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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技术

技术编号:13398538 阅读:81 留言:0更新日期:2016-07-23 22:48
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,本发明专利技术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参数数学模型,从而在皮肤光谱与光敏感的皮肤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,实现皮肤生物学量化分析的目的。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及计算生物学,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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。为实现上述专利技术目的,本专利技术提供的技术方案是: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,σαepi为表皮层吸收系数,为表皮层散射系数,depi为表皮层厚度,Lair→Lepi代表光由空气进入表皮层,Lderm→Lepi代表光由真皮层进入表皮层;步骤三根据皮肤真皮层的光吸收、散射系数以及皮肤真皮层厚度变量参数,建立在皮肤真皮层中光反射方程,计算在皮肤真皮层的反射率;在步骤三中,只考虑光反射光由光从上方表皮层中进入的途径,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,dderm为真皮层厚度,Lepi→Lderm代表光由上方表皮层进入真皮层;步骤四计算光在皮肤表皮层和皮肤真皮层的两层结构中的反射率;在步骤四中,所述光在皮肤表皮层和皮肤真皮层的两层结构中的反射率计算公式为:其中,Rinter为光在皮肤表皮层和皮肤真皮层的两层结构中的反射率;步骤五计算光通过四层皮肤的总体结构中的反射率;在步骤五中,所述总体结构中的反射率公式为Rskin=Rsurf+TsurfRinter。进一步的,还包括根据辐射传导方程和在皮肤表面层的反射系数,建立在皮肤表面层中光反射和光透射的方程,计算在皮肤表面层的反射率的步骤;所述在皮肤表面层中光反射和光透射的方程为[Rsurf,Tsurf]=LSI(rsurf),其中,Rsurf为表面的光反射率,Tsurf为表面的光透射率,LSI代表了用于计算皮肤反射率以及透射率的一系列计算公式,rsurf为皮肤表面的反射系数。一种根据权利要求1所述的人皮肤光谱的建模方法,建立的高拟合度的多个皮肤参数的数学建模方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一建立表示在皮肤表面层中的所述反射率和皮肤粗糙度以及皮肤光亮度之间关系的方程;在步骤一中,所述方程为,其中fsurf表示皮肤表面对单一方向的反射率,dω0表示反射方向的微元;步骤二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、表皮层皮层厚度之间关系的方程;在步骤二中,所述方程为其中,表示表皮层吸收系数,fme表示表皮层黑色素体积分数,ceu表示表皮层优黑素浓度,表示优黑素吸收系数,cph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,flipid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;步骤三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;在步骤三中,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,fblood表示血液体积分数,Soxy表示血液中含氧血红蛋白体积分数即血氧浓度,cblood表示血红蛋白浓度,表示含氧血红蛋白吸收系数,Sdeoxy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,Sco表示血液中一氧化碳血红本文档来自技高网
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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

【技术保护点】
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;步骤三 根据皮肤真皮层的光吸收、散射系数以及皮肤真皮层厚度变量参数,建立在皮肤真皮层中光反射方程,计算在皮肤真皮层的反射率;步骤四 计算光在皮肤表皮层和皮肤真皮层的两层结构中的反射率;步骤五 计算光通过四层皮肤的总体结构中的反射率。

【技术特征摘要】
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,σαepi为表皮层吸收系数,为表皮层散射系数,depi为表皮层厚度,Lair→Lepi代表光由空气进入表皮层,Lderm→Lepi代表光由真皮层进入表皮层;步骤三根据皮肤真皮层的光吸收、散射系数以及皮肤真皮层厚度变量参数,建立在皮肤真皮层中光反射方程,计算在皮肤真皮层的反射率;在步骤三中,只考虑光反射光由光从上方表皮层中进入的途径,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,dderm为真皮层厚度,Lepi→Lderm代表光由上方表皮层进入真皮层;步骤四计算光在皮肤表皮层和皮肤真皮层的两层结构中的反射率;在步骤四中,所述光在皮肤表皮层和皮肤真皮层的两层结构中的反射率计算公式为:其中,Rinter为光在皮肤表皮层和皮肤真皮层的两层结构中的反射率;步骤五计算光通过四层皮肤的总体结构中的反射率;在步骤五中,所述总体结构中的反射率公式为Rskin=Rsurf+TsurfRinter。2.根据权利要求1所述的人皮肤光谱的建模方法,其特征在于,还包括根据辐射传导方程和在皮肤表面层的反射系数,建立在皮肤表面层中光反射和光透射的方程,计算在皮肤表面层的反射率的步骤;所述在皮肤表面层中光反射和光透射的方程为[Rsurf,Tsurf]=LSI(rsurf),其中,Rsurf为表面的光反射率,Tsurf为表面的光透射率,LSI代表了用于计算皮肤反射率以及透射率的一系列计算公式,rsurf为皮肤表面的反射系数。3.一种根据权利要求1所述的人皮肤光谱的建模方法,建立的高拟合度的多个皮肤参数的数学建模方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一建立表示在皮肤表面层中的所述反射率和皮肤粗糙度以及皮肤光亮度之间关系的方程;在步骤一中,所述方程为,其中fsurf表示皮肤表面对单一方向的反射率,dω0表示反射方向的微元;步骤二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、表皮层皮层厚度之间关系的方程;在步骤二中,所述方程为

【专利技术属性】
技术研发人员:陈威
申请(专利权)人:陈威
类型:发明
国别省市:北京;11

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