近红外技术应用于人体皮肤水分检测

背景介绍

皮肤是人体的重要器官之一,如同人体的屏障,具有天然的保湿性能,在保持人体水分方面起着不可替代的作用。为了改善皮肤的含水程度,各种各样的保湿类化妆品便应运而生。但各种保湿产品的作用效果参差不齐,如何评定产品的保湿效果成为一项重要的工作,即如何快速准确地判断皮肤水分含量。目前对皮肤水分评价常用的方法主要有视觉评价和电气测试方法(包括测量电容、电导、电感等)两类。视觉评价方法只对经验丰富的专家是快捷简单的方法,而一般人只能从视觉外观发现其稍有不同,缺乏准确性;电气测试方法一般是接触式测量,对人体皮肤会产生影响,且只对水分的较大变化有明显反应,对缓慢和微小变化则无能为力。为了分析评价皮肤的水分含量,本实验设计了一种可检测皮肤水分含量的近红外光谱测量装置,本文将介绍装置的测试原理以及初步的研究结果。

检测原理

人体皮肤的光学特性是近年来较受关注的研究方向之一。当光照射生物体组织的时候,会因其表面反射、内部吸收和散射而衰减。正常皮肤组织吸收光有明显的选择性,对其研究有利于获取人体信息。光照射体表后,一部分被皮肤反射,另一部分被吸收。随着波长的增加,光的透入程度有所变化:波长较短的紫外光大部分被表皮吸收;可见光在生物组织内的穿透程度很小,基本全被表面所反射;红光及其附近的近、短波红外光透入皮肤组织最深,穿透深度可达 10 mm,能直接作用到皮肤的血管、淋巴管、神经末梢及其他皮下组织;而长波红外光透入程度较低,绝大部分被反射或被浅层皮肤组织吸收,穿透皮肤的深度达 0.05~2 mm,直接作用到皮肤表层信息。所以选用长波段对人体表皮进行检测。

皮肤组织可看作一种致密非均匀的混浊光学介质,当光束入射至皮肤时,光路可分为三部分:从入射界面返回空气的回射光(表面镜反射、表面漫反射和皮肤组织内的后向散射);穿过皮肤组织的透射光(弹道直射光、蛇形散射光、前向散射光);余下的光子经多次散射最被吸收。本文实验利用反射光谱法来检测投射到皮肤表面的漫反射光谱,即回射光部分,其中主要是携带皮肤特性信息的后向散射光。

实验装置及样本采集

采集设备:采用无锡迅杰光远科技有限公司研发的长波段模块,波长范围1750~2150nm

采集部位:左前臂腹,毛发少,皮肤薄

实验环境:温度19~22℃,相对湿度:40~48%

采集时间:上午9点~下午15:30

实验一、单人测试

采集涂抹护肤品前后光谱,涂抹后每1h采集一次,每次采集左臂腹处3个不同点,每个部位连续采集50次。

            

             光谱采集状态               左前臂涂抹护肤品

实验二、多人实验

同实验一步骤,采集男性及女性各两名。

实验结果

实验一、单人实验

左前臂腹涂抹护肤品前后光谱

数据处理方式:

1SG平滑(窗口11)后进行二阶求导(窗口11

2)使用PCA对(1)处理后光谱进行主成分分析

 15:30--左臂涂抹6h后,采集未涂抹右臂光谱

     09:30--饭后1h,采集未涂抹前左臂光谱



图示序号

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

采集时间

9:30

10:30

11:30

13:30

状态

涂抹乳液前

饭后1h

涂抹乳液

1h

涂抹乳液

2h

涂抹乳液

4h

图示序号

15

16

17

18

19

20

1

2

采集时间

14:20

15:30

15:30

状态

涂抹乳液

5h

涂抹乳液

6h

(右臂)

未涂抹乳液

实验一结论:针对单人光谱数据处理,对二阶导后光谱进行主成分分析后,可以划分出涂抹时间区间,初步可推测,水分的变化可以从PCA1轴向看出关联性,水分由左向右呈现递增趋势。

被测者序号

1

2

3

4

年龄

27

28

26

25

性别

涂抹前对应点

1,2,3

4,5,6

7,8,9

10,11,12

涂抹1h后对应点

13,14,15

16,17,18

19,20,21

22,23,24

实验二结论:图中点1~12,代表了被测试4人在涂抹护肤品前采集的光谱,点14~24代表涂抹护肤品1h后被测试4人光谱,结论与单人实验一致,在涂抹护肤品前后对应PCA1的得分值均由小向大变化。

结论:皮肤水分含量测量一直是医学和化妆品领域一项值得研究的课题。在传统的电学测量法无法满足要求的情况下,寻找更好的测量技术成为新的研究目标。本实验通过长波红外光谱检测技术来测量左前臂皮肤光谱,分析水分含量与光谱响应的关系。结果表明:人体不同含水量在光谱二阶求导后的PCA1维度体现,数值越大,水分越多。本文工作表明基于长波光谱测量方法对皮肤水分的检测具有可行性。


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