用于皮膚治療的便攜式低功率電離裝置

劉子悅，李文慧，侯振中，蔣松懌，趙博，劉玉明，周宇△，呂開陽

(1.上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093；2.上海交通大學醫學院附屬新華醫院整形科，上海 200092)

1 引 言

增生性瘢痕是皮膚結締組織對創傷的反應超過正常范圍的表現，常發生在外科手術、外傷及燒傷后，不僅影響美觀，還可能出現瘙癢、疼痛等癥狀，甚至引起嚴重的功能障礙，影響患者的社交活動和身心健康[1-3]。常用的治療方式有激光、冷凍和藥物，均有一定的療效，但各有不足；激光是選擇較多的治療方式，但其治療設備多為大型設備，需要專業人員操作，術后恢復時間長，易色素沉著，治療過程中疼痛明顯等多種不利因素制約了治療的開展[4]；相對其它治療方法，冷凍治療不為大多患者接受的原因是治療時的疼痛、皮膚萎縮、色素減退以及治療頻繁[5-6]；藥物治療周期長、見效慢，常作為輔助療法。進入21世紀以來，等離子體科技的發展呈現出顯著的多學科交叉融合發展的新局面，其中，大氣壓冷等離子體在美容與皮膚病治療領域的應用備受關注[7]。等離子體是由大量的帶電粒子和中性粒子混合物組成的一種整體呈電中性的物質形態，它是繼固態、液態、氣態后，大自然和宇宙中存在的第四種物質形態[8-9]。等離子皮膚再生技術(PSR)是近幾年發展起來的新型皮膚再生技術，通過在距離皮膚很微小的距離釋放電能來電離空氣，產生等離子體能量，傳遞的能量產生一種加熱作用，去除皮膚上舊的損傷表皮細胞，促進真皮膠原生長，該技術可在不同能量下作用于不同深度，對從淺表皮到真皮產生效果[10]。目前已有多項研究表明等離子皮膚再生技術治療瘢痕安全有效，具有精準治療、效果明顯、低熱損傷的特點[11-15]。此外，大氣壓冷等離子體還可用于殺菌、消毒、止血等[16]。產生等離子體的方式有很多，高壓電離空氣放電是一個重要途徑。與射頻能量產生等離子相比，直流高壓產生等離子具有電路實現簡單、成本較低的特點，為小型化和家用提供可能。近年來，國外的等離子皮膚治療設備發展速度較快，出現了一些等離子皮膚治療設備，但多為大型設備，且需要專業人員操作；而國內的等離子皮膚治療設備起步較晚，出現了少數專利，但大多缺乏可靠的相關認證和充分的實驗驗證，治療效果存有較大疑問。為此，本研究研制了一款基于直流高壓的便攜式低功率電離裝置和距離控制實驗平臺，并進行不同技術參數的電離實驗，為后續的便攜式低功率等離子皮膚治療設備提供研發基礎。

2 材料與方法

實驗材料選取馬鈴薯，設置固定放電時間1 s，通過改變電極與組織之間的距離和放電電壓來改變場強，對組織進行電離實驗，再將電離后的馬鈴薯塊放到恒溫箱48 h達到最佳氧化效果[17]，對馬鈴薯塊的氧化變黑情況進行分析，探究不同場強對組織的效果，從而驗證低功率等離子裝置的電離功能。

2.1 實驗系統搭建

本研究采用自制的低功率電離裝置和距離控制實驗平臺，模擬皮膚治療過程對組織進行電離。

參考已有設備，用于皮膚治療的低功率電離裝置的電極采用較細的針，綜合各種放電實驗情況決定采用直徑0.3 mm的電極針。根據理論和實驗驗證，在一個大氣壓的干燥空氣的條件下，對于勻強電場的平板電極的絕緣擊穿場強約為3 kv/mm[18]；而對于球-板類不均勻電場來說，其擊穿電壓與電場均勻程度關系極大，對各種間隙的擊穿電壓目前還無法進行比較精確的計算[19-20]。即電離現象的產生不僅與電壓的高低有關,與電極針與組織之間的距離也相關。在本研究中，距離的精確控制是實驗規范化的基本需求，本研究設計了距離控制實驗平臺，配合相應的電極針固定結構，通過人機交互界面便可精準控制電極針和組織的距離。參考國內外市場上的等離子美容設備，本研究設計了能產生900、1 200、1 500 V的三種電壓強度的低功率電離裝置，綜合上述理論和前期多次探索實驗，得到0.1、0.15、0.2和0.3 mm四種可實現電離現象的距離變量，控制電離裝置的每次開啟時間持續1 s，進行12組電離實驗，每組10個土豆樣本。實驗系統總體框圖，見圖1。

圖1 實驗系統總體框圖

2.1.1低功率電離裝置設計 低功率電離裝置見圖2，主要分為升壓模塊、MCU控制模塊和電源供電模塊。升壓模塊由反激式變換器LT8304和內部有多組耦合線圈的變壓器實現。變壓器匝數比為1：10：10：10。主控模塊選擇stm32F103RCT6(ST公司)進行設計,對LT8304芯片的開關持續時間進行控制；電源供電模塊選用LMR33630芯片設計，實現12 V轉3.3 V降壓，為單片機供電。本裝置最大輸出電流0.5 mA，最大功率8.5 w，轉換效率為85%。

圖2 低功率電離裝置實物圖

2.1.2距離控制平臺設計 距離控制實驗平臺見圖3(a)，電機驅動升降裝置下降過程中實時檢測電極針與組織之間的阻值，當電極針接觸到組織時，阻值瞬間變小，當檢測到的阻值小于設定的閾值時，控制步進電機上升設定距離。安裝在裝置上的電子尺可對上升和下降的距離進行驗證。電機選用SS伺服步進電機42SSC-HB(智創公司)，配備42SDC-H編碼器，最小步進距離可以實現0.0001 mm/轉；阻抗檢測基于高精度的阻抗測量芯片AD5933(Analog Device公司)進行設計，可以測量組織0～100 kHz頻率下的阻抗信息；人機交互界面選用7寸VGUS電容SDWe070T01(武漢中顯公司)；主控單元選擇stm32F103VG(ST公司)進行設計，實現整個系統的控制和測量。

圖3 距離控制實驗平臺

2.2 實驗材料

馬鈴薯內組織致密、均勻，各向同性，導熱系數為0.455～0. 591 W/m·K[21]，與人體皮膚導熱系數0.340～0.540 W/m·K[22]相差不大。參考國內外用馬鈴薯做射頻消融和高壓電穿孔的前期實驗來觀察能量趨勢和變化的成功經驗[17，23-24]，實驗材料選取馬鈴薯，探究樣機在不同實驗參數下的電離效果。實驗過后，本研究可以對經過電離的馬鈴薯氧化面積、深度和顏色進行分析，簡潔直觀。因此，為關注等離子皮膚治療設備的電離過程中能量作用和變化情況，選取馬鈴薯作為實驗材料。

2.3 實驗設計

將馬鈴薯削皮，加工成長3 cm、寬1 cm、高1.5 cm的長方體，隨機分成12組，每組10個樣本，放入水中浸泡，防止氧化。

用電極固定結構將電極針固定在實驗平臺的升降裝置上，隨后把馬鈴薯塊放在背極板上，背極板為粘貼在測量平臺上的銅箔，銅箔表面導電，背面絕緣見圖3(b)。在背極板上倒入些許PBS緩沖液，使馬鈴薯下表面通過緩沖液與金屬箔充分接觸。阻抗測量的負極連接背極板，正極連接電極針。

低功率等離子裝置采用時間控制模式，每次進行持續時間1 s的高壓輸出。根據電壓高低和間距遠近，等離子實驗參數設置為：900、1 200、1 500 V，在0.1、0.15、0.2、0.3 mm 處形成12個實驗組，每組實驗重復10次。

2.4 方法分析

使用固定支架將手機固定，對氧化完成的馬鈴薯組的正面和剖面面拍照，采用PS的色彩范圍功能對正面和剖面的氧化變黑區域進行面積估算，取樣顏色對氧化部分進行取樣，容差為40%，并就氧化變黑程度進行對比。圖片尺寸以像素為單位，分辨率為72，即每厘米等于28像素。

數據分析采用均值±標準差的形式來表達，顯著性分析采用最小樣本t檢驗的方式，P<0.05認為有顯著性差異。

圖4(a) PS色彩范圍分析界面；(b)．馬鈴薯電離后正面氧化實物圖；(c)．馬鈴薯電離后剖面氧化實物圖

3 結果

定義不同場強下的電離發生率=發生電離的馬鈴薯塊/總馬鈴薯塊。由圖5可知，間距為0.2、0.3 mm時,三種電壓的電離發生率較低；當間距縮小為0.15、0.1 mm，三種電壓的電離率顯著提升，其中，0.1 mm間距下三種電壓基本電離。從整體趨勢來看，間距一定，電壓越高，電離發生率越大；電壓一定時，間距越小，電離發生率越大。

圖5 不同場強下電離發生率

不同場強下馬鈴薯塊正面氧化面積見圖6。從整體趨勢來看，間距一定，電壓越高，氧化面積越大；電壓一定時，間距越小，氧化面積越大。分別對1 500、1 200、900 V的各個間距的氧化面積值作t檢驗，結果表明1 500 V在間距0.1和0.15 mm、 0.15和0.2 mm的正面氧化面積存在強顯著性差異。

圖6 不同場強下馬鈴薯塊正面氧化面積情況

紅、綠、藍三個顏色通道每種色各分為256階亮度，在0時最亮，而在255時最暗。當三色灰度數值相同時，產生不同灰度值的灰色調，即三色灰度都為0時，是最暗的黑色調；三色灰度都為255時，是最亮的白色調。對三種電壓在0.1mm間距電離后的氧化變黑RGB的平均值進行分析，結果見表1。可以看出，施加電壓越大，顏色更深。

表1 三種電壓在0.1 mm間距的氧化變黑程度對比表

不同場強下馬鈴薯塊剖面氧化面積見圖7。從整體趨勢來看，間距一定，電壓越高，氧化面積越深；電壓一定時，間距越小，氧化面積越深。分別對1 500、1 200、900 V的各個間距的氧化面積值作t檢驗，結果表明1 500 V在間距0.1和0.15 mm、0.15和0.2 mm的剖面氧化面積存在強顯著性差異，1 200 V在間距0.1和0.15 mm、0.15和0.2 mm的剖面氧化面積存在顯著性差異。

圖7 不同場強下馬鈴薯塊剖面氧化面積情況

4 討論

從電離發生概率來看，對于同一距離來說，電壓越大，電離發生率有所增加；對于同一電壓，距離越近，電離概率越大。即縮短間距或增大電壓均能增加電離概率，其本質都是增加場強。

從氧化面積來看，氧化面積隨著電壓的增加和間距的縮小而增大。更大的氧化面積意味著分布范圍更寬的等離子體作用能量，在皮膚治療中，可以通過調節電壓和間距來控制電離能量作用寬度。1 500 V的在間距0.3、0.2和0.15 mm的作用寬度略大于1 200 V和900 V，在0.1 mm的作用寬度遠大于1 200 V和900 V。

從氧化深度來看，氧化深度隨距離的縮小而增大。900 V和1200 V在不同距離下的氧化深度差別不大，而1 500 V氧化深度顯著加大。人體皮膚由表皮、真皮和皮下脂肪構成，具有一定厚度。增生性疤痕，多發于損傷深度僅及真皮的創傷。增生性疤痕與正常疤痕的病理組織差別僅在于疤痕深部膠原纖維的增厚，表現為排列不規則，或呈波瀾形，或纏繞成繩索狀[25]。電離作用的深度即能量能到達的皮膚層次，決定了電離治療疤痕的作用效果。從實驗結果可以看出，900 V和1 200 V兩種電壓的作用深度相似，當將電壓提升至1 500 V后，作用深度明顯加深。因此，900 V和1 200 V差異不大，取其一即可。若想實現更深的電離深度，需進一步增加電壓。

從氧化顏色深度來看，更大的電場強度對應更深的氧化顏色值。本研究就間距為0.1 mm的三種電壓的電離后的馬鈴薯氧化變黑程度進行分析，發現電壓越大，氧化變黑程度更深，電場強度更大，電離能量更強。

5 結論

本研究對低功率等離子裝置產生的900、1 200、1 500 V三種高壓輸出在0.1、0.15、0.2、0.3 mm四種間距的電離發生率和馬鈴薯塊氧化情況進行分析，從而對裝置的電離發生率、作用寬度、作用深度和能量強度的評估。經分析發現900 V和1 200 V的電離作用效果相差不大，相比之下1 500 V的電離效果較為明顯。0.15 mm及以下是1 500 V的電離間距; 0.1 mm及以下是1 200 V的電離間距；較小的900 V電壓則需要繼續縮短間距才能保證電離的發生。為保證一定的電離間隙和電極與人體的安全距離，需進一步增大電壓參數和重新考慮作用效果差異不大的電壓參數，馬鈴薯電離實驗僅提供技術評估，針對不同瘢痕實現不同的治療效果，具體的治療功效亟待對離體瘢痕皮膚組織的電離實驗加以驗證。