基于太赫兹时域光谱的皮肤黏弹性定量表征及其年龄依赖性研究

《SKIN RESEARCH AND TECHNOLOGY》：Terahertz Time-Domain Spectroscopy as a Probe of Skin Viscoelasticity

　　

在美容和临床环境中，对开发定量方法以评估皮肤状况和监测治疗进展存在强烈需求。太赫兹（THz）光已显示出用于无创皮肤评估的前景，特别是基于介电特性的差异对病变组织和健康组织进行分类。皮肤的机械特性也是临床医生和美容师有用的生物标志物，通常使用基于吸力或扭转的装置进行测量。在本工作中，研究人员探究了THz光探测皮肤黏弹性行为并推导年龄依赖性参数的潜力，这些参数可用于量化多种治疗和化妆品的效果。反过来，该技术可用于同时进行皮肤生物力学和状况的在体评估。

研究背景方面，在美容和临床环境中，对定量评估皮肤状况和监测治疗进展的方法存在强烈需求。太赫兹（THz）光在无创皮肤评估方面已显示出前景，尤其是基于介电特性差异区分病变与健康组织。皮肤的机械特性也是临床医生和美容师有用的生物标志物，通常使用基于吸力或扭转的装置测量。然而，现有皮肤黏弹性评估方法（如Cutometer等吸力装置、弹性成像）存在局限性，弹性成像技术无法直接提供与吸力法可比的变形曲线，需要额外的处理和建模来提取等效黏弹性参数。因此，研究人员需要探索THz光探测皮肤黏弹性行为并推导年龄依赖性参数的潜力，以量化各种治疗和化妆品的效果，从而实现皮肤生物力学和状况的同时在体评估。研究人员假设石英窗口接触期间皮肤的黏弹性变形决定了THz衰减曲线的双指数特性，衰减曲线的特性可作为皮肤变形曲线所定义黏弹性参数的代理指标。研究人员开展了多项实验来阐明这一假设，并讨论了THz作为皮肤黏弹性探针的潜力。研究得出结论：THz衰减曲线参数可作为量化皮肤黏弹特性的代理指标，据此可估计受试者的"皮肤年龄"，提供有用的美容和皮肤病学信息。同时THz的水敏感性使其能够同时探测皮下水含量的动态变化，黏弹性与皮肤水合作用内在关联，THz的使用可能揭示两者之间有趣的相互作用。重要意义在于THz具有同时探测介电特性和机械特性的独特优势，进一步增强其作为皮肤病学诊断工具的潜力。在关键技术方法方面，所有THz测量使用华威大学内部开发的PicoBot系统，该系统将商用THz光谱仪（Menlo TeraSmart）与医疗级机器人（KUKA LBR Med14）集成。石英窗口为z切石英，厚度2mm，直径20mm，通过力扭矩传感器经PID控制向KUKA关节提供反馈，维持测量期间稳定力。THz信号与力采集同步以确保准确的时间对齐。THz光路用干燥空气吹扫以减少水蒸气影响。所有测量在受试者前臂掌侧进行。4.4节数据来自考文垂和沃里克郡大学医院（UHCW）的TERABOTICS研究，获健康研究管理局（HRA）和Health and Care Research Wales（HCRW）伦理批准（IRAS项目ID: 270335）。4、4.1、4.2节数据在华威大学实验室内采集，获生物医学与科学研究伦理委员会（BSREC）批准（申请号BSREC 26/23-24）。研究结果方面：(1)力的效应——通过变化施加力2至5N（步长1N）测量90s的THz信号，每个力重复三次并计算标准误差，得出增加力导致衰减整体振幅增加的结论，较高施加力下标准误差减小可能归因于皮肤可变形性在大力下饱和。(2)循环加载——通过将接触力在5N和2N之间以30s增量循环同时连续测量反射THz信号，得出THz信号表现出滞回行为且后续循环滞回曲线面积明显减小的结论，这与黏弹性材料的预期行为一致，与机械预处理（Mullins效应）相关，与Cutometer测量一致。(3)力斜坡——通过将施加力从3至6N以0.5N步长每30s阶梯式增加和减少，得出每次后续增加引起逐渐较小的THz信号变化的结论，初始快速衰减分量在递减斜坡中更为突出，总蠕变变形减少，突出了皮肤对加载的历史依赖性响应。(4)年龄依赖性——通过计算Spearman相关系数评估各参数与患者年龄的相关性（n=37），得出初始快速衰减(Ue)与年龄呈正相关（ρ=0.527, p=0.001），总衰减(Uf)呈正相关（ρ=0.380, p=0.021），慢速线性衰减(Uv)呈负相关但不显著（ρ=?0.300, p=0.071），比值呈显著负相关（ρ=?0.467, p=0.004）的结论。讨论部分总结了该数据集局限于TERABOTICS研究中接受基底细胞癌（BCC）切除的参与者，均为高加索人种，平均年龄72.4±10.2岁，由于年龄相关胶原降解的普遍性，观察到的趋势预期可推广至更广泛人群，未来工作应扩展数据集并纳入更 wide 年龄范围尤其50岁以下。结论部分翻译如下：本工作详述了一项有趣的原理验证，其中THz衰减曲线参数可用作量化皮肤黏弹特性的代理指标。据此，可基于上述参数与年龄的相关性估计受试者的"皮肤年龄"，提供有用的美容和皮肤病学信息。同样重要的是强调THz的水敏感性，以及因此同时探测皮下水含量动态变化的能力。例如，基于若干在体模型，研究人员可从THz响应中提取水合相关参数。当然，黏弹性也与皮肤水合作用及水的增塑效应内在关联，因此THz的使用可能揭示两种特性之间有趣的相互作用。未来工作应旨在更好地量化皮肤水合作用对在体THz响应的影响，并理解其对THz衰减曲线特性的影响。从THz衰减曲线提取的准黏弹性参数还应与相关Cutometer测量获得的参数进行比较，以确定两者之间的确切关系。