经皮失水测量技术

郎 恂，张 梅，王飞飞，张宁涛，郭振宇，张榆锋

（1.云南大学信息学院电子工程系，云南 昆明 650091；2.云南省高校高原医学电子信息智能检测处理重点实验室，云南 昆明 650091；3.云南省贝泰妮生物科技集团股份有限公司，云南 昆明 650091）

皮肤是人体最大的器官，为人体免疫系统的第一道生理屏障［1］。健康的皮肤保护下层组织免受外部因素和病原微生物的影响；同时可以避免体内水分及脂类等物质的快速丢失从而维持内环境稳定［2］。这一屏障的完整性降低会诱发及加重皮肤病变［3］。

健康的皮肤角质层能够有效阻止水分的经皮丢失，将人体经皮扩散失水量（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，当皮肤屏障受损时，经皮失水量可能会增加30 倍以上［4］。因此，经皮失水（trans epidermal water loss，TEWL）与皮肤屏障功能密切相关，可以作为评价皮肤屏障完整性的一个辅助标准［5］。番晓清等［6］指出TEWL 是常用于检测皮肤表面角质层失水的方法，用于评价化妆品或药品的功效。另外，TEWL 在临床上易于操作，可用于评估与屏障功能损伤相关的皮肤病，如银屑病、异位性皮炎及烧伤等。最近，欧洲EEMCO 组织［7］发布关于皮肤含水量的在体测量修订指南，其中明确指出，TEWL 可提供皮肤生理和屏障完整性的关键信息，已广泛用于评估各种皮肤病和皮肤屏障功能损伤。

近年来，TEWL技术在国内获得的关注显著增加，相关的研究与应用报道日益增多。因此，有必要对TEWL 的基本定义、测量原理、测量技术及典型设备特征进行总结与阐述，以期提高该技术在国内的应用广度与效果。

1 经皮失水及相关指标定义

1.1 TEWL 定义 TEWL 是对通过扩散和蒸发过程从人体内经过表皮皮肤进入周围大气的水分的度量［2］，因此TEWL表示一种通量密度。根据该定义可看出［8］：①水源自身体内部。② 水必须从体内扩散到皮肤表面再挥发至大气中。注意，扩散的传输机制不包括汗液等其他形式的水分流失。

1.2 通量密度与TEWL 单位 通量密度一词被广泛用于描述各种物理量，包括磁场或电场、粒子流等。一般来说，磁通密度是一个既有大小又有方向的矢量。在本文中，水通量密度J 被定义为［9］：

其中分子表示水的重量，分母中Area 为所分析区域的面积，Time 为度量的时间跨度。此外，通量密度方向垂直于所分析的区域，且该定义对凝结水和水蒸气同样有效。J 的国际单位是kg m-2s-1，即每秒每平方米皮肤中扩散的水的千克数。然而，对于TEWL 而言，采用上述单位所得量纲过于微小，不利于实际应用。因此，本领域实际使用的单位是g m-2h-1，即每小时每平方米皮肤中扩散的水的克数。通常健康的表皮角质层和正常的前臂掌侧的TEWL为10g m-2h-1，意味着正常成年人一天的总失水量约为500mL［4］。

2 经皮失水测量原理及技术

2.1 测量原理概述 尽管TEWL 可由多种不同的技术进行检测，但基本原理是一致的，均由以下公式计算得到［10］：

其中m 表示水分流失量（g）、t 表示时间（h）、D 表示扩散常数［一般条件下取值0.0877g/（m·h·Pa）］，A 表示面积（m2），p 表示大气压力（Pa），x 表示皮肤表面到测定点的距离（m）。可以看到，扩散率表示的是一段时期内，每平 方米皮肤上流失的水分量。

在没有强对流、强热扩散情况下，TEWL 计算式等价于如下［11］：

其中△RH 表示相对湿度差，Psat 表示当前温度下饱和蒸气压。式③中D＇也与温度及大气压有关，如下所示：

其中D 为扩散因子，在温度为300K，气压为101kPa 时，其值约为0.929×10-1m2/h；M 为水分子质量，取值18；R 为大气常数，取值8.314J/mol·K，T 为温度（K），Patm 为大气压（Pa）。综上，在常温下，D＇可以近似取值为0.67×10-3g/（m·h·Pa）。

当前主流的测量TEWL 的方法有3 种，分别是开室法（Open-chamber）、不通风室法（Unventilatedchamber）以及冷凝室法（Condenser-chamber）。下文将对这3 种方法分别进行概要描述。

2.2 开室法 开室法进行TEWL 测量的装置如图1所示［12］，主要为一个与皮肤接触的空心圆柱体。腔室的下端与皮肤接触，且附近设置有高精度温度、相对湿度传感器。腔室上端保持开放，使得皮肤表面的水蒸气通过腔体扩散到周围的大气中。在静止条件下，皮肤表面附近的湿度较高，而腔室上端的湿度保持在接近环境空气的湿度。利用腔室内上下端的传感器组合所提供的相对湿度和温度读数可计算该湿度差（或湿度梯度），然后再根据式③计算得到TEWL数值。开室法设备的优点是不遮挡皮肤，因此可保证皮肤表面微气候不受累积蒸气的干扰。但开放的测量环境同时也成为该设备的主要局限性，即容易受到诸如环境空气流动等干扰的影响［13］。

2.3 不通风室法 与开室法不同，不通风室设备由一个上端封闭的腔室组成，因此可以防止环境空气流动对测量的干扰。如图2（a）所示，该设备仅在腔室上侧配备了相对湿度和温度传感器［12］。由于皮肤表面扩散出的水蒸气持续在腔室内聚集，将导致室内湿度随时间而升高。该增长起初较为缓慢，但在一定时间之后会呈现出线性趋势［9］，如图2（b）所示。因此，TEWL 可根据图中曲线线性上升部分对应的斜率进行估计，即△RH 和△t 所定义的区间。单次测量完成后，需要将设备移开皮肤，使得已积聚的水蒸气逸出（实线），否则湿度将上升到接近饱和的水平（虚线）。由于每次接触皮肤后都需要清除腔室中积聚的水蒸气，不通风室设备不能用于连续的TEWL测量［14］。现有设备的测量速度约为每分钟2 次。

图2 （a）不通风室法测量TEWL 原理示意图；（b）不通风室法湿度增长曲线

2.4 冷凝室法 基于冷凝室法的TEWL 测量技术开发较晚，但目前正受到越来越多的关注。如图3 所示，该装置为封闭的空心圆柱体结构，且顶端由冷凝器密闭［12］。冷凝器的温度始终保持在冰点以下，可使水蒸气在此凝结，以确保水蒸气不会累积，从而对连续测量造成影响。冷凝室法计算TEWL 的方式与开室法一致，均由两组分散的湿度与温度计通过推算湿度梯度得到。如图3 所示，其中一组传感器安装于靠近皮肤侧的腔室内壁上，另一组传感器则置于冷凝器中。采用冷凝室设备进行TEWL 测量有以下好处［15］：

图3 冷凝室法测量TEWL 原理示意图

①密闭的腔室可保护室内测量不受外界空气运动的干扰；②腔室内微气候稳定，与环境温度、湿度无关；③冷凝器的湿度保持在较低且稳定的水平。其与皮肤表面所形成的湿度差（梯度）可保证体内自然扩散的水蒸气经皮肤表面快速扩散至冷凝器表面；④设备通过将水蒸气凝结成冰来消除其累计效应，因此连续测定时长可达数小时。

已有相关工作［16］对不同的TEWL 技术进行了比较，结果显示，开室法、不通风室法和冷凝室法均具有良好的性能。然而，一项小规模的实验研究［17］指出，冷凝室法是唯一能检测到胶带剥离对TEWL 影响的技术，也是唯一能区分保湿剂和凡士林对皮肤屏障完整性影响的技术。该实验表明冷凝室法的测量灵敏度可能高于另外两种方法。

3 现有TEWL 设备及性能

总结市面上现有的用于测量TEWL 的主流设备如表1 所示［4］。本节将对表中所列的商用TEWL 设备为对象，概述它们在不同方面的特性及性能比较。

表1 市面主流TEWL 设备

3.1 测量相关性 测量相关性是指仪器的读数与预期测量的量之间的相关关系，是仪器最基本的功能测试。本文中，如果测试仪器不能正确反应TEWL，则仪器不适合使用。Jones 等［18］使用AquaFlux 和DermaLab 对受试者八个身体部位进行广泛测试后，发现仪器的读数之间存在相关性，从0.67（左臂）到0.90（左脸颊）不等。Fluhr 等［19］采用模型和在体实验 对Evaporimeter、DermaLab、H4300、Tewameter、VapoMeter 进行测量测试后，发现上述仪器的相关性在0.47 到0.93 之间。HonKL 等［20］通过在体实验指出Vapometer 测量值与收集到的冷凝水重量之间的相关性为 0.76，与H4300、Tewameter、DermaLab 的测量相关性在0.71 到0.98 之间。Logger 等［21］在酒糟鼻患者的治疗实验中发现GPSkin 与AquaFlux 的测量相关性处于0.66 到0.80 区间。

3.2 测量重复性 当重复测量相同的对象时，理想的TEWL 仪器应输出相同的读数。然而，实际应用中由于随机噪声、传感器迟滞、扰动等因素，仪器的读数会略有波动［7］。测量重复性通常用变异系数CV 或类内相关系数ICC 表征［4］。测量重复性是用于比较不同仪器性能的重要指标。Imhof 等［22］使用AquaFlux 和VapoMeter 评估了志愿者单个测试区域的TEWL 测量重复性。结果表明，上述设备的CV 值分别为3.8%和10.2%。Farahmand 等［17］采用在体实验对比了开室法（Tewameter）、不通风室法（Vapometer）和冷凝室法（AquaFlux）设备的测量性能，并发现Tewameter 测量不同身体部位的CV 值在17.3%到60%之间、Vapometer 的CV 值在11.5%到49.6%之间、AquaFlux 的CV 值在4.8%到31.1%之间。该实验表明冷凝室法相较开室法与不通风室法的测量稳定性更好。最近，Hua 等［23］报道了DermaLab 在人体皮肤实验中的ICC 为0.52，Grinich 等［24］报道了GPSkin 在人体皮肤实验中的ICC 为0.88。

3.3 温度依赖性 温度是手持式TEWL 仪器的一个基本变量［25］，其读数会随着手持温度的升高而增加。手持TEWL 仪器5 分钟左右，可使测量值漂移上涨10%以上。De Paepe 等［26］发现使用双手握住VapoMeter 探头使其温度升高6 摄氏度，可观察到前臂掌侧TEWL 读数从7±2g m-2h-1逐渐上涨至15±6g m-2h-1/℃。Imhof 等［9］也指出在十次独立重复测量中，AquaFlux 输出值随温度波动的均方根平均值为0.05±0.06g m-2h-1每摄氏度。Fluhr 等［19］采用相关性指标评估不同TEWL 仪器度数与温度的相关性，其结果表明，DermaLab、Evaporimeter、H4300、Tewameter 和Vapometer 输出值与温度的相关系数分别为0.42、0.29、0.50、0.36 和0.26。综上，TEWL 设备在使用期间应严格控制温度对测量的影响，可使用绝缘手套触摸测量探头，也可对探头进行预热或增加温度校正环节［27］。

3.4 压力依赖性 皮肤和TEWL 测量探头之间较大的接触压力可能导致皮肤测量区域的几何形状发生变化，包括皮肤组织压缩和表面拉伸，即测量室外围的皮肤被压低，测量孔内的皮肤被抬高成凸起的球状［28］。上述几何形变可导致传感器与皮肤表面之间的间距减小，以及传感器相对位置的变化等。另一方面，较小的接触压力又无法保证皮肤和测量室之间的密封性，导致蒸气泄漏和位置漂移等［29］。通常，开室仪器测量结果更容易受到压力的影响，主要原因有二：（1）腔室下端传感器接近皮肤表面，可能在较大的接触压力下接触到皮肤；（2）测量探头结构并不坚固，可能因接触压力而变形。文献［30］指出，当接触力从100g 增加到300g 时，Evaporimeter的TEWL 读数从5.3±1.9g m-2h-1增加到5.6±2.2g m-2h-1，Tewameter 的TEWL 读数从11.5±2.7g m-2h-1增加到12.5±2.2g m-2h-1。相比之下，不通风室仪器更不易受到接触压力的影响。De Paepe 等人［26］经过实验发现，在正常接触与按压接触情况下VapoMeter 的TEWL 读数并未发生统计上显著的变化。Imhof 等［9］采用AquaFlux 并以0.1kg 至2kg 不等的接触力对前臂中部的同一部位进行了重复TEWL 测量。结果表明，18 次独立测量的平均TEWL 值为8.23g m-2h-1，变异系数仅为1.7%。由此可见，接触压力对冷凝室仪器的测量结果影响并不显著。

4 总结与展望

皮肤屏障功能的无创检测与量化是皮肤病临床诊疗、化妆品研发、医学美容功效评测的重要环节。TEWL 作为评估人体皮肤屏障功能的主要指标，其基本定义、测量原理及主流实现技术在本文中得到了详细阐述。然而，TEWL 的测量敏感性较高，其在不同身体部位的测量值有显著差异，且易受环境湿度、温度和气流等皮肤周围微气候的影响。此外，TEWL还与汗腺活动、皮肤衰老情况、角膜细胞特性有关。因此，本文还从测量相关性、重复性、角度与温度依赖性等方面评估了典型商用TEWL 设备的性能。结果表明，所评估的典型设备体现出明显的差异性，并且该指标的检测受到多层面的干扰与影响。综上，在进行新型仪器研发或使用现有TEWL 设备对皮肤屏障功能进行评估时，应综合考虑环境温度，季节变化，患者睡眠、饮食、体重，设备操作鲁棒性等可变因素的影响，并且结合参数校正手段，方可获得更加准确、客观的TEWL 信息。此外，与TEWL 相关的研究报道也应在文中明确记录所使用的设备的型号、传感器、技术数据和驱动软件版本等信息，以期为相关研究人员提供参考。

TEWL 在辅助诊疗与皮肤屏障功能障碍相关的皮肤疾病方面具备较高的应用价值。例如，对出生后第一天的新生儿进行TEWL 测量可以很好地预测婴儿期特应性皮炎的发展。相关研究成果既有助于筛查存在特应性皮炎风险的新生儿，也可帮助指导相应预防策略。TEWL 还与接触性皮炎和银屑病等皮肤疾病存在较高关联性，而且TEWL 指标的升高通常先于疾病的临床表现。因此，可以期待TEWL 也将在相应皮肤病的早期筛查中发挥重要作用。