具有連續(xù)波激光器的脈沖的手持式激光裝置制造方法
【專利摘要】提供了一種用于治療皮膚的激光裝置，所述激光裝置包括：手持式殼體；布置于所述殼體內(nèi)并發(fā)射輸出光束的連續(xù)波激光件；用戶啟動式輸出切換系統(tǒng)，其包括用于起動該裝置的功率啟動按鈕和用于發(fā)射輸出光束的單個的第一脈沖且在停頓之后相繼地發(fā)射輸出光束的單個的第二脈沖的功率設置按鈕，所述第二脈沖自動地編程成在第一脈沖和所述停頓后發(fā)射；和透鏡陣列，其用于接收輸出光束，并將所述光束傳送通過棱鏡，所述棱鏡將所述光束分成多個子光束，每個子光束分別瞄準皮膚上的特定位置，其中，來自第一和第二脈沖的子光束相繼地照射所述特定位置，從而增強施加于所述特定位置的能量。
【專利說明】具有連續(xù)波激光器的脈沖的手持式激光裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在保持不變波長的系統(tǒng)中將調(diào)制波和連續(xù)波激光耦合的無線手持式激光裝置。該激光裝置用于治療皺紋和色素沉著。
【背景技術(shù)】
[0002]基于通過輻射(激光)的受激發(fā)射形成的光放大的裝置徹底變革了皮膚病學和美容的許多領(lǐng)域。有待治療的皮膚狀況包括暗瘡疤痕、紅斑痤瘡、色素沉著、多余的毛發(fā)和真皮修復。脫落式換膚(ablative resurfacing)已經(jīng)成為用于美容修復的常用方法。減少皺紋已經(jīng)成為光線療法的特定目的。
[0003]基于激光的裝置的發(fā)展以及它們在皮膚治療方法中的使用近十年來有很多。一些公開關(guān)注于裝置的安全起動以避免意外的暴露。US2004/0167502A1 (Weckwerth等)報導了用于探測與皮膚表面的接合的光學傳感器。該傳感器基于多個發(fā)光二極管(每個發(fā)光二極管均具有獨特的波段)和寬帶光電探測器，所述寬帶光電探測器用于測量多種波長下的光線從被分析的材料的消減。US2010/0082020 (Gong等)描述了一種醫(yī)用激光器，其具有電容傳感器和發(fā)射控制裝置，以保證激光器機頭在啟動之前與皮膚接觸。所述機頭需要在任何外科手術(shù)開始之前保持垂直于皮膚表面。
[0004]US7 856 985B2 (Mirkov等)中描述了一種非均勻激光輻射治療。來自Nd = YAG激光器的輸出光束與衍射透鏡陣列f禹合。
[0005]用于治療皮 膚的多數(shù)電磁輻射傳送裝置是相對較大件的設備。它們的基礎工程設計和操作模式上的復雜性使得它們不能小型化成手持式裝置。例如，US2008/0082089A1(Jones等)描述了一種包括第一固態(tài)激光器和第二固態(tài)激光器的系統(tǒng)。相應的第一輸出光束被供送至第二裝置，以便在稀土摻雜的增益介質(zhì)中產(chǎn)生激發(fā)，從而生成第二輸出光束。后者被用于治療皮膚。US2007/0179481A1 (Frangineas等)試圖通過來自二氧化碳激光器的多個脈沖來治療皮膚松弛。該系統(tǒng)需要殼體來容納掃描設備以及與真空泵連接的末端來排放由脫落產(chǎn)生的煙。
[0006]許多報導的脫落手術(shù)都需要特殊的冷卻機構(gòu)。例如，US5810801引導輻射束穿透皺紋下方的真皮區(qū)域以損傷膠原質(zhì)。然后，啟動冷卻系統(tǒng)來防止損傷上覆表皮。這些冷卻系統(tǒng)通常很大。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)、尤其是手持式儀器的另一問題是它們發(fā)射充分高能劑量的電磁輻射的有效性。US2011/0040358A1 (Bean等)提供了一種描述手持式裝置的解決方案，該裝置在1350-1600nm之間人眼安全地操作，以治療創(chuàng)傷和疾病。這是一種不需要直接接觸組織的電池操作式系統(tǒng)。該裝置的關(guān)鍵部件是被構(gòu)造成能使激光束會聚于組織表面目標稍上方的焦點的透鏡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]提供了一種用于治療皮膚的激光裝置，所述激光裝置包括:[0009]( i )手持式殼體；
[0010](ii)布置于所述殼體內(nèi)并發(fā)射輸出光束的連續(xù)波激光件；
[0011](iii)用戶啟動式切換系統(tǒng)，其包括:功率啟動按鈕，其用于起動該裝置；和功率設置按鈕，其用于發(fā)射輸出光束的單個的第一脈沖，且在停頓之后相繼地發(fā)射輸出光束的單個的第二脈沖，所述第二脈沖自動地編程成在第一脈沖和所述停頓后發(fā)射；和
[0012]( i V )透鏡陣列，其用于接收輸出光束，并將所述光束傳送通過棱鏡，所述棱鏡將所述光束分成多個子光束，每個子光束分別瞄準皮膚上的特定位置，其中，來自第一和第二脈沖的子光束相繼地照射所述位置，從而增強施加于特定位置的能量。
【專利附圖】

【附圖說明】 [0013]本發(fā)明的其他特征、方面和益處將通過考慮附圖變得顯而易見，在附圖中:
[0014]圖1是本發(fā)明的一個實施例的前視圖；
[0015]圖2是根據(jù)圖1的實施例的平面透視圖；
[0016]圖3是圖1的垂直于該圖的剖視圖；
[0017]圖4是與圖1的殼體分離的內(nèi)部機構(gòu)的視圖；
[0018]圖5是圖4的包括激光器和印刷電路板的一部分的部分示意圖；以及
[0019]圖6是用于所示實施例的電路的電概觀圖。
【具體實施方式】
[0020]連續(xù)波激光器基于輸出功率隨時間保持不變的光束。脈沖模式或調(diào)制模式是光功率在一段持續(xù)時間的脈沖中以某一重復頻率出現(xiàn)。
[0021]我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種方法來有效地使連續(xù)波激光器的兩倍能量在沒有被“構(gòu)造”成能發(fā)送這種能量水平的裝置中發(fā)送。連續(xù)波激光器已被操作成能充當調(diào)制或脈沖激光器。本系統(tǒng)通過以下方式來實現(xiàn)這種雙重特性:發(fā)射輸出光束的第一脈沖，隨后停頓，然后發(fā)射輸出光束的第二脈沖。第二脈沖被自動地編程成在第一脈沖之后接著所述停頓發(fā)射。此時，照射皮膚的功率通過透鏡陣列來放大，所述透鏡陣列是將輸出光束分成多個子光束的棱鏡。所述子光束中的每個均瞄準皮膚上的很小的特定位置。通過相繼的第一和第二脈沖，從這些脈沖形成的子光束相繼地照射相同的特定位置。這增強了被施加于那些特定位置的能量的量。自動的第一和第二脈沖發(fā)射得快到足以使用戶不能將激光裝置從皮膚上的它所施加的區(qū)域移除，且在施加過程中自動地使雙脈沖產(chǎn)生。通常，脈沖的持續(xù)時間為10-120毫秒，優(yōu)選為40-80毫秒，最佳為大約60毫秒。
[0022]兩個控制按鈕可從殼體外側(cè)啟動。一個是在裝置上起著起動/開啟作用的功率啟動按鈕。另一個是起著控制功率水平作用的功率設置按鈕16。術(shù)語“按鈕”應廣義地解釋。雖然在第一實施例中所述按鈕是方形的，這些按鈕在其他實施例中可以是圓的或其他幾何形狀。這些按鈕還可從殼體的表面向內(nèi)/向外移動，但是在另一實施例中可以是不能移動的觸摸屏式開關(guān)。
[0023]發(fā)光二極管(LED) 18與功率設置按鈕相聯(lián)，以便顯示高功率18a或低功率18b的設置。
[0024]對于本裝置而言，用戶可選擇單脈沖或雙脈沖操作模式。該選擇通過用戶在預編程的終止形式(cadence pattern)中按壓功率設置按鈕16來實現(xiàn)。低功率設置18b將產(chǎn)生單脈沖。高功率設置18a將產(chǎn)生兩個相繼的脈沖。在相應的低或高設置模式下的第一或第二脈沖之后，該激光裝置直至用戶重復功率設置按鈕上的終止形式時才會再次發(fā)射。該過程實現(xiàn)了安全起動，且以高效的方式從相對較小的裝置發(fā)送電能。
[0025]圖1和圖2示出了本發(fā)明的第一實施例。該激光裝置具有曲線型殼體2，所述曲線型殼體2具有第一端部4和相反的第二端部6。限定出窗口 8的孔眼形成在殼體的第一端部的末端10處。
[0026]殼體優(yōu)選具有正弦曲線形狀或S-形狀。這使得末端10能夠抵靠著用戶的臉部適當?shù)囟ㄎ唬⑼瑫r允許用戶看見功率設置和啟動情況。沿著殼體長度的縱向軸線和穿過窗口的軸線將在交點處限定出100° -170°的角度，優(yōu)選是110° -160°的角度，且最佳地是120° -140° 的角度。
[0027]環(huán)形板12圍繞窗口 8。該板對電磁輻射而言是不透的。電磁輻射的任何輸出光束都通過窗口 8射出，所述窗口 8是環(huán)形板的敞開的中間區(qū)域。
[0028]圖3和圖4示出了激光裝置的內(nèi)部機構(gòu)。可再充電電池20容納在殼體的在后端部6正上方的下部區(qū)域內(nèi)。通過將外部電源連接至端口 22來進行再充電，所述端口 22與可再充電電池電通信。
[0029]鋁塊24位于電池上方，所述鋁塊24充當支撐件和用于將通過激光件產(chǎn)生的熱量消散的固體冷卻劑。該裝置既不需要也不具備任何專用的液體或氣體冷卻劑系統(tǒng)。
[0030]用于產(chǎn)生電磁輻射的激光件26支撐在鋁塊的臂上。該實施例的激光件在不變的輸出功率下操作，從而發(fā)送隨時間持續(xù)的波。所述激光件是包括元素銦、砷、鎵和錫的固態(tài)二極管激光器。該激光器生成輻射脈沖，所述輻射脈`沖的波長為大約1300-1600nm，優(yōu)選為1420-1470nm，且最佳為大約1440nm。注量(fluence)范圍為0.5-5焦耳/cm2，更優(yōu)選為1-3焦耳/cm2，最佳為1.3-1.8焦耳/cm2。從該激光裝置發(fā)出的電磁輻射不會使皮膚脫落，從而被美國食品藥品管理局(Food & Drug Administration)歸類為1/1類固有安全等級(ClassI/linherently safe rating)。
[0031]在輻射治療之前，不需要將洗液、面霜或其他化學品施加于皮膚目標。本發(fā)明的裝置不需要用預放置的化學品在皮膚目標區(qū)域上幫助或作用。但是，可能需要用表面活性劑組合物來清潔皮膚治療區(qū)域，以避免來自化妝品或其他化學品的干擾，所述化妝品或其他化學品可能屏蔽所施加的電磁輻射的功效。
[0032]衍射透鏡陣列32在激光件的下游靠近第一端部4布置。來自激光件26的電磁輻射的輸出光束被引導至透鏡陣列，所述透鏡陣列充當將輸出光束分成多個子光束的棱鏡。這些子光束構(gòu)成從陣列出射的較大直徑的整體光束并具備不均勻的能量分布。在該能量分布中存在被較低強度區(qū)域圍繞的多個高強度區(qū)域。衍射透鏡陣列的使用使得出射的子光束能夠照射較大面積的目標皮膚。較高強度的區(qū)域加熱目標皮膚的選定部分，從而引起膠原質(zhì)收縮，同時較低強度的區(qū)域提供足以刺激膠原質(zhì)產(chǎn)生的能量。這種組合使得能夠同時治療大面積的皮膚目標，同時使對皮膚的燒傷或其他傷害的風險最小化。
[0033]支撐在鋁塊24的臂上的印刷電路板28位于激光件26上游。該裝置的操作通過印刷電路板來控制，所述操作包括功率切換、輻射發(fā)射次序、激光脈沖的生成、定時、次序以及處理皮膚接觸信息。[0034]如圖5最佳地可見，基臺34位于激光件26與鋁塊24之間。該基臺直接地支撐激光件以及從印刷電路板28輸送信號/電流的柔性導電連接器36。該柔性導電連接器具有前和后端部38、42。前和后端部之間的區(qū)域39是高度可彎曲的。所述彎曲的角度范圍可以是0° -360°。這實現(xiàn)了激光件的主平面與印刷電路板的主平面之間的多種角度。優(yōu)選地，所述角度保持在10° -250°。這種定位上的柔性產(chǎn)生了幾何學和人體工程學優(yōu)點。
[0035]柔性連接器的前端部結(jié)合至基臺。前端部的一部分具有一組多個電線結(jié)合部40，所述多個電線結(jié)合部40完成了到激光件26的電連接。柔性連接器的后端部42具有孔眼44，以便使螺釘46或其他緊固件與印刷電路板實現(xiàn)按壓接觸。所述螺釘和墊圈組件提供了均勻分布的力，所述均勻分布的力將柔性連接器的大片區(qū)域壓緊到印刷電路板的電鍍接觸點。該布置最小化了接觸電阻，因此降低了電功率損失。該布置還實現(xiàn)了簡易的組裝、拆卸和更換。
[0036]連接器的柔性使得該系統(tǒng)避免了原本必需的處于由激光器產(chǎn)生的輸出光束平面中的電路連接。在本發(fā)明的一個實施例中，柔性連接器由夾在聚酰亞胺層之間的一組銅線形成。
[0037]圖6示出了構(gòu)成本發(fā)明的一個實施例的元件之間的電氣關(guān)系。可再充電電池操作式裝置具有電能隨時間損失的問題。本發(fā)明的裝置可能具有在使用之間長時段空閑的實施例。因此，在睡眠模式下需要盡可能少地從電池120取用電能。該目的通過具有兩個功率域101、103來實現(xiàn)。第一功率域101由主電路板105控制，所述主電路板105在置于睡眠模式下時取用很小的電流(大約半毫安)。當主電路板接收到由功率按鈕114產(chǎn)生的信號或經(jīng)由USB串行通信器107a探測到USB連通107時產(chǎn)生喚醒。在睡眠或關(guān)停模式下，向主電路板供送3.3和5.0伏電能的電壓調(diào)節(jié)器109、111被關(guān)閉。
[0038]第一功率域的其他特征包括用于電池的充電器110、音頻輸出器112、用于LED118的驅(qū)動器116和實時時鐘121。實時時鐘在即使激光裝置關(guān)停時也進行時間標示。實時時鐘的一個重要特征是在皮膚治療之間強制執(zhí)行24小時延遲。該機制完全獨立于關(guān)停主電路板上的操作的其他安全控制機制，因此充當雙重安全預防措施，以免皮膚過分暴露于激光福射。
[0039]第二功率域103由激光器印刷電路板113控制。電路板113的構(gòu)件包括:激光器啟用驅(qū)動器115、激光件126、鋁塊124 (充當散熱器)、衍射透鏡陣列132和接觸(電容式)傳感器150。
[0040]電池120具有兩組引線。第一組引線117直接連接至激光器印刷電路板113和散熱器124。第一組引線為運行激光件126的電流(大約30安)提供大電流和低電阻的路徑。通常，引線117可以是DC電阻為每米0.013歐且橫截面積為1.3mm2的16號規(guī)格線。第一組引線電線的電阻 范圍可以是0.004-0.06歐。電池電流從陽極大電流引線流經(jīng)散熱器和激光器，通過柔性電路離開激光器的陰極，然后重新連接至激光器印刷電路板。帶狀電纜119將激光器印刷電路板連接至主電路板。電池也通過引線117充電。
[0041]第二組引線123將電池120連接至主電路板105。用于該連接的電線比第一組引線117中所使用的那些電線細得多。有益地，引線117相對于引線123的相對規(guī)格直徑范圍為100:1-1.1:1，優(yōu)選為50:1-1.1:1，最佳為3:1-1.5:1。例如，引線117可以是DC電阻為每米0.086歐且橫截面積為0.2mm2的24號規(guī)格線。第二組引線電線的電阻范圍可以是0.065-0.2歐。第二組引線向主電路板上的和激光器印刷電路板上的控制電路供電。
[0042]使用到電池的兩個單獨的電能連接使得不必通過帶狀電纜119傳送任何大量電能。這在電能僅通過激光器印刷電路板得到時是必需的。該布置使得帶狀電纜中不需要另外的連接器，且降低了可能由擴展的接線引起的電噪聲。
[0043]具有分開的大功率(激光器)和小功率(連接至電路板的)的益處是較高的空間效率和提高的安全性，因為必須首先啟動電路板，然后才能夠使激光器通電。
[0044]具有向外錐形化的壁的對齊結(jié)構(gòu)48形成在基臺34下游區(qū)域中。該對齊結(jié)構(gòu)能接收柔性連接器的前端部38，以便防止移動和保證激光件正確地定位。
[0045]電容式傳感器電極50定位在殼體的第一端部4處。電極終止在環(huán)形板12的三個120°扇區(qū)中的每個上。間隙將扇區(qū)中的每個間隔開。三個電極布置成環(huán)形(代表一平面)，以便確定何時感測到合適電介質(zhì)(即皮膚)的平坦表面。通過將電極布置成一環(huán)，電極與電磁輻射出射所通過的窗口 8的橫截面同心地放置。該布置最大化了傳感器的表面區(qū)域，并允許保持窗口 8周圍的盡可能小的體積。
[0046]電容式傳感器包括兩個導體，所述兩個導體之間具有電容場。存在與三個電極中的每個分別對應的三個電容式開關(guān)。開關(guān)中的每個都必須滿足這樣的條件:它具有與適當干燥的皮膚接觸相關(guān)的電容。當僅部分地與皮膚接觸時，電介質(zhì)是不正確的，且不會產(chǎn)生激光的發(fā)射。
[0047]總之，以上針對優(yōu)選的 和其他實施例描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明不限于所描述的和所示出的實施例。相反，本發(fā)明僅受權(quán)利要求限制。
【權(quán)利要求】
1.一種用于治療皮膚的激光裝置，包括: (i)手持式殼體(2 ); (ii)布置于所述殼體內(nèi)并發(fā)射輸出光束的連續(xù)波激光件(26、126)； (iii)用戶啟動式切換系統(tǒng)，其包括:功率啟動按鈕(14、114)，其用于起動該裝置；和功率設置按鈕(16)，其用于發(fā)射輸出光束的單個的第一脈沖，且在停頓之后相繼地發(fā)射輸出光束的單個的第二脈沖，所述第二脈沖自動地編程成在第一脈沖和所述停頓后發(fā)射；和 (iv)透鏡陣列(32、132)，其用于接收輸出光束，并將所述光束傳送通過棱鏡(32、132)，所述棱鏡(32、132)將所述光束分成多個子光束，每個子光束分別瞄準皮膚上的特定位置，其中，來自第一和第二脈沖的子光束相繼地照射所述位置，從而增強施加于特定位置的能量。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，第一脈沖和第二脈沖中的每個均具有相同的持續(xù)時間，所述持續(xù)時間從10-200毫秒范圍內(nèi)的值中選擇。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，第一脈沖和第二脈沖中的每個均具有相同的持續(xù)時間，所述持續(xù)時間從40-80毫秒范圍內(nèi)的值中選擇。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，第一脈沖和第二脈沖中的每個均具有大約60暈秒的相同的持續(xù)時間。
5.如前面權(quán)利要求中任一所述的裝置，其特征在于，所述輸出光束發(fā)出波長范圍在1420-1470nm的電磁輻射。
6.如前面權(quán)利要求中任一所述的裝置，其特征在于，所述輸出光束具有范圍為0.5-5焦耳/cm2的注量。
7.如前面權(quán)利要求中任一所述的裝置，其特征在于，所述連續(xù)波激光件是固態(tài)二極管激光器，所述固態(tài)二極管激光器由從包括銦、砷、鎵、錫及它們的組合的組中選出的元素形成。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，與所述輸出光束的直徑相比，所述多個子光束形成從所述陣列出射的較大直徑的總體光束，所述總體光束具有不均勻的能量分布。
9.如前面權(quán)利要求中任一所述的裝置，其特征在于，所述裝置通過殼體內(nèi)的電池(20、120)供電，所述電池具有兩組引線(117、123)，第一組引線將電能提供至激光件(26、126)，第二組引線將電能提供至用于控制安全措施的印刷電路板(28、105)。
【文檔編號】A61N5/06GK103781512SQ201280037761
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月28日
【發(fā)明者】J·B·巴爾托洛內(nèi), D·R·舍伍德 申請人:伊盧米內(nèi)奇美容有限公司