葛曉麗，孫婷婷，王悅欣，安俊睿，王彬宇，王健鈞，游國(guó)鵬，周宇△

(1. 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；2. 西藏自治區(qū)第二人民醫(yī)院，拉薩 850002)

引言

局部脂肪堆積尤其是腹部脂肪堆積容易引起代謝綜合征，代謝綜合征易導(dǎo)致各種慢性疾病發(fā)生[1]。因此，減脂不僅是為了體型美，更是健康所需[2-3]。目前的減脂方式主要分為侵入式和微創(chuàng)/非侵入式兩類。盡管侵入式治療的效果相對(duì)較好，但其術(shù)后恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，以及可能引起并發(fā)癥，人們開(kāi)始尋找非侵入式或微創(chuàng)治療方法[4-5]。

目前非侵入式的減脂方式主要包括射頻(radio frequency, RF)、低強(qiáng)度激光治療(low intensity laser therapy, LLLT)、高強(qiáng)度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound, HIFU)和冷凍溶脂[6]。RF和冷凍溶脂都是通過(guò)誘導(dǎo)脂肪細(xì)胞凋亡達(dá)到減脂的目的[7-9]，但冷凍溶脂存在組織凍傷的問(wèn)題[10]。LLLT不會(huì)導(dǎo)致脂肪細(xì)胞凋亡，所以，脂肪細(xì)胞存在復(fù)發(fā)的可能性[11-12]。HIFU能量高，在治療過(guò)程中會(huì)有明顯的疼痛感以及出現(xiàn)水腫等情況[13]。相比之下，RF具有非侵入性和選擇性加熱的優(yōu)點(diǎn)。因此，被廣泛應(yīng)用于減脂和塑身[14-16]。

傳統(tǒng)的雙極RF設(shè)備為了達(dá)到溶脂效果采取侵入式，將RF探針深入皮下脂肪層，直接加熱脂肪層，達(dá)到溶脂塑形效果[17]，但該方式會(huì)對(duì)人體造成損傷。因此，本研究設(shè)計(jì)了一款無(wú)創(chuàng)雙極RF溶脂設(shè)備，通過(guò)探究合適的控制溫度，實(shí)現(xiàn)了將溫度控制在安全范圍內(nèi)，同時(shí)將RF能量傳遞到皮下脂肪層，達(dá)到溶脂的目的。

1 材料和方法

1.1 設(shè)備的組成與結(jié)構(gòu)

雙極RF設(shè)備由電源模塊、主控模塊、RF功率放大器模塊、接口模塊、人機(jī)交互界面以及外部實(shí)施器械構(gòu)成。設(shè)備的電路原理框圖，見(jiàn)圖1。該設(shè)備允許用戶設(shè)定皮膚可接受的作用溫度以及治療時(shí)間，其溫控算法可將皮膚層的溫度維持在用戶可接受的治療溫度。開(kāi)關(guān)電源模塊采用ADI公司的LT8641芯片，為各個(gè)模塊提供工作電壓以及集成DC-DC降壓?jiǎn)卧獙?shí)現(xiàn)低壓供電；主控模塊采用STM32F103RCT6單片機(jī)，是整個(gè)裝置的控制中心，主要實(shí)現(xiàn)控制可調(diào)開(kāi)關(guān)電源輸出，控制RF能量的輸出和溫控功能；RF功率放大器模塊將直流能量經(jīng)過(guò)諧振電路產(chǎn)生1 MHz的射頻；接口模塊主要是通過(guò)控制繼電器的切換，實(shí)現(xiàn)RF能量的輸出；人機(jī)交互模塊選用武漢中顯醫(yī)用屏幕，主要進(jìn)行設(shè)備參數(shù)的配置以及各項(xiàng)參數(shù)的顯示；外部實(shí)施器械包括RF電極頭以及NTC熱敏電阻，RF能量通過(guò)射頻電極輸出作用于皮膚組織，NTC熱敏電阻在設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)皮膚表面的溫度。

圖1 電路原理框圖

1.2 離體實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)對(duì)象采用新鮮的豬肉組織，具有完整的組織層(皮膚層、皮下脂肪層以及肌肉組織，這里的皮膚層指表皮層與真皮層)。利用溫控RF設(shè)備作用于離體豬肉組織，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在距離表皮深度約為1 mm(真皮層)和5 mm(皮下脂肪層)的地方插入兩個(gè)K型熱電偶探針，通過(guò)溫度數(shù)據(jù)采集卡(USB-TC-08, PicoTechnology)與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行溫度采集。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)采用紅外熱感成像儀(FOTRIC 320Pro, China)用以觀察生物組織橫斷面的升溫狀況。設(shè)備作用于豬肉組織的實(shí)驗(yàn)方式見(jiàn)圖2，圖中電極直徑5 mm、電極間距2 cm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

選取三個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，時(shí)間設(shè)定為15 min，每種參數(shù)六個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本，采用熱成像儀、相機(jī)拍攝以及熱電偶探針，記錄RF治療過(guò)程中皮膚層與皮下脂肪層的升溫情況和治療后皮膚表面變化情況。

1.4 實(shí)驗(yàn)評(píng)估

1.4.1圖像評(píng)估 圖像評(píng)估采取兩種方法：紅外熱成像儀記錄組織升溫情況、相機(jī)拍攝治療后皮膚表面變化情況。

通過(guò)比較在不同控制溫度下，紅外熱像儀檢測(cè)組織升溫情況，觀察最終溫度，確定是否達(dá)到脂肪細(xì)胞凋亡的閾值溫度，在每次RF作用后，使用相機(jī)拍攝記錄皮膚表面顏色變化。

1.4.2溫度曲線評(píng)估 通過(guò)熱成像儀配置的圖像處理軟件AnalyzIR繪制表皮層、真皮層(皮下約1 mm)、脂肪層(皮下約5 mm)升溫曲線，并在每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集熱電偶探針在脂肪層以及真皮層的溫度曲線。根據(jù)皮膚組織各層的升溫情況，評(píng)估RF作用效果，確定合適的治療溫度。

圖2 RF能量輸出電極作用于離體豬肉組織的實(shí)驗(yàn)方式

1.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS分析軟件(IBM SPSS Statistics 19)，顯著性分析選用配對(duì)樣本進(jìn)行t檢驗(yàn)。選取在不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，將RF作用深度進(jìn)行配對(duì)、脂肪細(xì)胞達(dá)到閾值凋亡溫度的時(shí)間進(jìn)行配對(duì)，P<0.05被認(rèn)為具有顯著性差異。

2 結(jié)果

2.1 圖像結(jié)果

2.1.1紅外熱成像儀記錄組織升溫情況 圖3為不同控制溫度、作用15 min條件下，紅外熱成像儀拍攝組織溫度的分布結(jié)果，圖3(a)是紅外熱成像儀畫(huà)中畫(huà)模式拍攝，圖3(b)—(d)是熱成像儀拍攝的控制溫度分別為45℃、50℃、55℃時(shí)組織橫斷面溫度分布圖，藍(lán)色虛線是利用AnalyzIR繪制的42℃等溫線，藍(lán)色虛線所畫(huà)的封閉區(qū)域?yàn)?2℃以上，表示脂肪細(xì)胞的凋亡溫度區(qū)域[17]。由圖3可知，在不同的控制溫度下，RF作用區(qū)域內(nèi)的部分脂肪層已經(jīng)達(dá)到脂肪細(xì)胞的凋亡溫度范圍，且不同的控制溫度，脂肪細(xì)胞達(dá)到閾值凋亡溫度的面積大小不同。

2.1.2相機(jī)拍攝治療區(qū)域結(jié)果 圖4是控制溫度在45℃、50℃、55℃、作用15 min的條件下，相機(jī)拍攝結(jié)果，記錄作用區(qū)域內(nèi)表皮組織變化情況。θ=45℃時(shí)，治療區(qū)域內(nèi)豬肉組織的表皮層無(wú)明顯的顏色變化(黃色痕跡)；θ=50℃時(shí)，治療區(qū)域內(nèi)豬肉組織的表皮層幾乎未出現(xiàn)明顯的顏色變化；θ=55℃時(shí)，豬肉組織的表皮層出現(xiàn)明顯的顏色變化。圖4中黃色痕跡推測(cè)為射頻作用后表皮組織出現(xiàn)的熱損傷區(qū)域[18]。

2.2 溫度曲線結(jié)果

2.2.1分析紅外熱圖像所得溫度曲線 通過(guò)AnalyzIR圖像分析軟件處理熱圖像，熱圖像的表皮層、真皮層以及脂肪層可通過(guò)熱成像畫(huà)中畫(huà)模式分辨。不同組織層的溫度曲線繪制方式如下: 以圖3(a)中0點(diǎn)為坐標(biāo)中心構(gòu)建坐標(biāo)軸，x1、0、x2表示每層橫向取點(diǎn)位置，y1、y2表示每層縱向取點(diǎn)位置，每層取三點(diǎn)，其中x1、x2與y2約為5 mm，y1約為1 mm，每層取點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)分別為：表皮層(-5，0)、(0，0)、(5，0)；真皮層(-5，-1)、(0，-1)、(1，-1)；脂肪層(-5，-5)、(0，-5)、(5，-5)，將每層實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制不同組織層的溫度曲線，結(jié)果見(jiàn)圖5(a)—(c)。由圖5(a)—(c)可知，不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，皮膚層溫度分別在45℃、50℃、55℃上下浮動(dòng)，實(shí)現(xiàn)溫度可控。每次治療后，對(duì)紅外熱成像圖進(jìn)行處理得到不同溫度下的作用深度，即從紅外熱成像圖中得到組織橫斷面溫度達(dá)到42℃以上的縱向深度，選取方向?yàn)閳D3(a)中y軸方向，圖中直尺作為參考標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合AnalyzIR軟件計(jì)算得到紅外熱成像圖中作用深度。對(duì)所得的作用深度進(jìn)行平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean ± standard deviation, M±SD)處理，見(jiàn)圖5(d)。由圖可知，θ=45℃時(shí)，RF的作用深度為(5.3±0.29) mm；θ=50℃時(shí)，作用深度(6.4±0.25) mm；θ=55℃時(shí)，作用深度(8.2±0.22) mm。根據(jù)配對(duì)t檢驗(yàn)分析結(jié)果，不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)，RF作用深度具有顯著性差異(P45℃～50℃=0.014、P45℃～55℃=0.000、P50℃～55℃=0.001)。

2.2.2熱電偶探針采集溫度隨時(shí)間變化結(jié)果 熱電偶探針采集真皮層以及皮下脂肪組織溫度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行M±SD處理繪制升溫曲線，見(jiàn)圖6。其中，(a)—(c)為不同控制溫度下，熱電偶測(cè)得脂肪層與真皮層的溫度曲線，(d)為不同控制溫度下，脂肪層達(dá)到42℃時(shí)的時(shí)間分布曲線。室溫為25℃，圖中標(biāo)注為脂肪細(xì)胞的凋亡閾值溫度42℃的時(shí)間點(diǎn)。結(jié)果顯示，不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)、治療15 min內(nèi)，治療區(qū)域內(nèi)均已達(dá)到凋亡的閾值溫度，由圖6可知，在RF產(chǎn)生熱作用的過(guò)程中，真皮層溫度始終比脂肪層溫度高，真皮層與脂肪層的溫度經(jīng)過(guò)一段時(shí)間上升后，有維持不變的趨勢(shì)。在15 min的治療時(shí)間內(nèi)，真皮層溫度最高分別達(dá)到(45.93±1.64)℃、(51.18±4.52)℃、(54.68±1.36)℃，皮下脂肪組織溫度最高分別達(dá)到(42.68±1.57)℃、(43.45±1.48)℃、(48.7±0.95)℃。不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)，脂肪細(xì)胞發(fā)生凋亡的時(shí)間有所差異，θ=45℃時(shí)，達(dá)到脂肪細(xì)胞凋亡的閾值溫度的時(shí)間為(13.67±2.42) min，θ=50℃時(shí)，達(dá)到脂肪細(xì)胞凋亡的閾值溫度的時(shí)間為(6.5±3.45) min，θ=55℃時(shí)，達(dá)到脂肪細(xì)胞凋亡的閾值溫度的時(shí)間為(2.7±0.63) min。根據(jù)配對(duì)t檢驗(yàn)分析結(jié)果，不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)，脂肪細(xì)胞發(fā)生凋亡過(guò)程中，升溫時(shí)間具有顯著性差異(P45℃～50℃=0.031、P45℃～55℃=0.003、P50℃～55℃=0.041)。

圖3 紅外熱成像儀拍攝組織溫度分布結(jié)果

3 討論

組織在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量取決于施加RF能量的大小，即功率密度大小。功率密度由電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度共同決定[19]。RF電極直接接觸皮膚層，皮膚層具有良好的導(dǎo)電性，使得皮膚層的電流密度較大，因此，皮膚層具有較大的功率密度，產(chǎn)生的熱作用相對(duì)較多。皮下脂肪層的阻抗高，同時(shí)皮下脂肪層具有纖維隔膜，纖維隔膜的電導(dǎo)率比脂肪大的多，電荷會(huì)優(yōu)先沿著具有纖維隔膜的地方流動(dòng)。因此，纖維隔膜增加皮下脂肪層的電場(chǎng)范圍和電場(chǎng)強(qiáng)度，可能是導(dǎo)致皮下脂肪層產(chǎn)生較大功率密度的原因[20]。根據(jù)分析，RF能量作用時(shí)的溫升區(qū)域可能集中在皮膚層與部分靠近皮膚層的脂肪層。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，皮膚層產(chǎn)生的熱量比脂肪層高。因此，在RF作用過(guò)程中可能出現(xiàn)皮膚層產(chǎn)生的熱量過(guò)高的情況，導(dǎo)致皮膚產(chǎn)生熱損傷。為了解決該問(wèn)題，在設(shè)備中加入溫控算法，能夠控制作用在表皮、真皮的RF能量，避免皮膚層溫度過(guò)高，同時(shí)將RF能量傳遞到脂肪層，達(dá)到溶脂的效果。

圖4 相機(jī)拍攝不同控制溫度下RF能量作用區(qū)域內(nèi)表皮組織外觀圖

根據(jù)紅外熱成像儀拍攝的組織橫斷面溫度分布圖像，可以發(fā)現(xiàn)三種控制溫度均可實(shí)現(xiàn)溶脂的需求，控制溫度引起RF能量的增加，因此，組織的熱作用范圍變大。根據(jù)相機(jī)拍攝治療區(qū)域結(jié)果，45℃與50℃是相對(duì)合適的控制溫度。50℃時(shí)，表皮組織偶爾出現(xiàn)熱損傷，其原因可能與表面涂抹凝膠量有關(guān)，

圖5 AnalyzIR分析軟件根據(jù)圖3(b)—(d)所得到的溫度曲線結(jié)果

圖6 熱電偶測(cè)得治療區(qū)域內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖與時(shí)間分布曲線

表面涂抹凝膠量與表皮的散熱有關(guān)。當(dāng)然，離體豬肉組織的新鮮程度也與熱損傷相關(guān)，離體豬肉組織的新鮮程度會(huì)導(dǎo)致皮膚阻抗的不同，從而引起RF作用于組織的功率密度發(fā)生變化，離體豬肉組織的皮膚阻抗越大，皮膚接收的功率密度增大，從而導(dǎo)致表皮溫度越高，越容易產(chǎn)生熱損傷。

利用AnalyzIR軟件分析圖像得到不同組織層橫截面的溫度曲線可知，設(shè)備可以做到將表皮溫度維持在可控范圍內(nèi)，此外，曲線顯示表皮層與真皮層的溫差不大。實(shí)驗(yàn)中豬肉組織的表皮層(約0.2 mm)以及真皮層(約2 mm)相對(duì)較薄，這也與人體皮膚結(jié)構(gòu)較為相似，組織所得到的功率密度以及電流密度相差不大，這可能是導(dǎo)致真皮層與表皮層溫差較小的原因。脂肪層達(dá)到凋亡的閾值溫度包含兩個(gè)方面：RF產(chǎn)生的熱作用、組織之間的熱傳遞，因此，在相同電極間距下，控制溫度越高，RF輸出能量越高，功率密度越大，組織之間的熱傳遞變快，組織升溫范圍增加，這里升溫范圍指的是縱向深度。

組織的熱量來(lái)源于功率吸收以及熱傳導(dǎo)。RF作用于組織時(shí)，靠近電極的皮膚組織吸收的功率多，因此產(chǎn)生的熱量多，從熱電偶采集的溫度曲線中可知，真皮層的溫度比脂肪層的溫度高。RF作用于組織時(shí)，靠近電極的表皮組織升溫最快，隨著作用時(shí)間的增加，熱量逐漸作用到脂肪層，脂肪層溫度開(kāi)始上升。控制溫度升高，組織吸收的射頻能量變多，相同時(shí)間內(nèi)組織升溫加快。從熱電偶探針采集到的溫度曲線以及AnalyzIR分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種控制溫度均可在15 min的治療時(shí)間內(nèi)達(dá)到脂肪細(xì)胞凋亡的閾值溫度，并在作用一段時(shí)間后出現(xiàn)熱平衡的趨勢(shì)，溫度維持在相對(duì)恒定的狀態(tài)。根據(jù)表皮外觀結(jié)果以及達(dá)到脂肪細(xì)胞閾值溫度的時(shí)間，判斷溫度為50℃為比較合適的治療溫度，也可根據(jù)使用者的耐受程度選擇45℃或者55℃的治療溫度。

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中電極始終保持不動(dòng)，由于導(dǎo)電凝膠的存在，電極的周?chē)鷧^(qū)域功率密度最高，電極附近的皮膚組織溫度是最高的，但熱敏電阻位于兩個(gè)電極的中間，這就使得電極下方的溫度略高于檢測(cè)到的溫度，另外出現(xiàn)熱損傷的程度有時(shí)也與表面凝膠涂抹量有關(guān)，導(dǎo)電凝膠也起到表皮散熱的作用。實(shí)驗(yàn)中選取離體豬肉，未考慮血液流速帶來(lái)的降溫問(wèn)題[21]。在設(shè)備實(shí)際使用過(guò)程中，應(yīng)該使RF電極在治療區(qū)域內(nèi)滑動(dòng)，避免某一點(diǎn)溫度過(guò)高的情況對(duì)表皮產(chǎn)生熱損傷，或者添加冷卻裝置實(shí)現(xiàn)皮膚降溫。此外，從溫度曲線中可以看出，在不同的治療溫度下、治療15 min內(nèi)，真皮層溫度可以達(dá)到45℃、51℃、55℃。已知真皮層的膠原蛋白在45～60℃時(shí)會(huì)立刻收縮。因此，本設(shè)備在實(shí)現(xiàn)溶脂的過(guò)程中還可以達(dá)到皮膚緊致的效果，不會(huì)像傳統(tǒng)的吸脂手術(shù)在術(shù)后會(huì)出現(xiàn)治療部位松弛的現(xiàn)象[22-25]。這種皮膚緊致和皮下脂肪組織減少的組合代表了非侵入性減脂的理想治療方案。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一款無(wú)創(chuàng)的、具有溫控的雙極射頻溶脂設(shè)備，該設(shè)備內(nèi)置一種溫控算法，能夠自動(dòng)調(diào)整RF能量輸出，實(shí)現(xiàn)表皮溫度恒定，該溫度由設(shè)備自帶的熱敏電阻監(jiān)測(cè)。進(jìn)行離體豬肉實(shí)驗(yàn)，探究三種實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)于豬肉組織的作用效果。實(shí)驗(yàn)表明50℃是比較理想的治療溫度。在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，考慮治療時(shí)間、電極移動(dòng)、血液循環(huán)以及使用者的耐受程度也可選擇45℃或者55℃的治療溫度。綜上，該設(shè)備可以在實(shí)現(xiàn)溶脂需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)皮膚低熱損傷。