CN105380609A - 基于多光谱的皮肤检测方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多光谱的皮肤检测方法与系统，包括光谱采集步骤、光谱预处理步骤、皮肤特性参数测定步骤、评测模型建立步骤、皮肤特性检测步骤；系统包括检测探头装置，光谱探测装置，系统控制装置，数据处理反馈装置；检测探头装置由多个LED光源，滤波片和光纤组成；光源头装置由白光LED和多个用于荧光光谱激发的不同峰值波长的LED构成；光纤装置为大芯径光纤；光谱探测装置由小型光谱仪或集成了带通滤光片和光探测器的组合系统构成；系统控制装置由微处理器和驱动控制电路组成；数据处理反馈装置包括微处理器和显示屏。本发明是基于多光谱的大信息量、低背景噪声、快速、有效的检测；检测系统廉价、便携、小型；能用于皮肤综合特性参数的全面的无损检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于荧光光谱和可见近红外反射光谱的皮肤检测方法与系统，可实现对皮肤特性参数，如白皙度、水分、弹性的快速、准确评估。属光学传感技术领域以及医疗检测领域。
背景技术
近年来，随着人们生活水平的提高，人们的保健意识和对美的追求不断提高，护肤和保健已经成为一个日渐壮大的行业。同时消费者和工业界对于皮肤各项特性、参数，如：白皙度、水分、弹性等的检测装置有了更多的需求。
正是基于这样的需求，近年来，市场上已经出现一些皮肤检测的产品，主要分为两类，一种是基于图像分析的皮肤检测仪，设备昂贵、体积庞大。另一种是基于阻抗检测的皮肤测试笔，如专利号CN201767951U和专利号CN103622694A都是基于类似原理的装置，虽然小型，但功能简单，测量准确度差。本发明则提出一种基于多LED光谱的检测方法，将可见近红外反射谱与荧光光谱相结合，对决定皮肤特性的黑色素、胶原蛋白等物质特性通过对应的多光谱进行综合分析检测；成本低，系统集成、小型、便携，能实现对皮肤多个参数全面、快速、准确的检测。
发明内容
1、本发明的目的。
本发明的目的在于提出一种基于LED多光谱的皮肤检测方法和系统。基于多光谱技术的皮肤特性，实现如黑色素、胶原蛋白等无损、快速鉴别。
2、本发明所采用的技术方案。
基于多光谱的皮肤检测方法，包括如下步骤：
步骤1、光谱采集：将检测探头置于待探测的皮肤位置，根据检测需求轮流点亮多个LED光源中的需检测的LED并采集295-420nm波长范围内的荧光光谱或可见近红外反射光谱；
步骤2、光谱预处理：对采集到的荧光光谱或反射光谱有选择性地进行归一化，平滑去噪，多元散射校正处理；
步骤3、皮肤特性参数测定：对皮肤样本参数进行检测；
步骤4、评测模型建立：基于多元校正方法，建立皮肤参数的检测评估模型；
步骤5、皮肤特性检测：对于新的待检测的皮肤，采集到多个光谱并进行预处理，经处理器分析后将皮肤的各项特性参数输出到显示屏显示。
更进一步具体实施例中，所述的步骤3中的多元校正方法为主成分回归方法，分别对因变量和自变量进行降维处理，提取一定数目的主元，建立回归模型。
更进一步具体实施例中，所述的步骤3中的多元校正方法为偏最小二乘回归。
更进一步具体实施例中，所述的步骤3中的多元校正方法为神经网络方法进行精确建模。
更进一步具体实施例中，检测探头装置，光谱探测装置，系统控制装置，数据处理反馈装置；检测探头装置由多个LED光源，滤波片和光纤组成；光源头装置由白光LED和多个用于荧光光谱激发的不同峰值波长的LED构成，波长范围可覆盖295-420nm；光纤装置为大芯径光纤；光谱探测装置由小型光谱仪或集成了带通滤光片和光探测器的组合系统构成；系统控制装置由微处理器和驱动控制电路组成；数据处理反馈装置包括微处理器和显示屏；微处理器将记录的光谱信号进行分析处理，并实时将光谱信号和分析结果反馈到显示屏上。
更进一步具体实施例中，所述的检测探头装置不同峰值波长的LED选择峰值波长在375-420nm范围内的LED用于荧光激发。更进一步具体实施例中，所述的检测探头装置滤波片装置选用滤除激发光源强光的长通滤波片。
3、本发明的有益效果。
（1）本发明是基于多光谱的大信息量、低背景噪声、快速、有效的检测；
（2）本发明结合了反射谱和荧光谱，有效针对皮肤中特征物质(胶原蛋白)进行检测。
（3）本发明所提出的基于LED的检测系统廉价、便携、小型；
（4）本发明能用于皮肤综合特性参数的全面的无损检测。
附图说明
图1是基于多光谱皮肤检测系统结构图。
图2是基于白光LED和380nm激发荧光的不同皮肤白皙度检测结果
1—皮肤，2—检测探头，3—光源，4—滤波片，5—大芯径光纤，6—驱动控制电路，7—微处理器，8—显示屏，9—光谱记录仪。
具体实施方式
为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
实施例
如图1所示，在进行皮肤样品的检测时，将检测探头2放置在被检皮肤1上，微处理器7通过驱动控制电路6一方面控制激发光源3的切换、通断和强度，另一方面控制光谱仪9记录由样本激发出的经过滤光片4和光纤5传输的光信号。根据需求切换光源3记录下多个不同的反射或荧光光谱数据，这些光谱数据经过微处理器7预处理作为代表该皮肤样本的光谱，之后将该样本光谱输入已建立的模型，由微处理器7分析后将检测结果显示到显示屏8上。
本发明所述的检测探头装置由多个LED光源，滤波片和光纤组成。检测探头可作为整个检测系统的外接装置。光源装置由白光LED和多个用于荧光光谱激发的不同峰值波长的LED构成，波长范围可覆盖295-420nm。考虑紫外对皮肤的伤害，一般选择峰值波长在375-420nm范围内的LED用于荧光激发。滤波片装置选用滤除激发光源强光的长通滤波片。光纤装置可选用更利于光谱信号采集的大芯径光纤。
本发明所述的光谱探测装置由小型光谱仪或集成了带通滤光片和光探测器的组合系统构成。前者可采用海洋光学的小型光谱仪得到连续的光谱信号，后者选用带通滤波片和光探测器得到几个特征波段的光强信号，也即离散光谱信号。
本发明所述的系统控制装置由微处理系统和驱动控制电路组成。微处理系统可以是单片机、电脑、或者无线连接的手机，控制光谱信号采集过程，并通过驱动控制电路装置控制光源的通断和检测强度。
本发明所述的数据处理反馈装置包括微处理器和显示屏。微处理器将记录的光谱信号进行分析处理，并实时将光谱信号和分析结果反馈到显示屏上。
基于多光谱的皮肤检测方法，按照如下步骤进行：
（1）光谱采集：将检测探头置于需要探测的皮肤位置，一般选择手臂肘部上下3cm的位置或面部肌肤，根据检测需求轮流点亮特定的LED，采集340nm-1000nm波长范围内的荧光光谱或可见近红外反射光谱。对不同年龄段、不同特征的多个皮肤样本进行数据采集。
（2）光谱预处理：对采集到的荧光光谱或反射光谱有选择性地进行归一化，平滑去噪，多元散射校正处理。
（3）皮肤特性参数测定：采用日本美能达公司的CR10色差仪进行多个皮肤样本的白皙度检测，采用德国CK公司的皮肤测试仪CutometerdualMPA580进行皮肤水分和弹性等参数的检测。
（4）评测模型建立：基于多元校正方法，如主成分回归（PCR），偏最小二乘回归（PLSR），神经网络的方法，建立皮肤多光谱与皮肤白皙度、水分、弹性等参数的检测评估模型。其中主成分分析的思路是分别对因变量和自变量进行降维处理，提取一定数目的主元，建立回归模型。而偏最小二乘法在提取主元时既考虑了因变量和自变量的信息最大化，又考虑了两者间主元的相关性。是建立线性模型的首选方法。而对于非线性模型则可采用神经网络方法进行精确建模。
（5）皮肤特性检测：对于新的待检测的皮肤，采集到多个光谱并进行预处理，经处理器分析后将皮肤的各项特性参数输出到显示屏显示。
实验：皮肤白皙度的检测
皮肤样本：邀请39人次进行皮肤测试，每人在手肘内侧上下3cm处分别记录3组光谱数据。
（1）采集皮肤样本的多光谱数据。
在每人静坐一分钟后，在手肘内侧下方3cm处放置皮肤检测探头，开始测试，微处理器自动控制380nmLED光源打开，被检皮肤在该光源激发下产生荧光信号，信号经过400nm的长通滤光片后被光谱仪收集；微处理器再将光源切换到白光LED，并收集反射光谱信号。如此反复记录三组光谱数据采集。再改变测量位置到手肘上方3cm处，以相同的方式采集三组光谱数据。此外，在以黑色铝块样本时，测量一个背景信号。
（2）皮肤白皙度检测。
记录完皮肤光谱数据后，立即使用美能达公司的CR10色差仪，测量并记录被测皮肤与标准黑色样本色差值dE，dl，da，db。其中dl值越大表示皮肤越白。
（3）光谱数据处理
将采集到的每个组合后的光谱信号减去背景噪声信号后，得到的光谱数据进行归一化，平滑处理，如此得到78个皮肤样本的234个光谱。对于每个样本，3次测得光谱的平均光谱用以代表该皮肤。
（1）数据分析与模型建立。
所得的光谱数据经过主成分分析提取有效主元后，通过线性判别分析的方法建立皮肤光谱信息与皮肤白皙度（色差值dl）间的回归关系。也可直接采用偏最小二乘回归的方法建立该评测模型。
（2）模型验证。
采用留一法对模型正确性进行评估。图2即为78个皮肤样本的白皙度评测结果，dl值越大表示皮肤越白。基于光谱法的评估值与真实间误差极小，误差均方根RMSEV仅为1.54，验证了该方法在皮肤白皙度检测中的合理性与可行性。
Claims (7)
1.一种基于多光谱的皮肤检测方法，其特征在于包括：
步骤1、光谱采集：将检测探头置于待探测的皮肤位置，根据检测需求轮流点亮多个LED光源中的需检测的LED并采集295-420nm波长范围内的荧光光谱或可见近红外反射光谱；
步骤2、光谱预处理：对采集到的荧光光谱或反射光谱有选择性地进行归一化，平滑去噪，多元散射校正处理；
步骤3、皮肤特性参数测定：对皮肤样本参数进行检测；
步骤4、评测模型建立：基于多元校正方法，建立皮肤参数的检测评估模型；
步骤5、皮肤特性检测：对于新的待检测的皮肤，采集到多个光谱并进行预处理，经处理器分析后将皮肤的各项特性参数输出到显示屏显示。
2.根据权利要求1所述的基于多光谱的皮肤检测方法，其特征在于：所述的步骤3中的多元校正方法为主成分回归方法，分别对因变量和自变量进行降维处理，提取一定数目的主元，建立回归模型。
3.根据权利要求1所述的基于多光谱的皮肤检测方法，其特征在于：所述的步骤3中的多元校正方法为偏最小二乘回归。
4.根据权利要求1所述的基于多光谱的皮肤检测方法，其特征在于：所述的步骤3中的多元校正方法为神经网络方法进行精确建模。
5.一种基于多光谱的皮肤检测系统，其特征在于包括：检测探头装置，光谱探测装置，系统控制装置，数据处理反馈装置；检测探头装置由多个LED光源，滤波片和光纤组成；光源头装置由白光LED和多个用于荧光光谱激发的不同峰值波长的LED构成，波长范围可覆盖295-420nm；光纤装置为大芯径光纤；光谱探测装置由小型光谱仪或集成了带通滤光片和光探测器的组合系统构成；系统控制装置由微处理器和驱动控制电路组成；数据处理反馈装置包括微处理器和显示屏；微处理器将记录的光谱信号进行分析处理，并实时将光谱信号和分析结果反馈到显示屏上。
6.根据权利要求5所述的基于多光谱的皮肤检测系统，其特征在于包括：所述的检测探头装置不同峰值波长的LED选择峰值波长在375-420nm范围内的LED用于荧光激发。
7.根据权利要求5所述的基于多光谱的皮肤检测系统，其特征在于包括：所述的检测探头装置滤波片装置选用滤除激发光源强光的长通滤波片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160309 |