CC BY
51
УДК 615.47
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ УПРУГО-ЭЛАСТИЧНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ДЕРМЫ
© 2009 г. С.М. Яцун
Курский государственный университет Kursk State University
Описан аппаратно-программный комплекс для определения упруго-диссипативных свойств кожного покрова. Рассмотрена конструкция созданного прибора и его преимущества перед имеющимися аналогами. Описаны методика работы с прибором и интерпретация полученных результатов, рассматривается возможность применения данного устройства в медицине, фармакологии.
Ключевые слова: динамическое вибрационное устройство; упругость; диссипативность.
In this paper authors present the results of the elaboration and investigation of the device for numerical determination visco-elastic human skin properties. Complex consists of personal computer and original device with shooter, motion sensor, starting electrical magnet. It can define the numeric parameters of human skin surface without deep men's interference. Method of definition of coefficients of viscous damping and elastics for determination of human skin properties is presented.
Keywords: vibration dynamic device; elasticity; dissipative.
Сегодня в медицине актуальной является проблема объективного инструментального контроля. Основными методами, традиционно используемыми врачами-дерматологами, являются внешний осмотр, оценка эластичности и упругости кожи путем пальпации. Однако в ряде случаев при решении задач диагностики дерматологических заболеваний традиционно применяемые субъективные методы оценки состояния кожи являются малоинформативными.
В последние годы активно ведутся работы по созданию устройств, основанных на получении объективных данных о механических, оптических, акустических, электрических параметрах кожи неинвазив-ными методами [1 - 3]. Однако анализ используемых методик и приборов различного типа показывает, что точность измерений, как правило, недостаточно высока. Это связано с тем, что объект исследования - кожа -состоит их нескольких слоев, обладающих своими особенными характеристиками, что, в целом, определяет гетерогенность ее свойств. Все это затрудняет интерпретацию результатов при исследовании свойств кожного покрова [4 - 7].
Механические свойства компонентов дермы во многом обусловлены растяжимостью ее эластиновых и коллагеновых волокон, их количественным соотношением и пространственной ориентацией. В процессе возрастных изменений и в случаях развития патологических состояний при нарушении водного баланса и дезорганизации пространственной структуры соединительнотканных волокон изменяются механические свойства, кожа теряет эластичность.
Исследования механических свойств кожи представлены статическими и динамическими методами. Статические - оценивают упругость путем измерения линейных перемещений или деформаций под действием механического напряжения. Наиболее распространенными являются методы кручения, одноосного или двуосного растяжения, поперечной деформации (вакуумная кутометрия и вдавливание) [8].
Динамические методы позволяют определить не только коэффициенты упругости, но и коэффициенты диссипации, информирующие о текущем состоянии кожного покрова [6, 9, 10]. Они дают возможность исследовать процессы релаксации в коже и обнаруживать изменения в микроархитектуре дермы, проявляющиеся как при физиологических изменениях и внешних воздействиях, так и при наследственных и приобретенных заболеваниях соединительной ткани [9]. К ним относят баллистометрический метод, основанный на воздействии падающего твердого тела с заданной высоты на тестируемую поверхность. Преимущество такого способа состоит в измерении не только относительных деформаций и силы воздействия, но и скорости деформации, что позволяет учесть упругий и вязкий компонент комплексного механического сопротивления кожи [11]. Вибрационная рео-эластография позволяет производить измерение упругости по частоте резонанса [1].
Измерение водного баланса кожного покрова производят путем регистрации изменения электропроводности кожи (корнеометрия); TEWL-тест осуществляет учет трансэпидермальной потери воды путем измерения парциального давления. Оценка микроциркуляции проводится с помощью лазерной допплеров-ской флуометрии. Методы исследования внутренних структур кожи представлены оптической когерентной томографией; ультразвуковой микроскопией; магнитно-резонансной томографией; оптической профило-метрией.
На основе анализа существующих подходов к объективному количественному измерению упругих и диссипативных свойств состояния кожного покрова нами было разработано устройство для получения объективной информации неинвазивным путем in vivo. Для этого выбран класс динамических вибрационных устройств, в которых исследуется реакция кожи на кратковременное механическое воздействие
[5, 12].
В нашей работе для определения упруго-дис-сипативных свойств кожи применяется устройство вибрационного типа, основанное на анализе поведения динамического, движущегося вместе с кожным покровом, контактного элемента (индентора). С учетом результатов теоретических и экспериментальных исследований, разработан аппаратно-программный комплекс, позволяющий количественно оценить упру-го-диссипативные параметры кожного покрова [13].
Диагностический комплекс дает возможность выполнять автоматизированную (компьютерную) обработку и анализ информации. Удобный пользовательский интерфейс, построенный в среде LabView, значительно упрощает работу оператора и не требует специальной квалификации. Общий вид комплекса показан на рис. 1. Структурная схема предлагаемого устройства приведена на рис. 2.
Рис. 1. Общий вид комплекса для определения механических свойств кожного покрова человека
Чувствительный элемент комплекса состоит из корпуса 1, в котором консольно закрепляется упругая направляющая 2 бойка-ударника 3. Упругая направляющая используется для запасания энергии, используемой для удара и для поджатия индентора, гарантирующего безотрывной режим колебаний контактного элемента с кожным покровом 9. С другой стороны на направляющей 2 установлены боек-ударник 3 и датчик перемещения (используется датчик магнитного поля, основанный на эффекте Холла) 4. В корпусе 1 крепятся постоянный магнит 5 и спусковой электромагнит 6. Датчик перемещения 4 через блок АЦП-ЦАП подключен к ЭВМ 8. Спусковой электромагнит
ЦАП
I ч Mi АЦП у
.—V _____п
Персональный компьютер
Рис. 2. Схема устройства для определения механических свойств кожного покрова: I - чувствительный элемент комплекса; II - блок аналого-цифровой обработки сигнала; III - блок обработки информации
и датчик перемещения работают от внешнего источника питания напряжением 12 и 5 В соответственно.
В ходе исследований устройство неподвижно устанавливается на исследуемом участке кожного покрова. По команде со стороны ЭВМ через ЦАП формируется сигнал, инициирующий работу пускового электромагнита, который, включаясь, притягивает упор-ограничитель к винту регулировки чувствительности. При этом боек-ударник поднимается на необходимое расстояние, устанавливаемое при помощи винта регулировки чувствительности. Далее ЭВМ выключает пусковой электромагнит. Вследствие деформации упругой направляющей, боек ударяет по тестируемому участку кожной поверхности. Происходит колебательное движение участка кожи и бойка с датчиком перемещения. Колебательный процесс повторяется до полного затухания. Во время колебаний сигнал с датчика перемещения оцифровывается при помощи АЦП и записывается в память ЭВМ. Для получения более точного результата процесс удара бойка и считывания данных повторяется 5 раз.
Таким образом, в ходе измерительной процедуры в памяти ЭВМ размещается массив чисел, характеризующий затухающие колебания бойка, соприкасающегося с кожей. Программа позволяет записывать массив полученных данных в выбранный пользователем файл.
Процесс определения изменений упруго-дисси-пативных свойств кожи начинался с комплексного тестирования работы прибора на искусственном материале с заданными характеристиками. Далее проводили исследования влияния мазевых основ (медицинский желатин, аптечный глицерин, пропиленгликоль, поли-этиленгликоль) на изменение упруго-диссипативных свойства кожи. В ходе эксперимента проводили троекратное измерение параметров исследуемого участка кожи без мази с интервалом 10 мин. Затем наносили мазевую основу на исследуемый участок, производили измерение параметров кожного покрова с интервалом 10 мин. После окончания действия мази делалось еще 2-3 контрольных замера.
С помощью разработанного нами устройства в процессе изучения действия мазевых основ на разных участках кожного покрова было установлено, что наиболее информативные результаты получены при увеличении площади соприкосновения поверхности датчика и кожи. Выявлено, что достоверные показатели отслеживались на участках кожи с меньшей толщиной, так как тонкие участки более чувствительны как к воздействию мазевой основы, так и к измерениям прибора.
Целью следующего этапа являлось изучение влияния на кожу медицинского глицерина. По полученным значениям произведен расчет среднего арифметического полученных значений диссипатив-ности и упругости. Далее по средним значениям построены графики изменения упруго-диссипативных свойств кожи кисти под действием глицерина, что отражено на графике, представленном на рис. 3.
8
Упругость
360 350 340 330 320 310
300
20 40
60 80
юр —►
120 140
160
66 64 62 60 58 56 54 52 50
II
а
Диссипативность
III Время, мин
20 <—
40
60
80
10) —►
V
120 140 160
III
Время, мин
б
Рис. 3. Изменение параметров кожи кисти под воздействием глицерина: а - изменение упругих свойств; б - изменение диссипативных свойств
Проведя анализ полученного графика, можно констатировать, что глицерин увеличивает диссипатив-ные и упругие свойства кожи кисти. На графике упругости можно наблюдать 3 фазы: I - проникновение в кожу глицерина (0-30 мин), при этом упругие свойства кожи практически неизменны, а диссипативные резко возрастают; II фаза (30-100 мин) - распространение глицерина в кожном покрове и изменение параметров: увеличение упругости и диссипативности; III фаза (100-150 мин) - вследствие трансдермального перераспределения мази возвращение параметров к начальному уровню, некоторое уменьшение упругости. Диссипативность на начальном отрезке времени увеличивается, далее - стабилизация, в конце - снижение диссипативности.
Таким образом, нами проведено комплексное испытание созданного измерительного прибора, разработана методика измерений и обработки полученных данных. Представленный аппаратно-программный комплекс характеризуется улучшенными характеристиками, к которым можно отнести: компактность; возможность определения количественных значений упругих и диссипативных свойства кожной поверхности; автоматическое проведение измерений и расче-
тов; минимальное вмешательство оператора; достаточную точность.
По результатам работы можно сделать заключение, что предлагаемое устройство может быть использовано в косметологии, фармацевтической промышленности для неинвазивной объективной диагностики состояния кожного покрова, что позволит своевременно корректировать профилактические мероприятия и применять адекватные терапевтические программы.
Литература
1. Автоматизированный комплекс для исследования механических свойств органов и тканей на основе аппарата для резонансной вибротерапии «Ландыш» / А.Б. Тимофеев [и др.] // Медицинская техника. 2005. № 3. С. 15-18.
2. Тимофеев Г.А. Методы аппаратного исследования кожи человека // Косметика и медицина. 2005. № 4. С. 28-36.
3. Яцун С.М. Методы мониторинга объективных параметров
кожного покрова // Медико-экологические информационные технологии : сб. науч. тр. Курск, 2007. С. 105-112.
4. Гребенюк Л.А., Утенкин А.А. Механические свойства
кожного покрова человека // Физиол. человека. 1994. № 2. C. 157-162.
5. Лушников Б.В., Яцун С.М., Дроздова О.И. Методика ко-
личественной оценки упруго-диссипативных свойств кожного покрова // Вибрационные машины и технологии : сб. науч. тр. Ч. II. Курск. 2005. С. 41-47.
6. Jatsun S.F., Jatsun S.M, Shepoluchin V. Vibrating method for measurement of the biomechanical properties of human skin // VIII International Congress on Sound and Vibration. Hong Kong, 2001. P. 313-318.
7. Pereira J.M., Mansour J.M., Davis B.R. Dynamic measur-ment of the viscoelastic properties of skin. // J. Biomech. 1991; 24(2). 157-162.
8. Leveque-JL; Corcuff-P; de-Rigal-J; Agache-P. In vivo studies of the evolution of physical properties of the human skin with age. Int-J-Dermatol. 1984 Jun; 23(5). 322-9.
9. Яцун С.М., Шеполухин В.А., Мятенко Н.И. Диагностика
вязкоэластических свойств кожи // Медико-экологические информационные технологии : сб. науч. тр. Курск, 2002. С. 178-193.
10. Яцун С.М., Шеполухин В.А., Мятенко Н.И. Математическая модель отклика кожного покрова на динамическое воздействие // Изв. Курского гос. техн. ун-та. Курск, 2001. № 6. C. 64-69.
11. Shepoluchin V., Jatsun S. Vibrodiagnostic of the human skin properties / Euromech colloquium 437. Prague, 2002. С. 17-19.
12. Edwards C., Marks R. Evaluation of biomechanical properties of human skin // Clin. Dermatol 1995, Jul-Aug; 13 (4): 375-380.
13. Свидетельство на полезную модель РФ №24786, МПК А21 В3/16. Устройство для определения механических свойств кожного покрова человека неразрушающим способом / С.Ф. Яцун, В.А. Шеполухин; Опубл. 10.02.2000; Бюл. № 2.
14. Manschot J.F., Brakkee A.J. The measurement and modelling of the mechanical properties of human skin in vivo. I. The measurement // J. Biomech. 1986; 19(7): 511-517.
Поступила в редакцию
27 ноября 2008 г.
Яцун Светлана Михайловна - канд. мед. наук., доцент, зав. кафедрой «Медико-биологические дисциплины», Курский государственный университет. Тел. (4712)51 14 52. E-mail: jatsun@kursknet.ru
Jatsun Svetlana Michailovna - Candidate of Medical Seiences, assistant professor, head of department «Medicine-Biological Science», Kursk State University. Ph. (4712)51 14 52. E-mail: jatsun@kursknet.ru_
