[发明专利]一种人皮肤光谱的建模方法以及高拟合度的多个皮肤参数的数学建模方法

说明书

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利用该模型构建皮肤生物学参数的建模方法，特别是涉及人皮肤光谱的建模方法以及高拟合度的多个皮肤参数的数学建模方法。

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。

同时，建立皮肤渲染模型能够直观反映皮肤结构和组分。该类模型主要用于皮肤渲染，强调视觉效果，精度不是关键指标，因而将其用于皮肤参数量化分析存在问题有：①皮肤参数少，仅有4个成分参数变量，不能完整反映皮肤实际，用于量化分析的结果精度不够。②仅反映可见光的400-600nm波长区间，600nm以上波段无法拟合。(Kubelka-Munk模型由于未考虑水平方向散射，其结果会高于真实结果；Multipole模型由于其假设的离散点光源位置问题，在某些过薄皮肤层情况下无法模拟，该情况经常发生于590-700nm波长区间；Monte-Carlo模型结果具有不确定性，难以优化，且所需计算时间很长)③仅涉及皮肤的吸收相关的皮肤成分参数，散射相关的皮肤成分参数。④不包含皮肤结构参数。

因此，为了实现精确的皮肤生物学参数的量化目的，急需设计一种基于皮肤光谱进行皮肤参数量化分析的方案，可见光波段分析完整、皮肤生物学特征参数尽可能充足地被涉及，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。

发明内容

本发明的目的是提供一种人皮肤光谱的建模方法以及高拟合度的多个皮肤参数的数学建模方法。填补了利用光谱模型进行皮肤生物学量化分析的空白，分析出可以描述皮肤光谱特征的一组皮肤参数，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：

1.一种人皮肤光谱的建模方法，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，将皮肤从上至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、散射系数以及皮肤表皮层厚度变量参数，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反射率和透射率；在步骤二中，在所述皮肤表皮层中光反射和光透射由光从上方空气中进入和光从下方真皮层进入两种途径所决定，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；