带染料转换的皮肤血管病治疗仪

摘要

本发明涉及一种用于皮肤血管病的治疗仪。利用染料转化功能。提高氙灯光谱辐射的利用率。通过改变氙灯放电电流密度，改变氙灯辐射的光谱分布构成，利用更强的近红外辐射，增强对深层血管病的治疗效果。与国内外现有的用于血管病治疗的光子机相比，治疗功能大幅提高。与国外推出的染料与YAG双波长激光一体机相比，能量利用率高(节能)，结构简单，成本大幅度降低。具有很强的国际竞争力。

说明书

技术领域

本发明涉及光基医疗美容器械，具体涉及一种用于皮肤血管病治疗的带染料转换的强脉冲光治疗仪，属于国际专利分类A61B18/00“向人体或从人体传递非机械形式能量的外科器械、装置或方法”技术领域。 

背景技术

人体某些皮肤血管病变的光基治疗，近年来取得了革命性进展。这些皮肤病通常被概括为红，白，黑三大类。其中红是指皮肤血管病变。包括各种类型血管瘤。临床上一般将血管瘤分为4型：鲜红斑痣、草莓状血管瘤、海绵状血管瘤、混合型血管瘤。多为皮内毛细血管扩张增生，血管内皮细胞增生及血管畸形所致。此外还包括有痤疮(青春痘)、面部毛细血管扩张、酒渣鼻、蜘蛛痣、跖疣、增生性红斑样疤痕、外科手术后红斑、化脓性肉芽肿、膨胀纹以及腿部静脉曲张等。其中鲜红斑痣(红胎记)发病率最高，激光治疗效果最具代表性。 

皮肤血管病的治疗，其依据是利用选择性光热解原理，利用红细胞中的血红素对550-600nm光的强烈吸收并转化为热，再将热量扩散到血管壁，使其凝固坏死。其条件，第一要求光的波长合适(能被血红素吸收)；第二要求能量密度要达到6-8j/cm2；第三是要求光的持续时间要达到毫秒级(防止血管破裂，出现紫癜)；第四要求光的穿透能力(主要决定光的波长和能量密度)能达到病变深度。早期利用连续输出的铜蒸汽(波长510nm)和氩离子(波长488，514nm)激光，因功率密度和穿透深度不够，有一定疗效，但疗效不佳。闪光灯泵浦脉冲染料激光(PDL-Pulse Dye Laser，波长585-595nm)在波长和能量上没问题，但在脉冲宽度上只有微秒级，打在微血管壁上，极易造成血管破裂和皮下出血，产生严重的紫癜。据专业文献报道，伴随染料激光脉宽逐步提高，从0.5，2，20，到40毫秒，立刻出现紫癜的能量密度逐步提高为，6.2，8，10.4，和13.8J/cm²。。(Lasers in Surgery  and Medicine，Volrme 31 Issue 5，Pages 363-366，“Evaluation of pulse-duration on purpuric threshold using extended pulse pulsed dye laser(cynosure V-star)” 

近年来，大能量毫秒级脉宽的闪光灯泵浦染料激光得到解决。但由于570-590nm光的波长比较短，穿透深度不够，对一部分深层血管病仍达不到彻底治愈的结果。为此美国的赛诺秀公司(Cynorsure Inc..)推出一款皮肤血管病治疗平台(Cynergy)。采用染料激光加Nd:YAG 1064nm双波长，而且1064nm比590nm延迟一定时间。原因是1064nm激光穿透深度深，但血红素对1.06微米光吸收很弱。然而血红素在吸收了585nm激光后，转变为高铁血红素(铁离子由2价变为3价)，或凝成小血块，它对1064nm的吸收系数提高3-5倍，从而可大大降低对1064nm的能量要求并减小负效应，提高治愈率。见附图1。然而这是一款技术含量高，结构复杂，售价极高的设备(60多万美元一台)，不适于在我国大量推广。从治疗原理上，该方案也不尽合理。 

另据国内外的大量临床报道，对大约30％的抗染料激光的血管病采用滤除550nm以下短波的宽谱氙灯强脉冲光治疗也取得良好的效果。原因是强脉冲光中不仅包括能被血红素吸 收的550-600nm的可见光，同时包括大量的长波深穿透的近红外光。不仅浅层，即便深层的血管病变也可取得一定的治疗效果。然而单纯采用强脉冲光对大多数血管病达不到好的治疗结果。原因是如图2中所示，在氙灯光谱中包含的能被血红素吸收的成分太少(图中橘黄色斜线区)。加大光强又会造成表皮的烧伤。 

发明内容

本发明的目的，在于克服上述现有技术中的问题，提供一种带染料转换的皮肤血管病治疗仪。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。 

一种带有染料转化的皮肤血管病治疗仪，是利用液体或固体染料、或掺有染料的有机固体材料，将无治疗作用的氙灯光中短波辐射转为有治疗作用的染料荧光辐射，将现有血管病治疗中利用染料激光变为利用染料宽谱荧光；同时，保留氙灯光中的近红外辐射，通过降低放电电流密度使其得到加强，增强对深层血管病的治疗作用；所述的氙灯放电，分为强电流密度和低电流密度两个阶段，均延时以保证氧合血红素在染料光照射转为高铁血红素后，有足够强的近红外辐射照射，解决深层血管病的治疗；治疗设备包括脉冲氙灯，水冷套，楔形聚光反射体，染料盒入射窗，染料进出管，染料盒出射窗，半导体制冷片，半导体制冷散热器，冷却导光块，导热及射频电极。 

采用的脉冲氙灯，其极间距在40-70mm，外径7-8mm，充气压在350-450mmHg；灯管材料为掺铈石英玻璃。 

采用的楔形聚光反射体，用黄铜皮抛光镀银，背面水冷；将氙灯光汇聚尺寸为2-5mm x50mm。 

采用的染料盒入射窗，由光学玻璃抛光制成，其一面镀有对450nm以下截止、450nm以上高透的介质膜片。 

采用的染料进出管为不锈钢管，一端封死，一端进出；中间与染料盒相对的一段开有3-5mm的与染料盒尺寸相匹配的长槽。 

采用的染料盒出射窗由光学玻璃抛光制成，一面镀有对500nm以下截止，对550-650nm；750-1200nm高透的介质膜片，参见图5。 

氙灯放电方式为脉冲串式；前6-8个脉冲，其单个脉宽为0.45-0.5ms，重复率为100-200Hz，总宽度40-50ms，电流密度2000-3000A/平方厘米；经一可变延时(50-100ms)，改为电流密度1500-2000A/平方厘米的低强度放电，脉宽为10-50ms。 

所采用的染料为若丹明6G，或PYRROMETHENE 597，并加入适量COT三重态淬灭剂，加宽染料荧光宽度；亦可采用掺有染料的固体材料，取代普通E-光的滤光片。 

增加射频激励加热作用，以提高在血管尤其深层血管凝固坏死中的辅助治疗作用，减轻对表皮的负效应。 

适应于血管的不同粗细，病变区域面积不同大小，在主治疗手柄上加以辅助小治疗头，可改变治疗尺寸的大小，无需更换整个手柄，以提高治疗仪使用寿命，降低成本。 

本发明的有益效果如下： 

1.利用染料将氙灯光谱中对血管治疗无用的光转为有用光，提高能量利用率2倍以上。 

目前使用的光子机中，在附图4中染料盒的位置，放置一片滤光片。将550nm波段及以下的短波辐射(450-550nm约占氙灯辐射能量的15％)都滤除浪费了。这些短波辐射虽然有一部分可以被血红素吸收，但穿透太浅，达不到治疗效果。相反会增加对表皮的烧伤作用。然而450-550nm这一波段正是能被若丹明6G染料吸收并转化成550-600nm光辐射的有用波段(见附图2-1，2，3)。从附图3-1可以看出，增加染料转换后，氙灯光谱中在血管病治疗中可被利用的能量(绿色斜线区域加橘黄色斜线区域面积)，比不加染料(仅橘黄色斜线区域面积)提高了2倍多。这样必将大大增强对血管病的治疗效果。 

2.将在血管病治疗中利用染料激光改为使用染料荧光，淘汰了在激光形成中谐振腔的模式选择浪费，进一步提高染料荧光的利用率。 

事实上，许多光基的医疗应用，主要涉及到上面提到的四种要求。但不要求严格的单色性和相干性，不要求聚集到非常小的点。也就是说许多医疗应用并非必须采用激光作光源。如近年十分普及的强脉冲光(IPL)，俗称光子治疗机。它是直接利用从氙灯发出的宽谱光，滤除对皮肤有害的紫外部分，再从可见到近红外的宽谱中，选取能被病灶色基吸收的波段，经导光块照射到皮肤上，达到去除色斑，细小皱纹，和脱毛的目的。在我们的发明中，利用若丹明6G染料，它的量子产额高达95％，但在普通染料激光器中(如附图3)，在染料盒两端，放置激光谐振腔反射镜(3-2，3-6)。只有沿谐振腔轴线的荧光才能形成激光振荡。大量离轴的荧光被浪费。本方案由于不必转化成激光，染料的荧光辐射能被全部利用，这又大大减少了激光谐振腔的损耗，从而使整体效率和输出能量比闪光灯泵浦染料激光要高得多。不仅如此，从附图1-3可以看出，氧合血红素在吸收了染料光后，转变为高铁血红素。它在630nm附近有一很大吸收峰。此处吸收系数比近红外高得多。而且穿透能力也深。在深层血管管病治疗中，会发挥很大作用。然而，在形成染料激光过程中，这些波长的光没有了。(Candla公司用595nm，Cynesure公司用585nm)但在若丹明6G的荧光中则保留了很强的成分。因此对深层血管病的治疗定会发挥很好的作用。比单色的染料激光强。这是本发明采用染料荧光的另一重要创新点。 

3.染料采用横向流动方式，进一步降低由于染料三重态集聚造成对荧光的淬灭作用。 

如附图3所示，一般染料激光器采用染料流动方向与氙灯放电方向一致的纵向结构。染料处于氙灯照射区很长。流出被照区域需要很长时间。在本发明的结构附图4中，染料从左边的不锈钢管中流入，从右边的管中流出。染料流动方向与闪光灯的轴线方向垂直。这样处于氙灯光照射的染料区仅3-5mm宽。可以很快流出照射区。如附图5所示，染料分子吸收氙灯光后，从S₀訞迁到S₁，当返回到S₀时发射荧光。但也可能从S₁非辐射到T₁，称为三重态。而在T₁上可停留最长达1秒。在这期间不但不再参与荧光发射，还会吸收荧光跳到T₃.这就是三重态淬灭效应。为此必须使这些处于三重态的分子迅速移出发光区。否则荧光效率会大大降低，甚至不再发光。在我们的发明中，不仅染料受照射区很窄，可以迅速流出，而且在染料溶液中加入适量的三重态淬灭剂COT。进一步延长染料脉冲宽度。避免紫癜的产生。 

4.本发明的氙灯放电分成前后两个阶段，如附图6所示。由附图2可以看出，氙灯放电电流密度越大，紫外与可见区域光谱所占比例越高。5300A/cm2与1700A/cm2相比，800-1000nm近红外的尖峰没有了。本发明第一阶段采用高电流密度窄脉宽的脉冲串。电流密度约为 3000A/cm2，每个脉冲宽度约0.5ms，脉冲个数6-8，总宽度40-50ms。高电流密度有利于氙灯光谱中可见光占有更大比例(接近25％)，提高染料利用率。经100-500ms可变延时后，开始第二阶段放电。灯的电流密度降为1000-1500A/cm2，总脉宽10-50ms。低电流密度有利于氙灯光谱中近红外光占有更大比例(占总辐射能量的40％)，在染料光将血红素变为高铁血红素后，近红外光对深层血管的治疗作用将大大增强。由于大量近红外光可以直接被利用，不必转换为1064nm的激光(充其量转换效率4％)，大大提高了能量的利用率。与普通光子机比，虽然氙灯光谱中包含大量近红外光，但这些近红外光是与可见光同时发出的，此时血红素还未转变为高铁血红素。这种转变需要一定时间过程。而在本发明中，第一阶段高电流密度放电与第二阶段低电流密度放电之间设置有100-500ms的可变延时。该放电电路及放电方式正是本发明专为血管病治疗所设计。既保证高的染料转换效率，又保证足够强的近红外成分。二者之间的延时，正是为适应氧合血红素到高铁血红素的转换。这与普通光子单一电源不同。与染料和Nd:YAG两台电源也不同。是完全意义上的独创。 

5.增加射频对病变血管壁(尤其是深层血管)的辅助加热破坏作用，这样可以减小光对表皮的伤害。 

6.根据病变血管的不同粗细，不同病变面积，本发明采用附加治疗头的方法灵活改变光斑的大小。而不是更换整个治疗头。频繁更换治疗头，会增加染料和冷却水的消耗，降低使用寿命。附加治疗头即能导热，保持对表皮的冷却，也可导电，保持射频加热。同时由于面积缩小，大大增加治疗的能量密度。也可大大降低整机的成本。 

上述技术在国内外皮肤血管病的治疗设备中均无先例。 

附图说明

图1为各种血管病治疗前后的对比组图； 

图2为氧合血红素与高铁血红素的照片与吸收光谱及曲线； 

图3为不同放电电流密度下的氙灯光谱分布和若丹明6G的吸收及荧光谱； 

图4为现有普通染料激光器结构； 

图5为带染料转换强脉冲光头的结构示意图； 

图6为染料分子能级图； 

图7为氙灯放电波形图； 

图8为染料盒输出窗片的光谱透过曲线图。 

具体实施方式

参见上述各附图。 

如图5所示，管状氙灯1装在水冷套2中。氙灯发出的光经楔形聚光器3聚焦成3-5x50mm的条状光斑，并经染料盒入射窗4进入横向流动的染料盒。其上镀有对450nm以下短波截止，450nm以上长波透过的滤光片。染料从右边的不锈钢管进入，经左边的不锈钢管流出。染料可迅速流出照射区，从而大大减小由于染料三重态积聚造成荧光的淬灭。在染料盒中氙灯光谱中450-550nm的波段被染料吸收并发出550-600nm的荧光。加上氙灯发出的750-1200nm未被染料吸收的近红外光一起穿出染料盒的出射窗6。进入冷却导光块9并照射到治疗的皮肤上。导光块两边是导热及射频电极10。在导热电极两边有两个半导体制冷片7对电极制冷。 半导体制冷片7外边为通水的半导体制冷散热器8。导热及射频电极10又做为射频电极将射频电流加到皮肤上对深层组织加热。11为改变光斑尺寸的附加小治疗头。利用两边的弹性磷青铜片将小的附加治疗头加在射频电极10上。既保证导热和导电，又可改变光斑大小，适应不同治疗的需要。 

在说明书附图中，图1给出了各种血管病治疗的前后对比照片，以上至下包括鲜红斑痣，草莓样血管瘤，混合型血管瘤，毛细血管增生等。 

图2中给出了氧合血红素与高铁血红素的照片及吸收光谱，其中左上影印图为氧合血红素与高铁红素照片；右上图所示曲线为氧合血红素与高铁红素吸收谱(450-800nm)；下图曲线为氧合血红素与高铁红素吸收谱(600-1000nm)。 

图3中给出了不同放电电流密度下的氙灯光谱分布和若丹明6G的吸收及荧光谱。其中，上图为不同电流密度下的氙灯光谱分布；左下图为若丹明6G吸收谱；右下图为若丹明6G荧光谱。A为可被染料吸收并转化的能量；B为能被氧合血红素吸收的能量。 

图4为普通染料激光器的结构，4-1激光输出，4-2输出镜，4-3闪光灯，4-4染料盒，4-5染料泵，4-6全反镜。 

图5为带染料转换的强脉冲光头结构图，放电，该设备包括脉冲氙灯1，脉冲氙灯1外包的水冷套2，楔形聚光反射体3，染料盒入射窗4，染料进出管5，染料盒出射窗6，半导体制冷片7，半导体制冷散热器8，冷却导光块9，导热及射频电极10，改变光斑的附加头11. 

染料采用若丹明6G的乙醇溶液。若丹明6G的量子产额高，价格便宜。乙醇溶液无毒无害，价廉。维护成本可大大降低。染料循环系统包括ABS材料的磁力泵，不锈钢密封的半导体制冷的散热器。 

氙灯放电电源采用脉冲串方式，如图6所示。第一段脉冲串采用可控硅开关。前6-8个脉冲电流密度2000-3000A/cm2.经一可变延时(100-500ms)，改为IGBT放电。电流密度1000-1500A/cm2，脉宽为10-50ms.在供电电源内增加功率10-80瓦可调，频率为1MHz的射频电源。通过插拔头将射频功率引到治疗手柄上。 

在结构上，包括治疗主机和治疗手柄两大部分。治疗主机内下层装有氙灯水冷循环散热系统和染料循环散热系统。中层装有脉冲串供电电源，射频供电电源。上层装有全彩触摸屏显示器。显示器显示操作程序和选择参数。通过与电源间的数据交换控制电源按选择的程序和参数工作。手柄内装有附图4所示的治疗头。包括放电氙灯，聚光装置，染料横向流动泵浦系统，以及半导体制冷导光块和射频电极。手柄与主机通过一支插拔头连接。内有水冷，染料共4只不锈钢管和氙灯放电主线及控制数据线。 

本发明主要用于皮肤血管病，特别是鲜红斑痣的治疗。结构简单，制造成本和维护费用很低。特别适于在国内各类医院大量推广。也可出口国外，与赛诺秀公司的双波长的Cynergy去竞争。