Title: Development of a smart sensor solution for non-invasive in-vivo determination of human skin viscoelasticity based on elastic wave propagation
Language: English
Authors: Leskovar, Konrad 
Qualification level: Diploma
Advisor: Gröschl, Martin 
Issue Date: 2019
Number of Pages: 103
Qualification level: Diploma
Abstract: 
The skin is the largest and most versatile organ of the human body. It serves as protection against external influences and loss of endogenous substances, contains our tactile and temperature senses, regulates the temperature of the body and plays a significant role in our social life. The achievement of this multifunctional tasks is a result of the complex structure as well as the physicochemical regime of the skin, in which the supreme layer, the stratum corneum plays the most significant role. The mechanical properties of the skin are affected directly by the natural chronobiological aging, as well as by external chemical and physical influences and depends on the site of the body investigated. Especially the viscoelasticity is a major characteristic for many cosmetic and clinical applications and can directly be used in combination with the hydration and PH-value for determination of the skins condition and its ability to achieve the important protection as well as its regulatory responsibilities. Current measurement methods used for determining the viscoelasticity of the human skin are linked to unhandy tabletop units and are only applicable by pre-instructed professionals. The measurement results of the available appliances are only arbitrary values for comparison but cannot deliver any physical relevant values. Nowadays, via the extensive distribution of smartphones capable of near field communication (NFC) as well as Bluetooth low energy communication (BLE), smart sensor solutions represents an easy, fast and handy way to measure human health data like the skin viscoelasticity. Especially smart sensor solutions for health data acquisition becoming more and more important in a world where “smart wearables”, “lifelogging” or “quantified self” plays a snowballing role. The aim of this master thesis is to develop a novel smart sensor solution based on elastic wave propagation for determination of the skins viscoelasticity and anisotropy. The power for the reusable sensor solution is meant to be supplied by a small battery or via the NFC interface of the smartphone or tablet applied. This is as well used for receiving and evaluating the desired values which subsequently can be monitored, compared and shared with others or passed to a healthcare system or the personal dermatologist.

Die Haut ist das größte und vielseitigste Organ des menschlichen Körpers. Sie dient als Schutz vor externen Einflüssen, Verlust endogener Substanzen, beinhaltet unsere Tastund Temperatursensoren, reguliert die Temperatur des Körpers und spielt auch in unserem sozialen Leben eine entscheidende Rolle. Die Bewerkstelligung dieser vielseitigen Aufgaben resultieren aus der komplexen Struktur wie auch aus den physikochemischen Eigenschaften der Haut, wobei in dieser Hinsicht dem Stratum Corneum die größte Bedeutung zukommt. Die mechanischen Eigenschaften der Haut werden direkt durch die natürliche chronobiologische Alterung, wie auch durch externe chemische und physikalische Umwelteinflüsse verändert und sind an unterschiedlichen Körperstellen verschieden. Speziell die Viskoelastizität ist ein wesentlicher Parameter der Haut, welcher direkt in Kombination mit Hautfeuchte und dem Haut-PH-Wert für die Ermittlung des Hautzustandes und ihrer Fähigkeit, wichtige Schutzund regulatorischen Aufgaben zu erfüllen, in vielen kosmetischen und klinischen Anwendungen zur Diagnose herangezogen wird. Aktuelle Messmethoden zur Ermittlung der Viskoelastizität der menschlichen Haut sind an unhandliche Tischgeräte gebunden, welche nur von instruiertem Fachpersonal bedient werden können. Die resultierenden Messergebnisse dieser Messgeräte werden nur in Arbiträreinheiten angegeben, um Messungen zwischen unterschiedlichen Probanden vergleichen zu können, jedoch liefern sie keine Elastizitätsbzw. Viskoelastizitätswerte in physikalischen Einheiten. Durch die umfassende Verbreitung von Smartphones bzw. Tablets welche die Nahfeldkommunikation (NFC) wie auch die Bluetooth-Niedrigenergie-Kommunikation (BLE) unterstützen, repräsentieren smarte Sensorlösungen heutzutage eine einfache, schnelle und handliche Möglichkeit um menschliche Gesundheitsdaten wie z.B. die Viskoelastizität der Haut zu messen. In einer Welt in der sich “smart wearables”, “lifelogging” und “quantified self” wie ein Schneeballeffekt verbreiten spielen smarte Sensorlösungen für die Ermittlung von Gesundheitsdaten eine immer wichtigere Rolle. Ziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung einer neuen Sensorlösung, basierend auf elastischer Wellenpropagation zur Ermittlung der Viskoelastizität und Anisotropie der Haut. Die Energie der wiederverwendbaren Sensorlösung soll über eine kleine eingebaute Batterie, oder über die NFC-Schnittstelle des verwendeten Smartphones bzw. Tablets zur Verfügung gestellt werden können. Zusätzlich sollen die Messdaten an ein über NFC oder BLE angekoppeltes Gerät zur weiteren Aufarbeitung der ermittelten Daten übertragen, wie auch darauf visualisiert werden. In weiterer Folge können diese Messdaten mit Messewerten anderer Hautstellen bzw. anderer Nutzer verglichen und über soziale Medien geteilt, oder an das Gesundheitssystem/ den Dermatologen zur weiteren Untersuchung übermittelt werden.
Keywords: Sensorlösung; Viskoelastizität; elastische Wellen; Scherwellen; Rayleighwellen; Hautelastizität; Hautanisotropie; E-Modul; Schermodul; Dämpfungskoeffizient; Piezoelektrizität; piezoelektrischer Biegewandler
sensor solution; viscoelasticity; elastic waves; shear waves; Rayleigh waves; skin elasticity; skin anisotropy; Young modulus; shear modulus; damping coefficient; piezoelectricity; piezo bending transducer
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-124724
http://hdl.handle.net/20.500.12708/14867
Library ID: AC15364566
Organisation: E134 - Institut für Angewandte Physik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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