СИСТЕМА ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КОЖУ
SYSTEM FOR EFFECT ON SKIN

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение в целом относится к системе для воздействия на кожу, в частности к системе для удаления волос, на основе интенсивных импульсов света. В дальнейшем настоящее изобретение будет объяснено конкретно в отношении системы для удаления волос, но сущность изобретения можно более широко применять в системах для воздействия на кожу.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Желание удалить волосы на теле (человека) является достаточно старым, и разработаны многие системы, чтобы удовлетворять это желание. Например, существуют механические системы, работающие на основе механического срезания или выдергивания волос. В более новых разработках световые импульсы высокой интенсивности применяют к участку кожи, где волосы подлежат удалению. Этот способ сам по себе известен, так что здесь подробное объяснение можно опустить. Достаточно сказать, что в коже происходит поглощение энергии света и уничтожение фолликулов, так что волосы будут выпадать. Преимущество состоит в том, что удаление волос является более долговременным: больше времени требуется для возвращения волос, или они не возвращаются вовсе. В качестве примера известного уровня техники дана ссылка на документ US 5735844.
В системе, описанной в упомянутом документе предшествующего уровня техники, интенсивный световой импульс генерируют посредством лазерного устройства. Однако это требует использования лазера. Настоящее изобретение, в частности, относится к системе для удаления волос, которая содержит импульсную лампу в качестве источника света.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В системах для удаления волос световым импульсом существует проблема, связанная с температурой. В случае импульсных ламп световой импульс содержит энергию в относительно широкой спектральной области, но не все части спектра вносят вклад в разрушение волосяных фолликулов в одинаковой степени. Таким образом, энергию вкладывают в частоты света, которые не эффективны или недостаточно эффективны в процессе удаления волос. Кроме того, в коже происходит поглощение не всей энергии.
Кроме того, обнаружено, что люди по-разному реагируют на световое воздействие, что возможно обусловлено различиями в характеристиках кожи. Люди, которые имеют кожу более чувствительного типа, в целом могут испытывать болевые ощущения уже при условиях, при которых другие люди их не испытывают.
Говоря в общем, возможно разделить энергию в световом импульсе на три части: 1) отраженная кожей; 2) поглощенная кожей, но не эффективная при удалении волос; 3) поглощенная кожей и эффективная при удалении волос. Кроме того, также будут иметь место потери энергии при превращении электрической энергии в световую энергию, которые вместе с выделяемой световой энергией будут вносить вклад в нагревание аппарата или его частей. Энергия, поглощаемая в коже, будет вызывать рост температуры в коже. Теперь, с одной стороны, энергия, вводимая в кожу, должна быть достаточно высокой, чтобы вызывать разрушение фолликулов и, таким образом, выпадение волос, но с другой стороны тепловые эффекты должны быть ограничены с тем, чтобы предотвращать или в любом случае ограничивать возможные болевые ощущения.
В более общем смысле, существует желание ограничить потребление энергии, при этом сохранив или даже улучшив эффективность удаления волос.
При работе системы для удаления волос с импульсной лампой световой импульс типично генерируют, разряжая конденсатор, что ведет к току через лампу в форме импульса. Настоящее изобретение основано на идее о том, что мгновенный спектр частот света, генерируемого посредством импульсной лампы, зависит от мгновенной плотности тока в импульсной лампе, и дополнительно что мгновенная плотность тока изменяется во времени, сначала быстро возрастая до максимума и затем медленно падая обратно до нуля. Авторы настоящего изобретения понимают, что со временем снижение плотности тока в лампе вызывает постепенное смещение спектрального распределения к более высоким частотам. На основе этого понимания в одном из аспектов настоящего изобретения импульс тока в лампе прерывают, когда плотность тока в лампе падает ниже определенного уровня.
В другом подходе интенсивность тока задают относительно высокой, а импульс тока в лампе прерывают, когда суммарная энергия, подаваемая на кожу, достигает предварительно определяемого максимального значения.
Дополнительные полезные разработки упомянуты в зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения дополнительно объяснены с помощью следующего описания одного или нескольких предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на чертежи, на которых одинаковые условные обозначения обозначают одинаковые или схожие части и на которых:
на фиг.1 схематически представлена электрическая структурная схема системы для воздействия на кожу;
на фиг.2 представлен график, показывающий плотность тока лампы как функцию времени для непрерываемого свободного разряда;
на фиг.3 представлен график, показывающий энергетический спектр ксеноновой импульсной лампы;
на фиг.4 представлен график, схематически иллюстрирующий смещение спектра во время разряда;
на фиг.5 представлен график, сравнимый с фиг.4, для ситуации, где ток урезают в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.6 представлен график, сравнимый с фиг.5.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 схематически представлена электрическая структурная схема системы 1 для воздействия на кожу в соответствии с настоящим изобретением, которая содержит импульсную лампу 2. Импульсная лампа 2 представляет собой разрядную лампу, включающую в себя заполненный газом сосуд с двумя электродами, как само по себе известно. Несмотря на то что возможны импульсные лампы других типов, импульсная лампа 2 типично представляет собой ксеноновую разрядную лампу. Разрядный конденсатор 4 установлен параллельно с лампой 2, при этом управляемый переключатель 5 расположен в пути тока между лампой 2 и конденсатором 4. Конденсатор 4 питается от источника 3 энергии, типично источника напряжения. Управляемым переключателем 5 управляют посредством управляющего устройства 6, например микропроцессора или тому подобного.
0
1
2
На фиг.2 представлен график, показывающий плотность тока лампы в виде функции от времени, чтобы проиллюстрировать работу такой импульсной лампы предшествующего уровня техники. Сначала конденсатор 4 заряжают от источника 3. Переключатель 5 открыт (т.е. не проводит). В определенный момент t управляющее устройство 6 закрывает переключатель 5 и цепь зажигания (не показано) вызывает зажигание лампы. При зажженной лампе конденсатор может разряжать свою энергию через лампу (операция разряда). Плотность тока быстро растет до максимума M, которого достигают в момент времени t, и затем медленно экспоненциально падает обратно до нуля, и этого состояния достигают в момент времени t. В теории при истинном экспоненциальном затухании нулевой уровень не будет достигнут никогда, но на практике разряд гаснет, когда ток падает ниже минимального уровня, необходимого для поддержания разряда. Момент, когда это происходит, будет обозначен как «естественное время погасания».
Для повторения упомянутого выше цикла переключатель 5 сначала снова открывают с тем, чтобы снова сделать возможной зарядку конденсатора 4. При желании второй управляемый переключатель может быть расположен в соединении между источником напряжения и конденсатором, который только закрывают для зарядки конденсатора, но для простоты он не показан.
1
2
Точные значения t и t и точное значение максимального тока M зависят среди прочего от точных характеристик лампы (таких как наполнение газом, размер), конденсатора (таких как емкость), контура токового разряда (сопротивление, индуктивность, емкость) и источника энергии (таких как напряжение заряда).
M
0
2
M
0
0
2
SKIN
SKIN
2
2
Установлено, что во избежание нежелательных эффектов, таких как боль или чувство жжения, суммарное количество энергии, подаваемой в кожу, не должно превышать предварительно определенный максимум E, этот максимум может зависеть от типа кожи. Типичные значения для такого максимума находятся в диапазоне 3-6 Дж/см. В конструкции системы для воздействия на кожу предшествующего уровня техники конденсатор 4 выбирают в зависимости от типа лампы 2, так что при свободном непрерываемом разряде (см. фиг.2, с t до t) суммарное количество энергии, подаваемое на кожу, не превышает указанного предварительно определенного максимума E. Система в соответствии с такой конструкцией может быть обозначена как «номинальная» система. Со ссылкой на фиг.1 следует отметить, что система, когда конденсатор 4 заряжен до напряжения V, обеспечиваемого источником 3, содержит энергию Ec согласно формуле Ec=0,5×CV , где C представляет собой емкость конденсатора 4. Когда конденсатор разряжен полностью в момент времени t, эта энергию введена в лампу и лампа подала эту энергию в кожу. Это применимо, если потери можно игнорировать, что практически нереально: на практике только определенную процентную долю электрической энергии фактически подают в кожу. Таким образом, в формуле это можно аппроксимировать как E=α×Ec, где α выражает отношение между энергией Ec электрического разряда и энергией E, подаваемой в кожу. В дальнейшем, с цель объяснения, будут полагать, что α представляет собой константу. Для номинальной конструкции следует, что
SKIN
M
0
0
2
E=E=α×0,5×CV .
Ток разряда будет заставлять лампу 2 генерировать импульс интенсивного света, как само по себе известно. Генерируемый свет не является монохроматическим, а содержит вклады в широкой спектральной области. На фиг.3 представлен график, показывающий иллюстративный энергетический спектр примерной ксеноновой импульсной лампы. Вертикальная ось представляет суммарное количество энергии (произвольные единицы), испускаемой посредством светового импульса на определенной длине волны (горизонтальная ось, в нанометрах).
На фиг.3 также показано, что для удаления волос в принципе можно различать четыре спектральные области, следует отметить, что точные границы строго не определены:
первая область I представляет собой спектральный диапазон грубо приблизительно от 550 нм грубо приблизительно до 750 нм, которые содержат длины волн, которые можно использовать для эпиляции;
вторая область II представляет собой спектральный диапазон грубо приблизительно от 750 нм грубо приблизительно до 950 нм/1000 нм, который содержит длины волн, которые все еще можно использовать, хотя и в меньшей степени;
третья область III представляет собой спектральный диапазон грубо приблизительно от 950 нм/1000 нм и выше: это длины волн, которые фактически нежелательны, поскольку они оказывают меньший эффект при разрушении фолликул, но могут вызывать неблагоприятные эффекты, такие как боль и/или жжение;
четвертая область IV представляет собой спектральный диапазон грубо приблизительно от 550 нм и ниже: это длины волн, которые фактически нежелательны, поскольку они могут легко вызывать повреждение кожи.
Можно видеть, что энергетический спектр светового импульса от ксеноновой лампы имеет линии испускания во второй области; дополнительная линия испускания приблизительно 1400 нм не показана на этом графике.
0
2
Спектр, представленный на фиг.3, представляет собой суммарный спектр, т.е. интегрированный в течение времени от t до t. Однако поскольку спектр зависит от плотности тока, причем плотность тока изменяется во времени, также спектр изменяется во времени. Грубо можно сказать, что относительное распределение энергии в спектре концентрируется в более коротких длинах волн для более высоких плотностей тока и концентрируется при более длинных длинах волн для более низких плотностей тока. Это явление само по себе известно и проиллюстрировано, например, на фиг.11-14 в патентной заявке US 2005/0177141. В этом документе плотностью тока в лампе управляют для того, чтобы добиться желаемого энергетического спектра в зависимости от типа кожи обрабатываемого человека.
В случае настоящего изобретения плотностью тока в импульсной лампе не управляют, но она создается сама в свободном разряде, как проиллюстрировано на фиг.2. На фиг.4 представлен график, сравнимый с фиг.2, также схематически иллюстрирующий смещение спектрального распределения энергии как функции времени в течение импульса тока, и иллюстрирующий, что это смещение синхронизировано с мгновенной плотностью тока в импульсе тока. Хотя этот график является только схематическим, можно видеть, что со временем это распределение энергии смещается в область, где положительный эффект удаления волос снижен и потенциально неблагоприятные эффекты увеличены. Кроме того, поскольку цель аппарата заключается в удалении волос, энергия в спектральной области, не вносящей вклад в удаление волос, в принципе является энергией, затрачиваемой напрасно. Кроме того, высокое потребление энергии ведет к нагреванию компонентов системы и требует охлаждающей системы с повышенной производительностью.
2
Улучшение, предложенное в настоящем изобретении, в принципе представляет собой к удивлению простую меру: разряд прерывают до достижения естественного времени tпогасания. Следовательно, избегают генерации света, ассоциированного с более низкими уровнями тока, которые будут возникать после момента прерывания: вся отдача энергии предназначена для более высоких уровней тока до момента прерывания.
x
2
Для системы с номинальной конструкцией изобретение реализуют так, что управляющее устройство 6 открывает переключатель 5, когда плотность тока падает ниже порогового уровня Ix, который настает в момент времени t до t. Это проиллюстрировано на фиг.5, которая представляет собой график, сравнимый с фиг.4. Как результат открытия переключателя 5, ток незамедлительно падает до нуля и световой импульс незамедлительно заканчивается. В соответствии с изобретением току разряда позволяют продолжаться при условии, что спектр генерируемого света содержит достаточно энергии в полезных областях 1 и 2, и его прекращают, когда энергия преимущественно расходуется в области 3. Таким образом, минимизируют энергию, затрачиваемую напрасно, снижают требования к охлаждению и уменьшают болевые ощущения.
Точное значение Ix некритично даже для одной конкретной системы для воздействия на кожу, т.е. конкретной комбинации из лампы, конденсатора и напряжения заряда. При некоторых допущениях будет возможно определить оптимальное значение для Ix, но этот оптимум может различаться для различных систем. Дополнительно, такое оптимальное значение может различаться для различных типов кожи, и в управляющем устройстве 6 может быть предусмотрено пользовательское устройство 7 ввода, например поворотная ручка или нажимная кнопка, для ввода типа кожи, и управляющее устройство 6 может изменять его настройки прерывания на основе введенного типа кожи.
0
1
x
Дополнительно, один из вариантов осуществления системы в соответствии с настоящим изобретением содержит средство измерения плотности тока, но на практике может быть сложно для управляющего устройства фактически измерять плотность тока и выключать ток, когда плотность тока пересекает порог плотности. Следовательно, в другом варианте осуществления, который легче реализовать, система содержит датчик тока для считывания тока лампы, а управляющее устройство вычисляет плотность тока с использованием данных, относящихся к лампе или, альтернативно, порог плотности тока переводят в порог для величины тока лампы для конкретной лампы. В еще одном другом варианте осуществления, который реализовать еще легче, система содержит средство измерения времени и управляющее устройство контролирует время, прошедшее с момента t (или с момента t) и открывает переключатель 5, чтобы выключить ток в момент времени t.
x
x
Момент времени t может предварительно вычислять производитель, посредством измерения тока лампы в виде функции времени, и преобразования тока лампы в плотность тока на основе знаний о конструкции лампы. Исходя из основной зависимости между плотностью тока и спектром изготовитель может принять решение, при каком уровне тока он желает отсекать ток, и исходя из указанных измерений он может найти соответствующий момент времени t.
x
x
С другой стороны, также в конкретной конфигурации системы возможно осуществлять эксперимент посредством изменения момента отсечения t и измерения получаемого суммарного воздействующего спектра. Решая, какие спектры приемлемы, а какие спектры нет, выбирают t. Точный критерий, используемый для принятия решения о том, какие спектры приемлемы, а какие спектры нет, может зависеть от отдельного производителя. Для возможного критерия возможно определять мгновенное энергосодержание в первой спектральной области, например в области 550-950 нм, и определять мгновенное энергосодержание во второй спектральной области, например в области 950 нм и выше, чтобы вычислить отношение между этими двумя измеряемыми содержаниями и чтобы отсекать ток, когда отношение выше определенного значения, например, 50%, в пользу второй области.
1
2
x
x
В любом случае, несмотря на то что может быть возможно определять оптимальный момент для отсечения тока, следует отметить, что настоящее изобретение уже обеспечивает преимущество, если ток отсекают в какой-либо момент времени между t и t. Кроме того, авторы изобретения тестировали некоторые практичные комбинации ксеноновой лампы, конденсатора и напряжения заряда и обнаружили, что во всех протестированных комбинациях оптимальный момент t отсечения находился в диапазоне между 1,5 мс и 2,0 мс, так что даже без осуществления экспериментов выглядит оправданным выбор t в упомянутом диапазоне.
2'
2
1
2'
SKIN
M
Ε
2
Ε
SKIN
M
В другой разработке настоящее изобретение обеспечивает систему улучшенной номинальной конструкции, что обозначает по сравнению с номинальной конструкцией на фиг.2 и фиг.4, что уровень тока выше и естественное время t погасания наступает позже, чем t, обозначенное на фиг.2. Начиная от номинальной конструкции, объясненной выше, улучшенную номинальную конструкцию можно получать посредством повышения значения емкости конденсатора 4. Это повышенное значение емкости обозначают как C. Таким образом, должно быть ясно, что если конденсатору позволяли свободно разряжаться через лампу, т.е. до естественного времени t погасания, энергия E, вводимая в кожу, будет выше, чем предполагаемый максимум E. В этой системе улучшенной номинальной конструкции в соответствии с настоящим изобретением управляющее устройство 6 открывает переключатель 5 с тем, чтобы прервать разряд в момент времени t раньше естественного времени t погасания номинальной конструкции, причем момент прерывания t устанавливают так, что суммарное количество энергии E, подаваемой в кожу, меньше максимальной величины E или равно ей.
A
A
M
Ε
Этот режим работы проиллюстрирован на фиг.6, которая сравнима с фиг.5. Кривая 61 показывает ток лампы (или плотность тока) как функцию времени (произвольные единицы). Пунктирная линия обозначает ток для сравнимой номинальной конструкции с фиг.2 и фиг.4. Можно видеть, что после максимального тока M ток выше, чем в номинальной конструкции. Фактически даже сам максимальный ток может быть выше, но это не показано. Кривая 62 отражает накопленную энергию E, которую подают в кожу, как функцию времени; в принципе, кривая 61 пропорциональна производной кривой 62. В этом примере подаваемая энергия E равна максимуму энергии E в момент времени t. В этот момент ток разряда отсекают с тем, чтобы свет, вводимый в кожу, стал равен нулю.
В этом способе в соответствии с настоящим изобретением, с одной стороны, обеспечивают, что максимальная допустимая энергия, вводимая в кожу, не будет превышена, тогда как, с другой стороны, разряд в лампе выполняют с повышенным током с тем, чтобы во время световой вспышки свет преимущественно состоял из эффективных длин волн и пропорция неэффективных или даже вредоносных длин волн была снижена. Поскольку имеет место более высокий выход «эффективных» частот, результатом является более эффективное удаление волос.
M
A
M
A
M
В одном возможном варианте осуществления настоящего изобретения в управляющем устройстве 6 предусмотрен датчик тока (не показано), чтобы считывать ток лампы как функцию времени, и, возможно, даже датчик напряжении (не показан), чтобы считывать напряжение лампы как функцию времени с тем, чтобы иметь возможность вычислять мощность лампы как ток, умноженный на напряжение. В памяти 8 управляющее устройство 6 имеет информацию, определяющую максимум энергии E. Во время работы управляющее устройство 6 контролирует энергию E, выводимую посредством лампы, как функцию времени, посредством интеграции вычисленной мощности лампы (т.е. измеряемого тока, умноженного на измеряемое напряжение, или измеряемого тока, умноженного на предполагаемое фиксированное значение напряжения лампы) с течением времени, и сравнивает его с максимумом энергии E. Когда управляющее устройство 6 обнаруживает, что подаваемая энергия E достигает максимума E, оно открывает переключатель 5.
R
R
R
R
A
A
c
R
2
В другом варианте осуществления в управляющем устройстве 6 предусмотрен датчик напряжения (не показан), чтобы считывать напряжение конденсатора как функцию времени. Во все моменты времени в течение разряда, мгновенное напряжение конденсатора V соответствует количеству энергии E, остающемуся в конденсаторе в соответствии с E=0,5×V×C и, таким образом, подаваемую энергию E можно легко вычислять как E=E-E.
Ε
A
M
Ε
В еще одном другом варианте осуществления на экспериментальном этапе производитель системы осуществляет тесты для того, чтобы определять момент времени t, когда подаваемая энергия E достигает максимума E. Информация, определяющая этот момент времени, хранится в памяти 8. Во время работы управляющее устройство 6 просто контролирует время и открывает переключатель 5, когда время достигает t.
Во всех упомянутых вариантах осуществления возможно, что система содержит пользовательское устройство 7 ввода, чтобы позволять пользователю вводить сигнал, указывающий на тип кожи, тогда как в памяти 8 хранятся данные, соответствующие соответствующим типам кожи. На основе принятого ввода типа кожи управляющее устройство 6 извлекает соответствующую информацию из памяти 8. В остальном работа аналогична описанному выше.
Должно быть ясно, что изобретение таким образом обеспечивает экономию энергии. Поскольку конденсатор разряжается неполностью, перезарядку конденсатора можно осуществлять быстрее и/или снизить требования заряжающему источнику напряжения. Кроме того, поскольку потребление энергии снижено, меньше энергии превращают в тепло.
Подводя итоги, способ работы импульсной лампы в системе для воздействия на кожу содержит этапы установления проводящего пути между импульсной лампой и заряженным конденсатором, вызывающим свободный разряд в импульсной лампе, и прерывания указанного проводящего пути, например, для отсечения тока через лампу, когда плотность тока падает ниже предварительно определенного порогового уровня плотности тока или когда энергия, подаваемая в кожу, достигает определенного максимума.
Несмотря на то что изобретение проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в приведенном выше описании, специалисту в данной области должно быть ясно, что такие иллюстрации и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие. Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления; предпочтительнее некоторые вариации и модификации возможны в пределах объема защиты изобретения, как определено в приложенной формуле изобретения.
Специалисты в данной области могут понять и реализовать другие вариации в раскрытых вариантах осуществления при практическом осуществлении описываемого в заявке изобретения, изучив рисунки, раскрытие и приложенную формулу изобретения. В формуле изобретения слово «содержит» не исключает другие элементы или этапы, а единственное число не исключают множества. Один процессор или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в пунктах формулы изобретения. Сам факт того, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с пользой. Какие-либо условные обозначения в формуле изобретения не следует толковать в качестве ограничения объема.
Выше настоящее изобретение объяснено со ссылкой на структурные схемы, которые иллюстрируют функциональные блоки устройства в соответствии с настоящим изобретением. Следует понимать, что один или несколько из этих функциональных блоков можно реализовать в аппаратном обеспечении, где функцию такого функционального блока осуществляют отдельные компоненты аппаратного обеспечения, но также возможно, что один или несколько этих функциональных блоков реализованы в программном обеспечении с тем, чтобы функцию таких одного или нескольких функциональных блоков осуществлять посредством одной или нескольких программных строк компьютерной программы или программируемого устройства, такого как микропроцессор, микроконтроллер, цифровой сигнальный процессор и т.д.