經皮失水測量技術

郎 恂，張 梅，王飛飛，張寧濤，郭振宇，張榆鋒

（1.云南大學信息學院電子工程系，云南 昆明 650091；2.云南省高校高原醫學電子信息智能檢測處理重點實驗室，云南 昆明 650091；3.云南省貝泰妮生物科技集團股份有限公司，云南 昆明 650091）

皮膚是人體最大的器官，為人體免疫系統的第一道生理屏障［1］。健康的皮膚保護下層組織免受外部因素和病原微生物的影響；同時可以避免體內水分及脂類等物質的快速丟失從而維持內環境穩定［2］。這一屏障的完整性降低會誘發及加重皮膚病變［3］。

健康的皮膚角質層能夠有效阻止水分的經皮丟失，將人體經皮擴散失水量（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，當皮膚屏障受損時，經皮失水量可能會增加30 倍以上［4］。因此，經皮失水（trans epidermal water loss，TEWL）與皮膚屏障功能密切相關，可以作為評價皮膚屏障完整性的一個輔助標準［5］。番曉清等［6］指出TEWL 是常用于檢測皮膚表面角質層失水的方法，用于評價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］發布關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技術在國內獲得的關注顯著增加，相關的研究與應用報道日益增多。因此，有必要對TEWL 的基本定義、測量原理、測量技術及典型設備特征進行總結與闡述，以期提高該技術在國內的應用廣度與效果。

1 經皮失水及相關指標定義

1.1 TEWL 定義 TEWL 是對通過擴散和蒸發過程從人體內經過表皮皮膚進入周圍大氣的水分的度量［2］，因此TEWL表示一種通量密度。根據該定義可看出［8］：①水源自身體內部。② 水必須從體內擴散到皮膚表面再揮發至大氣中。注意，擴散的傳輸機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 為所分析區域的面積，Time 為度量的時間跨度。此外，通量密度方向垂直于所分析的區域，且該定義對凝結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散的水的千克數。然而，對于TEWL 而言，采用上述單位所得量綱過于微小，不利于實際應用。因此，本領域實際使用的單位是g m-2h-1，即每小時每平方米皮膚中擴散的水的克數。通常健康的表皮角質層和正常的前臂掌側的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 經皮失水測量原理及技術

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

其中m 表示水分流失量（g）、t 表示時間（h）、D 表示擴散常數［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的距離（m）?？梢钥吹?，擴散率表示的是一段時期內，每平 方米皮膚上流失的水分量。

在沒有強對流、強熱擴散情況下，TEWL 計算式等價于如下［11］：

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

其中D 為擴散因子，在溫度為300K，氣壓為101kPa 時，其值約為0.929×10-1m2/h；M 為水分子質量，取值18；R 為大氣常數，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）。

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

2.2 開室法 開室法進行TEWL 測量的裝置如圖1所示［12］，主要為一個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境空氣的濕度。利用腔室內上下端的傳感器組合所提供的相對濕度和溫度讀數可計算該濕度差（或濕度梯度），然后再根據式③計算得到TEWL數值。開室法設備的優點是不遮擋皮膚，因此可保證皮膚表面微氣候不受累積蒸氣的干擾。但開放的測量環境同時也成為該設備的主要局限性，即容易受到諸如環境空氣流動等干擾的影響［13］。

2.3 不通風室法 與開室法不同，不通風室設備由一個上端封閉的腔室組成，因此可以防止環境空氣流動對測量的干擾。如圖2（a）所示，該設備僅在腔室上側配備了相對濕度和溫度傳感器［12］。由于皮膚表面擴散出的水蒸氣持續在腔室內聚集，將導致室內濕度隨時間而升高。該增長起初較為緩慢，但在一定時間之后會呈現出線性趨勢［9］，如圖2（b）所示。因此，TEWL 可根據圖中曲線線性上升部分對應的斜率進行估計，即△RH 和△t 所定義的區間。單次測量完成后，需要將設備移開皮膚，使得已積聚的水蒸氣逸出（實線），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，不通風室設備不能用于連續的TEWL測量［14］?，F有設備的測量速度約為每分鐘2 次。

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

2.4 冷凝室法 基于冷凝室法的TEWL 測量技術開發較晚，但目前正受到越來越多的關注。如圖3 所示，該裝置為封閉的空心圓柱體結構，且頂端由冷凝器密閉［12］。冷凝器的溫度始終保持在冰點以下，可使水蒸氣在此凝結，以確保水蒸氣不會累積，從而對連續測量造成影響。冷凝室法計算TEWL 的方式與開室法一致，均由兩組分散的濕度與溫度計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的腔室內壁上，另一組傳感器則置于冷凝器中。采用冷凝室設備進行TEWL 測量有以下好處［15］：

圖3 冷凝室法測量TEWL 原理示意圖

①密閉的腔室可保護室內測量不受外界空氣運動的干擾；②腔室內微氣候穩定，與環境溫度、濕度無關；③冷凝器的濕度保持在較低且穩定的水平。其與皮膚表面所形成的濕度差（梯度）可保證體內自然擴散的水蒸氣經皮膚表面快速擴散至冷凝器表面；④設備通過將水蒸氣凝結成冰來消除其累計效應，因此連續測定時長可達數小時。

已有相關工作［16］對不同的TEWL 技術進行了比較，結果顯示，開室法、不通風室法和冷凝室法均具有良好的性能。然而，一項小規模的實驗研究［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，也是唯一能區分保濕劑和凡士林對皮膚屏障完整性影響的技術。該實驗表明冷凝室法的測量靈敏度可能高于另外兩種方法。

3 現有TEWL 設備及性能

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

表1 市面主流TEWL 設備

3.1 測量相關性 測量相關性是指儀器的讀數與預期測量的量之間的相關關系，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TEWL，則儀器不適合使用。Jones 等［18］使用AquaFlux 和DermaLab 對受試者八個身體部位進行廣泛測試后，發現儀器的讀數之間存在相關性，從0.67（左臂）到0.90（左臉頰）不等。Fluhr 等［19］采用模型和在體實驗 對Evaporimeter、DermaLab、H4300、Tewameter、VapoMeter 進行測量測試后，發現上述儀器的相關性在0.47 到0.93 之間。HonKL 等［20］通過在體實驗指出Vapometer 測量值與收集到的冷凝水重量之間的相關性為 0.76，與H4300、Tewameter、DermaLab 的測量相關性在0.71 到0.98 之間。Logger 等［21］在酒糟鼻患者的治療實驗中發現GPSkin 與AquaFlux 的測量相關性處于0.66 到0.80 區間。

3.2 測量重復性 當重復測量相同的對象時，理想的TEWL 儀器應輸出相同的讀數。然而，實際應用中由于隨機噪聲、傳感器遲滯、擾動等因素，儀器的讀數會略有波動［7］。測量重復性通常用變異系數CV 或類內相關系數ICC 表征［4］。測量重復性是用于比較不同儀器性能的重要指標。Imhof 等［22］使用AquaFlux 和VapoMeter 評估了志愿者單個測試區域的TEWL 測量重復性。結果表明，上述設備的CV 值分別為3.8%和10.2%。Farahmand 等［17］采用在體實驗對比了開室法（Tewameter）、不通風室法（Vapometer）和冷凝室法（AquaFlux）設備的測量性能，并發現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。該實驗表明冷凝室法相較開室法與不通風室法的測量穩定性更好。最近，Hua 等［23］報道了DermaLab 在人體皮膚實驗中的ICC 為0.52，Grinich 等［24］報道了GPSkin 在人體皮膚實驗中的ICC 為0.88。

3.3 溫度依賴性 溫度是手持式TEWL 儀器的一個基本變量［25］，其讀數會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］發現使用雙手握住VapoMeter 探頭使其溫度升高6 攝氏度，可觀察到前臂掌側TEWL 讀數從7±2g m-2h-1逐漸上漲至15±6g m-2h-1/℃。Imhof 等［9］也指出在十次獨立重復測量中，AquaFlux 輸出值隨溫度波動的均方根平均值為0.05±0.06g m-2h-1每攝氏度。Fluhr 等［19］采用相關性指標評估不同TEWL 儀器度數與溫度的相關性，其結果表明，DermaLab、Evaporimeter、H4300、Tewameter 和Vapometer 輸出值與溫度的相關系數分別為0.42、0.29、0.50、0.36 和0.26。綜上，TEWL 設備在使用期間應嚴格控制溫度對測量的影響，可使用絕緣手套觸摸測量探頭，也可對探頭進行預熱或增加溫度校正環節［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致皮膚測量區域的幾何形狀發生變化，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，測量孔內的皮膚被抬高成凸起的球狀［28］。上述幾何形變可導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，導致蒸氣泄漏和位置漂移等［29］。通常，開室儀器測量結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）測量探頭結構并不堅固，可能因接觸壓力而變形。文獻［30］指出，當接觸力從100g 增加到300g 時，Evaporimeter的TEWL 讀數從5.3±1.9g m-2h-1增加到5.6±2.2g m-2h-1，Tewameter 的TEWL 讀數從11.5±2.7g m-2h-1增加到12.5±2.2g m-2h-1。相比之下，不通風室儀器更不易受到接觸壓力的影響。De Paepe 等人［26］經過實驗發現，在正常接觸與按壓接觸情況下VapoMeter 的TEWL 讀數并未發生統計上顯著的變化。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行了重復TEWL 測量。結果表明，18 次獨立測量的平均TEWL 值為8.23g m-2h-1，變異系數僅為1.7%。由此可見，接觸壓力對冷凝室儀器的測量結果影響并不顯著。

4 總結與展望

皮膚屏障功能的無創檢測與量化是皮膚病臨床診療、化妝品研發、醫學美容功效評測的重要環節。TEWL 作為評估人體皮膚屏障功能的主要指標，其基本定義、測量原理及主流實現技術在本文中得到了詳細闡述。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、皮膚衰老情況、角膜細胞特性有關。因此，本文還從測量相關性、重復性、角度與溫度依賴性等方面評估了典型商用TEWL 設備的性能。結果表明，所評估的典型設備體現出明顯的差異性，并且該指標的檢測受到多層面的干擾與影響。綜上，在進行新型儀器研發或使用現有TEWL 設備對皮膚屏障功能進行評估時，應綜合考慮環境溫度，季節變化，患者睡眠、飲食、體重，設備操作魯棒性等可變因素的影響，并且結合參數校正手段，方可獲得更加準確、客觀的TEWL 信息。此外，與TEWL 相關的研究報道也應在文中明確記錄所使用的設備的型號、傳感器、技術數據和驅動軟件版本等信息，以期為相關研究人員提供參考。

TEWL 在輔助診療與皮膚屏障功能障礙相關的皮膚疾病方面具備較高的應用價值。例如，對出生后第一天的新生兒進行TEWL 測量可以很好地預測嬰兒期特應性皮炎的發展。相關研究成果既有助于篩查存在特應性皮炎風險的新生兒，也可幫助指導相應預防策略。TEWL 還與接觸性皮炎和銀屑病等皮膚疾病存在較高關聯性，而且TEWL 指標的升高通常先于疾病的臨床表現。因此，可以期待TEWL 也將在相應皮膚病的早期篩查中發揮重要作用。