一種新型多功能機(jī)電儀器對皮膚橫向硬度定量檢測的初步研究

近四十年，許多無創(chuàng)技術(shù)已應(yīng)用于皮膚病學(xué)或美容皮膚學(xué)領(lǐng)域的臨床評估。這些技術(shù)有助于量化和證實(shí)皮膚病治療以及皮膚護(hù)理方案（皮膚保濕、抗老化、光防護(hù)等）的療效。

針對皮膚的機(jī)械性能，研究者開展了相應(yīng)儀器和方法的研究，旨在記錄皮膚部位和年齡、日光照射、局部外用產(chǎn)品等對皮膚變形阻力（抵抗形變）或彈性（恢復(fù)形變的能力和速度）的影響。因?yàn)檫@些性質(zhì)通常受真皮大分子網(wǎng)絡(luò)（膠原蛋白、彈性蛋白、蛋白聚糖等）及其持水性能的支配，所以這些技術(shù)很快成為了無創(chuàng)評估皮膚組織改變的重要工具。這類儀器大多數(shù)都是基于皮膚標(biāo)準(zhǔn)化的微形變（橫向、四周或縱向）、或扭矩、或垂直沖擊，亦或是使用抽吸裝置產(chǎn)生一個輕微的臨時真空等原理，并通過光電傳感器或應(yīng)變計記錄皮膚在應(yīng)對形變（扭曲、折疊、擠壓、收縮、拉伸）時的阻力及其恢復(fù)時間。此外，可視化技術(shù)（超聲、磁共振成像、共聚焦顯微鏡等）有助于完善這些儀器在結(jié)構(gòu)水平所提供的信息，能夠確定皮膚分層（主要是表皮、真皮乳頭層、真皮網(wǎng)狀層）的相對厚度或可能的結(jié)構(gòu)變化。這兩種方法的結(jié)合，可以更好地確定解剖部位及其可能的變化所傳遞的不同機(jī)械性能。

人體皮膚像一個巨大拼圖，隨身體部位的不同而存在差異。有些部位難以用探頭檢測，因此對皮膚特定部位的檢測需要選擇合適的儀器。探頭的尺寸（太大或太?。┘捌鋷缀卧O(shè)計（平面或曲面）是選擇該檢測儀器的重要因素。以往研究顯示，很難僅用一部儀器檢測所有皮膚區(qū)域。

Khelometer（簡稱“KLM”）主要記錄皮膚抵抗進(jìn)行性橫向壓縮（輕微的壓縮）的應(yīng)力，可根據(jù)檢測的皮膚部位來調(diào)節(jié)其壓縮幅度和速度，也許可以克服上述問題。本研究探索KLM的主要特征（在不同區(qū)域的適用性、校準(zhǔn)、可重復(fù)性、操作者的影響），以及在各種條件下（體外和體內(nèi)）所獲得的檢測結(jié)果。

一、材料和方法

1.KLM簡介：該設(shè)備由兩個活動臂和兩個傳感支架組成，為避免滑動，基底部通過固定的砂紙片與皮膚緊密接觸。測量前，可以根據(jù)所檢測的皮膚部位調(diào)節(jié)活動臂之間的距離，最大值為10 mm，最小值為4 mm。通過電動直流步進(jìn)電機(jī)控制雙臂的橫向運(yùn)動，逐漸夾緊皮膚。夾緊幅度可以是1 mm、2 mm或3 mm（如從10 mm到9 mm、8 mm到7 mm）。雙臂的位移速度為0.2～4 mm/s。與雙臂連接的應(yīng)變計能夠記錄皮膚在抵抗活動臂隨時間位移過程中產(chǎn)生的排斥力（克力，gf，1 gf=9.8× 10?3N）?？刂葡浞謩e與KLM和配有Microsoft?專門軟件的電腦連接，可通過該控制箱調(diào)節(jié)運(yùn)動參數(shù)（速度、幅度），自動記錄并呈現(xiàn)出力隨時間變化的曲線圖。由于排斥力是通過橫向位移和時間記錄的，因此用N/m表示橫向皮膚硬度（lateral skin stiffness,LSS）的系數(shù)。相應(yīng)地，在1 mm或2 mm位移期間被記錄的力（gf）以N/mm表示，換算系數(shù)分別為0.009 8 N/mm和0.004 9 N/mm。

2.儀器的校準(zhǔn)和對皮膚不同部位的適應(yīng)性研究：使用5種不同硬度（等級為9～5 LV，從較軟到較硬）的模擬皮膚物理特性的聚氨酯彈性材料（Bioskin?）進(jìn)行裝置校準(zhǔn)，并通過連續(xù)分析記錄（位移1 mm或2 mm，持續(xù)1～2 s）每種材料的最大排斥力，評估其可重復(fù)性。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)評估KLM在皮膚不同部位的適應(yīng)性并記錄該技術(shù)是否有創(chuàng)（即可能的負(fù)面感知如疼痛、恐懼、擦傷等）。預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，志愿者對KLM活動位移的耐受性良好，且無不良感覺。

3.志愿者：招募213名不同年齡（大于19歲）的健康日本女性，對皮膚不同部位（頭皮、面頰、前臂）進(jìn)行檢測。志愿者均被告知研究目的并簽署知情同意書。所有測量均在23～24℃、相對濕度30%的檢測室內(nèi)進(jìn)行。

4.研究方法：通過4種不同方案評估KLM，確定年齡、日光照射、皮膚部位以及保濕產(chǎn)品對KLM記錄信號的影響。

（1）頭皮部測量：測試140名不同年齡伴或不伴輕度脫發(fā)（Ludwig分類Ⅰ型）的女性志愿者頭皮部橫向皮膚硬度。初始測量顯示，在2 s內(nèi)完成1 mm位移（從10 mm至9 mm）時可以獲得最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并具有可重復(fù)性。

（2）面頰部測量：兩個年齡組（＜25歲組和＞65歲組）女性志愿者（共29名）取平臥位，在距離口角外側(cè)4 cm處的面頰區(qū)域（隨機(jī)選擇）進(jìn)行測量。位移參數(shù)為2 mm/3 s（從10 mm至8 mm）時可以獲得面頰部的可重復(fù)性結(jié)果。

（3）前臂伸側(cè)與屈側(cè)測量：44名不同年齡（18～68歲）女性前臂伸側(cè)（曝光部位）與屈側(cè)（避光部位），約在腕關(guān)節(jié)上方10 cm處。位移參數(shù)設(shè)定為2 mm/3 s。

（4）保濕產(chǎn)品作用：在上述44名女性兩前臂屈側(cè)用記號筆隨機(jī)圈定3個正方形區(qū)域（4 cm×4 cm），左側(cè)2個、右側(cè)1個，或左側(cè)1個、右側(cè)2個。第1處為空白對照（裸膚），第2處涂抹32 mg（2 mg/cm2）含有7%甘油的水包油乳液，第3處涂抹等量不含甘油的同一乳液作為基質(zhì)對照。在使用前（初始狀態(tài)）和使用后20 min（使水分蒸發(fā)）分別進(jìn)行測量，位移參數(shù)設(shè)定為2 mm/3 s。

二、結(jié)果

1.體外校準(zhǔn)和可重復(fù)性：在5種不同硬度的聚氨酯彈性材料上進(jìn)行體外檢測。結(jié)果顯示，測得的LSS值幾乎隨硬度的增加而呈線性增加。在不同操作者和天數(shù)之間表現(xiàn)出高度可重復(fù)性，且變異系數(shù)低（SD/均值，1%～3%）。位移幅度（1 mm或2 mm）及位移速度（位移持續(xù)時間1～3 s）對LSS檢測有微弱影響。

2.體內(nèi)研究的可重復(fù)性及操作者的影響：2位操作者連續(xù)2 d對2名年齡相仿的志愿者頭皮進(jìn)行3次連續(xù)測量，結(jié)果顯示可重復(fù)性良好，SD平均值范圍為4.7%～14.2%。

3.KLM在皮膚不同部位的應(yīng)用：

（1）頭皮部測量：根據(jù)年齡組和是否存在脫發(fā)，志愿者被分成4組：＜25歲無脫發(fā)組、35～50歲無脫發(fā)組、＞60歲無脫發(fā)組和43～79歲脫發(fā)組（頭發(fā)稀疏，LudwigⅠ型）。統(tǒng)計學(xué)結(jié)果顯示，4組的LSS值隨年齡的增加而明顯不同。＞60歲的有或無脫發(fā)的兩組結(jié)果接近顯著性差異值（P＜0.059），表明脫發(fā)可能與頭皮硬度有關(guān)。35～50歲無脫發(fā)組和＞60歲無脫發(fā)組沒有顯著差別?？傮w來說，年齡的增長可以引起緩慢且漸進(jìn)性的頭皮變硬。

（2）面頰部測量：志愿者根據(jù)年齡分為＜25歲和＞60歲兩組。面頰部LSS值顯著低于頭皮部（后者約為前者的4倍），并受年齡的影響。面頰部LSS值隨年齡的增長而顯著增加（P＜0.035），＞60歲組較＜25歲組約增加20%。

（3）前臂伸側(cè)與屈側(cè)測量：前臂伸側(cè)與屈側(cè)的LSS顯著不同（P＜0.0001），前臂伸側(cè)（曝光部位）LSS值較高。但無論是伸側(cè)還是屈側(cè)，前臂的LSS均約為頭皮的一半，為面頰部的2倍。值得注意的是，前臂伸側(cè)LSS較屈側(cè)顯示出較大的差異（SD較大），表明29名女性志愿前臂屈側(cè)的光老化程度不同。

（4）保濕產(chǎn)品的作用：與基質(zhì)組或空白對照組相比，甘油組的LSS顯著降低（P＜0.01）?？瞻讓φ战M在測量前后20 min記錄的LSS值存在輕微差異（約7%），可能說明測量（操作者的影響、探頭重新定位的誤差等）的內(nèi)在差異性。

三、討論

該研究旨在觀察一種新型儀器裝置在檢測橫向皮膚硬度（LSS）系數(shù)方面的價值。KLM裝置誘導(dǎo)從側(cè)面對皮膚產(chǎn)生的機(jī)械性沖擊，這似乎更接近于扭矩方法所誘導(dǎo)的力，而與“垂直”沖擊（壓入、吸出等）明顯不同。結(jié)果初步顯示，這種新型設(shè)備似乎可以提供定性和定量的檢測。首先，該無創(chuàng)裝置似乎適用于所有皮膚部位，能夠滿足大部分其他技術(shù)所不能達(dá)到的需要，對頭皮部位的檢測能力是這種需求最有力的例證。其次，可以根據(jù)皮膚部位的特征（大小、硬度、有無毛發(fā)等）來調(diào)節(jié)（位移的長度、時間）皮膚的橫向形變，并用N/mm計量單位表示硬度，能夠?qū)⑺胁煌瑢?shí)驗(yàn)條件下的結(jié)果定量標(biāo)準(zhǔn)化，該結(jié)果隨皮膚部位的不同而變化。在被研究的皮膚部位中，與面頰（≈0.5 N/mm）和前臂（≈1 N/mm）相比較，頭皮似乎更硬（≈2 N/mm）。兩個不同皮膚部位在皮膚機(jī)械性能方面的這種巨大差異（比值為1∶4）之前未見報道。該新型儀器檢測具有良好的體外重復(fù)性，其變異系數(shù)低于4%。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，正如保濕產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)中空白對照組的數(shù)據(jù)所示，變異系數(shù)的可接受范圍為5%～15%。這可能是由于某些不可避免的誤差來源（操作者、錯誤的重新定位、志愿者的移動等）以及志愿者間的固有差異所致。

不像扭矩技術(shù)可以將整個皮膚結(jié)構(gòu)的機(jī)械反應(yīng)與最外層皮膚機(jī)構(gòu)（例如，角質(zhì)層和表皮）區(qū)分開來，該研究所使用的方法似乎整合了所有皮膚結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。目前，很難明確該儀器所記錄排斥力的結(jié)構(gòu)來源。但該研究中的橫向形變幅度（1～2 mm），就皮膚（平均厚度≈1 mm，即，表皮+真皮）而言，在理論上是一個“巨大”運(yùn)動。通過涂抹保濕產(chǎn)品而對皮膚進(jìn)行非常短暫的保濕（這個過程可能僅限于表皮最外層）試驗(yàn)結(jié)果顯示，角質(zhì)層（或表皮）在產(chǎn)生排斥力時發(fā)揮了主要作用。

該研究中，體外校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上能夠較好地體現(xiàn)皮膚的LSS（0.8～1.4 N/mm）范圍，也驗(yàn)證了最初使用Bioskin?彈性材料作為硬度參照標(biāo)準(zhǔn)的選擇是合理的。之前在白種人中的研究顯示，隨年齡增長，人頭皮的表皮和真皮會發(fā)生改變，角質(zhì)層（表皮）發(fā)生漸進(jìn)性增厚，真皮變得更加致密和網(wǎng)狀化，這些變化使頭皮硬度增加。脫發(fā)還會將這些改變放大?？傊?，該研究在人頭皮處所獲得的數(shù)據(jù)與之前的研究一致，為進(jìn)一步評估頭皮專業(yè)護(hù)理產(chǎn)品鋪平了道路。

前臂屈側(cè)和伸側(cè)的結(jié)果與以往研究結(jié)果一致，該研究通過不同的方法證實(shí)，光老化導(dǎo)致彈性組織減少。前臂屈側(cè)和伸側(cè)（避光部位和曝光部位）的結(jié)果雖有顯著性差異，但變化幅度很小，約為0.007 N/m3（≈7%）。這樣低水平的差異可能源自不同的因素，或者不同因素的組合。首先，像很多其他亞洲人一樣，日常注意避光的日本女性，可能不會出現(xiàn)如其他種族中所見的嚴(yán)重光老化征象。將“偏愛日光照射（sun seeker）”的白種人女性作為皮膚光老化的研究對象，應(yīng)該可以更好地闡明這方面的問題。其次，該研究中志愿者的年齡跨度廣（18～68歲），可體現(xiàn)光老化征象程度的不同，包含了光老化程度較弱的年輕志愿者到有顯著光老化征象的老年志愿者，從而理論上呈現(xiàn)出一個較長的日光暴露史。在44名女性志愿者中，與前臂屈側(cè)相比，變化更大的前臂伸側(cè)的LSS值（更高的SD值）或許正反映了大跨度的年齡以及光老化狀態(tài)的變化。

總之，該項(xiàng)皮膚硬度（橫向硬度）檢測的新方法可以為研究帶來許多新視角，可對不同皮膚部位、不同皮膚狀態(tài)或局部外用產(chǎn)品的影響進(jìn)行更深入的研究。該探索性研究能夠?yàn)镵LM這一新型儀器的特征提供有價值的數(shù)據(jù)支持，如通用性（適用于所有皮膚部位）、良好的可重復(fù)性和可接受的精確性。總之，無論在前沿領(lǐng)域還是在應(yīng)用研究領(lǐng)域，這些優(yōu)點(diǎn)可能使該儀器成為皮膚生物學(xué)無創(chuàng)檢測方法庫中一個新的檢測工具。