一、概述
在大多数皮肤病中,其病变伴随着皮肤颜色的改变,在皮肤病变好转或痊愈时,皮肤颜色也随之改变或恢复正常。医生在对皮肤病的诊断和治疗过程中,皮肤颜色是其主要的依据之一。由于颜色是一个心理物理量,它既与人眼的视觉特性有关,又与所观测到的客观辐射有关。而且人的情绪、精神状态都会对颜色的观察结果产生不同程度的影响。
利用皮肤颜色检则仪来测定皮肤颜色,可对其给出定量、准确的结果,消除人为因素的影响。对于每例病人所测定的皮肤颜色的数据不仅给医生的诊断和治疗提供了科学依据,而且可以保留大量的临床资料。这对提高皮肤病的医疗水平具有重大的意义。
二、检测原理
1.人类皮肤的颜色随着种族的不同有很大的差异,而且对于同一种族的人随着居住环境的不同肤色也有所差异。甚至对于一个人而言,其身体各个部位的肤色也有差异。为解决上述各种肤色差异对颜色测量产生的影响,使用比较测量的方法是十分有效的。由于人体各部位有着相当好的对称性,可先检测病变皮肤对称部位正常皮肤的颜色,再检测病变皮肤的颜色,则可检测出其颜色的变化。
现代色度学采用CIE(国际照明委员会)所规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法,称之为CIE标准色度学系统。根据CIE推荐的XYZ表色系统、标准照明和观测条件来确定三刺激值X、Y、Z和色差ΔE*ab。颜色三刺激值的计算方法是由颜色刺激函数φ(λ)[φ(λ)=ρ(λ)·S(λ)]分别乘以CIE光谱三刺激值,如下式所示:
式中k为颜色调整因子;S(λ)为照明体相对光谱功率分布函数;ρ(λ)为被测物体的光谱反射率;X-、Y-、Z-为标准色度观察者的光谱三刺激值。
其中,k、S(λ)X-、S(λ)Y-及S(λ)Z-对于一定的光源来说,均有标准数据,因此只要求得ρ(λ)就可计算出三刺激值。本系统取Δλ=10nm。ρ(λ)可由下式表述:
式中ρsp(λ)为被测物体的反射率;ρst(λ)为标准白板的反射率;f(λ)为修正值。
只要在不同的波长点处测得ρsp(λ)及ρst(λ)就可求得ρ(λ),进而求得被测物体反射光的三刺激值X、Y、Z。
由物体的三刺激值可计算出其色度坐标x、y、z。
色差ΔE*ab的计算通常采用CIE1976(L*、a*、b*)米制表色系统。
通过对病变皮肤颜色的测量,虽然给出了病变的定量描述。但经过大量的临床检测表明,病变皮肤反射光谱的能量分布显得更为重要。因为颜色是可见光辐射刺激人眼而产生的视觉效应。有时光辐射的能量分布虽然不同,但引起的颜色视觉却完全一样。事实上,同一种颜色的光存在着多种不同的光谱能量分布,例如真正的绿光(即单色光)与由黄绿光混合而成的绿光看起来完全一样,但它们的光谱能量分布却不同。因此,在皮肤病的诊断和治疗过程中,对其反射光谱能量分布的检测能够更确切地给出病变的定量描述.
三、仪器的构成
皮肤颜色检测仪的结构框图如图1所示。它由光机系统、电气系统及计算机系统组成。
仪器测量过程为:先测一遍白板,然后再分别测定正常与病变皮肤。在整个波长扫描范围内,微机控制31个采样点,采样间隔为10nm。
由于采用了光纤探头,可以测定人体任何部位的皮肤,并有效地聚焦被测皮肤反射的光能量,提高仪器的灵敏度。
1.光学系统
光学系统原理如图2所示。
光源发出的光,通过光纤以45°方向照射被测物(皮肤),其反射光经光纤耦合后进入单色仪,单色仪的分光元件凹面光栅由步进电机驱动,在400～700nm光谱范围内扫描,经出射狭缝进入光电倍增管。
2.电气系统
它是由电源、光电倍增管、前置放大电路、步进电机驱动电路等部分组成。从单色仪经狭缝射出的单色光信号,经光电倍增管转换成电信号,然后经放大电路放大处理,送给A/D转换器,A/D转换器输出的数字量送给微型计算机进行处理。
3.微机系统
本仪器采用单片计算机系统。由它来控制单色仪的扫描机构及测量数据的采集,并进行存贮和运算处理,打印出三刺激值、色坐标、色差,并绘出被测物反射光谱能量分布曲线。
微机程序由单片机汇编语言编制。采用子程序结构。主程序框图如图3所示。它由步进电机正反转子程序、测量子程序、计算子程序和打印子程序等组成。
四、测试结果
本仪器经长春光机所国家精密机械检测中心标定,各项技术指标均达到了国际标准。以标准蓝卡为例(数据见表1)。
在临床应用中,对一例患硬皮病的病人的检测结果为(病变部位为右手小鱼际后部):
其中P1为正常皮肤(左手小鱼际后部)的光谱反射率;P2为病变皮肤的光谱反射率。
图4为正常与病变皮肤的反射光谱曲线及经三个月治疗之后的反射光谱曲线。
另一例为色素沉着病人的检测结果(病变部位为右面颊):
其中P1为正常皮肤(左面颊)的光谱反射率;P2为病变皮肤(右面颊)的光谱反射率。图5为正常皮肤与病变皮肤的反射光谱曲线及经一段时间治疗之后的反射光谱曲线。
五、结束语
经过大量的临床测试证明,本仪器能够准确地测出病变皮肤所引起的颜色差异。病变皮肤的反射光谱曲线对诊断和治疗皮肤病具有指导意义。例如:早期的白癜风病与白斑病都呈白色,对于诊断来说难度较大,但测出的反射光谱曲线却不相同,这就给医生诊断提供了科学的依据。
参考文献:
[1]李在清译:颜色测量基础.北京:技术标准出版社,1980
[2]王之江编:光学技术手册.北京:机械工业出版社,1987
[3]辛德胜编著:微机在光电技术中的应用.北京:兵器工业出版社,1993
作者简介:辛德胜(1954-),男,吉林工业大学副教授。
