一種新型多功能機電儀器對皮膚橫向硬度定量檢測的初步研究

近四十年，許多無創技術已應用于皮膚病學或美容皮膚學領域的臨床評估。這些技術有助于量化和證實皮膚病治療以及皮膚護理方案（皮膚保濕、抗老化、光防護等）的療效。

針對皮膚的機械性能，研究者開展了相應儀器和方法的研究，旨在記錄皮膚部位和年齡、日光照射、局部外用產品等對皮膚變形阻力（抵抗形變）或彈性（恢復形變的能力和速度）的影響。因為這些性質通常受真皮大分子網絡（膠原蛋白、彈性蛋白、蛋白聚糖等）及其持水性能的支配，所以這些技術很快成為了無創評估皮膚組織改變的重要工具。這類儀器大多數都是基于皮膚標準化的微形變（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生一個輕微的臨時真空等原理，并通過光電傳感器或應變計記錄皮膚在應對形變（扭曲、折疊、擠壓、收縮、拉伸）時的阻力及其恢復時間。此外，可視化技術（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構水平所提供的信息，能夠確定皮膚分層（主要是表皮、真皮乳頭層、真皮網狀層）的相對厚度或可能的結構變化。這兩種方法的結合，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（太大或太小）及其幾何設計（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域。

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

一、材料和方法

1.KLM簡介：該設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，可以根據所檢測的皮膚部位調節活動臂之間的距離，最大值為10 mm，最小值為4 mm。通過電動直流步進電機控制雙臂的橫向運動，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。與雙臂連接的應變計能夠記錄皮膚在抵抗活動臂隨時間位移過程中產生的排斥力（克力，gf，1 gf=9.8× 10?3N）。控制箱分別與KLM和配有Microsoft?專門軟件的電腦連接，可通過該控制箱調節運動參數（速度、幅度），自動記錄并呈現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。相應地，在1 mm或2 mm位移期間被記錄的力（gf）以N/mm表示，換算系數分別為0.009 8 N/mm和0.004 9 N/mm。

2.儀器的校準和對皮膚不同部位的適應性研究：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?）進行裝置校準，并通過連續分析記錄（位移1 mm或2 mm，持續1～2 s）每種材料的最大排斥力，評估其可重復性。通過預實驗評估KLM在皮膚不同部位的適應性并記錄該技術是否有創（即可能的負面感知如疼痛、恐懼、擦傷等）。預實驗結果顯示，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%的檢測室內進行。

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（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內完成1 mm位移（從10 mm至9 mm）時可以獲得最準確的數據，并具有可重復性。

（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4 cm處的面頰區域（隨機選擇）進行測量。位移參數為2 mm/3 s（從10 mm至8 mm）時可以獲得面頰部的可重復性結果。

（3）前臂伸側與屈側測量：44名不同年齡（18～68歲）女性前臂伸側（曝光部位）與屈側（避光部位），約在腕關節上方10 cm處。位移參數設定為2 mm/3 s。

（4）保濕產品作用：在上述44名女性兩前臂屈側用記號筆隨機圈定3個正方形區域（4 cm×4 cm），左側2個、右側1個，或左側1個、右側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對照。在使用前（初始狀態）和使用后20 min（使水分蒸發）分別進行測量，位移參數設定為2 mm/3 s。

二、結果

1.體外校準和可重復性：在5種不同硬度的聚氨酯彈性材料上進行體外檢測。結果顯示，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之間表現出高度可重復性，且變異系數低（SD/均值，1%～3%）。位移幅度（1 mm或2 mm）及位移速度（位移持續時間1～3 s）對LSS檢測有微弱影響。

2.體內研究的可重復性及操作者的影響：2位操作者連續2 d對2名年齡相仿的志愿者頭皮進行3次連續測量，結果顯示可重復性良好，SD平均值范圍為4.7%～14.2%。

3.KLM在皮膚不同部位的應用：

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

（2）面頰部測量：志愿者根據年齡分為＜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）前臂伸側與屈側測量：前臂伸側與屈側的LSS顯著不同（P＜0.0001），前臂伸側（曝光部位）LSS值較高。但無論是伸側還是屈側，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LSS較屈側顯示出較大的差異（SD較大），表明29名女性志愿前臂屈側的光老化程度不同。

（4）保濕產品的作用：與基質組或空白對照組相比，甘油組的LSS顯著降低（P＜0.01）。空白對照組在測量前后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）系數方面的價值。KLM裝置誘導從側面對皮膚產生的機械性沖擊，這似乎更接近于扭矩方法所誘導的力，而與“垂直”沖擊（壓入、吸出等）明顯不同。結果初步顯示，這種新型設備似乎可以提供定性和定量的檢測。首先，該無創裝置似乎適用于所有皮膚部位，能夠滿足大部分其他技術所不能達到的需要，對頭皮部位的檢測能力是這種需求最有力的例證。其次，可以根據皮膚部位的特征（大小、硬度、有無毛發等）來調節（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，能夠將所有不同實驗條件下的結果定量標準化，該結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性，其變異系數低于4%。體內實驗中，正如保濕產品實驗中空白對照組的數據所示，變異系數的可接受范圍為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。

不像扭矩技術可以將整個皮膚結構的機械反應與最外層皮膚機構（例如，角質層和表皮）區分開來，該研究所使用的方法似乎整合了所有皮膚結構的反應。目前，很難明確該儀器所記錄排斥力的結構來源。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”運動。通過涂抹保濕產品而對皮膚進行非常短暫的保濕（這個過程可能僅限于表皮最外層）試驗結果顯示，角質層（或表皮）在產生排斥力時發揮了主要作用。

該研究中，體外校準實驗結果在一定程度上能夠較好地體現皮膚的LSS（0.8～1.4 N/mm）范圍，也驗證了最初使用Bioskin?彈性材料作為硬度參照標準的選擇是合理的。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生改變，角質層（表皮）發生漸進性增厚，真皮變得更加致密和網狀化，這些變化使頭皮硬度增加。脫發還會將這些改變放大。總之，該研究在人頭皮處所獲得的數據與之前的研究一致，為進一步評估頭皮專業護理產品鋪平了道路。

前臂屈側和伸側的結果與以往研究結果一致，該研究通過不同的方法證實，光老化導致彈性組織減少。前臂屈側和伸側（避光部位和曝光部位）的結果雖有顯著性差異，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，可能不會出現如其他種族中所見的嚴重光老化征象。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，與前臂屈側相比，變化更大的前臂伸側的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的變化。

總之，該項皮膚硬度（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、不同皮膚狀態或局部外用產品的影響進行更深入的研究。該探索性研究能夠為KLM這一新型儀器的特征提供有價值的數據支持，如通用性（適用于所有皮膚部位）、良好的可重復性和可接受的精確性。總之，無論在前沿領域還是在應用研究領域，這些優點可能使該儀器成為皮膚生物學無創檢測方法庫中一個新的檢測工具。