способ определения физико-биологических характеристик кожи

Формула изобретения

Способ определения физико-биологических характеристик кожи, основанный на измерении степени меланиновой пигментации и индекса эритемы кожи, включающий измерение коэффициентов диффузного отражения кожи на трех длинах волн, одну из которых, ₁, выбирают в желто-зеленой области спектра, а две другие, ₂ и ₃, - в красной области спектра, расчет значений эффективной оптической плотности кожи OD₁, OD₂ и ОD ₃ для каждой длины волны и определение характеристик кожи из соотношений, при этом индекс эритемы определяют по формуле

где ₁₂= ₂- ₁, ₂₃= ₃- ₂, отличающийся тем, что для определения степени меланиновой пигментации кожи дополнительно измеряют коэффициенты диффузного отражения кожи, лишенной меланина, на двух длинах волн, выбранных в красной области спектра, с последующим расчетом значений эффективной оптической плотности , , и определением степени меланиновой пигментации путем вычитания из соотношения соотношения .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в экспериментальной и клинической медицине, в том числе в дерматологии, для определения степени выраженности эритемы и меланиновой пигментации кожи человека.

Одними из важнейших физико-биологических характеристик кожи являются содержание в ней крови и содержание пигмента меланина, определяемые соответственно по степени выраженности эритемы (индексу эритемы) и меланиновой пигментации (индексу меланиновой пигментации) кожи.

Известен способ для определения меланиновой пигментации кожи человека [Andersen P.H., Bjerring В. Spectral reflectance of human skin in vivo.// Photodermatol., Photoimmunol., Photomedicine, 1990, vol.7, №1, pp.5-12], заключающийся в измерении коэффициентов R₃₆₅ и R₃₉₅ диффузного отражения кожи на двух длинах волн ( ₁=365 нм, ₂=395 нм) в ультрафиолетовой области спектра, в определении значений эффективной оптической плотности кожи OD₃₆₅ и ОD₃₉₅ на выбранных длинах волн согласно соотношениям OD₃₆₅=lg(1/R₃₆₅), OD₃₉₅=lg(1/R ₃₉₅) и в расчете индекса меланиновой пигментации по формуле

Недостатком данного способа является не совсем корректное представление спектральной зависимости оптической плотности эпидермального меланина в ультрафиолетовой области спектра в виде линейной зависимости. В данном способе не учитывается вклад в эффективную оптическую плотность кожи в данном спектральном диапазоне других хромофоров кожи, в частности гемоглобина. Кроме того, данный способ предполагает необходимость проведения измерений коэффициентов отражения. Все это приводит к уменьшению точности определения индекса меланиновой пигментации. Данный способ также не позволяет определить степень выраженности эритемы кожи.

Известен способ определения индекса меланиновой пигментации кожи человека [Kollias N., Bager A.N. On the assessment of melanin human skin in vivo// Photochem. Photobiol., 1986, vol. 43, pp.49-54], основанный на измерении коэффициентов R₆₂₀ и R₇₀₀ диффузного отражения кожи на двух длинах волн ( ₁=620 нм, ₂=700 нм) в красной области спектра, на определении значений эффективной оптической плотности кожи OD₆₂₀ и OD₇₀₀ нa выбранных длинах волн согласно соотношениям OD₆₂₀=lg(1/R₆₂₀), OD₇₀₀=lg(1/R ₇₀₀) и на расчете индекса меланиновой пигментации по формуле:

Недостатком метода является невысокая точность определения индекса меланиновой пигментации, так как способ не учитывает вклад рассеивающих свойств кожи в эффективную оптическую плотность кожи в данном спектральном диапазоне. Кроме того, данный способ не позволяет определить степень выраженности эритемы кожи.

Известен также способ определения степени выраженности эритемы кожи человека [Dawson J.D., Barker D.J. et al. A theoretical and experimental study of light absorption and scattering by in vivo skin.// Phys. Biol. Med., 1980, №4, pp.695-709], основанный на измерении спектральной зависимости коэффициента диффузного отражения кожи в диапазоне 510-610 нм, определении спектра эффективной оптической плотности кожи в данном диапазоне и расчете индекса эритемы по формуле:

где нижние индексы обозначают длину волны в нанометрах (нм), на которой определяется эффективная оптическая плотность кожи.

Из всех известных аналогов данный способ позволяет наиболее точно оценить содержание крови в кожной ткани (через индекс эритемы), однако недостатком способа является необходимость использования для его реализации спектрального оборудования, работающего в специально приспособленных лабораторных помещениях, что создает определенные ограничения для широкого диагностического применения данного способа.

Известен способ определения степени выраженности эритемы кожи (индекса эритемы) [Kopola H., Lahti A., Myllyla R.A., Hannuksela M. Two-channel fiber optic skin erythema meter.// Optical Engineering, 1993, vol. 32, №2, pp.222-226], основанный на измерении коэффициентов диффузного отражения кожи R^green и R^red на двух длинах волн, одна из которых находится в желто-зеленой (545-575 нм) области спектра, в которой кровь сильно поглощает, а другая - в красной (620-710 нм) области, где кровь мало поглощает. Степень выраженности эритемы определяется как величина, пропорциональная отношению коэффициентов отражения кожи, измеренных в данных спектральных интервалах:

Достоинством способа является простая схема его реализации в виде компактного прибора широкого диагностического применения. Однако выбор в качестве индекса эритемы соотношения коэффициентов диффузного отражения не совсем удачен, так как связь коэффициента отражения с поглощением нелинейна и изменение индекса эритемы, определенного согласно выражению (4), не пропорционально изменению содержания крови в коже. В результате недостатком способа является невысокая точность определения индекса эритемы и невозможность определения меланиновой пигментации кожи.

Известен также способ для определения степени выраженности эритемы кожи [Diffey B.L, Oliver R.J., Farr P.M. A portable instrument for quantifying erythema induced by ultraviolet radiation.// British Jour. Dermatol., 1984, vol. III, pp.663-672], основанный на сравнении значений эффективной оптической плотности кожи в зеленой (~560 нм) (полоса поглощения гемоглобина) и красной (~650 нм) (поглощение гемоглобина незначительно) спектральных областях:

Данный способ увеличивает точность определения индекса эритемы, тем не менее она остается недостаточно высокой из-за отсутствия учета вклада поглощения меланина в эффективную оптическую плотность кожи в диапазоне длин волн 545-575 нм. Кроме того, способ не дает возможности определения индекса меланиновой пигментации кожи.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ определения физико-биологических характеристик кожи (индексов эритемы и меланиновой пигментации) [Синичкин Ю.П., Утц С.Р., Долотов Л.Е., Пилипенко Е.А., Тучин В.В. Методика и прибор для оценки степени эритемы и меланиновой пигментации кожи человека// Радиотехника, 1997, №4, С.77-81], основанный на измерении коэффициентов диффузного отражения кожи, определении значений эффективной оптической плотности (OD₁, OD₂, OD₃) кожи на трех длинах волн ( ₁, ₂, ₃), одна из которых ( ₁) лежит в желто-зеленой (545-575 нм) области спектра, а две другие ( ₂, ₃) лежат в красной (620-710 нм) области спектра, и последующем расчете индексов эритемы и меланина согласно соотношениям

где ₁₂= ₂- ₁, ₂₃= ₃- ₂.

Способ позволяет одновременно определить индексы эритемы и меланиновой пигментации кожи, при этом индекс эритемы определяется с учетом поглощения гемоглобина, что существенно увеличивает точность определения индекса эритемы.

Недостатком данного способа является тот факт, что согласно соотношению (7) индекс меланина определяется по наклону спектральной зависимости эффективной оптической плотности кожи в диапазоне 620-710 нм, в который помимо меланина дает определенный вклад сама кожная ткань и содержащаяся в ней кровь (гемоглобин). В результате способ дает завышенные значения (порядка 10%) при определении индекса меланиновой пигментации.

Задачей данного изобретения является увеличение точности определения индекса меланиновой пигментации кожи человека при сохранении возможности одновременного определения индексов эритемы и меланина.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения физико-биологических характеристик кожи, основанном на измерении степени меланиновой пигментации и индекса эритемы кожи, включающем измерение коэффициентов диффузного отражения кожи на трех длинах волн, одну из которых, ₁, выбирают в желто-зеленой области спектра, а две другие, ₂ и ₃, - в красной области спектра, расчет значений эффективной оптической плотности кожи OD₁, OD₂ и OD ₃ для каждой длины волны и определение характеристик кожи из соотношений, при этом индекс эритемы определяют по формуле

где ₁₂= ₂- ₁, ₂₃= ₃- ₂, согласно предлагаемому решению для определения степени меланиновой пигментации кожи дополнительно измеряют коэффициенты диффузного отражения кожи, лишенной меланина, на двух длинах волн, выбранных в красной области спектра, с последующим расчетом значений эффективной оптической плотности , , и определением степени меланиновой пигментации из соотношения:

Не известен способ с заявляемыми совокупными признаками, который позволил бы одновременно определить степень выраженности эритемы и индекс меланиновой пигментации кожи с высокой степенью точности (с ошибкой менее 5%).

Изобретение поясняется графиками, приведенными на Фиг.1 и 2. На Фиг.1 приведены временные изменения степени меланиновой пигментации (индекса меланина) в процессе образования меланина в коже после облучения ее ультрафиолетовым излучением, измеренные заявляемым способом (кривая 1) и на спектральном комплексе (кривая 2, значения индекса уменьшены для наглядности в 2 раза по сравнению с кривой 1). Фиг.2 иллюстрирует зависимость величины минимальной фототоксической дозы (МФД) ультрафиолетового излучения перед фотохимиотерапией псориаза (ПУФА-терапия) от типа кожи по Фитцпатрику (а) и от индекса меланиновой пигментации, определенного предлагаемым способом (б).

Способ может быть реализован путем предварительного измерения коэффициентов диффузного отражения кожи, лишенной меланина (кожи vitiligo) на двух длинах волн в красной области спектра, определения эффективной оптической плотности кожи vitiligo на данных длинах волн и занесения полученных величин в память в качестве параметров, используемых при определении индекса меланина кожи любого типа в соответствии с предлагаемым алгоритмом (см. соотношение (9)). Так как наклон спектральной зависимости эффективной плотности кожи в диапазоне спектра 620-710 нм определяется тремя факторами, а именно спектральной зависимостью поглощающих свойств меланина, спектральной зависимостью поглощающих свойств гемоглобина и спектральной зависимостью рассеивающих свойств кожной ткани в данном диапазоне спектра, то операция вычитания из суммарного наклона спектральной зависимости эффективной оптической плотности кожи наклона аналогичной зависимости, полученной для кожи vitiligo, позволяет определить индекс меланиновой пигментации кожи, который оценивает чистое содержание меланина в коже и соответственно увеличивает точность его определения.

Способ может быть реализован с помощью устройства, защищенного ПМ РФ №4900, который содержит импульсный источник питания, блок коммутации питания светоизлучающих диодов, светоизлучающие диоды и приемник отраженного кожей излучения, конструктивно расположенные внутри оптической головки, блок обработки данных и индикатор определенных величин степени выраженности эритемы и меланиновой пигментации кожи.

Импульсное напряжение с источника питания поступает на коммутирующее устройство, которое обеспечивает последовательное импульсное (скважность импульсов равна 3) включение светоизлучающих диодов трех типов, работающих в трех различных спектральных диапазонах, излучение которых направляется с помощью оптической головки поочередно на два тест-объекта (тест-объекты представляют собой полностью диффузно отражающую и полностью поглощающую поверхности и необходимы для расчета значений коэффициентов отражения кожи и коррекции рассчитанных величин с учетом темнового тока и паразитных засветок фотоприемника) и исследуемую кожу. Фотодиод обеспечивает измерение интенсивности отраженного объектами излучения на всех длинах волн. Измеренные величины запоминаются и обрабатываются в блоке обработки данных и значения определенных величин степени выраженности эритемы и меланиновой пигментации кожи отображаются на индикаторе.

Заявляемый способ апробирован в клиническом отделе Саратовского НИИ сельской гигиены при исследованиях временной динамики изменений индексов эритемы и меланиновой пигментации кожи in vivo, подверженной ультрафиолетовому облучению. В результате воздействия ультрафиолетового излучения (доза составляла величину, эквивалентную четырем минимальным эритемным дозам) в коже 15 практически здоровых добровольцев обоего пола возникала и развивалась эритема (покраснение кожи в результате расширения кровеносных сосудов) и параллельно развивался процесс образования пигмента меланина (загар). Результаты измерений индексов эритемы и пигментации, выполненных на заявляемом измерителе, сравнивались с результатами определения индексов на стационарном спектральном комплексе, аналогичном аналогу [Dawson J.D., Barker D.J. et al. A theoretical and experimental study of light absorption and scattering by in vivo skin.// Phys. Biol. Med. №4, pp.695-709, 1980]. Из Фиг.1 видно хорошее соответствие между временными изменениями индексов в течение всего периода измерений.

Использование предлагаемого способа для определения начальной дозы УФА излучения перед ПУФА-терапией показало, что предлагаемый нами способ является более надежным по сравнению с ориентацией на тип кожи. Корреляционная связь между МФД и индексом меланиновой пигментации (М) оказалась значительно сильней, чем между МФД и типом кожи (r=0,79 и r=0,52, соответственно, р<0,05) (см. Фиг.2).

Заявляемый способ расширяет возможности инструментальной неинвазивной диагностики кожи человека, а его реализация в компактном и транспортабельном приборе дает возможность широкого применения измерителя в диагностических целях.