【海洋光學】光譜技術在皮膚組織特性無損檢測中的應用
Events
【海洋光學】光譜技術在皮膚組織特性無損檢測中的應用

通常在研究攝入和局部藥物影響色素沉著療效時,關鍵是要獲得準確、可重複的真皮特性評估。我們可以使用光譜反射測量方法測量皮膚,通過獲取皮膚顏色和吸光度的定量數據來實現皮膚病學研究。

如圖我們使用光譜儀、光源和採樣附件,模擬了特性分析的無損測試模型。通過先確定哪些光譜構成皮膚的總反射光譜,然後只使用幾個波長開發非常簡單的模型來表徵皮膚的“黑色素指數”和“皮膚濕度指數”。

 

 

黑色素與血紅蛋白

黑色素是一種在皮膚中發現的暗色素,通過皮膚的色調顯現,並起到保護太陽輻射和暴露在紫外光下皮膚可見的曬黑作用。黑色素是一組不溶性生物物質的名稱,是具有不同結構的聚合物,已被證明難以分離和研究(1)。黑色素在光譜的可見部分錶現出非結構吸光度,光譜隨波長的增加呈指數下降。儘管缺乏結構光譜,但可以通過化學計量學分析進行光譜定量。

血紅蛋白和脫氧血紅蛋白是負責體內氧運輸的含鐵金屬蛋白,因此在這些組織結構中可發現黑色素。血紅蛋白的可見光譜在540nm和580nm處呈現特徵峰,而脫氧血紅蛋白峰位於~(560)nm。脈搏血氧計使用這兩個光譜的差異來測量血液的氧合情況,這些算法已經非常成熟。


 

皮膚的光譜吸收受三種化合物的影響很大:黑色素、血紅蛋白和脫氧血紅蛋白。身體上不同區域的皮膚顯示出這些化合物含量比例不同,如下圖所示。

 

 

病例1:上圖是5個測量個體的前臂背側皮膚的反射光譜,可看出不同亮暗膚色之間在可見和近紅外波段的顯著差異。另外也注意到的是血紅蛋白吸收峰在這一區域光譜很弱,可能是由於較小的血管和組織成分的存在掩蓋了血紅蛋白的光譜特徵。

 

 

病例2:頸部皮膚的反射光譜接近頸動脈,在540nm和580nm處較亮皮膚色調的受試者,他們的血紅蛋白吸收峰強。這些峰在膚色較深的個體中更不明顯,這可能是由於黑色素和其他皮膚成分的吸收導致的。

 

 

在進行光譜測量時,採樣位置的選擇是至關重要的,化學計量學可以幫助分離這些不同光譜成分,無論皮膚部位如何,都能更準確地評估皮膚中黑色素含量。有了這樣的目標,我們就可以測量身體幾個區域的皮膚光譜(從紫外線到近紅外光譜),進而開發計算出黑色素和水分含量的模型。

 

實驗方法

 

使用以下設備建立雙光譜測試系統,測量從UV到NIR波段的光譜;UV-Vis-NIR光源用於照明,UV-Vis和NIR的光纖分別收集反射光,連接到相應的光譜儀。
 
  • DH-2000-BAL
  • QP200-12-MIXED(UV-VIS-NIR)45度光纖探頭
  • Flame-S-XR1 光譜儀(200-1025nm)
  • Flame-NIR 光譜儀(950-1650nm)

 

從三個部位測量200-1650nm的反射率:手掌、前臂內側和前臂頂部。每個位置採集100個光譜,共300張光譜。在無特定模式下連續光譜採集,並在每個位置停留幾秒鐘,直到記錄完所需的光譜數據。

 

 

PART1黑色素分析:濃度測定

合適的化學計量學分析可以將實驗室中物理測量的參數與相同樣品所獲得的光譜之間建立準確的參數關係。由於海洋光學實驗室沒有現成合適的化學計量方法獲得皮膚中的血紅蛋白或水分含量的化學計量軟件,所以我們使用一個迭代程序MCR-ALS(多元曲線分辨率交替最小二乘)將光譜分離成有意義的化學光譜,以定義我們的“濃度”。

 

在皮膚中,我們期望看到一些主要的化學成分:

  • 黑色素

  • 氧合血紅蛋白

  • 脫氧血紅蛋白   

  • 蛋白

  • DNA

  • 角質層

 

可能在某些參數中沒有足夠的變化來識別它們。我們發現應用MCR-ALS,通過反复實驗驗證,四個組分提供了最佳匹配。如下圖所示,這四個組分的建模光譜曲線,組分1(綠色)在形狀上與已知的黑色素譜相似。

 

組分2(橙色)前臂背部最強,尤其是在手掌。手內側皮膚更厚,角質層比例更高。因此,它可以對應於皮膚的上層,其具有較低的水含量(如NIR中較低的吸水峰所示)。組分2顯示了與可見光區域中血紅蛋白的峰相關,使用非常簡單的分析模型到這樣一個複雜的矩陣時,這是意料之中的。
 
基於在500~600nm和NIR之間的峰,組分3和4代表了血紅蛋白、脫氧血紅蛋白和水的混合物。
 
 

PART2黑色素分析:開發預測模型


提取黑色素濃度作為我們的既定事實,我們在300個黑色素光譜上進行PLS型化學計量學計算。五組分PLS模型得到了最佳定量擬合結果,很好的預測了黑色素濃度。

 

通過全光譜PLS建模合理預測黑色素濃度,我們使用4個波長進行定量標準,只有四個波長。並且小心地避開已知的在520~600nm範圍內的血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收峰,我們發現400nm、450nm、490nm和700nm是最有希望的預測黑色素濃度的波長。
 

事實上,我們基於這些波長選擇的四波長PLS模型得到了“測量”和預測的黑色素濃度之間非常好的相關性,與我們在全光譜中發現的結果相當。因此,結合以下四種波長的吸光度,可以得到一個相當好的“黑色素指數”,即皮膚黑色素濃度的近似值。

 

Melanin Index = Abs410 – 2*Abs450 + 2*Abs490 – Abs750

 

水分分析

濕度指數的定量要簡單得多,由於水在1465nm具有很強的吸收,另外參考1300nm的谷峰,可以得到水分含量參數。
 

Moisture Index = 100*(Abs1465 – Abs1300)

 

 

結論

通過測量皮膚在可見光和近紅外範圍內的反射率,可以開發出相當簡單的多波長化學計量學模型,並用於黑色素和水分濃度含量測定,從而促進光學在皮膚方向的應用研究。