通常在研究攝入和局部藥物影響色素沉著療效時，關(guān)鍵是要獲得準(zhǔn)確、可重復(fù)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(shù)據(jù)來實現(xiàn)皮膚病學(xué)研究。
如圖我們使用微型光譜儀、光源和采樣附件，模擬了特性分析的無損測試模型。通過先確定哪些光譜構(gòu)成皮膚的總反射光譜，然后只使用幾個波長開發(fā)非常簡單的模型來表征皮膚的“黑色素指數(shù)”和“皮膚濕度指數(shù)”。
黑色素與血紅蛋白
黑色素是一種在皮膚中發(fā)現(xiàn)的暗色素，通過皮膚的色調(diào)顯現(xiàn)，并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(zhì)的名稱，是具有不同結(jié)構(gòu)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表現(xiàn)出非結(jié)構(gòu)吸光度，光譜隨波長的增加呈指數(shù)下降。盡管缺乏結(jié)構(gòu)光譜，但可以通過化學(xué)計量學(xué)分析進行光譜定量。
血紅蛋白和脫氧血紅蛋白是負責(zé)體內(nèi)氧運輸?shù)暮F金屬蛋白，因此在這些組織結(jié)構(gòu)中可發(fā)現(xiàn)黑色素。血紅蛋白的可見光譜在540nm和580nm處呈現(xiàn)特征峰，而脫氧血紅蛋白峰位于~（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(jīng)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(qū)域的皮膚顯示出這些化合物含量比例不同，如下圖所示。
在進行光譜測量時，采樣位置的選擇是至關(guān)重要的，化學(xué)計量學(xué)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(zhǔn)確地評估皮膚中黑色素含量。有了這樣的目標(biāo)，我們就可以測量身體幾個區(qū)域的皮膚光譜（從紫外線到近紅外光譜），進而開發(fā)計算出黑色素和水分含量的模型。
實驗方法
使用以下設(shè)備建立雙光譜測試系統(tǒng)，測量從UV到NIR波段的光譜；UV-Vis-NIR光源用于照明，UV-Vis和NIR的光纖分別收集反射光，連接到相應(yīng)的光譜儀。
從三個部位測量200-1650nm的反射率：手掌、前臂內(nèi)側(cè)和前臂頂部。每個位置采集100個光譜，共300張光譜。在無特定模式下連續(xù)光譜采集，并在每個位置停留幾秒鐘，直到記錄完所需的光譜數(shù)據(jù)。
PART1黑色素分析：濃度測定
合適的化學(xué)計量學(xué)分析可以將實驗室中物理測量的參數(shù)與相同樣品所獲得的光譜之間建立準(zhǔn)確的參數(shù)關(guān)系。由于海洋光學(xué)實驗室沒有現(xiàn)成合適的化學(xué)計量方法獲得皮膚中的血紅蛋白或水分含量的化學(xué)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(xué)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(xué)成分：
可能在某些參數(shù)中沒有足夠的變化來識別它們。我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)用MCR-ALS，通過反復(fù)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(nèi)側(cè)皮膚更厚，角質(zhì)層比例更高。因此，它可以對應(yīng)于皮膚的上層，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(qū)域中血紅蛋白的峰相關(guān)，使用非常簡單的分析模型到這樣一個復(fù)雜的矩陣時，這是意料之中的。
基于在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(fā)預(yù)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(xué)計量學(xué)計算。五組分PLS模型得到了最佳定量擬合結(jié)果，很好的預(yù)測了黑色素濃度。
通過全光譜PLS建模合理預(yù)測黑色素濃度，我們使用4個波長進行定量標(biāo)準(zhǔn)，只有四個波長。并且小心地避開已知的在520～600nm范圍內(nèi)的血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收峰，我們發(fā)現(xiàn)400nm、450nm、490nm和700nm是最有希望的預(yù)測黑色素濃度的波長。
事實上，我們基于這些波長選擇的四波長PLS模型得到了“測量”和預(yù)測的黑色素濃度之間非常好的相關(guān)性，與我們在全光譜中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果相當(dāng)。因此，結(jié)合以下四種波長的吸光度，可以得到一個相當(dāng)好的“黑色素指數(shù)”，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(shù)的定量要簡單得多，由于水在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(shù)。
Moisture Index = 100*(Abs1465 – Abs1300)
結(jié)論
通過測量皮膚在可見光和近紅外范圍內(nèi)的反射率，可以開發(fā)出相當(dāng)簡單的多波長化學(xué)計量學(xué)模型，并用于黑色素和水分濃度含量測定，從而促進光學(xué)在皮膚方向的應(yīng)用研究。
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推薦配置：
References：1. Zonios, George, et al. “Melanin absorption spectroscopy: new method for noninvasive skin investigation and melanoma detection.” Journal of Biomedical Optics 13.1 (2008): 014017-014017.