[發明專利]一種人皮膚光譜的建模方法以及高擬合度的多個皮膚參數的數學建模方法

有效

• 申請號: 201610181986.6
• 申請日: 2016-03-28
• 公開（公告）號: CN105786762B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 陳威
• 申請（專利權）人: 陳威
• 主分類號: G06F17/11
• 分類號: G06F17/11;G06F17/50
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司11429
• 代理人: 張曉霞

技術領域

本發明涉及計算生物學，涉及建立皮膚光譜的分析模型的方法以及利用該模型構建皮膚生物學參數的建模方法，特別是涉及人皮膚光譜的建模方法以及高擬合度的多個皮膚參數的數學建模方法。

背景技術

光與物質相互作用會引起物質內部原子及分子能級的電子躍遷，使物質對光的吸收、反射、散射等在波長及強度信息上發生變化，光譜儀可用于檢測并處理這類變化。與其他分析方法相比，光譜檢測具有非破壞、高靈敏、高精準的特點，因而在各類材料的檢測和鑒定方面得到廣泛的應用。

生物學與光學的研究表明，人類皮膚是由多種生物學成分組成，其中的一些成分對光譜作用敏感，各成分具有特定的可見光光學性質，并且，這些皮膚成分含量已由生物學方法進行了測定。因此，形成一種籍于皮膚的可見光譜的數據處理方法實現皮膚的生物學成分量化分析是可行的。但在建模方面，要求可見光光學作用分析完整、皮膚參數盡量齊全，才能體現皮膚參數的光學性質細節，達到可見光全波段所需的量化分析精度要求。

目前，在皮膚參數量化分析領域主要存在以下手段，1)基于圖像的皮膚分析。由于是平面的圖像分析，其所能測得參數的與光譜的立體數據相比準確性有較大差距。所期望的其他的皮膚成分參數和皮膚結構參數無法獲得。2)基于生物阻抗的皮膚水份檢測。此種檢測成分參數單一且精度不夠。3)基于超聲波的皮膚超聲影像診斷系統。此種方式主要是對皮膚的結構組織進行定性觀察，無法進行皮膚參數量化分析。4)基于X射線的三維斷層成像的皮膚CT影像分析系統。此種方式主要是對皮膚的結構組織進行定性觀察，無法進行皮膚參數量化分析。5)皮膚光譜檢測系統。屬于研究項目。此種方式是利用光譜進行某波段的直觀比較觀察，沒有形成信息處理模型。

同時，建立皮膚渲染模型能夠直觀反映皮膚結構和組分。該類模型主要用于皮膚渲染，強調視覺效果，精度不是關鍵指標，因而將其用于皮膚參數量化分析存在問題有：①皮膚參數少，僅有4個成分參數變量，不能完整反映皮膚實際，用于量化分析的結果精度不夠。②僅反映可見光的400-600nm波長區間，600nm以上波段無法擬合。(Kubelka-Munk模型由于未考慮水平方向散射，其結果會高于真實結果；Multipole模型由于其假設的離散點光源位置問題，在某些過薄皮膚層情況下無法模擬，該情況經常發生于590-700nm波長區間；Monte-Carlo模型結果具有不確定性，難以優化，且所需計算時間很長)③僅涉及皮膚的吸收相關的皮膚成分參數，散射相關的皮膚成分參數。④不包含皮膚結構參數。

因此，為了實現精確的皮膚生物學參數的量化目的，急需設計一種基于皮膚光譜進行皮膚參數量化分析的方案，可見光波段分析完整、皮膚生物學特征參數盡可能充足地被涉及，從而達到對不同人、不同部位差異盡可能多的分析維度和精度，并形成大數據處理的基礎。

發明內容

本發明的目的是提供一種人皮膚光譜的建模方法以及高擬合度的多個皮膚參數的數學建模方法。填補了利用光譜模型進行皮膚生物學量化分析的空白，分析出可以描述皮膚光譜特征的一組皮膚參數，其虛擬出的皮膚光譜與實際皮膚光譜的擬合度非常高，提高分析的精確性。

為實現上述發明目的，本發明提供的技術方案是：

1.一種人皮膚光譜的建模方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

步驟一根據可見光照射皮膚時吸收、反射、散射、透射的特征，將皮膚從上至下抽象為皮膚表面層、皮膚表皮層、皮膚真皮層、皮下組織層四層；

步驟二根據皮膚表皮層的光吸收、散射系數以及皮膚表皮層厚度變量參數，建立在皮膚表皮層中光反射和光透射方程，計算在皮膚表皮層的反射率和透射率；在步驟二中，在所述皮膚表皮層中光反射和光透射由光從上方空氣中進入和光從下方真皮層進入兩種途徑所決定，所述在皮膚表皮層中光反射和光透射的方程為

和

其中，為從空氣進入表皮層的光反射率，為從空氣進入表皮層的光透射率，為從真皮層進入表皮層的光反射率，為光從真皮層進入表皮層的光透射率，σ_α^epi為表皮層吸收系數，為表皮層散射系數，d_epi為表皮層厚度，L_air→L_epi代表光由空氣進入表皮層，L_derm→L_epi代表光由真皮層進入表皮層；