皮膚光的反射、折射和吸收

我們知道如果色差儀在產(chǎn)品顏色檢測(cè)出起到作用離不開(kāi)光的作用，所以分析膚色時(shí)皮膚表面光線的折射、反射、漫反射以及吸收都是對(duì)結(jié)果有很大影響的。所以正確了解和分析皮膚對(duì)光的反射、折射以及吸收可以更正確的分析色差儀的測(cè)量結(jié)果。

反射定義為電磁膚色在入射表面上返回。一般情況下，反射表面是折射率不同的兩種介質(zhì)的物理邊界，如空氣和皮膚組織的交界。如果反射表面時(shí)光滑的，其表面不平整與輻射的波長(zhǎng)比是較小的，稱(chēng)該反射為鏡面反射。鏡面反射是最簡(jiǎn)單的情況。相反，當(dāng)反射表面的粗糙度較大或小于輻射的波長(zhǎng)時(shí)，就出現(xiàn)漫反射。生物組織沒(méi)有一個(gè)像光學(xué)反射鏡表面那樣拋光的表明，所以漫反射是所有生物組織的一個(gè)共同現(xiàn)象。特殊情況是在潮濕組織的表面，鏡面反射可能超過(guò)漫反射。在顯微鏡下，皮膚表面非常粗糙，因此會(huì)對(duì)入射光產(chǎn)生強(qiáng)烈的漫反射。

由于皮膚顏色不同，反射比大小也有差異，白種人皮膚反射比更高點(diǎn)在700nm處，高達(dá)65%（紅虛線）；黑人皮膚反射比較低，其更高點(diǎn)位于890nm和1070nm波段，只有43%-45%（藍(lán)點(diǎn)線）；中國(guó)人皮膚反射比在上述兩種人之間，更高點(diǎn)在850nm處，達(dá)54%，高于黑人皮膚反射比，但低于白種人的皮膚反射比（黃實(shí)線）。

根據(jù)菲涅爾定律，反射和折射彼此密切相關(guān)，總是同時(shí)發(fā)生（全反射除外），并且反射和通常需要用折射率來(lái)折射符合總能量守恒的規(guī)律，而入射光與物質(zhì)的進(jìn)一步的相互作用僅限于折射光。通常需要用折射率來(lái)闡述光線進(jìn)入物質(zhì)中傳輸方向的變化，但是在渾濁光介質(zhì)中，如各種生物組織，由于吸收和散射作用，故折射率的測(cè)量相當(dāng)空難，大多數(shù)情況下僅能粗略估計(jì)和推算。在激光醫(yī)學(xué)的應(yīng)用中，只有當(dāng)輻照象角膜組織這樣透明介質(zhì)時(shí)，折射率才起重要作用。

圖 不同人中皮膚對(duì)光的反射特性

吸收

吸收是由于部分光能轉(zhuǎn)換成熱運(yùn)動(dòng)或者是吸收材料中分子的某種振動(dòng)，因?yàn)槲眨肷涔獾膹?qiáng)度在通過(guò)某一介質(zhì)時(shí)會(huì)衰減。透明介質(zhì)允許通過(guò)而吸收極少。相反，使入射光的強(qiáng)度幾乎衰減為零的介質(zhì)被稱(chēng)為不透明的。“透明”和“不透明”是相對(duì)的，因?yàn)槲杖Q于波長(zhǎng)。例如，角膜和晶狀體，主要由水組成，對(duì)可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)，角膜和晶狀體被認(rèn)為是高透明的，但在紅外光譜波段內(nèi)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收。因此，在這個(gè)光譜范圍內(nèi)這些生物組織呈現(xiàn)不透明。實(shí)際上，沒(méi)有任何生物組織對(duì)電磁波譜的所有波長(zhǎng)可稱(chēng)為“透明”或“不透明”的。

在皮膚組織中，主要的吸收是由色素、蛋白質(zhì)和核酸等大分子以及水分子引起的。紫外波段光子吸收主要是核酸和蛋白質(zhì)：近紅外光的激光輻射到皮膚表面上時(shí)大部分被反射掉，小部分透入皮膚內(nèi)部；中遠(yuǎn)紅外光基本上不能透入皮膚深部，而是被皮膚水分吸收。Boulnois對(duì)黑色素和血紅蛋白（Hbo2）這兩種基本生物吸收體的吸收光譜進(jìn)行了研究。黑色素、血紅蛋白和人體皮膚的吸收光譜。黑素是皮膚的基本色素，而且是目前為止已知的重要的表皮生色團(tuán)。它的吸收系數(shù)由可見(jiàn)光譜向紫外光譜方向單向增加。由下圖可知，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，密集的黑素其光吸收比較正常皮膚的吸收高10倍左右?？椫姓贾饕匚?，也是血液中的協(xié)氧蛋白。血紅蛋白相應(yīng)的吸收峰約在280nm、420nm、540nm和580nm處。另外，水是多數(shù)生物組織的主要構(gòu)成物，生物組織中的平均含水量高達(dá)85%。當(dāng)光照射到皮膚組織中，水分子的吸收起到重要作用。在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)，水的吸收系數(shù)是極小的。在可見(jiàn)光譜區(qū)和紫外區(qū)，生物組織本身的吸收系數(shù)要比水分子高，它依賴(lài)于像黑色素和血紅蛋白等的大分子在組織中的相應(yīng)含量。由此可見(jiàn)，黑色素、血紅蛋白和水分子的不同的吸收光譜特點(diǎn)，可以作為檢測(cè)他們?cè)诮M織中含量的標(biāo)記。

圖 皮膚中的黑色素、血液中的血紅蛋白（Hbo2）的吸收光譜

散射

皮膚組織中的散射過(guò)程較為復(fù)雜。一般情況下，生物組織中的散射大多數(shù)屬于彈性散射。在彈性散射中，入射光子與散射光子的能量相同。散射使光的傳播方向發(fā)生改變，定義入射光與散射光的傳播方向夾角為散射角，則根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知，生物組織中前向散角，則根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知，生物組織中前向散射角大多在8°~45°之間。當(dāng)光速穿透皮膚組織時(shí)，組織中的散射雖然不減弱皮膚中光速的能量，但導(dǎo)致光束的橫截面增加，從而降低了光功率密度，進(jìn)而影響透射率。定義穿透深度為組織體重的光能流率減少至入射的組織表面的能流率的1/e時(shí)光傳播的距離（從組織表面算起），則光在組織中的穿透深度是有吸收和散射共同決定的。皮膚等生物軟組織在它們的低光吸收窗口（0.6um~1.3um，1.6um~1.85um）表現(xiàn)出較強(qiáng)的散射特征（散射系數(shù)比吸收數(shù)大2個(gè)數(shù)量級(jí)）。

色差儀在檢測(cè)皮膚顏色時(shí)內(nèi)置的光源會(huì)發(fā)射一束標(biāo)準(zhǔn)光源光線照射在皮膚上，再通過(guò)分析折射、反射和漫反射光線中各種顏色數(shù)據(jù)，給出膚色色彩信息。色差儀現(xiàn)在在臨床醫(yī)療美容行業(yè)中廣泛應(yīng)用，學(xué)習(xí)和了解這些知識(shí)對(duì)我們正確分析結(jié)果是非常重要的。