分層抗衰的雙極射頻電極陣列設(shè)計與實現(xiàn)*

張寧濤,楊紫涵,郭振宇,張梅,盧繼珍,張榆鋒△

(1．云南貝泰妮生物科技集團股份有限公司,昆明 650091;2．云南大學(xué) 信息學(xué)院電子工程系,昆明 650091;3．重慶青年職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北碚 400712)

0 引言

隨著社會發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高,美容和抗衰手段受到了廣泛關(guān)注[1-2]。在皮膚中,膠原蛋白和以其為主要成分的彈性蛋白纖維的底層網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)了支架,決定皮膚的緊致度和彈性。皮膚的老化過程是因受一系列因素的影響,膠原蛋白不斷流失,膠原蛋白束的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,強度降低,復(fù)雜的纖維網(wǎng)絡(luò)松動并散開[3-4],在無真皮層纖維細胞補充的情況下,發(fā)生高水平的降解和碎裂[5]。膠原蛋白的減少使皮膚變得粗糙、缺乏彈性、松弛,最終形成皺紋[6-7]。射頻技術(shù)作為目前臨床上常用的抗皺方法[8-10],主要通過熱刺激誘導(dǎo)新膠原生成并達到修復(fù)皮膚的目的[11]。射頻穿透距離深,加熱深度可至真皮深層[12-13],電極發(fā)出高能聚焦的電磁波聚集在皮下特定區(qū)域,組織溫度瞬間升高,熱效應(yīng)刺激膠原新生,膠原蛋白鏈路重新連接,支撐起真皮層結(jié)構(gòu),使皮膚的軟組織提拉緊致[14-15]。雙極射頻能量集中,起效速度快,被廣泛應(yīng)用于家用美容設(shè)備[16-18]。

人體面部皮膚厚度在0.5～4 mm之間。Meng等[19]設(shè)計實驗測量了人體面部皮膚厚度,被測人群包含不同性別年齡段,結(jié)果發(fā)現(xiàn),真皮層位于皮下0.46～1.52 mm之間,成人不同性別和面部不同部位的真皮厚度存在差異。Kim等[20]發(fā)現(xiàn)面部皮膚從鼻根、太陽穴、眼眶上部、前額、口周、臉頰到眼眶下部依次變厚。然而目前市面上家用美容儀的加熱深度是固定的,限制了其對不同面部部位實施針對性治療。為此,本研究設(shè)計了一種分時三選通模式的雙極射頻電極陣列,實現(xiàn)雙極射頻美容儀對皮下不同深度真皮組織均勻分層加熱,以達到更好的美容效果。

1 原理

1.1 射頻原理與醫(yī)學(xué)電流

抗皺美容應(yīng)用的雙極射頻是一種交流電波,其在兩個電極之間產(chǎn)生電場,交替變換極性的電極產(chǎn)生正負電荷,吸引和排斥皮膚組織內(nèi)部帶電的電子和離子,極性分子被誘導(dǎo)前后移動相互碰撞,運動的阻力伴隨大量摩擦產(chǎn)生熱量,并沿電場傳遞給目標結(jié)構(gòu)中的帶電粒子[21-22]。因此,射頻的電極本身不發(fā)熱,其轉(zhuǎn)化的熱能產(chǎn)生于組織內(nèi)部,作用的溫度低而產(chǎn)生的熱效高,Sadick等[23]稱該效應(yīng)為“選擇性電熱作用”。射頻在組織內(nèi)部產(chǎn)生的熱量為:

Q=0.24I2Rt

(1)

其中,I為人體組織某點的電流強度,R為該點的電阻,t為電流作用時間。故射頻作用于皮下組織所產(chǎn)生的熱量與電流強度、組織特性和作用時間相關(guān)。

1.2 電極對間距與射頻作用深度的關(guān)系

雙極射頻皮膚美容治療包括無接地板的正負兩個電極,患者的皮膚被放置在兩電極間的適當(dāng)位置,高頻電流通過工作電極作用于皮下組織,電場分布見圖1[24-25]:

注:紅色為正極,藍色為負極,金色區(qū)域為加熱中心區(qū)。

由于電流在兩個電極間流動,傳播受到電極間距限制。大量實驗發(fā)現(xiàn),射頻的作用范圍是以兩個電極的中點為球心、電極間距的二分之一為半徑的半圓形皮下區(qū)域,即圖1中的金色區(qū)域。因此,雙極射頻電流的穿透深度約為電極間距的一半[26],此電場分布特點使電流分布被控制在特定組織內(nèi),有利于作用區(qū)域的精確控制,但也使加熱區(qū)域面積受到限制。為達到既增大加熱面積,又靈活控制加熱區(qū)域的目的,可采用三個或多個電極對來傳遞熱能。

2 分層點陣美容儀設(shè)計

2.1 工作原理

分層點陣美容儀原理見圖2(a),射頻板上的平面變壓器輸出的射頻功率信號接入固態(tài)繼電器網(wǎng)絡(luò),根據(jù)用戶選擇的工作模式,主板控制固態(tài)繼電器網(wǎng)絡(luò),分時切換不同選通方式,控制不同電極對陣列接通射頻信號,實現(xiàn)不同電極對間距的射頻輸出,達到不同皮下深度的加熱靶點。美容儀實物見圖2(b)。

2.2 電極頭設(shè)計

電極頭的設(shè)計目標是實現(xiàn)美容儀對皮下三個深度分層加熱,且整個加熱區(qū)域熱量分布均勻。雙極射頻具有加熱區(qū)域集中、作用深度可控等優(yōu)點,故本研究采用雙極射頻電極構(gòu)成三組陣列,通過選通算法,控制每組輪流發(fā)射射頻信號,作用不同深度和區(qū)域。Huang等[27]使用COMSOL Multiphysics仿真,研究了雙極射頻皮下組織加熱后的溫度場。結(jié)果表明,電極尺寸在3～7 mm范圍,最高溫靶點位置基本不變;電極間距在2.0～6.2 mm范圍內(nèi)加熱,深度為電極間距的一半。本研究設(shè)計方案見圖3(a)。美容儀的電極頭由內(nèi)外兩圈共16個點電極構(gòu)成,內(nèi)圈4個直徑為3.05 mm的電極(藍色)均勻地分布在一個內(nèi)徑6.7 mm、外徑12.8 mm的圓環(huán)內(nèi),分布的角度間隔為90°,相鄰電極間距為3.84 mm。外圈12個直徑為5 mm的電極(紅色)均勻分布在一個內(nèi)徑22 mm、外徑32 mm的圓環(huán)內(nèi),電極分布的角度間隔為30°,相鄰電極間距為2 mm。內(nèi)圈的1、2號電極分別與外圈的5、8號電極對齊,內(nèi)圈1號與外圈6、16號、內(nèi)圈2號與外圈7、9號、內(nèi)圈3號與外圈10、12號、內(nèi)圈4號與外圈13、15號電極間距均為5.57 mm,由此得到三種不同間距的電極陣列區(qū)域,分別對應(yīng)三個靶點深度,電極排布實物見圖3(b)。

圖2 射頻美容儀

(a) 電極陣列設(shè)計圖 (b) 電極陣列實物圖

2.3 工作選通模式設(shè)計

本研究主板控制固態(tài)繼電器網(wǎng),選通射頻信號正負極性接入對應(yīng)電極,實現(xiàn)三種選通模式的切換,選通模式見圖4。

選通模式1:內(nèi)圈電極正負極性交替排布,相鄰正負電極為一個工作電極對,形成4個工作電極對,外圈電極不工作。選通模式1的正負工作電極對間距為3.84 mm,對應(yīng)理論加熱深度約為1.92 mm。

選通模式2:外圈電極正負極性交替排布,相鄰正負電極為一個工作電極對,形成12個工作電極對,內(nèi)圈電極不工作。選通模式2的正負工作電極對間距為2 mm,對應(yīng)理論加熱深度約為1 mm。

選通模式3:外圈電極正負極性交替排布,內(nèi)圈任一電極為頂點,外圈離該頂點最近電極的相鄰兩電極為另外兩個頂點——極性與內(nèi)圈頂點相反,3個電極構(gòu)成一個熱三角。位置相對的兩組熱三角為一組,兩組按時間順序依次交替工作。選通模式3的正負工作電極對間距為5.57 mm,對應(yīng)理論加熱深度約為2.78 mm。

不同選通模式占空比是指在一個工作周期內(nèi)分配給指定模式的工作時間占總時間的比例。本研究美容儀工作時為分時全選通狀態(tài),即三種選通方式在一個工作周期(200 ms)內(nèi)按照預(yù)先設(shè)置的占空比交替工作,以達到分層加熱的效果。選通模式1、2、3所對應(yīng)的電極工作區(qū)域分布在電極頭內(nèi)圈、外圈及內(nèi)外圈,調(diào)整占空比即調(diào)整三種單選通方式在工作周期的時間占比,使得整個治療頭加熱區(qū)域熱量分布更均勻。Huang等[27]在仿真實驗中發(fā)現(xiàn)電極間距為2.37、3.25、5.25 mm時,對應(yīng)的升溫速度約為0.24、0.32、0.17 ℃/s。基于此,本研究美容儀單選通模式的升溫速度按照模式3、2、1遞增,而選通模式3的加熱范圍位于另外兩個加熱模式中部,全選通狀態(tài)下,在工作周期(200 ms)內(nèi)三種單選通模式按占空比交替工作示意圖,見圖5。

(a)三種選通模式的電極分布

(b)三種選通模式的電場分布

圖5 三種單選通模式按占空比交替工作示意圖

3 驗證實驗及結(jié)果

3.1 離體豬皮實驗平臺與實驗過程

為評估加熱效果,對研制的分層點陣美容儀進行離體豬皮加熱實驗,使用熱成像儀(superCam X,深圳市潛力創(chuàng)新科技有限公司)從背面觀察豬皮皮下組織升溫情況。離體豬皮實驗平臺見圖6。剔出離體豬皮皮下脂肪,削至3.3 mm厚度,按照圖示位置分別固定好豬皮、美容儀及熱像儀,在豬皮表面均勻涂抹射頻介質(zhì),并確保治療面與美容儀治療頭接觸良好。打開美容儀開始射頻治療,設(shè)置射頻信號峰峰電壓為120 V,頻率為1 MHz的正弦波,分別進行單選通模式和全選通模式離體豬皮加熱實驗,記錄皮下最高溫度從37 ℃升至45 ℃的過程。單選通模式使用100%占空比,觀測不同模式下的溫度分布;分時全選通模式按作用脈沖的時間比例,輸出不同的功率,獲得不同作用深度且加熱面積均勻分布的治療效果。每種實驗獨立進行10次并保存熱成像圖片。上述實驗已獲云南大學(xué)醫(yī)學(xué)院倫理委員會批準。

圖6 離體豬皮實驗平臺

3.2 升溫實驗結(jié)果

分別進行單選通模式和全選通狀態(tài)離體豬皮加熱實驗,圖7為三種單選通模式下治療10 s后的熱成像圖,可見加熱溫度分布與電極設(shè)計所預(yù)期的加熱區(qū)域吻合,表明本研究的射頻美容儀實現(xiàn)了三種電極間距(對應(yīng)三種作用深度)的雙極射頻電極陣列功能。繼續(xù)進行分時全選通治療實驗,圖8(a)為2 s脈沖重復(fù)周期,選通模式1、2、3對應(yīng)時間占空比為6∶1∶3,治療15 s后的溫度分布。可見,治療加熱面積明顯擴大,但不同選通模式作用區(qū)域溫度分布存在差異,中心升溫較快,外圈溫度較低,加熱不夠均勻。調(diào)整三種選通模式工作時間比例分配。圖8(b)為2 s脈沖重復(fù)周期,選通模式1、2、3對應(yīng)時間占空比為5∶2∶3,治療15 s后的溫度分布。可見不同加熱區(qū)域溫度分布發(fā)生改變,整體區(qū)域加熱更為均勻。

(a) 選通模式1 (b) 選通模式2 (c) 選通模式3

(a)占空比為6∶1∶3的熱成像結(jié)果

(b) 占空比為5∶2∶3的熱成像結(jié)果

為定量評估加熱區(qū)域面積,本研究對熱成像圖中高于42 ℃的區(qū)域,通過Matlab軟件平臺進行圖像處理,獲得相關(guān)區(qū)域?qū)?yīng)的像素點數(shù),然后將熱成像圖與各選通模式設(shè)計圖縮放并半透明堆疊擺放至相同比例,通過加熱區(qū)域的像素點數(shù)量計算效用面積,同種選通方式的效用面積取十次實驗后計算所得的平均值,并給出對應(yīng)的理論加熱深度,結(jié)果見表1。全選通狀態(tài)下,均勻加熱面積達到642 mm2,占電極頭總面積的80%左右。在此,分時全選通模式的加熱面積并非單純的單選通模式加熱面積的加和,全選通時各電極的作用范圍有重合,所以電極分時作用實現(xiàn)了大面積的均勻分層加熱。

表1 三種單選通模式與全選通模式效用面積

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種分時三選通模式的點陣射頻電極陣列,實現(xiàn)雙極射頻美容儀對皮下不同深度真皮組織的均勻分層加熱。根據(jù)雙極電極間距與加熱深度之間的關(guān)系為核心進行點陣設(shè)計,在不同選通模式下,射頻電路中不同雙極性電極對組合工作,使射頻能量達到預(yù)定加熱靶點位置。離體豬皮實驗結(jié)果表明,三種間距電極陣列可作用于不同皮下深度組織,有效加熱面積依次擴大,全選通狀態(tài)下效用面積達到642 mm2,實現(xiàn)了對皮下不同深度真皮組織的均勻分層加熱。