Abstract
La structure des tissus en couches électriques modifie considérablement la distribution du courant de radiofréquence (RF) dans le derme et dans le tissu adipeux sous-cutané par rapport à celle dans un milieu homogène. Sur la base d’un modèle simple de distribution du courant RF dans une peau à deux couches contenant le derme et le sous-cutané, nous évaluons l’influence de l’épaisseur du derme sur la densité du courant dans les différentes couches de la peau. À conditions égales, la densité de courant dans le derme est plus élevée pour la peau dont le derme est plus mince. Cela contredit le principal paradigme de la théorie de la radiofréquence, selon lequel les résultats du traitement dépendent principalement de la température maximale atteinte dans un tissu cible, puisque les meilleurs résultats cliniques à court et à long terme de l’application de la radiofréquence à la peau ont été signalés dans les zones ayant un derme plus épais. Pour résoudre cette contradiction, il est proposé que l’effet à long terme des RF puisse être obtenu par une modification structurelle du dépôt de graisse sous-cutanée adjacent à la zone cutanée traitée. La stimulation de ces cellules situées près de l’interface derme/sous-cutané exigera la concentration de l’énergie RF appliquée dans cette zone et nécessitera la disposition optimale des électrodes RF sur la surface de la peau.
1. Introduction
L’application d’un courant de radiofréquence (RF) sur la peau était censée pouvoir moduler ses propriétés mécaniques et par conséquent améliorer la laxité cutanée. Théoriquement, cet effet était lié à un réchauffement par effet Joule du derme entraînant des changements de conformation dans son réseau de collagène (effet dit de « rétraction du collagène ») ainsi qu’à une stimulation de la production de collagène de novo induite par une température élevée.
L’amélioration de la structure de la peau du visage après l’application du courant RF a été démontrée dans différentes études cliniques, bien que les résultats observés varient selon les zones du visage. Par exemple, le principal résultat rapporté après l’application d’un courant RF monopolaire était l’amélioration de la laxité modérée des joues ainsi que des plis nasogéniens et mésogéniens ; dans le même temps, la laxité de la peau de la zone sous-mandibulaire et de la partie supérieure du cou s’est considérablement détériorée après le même traitement. Ainsi, différentes sous-zones du visage chez le même sujet montrent des améliorations diverses après le même traitement RF.
Les particularités de la distribution du courant RF dans la peau sont déterminées par différents paramètres externes, parmi lesquels le type et la disposition spatiale des électrodes RF, ainsi que par certaines caractéristiques internes de la zone cible et par les caractéristiques électriques des voies de transmission des électrodes à la cible. Alors que les paramètres externes peuvent généralement être contrôlés de manière fiable, les caractéristiques internes peuvent présenter de fortes variations intersujets et interrégionales. Une propriété interne importante de la peau influençant significativement la distribution du courant RF est sa structure en couches avec des interfaces distinctes entre les milieux ayant des caractéristiques électriques différentes .
Du point de vue électrique, les interfaces les plus importantes sont la couche cornée/peau viable et le derme/tissu adipeux blanc sous-cutané (sWAT). L’interface suivante sWAT/muscle est normalement très éloignée de l’interface derme/sWAT et son influence sur la distribution du courant dans le derme peut être négligée en première approximation. Une telle structure de la peau devrait entraîner la concentration du courant dans le tissu ayant la plus grande conductivité électrique (le derme) et réduire sa pénétration dans le TASM qui est beaucoup plus résistant électriquement. Cet effet peut même dominer les particularités de la distribution du courant produites par une disposition spatiale différente des électrodes sur la surface de la peau, diminuant ainsi efficacement l’influence des paramètres externes sur le résultat du traitement.
Supposant que l’élévation locale de la température est la raison principale de la modulation mécanique de la peau observée après l’application du courant RF et tenant compte du fait que cette élévation est quadratiquement dépendante de la densité de courant locale , l’impact du courant RF sur la peau devrait être amélioré pour la configuration des électrodes RF fournissant les densités de courant optimales dans une structure cible prédéfinie. Une telle disposition optimale des électrodes RF tenant compte de la structure stratifiée de la peau peut s’écarter sensiblement de la configuration correspondante des mêmes électrodes placées à la surface d’un milieu homogène et elle est très différente des configurations habituellement utilisées dans les applications cliniques. Une configuration non optimale des électrodes RF peut réduire plusieurs fois la densité de courant dans la zone cible, diminuant ainsi considérablement l’effet de chauffage souhaité.
L’épaisseur du derme (DT) est le paramètre d’échelle universel de la peau électriquement stratifiée . Toutes les autres caractéristiques spatiales du système, par exemple la distance entre les électrodes, peuvent être mesurées dans les unités de DT. On peut supposer que les variations du DT peuvent fortement influencer la distribution du courant et sont principalement responsables des variations observées entre les zones et les sujets dans les résultats cliniques. L’objectif principal de cet article était d’analyser comment les variations du DT peuvent influencer la distribution du courant dans la peau et de comparer ces résultats théoriques avec les résultats des applications de courant RF sur les zones du corps ayant différentes valeurs de DT.
2. Variations de l’épaisseur du derme facial
Les informations sur les variations régionales, sexuelles et en fonction de l’âge du DT sont contradictoires. On sait que les valeurs absolues de la DT dépendent du fait que la procédure de mesure est différente in vitro et in vivo, alors que les valeurs de la DT déterminées in vitro étaient censées être plus grandes que les valeurs correspondantes mesurées in vivo . Il a également été démontré que le DT dans la même zone corporelle peut varier de manière significative avec l’âge et le degré de photodommages .
L’épaisseur de la peau faciale chez les cadavres adultes démontre de fortes variations spatiales étant en moyenne plus grande dans les zones des joues et du menton et plus petite dans le cou . Par exemple, chez , le DT dans le cou variait dans la gamme (0,25 mm, 0,80 mm), tandis qu’il variait dans la gamme (0,57 mm, 1,62 mm) dans l’éminence malaire et (1,04 mm, 1,20 mm) dans la zone des joues. Des mesures de minuties beaucoup plus nombreuses sur 45 cadavres (27 hommes et 18 femmes) ont fourni des épaisseurs de mm pour les zones non ridées de la peau, alors que toute la gamme des valeurs mesurées était de (0,35 mm, 1,65 mm) . Les valeurs de DT dans les zones ridées chez les mêmes sujets étaient de mm avec une fourchette de (0,12 mm, 1,74 mm). Contrairement à ces résultats, les mesures de l’épaisseur de la peau avec des ultrasons à 20 MHz in vivo ont fourni des valeurs moyennes de DT d’environ 1,6 mm dans la zone des joues et de plus de 2,5 mm au niveau du menton .
Les variations entre les sujets pour les mêmes sous-zones du visage sont également élevées. Selon , les valeurs individuelles de DT dans la zone de l’éminence malaire mesurées chez trois cadavres étaient de mm, mm et mm, respectivement. Le DT moyen pour les trois sujets était de mm, ce qui démontre que le coefficient de variation élevé obtenu dans cette étude était principalement dû à de fortes variations intra-sujet. En même temps, le coefficient de variation pour le profil du DT dans la même sous-zone faciale était suffisamment faible, étant pour les sujets uniques d’environ 3-7%. Ainsi, en première approximation, les variations du profil d’épaisseur de la peau à l’intérieur d’une même sous-zone du visage peuvent être négligées, mais ces variations doivent être prises en compte si les différentes sous-zones d’un même sujet ou si différents sujets sont considérés. Si de telles variations du DT peuvent influencer de manière significative la distribution du courant et l’élévation de température correspondante dans la peau, les valeurs absolues du DT dans une zone faciale donnée devraient être en corrélation avec l’efficacité observée du traitement RF.
3. Effet du DT sur la distribution du courant RF dans la peau
Pour déterminer comment la distribution du courant dans une peau stratifiée dépend du DT, nous allons d’abord considérer l’électrode de courant monopolaire placée sur la surface de la peau. La couche de stratum corneum de la peau étant très mince, son influence sur la distribution du courant dans le derme sera négligée. La peau est un diélectrique à pertes, et donc le potentiel électrique produit dans une structure électriquement stratifiée peut être trouvé comme une solution de l’équation de Poisson prenant en compte les propriétés diélectriques ainsi que la polarisation des interfaces entre les couches. Pour résoudre ce problème analytiquement, une approximation dans laquelle cette polarisation est négligée sera considérée ; cette approximation prend en compte les radiofréquences pour lesquelles la peau est principalement conductrice d’électricité. Par conséquent, les courants de conduction dans les couches cutanées simples doivent être beaucoup plus importants que les courants de déplacement correspondants, c’est-à-dire, où est la fréquence du courant, est la conductivité électrique à la fréquence , est la permittivité de l’espace libre, et est la permittivité relative du tissu à la fréquence . Cela réduit l’équation de Poisson à l’équation de Laplace : où est le vecteur-rayon et est la conductivité électrique locale du tissu cible qui dépend de la fréquence du courant, . De plus, nous considérerons la peau comme une structure à deux couches avec une frontière plane, isotrope et homogène entre le derme et la sous-couche située parallèlement à la surface de la peau. Bien qu’un tel modèle soit une simplification, il donne la possibilité d’analyser l’influence du DT sur la distribution du courant dans la peau.
La densité de courant locale, , peut être trouvée à partir de l’équation suivante :
L’équation (1) peut être facilement résolue pour l’électrode ponctuelle placée au sommet d’un milieu stratifié sous une forme intégrale écrite en coordonnées cylindriques . Dans cette géométrie, chaque point de la peau peut être décrit par l’ensemble de trois paramètres , où est la distance radiale de l’électrode RF, est la profondeur dans la peau, et est l’azimut. Si la source de courant monopolaire ponctuelle est placée sur l’axe polaire et que le milieu adjacent peut être considéré comme isotrope, la distribution des potentiels sera indépendante de . Les potentiels électriques dans le derme et dans le sWAT produits par une électrode RF ponctuelle monopolaire placée sur la surface de la peau et délivrant le courant total dans la peau peuvent être présentés en coordonnées cylindriques sous forme intégrale : où est l’épaisseur du derme ; est le coefficient de réflexion du courant à l’interface derme/sWAT, ; et sont les conductivités électriques du derme et du sWAT, respectivement ; et est la fonction de Bessel d’ordre zéro. Dans (3) et (4), l’indice fait référence au derme, au sous-cutané et au courant monopolaire, respectivement.
D’après (3) et (4), la distribution du potentiel électrique dans la peau dépend du coefficient de réflexion , qui varie avec la structure morphologique et l’état physiologique du derme et du sWAT et qui est un paramètre dispersif. Par exemple, pour un courant RF de , la conductivité électrique de la peau viable est d’environ , alors que la conductivité électrique moyenne du sWAT est d’environ . Ainsi, la valeur « physiologique » de pour cette interface est d’environ 0,905 . Une augmentation de deux fois de la même valeur de réduira à environ 0,800 ; une réduction de deux fois augmentera jusqu’à 0,950.
D’après (2) et (4), les composantes radiale, , et verticale, , de la densité de courant dans le sWAT peuvent être présentées comme des indicesIn et , et se réfèrent aux composantes radiale et verticale de la densité de courant et l’indice se réfère à la structure stratifiée de la peau. Les composantes correspondantes des densités de courant dans un milieu homogène sont
Pour comparer les composantes verticales du courant RF monopolaire à la même profondeur sous l’électrode () dans le sWAT dans les peaux stratifiées et homogènes, nous considérerons le rapport suivant :
At , le rapport des densités de courant dans la peau stratifiée et homogène à (correspondant à l’emplacement de l’interface derme/sWAT) est . Puisque décrit le courant RF traversant l’interface derme/sWAT et entrant dans le sous-cutané à , on peut conclure que, dans des conditions « physiologiques » (), la distribution du courant près de l’interface derme/sWAT est modifiée de telle sorte qu’environ 9 fois moins de courant RF entrera dans le sWAT sous l’électrode RF monopolaire dans une peau stratifiée que dans un milieu homogène. A , ce rapport sera de , respectivement. On constate que l’écart de la distribution du courant dans la peau stratifiée par rapport à sa distribution dans un milieu homogène augmente rapidement avec .
4. Effet du DT sur la densité de courant RF à l’interface derme/sWAT
Pour évaluer l’influence du DT sur la densité de courant RF à l’interface derme/sWAT, considérons la configuration bipolaire des électrodes RF sur la peau. Le potentiel électrique produit par des électrodes bipolaires est la somme des potentiels de deux électrodes monopolaires, en tenant compte du fait que les potentiels produits par des électrodes uniques dans une configuration bipolaire ont des signes opposés.
La composante radiale de la densité de courant bipolaire dans le derme à la profondeur sous la peau pour peut être trouvée à partir de (5):où et sont les densités de courant dans la peau stratifiée et homogène, respectivement, et l’indice se réfère à un courant bipolaire. A partir de (9), on peut facilement voir que, pour la distance fixe entre les électrodes et à la profondeur fixe sous la peau, la densité de courant locale dans la peau stratifiée diminue rapidement avec . Ainsi, le derme plus mince devrait démontrer la plus grande concentration de courant RF par rapport à celui plus épais.
Considérons maintenant les composantes radiales des densités de courant RF à l’interface derme/sWAT pour le derme d’une épaisseur simple () et double (). D’après (9), le rapport entre la densité de courant à cette interface dans la peau ayant l’épaisseur et la densité de courant correspondante dans la peau ayant l’épaisseur 2d est de , respectivement. Ainsi, avec l’augmentation de la distance entre les électrodes RF, l’influence de DT sur la distribution du courant près de l’interface derme/épaisseur sera réduite. Cependant, pour la petite distance , correspondant à la configuration optimale des électrodes fournissant la plus grande densité de courant possible, l’influence de DT est très forte.
Puis nous allons considérer la fraction du courant RF qui traverse l’interface derme/sWAT. Comme il a été montré dans , pour une électrode RF monopolaire, dans un milieu électriquement homogène (), 50% du courant RF circule dans le sWAT à travers le cercle de rayon . Dans un tissu stratifié avec un coefficient de réflexion de ce rayon devrait être d’environ . Cela signifie que l’entrée de 50% du courant RF dans le sWAT dans la peau stratifiée sera répartie sur la surface qui est environ 184 fois plus grande que la surface correspondante dans un milieu homogène. En d’autres termes, le courant RF dans un milieu stratifié est fortement redistribué et entre dans sWAT non pas directement sous l’électrode RF, mais loin de celle-ci. Il est important de noter que le rayon caractéristique de la surface collectant le courant RF est proportionnel à DT. Si l’on double la valeur de DT, la surface collectant la même quantité de courant RF sera multipliée par quatre, ce qui réduit considérablement l’effet de chauffage près de l’interface. De plus, le rayon caractéristique de la surface collectant le courant RF dépend fortement du coefficient de réflexion et de la configuration RF (monopolaire ou bipolaire).
5. Discussion
La distribution du courant RF dans la peau dépend de sa structure électrique en couches et peut s’écarter significativement de la distribution correspondante dans un milieu homogène. Deux paramètres physiques internes de la peau qui peuvent fortement influencer cette distribution sont (1) l’épaisseur du derme et (2) le coefficient de réflexion du courant à l’interface derme/sWAT, qui décrit la différence de propriétés électriques de deux milieux adjacents.
Les variations de DT peuvent moduler significativement la distribution du courant dans le derme ainsi que sa pénétration dans le sWAT. Par exemple, dans le cas de la peau ayant les épaisseurs de 1 mm et 2 mm et pour la même distance entre les électrodes RF de L = 10 mm, le rapport des densités de courant dans la peau plus épaisse/plus fine à l’interface derme/sWAT dans notre modèle sera d’environ 0,546. Comme l’élévation de la température locale est proportionnelle au carré de la densité de courant, la température induite en ce point dans la peau plus épaisse ne sera que de 29,8 % de sa valeur dans la peau plus fine. Cela démontre clairement que dans une peau électriquement stratifiée, le courant RF est nettement plus concentré dans le derme le plus fin que dans le plus épais et doit par conséquent produire un échauffement plus fort dans une peau plus fine. Ce résultat semble paradoxal, car il ne confirme pas la corrélation positive entre l’efficacité des applications RF dans différentes zones du visage et leurs valeurs de DT observées dans les études cliniques. En effet, il a été signalé que la zone des joues ayant un DT plus élevé réagissait mieux à la même quantité de courant RF que les zones du cou ou du front ayant un derme plus mince.
Une possibilité de résoudre cette confrontation serait de supposer que ce ne sont pas les densités de courant locales (et donc pas les températures locales), mais plutôt le volume total chauffé (alors qu’avec une température moyenne plus faible dans le cas du derme plus épais) qui est principalement responsable des résultats cliniques observés à court terme après les applications RF. En supposant que l’effet cliniquement observé du courant RF sur la peau soit lié à une modulation du volume du derme, nous pouvons spéculer sur le mécanisme biophysique qui pourrait être principalement impliqué dans ce processus. En général, deux composants de la peau peuvent être responsables de la modulation rapide de son volume, puisqu’ils sont les seuls à occuper des portions significatives de ce tissu. Le premier composant est le collagène dermique, qui, sous l’effet de températures élevées, peut changer de volume par dénaturation (rétraction) ou par augmentation de sa quantité (production de collagène de novo). Ce mécanisme a été critiqué dans . Le deuxième composant de la peau qui peut réagir rapidement au courant RF est l’eau dont le contenu dépend fortement de la concentration locale des glycosaminoglycanes et surtout de l’hyaluronan (HA). Il est connu que l’hyperthermie légère d’environ 42°C peut déjà augmenter de manière significative la production d’HA dans un tissu cible. Une telle production endogène d’HA conduit à une accumulation locale d’eau dans le derme. En effet, il a été démontré que le derme réticulaire du porc réagit à l’application d’un courant RF en formant un œdème de courte durée. Cet effet se manifeste par une augmentation de la turgescence de la peau, ce qui peut expliquer l’amélioration de la texture de la peau immédiatement après les traitements par RF. Une telle modification de la structure de la peau devrait être observée par des températures significativement plus basses que celles qui sont nécessaires pour la rétraction du collagène.
Alors que l’accumulation rapide d’HA peut expliquer les résultats à court terme observés après les traitements RF, cet effet ne peut être responsable d’aucun résultat clinique à long terme qui a également été revendiqué. La cible potentielle qui peut être impliquée dans l’amélioration à long terme des paramètres mécaniques de la peau est le sWAT, en particulier sa couche superficielle. Ce dépôt graisseux spécial contient les adipocytes qui ont la capacité de modifier rapidement leur nombre et leur volume et peuvent donc influencer suffisamment l’apparence de la peau. Les adipocytes de cette couche peuvent réagir rapidement à l’application de différents facteurs physiques.
La réaction du sWAT aux courants RF doit être généralement liée à une modification de la matrice extracellulaire dans le sWAT contenant différentes structures de collagène. Les conductivités électriques des collagènes sont beaucoup plus élevées que la conductivité électrique des triglycérides remplissant les adipocytes et occupant le volume principal du sWAT. Cette différence de conductivité électrique entraîne une concentration du courant RF dans des réseaux de collagène relativement fins situés autour (fibrose péricellulaire) ou entre (fibrose intercellulaire) des adipocytes individuels. Une telle concentration de courant RF fournira des densités de courant suffisamment élevées dans les structures collagéniques du sWAT, même dans le cas où la majeure partie du courant RF sera réfléchie et où seule une petite partie traversera la limite derme/sous-derme, comme cela a été décrit dans le modèle ci-dessus.
Très récemment, il a été montré que les structures anatomiques du tissu adipeux dans les différents compartiments graisseux du visage peuvent varier de manière significative . Par exemple, le compartiment adipeux labial caractérisé par un type « fibreux » de sWAT contient les petits groupes d’adipocytes matures noyés dans une matrice de collagène dense ; le compartiment malaire, ayant un type « structurel » de sWAT, contient les lobules d’adipocytes matures recouverts de manière homogène par de fines fibres de collagène. Bien que cette question n’ait pas fait l’objet d’une étude systématique, certains éléments indiquent que l’épaisseur du derme local est en corrélation avec la structure de la sWAT adjacente. Ainsi, un derme plus épais dans la zone labiale est en corrélation avec un type de WAT « fibreux » dans le compartiment adjacent du sWAT. D’autre part, un derme plus mince dans la zone malaire est en corrélation avec un type « structurel » du dépôt d’eau souterraine adjacent. Étant donné que le TAS de type « fibreux » contient beaucoup plus de structures fibrotiques que le TAS « structurel », la zone labiale devrait présenter un échauffement moindre dans le derme ; cependant, un échauffement plus fort dans le TAS adjacent devrait conduire au renforcement des structures fibrotiques dans ce tissu et donc à la modification des propriétés mécaniques et de l’apparence de la peau adjacente. Ce mécanisme peut résoudre les contradictions entre les effets biophysiques des courants RF et les résultats cliniques observés ; cependant, il déplace clairement les cibles des courants RF dans les applications esthétiques du derme vers la matrice extracellulaire dans le sWAT.
Récemment, il a été montré dans une conception contralatérale qu’un prétraitement avec un courant RF améliore l’efficacité et la longévité des produits de remplissage à base de HA par rajeunissement du visage moyen . Cela correspond à la théorie proposée dans , qui expliquait les effets à long terme des produits de comblement des tissus mous par la stimulation de la prolifération et de la différenciation des cellules souches dérivées de l’adipose ainsi que par la modification locale de la structure du tissu adipeux.
On peut donc supposer qu’une amélioration cutanée à long terme observée après une application de RF sur la peau est liée à une modification structurelle locale du sWAT induite par le courant RF. Cet effet devrait être fortement dépendant de la densité de courant RF près de l’interface derme/sWAT, qui définira la partie du courant RF pénétrant dans le sWAT. En même temps, les températures seuils supérieures à 60°C qui étaient censées être suffisantes pour les résultats cliniques à long terme après des applications RF basées sur la théorie de la rétraction du collagène ne sont pas nécessaires pour la modification structurelle de la structure du TAS. Ceci est indirectement soutenu par les observations cliniques selon lesquelles le traitement de la même zone du visage avec une faible énergie RF appliquée en plusieurs passes peut fournir des résultats encore meilleurs que l’application d’une énergie RF élevée en une seule passe .
6. Conclusion
La structure des tissus en couches électriques modifie de manière significative la distribution du courant dans le derme et le sWAT par l’application monopolaire et bipolaire du courant RF. Comme l’épaisseur du derme varie considérablement dans les différentes zones du visage, cet effet doit conduire à une distribution spatiale fortement inhomogène de la densité de courant. Une telle inhomogénéité du courant entraînera une inhomogénéité encore plus importante du champ de température induit. Cet effet contredit le paradigme principal de la théorie de la RF selon lequel les résultats du traitement dépendent principalement de la température maximale dans un tissu cible, puisque les meilleurs résultats cliniques à court et à long terme de l’application de la RF ont été rapportés dans les zones où le derme est le plus épais. Pour résoudre cette contradiction, nous proposons que le principal effet à court terme de l’application de RF soit lié à l’accumulation de hyaluronan et d’eau dans le derme, ce qui doit rendre l’effet du courant RF sur la peau beaucoup moins dépendant de la température comme on le supposait auparavant. On suppose en outre que l’effet à long terme de la RF est réalisé par la modification structurelle du dépôt de graisse sous-cutanée adjacent à la zone cutanée traitée.
Les variations de DT peuvent influencer de manière significative la distribution du courant et donc les profils de température dans le derme et le sWAT. Pour assurer la modification structurelle du dépôt de sWAT adjacent, l’énergie RF doit être concentrée de manière optimale à l’interface derme/sous-derme. Cette optimisation dépend principalement de la configuration des électrodes RF. En tenant compte du fait que le DT peut varier de 4 à 8 fois entre les différentes zones du visage, il est très douteux que le traitement RF optimal du visage entier puisse être fourni avec une seule configuration fixe des électrodes RF.
Intérêts concurrents
Le Dr. I. L. Kruglikov est l’associé gérant de Wellcomet GmbH. Aucune méthode ou dispositif de Wellcomet GmbH n’a été utilisé dans cet article.