PT1503668E - Caracterização da pele humana específica ao volume por imitância eléctrica - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

CARACTERIZAÇÃO DA PELE HUMANA ESPECÍFICA AO VOLUME POR

IMITÂNCIA ELÉCTRICA

Este invento refere-se a um conjunto sensor e a um processo para medir caracteristicas de uma superfície, de preferência pele, e mais especificamente, a um sistema para medições de imitância específicas ao volume em pele humana. As medições são feitas de modo a caracterizar as condições fisiológicas do volume de pele específico, tais como, por exemplo, viabilidade, teor de humidade, estrutura, composição, etc. Exemplos de aplicações possíveis deste invento são a detecção de vida em sistemas de reconhecimento por impressão digital, medições de hidratação da pele específicas à profundidade ou detecção de resposta electrodérmica localizada para orifícios discretos do dueto sudoríparo. A profundidade de medição para medições de bioimpedância na pele dependerão muito, em geral, da frequência do sinal aplicado - uma frequência mais elevada significará medições a uma maior profundidade na pele, tal como é revelado em Martinsen 0. G., Grimes S., Haug E.: Measuring depth depends on frequency in electrical skin impedance measurements. Skin Res. Technol. , 5, 179 - 181, 1999. A espectroscopia de impedância num volume bem definido de pele é, assim, impossível com técnicas convencionais, uma vez que cada frequência representará um volume diferente da pele. No entanto, o invento aqui descrito permite um qrau mais elevado de medições multifrequência focadas em camadas ou volumes específicos da pele. A medição de características de tecido usando eléctrodos é conhecida a partir também de um conjunto de outras publicações, tais como a patente US 6,175,641, que não leva em consideração a natureza em camadas da pele, a patente US 5,353,802, que se destina à investigação em profundidade de órgãos usando eléctrodos de anéis concêntricos e a patente US 5, 738, 107, que mede o teor de humidade da pele usando eléctrodos relativamente grandes. Nenhuma destas tem a possibilidade de medir selectivamente as camadas específicas de pele, o que é o objectivo deste invento.

Outra solução conhecida para a medição de características da pele está descrita no pedido de patente internacional WO-A-99/23945, na qual é referida uma solução para detectar anormalidades na pele. A impedância local em torno de um pequeno eléctrodo é usada para medir o grau de lesões na pele, e assim, indirectamente também a profundidade das lesões. O processo descrito não proporciona a possibilidade de medir as características das camadas da pele através das medições de impedância, necessárias, por exemplo, para confirmar se um dedo é constituído por um tecido vivo. 2

As medições das camadas da pele são discutidas na patente US 4,540,002, na qual são usados os quatro eléctrodos, dois eléctrodos para a aplicação de corrente constante à pele e dois para medir a impedância na pele. Assim, a impedância entre os eléctrodos de aplicação de corrente é retirada das medições. Na realidade, este sistema não é prático, e não leva em conta a parte complexa do sinal de impedância. A patente US 4,966,158 descreve medições de humidade na pele, e não permite medições em profundidade das diferentes camadas de pele, enquanto a patente US No 2001/0005424 AI descreve uma forma muito simples de usar dois eléctrodos para a medição da impedância da pele para efeitos de detecção de dedos vivos. Na prática, esta última não garante fiabilidade suficiente, porque é fácil de falsificar dedos tendo as mesmas caracteristicas de impedância como se exige no pedido.

Assim, um objectivo do invento consiste em proporcionar um processo de medição de caracteristicas de uma superfície fornecendo medições fiáveis em profundidade de tecido perto de uma superfície, por exemplo para confirmações de dedos vivos e medições de hidratação da pele.

Este objectivo é conseguido com o processo da reivindicação 1. 3 O invento será descrito abaixo com referência aos desenhos anexos, a titulo de exemplo. A figura 1 ilustra um conjunto para execução do processo do invento. A figura 2 ilustra a resistividade e permitividade relativa para o estrato córneo e epiderme viável.

As medições que utilizam eléctrodos com uma dimensão comparável à espessura do estrato córneo (EC) irão focar, devido à elevada densidade de corrente na proximidade dos eléctrodos, as medições apenas no EC. Isto está ilustrado na figura 1 onde uma simulação de elemento finito (FEM) foi executada a 100 kHz num sistema compreendendo quatro eléctrodos metálicos (Cl, C2, VI e V2) em cima de uma camada de EC epidérmico, mais uma vez em cima da epiderme viável. (A figura 1 ilustra apenas um segmento do modelo total simulado.) Os eléctrodos podem ser acoplados galvanicamente à superfície da pele, ou a tensão pode ser aplicada à pele através de um dieléctrico ou ar. A figura 1 mostra linhas equipotenciais E e, assim, ilustra claramente que qualquer medição monopolar nos eléctrodos Cl ou C2, ou uma medição bipolar ul entre estes dois eléctrodos, será totalmente dominada pelo EC. 4

Além disso, utilizando um eléctrodo de detecção de tensão (VI ou V2) adjacente ao eléctrodo que transporta a corrente, torna-se possível focar as medições no EC, também para eléctrodos maiores. Embora as linhas equipotenciais mudem como função, por exemplo, da hidratação do EC e de outras variáveis, as simulações onde a admissibilidade do EC variou ao lonqo de um intervalo extremo de seis ordens de grandeza (foram escolhidos valores entre 10“3 e 10+3 vezes os valores normais para o estrato córneo) mostraram, por exemplo, que o eléctrodo de detecção de tensão localizado 1 a 2 vezes a espessura do EC do eléctrodo de transporte de corrente bateria sempre numa linha equipotencial delimitando um volume compreendendo a maior parte da espessura do EC e sem contribuição significativa da epiderme viável.

Assim, medindo a tensão diferencial u2 entre este eléctrodo e o eléctrodo de alimentação de corrente melhoram-se sempre as medições isoladas no EC, enquanto as medições de tensão u3 entre o primeiro eléctrodo de detecção e o eléctrodo de detecção de tensão seguinte (VI e V2 na figura 1) dará sempre resultados que são totalmente dominados pela epiderme viável (usando sempre Cl e C2 para a injecção de corrente) . Uma vez que o EC é muito menos condutor (ou mais correcto: admissivo), as partes do volume medido que se prolongam para o EC na última medição, tetrapolar, terão uma densidade de corrente muito baixa e contribuirão, assim, apenas de modo insignificante para os valores medidos. Os eléctrodos de detecção neste arranjo deveriam ser pequenos e 5 não deveriam estar posicionados demasiado perto dos eléctrodos de alimentação de corrente Cl ou C2, de modo a evitar que qualquer corrente eléctrica siqa através dos eléctrodos de detecção VI ou V2. 0 invento aqui descrito baseia-se na utilização de eléctrodos de detecção de tensão em combinação com eléctrodos de injecção de corrente para permitir a caracterização de volumes bem definidos de pele, medindo a sua imitância eléctrica. Podem ser medidos um ou mais volumes, e estes volumes podem ser medidos simultaneamente ou em sequência. Alternando a relação entre os eléctrodos, medindo por exemplo a tensão entre os eléctrodos de detecção e entre cada eléctrodo de detecção e cada eléctrodo de alimentação, podem medir-se profundidades diferentes e, assim, obter-se uma caracterização das camadas da pele.

Além disso, a dimensão preferida dos eléctrodos de detecção, sendo comparável à espessura do EC, ou entre 0,01mm a 0,5mm, dependendo da pele da parte escolhida do corpo, permite a detecção de pequenas caracteristicas e a utilização de frequências relativamente elevadas. Quando se mede a caracteristica do EC, a distância entre o eléctrodo de alimentação e o eléctrodo mais perto de alimentação de corrente, entre os quais é medida a tensão, está no mesmo intervalo, isto é, a espessura do EC ou inferior a 1 mm. 6

Com base na medição de tensão ou de impedância executada pelos eléctrodos de detecção, as características de uma superfície do dedo podem ser assim medidas numa determinada profundidade, dependendo da distância e configuração do eléctrodo. A representação de quatro eléctrodos compreendendo dois eléctrodos de detecção implicará apenas camadas vivas e mais fundas de pele, se a distância entre os eléctrodos de corrente e de tensão for maiores do que a espessura do EC (aproximadamente 50 a 100pm desde a superfície) . Se a distância for inferior, a condutividade lateral no EC irá contribuir para as características de tecido, tais como as anisotropias no EC.

Exemplo 1: Detecção de dedo vivo

Em qualquer sistema electrónico para reconhecimento da impressão digital será sempre importante poder detectar-se a presença de um dedo falso ou um dedo morto (amputado) . Enquanto um dedo falso feito num material como borracha, por exemplo, seria mais fácil de detectar com qualquer uma das várias técnicas diferentes, uma camada fina de látex com um padrão impresso a cobrir um dedo verdadeiro, vivo, seria um desafio maior. Um tal dedo partilharia a maioria das características com um dedo genuíno, por exemplo, com temperatura, pulsação, etc. Qualquer medição convencional de imitância eléctrica (como, por exemplo, a descrita na patente US6175641) também falharia facilmente se o utilizador 7 aplicasse, por exemplo, alguma humidade (por exemplo saliva) na superfície de látex.

No caso de um dedo morto (amputado), as diferenças mais óbvias com um dedo vivo são o facto de um dedo vivo estar presumivelmente mais quente do que um dedo morto, de um dedo vivo ter pulsação e de o seu sangue ser oxigenado. As investigações mostraram ainda que as propriedades eléctricas do tecido vivo mudam drasticamente após a morte. Tem-se publicado um grande número de documentos de investigação sobre alterações após a morte (post mortem) nas propriedades eléctricas do tecido, por exemplo de músculos, fígado, pulmões e cérebro. Um exemplo do grupo é: Martinsen 0. G., Grimmes S., Mirtaheri P.: Non—invasive measurements of post mortem changes ín dielectric properties of haddock muscle - a pílot study. J. Food Eng., 43(3), 189 - 192, 2000. A detecção térmica de vida irá falhar devido ao procedimento óbvio de aquecer simplesmente um dedo amputado dentro da mão, por exemplo. A avaliação por infravermelhos do oxigénio no sangue é outra possibilidade, mas não funcionará, por exemplo, com tempo frio, uma vez que o corpo interromperá a microcirculação nos dedos quando a temperatura ambiente cai. As medições do pulso com base, por exemplo, em pletismografia de impedância será extremamente difícil de executar na prática, uma vez que o sinal dinâmico, mesmo num sistema optimizado, é tipicamente de apenas 0,1% e, além disso, estas medições terão os mesmos problemas em tempo 8 frio. É claro que as medições de pulso com base em sinais de ECG poderiam ser uma alternativa, mas um dedo apenas não apanharia qualquer sinal, o que torna desinteressante mesmo esta aproximação. O invento aqui descrito tornará possível medir em simultâneo a imitância do EC e camadas de epiderme viável, numa frequência ou num intervalo de frequências, de preferência num intervalo de 10 a 1000kHz, especialmente cerca de 100kHz. Os componentes complexos podem ser medidos usando rectificadores síncronos ou as relações Kramers Kronig podem ser utilizadas de modo a deduzir, por exemplo, a resposta de fase do módulo. Características, tais como, por exemplo, anisotropia eléctrica, podem também ser usadas num modelo multivariável para melhorar este processo de detecção de um dedo vivo. A figura 2, sendo uma citação de Yamamoto e Y. Yamamoto, Med. Biol. Eng. Comput. , 14, 592 - 594, 1976, mostra que o estrato córneo e a epiderme viável têm propriedades eléctricas muito diferentes, especialmente a baixas frequências, mas também, por exemplo, a 100 kHz, onde a diferença na resistividade é cerca de 400 vezes e na permitividade relativa cerca de 20 vezes. Além disso, a resposta de frequência é muito diferente para o estrato córneo e para a epiderme viável. O estrato córneo tem uma dispersão significativa na resistividade, enquanto a resistividade da epiderme viável é bastante constante, e de 9 forma inversa para a permitividade. Um sistema para a detecção de um dedo vivo, no qual as medições focadas em ambas as camadas de pele são feitas em simultâneo, será dificil de enganar, quer devido à caracteristica e propriedades eléctricas muito diferentes destas duas camadas, e porque as propriedades de mudança da epiderme viável mudam drasticamente após a morte. No caso de um dedo genuino com uma camada fina de látex, esta estrutura em três camadas pode ser facilmente detectada, e o sistema já não pode simplesmente ser enganado ajustando uma corrente eléctrica numa camada húmida na superfície.

Exemplo 2: Medições de hidratação da pele A função da pele é extremamente dependente do estado de hidratação do EC epidérmico. Monitorizando o estado de hidratação do estrato córneo pode conseguir-se um diagnóstico precoce das condições não visíveis da pele. Além disso, a medição da hidratação do EC é também importante na avaliação dos efeitos de formulações tópicas do tipo, por exemplo, hidratantes de pele.

Foi já desenvolvido um processo eléctrico para medições de hidratação da pele, baseado em medições de susceptância a baixa frequência (ver, por exemplo, a patente US5738107). Há razões para acreditar que as medições multifrequência no EC irão fornecer informação adicional que pode ser útil na avaliação de hidratação e condição do EC, mas o facto das 10 medições de multif requência no EC puro in vivo terem sido impossíveis de cumprir até agora, evitou investigações adicionais nesta área.

Assim, o invento aqui descrito permitirá medições focadas de multifrequência em camadas escolhidas de pele, como por exemplo EC. Com uma escolha cuidadosa da dimensão e geometria de eléctrodo, será possível conseguir medições dentro de camadas diferentes no próprio EC. Isto será importante, uma vez que já se sabe que a água não fica distribuída homogeneamente no EC, mas aparece, em vez disso, como um gradiente de água com as camadas mais interiores em equilíbrio com a humidade, as camadas viáveis e as outras camadas sem equilíbrio com a humidade relativa ambiente.

Exemplo 3: Medição localizada de resposta electrodérmica exogénica A actividade sudorífera em locais da pele da palma das mãos e dos pés é muito sensível aos estímulos ou condições psicológicos. As mudanças são facilmente detectadas por meio de medições eléctricas e, uma vez que os duetos sudoríparos são predominantemente resistivos, são usadas normalmente medições de baixa frequência ou de condutância DC em medições de resposta electrodérmica (MRE). O detector de mentiras é, talvez, o instrumento mais vulgarmente reconhecido onde a detecção eléctrica da 11 actividade MRE é utilizada. Existem, no entanto, várias outras aplicações para estas medições, principalmente dentro das duas categorias: doenças neurológicas ou medições psicofisiológicas. Exemplos desta primeira categoria são as neuropatias (por exemplo diabetes), lesões dos nervos, depressões e ansiedade. Esta última categoria pode incluir desordens emocionais, avaliação de dor e detecção de mentiras.

Convencionalmente as medições MRE são executadas com eléctrodos de pele que são muito maiores do que a área tipicamente ocupada por um único orifício do dueto sudoríparo. Assim, apenas é medido o efeito global ou médio de muitos duetos sudoríparos individuais. Uma vez que a inervação das glândulas sudoríferas não é necessariamente síncrona, existe potencialmente mais informação disponível se se focarem as medições numa área mais pequena. 0 invento aqui descrito permitirá estas medições num volume pequeno e bem definido da pele e será, assim, valioso em gerações futuras de instrumentos para medições MRE. 0 processo de acordo com o invento pode ser assim sumarizado como um processo para medição das características eléctricas das duas partes exteriores da pele, isto é, o estrato córneo e a epiderme viável, compreendendo os passos de aplicação de corrente ou tensão na pele entre dois eléctrodos de alimentação, medir a tensão entre um primeiro 12 dos referidos eléctrodos de alimentação e um primeiro eléctrodo posicionado a uma distância escolhida do referido eléctrodo de alimentação, medir a tensão entre o primeiro e um segundo eléctrodo de detecção, o segundo eléctrodo de detecção estando posicionado a uma distância maior do primeiro eléctrodo de alimentação do que do primeiro eléctrodo, e comparar as primeira e segunda tensões nos dois eléctrodos para fornecer a permitividade e/ou resistividade de pelo menos uma das camadas da pele. 0 papel dos dois eléctrodos de detecção pode mudar de modo a permitir a medição a profundidades diferentes. Isto exige, no entanto, que as distâncias entre os eléctrodos sejam desiguais.

Lisboa, 6 de Março de 2009 13

Claims (4)

1. 6641 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para medir as caracteristicas eléctricas de duas camadas exteriores da pele, isto é, o estrato córneo e a epiderme viável, compreendendo as etapas que consistem em: - aplicar uma corrente ou uma tensão que oscila num intervalo de frequência escolhido para a pele entre dois eléctrodos de alimentação (Ci C2), - medir uma primeira tensão entre um primeiro dos referidos eléctrodos de alimentação e um primeiro eléctrodo de detecção (Vi) ao qual a referida corrente e a referida tensão não são aplicadas, estando o primeiro eléctrodo de detecção (Vi) posicionado a uma distância escolhida do referido primeiro eléctrodo de alimentação (Ci) , - medir uma segunda tensão entre o primeiro eléctrodo de detecção (Vi) e um segundo eléctrodo de detecção (V2) ao qual a referida corrente e a referida tensão não são aplicadas, estando o segundo eléctrodo de detecção (V2) posicionado a uma distância maior do primeiro eléctrodo de alimentação (Ci) do que do primeiro eléctrodo de detecção (Vi) , 1 6641 - comparar as primeira e segunda tensões para fornecer a permitividade e/ou resistividade de pelo menos uma das camadas de pele exteriores.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, no qual a frequência se situa num intervalo de 10 a 1000 kHz.
3. 3. Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual a distância entre o primeiro eléctrodo de detecção e o primeiro eléctrodo de alimentação é inferior a 1 mm.
4. 4. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual a dimensão das superfícies de contacto dos eléctrodos de detecção é comparável à espessura do estrato córneo. Lisboa, 6 de Março de 2009 2