多功能基于LED多波长皮肤美容仪器的设计

王开昕　陶红帅　杨俊彪　王艺霏

内蒙古工业大学理学院 010051

摘要：随着科学技术的发展，美容行业的进步也是日新月异。越来越多科技进入了美容护肤领域，同时“科学护肤”的理念也应运而生。临床上光子治疗的检验推动了基于光子嫩肤美容仪器的发展。本文介绍了一款多功能的光子嫩肤美容仪器，在市场上原有面具式光子嫩肤仪器的基础上增加了眼部按摩功能，使用稳定的拼接结构实现了“按摩+嫩肤”的仪器一体化多功能运行模式。

关键字：光子嫩肤 触点式连接器 多波长美容 眼部按摩

1. 引言

美国行业评估资料显示，光电LED行业市场应用成长性快的行业来源于光子美容领域，光子美容领域其市场年度复合增长率将达到50%的高标准。其消费型客户需求保持着强劲的增长态势。相对于美容化妆品，LED天然光子疗法快速有效并且毫无副作用，在国内，由于光子嫩肤美容被众多女性热捧且市场空白，一度使一些小微企业得到翻盘的机会。可见，光子嫩肤行业正飞速占领市场,且发展势头良好。

光子嫩肤是一种先进的高科技皮肤医疗美容项目，是开展最早、应用最广泛、也是最受大家欢迎的光电美容项目。1995年开始应用于临床的IPL（Intense Pulsed Light）技术，在国内被称为“光子嫩肤”，它是光谱为400～1200 nm的位于可见光与近红外线部分的光波，覆盖多种靶色基如黑色素、血红蛋白、水等的多个吸收峰，采用不同的滤光片，可解决不同的皮肤问题。本款LED光子嫩肤美容仪是采用光动力原理，激活深层细胞，提高肌肤的新陈代谢。 本产品为了弥补眼部空间浪费，通过使用针形磁吸式触点连接器将柔性的面具式光子嫩肤仪器与眼部按摩仪器进行拼接，实现一个产品多种功能。

二、光子嫩肤作用及基本原理

（一）光子嫩肤作用

光子嫩肤是一种采用高科技的美容项目，采用特定的宽光谱彩光，直接照射于皮肤表面。达到改善皮肤细胞的作用。光子可以穿透到皮肤深层，作用于皮下色素或血管，分解色斑，改善闭合异常的红血丝等等。同时光子还能刺激皮下胶原蛋白增生，让肌肤年轻、健康。

（二）光子嫩肤基本原理

1、生物刺激作用:强脉冲光作用于皮肤后产生了光化学作用，使真皮层的胶原纤维和弹力纤维内部产生分子结构化学变化，恢复其弹性。另外，其产生的光热作用，可增强血管功能，从而消除皱纹 ，缩小毛孔。

2、光热解原理:由于病变组织内的色素团含量远远多于正常皮肤组织，其在吸收光之后产生的升温也高于皮肤。利用它们的温差使病变血管封闭，色素破裂分解，而不损伤正常组织。

三、改良版美容仪的设计

（一）眼部按摩功能

设计说明：由于眼部周围的皮下脂肪层较为薄弱，所以医学上不会对眼部周围的皮肤进行强脉冲光照射，防止光老化，并且不会对人的视力造成影响。市面上常规的美容仪器在设计也会规避眼部区域。这就造成了空间浪费，所以在眼部用按摩功能代替光子嫩肤功能既解决了空间浪费问题，有让产品拥有更多的功能性价值。

眼部按摩区域先在软件中设计绘制大致形状，再进行3D打印，如图1.3。眼部按摩仪器功能包括发热、震动、穴位按摩等等，实现缓解疲劳、恢复视力等目的。实验室的加工条件有限时，为了优化产品，可以使用市面上已经存在的眼部按摩仪器，这样的仪器在使用上更为舒适，选择尺寸更加狭窄的较为合适，方便面部光子嫩肤功能发挥更大效用。

图1 眼部按摩仪器基本结构模拟（软件SoildWorks）

2. 触点式连接器

设计说明：触点式充电结构在生活中并不少见，比如无线蓝牙耳机的充电连接结构，商场中共享充电宝的充电连接结构。之所以采用此类连接方式，一方面它能实现小功率的基本充电需求，另一方面此类结构十分方便断开连接，相对比于传统的充电模式更加便捷。另外连接器的弹簧针两侧装有磁石，可以起到加固连接的作用，利用实验室发光二极管对连接器进行多次测试，结果证明结构连接稳定，可以长时间保持电压平稳。

采用此类方式将两个功能区域实现无缝拼合，形成一个完整的多功能仪器。我们不仅仅可以实现多功能的同时使用，也可以拓展用户的人群。比如对光嫩肤没有追求的老人或者小孩，可以将面部的LED面具板拆解下来，作为眼部按摩仪单独使用。由于这样的结构加持，体现了更多的灵活性和便捷性。

图2 针形磁吸式触点连接器 （左：母头 右：公头）

2. 整体系统设计

组件说明：柔性电路板（FPC）是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路板。具有配线密度高、重量轻、厚度薄的特点。采用此类材质作为光子嫩肤功能的主要材料，考虑其材质轻盈方便携带、韧性较好不易折断。

1. 分片式设计，将一整张面具板分为上下两个部分，分别与眼部按摩仪器相连，嵌入LED灯珠，实现光子嫩肤的功能。面具内可嵌入发热灯珠，在光子嫩肤的同时在皮肤表面升温，意义在于打开皮肤毛孔（水通道），配合使用护肤品实现美肤、护肤的目的。

变频的波长结构设计：不同频率的波长在临床上的表现能力不尽相同，根据不同波段的光疗的效果，本品设计三种不同波段的光针对不同问题人群对应实现不同的治疗、美容目的，细化了光波长对皮肤的功能性治疗：

红光：640-650nm 作用：嫩肤亮白

蓝光：445-450nm 作用：淡痘净肤

橙光：600-610nm 作用：修缮暗哑

此外，因为FPC材料可以进行３D打印的操作，所以在服务客户时可以根据脸型、肤质进行私人定制，比如面具形灯具板的形状和内侧灯珠排布，甚至可以加入热光灯来促进光子嫩肤联合化学成分的联合治疗。

图３ 面部光子嫩肤面具板分片式设计（软件soildworks模拟）

2. 系统说明：

系统各类参数：工作电压：6V；额定功率：5W；产品基本尺寸（拼合后）：150×158×204mm

图４ 系统结构、功能分析图

图５ 连接系统的结构、功能展示

1. 外部优化：

   1. 产品形态基本遵循面具形状，但是采用分片式结构，方便拆卸。

   2. 为了固定产品在面部使用，采用可调节弹力带让使用的安全性、稳定性显著提高。

   3. 中控总开关设置在眼部按摩仪器上，这样不会影响光子嫩肤面罩的LED灯珠分布和工作效果。
      （2）内部优化：

①电池优化设计：采用锂电池，但是电池体积不能过大，否则会影响使用体验。虽然锂电池容量减小，但是充电快，一次充电可使用16次，续航240分钟。

②触摸启动：原设计希望使用压力传感器，但是由于压力传感器的并不灵敏，所以产品使用更加敏感的触屏启动。

4. 产品耗材和结构选择分析

结构	优缺点及选择分析
手持式光子嫩肤仪	光子照射面积较小，面部皮肤受光照射不均匀，但方便携带。
（大型）LED光谱仪	光的强度和波长可调节范围较大，在临床光治疗中使用较多，光源为高功率氙灯。不便携带。
面具式光子嫩肤仪	因为体积适中，光照均匀。既达到美容标准，又方便携带，所以选择此类形状嫩肤仪为基础进行设计改良。

4. 结论

这是一款拥有眼部按摩功能和面部光子嫩肤功能的电子仪器。适合家用、旅行、出差、聚会，整体由一台眼部按摩仪和两片面具形状嵌入LED灯珠的FPC电路板组成，适用的人群不仅仅局限于追求美的女性，还括老人、儿童、男性群体等等。

利用VirtualStudio编写软件（汇编语言：C shrap），利用蓝牙与设备相连接，可以单独使能面部装置和眼部装置，让使用者体验更佳。由于功能的添加，导致受众人群的改变和拓展，所以产品流入市场，不应该单单看作一款美容仪器来看待，首先其功能多样，可以像足疗机一样实现养生的功能，甚至可以帮助恢复假性近视。所以应该将产品的市场定位在科技养生、科技美容、科技治疗等方面。

参考文献：

[1]李季.维生素C离子导入联合光子嫩肤治疗面部黄褐斑的效果观察.检验医学与临床. 2019,16(15)

[2]鲁少文.强脉冲光子嫩肤术联合透明质酸敷料治疗面部激素依赖性皮炎的效果.组织工程与重建外科杂志. 2018,14(06)

[3]单云辉.光子嫩肤治疗面部寻常痤疮的临床观察.中国冶金工业医学杂志. 2020,37(06)

[4]王强.光子嫩肤结合维生素C离子导入对黄褐斑临床疗效.青岛大学学报(医学版). 2019,55(01)

[5]李康东1陈滨2.光子嫩肤联合芦荟凝胶治疗雀斑的疗效及患者术后自我认同评价分析.中国美容医学. 2021,30(03)

[6]文晓懿.光子嫩肤术联合2%氢醌乳膏治疗黄褐斑的临床疗效观察.皮肤病与性病. 2020,42(06)

[7]洪莉.非剥脱点阵激光联合光子嫩肤治疗痤疮瘢痕的疗效观察.安徽医药. 2020,24(12)

[8]汤逸颜.光子嫩肤技术联合Q开关755nm翠绿宝石激光治疗皮肤色素性疾病的疗效分析.中国医疗美容. 2020,10(08)

［９］徐徐．光子嫩肤仪智能监控系统的设计与实现［Ｄ］．武汉理工大学湖北省211工程院校教育部直属院校

２０２０年校级大学生创新实验计划项目（项目编号2020093010）