DE19719336A1

DE19719336A1 - Verfahren und Meßgerät zur in vivo-Messung der elastischen Eigenschaften der Haut

Info

Publication number: DE19719336A1
Application number: DE1997119336
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Ennen; Soeren Jaspers; Achim Schroeder
Original assignee: Beiersdorf AG
Current assignee: Beiersdorf AG
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1997-05-07
Publication date: 1998-11-12

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Durchführung von in vivo-Messungen der elastischen Eigenschaften der Haut unter Berücksichtigung und Erfassung der Vorzugsrichtungen in der Haut.

In dem Artikel "Two-dimensional elastic properties of human skin in terms of an incre mental model at the in vivo configuration" von Reishner, Balogh, Menzel (Med.Eng.Phys., 1995, Vol. 17, 304-313) wird ein Verfahren beschrieben, mit dem die mechanischen Eigenschaften einer Hautprobe zweidimensional bestimmt werden. Dazu finden allerdings Hautproben Verwendung, die den jeweiligen Probanden an unterschiedlichen Körperstellen entnommen werden. Eine Vermessung der Haut in vivo wird dabei nicht vorgeschlagen, wäre nach der im Artikel offenbarten Meßmethode aber auch nicht möglich.

Die Messung der mechanischen Eigenschaften der Haut in vivo wird gegenwärtig auf dem Gebiet der kosmetischen wie der medizinischen Dermatologie vorwiegend mittels dreier Geräte bzw. Verfahren durchgeführt.

Die einfachste Art der Messung erfolgt mittels eines sogenannten Ballistometers. Ein oberflächenparallel aufgehängtes Pendel wird auf die Hautoberfläche fallengelassen und die Dämpfung der Schwingung aufgezeichnet. Da Schwingungsdämpfungen stets eine Funktion viskoser Elemente ist, muß vermutet werden, gerade hinsichtlich der Krafteinwirkung in Richtung des Normalenvektors, daß vor allem die Eigenschaften der Subkutis und weniger der Dermis und Epidermis in die Meßergebnisse eingehen.

Des weiteren findet das sogenannte Cutometer (Fa. Courage Khazaka, Köln, Deutsch land) Verwendung. Die Meßsonde wird bei diesem Gerät senkrecht auf die Haut gesetzt, die Meßsonde hat an der Unterseite eine Öffnung. Ein Unterdruck wird angelegt und die Haut wird in die Öffnung hineingezogen. In der Meßsonde wird das Maß der Auslenkung optoelektronisch gemessen. Auch in diesem Verfahren erfolgt keine tan gentiale Auslenkung der Haut, so daß die dämpfenden Elemente des dermalen Gewe bes sowie des subkutanen Fettgewebes vornehmlich in die Messung eingehen.

Schließlich ist das Dermal Torquemeter (Fa. Diastron Ltd., UK) dem Fachmann zur Mes sung der mechanischen Eigenschaften bekannt. Auf die Hautoberfläche wird hierbei eine innere Scheibe und ein äußerer Haltering verklebt. Mittels der Scheibe wird ein Drehmoment angelegt und der Winkel der dann erfolgten Auslenkung -gegenüber dem Haltering- gemessen. Danach stoppt die Krafteinleitung und die Scheibe kehrt infolge der Hautelastizität nahezu in die Ausgangslage zurück. Aufgrund der Komplexität des Auslenkung, namentlich durch die Verknüpfung von Normal- und Torsionsspannungen, ist eine Interpretation der erhaltenen Meßdaten hinsichtlich ihrer Relevanz zur Beurtei lung von einzelnen Hautkomponenten ausgesprochen problematisch.

Zudem ist keines der aufgeführten Geräte zur Messung in vivo in der Lage, Vorzugsrich tungen der Hautelastizität, deren Existenz der Medizin und der humanbiologischen For schung lange bekannt sind, zu detektieren und bei der Erhebung der Meßparameter zu berücksichtigen.

Die Messung einer Vorzugsdehnrichtung ist bisher bedingt mit einer uni-direktionalen Auslenkungsmethode möglich. Hierzu werden zwei Meßfühler auf der Haut verklebt um die Auslenkung nach Einkoppeln einer Kraft zu messen. Durch wiederholte Messung in einem rotierenden Durchgang sind so nur eingeschränkt Dehnungsunterschiede für die einzelnen Richtungen zu bestimmen. Da aber beispielsweise aus Torquemeter- und Cutometermessungen bekannt ist, daß bereits nach nur einer Auslenkung eine temporär verbleibende Restauslenkung entsteht, ist stark zu vermuten, daß dieser Effekt nachfol gende Messungen mit einem nun anders orientierten Kraftangriff beeinflußt und ihre Auswertbarkeit beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren und ein Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, das eine multiaxiale definierte Auslenkung der Haut bei gleichzeitiger sensorischer Erfassung der jeweils auftretenden Kräfte ermög licht (Relaxationsversuch), und das darüber hinaus eine exakte Diskriminierung und Lokalisierung der elastischen Vorzugsrichtungen der Haut (Langer'sche Linien) zuläßt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren wie es in Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Das Meßgerät ist dabei Gegenstand der Unteransprüche.

Das Verfahren zur Messung der elastischen Eigenschaften der Haut, insbesondere der menschlichen Haut, stellt sich wie folgt dar.

Auf der Haut in vivo werden zumindest vier Sensorbeine befestigt, von denen jeweils zwei den Endpunkt einer geraden Achse bilden. Vor Beginn der Messung sind die Sen sorbeine dabei vorzugsweise kreisförmig angeordnet. Die Achsen überschneiden sich in ihrem Mittelpunkt und schließen gleichzeitig einen Winkel ein. Die Sensorbeine werden zur Messung der Elastizität der Haut in axialer Richtung ausgelenkt. Gleichzeitig werden ständig die zur Auslenkung der Sensorbeine benötigten Kräfte digital erfaßt.

Das Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Grundplatte, die zumindest drei Stativbeine aufweist, die auf das zu untersuchende Hautareal des Pro banden aufgesetzt werden, dann zumindest aus vier mit einem Normalkraftsensor und einem Querkraftsensor versehenen Sensorbeinen, von denen jeweils zwei auf einer Achse beweglich angebracht sind. Die Achsen schneiden sich in ihrem Mittelpunkt, wobei sie gleichzeitig einen Winkel einschließen.

Eine Vorrichtung bewegt die Sensorbeine unabhängig voneinander auf den Achsen mit frei wählbarer, insbesondere konstanter Geschwindigkeit. Schließlich werden die bei der Auslenkung der Sensorbeine an den Normalkraftsensoren gemessenen Kräfte mittels einer entsprechenden Vorrichtung vorzugsweise digital erfaßt.

Vorteilhafterweise kann die Auslenkungskraft für die Vollauslenkung der Sensorbeine spontan ausgekoppelt werden.

Die Grundplatte kann eine optoelektronische Abstandsmessung aufweisen, mit der die Auslenkung der Sensorbeine erfaßt wird.

In einer vorteilhaften Ausführung verfügt das vorgestellte Meßgerät über Applikations möglichkeiten, die es gestatten, beispielsweise optische Aufzeichnungen der Hautober flächenstruktur durchzuführen und zu analysieren oder mittels im Medizinbereich übli cher Ultraschalldiagnostik die Tiefenauswirkung der Auslenkung zu messen. Selbstver ständlich ist durch die flexible Einsatzmöglichkeit des Meßgerätes auch die Verwendung anderer, der Geometrie des Meßgerätes anpaßbaren Meßmethoden möglich, wie bei spielsweise die Veränderung des mikrokapillaren Erythrozytenstroms mittels Laser Doppler Flowmetrie.

So weist eine bevorzugte Ausführungsform des Meßgeräts, um den Meßvorgang so umfassend wie möglich analysieren zu können, in der Grundplatte zentral eine Öffnung vorgesehen, in die genannten anderen Meßgeräte (beispielsweise visuelle Dokumenta tion mittels Endoskop; Topographieänderungskinetik mittels Lasertriangulationssenso ren) eingeführt werden, um weitere Parameter des zu untersuchenden Hautareals zu bestimmen.

Die Ansteuerung des Antriebs für die Sensorbeine im Meßgerät erfolgt vorzugsweise nach nachfolgend dargestelltem Schema:

a) Eingabe der Meßparameter,
b) Zwischenspeichern und gegebenenfalls Protokollieren der Meßparameter,
c) entsprechendes Umarbeiten der Meßparameter in Befehlssequenzen für den Steuerrechner,
d) Abgabe der Steuerbefehle vom Steuerrechner an die Stellmotoren der Sensor beine bei gleichzeitigem Empfang der Rückmeldung über den Status vom Schrittgeber.

Das erfindungsgemäße Gerät ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hervorragend geeignet.

Im Vordergrund steht dabei die Bestimmung der Hautelastizität in vivo eines vorher fest gelegten Hautareals.

Ist die Hautelastizität des vorgegebenen Hautareals in mehreren Vorzugsrichtungen vermessen, lassen sich aus den Ergebnissen die Vorzugsrichtungen der Haut ermitteln. Diese spielen insbesondere bei Operationen eine Rolle, bei denen die Richtung des durchzuführenden Schnittes in weitem Rahmen wählbar ist. Beispielsweise seien hier Operationen genannt, die ein Öffnung der Bauchdecke beinhalten. Oftmals kann hier der Chirurg frei bestimmen, wie er den Schnitt setzen möchte. Setzt er ihn entlang der mittels des Meßgerätes zuvor bestimmten Vorzugslinien, ist zu erwarten, daß die sich ergebende Narbe von relativ unscheinbarem Format ist. In einigen Fällen kann insbe sondere bei dermatologischen Eingriffen durch geschickte Wahl des Schnitts erreicht werden, daß quasi keine sichtbare Narbe verbleibt.

Weiterhin ermöglicht das Meßgerät, auch in schwierigen Anwendungsfällen die Haut elastizität zu bestimmen. So ist für kosmetische Operationen an der Haut in der Nähe des Auges die Bestimmung der herrschenden Elastizitätsverhältnisse in der Haut eigentlich unumgänglich. Die bekannten Testmethoden versagen hier aber vielmals, sei es, daß eine Entnahme einer Hautprobe aufgrund des äußerst empfindlichen Bereiches unterbleiben sollte, sei es, weil die baulich vorgebene Ausführung des zur Verfügung stehenden Gerätes eine Anwendung in diesem Bereich verhindert.

Dann ist bei entsprechender Ausgestaltung des Meßgeräts auch die Vermessung der Elastizität der Kopfhaut möglich, ohne daß die Kopfhaut zuvor durch eine Rasur von Haaren befreit werden muß.

Schließlich bietet sich die Verwendung des Meßgeräts an zur zerstörungsfreien Ver messung der Eigenschaften eines elastischen Materials, insbesondere von Kunststoffo lien.

Im folgenden sollen das Verfahren sowie das zur Durchführung des Verfahrens vorteil haft gestaltete Meßgerät näher dargelegt werden, ohne die Erfindung damit unnötig einschränken zu wollen.

Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des Meßgeräts,

Fig. 2 die Anordnung der Sensorbeine,

Fig. 3 schematisch die Ansteuerung des Antriebs,

Fig. 4 schematisch die Messung der Auslenkung über die Bildverarbeitung und

Fig. 5 schematisch die Messung der Kräfte mit der anschließenden Meßwertver arbeitung.

In Fig. 1 wird der prinzipielle Aufbau des Meßgeräts dargestellt.

Das Meßgerät besteht aus einer Grundplatte 4, an der mindestens drei in gleichem Abstand auf dem Umfang der Grundplatte 4 angebrachte höheneinstellbare Stativ beine 19 befestigt sind. Auf der den Stativbeinen 19 gegenüberliegenden Seite der Grundplatte 4 ist ein Gehäuse, bestehend aus einem Gehäuseaußenteil 13 und einem Gehäuseinnenteil 18 angeschraubt. Das Gehäuse wird nach oben durch eine Abdeck platte 8 verschlossen.

Die Gehäuseteile 13 und 18 nehmen insgesamt acht Führungsachsen 3 sowie acht Führungsstifte 14 auf, die jeweils paarweise übereinander angeordnet sind. Die Mittel achsen jeweils zweier nebeneinander liegender Führungsachsen 3 beziehungsweise Führungsstifte 14 schneiden sich in der Mittelachse des Gehäuseinnenteils 18 und schließen einen Winkel ein.

Auf je einer Führungsachse 3 und einem Führungsstift 14 ist ein Führungsstück 2 mit je einer Lagerbuchse 9 beziehungsweise 15 so gelagert, daß eine reibungsarme transla torische Bewegung des Führungsstückes 2 in Richtung der Mittelachsen der Füh rungsstifte möglich ist.

An jedem dieser Führungsstücke 2 ist ein Querkraftsensor 17 befestigt, an dessen dem Führungsstück 2 abgewandten Ende ein Klebeträger 1 befestigt ist.

Jeweils vier Stifte 20 ermöglichen dem Klebeträger 1 eine kippfreie Bewegung um kleine Weglängen in Richtung der Längsachse des Querkraftsensors 17, wobei Querkraftsen sor 17 und Klebeträger 1 einen Spalt veränderlicher Höhe umschließen, in dem ein Normalkraftsensor 21 eingebracht ist.

Die Führungsstücke 2 können durch jeweils einen Mitnehmer 7 in Richtung des Gehäu seaußenteils 13 geschoben werden. Die Mitnehmer 7 werden dabei durch eine Gewin destange 6 angetrieben, die oberhalb des Führungsstiftes 14 parallel zu diesem ange ordnet ist. Zusätzlich werden die Mitnehmer 7 durch den Führungsstift 14 geführt.

Jede Gewindestange 6 ist motorseitig in einer Lagerbuchse 10 und auf der dem Antrieb 11 abgewandten Seite im Gehäuseinnenteil 18 gelagert. Über eine Kupplung 5 wird jede Gewindestange 6 mit dem Antrieb 11 formschlüssig verbunden. Der Antrieb 11 besteht dabei aus einem Elektromotor, einem Winkelgetriebe und einem Schrittgeber. Über einen Antriebsträger 12 ist der Antrieb 11 mit dem Gehäuseaußenteil 13 verbun den.

Für den Meßvorgang wird das Meßgerät mit den Stativbeinen 19 auf die Hautoberfläche des Probanden gesetzt, die Führungsstücke 2 und damit die Klebeträger 1 befinden sich dabei in einer Position nahe dem Gehäuseinnenteil 18. Die Klebeträger 1 werden mit doppelseitigem Klebeband auf dem zu untersuchenden Hautareal des Probanden befestigt. Eine besonders vorteilhafte Anordnung der Klebeträger 1 zeigt Fig. 2.

Durch Einstellen der Höhe der Stativbeine 19 wird die Lage des Gehäuses so verändert, daß die Klebeträger 1 eine minimale Normalkraft auf die Hautoberfläche ausüben.

Durch Verfahren der Mitnehmer 7 und damit der Führungsstücke 2, der Querkraftsenso ren 17 und der Klebeträger 1 nach außen wird die Haut des Probanden gedehnt. Dieser Dehnung setzt die Haut eine Widerstandskraft entgegen, die von den Querkraftsenso ren 17 in eine kraftabhängige elektrische Spannung umgesetzt wird. Die durch das Meßgerät auf die Hautoberfläche ausgeübte Normalkraft wird durch die Normalkraftsen soren 21 ebenfalls in kraftabhängige elektrische Spannungen umgewandelt.

Während der Verfahrbewegung erzeugt der im Antrieb 11 integrierte Schrittgeber dreh zahlproportionale Spannungsimpulse, so daß über eine geeignete Verarbeitung dieser Impulse eine Ortsbestimmung der Mitnehmer 7 und damit der Klebeträger 1 möglich ist. Die Bewegung endet nach Erreichen einer festgelegten Endposition.

Um eine ungehinderte Rückbewegung der Klebeträger 1 durch die "Spannkraft" der Haut zu ermöglichen, können die Mitnehmer 7 schnell und über ihre Ausgangsposition hinaus in Richtung des Gehäuseinnenteils 18 zurückgefahren werden.

In dieser Retardationsphase ist keine Kraftmessung vorgesehen. Da eine Positionsbe stimmung der Klebeträger 1 über die Schrittfrequenz des Antriebs 11 dann nicht mehr möglich ist, erfolgt eine Vermessung über Methoden der Bildverarbeitung.

Dazu ist in der Bohrung des Gehäuseinnenteils 18 vorteilhafterweise eine CCD-Kamera so angebracht, daß die Klebeträger 1 über ihren gesamten möglichen Verfahrweg beobachtet werden können. Die Kamera liefert in vorher festzulegenden Zeitabständen Einzelbilder, aus denen in geeigneter Weise die Positionen der Klebeträger 1 zu bestimmen sind.

Fig. 3 zeigt die Realisierung des Antriebsproblems.

Eine idealerweise interaktive Benutzeroberfläche ermöglicht mindestens die Eingabe von Verfahrweg und Verfahrgeschwindigkeit. Diese Parameter werden von einem Aus werterechner zwischengespeichert, protokolliert und als geeignete Befehlssequenzen an einen Steuerrechner übertragen. Dieser kann beispielsweise als Einschubkarte für den Auswerterechner ausgeführt sein.

Der Steuerrechner erzeugt im weiteren unabhängig vom Auswerterechner die zur Ansteuerung der Antriebe 11 benötigten elektrischen Spannungen. Geeignete Algorith men werten dabei die Schrittsignale der Antriebe 11 aus und führen die Ausgangsspan nungen so nach, daß die Bewegung der Mitnehmer 7 dem vom Benutzer geforderten Fahrdiagramm entspricht.

In Fig. 4 ist die Messung der Auslenkung über Methoden der Bildverarbeitung darge stellt.

Die Videosignale der im Gehäuseinnenteil 18 angebrachten CCD-Kamera werden zu vorgegebenen Abtastzeitpunkten, mindestens jedoch zu Beginn und am Ende der Retardationsbewegung der Klebeträger 1, durch eine Frame-Grabber-Karte dem Aus werterechner digital zur Verfügung gestellt. Durch geeignete Algorithmen werden dann die Klebeträger 1 in den Bildsequenzen erkannt und ihre jeweilige Position bestimmt.

In Fig. 5 ist die Kraftmessung schematisch dargestellt.

Sowohl die Querkraftsensoren 17 als auch die Normalkraftsensoren 21 erzeugen kraft abhängige elektrische Spannungen. Diese werden in geeigneter Weise analog verstärkt und gefiltert und stehen nach A/D-Wandlung dem Auswerterechner in digitaler Form zur Verfügung. Durch geeignete Algorithmen werden die elektrischen Spannungen gemäß den aufgenommenen Kalibrierkurven der Sensoren in Kräfte umgerechnet.

Kraft- und Wegmeßwerte können dann im Auswerterechner weiterverarbeitet und in geeigneter Form gespeichert und dargestellt werden.

Tabelle 1 Einzelteile des Meßgeräts Bezugszeichenliste

1

Klebeträger

2

Führungsstück

3

Führungsachse

4

Grundplatte

5

Kupplung

6

Gewindestange

7

Mitnehmer

8

Abdeckplatte

9

Lagerbuchse

10

Lagerbuchse

11

Antrieb (Motor mit Winkelgetriebe und Schrittgeber)

12

Antriebsträger

13

Gehäuseaußenteil

14

Führungsstift

15

Lagerbuchse

16

Klemmschraube

17

Querkraftsensor

18

Gehäuseinnenteil

19

Stativbein, höheneinstellbar

20

Stift

21

Druckkraftsensor

Claims

1. Verfahren zur Messung der elastischen Eigenschaften der Haut, insbesondere der menschlichen Haut, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Haut in vivo zumindest vier Sensorbeine befestigt werden, von denen jeweils zwei den Endpunkt einer geraden Achse bilden, wobei sich die Achsen in ihrem Mittelpunkt überschneiden und wobei die Achsen einen Winkel einschließen, die Sensorbeine in axialer Richtung ausgelenkt werden, die zur Auslenkung der Sensorbeine benötigten Kräfte digital erfaßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorbeine auf der Haut zu Beginn der Messung kreisförmig angeordnet sind.

3. Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus
einer Grundplatte, die zumindest drei Stativbeine aufweist, die auf das zu untersu chende Hautareal des Probanden aufgesetzt werden,
zumindest vier mit einem Normalkraftsensor und einem Querkraftsensor versehenen Sensorbeinen, von denen jeweils zwei auf einer Achse beweglich angebracht sind, wobei sich die Achsen in ihrem Mittelpunkt überschneiden und wobei die Achsen einen Winkel einschließen,
einer Vorrichtung, die die Sensorbeine unabhängig voneinander auf den Achsen mit frei wählbarer, insbesondere konstanter Geschwindigkeit bewegt,
einer Vorrichtung zur digitalen Erfassung der bei der Auslenkung der Sensorbeine an den Normalkraftsensoren gemessenen Kräfte.

4. Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkungskraft für die Vollauslenkung der Sensorbeine spontan ausgekoppelt werden kann.

5. Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte eine optoelektronische Abstandsmessung aufweist, mit der die Auslenkung der Sensorbeine erfaßt wird.

6. Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Grundplatte zentral eine Öffnung vorgesehen ist, in die Meßgeräte eingeführt werden, um weitere Parameter des zu untersuchenden Hautareals zu bestimmen.

7. Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des Antriebs für die Sensorbeine erfolgt durch

a) Eingabe der Meßparameter,
b) Zwischenspeichern und gegebenenfalls Protokollieren der Meßparameter,
c) entsprechendes Umarbeiten der Meßparameter in Befehlssequenzen für Steuerrechner,
d) Abgabe der Steuerbefehle vom Steuerrechner an die Stellmotoren der Sensorbeine bei gleichzeitigem Empfang der Rückmeldung über den Status vom Schrittgeber.

8. Verwendung eines Meßgeräts nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 7 zur zerstörungsfreien Vermessung der Eigenschaften eines elastischen Materials, insbesondere von Kunststoffolien.