基于压电陶瓷变压器与冷等离子体射流的痤疮治疗装置设计

王诗君，王红美，王洪涛，郝明巨，石 磊



基于压电陶瓷变压器与冷等离子体射流的痤疮治疗装置设计

王诗君1，王红美2，王洪涛3，郝明巨2，石 磊1

（1.山东省实验中学，山东 济南 250001；2.山东省千佛山医院，山东 济南 250014；3.山东大学电气工程学院，山东 济南 250061）

痤疮是常见的好发于青春期的毛囊皮脂腺慢性炎症性皮肤病，易诊而难治。提出了一种轻便而代价低的冷等离子体源设计方案，制作了一套人机友好的医用装置，可在大气压下电极间隙外的开放空间中产生稳定的冷等离子体，达到可快速杀灭痤疮内的痤疮丙酸杆菌的设计目标。研制了基于压电陶瓷变压器的微型化高频高压电源和等离子体发生器，采用惰性气流以及在窄小电极间隙上施加强电场的方法，使产生的等离子体从气孔中喷出并在非电极间隙的开放空间产生冷等离子体射流。以这种类似于气流形式的新型气体放电源处理痤疮丙酸杆菌。通过多组、不同方式的实验室样本以及志愿者人体实验对照验证，所设计的冷等离子体射流装置对痤疮杆菌具有明确的治疗效果。

冷等离子体；大气压等离子体射流；痤疮；压电陶瓷变压器

痤疮俗称青春痘，是常见的好发于青春期毛囊皮脂腺组织的慢性炎症性皮肤疾病，青少年中痤疮发病率达到80%，人们通常误以为是体内荷尔蒙分泌过于活跃，造成油脂分泌过量，阻塞毛孔。然而，痤疮并非是青少年的专利，其内部隐藏着的痤疮丙酸杆菌才是罪魁祸首。

目前虽然有口服、外用、光动力疗法等各种青春痘的治疗方法，但普遍存在见效慢、效果不显著、长期应用副作用大等缺点，痤疮的治疗成为困扰青少年的一大难题。痤疮的发生主要与雄激素分泌异常、痤疮丙酸杆菌的大量繁殖、炎症损害、免疫失常及毛囊皮脂腺导管角化异常等有关，其中痤疮丙酸杆菌是主要致病因素。痤疮丙酸杆菌是一种革兰氏阳性菌，侵入皮脂腺的痤疮丙酸杆菌释放多种生物活性酶，这些酶可以分解皮脂中的三酰甘油生成游离脂肪酸和低分子多肽[1]。其中，游离脂肪酸可刺激毛囊壁引发炎症，同时刺激毛囊皮脂腺导管增生和过度角化，导致皮脂分泌受阻，排泄不畅，从而增加痤疮发生率；低分子多肽可释放水解酶和多种炎症介质，诱导局部炎症反应，皮脂腺被破坏，形成痤疮[2]。

大气压冷等离子体是近年来学术界兴起的新研究领域，由于其在大气压下产生气体温度低、粒子活性高，在众多领域尤其是生物医学方面的应用引起了人们广泛的关注。近年研究发现，冷等离子体接近或略高于室温，不会对人体和生物组织造成明显的热伤害，不污染周围环境，且能有效地灭活各种细菌、真菌以及病毒等致病微生物；在口腔感染疾病、面部祛皱除疤、凝血止血、促进伤口愈合、肿瘤治疗等方面也展示了良好的应用前景[3]。

文献[4]报道，冷等离子体活性成分H2O2等能通过水孔蛋白打开的通道突破顽固的痤疮丙酸杆菌生物膜屏障，杀灭痤疮丙酸杆菌。文献[5]证明在选择合适剂量时，人体组织受到冷等离子体作用下，正常细胞可以存活，而癌细胞由于特殊的氧化机理而凋亡，表明冷等离子体应用有着广阔前景。文献[6]发现含痤疮丙酸杆菌的组织受到冷等离子体作用下，能杀灭杆菌，同时角质细胞活跃程度不受影响，有利于皮肤修复。在皮肤病的治疗方面，冷等离子体已报道用于治疗皮炎、湿癣、银屑病等，但对痤疮治疗方面的研究尚未见报道。目前大气压冷等离子体主要采用介质阻挡放电方式产生，但是存在各种放电形式的缺点，例如放电区域狭小、放电不均匀、气体温度过高等，很大程度上限制了大气压等离子体的应用范围，尤其是在需要低气体温度、高化学特性的人体医疗领域。如何在大气压下电极间隙外的开放空间中产生稳定的冷等离子体一直是人们研究的热点。近年来，研究人员创新性地采用气流以及在窄小电极间隙上施加强电场的方法，能够使产生的等离子体从气孔中喷出并在非电极间隙的开放空间产生冷等离子体，使得许多新颖的等离子体应用成为可能。本研究提出了一套自主研制的基于压电陶瓷变压器的冷等离子体射流系统，它可产生稳定、长距离的等离子体射流，且人手可直接触摸，有望用于对人体皮肤的直接消毒灭菌。本研究通过对痤疮丙酸杆菌的体外抑制效果的初步评价，为开发新型等离子体治疗痤疮设备奠定基础。

1 基于冷等离子体射流技术的青少年痤疮治疗装置设计

1.1 冷等离子体产生的原理

等离子体是物质的第四态，通常情况下气体被加热到极高温度后，气体分子被电离为原子、电子与自由基的混合体时，被称为等离子体。等离子体技术可用于材料表面改性、等离子体显示器、臭氧发生器等，在医学应用中有组织切除、消毒、凝血等。但是由于温度高，在对温度敏感的领域的应用受到限制。

根据气体放电理论[7]，电子的平均动能正比为/，其中是电场强度，是气压。气压越低，电子能量越高，而气体粒子之间的碰撞与能量传递越弱，一定条件下可使空气温度维持在常温。因此，产生低温等离子体的装置往往需要真空仓，但该类装置复杂、昂贵、体积大，限制了其在生物医学中的应用。

如果不使用真空仓，需要解决的问题有：①在开放的空气中，既要用高电压使气体电离，又要避免产生电弧，因为电弧是电流通路，一旦有了电流，则会消耗电能从而发热；②能够持续稳定地产生冷等离子体。

根据气体放电理论，若电场内电极之间的空气被高压电离以后，形成电弧，则会产生强烈的光辐射，放电电流大，气体温度高。为避免发生电弧放电，应该阻断正负电极间电流通道，采用绝缘介质阻挡正负电极间的电场，该方式被称为介质阻挡放电，可以在大气压下产生冷等离子体。但是，该放电方式是丝状放电模式，放电通道由细丝状微放电通道组成，在放电空间和时间上呈不规则分布，导致其应用效果有限。美国学者2005年研究发现，使用纯惰性气体易得到稳定的冷等离子体，同时产生的等离子体含化学活性物质。但是，对电源参数有较高的要求，需要控制在电压1～5 kV、频率0.001～27 MHz、功率15～250 W，气体流速1～10 L/min的范围内[8]。

1.2 基于压电陶瓷变压器的高压高频电源的设计

要在电源输出端产生几千伏高压，必须利用升压变压器。而传统的电磁变压器由铁芯及其绕组组成，升压变比越高，铁芯越大，次级绕组匝数越多，电磁变压器普遍应用于电力系统，功率可由几千瓦到几兆瓦，容量大，但装置体积难以做到轻巧便携。考虑到生物医用等离子体源仅需几十瓦的功率，因此可以寻求小巧的电子器件。在电子器件领域，有一种叫压电陶瓷变压器的声学电子器件，由美国Motorola公司的C. A. Rosen发明，它可以将几伏的交流电压升到几千伏以上[9]。它利用压电陶瓷材料的压电效应，先将低压电能转换为机械能，再利用谐振原理转换为高压电能。目前我国企业制造的压电陶瓷变压器器件厚度只有约3 mm，这是电磁变压器难以做到的尺寸。

为此，选购了型号为MPT3307B70的多层压电陶瓷变压器做为等离子体电源的升压变压器部件，尺寸为33 mm×8 mm×3 mm，输入电压12±0.1 V，额定功率70 W，谐振频率58.0 kHz，压电陶瓷变压器如图1所示。

（a）压电陶瓷变压器的物理尺寸

（b）压电陶瓷变压器原理

图1 压电陶瓷变压器

压电陶瓷变压器的输入电压频率只有等于其谐振频率时，才能输出幅值最大交流电压，压电陶瓷变压器的工作效率才处于最佳状态。为此，设计了基于压电陶瓷变压器的高压高频电源装置，包括振荡器、调制器、功率放大器、压电陶瓷变压器，其原理如图2所示。

当输入电压选择常规的50 Hz，220 V交流市电情况下，在输入端需要接入12 V的电压适配器，即通常所说的直流电源，可以使用笔记本电脑通用的电源适配器。振荡器、调制器及控制部分采用一块ROHM（罗姆）公司的单片集成电路来完成，功率放大电路采用推挽架构的MOSFET功率模块来完成，输出电路由压电陶瓷变压器和等离子发生器组成。除了等离子体发生器之外，以上这几部分安装在一块电路板上，具体结构如图3所示。

振荡器输出频率取决于输出电路特性，为了满足压电陶瓷变压器58.0 kHz谐振频率的要求，在振荡器模块内并联有电感和电容器，其数值满足并联谐振的公式（1），使得并联谐振频率与压电陶瓷变压器的谐振频率一致，即在58.0 kHz频率下，电感的感抗L等于电容的容抗C，电路产生谐振，电流达到最大值，功率输出的能量最大，有利于最大程度地激发等离子体发生器内的等离子体反应。并联谐振用以下公式表示：

1.3 冷等离子体发生器设计

之前所设计和制作的高压高频电源能为等离子体发生器提供电压源，然而等离子体发生器的设计依然存在苛刻的要求，为了能够产生人体皮肤能够接受温度的冷等离子体射流装置，需要满足易于操作、常温、平稳持续的要求，电极结构、气流选择和人机友好等因素尤为重要。

图3 基于压电陶瓷变压器的高压高频电源的前置电路板

介质阻挡放电是大气压下产生非热平衡冷等离子体的典型方式，电极结构主要有平行板和同轴棒筒两种形式，同时至少有一个电极被绝缘介质覆盖或者绝缘介质固定于电极之间。由于绝缘介质的作用，电荷积累在绝缘介质的表面形成反向空间电场并削弱外部施加电场，限制了放电电流的增长，从而有效地避免了放电向电弧或者火花放电的转化。据此，设计了图4所示的基于介质阻挡放电的固定式冷等离子体装置。该装置在大气压和空气的环境下运行，产生的放电是丝状放电模式。通过实验观察到丝状放电模式通常由大量的细丝状微放电通道组成，在放电空间和时间上呈无规则分布。由于在大气压下，气体的击穿电压很高（例如空气击穿电压为30 kV/cm），导致介质阻挡放电的间隙通常较窄（毫米至厘米量级）。如果持续提高外加电压，由于放电间隙电场分布不均匀可能会导致放电快速转化为火花放电，同时过高的电压会导致安全隐患。因此对于本试验来说，介质阻挡辉光放电还是存在一定的局限性。

为了解决以上问题，通过查阅相关文献，发现使用纯惰性气体，例如氦或者氩气，易得到稳定的辉光放电等离子体。辉光放电模式能够有效填补丝状放电的不足，同时产生的等离子体通常处于冷非平衡状态，富含高化学活性物质，因此适用于生物医学领域。为此，在之前试验装置的基础上，设计了一种手持式冷等离子发生器，如图5所示。采用气流以及在窄小电极间隙上施加强电场的方法，使产生的等离子体从气孔中喷出，在非电极间隙的开放空间产生冷等离子体，得到类似于气流形式的气体放电源，形成冷等离子体射流，以便于操作和使用。该装置由一个枪式外壳、外层石英管、内部高压铜棒电极、外部铜管接地电极、气体导流管组成。使用时，由下部的导流管通入氦气或者氩气这类惰性气体，内部高压铜棒电极施加高压，石英管内将产生等离子体，并随气流从喷嘴口喷出形成等离子体射流。等离子体射流能够实现电极间的放电区域和工作区域在空间上的分离，同时能够将活性物质和带电粒子直接输运到被处理物体的表面并达到处理的效果，适合本试验使用。

图5 基于射流技术的手持式冷等离子发生器

2 青少年痤疮治疗装置的组装与测试

2.1 装置的组装

在高频高压电源发生模块、冷等离子发生器的基础上，装置还需要增加惰性气体气源、减压阀、12 V的电源适配器、通气管，然后将其组装，则构成一套完整的基于冷等离子体射流技术的青少年痤疮治疗装置，具体如图6所示。

图6 基于冷等离子体射流技术的青少年痤疮治疗装置的组装

2.2 装置工作时电压与频率测试

为了测试自制的基于压电陶瓷变压器的高压高频电源能否达到激发冷等离子体所需要的电压和频率，使用示波器对装置运行时的工作状态进行测量，测得压电陶瓷变压器输出的电压有效值为2.94 kV，频率为58.14 kHz，频率和电压值满足激发等离子体所需峰值，如图7所示。

图7 测量基于压电陶瓷变压器的高压高频电源的电压和频率

2.3 装置工作时等离子体温度测试

在进行等离子体温度测试时，不仅要打开高压高频电源，还要通惰性气体。将氩气瓶打开，调节减压阀，使氩气以5 L/min的流速通过石英管，将电源适配器的市电插头插入墙上的插座中，经过几秒钟后，可以看到石英管内的气体逐渐开始出现辉光，装置产生了等离子体射流，人手指触及射流仅可感觉到轻微气体吹动，没有任何热或电击等不适感。

采用红外测温仪测试，射流等离子体发生装置使用最大量等离子体处理之后的样品温度能保持在40 ℃下，保持人体皮肤可承受的程度，具体如图8所示。

图8 青少年痤疮治疗装置的温度测试

2.4 装置工作时等离子体成分测试

为了能够测量该装置发出的冷等离子体射流的有效成分，使用光谱仪对装置运行时发出的射流进行光谱分析，得到的结果如图9所示。可以看到光谱成分以307 nm、690～840 nm范围内的光谱的相对强度最高。根据文献[10]，确认为O、O2*、N、N2+、OH等活性粒子的发射光谱。

图9 冷等离子体射流的光谱分析

总之，装置组装以后，经过电源电压、频率、温度以及有效成分测试，得知所设计的冷射流等离子体装置，产生的等离子体温度低，没有任何热或电击等不适感，有效活性成分高。由于采用射流方式，人体与等离子发生装置保持一定的距离，可以在保障安全的情况下开展痤疮试验。

3 冷等离子体射流灭痤疮丙酸杆菌实验过程

3.1 冷等离子体射流体外抑菌实验

将所开发的便携式青少年痤疮治疗装置搬到山东省千佛山医院生物实验室，开展冷等离子体射流体外抑菌实验。在超净工作台上，改良GAM琼脂培养基115 ℃高压灭菌20 min后，冷却加入5%羊血，倾倒在直径为9 cm的平板培养皿内，以此用作痤疮丙酸杆菌冻干菌株的复苏平板。利用平板划线法将冻干菌株接种于平板培养皿内，37 ℃厌氧培养72 h。挑取单个生长的菌落至无菌生理盐水，麦氏比浊法测定痤疮丙酸杆菌浓度，调整菌最大浓度为1.5×108CFU/mL（0.5个麦氏比浊单位），并依次稀释至1.5×107CFU/mL（5×10-2个麦氏比浊单位）、1.5×106CFU/mL（5×10-3个麦氏比浊单位）、1.5×105CFU/mL（5×10-4个麦氏比浊单位）、1.5×104CFU/mL（5×10-5个麦氏比浊单位）。使用接种棒将不同浓度细菌液均匀地涂布于不同的无菌琼脂培养基中，每个浓度3个培养基。用自制手持式冷等离子体射流装置照射培养基，2.9 kV，58 kHz，氩气，照射间距为5 cm，照射位置为正中部1 cm2的部位，照射时间2 min，此组作为实验组（第2组）。同时设立2组对照，一组为无照射组，即空白对照组（第1组）；另一组为无电离氩气组，氩气流速、处理间距和处理时间同实验组（第3组）。处理完后，将样本放置于37 ℃的恒温培养箱中厌氧培养24 h后，观察各组培养皿中菌落情况并拍照，如图10所示。以上实验重复3次。

图10 冷等离子体射流体外抑菌实验

3.2 冷等离子体射流治疗痤疮人体实验

对15例患有双侧面部痤疮的病人，用自制冷等离子体射流装置给予治疗，每次照射时间为60 s，每天1次，连续5天为1疗程，休息2天后给予第2个疗程。本研究随机选择单侧面部予以照射治疗，未照射的另半边脸则作为对照。2个疗程后评估疗效。以文献中已报告的痤疮评分标准进行评估，治疗前及每次治疗直到治疗结束痤疮的严重度都会被评分评估。

4 结果和讨论

4.1 不同处理强度和处理时间的等离子体灭菌效果

在进行冷等离子体射流处理痤疮丙酸杆菌培养皿24 h以后，从保温箱取出实验组和对照组样本，按第1组、第2组、第3组的顺序自上而下排列整齐。如图11所示，中间一行的实验组（第2组）中间1 cm2照射处细菌数量明显减少，呈现一片空白区，空白区所对应的范围为低温等离子体照射范围；而空白对照组（第1组）和无电离氩气组（第3组）被照射处细菌和周围相比无减少。说明本实验装置有效且定向治疗效果良好。在2 min的等离子体处理过程中，等离子体反应器始终处于室温，培养皿的温度基本检测不到变化，整个过程为完全冷灭菌。

图11 冷等离子体射流体外抑菌实验结果

4.2 冷等离子体射流治疗痤疮疗效观察

对15例痤疮患者进行冷等离子体射流治疗，如图12所示。2个疗程后，痊愈8例，显效5例，好转2例，总有效率93.3%.所有患者顺利完成治疗，照光局部无明显不适，3天后部分患者有轻度脱屑和色素沉着，2周左右能完全缓解。未发生皮损、渗出、溃疡、疤痕等严重不良反应。

5 结论

研究和设计了一套基于冷等离子体射流技术的青少年痤疮治疗，它可产生安全、稳定的冷等离子体射流，用于青少年皮肤上的痤疮杆菌处理，具有以下特点：①设计和制作的基于压电陶瓷变压器的高频、高压交流电源模块，可用于发生冷等离子体，具有小型化、安全、低造价的优点。②设计和制作的手枪式等离子体发生器，采用惰性气流以及在窄小电极间隙上施加强电场的方法，使产生的等离子体从气孔中喷出并在非电极间隙的开放空间产生冷等离子体射流，具有便携、易操作的特点。③通过多种对照方式组、不同菌量下实验室样本的充分验证，以及志愿者人体实验对照验证，所设计的冷等离子体射流装置对痤疮杆菌具有明确的治疗效果，推广应用前景广阔。

图12 冷等离子体射流治疗痤疮人体实验

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R459.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.048

2095－6835（2018）22－0048－05

王诗君（2001—），女，山东省实验中学高三创新班学生，创新课题方向是等离子体在医学中的应用。王红美（1971—），女，博士，儿科主任医师，主要从事儿科疾病诊治。王洪涛（1973—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电气工程。郝明巨（1979—），博士，主管技师，研究方向为细菌耐药机制。石磊（1979—），男，一级教师，研究方向为信息技术。

〔编辑：严丽琴〕