WO2017067545A1 - Optische ermittlung der schutzfaktoren von sonnenschutz- bzw. anderen strahlungsschutzmitteln - Google Patents

Optische ermittlung der schutzfaktoren von sonnenschutz- bzw. anderen strahlungsschutzmitteln Download PDF

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WO2017067545A1
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protection factor
protection agent
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Jürgen HELFMANN
Ingo GERSONDE
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Laser- Und Medizin-Technologie Gmbh, Berlin
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    • G01N2021/4742—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres comprising optical fibres

Definitions

  • the invention describes a method for the qualification of cosmetics and sunscreens for which a sun protection factor (SPF) or a protection factor still to be redefined is specified.
  • SPF sun protection factor
  • ISO 24444 defines a method for the in vivo determination of SPF.
  • the basis of the method is the generation of erythema on the skin of subjects by radiation in the UVB range. Therefore, the process is harmful.
  • the procedure In order to reduce the dependency of the result of interindividual variations of the skin characteristics, the procedure must be carried out on several subjects.
  • ISO 24443 defines an in vitro method for determining the UVA protection factor (UVAPF).
  • UVAPF UVA protection factor
  • the sunscreen is applied to a plastic plate so that a transmission spectrum of the sunscreen can be measured. Due to uncontrollable variations of the procedure, the transmission spectrum is scaled to the result of the erythema test according to ISO 24444 and thus depends on its performance.
  • the plastic plate used with a roughened surface is a relatively unrealistic skin model.
  • ISO 24442 defines an in vivo method in which the UVA protection factor is determined by means of the minimum dose of UVA to produce an irreversible pigmentation (tan) the skin is determined. This procedure also causes a change in the skin of the subject.
  • the sum of the light powers from the detection fibers is detected, so there is no defined distance between the illumination surface and the detection surface, but rather a summation of all distances.
  • the backscattering is measured at several well-defined intervals.
  • the error of such a measurement is strongly dependent on the used layer thickness (thickness of the separated layer of the pig's ear) and the surface roughness relative to the change by the (identical, normalized) amount of sunscreen and is in the measurements of the publication only against the ISO 24444 : 2010 evaluated in vivo evaluated SPF, not with each other. Also, only one type of sunscreen (oil-in-water) has been used, which has specific high scattering properties due to oil droplet formation, making the surface changes less effective.
  • UVB radiation solar simulator, ie "solar simulator” with predetermined wavelength-specific intensity between 290 to 400 nm corresponding to solar radiation at sea level
  • UVA radiation should be extended without restriction to the UVA, UVB, the visible and near-infrared or infrared range for the determination of corresponding sun protection factors with the solution according to the invention.
  • the method according to the invention is not only desirable but urgently required for a number of important reasons:
  • the UVA-PF method is based on "Minimal Erythematous Responses" and persistent pigmentation caused by UVA
  • a detailed compilation of the PPD and erythema action spectra as well as the UVA and UV-SSR (ultraviolet solar simulated light) spectral irradiance in the 290- 373 nm offer the COLIPA Guidelines from 2009.
  • DIN 67502 UVA balance
  • the method is based on that described in the German Standard DIN 67502.
  • the SPF is determined using the values provided in the CIE.
  • the SPF is applied in order to correct the values obtained in vitro.
  • the PPD are derived by applying the values from the PPD Action Spectrum given in the Standard.
  • UVAPF UVAPF / SPF Ratio and Critical Wavelength
  • Radical Protection Factor is the determination of the free radicals generated by solar radiation in human skin.
  • this method again has the disadvantage that it can only be carried out in vivo using solar simulators, since in vitro samples which are not perfused have a significantly lower oxygen concentration.
  • oxygen is the basis for the formation of free radicals.
  • the radical protection factor and the sun protection factor differ.
  • Tissue samples must be laboriously prepared for measurement in thin layers. Changes in the sample due to thermal or chemical preparation are to be expected and there is poor repeatability due to handling difficulties.
  • crosstalk With the design options on the fiber applicator (crosstalk), the one (metallized fibers, recording plate with light barriers) and clear SRR measurement of handling (defined contact pressure), this can be disturbing. be minimized. Residual crosstalk can be detected and subtracted, if constant) with the measurement of a dark standard.
  • the signals are large by varying the integration time of the measurement, an SPF can be too small and the very wide dynamic range can be detected because the required dynamics of the detector signals are linear with the integration time.
  • the SPF is too heterogeneous locally. Due to the redundant measurement with several fibers for the same distance r, averaging can lead to a stable statement. In addition, some heterogeneity is physiologically realistic and is to be reproduced by the tissue model.
  • the degree of heterogeneity can also be measured spatially resolved and provide valuable information about the distribution behavior of the sunscreen.
  • Fig. 1 shows the measuring method according to the invention
  • FIG. 2 shows the explanations for the derivation of the backscatter measurement according to the invention
  • FIG. 3 shows model calculations on a skin model for the correlation of protection factor and backscatter. The registered line corresponds to equation (4).
  • Fig. 4 shows the simultaneous measurement of the backscatter at several intervals
  • FIG. 5 shows an embodiment of the backscatter measurement according to the invention, each having a lighting and detection fiber
  • FIG. 6 shows embodiments according to the invention of fiber end surfaces of fiber bundles for the backscatter measurement
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 15.
  • the measuring method according to the invention enables the damage-free determination of protective factors of formulations for light or radiation protection on tissue (skin) in vivo or in vitro or also on skin models (animal skin models or artificial materials). This is achieved by evaluating two measurements of the light backscatter on the skin surface before and after applying the radiation protection agent to the skin. In contrast to previous methods, the distance between the illumination surface and the detection surface on the skin is determined with the beam path of the measuring method (error! Reference source could not be found). The exposure dose of the skin used in the measurement is below the damage limit, which is usually indicated as MED for the UVB range or by means of MZB values for the other wavelength ranges.
  • the illumination takes place with at least one radiation source which emits relevant radiation at least in the wavelength range for which the protective effect or the SPF is to be defined.
  • the radiation source can emit only a smaller wavelength range of the radiation relevant for the protective effect and determine the existing radiation protection or sun protection factor by means of correlation measurements which precede the determination according to the invention.
  • the emitted radiation is detected by at least one detector, wherein the detection area at the measuring location of the Einstrahlort the radiation source has a defined distance.
  • the measuring cycle for determining the existing radiation protection or SPF consists of at least 2 individual measurements in which the radiation emitted by the radiation source of the illumination is transmitted through the measuring body (in addition to the layer modified by the applied radiation protection means) and hits the detector, the distance between the illumination surface and the detection surface on the measuring body being between the Measurements are predetermined, but different.
  • a downstream device detects the at least two detector signals, amplifies these possibly with different degrees of gain, and analyzes the signal level with an algorithm that determines a sun protection factor.
  • the advantages of this method lie in the lack of damage to the subject in in vivo measurements, in the simple recalculation without consideration of the incident light power must be constant only in the measurements with / without radiation protection, and also in the independence of the chosen distance between irradiation / Illumination and detection, and the existing under the radiation protection skin or optical properties of the measuring body or skin model used.
  • Advantage of the measurement is the use of any spectral intensities in the radiation sources, which no longer require a calibrated "solar simulator".
  • the detection can be carried out with simple detectors, which only have to output a signal above the noise depending on the definition of the sun protection factor for the transmitted radiation in the worst case of the greatest light attenuation by radiation protection means and measuring body.
  • the method according to the invention gives the best results if the radiation protection agent to be investigated is present as a thin layer and weakens the transmitted radiation (see point 1 below).
  • the attenuation by the radiation protection means can be approximately described by a scalar transmission factor T in this case.
  • T transmission factor
  • Pin denotes the illumination power, L (z) the path length-dependent light attenuation of the radiation through the skin.
  • the sun protection factor (PF) is defined by the z-independent attenuation of the radiation density in the skin:
  • the approach for the determination of the PF is to determine the transmission factor T with backscatter measurements, since the transmission through the skin with and without protective agent layer can not be detected directly.
  • light is irradiated locally into a limited exposure surface of the skin surface. A portion of the light is remitted by scattering processes of the skin and measured in the area of a detection area (error! Reference source could not be found.).
  • a distance r which, according to the invention, is chosen to be substantially greater than the layer thickness formed by the radiation protection agent. If the distance r is greater than the layer thickness formed by the radiation protection agent, the radiation transport from the illumination position to the detection surface can be described approximately by three sequential processes:
  • the sun protection factor PF can be calculated from backscatter measurements before and after application of the radiation protection agent:
  • the ratio R 0 hne / Rmit is independent of the distance r and z he qu.
  • the backscatter is measured spectrally resolved.
  • the resulting spectrum of the transmission factor ⁇ ( ⁇ ) can then be used to derive protection factors corresponding to the existing standards.
  • ⁇ ( ⁇ ) is the intensity spectrum of the sun and ⁇ ( ⁇ ) the erythema spectrum, ie the spectra with an intensity sufficient for erythema to use.
  • Other Light sources with an illumination spectrum ⁇ ( ⁇ ) or a wavelength range ⁇ ( ⁇ ) to be protected by the radiation protection agents result analogously in protective factors, which can likewise be determined according to the invention.
  • backscatter and protection factor according to equation (4) can be confirmed with model calculations for UV light on a skin model. Error! Reference source could not be found, showing corresponding results of Monte Carlo calculations for the radiative transfer equation. Radiation protection agents with varying scattering and absorption properties were assumed, furthermore the melanin content of the epidermis was varied. It turns out that the backscatter measurement described here is approximately independent of the special properties of the radiation protection agent, this is not the case for the methods of backscatter measurement described in the prior art.
  • a maximum value for r is due to the amount of radiation still striking the detector, that is to say the effect of the light attenuation by the radiation protection means AND of the underlying skin.
  • a practical value of 1 mm will be an upper limit for UV irradiation / protection formulation.
  • Particularly preferred is a value of r ⁇ 200 ⁇ .
  • the attenuation T is independent of r, so that the measurements can be detected with too small a distance and excluded from the evaluation in order to avoid a wrong determination of the PF.
  • Equation (4) can be calculated using this measurement a correction term g can be extended, which reduces errors in the prediction of the PF.
  • the formula for determining a corrected sun protection factor is:
  • the skin has furrows and crevices, which lead to a laterally inhomogeneous application of the radiation protection agent and thus to a location-dependent fluctuation of the sun protection factor and also influence the backscatter by different formation of the skin in this area. These influences are only recorded when taking measurements on the skin.
  • the methods mentioned in the prior art and based on PMMA substrates do not detect this, or restrict them in the case of embossed structures.
  • a localized remission measurement is carried out with which this heterogeneity of the transmission can be determined by multiple measurements at adjacent positions. This can be determined on the one hand from a suitable averaging a mean attenuation and thus a mean PF.
  • the variance of the damping can be determined, so that properties of the radiation protection agent with respect to the application to the skin can be examined.
  • the abrasion behavior and in the distribution of the radiation protection agent over the service life can thus be provided by the measuring method described a method for further qualification.
  • the method described here has a wider range of applications compared to the existing methods which use erythema, pigment or radical formation.
  • the existing procedures can be measured repeatedly on a sample; once induced erythema or pigmentation can not be repeatedly generated.
  • the sun protection factor can be detected spectroscopically in all required wavelength ranges.
  • the measurements are sequentially at the same location on the measuring body, z. As the skin performed. This is done by measuring continuously for short periods of time and for longer ones Time intervals with measurement pauses, in which the optical interface of the measuring device is removed from the measuring location and periodically replaced at the same location. Since the measurement does not change the skin (redness) or measuring body, the advantage of the method is that it can be performed several times at the same measuring location without distorting the measured values. If multiple measurements are made, on the one hand the progress of the protective effect can be observed, which is not carried out with previous MED-based methods for ethical reasons due to the large number of sample sites / sites with invasive measurement.
  • the MED-based procedure can not be used because the determination is based on the appearance of redness, but it does not (as in sunburn) decrease in relevant protection periods (hours). Furthermore, the skin is pre-damaged at the site and does not provide reliable information on the duration until a complete regeneration (days) until damage occurs.
  • the measurement is carried out at measuring sites loaded with different amounts and / or types of radiation protection agent, or after interaction with the applied radiation protection agent at the same measuring location. This is done by the optical interface of the measuring device removed, an application of further radiation protection agent or an interaction takes place at the measuring location (wiping / rubbing with a defined procedure, rinsing with water or the like, bleaching with light, etc.) and then another measurement takes place, which is based on the original measurement without radiation protection. It is also conceivable to refer the measurement to the measurement carried out before the interaction.
  • the advantage of the method is the detection of mechanical effects on the radiation protection and the possibility at the same measuring location (for example spine as usual or forehead) to quantify these influences more easily.
  • the measurement takes place at different measuring locations with the same distance from the illumination surface to the detection surface.
  • a sun protection factor which is usually collected on the back with more practice-relevant sites for radiation protection, such as the face or forehead or the bald head in the case of sun protection or in other radiation protection situations, for example, exposed to radiation hands.
  • This is done by the optical interface of the measuring device is positioned at these locations. There must be no change in the measurement procedure or on the device. So far, a measurement with the "solar simulator" for ethical and cosmetic reasons (there remains a rectangular redness) not at naturally exposed sites.
  • the inventive method is due to the low illumination dose without damage or redness and can also be placed on almost any location on the skin of a subject or other skin models, also due to the geometry of the optical interface.
  • a plurality of detectors are arranged such that they have the same distance to one of the radiation sources.
  • the measurement is carried out several times without removing the optical interface of the measuring device, and analyzes the temporally successive measurements.
  • the successively determined sun protection factors are also analyzed and the measurement is ended when the successive sun protection factors differ less than a standard deviation of 1 ⁇ from one another, ie assume a stable value.
  • Other stability criteria are also in accordance with the invention. Deviations of the determined sun protection factors can result from the bleaching behavior, the penetration behavior into the measuring body or the skin or technical influences in the measuring device.
  • the method allows, without limitation, the multiple measurement and the analysis is not time-consuming, since the measured values are calculated by a pre-established algorithm from the detector-derived, wavelength-resolved signals.
  • a plurality of measurement projects are carried out.
  • the measurement projects are carried out at different positions on the measuring body.
  • the measured values obtained at the different positions are averaged.
  • the measurement projects are also repeated.
  • the measurement bodies acted upon by the radiation protection agent are measured a first time between the individual measurement projects. After this first measurement the measuring body may be exposed to the protective effect of the radiation protection agent. Subsequent to this, the measurement project is then repeated. This happens at best with the same parameters and at the same position we the first measuring project.
  • the influences acting externally on the protective effect of the radiation protection agent can be time, water, abrasion, the action of the radiation or other influences. Measurements before and after exposure to the effects can be used to determine the effects on the protective effect. This makes it possible to optimize the protective agent in terms of resistance to the influences and thus to ensure the best possible protection.
  • a measurement can be carried out on the measuring body before the radiation protection agent has been applied to the measuring body.
  • the radiation is detected spectrally separated for wavelengths or wavelength ranges and then analyzed for the separate wavelengths or wavelength ranges.
  • the spectrally separated wavelengths or wavelength ranges may include UV-A, UV-B and / or the visible light.
  • the spectral separation can be done directly behind the radiation source and before the penetration of radiation into the measuring body.
  • the radiation backscattered by the measuring body can be spectrally separated into a plurality of wavelengths or wavelength ranges.
  • characteristic values of different types are determined from the measured values. These characteristics are based on different damage functions. These damage functions can be the effect of UV-A radiation or completely different wavelength ranges on the skin or in continuation on other biological materials (eg wood for wood preservatives) by acute reactions or other damage (eg DNA strand breaks in living biological material ).
  • this procedure has the advantage that the locally acting radiation dose can be reduced if the spectral separation takes place before penetration of the radiation into the measuring body.
  • this approach has the advantage that the calculation of the sun protection factor can be independent of the respective spectrum and also independent of the detector characteristic.
  • the radiation is irradiated to a limited area. This area is separated from the detector area.
  • the sun protection factor of the radiation protection agent according to the formula
  • the measuring head is cleaned before the measurement project.
  • the cleaning is preferably carried out by means which leave no residue and / or have no influence on the characteristic of the radiation. This has the advantage that all measurement projects can be carried out under the same optimal conditions. In this way, the radiation dose can be lowered further, since no contamination for the intensity of the radiation falling on the measuring body has to be taken into account.
  • the individual measurements are carried out for a plurality of distances between the detector and the radiation source.
  • the distances are in this case in a range of 0 mm to 1 mm, preferably from 20 ⁇ to 0.5 mm and more preferably from 60 ⁇ to 200 ⁇ be varied.
  • the method can be used for a very large wavelength range, not limited by lamp spectra, erythem spectrum, reactions of the measuring body, or the like.
  • the method according to the invention also offers the possibility of the spectral range (SPF is defined only for UVB) for the measurement expand, since only with UVB skin reactions (MED) are to be found.
  • SPDF spectral range
  • MED UVB skin reactions
  • the influence of substances on the measurement according to the invention is avoided, which influences skin rash or UV-induced erythema.
  • the inventive method is simpler and more meaningful than the previously known methods and associated with lower costs.
  • a device for non-invasive determination of the sun protection factor of a radiation protection agent comprising a sensor unit, wherein the sensor unit comprises at least one radiation source and two detectors, wherein the detectors have different distances to the radiation source, or either at least two radiation sources and a detector, wherein the radiation sources have different distances to the detector, or a radiation source and a detector, wherein the distance between the radiation source and the detector is variable.
  • the radiation source is suitable for emitting light in the region in which the protective effect is to be defined, the distances between the individual radiation sources and the detectors being determined. This range includes in particular the visually visible light (VIS) as well as the UV-B and the UV-AB range.
  • the radiation source can emit light.
  • the device according to the invention has a controller for controlling the radiation source, wherein the controller is adapted to control the radiation source such that the radiation source emits a maximum light dose of small MED and / or MZB, via an analysis unit which is suitable, the detected radiation taking into account respective distances between the radiation source and the detector to analyze and an output unit that outputs the determined value.
  • the radiation sources and detectors are arranged in sudstreuan angel.
  • the device according to the invention has the possibility of changing test parameters such as wavelength, distance r between radiation source and detector and / or spot sizes. This offers the possibility to adapt the measuring parameters and in particular the light dose to the measuring conditions in such a way that the measurements on the Measuring body radiated light dose can be minimized without affecting the quality of the analysis.
  • the distance of a radiation source and a detector is selected so that the detected radiation has passed completely through the layer of the measuring body in which the applied radiation protection agent is located.
  • the distance between one or more radiation sources and one or more detectors between 0 and 1 mm, wherein the distance is selected so that the penetration depth of the radiation greater than the layer thickness and / or penetration depth of the radiation protection agent in the Skin is. This ensures that the relevant for the determination of the sun protection factor areas of the measuring body are completely irradiated.
  • the device has one or more radiation sources and at least one illumination surface, wherein the illumination surface of the radiation sources between a circle with 07 ⁇ and 1 mm 2 , preferably between a circle with 0100 ⁇ and 250 ⁇ 2 and more preferably between a circle with 0 200 ⁇ and a circle with 0 400 ⁇ lies.
  • An optional embodiment of the invention has one or more detectors and at least one detection surface, wherein the detection surface between a circle with 07 ⁇ and 1 mm 2 , preferably between a circle with 0100 ⁇ and 250 ⁇ 2 and more preferably between a circle with 0 200 ⁇ and a circle with 0 400 ⁇ lies.
  • the advantage is achieved that the illumination surface of the radiation sources on the one hand is large enough to bring in enough light, but not too large, that from a certain size only edge region is effective and increases the etendue. This also limits the light dose required for the analysis.
  • the radiation source emits light in accordance with the solar spectrum.
  • the analysis unit resolves the measurement spectrally with subsequent weighting according to the typical solar spectrum. This corresponds to the product of light intensity of the radiation source and detector sensitivity to the product of solar spectrum and Wirk upon. Damage spectrum.
  • This has the advantage that no special radiation sources or detectors for the device must be used because the weighting is done later in the analyzer and can be adapted to the given from the existing procedures for determining a sun protection factor product of solar spectrum and effect or damage spectrum or also other rules for the determination of a sun protection factor.
  • the device for measuring the measured quantities has fiber arrangements or optically imaging systems with reducing optics. This ensures that the spatial resolution can be significantly improved, or inexpensive components can be used, which can produce the same illumination or detection surface through the reduction optics.
  • the distance-dependent backscattering it is possible to select fiber arrangements or also optical systems which image light sources and detectors on the skin surface.
  • the light from one or more light sources is radiated into the skin over a limited illumination surface, light backscattered from one or more detection surfaces of the skin is detected by detectors or by a spectrometer.
  • the backscatter must be measured before and after the application of the radiation protection agent at the same position on the skin. To find the measuring position with the least possible error, a positioning aid is favorable.
  • the spectrally resolved backscatter first results in a spectrum ⁇ ( ⁇ ) of the transmission factor (equation (4)), from which, for example, for sunscreen formulations with equation (5), a standard-compliant protection factor is calculated.
  • the spectrum of the light source and the spectral sensitivity of the detectors can be chosen so that the measured detector signal is proportional to the integral in equation (5).
  • a simple arrangement consists, for example, of an illumination fiber and a detection fiber, which are placed on the skin surface at a suitable distance from each other (error! Reference source could not be found) and thus determine the illumination and detection area.
  • Detection fibers with the same distance to the illumination fiber are combined on the output side and coupled to a detector. Instead of the detectors, an imaging spectrometer can be used to simultaneously measure the backscatter spectrum for each distance. In an extended embodiment, the backscatter signal is measured in each detection fiber. The variance of the signals allows conclusions to be drawn about the inhomogeneity of the protective properties of the investigated radiation protection agent erroneous measurements or incorrect application of the radiation protection agent can be detected.
  • the transmission factor can be averaged over a larger spatial area, or its variance can be determined.
  • Outlier or erroneous measurements can be detected by comparing the measurements at different distances r and at different positions of the skin and excluded from the evaluation.
  • b) configuration can also be several units of error! Reference source not found.
  • a) sketched configuration are combined into a fiber bundle. B here denotes the illumination fiber, 1 to 4, the different fibers at certain intervals (1 near, 4 maximum removed). a. Repetitive measurements at different measuring points either by automatic shifting of the measuring arrangement or by manual displacement further increase the statistical accuracy.
  • cans can be used, which are below a possible damage.
  • a stable measurement can take place with a defined spot size in the contact and a defined numerical aperture or defined light propagation.
  • a pressure measurement or also a support aid with an enlarged surface the pressure dependence of the measurement can be reduced and the vertical support controlled, the latter prevents the optical crosstalk of illumination and detection.
  • absorbent or reflective materials between the fibers optical crosstalk can be reduced, thus further improving channel separation.
  • low-fluorescence materials incorrect measurements are prevented.
  • Interchangeable films which are attached by means of a fiber applicator or window can prevent the spread of radiation protection agents and ensure sterile use ((also used in the method described in the literature by Ruvolo et al., See page 3) )).
  • a suitable cleaning must be carried out between the measurements at different measuring locations or test persons.
  • the contamination of the sensor can be detected by the measuring arrangement itself, for example, by taking a measurement in the free space or in a dark measuring chamber inside.
  • the spectral dependence of the remission can be determined by using a spectrometer or by illuminating the skin with multiple light-emitting diodes.
  • the measurement for different spectral ranges can be done simultaneously or sequentially to either adjust the amount of light for a good signal-to-noise ratio on the detector side or to allow the spectral resolution.
  • the measuring head is positioned perpendicular to the sample surface before the measurement.
  • the disturbance light is filtered out by modulation techniques, eg lock-in techniques.
  • a correction of the measured data is carried out taking into account the backscatter at the illumination position.
  • the detected radiation is analyzed separately for individual radiation source / detector pairs.
  • Wavelength ranges light from the spectra UV-A and / or UV-B and / or VIS VIS and / or IR includes.
  • the device according to the invention is furthermore distinguished by the following features which can be combined with one another independently of one another:
  • the distance 0 measurement between the radiation source and the detector is used for calibration.
  • the calibration is only necessary with respect to the spectral position, an intensity does not have to be calibrated, since the relative measurements with / without radiation protection mean that the measurements of the irradiated intensity are independent of the measurements, provided that they do not change appreciably between the measurements.
  • Devices which shield the detectors from radiation that has not been transmitted through the protective cream and / or skin or measuring body.
  • the analysis unit of the device is suitable for detecting outliers and erroneous measurements.
  • a point on the inside of the lower arm is first subjected to a formulation similar to the radiation protection agent but without a light-damping effect. This serves to compare the measurements with / without radiation protection agent and increases the accuracy, but is not mandatory for carrying out the method or determining a sun protection factor. Thereafter, this location is measured with the measuring device by light at a defined area of about 200 ⁇ diameter - generated, for example by placing an optical fiber (illumination fiber) with a core diameter of
  • 1 MED equals the lowest irradiation dose which, when read after 24 hours, caused a sharply limited erythema (redness) of the skin. This dose varies greatly even among people with the same skin type. In fair-skinned people of skin type II 1 MED equals about 250-400 J / m 2 (25-40 mJ / cm 2 ). Damage can also be prevented by falling below the MZB values.
  • MZB are in the DIN EN 60825-1 "Safety of laser equipment - Part 1: Classification of equipment, requirements and user guidelines", the international standard IEC 60825-
  • BGV B 2 The accident prevention regulation "Laser Radiation” (BGV B 2) also contains these values, additions and changes, in particular on the basis of DIN EN 60825-1: 2001-1 1, are listed in BG Information 832 "Operation of Lasers".
  • the underlying limit values come from the ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection).
  • This light passes through the skin of the sample and passes at a predefined distance - for example, 60 ⁇ - from a detection surface, which in turn may consist of a patch optical fiber (detection fiber), which has a core diameter of 200 ⁇ .
  • a detection fiber detection fiber
  • a plurality of detection fibers can be arranged equidistant from the edge of the illumination fiber in an optical measuring head, which is in direct contact with the measuring location, and be guided together to a detection device and thus the intensity can be measured .
  • the signal generated by the radiation is amplified by a defined factor, which also provides a signal above the noise for the subsequent measurement of the weaker intensity.
  • the detection is carried out with wavelength resolution.
  • the resolution may be, for example, 1 nm and should be selected depending on the definition of the sun protection factor.
  • the standards provide for a procedure that can be followed or deviated from without affecting the performance of the measurement process. Only the meaning of the determined sun protection factor for the application scenarios of the radiation protection agent is dependent on the type of exposure.
  • a further measurement of the same type is carried out at the same measuring location. This completes the measuring cycle after two individual measurements.
  • This similar second measurement is charged with the first measurement, for example, according to the above equation (4). This calculation is carried out with wavelength resolution for the area in which the SPF is to be defined.
  • An SPF for example, is the SPF, which is valid for sunscreen in the UV-B range.
  • the individual measurements are averaged or added up (accumulated).
  • the measurement cycle thus includes, for example, 10 to 50 individual measurements without radiation protection agent (or without light attenuation in the radiation protection agent) and an equal number of measurements after application of the radiation protection agent.
  • the measurements after application of the radiation protection agent can be detected only after a waiting time after the application of, for example, 2 minutes.
  • Other types of analysis are also conceivable wherein the wavelength resolved signal values of the individual measurements are all taken into account without being contracted to a wavelength resolved value prior to analysis (equation (4)).
  • a modification of one of the preceding embodiments is also a measurement cycle only with a limited wavelength range, for example with illumination by coupling a 365nm LED into the illumination fiber.
  • preliminary work is required, which takes place with the radiation protection agent and a broader wavelength range and forms a basis for correlating the values in the restricted wavelength range with an SPF. It must be ensured as a prerequisite for a correlation that the measurement at 365 nm does not show different spectral light attenuation compared to the comparative measurements for the type of radiation protection agent used in the case of preliminary work and measurement.
  • the preceding determination of the sun protection factors is assigned to a measured light attenuation at 365 nm.
  • the light protection factors are then determined by comparison with previously known values in the analysis apparatus via this assignment (correlation).
  • a third measurement after an interaction of the same type is also to be carried out at the same measuring location.
  • the measuring device is used similarly.
  • the interaction may be, for example, ten times light pressure wiping and a wet terry towel, or other light, mechanical, or moisture or combination effects.
  • This third measurement is evaluated against the first measurement according to equation (4) and gives a 'sun protection factor after interaction' which is compared to the 'sun protection factor without interaction' (determined from the first and second measurements) and from this the effect of the interaction on the protective effect can be determined. It makes sense to use such a method with interaction in tests for water resistance of the radiation protection agent and in statements on the change of the sun protection factor by mechanical effects by dressing and changing, which should be part of a product information.
  • the interaction may also be to detect the change of the radiation protection agent over time by measurement after a short period of time - for example during the first minutes after exposure - or over a longer period of time - for example 2 hours after exposure.
  • the procedure is the same.
  • chemical changes of the radiation protection agents can be detected or the pull-in behavior and its effect on the sun protection factor.
  • the individual measurement takes a few seconds, the analysis either takes place immediately (several hundred milliseconds) or the measuring signals of the detectors are buffered.
  • third measurements are carried out periodically, for example every 5 seconds, and analyzed until the deviation of the successive values lies below the simple standard deviation, ie shows stable values. Such an evaluation takes place in the analysis device, which ends the measurement when the stable values are reached and signals this to the user.
  • a further measurement is also to be carried out at another measuring location in the same way.
  • the SPF of the same radiation protection can be compared with similar job at different locations.
  • a first measurement (individual measurement without radiation protection agent) at the additional measuring location is used as the basis for the analysis of the further measurement.
  • UVAPF UVA protection factor according to the in vitro method according to ISO 24443
  • MED minimal erythema-producing dose corresponds to the minimum dose until it reaches a reddening of the skin
  • MZB maximum allowable irradiation e.g. determined by regulations or by a radiation protection commission
  • UVA wavelength range of light from 380 nm to 315 nm
  • UVB wavelength range of light from 315 nm to 280 nm
  • VIS wavelength range of light from 380 nm to 780 nm
  • NIR wavelength range of light from 780 nm to 1400 nm
  • IR wavelength range of light from 780 nm to 1 mm
  • T scalar transmission factor (wavelength dependent) characterizes the

Abstract

Die Erfindung dient der Ermittlung eines Schutzfaktors für Licht, beispielsweise für Kosmetika und Sonnenschutzmitteln, für die ein Sonnenschutzfaktor (SPF) angegeben wird, indem zwei Messungen der Lichtrückstreuung an der Hautoberfläche in vivo oder in vitro oder auch an Hautmodellen (tierische Hautmodelle oder künstliche Hautmodelle) vor und nach Aufbringen des Strahlungsschutzmittels auf die Haut erfolgen und der Lichtschutzfaktor daraus ermittelt wird. Im Gegensatz zu bisher standardisierten Verfahren wird für den Strahlengang des Messverfahrens ein Abstand zwischen Beleuchtungsfläche und Detektionsfläche auf der Haut festgelegt. Die bei der Messung verwendete Belichtungsdosis der Haut liegt unter der Schädigungsgrenze. Der Lichtschutzfaktor kann nach bisherigen Standards ermittelt werden oder für weitere Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche (z.B. UVA, VIS, NIR, IR).

Description

Optische Ermittlung der Schutzfaktoren von Sonnenschutz- bzw.
anderen Strahlungsschutzmitteln
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren der Qualifizierung von Kosmetika und Sonnenschutzmitteln, für die ein Sonnenschutzfaktor (SPF) oder ein noch neu zu definierender Schutzfaktor angegeben wird.
Die bisherigen durch die Behörden der europäischen Union (EU) und der amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zugelassenen Methoden für die Bestimmung des SPF sind alle schädigend für den beteiligten Probanden, indem sie ein Erythem, also eine durch Licht hervorgerufene Entzündungsreaktion der Haut hervorrufen (COLI PA - European Cosmetic, Toiletry and Perfumery Association: Colipa SPF Test Method 94/289, 1994; ISO- Standards 24442, 24443, 24444). Daher haben sowohl die FDA als auch die EU mehrfach darauf hingewiesen, dass künftige Forschungsaktivitäten auf neue Methoden zur Charakterisierung der Schutzwirkung von Sonnenschutzmitteln gerichtet werden müssen, um Spätfolgen für die Probanden zu vermeiden (European Commission, Standardisation Mandate Assigned To CEN Concerning Methods For Testing Efficacy Of Sunscreen Products, M/389 EN, Brüssels, 12 July 2006). Diese Aufgabe soll mit dieser Erfindung wahrgenommen werden.
Die bestehenden Verfahren sind in verschiedenen Fundstellen definiert:
I. In Normen und Vorschriften definierte Verfahren:
a. ISO 24444 definiert ein Verfahren zur In-vivo-Bestimmung des SPF. Grundlage des Verfahrens ist die Erzeugung von Erythemen auf der Haut von Probanden durch Strahlung im UVB-Bereich. Daher ist das Verfahren schädigend. Um die Abhängigkeit des Ergebnisses von interindividuellen Variationen der Hauteigenschaften zu verringern, muss das Verfahren an mehreren Probanden durchgeführt werden.
b. ISO 24443 definiert ein ln-vitro- Verfahren zur Bestimmung des UVA-Schutzfaktors (UVAPF). Das Sonnenschutzmittel wird auf eine Kunststoffplatte aufgetragen, so dass ein Transmissionsspektrum des Sonnenschutzmittels gemessen werden kann. Aufgrund nicht kontrollierbarer Schwankungen der Prozedur wird das Transmissionsspektrum durch eine Skalierung an das Ergebnis des Erythem-Tests nach ISO 24444 angepasst und ist damit von dessen Durchführung abhängig. Die verwendete Kunststoffplatte ist mit einer aufgerauten Oberfläche ein relativ unrealistisches Hautmodell.
c. ISO 24442 definiert ein ln-vivo- Verfahren, in dem der UVA-Schutzfaktor mittels der minimalen UVA-Dosis zur Erzeugung einer irreversiblen Pigmentierung (Sonnenbräune) der Haut bestimmt wird. Auch dieses Verfahren bedingt eine Veränderung der Haut des Probanden.
d. FDA Final Rules 201 1 , ursprünglich veröffentlicht im Federal Register vom 27. August 2007 (72 FR 49070) und kodifiziert als Broad Spectrum Test (21 CFR 201.327(j)) und Sun Protection Factor (SPF) Test (21 CFR 201.327(i) bzw. in einer neueren Version als 21 CFR 201.352 (http://www.ecfr.gov/cgi-bin/text- idx?SID=5555a0dd8b6d83a8570676d9a44bb6ef&mc=true&node=pt21.5.352&rgn=div5 )
II. Patentierte Verfahren:
a. DE 198 28 497 A1 beschreibt ein Verfahren, in dem wie in der ISO 24444 bei Probanden durch UV-Bestrahlung der Haut Erytheme erzeugt werden, diese werden im Gegensatz zur ISO 24444 durch Reflexionsspektroskopie detektiert. Das Verfahren ist damit ebenfalls schädigend, die optische Wirkung (Schutz) des Sonnenschutzmittels wird nicht mit direkten optischen Messungen erfasst, sondern über eine biologische Reaktion des Körpers.
b. In DE 10 2004 020 644 A1 wird ein Verfahren beschrieben, in dem die Erzeugung von Radikalen durch UV-Belichtung in vivo mittels Elektronenspinresonanz (ESR) quantitativ gemessen wird. Auch hier wird die optische Wirkung des Sonnenschutzmittels nur indirekt erfasst. Zudem ist die Messung der ESR technisch aufwändig und erfordert relativ große, stationäre Geräte (Tischgeräte). Auch sind sie empfindlich auf Störungen durch Hochfrequenz-Einstrahlungen oder schnelle temporäre Magnetfeldänderungen, wie z.B. von elektrischen Schaltvorgängen.
c. Zur Technologie der WO 2007 / 100 648 ist zu bemerken, dass zwar auch abstandsabhängige Messungen von einer Lichtquelle beschrieben werden, diese aber nicht als alleiniges Merkmal in den Schutzumfang eingeflossen sind (nur Claim 3 nennt diesen Abstand, bezieht sich aber über Claim 2 auf Claim 1). Die Merkmalsgestaltung über Einstrahlwinkel ist vermutlich erfolgt, weil die abstandsabhängige Rückstreumessung mit dieser Grundanordnung bereits seit über 30 Jahren aus vielen Literaturstellen bekannt ist und damit nicht geschützt bzw. schützbar ist: A. Ishimaru, Single Scattering and Transport Theory, Vol 1 (1978), Academic Press, S. 185 ff
III. Veröffentlichungen:
a. In Bendova H, et al., Toxicology in vitro (2007), 1268-1275 werden Verfahren der Transmissionsspektroskopie unter Verwendung verschiedener Folien als Hautmodelle verglichen. Die ermittelten Schutzfaktoren hängen stark von der verwendeten Folie ab, eine signifikante Korrelation der Schutzfaktoren mit dem SPF aus der ISO 24444 wurde nicht gefunden.
b. In Ruvolo E, Kollias N, Cole C, Photodermatol Photoimmunol Photomed (2014), 30: 202- 211 wird ein Verfahren vorgestellt, in dem eine UVB-Transmissionsmessung mit Kunststoffsubstraten und eine In-vivo-Rückstreumessung an der Haut im UVA-Bereich kombiniert werden. Die Transmissionsmessung wird durch Skalierung an die UVA- Rückstreumessung angepasst, wodurch eine gute Übereinstimmung mit dem ln-vivo- Test des SPF nach ISO 24444 erreicht wird. Die Messanordnung für die UVA- Rückstreumessung enthält ein Faserbündel, das auf der Haut aufgesetzt wird. Die Messung erfolgt über eine Vielzahl von Beleuchtungs- und Detektionsfasern mit unterschiedlichen Abständen zueinander. Detektiert wird die Summe der Lichtleistungen aus den Detektionsfasern, daher ist kein definierter Abstand zwischen Beleuchtungsfläche und Detektionsfläche gegeben, sondern eher eine Summierung aller Abstände. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Rückstreuung mit mehreren wohldefinierten Abständen gemessen.
c. In Sohn M, Korn V, Imanidis G, Skin Pharmacol Physiol, (2015), 28: 31-41 wird Haut vom Schweineohr als Substrat für In-vitro-Messungen der Transmission erprobt. Im Vergleich zur Messung mit standardisierten Kunststoffträgern ergibt sich eine bessere Korrelation zum in vivo ermittelten SPF. Dies zeigt, dass ein realistisches Hautmodell für die Bestimmung von Schutzfaktoren wesentlich ist. Die Transmissionsmessung erfolgte mit/ohne Sonnenschutzmittel. Der Fehler einer solchen Messung ist aber stark von der genutzten Schichtdicke (Dicke der separierten Schicht des Schweineohrs) und der Oberflächenrauigkeit relativ zur Änderung durch die (identische, normierte) Menge an Sonnenschutzmittel abhängig und wird in den Messungen der Publikation nur gegen den per ISO 24444:2010 in vivo ermittelten SPF bewertet, nicht untereinander. Auch wurde nur ein Typ von Sonnenschutzmittel (Öl-in-Wasser) genutzt, der durch die Öl- Tröpfchenbildung spezifisch hohe Streueigenschaften hat, wodurch die Oberflächenänderungen weniger stark wirksam werden.
Der Einsatzbereich der bisherigen Verfahren mit UVB-Strahlung (solar Simulator, also "Sonnensimulator" mit vorgegebener wellenlängenspezifischer Intensität zwischen 290 bis 400 nm entsprechend der Sonnenbestrahlung auf Meereshöhe) und mit eingeschränkten Möglichkeiten mit UVA-Strahlung (Erythembildung erfolgt nicht wie bei UVB, höhere Eindringtiefe als UVB in die Haut = größeres Volumen) soll mit der erfindungsgemäßen Lösung uneingeschränkt auf das UVA, UVB, den sichtbaren und nahinfraroten bzw. infraroten Bereich für die Ermittlung entsprechender Lichtschutzfaktoren ausgedehnt werden. Nachteile bisheriger Verfahren
Das erfindungsgemäße Verfahren ist aus mehreren wesentlichen Gründen nicht nur wünschenswert, sondern dringend erforderlich:
• Erhöhte Dosen von UV-Strahlung können das Gewebe und zelluläre Bestandteile schädigen. Hautalterung und schlimmstenfalls Hautkrebs sind bekanntermaßen die Folgen. Seit Jahrzehnten ist eine steigende Zahl an Neuerkrankungen von Hautkrebs zu beobachten, die in Deutschland aktuell bei ca. 20.000 Fällen pro Jahr liegt. Hauptursache ist eine wiederkehrende intensive UV-Belastung, wie sie in Sommerurlauben vorkommt, insbesondere in der Kindheit und Jugend.
• Bestehende Verfahren (also State of the art) zur Bewertung von Sonnenschutzmitteln sind unzulänglich, da sie entweder invasiv durch Erythembildung am Probanden getestet oder unphysiologisch an Kunststoffträgern als Hautmodell erprobt werden.
• Die heutige In-vivo-SPF-Bestimmung weist eine Reihe von Unzulänglichkeiten auf. Diese Bestimmung bezieht sich nur auf eine spontane biologische Wirkung (erzwungener Sonnenbrand), die durch UVB-Strahlung ausgelöst wird. Heute weiß man jedoch, dass auch die UVA-Strahlung zu starken Hautschädigungen bis hin zum Hautkrebs führen kann. Darüber hinaus ist die Bestimmung des SPF ein invasives Verfahren, da eine Schädigung in Form des Sonnenbrandes bei den Probanden hervorgerufen wird. Daher haben sowohl die Amerikanische Food and Drug Administration (FDA) als auch die Europäische Union mehrfach darauf hingewiesen, dass künftige Forschungsaktivitäten auf neue Methoden zur Charakterisierung der Schutzwirkung von Sonnenschutzmitteln gerichtet werden müssen, um Spätfolgen für die Probanden zu vermeiden.
• Der In-vivo-SPF kann nur im UVB ermittelt werden, wohingegen langfristige Schädigungen auch durch andere Spektralbereiche auftreten.
• Die Hinzugabe von anti-inflammatorischen Substanzen in Sonnenschutzmitteln, die den In-vivo-SPF„schönen", hat keinen Einfluss auf eine rein physikalische Messung (z. B. in vitro), wie dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend, womit die Verfälschung des SPF ausgeschlossen wird.
• Das bestehende In-vitro-SPF Verfahren für UVA ermittelt in einer unphysiologischen, nichtbiologischen Matrix an einem Kunststoffträger lediglich den SPF im UVA und ist damit, was die Bewertung des ln-vivo- Verhaltens beim Eindringen sowie der Verteilung des Sonnenschutzmittels betrifft, völlig unzulänglich. Weiterhin ist für dessen Bestimmung eine parallele invasive In-vivo-Messung notwendig, um das ungenaue Messverfahren im UVA nachträglich anzupassen. Grundsätzlich zeigt ein z. B. gemäß dem COLI PA-Protokoll gemessener In- Vo-SPF nur die Effektivität des UVB-Schutzes an, während der UVA-Anteil des Sonnenlichts nicht adäquat erfasst wird. Da auch schädliche Effekte durch UVA-Strahlung hinreichend bekannt sind, wurde es als notwendig erachtet, auch ein allgemeines Testverfahren zur Ermittlung des UVA- Schutzes zu etablieren. Dies geht darauf zurück, dass der UV-Anteil der Sonnenstrahlung, welcher die Erdoberfläche erreicht, zu ca. 5% aus UVB und zu ca. 95% aus UVA besteht.
In-vivo-Situation für SPF-Bestimmung im UVA
Bis heute wurden drei In-vivo-Methoden zur Ermittlung des U VA-Schutzes beschrieben, IPD (Immediate Pigment Darkening), PPD (Persistent Pigment Darkening) und UVA-PF (UVA Protection Factor) . Während die IPD-Methode nicht immer präzise Messwerte liefert, erwies sich die PPD-Reaktion als stabil und reproduzierbar. Jedoch wurde ihre klinische Signifikanz als fragwürdig angesehen, weil das PPD-Aktionsspektrum für Wellenlängen unter 320 nm nicht genau definiert ist und die PPD-Reaktion auch durch andere UV-induzierte Hautreaktionen überlagert werden kann. Die UVA-PF Methode basiert auf „Minimal Erythematous Responses" und der persistierenden Pigmentierung verursacht durch UVA. Eine detaillierte Zusammenstellung der PPD- und Erythem-Aktionsspektren sowie der UVA- und UV-SSR (ultraviolet solar simulated light) spektralen Bestrahlungsdichten im Bereich 290- 373 nm bieten die COLIPA Guidelines aus 2009.
In-vitro-Situation für SPF-Bestimmung im UVA
Eine umfassende Aufstellung derzeitiger In-vitro-Protokolle zur SPF-Testung liefert eine Application Note zur UV/VI S-Spektrometrie der Firma Perkin Elmer:
AS/NZS 2604 Broad Spectrum (2012) The new version of this is based on the test method described in ISO 24443 'Determination of Sunscreen UVA Protection In vitro'. UVAPF Ratio and critical wavelength requirements are calculated in order to arrive at Broad Spectrum compliance.
ISO -24443 (2012) Determination of Sunscreen UVA Protection in vitro. Determines both UVAPF Ratio and Broad Spectrum Compliance. Compliance with AS/NZS 2604.
SO 24442 (2012) This method is being adopted as the harmonized method for determination of UVAPF in vitro and for use in AS/NZS 2604 and Cosmetics Europe, ASEAN and other regions.
UVA-UVB Ratio (2010) Absorption of a 1.3 mg/ Square cm film is measured between 290 nm and 400 nm. The ratio of areas under the curve between 290 - 320 (UVB region) is compared with the area under the curve between 320 nm and 400 nm. Pre-irradiation of the sample is required. (Calculated as TPF x UVA/UVB). Various Substrates can be nominated. Boots Star Rating (2011 ) The method used by Boots in the UK (not mandated). Absorption of a 1 mg/square cm film is measured between 290 nm and 400 nm. Pre Irradiation of the sample is required. Rating scale is 3 to 5 stars . More stars means more protection (by ratio) in the UVA area.
FDA, Final Rule 2011 The current proposed method for the USA. Absorption of a 0.75 mg/square cm film is measured between 290 nm and 400 nm. The critical wavelength is the point where 90% of the area under the curve lies, starting at the UVB end. Pre-irradiation of the sample is required.
DIN 67502 (UVA Balance) The methodology is based on that described in the German Standard DIN 67502. The SPF is determined using the values provided in the CIE. The SPF is applied in order to correct the values obtained in vitro. The PPD are derived by applying the values from the PPD Action Spectrum given in the Standard.
COLIPA (UVAPF) (2011 ) UVAPF/SPF Ratio and Critical Wavelength are calculated from this measurement technique. Compliance with E.U. requirements is also reported.
Radikalschutzfaktor
Bei dem Radikalschutzfaktor (RPF) handelt es sich um die Bestimmung der freien Radikale, welche durch die Sonnenstrahlung in der menschlichen Haut gebildet werden. Diese Methode hat jedoch wiederum den Nachteil, dass sie nur in vivo unter Einsatz von Sonnensimulatoren durchgeführt werden kann, da In-vitro-Proben, welche nicht durchblutet sind, eine deutlich geringere Sauerstoffkonzentration aufweisen. Sauerstoff ist jedoch die Grundlage für die Bildung von freien Radikalen. Der Radikalschutzfaktor und der Sonnenschutzfaktor unterscheiden sich.
Medizinische / technische / objektive Vor- und Nachteile der Konkurrenzverfahren
Bei der Sonnenschutzmessung in vivo stellen zu vermeidende Hautschädigungen der Probanden den größten Nachteil der Methode dar. Nur durch die Erzeugung eines leichten Sonnenbrandes, also einer Entzündung der Haut, kann derzeit der UVB-Sonnenschutzfaktor verlässlich gemessen werden. Für das UVA ist ein ähnlich aussagekräftiges - wenn auch schädigendes - In- Vo- Verfahren nicht vorhanden.
Es gilt jedoch generell die Schädigung eines Probanden zu vermeiden. Dies ist der Hauptgrund weshalb In- vitro- Verfahren entwickelt wurden. Der weitere Grund ist die Erweiterung der SPF- Bestimmung auf das UVA. Das bedeutet, dass ln-vitro- Verfahren dringend benötigt werden, die jedoch unbedingt in der Verlässlichkeit an die In- Vo-Verfahren heranreichen müssen.
Die bestehenden ln-vitro- Verfahren weisen jedoch gravierende Unzulänglichkeiten auf, die es gilt zu beheben: In-vitro-Verfahren auf künstlichen Substraten
• Anderes Auftrags-, Eindring-, Benetzungs- und damit Verteilungsverhalten
• Keine biologische Variabilität
• Lichtverteilung bei der Messung entspricht nicht der In- Vo-Situation
Dies zeigt sich an der notwendigen aber sehr artifiziellen Anpassung an den In-vivo-UVB-SPF, der zwingend angewendet werden muss (wodurch eine Schädigung nicht vermieden wird). Bei hohem und niedrigem SPF weicht die In-vitro-Bestimmung stark von der Erwartung ab.
In-vitro-Verfahren auf biologischen Substraten (Hautgewebe), z. B. Schweineohr
• Eindring- und Verteilungsverhalten unterschiedlich zu vitaler humaner Haut
• Gewebeproben müssen aufwändig für Messung in dünne Schichten präpariert werden Hierbei sind Veränderungen der Probe durch thermische oder chemische Präparation zu erwarten und es gibt eine schlechte Wiederholbarkeit aufgrund Handhabungsschwierigkeiten.
Durch die Messung an einem intakten biologischen Modellgewebe und die Berücksichtigung der Lichtverteilung sowohl bei der Messung zur SPF-Bestimmung wie auch in der realen Situation beim Schutz der Haut vor Strahlung sollen die o.g. Probleme und Schwächen mit dieser erfindungsgemäßen Messmethode überwunden werden.
Risiken Maßnahmen zu dessen Begrenzung
Es gibt optische Nebenwege Mit den Design-Möglichkeiten am Faserapplikator (Übersprechen), die eine (metallisierte Fasern, Aufnahmeplatte mit Lichtbarrieren) und eindeutige SRR-Messung der Handhabung (definierter Anpressdruck) kann dies stören. minimiert werden. Restliches Übersprechen kann )wenn konstant) mit der Messung eines Dunkelstandard erfasst und abgezogen werden.
Die extremen Unterschiede der Untersuchungen im Sichtbaren haben gezeigt, dass eher Lichtausbreitung im Fall ohne kleine Absorptionskoeffizienten (μ3 < 0,04 mm-1) bzw. mit Sonnenschutzmittel problematisch sind. Die SRR-Methode bzw. deren lassen keinen geschlossenen Rückführung in optische Eigenschaften kann bei größeren μ3 Algorithmus für SPF- zwei Größenordnungen auflösen. Für den reduzierten Bestimmung zu. Streukoeffizienten können ebenfalls zwei Größenordnungen aufgelöst werden (Andree et al. J. Biomed Opt 15(6) (2010)). Risiken Maßnahmen zu dessen Begrenzung
Durch die großen Unterschiede Durch die Wahl des richtigen Abstandsbereichs zwischen der optischen Eigenschaften in Lichtquelle und Detektionsfleck für die SRR kann die den unterschiedlichen Schichten Lichtausbreitung kontrolliert werden. Das Signal setzt sich der Haut ist die Auswertung zusammen aus einer Transmission nahezu senkrecht zu den problematisch. Schichten beim Ein- und Austritt und eine horizontale
Transmission, die durch den Abstand bestimmt ist. Dies ermöglicht die Berechnung der diffusen Transmission durch die Schicht mit/ohne Sonnenschutzmittel. Eventuell müssen für die verschiedenen Wellenlängenbereiche unterschiedliche optimale Abstandsbereiche im Fasermesskopf realisiert werden.
Der Einfluss der Hornschicht auf Durch die Wahl des Abstands für die SRR wird der Anteil der die Messung ist klein gegen den unterschiedlichen Hautschichten am Signal verändert. Um Einfluss der restlichen Epidermis besonders empfindlich für die Hornhaut zu werden müssen und der Dermis, so dass der sehr kleine Abstände realisiert werden, die technologisch Signalkontrast durch Variationen herausfordernd sind.
der optischen Eigenschaften der
Hornschicht zu klein ist.
Die Signale sind bei großem Durch Variation der Integrationszeit der Messung kann ein SPF zu klein und die sehr weiter Dynamikbereich erfasst werden, da die erforderliche Dynamik der Detektorsignale linear mit der Integrationszeit sind.
Messung mit/ohne ist zu groß.
Der SPF ist lokal zu heterogen. Durch die redundante Messung mit mehreren Fasern für gleichen Abstand r kann man durch Mittelung zu einer stabilen Aussage kommen. Darüber hinaus ist eine gewisse Heterogenität physiologisch realistisch und soll durch das Gewebemodell reproduziert werden.
Das Maß der Heterogenität kann auch ortsaufgelöst gemessen werden und eine wertvolle Aussage über das Verteilungsverhalten des Sonnenschutzmittels liefern.
Figuren
Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Messverfahren
Fig. 2 zeigt die Erläuterungen zur Ableitung der erfindungsgemäßen Rückstreumessung Fig. 3 zeigt Modellrechnungen an einem Hautmodell zur Korrelation von Schutzfaktor und Rückstreuung. Die eingetragene Linie entspricht Gleichung (4).
Fig. 4 zeigt die gleichzeitige Messung der Rückstreuung in mehreren Abständen
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung der Rückstreumessung mit jeweils einer Beleuchtungs- und Detektionsfaser
Fig. 6 zeigt erfindungsgemäße Ausführungen von Faserendflächen von Faserbündeln für die Rückstreumessung
Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die die genannten Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise beheben und insbesondere die Belastung infolge der Einstrahlung auf den Messkörper verringern und zugleich weiterhin qualitativ hochwertige Analyseergebnisse bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 15 gelöst.
Das erfindungsgemäße Messverfahren ermöglicht die schädigungsfreie Bestimmung von Schutzfaktoren von Formulierungen zum Licht- bzw. Strahlungsschutz an Gewebe (Haut) in vivo oder in vitro oder auch an Hautmodellen (tierische Hautmodelle oder künstliche Materialien). Erreicht wird dies durch Auswertung zweier Messungen der Lichtrückstreuung an der Hautoberfläche vor- und nach Aufbringen des Strahlungsschutzmittels auf die Haut. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren wird mit dem Strahlengang des Messverfahrens ein Abstand zwischen Beleuchtungsfläche und Detektionsfläche auf der Haut festgelegt (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Die bei der Messung verwendete Belichtungsdosis der Haut liegt unter der Schädigungsgrenze, die üblicherweise als MED für den UVB-Bereich bzw. mittels MZB-Werten für die übrigen Wellenlängenbereiche angegeben wird.
Die Beleuchtung erfolgt mit mindestens einer Strahlungsquelle, die mindestens im Wellenlängenbereich, für den die Schutzwirkung bzw. der Lichtschutzfaktor definiert werden soll, relevante Strahlung aussendet. Alternativ kann die Strahlungsquelle nur einen kleineren Wellenlängenbereich der für die Schutzwirkung relevante Strahlung aussenden und über Korrelationsmessungen, die der erfindungsgemäßen Bestimmung vorgeschaltet sind, mit der Messung den vorhandenen Strahlenschutz bzw. Lichtschutzfaktor ermitteln. Die ausgesendete Strahlung wird von mindestens einem Detektor erfasst, wobei der Erfassungsbereich am Messort von dem Einstrahlort der Strahlungsquelle einen definierten Abstand hat. Der Messzyklus zur Ermittlung des vorhandenen Strahlenschutzes bzw. Lichtschutzfaktors besteht aus mindestens 2 Einzelmessungen in denen die von der Strahlungsquelle der Beleuchtung ausgesendete Strahlung durch den Messkörper (zusätzlich zu der durch das beaufschlagte Strahlungsschutzmittel veränderten Schicht) transmittiert wird und auf den Detektor trifft, wobei der Abstand zwischen Beleuchtungsfläche und Detektionsfläche auf dem Messkörper zwischen den Messungen vorbestimmt, aber unterschiedlich ist. Eine nachgeschaltete Vorrichtung erfasst die mindestens zwei Detektorsignale, verstärkt diese ggf. mit unterschiedlichem Verstärkungsgrad, und analysiert die Signalhöhe mit einem Algorithmus, der einen Lichtschutzfaktor ermittelt. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der fehlenden Schädigung des Probanden bei In-vivo-Messungen, in der einfachen Rückrechnung ohne Berücksichtigung der eingestrahlten Lichtleistung die nur konstant bei den Messungen mit/ohne Strahlungsschutzmittel sein muss, und auch in der Unabhängigkeit vom gewählten Abstand zwischen Einstrahlung/Beleuchtung und Detektion, und dem unter dem Strahlungsschutzmittel vorhandenen Hauttyp oder optischen Eigenschaften des benutzten Messkörpers bzw. Hautmodells. Vorteil der Messung ist die Nutzung von beliebigen Spektralintensitäten bei den Strahlungsquellen, die nicht mehr einen kalibrierten "Sonnensimulator" erfordern. Die Detektion kann mit einfachen Detektoren erfolgen, die nur für die spektralen Anteile, die abhängig von der Definition des Lichtschutzfaktors für die transmittierten Strahlung im schlechtesten Fall der größten Lichtdämpfung durch Strahlungsschutzmittel und Messkörper ein Signal über dem Rauschen ausgeben müssen.
Die erfindungsgemäße Methode liefert die besten Ergebnisse, wenn die zu untersuchende Strahlungsschutzmittel als dünne Schicht vorhanden ist und die transmittierte Strahlung abschwächt (vgl. Punkt 1. weiter unten). Die Abschwächung durch das Strahlungschutzmittel lässt sich in diesem Fall näherungsweise durch einen skalaren Transmissionsfaktor T beschreiben. Für die Strahlungsdichte Φ in tieferliegenden Bereichen der Haut (Tiefe z) gilt dann
®ohne(z) = Pm Uz) ohne Schutzmittel
ΦΜΐ((ζ) = Ριη Τ L(z) mit Schutzmittel
Pin bezeichnet die Beleuchtungsleistung, L(z) die weglängenabhängige Lichtdämpfung der Strahlung durch die Haut. Der Lichtschutzfaktor (PF) ist durch die von z unabhängige Abschwächung der Strahlungsdichte in der Haut definiert:
1
PF : (2)
T Der Lösungsansatz für die Bestimmung des PF besteht in der Ermittlung des Transmissionsfaktors T mit Rückstreumessungen, da die Transmission durch die Haut mit und ohne Schutzmittelschicht nicht direkt erfasst werden kann. Hierbei wird Licht lokal in eine begrenzte Belichtungsfläche der Hautoberfläche eingestrahlt. Ein Anteil des Lichtes wird durch Streuprozesse von der Haut remittiert und im Bereich einer Detektionsfläche gemessen (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Zwischen Detektionsfläche und Beleuchtungsfläche besteht ein Abstand r, der erfindungsgemäß wesentlich größer als die vom Strahlungsschutzmittel gebildete Schichtdicke gewählt wird. Ist der Abstand r größer als die vom Strahlungsschutzmittel gebildete Schichtdicke, kann der Strahlungstransport von der Beleuchtungsposition zur Detektionsfläche näherungsweise durch drei sequentielle Prozesse beschrieben werden:
i. Transmission durch die vom Strahlungsschutzmittel belegte Hautschicht mit
Transmissionsfaktor T
ii. Laterale Transmission durch den tiefer liegenden Bereich z ~ zquer der Haut,
beschrieben durch die Lichtdämpfung L(r)
iii. Nochmalige Transmission der von Strahlungsschutzmittel belegten Schicht mit
Transmissionsfaktor T'
Für die detektierte Rückstreuung R0hne bzw. Rmit gilt damit näherungsweise
Figure imgf000013_0001
R mit = P in T L( Vz quer ) L( Vr) U Vz quer ) Γ wobei T ~ V
Mit Gleichungen (2) und (3) lässt sich der Lichtschutzfaktor PF aus Rückstreumessungen vor und nach Anwenden des Strahlungsschutzmittels berechnen:
Figure imgf000013_0002
Der Quotient R0hne/Rmit ist unabhängig vom Abstand r und von zquer . Die Rückstreuung wird spektral aufgelöst gemessen. Mit dem resultierenden Spektrum des Transmissionsfaktors Τ(λ) lassen sich dann den bestehenden Normen entsprechende Schutzfaktoren ableiten.
Für den SPF erhält man beispielsweise:
Figure imgf000013_0003
Ι(λ) ist das Intensitätsspektrum der Sonne und Ε(λ) das Erythemwirkungsspektrum, also die Spektren mit einer Intensität ausreichend für die Erythembildung, einzusetzen. Andere Lichtquellen mit einem Beleuchtungsspektrum Ι(λ) bzw. einem durch die Strahlungsschutzmittel zu schützenden Wellenlängenbereich Ε(λ) ergeben analog Schutzfaktoren, die ebenfalls erfindungsgemäß ermittelt werden können.
Der Zusammenhang zwischen Rückstreuung und Schutzfaktor nach Gleichung (4) lässt sich mit Modellrechnungen für UV-Licht an einem Hautmodell bestätigen. Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden, zeigt entsprechende Ergebnisse von Monte-Carlo- Rechnungen zur Strahlungstransportgleichung. Dabei wurden Strahlungsschutzmittel mit variierenden Streu- und Absorptionseigenschaften angenommen, weiterhin wurde der Melaningehalt der Epidermis variiert. Es zeigt sich, dass die hier beschriebene Rückstreumessung näherungsweise unabhängig von den speziellen Eigenschaften des Strahlungsschutzmittels ist, dies trifft zu nicht für die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren der Rückstreumessung.
1. Bei zu kleinem lateralen Abstand r zwischen Beleuchtungsfläche und Detektionsfläche, bzw. Strahlungsschutzmitteln mit kleinen Lichtschutzfaktoren kann ein Teil des Lichtes durch die Hornschicht quer transmittieren ohne die Hornschicht vollständig in vertikaler Richtung durchlaufen zu haben. Dies führt zu einer Abweichung vom in Gleichung (4) beschriebenen Zusammenhang. Der minimale Wert für r ergibt sich aus den optischen Eigenschaften der Haut und des Strahlungsschutzmittels. Es ergibt sich als minimaler Wert r = 0, daraus ist ein Lichtschutzfaktor bereits ermittelbar. Bevorzugt ist der minimale Wert für r die Schichtdicke der Schicht von Strahlungsschutzmittel, was bei dem normgerechten Auftragen von Sonnenschutzmittel ungefähr 20 μηι ergibt, und besonders bevorzugt ist der minimale Wert r für UV-Beleuchtung auf der Haut r = 60 μηι. Ein maximaler Wert für r liegt in der noch auf den Detektor auftreffenden Strahlungsmenge begründet, also der Wirkung der Lichtdämpfung durch die Strahlungsschutzmittel UND der darunterliegenden Haut. Hier wird praxistauglich ein Wert von 1 mm eine Obergrenze darstellen bei UV-Bestrahlung/-Schutzformulierung. Bevorzugt ist ein Maximalwert von 500 μηι als Wert für r. Besonders bevorzugt ein Wert von r < 200 μηι. Erfindungsgemäß werden gleichzeitig mehrere Remissionsmessungen mit unterschiedlichen Werten von r erfasst (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Für hinreichend große Abstände r ist die Abschwächung T unabhängig von r, damit können die Messungen mit zu kleinem Abstand erkannt und von der Auswertung ausgeschlossen werden, um eine Falschbestimmung des PF zu vermieden.
2. Als weiterer Messwert kann die Rückstreuung R° im Bereich der Beleuchtungsfläche gemessen werden. Gleichung (4) kann unter Verwendung dieses Messwertes um einen Korrekturterm g erweitert werden, durch den sich Fehler bei der Vorhersage des PF verringern. Damit lautet die Formel zur Ermittlung eines korrigierten Lichtschutzfaktors:
Figure imgf000015_0001
3. Die Haut hat Furchen und Spalte, die zu einer lateral inhomogenen Auftragung des Strahlungsschutzmittels und damit zu einer ortsabhängigen Schwankung des Lichtschutzfaktors führen und auch die Rückstreuung durch unterschiedliche Ausbildung der Haut in diesem Bereich beeinflussen. Diese Einflüsse werden nur bei Messungen an der Haut erfasst. Die im Stand der Technik erwähnten, auf PMMA- Substraten basierenden Verfahren erfassen dies nicht, bzw. bei aufgeprägten Strukturen nur eingeschränkt. Durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird eine lokalisierte Remissionsmessung durchgeführt, mit der diese Heterogenität der Transmission durch Mehrfachmessungen an benachbarten Positionen ermittelt werden kann. Damit kann zum einen aus einer geeigneten Mittelung eine mittlere Dämpfung und damit ein mittlerer PF bestimmt werden. Zum anderen kann die Varianz der Dämpfung bestimmt werden, so dass auch Eigenschaften des Strahlungsschutzmittels bezüglich des Auftragens auf die Haut untersucht werden können.
Zur Beschreibung des Benetzungsverhaltens, des Abriebverhaltens und bei der Verteilung des Strahlungsschutzmittels über die Nutzungsdauer kann damit durch die beschriebene Messmethode ein Verfahren zur weitergehenden Qualifizierung zur Verfügung gestellt werden.
Durch die direkte Messung der optischen Wirkung des Strahlungsschutzmittels besitzt das hier beschriebene Verfahren im Vergleich zu den bestehenden Verfahren, welche die Erythem-, Pigment- oder Radikalbildung verwenden, einen weiteren Anwendungsbereich. Im Gegensatz zu den bestehenden Verfahren kann auf einer Probe wiederholt gemessen werden; ein einmal induziertes Erythem oder eine Pigmentierung kann nicht wiederholt erzeugt werden. Weiterhin kann der Lichtschutzfaktor in allen erforderlichen Wellenlängenbereichen spektroskopisch erfasst werden.
In einer separaten Ausführungsform des Messverfahrens werden die Messungen zeitlich nacheinander an dem gleichen Messort auf dem Messkörper, z. B. der Haut, durchgeführt. Dies erfolgt, indem die Messung bei kurzen Zeitabschnitten kontinuierlich erfolgt und bei längeren Zeitabschnitten mit Messpausen, in denen die optische Schnittstelle der Messvorrichtung vom Messort entfernt und periodisch an gleicher Stelle wieder aufgesetzt wird. Da durch die Messung keine Veränderung der Haut (Rötung) bzw. Messkörper erfolgt, ist der Vorteil des Verfahrens, das es mehrfach an dem gleichen Messort ohne Verfälschung der Messwerte durchgeführt werden kann. Werden mehrfache Messungen gemacht, kann zum einen der Verlauf der Schutzwirkung beobachtet werden, was mit bisherigen MED-basierten Verfahren aus ethischen Gründen aufgrund der großen Menge an Probenden/Messorten mit invasiver Messung nicht durchgeführt wird. An gleichem Messort kann mit den MED-basierten Verfahren nicht gemessen werden, da die Ermittlung darauf beruht, das eine Rötung eintritt, diese aber (wie bei einem Sonnenbrand) nicht in relevanten Schutz-Zeiträumen (Stunden) zurückgeht. Weiterhin ist die Haut am Messort vorgeschädigt und liefert bis zu einer vollständigen Regeneration (Tage) keine verlässlichen Aussagen zur Dauer bis eine Schädigung eintritt.
In einer separaten Ausführungsform des Messverfahrens erfolgt die Messung an mit unterschiedlichen Mengen und/oder Arten von Strahlungsschutzmittel beaufschlagten Messorten, bzw. nach Interaktion mit dem aufgebrachten Strahlungsschutzmittel am gleichen Messort. Dies erfolgt indem die optische Schnittstelle der Messvorrichtung entfernt, eine Applikation von weiterem Strahlungsschutzmittel oder eine Interaktion am Messort erfolgt (Abwischen/Abreiben mit definiertem Vorgehen, Abspülen mit Wasser o.ä., Ausbleichen mit Licht, etc.) und im Anschluss eine weitere Messung erfolgt, die auf die Ursprungsmessung ohne Strahlungsschutzmittel bezogen wird. Ebenfalls denkbar ist es die Messung auf die vor der Interaktion durchgeführte Messung zu beziehen. Vorteil des Verfahrens ist die Erfassung von mechanischen Einwirkungen auf den Strahlenschutz und die Möglichkeit am gleichen Messort (z.B. Rücken wie bisher üblich oder auch Stirn) diese Einflüsse einfacher zu quantifizieren. Für eine gute Quantifizierung muss derzeit eine Probandengruppe vermessen werden, deren individuelle Messwerte durch statistische Auswertung von den Einflüssen durch die Interaktion getrennt werden müssen. Erst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich am gleichen Messkörper und Messort eine schnelle Messung von Interaktionen vorzunehmen und somit Einflüsse von Messkörper bzw. Messort auszuschließen und einfach und ohne großen Aufwand eine Produktentwicklung bzw. die Widerstandsfähigkeit des Strahlungsschutzmittels gegen die durchgeführten Interaktionen zu bewerten.
In einer separaten Ausführungsform des Messverfahrens erfolgt die Messung an unterschiedlichen Messorten mit dem gleichen Abstand von Beleuchtungsfläche zu Detektionsfläche. Dies bedeutet konkret, dass ein Lichtschutzfaktor, der üblicherweise am Rücken erhoben wird mit eher praxisrelevanten Messorten für den Strahlenschutz, wie z.B. das Gesicht oder die Stirn oder die Glatze im Falle des Sonnenschutz oder in anderen Strahlenschutz-Situationen z.B. von Strahlung beaufschlagte Hände. Dies erfolgt indem die optische Schnittstelle der Messvorrichtung an diesem Orten positioniert wird. Dabei muss keine Änderung bezüglich des Messvorgehens oder an der Vorrichtung erfolgen. Bisher erfolgt eine Messung mit dem "Sonnensimulator" aus ethischen und kosmetischen Gründen (es verbleibt eine rechteckförmige Rötung) nicht an natürlich exponierten Messorten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aufgrund der niedrigen Beleuchtungsdosis ohne Schädigung oder Rötung und kann, auch aufgrund der Geometrie der optischen Schnittstelle, an nahezu jedem Ort auf der Haut eines Probanden bzw. anderen Hautmodellen platziert werden.
In einer optionalen erfindungsgemäßen Weiterbildung sind mehrere Detektoren so angeordnet, dass sie den gleichen Abstand zu einer der Strahlungsquellen aufweisen.
In einer separaten Ausführungsform des Messverfahrens wird die Messung mehrfach durchgeführt, ohne die optische Schnittstelle der Messvorrichtung zu entfernen, und die zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen analysiert. Die nacheinander ermittelten Lichtschutzfaktoren werden ebenfalls analysiert und die Messung beendet, wenn die aufeinanderfolgenden Lichtschutzfaktoren sich weniger als eine Standardabweichung von 1 σ voneinander unterschieden, also einen stabilen Wert annehmen. Andere Stabilitätskriterien sind ebenfalls erfindungsgemäß. Abweichungen der ermittelten Lichtschutzfaktoren können sich aus dem Ausbleichverhalten, dem Eindringverhalten in den Messkörper bzw. die Haut oder technischen Einflüssen in der Messvorrichtung ergeben. Das Verfahren erlaubt ohne Einschränkung die mehrfache Messung und die Analyse ist nicht zeitintensiv, da die Messwerte durch einen vorab erstellten Algorithmus aus den vom Detektor stammenden, wellenlängenaufgelösten Signalen berechnet werden.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines Strahlungsschutzmittels werden eine Mehrzahl von Messvorhaben durchgeführt. Hierbei werden die Messvorhaben an verschiedenen Positionen auf dem Messkörper durchgeführt. Bei der Analyse des Lichtschutzfaktors des Strahlungsmittels werden die an den verschiedenen Positionen gewonnenen Messwerte gemittelt. Das hat den Vorteil, dass die lokal eingebrachte Strahlendosis minimiert werden kann, wenn der Messkörper an einer Vielzahl von Positionen mit Strahlung beaufschlagt wird. Weiterhin können Unregelmäßigkeiten, die infolge der Inhomogenität des Messkörpers oder dem Auftrag des Strahlungsschutzmittels vorliegen können und damit eine genaue Messung des mittleren Lichtschutzfaktors erschweren oder verhindern würden, bei der Auswertung berücksichtigt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es weiterhin vorgesehen zunächst eine Messung auf dem Messkörper durchzuführen, auf den kein Strahlungsschutzmittel aufgetragen wurde. Diese Messung wird dann unter Verwendung der gleichen Parameter und der gleichen Position wie die zuvor durchgeführte Messung wiederholt. Dies hat den Vorteil den Einfluss des Messkörpers auf die Wirkung des Strahlenschutzmittels bei der Analyse der Schutzwirkung des Strahlungsschutzmittels berücksichtigen zu können.
Zur Evaluation des Einflusses von äußeren Einwirkungen auf die Schutzwirkung eines Strahlungsschutzmittels werden die Messvorhaben ebenfalls wiederholt durchgeführt. Hierzu werden zwischen den einzelnen Messvorhaben der mit dem Strahlungsschutzmittel beaufschlagte Messkörper ein erstes Mal gemessen. Nach diesem ersten Messvorhaben wird der Messkörper möglicherweise auf die Schutzwirkung des Strahlungsschutzmittels einwirkenden Einflüssen ausgesetzt. Im Nachgang hierzu wird dann das Messvorhaben wiederholt. Dies geschieht bestenfalls mit den gleichen Parametern und an gleicher Position wir das erste Messvorhaben. Die von außen auf die Schutzwirkung des Strahlungsschutzmittels einwirkenden Einflüsse können Zeit, Wasser, Abrieb, die Einwirkung der Strahlung oder auch andere Einflüsse sein. Durch die Messungen vor und nach Einwirken der Einflüsse können die Auswirkungen auf die Schutzwirkung ermittelt werden. Hierdurch wird ermöglicht das Schutzmittel hinsichtlich der Resistenz auf die Einflüsse zu optimieren und so bestmöglichen Schutz zu gewährleisten. In einer Weiterbildung der Erfindung ist es weiterhin vorgesehen zunächst eine Messung an dem Messkörper durchzuführen, auf den kein Strahlungsschutzmittel aufgetragen wurde. Optional kann vor der ersten Messung zur Ermittlung der Wirkung der äußeren Einflüsse auf die Schutzwirkung des Strahlungsschutzmittels eine Messung an dem Messkörper durchgeführt werden, bevor auf den Messkörper das Strahlungsschutzmittel aufgetragen wurde.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Strahlung spektral getrennt für Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche detektiert und dann für die getrennten Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche analysiert. Die spektral getrennten Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche können UV-A, UV-B und/oder das sichtbare Licht umfassen. Die spektrale Trennung kann direkt hinter der Strahlungsquelle und noch vor dem Eindringen der Strahlung in den Messkörper erfolgen. Alternativ kann die vom Messkörper rückgestreute Strahlung spektral in mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche getrennt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden aus den Messwerten Kennwerte unterschiedlicher Art ermittelt. Diesen Kennwerten liegen unterschiedliche Schädigungsfunktionen zugrunde. Diese Schädigungsfunktionen können die Einwirkung von UV-A-Strahlung oder auch völlig anderen Wellenlängenbereichen auf die Haut bzw. in Weiterführung auch auf andere biologische Materialien (z.B. Holz für Holzschutzmittel) durch akute Reaktione oder auch andere Schädigungen (z.B. DNA-Strangbrüche in lebendem biologischen Material) umfassen. Dieses Vorgehen hat zum einen den Vorteil, dass die lokal einwirkende Strahlungsdosis vermindert werden kann, sofern die spektrale Trennung vor Eindringen der Strahlung in den Messkörper erfolgt. Zum anderen hat dieses Vorgehen den Vorteil, dass die Berechnung des Lichtschutzfaktors unabhängig vom jeweiligen Spektrum und auch unabhängig von der Detektorcharakteristik erfolgen kann.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung wird die Strahlung auf eine begrenzte Fläche eingestrahlt. Diese Fläche ist von der Detektorfläche getrennt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Lichtschutzfaktor des Strahlungsschutzmittels nach der Formel
R 1
ohne PF^
Rmit T2
bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Messvorhaben der Messkopf gereinigt. Die Reinigung erfolgt vorzugsweise mit Mitteln, die keine Rückstände hinterlassen und/oder keinen Einfluss auf die Charakteristik der Strahlung haben. Dies hat den Vorteil, dass alle Messvorhaben unter den gleichen optimalen Bedingungen durchgeführt werden können. Hierdurch kann die Strahlungsdosis weiter abgesenkt werden, da keinerlei Verschmutzung für die Intensität der auf den Messkörper fallenden Strahlung berücksichtigt werden muss.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Einzelmessungen für mehrere Abstände zwischen Detektor und Strahlungsquelle durchgeführt. Die Abstände liegen hierbei in einen Bereich von 0 mm bis 1 mm, bevorzugt von 20 μηι bis 0,5 mm und besonders bevorzugt von 60 μηι bis 200 μηι variiert werden.
Dieses Verfahren hat zahlreiche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. So wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur eine kleine Lichtdosis unterhalb einer MED (minimale Erythem-Dosis; individuell für Hauttypen) bzw. unterhalb der maximal zulässigen Bestrahlung (MZB-Wert; für UV und auch andere Wellenlängenbereiche) auf den Messkörper eingestrahlt. Das Verfahren ist aufgrund dieser geringen Lichtdosen auch für einen schädigungsfreien In- vivo-Einsatz geeignet. Dies hat den Vorteil, dass die identischen physiologischen Bedingungen bei der SPF-Testung und bei der Anwendung in der Sonne vorliegen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird zudem nicht-invasiv angewendet. Weiterhin wird bei dem Verfahren die Lichtausbreitung in der Haut berücksichtigt und hierdurch eine erhöhte Messgenauigkeit erreicht. Die Berücksichtigung der physiologischen Eigenschaften durch ein realistischeres Hautmodel führen zu einer Verbesserung der Bestimmung des Sonnenschutzfaktors im UVA und im sichtbaren Spektralbereich. Weiterhin ist eine Angleichung von ln-vivo- (menschliche Haut) und In-vitro-Test (—► Gewebemodell = Schutzgut) möglich. Zudem ist das Verfahren für einen sehr großen Wellenlängenbereich nutzbar, nicht limitiert durch Lampenspektren, Erythem-Wirkspektrum, Reaktionen des Messkörpers, o.ä.. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet auch die Möglichkeit den Spektralbereich (SPF ist nur für UVB definiert) für die Messung zu erweitern, da nur bei UVB Hautreaktionen (MED) vorzufinden sind. Infolge der geringen auf den Messkörper eingestrahlten Lichtdosis sind keinerlei Einschränkungen hinsichtlich des Messortes zu beachten. Selbst Messungen an der empfindlichen Kopfhaut sind möglich. Weiterhin wird auch der Einfluss von Substanzen auf die erfindungsgemäße Messung vermieden, die eine Hautrötung bzw. UV-induziertes Erythem beeinflussen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfacherer und aussagekräftigerer als die bisher bekannten Verfahren und mit geringeren Kosten verbunden.
Weiterhin wird die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines Strahlungsschutzmittels gelöst, die eine Sensoreinheit umfasst, wobei die Sensoreinheit mindestens eine Strahlungsquelle und zwei Detektoren aufweist, wobei die Detektoren unterschiedliche Abstände zu der Strahlungsquelle aufweisen, oder entweder mindestens zwei Strahlungsquellen und einen Detektor aufweist, wobei die Strahlungsquellen unterschiedliche Abstände zu dem Detektor aufweisen, oder eine Strahlungsquelle und einen Detektor aufweist, wobei der Abstand zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor variierbar ist. Die Strahlungsquelle ist geeignet Licht im Bereich, in dem die Schutzwirkung definiert werden soll, auszusenden, wobei die Abstände zwischen den einzelnen Strahlungsquellen und den Detektoren bestimmt sind. Dieser Bereich umfasst insbesondere das visuell sichtbare Licht (VIS) sowie den UV-B- und den UV-ABereich. Auch im NIR-Bereich oder der IR-Bereich kann die Strahlungsquelle Licht aussenden. Weiterhin verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine Steuerung zur Ansteuerung der Strahlungsquelle, wobei die Steuerung geeignet ist die Strahlungsquelle derart anzusteuern, dass die Strahlungsquelle eine maximale Lichtdosis kleiner MED und/oder MZB abgibt, über eine Analyseeinheit, die geeignet ist die detektierte Strahlung unter Berücksichtigung der jeweiligen Abstände zwischen Strahlungsquelle und Detektor zu analysieren und über eine Ausgabeeinheit, die den ermittelten Wert ausgibt. In einer optionalen Weiterbildung der Erfindung sind die Strahlungsquellen und Detektoren in Rückstreuanordnung angeordnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist in einer weiteren Ausgestaltung die Möglichkeit auf Versuchsparameter wie Wellenlänge, Abstand r zwischen Strahlungsquelle und Detektor und/oder Spotgrößen zu verändern. Dies bietet die Möglichkeit die Messparameter und insbesondere die Lichtdosis den Messgegebenheiten derart anzupassen, dass die auf den Messkörper eingestrahlte Lichtdosis minimiert werden kann, ohne das die Qualität der Analyse darunter leidet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Abstand einer Strahlungsquelle und eines Detektors so gewählt, dass die detektierte Strahlung vollständig durch die Schicht des Messkörpers hindurchgetreten ist, in der sich das aufgetragene Strahlungsschutzmittel befindet. In einer weiteren optionalen Ausgestaltung der Erfindung liegt der Abstand zwischen einer oder mehreren Strahlungsquellen und einem oder mehreren Detektoren zwischen 0 und 1 mm, wobei der Abstand so gewählt wird, dass die Eindringtiefe der Strahlung größer als die Schichtdicke und/oder Eindringtiefe des Strahlungsschutzmittels in die Haut ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass die für die Bestimmung des Lichtschutzfaktors relevanten Bereiche des Messkörpers vollständig durchstrahlt werden.
In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung eine oder mehrere Strahlungsquellen und mindestens eine Beleuchtungsfläche auf, wobei die Beleuchtungsfläche der Strahlungsquellen zwischen einem Kreis mit 07 μηι und 1 mm2, bevorzugt zwischen einem Kreis mit 0100 μηι und 250 μηι2 und besonders bevorzugt zwischen einem Kreis mit 0 200 μηι und einem Kreis mit 0 400 μηι liegt. Eine optionale Ausgestaltung der Erfindung weist eine oder mehrere Detektoren und mindestens eine Detektionsfläche auf, wobei die Detektionsfläche zwischen einem Kreis mit 07 μηι und 1 mm2, bevorzugt zwischen einem Kreis mit 0100 μηι und 250 μηι2 und besonders bevorzugt zwischen einem Kreis mit 0 200 μηι und einem Kreis mit 0 400 μηι liegt. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass die Beleuchtungsfläche der Strahlungsquellen einerseits groß genug ist genügend Licht einzubringen, aber nicht zu groß ist, dass ab einer gewissen Größe nur Randbereich wirksam ist und die Etendue vergrößert. Dies limitiert zudem die für die Analyse erforderliche Lichtdosis.,
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung strahlt die Strahlungsquelle Licht entsprechend dem Sonnenspektrum ab. Optional löst die Analyseeinheit die Messung spektral mit nachfolgender Wichtung entsprechend des typischen Sonnenspektrums auf. Hierdurch entspricht das das Produkt aus Lichtintensität der Strahlungsquelle und Detektorempfindlichkeit dem Produkt aus Sonnenspektrum und Wirkbzw. Schädigungsspektrum. Dies hat den Vorteil, das keine spezielle Strahlungsquellen oder Detektoren für die Vorrichtung benutzt werden müssen, da die Wichtung nachträglich in der Analysevorrichtung erfolgt und dem aus den bestehenden Verfahren zur Ermittlung eines Lichtschutzfaktors vorgegebenen Produkt aus Sonnenspektrum und Wirk- bzw. Schädigungsspektrum angepasst werden kann oder auch anderen Vorschriften zur Ermittlung eines Lichtschutzfaktors. In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung weist die Vorrichtung zur Messung der Messgrößen Faseranordnungen oder optisch abbildende Systeme mit verkleinernden Optiken auf. Hierdurch wird erreicht, dass die Ortsauflösung deutlich verbessert werden kann, bzw. preiswerte Komponenten benutzt werden können, die eine gleiche Beleuchtungs- oder Detektionsfläche durch die Verkleinerungsoptik erzeugen können.
Mögliche Ausführungen der Messanordnungen für die lokale abstandsabhängige
Rückstreuung:
Zur Messung der abstandsabhängigen Rückstreuung können Faseranordnungen gewählt werden oder auch optische Systeme, die Lichtquellen und Detektoren auf die Hautoberfläche abbilden. Das Licht einer oder mehrerer Lichtquellen wird über eine begrenzte Beleuchtungsfläche in die Haut eingestrahlt, von einer oder mehreren Detektionsflächen der Haut rückgestreutes Licht wird mit Detektoren oder von einem Spektrometer erfasst. Die Rückstreuung muss jeweils vor und nach der Anwendung des Strahlungsschutzmittels an derselben Position auf der Haut gemessen werden. Um die Messposition mit möglichst geringem Fehler wiederzufinden, ist eine Positionierhilfe günstig. Die spektral aufgelöste Rückstreuung resultiert zunächst in einem Spektrum Τ(λ) des Transmissionsfaktors (Gleichung (4)), aus dem beispielsweise für Sonnenschutzformulierungen mit Gleichung (5) ein normgerechter Schutzfaktor berechnet wird. Als Alternative zur spektral aufgelösten Messung können das Spektrum der Lichtquelle und die spektrale Sensitivität der Detektoren so gewählt werden, dass das gemessene Detektorsignal proportional zum Integral in Gleichung (5) ist.
Eine einfache Anordnung besteht beispielsweise aus einer Beleuchtungsfaser und einer Detektionsfaser, die in einem geeigneten Abstand voneinander auf die Hautoberfläche aufgesetzt werden (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.) und damit Beleuchtungs- und Detektionsfläche bestimmen.
4. Eine höhere Lichtausbeute und die Möglichkeit, gleichzeitig unter mehreren Abständen zwischen Beleuchtungsfläche und Detektionsfläche zu messen, wird durch ein Faserbündel erreicht, wie es zum Beispiel in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.) ausgeführt ist. Detektionsfasern mit gleichem Abstand zur Beleuchtungsfaser werden ausgangsseitig zusammengefasst und mit einem Detektor gekoppelt. Anstelle der Detektoren kann ein abbildendes Spektrometer verwendet werden, mit dem gleichzeitig für jeden Abstand das Rückstreuspektrum gemessen wird. In einer erweiterten Ausführung wird das Rückstreusignal in jeder Detektionsfaser gemessen. Die Varianz der Signale lässt Rückschlüsse auf die Inhomogenität der Schutzeigenschaften des untersuchten Strahlungsschutzmittels zu, zusätzlich können fehlerhafte Messungen oder ein fehlerhaftes Auftragen des Strahlungsschutzmittels erkannt werden.
5. Mit einer Anordnung mit mehreren Beleuchtungsfasern, wie in Abbildung Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. a) gezeigt, kann der Transmissionsfaktor über einen größeren räumlichen Bereich gemittelt, bzw. dessen Varianz bestimmt werden. Outlier oder fehlerhafte Messungen können durch den Vergleich der Messungen mit verschiedenem Abstand r und an verschiedenen Positionen der Haut erkannt werden und von der Auswertung ausgeschlossen werden. Anstelle der in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. b) dargestellten Konfiguration können auch mehrere Einheiten der in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. a) skizzierten Konfiguration zu einem Faserbündel zusammengefasst werden. B bezeichnet hier die Beleuchtungsfaser, 1 bis 4 die verschiedenen Fasern in bestimmten Abständen (1 nah, 4 maximal entfernt). a. Durch Wiederholungsmessungen an verschiedenen Messstellen entweder durch automatisches Verschieben der Messanordnung oder durch manuelle Verschiebung wird die statistische Genauigkeit weiter erhöht.
b. Generell können mit der Messanordnung Lichtdosen verwendet werden, die unterhalb einer möglichen Schädigung liegen.
Praktische Betrachtungen zur Messung:
6. Durch die nichtschädigende Messung kann an jeder Stelle der Haut gemessen werden und nicht wie bisher bei den schädigenden Verfahren nur an ästhetisch unbedenklichen Stellen wie dem Rücken. Insbesondere kann an der Haut im Gesicht gemessen werden, die dem größten Schädigungsrisiko ausgesetzt ist.
7. Durch die Verwendung von Faserkopplungen für die Messung kann mit definierter Fleckgröße im Kontakt und definierter numerischer Apertur bzw. definierter Lichtausbreitung eine stabile Messung erfolgen. Durch eine Druckmessung oder auch eine Auflagehilfe mit vergrößerter Fläche kann die Druckabhängigkeit der Messung reduziert werden und die senkrechte Auflage kontrolliert werden, letzteres verhindert das optische Übersprechen von Beleuchtung und Detektion. Durch Verwendung von absorbierenden oder reflektierenden Materialien zwischen den Fasern kann das optische Übersprechen reduziert, also die Kanaltrennung weiter verbessert werden. Durch Verwendung von fluoreszenzarmen Materialien werden Fehlmessungen verhindert. 8. Bei Verwendung einer abbildenden Optik zur Übertragung von Beleuchtungs- und Detektionsoptik kann mit einem Fenster im Hautkontakt sowohl der Abstand zwischen der Optik und der Hautoberfläche stabil eingestellt werden, als auch die jeweiligen Fleckgrößen und numerischen Aperturen. Mit dem Abbildungsmaßstab kann die Fleckgröße jeweils an geeignete Detektoren angepasst werden.
9. Durch wechselbare Folien, die über Faserapplikator oder Fenster befestigt werden, kann eine Verschleppung von Strahlungsschutzmittel verhindert und eine sterile Nutzung gewährleistet werden ((wird auch bei der in der Literatur von Ruvolo et. al. (vgl. Seite 3) beschriebenen Methode verwendet)). Bei Messungen ohne Folie muss eine geeignete Reinigung zwischen den Messungen an verschiedenen Messorten oder Probanden vorgenommen werden. Die Verschmutzung des Sensors kann durch die Messanordnung selbst erkannt werden, indem beispielsweise eine Messung in den freien Raum oder in eine dunkle Messkammer hinein erfolgt.
10. Für eine verbesserte Messung kann es sinnvoll sein, die Haut vor der Messung mit dem Strahlungsschutzmittel bereits mit einem Strahlungsschutzmittel ohne Lichtdämpfungswirkung (Index-Matching) einzucremen.
11. Durch ein Ein- und Ausschalten der Lichtquelle bei gleichzeitiger Messung kann durch die Messapparatur der Einfluss des Umgebungslichts auf die Messung und damit ein fehlerhaftes Aufsetzen der Messanordnung und damit eine Fehlmessung erkannt werden (Lock-In-Technik o.ä.).
12. Die spektrale Abhängigkeit der Remission kann durch Verwendung eines Spektrometers oder durch Beleuchtung der Haut mit mehreren Leuchtdioden bestimmt werden. Die Messung für unterschiedliche Spektralbereiche kann gleichzeitig oder auch sequentiell erfolgen, um entweder die Lichtmenge für ein gutes Signal/Rausch- Verhältnis auf der Detektorseite anzupassen oder die spektrale Auflösung zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich weiterhin durch folgende unabhängig voneinander miteinander kombinierbare Merkmale aus:
• der Messkopf wird vor der Messung senkrecht zur Probenoberfläche positioniert.
• auf den Messbereich einfallendes Störlicht wird für den Wellenlängenbereich weggefiltert, für den die Auswertung der Messung erfolgen soll.
• das Störlicht wird durch Modulationstechniken, z.B. Lock-In-Techniken, weggefiltert. • eine Korrektur der Messdaten wird unter Berücksichtigung der Rückstreuung an der Beleuchtungsposition durchgeführt.
• die detektierte Strahlung wird für einzelne Strahlungsquellen/Detektor-Paare getrennt analysiert.
• die ermittelten Messdaten werden hinsichtlich unplausibler Messwerte oder fehlerhaft ermittelter Messwerte analysiert
• die Messvorhaben werden in-vivo oder in-vitro durchgeführt
• die Lichtschutzfaktoren werden getrennt für unterschiedliche
Wellenlängenbereiche analysiert, wobei die unterschiedlichen
Wellenlängenbereiche Licht aus den Spektren UV-A und/oder UV-B und/oder VIS VIS und/oder IR umfasst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich weiterhin durch folgende unabhängig voneinander miteinander kombinierbare Merkmale aus:
• die Messung wird mit Abstand = 0 zwischen Strahlungsquelle und Detektor durchgeführt.
• die Messung mit Abstand = 0 zwischen Strahlungsquelle und Detektor wird zur Kalibrierung verwendet. Die Kalibrierung ist nur bezüglich der spektralen Lage notwendig, eine Intensität muss nicht kalibriert werden, da sich aus den Relativmessungen mit/ohne Strahlungsschutzmittel eine Unabhängigkeit der Messungen von der eingestrahlten Intensität ergibt, sofern diese sich zwischen den Messungen nicht nennenswert verändert.
• Sie weist Mittel zur Minimierung der Störeinflüsse auf.
• Es sind Vorrichtungen vorgesehen, die die Detektoren vor Strahlung, die nicht durch die Schutzcreme und/oder Haut bzw. Messkörper transmittiert wurde, abschirmen.
• die Analyseeinheit der Vorrichtung ist geeignet Ausreißer (= Outlier) und fehlerhafte Messungen zu erkennen.
Ausführungsbeispiele
In einem Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Stelle an der Innenseite des Unterarms zunächst mit einer Formulierung ähnlich dem Strahlungsschutzmittel, jedoch ohne Lichtdämpfungswirkung, beaufschlagt. Dies dient der Vergleichbarkeit der Messungen mit/ohne Strahlungsschutzmittel und erhöht die Genauigkeit, ist jedoch nicht zwingend für die Durchführung des Verfahrens bzw. Ermittlung eines Lichtschutzfaktors. Danach wird dieser Messort mit der Messvorrichtung vermessen, indem Licht an einer definierten Fläche von etwa 200 μηι Durchmesser - erzeugt beispielsweise durch Aufsetzen einer Lichtleitfaser (Beleuchtungsfaser) mit einem Kerndurchmesser von
0 200 μηι - eingestrahlt wird. Die Einstrahlung erfolgt mit einer Intensität, die keine akute Schädigung in der Haut verursacht, was etwa 5 μ\Λ/ entspricht, bzw. unterhalb der einfachen MED, bzw. unterhalb der MZB-Werte, bzw. deutlich unterhalb den durch Sonneneinstrahlung verursachten Werten liegt. 1 MED entspricht der geringsten Bestrahlungsdosis, die bei der Ablesung nach 24 Stunden ein scharf begrenztes Erythem (Rötung) der Haut verursacht hat. Diese Dosis variiert selbst bei Menschen mit gleichem Hauttyp stark. Bei hellhäutigen Menschen vom Hauttyp II entspricht 1 MED etwa 250-400 J/m2 (25-40 mJ/cm2). Schädigungen können auch durch Unterschreiten der MZB-Werte verhindert werden. MZB sind in der DIN EN 60825-1 "Sicherheit von Laser-Einrichtungen; Teil 1 : Klassifizierung von Anlagen, Anforderungen und Benutzer-Richtlinien", die der internationalen Norm IEC 60825-
1 entspricht, festgelegt. Ebenfalls enthält die Unfallverhütungsvorschrift "Laserstrahlung" (BGV B 2) diese Werte, Ergänzungen und Änderungen, insbesondere aufgrund der DIN EN 60825- 1 :2001-1 1 , sind in der BG-Information 832 "Betrieb von Lasern" aufgeführt. Die zugrundeliegenden Grenzwerte stammen von der ICNIRP (International Commission on Non- lonizing Radiation Protection).
Dieses Licht durchläuft die Haut des Probenanden und tritt in einem vordefinierten Abstand - beispielsweise 60μηι - aus einer Detektionsfläche aus, die wiederum aus einer aufgesetzten Lichtleitfaser (Detektionsfaser) bestehen kann, die einen Kerndurchmesser von 200μηι hat. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit, bzw. weiteren Senkung der Beleuchtungsintensität können mehrere Detektionsfasern in gleichem Abstand von dem Rand der Beleuchtungsfaser in einem optischen Messkopf, der in direktem Kontakt mit dem Messort steht, angeordnet werden und zusammen auf eine Detektionsvorrichtung geführt und damit die Intensität gemessen werden. Abhängig von der Höhe der Intensität und dem gewählten Detektor wird das durch die Strahlung erzeugte Signal um einen definierten Faktor verstärkt, der für die folgende Messung der schwächeren Intensität ebenfalls ein über dem Rauschen liegendes Signal liefert. Die Detektion erfolgt wellenlängenaufgelöst. Die Auflösung kann beispielsweise 1 nm betragen und ist abhängig von der Definition des Lichtschutzfaktors zu wählen.
Anschließend wird der Messort mit einem Strahlungsschutzmittel einer vorbestimmten Art, für welches der Lichtschutzfaktor bestimmt werden soll, beaufschlagt. Die Normen sehen hier eine Prozedur vor, der gefolgt werden kann oder von der abgewichen werden kann, ohne die Durchführung des Messverfahrens zu beeinflussen. Lediglich die Aussagkraft des ermittelten Lichtschutzfaktors für die Anwendungsszenarien des Strahlungsschutzmittels ist von der Art der Beaufschlagung abhängig. Nach der Beaufschlagung des Strahlungsschutzmittels wird am gleichen Messort eine weitere Messung gleicher Art durchgeführt. Damit ist der Messzyklus nach zwei Einzelmessungen abgeschlossen. Diese gleichartige zweite Messung wird mit der ersten Messung verrechnet, z.B. nach der oben genannten Gleichung (4). Diese Berechnung erfolgt wellenlängenaufgelöst für den Bereich, in dem der Lichtschutzfaktor definiert werden soll. Ein Lichtschutzfaktor ist beispielsweise der SPF, der für Sonnencreme im UV-B-Bereich gültig ist. Er wird ermittelt, wie in Gleichung (5) beschrieben. Die Spektren Ι(λ) - das Intensitätsspektrum der Sonne - und Ε(λ) - das Erythemwirkungsspektrum - sind in der Norm ISO 24444 definiert bzw. in der medizinischen Fachliteratur [MCKINLAY, A. F., and B. L. DIFFEY (1987) "A reference action spectrum for ultraviolet induced erythema in human skin." In: "Human Exposure to Ultraviolet Radiation" (eds. Passchier, W. F. and B. F. M. Bosnjakovic) Excerpta Medica, Amsterdam, pp. 83-88].
In Abwandlung des vorstehenden Ausführungsbeispiels ist zudem eine Wiederholung der Einzelmessungen während eines Messzyklus denkbar, wobei die Einzelmessungen gemittelt werden oder aufsummiert (akkumuliert). Der Messzyklus umfasst also beispielsweise 10 bis 50 Einzelmessungen ohne Strahlungsschutzmittel (bzw. ohne Lichtdämpfung im Strahlungsschutzmittel) und eine gleiche Anzahl von Messungen nach Aufbringen des Strahlungsschutzmittels. Zur Vermeidung von anderen Einflüssen können die Messungen nach Aufbringen des Strahlungsschutzmittels erst nach einer Wartezeit nach der Beaufschlagung von beispielsweise 2 Minuten erfasst werden. Andere Arten der Analyse sind ebenfalls denkbar, worin die wellenlängenaufgelösten Signalwerte der Einzelmessungen alle berücksichtigt werden ohne vor der Analyse (Gleichung (4)) zu einem wellenlängenaufgelösten Wert zusammengezogen zu werden.
Eine Abwandlung eines der vorstehenden Ausführungsbeispiele ist zudem ein Messzyklus nur mit einem eingeschränkten Wellenlängenbereich, beispielsweise mit Beleuchtung durch Einkopplung einer LED mit 365nm in die Beleuchtungsfaser. Hierzu sind Vorarbeiten notwendig, die mit dem Strahlungsschutzmittel und einem breiteren Wellenlängenbereich erfolgen und eine Basis bilden, um die Werte im eingeschränkten Wellenlängenbereich mit einem Lichtschutzfaktor zu korrelieren. Es muss als Voraussetzung für eine Korrelation sichergestellt sein, dass die Messung bei 365 nm nicht bei der Art des benutzten Strahlungsschutzmittels bei Vorarbeit und Messung unterschiedliche spektrale Lichtdämpfung zu den Vergleichsmessungen zeigt. Es wird als weitere Vorarbeit die vorangegangene Bestimmung der Lichtschutzfaktoren einer gemessenen Lichtdämpfung bei 365nm zugeordnet. Über diese Zuordnung (Korrelation) werden dann in dem bereits beschriebenen Messzyklus mit nur einer spektral eingeschränkten Bestrahlung die Lichtschutzfaktoren durch Vergleich mit vorbekannten Werten in der Analysevorrichtung ermittelt. In Abwandlung eines der vorstehenden Ausführungsbeispiele ist zudem eine dritte Messung nach einer Interaktion gleicher Art am gleichen Messort durchzuführen. Hierzu wird die Messvorrichtung gleichartig verwendet. Die Interaktion kann beispielsweise zehnmaliges Abwischen mit leichtem Druck und mit einem feuchten Frottee-Handtuch sein, oder aber andere Einwirkungen durch Licht, mechanischer Art oder durch Feuchtigkeit oder in Kombination. Diese dritte Messung wird gegen die erste Messung nach Gleichung (4) ausgewertet und ergibt einen 'Lichtschutzfaktor nach Interaktion', der mit dem 'Lichtschutzfaktor ohne Interaktion' (ermittelt aus der ersten und zweiten Messung) verglichen und daraus die Wirkung der Interaktion auf die Schutzwirkung bestimmt werden kann. Sinnvoll ist eine solche Methode mit Interaktion bei Tests auf Wasserfestigkeit des Strahlungsschutzmittels und bei Aussagen zur Änderung des Lichtschutzfaktors durch mechanische Einwirkungen durch An- und Umkleiden, die Bestandteil einer Produktinformation sein sollen.
Die Interaktion kann ebenfalls darin bestehen, die Veränderung des Strahlungsschutzmittels mit der Zeit durch Messung nach einem kurzen Zeitraum - beispielsweise während der ersten Minuten nach der Beaufschlagung - oder über einen längeren Zeitraum - beispielsweise 2 Stunden nach der Beaufschlagung - zu erfassen. Das Vorgehen ist gleich. Bei längeren Zeitabständen ist es erfindungsgemäß den optischen Messkopf zu entfernen und am gleichen Messort nach der vorbestimmten Zeit aufzusetzen. Mit solchen Messungen können chemische Änderungen der Strahlungsschutzmittel erfasst werden bzw. das Einziehverhalten und dessen Auswirkung auf den Lichtschutzfaktor, Die Einzelmessung dauert wenige Sekunden, die Analyse erfolgt entweder sofort (einige hundert Millisekunden) oder die Mess-Signale der Detektoren werden zwischengespeichert.
In Erweiterung eines der vorstehenden Ausführungsbeispiele werden dritte Messungen periodisch, beispielsweise alle 5 Sekunden, durchgeführt und analysiert, bis die Abweichung der aufeinanderfolgenden Werte unterhalb der einfachen Standardabweichung liegt, also stabile Werte zeigt. Eine solche Auswertung erfolgt in der Analysevorrichtung, die bei Erreichen der stabilen Werte die Messung beendet und dies dem Anwender signalisiert.
In Abwandlung eines der vorstehenden Ausführungsbeispiele ist zudem eine weitere Messung an einem anderen Messort nach gleicher Art durchzuführen. Damit kann der Lichtschutzfaktor des gleichen Strahlungsschutzmittels mit gleichartigem Auftrag an verschiedenen Messorten verglichen werden. Ebenfalls erfindungsgemäß ist es, eine erste Messung (Einzelmessung ohne Strahlungsschutzmittel) am zusätzlichen Messort für die Analyse der weiteren Messung zugrunde gelegt werden. Liste der Bezugszeichen
1 Beleuchtung
2 Detektion
3 Haut
4 Epidermis
5 Hornschicht
6 Schutzmittel
7 Rückstreuung
8 Detektor
Abkürzungen
SPF entsprechend einer Vorschrift ermittelter sun protection factor (Sonnenschutzfaktor)
UVAPF UVA-Schutzfaktors entsprechend dem In-vitro- Verfahren gemäß ISO 24443
MED minimale Erythem-erzeugende Dosis; entspricht der Minimaldosis bis zum Erreichen einer Hautrötung
MZB maximal zulässige Bestrahlung, z.B. festgelegt durch Verordnungen oder durch eine Strahlenschutzkommission
UVA Wellenlängenbereich des Lichts von 380 nm bis 315 nm
UVB Wellenlängenbereich des Lichts von 315 nm bis 280 nm
VIS Wellenlängenbereich des Lichts von 380 nm bis 780 nm
NIR Wellenlängenbereich des Lichts von 780 nm bis 1400 nm
IR Wellenlängenbereich des Lichts von 780 nm bis 1 mm
r Abstand zwischen Detektionsfläche und Beleuchtungsfläche
T skalarer Transmissionsfaktor (wellenlängenabhängig), kennzeichnet die
Lichtabschwächung durch das Schutzmittel
otmeiz) Strahlungsdichte im Tiefenbereich z der Haut ohne Strahlungsschutzmittel
Φι α(ζ) Strahlungsdichte im Tiefenbereich z der Haut mit aufgetragenem
Strahlungsschutzmittel
Pin auf die Hautoberfläche eingestrahlte Beleuchtungsleistung Lquer(r) weglängenabhängige Lichtdämpfung durch die Haut (wellenlängenabhängig) PF Schutzfaktor
Rohne detektierte Rückstreuung ohne Strahlungsschutzmittel
Rmit detektierte Rückstreuung mit aufgetragenem Strahlungsschutzmittel
Figure imgf000030_0001
detektierte Rückstreuung der Beleuchtungsfläche
λ Wellenlänge
Ι(λ) Intensitätsspektrum der Sonne
Ε(λ) Spektrum für die Wirkung der Strahlung vor der geschützt werden soll bzw.
Wirkungsspektrum, beispielsweise für die Erythem- oder Pigmentbildung g(R°ohne,R°mit, Rohne, Rmit) Korrekturfunktion für die Ermittlung des PF nach Gleichung (6)

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines Strahlungsschutzmittels umfassend die Verfahrensschritte
• Ansteuerung mindestens einer Strahlungsquelle durch eine Steuerung zur Aussendung von Strahlung auf einen Messkörper
• Aussenden von Strahlung aus der mindestens einen Strahlungsquelle
wobei die Steuerung die mindestens eine Strahlungsquelle derart ansteuert, dass die mindestens eine Strahlungsquelle eine maximale Lichtdosis kleiner MED und/oder MZB abgibt,
wobei die Strahlungsquelle Licht mindestens im Bereich, in dem die Schutzwirkung des Lichtschutzfaktors definiert werden soll, aussendet,
• Detektieren der von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahlung in mindestens einem Detektor
wobei ein Messzyklus mehrere Einzelmessungen umfasst,
wobei die von der mindestens einen Strahlungsquelle ausgesendete Strahlung in mindestens zwei Einzelmessungen von mindestens einem Detektor detektiert wird wobei der Abstand zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor der ersten Einzelmessung unterschiedlich zum Abstand zwischen Strahlungsquelle und Detektor der zweiten Einzelmessung ist,
• Analysieren der detektierten Strahlung unter Berücksichtigung der jeweiligen Abstände zwischen Strahlungsquelle und Detektor.
Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines Strahlungsschutzmittels nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
für ein Messvorhaben mehrere Messzyklen an gleicher Position auf dem Messkörper durchgeführt werden.
3. Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Bestimmung des Lichtschutzfaktors mehrere Messvorhaben durchgeführt werden, wobei die Messvorhaben an Stellen des Messkörpers durchgeführt werden, die eine unterschiedliche Beaufschlagung mit dem Strahlungsschutzmittel aufweisen, wobei die Messvorhaben bevorzugt an gleicher Position des Messkörpers durchgeführt werden.
4. Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Messzyklus mehrere Einzelmessungen mit gleichem Abstand von
Beleuchtungsfläche zu Detektionsfläche umfasst,
wobei die Einzelmessungen mit gleichem Abstand an unterschiedlichen Positionen auf dem Messkörper durchgeführt werden.
5. Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach Anspruch 4
dadurch gekennzeichnet, dass
die Messzyklen solange wiederholt werden, bis sich der aus der Strahlung der mindestens einen Strahlungsquelle und der in dem mindestens einen Detektor detektierten Strahlung ermittelte Lichtschutzfaktor um weniger als eine
Standardabweichung von 1 σ zu den zuvor ermittelten Lichtschutzfaktoren
unterschiedet.
6. Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Messvorhaben durchgeführt werden,
wobei die Messvorhaben an unterschiedlichen Positionen auf dem Messkörper durchgeführt werden und wobei zur Bestimmung des Lichtschutzfaktors des Strahlungsmittels die an den unterschiedlichen Positionen ermittelten Messwerte gemittelt werden.
7. Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6
dadurch gekennzeichnet, dass
Messvorhaben wiederholt durchgeführt werden,
wobei zwischen den Messvorhaben der mit dem Strahlungsschutzmittel beaufschlagten Messkörper die Schutzwirkung des Strahlungsschutzmittels einwirkenden Einflüssen ausgesetzt ist,
wobei diese Einflüsse Abrieb, Wasser, Zeit und/oder die Strahlungseinwirkung umfassen.
8. Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7
dadurch gekennzeichnet, dass
die detektierte Strahlung spektral getrennt für Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche erfasst und ausgewertet wird,
wobei die spektrale Trennung die Wellenlängenbereiche UV-A, UV-B und/oder das sichtbare Licht umfassen können.
9. Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8
dadurch gekennzeichnet, dass
aus den Messwerten Kennwerte unterschiedlicher Art ermittelt werden,
wobei diesen Kennwerten unterschiedliche Schädigungsfunktionen zugrunde liegen.
10. Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strahlung auf eine begrenzte Fläche eingestrahlt wird, die von der Detektorfläche getrennt ist.
1 1. Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bestimmung des Lichtschutzfaktors des Strahlungsschutzmittels nach der Formel
R 1
PF^
T2
erfolgt.
Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Messvorhaben ohne zuvor auf den Messkörper aufgetragenem Schutzmittel und ein Messvorhaben mit zuvor auf dem Messkörper aufgetragenem Schutzmittel durchgeführt wird.
13. Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12
dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Messvorhaben der Messkopf gereinigt wird.
Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einzelmessungen für mehrere Abstände durchgeführt werden,
wobei die Abstände mindestens über einen Bereich von 0 mm bis 1 mm, bevorzugt von
20 μηι bis 0,5 mm und besonders bevorzugt von 60 μηι bis 200 μηι variiert werden.
15. Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines Strahlungsschutzmittels umfassend
• eine Sensoreinheit
• die Sensoreinheit umfassend a) mindestens einen Strahlungsquelle und zwei Detektoren,
wobei die Detektoren unterschiedliche Abstände zu der Strahlungsquelle aufweisen, oder
b) mindestens zwei Strahlungsquellen und einen Detektor,
wobei die Strahlungsquellen unterschiedliche Abstände zu dem Detektor aufweisen, oder
c) einer Strahlungsquelle und einem Detektor,
wobei der Abstand zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor variierbar ist
wobei die Strahlungsquelle geeignet ist Licht im Bereich, in dem die Schutzwirkung definiert werden soll, auszusenden
wobei die Abstände zwischen den einzelnen Strahlungsquellen und den Detektoren bestimmt sind
• eine Steuerung zur Ansteuerung der Strahlungsquelle
• wobei die Steuerung geeignet ist die Strahlungsquelle derart anzusteuern, dass die Strahlungsquelle eine maximale Lichtdosis kleiner MED und/oder MZB abgibt
• eine Analyseeinheit, die geeignet ist die detektierte Strahlung unter Berücksichtigung der jeweiligen Abstände zwischen Strahlungsquelle und Detektor zu analysieren
• eine Ausgabeeinheit, die den ermittelten Wert ausgibt.
16. Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach Anspruch 15
dadurch gekennzeichnet, dass
Strahlungsquellen und Detektoren in Rückstreuanordnung angeordnet sind.
17. Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach Anspruch 15 oder 16
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung die Möglichkeit aufweist Versuchsparameter wie Wellenlänge, Abstand r zwischen Strahlungsquelle und Detektor und/oder Spotgrößen zu verändern.
18. Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 17
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand einer Strahlungsquelle und eines Detektors so gewählt wird, dass die detektierte Strahlung zuvor mindestens teilweise in der Tiefe durch die mit Strahlungsschutzmittel beaufschlagte Schicht hindurch in den Messkörper eingetreten ist.
19. Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 18
dadurch gekennzeichnet, dass
eine oder mehrere Strahlungsquellen und mindestens eine Beleuchtungsfläche aufweisen,
wobei die Beleuchtungsfläche zwischen einem Kreis mit 07 μηι und 1 mm2, bevorzugt zwischen einem Kreis mit 0100 μηι und 250 μηι2 und besonders bevorzugt zwischen einem Kreis mit 0 200 μηι und einem Kreis mit 0 400 μηι liegt.
20. Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 19
dadurch gekennzeichnet, dass
eine oder mehrere Detektionsflächen aufweisen,
wobei die Detektionsflächen auf einen Detektor zusammengeführt werden,
wobei die Detektionsfläche zwischen einem Kreis mit 07 μηι und 1 mm2, bevorzugt zwischen einem Kreis mit 0100 μηι und 250 μηι2 und besonders bevorzugt zwischen einem Kreis mit 0 200 μηι und einem Kreis mit 0 400 μηι liegt.
21. Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 20
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand zwischen einer oder mehreren Strahlungsquellen und einem oder mehreren Detektoren zwischen 0 und 1 mm liegt, wobei der Abstand so gewählt wird, dass die Eindringtiefe der Strahlung größer als die Schichtdicke und/oder Eindringtiefe des Strahlungsschutzmittels in die Haut ist.
22. Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 21
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strahlungsquelle Licht entsprechend dem Sonnenspektrum abstrahlt
oder die Analyseeinheit die Messung spektral auflöst mit nachfolgender Wichtung entsprechend des typischen Sonnenspektrums
derart das das Produkt aus Lichtintensität der Strahlungsquelle und
Detektorempfindlichkeit entsprechend dem Produkt aus Sonnenspektrum und Wirk- bzw.
Schädigungsspektrum ist.
23. Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 22
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung zur Messung der Messgrößen Faseranordnungen oder optisch abbildende Systeme mit verkleinernden Optiken aufweist.
24. Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung des Lichtschutzfaktors eines
Strahlungsschutzmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 23
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bestimmung des Lichtschutzfaktors des Strahlungsschutzmittels als gemittelter Wert aus mehreren Messungen von einem oder mehreren Messorten erfolgt.
PCT/DE2016/100491 2015-10-20 2016-10-20 Optische ermittlung der schutzfaktoren von sonnenschutz- bzw. anderen strahlungsschutzmitteln WO2017067545A1 (de)

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