Abstract
Elektriskt skiktade vävnadsstrukturer ändrar avsevärt fördelningen av radiofrekventa (RF) strömmar i dermis och i den subkutana fettvävnaden jämfört med den i ett homogent medium. Med utgångspunkt i en enkel modell för RF-strömsfördelning i en tvåskiktad hud som innehåller dermis och subcutis bedömer vi hur dermaltjockleken påverkar strömtätheten i olika hudskikt. Under andra likvärdiga förhållanden är strömtätheten i dermis högre för hud med tunnare dermis. Detta motsäger RF-teorins huvudparadigm att behandlingsresultaten huvudsakligen beror på den maximala temperatur som uppnås i målvävnaden, eftersom de bästa kliniska resultaten på kort och lång sikt av RF-applikation på huden har rapporterats i områden med tjockare dermis. För att lösa denna motsättning föreslås att den långsiktiga effekten av RF kan uppnås genom en strukturell förändring av det subkutana fettdepån i anslutning till det behandlade hudområdet. Stimulering av dessa celler som är belägna nära gränssnittet mellan dermis och subcutis kommer att kräva att den applicerade RF-energin koncentreras till detta område och kräver ett optimalt arrangemang av RF-elektroder på hudytan.
1. Introduktion
Användning av radiofrekvent (RF) ström på huden antogs kunna modulera dess mekaniska egenskaper och följaktligen förbättra hudens slapphet. Teoretiskt sett var denna effekt kopplad till en Joule-uppvärmning av dermis som leder till konformationsförändringar i dess kollagennätverk (s.k. kollagenkrympningseffekt) samt till stimulering av kollagenproduktionen de novo som induceras av förhöjd temperatur.
Förbättring av ansiktshudens struktur efter applicering av RF-ström har påvisats i olika kliniska studier , även om de observerade resultaten varierade i olika ansiktsområden. Det viktigaste resultatet som rapporterades efter applicering av monopolär RF-ström var till exempel förbättring av måttlig slapphet i kinderna samt nasolabiala och mesolabiala veck, samtidigt som submandibulära och övre halskantens hudslaxitet uppvisade betydligt sämre förbättringar efter samma behandling. Således uppvisar olika delområden i ansiktet hos samma försöksperson olika förbättringar efter samma RF-behandling.
Den speciella fördelningen av RF-strömmen i huden bestäms av olika externa parametrar, bland annat typen och den rumsliga placeringen av RF-elektroder, samt av vissa interna egenskaper hos målområdet och av de elektriska egenskaperna hos vägarna från elektroderna till målet. Medan de yttre parametrarna i allmänhet kan kontrolleras på ett tillförlitligt sätt, kan de inre egenskaperna uppvisa starka variationer mellan olika försökspersoner och mellan olika områden. En viktig intern egenskap hos huden som i hög grad påverkar RF-strömsfördelningen är dess skiktade struktur med tydliga gränsytor mellan medier med olika elektriska egenskaper.
Från elektrisk synvinkel är de viktigaste gränsytorna stratum corneum/livskraftig hud och dermis/subkutan vit fettvävnad (sWAT). Nästa gränssnitt sWAT/muskel ligger normalt långt från gränssnittet dermis/sWAT och dess påverkan på strömfördelningen i dermis kan försummas i första approximationen. En sådan hudstruktur bör leda till att strömmen koncentreras till den vävnad som har den högsta elektriska ledningsförmågan (dermis) och minska dess penetration i sWAT som är mycket mer elektriskt resistiv . Denna effekt kan till och med dominera över de särdrag i strömfördelningen som uppstår genom olika rumsliga arrangemang av elektroderna på hudytan, vilket effektivt minskar de externa parametrarnas inflytande på behandlingsresultatet.
Självklart är den lokala temperaturhöjningen den huvudsakliga orsaken till den observerade mekaniska hudmoduleringen efter applicering av RF-ström och om man tar hänsyn till att denna höjning är kvadratiskt beroende av den lokala strömtätheten, så bör RF-strömmens inverkan på huden förbättras genom att RF-elektroderna konfigureras på ett sådant sätt att de ger en optimal strömtäthet i en fördefinierad målstruktur. Ett sådant optimalt arrangemang av RF-elektroder som tar hänsyn till den skiktade hudstrukturen kan avvika avsevärt från motsvarande konfiguration av samma elektroder placerade på ytan av ett homogent medium och skiljer sig mycket från de konfigurationer som vanligtvis används i kliniska tillämpningar . En icke-optimal konfiguration av RF-elektroder kan minska strömtätheten i målområdet flera gånger, vilket avsevärt minskar den önskade uppvärmningseffekten.
Dermistjocklek (DT) är den universella skalparametern för elektriskt skiktad hud . Alla andra rumsliga egenskaper hos systemet, t.ex. avståndet mellan elektroderna, kan mätas i enheter av DT. Man kan anta att variationer i DT starkt kan påverka strömfördelningen och att de är huvudansvariga för de observerade variationerna mellan olika områden och mellan olika försökspersoner i de kliniska resultaten. Huvudsyftet med denna artikel var att analysera hur DT-variationer kan påverka strömfördelningen i huden och att jämföra dessa teoretiska resultat med resultaten av RF-strömtillämpningar på kroppsområden med olika DT-värden.
2. Variationer i ansiktsdermisens tjocklek
Informationen om regionala, sexuella och åldersberoende variationer i DT är motsägelsefull. Det är känt att de absoluta värdena för DT är beroende av att mätförfarandet skiljer sig åt in vitro och in vivo, medan de DT-värden som bestämts in vitro påstods vara större än motsvarande värden som uppmätts in vivo . Det har också visats att DT i samma kroppsområde kan variera avsevärt med ålder och graden av fotoskada.
Hudtjockleken i ansiktet hos vuxna kadaver uppvisar starka rumsliga variationer och är i genomsnitt större på kinden och hakan och mindre på halsen. Till exempel varierade DT i nacken i intervallet (0,25 mm, 0,80 mm), medan den varierade i intervallet (0,57 mm, 1,62 mm) i malar eminence och (1,04 mm, 1,20 mm) i kindområdet. Mycket mer minutiösa mätningar på 45 kadaver (27 män och 18 kvinnor) gav en tjocklek på mm för de icke-rynkiga hudområdena, medan hela intervallet för de uppmätta värdena var (0,35 mm, 1,65 mm) . Värdena för DT i rynkorna hos samma försökspersoner var mm med ett intervall på (0,12 mm, 1,74 mm). I motsats till dessa resultat gav mätningarna av hudens tjocklek med 20 MHz ultraljud in vivo genomsnittliga DT-värden på cirka 1,6 mm i kindområdet och mer än 2,5 mm på hakan.
Variationerna mellan försökspersonerna för samma delområden i ansiktet är också stora. Enligt , var de individuella DT-värdena i området för malar eminence som uppmättes hos tre kadaver mm, mm och mm, motsvarande. Det genomsnittliga DT-värdet för alla tre försökspersoner var mm, vilket visar att den höga variationskoefficienten som erhölls i denna studie huvudsakligen orsakades av starka variationer inom ett ämne. Samtidigt var variationskoefficienten för DT-profilen i samma delområde i ansiktet tillräckligt låg och var för enskilda försökspersoner cirka 3-7 %. I en första approximation kan variationerna i hudtjockleksprofilen inom samma delområde i ansiktet försummas, men dessa variationer bör beaktas om olika delområden i en och samma försöksperson eller om olika försökspersoner beaktas. Om sådana variationer av DT kan påverka strömfördelningen och motsvarande temperaturhöjning i huden på ett betydande sätt bör de absoluta DT-värdena i ett visst ansiktsområde korrelera med den observerade effektiviteten av RF-behandlingen.
3. Effekten av DT på RF-strömfördelningen i huden
För att fastställa hur strömfördelningen i en skiktad hud beror på DT, kommer vi först att betrakta den monopolära strömelektroden som placeras på hudytan. Eftersom hudlagret stratum corneum är mycket tunt kommer dess påverkan på strömfördelningen i dermis att försummas. Huden är ett dielektriskt material med förluster, och därför kan den elektriska potential som produceras i en elektriskt skiktad struktur hittas som en lösning av Poisson-ekvationen som tar hänsyn till de dielektriska egenskaperna samt polariseringen av gränsytorna mellan skikten. För att lösa detta problem analytiskt kommer en approximation där denna polarisering försummas att beaktas; denna approximation tar hänsyn till radiofrekvenser för vilka huden huvudsakligen är elektriskt ledande. Därför måste de ledande strömmarna i enskilda hudlager vara mycket större än motsvarande förskjutningsströmmar, det vill säga , där är strömfrekvensen, är den elektriska ledningsförmågan vid frekvensen , är permittiviteten i det fria rummet och är vävnadens relativa permittivitet vid frekvensen . Detta reducerar Poissonekvationen till Laplaceekvationen :där är radievektorn och är den lokala elektriska ledningsförmågan hos målvävnaden som beror på strömfrekvensen, . Vidare kommer vi att betrakta huden som en tvåskiktsstruktur med en plan, isotrop och homogen gräns mellan dermis och subcutis parallellt med hudytan. Även om en sådan modell är en förenkling ger den möjlighet att analysera DT:s inverkan på strömfördelningen i huden.
Den lokala strömtätheten, , kan hittas från följande ekvation:
Ekvation (1) kan enkelt lösas för punktelektroden som är placerad ovanpå ett skiktmedium i en integralform skriven i cylindriska koordinater . I denna geometri kan varje punkt i huden beskrivas med en uppsättning av tre parametrar , där är det radiella avståndet från RF-elektroden, är djupet i huden och är azimut. Om den monopolära punktströmkällan är placerad på polaxeln och det intilliggande mediet kan betraktas som isotropt, kommer potentialfördelningen att vara oberoende av . Elektriska potentialer i dermis och i sWAT som produceras av en monopolär punkthögfrekvenselektrod som är placerad på hudytan och som levererar den totala strömmen in i huden kan presenteras i cylindriska koordinater i integralform: där är tjockleken på dermis, är reflektionskoefficienten för strömmen vid gränssnittet dermis/sWAT, och är den elektriska ledningsförmågan hos dermis respektive sWAT, och är Bessel-funktionen av ordning noll. I (3) och (4) avser index dermis, subcutis respektive monopolär ström.
Från (3) och (4) är fördelningen av den elektriska potentialen i huden beroende av reflektionskoefficienten , som varierar med den morfologiska strukturen och det fysiologiska tillståndet hos dermis och sWAT och som är en dispersiv parameter. För en RF-ström på , är den elektriska ledningsförmågan hos den livskraftiga huden till exempel cirka , medan den genomsnittliga elektriska ledningsförmågan hos sWAT är cirka . Det ”fysiologiska” värdet av för detta gränssnitt är således ca 0,905 . En ökning av två gånger med samma värde av kommer att minska till ungefär 0,800; en minskning av två gånger kommer att öka upp till 0,950.
Utifrån (2) och (4) kan de radiella, , och vertikala, , komponenterna av strömtätheten i sWAT presenteras somIn och , index och avser de radiella och vertikala komponenterna av strömtätheten och index avser den skiktade hudstrukturen. Motsvarande komponenter av strömtätheterna i ett homogent medium är
För att jämföra de vertikala komponenterna av den monopolära RF-strömmen på samma djup under elektroden () i sWAT i den skiktade och den homogena huden kommer vi att betrakta följande förhållande:
Vid , är förhållandet mellan strömtätheterna i den skiktade och den homogena huden vid (motsvarande platsen för gränssnittet dermis/sWAT) . Eftersom beskriver den RF-ström som passerar gränssnittet dermis/sWAT och kommer in i underhuden vid , kan man dra slutsatsen att under ”fysiologiska” förhållanden () är strömfördelningen nära gränssnittet dermis/sWAT så modifierad att ungefär 9 gånger mindre RF-ström kommer att komma in i sWAT under den monopolära RF-elektroden i en skiktad hud än i ett homogent medium. Vid , kommer detta förhållande att vara , respektive . Det framgår att avvikelsen i strömfördelningen i den skiktade huden från dess fördelning i ett homogent medium snabbt ökar med .
4. Effekten av DT på RF-strömtätheten vid gränssnittet dermis/sWAT
För att bedöma DT:s påverkan på RF-strömtätheten vid gränssnittet dermis/sWAT, låt oss betrakta den bipolära konfigurationen av RF-elektroder på huden. Elektrisk potential som produceras av bipolära elektroder är summan av potentialer från två monopolära elektroder, med hänsyn till att de potentialer som produceras av enskilda elektroder i en bipolär konfiguration har motsatt tecken.
Radialkomponenten av den bipolära strömtätheten i dermis på djupet under huden för kan hittas från (5):där och är strömtätheterna i den skiktade respektive homogena huden, och index hänvisar till en bipolär ström. Av (9) framgår lätt att för det fasta avståndet mellan elektroderna och vid det fasta djupet under huden minskar den lokala strömtätheten i den skiktade huden snabbt med . Således bör den tunnare dermis uppvisa en högre koncentration av RF-ström jämfört med den tjockare.
Låt oss nu jämföra de radiella komponenterna av RF-strömtätheterna vid gränssnittet dermis/sWAT för dermis med enkel () och dubbel () tjocklek. Av (9) framgår att förhållandet mellan strömtätheten vid detta gränssnitt i huden med tjocklek och motsvarande strömtäthet i huden med tjocklek 2d är för , respektive. Med ökat avstånd mellan RF-elektroderna minskar således DT:s inflytande på strömfördelningen nära gränssnittet dermis/sWAT. För det lilla avståndet , som motsvarar den optimala elektrodkonfigurationen som ger högsta möjliga strömtäthet , är dock DT:s inflytande mycket starkt.
Nästan kommer vi att undersöka hur stor del av RF-strömmen som går tvärs över gränssnittet dermis/dWAT. Som visades i , för en monopolär RF-elektrod, i ett elektriskt homogent medium (), flödar 50 % av RF-strömmen in i sWAT genom cirkeln med radien . I en skiktad vävnad med reflektionskoefficient för denna radie bör denna radie vara ungefär . Det innebär att 50 % av RF-strömmen kommer in i sWAT i den skiktade huden och fördelas över en yta som är ungefär 184 gånger större än motsvarande yta i ett homogent medium. Med andra ord omfördelas RF-strömmen i ett skiktat medium kraftigt och kommer in i sWAT inte direkt under RF-elektroden utan långt ifrån den. Det är viktigt att den karakteristiska radien för den yta som samlar RF-strömmen är proportionell mot DT. En fördubbling av DT-värdet kommer att öka ytan som samlar upp samma mängd RF-ström fyra gånger, vilket avsevärt minskar uppvärmningseffekten nära gränssnittet. Dessutom är den karakteristiska radien för den yta som samlar in RF-strömmen starkt beroende av reflektionskoefficienten och RF-konfigurationen (monopolär eller bipolär).
5. Diskussion
Distributionen av RF-ström i huden är beroende av dess elektriska lagerstruktur och kan avvika avsevärt från motsvarande distribution i ett homogent medium. Två interna fysiska parametrar i huden som starkt kan påverka denna fördelning är (1) dermis tjocklek och (2) strömreflektionskoefficienten vid gränssnittet dermis/sWAT, som beskriver skillnaden i elektriska egenskaper hos två angränsande medier.
Variationer av DT kan avsevärt modulera strömfördelningen i dermis samt dess penetration i sWAT. Till exempel, när huden har tjockleken 1 mm och 2 mm och samma avstånd mellan RF-elektroderna på L = 10 mm, kommer förhållandet mellan strömtätheterna i tjockare/tunnare hud vid gränssnittet dermis/sWAT i vår modell att vara ungefär 0,546. Eftersom den lokala temperaturhöjningen är proportionell mot kvadraten på strömtätheten kommer den inducerade temperaturen vid denna punkt i den tjockare huden att vara endast 29,8 % av dess värde i den tunnare huden. Detta visar tydligt att i elektriskt skiktad hud är RF-strömmen betydligt mer koncentrerad i den tunnare dermis än i den tjockare och att den följaktligen måste ge starkare uppvärmning i en tunnare hud. Detta resultat verkar paradoxalt, eftersom det inte bekräftar den positiva korrelation mellan effektiviteten av RF-applikationer i olika ansiktsområden och deras DT-värden som observerats i kliniska studier. Det rapporterades att kindområdet med större DT reagerade bättre på samma mängd RF-ström än hals- eller pannområdet med tunnare dermis.
En möjlighet att lösa denna motsättning skulle vara att anta att det inte är de lokala strömtätheterna (och därmed inte de lokala temperaturerna), utan snarare den totala uppvärmda volymen (med lägre medeltemperatur när det gäller tjockare dermis) som i första hand är ansvarig för de kliniska resultat som observeras på kort sikt efter RF-applikationer. Om man antar att den kliniskt observerade effekten av RF-strömmar på huden är kopplad till en volymmodulering av dermis, kan man spekulera om vilken biofysisk mekanism som främst kan vara inblandad i denna process. Generellt sett kan två komponenter i huden vara ansvariga för den snabba volymmoduleringen, eftersom endast de upptar betydande delar av denna vävnad. Den första komponenten är det dermala kollagenet, som vid höga temperaturer kan ändra sin volym genom denaturering (krympning) eller genom ökning av dess mängd (kollagenproduktion de novo). Denna mekanism kritiserades i . Den andra komponenten i huden som snabbt kan reagera på RF-ström är vattnet, vars innehåll är starkt beroende av den lokala koncentrationen av glykosaminoglykaner och särskilt av hyaluronan (HA). Det är känt att redan mild hypertermi vid cirka 42 °C kan öka produktionen av HA i en målvävnad avsevärt. En sådan endogen produktion av HA leder till en lokal vattenansamling i dermis. Det har faktiskt visats att den retikulära dermisen hos svin reagerar på applicering av RF-ström med en kortvarig ödembildning . Denna effekt kommer att visa sig i en ökning av hudens turgor, vilket kan förklara den förbättrade hudstrukturen omedelbart efter RF-behandlingar. En sådan förändring av hudens struktur bör observeras vid betydligt lägre temperaturer än de som krävs för kollagenskrympning.
Om en snabb HA-ackumulering kan förklara de kortsiktiga resultat som observerats efter RF-behandlingar, kan denna effekt inte ligga bakom de kliniska resultat på lång sikt som också hävdades. Ett potentiellt mål som kan vara inblandat i den långsiktiga förbättringen av hudens mekaniska parametrar är sWAT, särskilt dess ytliga skikt. Detta speciella fettdepåer innehåller adipocyter som har förmågan att snabbt ändra sitt antal och sina volymer och därmed kan påverka hudens utseende i tillräcklig utsträckning. Adipocyter från detta skikt kan snabbt reagera på applicering av olika fysikaliska faktorer.
Reaktionen av sWAT på RF-strömmar bör i allmänhet vara kopplad till en modifiering av den extracellulära matrisen i sWAT som innehåller olika kollagenstrukturer. Kollagens elektriska ledningsförmåga är mycket högre än den elektriska ledningsförmågan hos triglycerider som fyller adipocyterna och upptar huvudvolymen av sWAT. Denna skillnad i elektrisk ledningsförmåga kommer att leda till en koncentration av RF-strömmen i relativt tunna kollagennätverk runt (pericellulär fibros) eller mellan (intercellulär fibros) enskilda adipocyter. En sådan koncentration av RF-strömmen kommer att ge tillräckligt höga strömtätheter i kollagenstrukturer i sWAT även i det fall där huvuddelen av RF-strömmen kommer att reflekteras och endast en liten del av den kommer att korsa gränsen mellan dermis och subcutis, vilket beskrivs i modellen ovan.
För en mycket kort tid sedan visades att de anatomiska strukturerna hos fettvävnaden i olika fettområden i ansiktet kan variera avsevärt . Till exempel innehåller den labiala fettkammaren som kännetecknas av en ”fibrös” typ av sWAT små grupper av mogna adipocyter som är inbäddade i en tät kollagenmatris; den malära kammaren, som har en ”strukturell” typ av sWAT, innehåller lobulosor av mogna adipocyter som är homogent täckta av tunna kollagenfibrer. Även om denna fråga inte undersöktes systematiskt finns det vissa indikationer på att den lokala dermis-tjockleken korrelerar med strukturen hos den intilliggande sWAT. En tjockare dermis i det labiala området korrelerar alltså med en ”fibrös” typ av WAT i det intilliggande sWAT-området. Å andra sidan korrelerar en tunnare dermis i malarområdet med en ”strukturell” typ av sWAT-depåer i det intilliggande sWAT-depån. Eftersom sWAT av ”fibrös” typ innehåller betydligt mer fibrotiska strukturer än sWAT av ”strukturell” typ bör labialområdet uppvisa mindre uppvärmning i dermis, men en kraftigare uppvärmning i intilliggande sWAT bör leda till att de fibrotiska strukturerna i denna vävnad förstärks och därmed till att den intilliggande hudens mekaniska egenskaper och utseende förändras. Denna mekanism kan lösa motsättningarna mellan de biofysiska effekterna av RF-strömmar och de observerade kliniska resultaten, men den flyttar tydligt målen för RF-strömmar i estetiska tillämpningar från dermis till den extracellulära matrisen i sWAT.
Nyligen visades i en kontralateral design att en förbehandling med RF-strömmar förbättrar effektiviteten och livslängden för HA-baserade fyllmedel vid föryngring av midface . Detta korrelerar med den teori som föreslogs i , som förklarade de långsiktiga effekterna av mjukdelsfyllmedel genom stimulering av proliferation och differentiering av stamceller som härrör från fettvävnad samt genom lokal modifiering av fettvävnadens struktur.
Därmed kan man anta att en långsiktig hudförbättring som observeras efter RF-applikation på huden hänger samman med en lokal strukturell modifiering av sWAT som induceras av RF-strömmen. Denna effekt bör vara starkt beroende av RF-strömtätheten nära gränssnittet dermis/sWAT, vilket kommer att definiera den del av RF-strömmen som penetrerar sWAT. Samtidigt behövs inte de tröskeltemperaturer på över 60 °C som antogs vara tillräckliga för de långsiktiga kliniska resultaten efter RF-tillämpningar baserade på teorin om kollagenkrympning för den strukturella förändringen av sWAT-strukturen. Detta stöds indirekt av kliniska observationer som visar att behandling av samma ansiktsområde med låg RF-energi som appliceras i flera pass kan ge ännu bättre resultat än applicering av hög RF-energi i ett enda pass .
6. Slutsats
Elektriskt skiktad vävnadsstruktur modifierar avsevärt strömfördelningen i dermis och sWAT genom både monopolär och bipolär applicering av RF-ström. Eftersom dermis tjocklek varierar avsevärt i olika ansiktsområden måste denna effekt leda till en starkt inhomogen rumslig fördelning av strömtätheten. En sådan inhomogenitet i strömmen kommer att leda till ännu större inhomogenitet i det inducerade temperaturfältet. Denna effekt motsäger RF-teorins huvudparadigm, enligt vilken behandlingsresultaten huvudsakligen beror på den maximala temperaturen i målvävnaden, eftersom de bästa kliniska resultaten av RF-tillämpning på kort och lång sikt har rapporterats i de områden med den tjockaste läderhuden. För att lösa denna motsägelse föreslår vi att den viktigaste kortsiktiga effekten av RF-applikation är kopplad till ackumulering av hyaluronan och vatten i dermis, vilket måste göra RF-strömmens effekt på huden mycket mindre temperaturberoende än vad som tidigare antagits. Vidare antas att den långsiktiga effekten av RF realiseras genom strukturell modifiering av det subkutana fettdepån i anslutning till det behandlade hudområdet.
Variationer av DT kan väsentligt påverka strömfördelningen och därmed temperaturprofilerna i dermis och sWAT. För att åstadkomma den strukturella modifieringen av intilliggande sWAT-depåer bör RF-energin koncentreras optimalt vid gränssnittet dermis/subcutis. En sådan optimering är huvudsakligen beroende av konfigurationen av RF-elektroderna. Med hänsyn till att DT kan variera 4-8 gånger mellan olika ansiktsområden är det mycket tveksamt om den optimala RF-behandlingen av hela ansiktet kan åstadkommas med en enda fast konfiguration av RF-elektroder.
Konkurrerande intressen
Dr. I. L. Kruglikov är managing partner i Wellcomet GmbH. Inga metoder eller anordningar från Wellcomet GmbH har använts i denna artikel.