材料視界 | 皮膚的可見光反射光譜：CIE L*a*b*顏色分析在不同人種皮膚表征中的應(yīng)用

已經(jīng)有很多人嘗試通過使用顏色判別標(biāo)準科學(xué)地表征不同人種的皮膚類型，其中大多數(shù)方法都是基于肉眼觀察對皮膚顏色的評價。最常用的評價方法是哈佛大學(xué)的皮膚病學(xué)家Thomas B. Fitzpatrick在1975年提出的基于數(shù)值分類圖表的Fitzpatrick標(biāo)度。該方法將皮膚類型劃分為6個類別。對于保健和護膚品行業(yè)，該方法也被認可用作劃分人類皮膚對可見光響應(yīng)的皮膚病學(xué)研究工具之一。Fitzpatrick標(biāo)度是更早期的Von Luschan色度的現(xiàn)代化，后者使用36塊不透明的玻璃片表征皮膚的顏色。圖1所示為Von Luschan玻璃片描述的人類皮膚的顏色范圍。Fitzpatrick標(biāo)度將這些顏色劃分為6種皮膚類型：白化、白色、淡棕色、地中海棕色、深棕色、黑色。

圖1.Von Luschan顏色標(biāo)度

直觀比較實驗對象的皮膚與標(biāo)準玻璃片的顏色，找出最接近的匹配。這種視覺檢查和比較的方法現(xiàn)在看來是存在誤差的，因為其結(jié)論受主觀因素影響是易變的，在很多實例中不同研究者對同一實驗對象的測試結(jié)果是不同的。

圖2.反射光譜中涉及到的皮膚結(jié)構(gòu)層次

樣品反射光譜的測量使用裝有150 mm Spectralon積分球的Lambda X50+紫外/可見/近紅外光譜儀。使鏡面反射口保持原位，以便獲得全反射光譜。將實驗對象的前臂內(nèi)側(cè)放置于積分球的漫反射口，采集皮膚樣品的光譜。Von Luschan玻璃片的光譜也使用漫反射口進行測量。圖3所示為150 mm積分球處于全反射模式時的樣品光路。鏡面反射光和漫反射光都被收集。為了全面研究不同類型的人類皮膚，本研究中測量了從輕度白化到美國黑人等多個人種的實驗對象。

圖3.150 mm積分球中的光路（點擊查看大圖）

圖4.L*a*b*顏色空間（點擊查看大圖）

既然我們可以對顏色進行量化地測量，也就可以將人類皮膚與Von Luschan玻璃片進行比較。關(guān)鍵問題在于：Fitzpatrick標(biāo)度中使用的玻璃片與人類皮膚的顏色接近程度如何時才算是匹配？由于使皮膚和玻璃片產(chǎn)生顏色的化學(xué)成分差異很大，這是一個需要考慮的問題。

在人類皮膚光譜中，可見光的波長能夠穿過相對透明的表皮層，與富含血管的真皮層中復(fù)雜多樣的化學(xué)成分發(fā)生相互作用。圖5所示為剝離的豬皮表皮層的百分比透射光譜。對于可見光的波長來說，表皮層是相對透明的，僅因為散射過程而減弱到達真皮層的可見光（400 nm以上區(qū)域）。400 nm以下的紫外光被尿刊酸、DNA的核酸環(huán)和蛋白質(zhì)的芳香氨基酸等細胞成分所吸收。表皮層的廣泛吸收表現(xiàn)為280 nm附近的吸收峰。

圖7.Von Luschan玻璃片與不同人種皮膚類型的光譜比較（點擊查看大圖）

玻璃片的L*值從89（淺色）到29（深色）不等，分布范圍達到了60個L*單位。在色度值確定之后，Von Luschan玻璃片顏色的人為因素開始變得明顯。圖8將色度值a*對b*做圖，x軸代表紅色/綠色分量，y軸代表藍色/黃色分量。顏色最淺的玻璃片是黃綠色的，而顏色較深的玻璃片中紅色分量更多。顏色最深的玻璃片是藍紅色的。正常情況下，健康的人類皮膚中不會出現(xiàn)藍色和綠色。

圖8.Von Luschan玻璃片的CIE a*b*色度圖（點擊查看大圖）

圖9. 不同人種前臂皮膚反射光譜的CIE a*b*色度圖（點擊查看大圖）

完整的人類皮膚顏色L*a*b*數(shù)據(jù)收集于表2中。從中可見，皮膚的L*值從73（淺色）到34（深色）不等。比較Von Luschan玻璃片與人類皮膚的L*值，可以發(fā)現(xiàn)皮膚的L*值分布范圍更窄，僅有39個單位，而Von Luschan玻璃片的L*值分布范圍達到了60個單位。皮膚的L*值分布范圍更窄的主要原因很可能在于起反射作用的細胞的表面結(jié)構(gòu)。與玻璃片相比，皮膚的表面質(zhì)地更加粗糙。表面質(zhì)地對于漫反射光譜有很重要的影響。漫反射樣品的表面越平滑，看起來就越明亮。因為“粗糙”的表面包含微小的孔洞和縫隙，可以捕捉入射光而阻止其反射。表面的凹凸不平越多或越大看起來就越暗。也就是說，對于同等膚色的實驗對象，干燥粗糙的皮膚看起來要比光滑的皮膚更暗一些。