郎 恂，張 梅，王飛飛，張寧濤，郭振宇，張榆鋒

（1.云南大學(xué)信息學(xué)院電子工程系，云南 昆明 650091；2.云南省高校高原醫(yī)學(xué)電子信息智能檢測處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650091；3.云南省貝泰妮生物科技集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650091）

皮膚是人體最大的器官，為人體免疫系統(tǒng)的第一道生理屏障［1］。健康的皮膚保護(hù)下層組織免受外部因素和病原微生物的影響；同時(shí)可以避免體內(nèi)水分及脂類等物質(zhì)的快速丟失從而維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定［2］。這一屏障的完整性降低會(huì)誘發(fā)及加重皮膚病變［3］。

健康的皮膚角質(zhì)層能夠有效阻止水分的經(jīng)皮丟失，將人體經(jīng)皮擴(kuò)散失水量（不包括汗液等其他形式的水分流失）限制在每天500ml 左右［4］。然而，當(dāng)皮膚屏障受損時(shí)，經(jīng)皮失水量可能會(huì)增加30 倍以上［4］。因此，經(jīng)皮失水（trans epidermal water loss，TEWL）與皮膚屏障功能密切相關(guān)，可以作為評價(jià)皮膚屏障完整性的一個(gè)輔助標(biāo)準(zhǔn)［5］。番曉清等［6］指出TEWL 是常用于檢測皮膚表面角質(zhì)層失水的方法，用于評價(jià)化妝品或藥品的功效。另外，TEWL 在臨床上易于操作，可用于評估與屏障功能損傷相關(guān)的皮膚病，如銀屑病、異位性皮炎及燒傷等。最近，歐洲EEMCO 組織［7］發(fā)布關(guān)于皮膚含水量的在體測量修訂指南，其中明確指出，TEWL 可提供皮膚生理和屏障完整性的關(guān)鍵信息，已廣泛用于評估各種皮膚病和皮膚屏障功能損傷。

近年來，TEWL技術(shù)在國內(nèi)獲得的關(guān)注顯著增加，相關(guān)的研究與應(yīng)用報(bào)道日益增多。因此，有必要對TEWL 的基本定義、測量原理、測量技術(shù)及典型設(shè)備特征進(jìn)行總結(jié)與闡述，以期提高該技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用廣度與效果。

1 經(jīng)皮失水及相關(guān)指標(biāo)定義

1.1 TEWL 定義 TEWL 是對通過擴(kuò)散和蒸發(fā)過程從人體內(nèi)經(jīng)過表皮皮膚進(jìn)入周圍大氣的水分的度量［2］，因此TEWL表示一種通量密度。根據(jù)該定義可看出［8］：①水源自身體內(nèi)部。② 水必須從體內(nèi)擴(kuò)散到皮膚表面再揮發(fā)至大氣中。注意，擴(kuò)散的傳輸機(jī)制不包括汗液等其他形式的水分流失。

1.2 通量密度與TEWL 單位 通量密度一詞被廣泛用于描述各種物理量，包括磁場或電場、粒子流等。一般來說，磁通密度是一個(gè)既有大小又有方向的矢量。在本文中，水通量密度J 被定義為［9］：

其中分子表示水的重量，分母中Area 為所分析區(qū)域的面積，Time 為度量的時(shí)間跨度。此外，通量密度方向垂直于所分析的區(qū)域，且該定義對凝結(jié)水和水蒸氣同樣有效。J 的國際單位是kg m-2s-1，即每秒每平方米皮膚中擴(kuò)散的水的千克數(shù)。然而，對于TEWL 而言，采用上述單位所得量綱過于微小，不利于實(shí)際應(yīng)用。因此，本領(lǐng)域?qū)嶋H使用的單位是g m-2h-1，即每小時(shí)每平方米皮膚中擴(kuò)散的水的克數(shù)。通常健康的表皮角質(zhì)層和正常的前臂掌側(cè)的TEWL為10g m-2h-1，意味著正常成年人一天的總失水量約為500mL［4］。

2 經(jīng)皮失水測量原理及技術(shù)

2.1 測量原理概述 盡管TEWL 可由多種不同的技術(shù)進(jìn)行檢測，但基本原理是一致的，均由以下公式計(jì)算得到［10］：

其中m 表示水分流失量（g）、t 表示時(shí)間（h）、D 表示擴(kuò)散常數(shù)［一般條件下取值0.0877g/（m·h·Pa）］，A 表示面積（m2），p 表示大氣壓力（Pa），x 表示皮膚表面到測定點(diǎn)的距離（m）?？梢钥吹?，擴(kuò)散率表示的是一段時(shí)期內(nèi)，每平 方米皮膚上流失的水分量。

在沒有強(qiáng)對流、強(qiáng)熱擴(kuò)散情況下，TEWL 計(jì)算式等價(jià)于如下［11］：

其中△RH 表示相對濕度差，Psat 表示當(dāng)前溫度下飽和蒸氣壓。式③中D＇也與溫度及大氣壓有關(guān)，如下所示：

其中D 為擴(kuò)散因子，在溫度為300K，氣壓為101kPa 時(shí)，其值約為0.929×10-1m2/h；M 為水分子質(zhì)量，取值18；R 為大氣常數(shù)，取值8.314J/mol·K，T 為溫度（K），Patm 為大氣壓（Pa）。綜上，在常溫下，D＇可以近似取值為0.67×10-3g/（m·h·Pa）。

當(dāng)前主流的測量TEWL 的方法有3 種，分別是開室法（Open-chamber）、不通風(fēng)室法（Unventilatedchamber）以及冷凝室法（Condenser-chamber）。下文將對這3 種方法分別進(jìn)行概要描述。

2.2 開室法 開室法進(jìn)行TEWL 測量的裝置如圖1所示［12］，主要為一個(gè)與皮膚接觸的空心圓柱體。腔室的下端與皮膚接觸，且附近設(shè)置有高精度溫度、相對濕度傳感器。腔室上端保持開放，使得皮膚表面的水蒸氣通過腔體擴(kuò)散到周圍的大氣中。在靜止條件下，皮膚表面附近的濕度較高，而腔室上端的濕度保持在接近環(huán)境空氣的濕度。利用腔室內(nèi)上下端的傳感器組合所提供的相對濕度和溫度讀數(shù)可計(jì)算該濕度差（或濕度梯度），然后再根據(jù)式③計(jì)算得到TEWL數(shù)值。開室法設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是不遮擋皮膚，因此可保證皮膚表面微氣候不受累積蒸氣的干擾。但開放的測量環(huán)境同時(shí)也成為該設(shè)備的主要局限性，即容易受到諸如環(huán)境空氣流動(dòng)等干擾的影響［13］。

2.3 不通風(fēng)室法 與開室法不同，不通風(fēng)室設(shè)備由一個(gè)上端封閉的腔室組成，因此可以防止環(huán)境空氣流動(dòng)對測量的干擾。如圖2（a）所示，該設(shè)備僅在腔室上側(cè)配備了相對濕度和溫度傳感器［12］。由于皮膚表面擴(kuò)散出的水蒸氣持續(xù)在腔室內(nèi)聚集，將導(dǎo)致室內(nèi)濕度隨時(shí)間而升高。該增長起初較為緩慢，但在一定時(shí)間之后會(huì)呈現(xiàn)出線性趨勢［9］，如圖2（b）所示。因此，TEWL 可根據(jù)圖中曲線線性上升部分對應(yīng)的斜率進(jìn)行估計(jì)，即△RH 和△t 所定義的區(qū)間。單次測量完成后，需要將設(shè)備移開皮膚，使得已積聚的水蒸氣逸出（實(shí)線），否則濕度將上升到接近飽和的水平（虛線）。由于每次接觸皮膚后都需要清除腔室中積聚的水蒸氣，不通風(fēng)室設(shè)備不能用于連續(xù)的TEWL測量［14］?，F(xiàn)有設(shè)備的測量速度約為每分鐘2 次。

圖2 （a）不通風(fēng)室法測量TEWL 原理示意圖；（b）不通風(fēng)室法濕度增長曲線

2.4 冷凝室法 基于冷凝室法的TEWL 測量技術(shù)開發(fā)較晚，但目前正受到越來越多的關(guān)注。如圖3 所示，該裝置為封閉的空心圓柱體結(jié)構(gòu)，且頂端由冷凝器密閉［12］。冷凝器的溫度始終保持在冰點(diǎn)以下，可使水蒸氣在此凝結(jié)，以確保水蒸氣不會(huì)累積，從而對連續(xù)測量造成影響。冷凝室法計(jì)算TEWL 的方式與開室法一致，均由兩組分散的濕度與溫度計(jì)通過推算濕度梯度得到。如圖3 所示，其中一組傳感器安裝于靠近皮膚側(cè)的腔室內(nèi)壁上，另一組傳感器則置于冷凝器中。采用冷凝室設(shè)備進(jìn)行TEWL 測量有以下好處［15］：

圖3 冷凝室法測量TEWL 原理示意圖

①密閉的腔室可保護(hù)室內(nèi)測量不受外界空氣運(yùn)動(dòng)的干擾；②腔室內(nèi)微氣候穩(wěn)定，與環(huán)境溫度、濕度無關(guān)；③冷凝器的濕度保持在較低且穩(wěn)定的水平。其與皮膚表面所形成的濕度差（梯度）可保證體內(nèi)自然擴(kuò)散的水蒸氣經(jīng)皮膚表面快速擴(kuò)散至冷凝器表面；④設(shè)備通過將水蒸氣凝結(jié)成冰來消除其累計(jì)效應(yīng)，因此連續(xù)測定時(shí)長可達(dá)數(shù)小時(shí)。

已有相關(guān)工作［16］對不同的TEWL 技術(shù)進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，開室法、不通風(fēng)室法和冷凝室法均具有良好的性能。然而，一項(xiàng)小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究［17］指出，冷凝室法是唯一能檢測到膠帶剝離對TEWL 影響的技術(shù)，也是唯一能區(qū)分保濕劑和凡士林對皮膚屏障完整性影響的技術(shù)。該實(shí)驗(yàn)表明冷凝室法的測量靈敏度可能高于另外兩種方法。

3 現(xiàn)有TEWL 設(shè)備及性能

總結(jié)市面上現(xiàn)有的用于測量TEWL 的主流設(shè)備如表1 所示［4］。本節(jié)將對表中所列的商用TEWL 設(shè)備為對象，概述它們在不同方面的特性及性能比較。

表1 市面主流TEWL 設(shè)備

3.1 測量相關(guān)性 測量相關(guān)性是指儀器的讀數(shù)與預(yù)期測量的量之間的相關(guān)關(guān)系，是儀器最基本的功能測試。本文中，如果測試儀器不能正確反應(yīng)TEWL，則儀器不適合使用。Jones 等［18］使用AquaFlux 和DermaLab 對受試者八個(gè)身體部位進(jìn)行廣泛測試后，發(fā)現(xiàn)儀器的讀數(shù)之間存在相關(guān)性，從0.67（左臂）到0.90（左臉頰）不等。Fluhr 等［19］采用模型和在體實(shí)驗(yàn) 對Evaporimeter、DermaLab、H4300、Tewameter、VapoMeter 進(jìn)行測量測試后，發(fā)現(xiàn)上述儀器的相關(guān)性在0.47 到0.93 之間。HonKL 等［20］通過在體實(shí)驗(yàn)指出Vapometer 測量值與收集到的冷凝水重量之間的相關(guān)性為 0.76，與H4300、Tewameter、DermaLab 的測量相關(guān)性在0.71 到0.98 之間。Logger 等［21］在酒糟鼻患者的治療實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)GPSkin 與AquaFlux 的測量相關(guān)性處于0.66 到0.80 區(qū)間。

3.2 測量重復(fù)性 當(dāng)重復(fù)測量相同的對象時(shí)，理想的TEWL 儀器應(yīng)輸出相同的讀數(shù)。然而，實(shí)際應(yīng)用中由于隨機(jī)噪聲、傳感器遲滯、擾動(dòng)等因素，儀器的讀數(shù)會(huì)略有波動(dòng)［7］。測量重復(fù)性通常用變異系數(shù)CV 或類內(nèi)相關(guān)系數(shù)ICC 表征［4］。測量重復(fù)性是用于比較不同儀器性能的重要指標(biāo)。Imhof 等［22］使用AquaFlux 和VapoMeter 評估了志愿者單個(gè)測試區(qū)域的TEWL 測量重復(fù)性。結(jié)果表明，上述設(shè)備的CV 值分別為3.8%和10.2%。Farahmand 等［17］采用在體實(shí)驗(yàn)對比了開室法（Tewameter）、不通風(fēng)室法（Vapometer）和冷凝室法（AquaFlux）設(shè)備的測量性能，并發(fā)現(xiàn)Tewameter 測量不同身體部位的CV 值在17.3%到60%之間、Vapometer 的CV 值在11.5%到49.6%之間、AquaFlux 的CV 值在4.8%到31.1%之間。該實(shí)驗(yàn)表明冷凝室法相較開室法與不通風(fēng)室法的測量穩(wěn)定性更好。最近，Hua 等［23］報(bào)道了DermaLab 在人體皮膚實(shí)驗(yàn)中的ICC 為0.52，Grinich 等［24］報(bào)道了GPSkin 在人體皮膚實(shí)驗(yàn)中的ICC 為0.88。

3.3 溫度依賴性 溫度是手持式TEWL 儀器的一個(gè)基本變量［25］，其讀數(shù)會(huì)隨著手持溫度的升高而增加。手持TEWL 儀器5 分鐘左右，可使測量值漂移上漲10%以上。De Paepe 等［26］發(fā)現(xiàn)使用雙手握住VapoMeter 探頭使其溫度升高6 攝氏度，可觀察到前臂掌側(cè)TEWL 讀數(shù)從7±2g m-2h-1逐漸上漲至15±6g m-2h-1/℃。Imhof 等［9］也指出在十次獨(dú)立重復(fù)測量中，AquaFlux 輸出值隨溫度波動(dòng)的均方根平均值為0.05±0.06g m-2h-1每攝氏度。Fluhr 等［19］采用相關(guān)性指標(biāo)評估不同TEWL 儀器度數(shù)與溫度的相關(guān)性，其結(jié)果表明，DermaLab、Evaporimeter、H4300、Tewameter 和Vapometer 輸出值與溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.42、0.29、0.50、0.36 和0.26。綜上，TEWL 設(shè)備在使用期間應(yīng)嚴(yán)格控制溫度對測量的影響，可使用絕緣手套觸摸測量探頭，也可對探頭進(jìn)行預(yù)熱或增加溫度校正環(huán)節(jié)［27］。

3.4 壓力依賴性 皮膚和TEWL 測量探頭之間較大的接觸壓力可能導(dǎo)致皮膚測量區(qū)域的幾何形狀發(fā)生變化，包括皮膚組織壓縮和表面拉伸，即測量室外圍的皮膚被壓低，測量孔內(nèi)的皮膚被抬高成凸起的球狀［28］。上述幾何形變可導(dǎo)致傳感器與皮膚表面之間的間距減小，以及傳感器相對位置的變化等。另一方面，較小的接觸壓力又無法保證皮膚和測量室之間的密封性，導(dǎo)致蒸氣泄漏和位置漂移等［29］。通常，開室儀器測量結(jié)果更容易受到壓力的影響，主要原因有二：（1）腔室下端傳感器接近皮膚表面，可能在較大的接觸壓力下接觸到皮膚；（2）測量探頭結(jié)構(gòu)并不堅(jiān)固，可能因接觸壓力而變形。文獻(xiàn)［30］指出，當(dāng)接觸力從100g 增加到300g 時(shí)，Evaporimeter的TEWL 讀數(shù)從5.3±1.9g m-2h-1增加到5.6±2.2g m-2h-1，Tewameter 的TEWL 讀數(shù)從11.5±2.7g m-2h-1增加到12.5±2.2g m-2h-1。相比之下，不通風(fēng)室儀器更不易受到接觸壓力的影響。De Paepe 等人［26］經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在正常接觸與按壓接觸情況下VapoMeter 的TEWL 讀數(shù)并未發(fā)生統(tǒng)計(jì)上顯著的變化。Imhof 等［9］采用AquaFlux 并以0.1kg 至2kg 不等的接觸力對前臂中部的同一部位進(jìn)行了重復(fù)TEWL 測量。結(jié)果表明，18 次獨(dú)立測量的平均TEWL 值為8.23g m-2h-1，變異系數(shù)僅為1.7%。由此可見，接觸壓力對冷凝室儀器的測量結(jié)果影響并不顯著。

4 總結(jié)與展望

皮膚屏障功能的無創(chuàng)檢測與量化是皮膚病臨床診療、化妝品研發(fā)、醫(yī)學(xué)美容功效評測的重要環(huán)節(jié)。TEWL 作為評估人體皮膚屏障功能的主要指標(biāo)，其基本定義、測量原理及主流實(shí)現(xiàn)技術(shù)在本文中得到了詳細(xì)闡述。然而，TEWL 的測量敏感性較高，其在不同身體部位的測量值有顯著差異，且易受環(huán)境濕度、溫度和氣流等皮膚周圍微氣候的影響。此外，TEWL還與汗腺活動(dòng)、皮膚衰老情況、角膜細(xì)胞特性有關(guān)。因此，本文還從測量相關(guān)性、重復(fù)性、角度與溫度依賴性等方面評估了典型商用TEWL 設(shè)備的性能。結(jié)果表明，所評估的典型設(shè)備體現(xiàn)出明顯的差異性，并且該指標(biāo)的檢測受到多層面的干擾與影響。綜上，在進(jìn)行新型儀器研發(fā)或使用現(xiàn)有TEWL 設(shè)備對皮膚屏障功能進(jìn)行評估時(shí)，應(yīng)綜合考慮環(huán)境溫度，季節(jié)變化，患者睡眠、飲食、體重，設(shè)備操作魯棒性等可變因素的影響，并且結(jié)合參數(shù)校正手段，方可獲得更加準(zhǔn)確、客觀的TEWL 信息。此外，與TEWL 相關(guān)的研究報(bào)道也應(yīng)在文中明確記錄所使用的設(shè)備的型號(hào)、傳感器、技術(shù)數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)軟件版本等信息，以期為相關(guān)研究人員提供參考。

TEWL 在輔助診療與皮膚屏障功能障礙相關(guān)的皮膚疾病方面具備較高的應(yīng)用價(jià)值。例如，對出生后第一天的新生兒進(jìn)行TEWL 測量可以很好地預(yù)測嬰兒期特應(yīng)性皮炎的發(fā)展。相關(guān)研究成果既有助于篩查存在特應(yīng)性皮炎風(fēng)險(xiǎn)的新生兒，也可幫助指導(dǎo)相應(yīng)預(yù)防策略。TEWL 還與接觸性皮炎和銀屑病等皮膚疾病存在較高關(guān)聯(lián)性，而且TEWL 指標(biāo)的升高通常先于疾病的臨床表現(xiàn)。因此，可以期待TEWL 也將在相應(yīng)皮膚病的早期篩查中發(fā)揮重要作用。