DE10342604A1

DE10342604A1 - Skin state determination method for an animal or human, whereby the skin is illuminated by a light source and scattered and collected light analyzed using a pattern recognition algorithm

Info

Publication number: DE10342604A1
Application number: DE10342604A
Authority: DE
Original assignee: BIOCAM GmbH
Current assignee: BIOCAM GmbH
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2004-04-01
Also published as: AU2003269824A1; WO2004027402A1

Abstract

State determination method for the skin surface of a human or animal body, in which light (LS) from a light source (2) is incident on the skin surface (1) and the intensity and or divergence of scattered or reflected light (LSR) is measured using a detector (3). A pattern recognition algorithm can then be used to generate unique and objective values for classification of the skin properties. Independent claims are also included for the following: (a) a method for determining the state of the skin surface using a pattern recognition algorithm in the form of a neuronal or RCE network or use of classical discrimination analysis; (b) an arrangement for determining the state of the skin surface.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren, vorzugsweise auf ein bildgebendes Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 oder 2 sowie auf eine Anordnung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 5.The invention relates to methods, preferably to an imaging method according to the preamble of claim 1 or 2 and an arrangement according to the preamble claim 5th

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem der physiologische oder pathophysiologische Zustand der Hautoberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers einfach und präzise bestimmt werden kann.The object of the invention is a Show method by which the physiological or pathophysiological Condition of the skin surface of a human or animal body easily and precisely determined can be.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 oder 2 ausgebildet. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist entsprechend dem Patentanspruch 5 ausgeführt.To solve this problem is a Method according to claim 1 or 2 formed. An order to carry it out the method is carried out according to claim 5.

Bei der Erfindung wird der physiologische oder pathophysiologische Zustand der Hautoberfläche des menschlichen oder tierischen Körpers mit Hilfe eines auf die Hautoberfläche ausgesandten Lichtstrahls und des zurückgeschickten/-gesandten Lichts bestimmt, und zwar vorzugsweise bildhaft.In the invention, the physiological or pathophysiological condition of the skin surface of human or animal body with the help of a light beam emitted on the skin surface and the returned / sent light determined, preferably pictorially.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Anordnungen sind entsprechend dem Patentanspruch 4 ausgeführt.To solve this problem is a Method according to claim 1 formed. arrangements are executed according to claim 4.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass Licht auf die Hautoberfläche appliziert wird und dass das von dort zurückgesandte Licht mit entsprechenden Detektoren bezüglich z. B. seiner Intensität und/oder räumlichen sowie spektralen Verteilung, Einfallswinkel, Abklingzeit, Polarisation detektiert und mit Hilfe entsprechender Auswerteelektronik und/oder mathematischer Algorithmen in einem fest gewählten Erfassungsabstand der Detektoren von der Haut, typischerweise durch Aufsetzen der Detektor-tragenden Einheit auf der Haut, weiter charakterisiert wird. Aufgrund der physiologischen Unterschiede des jeweiligen Zustands der Haut in Hinblick auf den Feuchtigkeitsgehalt, den Fettgehalt der Struktur und Textur aber auch infolge einer therapeutischen oder kosmetischen Behandlung lässt sich aus den detektierten Größen eine Korrelation zum Zustand der Haut bestimmen. Die Registrierung und Datenweiterverarbeitung kann u. a. sowohl in Echtzeit (live) als auch off-line erfolgen, so dass unmittelbar nach Detektion und Verarbeitung eine Quantifizierung, d.h. Errechnung eines jeweiligen Faktors in Hinblick auf den Zustand der Haut ermöglicht wird.The method according to the invention provides that Light on the surface of the skin is applied and that the light returned from there with appropriate Detectors regarding z. B. its intensity and / or spatial as well as spectral distribution, angle of incidence, decay time, polarization detected and with the help of appropriate evaluation electronics and / or mathematical algorithms in a fixed detection distance of Detectors from the skin, typically by putting on the detector-bearing Unity on the skin, further characterized. Due to the physiological differences in the respective condition of the skin With regard to the moisture content, the fat content of the structure and Texture but also as a result of a therapeutic or cosmetic Treatment leaves one from the detected quantities Determine correlation with the condition of the skin. The registration and Data processing can u. a. both in real time (live) and also take place off-line, so that immediately after detection and processing a quantification, i.e. Calculation of a respective factor in With regard to the condition of the skin.

Die Anordnung zum Durchführen des Verfahrens sieht vor, dass als Lichtquellen sowohl kohärente (z. B. Laserdioden, LEDs) als auch inkohärente (z. B. Xenon- oder Halogenlampen) Lichtquellen verwendet werden können. Als Detektoren können z. B. ein Photodioden-Array, eine CCD-Kamera oder ein Multi-Channel-Analyzer-Array (MCA-Array) Verwendung finden. Abhängig vom verwendeten Detektor sind unterschiedliche, weitergehende Messparametererfassungen und Auswertungen möglich.The arrangement for performing the The method provides that both coherent (e.g. B. laser diodes, LEDs) and incoherent (z. B. Xenon or halogen lamps) Light sources can be used. As detectors can z. B. a photodiode array, a CCD camera or a multi-channel analyzer array (MCA array) are used. Depending on the detector used Different, more extensive measurement parameter recordings and evaluations possible.

Mit Hilfe einer CCD-Kamera oder eines Photodioden-Arrrays kann eine kontinuierliche Akquisition und Generierung von Bildern in regelmäßigen zeitlichen Abständen erfolgen. Die Auswerteelektronik erhält die aufgenommenen Bilddaten als Eingabe und berechnet daraus einen Faktor der Haut.With the help of a CCD camera or one Photodiode arrays can be a continuous acquisition and generation of images in regular time intervals respectively. The evaluation electronics receive the recorded image data as input and uses it to calculate a factor of the skin.

Der Einsatz eines MCA-Arrays erlaubt die spektral- und ortsaufgelöste Messung des reflektierten Lichtstrahls. Somit können nicht nur der Grad der Reflexion, sondern auch die jeweiligen Absorptions- bzw. Reflexionsspektren für jeden Bildpunkt unabhängig und simultan dargestellt und für eine Klassifizierung herangezogen werden.The use of an MCA array allows the spectrally and spatially resolved Measurement of the reflected light beam. So not only the level of reflection, but also the respective absorption and reflection spectra for each Pixel independently and displayed simultaneously and for a classification can be used.

Um die durch CCD und insbesondere durch MCA-Arrays erzeugten multiparametrischen Informationen weiterzuverarbeiten, finden Nachverarbeitungs-Algorithmen Verwendung, die die Berechnung eines Faktor für die Beurteilung der Eigenschaften und des Zustandes der Haut als objektive Entscheidungsfindung ermöglichen. Bestandteil dieser Erfindung sind daher die Anwendung unscharfer Verfahren wie z. B. klassische Verfahren, neuronale Netze, Fuzzy-Logik oder eine Kombination aus diesen. Insbesondere bietet sich die Anwendung klassifizierender neuronaler RBs-Netzwerke und hier insbesondere von RCE-Netzwerken, oder die Anwendung klassischer Verfahren wie z. B. der Diskriminantenanalyse an, so dass die gewonnenen Primärdaten und aus der sinnvollen Verknüpfung der Primärdaten gewonnene Sekundärdaten in ihren Grundeigenschaften untersucht und nach Ähnlichkeiten gruppiert werden können und so eindeutige und objektive Werte als Grundlage zur Klassifizierung von Hauteigenschaften generiert werden können.To the through CCD and in particular further process multiparametric information generated by MCA arrays, find post-processing algorithms Use that the calculation of a factor for the assessment of the properties and of the condition of the skin as objective decision making. The use of fuzzy methods is therefore part of this invention such as B. classic methods, neural networks, fuzzy logic or a combination of these. The application is particularly useful classifying neural RBs networks and here in particular of RCE networks, or the use of classic methods such as z. B. the discriminant analysis so that the primary data obtained and from the meaningful link the primary data secondary data obtained can be examined in their basic properties and grouped according to similarities and so clear and objective values as the basis for classification of skin properties can be generated.

Weitere Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further embodiments of the invention are the subject of subclaims.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained below of the figures closer explained. Show it:

1 in vereinfachter schematischer Darstellung eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 in a simplified schematic representation an arrangement for performing the method according to the invention;

2 in einem Diagramm die Intensität I_R des reflektierten Lichtstrahles LS_R in Abhängigkeit vom Zustand der Haut, bezüglich der Feuchtigkeit oder Feuchte FE der Hautoberfläche; 2 in a diagram the intensity I _{R of} the reflected light beam LS _R as a function of the condition of the skin, with respect to the moisture or moisture FE of the skin surface;

3 in vereinfachter schematischer Darstellung eine weitere Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 3 in a simplified schematic representation another arrangement for performing the method according to the invention;

4 in einem Diagramm die Streuung oder Divergenz D des reflektierten Lichtstrahls LS_R in Abhängigkeit von dem Fettgehalt FG der Hautoberfläche. 4 in a diagram the scatter or divergence D of the reflected light beam LS _R as a function of the fat content FG of the skin surface.

Die 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine Anordnung zur Bestimmung des Zustandes der Haut eines menschlichen Körpers, und zwar z. B. zur physiologischen und pathophysiologischen Bestimmung der Feuchtigkeit der Hautoberfläche 1 eines menschlichen oder tierischen Körpers.The 1 shows a simplified schematic representation of an arrangement for determining the condition of the skin of a human body, namely z. B. for the physiological and pathophysiological determination of the moisture of the skin surface 1 of a human or animal body.

Die Anordnung besteht im wesentlichen aus einer Lichtquelle 2 zum Aussenden eines fokussierten Lichtstrahles, beispielsweise eines Lichtstrahles LS im Spektrum zwischen 200 nm und 1000 nm. Die Lichtquelle 2 enthält u. a. ein Licht aussendendes Element, beispielsweise in Form einer Laserdiode, einer LED, eines LED-Arrays oder einer inkohärenten Lichtquelle. Die Anordnung umfasst weiterhin eine Lichtdetektoranordnung 3 zum Umsetzen des an der Hautoberfläche 1 reflektierten Lichtstrahles LS_R in ein elektrisches Signal. Hierfür enthält die Lichtdetektoranordnung 3 u.a. ein Licht in ein elektrisches Signal umwandelndes Detektorelement, beispielsweise ein Fotodioden-Array, eine CCD-Kamera oder ein MCA-Array.The arrangement essentially consists of a light source 2 to send out a focus ten light beam, for example a light beam LS in the spectrum between 200 nm and 1000 nm. The light source 2 contains, among other things, a light-emitting element, for example in the form of a laser diode, an LED, an LED array or an incoherent light source. The arrangement further comprises a light detector arrangement 3 to implement the on the skin surface 1 reflected light beam LS _R into an electrical signal. For this purpose, the light detector arrangement contains 3 inter alia a detector element converting light into an electrical signal, for example a photodiode array, a CCD camera or an MCA array.

Bestandteil der Anordnung ist weiterhin eine Steuer- und Auswertelektronik 4, die u.a. zur elektrischen Versorgung der Lichtquelle 2 und des Lichtdetektors 3 dient und der über die Verbindung 5 das der Intensität des reflektierten Lichtstrahles LS_R entsprechende elektrische Signal zugeführt wird. Aus diesem Signal wird von der Elektronik 4 dann an einer Anzeigeeinrichtung 6, beispielsweise Bildschirm eine Anzeige erzeugt, die der Intensität des reflektierten Lichtstrahles LS_R entspricht und die für weitere Diagnosezwecke verwendet werden kann.Control and evaluation electronics are also part of the arrangement 4 , which among other things for the electrical supply of the light source 2 and the light detector 3 serves and that over the connection 5 the electrical signal corresponding to the intensity of the reflected light beam LS _R is supplied. This signal is used by the electronics 4 then on a display device 6 For example, the screen generates a display that corresponds to the intensity of the reflected light beam LS _R and that can be used for further diagnostic purposes.

Die Lichtquelle 2 ist z. B. so ausgeführt, dass die Intensität des Lichtstrahles LS exakt einstellbar ist. Wie mit der Verbindung 7 in der 1 angedeutet ist, wird das Licht aussendende Element der Lichtquelle 2 hierfür beispielsweise von der Steuerelektronik 4 mit einer bestimmten Spannung oder einem bestimmten Strom angesteuert. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit einer Regelung, und zwar in der Weise, dass in der Lichtquelle 2 ein Teil des von dem Licht aussendenden Element erzeugten Lichtstrahles auf einen dortigen Sensor geleitet wird, der dann ein Testsignal über die Verbindung 7 an die Steuerelektronik 4 liefert, über die dann für eine konstante, Intensität des Lichtstrahles LS durch einen Sollwert-Istwert-Vergleich eine Nachregelung der Leistung des Licht aussendenden Elementes, beispielsweise durch Regelung des Versorgungsstromes bzw. der Versorgungsspannung für dieses Element erfolgt.The light source 2 is z. B. executed so that the intensity of the light beam LS is exactly adjustable. As with the connection 7 in the 1 is indicated, the light-emitting element of the light source 2 for this, for example, from the control electronics 4 controlled with a certain voltage or a certain current. Basically, there is also the possibility of regulation, in such a way that in the light source 2 part of the light beam generated by the light-emitting element is directed to a sensor there, which then transmits a test signal via the connection 7 to the control electronics 4 provides a readjustment of the power of the light-emitting element, for example by regulating the supply current or the supply voltage for this element, for a constant, intensity of the light beam LS by means of a setpoint / actual value comparison.

Die 2 zeigt in einer graphischen Darstellung die Intensität I_R des reflektierten Lichtstrahles IR in Abhängigkeit von der Feuchte FE der Hautoberfläche 1, d.h. mit zunehmender Feuchtigkeit FE nimmt die Intensität I_R ab.The 2 shows in a graphical representation the intensity I _{R of} the reflected light beam IR as a function of the moisture FE of the skin surface 1 , ie the intensity I _R decreases with increasing moisture FE.

Die 3 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Anordnung, die ebenfalls zur Messung des Zustandes der Hautoberfläche 1 geeignet ist, und zwar speziell zur Messung des Fettgehaltes der Hautoberfläche 1. Die Anordnung umfasst wiederum die Lichtquelle 2, die Steuer- und Auswertelektronik 4 und die Anzeige 6. Anstelle des Lichtdetektoranordnung 3 ist eine Detektoranordnung 8 vorgesehen.The 3 shows a simplified representation of an arrangement that is also used to measure the condition of the skin surface 1 is suitable, specifically for measuring the fat content of the skin surface 1 , The arrangement in turn comprises the light source 2 , the control and evaluation electronics 4 and the ad 6 , Instead of the light detector arrangement 3 is a detector arrangement 8th intended.

Der Anordnung der 3 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in Abhängigkeit von den Eigenschaften und dem Zustand der Haut wie dem Fettgehalt FG im Bereich der Hauptoberfläche 1 eine unterschiedlich starke Streuung des fokussierten bzw. gebündelten Lichtstrahls LS bei seiner Reflexion an der Hautoberfläche 1 erfolgt, so dass nicht nur die Intensität I_R des reflektierten Lichtstrahles LS_R eine Funktion des Fettgehaltes FG ist, sondern sich auch eine von dem Fettgehalten der Hautoberfläche abhängige Divergenz D im reflektierten Lichtstrahl LS_R ergibt. Diese Divergenz wird von der Lichtdetektoranordung 8 erfasst, beispielsweise in Form eines den Querschnitt des reflektierten Lichtstrahles LS_R wiedergebenden Bildes. Dieses wird dann über die Verbindung 5 an die Steuer- und Auswertelektronik 4 geleitet und dort mit einem entsprechenden Bildverarbeitungsprogramm derart ausgewertet, dass an der Anzeige 6 die von dem Fettgehalt FG abhängige Streuung bzw. Divergenz D angezeigt wird, und zwar bevorzugt zusammen mit der Intensität IR des reflektierten Lichtstrahles LS_R.The arrangement of the 3 is based on the knowledge that depending on the properties and condition of the skin, such as the fat content FG in the area of the main surface 1 a different degree of scattering of the focused or focused light beam LS when it is reflected on the skin surface 1 takes place, so that not only is the intensity I _{R of} the reflected light beam LS _R a function of the fat content FG, but there is also a divergence D in the reflected light beam LS _{R which} is dependent on the fat content of the skin surface. This divergence is caused by the light detector arrangement 8th detected, for example in the form of an image representing the cross section of the reflected light beam LS _R. This is then over the connection 5 to the control and evaluation electronics 4 directed and evaluated there with an appropriate image processing program such that on the display 6 the scatter or divergence D, which is dependent on the fat content FG, is displayed, preferably together with the intensity IR of the reflected light beam LS _R.

Wie 4 zeigt, nimmt die Streuung bzw. die Divergenz D mit abnehmendem Fettgehalt FG zu. Beide Werte I_R und D werden wiederum für diagnostische Zwecke verwendet.How 4 shows, the scatter or the divergence D increases with decreasing fat content FG. Both values I _R and D are in turn used for diagnostic purposes.

Die Erfindung wurde vorstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird. So wurde vorstehend davon ausgegangen, dass die Werte IR bzw. D jeweils an der Anzeige 6 angezeigt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, diese Werte ggf. mit anderen Diagnosewerten auszudrucken und/oder Patienten bezogen abzuspeichern und/oder anderweitig zu verarbeiten.The invention has been described above using exemplary embodiments. It goes without saying that changes and modifications are possible without departing from the inventive concept on which the invention is based. It was assumed above that the values IR and D are shown on the display 6 are displayed. Of course, it is also possible to print out these values with other diagnostic values, if necessary, and / or to save them in relation to the patient and / or to process them in some other way.

Grundsätzlich besteht bei der Erfindung auch die Möglichkeit, die Lichtquelle 2 so auszubilden, dass die jeweilige Reflexionsmessung mit unterschiedlichen Lichtspektren und/oder mit gepulstem Lichtstrahl LS durchgeführt wird, wobei für das Aussenden von Lichtstrahlen LS mit unterschiedlichem Spektrum die Lichtquelle 2 z.B. mehrere, im Spektrum unterschiedliche Licht aussendende Elemente aufweist.Basically, there is also the possibility of the light source in the invention 2 to be designed such that the respective reflection measurement is carried out with different light spectra and / or with a pulsed light beam LS, the light source being used for emitting light beams LS with a different spectrum 2 for example, has several light-emitting elements in the spectrum.

Bestandteil der Erfindung ist ferner, dass diese Anordnung auch in Verbindung mit einem Substrat möglich ist wie einer Creme, einem Pflaster oder einem anderen Stoff, das auf die Haut aufgebracht wird und das einen Stoff abgibt, nach dessen Aufnahme in der Haut eine spezifische Erfassung des Fett- und Feuchtigkeitsgehaltes möglich ist oder das selber durch Interaktion mit der Haut eine spezifische Erfassung ermöglicht.Part of the invention is also that this arrangement is also possible in connection with a substrate like a cream, a plaster or some other substance that is on the skin is applied and which releases a substance after which Absorption in the skin a specific recording of the fat and moisture content possible or a specific one itself through interaction with the skin Capture enabled.

11: Hautoberflächeskin surface
22: Lichtquellelight source
33: LichtdektoranordnungLichtdektoranordnung
44: Steuer- und AuswertelektronikTax- and evaluation electronics
55: Verbindungconnection
66: Anzeigedisplay
77: Verbindungconnection
88th: LichtdetektoranordnungLight detector arrangement
LSLS: ausgesandter Lichtstrahlemitted beam of light
LS_R LS _R: reflektierter Lichtstrahlreflected beam of light
I_R I _R: Intensität des reflektierten LichtstrahlesIntensity of reflected light beam
FEFE: Feuchtigkeitsgehalt der Hautoberflächemoisture content the skin surface
DD: Divergenz des reflektierten Lichtstrahlesdivergence of the reflected light beam
FGFG: Fettgehalt der Hautoberflächefat content the skin surface

Claims

Method for determining the state of the skin surface of a human or animal body, characterized in that with at least one light source ( 2 ) a light beam (LS) on the skin surface ( 1 ) directed and with a light detector arrangement ( 3 . 8th ) the intensity (IR) and / or the scatter or divergence (D) of the reflected light beam LS _{R are} determined, so that clear and objective values can be generated as a basis for classifying skin properties by using pattern recognition algorithms.

Method for determining the state of the skin surface of a human or animal body, characterized in that with at least one light source ( 2 ) a light beam (LS) on the skin surface ( 1 ) directed and with a light detector arrangement ( 3 . 8th ) The intensity (IR) and / or the scatter or divergence (D) of the reflected light beam LS _R can be determined, so that by using pattern recognition algorithms, for example by using classifying neural networks and here in particular by RCE networks, or by using Classic methods such as discriminant analysis, the primary data obtained and secondary data obtained from the meaningful combination of the primary data can be examined in their basic properties and grouped according to similarities, thus generating clear and objective values as the basis for classifying skin properties.

Method according to Claim 1 or 2, characterized by its use for measuring the moisture (FE) of the skin surface ( 1 ), preferably by measuring the intensity (I _R ) of the reflected light beam (LS _R ).

Method according to one of claims 1-3, characterized by its use for measuring the fat content (FG) of the skin surface ( 1 ), preferably by measuring the scattering of the light beam (LS) on the skin surface ( 1 ) and / or the divergence (D) of the reflected light beam (LS _R ).

Arrangement for determining the condition of the skin surface of a human or animal body, characterized by at least one light source ( 2 ) to generate a on the skin surface ( 1 ) directed light beam (LS) and at least one light detector arrangement ( 3 . 8th ) to determine the intensity (IR) and / or the scatter or divergence (D) of the reflected light beam LS _R.

Arrangement according to claim 5, characterized in that the light source ( 2 ) a coherent light generating light source, e.g. B. with at least one laser diode or an LED.

Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the light source ( 2 ) and / or the light detector arrangement ( 3 . 8th ) is arranged at a fixed spatial distance from the skin surface, for example by placing a light source ( 2 ) and / or the light detector arrangement ( 3 . 8th ) bearing unit directly on the skin surface.

Arrangement according to one of claims 5 to 7, characterized in that the light source ( 2 ) an incoherent light generating light source, e.g. B. with at least one xenon or halogen lamp.

Arrangement according to one of claims 5 to 8, characterized in that the at least one light detector arrangement ( 3 . 8th ) is or contains a photodiode array and / or a CCD camera and / or a multi-channel analyzer array (MCA array).

Arrangement according to one of claims 5 to 9, characterized by its use for measuring the moisture (FE) of the skin surface ( 1 ), preferably by measuring the intensity (I _R ) of the reflected light beam (LS _R ).

Arrangement according to one of claims 5 to 10, characterized by its use for measuring the fat content (FG) of the skin surface ( 1 ), for example by measuring the scattering of the light beam (LS) on the skin surface ( 1 ) and / or the divergence (D) of the reflected light beam (LS _R ).