УСТРОЙСТВО ДЛЯ УХОДА ЗА КОЖЕЙ НА ОСНОВЕ СВЕТА
DEVICE FOR SKIN CARE BASED ON LIGHT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ изобретения
Данное изобретение относится к устройству для ухода за кожей на основе света. Устройство содержит световой источник, оптическую систему и прозрачное выходное окно. Световой источник служит для создания падающего светового пучка для ухода за кожей с помощью лазерно-индуцированного оптического пробоя (LIOB) волос или кожной ткани. Прозрачное выходное окно позволяет падающему световому пучку выходить из устройства. Предусмотрена оптическая система для фокусировки падающего светового пучка в фокальное пятно в волосах или кожной ткани вне устройства для ухода за кожей.
уровень техники изобретения
Такие устройства для ухода за кожей на основе света используются, например, для ухода за кожей, предотвращающего появление морщин, и для срезания волос. При уходе за кожей на основе света, предотвращающем появление морщин, устройство создает фокальное пятно в слое дермы кожи, подлежащей обработке. Мощность и продолжительность импульсов лазера, а также размер фокального пятна подбираются так, что явление лазерно-индуцированного оптического пробоя (LIOB) воздействует на кожу, чтобы стимулировать возобновление роста кожной ткани и всесте с этим уменьшить морщины. При срезании волос на основе света падающий световой пучок фокусируется в волосе, и явление LIOB вызывает срезание волоса.
Например, международная заявка на патент, опубликованная как WO 2005/011510, описывает устройство для укорачивания волос, содержащее лазерный источник для генерирования лазерного пучка в течение заданной длительности импульса, оптическую систему для фокусировки лазерного пучка в фокальное пятно и манипулятор лазерного пучка для позиционирования фокального пятна в целевом положении. Размер фокального пятна и мощность сгенерированного лазерного пучка таковы, что в фокальном пятне лазерный пучок имеет плотность мощности, которая превышает характеристическое пороговое значение для ткани волос, при превышении которого при заданной длительности импульса в ткани волос происходит явление лазерно-индуцированного оптического пробоя (LIOB). В WO 2008/001284 раскрыты дополнительные подробности, например обсуждаются требования к лазерному пучку и необходимые характеристики фокусирующей системы, например числовая апертура выходной линзы.
2
Вообще лазерно-индуцированный оптический пробой (LIOB) происходит в средах, которые являются прозрачными или полупрозрачными для длины волны лазерного пучка, когда плотность мощности (Вт/см) лазерного пучка в фокальном пятне превышает пороговое значение, которое является характеристическим для конкретной среды. Ниже порогового значения конкретная среда имеет относительно низкие линейные свойства поглощения для конкретной длины волны лазерного пучка. Выше порогового значения среда имеет сильно нелинейные свойства поглощения для конкретной длины волны лазерного пучка, что является результатом ионизации среды и образования плазмы. Данное явление LIOB приводит ко многим механическим эффектам, таким как кавитация и генерация ударных волн, которые повреждают среду в местах, окружающих место проявления LIOB.
При LIOB применяются субнаносекундные или т.н. пикосекундные лазерные импульсы высокой интенсивности для генерации потока фотонов высокой плотности, необходимого для многофотонного поглощения в коже. Нелинейный процесс LIOB происходит в фокальном объеме, только когда в фокусе генерируется чрезвычайно интенсивный поток фотонов, превосходящий порог интенсивности, необходимый для оптического пробоя, посредством фокусировки с высокой числовой апертурой (NA).
В устройствах для ухода за кожей на основе LIOB используется лазер класса 4, который потенциально опасен для пользователя. Таким образом, важно использовать средство защиты, чтобы обеспечить безопасность пользователя и дорогостоящего устройства.
00
00
2
Традиционно при LIOB применяются фундаментальные гауссовы TEM моды, в которых поперечный профиль оптической интенсивности пучка описывается с помощью гауссовой функции. Для гауссовых пучков максимальная интенсивность, а именно интенсивность на оси пучка, равна удвоенной мощности, деленной на эффективную площадь моды (Эффективная площадь моды =πw, где w - радиус моды). Если для создания LIOB используется TEM гауссовы пучки, выходная фокусирующая линза часто повреждается вследствие обратного отражения от кожи, в частности в центре пучка, соответствующем максимальной интенсивности.
Поврежденная линза может привести к низкой эффективности обработки и нежелательным побочным эффектам для пользователя. В частности, поврежденное выходное окно отрицательно воздействует на способность устройства обеспечить достаточно узкий фокус в требуемом месте, что может снижать эффективность процесса обработки и/или может увеличивать встречаемость вредных побочных эффектов, таких как раздражение кожи. Если над дермой образуются поверхностные патологические изменения, возникают петехии (мелкие кровоизлияния) вследствие микроразрушений капилляров, что приводит к снижению эффективности, увеличению побочных эффектов и временной нетрудоспособности.
Хотя в прошлом сообщалось о многих системах активной безопасности, они чувствительны к неисправностям, при этом они могут быть довольно сложными, а потому дорогостоящими.
Альтернативная возможность заключается в использовании конвертеров «Gaussian to Top-Hat» для преобразования профилей одномодовых гауссовых лазерных пучков в профили лазерных пучков с равномерной интенсивностью (flat top).
Остается потребность в более простой пассивной функциональной системе для дальнейшего повышения безопасности устройства и пользователя по сравнению с профилями интенсивности гауссова пучка и пучка с равномерной интенсивностью (Top-hat).
СУЩНОСТЬ изобретения
Изобретение определяется формулой изобретения.
В примерах согласно первому аспекту изобретения предложено устройство для ухода за кожей на основе света, содержащее:
лазерный источник света для создания импульсного падающего светового пучка для ухода за кожей с помощью лазерно-индуцированного оптического пробоя волос или кожной ткани; а также
фокусирующую систему для фокусировки падающего светового пучка в фокальное пятно в волосе или кожной ткани,
при этом фокусирующая система содержит выходную фокусирующую линзу, имеющую центральную вакуумированную или заполненную воздухом апертуру.
Апертура в выходной линзе создает сфокусированный пучок кольцевой формы. Максимальная интенсивность падающего лазерного излучения на поверхности кожи снижается благодаря распределению лазерной энергии по кольцу вместо профиля гауссова пучка. Это снижает интенсивность в каждой заданной точке кожи, сохраняя при этом поток фотонов в фокальном объеме, как это достигалось бы с использованием гауссова профиля интенсивности. Это уменьшает обратно отраженное излучение, вызванное максимальной интенсивностью в центре пучка. Это предотвращает повреждение контактного окна или выходной линзы, а также возможное повреждение кожи, что повышает безопасность и эффективность ухода за кожей на основе LIOB.
При одинаковых плотностях потока фотонов в фокальной области кольцевое облучение создает меньшие уровни излучения, обратно отраженного от кожи вдоль оси пучка, где мощность лазерного излучения минимальна, по сравнению с облучением гауссовым пучком, где на ось пучка приходится максимальная интенсивность.
Лазерный источник света предпочтительно содержит лазер с длиной волны 1064 нм. Это обеспечивает низкое поглощение и рассеяние внутри кожи, а значит обеспечивает большую глубину проникновения.
Лазерный источник света, например, выполнен с возможностью доставки импульсов с энергией 1-10 мДж при продолжительности импульсов от 100фс до 10нс, например 100пс - 10нс. Это обеспечивает уровни энергии, пригодные для LIOB.
Выходная фокусирующая линза предпочтительно имеет высокую числовую апертуру для обеспечения эффективной узкой фокусировки в требуемую точку для безопасной работы системы.
Апертура, например, имеет диаметр менее 1мм, например, менее 0,5мм.
Апертура, например, имеет площадь менее 5% площади выходной фокусирующей линзы или менее 5% эффективной апертуры выходной фокусирующей линзы.
Устройство может содержать схему формирования пучка для генерирования кольцевого импульсного падающего светового пучка.
Схема формирования пучка может содержать:
пространственный модулятор света; или
фазовую маску; или
запирающую маску; или
голографическую пластину; или
решетку.
Это является различными вариантами создания требуемого кольцевого пучка.
В изобретении также предложен способ ухода за кожей на основе света, содержащий:
создание импульсного падающего светового пучка для ухода за кожей с помощью лазерно-индуцированного оптического пробоя волос или кожной ткани;
фокусировку падающего светового пучка в фокальное пятно в волосе или кожной ткани путем фокусирования с помощью выходной фокусирующей линзы, имеющей центральную апертуру диаметром менее 1мм.
Импульсное падающее излучение может представлять собой излучение лазера с длиной волны 1064нм, имеющее импульсы с энергией 1-10 мДж продолжительностью от 100фс до 10нс, например 100пс - 10нс.
Способ может содержать генерирование кольцевого импульсного падающего светового пучка.
Данные способы представляют собой не терапевтические способы, в частности косметические способы, предназначенные для омоложения кожи или удаления волос.
КРАТКОЕ описание чертежЕЙ
Примеры изобретения далее будут описаны подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи, где:
на Фиг. 1 схематично показано известное LIOB-устройство для ухода за кожей;
на Фиг. 2 показана известная фокусирующая линза более подробно;
на Фиг. 3 показан один возможный способ формирования пучка для уменьшения повреждения от обратных отражений;
на Фиг. 4 показана известная фокусирующая линза согласно изобретению, более подробно;
на Фиг. 5 показан способ лазерной обработки.
Подробное описание вариантОВ осуществления
Изобретение будет описано со ссылкой на Фигуры.
Следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, указывая примеры осуществления устройств, систем и способов, приведены лишь в целях иллюстрации и не направлены на ограничение объема изобретения. Эти и другие признаки, аспекты, и преимущества устройств, систем и способов по настоящему изобретению можно будет лучше понять из нижеследующего описания, прилагаемой формулы изобретения и сопроводительных чертежей. Следует понимать, что Фигуры всего лишь схематичны и не выполнены с соблюдением масштаба. Следует также понимать, что одинаковые ссылочные позиции использованы на всех Фигурах для обозначения одинаковых или схожих деталей.
В изобретении предложено устройство для ухода за кожей на основе света, предназначенное для ухода за кожей с помощью лазерно-индуцированного оптического пробоя волос или кожной ткани. Фокусирующая система имеет выходную фокусирующую линзу для фокусировки падающего светового пучка в фокальное пятно в волосе или кожной ткани. Данная линза имеет центральную апертуру. Это служит уменьшению обратного отражения от поверхности линзы, которое может вызвать повреждение фокусирующей системы.
Перед подробным описанием изобретения будет в общих чертах представлен один пример типа устройства, к которому относится изобретение.
На Фиг. 1 показана система 1 для ухода за кожей 3, имеющей поверхность 5.
Система 1 содержит световой источник 9 для генерирования лазерного пучка 11 в течение, по меньшей мере, заданной длительности импульса, и она содержит оптическую систему 13 для фокусировки лазерного пучка 11 в фокальное пятно 15 и для позиционирования фокального пятна 15 в целевом положении в коже 3, которая, по меньшей мере, частично прозрачна для излучения от светового источника 9.
Пример оптической системы 13, схематично указанной на Фиг. 1, содержит систему 17 для отклонения пучка и дихроичного расщепления пучка, систему 19 коррекции аберраций, систему 21 сканирования пучка и фокусирующую систему 23, причем эти системы могут содержать одно или более зеркал, призмы, расщепители пучка, поляризаторы, оптические волокна, линзы, апертуры, прерыватели и т.д. Например, система сканирования содержит сканирующие призмы.
Фокусирующая система обладает выбором глубины фокусировки, возможностью формирования и фокусировки пучка, а также имеет контактное/выходное окно. Имеется подвес для отслеживания контуров (contour following suspension), чтобы сохранять контакт контактного/выходного окна.
По меньшей мере, часть оптической системы 13 и/или путь прохождения лазерного пучка 11 могут быть заключены в оболочку, например для безопасности глаз, например содержать светонепроницаемые трубки и/или одно или более оптических волокон.
Световой источник 9 выполнен с возможностью излучения заданного числа лазерных импульсов на заданной длине волны при заданной продолжительности импульсов и заданной частоте повторений. Система 1 может настраиваться так, чтобы целевое положение фокального пятна 15 находилось под поверхностью кожи. Размер фокального пятна 15 и мощность сгенерированного лазерного пучка таковы, что в фокальном пятне 15 лазерный пучок 11 имеет плотность мощности, превышающую характеристическое пороговое значение для кожной ткани, выше которого для заданной длительности импульса происходит событие лазерно-индуцированного оптического пробоя.
Между лазерным источником 9 и системой 17 для отклонения пучка и дихроичного расщепления пучка может находиться шарнирная консоль. Система 17 отклонения пучка и последующие компоненты образуют часть ручного блока. Из-за ошибок в юстировке зеркал шарнирной консоли пучок может расширяться перед вхождением в шарнирную консоль, а затем сжиматься перед управлением пучком и коррекцией аберраций.
Кожа 3 содержит множество слоев, обладающих различными оптическими свойствами. Эпидермис состоит из крайних слоев и образует водонепроницаемый защитный барьер. Крайний слой эпидермиса представляет собой роговой слой, который вследствие его микроскопических изменений неровности затрудняет связь по излучению между устройством 1 и кожей 3. По этой причине между фокусирующей системой и кожей предпочтительно обеспечивается контактная текучая среда, показатель преломления которой направлен на согласование показателя преломления кожи и/или выходной линзы фокусирующей системы.
Под эпидермисом расположена дерма. Дерма содержит волокна коллагена, на которые направлен уход за кожей.
В одном примере применения системы цель ухода за кожей состоит в создании фокуса 15 импульсного лазерного пучка 11 в коллагене дермы, чтобы образовать микроскопические повреждения, которые приводят к формирования нового коллагена.
Световой источник 9 может управляться возможным контроллером 25, который может обеспечивать пользовательский интерфейс. Кроме того, одна или более частей оптической системы 13 могут управляться с помощью возможного контроллера (не показан), который может быть объединен с контроллером 25 светового источника, чтобы управлять одной или более характеристиками целевого положения и/или фокального пятна.
Параметры фокусировки лазерного пучка могут определяться соответствующими установочными параметрами системы формирования пучка и/или фокусировки, например путем регулировки числовой апертуры фокусирующей системы. Оптическая система имеет числовую апертуру, составляющую, по меньшей мере, 0,2, предпочтительно, по меньшей мере, 0,4, более предпочтительно, по меньшей мере, 0,6. Такие значения числовой апертуры связаны с безопасностью для верхних слоев кожи, в частности эпидермиса.
Подходящий световой источник содержит Nd:YAG лазер с модуляцией добротности, испускающий лазерные импульсы на длине волны около 1064 нм с продолжительностью импульсов около 100пс - 10нс. В данном диапазоне плазма, генерируемая LIOB, сильно локализована, т.е. имеет малую пространственную протяженность, что сводит к минимуму непредусмотренное повреждение окружающих тканей. Кроме того, максимальная мощность, необходимая для получения LIOB, по существу не зависит от длительности импульса в данном диапазоне. Однако другие длительности импульсов, например, в диапазоне примерно 100фс - 100пс, также могут быть использованы.
Энергия в импульсе может составлять 1-10 мДж.
Выходная линза 50 представляет собой фокусирующую линзу с высокой NA.
Использование 1064 нм для обработки является предпочтительным из-за относительно низкого поглощения и рассеяния внутри кожи, а значит обеспечения большой глубины проникновения. Другие лазеры, например трехуровневый лазер Nd:Cr:Yag 3 и/или диодные лазеры, также могут использоваться. Другим примером служат Er:YAG лазеры с эмиссией на 1645 нм.
Система 17 для отклонения пучка и дихроичного расщепления пучка содержит дихроичный расщепитель пучка, который отражает лазерное излучение, но пропускает излучение с длиной волны в видимой области спектра. Таким образом, полученное излучение с длиной волны в видимой области спектра от кожи 3 захватывается оптической системой и служит сигналом 11' обратной связи, который может использоваться для управления системой либо в ручном режиме, либо автоматически.
Глубина выполнения фокусировки, обеспечиваемая фокусирующей системой 23, предпочтительно поддается регулировке.
На Фиг. 2 показана фокусирующая система с традиционной выходной фокусирующей линзой 30, выдающая сфокусированные лазерные импульсы в кожу 3, тем самым создавая LIOB в фокусе 15. Профиль интенсивности показан в виде графика 32, где имеется центральный участок 34 с высокой интенсивностью и кольцевая полоса 36 с низкой интенсивностью.
Первое непосредственно обратно отраженное излучение будет происходить от выходной поверхности фокусирующей линзы 30, при этом если перед кожей имеется множество слоев 30A, 30B, 30C, как показано на Фиг. 2, то каждый слой будет вносить вклад в обратно отраженное излучение. Падающий и прямой отраженный лучи показаны стрелками 38. Лучи, изогнутые в результате выполнения функции фокусировки линзы, не вносят вклад в прямое отраженное излучение.
Слои 30A, 30B, 30C, например, предусмотрены для улучшения оптической связи с кожей и могут содержать гель, в состав которого входит смесь полярных и неполярных веществ, прозрачную пленку и масло. Использование таких дополнительных слоев поясняется более подробно, например, в WO 2013/128380.
Как упоминалось выше, могут применяться конвертеры «Gaussian to Top-Hat», как показано на Фиг. 3, для преобразования профиля 40 одномодового гауссова лазерного пучка в профиль 42 лазерного пучка с равномерной интенсивностью.
На Фиг. 4 показан подход по изобретению, при котором выходная фокусирующая линза 50 модифицирована так, чтобы включать в себя центральную апертуру 52. Для простоты на Фиг. 4 не показаны никакие дополнительные соединительные слои, хотя, разумеется, они могут присутствовать.
Обычно пространство под полной апертурой линзы 50 будет частично заполнено иммерсионной текучей средой. Это означает, что эффективная апертура линзы будет меньше максимальной реальной апертуры линзы.
2
2
2
Центральная апертура, например, имеет площадь, составляющую лишь несколько процентов площади, определяемой эффективной апертурой (диаметром) линзы. Обычно эта площадь будет менее 5%, например лежать в диапазоне 0,25% - 5%. Например, для реальной апертуры линзы, составляющей 4 мм, эффективная апертура может составлять 3,6 мм (следовательно, площадь 10,2мм), при этом диаметр центрального отверстия, например, лежит в диапазоне 0,2-0,4 мм (следовательно, площадь 0,03мм- 0,50мм).
Апертура предназначена для предотвращения повреждения линзы, вызванного максимальной интенсивностью в очень малой области в центре.
Апертура обычно заполнена воздухом. Апертура может оказаться заполненной иммерсионной текучей средой между линзой и кожей, но из-за малого размера апертуры, составляющего менее 1мм в диаметре (чаще менее 0,5мм в диаметре), вероятность заполнения иммерсионной текучей средой мала.
Даже если апертура заполнена иммерсионной текучей средой, повреждение, обусловленное обратным отражением, в любом случае может сводиться к иммерсионной текучей среде в зазоре, что не является проблемой. Это объясняется тем, что диаметр центральной апертуры очень мал по сравнению с заполненной эффективной апертурой.
Таким образом, апертура может быть заполнена воздухом или иммерсионной текучей средой линзы, или связывающей средой. Предпочтительно апертура заполнена текучей средой (жидкостью или газом) с показателем преломления, отличным от показателя преломления линзы, так что текучая среда не выполняет ту же функцию фокусировки линзы. Апертура может быть даже вакуумирована, а затем запечатана. Апертура, таким образом, может быть открытой или она может быть закрытой.
Текучая среда в апертуре статична. Таким образом, апертура не функционирует в качестве канала потока, а выполняет функцию прерывания функции линзы. Апертура, например, заполнена статичной средой, имеющей показатель преломления, отличный от показателя преломления линзы, например, средой, имеющей показатель преломления ниже 1,3 на длине волны лазерного излучения.
Профиль интенсивности показан в виде графика 54, где имеется центральный участок 56 с низкой интенсивностью, кольцо 58 со средней интенсивностью и кольцо с высокой интенсивностью в середине кольца со средней интенсивностью. Разумеется, это является обобщением, поскольку профиль интенсивности является гладким, а не дискретным. Участок с высокой интенсивностью преобразуется из центрального круга в кольцо большего диаметра, следовательно, снижая максимальную интенсивность падающего излучения, но сохраняя общий поток.
Это предотвращает повреждение контактного окна/выходной линзы и возможное повреждение кожи, а значит, повышает безопасность и эффективность ухода за кожей на основе LIOB. Данная конструкция приводит к уменьшению уровней излучения, обратно отраженного от кожи, вдоль оси пучка.
Импульсы лазерного пучка могут иметь круговую форму сечения. Использование кольцевого пучка приведет к потере энергии, но весьма незначительной.
Лазерный пучок в качестве альтернативы может быть сформирован до того, как достигнет выходной фокусирующей линзы 50 для образования кольцевого лазерного пучка. Схема 64 формирования пучка показана схематично на Фиг. 4. Таким образом, не будет «потерянной» лазерной энергии, не внесшей вклад в сфокусированный пучок. Кольцевой пучок может быть создан множеством разных известных способов, применяя управление волновым фронтом, например, с помощью пространственного модулятора света, фазовой маски, блокирующей маски, голографической пластины или решетки.
Выбирается решение по формированию пучка, которое сводит к минимуму потери на преобразование, имеет низкую стоимость и является наименее чувствительным к допускам системы.
Уход за кожей может содержать процесс бритья для удаления волос. В процессе использования фокусирующая система 23 перемещается по поверхности кожи, подвергаемой бритью. Фокусирующая система образует выходное окно, чтобы позволить падающему световому пучку покидать устройство. Фокусирующая система при этом образует оптическое лезвие.
Уход за кожей может содержать омоложение кожи для сокращения морщин, которые могут появляться в коже человека в результате естественного процесса старения. В процессе использования фокусирующий элемент прижимается к коже, подлежащей обработке, или удерживается вблизи нее. Выходное окно, образованное фокусирующей системой, удерживается параллельно коже, при этом падающий световой пучок покидает выходное окно и проникает в кожу в направлении, по существу перпендикулярном поверхности кожи.
В обоих примерах между фокусирующей системой и поверхностью кожи может обеспечиваться иммерсионная текучая среда. Предпочтительно используется иммерсионная текучая среда, имеющая показатель преломления, близкий к показателю преломления линзы для контакта с кожей фокусирующей системы 23 и кожи или волоса, где должен произойти LIOB. Для этого пригодны текучие среды с показателем преломления от около 1,4 до около 1,5. Кроме того, вода, которая хотя и имеет чуть меньший показатель преломления, составляющий 1,33, для некоторых устройств и областей применения может быть подходящей иммерсионной текучей средой.
Система по Фиг. 1 имеет определенный набор оптических компонентов между лазером и фокусирующей системой. Однако данная схема не носит ограничительного характера. Система обратной связи по изобретению может иметь иные конфигурации с меньшим или большим числом компонентов.
На Фиг. 5 показан способ ухода за кожей на основе света, содержащий:
на этапе 70 создание импульсного падающего светового пучка для ухода за кожей с помощью лазерно-индуцированного оптического пробоя волос или кожной ткани; а также
на этапе 72 фокусировку падающего светового пучка в фокальное пятно в волосе или кожной ткани путем фокусирования с помощью выходной фокусирующей линзы, имеющей центральную апертуру.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, при этом специалисты в данной области техники смогут разработать множество альтернативных вариантов осуществления без отступления от объема притязаний прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения ни одну из ссылочных позиций, помещенных в скобки, не следует толковать как ограничивающую формулу изобретения. Использование глагола "содержать" и его производных не исключает наличия элементов или этапов, отличных от перечисленных в формуле изобретения. Использование единственного числа не исключает множественного числа. Изобретение может быть реализовано с помощью аппаратных средств, содержащих несколько отдельных элементов, и с помощью компьютера, имеющего соответствующее программное обеспечение. В пункте формулы изобретения на устройство, перечисляющем несколько средств, некоторые из этих средств могут быть реализованы с помощью одного и того же элемента аппаратных средств. Сам по себе тот факт, что некоторые меры излагаются во взаимно отличных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что совокупность этих мер не может использоваться с пользой.