一种用于皮肤水分含量检测的短波红外光谱测量装置

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1 红外应用一种用于皮肤水分含量检测的短波红外光谱测量装置梁宏, 金伟其, 王霞 ( 北京理工大学信息科学技术学院光电工程系, 北京 ) 摘要 : 皮肤是人体的重要屏障, 皮肤水分对于保护人体及皮肤有重要的意义传统的皮肤水分含量检测方法存在一定缺陷通过分析皮肤在短波红外波段的光学性质, 设计了一种利用短波红外光谱分析技术来检测皮肤水分含量的装置, 通过对不同样品的光谱测试分析, 以及不同测试仪器的对比, 结果表明利用短波红外光谱响应的比例模型可对皮肤水分含量进行定量的分析和判断关键词 : 短波红外 ; 光谱分析 ; 皮肤 ; 水分含量中图分类号 :O657.33;TN219 文献标识码 :A 文章编号 : (2008) A Shortwave Infrared Spectrum Detecting Device Used for Skin Hydration Measurement LIANG Hong,JIN Wei-qi,WANG Xia (Department of Optical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing , China) Abstract:Skin is an important barrier of human. The water in the skin has significant sense in protecting skin and body. Former methods of detecting skin hydration all have flaws. From analyzing skin s optical property in shortwave infrared (SWIR) band, designing an experimental instrument using SWIR spectrum detecting skin hydration. By analyzing the spectrums of different samples and comparing with a specialized skin Moisture Monitor, got known that the proportion models with SWIR spectral responses can quantificationally analyze the skin hydration. Key words:shortwave infrared;spectrum analysis;skin;hydration 引言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 [1] 为了解决这一问题, 国内外已进行了一些相关的研究作为一种较新的检测方法, 短波红外光谱分析最早就是应用在水分测量上, 上世纪 50 年代美国的 Norris 等人在研究农产品光谱分析时, 发现水分在近红外和短波红外波段具有强烈的吸收, 于是开始制造简易的红外光谱仪, 用于分析谷物饲料奶蛋等农产品中的水分蛋白质及脂肪等 [2,3] 近年来也有将短波红外光谱用于皮肤分析的研究和报道为了分析评价皮肤的水分含量, 我们设计了一种可检测皮肤水分含量的短波红外光谱测量装置, 本文将介绍装置的测试原理以及初步的研究结果 1 测量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收稿日期 : 作者简介 : 梁宏 (1984-), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为红外光谱技术与生物医学光子学 416

2 第 30 卷第 7 期 Vol.30 No 年 7 月梁宏等 : 一种用于皮肤水分含量检测的短波红外光谱测量装置 July 2008 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很差, 绝大部分被反射或被浅层皮肤组织吸收, 穿透皮肤的深度仅达 0.05~2 mm, 只能作用到皮肤的表层组织人们经过研究与实验发现,700~1800 nm 波长范围的红外光是穿透包括骨骼在内的生体组织的最好波段, 可称为光波在生物体组织的一扇窗, 在皮肤组织中几乎不含强烈吸收该波段辐射的物质, 在表面的反射也较少, 因此大部分和皮肤相关的光谱检测都选用该波段进行图 1 为皮肤和水的光谱吸收度对比图, 可以看出两者的吸收峰都处在相同波段, 这是由于皮肤组织其他成分对于近红外 / 短波红外辐射的吸收程度微弱, 吸收响应绝大部分是由于水分的吸收所造成的, 这为近红外 / 短波红外光谱吸收法检测水分含量提供了一种可能在近红外和短波红外波段, 水分的吸收主要是由 O-H 键的基频倍频以及与其他原子键的合频造成的在 800~2500 nm 范围, 水的 O-H 合频引起在 960 nm 处的吸收, 倍频引起的在 1150 nm 1450 nm 和 1790 nm 处的吸收, 基频引起的在 1930 nm 处的吸收在这一系列吸收带中, 以 1930 nm 处最为强烈, 当试样的水分超过 20% 时吸收将达到饱和, 这种情况下几乎无法进行测量 ; 而 1450 nm 处水的吸光系数只约相当于 1930 nm 处的 1/3, 因此对于含水量达 50%~60% 甚至更高的试样也可进行测定分析 [4] 故实验选用的主要分析波长为 960 nm 1150 nm 1450 nm [5] Optical density skin water 红外光谱分析技术可分成透射光谱和反射光谱两大类 [6] 透射光谱法把待测样品置于作用光与检测器之间, 透射光谱一般用于均匀透明的真溶液或固体样品 ; 反射光谱法把检测器与光源置于待分析样品的同一侧, 检测器所检测到的分析光是光源发出的作用光投射到物体后, 以各种方式反射回来的光 [2,4] 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终被吸收 [7] 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 2 实验装置短波红外光谱测量实验系统包括光谱采集设备和数据处理系统光谱采集设备采用北京赛凡光电生产的 7IMS3011 单光栅扫描单色仪和 7ID3161 常温型 InGaAs 探测器组合, 单色仪配备单光栅 7OG , 光谱覆盖范围 660~2000 nm, 分辨率为 0.2 nm, 重复性为 0.2 nm, 准确度为 0.4 nm, 线色散 5.4 nm/mm; 探测器光谱响应范围 850~1650 nm, 感光面直径 2 mm, 平均响应度大于 0.85 A/W 数据采集选用 7IDA1 数据采集器, 内含高性能运放,±15 Bits A/D 转换,12 Bits D/A 转换, 1~256 倍增益变换, 输出幅度 0~10 V 整个实验系统如图 2 所示, 样品端置于不透光样品箱的暗环境中, 以防外界自然光干扰红外光源采用卤钨灯, 直接照射载物平台上放置的样品光源发出红外光照射到试样上发生漫反射, 被红外光纤探头接收, 传送到仪器端单色仪的光学入口经过分光后的单色光输出到 InGaAs 探测器, 转换成为电信号输入到数据采集器整个系统的同步控制和结果显示由计算机软件实现数据处理部分也是通过软件对所采集到的光谱响应数据进行分析处理和保存 7IMS3011 单光栅扫描单色仪红外光纤探头 L 红外光源控制器 Wavelength / nm [1] 图 1 活体皮肤和水的短波红外反射光谱对比 PC 71DA1 数据采集器 7ID3161 InGaAs 探测器载物平台样品箱 Fig.1 SW-IR reflectance spectrum of skin in-vivo with an offset 图 2 实验装置系统结构示意图 spectrum of water for comparison [1] Fig.2 Sketch of the experiment system 417

3 3 实验与结果分析 3.1 光谱响应曲线测量与分析首先对光源进行标定, 先测量其初始的光谱响应度曲线 (origin), 用以与试样的测试结果作对比为了更进一步准确比较, 在载物台上放置一平面镜, 测量光源的镜面反射光谱 (mirror) 两者都用以与试样的测试结果作对比得到的光谱响应曲线如图 3 所示图 3 光源及其镜面反射的光谱响应图 Fig.3 Spectrum response of light source and its mirror-reflection 从两幅图的对比可以看出, 两者的曲线形状基本相同, 只是在幅度上有较大差异, 另外在某些波段有略微的起伏变换说明经过镜面反射的光源大致保持了光源原有信息, 只是经过反射后能量损失较多, 且在某些波长点处存在有特殊吸收总体上, 镜面反射光谱与光源的原始光谱基本一致由于试样的检测光谱均为漫反射光谱, 在测试中加入塑料板样本, 表面打磨粗糙, 用以测量光源的漫反射光谱响应固定光源探头的角度和位置, 在同等条件下, 分别对纯水 (water) 皮肤(skin) 水果 (fruit) 塑料板(plastic)4 种样品进行光谱检测水置于毛玻璃面上, 以获得尽量多的漫反射效果实验数据均经过适当预处理 [8], 结果如图 4( 图中均为漫反射光谱响应曲线 ) 可以看出:4 种样本曲线都在光源曲线的基础上, 在不同波段有一定的起伏变化, 所对应的是不同物质的吸收区注意到在 1000 nm 1200 nm 1400 nm 附近的区域, 除了塑料板之外的 3 种样本都有不同程度的吸收现象, 这正好对应波段内 960 nm 1150 nm 1450 nm 三个主要的水分吸收峰, 其中以水的响应曲线在吸收点处凹陷最大, 水果和皮肤的曲线凹陷较小, 且在不同波段的凹陷程度不同 ; 而塑料板的曲线凹陷最小这也正反映了试样水分含量的不同从图中曲线可以发现, 水的光谱响应曲线幅度较其他三者要高一些, 其原因是在试样水中发生的不完全是漫反射, 还存在部分镜面反射, 所以导致光能量较强图 4 不同样本的光谱响应图 Fig.4 Spectrum responses of different samples 418

4 第 30 卷第 7 期 Vol.30 No 年 7 月梁宏等 : 一种用于皮肤水分含量检测的短波红外光谱测量装置 July 2008 故此, 可对水分吸收峰做大致的定位, 即选定 960nm 1150 nm 1450 nm 这 3 个波长点为水分吸收的特征波长, 进行后续研究分析 3.2 特征点波长光谱响应分析为了进一步对其进行定量分析以及建模, 需要考虑特征波长点的光谱响应数据通过对样品光照情况的分析, 利用简单的比例模型对其进行粗定量分析如图 5 样品端光照示意图, 固定照射角度 α=45 和采样距离 d=50 mm, 光纤最大入射半角 θ=12.7 α d θ Φ 1 Φ0 图 5 放大的样品照明及反射示意图 Fig.5 Zoomed sketch of sample illumination 光源照射到样品表面的照度 E(λ) 均匀恒定, 经样品漫反射后, 反射光在能量上有一定的衰减, 在光纤探头可接收区域 ( 设面积为 A) 内接收的光谱通量 Φ(λ): Φ(λ)=E(λ)Ak[1-τ(λ)] (1) 式中 :τ(λ) 为样品光谱衰减系数 ;k=sin 2 θ 为光学耦合系数设探测器光谱响应率为 R(λ), 则光电探测器光谱输出电压为 : V(λ)=R(λ)p(λ)E(λ)Ak[1-τ(λ)] (2) 式中 :p(λ) 为光纤的光谱传输效率由于包含样品信息的 τ 值不易直接获得, 我们采用不同样品在相同波长 λ 处的电压比值 V 1 (λ)/v 2 (λ), 由于测试条件固定, 该比值可简化为 : V1 ( λ) 1 τ1( λ) = (3) V ( λ) 1 τ ( λ) 2 即通过简单的电压比可间接得到衰减系数因此, 可采用一个固定的参考样本, 选择水分吸收特征波长点, 进行待试样品的测试, 得到样品的水分含量比 2 实际测量中, 以干燥 ( 水分含量极少 ) 的塑料板作为参考样品, 分别测量了纯水皮肤水果 3 种样本由于样本信号幅度差别较大, 在求比值之前需要先进行数据归一化 : V(λ)=[V 0 (λ)-v min (λ)]/[v max (λ)-v min (λ)] (4) 式中 :V 0 (λ) 为输出电压原始值 ;V max (λ) 和 V min (λ) 分别为最大和最小值定义水分含量的评价指标为 : µ(λ)=[v p (λ)-v(λ)]/v p (λ) (5) 式中 :V p (λ) 为塑料板样品的输出值表 1 给出在 960 nm 1150 nm 1450 nm 这 3 个特征波长点处评价指标 µ(λ) 的计算结果 ( 其中样品测量 3 次 ) 由表看出 :960 nm 和 1150 nm 两处虽然在曲线上有明显的水吸收峰, 但是其吸收程度相对较小, 系统误差以及数据段选取等因素容易影响水分含量的判断 ; 在 1450 nm 处吸收强度较大, 有利于对水分含量的判断, 因此下面的分析选择在 1450 nm 处进行 3.3 光谱法与电学仪器法测试结果对比为了客观比较皮肤水分含量的测量, 我们选用深圳凯尔电子公司 SK-III 型水分笔进行了对比测试选取样品为水果水和皮肤, 参考样品为塑料板, 测量波长为 1450 nm 对于皮肤, 通过在皮肤表面涂抹一定的水获得不同的水分含量表 2 给出了光谱法与电学测量仪器的测试结果对比由于 SK-III 型水分笔是一种专为测量皮肤水分设计的接触式电阻测试仪器, 其利用皮肤表面电感信号的强弱计算水分含量, 所以对其他样品可能测试结果不准, 如对塑料板样品进行测量时, 所得的结果为 UUU( 测量错误 ); 对于水果, 由于水果内部水分对果皮的电信号影响没有皮肤那么明显, 因此所得结果 (28.0%) 较短波光谱测量法小很多 ; 将其果皮削去薄薄的一层再对果肉进行测量, 所得的结果 (58.7%) 就与短波光谱法比较接近可以看出, 利用短波红外光谱技术和简单比例算法得到的结果与 SK-III 型水分测量仪的结果相差不大, 可认为是有效的测量当然, 进一步还需细化测量数据与水分含量的模型表 1 特定波长点 µ(λ) 的计算结果 Table 1 Result of µ(λ) in specified wavelength Wavelength/nm Plastic Water Fruit Skin

5 Table 2 表 2 短波红外光谱分析结果与 SK-III 水分仪测量结果对比 (1450 nm) Comparison of results between SW-IR spectrum and SK-III Moisture Monitor(1450 nm) Plastic Water Fruit Skin SK-III UUU 99.9% 28.0% 58.7% 28.6% 57.1% 63.1% 68.6% 73.2% SW-IR 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文通过短波红外光谱检测技术来测量皮肤以及其他样品的光谱响应度, 进而分析水分含量与光谱响应的关系结果表明 : 在 960 nm 1150 nm 和 1450 nm 等波段水分的吸收强烈, 尤其以 1450 nm 处为主 ; 通过选择水分吸收强烈的特征波长进行数据测试分析, 利用比例模型得到了皮肤水分含量的粗定量数据本文工作表明短波光谱测量方法可实现对皮肤水分的检测, 下一步通过模型的完善将实现对皮肤水分含量的快速精确定量测量与分析参考文献 : [1] Shuliang L. Zhang, C. Lynn Meyers, Kumar Subramanyan, et al. Near infrared imaging for measuring and visualizing skin hydration, A comparison with visual assessment and electrical methods[j]. Journal of Biomedical Optics, 2005, 10(3): 1-7. [2] 严衍禄. 近红外光谱分析基础与应用 [M]. 北京 : 中国轻工业出版社, 2005: [3] 陆婉珍. 近红外光谱技术进展 [J]. 现代科学仪器, 2006, (5): 5. [4] 李民赞. 光谱分析技术及其应用 [M]. 北京 : 科学出版社, 2006: [5] Michael Attas, Trevor Posthumus, Bernie Schattka, et al. Skin hydration imaging using a long-wavelength near infrared digital camera[c]//proc. SPIE, 2000, 4259: [6] 毕卫红, 许峰, 吕超. 水果含糖量近红外检测系统及实验 [J]. 红外技术, 2007, 29(11): [7] 余文林, 曾东, 苑凯华, 等. 皮肤组织光谱虚拟仪器系统的研制 [J]. 应用激光, 2007, 27(1): [8] 张银, 周孟然. 近红外光谱分析技术的数据处理方法 [J]. 红外技术, 2007, 29(6):

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