Данный пост не является рекламным и не несет в себе маркетинговой составляющей.
Продолжаю свой рассказ про разработку устройства фотобиомодуляции.
С предыдущей статьей можно ознакомиться тут.
Первая версия устройства, по отзывам, показала неплохую эффективность, однако конструкция и некоторые технические недостатки при регулярном использовании могли вызывать неудобства.
Одним из замечаний был ремешок. Это был очень прочный плечевой ремень, который нужно было продевать в пряжку и затягивать. Такой способ крепления занимал лишнее время и в целом был не самым надежным решением.
Другой недостаток — в устройстве был установлен всего один выключатель. Пользователи нередко «терялись во времени» и могли забыть отключить его, так как аппарат не выключался автоматически.
Кроме того, внешний вид устройства не соответствовал времени.
Все эти недостатки было принято решение устранить.
Дизайн устройства
В качестве примеров я изучал дизайнерские решения компаний Dyson, Apple, Vielight, Mitolight и других.
Не хотелось повторять конструкции с линзами, поэтому в качестве лицевой панели было решено использовать ровный прозрачный пластик. Это позволяет при прилегании к телу использовать всю поверхность, а не только участки, соприкасающиеся с линзами.
Сборка устройства должна быть простой, а при падении корпус не должен разваливаться на части. В результате конструкция напомнила «бутерброд»: в центре располагается плата, а сверху и снизу — панели корпуса.
Органы управления сведены к минимуму — одна клавиша, которая включает и выключает питание, а также используется для активации индикации уровня заряда и запуска режима Wi-Fi (по специальной комбинации).
Систему крепления я позаимствовал у компании Neurosoft: плотные ремни заменил на прорезиненные с клейкой поверхностью. Это оказалось значительно удобнее.
В качестве «сердца» устройства был выбран микроконтроллер ESP32-D0WDQ6. Основные причины выбора: доступность, наличие Wi-Fi и Bluetooth, 4 МБ памяти, а также достаточное количество портов ввода-вывода.
Генерация модуляционной частоты реализована с помощью силового MOSFET IRF7341.
Мне не нравится, когда готовые платы типа ESP32, Arduino Uno или Nano просто вставляют в устройство. Поэтому принципиальным было создание собственной печатной платы с микроконтроллером и всей обвязкой. Навыки пайки и необходимое оборудование у меня были, поэтому использовались SMD-компоненты типоразмера 0402.
Для отвода тепла со светодиодов на обратной стороне был установлен алюминиевый радиатор.
В качестве источника питания выбран Li-ion аккумулятор, емкость которого пришлось сократить ради компактности.
Габариты новой версии: 97,5 × 64 × 18 мм.
Светодиоды остались те же, что и в первой версии, но их стало четыре. Они расположены так, чтобы формировать ровный пучок света с максимальной мощностью 100 мВт/см².
Несмотря на экономичность выбранного микроконтроллера, для исключения фонового потребления был применен узел из двух транзисторов, обеспечивающий полное отключение питания.
Так как у меня не было опыта программирования микроконтроллеров, я нашел специалиста на аутсорсе.
В техническом задании мы заложили:
— управления мощностью;
— частотой от 1 Гц до 10 кГц;
— таймером выключения;
— api BLE;
— веб-панель управления в режиме точке доступа Wi-Fi.
В настоящее время отсутствует единообразие в протоколах исследований по фотобиомодуляции. В одних работах используют лазер, в других — светодиоды, в третьих — их комбинацию; излучение может быть постоянным или модулированным; параметры количества сеансов и длительности воздействия сильно различаются. Это затрудняет систематизацию данных и получение достоверных выводов.
Мы учли этот фактор и в результате получили многофункциональное, автономное и портативное устройство фотобиомодуляции, которое позволит воспроизводить условия зарубежных исследований и оценивать их эффективность.
После этого началась разработка приложений для Android и iOS. Об этом, о трудностях литья корпусов, а также о путешествии аппарата в США я расскажу в следующей статье.
P.S. В предыдущей публикации я получил ряд справедливых комментариев о фотобиомодуляции и светолечении в целом. Поэтому ниже привожу краткий экскурс в историю и науку по данной теме.
Скрытый текст
Технология эта, действительная, древняя. История светолечения насчитывает более 2 тысяч лет, а ее истоки уходят еще глубже – во времена египетских фараонов, в XIII столетие до н.э.
Более значимым в нашей истории был факт изобретения искусственного света и его начало применения в медицинских целях.
В 1882 году немецкий врач Макер получил первый патент на лечение электрическим светом, что и стало мощным толчком к развитию светотерапии.
Вернемся к нашему времени. Светодиоды с полным спектром цветов, в их современном представлении, появились ближе к концу 2000 года.
К этому времени им нашли применение как средство лечения псориаза (длина волны 311 нм), неонатальной гипербилирубинемии (460-490 нм), стимуляции регенерации тканей и снижение воспаления (инфракрасный спектр) и других заболеваний и состояний.
Так почему же я выбрал 808-810 нм светодиоды в своем проекте?
В зарубежных исследованиях отмечают, что воздействие света оказывает влияние на 3 ключевых компонента:
—поглощение светового излучения митохондриями с преобразованием в АТФ;
—происходит создание активных форм кислорода, что способствует стимуляции транскрипции генов, а в дальнейшем клеточному восстановлению;
—выделение оксида азота, что способствует расширению кровеносных сосудов, увеличению содержания кислорода в крови.
В недавнем исследовании Alexander R. Guillen и соавт. была проведена оценка проникновения и теплового воздействия света с различной мощностью — 10, 100 и 1000 мВт/см² — на ткани головного мозга. Для этого использовалась анатомически реалистичная трёхмерная модель человеческой головы, а измерения проводились с высоким пространственным разрешением (до 1 мм).
Полученные данные показали, что использование мощности выше 1000 мВт/см² приводит к значительному нагреву тканей: температура кожи головы увеличивалась в среднем на 3,76 °C, а температура мозговых структур — на 0,57 °C. Напротив, мощность до 100 мВт/см² показала высокую степень безопасности: повышение температуры кожи составляло не более 0,38 °C, а мозга — всего 0,06 °C. Такие изменения укладываются в допустимые рамки и позволяют использовать фотобиомодуляцию без риска термического повреждения даже при длительных сеансах.
Особенно важным открытием авторов стало то, что при правильно подобранных параметрах излучения, включая мощность, длину волны и оптические свойства тканей, свет способен проникать более чем на 10 см вглубь, достигая не только коры головного мозга, но и белого вещества (doi: 10.1109/EMBC53108.2024.10782579).
Суммируя эти данные, было принято решение остановить свой выбор именно на данной длине волны.