CN101232852B - 利用射频能和超声能处理皮肤的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用射频能和超声能处理皮肤的方法和设备。具体地说本发明涉及处理皮肤的系统和方法。所述系统包括一个或多个超声换能器以及一对或多对射频电极。所述超声换能器适用于将超声能聚焦在皮肤里的一个或多个聚焦区域。所述射频电极适用于将射频能输送至所述一个或多个聚焦区域。所述方法包括通过将超声能聚焦在一个或多个聚焦区域而将皮肤中的所述一个或多个聚焦区域加热至第一温度。然后通过在包含所述聚焦区域的皮肤区域里产生射频电流而将所述聚焦区域加热至第二温度,所述第二温度高于所述第一温度。
Description
技术领域
本发明涉及人体组织的非侵入性处理,更具体而言,本发明涉及皮肤的所述处理。
背景技术
嫩肤是一种医学美容处理,其中将能量施加于皮肤表面和/或皮肤皮下层的选定区域以实现对被处理的皮肤外观的改善。最流行的嫩肤形式是将一定量的能量施加于皮肤以将目标组织加热至充分高于正常体温的温度从而在所述组织中诱发所希望的效果。所述效果可以是组织损伤、凝结、切除、破坏和坏死。所实现的具体效果取决于所述组织、温度和所述组织在所述高温下保持的时间。这种处理通过张紧皮肤和消除皱纹以及通过促进皮肤层和皮下组织的再生来改善皮肤外观。
将能量非侵入性地输送至内部组织已可通过将电磁能或超声能导引至皮肤表面来实现。来自较宽范围波长的电磁辐射已用于加热皮肤,包括,频率高于30GHz、频率在300MHz~30GHz之间的光辐射以及射频(RF)能量。用于皮肤处理的常用RF频率为100kHz~10MHz。对于光谱中的每一部分,所述技术、通过身体的传播、和皮肤的相互作用以及对组织的作用都是不同的。也已经有同时施用光能和RF能来处理皮肤的应用。
美国专利第5,405,368号公开了闪光灯在皮肤处理中的应用。美国专利第5,964,749号描述了用于处理皮肤的方法和设备,其中包括对皮肤施用脉冲光以加热皮肤,从而实现皮肤内胶原质的收缩,由此恢复所述胶原质和皮肤的弹性。通过使用透明物质如冰或凝胶涂抹在皮肤表面进行冷却,可以保护皮肤的表皮层和外层。皮肤内的温度分布可通过控制所述冷却剂施加时间和光线施加时间(通过控制脉冲持续时间、施加多重脉冲、过滤所述光线并控制辐射光谱)之间的延迟进行控制。优选的是,所述光谱包括波长为600nm~1200nm的光线。所述脉冲光线可以是不相干的,如由闪光灯产生的光线,或者是相干的,如由激光器产生的光线,并可通过柔性或刚性的导光管导引至皮肤。美国专利第6,662,054和6,889,090号公开了RF能在皮下处理中的应用。美国专利第6,702,808号公开了用于皮肤治疗的光能和RF能的组合。美国专利第5,871,524号描述了辐射能透过皮肤达到以下的皮下层或更深的软组织层的应用。
非侵入性皮肤处理的主要局限在于传输能量透过皮肤外层并将其在目标组织中集中到所需水平,并对周围组织(包括所述能在其通向目标组织的路线上必须通过的组织)的附带损伤最小的能力。解决方法或者基于选择性冷却或者基于辐射聚焦。当波长足够短时,例如采用光辐射、毫米或亚毫米波以及高频超声时,聚焦是可行的。光辐射在皮肤内散射,因此难以进行有效聚焦。优选激光以实现更好的聚焦。美国专利第5,786,924号公开了用于皮肤处理的激光系统。公开的美国专利申请第10/888356号(De Benedictis等,公开号为2005/0049582)公开了采用一个或多个光源按预定图案在皮肤里形成微小的处理区域。该方法的优点在于受损伤的组织位于被健康组织包围的较小体积之中,因此皮肤再生较快。
用于非侵入性皮肤处理的高强度聚焦超声(HIFU)技术例如在美国专利第6,325,769号和6,595,934号中公开。后一个专利公开了聚焦超声换能器阵列的应用,所述聚焦超声换能器阵列能在皮肤或皮下层中形成损伤阵列,其优点类似于上述美国专利申请公报第2005/0049582号中提到的方法,但由于对所述辐射进行聚焦,因此对外皮层的损伤最小。根据衍射定理,电磁能聚焦的解析度限于大约半个波长。对于小于0.5mm的聚焦尺寸,要求波长小于1mm。虽然应用亚毫米波长的电磁能具有数种优点,但由于其成本高,产生用于皮肤处理的亚毫米辐射是不实用的。
在RF应用中,通过将电极施加在皮肤表面,可将电压和电流导入到身体组织中,其并不像波一样传播而是落在麦克斯韦方程的准静止状态之中。用于非侵入性皮肤处理的RF应用在例如美国专利第6,662,054号、第6,889,090号、第5,871,524号中公开。常用的RF频率为100kHz~10MHz。在这些频率下,3000m~30m的波长远大于被处理的组织的任何相应尺寸。通常遵照欧姆定律,通过施加AC(交流)电压而将AC电流导入到皮肤里。RF技术相对简单和廉价,对于传输能量至组织则非常有效。然而难以将其定位于特定的组织层。一种产生选择性的方法是对皮肤表面进行冷却,从而由外层至内层形成温度梯度。这样的方法在美国专利第5,871,524号中公开。
发明内容
本发明提供了用于皮肤和皮下层的非侵入性处理的方法和设备。根据本发明,将超声波长的声能导引至皮肤表面。所述超声能聚焦在位于皮肤表面以下的皮肤或皮下层中的一个或多个组织区域(tissue volume),此处称之为“聚焦区域(focal volume)”。这在所述超声能的聚焦区域提供了对组织的加热。还将RF能施加于皮肤。根据本发明的优选实施方式,优选首先施加超声能,然后将RF电流导引进经所述超声能预加热的聚焦区域中。不希望受限制于特定的理论,据信该导引效应基于RF传导率对温度的温度依赖性。在20℃~90℃的温度范围内,对于100kHz~100MHz之间的RF频率,组织电导率相对温度为正斜率(参见例如″PhysicalProperties of Tissue″,Francis A.Duck著,Academic Press Ltd.,1990,第200页)。该正斜率产生正反馈效应,其中预加热区域具有更高的RF传导率,因此在预加热区域的RF电流和能量沉积更高,这使得所述聚焦区域的所述更高温度得到进一步升高,从而再进一步提高所述传导率。
在本发明的一个优选实施方式中,对于每对施加在皮肤表面的RF电极,将至少一个聚焦超声源施加在所述电极之间。在另一优选实施方式中,所述超声源的单个聚焦区域在所述RF电极间延伸形成,从而形成所述RF电流的导引通道。
所述RF能的优选频率为100kHz~100MHz,更优选为100kHz~10MHz。优选的超声频率为500kHz~50MHz,更优选为1MHz~20MHz。
根据优选实施方式,本发明的设备优选包括冷却装置,该冷却装置用以在施加所述能源之前降低处理区域的初始温度,和/或在处理过程中降低处理区域的温度。这导致将被加热的聚焦区域和处理区域其余部分之间温度梯度的增大。这使得在加热所述聚焦区域的同时避免在所述聚焦区域周围的组织中产生过高的温度(可能会损伤那里的组织)。可选的是,除用于降低处理区域温度的冷却装置之外,或者代替所述冷却装置,所述设备可包括对所述超声换能器的冷却。
优选为短时间地施加所述RF和超声能,优选以脉冲或者一系列的脉冲(或者数个脉冲)施加,以减少所述聚焦区域由传导或对流引起的热损失。所述超声能的施加时间优选为1msec(毫秒)~10sec(秒),更优选为10msec~1sec。
根据本发明的其他优选实施方式,优选在施加超声能之后施加RF能,但可选以相反顺序施加超声和RF,或者作为另外一种选择,可选地以部分重叠或者甚至几乎同时地施加所述超声和RF。所述RF能优选以10msec~1sec的时间进行施加。
在所述聚焦区域由所述能源产生的温度以及加热的时间经选择使所述聚焦区域获得充分的加热,同时对周围组织的加热最小。所述聚焦区域优选被加热至约50℃~约90℃的温度。在该温度范围的低端,需要数十秒以获得实质性效果,在所述范围的高端,可能不到一秒的加热即足够。当加热时间较长时(例如数十分钟),接近或者高于44℃的温度可能会对周围组织造成损伤。还已知44℃的温度为人类痛觉感知的阈值温度。对于处理而言,更优选的时间范围为约数秒或者更短,以防止处理过程中源于所述聚焦区域的实质性热流。对于该时间范围,对于对所选定的组织实施损伤而言,优选的温度范围为约44℃~约70℃,更优选为约60℃~约70℃。
因此根据本发明的优选实施方式,提供了用于处理皮肤的系统,所述系统包括:
一个或多个超声换能器,所述换能器适用于将超声能聚焦在皮肤里的一个或多个聚焦区域;
一对或多对RF电极,所述RF电极适用于将RF能输送到所述一个或多个聚焦区域。
根据本发明的其他优选实施方式,提供了一种处理皮肤的方法,所述方法包括:
在皮肤的一个或多个聚焦区域将皮肤加热至第一温度;和
将所述一个或多个聚焦区域加热至第二温度,所述第二温度高于所述第一温度;
其中,将所述皮肤加热至所述第一温度和第二温度包括将超声能聚焦在所述一个或多个聚焦区域并在包含所述一个或多个聚焦区域的所述皮肤区域里产生RF电流。
附图说明
为理解本发明并了解如何实际实现本发明,现在仅通过非限制性实施例,并参考附图描述优选的实施方式,其中:
图1展示了本发明的一个实施方式的用于处理皮肤的系统。
图2展示了用在图1的系统中的施加器(applicator)的示例性实施方式。
图3展示了用在图1的系统中的施加器的另一示例性实施方式;以及
图4展示了用在图1的系统中的施加器的第三示例性实施方式。
具体实施方式
应当注意所有的图都是示意性的,因此根据本发明的所述系统和/或设备的实际物理实现和/或如聚焦区域等所述特征可能与图中所示存在不同。
图1展示了根据本发明的优选实施方式用于将超声能和RF能施加于皮肤组织的系统。以下将详细描述的施加器3含有一对或多对RF电极以及一个或多个超声换能器。所述施加器3适用于施加在个体5待处理的皮肤区域里的皮肤上。所述施加器3通过电缆2与控制单元1相连。所述控制单元1包括电源8。所述电源8与RF发生器15相连,所述RF发生器15通过电缆2中的电线与施加器3之中的RF电极相连。所述电源8也与超声驱动器6相连。所述驱动器6通过电缆2中的电线与所述换能器相连。所述控制单元优选含有制冷单元13,所述制冷单元13可选地并优选地冷却用以冷却所述施加器3的流体(如乙醇或水)。所述经冷却的流体优选由所述制冷单元13通过所述电缆2中的第一管流至所述施加器,然后通过所述电缆2中的第二管由所述施加器3流回所述制冷单元。所述控制单元1含有用于监测和控制所述设备的各种功能的处理器9。所述控制单元1具有输入设备如键盘10,该键盘10使得操作者可以将选定的处理参数值输入所述处理器9,所述处理参数例如为所述RF能的频率、脉冲持续时间和强度或者所述超声能的持续时间和强度或者所述聚焦区域位于皮肤表面以下的深度。根据优选的实施方式,所述处理器可构造为将所述超声换能器开动第一预定量的时间,然后将RF电压施加在RF电极上第二预定量的时间,不过可选地是所述顺序可以相反,或者所述RF能可与所述超声换能器的动作相重叠。可在所述超声能终止前将所述RF能输送至皮肤表面,或者可让所述超声能在施加所述RF能的至少部分的时间里持续。所述处理器9还可监测所述施加器3中的电极间的电阻抗,并测定在目标附近的温度分布。所述处理器还可以根据阻抗测数来决定处理参数。
图2更详细地展示了本发明的一个示例性实施方式的施加器3。将在图2中展示的所述施加器3施加在皮肤表面11上。层10是表皮,12是真皮而14是皮下组织。所述施加器3包括一对RF电极21和22,所述RF电极21和22通过所述电缆2中的电线17与所述RF发生器(未示出,参见图1)相连。所述施加器3还包括超声换能器24,所述超声换能器24位于所述施加器3中并通过电缆2中的电线19与所述驱动器(未示出,参见图1)相连,从而将超声辐射聚焦在所述真皮12中的一个或多个聚焦区域30。根据优选的实施方式,所述施加器3含有冷却盘管,该冷却盘管通过所述电缆3中的第一管20a将冷却剂由所述制冷单元(未示出,参见图1)导引至所述皮肤表面11,并通过所述电缆3中的第二管20b导引回所述制冷单元(未示出,参见图1)。
根据本发明的方法的示例性但优选的实施方式,所述施加器3施加在皮肤表面11上。优选的是,超声液体凝胶施加在所述超声换能器24和皮肤表面11之间以促进声匹配并促成良好的能量传输,导电液或凝胶111施加在所述RF电极21以及22和所述皮肤表面11之间以减小接触电阻。来自所述换能器24的超声辐射聚焦在位于真皮层12中的一个或多个聚焦区域30。所述超声能使所述聚焦区域的温度升高至高于所述聚焦区域周围的组织区域31的温度。正常真皮温度通常为34℃左右,随着所述聚焦区域30的超声加热,所述聚焦区域的温度升高。导电率相对温度的斜率为约2℃~3℃。因此,如果将所述选定区域超声加热至高于正常真皮温度10℃,则所述区域的导电率提高20%~30%。然后将RF电压由RF发生器(未示出,参见图1)施加到电极21和22上,使得RF电流32通过组织层10、12、14而在电极21和22之间流动,由于经预加热的聚焦区域30具有较高的导电率,更多的电流流经该预加热的聚焦区域30。所述RF电极21和22之间的优选间隔为0.2cm~2cm,更优选为0.5cm~1cm。当电极间的间隔为1cm时,通常使用的电压为20Vrms(均方根电压)~1000Vrms,更优选为50Vrms~200Vrms。较低的电压要求更小的电极间隔。对于100kHz~100MHz的RF频率,所述电磁波长远大于电极间的间隔。并且,在这些频率下的皮肤导电率通常为约0.5S/m(参见例如S.Gabriel,R.W.Lau和C.Gabriel,Phys.Med.Biol,第41卷(1996),第2251~2269页)。对于10MHz和0.5S/m,电磁皮肤深度为22cm,远大于人类皮肤层的厚度(人类皮肤层的厚度小于1厘米)。在这些条件下,电流分布几乎与根据欧姆定律J=σE(其中J是电流密度,E是电场矢量)得到的静态解完全相同。由所述电流输送至单位体积组织的功率是J·E=σE2。温度升高的升高速率与所述功率成正比,因此与所述导电率成正比,由于所述导电率随温度的升高而变大,所以形成正反馈效应。
如图2所示,所述超声换能器24可形成在所述RF电极间延伸的单个伸长的聚焦区域30。
图3展示了所述施加器3的另一示例性实施方式。图3所示的实施方式具有与图2所示的实施方式相同的元件,并且图2和图3中的相同元件以相同的数字标记,因此不再加以说明。在图3的实施方式中,所述施加器包括三个超声换能器43(显示为换能器43a、43b和43c),所述三个超声换能器43形成三个间隔的聚焦区域33(分别显示为聚焦区域33a、33b和33c)。每一个超声换能器43a、43b和43c通过电线19与一个或多个驱动器(未示出;参见图1)相连,所述电线19分别显示为19a、19b和19c。三个换能器43仅仅是通过举例的方式进行描述,而并非旨在以任何方式进行限制,所述施加器3可包括任意数目的相互间隔的超声换能器43,形成相同数目的聚焦区域33。所述超声换能器43在真皮层12中具有聚焦区域33。通过超声能对这些聚焦区域加热使被处理的组织受热,从而形成RF能的导引通道,所述RF能将所述组织进一步加热至所需的温度。在该实施方式中,单对RF电极优选地向所有聚焦区域33提供RF能(在图3显示的部分中,尽管在该示例性但优选的实施方式中,施加器3包括第二RF电极,但仅单个RF电极21可见,所述第二RF电极在该部分中不可见)。应当注意的是,同样优选在所述RF电极和皮肤表面11之间施加导电液或凝胶以减小接触电阻,这与图2中的相同,但没有示出。
如图4所示,在所述施加器的另一示例性实施方式中,每一个超声换能器44位于各自的RF电极对28、29之间。仅仅为了清楚起见而并非旨在以任何方式进行限制,图4没有包括所述施加器的所有特征;所述施加器的没有显示的特征可选地以及优选地按照图1~图3进行实施。仅作为描述性实施例而不希望以任何方式进行限制,所述施加器显示为包括三个超声换能器44(显示为换能器44a、44b和44c),每一个换能器位于各自的RF电极对28、29之间(分别显示为RF电极28a、28b和28c,以及29a、29b和29c)。所述多个超声换能器可由单个电源一起驱动,或者每一个单独驱动。这对RF电极同样适用。单对电极由单个RF电源驱动,或者多个RF电极对,每对单独驱动。每一个超声换能器44及其相应的RF电极28、29优选在两方面进行匹配:a.间隔匹配-由所述RF电极产生的电场应当覆盖所述超声换能器的聚焦区域,b.所述超声能的施加和所述RF能的施加之间的时间匹配,即,开始时向所述聚焦区域施加超声能,随之立即向所述皮肤施加RF能。
在所述皮肤表面的法线方向上,所述聚焦区域优选在表皮更深层、真皮层和部分皮下层中是连续的,使得所述皮肤表面即0.2mm~5mm深,更优选为0.2mm~2mm深的皮肤表面未受损伤。所述聚焦区域的横向宽度可以为0.05mm~1mm,更优选为0.1mm~0.3mm。所述聚焦区域之间的横向间隔优选为0.3mm~3mm,更优选为0.5mm~1mm。在纵向上,即在所述RF电极间的导引通道方向上,所述聚焦区域的长度为1mm~20mm,更优选为3mm~10mm。
虽然图4显示的圆柱形超声换能器具有圆柱形的聚焦区域,但是其他几何形状也是可行的。采用半球形换能器或者采用平坦换能器和声学镜片可形成椭圆形聚焦区域。对于此种聚焦几何形状,可以采用多个RF电极,让RF电极和超声换能器交错成一维或二维结构。
根据本发明的其他优选实施方式,所述超声换能器可选地且优选地由冷却单元进行冷却,所述冷却单元可选地含有本领域内已知的并易由本领域普通技术人员构建和/或选择的一个或多个任意的冷却机构,其包括但不局限于散热片、TEC(热电冷却器)和/或其他冷却器(如以冷冻液(包括但不局限于水、乙醇、油或其组合)为特征的冷却器)。所述散热片本身可选为风冷,但作为另外一种选择,可优选为通过液体如水进行冷却。所述散热片可选地购买自各家供应商,如ThermaFlo Inc.,(NewburyPark,California,USA),这仅仅是举例而并非旨在进行限制。所述TEC可选地购买自各家供应商,如Marlow Industries,Inc.(Dallas,TX,USA),这仅仅是举例而并非旨在进行限制。
Claims (22)
1.一种在皮下区域产生导引电流通道的非侵入性处理皮肤的系统,所述系统包括:
(a)一种或多种超声换能器,所述超声换能器构成为将超声能聚焦在所述皮肤里的一个或多个聚焦区域并对所述一个或多个聚焦区域加热;
(b)一对或多对射频电极,所述射频电极构成为将射频能输送至所述加热聚焦区域;
(c)控制单元,该控制单元构成为对所述系统起到如下至少一种的监测和控制的功能:
测定所述射频电极间的电阻抗;
根据所述电阻抗的测定,测定在所述加热聚焦区域附近的温度分布;
根据所述电阻抗的测定,决定处理参数;
开动一个或多个所述超声换能器以加热一个或多个聚焦区域,并建立一个引导电流通道;
施加射频电压以引导射频电流进入所述一个或多个加热的聚焦区域。
2.如权利要求1所述的系统,其中所述控制单元进一步构造为:
(a)将所述一个或多个超声换能器开动第一预定量的时间,以及
(b)将射频电压施加在所述射频电极上第二预定量的时间。
3.如权利要求1所述的系统,其中所述射频电极产生的电场与所述超声换能器的聚焦区域一致。
4.如权利要求1所述的系统,其中在将超声能施用于所述皮肤的一个或多个聚焦区域后,立即向该相同的聚焦区域施用射频能。
5.如权利要求2所述的系统,其中所述射频电极构成为产生至少一个与所述超声能在间隔和时间上相匹配的电场。
6.如权利要求5所述的系统,其中由所述射频电极产生的匹配的电场间隔与超声换能器的聚焦区域一致。
7.如权利要求5所述的系统,其中所述时间匹配是向皮肤施用超声能的时间和施用射频能的时间之间的匹配。
8.如权利要求1所述的系统,其中所述射频的参数为选自所述射频电压的频率、所述射频电压的强度和所述射频能的持续时间中的至少一个参数。
9.如权利要求8所述的系统,其中所述射频能为100KHz~100MHz。
10.如权利要求8所述的系统,其中所述超声能具有500KHz~50MHz的频率。
11.如权利要求1所述的系统,其中所述超声换能器构造为将超声能聚焦在位于所述皮肤的真皮层中的一个或多个聚焦区域。
12.如权利要求1所述的系统,该系统进一步包括用于冷却所述皮肤表面的冷却系统。
13.如权利要求1所述的系统,该系统进一步包括施加器,所述施加器构成为施加在所述皮肤表面上,并含有所述超声换能器和所述射频电极。
14.如权利要求13所述的系统,其中至少一对射频电极和至少一个超声换能器包含在施加器中,在该施加器中至少一个超声换能器位于一对射频电极之间,构造成在所述超声加热的皮肤区域的纵向方向上产生电流。
15.如权利要求1所述的系统,其中一个或多个所述聚焦区域位于所述皮肤表面以下0.2mm~5mm之间。
16.如权利要求15所述的系统,其中一个或多个所述聚焦区域位于所述皮肤表面以下0.2mm~2mm之间。
17.如权利要求1所述的系统,其中一个或多个所述聚焦区域的横向宽度为0.05mm~1mm。
18.如权利要求17所述的系统,其中一个或多个所述聚焦区域的横向宽度为0.1mm~0.3mm。
19.如权利要求1所述的系统,其中聚焦区域之间的横向间隔为0.3mm~3mm。
20.如权利要求19所述的系统,其中聚焦区域之间的横向间隔为0.5mm~1mm。
21.如权利要求1所述的系统,其中在所述射频电极之间的所述聚焦区域的长度为1mm~20mm。
22.如权利要求21所述的系统,其中在所述射频电极之间的所述聚焦区域的长度为3mm~10mm。
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