Messen heisst Wissen - biox.biz · Zur Interpretation benötigt man ein quantitatives Modell. ......

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Messen heisst Wissen

Bob Imhof, Biox Systems Ltd

Vortrag: Swiss SCC Winterseminar 2013

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Plan

Einleitung

Grundlagen der Messtechnik

Beispiel 1: Hydratationsmessung des Stratum Corneum (SC)

Beispiel 2: Faltenmessung

Schlusserfolgerung

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Einleitung

Labor: Forschung

Produktentwicklung

Produktsicherheit

Wirkungsnachweis

Kosmetiksalon, Einzelhandel: Persönliche Beratung

Privat: zB UV Sicherheit

Messen in der Kosmetikindustrie – wo & warum?

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Einleitung

Hauptsächlich Haut, aber auch Lippen, Haar, Finger- & Zehennägel.

Haut Messungen:-

Hydratation

TEWL

Talg

Mikrorelief

Falten

Cellulitis

Farbe

Pigmentierung

Elastizität

Glanz

pH

Schuppung

Etc

NB: Das Unterstrichene wird als Beispiele weiter diskutiert.

Messen in der Kosmetikindustrie – was ?

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Einleitung

Hoch interdisziplinär - Chemie, Pharmalologie, Biologie, Physik, Statistik, Mathematik ...

In-vivo & in-vitro

Klinische Studien - oft weltweit koordiniert

Messen in der Kosmetikindustrie – wie ?

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Plan

Einleitung




Schlusserfolgerung

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Direkte Messung

Man misst die Menge die von Interesse ist.

zB: die Breite eines Fensters.

Stützt sich nur auf Kalibrierung.

1. Direkte & Indirekte Messungen

Dieses Modell stimmt gut für eine Pyramide.

Stimmt es noch für eine Gesichtsfalte oder ein Korneozyt?

Indirekte Messung

Man misst eine Menge die eine Beziehung zur Menge

von Interesse hat.

zB: die Höhe einer Pyramide.

Zur Interpretation benötigt man ein quantitatives Modell.

Solchartige Modelle beruhen auf Annahmen und

Annäherungen, aber sie müssen jedenfalls den

Gesetzen der Physik entsprechen.

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Direkte Methoden

Gravimetrisches Verfahren (Nur in-vitro).

1. Direkte & Indirekte Messungen der SC Hydratation

Indirekte Methoden

Alles andere!

Indirekte Methoden beruhen auf Interpretation, dh Modelle & deren Annahmen und

Annäherungen.

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Empfindlichkeit (auf das, was man messen will)

Spezifität (unempfindlich auf alle anderen Einflüsse)

Kalibrierung

Linearität

Hysterese

Reproduzierbarkeit

Wiederholbarkeit

Etc, etc.

NB: Das Unterstrichene wird weiter diskutiert.

2. Messeigenschaften

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Desired Input = Erwünschtes Signal = Was man messen möchte

Interfering Input = Störsignale = Unerwünschte Einflüsse auf die Messung

2. Erwünschtes Signal & Störsignale

zB Störsignale bei der SC Hydratationsmessung:-

Tiefere Hautschichten

Kontamination der Oberfläche, zB Talg, Schweiss, Salze, Kosmetische Produkte

Qualität der Oberfläche

Anpressdruck

Okklusion

Etc, etc ...

Dies sind mögliche Quellen der systematischen Messfehler.

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Korrelation und Kausalität sind nicht das selbe

3. Korrelation und Kausalität

Beispiel 1

Mit Schuhen schlafen und mit Kopfschmerzen Aufwachen sind korreliert.

Deshalb sind die Schuhe für die Kopfschmerzen verantwortlich.

Falsch - da gibt es einen verborgenen Faktor!

Beispiel 2

Die Messwerte von zwei SC Hydratationsgeräten sind korreliert.

Deshalb messen beide Hydratationsgeräte wirklich SC Hydratation.

Falsch - es kann verborgene Faktoren geben die beide Geräte beeinflussen – gemeinsame Störsignale.

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1. Indirekte Messmethoden beruhen auf Modellen.

Sie sind nur so gut wie die Annahmen und Annäherungen des Modells.

2. Empfindlichkeit und Spezifität sind entscheidende Messeigenschafte.

Empfindlich auf das was man messen will, unempfindlich auf alles Andere.

3. Korrelation bedeutet nicht Kausalität.

Es könnte gemeinsame Störsignale geben.

Zusammenfassung

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Plan

Einleitung




Schlusserfolgerung

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Hydratationsmessung des Stratum Corneum

Direkte Messung

Gravimetrisches Verfahren (Nur in-vitro).

Indirekte Messung

Spektroscopische Methoden Konfokale Raman Spektroskopie

Opto-Thermal Transient Emission Radiometry (OTTER)

ATR-FTIR

NIR Streuung

Elektromagnetische Methoden Kapazität

Wechselstrom Leitwert

Scheinwiderstand

NB Die unterstrichenen Methoden werden weiter diskutiert.

Überblick: Messmethoden

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Hier das einfachste Hautmodell für die Hydratationsmessung.

Es besteht aus einer Oberschicht (SC) auf einem Substrat

(lebensfähiges Gewebe).

Die Haut ist kompliziert!

Ein vereinfachtes Modell ist absolut erforderlich.

Vereinfachtes Hautmodell

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Wasserverteilung innerhalb der Oberschicht

Lebensfähiges Gewebe Stratum Corneum Hoher Hydratationsgrad Unten nass, oben trocken

Mit diesem Modell kann man bereits den SC Wassergehalt berechnen.

Es ergibt ~6g/m2 für eine 15µm SC Schichtdicke.

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1: Konfokale Raman Spektroskopie

Diagramm von PJ Matts, P&G.

Mit Raman Spektroskopie kann man einzelne Moleküle identifizieren & studieren – Wasser in diesem Falle.

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Konfokale Optik für Tiefenauflösung

Diagramm von:-

http://www.tcd.ie/Physics/Optoelectronics/spg/research/plasmon.php

Mittels Konfokaler Optik kann man

Konzentrationstiefenprofile messen.

Diagramm von PJ Matts, P&G.

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Hardware for In-vivo Measurement

Die Haut kontaktiert ein Glasfenster.

Photo von River Diagnostics Verkaufsliteratur Diagramm von PJ Matts, P&G.

Messbeispiel.

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Kapazitätsmethoden

Handliche Geräte von einigen SFr bis mehrere kSFr

Schnell und einfach in der Bedienung.

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Electrische Eigenschaften des Hautmodells

SC Elektrisch isolierend.

Niedrige elektrische Leitfähigkeit Dank niedriger

Mobilität des Wassers. (Barriereeigenschaft).

Dielektrische Leitfähigkeit von reinem Wasser ~80.

Substrat Elektrisch leitend Dank Salzenthalt (Elektrolyt) und

hoher Mobilität des Wassers.

Die Elektrische Leitfähigkeit dieses Elektrolyts ist ca

>105 mal grösser als reines Wasser.

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Beispiel 1:- Corneometer Elektrodenkonstruktion

Der Corneometer verwendet ein Streufeldsensor um SC Speicherkapazität in-vivo zu messen.

Beim Corneometer ist der Abstand zwisched den verschachtelten Elektroden ist ~75μm.

Corneometer ist ein Warenzeichen von Courage & Khazaka Elektronik GmbH, Köln.

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Messtiefe bei Kapazitätsmethoden

Die Messtiefe hängt ab von:-

(a) Frequenz des elektromagnetischen Feldes.

(b) Elektrodengeometrie.

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(a) Frequenzeffekt

Das elektromagnetische Feld dringt durch das

SC hindurch mit wenig Verminderung, weil das

SC überwiegend ein elektrischer Isolator ist.

Das elektromagnetische Feld wird im Substrat

wegen ionischer Leitfähigkeit abgeschwächt. Die Durchdringtiefe d kann man mit folgender Formel

berechnen:

𝛿 =1

𝜋𝜎𝜇𝑓

σ Elektrische Leitfähigkeit

μ Magnetische Feldkonstante (=1)

f Frequenz

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(b) Elektrodengeometrie

Die Geometrie des elektrischen Streufeldes ist durch die Geometrie der Elektroden bestimmt. zB:-

Das elektrische Feld schwächt stark ab mit Distanz vom Sensor – schon auf

~30% hinunter nach einer Spaltdistanz.

Diese Eigenschaft gibt dem Sensor a unverhältnismässige Empfindlichkeit auf

oberflächennahe Hydratation.

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Beispiel 2:- SkinChip Elektrodenkonstruktion

Der SkinChip verwendet auch Streufeldsensoren.

SkinChip ist ein eingetragenes Warenzeichen von L’Oréal, Paris.

12.8 x 15mm Sensorfläche

50μm Bildelementabstand

76800 Bildelemente

~2μm thick SiO2 Schutzschicht

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Kontacteffekte bei der SC Hydratationsmessung

1. Variabler Kontakt (unebene Fläche, Haar etc).

2. Abnormale Haut eg Narbe

3. Schweiss.

(a) Xhauflaire-Uhoda E, Piérard-Franchimont C, Piérard GE. Skin Capacitance Mapping of Psoriasis. JEADV 2006, 20, 1261-5.

(b) Xhauflaire-Uhoda E, Mayeux G, Quatresooz P, Scheen A, Piérard GE. Facing up to the imperceptible perspiration. Modulatory influences by diabetic

neuropathy, physical exercise and antiperspirant. Skin Res Technol. 2011 Nov;17(4):487-93.

Solche Effekte kann man mit Einzersensorgeräten nicht festnehmen.

SkinChip ist ein eingetragenes Warenzeichen von L’Oréal, Paris.

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Empfindlichkeit und Spezifität von Kapazitätsmethoden

Erwünschtes Signal :- SC Kapazität.

Störsignale:-

1. Signale von lebensfähigen Geweben.

2. Oberflächenkontamination.

3. Variabler Kontakt mit der unregelmäßigen SC Oberfläche, Haut Anomalien, Haare usw.

4. Variabler Kontakt in Zusammenhang mit Sonde Druck.

5. Occlusion.

6. Usw.

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Okklusionseffekt bei der SC Hydratationsmessung

Okklusionswassermenge

~3mg/m2/sec für ein TEWL von 10g/m2/h.

Das ist <0.05% vom typischen SC Wassergehalt.

Oder eine Oberflächenschichtdicke von ~3nm/sec.

∴ Der Effekt der Okklusion auf die mittlere SC Hydratation ist in der Regel vernachlässigbar klein.

Jedoch

Occlusionswasser ist Oberflächenwasser das die Messwerte einiger Instrumente überproportional

beeinflussen kann.

Auch könnte Okklusionswasser eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben, falls es mit Salzen

kontaminiert ist.

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Zusammenfassung

1. Spektroskopischen Methoden sind gut aber teuer.

2. Kapazitätsmethoden bieten praktische Alternativen, sind aber weniger spezifisch und daher

anfälliger auf systematische Messfehler.

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Plan

Einleitung




Schlusserfolgerung

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Faltenmessung

Der Pfeil der Zeit!

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Faltenmessung

WheelsBridge TiVi System

Detailierte Untersuchung von

selektierten Falten.

(Pyramidenverfahren)

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Faltenmessung

EOTech VisioSphere

Gemessene Faltenprofile

(Pyramidenverfahren)

Test eines

kosmetischen Produkts.

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Faltenmessung

Hier bin ich skeptisch!

Hersteller Angaben:-

Retinoic acid 0.01%

Vitamin C (sodium ascorbate) 3%

Vitamin E (tocopherol) 1750IU/g

Da muss doch mindestens 0.02% Retinoic acid drin sein !

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Faltenmessung

Optischer Weg zur Faltenfreiheit

Unterdrückung der Oberflächenreflektion

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Faltenmessung

Aber am besten ist retuschieren mit Photoshop !

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Plan

Einleitung




Schlusserfolgerung

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Schlusserfolgerung

Wissen muss man auf alle Fälle dass (fast) alle Messungen in der Kosmetikindustrie indirekt sind.

Das heisst:-

(a) Interpretation mittels vereinfachten Modellen.

(b) Annahmen und Annäherungen.

Messen heisst Wissen

Also, verstehen muss man es!

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