WO2017167031A1 - 一种利用数学模型计算人皮肤光吸收相关的19个生物学参数的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用数学模型计算人皮肤光吸收相关的19个生物学参数的方法，本方法通过建立两个层级的分析模型，即皮肤光谱分析模型和皮肤与光吸收相关的生物学参数数学模型，从而在皮肤光谱与皮肤表皮层、真皮层与光吸收有关的生物学参数之间建立起关联，实现由一组皮肤参数模拟出虚拟光谱，然后通过虚拟光谱与实际光谱利用信息处理技术进行优化迭代，能够找到一组最优解，达到指定的拟合度标准，实现人皮肤光吸收相关的生物学参数量化分析的目的。

Description

一种利用数学模型计算人皮肤光吸收相关的19个生物学参数的方法 技术领域

本发明涉及计算生物学，涉及建立皮肤光谱的分析模型的方法以及人皮肤光吸收相关的生物学参数的建模方法，特别是涉及一种利用数学模型人皮肤光吸收相关的19个生物学参数的方法。

背景技术

光与物质相互作用会引起物质内部原子及分子能级的电子跃迁，使物质对光的吸收、反射、散射等在波长及强度信息上发生变化，光谱仪可用于检测并处理这类变化。与其他分析方法相比，光谱检测具有非破坏、高灵敏、高精准的特点，因而在各类材料的检测和鉴定方面得到广泛的应用。

生物学与光学的研究表明，人类皮肤是由多种生物学成分组成，其中的一些成分对光谱作用敏感，各成分具有特定的可见光光学性质，并且，这些皮肤成分含量已由生物学方法进行了测定。因此，形成一种籍于皮肤的可见光谱的数据处理方法实现皮肤的生物学成分量化分析是可行的。但在建模方面，要求可见光光学作用分析完整、皮肤参数尽量齐全，才能体现皮肤参数的光学性质细节，达到可见光全波段所需的量化分析精度要求。

目前，在皮肤参数量化分析领域主要存在以下手段，1)基于图像的皮肤分析。由于是平面的图像分析，其所能测得参数的与光谱的立体数据相比准确性有较大差距。所期望的其他的皮肤成分参数和皮肤结构参数无法获得。2)基于生物阻抗的皮肤水份检测。此种检测成分参数单一且精度不够。3)基于超声波的皮肤超声影像诊断系统。此种方式主要是对皮肤的结构组织进行定性观察，无法进行皮肤参数量化分析。4)基于X射线的三维断层成像的皮肤CT影像分析系统。此种方式主要是对皮肤的结构组织 进行定性观察，无法进行皮肤参数量化分析。5)皮肤光谱检测系统。属于研究项目。此种方式是利用光谱进行某波段的直观比较观察，没有形成信息处理模型。

优黑素、褐黑素、胡萝卜素、胆红素、血红蛋白、一氧化碳血红蛋白、高铁血红蛋白、硫化血红蛋白、油脂等广泛存在在皮肤的表皮层和真皮层，具有多种重要的生物学功能：例如决定毛发颜色，维持细胞代谢，抗氧化，作为血液、结缔组织的组成部分，同时也可以作为病理检验的特征参数，用于检验高铁血红蛋白血症、硫化血红蛋白血症、一氧化碳中毒症等。通常医学检验的手段是针对不同生物检验目标采用不同的化验方法，分别进行生化实验得到结果。如果希望得到上述所有参数的数值，就要进行数个检验实验，不仅需要检验成本高，而且费时费力，且人工检验存在实验误差，检验结果精确度也难以保证。

因此，为了实现上述皮肤生物学参数的精确量化目的，急需设计一种基于皮肤光谱进行的光吸收相关的生物学参数量化分析的方案，在皮肤表皮层和真皮层中光敏感的相关生物学参数和吸收光谱特征之间建立关联，从而达到对不同人、不同部位差异尽可能多的分析维度和精度，并形成大数据处理的基础，为人皮肤优黑素、褐黑素、胡萝卜素、胆红素等参数建立新的精准的定量分析方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用数学模型人皮肤光吸收相关的19个生物学参数的方法，填补了利用光谱模型进行与光吸收相关的生物学参数量化分析的空白，分析出可以描述皮肤光谱特征的一组与光吸收相关的生物学参数构建数学模型，仅通过几次运算过程即可获得全部检测结果，并且其虚拟出的皮肤光谱与实际皮肤光谱的拟合度非常高，提高分析的精确性。

为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案是：

一种利用数学模型计算人皮肤与光吸收相关的19个生物学参数的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一 根据可见光照射皮肤时吸收、反射、散射、透射的特征，将皮肤从 上之下抽象为皮肤粗糙表面层、皮肤表皮层、皮肤真皮层、皮下组织层四层；

步骤二 根据皮肤表皮层的光吸收、反射、散射、透射的特征，建立在皮肤表皮层中光反射和光透射方程，计算在皮肤表皮层的吸收系数；

步骤三 根据皮肤真皮层的光吸收、反射、散射、透射的特征，建立在皮肤真皮层中光反射和光透射方程，计算在皮肤真皮层的吸收系数；

步骤四 建立表示在皮肤表皮层中的所述吸收系数与表皮层黑色素体积分数、表皮层优黑素浓度、表皮层褐黑素浓度、表皮层水分体积分数、表皮层油脂体积分数、表皮层中胡萝卜素浓度之间关系的方程；

步骤五 建立表示在皮肤真皮层中的所述吸收率与真皮层水分体积分数、血液体积分数、血红蛋白浓度、血液中氧化血红蛋白体积分数、血液中脱氧血红蛋白体积分数、血液中一氧化碳血红蛋白体积分数、血液中高铁血红蛋白体积分数、血液中硫化血红蛋白体积分数、真皮层胡萝卜素浓度、真皮层胆红素浓度、血液中血小板体积分数、血液中血红蛋白体积分数、真皮层弹性蛋白体积分数之间关系的方程。

进一步地，所述方法还包括步骤六，将步骤四、步骤五中计算的生物学相关参数所虚拟的皮肤表皮层、真皮层吸收系数与从皮肤测量的光谱所解析出的表皮层、真皮层吸收系数拟合。

进一步地，在步骤二中，所述在皮肤表皮层中光反射和光透射的方程为

和

其中，

为从空气进入表皮层的光反射率，

为从空气进入表皮层的光透射率，

为从真皮层进入表皮层的光反射率，

为光从真皮层进入表皮层的光透射率，

为表皮层吸收系数，

为表皮层散射系数，d_epi为表皮层厚度，L_air→L_epi代表光由空气进入表皮层，L_derm→L_epi代表光由真皮层进入表皮层。

进一步地，在步骤三中，所述在皮肤真皮层中光反射方程为

其中，

为从表皮层进入真 皮层的光反射率，

为真皮层吸收系数，

为真皮层散射系数，d_derm为真皮层厚度，L_epi→L_derm代表光由上方表皮层进入真皮层。

进一步地，在步骤四中，所述方程为

其中

表示表皮层吸收系数，f_me表示表皮层黑色素体积分数，c_eu表示表皮层优黑素浓度，

表示优黑素吸收系数，c_ph表示褐黑素浓度，

表示褐黑素吸收系数，

表示表皮水分体积分数，

表示水分吸收系数，f_lipid表示表皮层油脂体积分数，

表示油脂吸收系数，

表示表皮层胡萝卜素浓度，

表示胡萝卜素吸收系数，

表示皮肤基线吸收系数。

进一步地，在步骤五中，所述方程为

其中，

表示真皮层吸收系数，表示真皮层水分体积分数，

表示水分吸收系数，f_blood表示血液体积分数，S_oxy表示血液中含氧血红蛋白体积分数即血氧浓度，c_blood表示血红蛋白浓度，

表示含氧血红蛋白吸收系数，S_deoxy表示血液中脱氧血红蛋白体积分数，

表示脱氧血红蛋白吸收系数，S_co表示血液中一氧化碳血红蛋白体积分数，

表示一氧化碳血红蛋白吸收系数，S_met表示血液中高铁血红蛋白体积分数，

表示高铁血红蛋白吸收系数，S_sulf表示血液中硫化血红蛋白体积分数，

表示硫化血红蛋白吸收系数，

表示真皮层胡萝卜素浓度，

表示胡萝卜素吸收系数，c_br表示胆红素浓度，

表示胆红素吸收系数，f_plt表示血液中血小板体积分数，

表示血小板吸收系数，H表示血液中血红蛋白体积分数，f_ela表示弹性蛋白体积分数，

表示弹性蛋白吸收系数，

表示皮肤基线吸收系数。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

第一，本发明通过光在皮肤中的传导分析，构建了皮肤光谱模型和皮肤参数数学模型，建立了皮肤光谱与皮肤生物学参数之间的联系。利用本发明的数学模型计算出的一组皮肤生物学参数仿真的虚拟光谱与实际光谱高度拟合，模型准确可靠。

第二，本发明相关的皮肤的光谱吸收相关的参数19个，表皮层黑色素体积分数、表皮层优黑素浓度、褐黑素浓度、表皮水分体积分数、表皮层油脂体积分数、表皮层胡萝卜素浓度、真皮层水分体积分数、血液体积分数、血液中含氧血红蛋白体积分数即血氧浓度、血红蛋白浓度、血液中脱氧血红蛋白体积分数、血液中一氧化碳血红蛋白体积分数、血液中高铁血红蛋白体积分数、血液中硫化血红蛋白体积分数、真皮层胡萝卜素浓度、胆红素浓度、血液中血小板体积分数、血液中血红蛋白体积分数、弹性蛋白体积分数。能够仿真皮肤光谱的细节，模拟真实的皮肤情况，精确度高，从而实现了皮肤生物学参数量化分析计算的目的，并可作为皮肤大数据的处理的基础。

第三，本发明所建立的皮肤表皮层、真皮层吸收系数与皮肤光吸收相关的生物学参数之间的数学模型中，引入了如下形式的“余量体积分数”进行归一化处理，使得在优化分析过程中能够得到合理的最优解。

该方法有3个作用：1、建立了皮肤某一吸收成分的体积分数对其他体积分数影响的数学关系，保证了皮肤各个吸收成分体积分数的物理约束；2、排除了搜索方向的矫正所造成的影响，保证了量化分析过程不会受到外部干扰；3、确保了皮肤光吸收相关的生物学参数量化分析结果的正确性。

第四，本发明的方法在可见光400-700nm的全波段内精确拟合，可以达到皮肤量化分析所需要的精度。

第五，本发明所基于的皮肤光谱信息可由无创的采集方式得到。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的结构图及具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

基于辐射传导理论方程应用的需要，本发明构建了在可见光(400-700nm，作用于人的皮肤深度最大4mm)作用下皮肤的四层结构(皮肤表面、表皮层、真皮层、皮下组织)模型，抽象了光的四种作用形式(反射、透射、吸收、散射)在皮肤四层结构模型上的辐射传导路径分析。综合形成了皮肤光谱与反射、吸收、散射、透射之间的光学分析模型。该模型有两个特点：1、在皮肤的结构模型中，将皮肤的表皮层、真皮层厚度作为结构变量，突出了这两个变量对光谱的影响；2、该模型涵盖了光与皮肤的四种作用形式，是完整的光学模型。

在现有技术中，辐射传导方程(RTE，Radiative Transfer Equation)，该理论叙述了电磁波在介质中传播时，电磁波会：在“吸收”(Absorption)中损失能量，在“激发”(Emission)中获得能量，在“散射”(Scattering)中重新分配能量。

电磁波在介质传播中，其在位置x沿方向

传播的能量可由辐射率

表示。一束沿

方向传播的能量在经过位置在x时，在经过一小段介质(dS(x))后，辐射率的变化量

可写为：

辐射传导方程为：

根据理论方程，建立皮肤中的光辐射传导方程，皮肤模型假设：

1)皮肤被抽象为多层结构，每一层拥有独立、多种吸收、散射介质；

2)皮肤在垂直于厚度延伸方向是无穷的，在平行于厚度延伸的方向可以有穷或无穷；

3)皮肤为平面平行结构，即皮肤的光学性质只在平行于厚度延伸方向改变，位于同一深度的皮肤的光学特性完全一致；

4)每层的散射、吸收介质都是均匀分布的，即皮肤任意一层中，任何位置的光学特性都完全相同，拥有相同的含量和吸收、散射系数；

5)皮肤中各种介质的吸收、散射均相互独立；

6)皮肤中散射介质为小尺度的胶原蛋白纤维及大尺度的胶原蛋白纤维束，其中小尺度胶原蛋白纤维的散射可以近似为球状瑞利散射，造成真皮层同时拥有球形瑞利和圆柱形米氏散射。

本发明利用数学模型计算人皮肤与光吸收相关的生物学参数的方法，需要先建立皮肤光谱的模型，利用光谱特征和在皮肤表皮层、真皮层中与光吸收有关的13个生物学参数之间建立关联从而建立数学模型，实现对上述参数的定量分析。

实施例1

皮肤光谱的模型的步骤包括步骤一至三：

步骤一 根据可见光照射皮肤时吸收、反射、散射、透射的特征，将皮肤从上之下抽象为皮肤粗面层、皮肤表皮层、皮肤真皮层、皮下组织层四层。

表面层：无实际厚度，无限薄，位于最外层，上与外界环境、下与表皮层相连；

表皮层：为皮肤实际的第一层，拥有有限厚度，上连粗糙表面层、下与真皮层连接；

真皮层：为皮肤实际的第二层，拥有有限厚度，上连表皮层、下与皮下组织连接；

皮下组织层：皮下组织拥有无穷厚度，并不描述任何组成，其作用为吸收所有进入从真皮层透射进入皮下组织的光。

步骤二 根据皮肤表皮层的吸收、散射、反射、透射特征，建立皮肤表皮层中光反射和光透射方程，计算在皮肤表皮层中的吸收系数。

表皮层能够对进入该层的光吸收和散射，该层厚度会对在传播中光被吸收、散射的总量造成影响，且光从何层进入表皮层也会对该层反射、透射造成影响，故该层的反射、透射率的计算需要同时计算上照明(光从空气进入，+号表示)和下照明(光从真皮层进入，-号表示)两种情况：

公式(3)，其中

为表皮层吸收系数，

为表皮层散射系数，d_epi为表皮层厚度，L_air→L_epi代表光从空气中进入表皮层。

公式(4)，其中

为表皮层吸收系数，

为表皮层散射系数，d_epi为表皮层厚度，L_derm→L_epi代表光从真皮层中进入表皮层。

步骤三 根据皮肤真皮层的吸收、散射、反射、透射特征，建立皮肤真皮层中光反射和光透射方程，计算在皮肤真皮层中的吸收系数。

真皮层也会对进入的光吸收和散射，真皮厚度对光被吸收、散射的总量造成影响，但由于假设了进入皮下组织的光完全被吸收，不会回到真皮层，故不用考虑下照明(光从皮下组织进入)以及真皮透射，公式如下：

公式(5)，其中

为真皮层吸收系数，

为真皮层散射系数，d_derm为真皮层厚度，L_epi→L_derm代表光从表皮层中进入真皮层。

实施例2

由皮肤的假设可知，皮肤中各个吸收成分相互独立，因此吸收系数可以表示为每个成分吸收的线性组合。

步骤四 建立表示在皮肤表皮层中的所述吸收系数与表皮层黑色素体积分数、表皮层优黑素浓度、表皮层褐黑素浓度、表皮层水分体积分数、表皮层油脂体积分数、表皮层中胡萝卜素浓度之间关系的方程。

表皮层吸收系数与对应成分参数的数学关系可以如下：

公式(6)，其中

表示表皮层吸收系数，f_me表示表皮层黑色素体积分数，c_eu表示表皮层优黑素浓度，

表示优黑素吸收系数，c_ph表示褐黑素浓度，

表示褐黑素吸收系数，

表示表皮水分体积分数，

表示水分吸收系数，f_lipid表示表皮层油脂体积分数，

表示油脂吸收系数，

表示表皮层胡萝卜素浓度，

表示胡萝卜素吸收系数，

表示皮肤基线吸收系数。

步骤五 建立表示在皮肤真皮层中的所述吸收系数与真皮层水分体积分数、血液体积分数、血红蛋白浓度、血液中氧化血红蛋白体积分数、血液中脱氧血红蛋白体积分数、血液中一氧化碳血红蛋白体积分数、血液中高铁血红蛋白体积分数、血液中硫化血红蛋白体积分数、真皮层胡萝卜素浓度、真皮层胆红素浓度、血液中血小板体积分数、血液中血红蛋白体积分数、真皮层弹性蛋白体积分数之间关系的方程。

公式(7)，其中

表示真皮层吸收系数，

表示真皮层水分体积分数，

表示水分吸收系数，f_blood表示血液体积分数，S_oxy表示血 液中含氧血红蛋白体积分数(血氧浓度)，c_blood表示血红蛋白浓度，

表示含氧血红蛋白吸收系数，S_deoxy表示血液中脱氧血红蛋白体积分数，

表示脱氧血红蛋白吸收系数，S_co表示血液中一氧化碳血红蛋白体积分数，

表示一氧化碳血红蛋白吸收系数，S_met表示血液中高铁血红蛋白体积分数，

表示高铁血红蛋白吸收系数，S_sulf表示血液中硫化血红蛋白体积分数，

表示硫化血红蛋白吸收系数，

表示真皮层胡萝卜素浓度，

表示胡萝卜素吸收系数，c_br表示胆红素浓度，

表示胆红素吸收系数，f_plt表示血液中血小板体积分数，

表示血小板吸收系数，H表示血液中血红蛋白体积分数，f_ela表示弹性蛋白体积分数，

表示弹性蛋白吸收系数，

表示皮肤基线吸收系数。

校验的步骤，将步骤四、步骤五中计算的生物学相关参数与样本实际的生物学相关参数比较，求拟合度，判断所述计算皮肤与光吸收相关的生物学参数的方法是否精确。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1. 一种利用数学模型计算人皮肤光吸收相关的19个生物学参数的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

   步骤一 根据可见光照射皮肤时吸收、反射、散射、透射的特征，将皮肤从上之下抽象为皮肤表面层、皮肤表皮层、皮肤真皮层、皮下组织层四层；

   步骤二 根据皮肤表皮层的光吸收、反射、散射、透射的特征，建立在皮肤表皮层中光反射和光透射方程，计算在皮肤表皮层的吸收系数；

   步骤三 根据皮肤真皮层的光吸收、反射、散射、透射的特征，建立在皮肤真皮层中光反射方程，计算在皮肤真皮层的吸收系数；

   步骤四 建立表示在皮肤表皮层中的所述吸收系数与表皮层黑色素体积分数、表皮层优黑素浓度、表皮层褐黑素浓度、表皮层水分体积分数、表皮层油脂体积分数、表皮层中胡萝卜素浓度之间关系的方程；

   步骤五 建立表示在皮肤真皮层中的所述吸收率与真皮层水分体积分数、血液体积分数、血红蛋白浓度、血液中氧化血红蛋白体积分数、血液中脱氧血红蛋白体积分数、血液中一氧化碳血红蛋白体积分数、血液中高铁血红蛋白体积分数、血液中硫化血红蛋白体积分数、真皮层胡萝卜素浓度、真皮层胆红素浓度、血液中血小板体积分数、血液中血红蛋白体积分数、真皮层弹性蛋白体积分数之间关系的方程。
2. 根据权利要求1利用数学模型计算人皮肤与光吸收相关的生物学参数的方法，其特征在于：所述方法还包括步骤六，将步骤四、步骤五中计算的生物学相关参数所虚拟的皮肤表皮层、真皮层吸收系数与从皮肤测量的光谱所解析出的表皮层、真皮层吸收系数拟合。
3. 根据权利要求1利用数学模型计算人皮肤与光吸收相关的19个生物学参数的方法，其特征在于：在步骤二中，所述在皮肤表皮层中光反射和光透射的方程为

   

   和

   

   其中，

   

   为从空气进入表皮层的光反射率，

   

   为从空气进入表皮层的光透射率，

   

   为从真皮层进入表皮层的光反射率，

   

   为光从真皮层进入表皮层的光透射率，σ_α ^epi为表皮层吸收系数，

   

   为表皮层散射系数，d_epi为表皮层厚度，L_air→L_epi代表光由空气进入表皮层，L_derm→L_epi代表光由真皮层进入表皮层。
4. 根据权利要求1利用数学模型计算人皮肤与光吸收相关的19个生物学参数的方法，其特征在于：在步骤三中，所述在皮肤真皮层中光反射方程为

   

   其中，

   

   为从表皮层进入真皮层的光反射率，

   

   为真皮层吸收系数，

   

   为真皮层散射系数，d_derm为真皮层厚度，L_epi→L_derm代表光由上方表皮层进入真皮层。
5. 根据权利要求1利用数学模型计算人皮肤光吸收相关的19个生物学参数的方法，其特征在于：在步骤四中，所述方程为

   

   其中

   

   表示表皮层吸收系数，f_me表示表皮层黑色素体积分数，c_eu表示表皮层优黑素浓度，

   

   表示优黑素吸收系数，c_ph表示褐黑素浓度，

   

   表示褐黑素吸收系数，

   

   表示表皮水分体积分数，

   

   表示水分吸收系数，f_lipid表示表皮层油脂体积分数，

   

   表示油脂吸收系数，

   

   表示表皮层胡萝卜素浓度，

   

   表示胡萝卜素吸收系数，

   

   表示皮肤基线吸收系数。
6. 根据权利要求1利用数学模型计算人皮肤与光吸收相关的19个生物学参数的方法，其特征在于：在步骤五中，所述方程为

   

   其中，

   

   表示真皮层吸收系数，

   

   表示真皮层水分体积分数，

   

   表示水分吸收系数，f_blood表示血液体积分数，S_oxy表示血液中含氧血红蛋白体积分数即血氧浓度，c_blood表示血红蛋白浓度，

   

   表示含氧血红蛋白吸收系数，S_deoxy表示血液中脱氧血红蛋白体积分数，

   

   表示脱氧血红蛋白吸收系数，S_co表示血液中一氧化碳血红蛋白体积分数，

   

   表示一氧化碳血红蛋白吸收系数，S_met表示血液中高铁血红蛋白体积分数，

   

   表示高铁血红蛋白吸收系数，S_sulf表示血液中硫化血红蛋白体积分数，

   

   表示硫化血红蛋白吸收系数，

   

   表示真皮层胡萝卜素浓度，

   

   表示胡萝卜素吸收系数，c_br表示胆红素浓度，

   

   表示胆红素吸收系数，f_plt表示血液中血小板体积分数，

   

   表示血小板吸收系数，H表示血液中血红蛋白体积分数，f_ela表示弹性蛋白体积分数，

   

   表示弹性蛋白吸收系数，

   

   表示皮肤基线吸收系数。