皮膚老化規律在皮膚病診斷、美容效果評價、法醫學鑒定以及體育比賽年齡鑒定等領域具有重要的作用。本文提出了利用皮膚紋理面積客觀評價皮膚老化現象。首先采集了放大后的皮膚紋理圖像, 然后利用迭代閾值法對皮膚紋理圖像進行分割, 采用分水嶺算法獲得脊線圖, 最后提取了皮脊代表的皮膚紋理面積。實驗結果表明, 無論男性女性, 皮膚表面圖像中皮脊的平均面積與年齡均具有高度相關性(男性:相關系數r=0.938;女性:相關系數r=0.922), 皮膚紋理面積與年齡的回歸曲線表明皮膚紋理面積隨著年齡的增加而增大, 說明該方法可有效客觀評價皮膚老化現象。
引用本文： 單改仙, 甘平, 何玲, 孫露, 李倩楠, 江正, 賀向前. 利用皮膚紋理面積客觀評價皮膚老化的研究. 生物醫學工程學雜志, 2015, 32(1): 142-145. doi: 10.7507/1001-5515.20150026 復制
引言
皮膚老化是指隨著年齡的增長以及外界因素的影響，皮膚萎縮、變薄，出現細紋或者粗深的皺紋，使得原有幾何圖形外觀明顯改變或消失的現象[1-2]。皮膚表面紋理形態可以客觀地反映皮膚的老化狀況，目前定性評價皮膚表面紋理老化的方法較多，常見的肉眼形態評估方法，雖然具有無創性，但容易受到醫師主觀因素的影響，精確度低。定量評價的方法有硅膠復膜制備皮紋樣本的方法[3], 但是價格昂貴，操作起來較為復雜，耗時費力，對大樣本的人群研究有很大的限制，除此之外也有學者對皮膚紋理進行定量研究，但是對皮膚紋理平均面積未做定量研究[4-10]。受前輩學者的啟發，項目組人員探索采用圖像處理技術客觀定量分析皮膚老化問題，設計出一套針對皮膚紋理面積評價皮膚老化的方法，該方法具有操作簡單、設備價格便宜、數據樣本容易采集的特點，易于推廣，具有廣泛的市場應用前景。
人體不同部位皮膚紋理差異性較大，經過多年的研究發現，前臂曲側中間位置的皮膚受外界環境影響小，肌肉運動不頻繁，便于采集，該部位皮膚紋理的發育具有典型的階段性和連續性，符合人體器官發育的生理規律和解剖特征。圖像采集系統采用自制的數碼放大顯微鏡系統(實用新型專利號：ZL 2012 2031 8575.4)，皮膚圖像經過一系列算法處理，提取到皮膚紋理的平均面積指標，通過統計分析面積指標與皮膚老化的相關性，進而可以通過回歸分析或曲線擬合得到皮膚老化曲線，從而客觀地應用于皮膚老化的評價及醫學美容皮膚老化的診斷。
1 材料與方法
1.1 設備與軟件系統
圖像采集系統采用自制的數碼放大顯微鏡系統(專利號：ZL 2012 2031 8575.4)，采集時所采用的性能指標如下：通用串行總線接口(Universal Serial Bus，USB)2.0、分辨率為800×600×24 bit、放大倍數為40倍。另外還使用了JAVA語言開發平臺(NETBEANS和JAI開發包)、MATLAB、統計學軟件(statistical product and service solutions，SPSS)。
1.2 方法
1.2.1 圖像分割與濾波
通過灰度變化將圖像采集獲取的24位真彩色圖像轉化為8位灰度圖像后，采用對比度受限的局部直方圖均衡化[13](contrast limited adaptive histogram equalization，CLAHE)獲得增強的圖像、然后采用迭代閾值分割方法對圖像分割，最后進行中值濾波處理和形態學增強[11-18]，其處理過程如圖 1所示。
圖1
皮膚圖像處理過程
(a)樣本圖像；(b)灰度圖像；(c) CLAHE處理后的圖像；(d)分割后的圖像；(e)中值濾波后的圖像；(f)形態學增強后的圖像
Figure1. Processing of skin image treatment(a) skin image samples; (b) gray image; (c) images processed by CLAHE; (d) images processed by image segmentation; (e) images processed by median filtering; (f) images processed by morphology enhancement
1.2.2 紋理面積提取
皮膚的紋理是由皮脊和皮溝組成的，皮溝相互交錯圍成皮脊，經顯微系統采集圖像放大后，單個皮脊的面積隨機性較強，但是從整體上觀察皮脊的平均面積隨年齡有規律變化，受此啟發，項目提取皮脊的面積，同時忽略皮溝寬度，以此研究皮膚發育規律，把提取的皮脊平均面積定義為皮膚紋理面積。因此在濾波的分割圖像的基礎上，采用分水嶺算法獲得了皮膚紋理的脊線圖，從而可以獲取標注出每個皮脊的面積，然后計算皮脊的平均面積。圖 2是典型的代表三個不同年齡段皮膚紋理面積的提取過程，其中25歲女性皮膚皮脊的平均面積為173 pixel、65歲女性皮膚皮脊的平均面積為414 pixel、82歲女性皮膚皮脊的平均面積為817 pixel。
圖2
三例女性皮膚樣本皮脊的平均面積計算
Figure2.
Calculation of mean areas of skin ridges for three female samples
1.2.3 統計分析
左右臂皮膚紋理的平均面積間的差異性采用Mann-Whitney U檢驗，皮膚紋理的平均面積與年齡的相關性采用Pearson相關，皮膚老化曲線采用3次曲線擬合。
2 實驗結果
2.1 材料收集與實驗分組
皮膚采集部位為前臂屈側1/2處，此處皮膚受外界環境影響小，肌肉運動不頻繁，采集容易，更能體現人體皮膚發育過程。要求志愿者在重慶地區生活5年以上、漢族、無系統性疾病、無皮膚病史。針對300名室內工作人員(包括學生、教師、辦公室工作人員等)，在室溫為(25±5)℃、濕度為80%±5%的室內條件下，通過數碼顯微鏡系統在固定焦距和物距下采集前臂屈側1/2處的皮膚表面圖像(此處皮膚禁用水和化妝品1 h以上)，每位志愿者左右手各采集20幅圖像，記錄年齡、身高、體重、性別、民族、重慶生活年限以及采集時間等信息。剔除身體質量指數不在標準范圍內以及圖像模糊的樣本，最終獲得77例樣本(20~93歲，平均年齡為56.5歲，身體質量指數為19~24)，分為男性組和女性組，其中男性40例，女性37例。
2.2 皮膚紋理的平均面積的差異性分析
經過Mann-Whitney U檢驗分析，得到女性左右臂對應位置處的皮膚皮脊的平均面積間的相伴概率為0.974，男性左右臂對應位置處的皮膚皮脊的平均面積間的相伴概率為0.985，均遠遠大于顯著性水平0.05，因此認為皮膚皮脊的平均面積在同一個體的左右臂對應位置間均沒有顯著性差異，如表 1所示。
表1
測量指標的差異性
Table1.
Differences of measurements
2.3 皮膚紋理的平均面積與年齡的相關性分析
統計結果表明，無論男性或女性，皮膚皮脊的平均面積與年齡均存在良好的正相關性，男性相關系數為0.938(P＜0.001)，女性相關系數為0.922(P＜0.001)。
2.4 皮膚紋理的平均面積與年齡的回歸分析
圖 3是皮膚紋理的平均面積與年齡的回歸曲線。可以看到，無論男性或女性，皮膚皮脊的平均面積隨著年齡的增加而增大，而且，隨著年齡的增長，皮膚皮脊的平均面積在男女性60歲之前的增加趨勢比較緩慢，60歲之后則變化速度急劇加快。
圖3
皮膚紋理的平均面積與年齡關系的回歸曲線
Figure3.
Regression curves of relationship between the mean areas of the skin ridges and age
從表 2中可以得到男性的回歸曲線方程為：y=214.778-4.253x+0.080x2+0.001x3，女性的回歸曲線方程為：y=-227.099+28.793x-0.661x2+0.006x3
表2
男性和女性的模型概述與參數估計
Table2.
Model summary and parameter estimates of male and female
3 討論
項目所采用的方法能客觀評價皮膚老化規律，所用儀器設備價格低廉，數據采集容易，市場推廣容易。相對于美容機構對皮膚水分、皮膚彈性、皮膚油性等指標的測量，皮膚紋理面積更具規律性，個體差異小，能形成量化指標。盡管硅膠復制品測量皮膚參數的方法可以獲取皮膚的三維數據，也容易形成量化指標，但是硅膠粘貼在皮膚表面復制時容易造成皮膚紋理變形，誤差大，本方法操作更簡單，設備和技術要求更低，經過采集、處理和計算，發現平均每個樣本用時大約30 s，與文獻[3]中的硅膠復膜制備法相比而言，節省了時間和成本，不僅效率上有很大的提高，而且在精度上也有很大的改善。
皮膚紋理面積評價皮膚老化現象具有廣闊的應用前景，除了應用到皮膚病的診斷和美容效果的評價之外，還可以應用到法醫學年齡鑒定和體育比賽年齡鑒定。特別是年齡鑒定，常用的手腕骨骨齡檢測法(tanner whitehouse 3, TW3)只能用于兒童青少年，不能應用到成年人，而該方法能擴大年齡檢測范圍，檢測時無需射線照射采集圖像，無輻射，無損解剖，檢測的年齡信息可為刑事偵查提供更多線索或能在體育比賽中進行有效的年齡造假的識別。
皮膚表面紋理信息的獲取對本項目很關鍵，采集設備造成的亮度不均、噪聲等因素干擾以及志愿者身體健康狀況，如肥胖、過勞、精神長期抑郁等給樣本收集帶來一定的難度。項目嚴格篩選數據，為了驗證采集數據的可靠性，實驗設計中對同一個體的左右手的數據進行了對比分析，采用Mann-Whitney U檢驗，如果同一個體左右手皮膚紋理面積差異比較大，說明采集的數據誤差大，實驗數據表明項目設計的采集設備穩定可靠，各種干擾因素得到了有效控制。通過對皮膚紋理圖像的分割和平均面積的提取，統計分析發現皮膚紋理的平均面積與年齡具有很強的相關性，同時獲取到了皮膚紋理面積與年齡的回歸曲線，不過采集到的有效數據樣本有限，其回歸曲線還需進一步修正，項目的后繼工作中將采集更多數據，同時考慮我國南北人群身體差異大、腦力勞動者和體力勞動者差異大以及民族多的問題，收集的數據需更廣泛。
近些年來，國內外學者對皮膚紋理分析做了大量研究，并不斷有各種方法和儀器問世，用于評價皮膚的老化。但這些方法和儀器或價格昂貴，或精度不高，使其應用局限化[8-10]。目前還沒有一種金標準有效評價皮膚老化現象，本方法在指標的選擇上具備一些優勢，數據可靠，但是在處理過程中也忽略了一些次要因素的影響，如皮溝的寬度、毛孔的大小等問題，可能會對皮膚老化曲線造成一些影響。另外，本研究指標選擇比較單一，下一步將對皮膚圖像的灰度共生矩陣、皮溝的寬度、毛孔的粗細進行深入研究，從而更準確地評價皮膚老化現象。
引言
皮膚老化是指隨著年齡的增長以及外界因素的影響，皮膚萎縮、變薄，出現細紋或者粗深的皺紋，使得原有幾何圖形外觀明顯改變或消失的現象[1-2]。皮膚表面紋理形態可以客觀地反映皮膚的老化狀況，目前定性評價皮膚表面紋理老化的方法較多，常見的肉眼形態評估方法，雖然具有無創性，但容易受到醫師主觀因素的影響，精確度低。定量評價的方法有硅膠復膜制備皮紋樣本的方法[3], 但是價格昂貴，操作起來較為復雜，耗時費力，對大樣本的人群研究有很大的限制，除此之外也有學者對皮膚紋理進行定量研究，但是對皮膚紋理平均面積未做定量研究[4-10]。受前輩學者的啟發，項目組人員探索采用圖像處理技術客觀定量分析皮膚老化問題，設計出一套針對皮膚紋理面積評價皮膚老化的方法，該方法具有操作簡單、設備價格便宜、數據樣本容易采集的特點，易于推廣，具有廣泛的市場應用前景。
人體不同部位皮膚紋理差異性較大，經過多年的研究發現，前臂曲側中間位置的皮膚受外界環境影響小，肌肉運動不頻繁，便于采集，該部位皮膚紋理的發育具有典型的階段性和連續性，符合人體器官發育的生理規律和解剖特征。圖像采集系統采用自制的數碼放大顯微鏡系統(實用新型專利號：ZL 2012 2031 8575.4)，皮膚圖像經過一系列算法處理，提取到皮膚紋理的平均面積指標，通過統計分析面積指標與皮膚老化的相關性，進而可以通過回歸分析或曲線擬合得到皮膚老化曲線，從而客觀地應用于皮膚老化的評價及醫學美容皮膚老化的診斷。
1 材料與方法
1.1 設備與軟件系統
圖像采集系統采用自制的數碼放大顯微鏡系統(專利號：ZL 2012 2031 8575.4)，采集時所采用的性能指標如下：通用串行總線接口(Universal Serial Bus，USB)2.0、分辨率為800×600×24 bit、放大倍數為40倍。另外還使用了JAVA語言開發平臺(NETBEANS和JAI開發包)、MATLAB、統計學軟件(statistical product and service solutions，SPSS)。
1.2 方法
1.2.1 圖像分割與濾波
通過灰度變化將圖像采集獲取的24位真彩色圖像轉化為8位灰度圖像后，采用對比度受限的局部直方圖均衡化[13](contrast limited adaptive histogram equalization，CLAHE)獲得增強的圖像、然后采用迭代閾值分割方法對圖像分割，最后進行中值濾波處理和形態學增強[11-18]，其處理過程如圖 1所示。
圖1
皮膚圖像處理過程
(a)樣本圖像；(b)灰度圖像；(c) CLAHE處理后的圖像；(d)分割后的圖像；(e)中值濾波后的圖像；(f)形態學增強后的圖像
Figure1. Processing of skin image treatment(a) skin image samples; (b) gray image; (c) images processed by CLAHE; (d) images processed by image segmentation; (e) images processed by median filtering; (f) images processed by morphology enhancement
1.2.2 紋理面積提取
皮膚的紋理是由皮脊和皮溝組成的，皮溝相互交錯圍成皮脊，經顯微系統采集圖像放大后，單個皮脊的面積隨機性較強，但是從整體上觀察皮脊的平均面積隨年齡有規律變化，受此啟發，項目提取皮脊的面積，同時忽略皮溝寬度，以此研究皮膚發育規律，把提取的皮脊平均面積定義為皮膚紋理面積。因此在濾波的分割圖像的基礎上，采用分水嶺算法獲得了皮膚紋理的脊線圖，從而可以獲取標注出每個皮脊的面積，然后計算皮脊的平均面積。圖 2是典型的代表三個不同年齡段皮膚紋理面積的提取過程，其中25歲女性皮膚皮脊的平均面積為173 pixel、65歲女性皮膚皮脊的平均面積為414 pixel、82歲女性皮膚皮脊的平均面積為817 pixel。
圖2
三例女性皮膚樣本皮脊的平均面積計算
Figure2.
Calculation of mean areas of skin ridges for three female samples
1.2.3 統計分析
左右臂皮膚紋理的平均面積間的差異性采用Mann-Whitney U檢驗，皮膚紋理的平均面積與年齡的相關性采用Pearson相關，皮膚老化曲線采用3次曲線擬合。
2 實驗結果
2.1 材料收集與實驗分組
皮膚采集部位為前臂屈側1/2處，此處皮膚受外界環境影響小，肌肉運動不頻繁，采集容易，更能體現人體皮膚發育過程。要求志愿者在重慶地區生活5年以上、漢族、無系統性疾病、無皮膚病史。針對300名室內工作人員(包括學生、教師、辦公室工作人員等)，在室溫為(25±5)℃、濕度為80%±5%的室內條件下，通過數碼顯微鏡系統在固定焦距和物距下采集前臂屈側1/2處的皮膚表面圖像(此處皮膚禁用水和化妝品1 h以上)，每位志愿者左右手各采集20幅圖像，記錄年齡、身高、體重、性別、民族、重慶生活年限以及采集時間等信息。剔除身體質量指數不在標準范圍內以及圖像模糊的樣本，最終獲得77例樣本(20~93歲，平均年齡為56.5歲，身體質量指數為19~24)，分為男性組和女性組，其中男性40例，女性37例。
2.2 皮膚紋理的平均面積的差異性分析
經過Mann-Whitney U檢驗分析，得到女性左右臂對應位置處的皮膚皮脊的平均面積間的相伴概率為0.974，男性左右臂對應位置處的皮膚皮脊的平均面積間的相伴概率為0.985，均遠遠大于顯著性水平0.05，因此認為皮膚皮脊的平均面積在同一個體的左右臂對應位置間均沒有顯著性差異，如表 1所示。
表1
測量指標的差異性
Table1.
Differences of measurements
2.3 皮膚紋理的平均面積與年齡的相關性分析
統計結果表明，無論男性或女性，皮膚皮脊的平均面積與年齡均存在良好的正相關性，男性相關系數為0.938(P＜0.001)，女性相關系數為0.922(P＜0.001)。
2.4 皮膚紋理的平均面積與年齡的回歸分析
圖 3是皮膚紋理的平均面積與年齡的回歸曲線。可以看到，無論男性或女性，皮膚皮脊的平均面積隨著年齡的增加而增大，而且，隨著年齡的增長，皮膚皮脊的平均面積在男女性60歲之前的增加趨勢比較緩慢，60歲之后則變化速度急劇加快。
圖3
皮膚紋理的平均面積與年齡關系的回歸曲線
Figure3.
Regression curves of relationship between the mean areas of the skin ridges and age
從表 2中可以得到男性的回歸曲線方程為：y=214.778-4.253x+0.080x2+0.001x3，女性的回歸曲線方程為：y=-227.099+28.793x-0.661x2+0.006x3
表2
男性和女性的模型概述與參數估計
Table2.
Model summary and parameter estimates of male and female
3 討論
項目所采用的方法能客觀評價皮膚老化規律，所用儀器設備價格低廉，數據采集容易，市場推廣容易。相對于美容機構對皮膚水分、皮膚彈性、皮膚油性等指標的測量，皮膚紋理面積更具規律性，個體差異小，能形成量化指標。盡管硅膠復制品測量皮膚參數的方法可以獲取皮膚的三維數據，也容易形成量化指標，但是硅膠粘貼在皮膚表面復制時容易造成皮膚紋理變形，誤差大，本方法操作更簡單，設備和技術要求更低，經過采集、處理和計算，發現平均每個樣本用時大約30 s，與文獻[3]中的硅膠復膜制備法相比而言，節省了時間和成本，不僅效率上有很大的提高，而且在精度上也有很大的改善。
皮膚紋理面積評價皮膚老化現象具有廣闊的應用前景，除了應用到皮膚病的診斷和美容效果的評價之外，還可以應用到法醫學年齡鑒定和體育比賽年齡鑒定。特別是年齡鑒定，常用的手腕骨骨齡檢測法(tanner whitehouse 3, TW3)只能用于兒童青少年，不能應用到成年人，而該方法能擴大年齡檢測范圍，檢測時無需射線照射采集圖像，無輻射，無損解剖，檢測的年齡信息可為刑事偵查提供更多線索或能在體育比賽中進行有效的年齡造假的識別。
皮膚表面紋理信息的獲取對本項目很關鍵，采集設備造成的亮度不均、噪聲等因素干擾以及志愿者身體健康狀況，如肥胖、過勞、精神長期抑郁等給樣本收集帶來一定的難度。項目嚴格篩選數據，為了驗證采集數據的可靠性，實驗設計中對同一個體的左右手的數據進行了對比分析，采用Mann-Whitney U檢驗，如果同一個體左右手皮膚紋理面積差異比較大，說明采集的數據誤差大，實驗數據表明項目設計的采集設備穩定可靠，各種干擾因素得到了有效控制。通過對皮膚紋理圖像的分割和平均面積的提取，統計分析發現皮膚紋理的平均面積與年齡具有很強的相關性，同時獲取到了皮膚紋理面積與年齡的回歸曲線，不過采集到的有效數據樣本有限，其回歸曲線還需進一步修正，項目的后繼工作中將采集更多數據，同時考慮我國南北人群身體差異大、腦力勞動者和體力勞動者差異大以及民族多的問題，收集的數據需更廣泛。
近些年來，國內外學者對皮膚紋理分析做了大量研究，并不斷有各種方法和儀器問世，用于評價皮膚的老化。但這些方法和儀器或價格昂貴，或精度不高，使其應用局限化[8-10]。目前還沒有一種金標準有效評價皮膚老化現象，本方法在指標的選擇上具備一些優勢，數據可靠，但是在處理過程中也忽略了一些次要因素的影響，如皮溝的寬度、毛孔的大小等問題，可能會對皮膚老化曲線造成一些影響。另外，本研究指標選擇比較單一，下一步將對皮膚圖像的灰度共生矩陣、皮溝的寬度、毛孔的粗細進行深入研究，從而更準確地評價皮膚老化現象。
