一款智能温控的无创双极射频溶脂设备

葛晓丽，孙婷婷，王悦欣，安俊睿，王彬宇，王健钧，游国鹏，周宇△

(1. 上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093；2. 西藏自治区第二人民医院，拉萨 850002)

引言

局部脂肪堆积尤其是腹部脂肪堆积容易引起代谢综合征，代谢综合征易导致各种慢性疾病发生[1]。因此，减脂不仅是为了体型美，更是健康所需[2-3]。目前的减脂方式主要分为侵入式和微创/非侵入式两类。尽管侵入式治疗的效果相对较好，但其术后恢复时间长，以及可能引起并发症，人们开始寻找非侵入式或微创治疗方法[4-5]。

目前非侵入式的减脂方式主要包括射频(radio frequency, RF)、低强度激光治疗(low intensity laser therapy, LLLT)、高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound, HIFU)和冷冻溶脂[6]。RF和冷冻溶脂都是通过诱导脂肪细胞凋亡达到减脂的目的[7-9]，但冷冻溶脂存在组织冻伤的问题[10]。LLLT不会导致脂肪细胞凋亡，所以，脂肪细胞存在复发的可能性[11-12]。HIFU能量高，在治疗过程中会有明显的疼痛感以及出现水肿等情况[13]。相比之下，RF具有非侵入性和选择性加热的优点。因此，被广泛应用于减脂和塑身[14-16]。

传统的双极RF设备为了达到溶脂效果采取侵入式，将RF探针深入皮下脂肪层，直接加热脂肪层，达到溶脂塑形效果[17]，但该方式会对人体造成损伤。因此，本研究设计了一款无创双极RF溶脂设备，通过探究合适的控制温度，实现了将温度控制在安全范围内，同时将RF能量传递到皮下脂肪层，达到溶脂的目的。

1 材料和方法

1.1 设备的组成与结构

双极RF设备由电源模块、主控模块、RF功率放大器模块、接口模块、人机交互界面以及外部实施器械构成。设备的电路原理框图，见图1。该设备允许用户设定皮肤可接受的作用温度以及治疗时间，其温控算法可将皮肤层的温度维持在用户可接受的治疗温度。开关电源模块采用ADI公司的LT8641芯片，为各个模块提供工作电压以及集成DC-DC降压单元实现低压供电；主控模块采用STM32F103RCT6单片机，是整个装置的控制中心，主要实现控制可调开关电源输出，控制RF能量的输出和温控功能；RF功率放大器模块将直流能量经过谐振电路产生1 MHz的射频；接口模块主要是通过控制继电器的切换，实现RF能量的输出；人机交互模块选用武汉中显医用屏幕，主要进行设备参数的配置以及各项参数的显示；外部实施器械包括RF电极头以及NTC热敏电阻，RF能量通过射频电极输出作用于皮肤组织，NTC热敏电阻在设备运行的过程中实时检测皮肤表面的温度。

图1 电路原理框图

1.2 离体实验方法

实验对象采用新鲜的猪肉组织，具有完整的组织层(皮肤层、皮下脂肪层以及肌肉组织，这里的皮肤层指表皮层与真皮层)。利用温控RF设备作用于离体猪肉组织，实验过程中，在距离表皮深度约为1 mm(真皮层)和5 mm(皮下脂肪层)的地方插入两个K型热电偶探针，通过温度数据采集卡(USB-TC-08, PicoTechnology)与计算机连接进行温度采集。同时，实验采用红外热感成像仪(FOTRIC 320Pro, China)用以观察生物组织横断面的升温状况。设备作用于猪肉组织的实验方式见图2，图中电极直径5 mm、电极间距2 cm。

1.3 实验方案

选取三个实验参数，时间设定为15 min，每种参数六个实验样本，采用热成像仪、相机拍摄以及热电偶探针，记录RF治疗过程中皮肤层与皮下脂肪层的升温情况和治疗后皮肤表面变化情况。

1.4 实验评估

1.4.1图像评估 图像评估采取两种方法：红外热成像仪记录组织升温情况、相机拍摄治疗后皮肤表面变化情况。

通过比较在不同控制温度下，红外热像仪检测组织升温情况，观察最终温度，确定是否达到脂肪细胞凋亡的阈值温度，在每次RF作用后，使用相机拍摄记录皮肤表面颜色变化。

1.4.2温度曲线评估 通过热成像仪配置的图像处理软件AnalyzIR绘制表皮层、真皮层(皮下约1 mm)、脂肪层(皮下约5 mm)升温曲线，并在每次实验过程中采集热电偶探针在脂肪层以及真皮层的温度曲线。根据皮肤组织各层的升温情况，评估RF作用效果，确定合适的治疗温度。

图2 RF能量输出电极作用于离体猪肉组织的实验方式

1.5 实验数据分析

数据分析采用SPSS分析软件(IBM SPSS Statistics 19)，显著性分析选用配对样本进行t检验。选取在不同实验参数下，将RF作用深度进行配对、脂肪细胞达到阈值凋亡温度的时间进行配对，P<0.05被认为具有显著性差异。

2 结果

2.1 图像结果

2.1.1红外热成像仪记录组织升温情况 图3为不同控制温度、作用15 min条件下，红外热成像仪拍摄组织温度的分布结果，图3(a)是红外热成像仪画中画模式拍摄，图3(b)—(d)是热成像仪拍摄的控制温度分别为45℃、50℃、55℃时组织横断面温度分布图，蓝色虚线是利用AnalyzIR绘制的42℃等温线，蓝色虚线所画的封闭区域为42℃以上，表示脂肪细胞的凋亡温度区域[17]。由图3可知，在不同的控制温度下，RF作用区域内的部分脂肪层已经达到脂肪细胞的凋亡温度范围，且不同的控制温度，脂肪细胞达到阈值凋亡温度的面积大小不同。

2.1.2相机拍摄治疗区域结果 图4是控制温度在45℃、50℃、55℃、作用15 min的条件下，相机拍摄结果，记录作用区域内表皮组织变化情况。θ=45℃时，治疗区域内猪肉组织的表皮层无明显的颜色变化(黄色痕迹)；θ=50℃时，治疗区域内猪肉组织的表皮层几乎未出现明显的颜色变化；θ=55℃时，猪肉组织的表皮层出现明显的颜色变化。图4中黄色痕迹推测为射频作用后表皮组织出现的热损伤区域[18]。

2.2 温度曲线结果

2.2.1分析红外热图像所得温度曲线 通过AnalyzIR图像分析软件处理热图像，热图像的表皮层、真皮层以及脂肪层可通过热成像画中画模式分辨。不同组织层的温度曲线绘制方式如下: 以图3(a)中0点为坐标中心构建坐标轴，x1、0、x2表示每层横向取点位置，y1、y2表示每层纵向取点位置，每层取三点，其中x1、x2与y2约为5 mm，y1约为1 mm，每层取点对应的坐标分别为：表皮层(-5，0)、(0，0)、(5，0)；真皮层(-5，-1)、(0，-1)、(1，-1)；脂肪层(-5，-5)、(0，-5)、(5，-5)，将每层实验数据取平均值，根据数据绘制不同组织层的温度曲线，结果见图5(a)—(c)。由图5(a)—(c)可知，不同实验参数下，皮肤层温度分别在45℃、50℃、55℃上下浮动，实现温度可控。每次治疗后，对红外热成像图进行处理得到不同温度下的作用深度，即从红外热成像图中得到组织横断面温度达到42℃以上的纵向深度，选取方向为图3(a)中y轴方向，图中直尺作为参考标准，结合AnalyzIR软件计算得到红外热成像图中作用深度。对所得的作用深度进行平均值±标准差(mean ± standard deviation, M±SD)处理，见图5(d)。由图可知，θ=45℃时，RF的作用深度为(5.3±0.29) mm；θ=50℃时，作用深度(6.4±0.25) mm；θ=55℃时，作用深度(8.2±0.22) mm。根据配对t检验分析结果，不同实验参数，RF作用深度具有显著性差异(P45℃～50℃=0.014、P45℃～55℃=0.000、P50℃～55℃=0.001)。

2.2.2热电偶探针采集温度随时间变化结果 热电偶探针采集真皮层以及皮下脂肪组织温度随时间变化数据，将数据进行M±SD处理绘制升温曲线，见图6。其中，(a)—(c)为不同控制温度下，热电偶测得脂肪层与真皮层的温度曲线，(d)为不同控制温度下，脂肪层达到42℃时的时间分布曲线。室温为25℃，图中标注为脂肪细胞的凋亡阈值温度42℃的时间点。结果显示，不同实验参数、治疗15 min内，治疗区域内均已达到凋亡的阈值温度，由图6可知，在RF产生热作用的过程中，真皮层温度始终比脂肪层温度高，真皮层与脂肪层的温度经过一段时间上升后，有维持不变的趋势。在15 min的治疗时间内，真皮层温度最高分别达到(45.93±1.64)℃、(51.18±4.52)℃、(54.68±1.36)℃，皮下脂肪组织温度最高分别达到(42.68±1.57)℃、(43.45±1.48)℃、(48.7±0.95)℃。不同实验参数，脂肪细胞发生凋亡的时间有所差异，θ=45℃时，达到脂肪细胞凋亡的阈值温度的时间为(13.67±2.42) min，θ=50℃时，达到脂肪细胞凋亡的阈值温度的时间为(6.5±3.45) min，θ=55℃时，达到脂肪细胞凋亡的阈值温度的时间为(2.7±0.63) min。根据配对t检验分析结果，不同实验参数，脂肪细胞发生凋亡过程中，升温时间具有显著性差异(P45℃～50℃=0.031、P45℃～55℃=0.003、P50℃～55℃=0.041)。

图3 红外热成像仪拍摄组织温度分布结果

3 讨论

组织在单位时间内产生的热量取决于施加RF能量的大小，即功率密度大小。功率密度由电流密度和电场强度共同决定[19]。RF电极直接接触皮肤层，皮肤层具有良好的导电性，使得皮肤层的电流密度较大，因此，皮肤层具有较大的功率密度，产生的热作用相对较多。皮下脂肪层的阻抗高，同时皮下脂肪层具有纤维隔膜，纤维隔膜的电导率比脂肪大的多，电荷会优先沿着具有纤维隔膜的地方流动。因此，纤维隔膜增加皮下脂肪层的电场范围和电场强度，可能是导致皮下脂肪层产生较大功率密度的原因[20]。根据分析，RF能量作用时的温升区域可能集中在皮肤层与部分靠近皮肤层的脂肪层。通过实验结果表明，皮肤层产生的热量比脂肪层高。因此，在RF作用过程中可能出现皮肤层产生的热量过高的情况，导致皮肤产生热损伤。为了解决该问题，在设备中加入温控算法，能够控制作用在表皮、真皮的RF能量，避免皮肤层温度过高，同时将RF能量传递到脂肪层，达到溶脂的效果。

图4 相机拍摄不同控制温度下RF能量作用区域内表皮组织外观图

根据红外热成像仪拍摄的组织横断面温度分布图像，可以发现三种控制温度均可实现溶脂的需求，控制温度引起RF能量的增加，因此，组织的热作用范围变大。根据相机拍摄治疗区域结果，45℃与50℃是相对合适的控制温度。50℃时，表皮组织偶尔出现热损伤，其原因可能与表面涂抹凝胶量有关，

图5 AnalyzIR分析软件根据图3(b)—(d)所得到的温度曲线结果

图6 热电偶测得治疗区域内温度随时间变化的曲线图与时间分布曲线

表面涂抹凝胶量与表皮的散热有关。当然，离体猪肉组织的新鲜程度也与热损伤相关，离体猪肉组织的新鲜程度会导致皮肤阻抗的不同，从而引起RF作用于组织的功率密度发生变化，离体猪肉组织的皮肤阻抗越大，皮肤接收的功率密度增大，从而导致表皮温度越高，越容易产生热损伤。

利用AnalyzIR软件分析图像得到不同组织层横截面的温度曲线可知，设备可以做到将表皮温度维持在可控范围内，此外，曲线显示表皮层与真皮层的温差不大。实验中猪肉组织的表皮层(约0.2 mm)以及真皮层(约2 mm)相对较薄，这也与人体皮肤结构较为相似，组织所得到的功率密度以及电流密度相差不大，这可能是导致真皮层与表皮层温差较小的原因。脂肪层达到凋亡的阈值温度包含两个方面：RF产生的热作用、组织之间的热传递，因此，在相同电极间距下，控制温度越高，RF输出能量越高，功率密度越大，组织之间的热传递变快，组织升温范围增加，这里升温范围指的是纵向深度。

组织的热量来源于功率吸收以及热传导。RF作用于组织时，靠近电极的皮肤组织吸收的功率多，因此产生的热量多，从热电偶采集的温度曲线中可知，真皮层的温度比脂肪层的温度高。RF作用于组织时，靠近电极的表皮组织升温最快，随着作用时间的增加，热量逐渐作用到脂肪层，脂肪层温度开始上升。控制温度升高，组织吸收的射频能量变多，相同时间内组织升温加快。从热电偶探针采集到的温度曲线以及AnalyzIR分析结果发现，三种控制温度均可在15 min的治疗时间内达到脂肪细胞凋亡的阈值温度，并在作用一段时间后出现热平衡的趋势，温度维持在相对恒定的状态。根据表皮外观结果以及达到脂肪细胞阈值温度的时间，判断温度为50℃为比较合适的治疗温度，也可根据使用者的耐受程度选择45℃或者55℃的治疗温度。

在实验的过程中电极始终保持不动，由于导电凝胶的存在，电极的周围区域功率密度最高，电极附近的皮肤组织温度是最高的，但热敏电阻位于两个电极的中间，这就使得电极下方的温度略高于检测到的温度，另外出现热损伤的程度有时也与表面凝胶涂抹量有关，导电凝胶也起到表皮散热的作用。实验中选取离体猪肉，未考虑血液流速带来的降温问题[21]。在设备实际使用过程中，应该使RF电极在治疗区域内滑动，避免某一点温度过高的情况对表皮产生热损伤，或者添加冷却装置实现皮肤降温。此外，从温度曲线中可以看出，在不同的治疗温度下、治疗15 min内，真皮层温度可以达到45℃、51℃、55℃。已知真皮层的胶原蛋白在45～60℃时会立刻收缩。因此，本设备在实现溶脂的过程中还可以达到皮肤紧致的效果，不会像传统的吸脂手术在术后会出现治疗部位松弛的现象[22-25]。这种皮肤紧致和皮下脂肪组织减少的组合代表了非侵入性减脂的理想治疗方案。

4 结论

本研究设计了一款无创的、具有温控的双极射频溶脂设备，该设备内置一种温控算法，能够自动调整RF能量输出，实现表皮温度恒定，该温度由设备自带的热敏电阻监测。进行离体猪肉实验，探究三种实验参数对于猪肉组织的作用效果。实验表明50℃是比较理想的治疗温度。在实际实施过程中，考虑治疗时间、电极移动、血液循环以及使用者的耐受程度也可选择45℃或者55℃的治疗温度。综上，该设备可以在实现溶脂需求的同时，实现皮肤低热损伤。