空耦超声毛发理疗装置及方法
阅读说明：本技术 空耦超声毛发理疗装置及方法 (Air coupling ultrasonic hair physical therapy device and method ) 是由 他得安 徐冬梅 李颖 许凯亮 孙舒心 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种非接触式的、高集成、低成本的便携式空耦超声毛发理疗装置,用于对用户进行毛发理疗,其特征在于,包括：壳体；高清摄像头模块,用于采集用户的待理疗区域的毛囊图像信息；空耦超声换能器模块,用于发射低强度脉冲超声波至需要进行理疗的待理疗毛囊区域；超声换能器驱动模块,用于实时驱动空耦超声换能器模块；MCU控制模块,用于对毛囊图像信息进行图像处理并从预定的多种毛发理疗模式中匹配出一种作为当前理疗模式,并依据当前理疗模式发出相应序列的控制时序信号给超声换能器驱动模块,从而驱动空耦超声换能器模块调整发射低强度脉冲超声波的工作频率、脉冲信号强度以及工作温度对待理疗区域进行毛发理疗。(The invention provides a non-contact, high-integration and low-cost portable air-coupled ultrasonic hair physical therapy device, which is used for carrying out hair physical therapy on a user and is characterized by comprising the following components: a housing; the high-definition camera module is used for collecting hair follicle image information of a to-be-treated area of a user; the empty coupling ultrasonic transducer module is used for transmitting low-intensity pulse ultrasonic waves to a hair follicle region to be treated with physical therapy, which needs physical therapy; the ultrasonic transducer driving module is used for driving the air-coupled ultrasonic transducer module in real time; and the MCU control module is used for carrying out image processing on the hair follicle image information, matching one of a plurality of preset hair physiotherapy modes to serve as a current physiotherapy mode, and sending a control time sequence signal of a corresponding sequence to the ultrasonic transducer driving module according to the current physiotherapy mode, so that the air-coupled ultrasonic transducer driving module is driven to adjust the working frequency, the pulse signal intensity and the working temperature of low-intensity pulse ultrasonic waves to be transmitted to carry out hair physiotherapy on a region to be treated by physiotherapy.)
技术领域
本发明属于超声波治疗技术领域，涉及一种空耦超声毛发理疗装置及方法。
背景技术
毛发脱落是一种常见皮肤科疾病，虽然不会影响患者的身体健康，但是却会严重影响患者的心理健康以及生活质量。国家卫健委2019年发布的脱发人群调查显示，我国脱发人群已经超过了2.5亿，脱发女性化、年轻化趋势明显，60％的人在25岁就出现了脱发现象。脱发的病因复杂，医学上常伴有微循环功能障碍，主要表现包括血流缓慢、血液黏滞。现有治疗方案包括植发、口服或外用药物治疗以及低能量激光理疗。
其中，植发主要是取人体毛囊作为发源，分离成单株或多株毛囊单位，通过精细的显微外科技术，实现毛囊移植，在新的部位存活、以达到美观的效果。但该方法属于有创治疗，移植价格昂贵，且不适合大面积慢性脱发患者。
药物治疗主要是通过口服非那甾胺和外用米诺地尔。非那甾胺是用于治疗男性型脱发的药物，但会伴有阳痿、射精障碍，睾丸痛等副作用；米诺地尔是目前唯一可用于治疗男性和女性脱发的药物，但同样会伴有接触性皮炎、痕痒以及头痛等副作用。
低能量激光理疗主要是通过激光照射深入皮下组织，到达毛囊附近，激活毛囊附近血管生成，进入毛囊细胞的线粒体，激发ATP能量，从而加快毛囊细胞的增殖和代谢。但治疗人群有一定局限性，且可能伴有头痛、瘙痒、红斑、痤疮等副作用。
现有毛发理疗仪一是采用激光点阵辐射待理疗区域，此种方法治疗人群有限并伴有不同程度副作用；二是通过超声成像诊断并通过超声照射理疗，此种方法诊断准确度不佳且治疗时需涂抹大量超声耦合剂，过程繁琐且用户体验感差。
上述理疗方式不仅价格高昂，而且伴有不同程度的副作用，接触式理疗方式不能为用户带去更好的治疗体验。
发明内容
为解决上述问题，提供一种非接触式的、高集成、低成本的便携式毛发理疗装置，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种空耦超声毛发理疗装置，用于对用户进行毛发理疗，其特征在于，包括：壳体；高清摄像头模块，设置在壳体上，用于采集用户的待理疗区域的毛囊图像信息；空耦超声换能器模块，由柔性电子材料构成且设置在壳体上，用于发射低强度脉冲超声波至需要进行理疗的待理疗毛囊区域；超声换能器驱动模块，用于实时驱动空耦超声换能器模块；MCU控制模块，用于对毛囊图像信息进行图像处理并从预定的多种毛发理疗模式中匹配出一种作为当前理疗模式，并依据当前理疗模式发出相应序列的控制时序信号给超声换能器驱动模块，从而驱动空耦超声换能器模块调整发射低强度脉冲超声波的工作频率、脉冲信号强度以及工作温度；其中，空耦超声换能器模块包括超声半球形探头阵列以及便携式手持换能器，超声半球形探头阵列由下至上依次包括防护镀膜保护层、阻抗匹配层、若干个超声晶元以及吸声背衬层，超声晶元用于产生能够覆盖待理疗毛囊区域的低强度脉冲超声，每个超声晶元可单独控制开关；便携式手持换能器可拆卸固定在壳体上，用于让用户手持。
根据本发明提供的一种空耦超声毛发理疗装置，还可以具有这样的技术特征，其中，高清摄像头模块包括均匀分散布置于壳体内侧的若干个高清摄像头，高清摄像头模块根据待理疗区域的大小开启相应数量个高清摄像头并配合完成毛囊图像信息的采集。
根据本发明提供的一种空耦超声毛发理疗装置，还可以具有这样的技术特征，其中，MCU控制模块包括FLASH存储单元以及FPGA主控芯片，FLASH存储单元用于储存用户个人资料以及理疗相关信息，FPGA主控芯片的高速IO端口产生控制时序信号；预定毛发理疗模式包括强发模式、增发模式、密发模式、固发模式、养发模式，在强发模式下空耦超声换能器模块的脉冲信号强度为410mW/cm2～500mW/cm2，初始挡位为410mW/cm2，每工作10分钟以10mW/cm2递增，最大值为500mW/cm2，在增发模式下空耦超声换能器模块的脉冲信号强度为310mW/cm2～400mW/cm2，初始挡位为310mW/cm2，每工作10分钟以10mW/cm2递增，最大值为400mW/cm2，在密发模式下空耦超声换能器模块的脉冲信号强度为210mW/cm2～300mW/cm2，初始挡位为210mW/cm2，每工作10分钟以10mW/cm2递增，最大值为300mW/cm2，在固发模式下空耦超声换能器模块的脉冲信号强度为110mW/cm2～200mW/cm2，初始挡位为110mW/cm2，每工作10分钟以10mW/cm2递增，最大值为200mW/cm2，在养发模式下空耦超声换能器模块的脉冲信号强度为10mW/cm2～100mW/cm2，初始挡位为10mW/cm2，每工作10分钟以10mW/cm2递增，最大值为100mW/cm2。
根据本发明提供的一种空耦超声毛发理疗装置，还可以具有这样的技术特征，其中，还包括HMI人机交互模块，该HMI人机交互模块模块具有理疗参数调整部、显示部、警报部以及音乐播放部，理疗参数调整部用于让用户调整空耦超声换能器模块的理疗参数，理疗参数包括声强范围、工作频率、脉冲重复频率、占空比、温度以及理疗时间，声强范围为0-720mW/cm2，脉冲重复频率为10Hz～10kHz，占空比为0％-100％，工作频率为1MHz、1.5MHz或2MHz，显示部通过液晶显示器实时显示空耦超声毛发理疗装置的当前工作状态，并对非正常工作状态通过警报部做出警报提示并提供相应参考解决方案，警报部做出的警报提示有：低压警报、漏电警报、过温警报、用户信息获取错误警报、空耦超声换能器模块连接不稳警报及其他非正常工作状态警报，音乐播放部用于在用户理疗过程中播放轻柔的音乐，音乐是用户通过在HMI人机交互模块中检索到的任何可播放音乐，当用户未指定音乐时，音乐播放部随机播放，用户也可通过设置手动关闭此功能。
根据本发明提供的一种空耦超声毛发理疗装置，还可以具有这样的技术特征，其中，防护镀膜保护层的外侧主要由PET聚酯薄膜构成，内侧连接银质材料基片层；阻抗匹配层用于提高超声的频率响应，并减小传输损失；超声晶元形状为圆形，直径为1cm-3cm，均匀分布于壳体靠近用户头部的一侧，超声晶元的发射面朝向用户头部；超声晶元由压电陶瓷制成，压电陶瓷的中心频率为0.2MHz-2MHz；吸声背衬层用于吸收超声晶元背向反射的超声波以及被待理疗区域反射的超声波。
根据本发明提供的一种空耦超声毛发理疗装置，还可以具有这样的技术特征，其中，超声换能器驱动模块被设置为使得空耦超声换能器模块以不超过720mW/cm2的功率，小于10kHz的脉冲重复频率工作。
根据本发明提供的一种空耦超声毛发理疗装置，还可以具有这样的技术特征，其中，还包括计时器模块，该计时器模块包含存储单元、万年历单元，存储单元存储有预先设置的预约理疗提醒以及对应的时间，当万年历单元判断当前时间与用户预约时间一致时，空耦超声毛发理疗装置提醒用户进行理疗，若预定时间内用户未按时打开空耦超声毛发理疗装置进行理疗，则空耦超声毛发理疗装置将持续提醒用户，直至用户开始进行理疗或手动强制关闭提醒功能。
根据本发明提供的一种空耦超声毛发理疗装置，还可以具有这样的技术特征，其中，还包括多路电源模块，该多路电源模块包括用于进行供电的充电锂电池和用于为充电锂电池进行充电的充电单元，充电锂电池为超声换能器驱动模块的正负高压电、MCU控制模块的数字电路以及HMI人机交互模块供电，多路电源模块采用隔离式DC-DC开关电源设计分别产生±50V电压和±10V电压，多路电源模块采用线性稳压方式产生±5V电压、±3.3V电压和1.8V电压供数字电路部分使用。
本发明还提供了一种空耦超声毛发理疗方法，其特征在于，采用上述的空耦超声毛发理疗装置对用户进行毛发理疗。
发明作用与效果
根据本发明的空耦超声毛发理疗装置及方法，通过高清摄像头模块采集待理疗区域的毛囊图像信息，由MCU控制模块对采集的毛囊图像信息进行图像识别处理，根据所识别的毛囊状态，检索专家数据库自动匹配对应的毛发理疗模式，进而发出控制时序信号驱动超声换能器驱动模块，进一步驱动空耦超声换能器模块进行理疗，因此，可以根据用户不同的毛囊状态自适应匹配与之对应的毛发理疗模式，克服传统的单一治疗模式带来的成本高、副作用大以及局限性的缺点。还由于空耦超声换能器模块在进行理疗时能够发射低强度脉冲超声波至需要进行理疗的毛囊区域，因此还可以实现非接触式实时理疗，具有高度集成、成本低廉、小巧便携以及无电离辐射的特点。本发明的空耦超声毛发理疗装置及方法即可修复用户受损毛囊，改善用户的毛发缺失问题，又可缩短毛发生长周期。
附图说明
图1是本发明实施例中的空耦超声毛发理疗装置的框图；
图2是本发明实施例中的空耦超声毛发理疗装置的使用状态图；
图3是本发明实施例中的空耦超声毛发理疗装置工作的流程图；
图4是本发明实施例中的空耦超声毛发理疗装置中头戴式理疗装置的结构图；
图5是本发明实施例中的MCU控制模块的框图；
图6是本发明实施例中的HMI人机交互模块的框图；
图7是本发明实施例中的计时器模块的框图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明的一种空耦超声毛发理疗装置及方法作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明实施例中的一种空耦超声毛发理疗装置的框图，图2是该空耦超声毛发理疗装置的使用状态图，图4是该空耦超声毛发理疗装置中头戴式理疗装置的结构图；
如图1、图2以及图4所示，空耦超声毛发理疗装置10包括壳体1、高清摄像头模块2、空耦超声换能器模块3、超声换能器驱动模块4、MCU控制模块5、HMI人机交互模块6、计时器模块7、多路电源模块8。
壳体1为一个半球形的外壳，用于固定高清摄像头21、超声换能器22并佩戴在用户的头部位置，其中，高清摄像头21、超声换能器22环绕且均匀分散布置于壳体1内侧。
高清摄像头模块2设置在壳体1上，包括多个高清摄像头21(图2中示出了4个)均匀分散布置于壳体1内侧。该高清摄像头模块1用于根据待理疗区域的大小开启相应数量个高清摄像头21并配合完成毛囊图像信息的采集，并通过人工智能、机器学习等方式准确判断出用户待理疗的毛囊区域，针对初次使用该装置进行理疗的用户可开启全部高清摄像头以便针对所有待理疗区域实行全面筛查。
空耦超声换能器模块3，由柔性电子材料构成且设置在壳体1上，用于发射低强度脉冲超声波至需要进行理疗的待理疗毛囊区域。其中，该空耦超声换能器模块3包括超声半球形换能器22以及便携式手持换能器24，从而让用户根据待理疗区域的大小自行选择采用何种换能器进行理疗。
超声半球形换能器22包括探头阵列，该超声半球形探头阵列由下至上依次包括防护镀膜保护层、阻抗匹配层、若干个超声晶元以及吸声背衬层。具体地：
防护镀膜保护层的外侧主要由PET聚酯薄膜构成，内侧连接银质材料基片层。
阻抗匹配层用于提高超声的频率响应，并减小传输损失。
超声晶元形状为圆形，直径为1cm-3cm，均匀分布于壳体靠近用户头部的一侧，由压电陶瓷制成，压电陶瓷的中心频率为0.2MHz-2MHz，超声晶元的发射面朝向用户头部，超声晶元用于产生能够覆盖待理疗毛囊区域的低强度脉冲超声，每个超声晶元可单独控制开关。
吸声背衬层用于吸收超声晶元背向反射的超声波以及被待理疗区域反射的超声波。
便携式手持换能器24通过卡扣23可拆卸固定在壳体上，用于让用户手持。
超声换能器驱动模块4用于实时驱动空耦超声换能器模块3以不超过720mW/cm2的功率，小于10kHz的脉冲重复频率工作。
MCU控制模块5用于对毛囊图像信息进行图像处理并从预定的多种毛发理疗模式中匹配出一种作为当前理疗模式，并依据当前理疗模式发出相应序列的控制时序信号给超声换能器驱动模块4，从而驱动空耦超声换能器模块3调整发射低强度脉冲超声波的工作频率、脉冲信号强度以及工作温度。
图5是本发明实施例中MCU控制模块的框图。
本实施例中，MCU控制模块5包括FLASH存储单元51以及FPGA主控芯片52。
FLASH存储单元51用于储存用户个人资料以及理疗相关信息。
FPGA主控芯片52的高速IO端口产生控制时序信号。
本实施例中，FPGA主控芯片52与超声换能器驱动模块4采用SPI总线通信，通信速率高达50MHz，整个空耦超声毛发理疗装置10采用外接200MHz晶振作为主时钟，分频后生成其他频率时钟以供其他模块使用；主控芯片采用Xilinx公司Virtex-7系列的FPGA，通过IO口发出控制序列至超声换能器驱动模块4，通过内部锁相环(PLL)产生相应频率、相应占空比、相应重复频率的脉冲控制信号。
预定的多种毛发理疗模式包括：强发模式、增发模式、密发模式、固发模式、养发模式，具体地：
在强发模式下空耦超声换能器模块的脉冲信号强度为410mW/cm2～500mW/cm2，初始挡位为410mW/cm2，每工作10分钟以10mW/cm2递增，最大值为500mW/cm2，适用于重度毛发脱落用户。
在增发模式下空耦超声换能器模块的脉冲信号强度为310mW/cm2～400mW/cm2，初始挡位为310mW/cm2，每工作10分钟以10mW/cm2递增，最大值为400mW/cm2，适用于头部中间掉发较严重用户。
在密发模式下空耦超声换能器模块的脉冲信号强度为210mW/cm2～300mW/cm2，初始挡位为210mW/cm2，每工作10分钟以10mW/cm2递增，最大值为300mW/cm2，适用于M型脱发或轻微地中海用户。
在固发模式下空耦超声换能器模块的脉冲信号强度为110mW/cm2～200mW/cm2，初始挡位为110mW/cm2，每工作10分钟以10mW/cm2递增，最大值为200mW/cm2，适用于预防脱发、产后掉发以及紧固发根用户。
在养发模式下空耦超声换能器模块的脉冲信号强度为10mW/cm2～100mW/cm2，初始挡位为10mW/cm2，每工作10分钟以10mW/cm2递增，最大值为100mW/cm2，适用于想要滋养毛囊的用户。
HMI人机交互模块6用于针对当前理疗情况进行实时外部控制干预。
图6是本发明实施例中HMI人机交互模块的框图。
如图6所示，HMI人机交互模块6具有理疗参数调整部61、显示部62、警报部63以及音乐播放部64。
理疗参数调整部61用于让用户调整空耦超声换能器模块3的理疗参数。本实施例中，理疗参数调整部61通过触摸显示器来显示输入画面，并让用户通过集成按键手动输入，MCU控制模块5根据输入的理疗参数控制整个理疗流程，并将理疗流程图形化地显示给用户，以实现对空耦超声毛发理疗装置10的实时控制。
本实施例中，理疗参数包括声强范围、工作频率、脉冲重复频率、占空比、温度以及理疗时间，声强范围为0-720mW/cm2，脉冲重复频率为10Hz～10kHz，占空比为0％-100％，工作频率为1MHz、1.5MHz或2MHz。
显示部62通过触摸显示器实时显示空耦超声毛发理疗装置10的当前工作状态，并对非正常工作状态通过警报部63做出警报提示并提供相应参考解决方案。
本实施例中，HMI人机交互模块6，包括触摸显示器、集成按键以及集成音响，用户手动输入相应的治疗参数，
警报部63通过集成音响做出的警报提示有：低压警报、漏电警报、过温警报、用户信息获取错误警报、空耦超声换能器模块连接不稳警报及其他非正常工作状态警报。
音乐播放部64用于在用户理疗过程中通过集成音响播放轻柔的音乐，音乐是用户通过在HMI人机交互模块6中检索到的任何可播放音乐，当用户未指定音乐时，音乐播放部随机播放，用户也可通过设置手动关闭此功能；当理疗结束时，空耦超声毛发理疗装置10通过HMI人机交互模块6的集成音响播放轻快的结束提示音以示意用户理疗完成。
计时器模块7用于用户自定义毛发理疗时间，预约定时理疗以实现按疗程规律治疗。
图7是本发明实施例中计时器模块的框图。
如图7所示，计时器模块7包含存储单元71、万年历单元72。
存储单元71存储有预先设置的预约理疗提醒以及对应的时间。
当万年历单元72判断当前时间与用户预约时间一致时，空耦超声毛发理疗装置10提醒用户进行理疗，
若预定时间内用户未按时打开空耦超声毛发理疗装置10进行理疗，则空耦超声毛发理疗装置10将持续提醒用户，直至用户开始进行理疗或手动强制关闭提醒功能。
多路电源模块8，用于为空耦超声毛发理疗装置10的各个功能模块提供多路电源。
本实施例中，该多路电源模块8包括用于进行供电的充电锂电池和用于为充电锂电池进行充电的充电单元，充电锂电池为超声换能器驱动模块的正负高压电、MCU控制模块的数字电路以及HMI人机交互模块供电，多路电源模块8采用隔离式DC-DC开关电源设计分别产生±50V电压和±10V电压，多路电源模块8采用线性稳压方式产生±5V电压、±3.3V电压和1.8V电压供数字电路部分使用。
图3是本发明实施例中空耦超声毛发理疗装置工作的流程图。
如图3所示，当用户启动空耦超声毛发理疗装置10后，使用该空耦超声毛发理疗装置10进行毛发理疗(即空耦超声毛发理疗方法)的工作流程具体如下：
步骤S1，高清摄像头模块2采集待理疗区域的毛囊图像信息；
步骤S2，MCU控制模块5对采集的毛囊图像信息采用智能图像识别处理算法诊断待理疗区域毛囊状态；
步骤S3，MCU控制模块5主动检索专家数据库自适应匹配与毛囊状态相对应的毛发理疗模式；
步骤S4，MCU控制模块5发射相应理疗模式的控制时序信号以驱动超声换能器驱动模块4；
步骤S5，超声换能器驱动模块4驱动空耦超声换能器模块3工作；
步骤S6，空耦超声换能器模块3发射低强度脉冲超声波至需要理疗的毛囊区域进行毛发理疗。
实施例作用与效果
根据本实施例提供的一种空耦超声毛发理疗装置及方法，通过高清摄像头模块采集待理疗区域的毛囊图像信息，由MCU控制模块对采集的毛囊图像信息进行图像识别处理，根据所识别的毛囊状态，检索专家数据库自动匹配对应的毛发理疗模式，进而发出控制时序信号驱动超声换能器驱动模块，进一步驱动空耦超声换能器模块进行理疗，因此，可以根据用户不同的毛囊状态自适应匹配与之对应的毛发理疗模式，克服传统的单一治疗模式带来的成本高、副作用大以及局限性的缺点。还由于空耦超声换能器模块在进行理疗时能够发射低强度脉冲超声波至需要进行理疗的毛囊区域，因此还可以实现非接触式实时理疗，具有高度集成、成本低廉、小巧便携以及无电离辐射的特点。本实施例中的空耦超声毛发理疗装置及方法即可修复用户受损毛囊，改善用户的毛发缺失问题，又可缩短毛发生长周期。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。
例如，在上述实施例中，高清摄像头模块2具有4个高清摄像头，在本发明的其他方案中，该高清摄像头21的数量也可以根据实际情况调整，如设置为1个、2个或其他数量。