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：

（1）SG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后			涂抹乳液 2h后			涂抹乳液 4h后

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后			涂抹乳液 6h后			（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	女	女	男	男
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~点12，代表了被测试4人在涂抹护肤品前采集的光谱，点14~点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。