CN1723058A - 用于进行光生物刺激的设备 - Google Patents

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Abstract

通过结合光生物刺激以及对处理区域进行加热和/或冷却，本发明提供了用于调节疾病和/或美容治疗的效能和/或增加其效率的装置。一方面，通过控制靶区域和/或其周围体积的温度，本发明的装置调节靶区域的光生物刺激的效能。根据本发明的某些方面，对组织进行加热，从而对温度过高的组织进行生物刺激。另外，可以冷却部分靶区域，对位于皮肤表面以下预定深度的特定区域进行选择性的靶生物刺激。还提供了反馈机制，从而可以选择性地并精确地控制靶区域的温度。

Description

用于进行光生物刺激的设备
优先权
本发明要求于2002年10月7日提交的美国临时申请No.60/416664的优先权，所述申请的题目为“进行光生物刺激的方法和设备”。
本发明的背景技术
本发明涉及对组织进行光生物刺激的方法和设备，尤其涉及对组织进行控制温度的光生物刺激的方法和设备。
在过去的三十年里，低功率发射激光器(即通常小于100mV)广泛用于治疗各种临床状况。例如，有报道用光刺激DNA合成、激活酶底物络合物、转化前列腺素、以及产生微循环效应。在照射细胞或组织内的内源性生色团(即不采用外源性光敏剂)而产生的效应方面有大量的报道。
采用低功率光以达到上述光化学响应通常称为光生物刺激。除了激光之外，还可以采用其它单色或准单色光源(例如LED)或对宽带光源进行适当过滤(例如过滤荧光灯、卤素灯、放电管或自然光)以实现光生物刺激。由激光源实施的生物刺激也称为低功率激光治疗(LLLT)。
低功率光或低功率激光治疗通过渗透进入组织的深部并对光生物刺激过程进行初始化而刺激组织并促进愈合。光能量被生成少量单态氧的细胞线粒体和细胞膜内的细胞色素和卟啉吸收。在几千个临床研究病例中证实了上述治疗可以使疾病治愈。典型地，对于急性情况，4至6个疗程之后，以及对于慢性情况，6至8个疗程之后，病人感觉显著改善。在许多情况下，光生物刺激为外科手术之外另一可行的替换方案。
据信，光生物刺激导致的光化学过程涉及光子结合入生化反应的细胞机制。通常，光吸收和光子能量结合入细胞呼吸周期的原理是公知的自然现象。光合作用和视觉为所述现象的两个例子。在这些过程中，光受体分子分别为叶绿素和视紫红质(rodopsin)。
在光生物刺激中，在体外已经证实了几种同时发生的作用机制。所述机制的一个例子涉及细胞色素c氧化酶，其为低能量光的主要细胞内光受体。细胞色素c氧化酶为一种存在于细胞线粒体内的呼吸链酶，为真核细胞呼吸链的末端酶。尤其是，细胞色素c氧化酶介导了电子从细胞色素c向分子氧的转移。众所周知，细胞色素c的参与为生成自由能的氧化还原化学过程的关键，所述自由能之后转化为线粒体内膜的跨膜电化学电势，最终促使生成三磷酸腺苷(ATP)。因此，光生物刺激被假设认为能够增加用于细胞代谢活动的能量。
人们进一步证实了，光生物刺激可以增强细胞增殖，从而达到治疗效果。ATP分子为环腺苷酸(cAMP)的底物，其与钙离子(Ca2+)结合刺激DNA和RNA的合成。cAMP为影响大量生理过程的关键性的第二信使，所述生理过程例如信号传导、基因表达、血液凝集以及肌肉收缩。因此，人们假定，由光生物刺激导致的ATP生成增加可以增加细胞增殖和蛋白生成。
经光刺激例如由光生物刺激引起的ATP合成取决于波长。Karu(Lasers in Medicine and Dentistry，Ed.Z.Simunovic，Vitgraf：Rijeka，2000，第97-125页)体外证实了原核细胞和真核细胞对两个波长范围敏感，一个位于350-450nm，另一个位于600-830nm。Karu证明了，红光波长的光受体为黄素蛋白还原酶(脱氢酶)的半醌型和细胞色素c的细胞色素a/a3。氧化形式的细胞色素c氧化酶为800nm至830nm波长范围内的特定生色团。
生物刺激的另一机制涉及对真皮血管内的血细胞和血管壁产生极为有限的刺激。其导致轻微的炎症/生长反应。炎症介质通过血管壁释放，刺激纤维原细胞活性，最终导致“治愈”效果。
尽管在大量的体外研究中已经证实了上述机制和积极效果，但是临床试验结果到目前为止仍然是不确定的。尽管某些团体报道了不同程度地成功治疗了一系列状况，但是其它人员没有观察到效果或仅仅观察到极小的效果。美国专利No.5514168，5640978，5989245，6156028，6214035，6267780以及6221095提供了用于生物刺激的方法和装置的例子，上述申请通过引用的方式在本文中结合。尽管本领域存在多种生物刺激的方法和装置，但是需要更加有效的、能够在更短治疗过时间内较快产生结果的处理方法。
通常采用相对较为便宜的光源进行光生物刺激，例如二极管激光器或LED，例如Ga-As和Ga-Al-As(例如，在红外光谱范围内发射(600-980nm))。现有的低功率激光源和发光二极管(LED)产生1-100毫瓦的功率水平；因此，将光束输出聚集于一非常小的光点直径(通常小于10mm)，从而得到进行光生物刺激过程所需的功率密度。其导致皮肤表面的通常功率密度为1至100mW/cm2。所述小的光束尺寸使得处理大的区域时需要采用扫描装置。在大多数研究中采用的处理时间为5至30分钟，通常需要多次处理。
本领域需要经改进的用于生物刺激的方法和装置，所述方法和装置提高了疾病和/或美容治疗的效率，从而需要较少的疗程。
本发明的简要描述
通过结合光生物刺激以及对处理区域进行加热和/或冷却，本发明提供了用于调节疾病和/或美容治疗的效能和/或增加其效率的方法和装置。一方面，通过控制靶区域和/或其周围体积的温度，本发明的方法和装置调节靶区域的光生物刺激的效能。根据本发明的某些方面，对组织进行加热，从而对温度较高的组织进行生物刺激。另外，可以冷却部分靶区域，对位于皮肤表面以下预定深度的特定区域进行选择性的靶生物刺激。还提供了反馈机制，从而可以选择性地并精确地控制靶区域的温度。
本发明部分基于以下发现，即加热可以增强生物刺激效应。经加热增强的生物刺激可以呈现多种形式。例如，热可以减慢由辐射诱导的DNA损伤的修复，使更多损伤不被修复，增加靶区域的自由基含量，从而增强生物刺激的效应。热还可以诱导热休克蛋白的生成或激活，或者调节酶过程的速率。同时，常规光生物刺激的处理源和操作条件对经处理的组织的加热是可以忽略不计的(例如，高于正常体温不超过1℃)
一方面，本发明提供了对受试者的靶区域进行生物刺激的方法和装置，包括用来自辐射源的辐射照射靶区域并持续一选定的时间阶段，所述辐射具有至少一个经选定的适合生物刺激的波长组分，用独立于所述生物刺激辐射的源控制被照射靶区域的温度，从而调节所述生物刺激的效能。选择所述时间阶段对靶区域进行生物刺激。在某些实施方式中，靶区域位于受试者皮肤表面以下一定的深度。可以基于预期的应用，选择时间阶段。优选地，所述时间阶段选择为大约10秒至大约1小时，或者大约10分钟至大约1小时。可以通过以下方式控制温度，例如使靶区域与具有选定温度的表面进行热接触，在靶区域上方生成与所述靶区域热接触的流体或空气流，对所述靶区域施加电磁或超声辐射，或者在靶区域上涂覆蒸发乳剂或者预先冷却和/或预先加热的乳剂或乳液。本领域技术人员应认识到还可以采用其它方法控制靶区域和/或其周围体积的温度。
根据预期的应用，所述波长组分可以选择位于大约380nm至大约1250nm，大约380nm至大约600nm，大约380nm至大约450nm，大约600nm至大约700nm，或大约760nm至880nm。所述辐射源优选产生具有窄的带宽的辐射，例如小于大约100nm的带宽。
所述辐射可以将大约1至大约250mW/cm2的功率通量传递至所述靶区域，更优选大约10至大约100mW/cm2。在照射期间，所述辐射可以将大约1焦耳/cm2至大约1000焦耳/cm2的能量通量传递至被照射的靶区域，优选大约1焦耳/cm2至大约100焦耳/cm2。
根据本发明的某些方面，将所述靶区域暴露于横截面积为大约1cm2至大约10cm2的辐射光束，从而对其进行照射。然而，基于应用，可以增加光束的横截面积。
在某些方面，控制温度的步骤包括加热所述被照射的靶区域，在此处称为温度过高，从而增加生物刺激的效能。可以通过接触加热、对流或施加电磁辐射实施所述加热步骤，所述电磁辐射例如超声、微波或红外能。本文中，温度过高定义为高于正常体温的温度。根据一天中的时间，正常体温可以为36.1℃至37.2℃。因此，在实施本发明中，施加生物刺激的靶区域表面的温度可以增加至37-50℃，优选37-45℃。在某些实施方式中，靶区域的温度可以增加至大约37-42℃，或者，位于大约38-42℃。在其它实施方式中，靶区域的温度增加至38-41℃。所述温度优选高于正常体温，但是低于产生疼痛以及大量浓度的关键生物分子发生变性的温度。
本发明的另外方面为对实施生物刺激辐射的靶区域进行冷却。根据本发明的至少某些方面，冷却部分组织区域，从而使皮肤免于受到热损伤，和/或减少所述区域的生物刺激效能以控制治疗的深度。可以将所述靶区域冷却至大约0℃至大约36℃，或大约10-36℃，或大约15-36℃，或大约20-36℃，或大约28-36℃。
在某些实施方式中，温度的控制包括采用独立辐射源加热被生物刺激辐射照射的靶区域。所述独立辐射源可以包括窄带源或宽带源。所述独立辐射源可以产生其中一个或多个波长组分位于大约380nm至大约2700nm的辐射，优选大约1000nm至大约1250nm，或者更优选大约700nm至大约900nm。
在本发明的一个方面，控制所述被照射的靶区域温度的步骤包括对靶区域的第一选定部分进行加热，以及对靶区域的第二选定区域进行冷却。加热和冷却可以同时或者顺序进行。在照射阶段之前、期间或者之间，快速改变靶区域的温度或使温度发生波动可以产生有利效果。
本发明的另一方面公开了一种对患者的靶区域进行生物刺激的方法，所述区域位于患者皮肤以下的一定深度。该方法包括将患者皮肤的一部分暴露于辐射并持续一选定时间阶段以照射靶区域，所述辐射具有至少一个经选定的能够穿透至靶区域所述深度的波长组分。对患者的部分体积的温度进行控制，所述辐射穿过所述体积的至少一部分以到达靶区域，从而相对于靶区域，调节该体积内的生物刺激。选择波长组分和时间阶段以使靶区域产生生物刺激。可以控制温度，从而冷却所述体积并减少其中的生物刺激。例如，所述体积的温度可以降低至大约0℃至大约36℃，或优选大约15℃至大约36℃。所述波长组分可以选择位于大约380nm至大约1250nm，或者位于本文所述的其它特定范围。所述辐射源可以产生具有小于大约100nm的窄带宽的辐射。
在另一方面，本发明公开了一种对患者靶区域进行生物刺激的装置，其包括生成电子辐射的第一源，所述辐射具有一个或多个适合对靶区域进行生物刺激的波长组分；与所述源进行光耦合的辐射引导装置，用于将所述辐射传导至靶区域；以及与所述靶区域相连的第二源，以控制靶区域的温度，从而调节由所述电磁辐射引发的生物刺激的效能。第一源可以产生具有窄带宽的辐射，例如带宽小于大约100nm。第一源可以产生具有一个或多个在大约380nm至大约1250nm范围内的波长组分的辐射。所述第二源可以包括电磁辐射源，以生成适合加热靶区域的辐射，从而增加生物刺激的效能。例如，第二源可以产生一个或多个在大约380nm至大约2700nm范围内的波长组分。
在相关方面，所述装置可以进一步包括一光纤，所述光纤在其入口处与第一辐射源耦合，同时在其出口处与辐射引导装置例如透镜系统耦合，从而将辐射源产生的光引导至透镜系统。所述透镜系统可以具有至少一个可移动透镜，从而可以调整由第一源产生的用于照射靶区域的辐射光束横截面积。所述透镜系统可以包括Fresnel透镜。
在另一方面，所述辐射引导装置可以包括接受来自第一源的辐射光束以产生多个光束部分的分束器，一个或多个与所述分束器光耦合的反射表面，用于将所述光束部分的一个或多个引导至患者皮肤表面从而照射靶区域。所述反射表面可以对皮肤表面进行基本均匀的照射。所述分束器可以为例如棱镜，至少一个所述反射表面具有曲线轮廓。
在另一方面，本发明提供了一种对受试者靶区域进行生物刺激的方法，包括用辐射照射靶区域，所述辐射具有一个或多个适于引发所述靶区域内生物刺激的波长组分，并主动控制至少部分所述靶区域的温度以确保该温度位于操作温度的预定范围内，从而调节靶区域内生物刺激的效能。所述主动控制温度的步骤可以包括以下步骤，即测定与所述靶区域热接触的患者皮肤部分的温度，以及对经测量的温度与至少一个预先确定的阈值进行比较。根据所述测量温度与所述预先确定的阈值的比较，可以控制传递至靶区域或者从靶区域提取的热量。
在另一方面，本发明提供了一种对受试者的多个靶区域进行生物刺激的方法，其包括在受试者的部分皮肤上方移动辐射源以顺序照射多个靶区域，所述辐射具有至少一个适于引发生物刺激的波长组分。可以预定速率移动所述辐射源，从而将每个区域暴露于充足的引发生物刺激的辐射。通过独立于所述生物刺激辐射的源可以控制靶区域的温度，从而调节每个靶区域内的生物刺激效能。所述移动辐射源可以一次或者多次地将每个靶区域暴露于生物刺激辐射。
附图简要描述
附图1示意性地描述了本发明的一个实施方式，其中对从皮肤表面延伸至一选定深度的靶区域进行加热，从而对温度过高的组织体积进行生物刺激；
附图2示意性地描述了本发明的另一实施方式，其中对位于皮肤表面附近的经加热的靶区域进行生物刺激，同时对位于所述靶区域下方的未加热体积进行生物刺激；
附图3示意性地描述了本发明的另一实施方式，其中对位于皮肤表面以下一定深度的组织体积进行光生物刺激，同时对皮肤表面进行降温；
附图4示意性地描述了本发明的另一实施方式，其中对位于皮肤表面以下一定深度的温度过高的组织体积进行生物刺激，未加热体积位于所述温度过高组织体积的上方和下方；
附图5示意性地描述了本发明的另一实施方式，其中在第一组织体积进行强化生物刺激，所述第一组织体积为温度过高的并且位于皮肤表面以下的一定深度，同时对位于第一组织体积下方的第二组织体积进行生物刺激(体温不高)；
附图6的图形为采用示例单色光波长的II型皮肤的选定温度波形，其中对皮肤不进行冷却；
附图7的图形为采用示例单色光波长的II型皮肤的选定温度波形，其中同时对皮肤进行冷却；
附图8为根据本发明教导对靶区域进行生物刺激的光投射系统的示意图；
附图9A为对不平表面进行基本均匀照射的光投射系统的示例性实施方式；
附图9B的示意图为适用于根据本发明教导的装置的示例性分束器；
附图10的示意图为在不平表面上进行基本均匀照射的光投射系统的另一示例性实施方式；
附图11A的示意图为根据本发明教导的光投射系统的另一实施方式，其采用可旋转的头部从而对不平表面进行基本均匀的照射，其中设置所述可旋转的头部从而将光引导至不平表面的前部；
附图11B的示意图为本发明教导的光投射系统的另一实施方式，其采用可旋转的头部从而对不平表面进行基本均匀的照射，其中设置所述可旋转的头部从而将光引导至不平表面的第一侧面部分；
附图11C的示意图为本发明教导的光投射系统的另一实施方式，其采用可旋转的头部从而对不平表面进行基本均匀的照射，其中设置所述可旋转的头部从而将光引导至不平表面的第二侧面部分；
附图12A为II型皮肤表面温度图形，其为暴露于通量为680mW/cm2、800nm辐射的时间的函数，其中所述光束的直径大于2.5cm；
附图12B的温度图形中，II型皮肤表面被降温并保持在36℃，同时，所述皮肤表面暴露于根据本发明辐射的不同波长；
附图13A为用于本发明的光投射系统的示例性实施方式；
附图13B描述了根据本发明的一组示例性透镜参数；
附图14描述了根据本发明的装置的示例性实施方式，该装置能够照射靶区域并且通过反馈机制控制所述区域的温度；以及
附图15描述了根据本发明的装置的示例性实施方式，该装置能够采用2D辐射源矩阵照射靶区域。
本发明的描述
一方面，本发明通过控制靶区域的温度，从而控制靶区域的光生物刺激效能。靶区域，即患者的皮肤、头发、眼睛、牙齿、指甲或其它体组织的加热或冷却可以引发体内生物过程，所述过程能够与光生物刺激协同作用，从而产生更好、更有效的结果。在光生物刺激期间、之前或之间，调节靶区域的温度。根据施加的顺序和/或待处理的疾病或美容状况，可以改变照射和温度调节之间的协同作用。在优选实施方式中，同时进行温度和照射调节。
在一个实施方式中，增加靶区域的温度。组织的加热即温度过高使局部组织灌注增加，并且增强了血液和淋巴循环。血流的增加对经光生物刺激的组织具有多种效应。生物刺激的细胞生化反应加速，这是因为在较高温度下某些酶促反应的速率增加了。另外，通过血液和淋巴循环，更多的氧用于增强的细胞代谢，代谢毒性副产物的去除更加容易。此外，血管的加热可以增加血管壁和/或细胞壁的通透性，其促进治疗添加剂(即维生素、抗氧化剂、乳液等)或药物更好地传递至靶区域。例如，局部药物可以封装于热敏性脂质体中，所述脂质体暴露于热量时选择性地释放其药物内容物。
采用任意适当方法可以使待处理组织温度过高，包括但是不局限于采用接触加热、对流(即通过经加热的空气)或施加电磁辐射。在某些实施方式中，吸收部分来自生物刺激源、对组织进行生物刺激的入射电磁辐射，从而使待处理组织的温度过高。例如，可以通过组织生色团吸收电磁辐射，例如黑色素、血色素、水、脂质或其它导致光热相互作用的生色团，所述光热相互作用导致组织温度增加。温度过高引发一系列事件，例如增加血管舒张、增加血液循环、增加热休克蛋白的生成，温度过高可以与光生物刺激协同作用从而提高治疗的效能。
另外，已知局部温度过高激活热休克(HS)响应、耐热性以及毒物兴奋效应(P.Verbeke等，Cell Biol Inter.2001；25：845-857)。耐热现象的定义是在一个热应激和恢复周期之后，细胞在第二次应激后存活的能力，所述第二次应激为致死性的。轻微的热休克处理可以防止细胞死于随后大量的应激。类似于细胞和生物体暴露于例如热量限制、锻炼、氧化和渗透应激、重金属、蛋白体抑制剂、氨基酸类似物、乙醇、代谢毒物的应激，热休克处理诱发细胞应激响应，其导致热休克蛋白(HSP)的优先转录和翻译。已经确认了大量HSP家族(P.Verbeke等，Cell Biol Inter.2001；25：845-857)。
当细胞受到紧张性刺激时，细胞骨架、细胞质结构、细胞表面形态、细胞氧化还原状态、DNA合成会发生改变，而且蛋白代谢和蛋白稳定性都会发生变化。上述刺激产生分子重塑或损伤，尤其是异常折叠蛋白，其可以累积从而引发一系列应激响应。通过环境应激以及应激响应之间的分子联系诱发HS响应。当应激改变蛋白折叠情况或蛋白开始打开和变性时，已经显示HSP可以帮助蛋白重新折叠，以保护细胞系统抵抗蛋白损伤、在某种程度上溶解聚集物、将过载以及损伤蛋白螯合成大的聚集物、将致死性损伤的蛋白降解、并干扰细胞程序死亡(apoptotic)的进程(P.Verbeke等，Cell Biol Inter.2001；25：845-857)。
涉及未折叠蛋白复性的HSP称为侣伴蛋白。当其它蛋白处于非天然构象而且暴露于疏水序列时，侣伴蛋白识别并结合其它蛋白。上述HSP对涉及细胞功能维护的多种不同系统提供了保护。某些HSP诱导细胞谷胱甘肽(GSH)水平的增加，从而在应激期间保护线粒体膜电势。HSP70和HSP90家族成员与细胞的中心体有关。已知它们与肌动蛋白、微管蛋白以及微管/微丝网状系统结合并使它们稳定，在细胞形态学以及转导通路中起着一定的作用。
人们认为耐热性的主要原因是各种HSP在内质网和胞液中进行配合表达调节并且累积，从而产生了大分子修复机制，其作为应对随后挑战的防御策略。HS响应的另一特征为各种HSP为可溶性的，可以跨过细胞膜转移至其它邻近细胞。因此，所述保护性应激响应可以转移至邻近的有可能不能产生所述反应的细胞。因此，可以在更高的温度进行以下处理。所述机制可以用于增加施加于皮肤表面的最大可耐受入射功率。尤其是，所述功率可以逐渐增加，从而使生物体适应所述热应激，这样，与不经过所述适应的情况相比，可以经受更高水平的温度过高。
除了上述依赖HSP的效应之外，温度过高还可以引起不依赖于HSP的效应。应激耐受的其它机制包括渗透应激保护剂的合成、细胞膜脂质饱和状态的改变以及酶的表达，例如自由基净化剂。
类似于所述耐热性，毒物兴奋效应为针对反复轻微应激的响应，其增强了细胞防御过程。通过毒物兴奋效应，细胞适应其周围环境的逐渐变化，从而在之后暴露于其它致死性条件时能够存活下来。已经对与照射、毒素、热休克以及其它应激有关的所述现象进行了观察。Ratan等观察了反复轻微的HS对人类纤维原细胞的抗衰老毒物兴奋效应(Rattan等，Biochem Mol Biol Int 1998；45：753-759)。Kevelaitis等表明，对心肌进行局部、短暂地加热(42.5℃，15分钟)提高心脏收缩和舒张功能(Kevelatis等，Ann Torac Surg 2001；72：107-113)。
以上所述指示了，根据本发明的系统能够提高生物刺激治疗的临床引用以及结果。其进一步表明，本发明提供了细胞光化学生物刺激和轻微组织温度过高之间的协同效果，其刺激了依赖HSP和不依赖HSP的耐热性，和/或毒物兴奋效应。所述协同作用可以修复细胞损伤，改善受损细胞的功能。这些效应有助于治疗与感染、急性和慢性炎症、微循环障碍有关的疾病状况，还可以刺激发生退性形改变的组织的再生和恢复，例如通过刺激纤维原细胞增生、或增加生长因子，最终导致细胞内和细胞外蛋白、糖蛋白以及脂溶性分子的重新合成。通过温度控制(通过加热和/或冷却组织表面)和/或控制辐射斑点大小，选择性地将进行光生物刺激的光传递至深层结构，从而本发明的其它方面对生物刺激的效率进行控制。
本发明的另一方面，提供了一种对光生物刺激的特定机制进行控制的方法，从而达到所需的治疗效果。已知对光生物刺激的生物响应可以作为生物系统状态的函数发生改变。例如，人纤维原细胞暴露于外界刺激物时，可以显示多种响应(Lasers in Medicine and Dentistry.Ed.Z.Simunovic，Vitgraf：Rijeka，2000，第97-125页)。尤其是，已经报道了，可以刺激纤维原细胞增殖以及I型胶原生成增加。然而，对胶原生成的影响与对细胞增殖的影响相反，即当增殖增加时，胶原生成减少。因此，可以操控靶系统的状态，从而将生物刺激的作用引导至所需的方式上。对生物系统状态影响较大的一个因素是温度。本发明提供了一种方法，通过控制生物刺激区域的温度，对所得到的生物响应进行微调。
本发明提供了调节生物刺激效能的方法和装置。本文所用的术语“调节效能”是指所得到的生物效应的变化大于10％，优选大于20％，更优选大于30％，更优选大于40％，更优选大于50％，更优选大于60％，更优选大于70％，更优选大于80％，更优选大于90％，最优选大于100％。根据达到预期外观所需的时间，例如皱纹或疤痕组织的除去，或者根据达到患者满意所需的时间，例如缓解疼痛，或者根据基本的酶机制的速率，可以测定生物刺激的效能。例如，充分增加靶区域的生物刺激效能是指，该靶区域的酶过程速率与未经刺激的稳态状况相比增加了10％以上。可以采用本领域公知的任意方法确定酶过程的速率(参见，例如，T.Bugg，An introduction to Enzyme andCoenzyme Chemistry，Blackwell，1997；Wright等，PotochemPhotobiol.2002年7月；76(1)：35-46；Koekemoer等.Comp BiochemPhysiol B Biochem Mol Biol.2001年7月；129(4)：797-807)。例如，可以采用细胞色素c氧化酶的酶活力或者自由基即单态氧生成的速率，作为靶区域生物刺激的量度。自由基的生成可以通过测量细胞质内过氧化物歧化酶(SOD)和催化酶或谷胱甘肽过氧化酶水平来确定。另外，可以通过抗氧化剂的消耗对自由基的生成进行间接测量。
上述机制作为举例，并不是穷举。因此，它们不能被认为是对本发明范围的限制。另外，由于光生物刺激为新兴领域，因此有关达到特定结果的机制的理论在很多情况下都是推测性的。
附图1-5为系统的示意性横截面图，用于描述5个根据本发明至少某些方面对一定组织体积进行光生物刺激和温度控制(例如温度过高和/或过低)的示例性处理方案。
在每个处理方案中，由适于进行生物刺激的源对皮肤表面施加电磁辐射，从而进行生物刺激。例如，适当的源可以包括窄带宽源，例如单色或准单色源。适当的源可以包括激光器、LED或经适当过滤的宽带源(例如，经过滤的灯)。本发明还可以采用2D辐射源矩阵。适当的窄带宽源优选具有小于大约100nm的带宽(即波长范围)，优选低于大约20nm，更优选低于大约10nm。可以对波长进行选择以达到任何已知的生物刺激效应。辐射波长可以为例如380-2700nm。例如，可以采用波长为大约380-600nm的辐射对浅表组织进行处理，而采用波长为大约600-1250nm的辐射处理深层组织。在一示例性实施方式中，可以用于生物刺激的优选波长范围为380-450nm、600-700nm以及760-880nm。然而，波长的选择取决于特定的应用。生物刺激在美容、牙科学、皮肤病学、ENT(耳、鼻和喉)、妇科学以及外科中均有应用。
参照附图15，在一个示例性实施方式中，可以采用2D辐射源矩阵对靶区域进行照射以引发生物刺激，同时或在独立的时间间隔中，向其传递热量。所述示例性的辐射矩阵1500包括多个辐射源1510(用大的圆圈表示)，用于提供具有一个或多个适于引发组织内生物刺激的波长组分的辐射，并且包括多个独立的辐射源1520(用较小的圆圈表示)，用于产生其光谱适于加热靶区域的辐射。可以采用各种辐射源例如LED或激光器，以形成2D辐射矩阵1500。
本发明各个方面的应用的例子包括但不限于，皮肤结构的改善，疤痕去除或愈合，皱纹去除，皮肤拉紧，皮肤弹性的改善，皮肤增厚，皮肤再生，脂肪团处理/减少脂肪，血管和淋巴再生，皮下胶原结构的改进，治疗痤疮，治疗牛皮癣，减肥，刺激头发生长，治疗秃头，治疗老年斑，治疗条纹，缓解疼痛，伤口愈合，表皮和真皮的愈合，治疗湿疹，治疗褥疮，血肿愈合，皮肤移植后的治疗，减少气味，肌肉收缩放松，减轻牙龈炎，减轻牙髓炎，治疗疱疹，治疗齿槽炎、口疮和充血、减轻水肿，鼓膜愈合，治疗耳鸣，减轻小疤痕以及息肉，治疗子宫附件炎、前庭大腺炎、宫颈炎、体表寄生虫、HPV、月经过多、子宫旁炎以及阴道炎。可以用于治疗多种疾病和美容状况的非限制性波长范围见表1。
表1用于治疗特定疾病和美容状况的波长范围例子
  皮肤病学/美容
  痤疮   390-450以及600-700nm
  疤痕   380-420、620-680以及760-830nm(依据疤痕性质)
  皱纹   620-680以及760-880nm
  脂肪团   760-880nm
  条纹   760-880nm
  老年斑   600-700nm
  秃头   620-680以及760-880nm
  皮肤再生   600-700以及760-880nm
  刺激头发生长   600-700以及760-880nm
  牛皮癣   600-700nm
  牙科学
  齿龈炎   380-450以及600-700nm
  牙龈炎症   380-450以及600-700nm
  其它
  烧伤   760-880nm
  缓解疼痛   760-880nm
  伤口愈合   380-1250nm(依据伤口性质)
通常根据待处理组织达到温度过高所需的时间、以及用生物刺激辐射照射所述温度过高的皮肤体积从而足以达到预期光生物化学结果(output)所需的时间，来选择处理时间。
根据本发明的某些方面，可以采用以下假设来确定用生物刺激辐射照射所述温度过高的皮肤体积所需的时间，即人体组织有大约1023个分子/cm3，在单次光生物刺激处理过程中，最少有一个光子传递至一个分子。例如，对于1cm3的处理体积，必须传递1023个光子。假设所吸收的光子均匀分布以及光经过1cm2的窗口传递，则所述皮肤表面的光通量等于所述单色光一个光子能量的1023倍，所述通量除以光源的光功率输出就可以得到通常的最小处理时间。通常的处理时间为10秒至60分钟。在某些实施方式中，脉冲持续时间为1分钟至10小时。在其它实施方式中，脉冲持续时间为10分钟至1小时。可以根据需要进行处理。例如，所述处理可以进行5至10次，每次处理间隔1天。传递至靶区域的总能量通常为1J/cm2至1KJ/cm2，优选为大约1J/cm2至100J/cm2。
根据本发明，可以在每个方案所示的深度水平通过任意已知的实施温度过高的方法实现温度过高。在光导致的温度过高中，所述光源可以为宽带辐射源或窄带辐射源，可以为脉冲或者连续波(cw)。在某些实施方式中，脉冲光可以与患者的生物周期同步(例如患者的心率、生物循环)。以下将讨论光导致的温度过高的具体细节。
以下所述的实现温度控制和生物刺激的示例性参数范围(例如波长通量、温度、面积)表示可以用于实施特定处理的值；特定处理采用的值依赖于多种因素，包括但不限于，患者的皮肤类型、患者待处理的身体部分、预期的处理、处理的深度、处理体积的温度等。另外，应注意的是，参数之间是相互关联的。例如，施加的能量/通量和时间关系相反，当一个减少时另一个增加，从而在靶体积处提供所需的光子数。本文描述了提供所需结果的参数例子，本领域技术人员可以从本文提供的信息和/或根据经验确定其它处理的参数。
附图1描述了本发明的一个示例性实施方式，其中对组织体积160进行加热，从而在温度过高的组织体积进行生物刺激，其中组织体积160从皮肤表面115延伸。组织体积160由深度区域130和皮肤表面150确定。尽管组织体积160的边152描绘成垂直于皮肤表面区域115，但是应这样理解，由于组织的光散射，附图1中所示的处理面积和以下参照附图2-5所述的处理面积通常随着皮肤表面以下深度的增加而增加。另外，尽管组织体积160的边界用实线表示，但是应这样理解，处理的实际体积可以为极度不规则的，所述边界之外的组织区域可以接收光生物刺激和温度过高；然而，其生物刺激和/或温度过高的程度可能比组织体积160处的组织低。
采用来自上述适当光生物刺激源110的辐射实现生物刺激。例如，源110发出辐射至皮肤表面区域115，其通量为大约1-250mW/cm2，优选为大约10-100mW/cm2。由通量、来自源110的光波长以及面积大小150来确定实施生物刺激的深度区域130。例如，用波长为380-1250nm、通量为1-250mW/cm2的辐射进行照射，对于直径大约1cm的光束，其所实现的生物刺激可达10mm的深度。尽管区域150用圆圈表示，但是，应理解区域150(以及以下参照附图2-5描述的皮肤表面区域)可以为椭圆形、正方形、矩形、六角形以及其它任意适当形状。源110可以与皮肤表面115接触，或者从一定距离以外将辐射投射至皮肤表面115上。
可以通过任意公知的源120使皮肤体积160的温度过高即温度增加，所述源能够将体积160的温度升高至位于大约37-50℃范围内的值，优选大约37-45℃。根据一天中的时间，正常体温可以为36.1℃至37.2℃。在某些实施方式中，靶区域的温度可以增加至大约37-42℃。在某些实施方式中，靶区域的温度升高至大约38-42℃。在其它实施方式中，靶区域的温度可以增加至大约38-41℃。在其它实施方式中，靶区域的温度可以增加至大约38℃。在其它实施方式中，靶区域的温度可以增加至大约39℃。在其它实施方式中，靶区域的温度可以增加至大约40℃。例如，通过将热空气投射至区域150，施加AC或DC电流，或采用传导热源(即与表面115接触的装置，例如加热板或加热垫)以实现温度过高。加热组织的其它例子包括采用超声和微波辐射，如美国专利No.5230334和4776086中分别所述，所述申请通过引用的方式结合在本文中。如果需要接触加热，所述加热源可以透过生物刺激辐射，从而可以通过所述加热源为组织提供生物刺激。可以在光生物刺激处理阶段之前、期间或之间进行加热。
任选地，源120可以为能够实现温度过高的辐射源。采用辐射达到的温度过高也称为光致温度过高。辐射源120可以为任何适当的不干扰实施生物刺激的辐射源。为了实现温度过高，可以采用经选择的宽带源或窄带源，进行加热，以达到所需的组织温度。可以采用任意适当的一个电磁辐射波长或多个波长，以实现温度过高；例如，所述辐射的波长范围可以为380-2700nm；优选500-1250nm，更优选650-900nm和/或1000-1250nm。例如，附图6中的所述源可以加权的方式组合在一起，从而提供适当的温度波形。辐射源120的操作可以与皮肤表面115接触，或者从一定距离以外将辐射投射至皮肤表面115上。
人们认为，如果在生物刺激源110和源120的组合输出的光谱密度中实施生物刺激的波长占优势，则辐射源120不干扰生物刺激的实现。例如，实施生物刺激的波段的波长光谱密度比其它任意波段的光的光谱密度大100倍，优选大1000倍。本文中的术语“光谱密度”定义为在特定带宽处(例如实现生物刺激的带宽)的光子数。
采用在常规较小照射区域(光点直径小于10mm2的圆形区域)或较大区域(光点大小为1cm2-200cm2或以上、包括整个人体的圆形区域)中采用的源，可以实现根据本发明的生物刺激。类似地，在常规较小区域(光点直径小于10mm的圆形区域)或较大区域(光点大小为1cm2-200cm2或以上的圆形区域)中采用的源，可以实现根据本发明的光导温度过高。较大区域具有一定的优势，所述优势包括但不限于，处理时间减少。例如，可以采用较大的区域以处理较大的组织区域，例如脸、颈、背或大腿。以下参照附图8-11和13详细描述实施大面积照射的方法。
本发明认识到，当待照射体积增加时，边缘效应减小。当靶区域体积增加时，经散射的辐射位于被照射的体积内的概率也增加了。因此，当采用更大的光束照射后和/或更大的靶面积时，辐射可以穿透靶组织至更深的深度。因此，在某些实施方式中，对组织中较深的深度实施处理的情况下，采用大面积照射以实施所述处理。相反，常规生物刺激设备采用窄的入射光束，所述光束强烈地减弱，从而包括所述光束的光子不能以足够高的浓度深深地进入真皮和皮下组织(和/或进入肌肉和骨)以实现所需的生物刺激。另外，在常规生物刺激设备中，由于在给定时间内仅对较小面积进行处理，因此，不存在大面积组织治疗所具有的有利效果。在某些实施方式中，采用大于约0.8cm2(例如，大于1cm2的圆形光点)、优选大于1.6cm2的照明面积，将光生物刺激辐射引导至皮肤表面，在皮肤表面以下相对较深的深度对组织进行生物刺激，由于一次进行大面积的处理，从而实现了时间效率。一方面，本发明提供了能够实施上述处理的装置。
附图2描述了本发明的另一实施方式，其中对组织体积260进行加热，从而对温度过高的组织体积260进行生物刺激，其中组织体积260与皮肤表面115邻近，接收生物刺激(非温度过高)的组织体积270位于体积260的下方。组织体积260由深度区域230和区域250限定。根据本发明该方面，采用相同的光源210对组织体积260进行温度过高和生物刺激。光源210还对位于深度240处的体积270进行生物刺激。
根据本发明该方面的实施方式的另一优势是，相对于附图1提供的通量，增加源210的通量，从而有效增加了生物刺激区域的深度。例如，入射至皮肤表面115的通量从100mW/cm2增加至200mW/cm2就足以产生显著的温度过高，并将有效生物刺激深度增加30％(与附图1的深度区域130相比，包括深度范围230和240的总生物刺激深度增加)。
通过将电子辐射从窄带源210引导至区域250，从而在组织体积260实现温度过高和生物刺激。选择源210的波长，从而实现所需的光生物刺激结果，选择源210的通量，从而实现如附图6和7所示的选定温度波形。如附图2所示，对体积270(由深度范围240和面积250限定)实施生物刺激，其光强度足以实现生物刺激，但是不足以达到温度过高的温度(即温度低于38℃)。应注意，由于深度区域240没有温度过高，因此，深度区域230的生物刺激效应小于深度区域240。
根据本发明的第二方面，采用常规小面积照射(例如光点直径小于10mm的圆形区域)或较大面积(例如光点大于1cm2至200cm2或以上的圆形区域)照射，可以实现生物刺激和光致温度过高。通常，面积越大，由于散射效应的减少，更深的深度区域230和240在表面115以下延伸。例如，用波长为600-1250nm、流量为0.1-1.0W/cm2、光点直径为1-200cm的光进行照射，暴露80秒之后，可以实现加热和对深至30mm处的生物刺激，以及深至30mm-50mm的生物刺激(不存在温度过高)。
附图6和7的图形数据表示，采用示例性单色光波长，不对皮肤进行降温(附图6)以及同时对皮肤进行降温(附图7)所达到的选定温度波形。尤其是，表2和3的经编号的条目分别描述了皮肤表面的通量以及实现附图6和7中相应编号的稳态温度波形所需的时间。应这样理解，附图6和7的波长为示例性的，可以采用任意适当波长的光以实现温度过高。附图6中的示例性波形7描述了从皮肤表面(附图6中用皮肤深度0表示)延伸的组织体积(例如组织体积260)的温度过高。还可以采用对应于示例性波形1-6和8-10的源，通过适当增加所述源的功率以达到更大的通量，以实现从皮肤表面延伸的组织体积(例如组织体积260)的温度过高。
表2不采取主动降温，将身体加热至+42℃的通量以及最小暴露时间
  N   波长，nm   通量，W/cm2   加热时间，s
  1   800   0.683   209
  2   925   0.573   193
  3   960   0.466   206
  4   1060   0.535   187
  5   1208   0.383   189
  6   1240   0.377   199
  7   1440   0.491   208
  8   1540   0.354   219
  9   1730   0.359   212
  10   2200   0.425   214
表3对皮肤表面进行主动降温将温度降至+36℃，将身体加热至+42
               ℃的通量以及最小暴露时间
  N   波长，nm   通量，W/cm2   加热时间，s
  1   800   1.76   41
  2   925   1.135   36
  3   960   1.085   47
  4   1060   0.967   35
  5   1208   0.643   37
  6   1240   0.685   41
  7   1440   3.39   170
  8   1540   1.21   132
  9   1730   0.996   124
  10   2200   2.335   170
附图12A描述了皮肤表面温度，所述皮肤表面温度作为暴露于通量为680mW/cm2的800nm辐射的时间的函数，其中所述光束的直径大于2.5cm。采用计算机模型计算附图12A所述的数据，所述模型包括以下假设：3mm皮肤厚度、5mm皮下脂肪厚度、肌肉在皮下脂肪下延伸、体温为37℃。附图12B描述了对应于附图2的实施方式的温度波形，其中皮肤表面被降温并保持在36℃。附图12B的温度波形对应于表3的数据，采用计算机模型计算附图12B的数据，其包括以下假设：3mm皮肤厚度、5mm皮下脂肪厚度、肌肉在皮下脂肪下延伸、体温为36℃。
附图3描述了本发明的第三方面，在皮肤表面115以下深度范围330的组织体积360产生光生物刺激，对皮肤表面115进行降温。可以通过对皮肤表面115进行降温，从而抑制或减少位于深度区域320处的组织体积380的光生物刺激的效能。组织体积360由深度范围330和面积350限定。在组织体积360的所有部分均不产生温度过高。
为了对体积360施加光生物刺激(无温度过高)以及对体积380施加被抑制的生物刺激或者效能降低的生物刺激，源310将位于1-10000mW/cm2范围内的辐射投射至皮肤表面，而且冷却器312对皮肤表面进行冷却，从而将体积380的温度降低至低温(即低于正常体温的温度)，所述体积380由面积350和深度范围320限定。冷却器312可以为任何适当的冷却器，例如风扇、冷(低于36℃)流体(即液体或气体)的流动、低温喷雾、汽化乳剂、与皮肤接触的冷却板或窗口、或者其它接触或非接触性冷却器。
可以将靶区域的温度降低至大约0-36℃，或者大约10-36℃，或者大约15-36℃，或者大约20-36℃，或者大约28-36℃。还可以采用低温以保护皮肤免受照射产生的热量所导致的损伤。另外，通过降低温度，可以减少生物刺激的效能或者抑制生物刺激。多种因素可以引起效能的降低，包括血液微循环降低、较低温度导致的相关生化反应减慢。靶区域的冷却可以减慢代谢和生理过程，并减少细胞尤其是神经元的需氧量。必须注意防止冻伤，在低于0℃的温度可以发生冻伤。另外，总的体温(即直肠温度)不应低于大约28℃，在该温度点，丧失了恢复正常温度的能力。在某些实施方式中，低于0℃的温度可以用于较小靶区域并持续较短时间。
在某些方面，低温可导致生物刺激增加。温度的降低导致生成特定冷休克蛋白，以及细胞膜或脂肪细胞的脂质结构发生相转移。靶区域的所述改变可以增加对特定疾病或美容状况进行处理的生物刺激的效能。
例如，为了实现温度不高的生物刺激，波长为500-1200nm、通量为1-100mW/cm2、光束面积为0.8cm2(例如，在靶区域的光点大小为1cm2的圆形面积)、时间间隔大约60秒的照射将在25mm深度处实现生物刺激。如果皮肤表面115保持在0-32℃，将在处理区域360上方的体积380处产生低温，从而使该体积的生物刺激降低或抑制。在某些实施方式中，低温可以增强生物刺激。
附图4描述了本发明的另一方面，其中加热组织体积460，从而对温度过高的组织体积460施加生物刺激，其中组织体积460位于皮肤表面115下方选定的深度，体积(温度不高)465，470分别位于体积460的上方和下方。通过冷却器412抑制体积465的过高温度，对体积470的加热不足以达到温度过高。组织体积460由深度范围430和区域450限定。
为了在体积460处实现光生物刺激和温度过高，源410将位于10-10000mW/cm2范围内的辐射投射至皮肤表面115，冷却器412对皮肤表面进行冷却(0-30℃)以抑制高温。可以通过相对大面积的照明(例如，光点直径大约1cm-200cm或更高的圆形面积)采用生物刺激源实现处理，例如附图4所述的处理。于2002年6月19日提交的题目为“Method and Apparatus for Photothermal Treatment of Tissueat a Depth(对位于一定深度的组织进行光热处理的方法和装置)”的美国临时申请60/389871中描述了对组织体积进行加热，所述组织体积位于皮肤表面下的选定深度，上述申请通过引用的方式结合在本文中。
例如，为了实现根据本发明该方面的光生物刺激和温度过高，采用波长为500-1250nm、通量为100-10000mW/cm2、照射面积为0.8cm2的照射，暴露于所述照射60秒之后，将在皮肤表面以下0-50mm的深度实现生物刺激，如果皮肤表面保持在0-30℃，可以在皮肤表面以下0.2-30mm的深度实现温度过高。可以采用相对较大的面积(例如，光点直径大约1cm-200cm或更高的圆形面积)，实现根据本发明该方面的处理。
附图5描述了本发明的另一方面，其中源510对组织体积560进行加热，从而在该温度过高的组织体积进行强化生物刺激，组织体积560位于皮肤表面115下方选定的深度。在加热的同时或者之后，通过冷却源512对皮肤表面550进行降温。生物刺激(体温不高)发生在位于体积560下方的体积540处。组织体积560由深度范围530和区域550限定。
如上附图4所述，抑制靠近皮肤表面的体积520的生物刺激效能。然而，根据本发明的该方面，仅仅在体积560处产生温度过高。
例如，为了实现根据本发明该方面的光生物刺激和温度过高，采用波长为500-1250nm、通量为100-10000mW/cm2、照射面积为0.8cm2的照射，暴露于所述照射60秒之后，在皮肤表面以下0.1-50mm的深度实现生物刺激，如果皮肤表面保持在0-30℃，可以在皮肤表面以下0.2-30mm的深度实现温度过高。可以采用相对较大的面积(例如光点直径大约1cm-200cm或更高的圆形面积)，实现根据本发明该方面的处理。
附图7描述了图形数据以及对应的列表数据，采用示例性单色光波长以实现选定的温度波形，其中将皮肤表面降至10℃，在靠近皮肤表面的组织区域的光生物刺激受到抑制。尤其是，表3中经编号的条目描述了皮肤表面的通量，以及实现附图7中对应编号的稳态温度波形所需的时间。应这样理解，附图6和7中的波长为示意性的，可以采用任意适当的波长以实现温度过高和生物刺激。
尽管上述讨论描述了静态(即不移动的)辐射源，通过在皮肤表面移动辐射源的输出头，可以实现需要的光生物刺激和光致温度过高组合，从而达到所需的组织温度和/或传递所需的光量以实现生物刺激。根据需要，所述头部可以在每个皮肤表面区域单次或多次移动，从而达到所需的治疗效果。可以通过在皮肤表面移动光源，从而实现一定组织体积的高温，这是因为机体组织需要相对较长的热弛豫时间。Altshuler等的美国专利No.6273884B1(于2001年8月14日公开，题目为“Method and Apparatus for Dermatology Treatment(皮肤治疗的方法和装置)”)中公开了有关移动光源以及对组织进行加热的具体细节，所述申请通过引用的方式结合至本文。可以通过在皮肤上以一定速率移动光源输出头以及/或反复多次，以实现光生物刺激，从而将所需要的光子数量传递至经处理的组织体积。
本发明的上述方面在高温和/或低温组织体积上施加生物刺激。对于这些方面，可以同时采用加热源和生物刺激辐射源，对于某些实施方式，它们可以为同一源，或者在施加光生物刺激辐射过程中可以中止所述加热源，或者所述加热源的量可以减少以维持高温条件。
附图8的示意图表述了适合用于附图2所述本发明方面的光投射系统800。光投射系统800由辐射源802和透镜系统820构成。辐射源可以为任意适当的窄带源，用于产生根据本发明的参照附图2上述实施方式的温度过高和生物刺激。例如，所述源可以为激光器(例如连续波二极管激光器、输出功率为90W，在805nm处发射)或激光器阵列、LED(或LED阵列)或灯。来自源802的辐射可以与光纤803(例如，1mm核心石英-聚合物纤维)或适当的光纤束耦合，所述光纤的近端与光源802结合。
透镜系统820可以为任意适当的透镜系统，用于将来自源802的光传递至患者的皮肤表面，其通量和光束大小如上文参照附图2所述。在一个实施方式中，透镜系统820包括负透镜806以及形成准直输出光束810的正透镜808。在系统800的一个实施方式中，透镜806为折射透镜，透镜808为Fresnel透镜。Fresnel透镜可以提供安全效果(例如，由于减少了斑点，得到更加均匀的光照图案)。作为该实施方式的一个例子，透镜806为焦距25mm、直径25mm的负透镜，透镜808为焦距152mm、直径为152mm的Fresnel透镜，辐射源802和透镜806之间的距离为20mm，透镜806和808之间的距离为105mm。
根据本发明的某些方面，与发出光束较小的常规低功率激光源相比，具有较大直径的输出光束将窄带光(例如，激光或者单色过滤光)引入真皮和皮下组织更深的地方。例如，根据上述透镜系统820的示意性实施方式，对于90W的源，透镜系统820产生了直径为160mm的输出光束810，并具有200mW/cm2至2000mW/cm2的输出通量(在距离透镜808 23cm的地方)。
附图13A为根据本发明的光投射系统1300的示例性实施方式，其能够根据附图1和3、4和5所述的方案实施本发明。例如，投射系统1300可以为任意系统，其提供的输出光束在皮肤表面1350具有适当的波长和通量。在一个实施方式中，投射系统1300包括光源1302，光学元件1304、1306、1312、1314和1308。附图13B给出一组示例性的透镜参数。
光学元件1306和1314可以沿着光轴1301移动，从而输出光束1310具有可变直径。例如，透镜1306和1314可以连接至刚性框架1316(例如，移动阶段)，从而使透镜1306和1314沿系统1300的光轴1301同步移动。上述移动使输出光束1310的光束宽度发生变化(例如改变光点大小)，并使皮肤表面1350的通量发生相应改变。例如，系统1300可以使光点直径在4cm至8cm之间连续变化，使通量在相应的7W/cm2至2W/cm2范围内变化，假设源1302是90W的源。应注意，通过适当选择元件和源1302，可以将激光系统1300设计用于实现本文任意所述的输出光束1310以及任意适当的输出密度。
系统1300包括至少一个空气管1318，其近端与冷或热空气源(未示出)相连，并且其远端提供有指向患者皮肤1350的气流1320。例如，来自所述至少一个空气管1318的总气流额可以为至少50m3/分钟，以根据附图3-5所述的实施方式改变空气温度(例如，皮肤表面1350的温度为0℃至45℃)；根据附图1，在皮肤表面1350提供热气流。通过改变光束直径以及空气温度，采用附图13A的系统，可以实现附图1、3、4和5的所有方案。尽管通过指定光束直径对附图8和13A进行了描述，但是应注意，通过适当地设置孔径，可以得到任意形状的光束。
附图9A是微光投射系统900的第一示例性实施方式，用于在不平表面950上形成基本均匀的照明，所述不平表面例如患者的头部或大腿。来自源902的经准直的光束并引导至分束器904，从而形成多个光束部分905a-c。在所述实施方式中，分束器904形成三个组成光束部分905a，905b以及905c，但是具有两个或多个光束部分的光投射系统900具有优势。光束部分905b直接被引导至表面950，光束部分905a和905c分别被引导至反射镜910a和910b，然后改变方向至表面950的侧面。可以选择分束器904、反射镜910a、910b的通光孔径或者其它孔径，从而在表面950上达到任意所述的照射面积(例如1-200cm2)。通过阻断光束910a和910b中的一个，可以改变光投射系统900(例如治疗患者脸部一侧)。
附图9B为分束器904的一个例子的示意图。分束器904为棱镜，其具有两个平坦表面912a、912b，以及一个表面913，所述两个平坦表面适当地成一定角度从而将光引导至反射镜910a、b，所述表面913具有将光延伸至表面950前部的反向能力(negative power)。
附图10为光投射系统1000的第二示例性实施方式的示意图，用于在不平坦表面950上形成基本均匀的照明。光投射系统1000具有头部1002，适于将光投射至两个方向。第一部分光1006沿第一方向至弧形反光器1004，然后到达表面950，第二部分1008沿第二方向至表面950。第一部分光1006直接或经光学元件(透镜1005)投射至反光器1004，第二部分1008直接或经光学元件(例如透镜1009)投射至表面950。
反光器1004可以具有任意适当的形状，以进行经选定的处理。在某些实施方式中，反光器1004设计成表面950的中心1010(例如患者头部的中心)基本位于反光器1004的曲率中心。或者，反光器1004可以具有椭圆形曲面，表面950的中心1010(例如患者头部的中心)基本位于反光器1004的一个焦点，以及表面950的中心1010位于反光器1004的第二焦点。在一个实施方式中，反光器1004可以为漫反射镜。
投射系统1000可以包括控制模块1016，该模块包括电源以及控制电子仪器。另外，光源(未示出)可以安装在头部1002；或者，光源可以安装在模块1016中，并通过光纤或纤维束传递至头部1002。光源可以为窄带(例如二极管激光器，LED)，或宽带(例如经过滤的灯)。或者，光源可以为窄带和宽带源的结合。任选地，根据上述实施方式，可以将冷或热空气从头部1002引导至表面950。
附图11A、11B和11C为光投射系统1100实施方式的第三个例子的示意图，用于在不平坦表面950上形成基本均匀的照明，其中可旋转的头部1102将光从表面1110反射至表面950。在附图11A中，可旋转的头部1102设置为将光引导至表面950的前部。在附图11B中，可旋转头部1102设置为将光引导至表面950的第一侧面部分。在附图11C中，可旋转头部1102设置为将光引导至表面950的第二侧面部分。
任选地，头部1102可以省略，并用安装在表面1110上的源代替，从而所述源移动至表面1110上的不同位置，将光引导至附图11A-11C所示的每个部分。另外，可以在表面1110上安装多个源，并选择性地进行照明，从而将光引导至各个部分。
另一方面，本发明提供了一种反馈机制，将靶区域的温度控制在选定范围内，同时引发靶区域内和/或靶区域上方、下方以及附近体积的生物刺激。所述反馈机制可以用于控制靶区域的加热和降温。参照附图14，在示例性实施方式中，电磁辐射源1410产生辐射，对患者皮肤表面部分1450进行照明，从而照射一定体积的患者组织1460，所述组织体积从皮肤表面1415延伸至皮肤下方的给定深度1430。所述辐射包括一个或多个引起所述被照射的组织体积1460产生生物刺激的波长组分。另一源1420，例如独立的电磁辐射源，采用具有适于加热组织的波长组分的辐射，对皮肤表面区域1450进行照明，从而控制被照射体积的温度。传感器1470，例如光学高温计，测量被照明的皮肤部分1450的温度，并将所述测量温度传递至反馈控制电路1480。所述反馈电路1480比较所述经测量的温度与至少一个阈值温度，如果需要，基于所述比较，将反馈信号传递至源1420。例如，如果所述测量温度超过预先确定的上限，例如当患者皮肤的表面区域1450部分被加热而产生温度过高，则所述反馈电路将信号传导至源1420，从而降低传导至皮肤部分1450的热量。另外，如果经测量的温度低于预先确定的下限，所述反馈电路可以指导源1420以增加传递至皮肤部分1450的热量。这样，可以主动地将被照射皮肤部分1450以及由此的靶区域1460的温度维持在操作温度的选定范围内。例如，上述反馈机制可以确保所述操作温度保持在39℃的±1℃范围内。本领域具有大量公知的适用于本发明的传感器和反馈电路。
基于上述实施方式，在不超出常规实验的情况下，本领域技术人员知晓或者能够确定本发明的其它特征和优势。因此，除了所附权利要求所示之外，本发明并不局限于所述经特别显示和描述的内容。所有在本申请中引用的参照文献、专利以及公开的专利申请的所有内容均通过引用的方式结合在本文中。

Claims (14)

1.一种对患者的靶区域进行生物刺激的装置，包括：
第一源，用于产生电磁辐射，所述辐射具有一个或多个适于在所述靶区域内引发生物刺激的波长组分；
辐射引导装置，其与所述源光学结合，将所述辐射传递至所述靶区域，以及
与所述靶区域相连的第二源，用于控制所述靶区域的温度，从而调节由所述电磁辐射引起的生物刺激效能。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一源产生的辐射具有小于大约100nm的带宽。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述第一源产生基本为单色的辐射。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述第一源产生的辐射具有一个或多个位于大约380nm至大约1250nm范围内的波长组分。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述第二源包括产生适于加热所述靶区域的电磁辐射源，从而增强生物刺激的效能。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述第二源产生的辐射具有一个或多个位于大约380nm至大约2700nm范围内的波长组分。
7.如权利要求5所述的装置，其中所述辐射引导装置包括透镜系统，用于将来自第一源的生物刺激辐射传递至靶区域。
8.如权利要求5所述的装置，其中所述透镜系统包括Fresnel透镜。
9.如权利要求5所述的装置，进一步包括在其输入端与所述第一辐射源结合并在其输出端与所述透镜系统结合的光纤，从而将由所述辐射源产生的光引导至所述透镜系统。
10.如权利要求5所述的装置，其中所述透镜系统包括至少一个可移动的透镜，从而可以对所述第一源产生的辐射光束的横截面积进行调整，以照射所述靶区域。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述辐射引导装置包括
分束器，用于接受来自所述第一源的辐射光束，从而产生多个光束部分，以及
一个或多个选择性与所述分束器光学结合的反射表面，从而将一个或多个所述光束部分引导至患者皮肤表面，以照射所述靶区域。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述反射表面允许对所述皮肤表面进行基本均匀的照明。
13.如权利要求11所述的装置，其中所述分束器包括棱镜。
14.如权利要求11所述的装置，其中所述至少一个反射表面具有曲线轮廓。
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