1、北京工业大学硕士学位论文皮肤肤色检测与评价系统姓名：李琳申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：蒋大林20080501摘 要摘 要皮肤颜色评价在医疗保健中具有重要的作用，对于皮肤疾病诊断、化妆品效果量化分析都具有重要的指导意义，皮肤颜色的变化能够反映皮肤屏障的完整性、皮肤的敏感性，并有助于判断祛斑美白化妆品的功效，色素紊乱性疾病的疗效。本课题涉及到了皮肤医学，组织光学，色度学，数理统计和计算机科学多门学科的知识。首先对目前肤色检测的现状进行研究，对存在的不足及问题进行分析，明确本课题的研究目的及方向，并找到了可行的研究方案。本课题采用了图像处理、数据拟合等方法，对采集到的皮肤图像进行分
2、析，研究基于图像样本的肤色值L+a*b+的提取过程：通过宣武医院所提供的VISIA皮7肤测试仪系统得到的在同一环境下的像素为1280“960的BMP图像，提取相应的分光光度计CM2600d探头覆盖的8mm直径区域的RGB值，对应分光光度计CM一2600d已测得的CIE L+a*b+值，即以对同一样本的所测L+a*b+值为标准做色彩空间转化，采用了经验方法中常用的3DUJT查找表法、神经网络、多项式回归算法等方法，对其进行分析比较，得到在肤色颜色空间内的转化模型。 。在皮肤肤色的评价工作中，考虑到皮肤的肤色在很大程度上是与被测试者的年龄、皮肤弹性等其他参数相关，希望找出其间的相关性。对此，将测试
3、样本以年龄分组，研究肤色与年龄的相互关系，各个不同的年龄段有各自的评价标准，结合弹性特征给出更加完善的评价。关键词皮肤肤色；CIE L*a*b+；色彩转换北京工业大学工学硕士学位论文AB STRACTSkin color Assessment plays an important role in medical careIt also has theimportant guiding sense regarding the diagnosis of skin disease and the quantitativeanalysis of cosmetic effectBecause the c
4、hange of skin color Can reflect the integralityof demlal b烈订er and the sensitivity of skin，and it is helpful for estimating theefficacy ofthe cosmetic as well as the diagnosis and therapy ofpigmentarydermatosisThis system uses the methods of image processing and data fitting to analyze thecaptured s
5、kin image and research the extraction of skin L+a*b+value of image samplesIt relates to the color space conversion based on skin color which means thecorersion process from RGB value of BMP image to CIE L+a*b+valueBy using theVISIA Complexion analysis system，we get the 1 280木960 BMP images under the
6、 lightsource of halogen lamp，and we get the RGB value of a region whose diameter is8nHn measured by Minolta Chromameter CM一2600DIt means that we fit data ofLa、+value舶m me same sampleComparing with-3 D lookup table method，neuralnetwork model and polynomial regression algorithm，we find out the convers
7、ionmodel of skin color spaceBecause of skin color related with testeeS age，skin elasticity and etc，it IS veryirnport姐t to find out the relationshipSo we fit data measured by VISIA system，andfind out the童r correlation related the age with the parameters and different standards ofdifferent age section
8、s which make the result more perfect by combining skin colorKeywords：skin color，CIE L+如+，Color Conversion独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得jE塞王些太堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。关于论文使用授权的说明瑚穸本人完全了解jE塞工些太堂有关保留、使用
9、学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：弛导师签名：第1章绪论第1章绪论11皮肤测量的医学应用及意义对人的皮肤肤色的测定，过去往往认为对彩色电视、摄影、印刷、照明的进行彩色评定方面都有着重要意义，这是因为人物肤色的再现情况明显影响到银幕及画面的效果。然而除此之外，目前的皮肤颜色评价在医学保健中的重要性越来越被重视了起来，肤色的定量检测对于皮肤疾病诊断、化妆品效果的分析都具有重要的指导意义，皮肤颜色的变化能够反映皮肤屏障的完整性、皮肤的敏感性【1】，
10、并有助于判断祛斑美白化妆品的功效，色素紊乱性疾病的疗效【2】，因此，对皮肤颜色进行无创性客观定量评价在皮肤科临床和美容护肤工作中具有重要意义。111皮肤色度测量与整形外科长期以来，在皮肤科学领域，医生主要靠视觉直观地鉴别肤色，对皮肤病变部位的颜色变化不能十分准确的表达出来。对于难以形容的各种各样的肤色，皮肤科医生也只能根据经验进行诊断。在诊断和治疗效果的评价方面，皮肤科医生即使很熟练，但也只能主观地做出判断，缺乏客观性和科学性。整形外科在行植皮及远位皮瓣转移术时要选择与受区颜色相近的供皮区，临床上多根据实践经验和目测标准进行选择，常因肤色不配，而影响美观。色度测量的应用为临床提供了一个准确客观
11、的标准。应用色度测量选择颜色匹配的皮肤修复面部皮肤缺损其意义重大，经测量足背及前臂的皮肤与面部皮肤的色差最小，即肤色最接近躯干处次之，下肢的最大；乳房重建时Tram皮瓣与乳房皮肤的色差比上肢皮瓣的色差小。用色度计CM测量15例健康人的面部皮肤颜色，并在色度仪控制下复制硅胶假体，得到非常匹配的肤色效果。112皮损修复面颌部不但担负着重要的生理功能，而且还构成人体个性化容貌颜色特征，但外伤或畸形等因素均可导致面颌部缺损，从而严重影响患者的身心健康。面颌部缺损赝复体修复的目的在于通过修复体仿真模拟缺损区域的形态和色泽来修复面部缺损，其中颜色的选择和匹配是修复成功的关键31。通过色差仪定量分析北京T业
12、大学工学硕+学位论文汉族、藏族和羌族人群的正常额面部肤色，对不同民族的肤色特性进行比较性研究，拟为颌面部缺损修复的选色和配色提供理论依据，同时，也为开发适合于中国人肤色的赝复体材料奠定基础。另外通过用一个二极管阵列的分光光度仪即色差仪判断皮肤颜色与皮肤瘀伤出血部位深浅的关系，发现近皮肤表面的瘀伤a值升高，深层的瘀伤b+降低。对光电检测技术测量瘢痕的色度做了初步研究，温哥华血管分布指数分别与色调、饱和度显著相关，用色调值和饱和度值可以反映瘢痕的血运状况，从而为皮损修复打下坚实的基础。113美白护肤化妆品的开发美白化妆品是指通过作用于皮肤黑色素的形成、代谢途径的某个阶段，控制、抑制黑色素生成，从而
13、降低皮肤色度或减轻色素沉着，以达到皮肤美白为目的韵天然或人工合成的化学物。近年来随着经济的发展和生活水平的提高，人们越来越重视皮肤的自然美白，从而使美白化妆品市场日趋活跃，产品销售与日俱增，已成为护肤化妆品的主流品种之一。通过色差仪的测量我们采用国际照明委员会(C)规定的色度系统(CIE Lab色度系统)测量皮肤颜色的变化，研究我国黄色人种在使用美白化妆品后肤色的变化情况，为完善我国美白化妆品效果评价方法提供科学依据。114色素紊乱性疾病的检测和疗效评价对国人各种色素性疾病的类别和病情的轻重的诊断，临床医师只能靠眼观、手摸，凭借自己的经验判断，缺乏科学性和客观性，而仅凭经验来选择各种复杂的激光
14、参数进行临床治疗也导致了临床治愈率各耳、相同，增加了额外的损伤，且易出现并发症。因此，研究黄色人种各种色素性皮肤疾病的光学特性对疾病准确诊断、细化分类、正确选择激光类型及参数匹配，提高治愈率，减少并发症均有重要意义。12现有的肤色数据采集方法及应用121主观测量法 主观测量法是指皮肤颜色主要通过观察者肉眼观察来进行描述，我们这样的方法统称为主观观测法，主要分为以下四种：形容词比较法【4】：其特点是用形容词将皮肤颜色分成若干等级如：白色、黄色、黑色、棕色等进行肤色描述。第1章绪论肤色模块比较法如Luschan肤色模块，由36个不】司颜色的色块组成，按色块编号可将肤色归纳为5级。Lemon在制作面
15、部聘复体时采用 套肤色比色块系列控制其颜色的稳定。r进两种方法易受观察者生理、一0理及外界环境等幽素影响现在己较少使用。FitzpatrickPathak应肤分型这种对皮肤的分类方法多用对姜白护肤品的临床评价，Ll区分不同种类型皮肤的不同反应，此种分类枷i准多用f】l*床观察基于皮肤的医学组，描进皮肤黑红色斑的形成机制，其体皮肤分型参见表1-1：表1-1 Fitzpatrick Pafllak皮肤分犁皮肤类型 同晒红斑 日晒黑化 未曝光医肤色1 极易发生 从不发生 白色II 容易发生 轻微 白色I 有时按生 有时 n色 很少发生 中度 白色V 罕见发生 呈棕红色 棕色 从珂i发生 呈黑色 黑色
16、盂塞尔(MunselIAM)颜色系统：由美国艺术家MunsclI发明，目前较为广泛采用。改系统用颜色立体模型作为分类和标定表面颜色的方法；用一个三维类似球体的空间模型把表面颜色的3种特性明度(Value，V)、色调(Hue，H)、饱和度(Chrome，C)全部表示出来。按照明度，色调和饱和度三方面顺序组成一个编号，记录形式为HVC。市体模型中的每部分各代表种特定颜色，如幽卜1所示：图1-】盂塞尔颜色立体模犁盂塞尔立体模型中中央轴代表无彩色黑白系列的明度等级，黑色在底部，白色在顶部，将理想白色定为10，理想黑色定为0。颜色样品离开中央轴的水平距北京T业大学T学硕十学位论文离代表饱和度，称为孟塞尔
17、彩度。中央轴上的中性色彩度为O，离开中央轴愈远，彩度数值愈大。色调是彩色彼此相互区分的特性，孟塞尔颜色立体模型水平剖面上表示有10种基本色，它含有5种原色：红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)、紫(P)和5种间色：黄红(YR)，绿黄(GY)、蓝绿(BG)，紫蓝(PB)、红紫(RP)。在上述10种主要色的基础上再细分为40种颜色趔。孟塞尔颜色系统是以人的视觉的色彩感觉为基础的，孟塞尔参考值受人的视觉色彩感觉影响。由于每个人的感觉和认识不一致，做出准确的定量分析似乎很困难。但是，在颜色样品的对比中，通过感觉的差异和色度坐标乃至孟塞尔参考值之间的差异来识别色彩视觉的差异，能够提高人们对颜色的识别水
18、平。孟塞尔颜色系统已成为国际上公认的彩色表示方法。122客观测量法客观测量法主要利用皮肤肤色测量仪器来测定皮肤颜色，以数据的形式表示皮肤颜色，可消除人为因素的影响。所测定皮肤肤色的数据为临床诊断和治疗提供了科学依据，这对提高皮肤病的诊疗水平具有重大的意义。与主观测量方法相比较，客观测量法以数据的形式表示皮肤颜色，结果相对更精确，且可比性和重复性好。目前有很多客观、定量测量皮肤颜色的仪器，如三刺激值色度仪、窄谱简易反射分光光度计、扫描式反射光光度计及数字成像系统等。在上述仪器中，除数字成像系统外，其他仪器的基本原理都是基于检测皮肤对每一波长光的反射光谱的研究【51。三刺激值色度仪三刺激值色度仪用
19、可见光照射皮肤表面，然后逐点测量反射率，获得被测皮肤表面的分光光度曲线，将测得值转换成颜色空间系统值CIE XYZ或CIELa b+。在-N激值色度仪中皮肤颜色测量最普遍使用的是分光光度计Chromameter CR系列(如CR一200，CR300等)和CM系列(CM2600d，CM2500d等)。仪器使用脉冲氮弧光灯，收集与皮肤表面垂直的反射光进行三色分析，并将其转化为L，a+，b+值。CM 2600d的测量直径有8mm和3mm两种，CM 2500d的只有3mm一种。r值主要受黑色素含量影响，黑色素含量越高，r值越小。r值还与血红蛋白的量有关，受毛细血管充盈度影响，特别是当血氧饱和度较低时这
20、种影响会更明。a值的来源主要是真皮中的血红蛋白，皮肤越红润，a+值越高，此外，a值也受黑色素的影响。a+值主要反映皮肤的黄色程度。测量方法：每次开机进行白色校正后，将样品测量口垂直紧贴待测皮肤，启动测量按纽，内置光源发光，几秒钟后显示屏出现结果。第1章绪论窄谱简易反射分光光度计窄谱简易反射分光光度计是根据黑色素和血红蛋白的吸收光谱不同而选择特定波段光，根据对特定波段光的吸收和反射的量计算黑色素和血红素值。窄谱简易反射分光光度计包括：红斑测量仪Erythema Meter、皮肤分光计DermaSpectrometer、皮肤黑色素和血红索测量仪Mexameter等。例如Mexameter MXl
21、6内置16根特定波长的二极管，在568nm(绿色)，660nm(红色)，880nto(红外线)波段循环发光。并有一个光电探测器测量皮肤表面的反射光。根据在0-880nm之间被吸收和反射的光的密度计算出黑色素值M。血红素值E则是根据568660nm之间被吸收和反射的光计算出来。测量方法：接触皮肤表面的探头通过弹簧在皮肤表面施加一个持续的压力，皮肤测量区域的直径为5mm。仪器校正使用的是一个白色和黑色的校正盘。测量值越大，说明皮肤中黑色素和血红素的含量越高。另一仪器皮肤分光计Derma Spectrometer的二极管则在568nm(绿色)，655nm(红色)波段循环发光。这种仪器建立在同样的光学
22、理论基础上，分别计算黑色素、血红素对绿光和红光的吸收和反射比例得到黑色素M和血红素值E。测量方法同上。皮肤测量区域直径为6mm。三刺激值色度仪与窄谱简易反射分光光度计是目前应用最多的皮肤颜色测量仪6】。Clarys等用分光光度计Chromameter CR200(Minolta)、皮肤黑色素和血红素测量仪Mexameter MXl6(CourageKhazaka)及皮肤分光计DermaSpectrometer三种仪器对欧洲人肤色进行测量，结果发现上述仪器在同一时相和不同时相测量时重复性都较好【71。在人体试验中都较体外标准色板上测定的变异系数要大，其原因可能是标准色板性质稳定而人体易受各种因素
23、例如血管舒缩以及血流变化的影响【8】。程英，王学民等利用分光光度计CR200(Minolta)及皮肤黑色素和血红素测量仪Mexamete MXl6(CourageKhazaka)，Mexameter MXl 8(CourageKhazaka)三种仪器对中国人皮肤颜色测量发现，三种仪器的测量范围较广，能准确表示各种颜色【91。L与M呈负相关，但这种相关性并不表示L等同于M。a_与E呈正相关，有很好的相关性，但a-值更易受血管舒缩和血流变化的影响【10】。扫描分光光度仪此仪器非常昂贵，笨重，不宜携带，不适用于临床工作。它们主要用于基础的实验室研究。数字成像系统由光源、数字摄像头、图象分析软件等组成
24、，可定量分析皮肤颜色。利用图像处理的方法来评估肤色信息，是利用CCD获取皮肤表面某个区域的图像，图像经图像采集卡传入PC机，PC机直接对皮肤表面的图像进行分析和定量描述。北京丁业大学T学硕士学何论文这是由Rossotti与Angelopoulou分别在1983和1999年的研究证明了在生物和物理上肤色分布的一致性，表明不同人种的肤色在色调上是一致的，并且彼伏的饱和度特征相对稳定。不同种族不同个体的人的肤色能在颜色空间中聚成单独的一类，影响皮肤肤色值变化的最主要因素是亮度，就是说亮度皮肤肤色的色度空间具有一致性，亮度信息在某种意义上可以来反映皮肤肤色，亮度所反映的是人眼对物体表面的明暗感觉。这种
25、方法多用于分析红斑等面部色素沉着点的客观测量，以及面部局部损伤的诊断和修复分案的实施。而图像分析技术最早是应用于皮肤的粗糙度的测量，皱纹的数量、长度、宽度的分析【l。基于电镜超微结构观察对于不同种族、性别皮肤颜色的差异主要却绝于表皮中黑素细胞的活性、黑素体的大小、黑素体内合成的色素多少，以及色素颗粒在角质形成细胞内的分布和分解的速度【121。而黑素细胞的数量并无明显差别，但不同个体或同一个体不同部位则差别较大。利用表皮分离一多巴站色的方法，对正常人不同部位表皮采集新鲜的标本浸于10M Nacl液中24小时，置于01DopaPBS液中，经37温箱内孵化4小时，冲洗后固定于10中性缓冲福尔马林液中
26、，各级酒精脱水，二甲苯透明后，常规数值封片用光学显微镜下计算每平方毫米的黑素细胞数量，观察发现在不同年龄和不同性别下分布无显著差异(PO5)，而在不同部位的黑素细胞数量存在显著差异(PO01)，来自面额部和上肢前臂的皮肤标本中黑素细胞最多，驱干及下肢皮肤的黑素体较少。13目前主要仪器产品采集及结果参数目前，测色仪器主要有光谱光度测色仪器和光电积分测色仪器。光谱光度测色仪器主要由单色仪和探测器两部分组成，通过对皮肤进行光谱光度测量，测得其光谱反射率因数，再选用CIE推荐的标准照明体和标准观察者，经积分计算求得颜色的三刺激值、色度坐标和可见光波段内的反射光谱【131。单色仪起分光作用，有棱镜单色仪
27、和衍射光栅单色仪两种。目前。光谱光度测色仪有日本的CM 2600d和CM 2500d(美能达公司生产)两种、英国的EEL(ES公司生产)及美国的Microflash 200D(DATACoLOR公司生产)。CM系列测量波长为360“-740nm。CM 2600d的测量直径有8mm和3mm两种，CM 2500d的只有3mm一种。Microflash 200D光谱光度计测量波长为400“-700nm。这些仪器采用脉冲氙气灯或卤素灯的白光源作标准。发射光谱覆盖整个可见光谱，测量波长间隔为10nm。仪器根据反射光谱每段波长的三刺激值积分得出整个反射光谱的三刺激值，进而计算出L。a*b+值。这些仪器反应
28、灵敏，重复性好，存储量大，有十余种表色空间，有标准RS 232C接口可与电脑连接，并可显示反射光谱和进行颜色第1章绪论仿真重建，但仿真的效果较差。光电积分测色仪是利用具有特定光谱灵敏度的光电积分元件，根据与颜色成比例的仪器响应数值计算得出物体色的三刺激值或色度坐标。这类仪器包括光电色度仪和色差仪。目前，光电积分测色仪主要是美能达公司生产的系列仪器和美国印第安纳UM电子公司生产的Photovolt Colorwalk色度仪。前者采用脉冲氤气灯作发射光源。有两个系列：(L)CR 200色差仪，测量直径为8mm，有五种表色系；cR 300的系列色差仪，如CR 300，CR 310，CR 321，CR
29、331，CR331C等，测量所得直径分别为8mm、50mm、3mm、25mm、25mm。适于测量皮肤颜色的是CR 300。CR 300系列亦有五种表色系，并配有标准RS 232C接口可与电脑连接。Photovolt Colorwalk色度仪采用卤素灯作发射光源，有CIE Lab表色系统，这类仪器没有单色仪，不能显示反射光谱和进行颜色仿真，而且病变面积小于探头直径时如色素痣等，测量结果就不准确。目前国内外研究的现状是：1、针对皮肤肤色指标的研究刚刚起步。医学界对皮肤起出一些可供参考的健康指标，如皮肤的皮脂厚度、内部微循环、弹性、水分、黑色素、粗糙度、致密度等，根据此类指标出现了多种传感器。近年来
30、，在皮肤指标中出现的光线传感技术颇为引人关注，所出现的德国的肤色测量仪是其代表，分别能测量皮肤的黑色素、红色素的含量，对皮肤状况作出准确的评价。据了解，目前国内外尚缺少基于光学技术的医学美容临床治疗的辅助检测平台，因此这项研究具有广阔的发展前景。2、在国内，针对无创检测肤色数据的方法有待于开发。长期以来，对皮肤组织及其它生物组织的光学特性的研究大都局限于离体生物组织标本，试图通过离体组织的测量结果研究活体组织的光学特性，积累了较多的数据，并根据这些数据建立了相应的数学模型【141。但是，这些研究只具有理论意义，没有明确的实用价值。由于受技术条件及理工与医学专业合作的限制，实施活体检查一直很难，
31、活体组织的研究结果极少，国内刚刚开始角膜等透明组织的研究，且仅处于实验阶段，国外则局限于皮肤组织的光学成像或断层层析(OCT)，真正研究活体皮肤组织的光谱学研究极少。3、黄种人的肤色数据库有待于完善，严重影响了国人对肤色评价工作的进行。因为肤色测量在欧美国家开始的比较早，已经建立了相对完整的肤色数据系统【15】，现有的研究数据主要来自对白色人种或黑色人种研究的结果，对黄色人种的研究成果较少。由于黄色人种与白色、黑色人种的皮肤组织成分不相同，所以对光的吸收及敏感性有明显的差别在长期的临床治疗中发现，黄种人适用的治疗北京上业大学工学硕士学位论文手段及参数与白种人相差较大。根据国外引进的激光治疗机的
32、配套治疗参数对黄种人进行治疗，往往是不合适的，因此有必要开展黄种人皮肤色色度值分布的进一步的研究；确定黄种人皮肤色素性疾病的色度分布范围，来指导激光医学美容的临床治疗以及在医学美容临床治疗中给出合理的评价依据。14问题的提出及课题工作的重点1 41现有设备条件本课题是在北京宦武医院提供的美国VISIA皮肤测试仪及日本美能达分光光度计CM-2600d的基础上展开的研究。(1)美国VISIA皮肤测试仪简介VISIA皮肤测试仪如图12所示，能对面部皮肤特征进行定量分析的仪器，对不同年龄层肌肤进行分组检测，运用光谱成像技术，运用Mirror医学成像系统、循环面部摄影技术和小型放大镜工具，定量分析色斑、
33、毛扎、皮肤平滑度、皱纹、卟啉、光损伤，可以评估皮肤表面皱纹、平滑程度、色素等情况并做出分级，并与同年龄及同样皮肤类型的其它人的皮肤进行比较，可以定量显示治疗效果为医疗和商务人士提供更加清楚，容易理解的报告，以此来更加有效的推销皮肤治理方法和提高病人的治疗效果，如下陶】一3所示。固1-2设备的外观图)lF：B一挲F jF，。医一心、7一徭：、。一 。一图14美能迭分光光度计CM 2600fll 42问题的提出及课题工作的重点本课题的主要工作重点将集中在肤色测量和肤色评价两个方面。肤色测量方面VISlA系统所能得出的皮肤指标中不包括皮肤肤色的测量结果，而美能达CM一2600d只能对孔径8mm皮肤面
34、积给出评价。从其照片中得到皮肤的CIE规定的肤色评价标准参数Lab，即在皮肤肤色颜色空间内，建立并实现图像RGB到CIE Lab的色空间转化模型将是本课题工作的重点。实际应用中问题的提出：基于VISlA皮肤测试仪所得到的数字图像并不是在C堆所规定的标准照明和观测条件下所得到的，因此，图像的RGB和CIE空间中Lab+没有存在直接对应关系，呈复杂的非线性关系，转换中会存在很大误北京工、Jk大学T学硕十学位论文差，其计算模型如下图15所示。丁在图像样本中获取La+b+的数学模型图1-5皮肤测量计算模型 。最后，VISIA系统是基于人脸中被圈定的区域(占人脸的较大部分区域)进行的描述评价的，而分光光
35、度计只能对于探头所覆盖的面积进行描述，相比较而言对人脸的大面积描述对美容效果评价更具有指导意义，因此，完成图像RGB到CIE L+ab+的转换后可以得到的对整个人脸的肤色检测也是本课题的任务之一。总结：这两种仪器各有可互相参考的依据，在下面工作的重点中将为对VISIA图像的RGB数值以基于同一部位ra、+数值为依据，建立两种颜色空间的转换模型，通过多项式拟合、神经网络等方法找到二者的最佳转换方案，并可以对人的面部皮肤给出基于L+ab+的数据评价。 肤色评价方面测量1 00名北京地区健康汉族女性面部皮肤先对样本进行描述性分析(Descriptive)，观察所测部位皮肤颜色值变化范围。再采用比较均
36、数(Comparemearls)对不同年龄皮肤颜色进行比较。最后用相关分析仪器参数(皮肤弹性等)与皮肤颜色的相关性及参数间的相关性比较。21概论第2章理论研究在本课题中涉及到了医学、组织光学的众多知识，在这一章中，将对这些知识给出简要的说明解释：从医学上看，皮肤的内部组织构成以及皮肤肤色的构成，有助于对肤色检测结果进行医学解释，达到我们肤色检测的最终目的；组织光学是近几年的新型交叉学科，研究了光在皮肤中的传播，光照射正常皮肤后的反射光携带了反映皮肤组织内部成分构成的重要信息，为肤色的检测和研究提供了实践依据和理论基础。22皮肤肤色构成的医学理论基础221皮肤构成皮肤是人体最大的器官【l“，占人
37、体体重的46，成人皮肤的面积为1 22 Om2。在全身各部位的皮肤厚度不同，一般厚度为0 54 Omm。最薄处为上眼睑，最厚处为背部正中线、手掌和足底。人类皮肤如下图21所示一般分为两层：表皮和真皮；真皮下是皮下组织层，皮下组织与骨骼之间由肌肉层连接。因此皮肤及皮下组织具有较明显的分层结构特性： 5秀骥；。；，孟图2-1皮肤及皮F组织解剖结构示意图1表皮层(印1dctms)：起源于外胚层，是皮肤表层的上皮细胞。主要由角脘细胞、树枝状细胞及迈克尔细胞组成。表皮中没有血管，分为角质层、透明层、北京丁业大学工学硕士学位论文颗粒层、棘状层和基底层。身体各部位的表皮厚薄不等，一般为O07012ram，以
38、手掌和足底的表皮最厚。表皮基底层为一层低柱状细胞，细胞间散在有黑色素细胞，内含黑色素颗粒。黑色素颗粒的多少决定着皮肤颜色的差异，男性皮肤的黑色素的含量要较女性为高，黄种人和白种人皮肤中的黑色素细胞主要存在于基底层中，而黑种人则几乎密集分布于表皮各层。皮肤颜色主要由黑色素、血红蛋白、胡萝b素、胆色素和角质层厚度等因素决定。2真皮层：位于表皮之下，由结缔组织组成，真皮又可分为浅在的乳头层和深在的网状层。乳头层主要由乳头体和网状胶原纤维组成；而网状层主要由胶原纤维构成网状纤维结构。和表皮相比，真皮层细胞含量少，主要是结缔组织，包含胶原(占真皮干重70)、网状、弹性纤维。胶原纤维束之间由特殊透明物质组
39、成，称为间质。纤维和间质构成皮肤的支柱和框架。弹性纤维和胶原纤维混杂在一起，它使皮肤有弹性。网状纤维是纤细的胶原纤维。除了纤维组织，真皮里还有血管和淋巴管，为皮肤提供血液和营养，并运走废料。3皮下组织层：皮肤借皮下组织与深部相连，皮下组织由疏松结缔组织和脂肪组织构成，使体表的浅筋膜与深筋膜或骨膜结合起来。皮下组织还含有皮下血管和神经主干、神经末梢、毛囊和皮脂腺等。222肤色的构成 一正常人皮肤的颜色主要由两个因素决定【r7】(1)皮肤内各类色素的含量与分布状况，主要包括黑素(优黑素和褐黑素)、胡萝b素及血液内氧合血红蛋白与还原血红蛋白等；(2)光线在皮肤表面的吸收、散等光学因素，影响因素包括皮
40、肤表面的粗糙程度、表皮的厚度及照射在皮肤表面的光源等。在皮肤各类色素中黑素是决定皮肤颜色的主要因素。黑素位于表皮，。是由黑素细胞形成并转运到表皮细胞的，包括优黑素和褐黑素两种。优黑素表现为深棕色，褐黑素表现为黄色到红褐色的相对变化。目前相关研究发现不同种族的人群，色素沉积的程度也不同，其差别主要是产生各种黑素的量及分布不同，而不是黑素细胞存在的数目。不同种族的人皮肤中黑素细胞的数目大体上相同，黑色人种皮肤中的黑素小体数量多，同时颗粒也较大，优黑素含量高，黑素化程度深，并且单独分散于整个表皮，降解缓慢；白色人种皮肤中的黑素小体含量较少、颗粒较小、呈圆形，褐黑素含量高，颜色较浅，多聚集在吞噬溶酶小
41、体内，分布在表皮底层的基底层，易降解；黄色人种黑素分布介于两者之间。黄色人种皮肤内还含有较多的胡萝b素。胡萝b素呈黄色，可存在于表皮和皮下组织内，分布以胸腹部和臀部较多，分布较多胡萝b素的皮肤颜色呈黄色。同时真皮血管中血红蛋白也对皮肤颜色也有一定影响，随携氧量不同，血红蛋白颜色有所变化，氧合血第2章理论研究红蛋白呈鲜红色，还原血红蛋白呈颜色发青的暗红色。光学因素对皮肤颜色的影响也很重要。所谓颜色其实是眼睛对400700nm波长范围内可见光的感知经过大脑转换而得到的印象。当光线照射到皮肤后，皮肤中不同色素对不同波长光线的吸收存在差异会造成反射光线光谱差异，各类色素中黑素可以吸收可见光及紫外线区域
42、的光线，胡萝b素偏重吸收黄色区域光线，血红蛋白偏重吸收红色区域光线【18】；同时表皮的厚薄及粗糙程度的不同会对光线产生不同的折射及散射从而影响皮肤颜色，角质层较厚，则皮肤偏黄色；颗粒层和透明层厚，皮肤显白色：在皮肤较薄处，因光线的透光率较大，可以显出下面组织的颜色，在人面颊部就可以看出血色素透出的红色来：在皮肤较厚的部位，光线透过率较差，只能看到皮肤角质层内的黄色胡萝b素，因此皮肤呈黄色；老年人的皮肤，则由于真皮的弹力纤维变性及减少，弹性下降，加之皮肤血液循环较差而偏黄色。以上这些因素使得最终到达人眼的光线的光谱不同，人类籍此辨别出皮肤颜色的差异。不同的光源对皮肤颜色的影响主要表现在其光谱不同
43、，照射在同一皮肤时也会影响最终反射到人眼的视觉，让观察者对皮肤颜色有不同的感觉。23皮肤组织的光学特性随着激光生物医学的发展，生物组织中光的分布以及光辐射与组织的相互作用成为重要的基础问题，而这两方面均与组织体的光学性质相关。国际上将这方面的研究工作称为“组织光学”(Tissue Optics)【1 91。组织光学是激光生命科学与激光医学的基础。目前的研究状况是，组织光学的研究极大地落后于激光生物医学的实际应用。实际上，人们还不是很清楚激光辐射对生物组织内在的固有反应，对人体组织的固有光学特性知之甚少(眼睛除外)，以致组织光学特性数据十分缺少，难以对激光治疗等实际应用起到更好的指导作用。198
44、8年美国举办的美国光学学会上首次对组织光学进行了专题讨论。目前，国际上组织光学的研究内容主要是光在组织中传输的理论模型、组织体光学特性参数的测定、激光辐射剂量学、建立组织体光学模型等。由多层不同结构构成的人体皮肤组织，其光学性质相当于具有高散射性的混沌介质【2们。入射到皮肤表面的光束，首先直接被皮肤角质层与外表空气形成的界面反射，称为镜面反射光(只为入射光的少部分，其数值与皮肤表面特性有关)。而大部分入射光被皮肤表面折射后依次进入皮肤组织的表皮与真皮，并被皮肤组织散射与吸收。其中一部分光被多次散射后会重新返回皮肤表面而进入空气中，这一部分散射光称为漫反射光，它携带了皮肤内部组织结构的信息研究皮
45、肤组织的光学特性，我们首先进入皮肤内的光吸收，散射情况，由皮肤内各种色基组织决定。如Hb02，Hb，胆红素，黑色素等。这些色基组织吸收入射光后，还会发北京工业大学工学硕十学位论文出荧光和磷光。它们的信号微弱，但包含了皮肤组织的特征信号，同样它们中的少部分也会到达皮肤表面而被探测到。光在皮肤内反射，散射，吸收，以及透射量将由入射光的特性(波长，功率，偏振等)以及皮肤组织不同色基的光学特性共同决定。可认为当光束入射人体皮肤组织时，从宏观上可将光能最终分成三部分(如下图22所示)：从入射界而返回空气中的回射光中包括表面镜反射、表面漫反射和皮肤内后向散射；穿过皮肤的透射光包括弹道直射光(非散射光子、相
46、干散射光子)、蛇形折射光(弱散射光子，传播方向轻微偏折)、前向散射光(漫透射光，多次散射光子)；光在皮肤组织内部的主要物理过程除上述散射外，还有一部分光能被组织吸收，且为多次散射和吸收【211。入糖吸收肝向敬射光-。 涔二 蛇形i。镜面 。 趴?、 户： 7反搓寸光、 I o ，rl 、，以入。一 前向2漫反射光 髓光图2-2光辐射在皮肤中传输的物理过程(1)反射和折射反射定义为电磁辐射在入射表面上返回。一般情况下，反射表面是折射率不同的两种介质的物理边界，如空气和皮肤组织的交界。如果反射表面是光滑的，其表面不平整度与辐射的波长比是较小的，称该反射为镜面反射。镜面反射是最简单的情况。相反，当反
47、射表面的粗糙度较大或大于辐射的波长时，就出现漫反射。生物组织没有一个像光学反射镜的表面那样抛光的表面，所以漫反射是所有生物组织的一个共同现象。唯一特殊情况是在潮湿组织的表面，镜面反射可能超过漫反射。在显微镜下，皮肤表面非常粗糙，因此会对入射光产生强烈的漫反射。由于皮肤颜色不同，反射比大小也有差别(见图23)，白种人皮肤反射比最高点在700rim处，高达65(红虚线)；黑人皮肤反射比较低，其最高点位于890rim和1070rim波段，只有4345(蓝点线)；中国人皮肤反射比在上述两种入之间，最高点在850nm处，达54，高于黑人皮肤反射比，但低于白种人的皮肤反射比(黄实线)。根据菲涅耳(Fres
48、nel)定律，反射和折射彼此密切相关，总是同时发生(全箨2蕈理论研究反射除外)，并且反射和折射符合总能量守恒的规律，而入射光与物质的进一步的相互作用仅限于折射光。通常需要用折射率来掐述光线进入物质中传输方向的变化，但是在混浊光学介质中，如各种生物组织，由于吸收和散射作用，故折射率的溯l量相当困难，大多数情况下仅能粗略估计和推算。在激光医学的应用中，只有当辐照象焦膜组织这样的透明介质时，折射率才起重要作用。钧鬯鳓基蓬钧4030lOmO嚣鼯 700 5*0睁 ll l嚣静 1500 l粼鼹 1900 2100 2鬟玲皇黧瓣浚装娴图2-3不同人种皮肤对光的反射特性(2)吸收吸收是由于部分光能转换成热
49、运动或者是吸收材料中分子的某种振动。因为吸收，入射光的强度在通过某一介质时会衰减。透明介质允许光通过而吸收极少。相反，使入射光的强度几乎衰减为零的介质被称为不透明的。“透明”和“不透明”是楣对的，因为吸收取决于波长【221。例如，角膜和晶状体，主要由水组成，对可见光来说，角膜和晶状体被认为是高透明度的，但在红外光谱波段内表现出强烈的吸收。网此，在这个光谱范围内这些生物组织呈现不透明。实际上，没有任何生物组织对电磁波谱的所有波长可称为“透明”或“不透明”的。在皮肤组织中，主要的吸收是由色素、蛋白质和核酸等大分子以及水分子引起的。紫外波段光子吸收体主要是核酸和蛋白质；近红外光的激光辐射到皮肤表面上时大部分被反射掉，小部分透入皮肤内部；中远红外光基本上不能透入皮肤深部，而是被皮肤水分吸收【2朝。Boulnois对黑色素和血红蛋白(Hb02)这两种基本生物吸收体的吸收光谱进行了研究。黑色素、血红蛋白和人体皮肤的吸收光谱如下图24所示。黑素是皮肤
