MEASUREMENTS OF THE OPTICAL PROPERTIES OF HUMAN SKIN IN VIVO UNDER THE INFLUENCE OF MODERN MOISTURIZERS

ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОЖНОГО ПОКРОВА IN VIVO ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СОВРЕМЕННЫХ УВЛАЖНЯЮЩИХ СРЕДСТВ

Научная статья

Громов О.В.¹, Майоров Е.Е.^2, *, Черняк Т.А.³, Удахина С.В.⁴, Писарева Е.А.⁵, Константинова А.А.⁶

² ORCID:0000-0002-7634-1771;

³ ORCID:0000-0001-8416-0930;

⁴ ORCID:0000-0002-6838-6486;

^{1, 2} Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС, Санкт-Петербург, Россия;

^{3, 4} Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, Санкт-Петербург, Россия;

⁵ Михайловская военная артиллерийская академия, Санкт-Петербург, Россия;

⁶ Военная академия связи им. С.М. Будённого, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (majorov_ee[at]mail.ru)

Аннотация

Представленная статья посвящена исследованию оптических свойств кожного покрова in vivo под воздействием современных увлажняющих средств. Показана актуальность работы, так как оптические методы и средства в научных исследованиях перспективны. Приведена схема автоматизированного интерферометра и описана работа его. Получены оптические параметры после воздействия увлажняющих гелей для лица на кожный покров in vivo. Из графических зависимостей можно получить информацию о скорости проникновения геля и о времени релаксации.

Ключевые слова: коэффициент отражения, интерферометрия, волокно, увлажняющий гель, кожный покров, световое излучение.

MEASUREMENTS OF THE OPTICAL PROPERTIES OF HUMAN SKIN IN VIVO UNDER THE INFLUENCE OF MODERN MOISTURIZERS

Research article

Gromov O.V.¹, Mayorov E.E.^2, *, Chernyak T.A.³, Udakhina S.V.⁴, Pisareva E.A.⁵, Konstantinova A.A.⁶

² ORCID:0000-0002-7634-1771;

³ ORCID:0000-0001-8416-0930;

⁴ ORCID:0000-0002-6838-6486;

^{1, 2} University of the Interparliamentary Assembly of the EurAsEC, Saint Petersburg, Russia;

^{3, 4} Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, Saint Petersburg, Russia;

⁵ Mikhailovskaya Military Artillery Academy, Saint Petersburg, Russia;

⁶ Budyonny Military Academy of Communications, Saint Petersburg, Russia

* Corresponding author (majorov_ee[at]mail.ru)

Abstract

The current article deals with the study of the optical properties of the skin in vivo under the influence of modern moisturizers. The study demonstrates the relevance of the research due to promising optical methods and tools in scientific research; provides the scheme of the automated interferometer and describes the method of its operation. The optical parameters were obtained after the effect of facial moisturizing gels on the skin in vivo.  information on the gel penetration rate and the relaxation time can be obtained from the characteristic curves.

Keywords: reflection coefficient, interferometry, fiber, moisturizing gel, skin, light radiation.

Введение

На сегодняшний день огромное внимание уделяется оптическим методам контроля различных агентов (увлажняющих средств) в подповерхностных слоях кожного покрова в косметологии [1], [2]. Современные автоматизированные оптико-электронные приборы и системы позволяют получать данные об оптических параметрах исследуемых веществ, которые взаимодействуют с кожной тканью, проникая на определенную глубину в подповерхностные слои [3], [4]. Одним из таких методов контроля является низко-когерентный интерферометрический метод (НКИМ) [5], [6].

Данный метод диагностики анализирует структуру и состав кожного покрова человека in vivo, а также позволяет изучить процессы взаимодействия биологической ткани с различными увлажняющими средствами, не нарушая целостности исследуемого объекта [7], [8]. Этот метод и работа соответствующих приборов основаны на анализе светового излучения, отраженного от исследуемого вещества. Интерес к данному методу и средствам обусловлен в получении высокоточной и достоверной информации об оптических параметрах взаимодействия кожи с увлажняющими средствами [9], [10].

Применение НКИМ в дисперсных средах позволяет вести измерения на качественно новом уровне, в частности, исследовать морфологическое и функциональное состояние после взаимодействия увлажняющих средств с кожным покровом [11].

В связи с этим для высокоточных и достоверных измерений оптических параметров увлажняющих гелей для лица после контакта с кожным покровом in vivo представляется актуальным развитие теоретических и практических аспектов взаимодействия оптического излучения с исследуемыми биологическими объектами.

Поэтому целью работы явилось измерение оптических параметров кожи in vivo под взаимодействием современных увлажняющих гелей для лица.

Метод и объекты исследования

Оптические параметры подповерхностного слоя кожи in vivo после нанесения увлажняющих средств в области подбородка были изучены на двадцати пациентах в возрасте от 40 до 50 лет. Исследовалась площадь 2 мм на 2 мм у женского пола. В качестве увлажняющих гелей для лица использовались следующие образцы: Sesderma (Испания), Dermalogica (США), Гельтек (Россия), Holy Land (Израиль).

Томографические исследования проводились на автоматизированном интерферометре, использующем источник излучения с ограниченной длиной временной когерентности, представленном на рис. 1 [12], [13]. В состав прибора входили: композитный источник белого света с длинной когерентности 3 мкм и мощностью излучения 10 мВт, микрообъективы (10 ^х , f = 15 мм, А = 0,3), система сдвига, волоконные ответвители, блок обработки сигнала, компьютер.

В приборе применялись одномодовые волокна и схема интерферометра Майкельсона. Исследуемая область кожного покрова находится в одном из плеч автоматизированного интерферометра. Оптическая длина другого плеча сканируется с постоянной линей­ной скоростью v. Сигнал интерференции на допплеровской частоте f = 2v/λ, пропорционален коэффициенту отражения нерассеянной компоненты от оптической неоднородности внутри исследуемой области, положение которой по глубине определяется равенством оптических путей, пройденных интерферирующими лучами света. Пространственная разрешающая способность в продольном направлении (в глубь объекта) определяется длиной когерентности и равна 3 мкм. Сканирование в поперечном направлении осуществляется механооптической системой, перемещающей сфокусированное пятно зондирующего излучения вдоль поверхности объекта [14]. Измерения проводились при нормальном зондировании (Q = 0 ^°) поверхности биологического объекта.

Рис. 1 – Схема реализации автоматизированного интерферометра:

1 – источник излучения; 2 – лазер подсветки; 3, 4 – направленные ответвители; 5 – устройство поперечного сдвига; 6 – устройство продольного сдвига; 7, 8 – объективы; 9 – объект; 10 – зеркало; 11 – фотоприемник; 12 – блок обработки; 13 – компьютер

 

Поперечное разрешение локации определяется радиусом фокального пятна d. В эксперименте последний составляет d < 20 мкм и выбирается исходя из условия, что рэлеевская длина перетяжки 2npd²/λ (где n ≈ 1,35 – типичный показатель преломления биотканей) должна быть не меньше продольного размера зондируемой области. Для детального разрешения интересующих участков изображения необходимо уменьшить d, при соответствующем снижении продольного диапазона сканирования. Принимаемый сигнал интерференции проходит стадии аналоговой и цифровой обработки. Последующая визуализация сигнала позволяет получить в реальном времени двумерные изображения когерентной компоненты света. Для идентификации точки анализа на поверхности объекта используется дополнительный лазер подсветки в видимом диапазоне.

Измерения проводились при следующих характеристиках системы:

• погрешность измерений

• диапазон измерений рельефа поверхности – 0…4 мм;
• частота измерений – 46 т/с;

среднее расстояние от оптической головки до объекта – 120 мм.

Где l_c – длина когерентности, θ -  угол между зондирующим лучем и поверхностью.

Результаты исследования

Получены оптические параметры после воздействия увлажняющих гелей для лица на кожный покров. Данные гели наносились на поверхность подбородка. Измерения проводились через 0,5 часа, 1,5 часа и 3 часа. Представленные зависимости на рисунках 2, 3, 4, 5 получены в результате усреднения измерений в 4000 точках поверхности участка кожи площадью 2 мм на 2 мм.

Распределение коэффициента отражения (K) по глубине кожного покрова в области подбородка при воздействии Гельтек приведено на рис. 2. Наибольшее значение K зарегистрировано для времени проникновения (релаксации) агента через 0,5 часа на глубинах от 75 мкм до 175 мкм. Для времени релаксации 1,5 часа и 3 часа на тех же глубинах было падение K, а при 3 часах увлажняющий гель возвращался в исходное состояние. Это говорит о том, что Гельтек находился в подповерхностных слоях около 3 часов, после чего улетучился и прекратил свое взаимодействие с биотканями.

Рис. 2 – Распределение коэффициента отражения K по глубине кожного покрова при воздействии Гельтек на кожу подбородка:

1 – t = 0 часа; 2 – t = 3 часа; 3 – t = 1,5 часа; 4 – t = 0,5 часа

 

На рис. 3 приведено воздействие Holy Land на кожу подбородка. Видно, что кривые распределения 2, 3, 4 хорошо сбалансированы и K друг от друга не сильно отличается. При времени релаксации 0,5 часа, 1,5 часа и 3 часа на глубинах от 75 мкм до 300 мкм не наблюдалось возвращение к исходному состоянию. А это значит, что данный агент качественно взаимодействовал с подкожными слоями, не теряя своих химических свойств. Видимо, это связано с химической формулой увлажняющего геля.

Рис. 3 – Распределение коэффициента отражения K по глубине кожного покрова при воздействии Holy Land на кожу подбородка:

1 – t = 0 часа; 2 – t = 0,5 часа; 3 – t = 1,5 часа; 4 – t = 3 часа

 

При исследовании Sesderma отчетливо прослеживались кривые 2. 3, 4 и практически не изменялась форма зависимостей (рис. 4). Видно, что максимальное распределение K приведено при времени релаксации 3 часа на глубинах от 75 мкм до 300 мкм. Кривые распределения K 2 и 3 находятся ниже кривой 4. Это связано с тем, что по мере проникновения агента в глубь химический состав геля не полностью растворяется и поэтому наблюдается незначительное падение K. После трехчасового наблюдения не зафиксировано возвращение к исходному состоянию, что подтверждает дальнейшее взаимодействие геля с биотканью.

Рис. 4 – Распределение коэффициента отражения K по глубине кожного покрова при воздействии Sesderma на кожу подбородка: 1 – t = 0 часа; 2 – t = 0,5 часа; 3 – t = 1,5 часа; 4 – t = 3 часа

У увлажняющего геля Dermalogica определены максимальные значения K (кривые 2, 3, 4) по отношению к приведенным образцам исследования (рис. 5). Это подчеркивает, что у данного образца правильно (идеально) подобран химический состав для взаимодействия с биотканями.

Приведенные образцы исследования, которые находились длительное время в подповерхностных слоях кожи имеют преимущества. Их химический состав дает более качественный косметологический эффект (увлажнение и разглаживание кожи).

Рис. 5 – Распределение коэффициента отражения K по глубине кожного покрова при воздействии Dermalogica на кожу подбородка:

1 – t = 0 часа; 2 – t = 0,5 часа; 3 – t = 1,5 часа; 4 – t = 3 часа

  Заключение

В работе приведены взаимодействия гелевых структур с подповерхностными слоями кожного покрова in vivo в области подбородка. Из графиков можно получить информацию о скорости проникновения геля и о времени релаксации. Так, крем проникает на глубину 300 мкм через 3 часа. И через 3 часа после нанесения геля Гельтек кожа возвращается к исходному состоянию. Измерения подобного вида позволяют существенно расширить возможности косметологических исследований. Работа представляет интерес как для косметологии, так и для производителей различных марок увлажняющих гелей для лица, а также для оптического приборостроения.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Борн М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф – М.: Наука. – 855 с.
2. Креопалова Г.В. Оптические измерения / Г.В. Креопалова, Н.Л. Лазарева, Д.Т. Пуряев – М.: Машиностроение. – 264 с.
3. Майоров Е.Е. Интерферометрия диффузно отражающих объектов / Е.Е. Майоров, В.Т. Прокопенко – СПб.: НИУ ИТМО 2014. – 195 с.
4. Майоров Е.Е. Разработка компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей / Е.Е. Майоров А.Ч. Машек, С.В. Удахина и др. // Приборы. – 2015. –Вып. № 11 (185). – С. 26-31.
5. Maiorov E.E. Optoelectronic computer system for detection of foreign agents in subsurface layers of skin / E.E. Maiorov, V.T. Prokopenko, G.A. Tsygankova et al. // Biomedical Engineering. – – Vol. 50. – No. 2. – Pp. 84-87. DOI: 10.1007/s10527-016-9593-3.
6. Майоров Е.Е. Применение поперечно-сдвиговой интерферометрии в голографии для контроля геометрических параметров диффузно отражающих поверхностей / Е.Е Майоров, В.Т. Прокопенко, А.Ч. Машек и др. // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – – Т. 60. – Вып. № 4. – C. 331-339.
7. Майоров Е.Е. Исследование интерферометра сдвига в фазоизмерительных приборах и системах расшифровки голографических интерферограмм / Е.Е Майоров, С.Е. Пономарев, А.В. Дагаев, и др. // Научное приборостроение. – – Т. 27. – №2. – С. 32-40.
8. Майоров Е.Е. Разработка оптического прибора для обработки голографических интерферограмм применительно к локальным наклонам диффузно-отражающих объектов / Е.Е Майоров, С.Е. Пономарев, А.В. Дагаев // Приборы. – 2017. – №6 (204). – С.25-28.
9. Майоров Е.Е. Способ устранения погрешности продольной составляющей спекл-структуры при работе интерферометра Майкельсона / Е.Е Майоров, В.Т. Прокопенко, Г.А. Цыганкова, и др. // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – – Т. 61, – № 3. – С. 267-273. DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-3-267-273.
10. Майоров Е.Е. Применение сканирующей интерферометрии в низкокогерентном свете для измерения in vivo деминерализованных областей эмали под десной. / В.Т. Прокопенко, М.В. Хохлова, А.В. Дагаев и др. // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – – Т. 62. – № 2. – С. 128-135.
11. Maiorov E.E. Experimental study of metrological characteristics of the automated interferometric system for measuring the surface shape of diffusely reflecting objects. / E.E. Maiorov, V.T. Prokopenko, G.A. Tsygankova et al. // Measurement Techniques. – – Vol. 60 (10). – Pp. 1016-1021. DOI: 10.1007/s11018-018-1310-z.
12. Maiorov E.E. Measurement of red blood cell geometry using holographic interferometry. / E.E. Maiorov, S. Turovskaya, G.A. Tsygankova et al. // Biomedical Engineering. – 2019. – Vol. 52 (6). – Pp. 423-426.
13. Майоров Е.Е. Исследование зубной эмали in vitro интерферометром сдвига / Е.Е. Майоров, Л.И. Шаламай, Т.А. Черняк и др. // Медицинская техника. – – № 4. – С. 39-42
14. Курлов В.В. Экспериментальное исследование разработанной интерференционной системы для измерений поверхности объектов сложной формы / В.В. Курлов, В.Б. Коцкович, Е.Е. Майоров и др. // Известия тульского государственного университета. Технические науки. – 2020. – № 8. – С. 179-189

Список литературы на английском языке / References in English

1. Born M. Osnovy optiki [Fundamentals of optics] / M. Born, E. Wolf – M.: Nauka. 1970 – 855 p. [in Russian]
2. Kreopalova G.V. Opticheskie izmerenija [Optical measurements] / G.V. Kreopalova, N.L. Lazareva, D.T. Puryaev – M.: Mechanical engineering. 1987. – 264 p. [in Russian]
3. Maiorov E.E. Interferometrija diffuzno otrazhajushhih ob#ektov [Interferometry of diffusely reflecting objects] / E.E. Maiorov, V.T. Prokopenko – St. Petersburg: NIU ITMO 2014 – 195 p. [in Russian]
4. Maiorov E.E. Razrabotka komp'juternoj interferencionnoj sistemy kontrolja negladkih poverhnostej [Development of a computer interference system for monitoring non-smooth surfaces] / E.E. Maiorov A.Ch. Mashek, S.V. Udakhina et al. // Instruments. – 2015. – Issue No. 11 (185). – Pp. 26-31. [in Russian]
5. Maiorov E.E Optoelectronic computer system for detection of foreign agents in subsurface layers of skin / E.E. Maiorov, V.T. Prokopenko, G.A. Tsygankova et al. // Biomedical Engineering. – – Vol. 50. – No. 2. – Pp. 84-87. DOI: 10.1007/s10527-016-9593-3.
6. Maiorov E. E. Primenenie poperechno-sdvigovoj interferometrii v golografii dlja kontrolja geometricheskih parametrov diffuzno otrazhajushhih poverhnostej [Application of transverse-shear interferometry in holography for the control of geometric parameters of diffusely reflecting surfaces] / E.E. Maiorov, V.T. Prokopenko, A.Ch. Mashek et al. // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Priborostroenie [Journal of Instrument Engineering] – – Vol. 60. – Issue No. 4. – C. 331-339. [in Russian]
7. Maiorov E. E. Issledovanie interferometra sdviga v fazoizmeritel'nyh priborah i sistemah rasshifrovki golograficheskih interferogramm [Research of the shift interferometer in phase-measuring devices and systems for decoding holographic interferograms] / E.E. Maiorov, S.E. Ponomarev, A.V. Dagaev, et al. // Nauchnoe priborostroenie. – – Vol. 27. – No. 2. – p. 32-40. [in Russian]
8. Maiorov E. E. Razrabotka opticheskogo pribora dlja obrabotki golograficheskih interferogramm primenitel'no k lokal'nym naklonam diffuzno-otrazhajushhih ob#ektov [Development of an optical device for processing holographic interferograms in relation to local slopes of diffuse-reflecting objects] / E.E. Maiorov, S.E. Ponomarev, A.V. Dagaev // Pribory [Instruments]. – 2017. – №6 (204). – Pp. 25-28. [in Russian]
9. Maiorov E. E. Sposob ustranenija pogreshnosti prodol'noj sostavljajushhej spekl-struktury pri rabote interferometra Majkel'sona [A method for eliminating the error of the longitudinal component of the speckle structure during the operation of the Michelson interferometer] / E.E. Maiorov, V.T. Prokopenko, G.A. Tsygankova et al. // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Priborostroenie [Journal of Instrument Engineering] – 2018. – Vol. 61, – No. 3. – Pp. 267-273. [in Russian]
10. Maiorov E.E. Primenenie skanirujushhej interferometrii v nizkokogerentnom svete dlja izmerenija in vivo demineralizovannyh oblastej jemali pod desnoj. [Application of scanning interferometry in low-coherence light for in vivo measurement of demineralized areas of enamel under the gum] / V.T. Prokopenko, M.V. Khokhlova, A.V. Dagaev et al. // zvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Priborostroenie [Journal of Instrument Engineering] – 2019. – Vol. 62. – No. 2. – 128-135. [in Russian]
11. Maiorov E.E. Experimental study of metrological characteristics of the automated interferometric system for measuring the surface shape of diffusely reflecting objects. / E.E. Maiorov, V.T. Prokopenko, G.A. Tsygankova et al. // Measurement Techniques. – – Vol. 60 (10). – Pp. 1016-1021. DOI: 10.1007/s11018-018-1310-z.
12. Maiorov E.E. Measurement of red blood cell geometry using holographic interferometry. / E.E. Maiorov, S. Turovskaya, G.A. Tsygankova et al. // Biomedical Engineering. – 2019. – Vol. 52 (6). – Pp. 423-426.
13. Maiorov E.E. Issledovanie zubnoj jemali in vitro interferometrom sdviga [Study of tooth enamel in vitro with a shift interferometer] / E.E. Maiorov, L.I. Shalamay, T.A. Chernyak et al. // Medicinskaja tehnika [Biomedical Engineering]. – – No. 4. – Pp. 39-42. [in Russian]
14. Kurlov V.V. Jeksperimental'noe issledovanie razrabotannoj interferencionnoj sistemy dlja izmerenij poverhnosti ob#ektov slozhnoj formy [Experimental study of the developed interference system for measuring the surface of objects of complex shape] / V.V. Kurlov, V.B. Kotskovich, E.E. Maiorov et al. // Izvestija tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki [Izvestiya Tula State University. Technical sciences]. – – No. 8. – Pp. 179-189. [in Russian]