近紅外技術應用于人體皮膚水分檢測

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：

（1）SG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

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。

實驗二結論：圖中點1~點12，代表了被測試4人在涂抹護膚品前采集的光譜，點14~點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。