杨帆：应用太赫兹时域光谱技术，评估皮肤的水分含量
杨帆，教授、博士生导师，中国电机工程学会电工理论与新技术专委会副主任委员，教育部电气类教学指导委员会秘书。主要从事多物理场的计算、生物电磁成像方法与应用研究。近5年来以项目技术负责人负责工信部产业升级转型重点项目1项、国家自然基金项目3项、国家重点专项子课题1项、国家级新工科教改项目1项。出版专著1部，以第一或通讯作者发表SCI期刊论文40余篇、国内一级学报论文15篇，获国家教学成果二等奖1项，国家一流课程（虚拟仿真项目）1项。
太赫兹波以其独特的水分敏感性，在生物组织水分检测中展现出了广阔的应用前景。针对皮肤内部水分含量难以准确定量感知的问题，重庆大学杨帆、余晓等在2021年第4期《电工技术学报》上撰文，提出了基于表面反射率的皮肤水分含量评估方法和基于GA-LM的优化求解混合算法。
研究背景
皮肤具有保护、调节体温和维护新陈代谢等功能，正常皮肤内部水分含量会保持在一个合理的范围。当人体出现疾病时，皮肤内部会产生吸水或失水的变化，打破原有皮肤水分含量的平衡状态，因此，皮肤水分含量成为了皮肤疾病诊断和健康状况评估的重要指标。
近年来，诸如全反射红外光谱、核磁共振、光学相干层析和拉曼光谱等光谱及成像技术被广泛应用于皮肤厚度测量、皮肤内部成分检测、表皮层水分的梯度分布测定的研究之中。
但是，皮肤组织的复杂内部结构和成分极大的限制了皮肤检测的准确度。因此，尝试利用新方法、新技术实现皮肤水分的精确测量，对提高医学诊断及监测的能力有着重要意义。
论文所解决的问题及意义
太赫兹波是一种频率分辨率高、光子能量低，且对水分极其敏感的电磁波。利用太赫兹波开展皮肤水分含量评估研究，可以有效提高皮肤内部水分含量的测量精度。通过对计算反射率和测量反射率使用GA-LM混合算法优化求解，得到拟合后的水分含量最优值。并通过不同水分分布规律和不同有效介质模型验证了皮肤水分含量评估方法的准确性。
论文方法及创新点
（1）建立了多层皮肤组织媒质模型
人体皮肤组织主要分为四层，皮肤水分含量从角质层到真皮层逐渐增加，呈非线性梯度分布。论文采用分段函数定义了皮肤水分含量梯度分布规律，结合BG有效介质模型和水的双德拜模型建立了皮肤介电常数模型。最后，根据皮肤组织的物理结构建立皮肤多层媒质解析模型。
图1 太赫兹波在皮肤组织内部传播示意图
（2）提出了基于THz发射率的皮肤水分含量评估方法
论文基于皮肤多层媒质模型获得皮肤表面计算反射率，基于反射式太赫兹皮肤阻塞测量实验获得了皮肤表面测量反射率。通过对计算反射率和测量反射率使用GA-LM混合算法优化求解，得到拟合后的水分含量最优结果。并利用不同水分分布规律和不同有效介质模型验证了皮肤水分含量评估方法的准确性。
图2 水分含量评估算法流程
结论
研究结果表明，在充分考虑了水分分布规律和有效介质模型的条件下，利用太赫兹时域光谱技术可以准确评估皮肤水分含量的变化，用于烧伤组织水肿演化过程的定量评估和实时监测。
引用本文
杨帆， 余晓， 刘黎， 王少华， 韩升. 基于太赫兹时域光谱技术的皮肤水分含量评估[J]. 电工技术学报， 2021, 36(4): 777-786. Yang Fan, Yu Xiao, Liu Li, Wang Shaohua, Han Sheng. Water Content Evaluation of Skin Tissue Based on Terahertz Time Domain Spectroscopy. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(4): 777-786.
