團(tuán)隊(duì)介紹

楊帆，教授、博士生導(dǎo)師，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電工理論與新技術(shù)專委會(huì)副主任委員，教育部電氣類教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)秘書(shū)。主要從事多物理場(chǎng)的計(jì)算、生物電磁成像方法與應(yīng)用研究。近5年來(lái)以項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)工信部產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家自然基金項(xiàng)目3項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)子課題1項(xiàng)、國(guó)家級(jí)新工科教改項(xiàng)目1項(xiàng)。出版專著1部，以第一或通訊作者發(fā)表SCI期刊論文40余篇、國(guó)內(nèi)一級(jí)學(xué)報(bào)論文15篇，獲國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家一流課程（虛擬仿真項(xiàng)目）1項(xiàng)。

太赫茲波以其獨(dú)特的水分敏感性，在生物組織水分檢測(cè)中展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)皮膚內(nèi)部水分含量難以準(zhǔn)確定量感知的問(wèn)題，重慶大學(xué)楊帆、余曉等在2021年第4期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出了基于表面反射率的皮膚水分含量評(píng)估方法和基于GA-LM的優(yōu)化求解混合算法。

研究背景

皮膚具有保護(hù)、調(diào)節(jié)體溫和維護(hù)新陳代謝等功能，正常皮膚內(nèi)部水分含量會(huì)保持在一個(gè)合理的范圍。當(dāng)人體出現(xiàn)疾病時(shí)，皮膚內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生吸水或失水的變化，打破原有皮膚水分含量的平衡狀態(tài)，因此，皮膚水分含量成為了皮膚疾病診斷和健康狀況評(píng)估的重要指標(biāo)。

近年來(lái)，諸如全反射紅外光譜、核磁共振、光學(xué)相干層析和拉曼光譜等光譜及成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于皮膚厚度測(cè)量、皮膚內(nèi)部成分檢測(cè)、表皮層水分的梯度分布測(cè)定的研究之中。但是，皮膚組織的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分極大地限制了皮膚檢測(cè)的準(zhǔn)確度。因此，嘗試?yán)眯路椒?、新技術(shù)實(shí)現(xiàn)皮膚水分的精確測(cè)量，對(duì)提高醫(yī)學(xué)診斷及監(jiān)測(cè)的能力有著重要意義。

論文所解決的問(wèn)題及意義

太赫茲波是一種頻率分辨率高、光子能量低，且對(duì)水分極其敏感的電磁波。利用太赫茲波開(kāi)展皮膚水分含量評(píng)估研究，可以有效提高皮膚內(nèi)部水分含量的測(cè)量精度。通過(guò)對(duì)計(jì)算反射率和測(cè)量反射率使用GA-LM混合算法優(yōu)化求解，得到擬合后的水分含量最優(yōu)值。并通過(guò)不同水分分布規(guī)律和不同有效介質(zhì)模型驗(yàn)證了皮膚水分含量評(píng)估方法的準(zhǔn)確性。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

（1）建立了多層皮膚組織媒質(zhì)模型

人體皮膚組織主要分為四層，皮膚水分含量從角質(zhì)層到真皮層逐漸增加，呈非線性梯度分布。論文采用分段函數(shù)定義了皮膚水分含量梯度分布規(guī)律，結(jié)合BG有效介質(zhì)模型和水的雙德拜模型建立了皮膚介電常數(shù)模型。最后，根據(jù)皮膚組織的物理結(jié)構(gòu)建立皮膚多層媒質(zhì)解析模型。

圖1 太赫茲波在皮膚組織內(nèi)部傳播示意圖

（2）提出了基于THz發(fā)射率的皮膚水分含量評(píng)估方法

論文基于皮膚多層媒質(zhì)模型獲得皮膚表面計(jì)算反射率，基于反射式太赫茲皮膚阻塞測(cè)量實(shí)驗(yàn)獲得了皮膚表面測(cè)量反射率。通過(guò)對(duì)計(jì)算反射率和測(cè)量反射率使用GA-LM混合算法優(yōu)化求解，得到擬合后的水分含量最優(yōu)結(jié)果。并利用不同水分分布規(guī)律和不同有效介質(zhì)模型驗(yàn)證了皮膚水分含量評(píng)估方法的準(zhǔn)確性。

圖2 水分含量評(píng)估算法流程

結(jié)論

研究結(jié)果表明，在充分考慮了水分分布規(guī)律和有效介質(zhì)模型的條件下，利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)可以準(zhǔn)確評(píng)估皮膚水分含量的變化，用于燒傷組織水腫演化過(guò)程的定量評(píng)估和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

引用本文

楊帆， 余曉， 劉黎， 王少華， 韓升. 基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的皮膚水分含量評(píng)估[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 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.