近紅外技術應用于人體皮膚水分檢測

背景介紹

皮膚是人體的重要器官之一,如同人體的屏障,具有天然的保濕性能,在保持人體水分方面起著不可替代的作用。為了改善皮膚的含水程度,各種各樣的保濕類化妝品便應運而生。但各種保濕產品的作用效果參差不齊,如何評定產品的保濕效果成為一項重要的工作,即如何快速準確地判斷皮膚水分含量。目前對皮膚水分評價常用的方法主要有視覺評價和電氣測試方法(包括測量電容、電導、電感等)兩類。視覺評價方法只對經驗豐富的專家是快捷簡單的方法,而一般人只能從視覺外觀發現其稍有不同,缺乏準確性;電氣測試方法一般是接觸式測量,對人體皮膚會產生影響,且只對水分的較大變化有明顯反應,對緩慢和微小變化則無能為力。為了分析評價皮膚的水分含量,本實驗設計了一種可檢測皮膚水分含量的近紅外光譜測量裝置,本文將介紹裝置的測試原理以及初步的研究結果。

檢測原理

人體皮膚的光學特性是近年來較受關注的研究方向之一。當光照射生物體組織的時候,會因其表面反射、內部吸收和散射而衰減。正常皮膚組織吸收光有明顯的選擇性,對其研究有利于獲取人體信息。光照射體表后,一部分被皮膚反射,另一部分被吸收。隨著波長的增加,光的透入程度有所變化:波長較短的紫外光大部分被表皮吸收;可見光在生物組織內的穿透程度很小,基本全被表面所反射;紅光及其附近的近、短波紅外光透入皮膚組織最深,穿透深度可達 10 mm,能直接作用到皮膚的血管、淋巴管、神經末梢及其他皮下組織;而長波紅外光透入程度較低,絕大部分被反射或被淺層皮膚組織吸收,穿透皮膚的深度達 0.05~2 mm,直接作用到皮膚表層信息。所以選用長波段對人體表皮進行檢測。

皮膚組織可看作一種致密非均勻的混濁光學介質,當光束入射至皮膚時,光路可分為三部分:從入射界面返回空氣的回射光(表面鏡反射、表面漫反射和皮膚組織內的后向散射);穿過皮膚組織的透射光(彈道直射光、蛇形散射光、前向散射光);余下的光子經多次散射最被吸收。本文實驗利用反射光譜法來檢測投射到皮膚表面的漫反射光譜,即回射光部分,其中主要是攜帶皮膚特性信息的后向散射光。

實驗裝置及樣本采集

采集設備:采用無錫迅杰光遠科技有限公司研發的長波段模塊,波長范圍1750~2150nm

采集部位:左前臂腹,毛發少,皮膚薄

實驗環境:溫度19~22℃,相對濕度:40~48%

采集時間:上午9點~下午15:30

實驗一、單人測試

采集涂抹護膚品前后光譜,涂抹后每1h采集一次,每次采集左臂腹處3個不同點,每個部位連續采集50次。

            

             光譜采集狀態               左前臂涂抹護膚品

實驗二、多人實驗

同實驗一步驟,采集男性及女性各兩名。

實驗結果

實驗一、單人實驗

左前臂腹涂抹護膚品前后光譜

數據處理方式:

1SG平滑(窗口11)后進行二階求導(窗口11

2)使用PCA對(1)處理后光譜進行主成分分析

 15:30--左臂涂抹6h后,采集未涂抹右臂光譜

     09:30--飯后1h,采集未涂抹前左臂光譜



圖示序號

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

采集時間

9:30

10:30

11:30

13:30

狀態

涂抹乳液前

飯后1h

涂抹乳液

1h

涂抹乳液

2h

涂抹乳液

4h

圖示序號

15

16

17

18

19

20

1

2

采集時間

14:20

15:30

15:30

狀態

涂抹乳液

5h

涂抹乳液

6h

(右臂)

未涂抹乳液

實驗一結論:針對單人光譜數據處理,對二階導后光譜進行主成分分析后,可以劃分出涂抹時間區間,初步可推測,水分的變化可以從PCA1軸向看出關聯性,水分由左向右呈現遞增趨勢。

被測者序號

1

2

3

4

年齡

27

28

26

25

性別

涂抹前對應點

1,2,3

4,5,6

7,8,9

10,11,12

涂抹1h后對應點

13,14,15

16,17,18

19,20,21

22,23,24

實驗二結論:圖中點1~12,代表了被測試4人在涂抹護膚品前采集的光譜,點14~24代表涂抹護膚品1h后被測試4人光譜,結論與單人實驗一致,在涂抹護膚品前后對應PCA1的得分值均由小向大變化。

結論:皮膚水分含量測量一直是醫學和化妝品領域一項值得研究的課題。在傳統的電學測量法無法滿足要求的情況下,尋找更好的測量技術成為新的研究目標。本實驗通過長波紅外光譜檢測技術來測量左前臂皮膚光譜,分析水分含量與光譜響應的關系。結果表明:人體不同含水量在光譜二階求導后的PCA1維度體現,數值越大,水分越多。本文工作表明基于長波光譜測量方法對皮膚水分的檢測具有可行性。


service@china-ias.com
———————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
工作時間:08:30—17:30
聯系電話:0510-81002996
江蘇省無錫市城南路168號
科研大廈2樓
@2020  無錫迅杰光遠科技有限公司