УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОТОПОВРЕЖДЕНИЯ КОЖИ
DEVICE AND METHOD FOR MEASUREMENT OF SKIN PHOTOPATHY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам и способам для определения состояния кожи и, в частности, таким устройствам и способам, которые используют формирование цифровых изображений людей для определения фотоповреждения кожи субъекта.
Уровень техники изобретения
При оценке кожи человека в косметическом аспекте и с точки зрения состояния здоровья важным фактором является степень фотоповреждения, вызванного, например, инсоляцией. Высокие уровни инсоляции соотносили с повышенным риском рака кожи из-за УФ-индуцированных клеточных мутаций. Кроме того, инсоляция вредно влияет на косметическое состояние кожи, например кожа теряет упругость и равномерность цвета, на что указывают «старческие пятна» или солнечный лентигиноз. Известно, что фотоповреждение сопровождается/выражается внутренними изменениями кожи, которые находятся в основе внешних признаков кожи. Одно из упомянутых внутренних изменений происходит в поверхностной (папиллярной) дерме. В частности, с увеличением возраста людей и их накопленной инсоляции, в поверхностной дерме накапливается эластический материал в форме аномальных сгруппированных эластичных волокон, которым сопутствуют деформированные коллагеновые волокна.
Визуальное и физическое исследование кожи человека дерматологом и/или гистологическое исследование образца кожи могут дать информацию о степени фотоповреждения, однако данные методы требуют услуг дорогостоящих специалистов, неудобны, иногда неприятны и часто не обеспечивают в результате исчерпывающего количественного измерения фотоповреждения большой площади кожи, например лица, в сравнении с нормой.
Предложены различные системы формирования изображений, которые формируют фотографические изображения лица человека для анализа состояния здоровья и эстетического внешнего вида кожи. Различные изображения, например, записанные в разные моменты времени или в разных условиях освещения, например с использованием разных частот освещения и фильтрации, можно сравнивать между собой для получения правильного представления о состоянии кожи, например, в разные моменты времени, например до и после лечения, чтобы определить тенденции изменения состояния кожи. Упомянутые действия обычно выполнялись оператором, просматривающим фотографии для определения изменений от одной к другой, с учетом цвета, текстуры и т.п.
Хотя формирование фотографических изображений и их анализ визуальным просмотром действительно эффективны, в данной области, по-прежнему, существует потребность в выполнении подобных анализов с более глубоким подходом к существу дела, без зависимости от оценки и суждений специалистов, и более объективным и воспроизводимым способом.
Сущность изобретения
Ограничения известных способов и устройств для определения и оценки фотоповреждения людей преодолеваются настоящим изобретением, которое включает в себя устройство для обнаружения эластического материала в коже измерением ее реакции в зеленом цвете в ответ на освещение синим светом. В варианте осуществления настоящего изобретения интенсивность реакции в виде сигнала в зеленом цвете записывается в форме цифрового изображения значениями интенсивности пикселей. С накоплением упомянутых данных для множества людей, методом количественного анализа можно составить для групп субъектов нормы и совокупности параметров, с которыми можно количественно сравнивать индивидуумы. В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения один полезный способ количественного анализа состоит в определении распределения интенсивности реакции в зеленом цвете по лицевой области, при этом более сильные отклонения интенсивности являются признаками более сильного фотоповреждения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематичное изображение цифровой системы визуализации в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - график зависимости значения a* от возраста для первой совокупности субъектов, для которых записаны цифровые изображения.
Фиг.3 - гистограмма интенсивностей пикселей для конкретной области кожи индивидуума и для совокупности.
Фиг.4 - график зависимости флуоресценции эластического материала от возраста для второй выборочной совокупности.
Фиг.5 - график зависимости флуоресценции эластического материала от возраста для третьей выборочной совокупности.
Подробное описание изобретения
I
I
R
На фиг.1 схематично изображено цифровое устройство 10 формирования изображений, содержащее источник освещающего света 12 (например, фотовспышку) и цифровую камеру 14. Изображение субъекта S записывается камерой 14 в форме матрицы 16 значений пикселей в RGB-цветовом формате (красном, зеленом, синем). Матрица 16 значений обычно формируется прибором с зарядовой связью (CCD) с фильтром Байера, и информация записывается в запоминающем устройстве, например запоминающем устройстве с произвольной выборкой (RAM) или на карте флэш-памяти. Данные RGB можно разделять по каналам или плоскостям R, G и B, по одной плоскости на каждый цвет. Чтобы получить цифровые изображения субъекта S для сбора разной информации о коже субъекта, можно использовать различные частоты освещающего света L, с изменением их угловых положений относительно субъекта S. На источнике света 12 и камере 14 можно применять фильтры 18, 20 соответственно для управления частотой/поляризацией света L, который проецируют на субъект S, а также для управления светом L (отраженным или излучаемым субъектом S), который пропускается в камеру 14. Формирование изображений упомянутого типа подробно описано в совместно рассматриваемых заявке на патент США № 10/008753, «Method of Taking Images of the Skin Using Blue Light and the Use Thereof», которая опубликована как публикация патентной заявки США № US 2004/0146290 A1, заявке на патент США № 10/978284, «Apparatus for and Method of Taking and Viewing Images of the Skin», которая опубликована как публикация патентной заявки США № 2005/0195316 A1 («Публикация США № 2005/0195316»), заявке на патент США № 11/169813, «Skin Imaging System with Probe», которая опубликована как публикация патентной заявки США № US 2006/0092315 A1 («Публикация США № 2006/0092315»), которые, все вместе, целиком включены в настоящую заявку. В вышеупомянутых заявках раскрыты различные взаимосвязи между состоянием кожи и изображениями, сформированными при различных параметрах фотосъемки, т.е. специальных сочетаниях освещающего света, фильтров 18, 20 и т.п. Реакция кожи на разные частоты, углы наклона, поляризации возбуждающего света может давать информацию о состоянии кожи, и подобные признаки состояния кожи могут записываться и воспроизводиться в виде цифровых изображений с целью анализа.
Поскольку изображения записываются в цифровой форме, т.е. в числовых значениях интенсивности пикселей, изображения допускают количественный анализ. Например, вместо всего лишь фиксации факта, что щека субъекта, изображение которой снято в момент времени T1, имеет более или менее зеленый цвет на изображении человека, снятом в момент времени T2, по результатам распознавания квалифицированным наблюдателем, можно количественно сравнивать значения интенсивности зеленых пикселей на конкретном участке щеки в моменты времени T1 и T2. Например, можно численно анализировать два значения, чтобы количественно оценивать фактическое изменение интенсивности для данного пикселя или пикселей в данной области. Количественную оценку цифрового изображения можно применять для определения средних значений для кожи в конкретных областях, например, суммированием значений пикселей в конкретной области и затем делением на число пикселей. Таким образом, можно количественно характеризовать всю площадь лица. Возможно также выполнение различных других количественных анализов, например можно диагностировать изображение площади кожи с точки зрения стандартного отклонения интенсивности пикселей или преобразовывать данные RGB в координатное пространство L*a*b* и математически анализировать значения a*, характеризующие зеленое окрашивание (например, можно непосредственно сравнивать значения a* последующих изображений методом вычитания), для определения изменения зеленого цвета. Преобразование данных RGB-изображения в данные L*a*b* подробно описано в совместно рассматриваемой предварительной заявке США № 60/848768, «Apparatus and Method for Analyzing Skin Using L*a*b* Colorspace», которая подана 2 октября 2006 г. одновременно с настоящей заявкой и целиком включена в настоящую заявку путем ссылки.
При условии что существует возможность количественной оценки результатов/данных формирования цифровых изображений и возможность получения больших выборок данных изображений с течением времени и по группам совокупностей, упомянутые данные можно количественно анализировать для определения взаимосвязей и тенденций внутри упомянутых групп совокупностей, например, для установления нормативных состояний кожи. Целью настоящего изобретения является определение и оценка уровня фотоповреждения для индивидуума или совокупности индивидуумов. Разумеется, аналогичные способы сбора данных посредством формирования цифрового изображения и численного анализа данных, собранных как из совокупностей, так и от индивидуумов, можно использовать для получения выводов, касающихся других параметров состояния кожи.
Что касается анализа фотоповреждения, в медицинской литературе сообщается о корреляции между числом часов инсоляции и степенью фотоповреждения. Смежные корреляции наблюдаются между фотоповреждением и возрастом (а именно, чем больше возраст субъекта, тем вероятнее более сильное фотоповреждение), временем, которое человек провел на конкретных широтах (на широтах с повышенной инсоляцией, приводящей к более сильному фотоповреждению), типом кожи, определяемым содержанием меланина (более сильная пигментация приводит к ослаблению фотоповреждения) и т.п. Следовательно, настоящее изобретение предполагает, что можно составлять группы совокупностей с различной чувствительностью к фотоповреждению с целью оценки вероятности фотоповреждения и что степень фотоповреждения можно оценивать и количественно определять для данных выборочных совокупностей, чтобы идентифицировать и количественно определить прогнозируемые факторы, которые могут встретиться человеку или быть у него в наличии и которые оказывают влияние на фотоповреждение. Соответственно, настоящее изобретение предполагает эффективность проведения широкомасштабных исследований по формированию изображений, с привлечением разнотипных людей и записью касающихся их различных отличительных черт и опытных данных, для создания базы данных из выборок цифровых изображений, которые можно количественно анализировать. Затем данный количественный анализ можно использовать для количественной оценки различных факторов риска, приводящих к фотоповреждению, как по отдельности, так и в комбинации.
L
В части прогнозируемых признаков фотоповреждения, оцениваемых посредством формирования цифровых изображений, настоящее изобретение предполагает, что интенсивность реакции кожи со свечением зеленым цветом на облучение синим светом является признаком присутствия эластического материала. Как отмечалось выше, фотоповреждение коррелируется с присутствием эластического материала. На фиг.2 представлен график зависимости значения a* от возраста для 7825 субъектов. Наклон линии регрессии R является отрицательным и, тем самым, указывает, что, со старением субъектов, значение a* уменьшается соответственно усилению «интенсивности зеленого», характеризующей более сильное фотоповреждение.
При условии что имеет место вышеупомянутая корреляция между интенсивностью зеленого флуоресцентного сигнала реакции на синий свет и возможностью ее количественного определения на основе анализа цифровых изображений, индивидуальная поисковая информация, касающаяся степени его/ее фотоповреждения, может представляться, по меньшей мере, в одном сеансе формирования цифрового изображения в синем свете, т.е. свете с длиной волны от приблизительно 380 нм до приблизительно 430 нм. Например, формирование изображения может выполняться с, по меньшей мере, одной лампой-вспышкой 12, снабженной интерференционными фильтрами 18. Камера 14 также может содержать фильтр 20, например фильтр длинных волн, для подавления длин волн короче 400 нм, например фильтр GG-420 или GG-440 компании Schott Glass Technologies и фильтр Wratten № 8 компании Eastman Kodak. После захвата цифрового изображения в RGB-цветовом формате выделяются и анализируется данные G сигнала зеленого цвета.
Для всех пикселей любого изображения существует соответствующая интенсивность пикселя, которая определяется по характеристике свет-сигнал фоточувствительного элемента, например напряжению, порождаемому в емкостном элементе в решетке CCD. Упомянутая совокупность параметров изображения и данные интенсивности, составляющие их основу, можно использовать для количественной оценки степени фотоповреждения, нанесенного субъекту S, изображение которого записывалось.
Как и в случае со многими другими результатами измерений, измеренный показатель тяжести или степени фотоповреждения имеет повышенную значимость, при сравнении с некоторым стандартом, например нормой или средним значением для соответствующей совокупности. При сравнении с упомянутой нормой, состояние индивидуума можно характеризовать, как лучше или хуже, с процентильным ранжированием или с упорядочиванием по шкале, например с ранжированием от 1 до 10. Затем упомянутую численную характеристику можно связать с результирующими вероятностями, полученными в ходе статистических исследований соответствующих совокупностей. Например, если выясняется, что индивидуум имеет фотоповреждение, которое на 50% меньше, чем норма для людей со сходными возрастом, пигментацией и географией места жительства, и статистические исследования показывают, что данный человек подвержен низкому риску развития обусловленного фотоповреждением заболевания или состояния, например меланомы, появления морщин или старческих пятен, когда возраст субъектов составляет 60 лет, то их низкая численная оценка будет показателем того, что для них невысок риск упомянутых состояний (если упомянутые субъекты не поменяют своего текущего поведения). И, наоборот, человек, у которого оказалась относительно высокая численная оценка фотоповреждения, может подвергаться более высокому риску, и поэтому можно рекомендовать коррекцию поведения и/или лечение заболевания.
Чтобы установить стандарт для сравнения, индивидуум может идентифицировать некоторые данные о себе, в частности, что касается любых данных, которые, как показано в ходе исследований по совокупностям, являются прогностическими в отношении фотоповреждения, например возраст, пигментацию (расу), годы пребывания в конкретных географических пунктах/на широтах, образ жизни и привычное поведение на открытом воздухе, использование кремов от загара и т.п. При наличии таких данных, соответствующие данные можно извлекать из базы данных собранных проанализированных цифровых изображений и других источников информации, касающихся результатов и степеней фотоповреждения, связанных с данными факторами. Затем данные об интенсивности реакции индивидуума в зеленом цвете можно сравнивать с накопленными данными по совокупности для получения числовой или процентильной оценки фотоповреждения по отношению ко всей совокупности и/или по отношению к любой конкретной соответствующей совокупности. Таким образом, фотоповреждение можно количественно выразить числом, и данное число может отражать отклонения от нормы, установленной по различным представляющим интерес совокупностям.
Кроме сравнения с группами субъектов, субъект может направляться на, по меньшей мере, два сеанса формирования изображений, разделенных по времени, для выявления или контроля изменений степени его фотоповреждения и эффективности лечения кожи, направленного на обращение фотоповреждения, например, при использовании трентиноина/ретина A.
При анализе кожи лица человека целесообразно исследовать конкретные области лица на наличие конкретных соответствующих характерных признаков, поскольку разные области лица отличаются по форме и функциональному назначению и по-разному взаимодействуют с окружающей средой. Например, кожа, покрывающая верхнюю поверхность носа, подвержена наиболее направленным и интенсивным солнечным лучам, т.е. лучам, испускаемым с позднего утра до раннего времени после полудня, и поэтому с большей вероятностью подвержена фотоповреждению. Напротив, кожа век прикрыта от солнца благодаря сборкам век и их отведению в глазницы, когда глаза открываются. Поэтому фотоповреждение будет заметнее изменяться от области к области кожи человека, который получил больше излучения, т.е. открытые солнцу участки будут демонстрировать более сильное фотоповреждение, чем неоткрытые участки, тогда как у человека, подвергающегося ограниченной инсоляции, участки лица с большей естественной инсоляцией будут меньше отличаться от участков с меньшей естественной инсоляцией. Поэтому широкие изменения сигнала интенсивности в зеленом цвете по лицу (или другим участкам тела, например дорсальным и волярным поверхностям) являются показателем фотоповреждения, так как данные изменения указывают на большую инсоляцию.
Аналогично, реакция кожи на инсоляцию может изменяться по поверхности кожи, например, на лице или спине. Субъекты со слабой пигментацией кожи и сниженной способностью к выработке меланина склонны к покрытию веснушками, которые указывают на неравномерную реакцию кожи к инсоляции и неравномерность фотоповреждения по поверхности. В результате, значительная изменчивость сигнала реакции в зеленом цвете на синий свет является показателем фотоповреждения (связанного, например, с веснушчатой кожей человека со сниженным уровнем пигментации).
I
P
P
I
I
I
P
P
На фиг.3 представлена функциональная гистограмма чисел пикселей для разных уровней распределения интенсивности пикселей флуоресцентной реакции в зеленом цвете по участку кожи, например, лицевой области. Сплошные линии обозначают показания для индивидуумов H, и штриховые линии обозначают упомянутые значения, соответствующие совокупности H. Как можно понять из графика, средняя интенсивность M пикселей для совокупности ниже, чем средняя интенсивность M для индивидуума. Такая особенность является одним из показателей более сильного фотоповреждения. Кроме того, группы интенсивностей H пикселей для индивидуума сильнее отличаются от среднего M для индивидуума, чем группы интенсивностей H для совокупности субъектов отличаются от среднего M для совокупности. Приведенная особенность показывает, что стандартное отклонение интенсивности пикселей для индивидуума больше, чем стандартное отклонение интенсивности пикселей для более крупной группы (совокупности). Как отмечено выше, упомянутая особенность также является показателем того, что индивидуум получил более чем нормальную степень фотоповреждения, так как он/она характеризуется более широким изменением интенсивности сигнала в зеленом цвете по лицевой области. Подобная характеристика будет аналогична веснушчатости.
На фиг.4 и 5 показаны зависимости флуоресценции эластического материала от возраста для двух групп людей, афроамериканцев и белокожих соответственно. На каждой из фиг.4 и 5 размер выборки составлял 200 человек, и испытание проводили летом (S) и зимой (W). Сезонно изменяющаяся степень фотоповреждения наблюдается для обеих групп благодаря повышению интенсивности солнечного света и инсоляции в летний период и соответствующему снижению в зимний период. Ниже приведено подробное описание процессов вычисления графиков.
Для каждого субъекта следует задать представляющую интерес область на лице, чтобы обеспечить отсутствие на изображениях сигналов от других флуорофоров, кроме эластического материала, например от рогового вещества и порфирина. Кроме того, следует обеспечить выполнение оценки флуоресценции на аналогичных областях лица, чтобы гарантировать, что количественная оценка согласуется для различных субъектов. Субъектов оценивали методом визуального контроля изображений, чтобы гарантировать для всех согласованно представляемых результатов измерений отсутствие нарушений, обусловленных присутствием «рогового вещества» и «порфирина». Измерения снимали с щеки под глазом. Для всех субъектов представляющая интерес область (ROI) задавалась в виде прямоугольного участка на левой щеке под глазом, при этом верхний левый угол ROI совмещался по горизонтали с центром глаза и по вертикали с центром носа.
Чтобы количественно оценить эластический материал для каждой ROI, выбирали канал сигнала зеленого (RGB-данных) изображения флуоресценции в синем свете (BF-изображения), так как поперечные связи эластина флуоресцируют в зеленом цвете спектра. Кроме того, сигнал флуоресценции, задаваемый каналом сигнала зеленого BF-изображения, требуется корректировать так, чтобы результаты измерения не испытывали влияния пигментации лица. Канал сигнала зеленого визуального изображения, соответствующего той же ROI на лице, использовали для нормирования сигнала. Канал сигнала зеленого BF-изображения, скорректированный на пигментацию, усредняли по площади ROI. Полученное число называют «индексом фоновой флуоресценции в синем свете», сокращенно называемым BBFI.
Для каждого из субъектов в базе данных выводили и усредняли индекс BBFI и вычисляли стандартное отклонение индекса BBFI, чтобы проанализировать зависимость индекса BBFI от возраста и типа кожи. Результаты сведены в два графика, представленных на фиг.4 и 5. На фиг.4 представлен индекс BBFI в зависимости от возраста для кожи афроамериканцев в летний и зимний периоды, и на фиг.5 представлен индекс BBFI в зависимости от возраста для кожи белокожих в летний и зимний периоды.
Следует понимать, что варианты осуществления, описанные в настоящей заявке, являются всего лишь примерными и что специалист в данной области техники сможет создать множество вариантов и модификаций, без выхода за пределы сущности и объема изобретения. Все подобные варианты и модификации предполагаются охваченными объемом изобретения.