用于皮肤治疗的便携式低功率电离装置

刘子悦，李文慧，侯振中，蒋松怿，赵博，刘玉明，周宇△，吕开阳

(1.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093；2.上海交通大学医学院附属新华医院整形科，上海 200092)

1 引 言

增生性瘢痕是皮肤结缔组织对创伤的反应超过正常范围的表现，常发生在外科手术、外伤及烧伤后，不仅影响美观，还可能出现瘙痒、疼痛等症状，甚至引起严重的功能障碍，影响患者的社交活动和身心健康[1-3]。常用的治疗方式有激光、冷冻和药物，均有一定的疗效，但各有不足；激光是选择较多的治疗方式，但其治疗设备多为大型设备，需要专业人员操作，术后恢复时间长，易色素沉着，治疗过程中疼痛明显等多种不利因素制约了治疗的开展[4]；相对其它治疗方法，冷冻治疗不为大多患者接受的原因是治疗时的疼痛、皮肤萎缩、色素减退以及治疗频繁[5-6]；药物治疗周期长、见效慢，常作为辅助疗法。进入21世纪以来，等离子体科技的发展呈现出显著的多学科交叉融合发展的新局面，其中，大气压冷等离子体在美容与皮肤病治疗领域的应用备受关注[7]。等离子体是由大量的带电粒子和中性粒子混合物组成的一种整体呈电中性的物质形态，它是继固态、液态、气态后，大自然和宇宙中存在的第四种物质形态[8-9]。等离子皮肤再生技术(PSR)是近几年发展起来的新型皮肤再生技术，通过在距离皮肤很微小的距离释放电能来电离空气，产生等离子体能量，传递的能量产生一种加热作用，去除皮肤上旧的损伤表皮细胞，促进真皮胶原生长，该技术可在不同能量下作用于不同深度，对从浅表皮到真皮产生效果[10]。目前已有多项研究表明等离子皮肤再生技术治疗瘢痕安全有效，具有精准治疗、效果明显、低热损伤的特点[11-15]。此外，大气压冷等离子体还可用于杀菌、消毒、止血等[16]。产生等离子体的方式有很多，高压电离空气放电是一个重要途径。与射频能量产生等离子相比，直流高压产生等离子具有电路实现简单、成本较低的特点，为小型化和家用提供可能。近年来，国外的等离子皮肤治疗设备发展速度较快，出现了一些等离子皮肤治疗设备，但多为大型设备，且需要专业人员操作；而国内的等离子皮肤治疗设备起步较晚，出现了少数专利，但大多缺乏可靠的相关认证和充分的实验验证，治疗效果存有较大疑问。为此，本研究研制了一款基于直流高压的便携式低功率电离装置和距离控制实验平台，并进行不同技术参数的电离实验，为后续的便携式低功率等离子皮肤治疗设备提供研发基础。

2 材料与方法

实验材料选取马铃薯，设置固定放电时间1 s，通过改变电极与组织之间的距离和放电电压来改变场强，对组织进行电离实验，再将电离后的马铃薯块放到恒温箱48 h达到最佳氧化效果[17]，对马铃薯块的氧化变黑情况进行分析，探究不同场强对组织的效果，从而验证低功率等离子装置的电离功能。

2.1 实验系统搭建

本研究采用自制的低功率电离装置和距离控制实验平台，模拟皮肤治疗过程对组织进行电离。

参考已有设备，用于皮肤治疗的低功率电离装置的电极采用较细的针，综合各种放电实验情况决定采用直径0.3 mm的电极针。根据理论和实验验证，在一个大气压的干燥空气的条件下，对于匀强电场的平板电极的绝缘击穿场强约为3 kv/mm[18]；而对于球-板类不均匀电场来说，其击穿电压与电场均匀程度关系极大，对各种间隙的击穿电压目前还无法进行比较精确的计算[19-20]。即电离现象的产生不仅与电压的高低有关,与电极针与组织之间的距离也相关。在本研究中，距离的精确控制是实验规范化的基本需求，本研究设计了距离控制实验平台，配合相应的电极针固定结构，通过人机交互界面便可精准控制电极针和组织的距离。参考国内外市场上的等离子美容设备，本研究设计了能产生900、1 200、1 500 V的三种电压强度的低功率电离装置，综合上述理论和前期多次探索实验，得到0.1、0.15、0.2和0.3 mm四种可实现电离现象的距离变量，控制电离装置的每次开启时间持续1 s，进行12组电离实验，每组10个土豆样本。实验系统总体框图，见图1。

图1 实验系统总体框图

2.1.1低功率电离装置设计 低功率电离装置见图2，主要分为升压模块、MCU控制模块和电源供电模块。升压模块由反激式变换器LT8304和内部有多组耦合线圈的变压器实现。变压器匝数比为1：10：10：10。主控模块选择stm32F103RCT6(ST公司)进行设计,对LT8304芯片的开关持续时间进行控制；电源供电模块选用LMR33630芯片设计，实现12 V转3.3 V降压，为单片机供电。本装置最大输出电流0.5 mA，最大功率8.5 w，转换效率为85%。

图2 低功率电离装置实物图

2.1.2距离控制平台设计 距离控制实验平台见图3(a)，电机驱动升降装置下降过程中实时检测电极针与组织之间的阻值，当电极针接触到组织时，阻值瞬间变小，当检测到的阻值小于设定的阈值时，控制步进电机上升设定距离。安装在装置上的电子尺可对上升和下降的距离进行验证。电机选用SS伺服步进电机42SSC-HB(智创公司)，配备42SDC-H编码器，最小步进距离可以实现0.0001 mm/转；阻抗检测基于高精度的阻抗测量芯片AD5933(Analog Device公司)进行设计，可以测量组织0～100 kHz频率下的阻抗信息；人机交互界面选用7寸VGUS电容SDWe070T01(武汉中显公司)；主控单元选择stm32F103VG(ST公司)进行设计，实现整个系统的控制和测量。

图3 距离控制实验平台

2.2 实验材料

马铃薯内组织致密、均匀，各向同性，导热系数为0.455～0. 591 W/m·K[21]，与人体皮肤导热系数0.340～0.540 W/m·K[22]相差不大。参考国内外用马铃薯做射频消融和高压电穿孔的前期实验来观察能量趋势和变化的成功经验[17，23-24]，实验材料选取马铃薯，探究样机在不同实验参数下的电离效果。实验过后，本研究可以对经过电离的马铃薯氧化面积、深度和颜色进行分析，简洁直观。因此，为关注等离子皮肤治疗设备的电离过程中能量作用和变化情况，选取马铃薯作为实验材料。

2.3 实验设计

将马铃薯削皮，加工成长3 cm、宽1 cm、高1.5 cm的长方体，随机分成12组，每组10个样本，放入水中浸泡，防止氧化。

用电极固定结构将电极针固定在实验平台的升降装置上，随后把马铃薯块放在背极板上，背极板为粘贴在测量平台上的铜箔，铜箔表面导电，背面绝缘见图3(b)。在背极板上倒入些许PBS缓冲液，使马铃薯下表面通过缓冲液与金属箔充分接触。阻抗测量的负极连接背极板，正极连接电极针。

低功率等离子装置采用时间控制模式，每次进行持续时间1 s的高压输出。根据电压高低和间距远近，等离子实验参数设置为：900、1 200、1 500 V，在0.1、0.15、0.2、0.3 mm 处形成12个实验组，每组实验重复10次。

2.4 方法分析

使用固定支架将手机固定，对氧化完成的马铃薯组的正面和剖面面拍照，采用PS的色彩范围功能对正面和剖面的氧化变黑区域进行面积估算，取样颜色对氧化部分进行取样，容差为40%，并就氧化变黑程度进行对比。图片尺寸以像素为单位，分辨率为72，即每厘米等于28像素。

数据分析采用均值±标准差的形式来表达，显著性分析采用最小样本t检验的方式，P<0.05认为有显著性差异。

图4(a) PS色彩范围分析界面；(b)．马铃薯电离后正面氧化实物图；(c)．马铃薯电离后剖面氧化实物图

3 结果

定义不同场强下的电离发生率=发生电离的马铃薯块/总马铃薯块。由图5可知，间距为0.2、0.3 mm时,三种电压的电离发生率较低；当间距缩小为0.15、0.1 mm，三种电压的电离率显著提升，其中，0.1 mm间距下三种电压基本电离。从整体趋势来看，间距一定，电压越高，电离发生率越大；电压一定时，间距越小，电离发生率越大。

图5 不同场强下电离发生率

不同场强下马铃薯块正面氧化面积见图6。从整体趋势来看，间距一定，电压越高，氧化面积越大；电压一定时，间距越小，氧化面积越大。分别对1 500、1 200、900 V的各个间距的氧化面积值作t检验，结果表明1 500 V在间距0.1和0.15 mm、 0.15和0.2 mm的正面氧化面积存在强显著性差异。

图6 不同场强下马铃薯块正面氧化面积情况

红、绿、蓝三个颜色通道每种色各分为256阶亮度，在0时最亮，而在255时最暗。当三色灰度数值相同时，产生不同灰度值的灰色调，即三色灰度都为0时，是最暗的黑色调；三色灰度都为255时，是最亮的白色调。对三种电压在0.1mm间距电离后的氧化变黑RGB的平均值进行分析，结果见表1。可以看出，施加电压越大，颜色更深。

表1 三种电压在0.1 mm间距的氧化变黑程度对比表

不同场强下马铃薯块剖面氧化面积见图7。从整体趋势来看，间距一定，电压越高，氧化面积越深；电压一定时，间距越小，氧化面积越深。分别对1 500、1 200、900 V的各个间距的氧化面积值作t检验，结果表明1 500 V在间距0.1和0.15 mm、0.15和0.2 mm的剖面氧化面积存在强显著性差异，1 200 V在间距0.1和0.15 mm、0.15和0.2 mm的剖面氧化面积存在显著性差异。

图7 不同场强下马铃薯块剖面氧化面积情况

4 讨论

从电离发生概率来看，对于同一距离来说，电压越大，电离发生率有所增加；对于同一电压，距离越近，电离概率越大。即缩短间距或增大电压均能增加电离概率，其本质都是增加场强。

从氧化面积来看，氧化面积随着电压的增加和间距的缩小而增大。更大的氧化面积意味着分布范围更宽的等离子体作用能量，在皮肤治疗中，可以通过调节电压和间距来控制电离能量作用宽度。1 500 V的在间距0.3、0.2和0.15 mm的作用宽度略大于1 200 V和900 V，在0.1 mm的作用宽度远大于1 200 V和900 V。

从氧化深度来看，氧化深度随距离的缩小而增大。900 V和1200 V在不同距离下的氧化深度差别不大，而1 500 V氧化深度显著加大。人体皮肤由表皮、真皮和皮下脂肪构成，具有一定厚度。增生性疤痕，多发于损伤深度仅及真皮的创伤。增生性疤痕与正常疤痕的病理组织差别仅在于疤痕深部胶原纤维的增厚，表现为排列不规则，或呈波澜形，或缠绕成绳索状[25]。电离作用的深度即能量能到达的皮肤层次，决定了电离治疗疤痕的作用效果。从实验结果可以看出，900 V和1 200 V两种电压的作用深度相似，当将电压提升至1 500 V后，作用深度明显加深。因此，900 V和1 200 V差异不大，取其一即可。若想实现更深的电离深度，需进一步增加电压。

从氧化颜色深度来看，更大的电场强度对应更深的氧化颜色值。本研究就间距为0.1 mm的三种电压的电离后的马铃薯氧化变黑程度进行分析，发现电压越大，氧化变黑程度更深，电场强度更大，电离能量更强。

5 结论

本研究对低功率等离子装置产生的900、1 200、1 500 V三种高压输出在0.1、0.15、0.2、0.3 mm四种间距的电离发生率和马铃薯块氧化情况进行分析，从而对装置的电离发生率、作用宽度、作用深度和能量强度的评估。经分析发现900 V和1 200 V的电离作用效果相差不大，相比之下1 500 V的电离效果较为明显。0.15 mm及以下是1 500 V的电离间距; 0.1 mm及以下是1 200 V的电离间距；较小的900 V电压则需要继续缩短间距才能保证电离的发生。为保证一定的电离间隙和电极与人体的安全距离，需进一步增大电压参数和重新考虑作用效果差异不大的电压参数，马铃薯电离实验仅提供技术评估，针对不同瘢痕实现不同的治疗效果，具体的治疗功效亟待对离体瘢痕皮肤组织的电离实验加以验证。