何冰冰，廖啟明 ，郭振宇 ，張 梅 ，盧繼珍 ，張榆鋒 *

(1.云南大學(xué)信息學(xué)院電子工程系,云南 昆明,650091；2.云南貝泰妮生物科技集團(tuán)有限公司，云南 昆明,650106；3.重慶青年職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶,401320）

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活質(zhì)量不斷提高，對自身的容貌也越發(fā)重視。伴隨著年齡的增長，容貌往往會(huì)發(fā)生很大的變化，皮膚出現(xiàn)松弛和肉眼可見的皺紋。一方面是因?yàn)橥该髻|(zhì)酸合成酶在人體中的表達(dá)顯著下調(diào)，使得透明質(zhì)酸的合成下降，從而導(dǎo)致皮膚的含水量降低，皮膚失去飽滿度，出現(xiàn)皺紋和彈性下降等現(xiàn)象[1]；另一方面是由于膠原蛋白的流失，使得皮膚的密度降低，皮膚失去彈性[2]。

射頻美容是改善皮膚褶皺和松弛的抗衰技術(shù)。射頻是一種頻率范圍為300KHz～30GHz的高頻交流電磁波，20世紀(jì)20年代起逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[3,4]。射頻加熱皮膚組織通常具有兩種模式，即焦耳加熱和偶極子加熱[5]。焦耳加熱是指通電導(dǎo)體中電流通過時(shí)，由于電阻而產(chǎn)生熱能。偶極子加熱則是通過外部電場作用于等離子體以實(shí)現(xiàn)加熱。常規(guī)接觸式非創(chuàng)射頻主要利用的是焦耳加熱原理，射頻波每秒鐘交變高達(dá)數(shù)千萬次，靶組織中極性水分子在交變電場作用下高速旋轉(zhuǎn)，相互摩擦產(chǎn)生熱量進(jìn)而加熱膠原組織使其變性[5]。當(dāng)加熱靶點(diǎn)設(shè)定為真皮深層時(shí)，會(huì)刺激膠原纖維即刻收縮，組織受熱后產(chǎn)生一系列的物理反應(yīng)，增強(qiáng)新陳代謝，使真皮層的纖維細(xì)胞不斷合成新的膠原蛋白和彈性硬蛋白，并分泌基底液使得皮膚恢復(fù)原有彈性，重新變得飽滿光滑。射頻作為一種非侵入無創(chuàng)技術(shù)，在抗衰美容領(lǐng)域的療效已經(jīng)受到廣泛認(rèn)可。相較于其他治療方式具有恢復(fù)期短、創(chuàng)傷小、對膚色及毛發(fā)顏色沒有選擇性作用等優(yōu)點(diǎn)[4]。

目前，用于皮膚美容領(lǐng)域的射頻設(shè)備包括單極和雙極射頻[6]。單極射頻可獲得發(fā)射電流產(chǎn)生的高穿透性，但高穿透性電流也會(huì)引發(fā)疼痛[7]。雙極射頻設(shè)備使用短距離間隔的兩個(gè)活性電極覆蓋在預(yù)期治療區(qū)域內(nèi)，電流在兩個(gè)電極之間流動(dòng)[8]。相比于單極射頻，雙極射頻治療是在特定封閉的靶區(qū)進(jìn)行，能量可控性強(qiáng)，疼痛感也較輕[9]，所以治療能量相對較低，治療過程溫和，非常適合治療面部的皺紋，尤其是眼眶周圍的皺紋[10]。然而，雙極電極間距、信號頻率及功率等機(jī)電參數(shù)對射頻在皮下組織加熱溫度的分布及作用靶點(diǎn)影響顯著，國內(nèi)外對此缺乏系統(tǒng)研究。本文采用自研的電極間距分別為1.37mm、2.37mm、4.25mm的雙極家用射頻美容儀，通過設(shè)置不同輸出射頻信號的頻率和占空比(功率)，進(jìn)行離體豬皮加熱實(shí)驗(yàn)，研究各因素對皮下加熱溫度分布及作用靶點(diǎn)的影響，旨在為家用射頻美容儀的研究、開發(fā)及應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 一般資料

皮膚作為一個(gè)人體最大的保護(hù)器官，是電流的良導(dǎo)體，因此射頻技術(shù)加熱皮膚的結(jié)果與皮膚的介電特性相關(guān)。相對介電常數(shù)ε是介電特性的主要表征參數(shù)，會(huì)對射頻加熱過程的加熱性質(zhì)產(chǎn)生影響，它包括介電常數(shù)ε'和介電損耗因子ε'' 。相對介電常數(shù)ε是材料對電場能量吸收、傳輸和反射能力的量度[11]，在給定恒定頻率條件下，某一種材料的相對介電常數(shù)ε是確定的。而介電損耗因子ε''是在電場中介質(zhì)對電能的吸收和轉(zhuǎn)化，從而將電能轉(zhuǎn)為熱能效率的度量。因此，可以通過測定介質(zhì)的電導(dǎo)率，來粗略地估計(jì)某種材料介電損耗因子ζ ''[12]，從而得到介質(zhì)的因散因子tanε。介電穿透深度dp是指電磁波在介質(zhì)中穿過的垂直距離[13]與介質(zhì)因散因子具有以下關(guān)系，如式(1)所示：其中，c為真空中的光速。當(dāng)tanε ? 1時(shí)，(1)可以簡化為以下的形式：

由(4)式可知，頻率f會(huì)影響射頻信號的穿透深度。除此之外，雙極射頻作用下組織內(nèi)部的電流密度受電極間距的影響[14]，而電流密度是影響組織溫度變化的重要參數(shù)。綜上所述，電極間距、信號頻率及功率等機(jī)電參數(shù)會(huì)對射頻在皮下組織加熱溫度的分布及作用靶點(diǎn)產(chǎn)生影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1所示為自研的三種間距雙極射頻美容儀，射頻頭治療面分布有電極間距分別為1.37mm、2.37mm和4.25mm三種不同的規(guī)格的雙極電極各一組，如圖2所示，射頻頭圓環(huán)面的外經(jīng)為 29.57mm，內(nèi)徑為18.43mm，三組電極中心之間的夾角分別為 31.85°、41.42°和50.02°。機(jī)身帶有LED顯示模塊，為用戶提供可視化的操作界面。除此之外，機(jī)身還集成了模式選擇功能鍵，能夠切換不同電極對，選擇輸出不同頻率及功率（占空比）的射頻信號，滿足實(shí)驗(yàn)多種不同測試需求。

圖1 點(diǎn)陣射頻美容儀外觀圖

圖2 射頻頭端面電極分布圖

測溫儀器使用由深圳市潛力科技創(chuàng)新有限公司生產(chǎn)的三維紅外熱成像分析儀(Super Cam X)，如圖3 所示，對離體組織皮下的靶點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)地跟蹤和檢測。

圖3 Super Cam X 外觀圖

1.3 實(shí)驗(yàn)材料及測試方法

從生鮮市場上購買新鮮的離體豬皮，使用手術(shù)刀切成大小適中、薄厚均勻（約3mm）的多個(gè)薄片，然后剝離豬皮的皮下脂肪，直到可以看清皮下的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，使用游標(biāo)卡尺測量豬皮的厚度。將剝離好的豬皮通過凸輪鎖緊器固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，調(diào)整成合適的高度，在豬皮的正面靠近一側(cè)邊沿固定好點(diǎn)射頻美容儀，并在豬皮的側(cè)面邊沿方向固定好熱成像儀，如圖4所示。在豬皮表面均勻涂抹適量的射頻耗材，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)旋鈕，將探頭與豬皮表面緊密貼合。打開熱成像儀自帶軟件，觀察豬皮在熱成像儀上的成像位置，確保豬皮成像在軟件圖像的中心，開始進(jìn)行溫度測量。開啟美容儀，通過按鍵分別選擇不同工作電極對（間距）、信號頻率及功率（占空比），對離體豬皮進(jìn)行預(yù)熱，靜待豬皮升溫至37攝氏度后，點(diǎn)擊錄制按鈕記錄豬皮皮下靶點(diǎn)溫度由37℃升至 45℃，以及由45℃降到 37℃的過程并保存，進(jìn)一步計(jì)算最高溫靶點(diǎn)的升溫時(shí)間和深度位置。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置外觀圖

2 結(jié)果

2.1 不同電極間距下皮下組織的溫度分布

圖5給出了使用不同的電極間距，皮下組織最高溫靶點(diǎn)溫度達(dá)到45℃時(shí)，溫度的分布情況，其中兩條豎線之間的距離為射頻穿透深度，射頻工作頻率為1MHz，占空比為100%?？梢钥闯?，電極間距為1.37mm、2.37mm及4.25mm時(shí)，對應(yīng)最高溫靶點(diǎn)深度分別為 0.7mm，1.3mm及1.9mm，隨電極間距增加，最高溫靶點(diǎn)深度加深，加熱面積明顯擴(kuò)大。通過擬合進(jìn)一步分析穿透深度和電極間距的關(guān)系，如圖6所示，電極間距和加熱深度之間存在一定的線性的關(guān)系，即當(dāng)電極間距小范圍變化時(shí)，射頻在皮下組織的作用深度近似為電極間距的一半。

圖5 射頻工作頻率為 1MHz，占空比為 100%，最高溫度靶點(diǎn)溫度達(dá)到45℃時(shí)，電極間距分別為 1.37mm (a)、2.37mm (b)及4.25mm (c)對應(yīng)的組織內(nèi)溫度的分布。

圖6 最高溫靶點(diǎn)深度隨電極間距變化的擬合曲線（虛線為實(shí)測數(shù)據(jù)，紅色的實(shí)線為擬合數(shù)據(jù)）

2.2 不同工作頻率下皮下組織的溫度分布

分別使用1到4MHz，間距為0.5MHz的7個(gè)不同工作頻率的射頻信號進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖7(a)給出了采用電極間距為2.37mm的電極對且占空比為100%，工作頻率分別為1MHz和4MHz，最高溫度達(dá)45℃時(shí)的皮下組織溫度的分布。當(dāng)工作頻率為1MHz時(shí),最高溫深度為1.23mm；而在工作頻率為4MHz時(shí)，最高溫深度為1.09mm，但兩種情況對應(yīng)溫度分布區(qū)域變化不大。

圖7(a) 電極間距為 2.37mm 時(shí)，工作頻率分別為 1MHz 和4MHz 組織內(nèi)溫度的分布

圖7(b) 射頻在皮下組織的加熱深度隨頻率變化的曲線（虛線為實(shí)測曲線，紅色實(shí)線為擬合曲線）

7個(gè)頻率點(diǎn)實(shí)測的最高溫深度如圖7(b)虛線所示?？梢钥闯鲭S著射頻頻率的增大，其作用深度逐漸減小，對最高溫深度進(jìn)行線性擬合分，可以發(fā)現(xiàn)二者存在反比例線性關(guān)系，當(dāng)頻率增大4倍時(shí)，加熱深度僅減少0.14mm。因此，頻率只能對加熱深度影響輕微。

2.3 不同占空比下皮下組織內(nèi)溫度的分布結(jié)果

圖8給出了電極間距為2.37mm，射頻信號工作頻率為1MHz時(shí)，占空比分別為75%、88%及100%的情況下，皮下組織最高溫度達(dá)45℃的靶點(diǎn)深度和加熱所需時(shí)間。可以看出，當(dāng)占空比分別為75%、88%及100%時(shí)，對應(yīng)靶點(diǎn)深度分別為 0.858mm、0.904mm和0.938mm，但對應(yīng)靶點(diǎn)從37℃升溫至45℃所需的時(shí)間分別為21s、19s和10s，表明隨著信號功率（占空比）的增大，加熱深度相應(yīng)地緩慢加深（如功率增加12.5%，對應(yīng)深度僅增加0.04mm左右）；但靶點(diǎn)溫度達(dá)到45℃時(shí)所需的時(shí)間會(huì)顯著減少。尤其對占空比分別為75%和100%，后者的升溫速度僅為前者的一半。因此，信號功率主要影響升溫速度。

圖8 不同占空比下射頻在皮下組織內(nèi)的作用深度和升溫時(shí)間

3 結(jié)論

本研究采用自研的雙極家用射頻美容儀，通過設(shè)置不同電極間距，輸出射頻信號的頻率和占空比(功率)，進(jìn)行離體豬皮加熱實(shí)驗(yàn)，研究各因素對皮下加熱溫度分布及作用靶點(diǎn)的影響。結(jié)果顯示，皮下組織的加熱的最高溫靶點(diǎn)深度約為電極間距的一半，是影響射頻穿透深度的主要參數(shù)；工作頻率與穿透深度之間存在反比例關(guān)系，即頻率越大，其穿透深度越淺；信號功率對加熱速度的影響最為顯著。研究結(jié)果對家用射頻美容儀的研究、開發(fā)及應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。