用于疤痕治疗的能量可控等离子设备

李文慧，刘子悦，杨玺霖，湛梦莹，侯振中，蒋松怿，赵博，刘玉明，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 850030)

引言

在机体创伤修复过程中，真皮层成纤维细胞以及细胞外基质的过度增生会导致皮肤出现疤痕，疤痕作为术后伤口愈合时的必然产物，分为正常疤痕和病理性疤痕，后者表现为增生性疤痕和疤痕疙瘩[1-2]。大多数疤痕的创面稍异于正常皮肤，随着时间的推移，疤痕就会淡化甚至消失；而病理性疤痕则不然，在其生长过程中还会伴随着疼痛、瘙痒、红肿等症状，甚至会因为牵拉正常组织而造成严重的功能障碍[3]。疤痕不但带给患者身体上的缺陷，还可能造成心理疾病[4]。为此，国内外出现了众多治疗疤痕的方法，包括手术治疗、药物治疗以及物理治疗等。手术治疗被推荐与放射及药物治疗相结合，联合疗法效果更好，即便如此，这些治疗方法并未做到彻底解决疤痕疾病。

近年来，利用光效应或电子能量治疗皮肤疾病的设备及方法不断被探索。其中，利用激光治疗皮肤疤痕疾病是近年来最受欢迎的治疗方式之一[1-5]，但激光治疗仍有很多目前无法解决的问题。例如，在治疗过程中，高能量的剥脱性激光会使患者感受到强烈的灼热感和痛感，治疗后，会出现红肿发热以及色素沉着，也可能形成新的疤痕，恢复周期也比较长。非剥脱性激光会产生暂时性的术后红斑，恢复周期较剥脱性点阵激光更长[5]。

除上述方法外，许多文献表明，等离子技术可以用于治疗皮肤疤痕，且具有安全有效、精准治疗、低热损伤的特征[6-10]。等离子被称作是物质的第四态，众所周知，物质有固体、液体、气体三种状态，而气体的进一步升温会使得空气中一些活性分子如氮分子离解为氮原子，再升温使原子电离产生带电的活性粒子，这个电离的过程就会产生等离子[11- 12]。除了升温，对空气中的气体施加高压将气体击穿也会产生等离子体，这个电压称之为击穿电压，使之击穿的场强称为击穿场强，在标准大气压下，均匀电场中空气间隙的击穿场强为30 kV/cm[12]。当等离子体作用皮肤时，并不会对表皮组织造成损伤，而是穿透表皮直接作用于真皮层，对组织产生微剥脱，使得胶原蛋白增生，并有序排列促进伤口愈合，紧致皮肤[10]。目前国内外用于皮肤疤痕治疗的等离子设备大多以射频能量为主，最为畅销的是以色列一款闪耀离子束瘢痕治疗仪，由超高频的射频生成器构成的大型设备，较为复杂[13-15]。国内的等离子美容设备还处于起步阶段，未出现可靠的治疗设备，仅有一些等离子设备相关专利。例如，武汉海思普莱生命科技有限公司申请了一种基于等离子体的美容仪发明专利，用于皱纹、色斑、痤疮治疗，但专利中提到的设备等离子作用面积大、无能量可控功能[16]；西安交通大学申请了一种手持式等离子美容装置的发明专利，用于杀菌祛斑除皱、祛痘除疤，但专利中提到的设备采用交流高压放电，无能量可控功能，且无法精细化处理治疗面积[17]。基于以上问题，本研究设计了一款基于直流高压且具备能量控制的等离子设备，该设备不仅可以实现直流高压电离空气产生等离子体，还可以精确控制作用于组织的能量。其优点在于简化了电路结构，设备体积小、成本低、方便携带；可实时检测输入电流，实现电离能量可控；输出采用电极针，可精细化处理作用区域。本研究验证了设备的能量可控功能，并为后续优化便携式等离子疤痕治疗仪提供了思路。

1 材料与方法

1.1 电离装置的设计

图1(a)为空气电离装置系统框图，主要包括供电模块、主控模块、反激式电源模块以及人机界面。供电模块采用220 V转12 V的明纬电源适配器(GSM25U12-P1J)，12 V用于DC-DC电压转换的输入部分以及芯片、人机界面的供电部分。主控模块控制反激式电源模块电压输出及档位选择，与人机界面完成通讯。对上述模块设计完成后，组装各电路板得到图1(b)所示的装置内部结构。为固定结构及便于操作，设计了尺寸合适的接口板连接在两块电源板的输出位置。图1(c)为设备整体实物图。

图1 空气电离装置Fig.1 Air ionization device

1.1.1反激式电源模块 电源模块的设计以输出高压实现空气电离为目的。在标准大气压下，均匀电场中空气间隙的击穿场强约为30 kV/cm[12]。设定实验中电离间距为0.3 mm，根据均匀电场中电压等于场强乘以距离可知，实现均匀电场中空气电离需要至少900 V电压。本研究设计的空气电离装置使用直径0.3 mm的微针，即电极在极不均匀的电场中发生尖端放电。在导体带电量相同的情况下，导体尖端越尖，面电荷密度越高，附近场强越强，越容易发生电离[11-12]。因此，900 V电压可以实现本装置空气电离。基于此，本研究需要设计一款输出至少900 V的开关电源。开关电源拓扑结构有很多种，本研究选用了基于LT8304-1的反激式电源设计，输入电压12 V，结合1∶10∶10∶10的升压变压器次级三路串联得到1 000 V输出高压。反激式变换器具有体积小、成本低、效率高的优势，为了得到更高压，采取两块高压输出串联得到2 000 V直流高压，该电源模块最大输出电流0.5 mA，最大输出功率8 W，转换效率85%。

根据LT8304-1反激式变换器芯片数据手册，输出电压主要由反馈电阻RFB确定，具体见式(1)：

(1)

式中UREF参考电压为1 V，RREF参考电阻为10 kΩ，NPS匝数比为0.1，UF二极管导通压降为1 V。为验证高压模块输出的稳定性，通过给定不同的RFB，判断测得实际输出电压是否与理论计算值相吻合。

由表1 可知，实际输出电压与理论计算值的误差率均在5%以内，说明该电源模块高压输出稳定，性能良好。

表1 不同反馈电阻RFB下的输出电压Table 1 Output voltage under different feedback resistance RFB

1.1.2主控模块 主控模块包括单片机及其最小系统、12 V转3.3 V电源转换电路、电流检测电路以及人机交互模块。单片机采用32位基于Cortex-M3内核的STM32F103RCT6实现电离装置的控制以及与人机界面的交互功能。单片机的最小系统是其正常工作的基础模块，包含晶振电路、复位电路以及SW下载接口等。因电源输入为12 V，而单片机供电3.3 V，则需要DC-DC转换电路。为减小体积，选用了R-78AA-1.0模块实现12 V转3.3 V。R-78AA-1.0模块体积小，效率高达94%且无需散热器，符合本研究需求。

在设备研制中，通过实时检测高压模块的12 V输入电流，单片机每1.17 μs进行一次ADC数据采样，对输入功率做时间积分得到输入能量，并乘以85%转换效率得到高压输出能量。设置能量阈值控制反激式开关电源芯片LT8304-1的使能端，从而达到能量精确控制的目的。

在算法设计之前，进行设备电离前和电离时的电流检测电路波形采集，见图2。

图2 采样电压波形图Fig.2 Sampling voltage waveform

图2(a)未电离时，采样电压波形比较平，无较大变化；图2(b)可见电离瞬间波形会有爬坡过程，直至电压升到最大值。根据多次波形采集，以500 mV作为算法中判断是否电离的阈值电压，1.17μs进行一次数据采集，若大于阈值电压，则计入有效电离并作时间积分得到输入能量。通过效率转换得到输出能量。程序框图见图3。

图3 程序框图Fig.3 Block diagram

电流检测电路选用的芯片INA293是一款高精度的电流检测放大器。本研究选用增益为20倍的INA293A1IDBVR，检测电阻为0.03 Ω。当能量达到设定值，关断两路电源模块使能，并设计一小灯翻转以提示使用者能量释放完毕。为了提高用户体验感以及操作灵活性设计的人机交互模块，可以完成不同能量的阈值设置，开启关闭反激式电源模块输出，选择电源模块输出的不同档位。

1.2 距离控制装置

距离控制装置为本研究的实验平台,主要完成电极针与组织之间距离的精确控制，见图4(a)。实验思路为电极针缓慢下降碰到组织时，停止下降并上升设定的电离间距。根据距离控制装置的阻抗检测模块与主控模块配合完成距离控制。电极针下降时持续阻抗检测，并将数据传送到计算机。当电极针未触碰组织时，电极针与背极板之间为空载，阻抗检测得到的值约110 kΩ。当电极针接触到组织时，阻抗小于10 kΩ，故将10 kΩ设计为阻抗检测阈值。当检测到阻抗小于10 kΩ时，电机停止，并按照已设定的距离开始上升，至指定距离后再检测阻抗，此时测得的阻抗值与空载时阻抗值接近，则认为电极针未碰到组织表面。图4(a)中的标尺可以评估电机上升设定距离是否准确。阻抗检测模块选用AD5933阻抗转换器设计，AD5933是一块高精度的阻抗转换器系统，输出频率范围在100 kHz以内，可以实现阻抗范围从100 Ω至10 MΩ的外部阻抗测量[18]。距离控制装置中选用的电机是深圳智创公司的SS伺服步进电机42SSC-HB，它精度高、响应快、不失步、过载能力强且电机减速快。结合42SDC-H编码器使用，最高可以实现0.001 mm/转的最小步进距离。

图4 实验装置及平台Fig.4 Experimental device and platform

1.3 实验材料

导热系数是物质导热能力的重要物性参数。据文献记载，马铃薯的导热系数为0.455～0.591 W·(m·k)-1,与人体皮肤的导热系数0.34～0.54 W·(m·k)-1十分相近[18-19]。依据国内外已有的基于马铃薯为实验材料的电穿孔及射频消融实验的成功案例，本研究选用马铃薯作为实验对象[20-22]。马铃薯表面平整易于观察氧化面积以及颜色深浅，适宜于作为能量可控电离装置观察电离效果的初期实验材料。根据文献调研，等离子体作用会对马铃薯淀粉产生氧化作用,使其分子中的一些化学键断裂，或被氧化产生羰基及羧基,导致马铃薯淀粉分子基团发生变化，且此作用的氧化程度随等离子体作用时间的增加而提高[23]。本研究将不同的电离能量施加在马铃薯上，根据马铃薯不同的氧化情况分析实验效果。

1.4 实验设计

选取同一批次的马铃薯作为实验材料，将马铃薯去皮，加工为长2.5 cm,宽高均为1.5 cm的马铃薯块。将切好的实验材料随机分为三组，每组10个样本。置于盛有水的容器中，等待实验。

将马铃薯块放在用金属箔代替的背极板上，金属箔表面导电，见图4(b)。擦拭马铃薯块表面，使其无液体残留，控制所有样本在相同条件下开始实验。在马铃薯块下方加少量PBS缓冲液，使得马铃薯块与金属箔充分接触。金属箔固定在距离控制平台的升降装置正下方，将电极固定在升降装置上。电极针与金属箔用两根导线引出，便于和阻抗检测模块以及电离装置连接。

首先，将电极针和金属箔与阻抗检测模块相连，设置电极针接触到马铃薯后上升距离为0.3 mm，然后将电极针与金属箔连接到电离装置的输出端，接通电源开始电离实验。本研究选择2 000 V档位，0.005、0.03、0.1 J的能量参数进行三组电离实验，每组实验重复10次。

实验中，可观察到当电离设备的人机界面点击开始后，电极针与马铃薯之间有伴随着声音的弧光出现，这时高压电离空气产生等离子作用于马铃薯，当弧光停止后，主控模块的小灯翻转，表示能量释放完毕。

1.5 分析方法

实验结束后将马铃薯块静置40 h，观察氧化结果。用水平支架固定手机，拍摄同一距离下所有马铃薯块正面、剖面图片。采用Adobe公司的 Photoshop软件分析图片中的氧化情况。为避免其他区域对氧化部分造成取色干扰，在使用软件分析之前，对马铃薯的照片进行简要处理，遮住干扰区域。图5(a)为未处理图片，图5(b)为处理后图片。将处理完成的图片放入Photoshop中，选择色彩范围分析法计算出选区内取样颜色的面积，图5(c)为色彩范围设定界面，选定容差值为40%，容差是指颜色相似度，数值越小表示越精确。图5(d)中阴影部分即为选中区域，Photoshop软件中图片尺寸以像素为单位，分辨率72，可换算得出每厘米等于28像素，氧化面积的单位是像素平方。

图5 马铃薯氧化结果处理Fig.5 Potato oxidation result processing

本研究使用GraphPad Software公司的GraphPad Prism软件进行数据处理。考虑到样本误差以及实验结果的准确性表达，实验所得数据的分析结果均采用平均值±标准差的形式来表示。同时，对各参数采取配对样本t检验的方式进行显著性分析，S表示有显著性差异，NS表示无显著性差异。当0.01

2 结果

图6为该能量控制电离实验的结果，从左向右依次为输出能量0.005、0.03、0.1 J的马铃薯块氧化情况。

图6 不同能量下的马铃薯块氧化情况Fig.6 Oxidation of potato chunks under different energy

图7为不同能量下10个样本实验中马铃薯块的电离发生率。由图可知，相同场强条件下，当能量设置为0.005 J 时，9个样本发生电离。当能量设置为0.03、0.1 J时，10个样本均发生电离，电离发生率达到100%。因此可知，相同条件下，随着能量增大，电离发生率越大。

图7 不同能量下的马铃薯块电离发生率Fig.7 Ionization rate of potato chips under different energy

图8(a)为相同场强条件下，不同能量使得马铃薯块正面氧化的情况。纵轴为氧化面积，可知随着能量不断增大，马铃薯块正面氧化面积越来越大，上升趋势十分显著。

图8(b)为相同场强条件下，不同能量使得马铃薯块剖面氧化的情况。纵轴为氧化面积，可以看出，随着能量不断增大，马铃薯块剖面氧化面积越来越大，0.005至0.03 J阶段上升趋势十分显著，0.03至0.1 J阶段上升趋势较为显著。

图8 不同能量下的氧化面积Fig.8 Oxidation area under different energy

对能量为0.005、0.03和0.1 J的马铃薯块正面氧化面积两两之间做配对样本t检验。结果显示，不同能量下马铃薯块正面氧化面积均有显著性差异，见表2。

表2 马铃薯块正面氧化面积t检验结果Table 2 The t test results of front oxidation area

对能量为0.005、0.03和0.1 J的马铃薯块剖面氧化面积两两之间做配对样本t检验。结果显示，不同能量下马铃薯块剖面氧化面积均有显著性差异，见表3。

表3 马铃薯块剖面氧化面积t检验结果Table 3 The t test results of section oxidation area

图9(a)为相同场强不同能量条件下，马铃薯块剖面氧化的深度情况。可以看出，随着能量不断增大，马铃薯块剖面氧化深度越来越深，0.005至0.03 J阶段上升趋势十分显著，0.03至0.1 J阶段有上升趋势、但不具有显著性。

图9(b)为相同场强不同能量条件下，马铃薯块剖面氧化的宽度情况。随着能量不断增大，马铃薯块剖面氧化的宽度值越来越大，0.005至0.03 J阶段上升趋势十分显著，0.03至0.1 J阶段上升趋势较为平缓。

图9 不同能量下的氧化深度和宽度Fig.9 Oxidation depth and width under different energy

对能量为0.005、0.03和0.1 J的马铃薯块剖面氧化深度两两之间做配对样本t检验。结果显示，0.005和0.03 J能量下的剖面氧化深度有显著性差异，0.03和0.1 J能量下剖面氧化深度无显著性差异，0.005和0.1 J能量下剖面氧化深度有显著性差异，见表4。

表4 马铃薯块剖面氧化深度t检验结果Table 4 The t test results of section oxidation depth

对能量为0.005、0.03和0.1 J的马铃薯块剖面氧化宽度两两之间做配对样本t检验，结果显示，0.005和0.03 J能量下剖面氧化宽度有显著性差异，0.03和0.1 J能量下剖面氧化宽度无显著性差异，0.005和0.1 J能量下剖面氧化宽度有显著性差异，见表5。

表5 马铃薯块剖面氧化宽度t检验结果Table 5 The t test results of section oxidcotion width

图10为相同场强不同能量条件下，马铃薯块剖面氧化的深度与宽度比值情况。随着能量不断增大，马铃薯块剖面氧化深度与宽度的比值越来越大。

图10 不同能量下的剖面深度宽度比值Fig.10 Ratio of depth to width of section under different energy

对能量为0.005、0.03和0.1 J的马铃薯块剖面氧化的深度宽度比值两两之间做配对样本t检验，结果显示，不同能量下马铃薯块剖面氧化的深度宽度比值均无显著性差异，见表6。

表6 马铃薯块剖面氧化深度宽度比值t检验结果Table 6 The t test results of oxidation depth width ratio of section

3 讨论

根据电离次数结果分析，在相同电压、间距下，能量越大，电离成功的样本越多，电离发生率就越大。根据实验结果观察，当输出电压为2 000 V，电离间距为0.3 mm时，能量达到0.3 J就可以确保样本均发生电离。对于0.005 J，则需要进一步提高电压或减小电离间距方能实现100%电离。

观察马铃薯块正面及剖面氧化面积，发现氧化面积随能量的增加不断增大。氧化面积的大小可以直接反映出作用于组织的等离子体的能量大小。为避免损伤其他皮肤，可根据治疗区域面积大小选择合适的能量多次治疗。由图8(a)以及表2可知，随着能量的增加，马铃薯块的正面氧化面积增大斜率基本一致，每两种能量之间的差异性也非常显著。从剖面氧化面积图8(b)中可知，能量由0.005变至0.03 J时，氧化面积的上升斜率比由0.03变至0.1 J时更大，表3也反映出0.03和0.1 J剖面氧化面积的差异虽十分显著，但显著程度没有0.005 J和0.03 J深。表明等离子能量对组织剖面的影响随着能量增加不断增大，但增大的趋势在能量上升到一定值时，逐渐减弱。

观察马铃薯块剖面氧化深度和宽度情况，发现三种能量下，氧化深度和氧化宽度随着能量上升而增大。氧化宽度可以代表等离子能量对组织的创伤影响，而氧化深度表示等离子能量对组织的作用深度。图9(a)中，能量由0.005变至0.03 J时，剖面氧化深度加深明显；由0.03变至0.1 J时氧化深度加深趋势较之前不显著。由表4可知，0.03和0.1 J氧化深度无显著性差异，但t检验的P值为0.053，接近于0.05，推测当等离子能量施加于组织表面时，对组织的作用深度会随着能量的上升呈先快速后较缓慢的持续增加。图9(b)中，能量由0.03变至0.1 J时，剖面氧化宽度比由0.005 J变至0.03 J时增加得缓慢。由表5可知，0.03和0.1 J氧化宽度无显著性差异，而t检验的P值为0.264，远大于0.05，推测当等离子能量施加于组织表面时，对组织的创伤影响随着能量的上升而变大，当能量上升到一定值时，创伤影响趋于稳定。

根据马铃薯块剖面氧化深度与宽度比值情况分析，氧化深度和氧化宽度的比值随能量上升而增大。表6中，深度宽度之比并无显著性差异，可能是因为图10所示的比值范围都集中在0～1之间，范围较小，导致差异性不显著。结合上一段对剖面氧化深度和宽度的分析，证明了随能量增加，氧化深度比氧化宽度变化更快。能量上升到一定值后，氧化宽度可能趋于稳定，而氧化深度还在持续增加。推测当等离子能量施加于组织表面时，等离子能量对组织的作用深度影响比创面影响更大，这符合等离子能量精准治疗、创伤小的特点。

4 结论

本研究设计了一款用于疤痕治疗的等离子设备，该设备可以精确控制能量输出，从而精细化处理治疗区域。为验证设备的能量可控功能、分析不同能量作用于组织的效果，以马铃薯为实验材料，控制输出电压2 000 V，电离间距0.3 mm条件下，设置能量分别为0.005、0.03和0.1 J进行电离实验，观察马铃薯块的氧化情况。通过对马铃薯块电离发生率、正面和剖面氧化面积、剖面氧化深度、剖面氧化宽度以及剖面氧化深度宽度的比值等参数分析，评估等离子设备基于不同能量的控制对组织的电离发生率、表面创伤影响以及作用宽度和深度。结果显示，由正、剖面氧化面积分析得到，随着能量增加，等离子对组织的作用影响越大。由剖面氧化深度及剖面氧化宽度分析可知，随着能量的增加，两个参数均变大，但当能量增加到一定值时，剖面氧化宽度逐渐稳定，而氧化深度的增大趋势虽减弱，但仍然随着能量增加持续增大。由剖面氧化深度宽度的比值以及上一步分析可知，当能量不断增加时，等离子能量对组织的作用深度比作用宽度影响更大。不同种类的疤痕，其深度也不尽相同。本研究结果提供了能量可以作为等离子治疗不同深度疤痕的研究参数。为达到更好的电离效果，需实践不同的电离参数(输出电压、电离间距、能量大小)对组织的影响，为实现设备的进一步优化，后续还需要进行不同能量下的离体组织实验。