一种新型多功能机电仪器对皮肤横向硬度定量检测的初步研究

近四十年，许多无创技术已应用于皮肤病学或美容皮肤学领域的临床评估。这些技术有助于量化和证实皮肤病治疗以及皮肤护理方案（皮肤保湿、抗老化、光防护等）的疗效。

针对皮肤的机械性能，研究者开展了相应仪器和方法的研究，旨在记录皮肤部位和年龄、日光照射、局部外用产品等对皮肤变形阻力（抵抗形变）或弹性（恢复形变的能力和速度）的影响。因为这些性质通常受真皮大分子网络（胶原蛋白、弹性蛋白、蛋白聚糖等）及其持水性能的支配，所以这些技术很快成为了无创评估皮肤组织改变的重要工具。这类仪器大多数都是基于皮肤标准化的微形变（横向、四周或纵向）、或扭矩、或垂直冲击，亦或是使用抽吸装置产生一个轻微的临时真空等原理，并通过光电传感器或应变计记录皮肤在应对形变（扭曲、折叠、挤压、收缩、拉伸）时的阻力及其恢复时间。此外，可视化技术（超声、磁共振成像、共聚焦显微镜等）有助于完善这些仪器在结构水平所提供的信息，能够确定皮肤分层（主要是表皮、真皮乳头层、真皮网状层）的相对厚度或可能的结构变化。这两种方法的结合，可以更好地确定解剖部位及其可能的变化所传递的不同机械性能。

人体皮肤像一个巨大拼图，随身体部位的不同而存在差异。有些部位难以用探头检测，因此对皮肤特定部位的检测需要选择合适的仪器。探头的尺寸（太大或太小）及其几何设计（平面或曲面）是选择该检测仪器的重要因素。以往研究显示，很难仅用一部仪器检测所有皮肤区域。

Khelometer（简称“KLM”）主要记录皮肤抵抗进行性横向压缩（轻微的压缩）的应力，可根据检测的皮肤部位来调节其压缩幅度和速度，也许可以克服上述问题。本研究探索KLM的主要特征（在不同区域的适用性、校准、可重复性、操作者的影响），以及在各种条件下（体外和体内）所获得的检测结果。

一、材料和方法

1.KLM简介：该设备由两个活动臂和两个传感支架组成，为避免滑动，基底部通过固定的砂纸片与皮肤紧密接触。测量前，可以根据所检测的皮肤部位调节活动臂之间的距离，最大值为10 mm，最小值为4 mm。通过电动直流步进电机控制双臂的横向运动，逐渐夹紧皮肤。夹紧幅度可以是1 mm、2 mm或3 mm（如从10 mm到9 mm、8 mm到7 mm）。双臂的位移速度为0.2～4 mm/s。与双臂连接的应变计能够记录皮肤在抵抗活动臂随时间位移过程中产生的排斥力（克力，gf，1 gf=9.8× 10⁃3N）。控制箱分别与KLM和配有Microsoft®专门软件的电脑连接，可通过该控制箱调节运动参数（速度、幅度），自动记录并呈现出力随时间变化的曲线图。由于排斥力是通过横向位移和时间记录的，因此用N/m表示横向皮肤硬度（lateral skin stiffness,LSS）的系数。相应地，在1 mm或2 mm位移期间被记录的力（gf）以N/mm表示，换算系数分别为0.009 8 N/mm和0.004 9 N/mm。

2.仪器的校准和对皮肤不同部位的适应性研究：使用5种不同硬度（等级为9～5 LV，从较软到较硬）的模拟皮肤物理特性的聚氨酯弹性材料（Bioskin®）进行装置校准，并通过连续分析记录（位移1 mm或2 mm，持续1～2 s）每种材料的最大排斥力，评估其可重复性。通过预实验评估KLM在皮肤不同部位的适应性并记录该技术是否有创（即可能的负面感知如疼痛、恐惧、擦伤等）。预实验结果显示，志愿者对KLM活动位移的耐受性良好，且无不良感觉。

3.志愿者：招募213名不同年龄（大于19岁）的健康日本女性，对皮肤不同部位（头皮、面颊、前臂）进行检测。志愿者均被告知研究目的并签署知情同意书。所有测量均在23～24℃、相对湿度30%的检测室内进行。

4.研究方法：通过4种不同方案评估KLM，确定年龄、日光照射、皮肤部位以及保湿产品对KLM记录信号的影响。

（1）头皮部测量：测试140名不同年龄伴或不伴轻度脱发（Ludwig分类Ⅰ型）的女性志愿者头皮部横向皮肤硬度。初始测量显示，在2 s内完成1 mm位移（从10 mm至9 mm）时可以获得最准确的数据，并具有可重复性。

（2）面颊部测量：两个年龄组（＜25岁组和＞65岁组）女性志愿者（共29名）取平卧位，在距离口角外侧4 cm处的面颊区域（随机选择）进行测量。位移参数为2 mm/3 s（从10 mm至8 mm）时可以获得面颊部的可重复性结果。

（3）前臂伸侧与屈侧测量：44名不同年龄（18～68岁）女性前臂伸侧（曝光部位）与屈侧（避光部位），约在腕关节上方10 cm处。位移参数设定为2 mm/3 s。

（4）保湿产品作用：在上述44名女性两前臂屈侧用记号笔随机圈定3个正方形区域（4 cm×4 cm），左侧2个、右侧1个，或左侧1个、右侧2个。第1处为空白对照（裸肤），第2处涂抹32 mg（2 mg/cm2）含有7%甘油的水包油乳液，第3处涂抹等量不含甘油的同一乳液作为基质对照。在使用前（初始状态）和使用后20 min（使水分蒸发）分别进行测量，位移参数设定为2 mm/3 s。

二、结果

1.体外校准和可重复性：在5种不同硬度的聚氨酯弹性材料上进行体外检测。结果显示，测得的LSS值几乎随硬度的增加而呈线性增加。在不同操作者和天数之间表现出高度可重复性，且变异系数低（SD/均值，1%～3%）。位移幅度（1 mm或2 mm）及位移速度（位移持续时间1～3 s）对LSS检测有微弱影响。

2.体内研究的可重复性及操作者的影响：2位操作者连续2 d对2名年龄相仿的志愿者头皮进行3次连续测量，结果显示可重复性良好，SD平均值范围为4.7%～14.2%。

3.KLM在皮肤不同部位的应用：

（1）头皮部测量：根据年龄组和是否存在脱发，志愿者被分成4组：＜25岁无脱发组、35～50岁无脱发组、＞60岁无脱发组和43～79岁脱发组（头发稀疏，LudwigⅠ型）。统计学结果显示，4组的LSS值随年龄的增加而明显不同。＞60岁的有或无脱发的两组结果接近显著性差异值（P＜0.059），表明脱发可能与头皮硬度有关。35～50岁无脱发组和＞60岁无脱发组没有显著差别。总体来说，年龄的增长可以引起缓慢且渐进性的头皮变硬。

（2）面颊部测量：志愿者根据年龄分为＜25岁和＞60岁两组。面颊部LSS值显著低于头皮部（后者约为前者的4倍），并受年龄的影响。面颊部LSS值随年龄的增长而显著增加（P＜0.035），＞60岁组较＜25岁组约增加20%。

（3）前臂伸侧与屈侧测量：前臂伸侧与屈侧的LSS显著不同（P＜0.0001），前臂伸侧（曝光部位）LSS值较高。但无论是伸侧还是屈侧，前臂的LSS均约为头皮的一半，为面颊部的2倍。值得注意的是，前臂伸侧LSS较屈侧显示出较大的差异（SD较大），表明29名女性志愿前臂屈侧的光老化程度不同。

（4）保湿产品的作用：与基质组或空白对照组相比，甘油组的LSS显著降低（P＜0.01）。空白对照组在测量前后20 min记录的LSS值存在轻微差异（约7%），可能说明测量（操作者的影响、探头重新定位的误差等）的内在差异性。

三、讨论

该研究旨在观察一种新型仪器装置在检测横向皮肤硬度（LSS）系数方面的价值。KLM装置诱导从侧面对皮肤产生的机械性冲击，这似乎更接近于扭矩方法所诱导的力，而与“垂直”冲击（压入、吸出等）明显不同。结果初步显示，这种新型设备似乎可以提供定性和定量的检测。首先，该无创装置似乎适用于所有皮肤部位，能够满足大部分其他技术所不能达到的需要，对头皮部位的检测能力是这种需求最有力的例证。其次，可以根据皮肤部位的特征（大小、硬度、有无毛发等）来调节（位移的长度、时间）皮肤的横向形变，并用N/mm计量单位表示硬度，能够将所有不同实验条件下的结果定量标准化，该结果随皮肤部位的不同而变化。在被研究的皮肤部位中，与面颊（≈0.5 N/mm）和前臂（≈1 N/mm）相比较，头皮似乎更硬（≈2 N/mm）。两个不同皮肤部位在皮肤机械性能方面的这种巨大差异（比值为1∶4）之前未见报道。该新型仪器检测具有良好的体外重复性，其变异系数低于4%。体内实验中，正如保湿产品实验中空白对照组的数据所示，变异系数的可接受范围为5%～15%。这可能是由于某些不可避免的误差来源（操作者、错误的重新定位、志愿者的移动等）以及志愿者间的固有差异所致。

不像扭矩技术可以将整个皮肤结构的机械反应与最外层皮肤机构（例如，角质层和表皮）区分开来，该研究所使用的方法似乎整合了所有皮肤结构的反应。目前，很难明确该仪器所记录排斥力的结构来源。但该研究中的横向形变幅度（1～2 mm），就皮肤（平均厚度≈1 mm，即，表皮+真皮）而言，在理论上是一个“巨大”运动。通过涂抹保湿产品而对皮肤进行非常短暂的保湿（这个过程可能仅限于表皮最外层）试验结果显示，角质层（或表皮）在产生排斥力时发挥了主要作用。

该研究中，体外校准实验结果在一定程度上能够较好地体现皮肤的LSS（0.8～1.4 N/mm）范围，也验证了最初使用Bioskin®弹性材料作为硬度参照标准的选择是合理的。之前在白种人中的研究显示，随年龄增长，人头皮的表皮和真皮会发生改变，角质层（表皮）发生渐进性增厚，真皮变得更加致密和网状化，这些变化使头皮硬度增加。脱发还会将这些改变放大。总之，该研究在人头皮处所获得的数据与之前的研究一致，为进一步评估头皮专业护理产品铺平了道路。

前臂屈侧和伸侧的结果与以往研究结果一致，该研究通过不同的方法证实，光老化导致弹性组织减少。前臂屈侧和伸侧（避光部位和曝光部位）的结果虽有显著性差异，但变化幅度很小，约为0.007 N/m3（≈7%）。这样低水平的差异可能源自不同的因素，或者不同因素的组合。首先，像很多其他亚洲人一样，日常注意避光的日本女性，可能不会出现如其他种族中所见的严重光老化征象。将“偏爱日光照射（sun seeker）”的白种人女性作为皮肤光老化的研究对象，应该可以更好地阐明这方面的问题。其次，该研究中志愿者的年龄跨度广（18～68岁），可体现光老化征象程度的不同，包含了光老化程度较弱的年轻志愿者到有显著光老化征象的老年志愿者，从而理论上呈现出一个较长的日光暴露史。在44名女性志愿者中，与前臂屈侧相比，变化更大的前臂伸侧的LSS值（更高的SD值）或许正反映了大跨度的年龄以及光老化状态的变化。

总之，该项皮肤硬度（横向硬度）检测的新方法可以为研究带来许多新视角，可对不同皮肤部位、不同皮肤状态或局部外用产品的影响进行更深入的研究。该探索性研究能够为KLM这一新型仪器的特征提供有价值的数据支持，如通用性（适用于所有皮肤部位）、良好的可重复性和可接受的精确性。总之，无论在前沿领域还是在应用研究领域，这些优点可能使该仪器成为皮肤生物学无创检测方法库中一个新的检测工具。