形、或圆形中的一种；该围坝的内表面设置有高反射率层；

32、所述围坝分别固定连接底层和覆盖层，形成具有空气间隙的封闭腔，该封闭腔是紫外光的低损耗传输空间。

33、作为优选，m个所述cob封装型器件被固定在柔性载体上，组装形成大面积平垫、长带、空心柱形或环形光疗器件，其中m≥4。

34、紫外告警系统：作为优选，所述非可见光探测用于检测所述发光系统内部紫外光的平均强度、并转换为电压信号v；所述电压-频率转换器将该电压信号v转换成声频信号f，所述声频信号f被运放电路放大后，通过手机微振动马达、或者微扬声器输出告警信号。

35、“光发射器”和“光探测器”两种功能之间可逆切换: 作为优选，所述非可见光探测模块包括:功能可逆切换的所述发光二极管、光发射器功能切换开关和光探测器功能切换开关；通过控制所述光发射器功能切换开关和光探测器功能切换开关的通-断状态，所述发光二极管的工作电压在“正向偏置”和“反向偏置”之间切换，导致所述发光二极管能够在光发射器与光探测器两种功能之间可逆地切换。

36、通过紫外告警系统，把具有潜在危害性的、肉眼不可见的辐射光强的测量值，转换成声频信号；经标定后，声信号频率f随光强（电压v测量值）而线性变化；

37、电压-频率变换器：例如，v-f变换器输出的频率 f = v /（10*r*c）（* 电阻r，电容c）。

38、优选的，在发光系统中至少有4只发光二极管连接有电子切换开关；所述发光二极管被赋予“一物两用”的性能；

39、即在预设的时间段，采用电子切换开关（改变偏置电压的极性），使该4只发光二极管从“光发射器”状态切换到“光探测器”状态，用于检测紫外光强度；

40、作为优选，在发光系统中的“光发射器”之一，被切换到告警分系统；在告警时段，该光发射器被切换到紫外告警分系统，起“光电探测器”的作用；

41、在告警检测暂停的时段，通过电子切换开关将发光二极管从“光探测器”状态切换到“光发射器”状态，从而，该对应的发光二极管被常规用于发射治疗光束。

42、安全监测系统：用于预防led近距离照射人眼、或者阻止违规开机事件。

43、作为优选，所述心音检测器和/或所述脉搏检测器用于判别 “被照射是否为正常人体”；

44、所述语音识别芯片用于辨别人的声纹特征，确认该人员是否接受过安全操作规程培训；

45、所述柔性触觉传感器和微动开关用于判断所述发光系统是否已接触肌体；

46、当所述生理检测器判断被照射对象是正常人体，同时所述柔性触觉传感器和微动开关判断所述发光系统已接触肌体，同时所述语音识别芯片确认开机人身份正确，所述信号处理电路控制驱动电源接通所述发光二极管；

47、根据上述来自人体和电源的判据，采用多条件模糊逻辑控制器判别、并阻止违规操作事件（包括， led紫外光近距离照射人眼，以及超剂量照射皮肤等事件）；必要时发出安全警告（电子信号或电声信号）。

48、作为优选，所述安全监测分系统中还可设置电池充电安全保护电路，监测“led驱动电流和电池温度”等安全运行参数。

49、作为优选，所述安全监测分系统还可以包括信号采集与处理电路、微处理器（及软件）和传感器;以手工操控或声控（以及语义识别软件）方式，运行各分系统；用语音芯片提示操作方法（包括发出安全警告）；以无线通信方式、接收外部控制装置下达的远程操控指令，或上传本装置的数据（发光状态参数、监测信号等）；以固态存储器记录开机时间及光电运行参数，为追溯历次曝光剂量提供依据。

50、医学使用方法1：基于一个总的发明构思，本发明还提供了一种光疗系统的使用方法，在所述发光系统贴近皮肤后，所述发光二极管产生窄带uvb辐射、和/或红光，和/或近红外光，照射皮肤产生维生素d前体；所述发光二极管其发光的波长为297nm ±20 nm，和/或630nm ±20 nm，和/或808nm ±20 nm；窄带uvb照射皮肤的光剂量为1-100mj/cm2；led发光装置照射皮肤的面积为1% 至80%人体表面积。

51、作为优选，接受光疗的人员 (即，用户) 可以通过用户界面和/或信号传输通道，与光疗系统的其它合适设备相连接(例如，连接网站和/或智能手机应用程序)；管理光疗的个体 (例如，医生、护士等) 可以通过用户界面、或/和信号传输通道连接到光疗设备的远程计算机和/或其他合适的输入设备；允许由专业人员远程控制光疗过程，并避免未经训练的用户不当使用光疗装置，提高使用安全性。

52、医学使用方法2： 基于一个总的发明构思，本发明还提供了另外一种光疗系统的使用方法，先根据使用者的皮肤类型确定提供给使用者的光剂量，所述光剂量定义为光疗装置的辐射源强度与辐射源暴露时间的乘积，所述光剂量的上限小于 ；将所述光剂量投送到使用者的治疗区，通过光疗产生免疫反应、治疗自身免疫性疾病；所述光疗装置的光疗辐射源包括280-320 nm带宽范围内的一个或多个目标波长。

53、作为优选，所述发光二极管发射同一中心波长，或者发射中心波长处于uv-b波段的不同位置；或者同时（或交替地）发射多波长的光束，其中心波长分别属于uv-a波段和uv-b 波段，以及红色至近红外i区nir-i波段； 其中，紫外线uv-b，波长280-320nm；紫外线uv-a，波长320-400nm；红光，600-750nm；近红外nir-i, 波长750-900 nm）。

54、本光疗装置使用的材料如下：

55、紫外透射材料指石英、聚二甲基硅氧烷（又称pdms和含氟聚合物 [例如，聚四氟乙烯(ptfe) ]。含氟聚合物包括氟化乙烯-丙烯(efep)、氟化乙烯-丙烯(fep)、全氟烷氧基(pfa)、四氟乙烯-六氟丙烯偏氟乙烯(thv)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏氟乙烯(pvdf)、乙烯-四氟乙烯(etfe)等。

56、用上述透射材料、含氟聚合物制成紫外透射、反射分束比例可调的器件;

57、所述的紫外反射材料指金属铝和聚四氟乙烯（反射型）；

58、可穿戴光疗装置边框朝向皮肤的一侧，使用有柔性、疏水性和透气性的材料，提高舒适性。

59、产生的有益效果：

60、在改进技术性能方面，产生以下有益效果：

61、① 减薄装置的厚度：所述微反射镜/微透镜同体结构4a，支持“虚像光源和折叠光路”的原理。在减薄装置厚度的条件下，虚像光源的“虚拟照射距离”大于led点光源到皮肤的直射距离，导致本装置皮肤上的照射面积增大、且光斑均匀性良好；

62、② 增添内置光功率计，但不显著增大装置成本：本发明采用光发射器/光探测器双功能可切换器件，使单只发光二极管“一物两用”，制成内置光功率计。既为用户提供紫外告警服务，又能节约额外购买外置光功率计的费用；

63、在保障安全性和改善用户舒适性等方面，产生以下有益的效果：

64、① 消除“led近距离伤害人眼”的隐患：

65、在可见光光疗过程中，led阵列发出刺眼的红光。迫使使用者下意识地闭眼。但是，紫外辐射无迹可寻，不刺激人员闭眼、不会引起当事人产生回避念头！

66、本发明采取两项措施，预防紫外伤害事故：一是“传感器识别违规操作事件、电路自动阻止违规操作”；二是“把不可见光转换成声音（频率），使用者凭借振动信号、 感知“存在紫外辐射潜在危害性”的警示。

67、② 外形薄、体感舒适：

68、装置厚度小、体感舒适，适合在穿冬衣时贴身佩戴。以市售光疗装置为参照（其厚度t传统 ≥20mm），本发明的“折叠光路”使得装置的厚度减至1/3（例如，t新型装置≤ 7 mm）。在缩小装置厚度的条件下，新型装置光斑均匀度与“厚型装置”等效（符合医疗器械标准）。