分层抗衰的双极射频电极阵列设计与实现*

张宁涛,杨紫涵,郭振宇,张梅,卢继珍,张榆锋△

(1．云南贝泰妮生物科技集团股份有限公司,昆明 650091;2．云南大学 信息学院电子工程系,昆明 650091;3．重庆青年职业技术学院,北碚 400712)

0 引言

随着社会发展和人民生活质量的不断提高,美容和抗衰手段受到了广泛关注[1-2]。在皮肤中,胶原蛋白和以其为主要成分的弹性蛋白纤维的底层网络充当了支架,决定皮肤的紧致度和弹性。皮肤的老化过程是因受一系列因素的影响,胶原蛋白不断流失,胶原蛋白束的组织结构发生变化,强度降低,复杂的纤维网络松动并散开[3-4],在无真皮层纤维细胞补充的情况下,发生高水平的降解和碎裂[5]。胶原蛋白的减少使皮肤变得粗糙、缺乏弹性、松弛,最终形成皱纹[6-7]。射频技术作为目前临床上常用的抗皱方法[8-10],主要通过热刺激诱导新胶原生成并达到修复皮肤的目的[11]。射频穿透距离深,加热深度可至真皮深层[12-13],电极发出高能聚焦的电磁波聚集在皮下特定区域,组织温度瞬间升高,热效应刺激胶原新生,胶原蛋白链路重新连接,支撑起真皮层结构,使皮肤的软组织提拉紧致[14-15]。双极射频能量集中,起效速度快,被广泛应用于家用美容设备[16-18]。

人体面部皮肤厚度在0.5～4 mm之间。Meng等[19]设计实验测量了人体面部皮肤厚度,被测人群包含不同性别年龄段,结果发现,真皮层位于皮下0.46～1.52 mm之间,成人不同性别和面部不同部位的真皮厚度存在差异。Kim等[20]发现面部皮肤从鼻根、太阳穴、眼眶上部、前额、口周、脸颊到眼眶下部依次变厚。然而目前市面上家用美容仪的加热深度是固定的,限制了其对不同面部部位实施针对性治疗。为此,本研究设计了一种分时三选通模式的双极射频电极阵列,实现双极射频美容仪对皮下不同深度真皮组织均匀分层加热,以达到更好的美容效果。

1 原理

1.1 射频原理与医学电流

抗皱美容应用的双极射频是一种交流电波,其在两个电极之间产生电场,交替变换极性的电极产生正负电荷,吸引和排斥皮肤组织内部带电的电子和离子,极性分子被诱导前后移动相互碰撞,运动的阻力伴随大量摩擦产生热量,并沿电场传递给目标结构中的带电粒子[21-22]。因此,射频的电极本身不发热,其转化的热能产生于组织内部,作用的温度低而产生的热效高,Sadick等[23]称该效应为“选择性电热作用”。射频在组织内部产生的热量为:

Q=0.24I2Rt

(1)

其中,I为人体组织某点的电流强度,R为该点的电阻,t为电流作用时间。故射频作用于皮下组织所产生的热量与电流强度、组织特性和作用时间相关。

1.2 电极对间距与射频作用深度的关系

双极射频皮肤美容治疗包括无接地板的正负两个电极,患者的皮肤被放置在两电极间的适当位置,高频电流通过工作电极作用于皮下组织,电场分布见图1[24-25]:

注:红色为正极,蓝色为负极,金色区域为加热中心区。

由于电流在两个电极间流动,传播受到电极间距限制。大量实验发现,射频的作用范围是以两个电极的中点为球心、电极间距的二分之一为半径的半圆形皮下区域,即图1中的金色区域。因此,双极射频电流的穿透深度约为电极间距的一半[26],此电场分布特点使电流分布被控制在特定组织内,有利于作用区域的精确控制,但也使加热区域面积受到限制。为达到既增大加热面积,又灵活控制加热区域的目的,可采用三个或多个电极对来传递热能。

2 分层点阵美容仪设计

2.1 工作原理

分层点阵美容仪原理见图2(a),射频板上的平面变压器输出的射频功率信号接入固态继电器网络,根据用户选择的工作模式,主板控制固态继电器网络,分时切换不同选通方式,控制不同电极对阵列接通射频信号,实现不同电极对间距的射频输出,达到不同皮下深度的加热靶点。美容仪实物见图2(b)。

2.2 电极头设计

电极头的设计目标是实现美容仪对皮下三个深度分层加热,且整个加热区域热量分布均匀。双极射频具有加热区域集中、作用深度可控等优点,故本研究采用双极射频电极构成三组阵列,通过选通算法,控制每组轮流发射射频信号,作用不同深度和区域。Huang等[27]使用COMSOL Multiphysics仿真,研究了双极射频皮下组织加热后的温度场。结果表明,电极尺寸在3～7 mm范围,最高温靶点位置基本不变;电极间距在2.0～6.2 mm范围内加热,深度为电极间距的一半。本研究设计方案见图3(a)。美容仪的电极头由内外两圈共16个点电极构成,内圈4个直径为3.05 mm的电极(蓝色)均匀地分布在一个内径6.7 mm、外径12.8 mm的圆环内,分布的角度间隔为90°,相邻电极间距为3.84 mm。外圈12个直径为5 mm的电极(红色)均匀分布在一个内径22 mm、外径32 mm的圆环内,电极分布的角度间隔为30°,相邻电极间距为2 mm。内圈的1、2号电极分别与外圈的5、8号电极对齐,内圈1号与外圈6、16号、内圈2号与外圈7、9号、内圈3号与外圈10、12号、内圈4号与外圈13、15号电极间距均为5.57 mm,由此得到三种不同间距的电极阵列区域,分别对应三个靶点深度,电极排布实物见图3(b)。

图2 射频美容仪

(a) 电极阵列设计图 (b) 电极阵列实物图

2.3 工作选通模式设计

本研究主板控制固态继电器网,选通射频信号正负极性接入对应电极,实现三种选通模式的切换,选通模式见图4。

选通模式1:内圈电极正负极性交替排布,相邻正负电极为一个工作电极对,形成4个工作电极对,外圈电极不工作。选通模式1的正负工作电极对间距为3.84 mm,对应理论加热深度约为1.92 mm。

选通模式2:外圈电极正负极性交替排布,相邻正负电极为一个工作电极对,形成12个工作电极对,内圈电极不工作。选通模式2的正负工作电极对间距为2 mm,对应理论加热深度约为1 mm。

选通模式3:外圈电极正负极性交替排布,内圈任一电极为顶点,外圈离该顶点最近电极的相邻两电极为另外两个顶点——极性与内圈顶点相反,3个电极构成一个热三角。位置相对的两组热三角为一组,两组按时间顺序依次交替工作。选通模式3的正负工作电极对间距为5.57 mm,对应理论加热深度约为2.78 mm。

不同选通模式占空比是指在一个工作周期内分配给指定模式的工作时间占总时间的比例。本研究美容仪工作时为分时全选通状态,即三种选通方式在一个工作周期(200 ms)内按照预先设置的占空比交替工作,以达到分层加热的效果。选通模式1、2、3所对应的电极工作区域分布在电极头内圈、外圈及内外圈,调整占空比即调整三种单选通方式在工作周期的时间占比,使得整个治疗头加热区域热量分布更均匀。Huang等[27]在仿真实验中发现电极间距为2.37、3.25、5.25 mm时,对应的升温速度约为0.24、0.32、0.17 ℃/s。基于此,本研究美容仪单选通模式的升温速度按照模式3、2、1递增,而选通模式3的加热范围位于另外两个加热模式中部,全选通状态下,在工作周期(200 ms)内三种单选通模式按占空比交替工作示意图,见图5。

(a)三种选通模式的电极分布

(b)三种选通模式的电场分布

图5 三种单选通模式按占空比交替工作示意图

3 验证实验及结果

3.1 离体猪皮实验平台与实验过程

为评估加热效果,对研制的分层点阵美容仪进行离体猪皮加热实验,使用热成像仪(superCam X,深圳市潜力创新科技有限公司)从背面观察猪皮皮下组织升温情况。离体猪皮实验平台见图6。剔出离体猪皮皮下脂肪,削至3.3 mm厚度,按照图示位置分别固定好猪皮、美容仪及热像仪,在猪皮表面均匀涂抹射频介质,并确保治疗面与美容仪治疗头接触良好。打开美容仪开始射频治疗,设置射频信号峰峰电压为120 V,频率为1 MHz的正弦波,分别进行单选通模式和全选通模式离体猪皮加热实验,记录皮下最高温度从37 ℃升至45 ℃的过程。单选通模式使用100%占空比,观测不同模式下的温度分布;分时全选通模式按作用脉冲的时间比例,输出不同的功率,获得不同作用深度且加热面积均匀分布的治疗效果。每种实验独立进行10次并保存热成像图片。上述实验已获云南大学医学院伦理委员会批准。

图6 离体猪皮实验平台

3.2 升温实验结果

分别进行单选通模式和全选通状态离体猪皮加热实验,图7为三种单选通模式下治疗10 s后的热成像图,可见加热温度分布与电极设计所预期的加热区域吻合,表明本研究的射频美容仪实现了三种电极间距(对应三种作用深度)的双极射频电极阵列功能。继续进行分时全选通治疗实验,图8(a)为2 s脉冲重复周期,选通模式1、2、3对应时间占空比为6∶1∶3,治疗15 s后的温度分布。可见,治疗加热面积明显扩大,但不同选通模式作用区域温度分布存在差异,中心升温较快,外圈温度较低,加热不够均匀。调整三种选通模式工作时间比例分配。图8(b)为2 s脉冲重复周期,选通模式1、2、3对应时间占空比为5∶2∶3,治疗15 s后的温度分布。可见不同加热区域温度分布发生改变,整体区域加热更为均匀。

(a) 选通模式1 (b) 选通模式2 (c) 选通模式3

(a)占空比为6∶1∶3的热成像结果

(b) 占空比为5∶2∶3的热成像结果

为定量评估加热区域面积,本研究对热成像图中高于42 ℃的区域,通过Matlab软件平台进行图像处理,获得相关区域对应的像素点数,然后将热成像图与各选通模式设计图缩放并半透明堆叠摆放至相同比例,通过加热区域的像素点数量计算效用面积,同种选通方式的效用面积取十次实验后计算所得的平均值,并给出对应的理论加热深度,结果见表1。全选通状态下,均匀加热面积达到642 mm2,占电极头总面积的80%左右。在此,分时全选通模式的加热面积并非单纯的单选通模式加热面积的加和,全选通时各电极的作用范围有重合,所以电极分时作用实现了大面积的均匀分层加热。

表1 三种单选通模式与全选通模式效用面积

4 结论

本研究设计了一种分时三选通模式的点阵射频电极阵列,实现双极射频美容仪对皮下不同深度真皮组织的均匀分层加热。根据双极电极间距与加热深度之间的关系为核心进行点阵设计,在不同选通模式下,射频电路中不同双极性电极对组合工作,使射频能量达到预定加热靶点位置。离体猪皮实验结果表明,三种间距电极阵列可作用于不同皮下深度组织,有效加热面积依次扩大,全选通状态下效用面积达到642 mm2,实现了对皮下不同深度真皮组织的均匀分层加热。