ПОРТАТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХРОМОФОРОВ В КОЖЕ И СПОСОБ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВА Российский патент 2016 года по МПК A61B5/103 G01J3/46 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к устройствам и способам для мониторинга или измерения состояния кожи путем обнаружения колебаний меланина и гемоглобина с помощью колориметрического анализа.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Большое количество исследований в области мониторинга содержания хромофоров в коже человека и патологий кожи показали, что наилучшими методами для мониторинга состояния кожи являются оптические методы. Оптические решения очень просты, в них используется свет для освещения интересующей области кожи с последующим анализом отраженного света, что позволяет контролировать распределение хромофоров в коже и даже наличие патологии. Разработки этих методов ведутся в двух направлениях: совершенствуются методы измерения отражения и спектров цвета человеческой кожи и развиваются методы экспериментального определения собственных оптических параметров кожи (µ_a, µ_s, g, n) и математического моделирования процессов распространения света в ткани. Обратно отраженный свет содержит информацию о различных составляющих кожи, в основном ее хромофорах, таких как меланин, гемоглобин, вода, каротин и билирубин. Наиболее распространенным методом, используемым для различия хромофоров кожи друг от друга и для наблюдения значительного распределения конкретного хромофора в зависимости от его концентрации в коже, является метод отражательной спектроскопии (см. RU 2003/123826 A, US 2013/072803, US 6208749 B1). В этом методе исследуемый участок кожи облучается излучением, покрывающим широкий спектральный диапазон, а затем анализируется спектр отраженного или прошедшего света. Электромагнитное излучение по-разному взаимодействует с каждым хромофором. В зависимости от хромофора спектральные различия между изображениями кожи, полученными в результате воздействия УФ облучения, используются для раннего выявления солнечного ожога кожи. Например, в заявке на патент RU 2003/123826A (Фиг.1) авторы предлагают портативное устройство, основанное на методе "трех длин волн", для определения индекса пигментации и индекса эритемы, а также его конкретное воплощение с использованием светодиодов, работающих на трех длинах волн, и фотодиода большой площади. Предлагаемое устройство (измеритель эритемы/меланина EMM-01, Фиг.1) содержит три основных элемента: оптическую головку (17, 18), блок управления/обработки данных (12) и блок питания (11, 13). Оптическая головка содержит 12 светоизлучающих диодов трех спектральных диапазонов с центральными длинами волн 560, 650 и 710 нм (18) и фотодиод (17) для сбора отраженного света. Блок (12) управления и обработки данных обеспечивает переключение светодиодов, аналого-цифровое преобразование (14) измеренных сигналов, а также вычисление (12) и отображение (15) индексов пигментации и эритемы. Недостатком таких систем является их относительно большой размер, высокая стоимость оптических элементов и ограничения обработки данных, обусловленные ограниченными функциональными возможностями блока обработки или необходимостью использования внешнего блока обработки данных (например, ПК).

Самыми удивительными из человеческих чувств, вероятно, являются зрение и восприятие цвета. Благодаря цифровой революции цвет стал еще более доступным для применения. Колориметрия является одним из самых продвинутых оптических методов исследования кожи.

Колориметрия используется в качестве объективной меры воспринимаемого глазом человека цвета кожи для регистрации и оценки физиологических реакций кожи на различные внешние воздействия (например, US 6157454 A, US 2005/030372 A1, US 2009043363 A1).

Наиболее близкий аналог изобретения описан в заявке на патент US 2010/0198026. Описанное устройство включает в себя модуль отображения и устройство обработки, соединенное с модулем отображения. Модуль отображения включает в себя светоизлучающее устройство, которое излучает красный, зеленый и синий свет для освещения кожи пользователя, и детектирующий элемент, который принимает отраженный свет. Устройство обработки измеряет величину отраженного красного, зеленого и синего света соответственно, и формирует индекс (степень) солнечного ожога в соответствии с красным, зеленым и синим отражением, и отображает индекс солнечного ожога на модуле отображения, который информирует пользователя о начале солнечного ожога. На Фиг.2 показано портативное измерительное устройство 200 для обнаружения солнечного ожога у пользователя в соответствии с одним вариантом осуществления этого изобретения. Портативное измерительное устройство 200 содержит модуль 210 отображения и устройство 220 обработки, причем модуль 210 отображения содержит светоизлучающее устройство 230 и детектирующий элемент 240. Светоизлучающее устройство 230 может быть индикаторной панелью с красными, зелеными и синими пикселями, таким как светоизлучающий диод (LED), жидкокристаллический дисплей (LCD), органический светоизлучающий диод (OLED) и т.п., детектирующий элемент 240 содержит множество фотодетекторов, которые расположены рядом со светоизлучающим устройством 230 вокруг области отображения светоизлучающего устройства 230 или интегрированы попиксельно в светоизлучающем устройстве 230. Светоизлучающее устройство 230 используется в качестве источника освещения, который излучает по отдельности красный, зеленый и синий свет на кожу пользователя, а затем детектирующий элемент 240 измеряет красный, зеленый и синий свет, отраженный от кожи пользователя в ответ на излученные красный, зеленый и синий свет соответственно. После освещения кожи пользователя красным светом, который обеспечивается пикселями, соответствующими красному цвету внутри светоизлучающего устройства 230, используются фотодетекторы с оптическими фильтрами, соответствующими красному цвету, для измерения отраженного красного света (т.е. света, отраженного в ответ на излученный красный свет). Затем кожу пользователя последовательно освещают зеленым и синим светом и последовательно измеряют зеленый и синий свет, отраженный от кожи пользователя. Далее устройство 220 обработки может принять результаты измерения из воспринимающего элемента 240 для вычисления красного, зеленого и синего отражения и затем получить индекс солнечного ожога, показывающий начало солнечного ожога для пользователя согласно красному, зеленому и синему отраженному сигналу. В одном варианте фотодетектор может быть единственным фотодиодом без оптических фильтров, чтобы уменьшить площадь и стоимость портативного измерительного устройства 200. Следовательно, зеленый и синий свет, отраженный от кожи пользователя, последовательно измеряются одним фотодиодом, когда кожа пользователя последовательно освещается красным, зеленым и синим светом. В другом варианте светоизлучающее устройство 230 может излучать на кожу пользователя белый свет, который состоит из, по меньшей мере, красного, зеленого и синего цветов, и может обеспечиваться белыми светодиодами. Так как кожа пользователя освещается белым светом, содержащим одновременно все три цвета, для измерения отраженного красного, зеленого и синего света используются фотодетекторы с оптическими фильтрами, соответствующими красному, зеленому и синему цвету соответственно.

На Фиг.3 показан примерный вариант портативного измерительного устройства для обнаружения солнечного ожога у пользователя в соответствии с вариантом этого изобретения. Показанное на Фиг.3 портативное измерительное устройство представляет собой сотовый телефон 310. На поверхности сотового телефона 310 расположены клавиатура 320 и панель 330 жидкокристаллического дисплея с активной матрицей (AMLCD панель). Кроме того, детектирующий элемент 340, расположенный внутри сотового телефона 310, содержит множество фотодетекторов 350 вокруг AMLCD панели 330. В этом варианте устройство обработки (не показано) расположено внутри сотового телефона 310, например, под AMLCD панелью 330 или клавиатурой 320. Расположив AMLCD панель 330 сотового телефона 310 по направлению к коже пользователя, можно определить степень солнечного ожога у пользователя по коже на щеке.

Например, сначала устройство обработки дает команду AMLCD панели 330 излучать красный свет для освещения кожи пользователя, а затем устройство обработки дает команду фотодетекторам 350 принимать и измерять красный свет, отраженный от кожи пользователя в ответ на излученный красный свет. Затем устройство обработки дает команду AMLCD панели 330 излучать зеленый свет для освещения кожи пользователя и дает команду фотодетекторам 350 принимать и измерять зеленый свет, отраженный от кожи пользователя в ответ на излученный зеленый свет. И наконец, устройство обработки дает команду AMLCD панели 330 излучать синий свет для освещения кожи пользователя и дает команду фотодетекторам 350 принимать и измерять синий свет, отраженный от кожи пользователя в ответ на излученный синий свет. Каждый фотодатчик может выполнять локальное измерение, и результаты измерений можно использовать для представления изменений кожи пользователю или для получения среднего результата после исключения критического результата измерения, вызванного дефектами кожи, или помех измерения, вызванных внешними световыми потоками. К недостаткам данного изобретения следует отнести малое разрешение, вызванное отсутствием элемента, который бы обеспечивал измерения при постоянной геометрии и отсутствии внешнего освещения. Кроме того, спектр применения источника света (цветного ЖК-дисплея) достаточно широк, и сложно или невозможно выбрать узкий сигнал для точной оценки индексов меланина и эритемы. Наблюдаемая площадь очень мала и составляет всего 10 мм².

Основное различие между заявленным изобретением и его аналогами (особенно US 2013/072803) состоит в использовании немонохроматического света от широкополосного источника света (WLED) в качестве зондирующего излучения. Коэффициенты отражения не принимаются во внимание для выбранных длин волн, как это делается в других изобретениях и описано в соответствующих патентах. Также в заявленном изобретении не используется дисперсионных элементов, поэтому экспериментальная база не является спектроскопической или фотометрической, а используется только детектирование изображений и колориметрический метод. Главной особенностью является приспособление (блок защиты детектирования), которое позволяет получать фотоснимок кожи в постоянных условиях (имеется в виду постоянное расстояние между источником света, камерой и поверхностью кожи, постоянная величина дозы света и т.п.). Поскольку все особенности детектирования изображения известны, для точного вычисления спектра кожи для используемого источника света (WLED), расстояний и типов кожи можно использовать численное моделирование и пересчитывать его в координаты цвета. И наконец, выполняется сравнение данных цвета кожи, полученных экспериментально, и данных цвета кожи, полученных путем вычислений, но в случае цифрового эксперимента (численное моделирование) данные для каждого цвета соответствуют индивидуальному спектру и итоговому содержанию хромофоров.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Один аспект настоящего изобретения относится к портативному устройству для измерения хромофоров в коже, содержащему: источник света для излучения широкополосного излучения на кожу; детектор изображения для захвата изображения кожи, полученного с помощью отраженного от кожи излучения; непрозрачный блок защиты детектирования для окружения источника света и детектора изображения, причем съемный непрозрачный блок защиты детектирования имеет соединительную часть, предназначенную для присоединения непрозрачного блока защиты детектирования к корпусу портативного устройства для измерения хромофоров в коже и отсоединения непрозрачного блока защиты детектирования от корпуса портативного устройства для измерения хромофоров в коже; и блок обработки, выполненный с возможностью обработки характеристик захваченного изображения кожи для определения содержания хромофоров.

В дополнительных аспектах раскрывается, что блок защиты детектирования имеет внутреннее покрытие, которое имеет поглощающие свойства; блок защиты детектирования не содержит оптики; портативное устройство для измерения хромофоров в коже может быть любым мобильным устройством, оснащенным детектором изображения и источником белого света и дополнительно оснащенным непрозрачным блоком защиты детектирования; блок защиты детектирования имеет телескопическую функцию; детектор изображения представляет собой матрицу цвето- и светочувствительных элементов со спектральной чувствительностью, охватывающей видимый диапазон; блок защиты детектирования имеет допускающую изменение высоту, которая определяется собственным фокусным расстоянием камеры; блок защиты детектирования имеет постоянную высоту, которая определяется собственным фокусным расстоянием портативного устройства для измерения хромофоров в коже. Блок защиты детектирования обеспечивает постоянные условия определения (т.е. постоянный угол между детектором/источником света и интересующей областью, отсутствие внешнего света и т.д.).

Другой аспект изобретения относится к способу определения содержания хромофоров в коже посредством портативного устройства для измерения хромофоров в коже, заключающийся в том, что создают определенные условия измерения с использованием непрозрачного блока защиты детектирования, окружающего широкополосный источник белого света и детектор изображения; обеспечивают излучение широкополосного источника белого света портативного устройства для измерения хромофоров в коже; формируют излучение, рассеянное кожей, посредством оптической системы портативного устройства для измерения хромофоров в коже; детектируют сформированное излучение и создают, по меньшей мере, одно изображение с помощью детектора изображения портативного устройства для измерения хромофоров в коже; определяют три цветовые координаты для каждого изображения с помощью блока обработки портативного устройства для измерения хромофоров в коже; основываясь на определенных условиях измерений, выполняют математическое моделирование для создания модели распространения видимого спектрального диапазона в биологических тканях с помощью блока обработки портативного устройства для измерения хромофоров в коже; сравнивают три цветовые координаты с результатами математического моделирования; определяют содержание хромофоров из спектра отражения кожи.

В дополнительных аспектах раскрывается, что численный эксперимент является математическим моделированием распространения излучения в биологических тканях с применением алгоритма моделирования Монте-Карло, причем модель кожи, используемая в моделировании Монте-Карло, должна изменяться в соответствии с частью тела; алгоритм моделирования Монте-Карло учитывает структуру кожи (по меньшей мере, двухслойную модель кожи), параметры экспериментальной установки, геометрию измерений, размер и форму падающего и детектируемого многолучевого пучка на границе раздела сред и другие параметры.

Изобретение относится к устройствам и способам для мониторинга или измерения состояния кожи посредством обнаружения колебаний концентраций меланина и гемоглобина с помощью колориметрического анализа.

В общем, изобретение относится к области оптики, биофизики и медицины (дерматологии), а именно к устройствам для неинвазивной диагностики, например к устройствам для контроля здоровья и внешнего вида кожи.

Устройство имеет довольно широкую область применения. Основным направлением является эстетический аспект здоровья кожи, состоящий в отслеживании изменений цвета и тона кожи (вызванных изменением содержания меланина и гемоглобина после воздействия УФ облучением) и предотвращении развития эритемы.

Знание оптических свойств кожи имеет большое значение для самостоятельной оценки надлежащей дозы облучения светом во время процедуры принятия загара.

Существует еще одна узкая область применения, относящаяся к медицине (дерматологии). При диагностике состояния кожи человека in vivo необходимо иметь объективную информацию о содержании и пространственном распределении меланина и гемоглобина и других биомолекул в ткани.

Количественная оценка оптических параметров человеческой кожи обеспечивает дерматологам эту важную информацию и успешно используется в настоящее время в диагностике патологий кожи при исследовании влияния факторов окружающей среды (химических веществ, УФ излучения, температуры и т.д.), а также для оценки эффективности лечения.

Спектральные и, соответственно, цветовые различия между нормальной и патологической кожной тканью можно использовать для раннего выявления опухолей кожи, таких как обычные родинки, гемангиомы и меланомы.

Мобильное измерительное устройство для контроля содержания меланина и эритемы в коже пользователя содержит блок источника света, состоящий из, по меньшей мере, одного источника белого света для облучения кожи пользователя белым светом; детектор изображения, состоящий из матрицы фоточувствительных элементов для детектирования RGB изображений; блок защиты детектирования, состоящий из непрозрачного блока защиты детектирования, обеспечивающего необходимые постоянные условия детектирования отраженного света, и блок обработки для вычислительной обработки изображений RGB, получения данных отражения и отображения данных, связанных с меланином и гемоглобином, на дисплее, и дисплей, отображающий пользователю данные, касающиеся меланина и гемоглобина.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение погрешности измерения, вызванной внешними условиями освещения, удобство применения благодаря компактным размерам устройства, простота локализации зоны измерения благодаря конструкции устройства. Примечательно, что можно контролировать содержание хромофоров при любых окружающих условиях (любом внешнем освещении или его отсутствии, для любого типа кожи) и сохранять постоянный угол детектирования. Целью настоящего изобретения является мониторинг содержания меланина и гемоглобина в коже пользователя с помощью портативного и доступного устройства.

Технический результат изобретения достигается с помощью портативного устройства для измерения хромофоров в коже, включающего в себя непрозрачный блок защиты детектирования, обеспечивающий легкую локализацию зоны измерения, которая ограничивается объемом блока защиты детектирования, а также обеспечивающий стабильные и заранее известные условия освещения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1. Схема устройства по RU 2003/123826 A.

Фиг.2. Схема устройства по US 2010/0198026.

Фиг.3. Изображение устройства по US 2010/0198026.

Фиг.4. Схема предпочтительного варианта (блок защиты детектирования не содержит оптических элементов).

Фиг.5. Схема блока защиты детектирования согласно предпочтительному варианту.

Фиг.6. Схема альтернативного варианта (блок защиты детектирования, оборудованный оптическими элементами).

Фиг.7. Блок-схема алгоритма оценки хромофоров.

Фиг.8. Схема монтажа блока защиты детектирования (магнитное соединение).

Фиг.9. Схема монтажа блока защиты детектирования (слайдер).

Фиг.10. Схема монтажа блока защиты детектирования (корпус телефона).

Фиг.11. Результаты МК моделирования спектров человеческой кожи (слева) и соответствующие цвета (справа) при изменении содержания меланина в живом эпидермисе: (1) 0%; (2) 2%; (3) 5%; (4) 10%; (5) 20%; (6) 35%; (7) 45%; отношение эумеланин/феомеланин - 1:3.

Фиг.12. Результаты МК моделирования спектров человеческой кожи (слева) и соответствующие цвета (справа) при изменении концентрации в крови в слоях от сосочкового слоя дермы до подкожной клетчатки: (1) 0%; (2) 2%; (3) 5%; (4) 10%; (5) 20%; (6) 35%; (7) 70% соответственно. Концентрация меланина - 2%, отношение эумеланин/феомеланина - 1:3.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

Предлагаемое изобретение позволяет контролировать в полностью автоматическом режиме динамику меланина и гемоглобина в коже. Техническим результатом заявленного изобретения является возможность следить за содержанием хромофоров при любых условиях окружающей среды (любом внешнем освещении или его отсутствии, для любого типа кожи) и возможность постоянного угла детектирования. Изобретение позволяет описать физическую корреляцию между восприятием цвета и длинами волн. Натуральный образец измерителя хромофоров в коже состоит из смартфона (801 - верхняя сторона, 803 - нижняя сторона) (коммерческий датчик КЗС КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник - технология построения интегральных схем, которая применяется в детекторах изображения, состоящих из интегральной схемы, содержащей массив сенсоров пикселей, где каждый пиксель содержит фотодетектор и активный усилитель), белого светоизлучающего диода - осветительная вспышка (компонента мобильного устройства) и непрозрачного блока защиты детектирования с особым внутренним покрытием. Нижняя пластина 804 блока защиты детектирования может иметь специальное покрытие, такое как поглощающий материал или сильно отражающий материал; также блок защиты детектирования должен иметь технологические отверстия 807 (Фиг.8) для детектора и светоизлучателя в нижней пластине. Блок защиты детектирования может иметь стенку из поглощающего или сильно отражающего материала. Блок защиты детектирования может быть телескопическим, не содержать оптики и иметь произвольную форму, чтобы контролировать восстановление кожи после УФ воздействия. В результате образуется мобильное измерительное устройство для контроля содержания меланина и гемоглобина в коже пользователя, основанное на мобильном устройстве, имеющем вспышку и видеокамеру, и блоке защиты детектирования, который обеспечивает необходимое постоянное состояние зондирования для каждого пользователя. Принцип измерения согласно изобретению основан на колориметрическом методе, теории светопереноса и моделировании Монте-Карло распространения света в биологических тканях и на классической теории оценки индексов эритемы и меланина.

Как отмечается в описании, поглощающая внутренняя часть поверхности блока защиты детектирования должна иметь коэффициент диффузного отражения в видимом диапазоне (VR) не выше 4-5% (например: Schott ND9 glass http://oceanoptics.com/product/stan-series-reflectance-standards/), а отражающая внутренняя поверхность должна иметь коэффициент диффузного отражения в VR не ниже 95-99% (Al зеркало на подложке из плавленого кварца, Delrin, алюминия, http://oceanoptics.com/product/ws-l-reflectance-standards/). Непрозрачность ограждающего блока защиты детектирования является ключевым свойством для определения условий измерения, она исключает внешнюю засветку, и этот факт, конечно, учитывается при расчетах переноса излучения. Тип покрытия поверхности (поглощающее или отражающее) также является важным параметром для вычисления переноса излучения, но содержание хромофоров в коже зависит только от типа кожи и ее текущего функционального состояния. Если используется поглощающее поверхностное покрытие, в расчетах можно исключить все повторно отраженные световые компоненты, поскольку вклад случайных многократных отражений изменяет окончательный цвет изображения кожи. В случае отражающей поверхности, наоборот, можно учесть вклад всех случайных многократных отражений и внести соответствующие изменения в алгоритм расчета. Так или иначе, отражающие и поглощающие свойства поверхности являются полярными случаями (исключающими или включающими в себя отражения света), и необходимо просто принимать один из них во внимание, так как в данном изобретении можно использовать любой из них.

Осуществление изобретения (способа/устройства) в целом

В одном из вариантов все части настоящего изобретения являются частями используемого мобильного устройства (смартфона, планшетного компьютера), за исключением блока ограждения считывания. Блок защиты детектирования является частью мобильного устройства, которая прикрепляется к задней стороне мобильного устройства, закрывая вспышку и камеру. Блок защиты детектирования представляет собой полый цилиндр с непрозрачной подложкой, имеющей нижнюю пластину. Нижняя пластина снабжена технологическими отверстиями для детектора и излучателя.

Существует много вариантов монтажа блока защиты детектирования на мобильном устройстве. Далее соединительная часть будет описана на примере смартфона. Смартфон и блок защиты детектирования имеют различные соединительные детали. В первом варианте осуществления соединительная часть может быть магнитной. В этом случае телефон имеет металлическую пластину под задней крышкой телефона (802). При этом блок защиты детектирования содержит металлическую пластину 806 в качестве магнитной части блока 805 защиты детектирования Фиг.8. Блок защиты детектирования устанавливается с помощью магнитных пластин, одна из которых расположена в смартфоне (802), а другая находится на поверхности (806) блока (805) защиты детектирования. Во втором варианте осуществлении блок (904) защиты детектирования имеет соединительную часть в форме слайдера 902, 903, который обеспечивает крепление к смартфону (901) (Фиг.9). В предпочтительном варианте осуществления блок защиты детектирования является чехлом телефона (Фиг.10). В этом случае у смартфона 1001 блок 1002 защиты детектирования является частью пластикового чехла 1003.

Пользователь присоединяет устройство стороной с блоком защиты детектирования к области кожи, на которой будет выполняться измерение. Блок защиты детектирования имеет свободную геометрическую форму и высота блока защиты детектирования определяется исходным фокусным расстоянием объектива камеры мобильного устройства и требованиями, предъявляемыми к полю зрения (исследуемому участку кожи). Измерение меланина и эритемы невозможно выполнить мобильным устройством без блока защиты детектирования, поскольку процедура измерения требует постоянных условий для детектирования, например постоянного угла захвата, отсутствия воздействий и т.д.

Затем, используя специальное программное обеспечение (СПО), пользователь делает несколько снимков поверхности кожи.

Источник белого света генерирует излучение, которое рассеивается кожей и фокусируется оптической системой камеры мобильного устройства. Колориметрические системы определяют количественные (яркость) и качественные (цвет) цветовые характеристики кожи. Для каждого изображения кожи попиксельно определяются три цветовые координаты (R, G, B) с помощью колориметрической системы для измерения отражения кожи. Затем полученные координаты преобразуются в цветовые координаты X, Y, Z колориметрической системы MKO1931 (Yxy) и колориметрической системы L*, a* и b* MKO1976 (L*a*b*) с применением простых соотношений. Содержание гемоглобина и меланина в коже человека оценивается с помощью алгоритма, основанного на решении обратной задачи Монте-Карло. Используя этот алгоритм, по меньшей мере, двухслойная модель кожи учитывает любые части тела. Коэффициент отражения кожи вычисляется с помощью метода Монте-Карло в видимом спектральном диапазоне. Затем спектр пересчитывается в цветовой системе координат и сравнивается с экспериментально полученными данными отражения кожи, и находится соответствие между цветовыми координатами и соответствующим спектром. Это позволяет оценить содержание меланина и гемоглобина в коже.

В этом СПО значения RGB преобразуются в трехцветные значения в цветовом пространстве, которое представляет собой независимую от устройства цветовую систему и совместимо с обычными рабочими пространствами RGB (NTSC, sRGB и т.д.). Для определения отношения между трехцветными значениями XYZ и концентрациями меланина и крови используется моделирование Монте-Карло (ММК) переноса излучения для модели человеческой кожи.

Спектральный состав света, проникающего через биологические ткани, зависит от концентрации и пространственного распределения хромофоров в данной ткани, а также от конкретных условий эксперимента, в том числе от геометрии зонда и множества параметров падающего оптического излучения.

В алгоритме, который поддерживает заявленное изобретение, используются метод вычислений, разработанный специально для моделирования видимых спектров отражения кожи человека и вычисления цвета кожи. Вычислительные данные сравниваются с экспериментальными данными, полученными с использованием измерений в расширенном динамическом диапазоне (Фиг.6) через различные части человеческого тела, которые легко доступны при этих измерениях. В силу фактических условий зондирования и очень сложной структуры тканей, рассматриваемых в алгоритме согласно изобретению, не существует общего аналитического решения, которое могло бы моделировать детектированное рассеянное оптическое излучение и его взаимодействие с тканями, их структурные нарушения и/или физиологические изменения. Поэтому было использовано стохастическое моделирование Монте-Карло (MК). Авторы использовали объектно-ориентированную модель MК, которая позволяет описывать фотоны и структурные компоненты ткани как объекты, которые взаимодействуют друг с другом. Следовательно, фотон объекта распространяется через среду объекта (или средний слой) и взаимодействует с ее составляющими, такими как клетки, кровеносные сосуды, коллагеновые волокна и т.п. Такое представление среды объектами позволяет разрабатывать реалистичные модели ткани, представляющие трехмерные пространственные вариации биологической структуры. Для моделирования спектра пропускания применялась многослойная модель ткани.

Моделирование МК проводилось с учетом, по меньшей мере, реальной геометрии зонда, используемого в эксперименте (см. Фиг. 6) с использованием 1010 обнаруженных пакетов фотонов. Преобразования распределения спектральной мощности в координаты CIE XYZ (CIE 1976 L*a*b*), а также значения цветов RGB, выполнялись с использованием стандартной системы CIE 2° и трехцветных значений использованного источника света WLED Galaxy Note 4. Наблюдение эффекта изменений цвета тканей, вызванных, например, изменением содержания крови и/или меланина и изменением оксигенации крови, является потенциальным применением для практической диагностики и биоинженерных применений. Эти изменения могут быть определены количественно и охарактеризованы разработанной моделью МК. На Фиг. 11 и 12 показаны примеры результатов моделирования спектров человеческой кожи и цвета кожи соответственно для различных содержаний меланина и крови в коже.

Основные положения предложенного метода таковы: визуализация кожи в постоянных условиях детектирования света обеспечивается за счет использования специально разработанной светозащитной бленды объектива; численный эксперимент переноса излучения в коже выполняется для известных условий детектирования света и источника света, и результатом является ряд спектров и соответствующих цветовых координат для различного содержания хромофоров в коже; захваченные цветовые координаты сравниваются с цветовыми координатами и соответствующими спектрами, полученными с помощью численного моделирования.

Сравнительные данные (полученные численным путем) уже содержат информацию о концентрации меланина и крови для конкретного изображения кожи. Поэтому обнаружение соответствия при сравнении координат позволяет определить концентрацию хромофоров.

Результаты, представленные на Фиг.11-12, демонстрируют изменения спектров и цвета кожи человека при изменении содержания меланина или крови, которые можно охарактеризовать путем объединения спектральных измерений с результатами MК моделирования.

Отношения между значениями RGB и концентрациями хромофоров в коже

Значения RGB пикселя на изображении поверхности кожи, полученном с помощью цифровой камеры, можно выразить как:

$${\left(\begin{array}{l}R\\ G\\ B\end{array}\right)}^T=L_1\times {\left(\begin{array}{l}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)}^T$$

где

$$X={\displaystyle \underset{400}{\overset{700}{\int }}E(\lambda )\overline{x}(\lambda )0(\lambda )d(\lambda )}$$

$$Y={\displaystyle \underset{400}{\overset{700}{\int }}E(\lambda )\overline{y}(\lambda )0(\lambda )d(\lambda )}$$

$$Z={\displaystyle \underset{400}{\overset{700}{\int }}E(\lambda )\overline{z}(\lambda )0(\lambda )d(\lambda )}$$

- трехцветные значения в цветовой системе CIEXYZ и (…)^T - транспонирование вектора. L₁ - матрица преобразования для преобразования значений XYZ в соответствующие значения RGB, и она существует для каждого рабочего пространства (NTSC, PAL/SECAM, sRGB и т.п.). λ, Е(λ) и 0(λ) - длина волны, спектральное распределение источника света (абсолютный фотометрический спектр диода Galaxy) и спектр диффузного отражения кожи человека соответственно. х(λ), y(λ) и z(λ) - функции соответствия цвета в цветовой системе CIEXYZ. Интегралы берутся в видимом диапазоне длин волн (от 400 до 700 нм). Если предположить, что ткань кожи состоит, главным образом, из эпидермиса, содержащего меланин, и дермы, содержащей кровь, то диффузное отражение кожной ткани О можно выразить как:

$$0=\frac{I}{I_0}=\left[{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}{P}_e({\mu }_{s,e},g_e},l_e)\exp (-{\mu }_{a,m}{l}_e)d{l}_e\right]\times \left[{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}{P}_d({\mu }_{s,d},g_d},l_d)\exp (-{\mu }_{a,b}{l}_e)d{l}_d\right]$$

где I₀ и I - стандартный отраженный свет и детектированные интенсивности света соответственно. P(µs, µg, I) - функция вероятности длины пути, которая зависит от рассеивающих свойств, а также от геометрии измерений. µs, µa, g и I - коэффициент рассеяния, коэффициент поглощения, коэффициент анизотропии и длина пути фотона соответственно. Индексы m, b, e и d обозначают меланин, кровь, эпидермис и дерму соответственно. Коэффициент поглощения каждого хромофора выражается произведением его концентрации С и коэффициента экстинкции ε и µ_α = C_ε. Таким образом, значения RGB выражаются как функции C_m и С_b.

При оценке концентрации хромофоров в коже на основе изображения RGB используется следующая процедура. Сначала значения RGB в каждом пикселе изображения кожи преобразуются в значения XYZ с помощью матрицы N1, как:

$${\left(\begin{array}{l}R\\ G\\ B\end{array}\right)}^{}=N_1\times {\left(\begin{array}{l}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)}^{}$$

в каждом пикселе изображения. Затем следует определить матрицу N₁ на основе измерений стандарта Color Checker, который имеет 24 цветовых элемента и поставляется с данными, дающими значения CIEXYZ для каждого элемента под конкретным освещением и соответствующие спектры отражения. Затем значения X, Y и Z преобразуются матрицей N₂ в Cm, Cb. Затем вычисляется спектр диффузного отражения O(λ) в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм с интервалом 5 нм посредством ММК для переноса излучения в ткани кожи при различных значениях Cm, Cb, после чего получают соответствующие X, Y и Z. В этой ММК коэффициент поглощения меланина для Cm вводится в эпидермис как µ_a, m. Коэффициент поглощения крови для Cb вводится в дерму как µ_a,db. Толщина слоя эпидермиса и дермы установлена как 0,05 и 5,05 мм соответственно. Показатель преломления каждого слоя принят равным 1,4. Затем рассчитывались значения XYZ на основе смоделированного O(λ). Приведенные выше расчеты были выполнены для различных комбинаций Cm, Cob и Cdb, чтобы получить наборы данных концентраций хромофоров и значений XYZ. Множественный регрессионный анализ с наборами данных дал два регрессионных уравнения для Cm и Cb:

Cm = α₀ + α₁X + αY + α₃Z,

Cb = b₀ + b₁X + b₂Y + b₃Z.

Регрессионные коэффициенты ai, bi (i = 0, 1, 2, 3) отражают вклады значений XYZ в Cm и Cb соответственно, и они были использованы в качестве элементов матрицы N₂ 4×3. Таким образом, преобразование с помощью N₂ из трехцветных значений в концентрации хромофора, выражается как:

$$\left(\begin{array}{l}{C}_m\\ C_b\end{array}\right)=N_2\times \left(\begin{array}{l}X\\ Y\\ Z\\ 1\end{array}\right)$$

После определения матриц N₁ и N₂ изображения C_m и C_b реконструируются без ММК. Предложенный метод отличается от известных решений тем, что добавлены уникальные экспериментальные условия и уникальный полный спектр диода Galaxy.

Через несколько секунд мобильное устройство отобразит информацию о содержании хромофоров на исследуемом участке кожи. Эта информация будет содержать предупреждения о возможности солнечного ожога, различные советы по защите кожи пользователя. Способ предоставления информации пользователю и тип предоставляемой информации могут быть различными. Концентрацию можно представить в численном виде или в виде двухмерной карты распределения цвета. Информацию о состоянии кожи можно передать врачу или косметологу.

Сущностью данного решения является мобильное устройство с указанным выше алгоритмом и блоком защиты детектирования, который выполнен из непрозрачного материала, обеспечивает необходимые постоянные условия детектирования рассеянного света; использование источника белого света, охватывающего видимую область спектра от 350 нм до 800 нм, с однонаправленным излучением, и матрицы цвето- и светочувствительных элементов для детектирования рассеянного света; возможность анализа любой части человеческого тела (изменения типа кожи, толщины жирового слоя и т.д.) и большая площадь анализируемой области (около 10 см²). Использование блока защиты детектирования позволяет детектировать изображения при одинаковых условиях освещения и геометрии детектирования в любое время. Это условие позволяет связать цветовые координаты изображения с реальными, физическими длинами волн в видимом диапазоне.

Произвольная форма и телескопическая функция блока защиты детектирования позволяет использовать его с любым мобильным устройством, имеющим вспышку и видеокамеру. Непрозрачный материал, из которого изготовлен блок защиты детектирования, позволяет измерять концентрацию хромофоров кожи при любых внешних условиях (естественном солнечном освещении, искусственном освещении, отсутствии освещения). Чтобы учесть нестабильность источника излучения (влияние заряда батареи, изменение интенсивности спектра источника, пыль и т.п.), применяется нормирование к эталонному изображению белого (например, BaSO₄).

Универсальность предлагаемого изобретения, применимость ко всем мобильным платформам обеспечивается за счет возможности изменения высоты блока защиты детектирования (телескопической функции).

В первом варианте предлагаемое мобильное устройство 400 (см. Фиг.4) включает в себя блок 401 источника света, детектор изображения, представляющий собой матрицу светочувствительных элементов 402, с собственным объективом 403 и блоком 406 защиты детектирования, блок 404 обработки и дисплей 405. Блок 401 источника света обеспечивает освещение кожи белым светом. Детектор изображения 402 детектирует рассеянный свет, и блок 404 обработки преобразует его в электрический сигнал. Электрический сигнал фактически является цифровым изображением, которое обрабатывается в блоке 404 обработки в соответствии с описанным алгоритмом, а затем отображается на дисплее 405. Блок 406 защиты детектирования непрозрачный, имеет произвольную форму, имеет телескопическую функцию и его внутреннее покрытие можно изготовить из светопоглощающих материалов. Для учета нестабильности источника излучения (влияния заряда батареи, изменения спектра источника, изменения состояния ограждающего покрытия, сдвига источника, пыли и т.п.) данные интенсивности отражения кожи нормируются к эталонному изображению стандартного белого цвета (BaSO₄). Это позволяет пренебречь небольшими дефектами, такими как родинки или другие образования на коже, а также пренебречь влиянием изменения заряда батареи, изменения интенсивности спектра источника света, пыли и т.п. На Фиг.5 показано применение изобретения. На ней изображены источник света 501, матрица 502 светочувствительных элементов, объектив 503 камеры, блок 504 обработки, дисплей 505, блок 506 защиты детектирования и кожа 507 человека. Получение данных о содержании меланина и гемоглобина в коже осуществляется в два этапа: определяют цветовые координаты изображений кожи и сравнивают полученные значения с результатом математического моделирования. Значения цвета будут соответствовать любому конкретному соотношению концентраций меланина и гемоглобина.

Еще один вариант осуществления изобретения показан на Фиг.6. Чтобы уменьшить высоту блока защиты детектирования, необходимо уменьшить величину заднего фокального отрезка (расстояние от последней поверхности до заднего фокуса) собственной оптической системы (СОС), используемой мобильным устройством. Высоту блока защиты детектирования можно уменьшить до 0,5 см. Для этого в собственную оптическую систему мобильного устройства необходимо добавить редуктор фокуса (дополнительный оптический элемент/элементы). С точки зрения оптики, редуктор фокуса является положительной линзой, для которой уменьшение фокусного расстояния можно вычислить из уравнения:

R = 1-D/FR,

где R - коэффициент уменьшения фокусного расстояния, D - расстояние до плоскости изображения, FR - фокусное расстояние объектива [Например: если мы возьмем объектив (фокусное расстояние 100 мм) и поместим его на расстоянии 20 мм от плоскости изображения, то получим следующее уменьшение фокусного расстояния: 1-20/100 = 0.8x]. В качестве таких линз можно использовать ахроматическую линзу для детектирования макроизображений (или использовать общую схему объектива (системы линз)).

Изобретение включает в себя блок 601 источника света, детектор изображения, представляющий собой матрицу 602 светочувствительных элементов, оснащенную линзой 603, и блок 606 защиты детектирования с дополнительными оптическими элементами 606 A и B, что позволяет уменьшить высоту блока защиты детектирования путем уменьшения фокусного расстояния считывающего блока, блок 604 обработки и дисплей 605. Блок 601 источника света обеспечивает освещение кожи белым светом. Блок 606 защиты детектирования реализован с применением оптики. Линза 606A обеспечивает уменьшение фокусного расстояния камеры мобильного устройства и делает устройство блока защиты детектирования более компактным, и рассеивающая пластина 606B обеспечивает равномерное освещение поверхности. Элементы 606A и 606B интегрированы в блок защиты детектирования. Блок защиты детектирования может иметь крышку с внутренней стороной, имеющей эталонный белый цвет.

Таким образом, известные цветовые координаты изображения участка кожи позволяют получить спектр кожи из цифровых фотографий пользователя. Алгоритм обработки изображения (Фиг.7) используется для определения цветовых координат изображений кожи и сравнения полученных значений цвета с данными моделирования кожи, а также для оценки концентрации гемоглобина и меланина в коже.

Изобретение можно использовать в качестве устройства для оценки содержания меланина и крови в коже пользователя. Информация о содержании меланина и крови может помочь пользователю оценить время загара и прогнозировать будущий уровень загара. Кроме того, это устройство можно использовать для оценки абсолютных значений цвета любых непрозрачных твердых материалов (например, путем сравнения цветовых компонентов автомобиля для определения аварий, имевших место в прошлом).

Изобретения относятся к устройствам и способам мониторинга или измерения состояния кожи путем обнаружения колебаний меланина и гемоглобина с помощью колориметрического анализа. Способ реализуют посредством портативного устройства для измерения содержания хромофоров в коже. При этом создают постоянные условия измерения с помощью непрозрачного блока защиты детектирования для окружения источника света и детектора изображения. Блок защиты детектирования выполнен съемным и имеет соединительную часть для присоединения к устройству и отсоединения от него, а также имеет допускающую изменение высоту, которая определяется собственным фокусным расстоянием детектора изображения. Обеспечивают излучение широкополосным источником белого света. Формируют рассеянное кожей излучение с помощью оптической системы. Детектируют сформированное излучение и создают колориметрические изображения с помощью детектора изображения. Определяют три цветовые координаты для каждого изображения с помощью блока обработки и на основании постоянных условий измерения осуществляют математическое моделирование для создания модели распространения излучения в видимом спектральном диапазоне в биологических тканях. Сравнивают три цветовые координаты с результатами математического моделирования. Определяют содержание хромофоров из спектра отражения кожи. Достигается уменьшение погрешности измерения, вызванной внешними условиями освещения, удобство применения благодаря компактным размерам устройства, простота локализации зоны измерения благодаря конструкции устройства. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Портативное устройство для измерения содержания хромофоров в коже, содержащее:
источник света для излучения широкополосного света в кожу;
детектор изображения для захвата колориметрического изображения кожи, полученного с помощью отраженного от кожи широкополосного света;
непрозрачный блок защиты детектирования для окружения источника света и детектора изображения, причем этот непрозрачный блок защиты детектирования выполнен съемным и имеет соединительную часть, предназначенную для присоединения непрозрачного блока защиты детектирования к портативному устройству для измерения содержания хромофоров в коже и отсоединения непрозрачного блока защиты детектирования от портативного устройства для измерения содержания хромофоров в коже, при этом блок защиты детектирования имеет допускающую изменение высоту, которая определяется собственным фокусным расстоянием детектора изображения; и
блок обработки, выполненный с возможностью обработки характеристик захваченного колориметрического изображения кожи для определения содержания хромофоров.

2. Устройство по п. 1, в котором блок защиты детектирования имеет внутреннее покрытие, которое имеет поглощающие свойства.

3. Устройство по п. 1, в котором блок защиты детектирования не содержит оптики.

4. Устройство по п. 1, в котором портативное устройство для измерения содержания хромофоров в коже является любым мобильным устройством, оснащенным детектором изображения и источником белого света и дополнительно оснащенным непрозрачным блоком защиты детектирования.

5. Устройство по п. 1, в котором блок защиты детектирования имеет телескопическую функцию.

6. Устройство по п. 1, в котором детектор изображения представляет собой матрицу цвето- и светочувствительных элементов со спектральной чувствительностью, охватывающей видимый диапазон.

7. Способ определения содержания хромофоров в коже посредством портативного устройства для измерения содержания хромофоров в коже, содержащий этапы, на которых:
создают постоянные условия измерения, используя непрозрачный блок защиты детектирования, который имеет допускающую изменение высоту, которая определяется собственным фокусным расстоянием детектора изображения, для окружения широкополосного источника белого света и детектора изображения;
обеспечивают излучение широкополосным источником белого света портативного устройства для измерения содержания хромофоров в коже;
формируют излучение, рассеянное кожей, посредством оптической системы портативного устройства для измерения содержания хромофоров в коже;
детектируют сформированное излучение и создают, по меньшей мере, одно изображение с помощью детектора изображения портативного устройства для измерения содержания хромофоров в коже;
определяют три цветовые координаты для каждого изображения с помощью блока обработки портативного устройства для измерения содержания хромофоров в коже;
основываясь на упомянутых постоянных условиях измерения, осуществляют математическое моделирование для создания модели распространения излучения в видимом спектральном диапазоне в биологических тканях блоком обработки портативного устройства для измерения содержания хромофоров в коже;
сравнивают три цветовые координаты с результатами математического моделирования;
определяют содержание хромофоров из спектра отражения кожи.

8. Способ по п. 7, в котором математическое моделирование является математическим моделированием распространения излучения в биологических тканях с применением алгоритма моделирования Монте-Карло, причем модель кожи, используемая в моделировании Монте-Карло, должна изменяться в соответствии с частью тела.

9. Способ по п. 7, в котором алгоритм моделирования Монте-Карло учитывает структуру кожи, по меньшей мере двухслойную модель кожи, параметры экспериментальной установки, геометрию измерений, размер и форму падающего и детектируемого многолучевого пучка на границе раздела сред.