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Optoacoustic characterization of optical properties of human skin in vivo in the ultraviolet wavelength range [Elektronische Ressource] : skin phototypes, UV-adaptations and effects of sunscreen / von Merve Meinhardt

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OptoacousticCharacterizationofOpticalPropertiesofHumanSkininVivointheUltravioletWavelengthRangeskinphototypes,uv adaptationsandeffectsofsunscreenVonderNaturwissenschaftlichenFakultätderGottfriedWilhelmLeibnizUniversitätHannoverzurErlangungdesGradesDoktorinderNaturwissenschaftenDr. rer. nat.genehmigteDissertationvonDipl. Phys. MerveMeinhardtgeborenam10.11.1976inHannover(2006)Referentin: Prof. Dr. AngelikaAnders vonAhlftenInstitutfürBiophysik,GottfriedWilhelmLeibnizUniversitätHannoverKorreferent: PDDr. HolgerLubatschowskiLaserZentrumHannovere.V.TagderPromotion: 19.7.2006AbstractTheambitionofthisdissertationprojectwasthedevelopmentandapplicationofanexper-imental setup to determine the optical properties of human skin in vivo in the ultravioletwavelengthrange.Optoacousticswaschosenastheappropriatetechniqueallowingnon invasive,depthsre solved determination of optical properties. It is a hybrid technique using short pulsedradiation to induce a pressure profile in the skin which carries the information about thelight distribution and which is released in an ultrasonic transient unhamperedly travelingbacktothepressuresensorabovetheskin.Accordingly, the first part of the thesis at hand deals with the development of the neces saryexperimentalandanalyticaltoolsfortheinvivoinvestigations.During this dissertation project, a previous first design of the optoacoustic detector wasoptimizedaccordingtothedemandsofsensitivehumanskin.

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Published 01 January 2006
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Language English
Document size 50 MB

OptoacousticCharacterizationofOptical
PropertiesofHumanSkininVivointhe
UltravioletWavelengthRange
skinphototypes,uv adaptationsandeffectsofsunscreen
VonderNaturwissenschaftlichenFakultät
derGottfriedWilhelmLeibnizUniversitätHannover
zurErlangungdesGradesDoktorinderNaturwissenschaften
Dr. rer. nat.
genehmigteDissertationvon
Dipl. Phys. MerveMeinhardt
geborenam10.11.1976inHannover
(2006)Referentin: Prof. Dr. AngelikaAnders vonAhlften
InstitutfürBiophysik,GottfriedWilhelmLeibnizUniversitätHannover
Korreferent: PDDr. HolgerLubatschowski
LaserZentrumHannovere.V.
TagderPromotion: 19.7.2006Abstract
Theambitionofthisdissertationprojectwasthedevelopmentandapplicationofanexper-
imental setup to determine the optical properties of human skin in vivo in the ultraviolet
wavelengthrange.
Optoacousticswaschosenastheappropriatetechniqueallowingnon invasive,depthsre
solved determination of optical properties. It is a hybrid technique using short pulsed
radiation to induce a pressure profile in the skin which carries the information about the
light distribution and which is released in an ultrasonic transient unhamperedly traveling
backtothepressuresensorabovetheskin.
Accordingly, the first part of the thesis at hand deals with the development of the neces
saryexperimentalandanalyticaltoolsfortheinvivoinvestigations.
During this dissertation project, a previous first design of the optoacoustic detector was
optimizedaccordingtothedemandsofsensitivehumanskin.
Besides,atunableUV lasersystemwasspecificlydevelopedforthisprojectinadiploma
work. It provides a tunable source of nanosecond pulses covering most of the terrestrial
UV: from 300 to 400 nm and up into the visible spectrum. To our knowledge, this is
the first time that a nanosecond singly resonant ring oscillator (SRRO) was successfully
implemented in the UV A and parts of the UV B with a tuning range of more than 100
nm.
As a basis for later data analysis and simulation, the fairly general fundamental expres
sions of optoacoustic theory were adapted to match the unique conditions of this experi
mentalsetup.
Inordertoplumbthepotentialsofoptoacousticsfortheinvestigationoftheopticalprop
erties of human skin in the ultraviolet wavelength range, a study on 20 subjects was pre
pared,designedandcarriedoutinthesecondpartofthisdissertation.
Analysisoftheobtainedsubjectdatashowedthattheopticalpropertiesofhumanskinin
vivo can indeed be measured using optoacoustics. The in vivo investigations resulted in
UV absorption spectra of human skin that are unequaled in the literature: This thesis for
the first time provides optoacoustic data on the optical properties of human skin in the
ultraviolet wavelength range from 290 nm to 341 nm (UVB and UVA II) with a spectral
resolution of 3 nm. Skin sites with different natural sun exposure (volar and dorsal as
pect of forearm), thick horny layer (thenar) or after application of sunscreen lotion were
examined. Oneofthemostinterestingresultscrystallizingfromthelargeamountofdata
obtained in the subject study is a marked influence of keratin on the UVB absorption
propertiesofUV exposedhumanskinwhichevenoutrankstheinfluenceofpigmentation.
Besides, the analysis of this large amount of data also pointed at technical and analytical
improvementsnecessarytofurtherimprovethesignificanceoftheresults.
keywords: UV optoacoustics,humanskininvivo,opticalpropertiesKurzzusammenfassung
Die übergeordnete Zielsetzung dieses Dissertationsprojektes war die Entwicklung und
AnwendungeinergeeignetenMessmethodezurBestimmungderoptischenEigenschaften
dermenschlichenHautinvivoimultraviolettenSpektralbereich.
Als geeignete Methode wurde die Optoakustik ausgewählt. Sie ermöglicht eine nicht
invasive, tiefenaufgelöste Bestimmung optischer Eigenschaften. Bei dieser Hybridme
thode wird mittels gepulster Laserstrahlung ein Druckprofil in der Haut induziert, das
die Lichtverteilung im beleuchteten Volumen widerspiegelt und das in Form einer Ultra
schallwelleungehindertzurückzumDrucksensoroberhalbderHautgelangenkann.
ZunächstmusstendienotwendigenmesstechnischenundanalytischenGrundlagenfürdie
spätereBearbeitungderMessaufgabegeschaffenwerden.
ImRahmendesDissertationsprojekteswurdeeinfrühereserstesDesigneinesoptoakusti
schenDetektorsaufdiebesonderenAnforderungendermenschlichenHauthinoptimiert.
Außerdem wurde im Rahmen einer Diplomarbeit ein speziell auf dieses Projekt zuge
schnittenes UV Lasersystem entwickelt. Dieses kann über einen Wellenlängenbereich,
der fast den gesamten terrestrischen UV Bereich umfasst, durchgestimmt werden: Pulse
mit einer Pulsdauer von wenigen Nanosekunden im Bereich von 300 400 nm und bis
hinein ins sichtbare Spektrum sind damit verfügbar. Unseres Wissens nach ist dies der
ersteerfolgreicheVersucheinensolcheneinfachresonantenRingOszillator(singlyreso
nantringoscillator,SRRO)miteinemvergleichbarenDurchstimmbereichzurealisieren.
AlsBasisfürdiespätereDatenauswertunginFormeinerSimulationderoptoakustischen
Signale wurden die grundlegenden theoretischen Ausdrücke den vorliegenden experi
mentellenGegebenheitenentsprechendangepasst.
Um das Potential der Optoakustik im Hinblick auf die Untersuchung optischer Eigen
schaften von menschlicher Haut im UV auszuloten, wurde schließlich im zweiten Teil
desDissertationsprojekteseineStudiean20Probandenerarbeitetunddurchgeführt.
Die Auswertung der Probandendaten zeigte, dass Optoakustik zur Bestimmung der opti
schenEigenschaftenvonmenschlicherHautgeeignetist. EswurdenAbsorptionsspektren
menschlicher Haut im Spektralbereich 290 341 nm (UVB und UVA II) mit einer Auflö
sung von 3 nm bestimmt. Derartige Daten sind unseres Wissens nach in der Literatur
bishernichtzufinden. EswurdenHautbereicheunterschiedlichernatürlicherUVExposi
tion(Innen undAußenseitedesUnterarmes),mitverdickterHornschicht(Daumenballen)
sowie nach Applikation von Sonnenschutzmittel untersucht. Als eines der interessan
testen Ergebnisse kristallisierte sich aus der Vielzahl der Messungen ein starker Einfluss
von Keratin auf die UVB Absorptionseigenschaften stärker UV exponierter Hautareale
heraus. DieserüberwogsogardenEinflusserhöhterPigmentierung.
Darüberhinaus zeigte die umfangreiche Auswertung der Probandenstudie verschiedene
Ansätzeauf,umdieAussagekraftderMessungeninZukunftweiterzuverbessern.
Schlagwörter: UVOptoakustik,menschlicheHautinvivo,optischeEigenschaftenContents
Abstract iii
Kurzzusammenfassung v
1 Introduction 1
2 Optoacoustics–
abriefappliedtheory 5
2.1 Nonstationarythermoelasticityequation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Transferfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Inhomogeneousopticalproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Evolutionofthesignalinadissipativemedium . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Humanskin 17
3.1 Skinphysiology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.1 UVreactionsandadaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Opticalpropertiesofhumanskinintheultravioletwavelengthrange . . . 20
3.2.1 Epidermis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.2 Dermis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4 266nmpumpedOPO-
theterrestrialUVrangeinone
tunablesystem 29
4.1 Demandsandtheoreticallimitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3 Achievements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35viii CONTENTS
5 AnexperimentalsetupforUV optoacousticsonhumanskin 39
5.1 UVA/Bradiationsource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2 Capturingoptoacoustictransientsfromhumanskin . . . . . . . . . . . . 42
5.2.1 Thedetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2.2 Signalprocessingandautomatedoperation . . . . . . . . . . . . 44
6 Classificationanddocumentationofhumanskin 51
6.1 UVexposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2 Documentationofskinphysiology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2.1 DigiCam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2.2 SELS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2.3 Fotofinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2.4 Chromameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7 Underinvestigation-materials 55
7.1 PVA tissuephantoms-
astandardforinvivomeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.2 Epidermalmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.3 Studysubjects-humanskininvivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.3.1 Sunprotectionlotions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8 ResultsandDiscussion 63
8.1 Tissuephantoms-
repeatabilityofoptoacousticmeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.2 Cellcultures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
8.3 Studysubjects-humanskininvivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.3.1 Nativepigmentation-volarforearm . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.3.2 UV exposedskin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.3.3 Intraindividualcomparisonofskinsites . . . . . . . . . . . . . . 104
8.3.4 wavelengthdependentpenetrationdepths . . . . . . . . . . . . . 119
8.3.5 sunscreens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124CONTENTS ix
9 ConclusionsandOutlook 127
Appendix 131
A Physicalpropertiesof
relevantmaterials 132
B Documentation-studysubjects 133
B.1 Measurementsitesatsubjects’arms-photographs . . . . . . . . . . . . 133
B.2 SELSpictures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
B.3 FotoFinderpictures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Bibliography 1491 Introduction
According to WHO [66], between 2 and 3 million non melanoma skin cancers and over
130,000 malignant melanomas occur globally each year. One in every three cancers di
agnosed worldwide is a skin cancer. A changing lifestyle, sun seeking behaviour, and
global mobility are responsible for much of the increase in skin cancers. In particular,
frequent sun exposure and sunburn in childhood appear to set the stage for high rates of
melanoma later in life. Depletion of the ozone layer, which provides a protective filter
againstUVradiation,mayfurtheraggravatetheproblem. Withasustained10%decrease
in stratospheric ozone, an additional 300,000 non melanoma and 4,500 melanoma skin
cancers could be expected world wide according to UNEP estimates. Currently, one in
five North Americans and one in two Australians will develop some form of skin cancer
in their lifetime. Other chronic skin changes due to UV radiation include injuries to skin
cells,bloodvesselsandfibroustissue,betterknownasskinageing.
TheseWHOfactsshouldbefeltasanintensecallandmotivationforintensifiedresearch
into the interaction of ultraviolet radiation and human skin and probably the mystery
behindmostcorrelationshasbeenclearedupbynow-theseweremyfeelingswhenIfirst
came across this issue. A closer look to the literature however revealed that this issue is
not only far from being thoroughly elucidated, but even some of the most fundamental
questionshavenotbeensolvedyet.
Ontheonehand, ultravioletradiationisusedmoreandmoreandwithalotofsuccessin
phototherapy [6, 47]. On the other hand, most photobiologists claim that harmful effects
preponderatebeneficialeffectsofUVradiationonhumanhealth: fortheaveragepopula
tion,thedailywalktoworkorforshoppingissufficienttoinducethepositiveeffectssuch
asvitaminDsynthesis-anymoresunonlycausesincreasedhealthrisks. Inrecentyears
however, there isa smallbut growingbody ofscientific opinionwarning againstsystem
atic sun abstinence: they call for a higher appreciation of beneficial effects - though not
to a rate of excessive sun seeking behaviour [31]. Fortunately, a public consciousness
about UV effects has slowly evolved over the last years. The use of tanning booths or a
"healthy" tan is discussed more critically. However, thinking and doing are still hugely
diverging: a tan is still believed to be beautiful, healthy and sportive, tanning booths are