Feasibility of dermal water content determination by spatially resolved reflectance

Background

The skin protects the body against environmental stress, for example contact with biological or chemical substances. The protection must be effective for substances soluble in both polar solvents such as water, and non-polar solvents such as oil. Therefore a specific balance of water and lipids contained in the skin is necessary to maintain the protection against both of these chemicals. Potential applications of assessing the water concentration in skin range from determining the effect of soap-like substances on the water balance in the skin over the efficiency of hydrating cosmetics to detecting water deposition in skin due to heart or kidney diseases.

Objective

To our knowledge, there is currently no accepted in vivo method for quantitative determination of the water content in skin. Our aim was therefore to apply the spatially resolved reflectance (SRR) method to assess in vivo the water concentration in the skin.

Materials and methods

An overview on the advantages and disadvantages of our set-up is presented compared to other SRR set-ups and other (invasive) methods to assess the water concentration in skin. The set-up is described and the procedure for the evaluation of the absorption coefficient, from which the water concentration is determined. The performance of our set-up was examined by using fluid phantoms containing dimethyl sulfoxide (DMSO), water and scattering particles at different concentrations.

Results

The determined water concentration correlates linearly to the expected concentration with a correlation coefficient R² of 0.977. The derived water concentration, taken from the spatially and spectrally resolved skin measurements presented here, is comparable to the concentration expected from the literature and found to be a realistic figure of 80%.

Conclusion

The optical non-invasive determination of water concentration in the skin is feasible using SRR.

Hintergrund

Die Haut schützt den Körper vor Stress durch Umwelteinflüsse, zum Beispiel durch Kontakt mit biologischen oder chemischen Substanzen. Der Schutz muss sowohl für fett- als auch wasserlösliche Substanzen funktionieren. Daher ist es notwendig, dass sich eine Balance zwischen Wasser und Lipiden in der Haut ausbildet, um gegen beide Arten von Substanzen zu schützen.

Die Bestimmung der Wasserkonzentration der Haut spielt daher eine besondere Rolle, wenn beispielsweise Effekte von Seifen oder ähnlichen Substanzen auf den Wasserhaushalt der Haut oder die Effizienz feuchtigkeitsspendender Kosmetika untersucht oder aber Wassereinlagerungen verursacht durch Herz- oder Nierenkrankheiten bestimmt werden sollen.

Zielsetzung

Zurzeit sind uns keine Verfahren für die nicht-invasive, quantitative In-vivo-Messung des Wassergehaltes bekannt, die allgemein anerkannt sind. Ziel war es daher, die ortsaufgelöste Rückstreuung für die Ermittelung der Wasserkonzentration von Haut in vivo anzuwenden.

Material und Methoden

Zunächst wird ein Überblick über die Vor- und Nachteile unseres Verfahrens gegenüber anderen ortsaufgelösten Messverfahren und anderen (invasiven) Methoden zur Bestimmung des Wassergehaltes der Haut gegeben. Es wird der Versuchsaufbau vorgestellt sowie das Auswerteverfahren zur Bestimmung des Absorptionskoeffizienten der Haut, aus dem wiederum der Wassergehalt ermittelt wurde. Untersucht wurde außerdem die Eignung des Versuchsaufbaus zur quantitativen Wassergehaltsbestimmung, wobei Flüssigphantome bestehend aus Wasser, DMSO und Titandioxid als Streuer zum Einsatz kamen.

Ergebnisse

Die ermittelten Wasserkonzentrationen verhalten sich linear (Bestimmtheitsmaß R² von 0,977) zur tatsächlichen Wasserkonzentration. Die aus den ortsaufgelösten Hautmessungen ermittelte Wasserkonzentration beträgt 80%, was ein realistischer Wert ist.

Zusammenfassung

Die optische, nicht-invasive Ermittelung der Wasserkonzentration in Haut ist durch eine ortsaufgelöste Messung der Rückstreuung prinzipiell möglich.