TW201430331A - 評估皮膚生理參數濃度及分布之光學系統及其方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種可有效率評估不同皮膚組織深度之光學特性(吸收與散射)，並獲得生理組織的功能性參數之光學系統，包含：寬頻光源、多方向光纜偵測探頭、方向定位元件及偵測元件。本發明係亦有關於一種評估皮膚生理參數濃度及分布之方法，包含：(A)提供一個寬頻光源；(B)將該些光源散射至一受試皮膚上；(C)偵測多方向該些光源於該受試皮膚所反射之反射光，並將該不同方向之反射光轉換為多組吸收光譜及散射光譜；(D)獲得不同方向的皮膚組織吸收與散射性質之分佈資訊；以及(E)透過第一運算公式由各方向之吸收光譜換算出該受試皮膚之各項生理參數濃度。本發明之方法更能藉由不同方向之生理參數濃度以用於皮膚相關疾病之檢測與皮膚美容效果之評估。該第一運算公式如本發明說明書所述。

Description

評估皮膚生理參數濃度及分布之光學系統及其方法
本發明係關於一種評估生理組織參數濃度及分布的光學系統及其方法，其可藉由寬頻光源偵測並套用特殊運算公式，以評估例如皮膚老化、疤痕以及蟹足腫等相關生理組織狀況。
膠原蛋白富含於脊椎動物體內，主要存在於結締組織中的細胞外間質，皮膚、軟骨、角膜、血管壁、內臟器等生理組織均含有膠原蛋白，其能支撐細胞以使皮膚與血管壁富有彈性、使骨骼生長及使肌腱有力。因此當身體缺少膠原蛋白時，可能會使皮膚產生皺紋、肌肉鬆垮、血管易裂或使骨骼生長不全。
隨著醫學逐年進步，越來越多的技術能夠針對生理組織膠原蛋白含量進行評估檢測，例如於醫美領域中，由於追求皮膚等生理組織年輕化的趨勢越來越高，因此膠原蛋白之含量評估已成為皮膚微整形之重要依據。傳統上，皮膚膠原蛋白檢測方式須先取得皮膚切片後，再進一步分析皮膚膠原蛋白的濃度，此方法不但容易使皮膚傷口形成疤痕，且檢測耗時的缺點容易降低受試者的接受度。為減少侵入式檢測所帶來的缺點，近年已有研究藉由非侵入性方式進行皮膚膠原蛋白狀態的評估，例如多光子顯微鏡以及量子弱磁場分析儀等，其中，量子弱磁場分析儀係目前可 用於評估皮膚膠原蛋白之習知裝置，其主要係藉由收集生物體微弱的電磁波，將訊號放大以分析待測體之膠原蛋白狀態。雖然以非侵入式之檢測儀器進行檢測的時間相較於侵入式檢測儀器來的短，然而其檢測準確度卻成為潛在的問題，除此之外，儀器成本昂貴以及臨床應用性差亦是缺點所在。
有鑑於此，開發一種能夠迅速、準確且低成本測量皮膚之包含膠原蛋白等生理參數含量與方向性的非侵入式檢測方法，將有助於迅速了解皮膚之包含膠原蛋白含量等生理參數的狀態，以協助評估與皮膚生理組織有關的病變或治療。
本發明之主要目的係提供一種評估皮膚生理參數濃度及分布之光學系統，其主要係非侵入性地照射受試皮膚，量測不同方向之生理組織漫反射光，以於短時間內準確地量化計算受試皮膚之生理參數濃度，例如血紅素，黑色素與膠原蛋白等。
為達上述目的，本發明係提供一種評估皮膚生理參數濃度及分布之光學系統，包含：一寬頻光源，一多方向光纜偵測探頭，係與該寬頻光源連接；一方向定位元件，係用以定位該多方向光纜偵測探頭之偵測方向；以及一偵測元件，係偵測該多方向光纜偵測探頭所偵測之反射光訊號。
在上述的光學系統中，該多方向光纜偵測探頭係包含至少一組偵測光纖，且每組該偵測光纖可包含至少一光源光纖以及至少一接收端光纖。另外，於該偵測光纖中，每一該光源光纖與每一該接收端光纖之距離可皆不相同，舉例來說，每一光源光纖與每一接收端光纖之距離可不大於5 mm，更佳可不大於3.5 mm。
再者，該多方向光纜偵測探頭更包括一高散射元件，係設置於該光源光纖，以使該光源光纖平均發散該寬頻光源之光線至受試皮膚上，其中較佳之高散射材料為具有高散射特性之含氟聚合物，例如Spectralon(購自Labshpere,NH)。且當該多方向光纜偵測探頭包含複數組偵測光纖時，該每組偵測光纖之光源光纖與另一組偵測光纖之光源光纖之排列夾角係超過0度小於180但不等於180度，較佳為90度。
本發明的光學系統可用來量化皮膚疾病之相關生理參數濃度，其中該生理參數可包含黑色素、血紅素、脂肪、水、膠原蛋白或其組合，較佳為膠原蛋白，但不限於此。
本發明的光學系統可用以量化單一方向或複數個方向之皮膚生理參數。本發明係亦有關於一種藉由第一運算公式評估皮膚生理參數濃度及分布之方法，步驟包含：(A)提供一寬頻光源；(B)將該寬頻光源散射至一受試皮膚上；(C)偵測多方向該些光源於該受試皮膚所反射之反射光，並將該不同方向之反射光轉換為多組吸收光譜及散射光譜；(D)獲得不同方向的皮膚組織吸收與散射性質之分佈資訊； 以及(E)透過第一運算公式由各方向之吸收光譜換算出該受試皮膚之各項生理參數濃度，其中該第一運算公式：μa(λ)=C HbO2μa HbO2(λ)+C Hbμa Hb(λ)+C Melaninμa Melanin(λ)+C Waterμa Water(λ)+C Fatμa Fat(λ)+C Collagenμa Collagen(λ)
其中，λ為光波長，μa(λ)係總吸收係數，μa HbO2(λ)係氧合血紅蛋白吸收係數，μa Hb(λ)係脫氧血紅蛋白吸收係數，μa Melanin(λ)係黑色素吸收係數，μa Water(λ)係水吸收係數，μa Fat(λ)係脂肪吸收係數，μa Collagen(λ)係膠原蛋白吸收係數，C HbO2係氧合血紅蛋白濃度，C Hb係脫氧血紅蛋白濃度，C Melanin係黑色素濃度，C Water係水濃度，C Fat係脂肪濃度，C Collagen係膠原蛋白濃度。
本發明之第一運算公式之主要原則係將皮膚生理參數對寬頻光源400 nm至2500 nm光源波長範圍具有將近百分之百吸收之多種生理參數，藉由將每一成分之濃度及其吸收係數之乘積值進行疊加，以獲得生理參數的總吸收係數。本發明之第一運算公式中的疊加乘積值主要來自皮膚生理參數中的氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、水、脂肪、黑色素及膠原蛋白。事實上，相同生理參數對不同波長光線的吸收度亦不同，因此，可依據不同波長範圍而忽略對低光吸收之生理參數，藉此加速生理參數濃度之評估。
於上述步驟(A)中，該些寬頻光源較佳係介於150 nm至3500 nm，再佳係介於200 nm至3200 nm，或介於350 nm至3000 nm，或介於450 nm至2500 nm，或介於550 nm至1800 nm，或介於650 nm至1500 nm，或介於500 nm至1300 nm， 或介於600 nm至1000 nm，或介於700 nm至900 nm，最佳係介於700至860 nm，以量化出最準確的生理參數濃度，生理參數可包含黑色素、血紅素、脂肪、水、膠原蛋白或其組合，較佳為膠原蛋白，但不限於此。
於上述步驟(B)中，於該受試皮膚上定位該寬頻光源，以將該寬頻光線散射至該受試皮膚上。每一該些光線較佳係於不同時間散射至該受試皮膚上，而每一道光線與其之下一道光線散射至受試皮膚的之間隔時間並無特別限制，可依測試需求而調整。
於上述步驟(E)中，當量測該受試皮膚時，此系統可量測到至少2組方向訊號，以量化出不同方向之生理參數濃度V及P，更包含以一第二運算公式運算該受試皮膚之皮膚生理參數方向指標，其中該第二運算公式：R=(V/P)-1
其中，R係皮膚生理參數方向指標，V係垂直於該受試皮膚之皮膚張力線走向所測得之皮膚生理參數濃度，P係平行於該受試皮膚之皮膚張力線走向所測得之皮膚生理參數濃度，且V及P皆係由該第一運算公式所得。藉此，本發明之方法可藉由不同方向之生理參數濃度以用於皮膚相關疾病之檢測與皮膚美容效果之評估。
此外，當量測該受試皮膚之疤痕時，該第二運算公式之V係垂直於該受試皮膚疤痕走向所測得之皮膚生理參數濃度，P係平行於該受試皮膚疤痕走向所測得之皮膚生理參數濃度，且V及P皆係由該第一運算公式所得。再者，當量測該受試皮膚之皮膚疾病時，該第二運算公式之V係 垂直於該受試皮膚肌肉走向所測得之皮膚生理參數濃度，P係平行於該受試皮膚之皮膚疾病走向所測得之皮膚生理參數濃度，且V及P皆係由該第一運算公式所得。
本發明之方法較佳可應用於偵測淺層皮膚之膠原蛋白濃度，而所偵測之皮膚深度可介於0.1至0.2 cm，更佳係介於0.1至0.15 cm。舉例來說，本發明之方法較佳可應用於檢測包含正常疤痕、肥厚性疤痕、蟹足腫、白斑、乾癬等皮膚疾病或評估除皺、除斑、美白皮膚美容之效果，但應用不限於此。
上述之檢測方法可運用於具有相同量測概念之光學檢測裝置檢測。舉例來說可為本發明之上述光學系統，關於光學系統在此不再贅述。
以下係藉由具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。此外，本發明亦可藉由其他不同具體實施例加以施行或應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
本發明之實施例係藉由量化皮膚蟹足腫(keloid)患處之膠原蛋白含量以及正常皮膚之膠原蛋白含量來證實本發明方法之測量準確度。
一般來說，蟹足腫是一種疤痕組織增生引起的皮膚病變，屬於病態性疤痕，主要起因於傷口的不正常癒合。真 正蟹足腫的病發原因不明，歸納可能與體質及傷口發生處有關，當具有蟹足腫體質之患者的傷口深及真皮層時，則傷口在癒合時可能會因為膠原蛋白(由蟹足腫延伸纖維母細胞所合成的細胞外基質)增生而於超出原傷口範圍形成肥厚的疤痕。
目前蟹足腫的治療方法有注射類固醇、貼矽膠片、雷射、冷凍治療、手術挑除等方法，然而，約僅對一年以下病發之蟹足腫患處較有療效，至於一年以上患者，可能成效不彰且容易復發。
本發明實施例係於成大醫院(National Cheng Kung University Hospital)採樣12名蟹足腫患者(具蟹足腫疤痕)以及3名不具有蟹足腫體質者(具有正常疤痕)檢測其正常皮膚以及疤痕的膠原蛋白含量，其中，K01至K12分別為蟹足腫患者編號，而S01至S03則為正常者編號。圖1係本發明實施例之疤痕檢測處示意圖，在此，檢測部位係箭頭所指之處(S)以及距離S處三公分遠之正常皮膚(N)。
本實施例用於測量蟹足腫及正常疤痕之光學裝置如圖2至圖4所示，其中該裝置具有：一寬頻光源1，係發散寬頻光線；一多方向光纜偵測探頭2，係與寬頻光源1耦接，其中此多方項光纜偵測探頭2具有一組偵測光纖，且此偵測光纖具有四個光源光纖21及一個接收端光纖25；一方向定位元件22，係偵測多方向偵測探頭2所偵測之訊號；一CCD光偵測器4(購自QE65000，Ocean Optics,FL)，係與多方向光纜偵測探頭2之接收端光纖25耦接並偵測該多方向光纖偵 測探頭2所偵測之訊號，以將總反射光轉換為總吸收光譜，透過第一運算公式由該總吸收光譜換算出該受試皮膚之生理參數濃度，其中第一運算公式：[運算公式1]μa(λ)=C HbO2μa HbO2(λ)+C Hbμa Hb(λ)+C Melaninμa Melanin(λ)+C Waterμa Water(λ)+C Fatμa Fat(λ)+C Collagenμa Collagen(λ)
其中，μa(λ)係總吸收係數，μa HbO2(λ)係氧合血紅蛋白吸收係數，μa Hb(λ)係脫氧血紅蛋白吸收係數，μa Melanin(λ)係黑色素吸收係數，μa Water(λ)係水吸收係數，μa Fat(λ)係脂肪吸收係數，μa Collagen(λ)係膠原蛋白吸收係數，C HbO2係氧合血紅蛋白濃度，C Hb係脫氧血紅蛋白濃度，C Melanin係黑色素濃度，C Watcr係水濃度，C Fat係脂肪濃度，C Collagen係膠原蛋白濃度。
本發明進一步包含第二運算公式運算受試皮膚之皮膚生理參數方向訊號，其中第二運算公式：R=(V/P)-1
其中，R係皮膚生理參數方向指標，V係垂直於該受試皮膚之皮膚張力線走向所測得之皮膚生理參數濃度，P係平行於該受試皮膚之皮膚張力線走向所測得之皮膚生理參數濃度，且V及P皆係由該第一運算公式所得。
請參考圖3及圖4，本實施例所使用之多方向光纜偵測探頭結構係具有一組偵測光纖，其中具有：四條光源光纖21，每一條光源光纖之一端係與寬頻光源1耦接，以傳送由光源1所發散之光線；一散射元件26，係設置於該些光源光 纖21之另一端，以使由光源光纖21所傳送之光線散射至該受試皮膚3上；以及一接收端光纖25，係偵測每一條光源光纖21發散至受試皮膚3所反射之總反射光。詳細來說，本實施例之接收端光纖25一端係與光偵測器4耦接，另一端係設置貫穿散射元件26，以使接收端光纖25直接偵測受試皮膚3之總反射光。在此，光源光纖21及接收端光纖25係直線排列，且四條光源光纖21距離偵測光纖之距離分別為2.88、2.4、1.92及1.44mm。此外，本實施例之散射元件係由Spectralon(購自Labshpere,NH)所製，其對寬頻光線具有高散射特性。
除此之外，上述多方向光纜偵測探頭可包含多組偵測光纖，如圖5至圖7所示，例如多方向光纜偵測探頭具有兩組相互垂直之偵測光纖(如圖5所示)，或者具有兩組共用同一接收端光纖25之兩組相互垂直之偵測光纖(如圖6所示)，或者具有三組共用同一接收端光纖25之偵測光纖，其中此三組偵測光纖彼此間的夾角可相同或不同(如圖7所示)。
除此之外，本實施例所使用的光學裝置另於光源1及多方向光纜偵測探頭2之間設有一光轉換器5，藉此以控制四個光源光纖21之光線傳遞(如圖2所示)。
首先，將上述本實施例所使用的光學系統之多方向光纜偵測探頭2放置於圖1疤痕之標示箭頭處(受試皮膚)上並以方向定位元件22定位，接著寬頻光源1將寬頻光線依序由多方向光纜偵測探頭2中的四個不同光源光纖21透過散射元件而均勻地散射至受試皮膚上。
接下來，透過光偵測器4將接收端光纖25所測得之總反射光轉換為總吸收光譜後，再以氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、黑色素、水、脂肪及膠原蛋白標準品之吸收光譜進行運算公式之擬合，以量化獲得受試皮膚之膠原蛋白濃度。
舉例來說，請參考圖8及圖9，圖8係氧合血紅蛋白(HbO2)、脫氧血紅蛋白(Hb)、黑色素(melanin)、水(water)、脂肪(lipid)及膠原蛋白(collagen)標準品之吸收光譜；圖9係其中一位受試皮膚之總吸收圖譜。圖9總吸收圖譜曲線中的每一個點(原始值)係由上述該些標準品於相同波長下，透過各別成分的吸收係數與濃度之乘積值擬合疊加獲得。
在本實施例中，K01至K12以及S01至S03之膠原蛋白濃度係由圖2至4之裝置所測得，其測量結果如表一及表二所示。再者，將表一、表二之膠原蛋白濃度藉由第二運算公式R=(V/P)-1計算(如表三)，其中，V係垂直於受試皮膚蟹足腫走向所測得之皮膚膠原蛋白濃度，P係平行於該受試皮膚蟹足腫走向所測得之皮膚膠原蛋白濃度，在此，V、P之垂直與水平方向定義參考圖10。
[表二]
於表一至表三中，VSS為溫哥華瘢痕量表(Vancouver Scar Scale)；-b表散射能量(scattering power)，其值越大表粒子越小；S表蟹足腫疤痕處(即圖1箭頭所指之處)；N表距離箭頭處三公分之正常皮膚。表三為各種參數的平均值(包括膠原蛋白、氧的飽和度等)。
根據表一至表三之結果，本實施例確實能夠使用本發明之運算公式而擬合量化獲得皮膚膠原蛋白濃度，且基本上已證實蟹足腫患處的膠原蛋白含量確實高於正常皮膚及正常疤痕之膠原蛋白含量。此外，以第二運算公式R=(V/P)-1計算時，可明顯發現正常皮膚的之R值趨近於零。由此，本發明之裝置及方法可推測當R值趨近於零時，可 能為正常皮膚，然當R值越遠離零時，可能疤痕的嚴重性越高。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
1‧‧‧光源
2‧‧‧多方向光纜偵測探頭
21‧‧‧光源光纖
22‧‧‧方向定位元件
25‧‧‧接收端光纖
26‧‧‧散射元件
3‧‧‧受試皮膚
4‧‧‧光偵測器
5‧‧‧光轉換器
圖1係本發明實施例之疤痕檢測處示意圖。
圖2係本發明實施例之測量皮膚膠原蛋白之光學裝置。
圖3係本發明實施例之探針剖面示意圖。
圖4係本發明實施例之探針縱剖面示意圖。
圖5係本發明其它實施例之探針剖面示意圖。
圖6係本發明其它實施例之探針剖面示意圖。
圖7係本發明其它實施例之探針剖面示意圖。
圖8係本發明實施例之標準品吸收光譜圖。
圖9係本發明實施例之其中一受試皮膚之總吸收光譜圖。
圖10係本發明實施例之疤痕測量示意圖。

Claims (17)

  1. 一種評估皮膚生理參數濃度及分布之光學系統，包含：一寬頻光源；一多方向光纜偵測探頭，係與該寬頻光源連接；一方向定位元件，係用以定位該多方向光纜偵測探頭之偵測方向；以及一偵測元件，係偵測該多方向光纖偵測探頭所偵測之反射光訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該多方向光纜偵測探頭係包含至少一組偵測光纖，且每組該偵測光纖係包含至少一光源光纖以及至少一接收端光纖。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光學系統，於該偵測光纖中，每一該光源光纖與每一該接收端光纖之距離皆不相同。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光學系統，其中該多方向光纜偵測探頭更包括一高散射元件，係設置於該光源光纖，以使該光源光纖發散該寬頻光源之光線。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之光學系統，當該多方向光纜偵測探頭包含複數組偵測光纖時，每組該偵測光纖之該光源光纖與另一組該偵測光纖之該光源光纖之排列夾角係超過0度小於但不等於180度。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之光學系統，其中每組偵測光纖之該光源光纖與另一組該偵測光纖之該光源光纖之排列夾角係90度。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之光學系統，該多方向光纜偵測探頭包含兩組排列相互垂直之該偵測光纖。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其係用於評估皮膚疾病之相關生理參數濃度，其中該生理參數包含黑色素、血紅素、脂肪、水、膠原蛋白或其組合。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其係用以評估包含正常疤痕、肥厚性疤痕、蟹足腫、白斑、乾癬皮膚疾病之嚴重程度與除皺、除斑、美白皮膚美容之效果。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其係用以量化單一方向或複數個方向之皮膚生理參數。
  11. 一種評估皮膚生理參數濃度及分布的方法，步驟包括：(A)提供一寬頻光源；(B)將該寬頻光線散射至一受試皮膚上；(C)偵測多方向該寬頻光源於該受試皮膚所反射之反射光，並將不同方向之反射光轉換為多組吸收光譜及散射光譜(D)獲得不同方向的該受試皮膚組織吸收與散射性質之分佈資訊；以及 (E)透過一第一運算公式由各方向之吸收光譜換算出該受試皮膚之各項生理參數濃度，其中該第一運算公式：μa(λ)=C HbO2μa HbO2(λ)+C Hbμa Hb(λ)+C Melaninμa Melanin(λ)+C Waterμa Water(λ)+C Fatμa Fat(λ)+C Collagenμa Collagen(λ)其中，μa(λ)係總吸收係數，μa HbO2(λ)係氧合血紅蛋白吸收係數，μa Hb(λ)係脫氧血紅蛋白吸收係數，μa Melanin(λ)係黑色素吸收係數，μa Water(λ)係水吸收係數，μa Fat(λ)係脂肪吸收係數，μa Collagen(λ)係膠原蛋白吸收係數，C HbO2係氧合血紅蛋白濃度，C Hb係脫氧血紅蛋白濃度，C Melanin係黑色素濃度，CWater係水濃度，C Fat係脂肪濃度，C Collagen係膠原蛋白濃度。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中於步驟(B)中更包含於該受試皮膚上定位該寬頻光線，以將該寬頻光線散射至該受試皮膚上。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該方法係用以量化單一方向或複數個方向之皮膚生理參數。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，於步驟(E)中，當量測該受試皮膚時，更包含以一第二運算公式運算該受試皮膚之皮膚生理參數方向訊號，其中該第二運算公式：R=(V/P)-1其中，R係皮膚生理參數方向指標，V係垂直於該受試皮膚之皮膚張力線走向所測得之皮膚生理參數濃度，P係平行於該受試皮膚之皮膚張力線走向所測得之皮膚生理參數濃度，且V及P皆係由該第一運算公式所得。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中當量測該受試皮膚之疤痕時，該第二運算公式之V係垂直於該受試皮膚疤痕走向所測得之皮膚生理參數濃度，P係平行於該受試皮膚疤痕走向所測得之皮膚生理參數濃度，且V及P皆係由該第一運算公式所得。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中當量測該受試皮膚之皮膚疾病時，該第二運算公式之V係垂直於該受試皮膚肌肉走向所測得之皮膚生理參數濃度，P係平行於該受試皮膚之皮膚疾病走向所測得之皮膚生理參數濃度，且V及P皆係由該第一運算公式所得。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其係用於評估包含正常疤痕、肥厚性疤痕、蟹足腫、白斑、乾癬皮膚疾病之嚴重程度與除皺、除斑、美白皮膚美容之效果。
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