團隊介紹

楊帆，教授、博士生導師，中國電機工程學會電工理論與新技術專委會副主任委員，教育部電氣類教學指導委員會秘書。主要從事多物理場的計算、生物電磁成像方法與應用研究。近5年來以項目技術負責人負責工信部產業升級轉型重點項目1項、國家自然基金項目3項、國家重點專項子課題1項、國家級新工科教改項目1項。出版專著1部，以第一或通訊作者發表SCI期刊論文40余篇、國內一級學報論文15篇，獲國家教學成果二等獎1項，國家一流課程（虛擬仿真項目）1項。

太赫茲波以其獨特的水分敏感性，在生物組織水分檢測中展現出了廣闊的應用前景。針對皮膚內部水分含量難以準確定量感知的問題，重慶大學楊帆、余曉等在2021年第4期《電工技術學報》上撰文，提出了基于表面反射率的皮膚水分含量評估方法和基于GA-LM的優化求解混合算法。

研究背景

皮膚具有保護、調節體溫和維護新陳代謝等功能，正常皮膚內部水分含量會保持在一個合理的范圍。當人體出現疾病時，皮膚內部會產生吸水或失水的變化，打破原有皮膚水分含量的平衡狀態，因此，皮膚水分含量成為了皮膚疾病診斷和健康狀況評估的重要指標。

近年來，諸如全反射紅外光譜、核磁共振、光學相干層析和拉曼光譜等光譜及成像技術被廣泛應用于皮膚厚度測量、皮膚內部成分檢測、表皮層水分的梯度分布測定的研究之中。但是，皮膚組織的復雜內部結構和成分極大地限制了皮膚檢測的準確度。因此，嘗試利用新方法、新技術實現皮膚水分的精確測量，對提高醫學診斷及監測的能力有著重要意義。

論文所解決的問題及意義

太赫茲波是一種頻率分辨率高、光子能量低，且對水分極其敏感的電磁波。利用太赫茲波開展皮膚水分含量評估研究，可以有效提高皮膚內部水分含量的測量精度。通過對計算反射率和測量反射率使用GA-LM混合算法優化求解，得到擬合后的水分含量最優值。并通過不同水分分布規律和不同有效介質模型驗證了皮膚水分含量評估方法的準確性。

論文方法及創新點

（1）建立了多層皮膚組織媒質模型

人體皮膚組織主要分為四層，皮膚水分含量從角質層到真皮層逐漸增加，呈非線性梯度分布。論文采用分段函數定義了皮膚水分含量梯度分布規律，結合BG有效介質模型和水的雙德拜模型建立了皮膚介電常數模型。最后，根據皮膚組織的物理結構建立皮膚多層媒質解析模型。

圖1 太赫茲波在皮膚組織內部傳播示意圖

（2）提出了基于THz發射率的皮膚水分含量評估方法

論文基于皮膚多層媒質模型獲得皮膚表面計算反射率，基于反射式太赫茲皮膚阻塞測量實驗獲得了皮膚表面測量反射率。通過對計算反射率和測量反射率使用GA-LM混合算法優化求解，得到擬合后的水分含量最優結果。并利用不同水分分布規律和不同有效介質模型驗證了皮膚水分含量評估方法的準確性。

圖2 水分含量評估算法流程

結論

研究結果表明，在充分考慮了水分分布規律和有效介質模型的條件下，利用太赫茲時域光譜技術可以準確評估皮膚水分含量的變化，用于燒傷組織水腫演化過程的定量評估和實時監測。

引用本文

楊帆， 余曉， 劉黎， 王少華， 韓升. 基于太赫茲時域光譜技術的皮膚水分含量評估[J]. 電工技術學報， 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.