皮膚組織粘彈性的無創(chuàng)性實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究

【作 者】陸思宇，孫金才，張彤，宋義林

黑龍江大學(xué)機(jī) 電工程學(xué)院，哈爾濱市,150080

0 引言

隨著人們生活水平的提高，醫(yī)療健康走向家庭已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。其中，皮膚的保健護(hù)理越來越受到人們的重視。除了日常的美容保健之外，特定群體如長(zhǎng)期臥床的老年人或癱瘓病人，因皮膚持續(xù)受壓、皮膚組織的血液循環(huán)障礙會(huì)使相關(guān)組織細(xì)胞壞死導(dǎo)致壓力性潰瘍發(fā)病[1]，也需要家庭的監(jiān)測(cè)監(jiān)護(hù)。目前，家用皮膚特性檢測(cè)相關(guān)產(chǎn)品以定性描述皮膚彈性特征為主，定量檢測(cè)皮膚彈性的產(chǎn)品主要集中在美容院、醫(yī)院等專業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)，并且裝置體積較大，價(jià)格昂貴。

皮膚特性日常監(jiān)測(cè)監(jiān)護(hù)的適宜方法是無創(chuàng)在體?？紤]到便攜性、準(zhǔn)確性等因素，印壓法是比較理想的方法[2]。但是，實(shí)際應(yīng)用中壓頭直徑在尺度上與組織厚度具有可比性的時(shí)候，必須考慮組織厚度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[3-4]。以往主要采用精確測(cè)量組織厚度的方式消除這種影響[5-6]，但這種方式會(huì)使印壓頭的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。探討了通過構(gòu)造質(zhì)量、彈簧、阻尼的單自由度振動(dòng)模型，消除壓頭質(zhì)量參數(shù)，從而消除這種影響的方法；設(shè)計(jì)開發(fā)了一款便攜式的皮膚粘彈性實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，可隨時(shí)隨地對(duì)人體不同部位的皮膚進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)20名不同年齡的實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行了在體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，初步探討了人體不同部位皮膚的粘彈性情況及年齡對(duì)皮膚粘彈性的影響等。

1 檢測(cè)原理

皮膚由表皮、真皮及皮下組織組成，各層呈現(xiàn)不同的力學(xué)性能。皮膚作為典型的粘彈性材料，具有顯著的粘性及彈性特征，通常采用粘彈性模型，即彈簧-阻尼-質(zhì)量組合的參數(shù)模型（Kelvin-Voigt模型）加以分析[7]。對(duì)于這樣的粘彈性模型，給定一個(gè)角速度為ω的正弦位移函數(shù)x1(t)以印壓的方式施加到皮膚表面，皮膚的響應(yīng)力f(t)可通過壓力傳感器測(cè)出。這樣，壓頭與皮膚間的接觸運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了一階受迫振動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 受迫振動(dòng)系統(tǒng)模型Fig.1 Forced vibration system model

其中，m為印壓頭等活動(dòng)部分的質(zhì)量，k為皮膚的彈性系數(shù)，c為皮膚的粘性系數(shù)。x1(t)是以A1為振幅的正弦位移函數(shù)。

皮膚對(duì)于位移的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)力與位移的頻率相同，但是有一定的相位滯后，可表示為：

其中，B1為皮膚響應(yīng)力的振幅，φ1為皮膚粘性阻尼而產(chǎn)生的相位延遲角。

當(dāng)質(zhì)量、彈簧、阻尼形成的一階受迫振動(dòng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，印壓頭等活動(dòng)部分質(zhì)量m受到運(yùn)動(dòng)位移引起的慣性力mx、阻尼力cx和彈性力kx的作用，其系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程可由式（3）表示：

將式(1)和式(2)帶入式(3)中，得到：

根據(jù)式(4)可得:

由式(5)推出粘度系數(shù)公式：

式(6)中包含了質(zhì)量m。一般而言，由于印壓頭等活動(dòng)部分的支承、摩擦等原因，質(zhì)量m不能準(zhǔn)確得到。因而式(6)中不能直接得出彈性系數(shù)k。為此，再對(duì)系統(tǒng)輸入另一個(gè)位移函數(shù)x2(t)=A2sinω2t，則對(duì)應(yīng)的皮膚響應(yīng)力為f2(t)=B2sin(ω2t+φ2)，此時(shí)的系統(tǒng)方程可寫成：

聯(lián)立式(4)、(6)和式(8)可得皮膚的彈性系數(shù)：

2 測(cè)試條件的探究

2.1 系統(tǒng)頻率

一般認(rèn)為，皮膚組織在比較廣的頻率范圍內(nèi)具有非線性特性。為了探究皮膚粘彈性檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)加入的兩個(gè)位移函數(shù)的振動(dòng)頻率，在皮膚粘性、彈性檢測(cè)及其計(jì)算時(shí)處于線性區(qū)間，對(duì)適應(yīng)檢測(cè)的振動(dòng)頻率帶寬進(jìn)行了探討。比較式（5）和式（6）的系數(shù)，可以得到一般式：

如果通過實(shí)驗(yàn)找到式（10）中等式左邊的cω對(duì)應(yīng)于ω，式（11）中等式左邊的(k-cω2)對(duì)應(yīng)于ω2的共同線性變化區(qū)域，則選擇這個(gè)區(qū)域中的兩個(gè)振動(dòng)頻率來求取皮膚的粘性系數(shù)c和彈性系數(shù)k是適合的。圖2、圖3是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在10～80 Hz的頻率下，cω和(kmω2)都近似保持線性特性。因此，本研究所采用的振動(dòng)頻率在上述的線性區(qū)域中選定，最低使用頻率為f1=13 Hz。

圖2 cω對(duì)ω的關(guān)系曲線Fig.2 cω vs.ω curve

圖3 k-mω2對(duì)ω2的關(guān)系曲線Fig.3 k-mω2vs.ω2c urve

2.2 初始?jí)喝肷疃?/h3>

皮膚組織是典型的非線性粘彈性材料，為準(zhǔn)確測(cè)量皮膚的粘彈性值，需保證合理的初始?jí)喝肷疃?，使振?dòng)范圍處在皮膚組織的彈性穩(wěn)定區(qū)間。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8]和本研究組的前期研究，在皮膚表面初始?jí)喝肷疃仍?.5 mm之內(nèi)時(shí)，檢測(cè)到的彈性特性值變化較大，主要是因皮膚表面的粗糙不平導(dǎo)致；在初始?jí)喝肷疃仍?.5 mm～1.5 mm時(shí)，皮膚組織和皮下組織同時(shí)參與變形，檢測(cè)到的并非完全是真皮組織的彈性特性值；在初始?jí)喝肷疃仍?.5 mm以上時(shí)，皮下組織完全被壓縮，測(cè)到的結(jié)果可認(rèn)為是真皮組織的彈性特性值?？紤]到本方法采用的一階受迫振動(dòng)系統(tǒng)需要輸入一個(gè)位移，所以本研究將皮膚組織粘彈性檢測(cè)的初始?jí)喝肷疃榷?.0 mm。

2.3 位移振幅

根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]等相關(guān)資料，人體皮膚的厚度為1 mm～4 mm，成年人的真皮厚度在2.4 mm以下，身體不同部位真皮的厚度有所差異，人與人之間存在個(gè)體差異性?？紤]到本研究的檢測(cè)對(duì)象為成年人，以及2.2節(jié)中皮膚表皮、真皮及皮下組織的變形情況以及確定粘彈性檢測(cè)時(shí)的初始?jí)喝肷疃葹?.0 mm，為能夠檢測(cè)到人體真皮的粘彈性系數(shù)，傳感頭上、下印壓的最大位移應(yīng)始終位于人體的真皮范圍內(nèi)。因?yàn)槲灰七^小，檢測(cè)結(jié)果易引入測(cè)量誤差；振幅過大，檢測(cè)結(jié)果會(huì)包含皮下肌肉組織的特性。因此，本研究以初始?jí)喝肷疃?.0 mm為參考點(diǎn)，確定傳感頭上、下印壓的最大位移小于0.5 mm。

2.4 振動(dòng)輸入

本系統(tǒng)的振動(dòng)輸入是位移輸入，在保證2.0 mm初始?jí)喝肷疃鹊幕A(chǔ)上，對(duì)印壓頭輸入一個(gè)周期性變化的正弦位移信號(hào)。振動(dòng)輸入的要求是既能同時(shí)輸入不同頻率的多個(gè)位移信號(hào)，又要保證位移輸入的準(zhǔn)確性和可靠性，還要求輸入部件體積小、驅(qū)動(dòng)容易。本研究采用了凸輪輸入的方式，通過設(shè)計(jì)合理的凸輪輪廓曲線，滿足位移輸入要求。設(shè)計(jì)的凸輪輪廓曲線方程為：

這里，凸輪的基圓半徑取為10 mm，振動(dòng)的振幅取為0.15 mm，最大位移為0.48 mm，基頻頻率為f1=13 Hz，三個(gè)倍頻頻率分別是f2=26 Hz，f3=39 Hz，f4=52 Hz。凸輪的輪廓與輪廓曲線，如圖4所示。

3 檢測(cè)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖5所示。該系統(tǒng)主要由便攜式檢測(cè)裝置、光電傳感器及其電路、壓力傳感器及其電路、放大電路、驅(qū)動(dòng)電源和信號(hào)采集裝置等組成。檢測(cè)裝置通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)將系統(tǒng)的周期性位移經(jīng)印壓頭施加于皮膚組織，印壓頭的位移信號(hào)和壓力信號(hào)分別由光電傳感器及其電路、壓力傳感器及其電路檢出，并進(jìn)行放大和濾波，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入處理器。與此同時(shí)，電機(jī)控制模塊接受處理器的指令控制檢測(cè)裝置中電機(jī)的電壓，避免出現(xiàn)過大的電壓波動(dòng)，保證周期性位移信號(hào)頻率的穩(wěn)定，使檢測(cè)的結(jié)果準(zhǔn)確有效。

圖4 凸輪輪廓與輪廓曲線Fig.4 Cam and its contour

圖5 皮膚組織粘彈性檢測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.5 Viscoelasticity detection system of skin tissue

3.2 檢測(cè)裝置

圖6為檢測(cè)裝置的組成圖。該裝置主要由支撐部分、傳力部分及檢測(cè)部分組成。由底板1、U型支撐架3和框架5共同組成了裝置的支撐部分，其中底板用于直接接觸皮膚表面；傳力部分主要由電動(dòng)機(jī)10、凸輪9、導(dǎo)桿7和彈簧4等組成，其中電動(dòng)機(jī)通過電機(jī)座8固定在支撐架上，而彈簧對(duì)導(dǎo)桿起到支撐、回復(fù)作用，其剛度以使導(dǎo)桿上端在運(yùn)動(dòng)過程中始終靠緊凸輪輪廓為宜；檢測(cè)部分包括壓力傳感印壓頭2和位移檢測(cè)組件6組成，分別用于檢測(cè)皮膚所受壓力的電壓信號(hào)和印壓頭位移變化的電壓信號(hào)。檢測(cè)時(shí)，將底板與皮膚接觸，通過粘帶將裝置固定于檢測(cè)部位。打開電源開關(guān)，電機(jī)按確定的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，因?yàn)閺椈闪Φ淖饔檬箤?dǎo)桿始終與凸輪輪廓緊密接觸，所以導(dǎo)桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡由凸輪輪廓曲線確定。導(dǎo)桿下端與壓力傳感探頭剛性相連，壓力傳感部件穿過底板孔與皮膚表面接觸，并通過導(dǎo)桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，給檢測(cè)部位的皮膚輸入周期性位移。同時(shí)，由輸入位移產(chǎn)生的皮膚響應(yīng)力也由壓力傳感印壓頭檢出。印壓頭位移的精確檢測(cè)是采用非接觸式方法。位移檢測(cè)用反射板與導(dǎo)桿固定在一起，當(dāng)導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，其位移通過光電位移傳感器檢出。該裝置可配戴使用。

圖6 檢測(cè)裝置Fig.6 Detection device

4 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

檢測(cè)實(shí)驗(yàn)分為性能實(shí)驗(yàn)和在體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)兩個(gè)部分。性能實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性。在體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)主要是探討身體不同部位皮膚粘彈性的差異以及年齡與皮膚粘彈性的關(guān)聯(lián)性等。其中性能測(cè)試的材料是兩個(gè)彈性系數(shù)已知的彈簧和豬小腿皮膚組織；在體實(shí)驗(yàn)選擇了20名年齡從19歲到58歲不等的健康人作為實(shí)驗(yàn)者。

4.1 性能實(shí)驗(yàn)

對(duì)彈簧實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇兩種彈性系數(shù)已知的彈簧（k1=80 N/mm，k2=100 N/mm）作為試件，將彈簧用設(shè)計(jì)好的固定器具分別固定于檢測(cè)裝置上，印壓頭按要求給彈簧一個(gè)初始?jí)喝肷疃取z測(cè)裝置平置于桌面上，實(shí)驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行10次，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩者具有很高的一致性。對(duì)豬皮組織實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇離體8 h、經(jīng)過解凍的豬小腿皮膚組織作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。用本檢測(cè)裝置檢測(cè)時(shí)，將豬小腿的整體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，取豬小腿的5個(gè)位置固定于檢測(cè)裝置的印壓位置，并將檢測(cè)裝置平置于桌面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。用WDW-200E電子式萬能試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司制造）檢測(cè)時(shí)，將本檢測(cè)裝置檢測(cè)的5個(gè)位置剪裁成5個(gè)規(guī)則形狀（20×20×20 mm3）的組織試塊（試塊包括脂肪混合層與表皮），放于WDW-200E電子式萬能試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，獲取試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)。由于萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的是皮膚組織的彈性模量，所以將本裝置測(cè)得的彈性系數(shù)換算成彈性模量，然后進(jìn)行比較。兩種試驗(yàn)方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表1 彈簧的粘彈性系數(shù)檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Detection results of viscoelasticity coefficient of springs

表2 豬小腿皮膚組織彈性模量檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Detection results of elastic modulus of skin tissue of pig leg

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本裝置測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電子式萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為4.8%，說明兩者也具有較好的一致性。

4.2 在體實(shí)驗(yàn)

基于本研究開發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)20名實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行了在體實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)者年齡分布：19歲、20歲各3名，24歲、25歲、26歲、27歲、36歲、43歲、58歲各2名。實(shí)驗(yàn)方法：將實(shí)驗(yàn)裝置固定于手臂內(nèi)側(cè)中軸線離掌根10 mm處，壓力傳感探頭印壓處的皮膚處于自然狀態(tài)、不緊繃。測(cè)試過程中，大臂和小臂自然伸直，且實(shí)驗(yàn)過程中身體其它部位自然放松，避免大幅度晃動(dòng)，每名實(shí)驗(yàn)人員測(cè)試45 s；之后，將裝置固定于前額中心處、小腿脛骨前，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)條件大致相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果由NEC數(shù)字記錄儀記錄。圖7是其中一名實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)檢測(cè)曲線的一個(gè)片段。由實(shí)驗(yàn)得到的位移波形和壓力波形可以看出，在合理的壓入深度、合適的受迫振動(dòng)振幅以及正確的輸入方式下，皮膚組織能夠在給定的位移下產(chǎn)生跟隨的力響應(yīng)，波形上具有良好的一致性。另外，數(shù)據(jù)處理后的3次彈性系數(shù)檢測(cè)值的平均值為0.3883 N/mm，粘性系數(shù)檢測(cè)值的平均值為0.00052 N·S/mm。

圖7 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)曲線Fig.7 Detection curve from experiment

圖8是不同年齡段實(shí)驗(yàn)者手臂內(nèi)側(cè)中軸線離掌根10 mm處、前額中心處、小腿脛骨前等部位彈性系數(shù)的檢測(cè)結(jié)果。其中橫坐標(biāo)為年齡，縱坐標(biāo)為彈性系數(shù)。

圖8 人體不同部位皮膚組織彈性系數(shù)檢測(cè)值Fig.8 Detection value of skin tissue elasticity coefficient in different parts of human body

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，20歲到27歲的年齡段的皮膚彈性特性均較高，并存在一定的個(gè)體差異性。但30歲左右以后，隨著年齡的增長(zhǎng)，手臂內(nèi)側(cè)皮膚組織和前額皮膚組織的彈性系數(shù)，均呈較穩(wěn)定的線性下降趨勢(shì)；小腿脛骨前部位的彈性系數(shù)雖有下降，但幅度不明顯。另外，從測(cè)試的三個(gè)部位中，額頭皮膚的彈性系數(shù)最大，手臂內(nèi)側(cè)皮膚組織測(cè)彈性系數(shù)次之，小腿脛骨前部位的彈性系數(shù)最小。雖然皮膚的彈性特性與皮膚的結(jié)構(gòu)、部位以及日常護(hù)理等多種因素有關(guān)，但從檢測(cè)結(jié)果看人的面部皮膚的彈性系數(shù)比其它部位高出一些，而同時(shí)隨年齡老化的程度也比較明顯，所以人們對(duì)面部皮膚的日常保健與護(hù)理是有意義的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，小腿脛骨前部位的皮膚組織具有彈性系數(shù)幾乎不隨年齡增大而發(fā)生明顯老化，具有相對(duì)穩(wěn)定生物力學(xué)特性的優(yōu)點(diǎn)，但其彈性系數(shù)的絕對(duì)值較小。上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，雖還無法全面展示人體皮膚彈性的全貌，但毫無疑問對(duì)皮膚粘彈性的研究提供了空間。

5 結(jié)論

提出了基于一階受迫振動(dòng)的皮膚粘彈性檢測(cè)方法，探究了系統(tǒng)頻率、位移振幅、初始?jí)喝肷疃群驼駝?dòng)輸入等檢測(cè)條件，開發(fā)了檢測(cè)裝置，為便攜式皮膚組織粘彈性檢測(cè)提供了有效手段。對(duì)彈簧及豬小腿皮膚組織進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了檢測(cè)系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。選擇不同年齡段20名實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行了在體實(shí)驗(yàn)，對(duì)手臂內(nèi)側(cè)中軸線離掌根10 mm處、前額中心處、小腿脛骨前3個(gè)部位的皮膚組織進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，人體不同部位皮膚組織具有不同的彈性特性，前額處的彈性系數(shù)較高，手臂掌側(cè)皮膚的彈性系數(shù)次之，小腿脛骨前的皮膚彈性系數(shù)較低。另外，人體不同部位皮膚組織隨年齡增大的老化情況也有較大差異。前額和手臂掌側(cè)皮膚的彈性系數(shù)隨年齡增長(zhǎng)呈穩(wěn)定的下降趨勢(shì)，但小腿脛骨前的皮膚彈性系數(shù)幾乎不隨年齡的變化而發(fā)生明顯改變，具有相對(duì)穩(wěn)定的生物力學(xué)性能。此外，整體而言人體皮膚組織的粘性較小，隨年齡變化的程度也較小。

本研究初步探究了身體不同部位皮膚粘彈性的差異以及年齡與皮膚粘彈性的關(guān)聯(lián)性等，今后還將在下面幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和完善，包括擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)者數(shù)量，盡可能減少個(gè)體差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；從裝置的原理入手探究預(yù)壓入深度的高精度控制與保證；以及不同部位皮膚粘彈性的大小及隨年齡老化的規(guī)律等。