Интеллектуальная насадка на смартфон для определения чистоты, влажности и фотовозраста кожи

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам для мониторинга или измерения состояния кожи путем обнаружения колебаний концентрации воды и порфиринов, находящихся в ней. Система для автоматического контроля содержания воды на участке кожи человека содержит смартфон, включающий в себя процессор и выведенные на корпус смартфона источник белого света для зондирования участка кожи, детектор изображения, выполненный в виде матрицы светочувствительных элементов, и экран, и надетую на смартфон интеллектуальную насадку, включающую в себя фотометрический модуль для определения коэффициентов отражения, содержащий по меньшей мере два источника излучения, представляющих собой светодиоды ближнего инфракрасного диапазона (БИК), испускающих излучение на по меньшей мере двух различных длинах волн для зондирования представляющей интерес поверхности участка кожи человека, при этом по меньшей мере один источник света имеет центральную длину волны, которая соответствует максимуму спектрального поглощения воды, по меньшей мере один детектор ближнего инфракрасного диапазона для упомянутых по меньшей мере двух различных длин волн, принимающий отраженное и рассеянное от участка кожи человека излучение, и управляющий блок процессора для возбуждения источников света. Процессор смартфона выполнен с возможностью обработки захваченных изображений с помощью формирования двух массивов изображений, выравнивания размеров получаемых массивов, очистки изображений от шумов с использованием программных фильтров, нормировки элементов массивов на значения яркости белого, в результате чего формируют массивы, каждый элемент которых является коэффициентом отражения объекта, определения оптической плотности воды, находящейся в участке кожи человека, с использованием данных отражения в ближнем инфракрасном диапазоне для определения концентрации воды в участке кожи при помощи отношения оптической плотности на различных длинах волн ближнего инфракрасного диапазона, определения концентрации воды в участке кожи в динамике при помощи определения наклона временного сигнала оптической плотности, определения характеристических коэффициентов содержания воды для участка кожи человека, представляющих собой разностные изображения, и выведения на экран смартфона отображения обработанных данных в качестве характеристических коэффициентов содержания воды участка кожи человека или в качестве изображения лица пользователя с наложенной на него двумерной (2D) картой распределения воды как основного поглотителя света в коже в инфракрасном (ИК) диапазоне. Система снабжена блоком защиты детектирования, установленным на интеллектуальной насадке со стороны источников излучения с возможностью предотвращения непосредственного контакта упомянутых источников излучения, детекторов ближнего инфракрасного диапазона и изображения с участком кожи человека. Способ автоматического контроля содержания воды осуществляется с помощью системы. Использование изобретений позволяет облегчить проверку эффективности терапии по уходу за кожей и косметических процедур, фото-возраста и уровня влажности кожи. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к устройствам и способам для мониторинга или измерения состояния кожи путем обнаружения колебаний концентрации воды и порфиринов, находящихся в ней, а также к устройствам и способам для мониторинга или определения фото-возраста участка кожи человека по карте морщин и определения чистоты кожи и мест возможного появления угрей (акне).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Большое количество исследований в области мониторинга содержания концентрации воды и порфиринов в коже человека и патологий кожи показали, что наилучшими методами для мониторинга состояния кожи являются оптические методы. Оптические решения очень просты, в них используется свет для освещения интересующей области кожи с последующим анализом отраженного и рассеянного света, что позволяет контролировать распределение воды и порфиринов в коже и даже наличие патологии. Разработки этих методов ведутся в двух направлениях: совершенствуются методы измерения отражения и спектров цвета человеческой кожи, и развиваются методы экспериментального определения собственных оптических параметров кожи (μ_a, μ_s, g, n) и математического моделирования процессов распространения света в ткани. Обратно отраженный свет содержит информацию о различных составляющих кожи, таких как меланин, гемоглобин, вода, каротин и билирубин, а также - о наличии и концентрации порфиринов в коже.

Из уровня техники известно техническое решение, раскрытое в патентном документе WO 2014208185 A1, в котором охарактеризованы «Способ и устройство определения кожи, пораженной акне».

Согласно этому техническому решению, по отношению к лицу испытуемого, верхнюю область и нижнюю область устанавливаются таким образом, чтобы вертикально рассекают изображение лица. Получают раздельные значения измерения содержания влаги в нижней и в верхней области лица.

На основании измеренных значений содержания воды в верхней и нижней части лица, рассчитывают целевое значение влажности, указывающее уровень для содержания влаги распределенной либо в верхней, либо в нижней части лица, а опорное значение влажности указывает уровень содержания влаги в эталонной области, которая не является ни верхней, ни нижней частью лица. Затем определяют степень изменения влажности целевого значения влажности по отношению к опорному значению влажности, и на основе степени изменения влажности, которое было определено, определяется вероятность, с которой акне может возникнуть на исследуемом лице.

Также из уровня техники известно техническое решение, раскрытое в заявке на патент US 2006/0183516, в котором охарактеризован «Светолечебный элемент, встроенный в устройство мобильной связи» и согласно которому сотовый телефон обеспечен возможностью проведения фототерапии для пользователя телефона.

Упомянутый сотовый телефон включает в себя корпус, имеющий клавиатуру, расположенную на первой ее стороне, и закрывающий элемент, соединенный с корпусом и имеющий возможность перемещения между закрытым положением и открытым положением. Сотовый телефон дополнительно включает в себя ряд световых элементов, соединенных с батареей и способных излучать свет на область кожи пользователя сотового телефона. Подача энергии для световых элементов управляется блоком управления, который переключает световые элементы в положения "включено" или "выключено" на основании пользовательского ввода и положения закрывающего элемента.

Основным недостатком технического решения, известного из патентного документа US 2006/0183516 является его использование для фототерапии, а не для диагностики заболеваний.

Кроме того, из уровня техники известно техническое решение, раскрытое в патентном документе US 8705815 A1, в котором охарактеризованы «Система и способы для автоматической идентификации людей на основе анализа состояния человеческой кожи, используя цифровые изображения».

Способ автоматической идентификации человека, охарактеризованный в этом документе, включает в себя получение изображения как в белом свете, так и в ультрафиолетовом (УФ) спектре на, по меньшей мере, части поверхности тела, создавая маску кожи, полученную из изображения в белом свете, и сравнивая эту маску кожи с предварительно сохраненной маской кожи человека. Способ дополнительно включает в себя идентификацию пикселей кожи изображений, полученных в белом свете и в УФ спектре, и получение результатов, связанных с по меньшей мере одним состоянием кожи с использованием информации, полученной из пикселей кожи. Если значительное совпадение не обнаружено между двумя масками кожи, человек не идентифицируется, и выдается сообщение об ошибке, указывающее на неавторизованное или неизвестное лицо. В противном случае, способ переходит к получению результатов, связанных с определенными условиями кожи с использованием, по меньшей мере, изображения, полученного в УФ-спектре. Результаты также сравниваются с заранее сохраненными результатами, чтобы идентифицировать человека.

Недостатками технического решения, известного из патентного документа US 8705815 A1 являются необходимость совместно использовать белый свет и излучение УФ-спектра, необходимость использовать широкополосный белый свет, необходимость использования оптических фильтров для выбора требуемой области спектра.

Данное техническое решение было выбрано в качестве наиболее близкого аналога по отношению к настоящему изобретению по нескольким критериям:

по способу получения полезного сигнала - также, как и в настоящем изобретении используется оптический метод анализа, при котором конечным объектом анализа также выступали спектральные изображения поверхности кожи.

по используемому физическому явлению - также, как и в настоящем изобретении используется феномен автофлуоресценции, но применительно к исследованию цвета кожи, и

по объекту исследований - также, как и в настоящем изобретении, в наиболее близком аналоге конечным объектом исследований выступает несколько характеристик кожи, в том числе содержание воды.

ЗАДАЧА, РЕШАЕМАЯ НАСТОЯЩИМ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

Одной из задач настоящего изобретения является предоставление пользователю возможности с легкостью в домашних условиях осуществлять проверку эффективности терапии по уходу за кожей, косметических процедур, умывания, наличия засоренных пор, наличия имеющихся или возможных угрей (акне) и количества кожного сала на лице. Это особенно актуально для подростков и людей с проблемами кожи.

Другой задачей настоящего изобретения является предоставление пользователю возможности с легкостью в домашних условиях осуществлять проверку фото-возраста кожи и уровня влажности кожи и динамики ее состояния после применения терапии по уходу за кожей и косметических процедур, что в свою очередь позволит более эффективно осуществить проверку качества макияжа, маскировку морщин, осуществлять поддержание уровня влажности кожи и мониторинг степени омоложения кожи после нанесения косметических средств. Это особенно актуально для людей с возрастными изменениями кожи.

При этом под фото-возрастом кожи подразумевается параметр кожи, который характеризует отношение реального биологического возраста кожи человека к наблюдаемому с помощью оптических средств видимому возрасту кожи человека.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном варианте осуществления изобретения охарактеризована система для автоматического контроля фото-возраста и содержания воды в участке кожи человека, содержащая:

- поляризационный модуль для определения степени деполяризации участка кожи, содержащий:

источник белого света для зондирования участка кожи, выполненный с возможностью приема энергии от батареи,

по меньшей мере два поляризационных фильтра, причем первый поляризационный фильтр предназначен для проведения зондирования участка кожи линейно-поляризованным светом, а второй поляризационный фильтр предназначен для выбора компонента поляризованного света перед захватом,

фотодетектор для захвата изображения участка кожи, причем фотодетектор представляет собой фото- или видеокамеру смартфона, с надетой на нее интеллектуальной насадкой,

- фотометрический модуль для определения коэффициентов отражения, содержащий:

по меньшей мере два источника света с центральной длиной волны, которая соответствует максимуму спектрального поглощения воды,

по меньшей мере один фотодетектор ближнего инфракрасного диапазона для требуемого спектрального диапазона,

управляющий блок процесса (PCB) для возбуждения источника света,

- экран, выполненный с возможностью отображения обработанных данных в качестве характеристических коэффициентов или в качестве изображения лица пользователя с наложенной на него двумерной (2D) картой распределения воды как основного поглотителя света в коже в инфракрасном (ИК) диапазоне.

В еще одном варианте осуществления изобретения охарактеризован способ автоматического контроля фото-возраста и содержания воды в участке кожи человека, содержащий этапы, на которых:

захватывают поверхность участка кожи человека с помощью фотодетектора, который представляет собой фото- или видеокамеру смартфона, с надетой на нее интеллектуальной насадкой,

осуществляют обработку захваченных изображений с помощью анализа интенсивностей в изображениях, выполняющегося в процессоре смартфона,

определяют, в процессоре смартфона, характеристические коэффициенты глубины морщин, протяженности морщин, плотности морщин и распределения кластеров морщин участка кожи человека с использованием анализа изображения пространственного распределения интенсивности пикселей и его значений,

определяют степень деполяризации света, отраженного от поверхности участка кожи человека и рассеянного в ней, с использованием данных о степени вращения плоскости поляризации рассеянного света после зондирования участка кожи для определения параметра анизотропии участка кожи, который коррелирует с фото-возрастом участка кожи человека,

определяют оптическую плотность воды, находящейся в участке кожи человека, с использованием данных отражения в ближнем инфракрасном диапазоне для определения концентрации воды в участке кожи при помощи отношения оптической плотности для двух различных спектральных диапазонов,

определяют концентрацию воды в участке кожи в динамике при помощи определения наклона временного сигнала оптической плотности,

отображают на экране смартфона результирующие данные характеристических коэффициентов участка кожи человека или изображение лица пользователя,

осуществляют контроль фото-возраста и содержания воды в участке кожи человека на основании отображенных результирующих данных характеристических коэффициентов участка кожи человека.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - диаграмма энергетических переходов копропорфиринов.

Фиг.2 - схема спектров флуоресценции порфиринов.

Фиг.3 - схема, иллюстрирующая промежуточные изображения, получаемые в ходе вычислительного процесса визуализации морщин, в том числе результат наложения выделенной карты морщин на исходное изображение лица человека с выраженными и с малозаметными морщинами.

Фиг.4 - схема предпочтительного варианта осуществления, при котором блок защиты детектирования не содержит оптических элементов.

Фиг.5 - схема блока защиты детектирования согласно предпочтительному варианту.

Фиг.6 - схема альтернативного варианта осуществления, при котором блок защиты детектирования оборудован оптическими элементами.

Фиг.7 - схема монтажа блока защиты детектирования с магнитным соединением.

Фиг.8 - схема монтажа блока защиты детектирования в случае слайдера.

Фиг.9 - схема монтажа блока защиты детектирования (корпус телефона).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение направлено на устранение недостатков, присущих решениям, известным из уровня техники. При этом авторы изобретения исходили из следующих соображений.

Ткани кожи человека содержат порфирины, которые являются флуорофорами, т.е. частицами, которые поглощают энергию определенной длины волны и после этого выделяют энергию другой длины волны. Активность некоторых бактерий в коже, как известно, коррелирует с наличием порфиринов. Согласно настоящему изобретению предполагается использовать интеллектуальную насадку на смартфон для количественного контроля присутствия порфиринов.

Как показано на Фиг. 1, копропорфирины могут быть возбуждены синим светом (с длиной волны около 405 нм) для получения флуоресценции в красной области светового спектра (с длиной волны около 620 нм). Получение флуоресцентного изображения при помощи возбуждения голубым светом широко используется для обнаружения присутствия копропорфирина и активности акне. Еще один вид порфирина, встречающегося в коже, представляет собой протопорфирин IX (PPIX), который вырабатывается организмом в процессе биосинтеза гема. Следует отметить, что излучение длиной волны около 405 нм представляет оптическое излучение видимого спектрального диапазона, которое не представляет опасности для человека.

На Фиг. 2 приведены спектры флуоресценции, которые получены из двух типов порфирина - копропорфирина и протопорфирина IX (PPIX). Как видно из диаграммы, приведенной на Фиг. 2, протопорфирин IX также производит флуоресценцию в красной области спектра (с длиной волны около 635 нм) при возбуждении синим светом (с длиной волны около 405 нм).

Кроме того, поверхностные и подповерхностные характеристики отражения кожи человека показывают зависимость от возрастных изменений. Кожа человека в более молодом возрасте имеет большую подповерхностную отражательную способность и более высокую поверхностную отражательную способность за счет более ровной поверхности кожи. С помощью поляризационной фотографической техники, примененной в настоящем изобретении, компонент поверхностного отражения от кожи, известный как зеркальное отражение от гладкой поверхности, удаляется, а в результирующем изображении захватывается только компонент подповерхностного отражения кожи человека.

С возрастом, сальные железы в коже человека производят меньше кожного сала, и кожа становится сухой и обезвоженной. Потеря воды в коже увеличивается с возрастом потому, что стареющие клетки кожи не могут самостоятельно восстановить защитный барьер. Клетки кожи человека, или иначе, дермы - фибробласты постепенно теряют способность не только сберегать и удерживать воду, но и теряют способность производить коллаген высокого качества и эластичные волокна, что приводит к образованию видимых морщин.

Один из вариантов осуществления изобретения предполагает визуализацию морщин, осуществляемую следующим образом. Поскольку морщины обусловлены локализованным в конкретном месте резким изменением глубины на поверхности кожи, для визуализации морщин кожа должна быть визуализирована системой формирования изображения с помощью поляризованного света, которая увеличивает визуализацию поверхностной составляющей кожи. Когда кожа освещается линейно-поляризованным светом, граница перехода между кожей и воздухом (т.е. роговой слой эпидермиса) создает зеркально-отраженный свет, сохраняющий поляризацию падающего света. Тем не менее, некоторые из падающих на кожу фотонов, состояние поляризации которых рандомизировано, глубоко проникают в ткани кожи, прежде чем, в конце концов, они избегнут диффузного отражения и затем испытают последующее рассеяние на кожных коллагеновых волокнах и связках. Это разделение света на две части, не связанные между собой, при поляризации отраженных компонентов, делает визуализацию кожи посредством линейно-поляризованного света весьма полезной, поскольку оно обеспечивает хорошее разделение визуальных признаков поверхности кожи, таких как малоразмерные геометрические признаки кожи (то есть морщины, приподнятые границы участков поражения, структуры пор) от подповерхностных признаков кожи, таких как изменение пигментации из-за меланина или покраснения (эритемы) кожи.

На Фиг. 3 показаны промежуточные изображения, получаемые в ходе вычислительного процесса визуализации морщин. На Фиг. 3 (a) представлено изображение лица в параллельно-поляризованном свете. На Фиг. 3 (b) представлено изображение лица в красном канале входного изображения. На Фиг. 3 (c) представлено изображение лица с отмеченным на нем достоверным изображением рассчитанной ориентации морщин. Наконец на Фиг. 3 (d) представлено окончательное расширенное изображение лица человека, полученное окончательной фильтрацией исходного нормализованного изображения лица. Таким образом, Фиг. 3 (d) иллюстрирует пример выделенных морщин из изображения кожи лица.

На Фиг. 3(e) показаны изображения, иллюстрирующие результат наложения выделенной карты морщин на исходное изображение лица человека с выраженными морщинами.

На Фиг. 3(f) показаны изображения, иллюстрирующие результат наложения выделенной карты морщин на исходное изображение лица человека с малозаметными морщинами.

В первом варианте осуществления, изображенном на Фиг. 4, предлагаемая интеллектуальная насадка на смартфон (т.е. на мобильное устройство 400) включает в себя блок 401 источника света, детектор изображения, представляющий собой матрицу светочувствительных элементов 402, с собственным объективом 403 и блоком 406 защиты детектирования, блок 404 обработки, и дисплей 405. Блок 401 источника света обеспечивает освещение кожи белым светом. Детектор изображения 402 детектирует рассеянный свет, и блок 404 обработки преобразует его в электрический сигнал. Электрический сигнал фактически является цифровым изображением, которое обрабатывается в блоке 404 обработки в соответствии с описанным алгоритмом, а затем отображается на дисплее 405. Блок 406 защиты детектирования непрозрачный, имеет произвольную форму, имеет телескопическую функцию и его внутреннее покрытие можно изготовить из светопоглощающих материалов. Для учета нестабильности источника излучения (влияния заряда батареи, изменения спектра источника, изменения состояния ограждающего покрытия, сдвига источника, пыли и т.п.) данные интенсивности отражения кожи нормируются к эталонному изображению стандартного белого цвета (BaSО₄). Это позволяет пренебречь небольшими дефектами, такими как родинки или другие образования на коже, а также пренебречь влиянием изменения заряда батареи, изменения интенсивности спектра источника света, пыли и т.п.

На Фиг.5 показано применение одного из вариантов осуществления изобретения. На ней изображены источник света 501, матрица 502 светочувствительных элементов, объектив 503 камеры, блок 504 обработки, дисплей 505, блок 506 защиты детектирования и кожа 507 человека. Получение данных о содержании воды в коже осуществляется в два этапа: определяют цветовые координаты изображений кожи и сравнивают полученные значения с результатом математического моделирования. Значения цвета будут соответствовать конкретному содержанию воды в коже.

Еще один вариант осуществления изобретения, при котором блок защиты детектирования оборудован оптическими элементами, показан на Фиг.6. Чтобы уменьшить высоту блока защиты детектирования необходимо уменьшить величину заднего фокального отрезка (расстояние от последней поверхности до заднего фокуса) собственной оптической системы (СОС), используемой мобильным устройством. Высоту блока защиты детектирования можно уменьшить до 0,5 см. Для этого в собственную оптическую систему мобильного устройства необходимо добавить редуктор фокуса (дополнительный оптический элемент/элементы). С точки зрения оптики, редуктор фокуса является положительной линзой, для которой уменьшение фокусного расстояния можно вычислить из уравнения:

R=1-D/FR,

где R - коэффициент уменьшения фокусного расстояния, D - расстояние до плоскости изображения, FR - фокусное расстояние объектива [например, если мы возьмем объектив (фокусное расстояние - 100 мм) и поместим его на расстоянии 20 мм от плоскости изображения, то получим следующее уменьшение фокусного расстояния: 1-20/100=0.8x]. В качестве таких линз можно использовать ахроматическую линзу для детектирования макроизображений (или использовать общую схему объектива (системы линз)).

Изобретение согласно этому варианту осуществления включает в себя блок 601 источника света, детектор изображения, представляющий собой матрицу 602 светочувствительных элементов, оснащенную линзой 603, и блок 606 защиты детектирования с дополнительными оптическими элементами 606 A и B, что позволяет уменьшить высоту блока защиты детектирования путем уменьшения фокусного расстояния считывающего блока, блок 604 обработки и дисплей 605. Блок 601 источника света обеспечивает освещение кожи белым светом. Блок 606 защиты детектирования реализован с применением оптики. Линза 606A обеспечивает уменьшение фокусного расстояния камеры мобильного устройства и делает устройство блока защиты детектирования более компактным, и рассеивающая пластина 606B обеспечивает равномерное освещение поверхности. Элементы 606A и 606B интегрированы в блок защиты детектирования. Блок защиты детектирования может иметь крышку с внутренней стороной, имеющей эталонный белый цвет.

В целом, алгоритм определения фото-возраста участка кожи человека по карте морщин предполагает наличие следующих этапов:

1. Поляризационная фотосъемка кожи

В связи с тем, что морщины представляют собой перепад по глубине на поверхности кожи, регистрация изображений кожи должна проводиться таким образом, чтобы вектора напряженности детектированного сигнала совпадали по направлению с векторами напряженности зондирующего пучка. Для этого плоскость поляризации анализатора (поляроида) перед детектирующим устройством должна быть сонаправлена (т.е. параллельна) с плоскостью поляризации поляризатора, расположенного после зондирующего источника (или, в случае если источник сам по себе генерирует линейно-поляризованное излучение, пропускать ко-компоненту обратно-рассеянного излучения).

Эта процедура необходима для того, чтобы разделить регистрируемый сигнал на условные 2 части: Френелевскую компоненту - без изменения состояния поляризации (т.е. зеркально отраженную часть излучения кожей, со всеми дефектами - морщинами) и диффузную компоненту - частично деполяризованное излучение (образованную рассеянием излучения в приповерхностных слоях кожи). Путем фильтрации диффузной компоненты регистрируемого излучения, мы «усиливаем» часть излучения, отраженного поверхностью кожи.

2. Определение входящих цифровых данных

В связи с тем, что в качестве материнского устройства, подразумевается стандартный мобильный телефон с собственной камерой (КМОП или ПЗС), вспышкой (1 или 2 белых светодиода) и АЦП, следующий этапом алгоритма является получение и обработка уже цифрового сигнала. На входе мы получаем три сигнала (т.к. фотодетектор снабжен фильтром Брайера), соответствующих трем основным цветовым каналам (RGB - синий, красный и зеленый). Для обработки и анализа выбираем красный канал (отбрасывая синий и зеленый), так как в нем содержится информация о морфологии поверхности кожи, с минимумом информации о составе (меланин, кровь и т.д.)

3. Повышение контраста изображения

Контраст изображения должен быть выровнен с использованием автоматического контроля наклона гистограммы интенсивностей пикселей (пространственное распределение яркости). Таким образом можно увеличить анализируемый динамический диапазон яркости пикселей, не влияя на общий контраст изображения.

4. Нормировка изображения

Получаемое изображение кожи должно быть отнормировано таким образом, чтобы оно имело заранее выбранное среднее значение и значение дисперсии. Этот этап не меняет структуру изображения, а его цель состоит в стандартизации дисперсии динамического уровня градаций серого и в облегчении дальнейшей обработки.

5. Оценка локальной ориентации морщин

Представляет собой процесс выделения (т.е. извлечения) информации о локальной ориентации особенностей морфологии изображения. Процесс извлечения такой информации основан на применении математического метода наименьших средних квадратов. Подробное описание этого известного из уровня техники метода широко известно специалистам в данной области техники, например, из русскоязычной статьи Википедии «Метод наименьших квадратов».

Можно выделить следующие подэтапы этапа оценки локальной ориентации морщин:

5.1 Для каждого пикселя изображения, формируется (выбирается) окно из значений соседних пикселей.

5.2 Для каждого пикселя в окне, вычисляются значения градиента для двух возможных направлений (х и у).

5.3 Локальная ориентация для центрального пикселя оценивается по методу наименьших средних квадратов.

5.4 Изображение, полученное на предыдущем этапе, преобразовывается в непрерывное векторное поле путем вычисления синуса и косинуса для значений локальной ориентации в определенном месте изображения. Полученные значения обозначаются со (i, j)=соs (о (i, j)) и sо (i, j)=sin (о (i, j)), где o (i, j) вычисленная ориентация для пикселя с координатами (i, j).

5.5 Векторное поле ʺсглаживаетсяʺ как свертка с производной функции Гаусса. Полученные значения обозначаются как gсо (i, j) и gsо (i, j), соответственно.

5.6 Результирующая ориентация вычисляется как арктангенс отношения:

gсо (i, j)/gsо (i, j) и обозначается, как O(i, j). Помимо информации о локальной ориентации неоднородностей изображения, на этом этапе (5) оценивается достоверность, т.е. проверяется информация о том, как правильно была проведена оценка локальной ориентации. Достоверность оценки ориентации определяется как ковариационный момент центрального (т.е. выбранного) пикселя относительно соседних.

6. Определение частоты морщин

Оценивается частота морщин в изображении. Изображение делится на небольшие блоки пикселов. Для каждого блока, значения интенсивности ʺпроецируютсяʺ вдоль направления, ортогонального по отношению к средней ориентации по блоку. Если на изображении присутствуют удлиненные особенности (т.е. признаки, а именно - морщины), то проекция будет представлять собой синусоидальную функцию с локальными минимумами, соответствующими морщинам на изображении. Частота определяемой функции будет соответствовать частоте локальных неоднородностей для соответствующего блока изображения.

7. Улучшение качества изображения с фильтрацией Габора

Для каждого пикселя в изображении, где расчетная частота имеет действительное значение (то есть положительное значение), применяется фильтр Габора с ориентацией и частотой, аналогичной той, которая была определенна для текущего пикселя. Этот этап улучшает внешний вид особенностей морщин на изображении. Для улучшения качества изображения применяется фильтрация Габора, используемая для распознавания границ объектов. Подробное описание этого известного из уровня техники метода широко известно специалистам в данной области техники, например, из русскоязычной статьи Википедии «Фильтр Габора».

8. Обнаружение морщин

Полученное результирующее изображение бинаризуется по пороговому значению, определенному в процентах от максимального значения в пределах анализируемого исходного изображения. Полученное бинаризованное изображение является маской морщин, в том смысле, что там, где значения пикселей равны значению 1, - морщины присутствуют, в то время как в том месте изображения, где значения пикселей равны 0, морщины отсутствуют.

9. Количественная оценка морщин

Подсчет морщин может быть определен как общее количество пикселей со значением 1 в бинаризованном изображении, масштабированном от общей площади. Также производится подсчет пикселей со значением 1, граничащих с предыдущим, для оценки непрерывности морщин. Такой метод оценки морщин не учитывает глубину морщин, а только определяет их количество и степень разветвленности. Полученную карту морщин можно разделить на 3 класса и 9 подклассов по шкале морщин Фицпатрика, приведенной в Таблице 1 статьи «A Classification of Facial Wrinkles» авторов Gottfried Lemperle, M.D., Ph.D., Ralph E. Holmes, M.D., Steven R. Cohen, M.D., and Stefan M. Lemperle, M.D., опубликованной в журнале «PLASTIC AND RECONSTRUCTIVE SURGERY», Vol. 108, No. 6, November 2001.

Последовательность этапов способа для обнаружения морщин согласно одному из вариантов осуществления изобретения, состоит из следующих этапов:

1. Захватывают поверхность участка кожи человека с помощью фотодетектора, который представляет собой фото- или видеокамеру смартфона, с надетой на нее интеллектуальной насадкой.

2. Захваченные данные передают в процессор смартфона для обработки.

3. Осуществляют обработку захваченных изображений с помощью анализа интенсивностей в изображениях, выполняющегося в процессоре смартфона. При этом выполняют этап анализа морщин, на котором выполняют визуализацию кожи на фокусном расстоянии в режиме поляризации. Источник света снабжен линейно-поляризационным фильтром. Камера, выполненная по технологии КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) также оснащена жидкокристаллическим поляризатором, который может электрически поворачивать свой угол поляризации от направления, которое параллельно плоскости поляризации поляризационных фильтров источника света, до такого угла поляризации, который находится под углом 90° к нему (т.е. создавать скрещенные ориентации плоскостей поляризации). Изображения лица для двух состояний поляризации могут быть захвачены в очень быстрой последовательности. Следовательно, положение лица и угол в параллельной и скрещенной ориентации плоскостей поляризации изображения, одинаковы, а соответствующие пиксели в упомянутых двух изображениях можно сравнить друг с другом с помощью обработки изображений для извлечения компонент поверхностного отражения.

При этом определяют степень деполяризации света, отраженного от поверхности участка кожи человека и рассеянного в ней, с использованием данных о степени вращения плоскости поляризации рассеянного света после зондирования участка кожи для определения параметра анизотропии участка кожи, который коррелирует с фото-возрастом участка кожи человека.

Кроме того, определяют характеристические коэффициенты глубины морщин, протяженности морщин, плотности морщин и распределения кластеров морщин участка кожи человека с использованием анализа изображения пространственного распределения интенсивности пикселей и его значений.

4. Отображают на экране результирующие данные характеристических коэффициентов участка кожи человека и осуществляют визуализацию морщин, а также, опционально, отображают изображение представляющего интерес участка кожи человека, либо всего лица человека, отображают текстовую информацию, касающуюся характеристик морщин участка кожи человека, отображают информацию, касающуюся дерматологических рекомендаций и рекомендованных косметических процедур.

5. Осуществляют контроль фото-возраста участка кожи человека на основании отображенных результирующих данных характеристических коэффициентов участка кожи человека.

Другой вариант осуществления изобретения предполагает определение концентрации воды в участке кожи и визуализацию содержания воды в участке коже, осуществляемую следующим образом.

Дифференциация отражения кожи в ИК области спектра возможна по оценке коэффициентов отражения на определенных длинах волн, нормированных на коэффициент отражения кожи лба. Наибольшая дискриминация в этом случае достигается при измерении отражения на длинах волн 1310 нм и 1470 нм, соответствующих спектральным областям с минимальным и максимальным поглощением воды. Само по себе измерение коэффициента отражения кожи, применительно к проблеме вычисления концентрации воды в коже, не является эффективным, т.к. не учитывает индивидуальных особенностей кожи пользователя и, что более важно, особенностей метаболизма человека. Согласно настоящему изобретению, для определения концентрации воды предлагается оценивать отношение коэффициентов отражения разных участков кожи, например, веко/лоб, веко/щека. Отношение концентрации воды для различных участков кожи лица для отдельно выбранного добровольца будет постоянной, например, нормированные коэффициенты отражения кожи в области глазного яблока всегда меньше 1, а для щеки - всегда больше.

Спектры диффузного отражения в области длин волн 950-1500 нм будут мерой для кожи лба, щек, челюстей, локтей, внутренней части предплечья, ладоней, коленей и пяток, используя спектрофотомерию преобразования Фурье ближней инфракрасной области. Затем сравнивают локальные различия содержания воды в коже, рассчитанные с пиковой высоты воды в диапазоне длин волн около 980 нм, нормализованной к пиковой высоте диапазона длин волн 1450 нм.

Таким образом пользователь получает относительный коэффициент влажности кожи, для которого значения стремящиеся к 0, соответствуют сухой коже, а максимальные значения - коже, насыщенной водой.

Последовательность этапов способа обнаружения содержания воды в участке кожи человека состоит из следующих действий:

1. Захватывают поверхность участка кожи человека с помощью фотодетектора, который представляет собой фото- или видеокамеру смартфона, с надетой на нее интеллектуальной насадкой. При этом осуществляют зондирование представляющей интерес по поверхность участка кожи человека светодиодами ближнего инфракрасного диапазона.

При этом устройство согласно изобретению может быть прикреплено к представляющему интерес участку кожи человека на стороне, где расположена интеллектуальная насадка на смартфон. Светодиоды ближнего инфракрасного диапазона (БИК) испускают излучение, которое взаимодействует посредством поглощения, отражения и рассеяния с участком кожи человека, и затем принимается детектором БИК. Количественные и качественные характеристики влажности кожи определяются с помощью анализа отраженного от кожи сигнала на различных длинах волн ближнего инфракрасного диапазона.

2. Захваченные данные (цветное изображение) передают в процессор смартфона для обработки.

3. Из изображений (их как минимум два, соответствующих границам выбранного спектрального диапазона) формируются два массива, используемые в дальнейшем.

4. Так как используемые изображения представляют собой часть участка кожи, то размеры получаемых массивов могут различаться, поэтому следующим этапом происходит выравнивание, при котором вырезается небольшой участок с заданными координатами массивов.

5. Производится очистка изображения от шумов с использованием фильтра (например, фильтр Габора, медианный).

6. На полученных результирующих изображениях автоматически выделяются области, соответствующие ʺбелой бумагеʺ. Усреднение значений яркости этих областей, определяет уровень яркости белого света, т.е. области с коэффициентом отражения, равным 100%. После нормировки всех элементов массивов на значения яркости белого, формируются массивы, каждый элемент которых является коэффициентом отражения объекта.

7. Из сформированных таким образом массивов исключаются элементы, в которых значения коэффициентов отражения выше 100% (они могут возникать вследствие неравномерности засветки).

8. На последнем этапе определяют, в процессоре смартфона, оптическую плотность для выбранного спектрального диапазона (оптическая плотность это - логарифм от величины, обратной к коэффициенту отражения на выбранной длине волны), находящейся в участке кожи человека с использованием полученных массивов коэффициентов отражения, для определения концентрации воды в участке кожи. Стоит отметить, что спектральный диапазон выбирается таким образом, чтобы его начало соответствовало минимуму поглощения основных хромофоров, а его конец - максимуму поглощения воды.

9. Определяют, в процессоре смартфона, концентрацию воды в участке кожи в динамике при помощи определения наклона временного сигнала оптической плотности (указанная операция широко известна из уровня техники).

10. Определяют, в процессоре смартфона, характеристические коэффициенты содержания воды (т.е. разностные изображения) в участке кожи человека.

11. Отображают на экране смартфона результирующие данные характеристических коэффициентов участка кожи человека, а также, опционально, отображают изображение представляющего интерес участка кожи человека, либо всего лица человека, осуществляют визуализацию распределения содержания воды в коже лица человека, отображают текстовую информацию, касающуюся содержания воды в коже, отображают информацию, касающуюся дерматологических рекомендаций и рекомендованных косметических процедур.

12. Осуществляют контроль содержания воды в участке кожи человека на основании отображенных результирующих данных характеристических коэффициентов участка кожи человека.

Еще один вариант осуществления настоящего изобретения направлен на мониторинг и определение чистоты кожи и мест возможного появления угрей (акне).

Способ автоматического мониторинга и определения чистоты участка кожи человека и мест возможного появления угрей (акне) на участке кожи человека содержит этапы, на которых:

захватывают поверхность участка кожи человека с помощью фотодетектора смартфона,

осуществляют обработку захваченных изображений с помощью анализа интенсивностей в изображениях, выполняющегося в процессоре смартфона,

определяют, в процессоре смартфона, характеристические коэффициенты динамики развития угрей на упомянутом участке кожи человека с использованием анализа пространственного распределения интенсивностей пикселей из захваченных изображений и их значений,

обеспечивают визуализацию и биологическую обратную связь с использованием анализа изображений пространственного распределения интенсивностей пикселей и его значений, отображенных на оригинальном изображении участка кожи человека, При этом биологическая обратная связь представляет собой зависимость яркости пикселей от параметра визуализации порфиринов. Значение яркости пикселей пропорционально реальной концентрации порфиринов, таким образом мониторинг эффективности чистки лица является эффективной биологической обратной связью, так как в режиме реального времени отображает реакцию организма на воздействие;

отображают на экране коэффициент или изображение участка кожи человека, измененного после отображения на нем признаков.

При этом следует отметить, что прибор, реализующий автоматический мониторинг и определение чистоты участка кожи человека и мест возможного появления угрей (акне) на участке кожи человека, может быть прикреплен к интересующему участку кожи человека на стороне, где расположен смартфон или надетая на него интеллектуальная насадка. Источник света, состоящий из светодиодов (LED) и светофильтров, испускает излучение, которое взаимодействует посредством поглощения, отражения и рассеяния с участком кожи человека, и затем принимается детектором, состоящим из CMOS-модуля и объектива, согласно настоящему изобретению. Количественные и качественные, т.е. визуализированные, характеристики участка кожи получаются с помощью анализа матрицы интенсивности изображения. Наиболее интенсивные по значению пиксели изображения или группы пикселей изображения характеризуют концентрацию протопорфирина IX (PPIX), который вырабатывается организмом в процессе биосинтеза гема, и средняя интенсивность характеризует количество кожного сала.

Алгоритм определения мониторинга и определения чистоты участка кожи человека и мест возможного появления угрей (акне) на участке кожи человека, основан на флуоресцентных свойствах порфиринов. После облучения излучением с длиной волны 405 нм участка кожи человека, содержащей порфирины, они начинают флуоресцировать, переизлучать энергию на другой длины волны, а именно - на длине волны 650 нм, становясь вторичными источниками света. Таким образом, необходимо зафиксировать изображение объекта с вторичными источниками света (поры с флуоресцирующим порфирином), при этом физически, т.е. посредством узкополосного фильтра с центральной полосой пропускания около 650 нм, отсекая зондирующее излучение.

В итоге, благодаря эффекту флуоресценции порфиринов, получают изображение системы ярких флуоресцирующих точек, соответствующих забитым порам.

Далее, бинаризуют изображение и анализируют получившееся изображение. В зависимости от интенсивности и/или яркости флуоресцирующих точек, а также от их концентрации на единице площади участка кожи человека, определяют степень чистоты участка кожи человека и вероятность возможного появления угрей (акне) на том или ином участке кожи человека.

Вариант осуществления предлагаемого изобретения, относящийся к определению содержания воды в коже позволяет контролировать в полностью автоматическом режиме динамику содержания воды в коже. Техническим результатом этого варианта осуществления заявленного изобретения является возможность следить за содержанием воды при любых условиях окружающей среды (любом внешнем освещении или его отсутствии, для любого типа кожи) и возможность постоянного угла детектирования. Изобретение позволяет описать физическую корреляцию между восприятием цвета и длинами волн.

Обратимся к Фиг. 7, на которой изображен натуральный образец измерителя содержания воды в коже, который состоит из смартфона (801 - верхняя сторона, 803 - нижняя сторона) (коммерческий датчик КЗС КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник - технология построения интегральных схем, которая применяется в детекторах изображения, состоящих из интегральной схемы, содержащей массив сенсоров пикселей, где каждый пиксель содержит фотодетектор и активный усилитель), содержащего белый светоизлучающий диод - осветительную вспышку, являющуюся компонентой мобильного устройства), и непрозрачного блока защиты детектирования с особым внутренним покрытием. В частности, нижняя пластина 804 блока защиты детектирования может иметь специальное покрытие, такое как поглощающий материал или сильно отражающий материал; также блок защиты детектирования должен иметь технологические отверстия 807 для детектора и светоизлучателя в нижней пластине. Блок защиты детектирования может иметь стенку из поглощающего или сильно отражающего материала. Блок защиты детектирования может быть телескопическим, не содержать оптики и иметь произвольную форму, чтобы контролировать восстановление кожи после УФ воздействия. В результате, образуется мобильное измерительное устройство для контроля содержания воды в коже пользователя, основанное на мобильном устройстве, имеющем вспышку и видеокамеру, и блоке защиты детектирования, который обеспечивает необходимое постоянное состояние зондирования для каждого пользователя. Принцип измерения согласно изобретению основан на колориметрическом методе, теории светопереноса и моделировании Монте-Карло распространения света в биологических тканях и на классической теории оценки индексов эритемы и меланина.

Как отмечается в описании, поглощающая внутренняя часть поверхности блока защиты детектирования должна иметь коэффициент диффузного отражения в видимом диапазоне (VR) не выше 4-5% (например: Schott ND9 glass http://oceanoptics.com/product/stan-series-reflectance-standards/), а отражающая внутренняя поверхность должна иметь коэффициент диффузного отражения в VR не ниже 95-99% (Al зеркало на подложке из плавленого кварца, Delrin, алюминия, http://oceanoptics.com/product/ws-l-reflectance-standards/). Непрозрачность ограждающего блока защиты детектирования является ключевым свойством для определения условий измерения, она исключает внешнюю засветку, и этот факт, конечно, учитывается при расчетах переноса излучения. Тип покрытия поверхности (поглощающее или отражающее) также является важным параметром для вычисления переноса излучения, но содержание воды в коже зависит только от типа кожи и ее текущего функционального состояния. Если используется поглощающее поверхностное покрытие, в расчетах можно исключить все повторно отраженные световые компоненты, поскольку вклад случайных многократных отражений изменяет окончательный цвет изображения кожи. В случае отражающей поверхности, наоборот, можно учесть вклад всех случайных многократных отражений и внести соответствующие изменения в алгоритм расчета. Так или иначе, отражающие и поглощающие свойства поверхности являются полярными случаями (исключающими или включающими в себя отражения света), и необходимо просто принимать один из них во внимание, так как в данном изобретении можно использовать любой из них.

Осуществление изобретения (способа/устройства) в целом

В одном из вариантов осуществления, все части настоящего изобретения являются частями используемого мобильного устройства (смартфона, планшетного компьютера), за исключением интеллектуальной насадки, содержащей блок защиты детектирования. Блок защиты детектирования прикрепляется к задней стороне мобильного устройства, закрывая вспышку и камеру. Блок защиты детектирования представляет собой полый цилиндр с непрозрачной подложкой, имеющей нижнюю пластину. Нижняя пластина снабжена технологическими отверстиями для детектора и излучателя.

Существует много вариантов монтажа блока защиты детектирования на мобильном устройстве. Далее соединительная часть будет описана на примере смартфона. Смартфон и блок защиты детектирования имеют различные соединительные детали. В первом варианте осуществления соединительная часть может быть магнитной. В этом случае телефон имеет металлическую пластину под задней крышкой телефона (802). При этом блок защиты детектирования содержит металлическую пластину 806 в качестве магнитной части блока 805 защиты детектирования, как показано на Фиг.7. Блок защиты детектирования устанавливается с помощью магнитных пластин, одна из которых расположена в смартфоне (802), а другая находится на поверхности (806) блока (805) защиты детектирования.

Во втором варианте осуществления изобретения, изображенном на Фиг. 8, блок (904) защиты детектирования имеет соединительную часть в форме слайдера 902, 903, который обеспечивает крепление к смартфону (901).

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, изображенном на Фиг. 9, блок защиты детектирования является чехлом телефона. В этом случае, у смартфона 1001 блок 1002 защиты детектирования является частью пластикового чехла 1003.

Пользователь присоединяет устройство стороной с блоком защиты детектирования к области кожи, на которой будет выполняться измерение. Блок защиты детектирования имеет свободную геометрическую форму, и высота блока защиты детектирования определяется исходным фокусным расстоянием объектива камеры мобильного устройства и требованиями, предъявляемыми к полю зрения (исследуемому участку кожи). Измерение содержания воды в коже невозможно выполнить мобильным устройством без блока защиты детектирования, поскольку процедура измерения требует постоянных условий для детектирования, например, постоянного угла захвата, отсутствия воздействий и т.д.

Затем, используя специальное программное обеспечение (СПО), пользователь делает несколько снимков поверхности кожи.

Источник белого света генерирует излучение, которое рассеивается кожей и фокусируется оптической системой камеры мобильного устройства. Колориметрические системы определяют количественные (яркость) и качественные (цвет) цветовые характеристики кожи. Для каждого изображения кожи попиксельно определяются три цветовые координаты (R, G, B) с помощью колориметрической системы для измерения отражения кожи. Затем полученные координаты преобразуются в цветовые координаты X, Y, Z колориметрической системы MKO1931 (Yxy) и колориметрической системы L*, a* и b* MKO1976 (L*a*b*) с применением простых соотношений. Содержание меланина, гемоглобина и воды в коже человека оценивается с помощью алгоритма, основанного на решении обратной задачи Монте-Карло. Используя этот алгоритм, по меньшей мере, двухслойная модель кожи учитывает любые части тела. Коэффициент отражения кожи вычисляется с помощью метода Монте-Карло в видимом спектральном диапазоне. Затем спектр пересчитывается в цветовой системе координат и сравнивается с экспериментально полученными данными отражения кожи, и находится соответствие между цветовыми координатами и соответствующим спектром. Это позволяет оценить содержание меланина, гемоглобина и воды в коже.

В этом СПО значения RGB преобразуются в трехцветные значения в цветовом пространстве, которое представляет собой независимую от устройства цветовую систему и совместимо с обычными рабочими пространствами RGB (NTSC, sRGB, и т.д.). Для определения отношения между трехцветными значениями XYZ и концентрациями меланина, воды и крови используется моделирование Монте-Карло (ММК) переноса излучения для модели человеческой кожи.

Спектральный состав света, проникающего через биологические ткани, зависит от концентрации и пространственного распределения хромофоров в данной ткани, а также от конкретных условий эксперимента, в том числе от геометрии зонда и множества параметров падающего оптического излучения.

В алгоритме, который поддерживает заявленное изобретение, используются метод вычислений, разработанный специально для моделирования видимых спектров отражения кожи человека и вычисления цвета кожи. Вычислительные данные сравниваются с экспериментальными данными, полученными с использованием измерений в расширенном динамическом диапазоне (Фиг.6) через различные части человеческого тела, которые легко доступны при этих измерениях. В силу фактических условий зондирования и очень сложной структуры тканей, рассматриваемых в алгоритме согласно изобретению, не существует общего аналитического решения, которое могло бы моделировать детектированное рассеянное оптическое излучение и его взаимодействие с тканями, их структурные нарушения и/или физиологические изменения. Поэтому было использовано стохастическое моделирование Монте-Карло (MК). Была использована объектно-ориентированная модель MК, которая позволяет описывать фотоны и структурные компоненты ткани как объекты, которые взаимодействуют друг с другом. Следовательно, объект - фотон распространяется через объект - среду (или средний слой) и взаимодействует с ее составляющими, такими как клетки, кровеносные сосуды, коллагеновые волокна и т.п. Такое представление среды объектами позволяет разрабатывать реалистичные модели ткани, представляющие трехмерные пространственные вариации биологической структуры. Для моделирования спектра пропускания применялась многослойная модель ткани. Модель, известную из предшествующего уровня техники, расширили до 17 слоев путем включения мышц и костных структур.

Моделирование MК проводилось с учетом, по меньшей мере, реальной геометрии зонда, используемого в эксперименте (см. Фиг.6) с использованием 10¹⁰ пакетов фотонов. Преобразования распределения спектральной мощности в координаты CIE XYZ (CIE 1976 L*a*b*), а также значения цветов RGB, выполнялись с использованием стандартной системы CIE 2° и трехцветных значений использованного источника света WLED Galaxy Note 4. Наблюдение эффекта изменений цвета тканей, вызванных, например, изменением содержания воды и изменением оксигенации крови, является потенциальным применением для практической диагностики и биоинженерных применений. Эти изменения могут быть определены количественно и охарактеризованы разработанной моделью МК. Основные положения предложенного метода таковы: визуализация кожи в постоянных условиях детектирования света обеспечивается за счет использования специально разработанной светозащитной бленды объектива; численный эксперимент переноса излучения в коже выполняется для известных условий детектирования света и источника света, и результатом является ряд спектров и соответствующих цветовых координат для различного содержания хромофоров в коже; захваченные цветовые координаты сравниваются с цветовыми координатами и соответствующими спектрами, полученными с помощью численного моделирования.

Сравнительные данные (полученные численным путем) уже содержат информацию о концентрации меланина, воды и крови для конкретного изображения кожи. Поэтому, обнаружение соответствия при сравнении координат позволяет определить концентрацию хромофоров.

Отношения между значениями RGB и концентрациями хромофоров в коже

Значения RGB пикселя на изображении поверхности кожи, полученном с помощью цифровой камеры, можно выразить как:

где

- трехцветные значения в цветовой системе CIEXYZ, и (…)^T - транспонирование вектора. L₁ - матрица преобразования для преобразования значений XYZ в соответствующие значения RGB, и она существует для каждого рабочего пространства (NTSC, PAL/SECAM, sRGB, и т.п.). λ, Е[λ) и 0[λ) - длина волны, спектральное распределение источника света (абсолютный фотометрический спектр диода Galaxy) и спектр диффузного отражения кожи человека, соответственно. х(λ), y(λ), и z[λ) - функции соответствия цвета в цветовой системе CIEXYZ. Интегралы берутся в видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн (от 400 до 1000 нм). Если предположить, что ткань кожи состоит, главным образом, из эпидермиса, содержащего меланин, и дермы, содержащей кровь воду и др., которые не будут приниматься в расчет, то диффузное отражение кожной ткани О можно выразить как:

где I₀ и I - стандартный отраженный свет и детектированные интенсивности света, соответственно. P(μs, μg, I) - функция вероятности длины пути, которая зависит от рассеивающих свойств, а также от геометрии измерений. μs, μa, g и I - коэффициент рассеяния, коэффициент поглощения, коэффициент анизотропии и длина пути фотона, соответственно. Индексы w, m, b, e и d обозначают меланин, воду, кровь, эпидермис и дерму, соответственно. Коэффициент поглощения каждого хромофора выражается произведением его концентрации С и коэффициента экстинкции ε и μ_α=C_ε. Таким образом, значения RGB выражаются как функции C_w, C_m и С_b.

При оценке концентрации хромофоров в коже на основе изображения RGB используется следующая процедура. Сначала значения RGB в каждом пикселе изображения кожи преобразуются в значения XYZ с помощью матрицы N1, как:

в каждом пикселе изображения. Затем следует определить матрицу N₁ на основе измерений стандарта Color Checker, который имеет 24 цветовых элемента и поставляется с данными, дающими значения CIEXYZ для каждого элемента под конкретным освещением и соответствующие спектры отражения. Затем значения X, Y и Z преобразуются матрицей N₂ в C_w, Cm, Cb. Затем вычисляется спектр диффузного отражения O(λ) в диапазоне длин волн от 400 до 1000 нм с интервалом 5 нм посредством ММК для переноса излучения в ткани кожи при различных значениях C_w, Cm, Cb, после чего получают соответствующие X, Y и Z. В этой ММК коэффициент поглощения меланина для Cm вводится в эпидермис как μ_a, m. Коэффициент поглощения крови для Cb вводится в дерму как μ_a,b. Коэффициент поглощения воды для Cw вводится в дерму как μ_a, w. Толщина слоя эпидермиса и дермы установлена как 0,05 и 5,05 мм, соответственно. Показатель преломления каждого слоя принят равным 1,4. Затем рассчитывались значения XYZ на основе смоделированного O(λ). Приведенные выше расчеты были выполнены для различных комбинаций Cm, Cb, и Cw, чтобы получить наборы данных концентраций хромофоров и значений XYZ. Множественный регрессионный анализ с наборами данных дал два регрессионных уравнения для Cm и Cb:

Cm=α₀+α₁X+αY+α₃Z,

Cb=b_o+b₁X+b₂Y+b₃Z.

Cw=w_o+w₁X+w₂Y+w₃Z.

Регрессионные коэффициенты ai, bi (i=0, 1, 2, 3) отражают вклады значений XYZ в Cw, Cm и Cb, соответственно, и они были использованы в качестве элементов матрицы N₂ 4×3. Таким образом, преобразование с помощью N₂ из трехцветных значений в концентрации хромофора, выражается как:

После определения матриц N₁ и N₂ изображения C_w, C_m и C_b реконструируются без ММК. Предложенный метод отличается от известных решений тем, что добавлены уникальные экспериментальные условия и уникальный полный спектр диода Galaxy.

Через несколько секунд мобильное устройство отобразит информацию о содержании хромофоров на исследуемом участке кожи. Эта информация будет содержать предупреждения о возможности солнечного ожога или необходимости увлажнить кожу, а также различные советы по защите кожи пользователя. Способ предоставления информации пользователю и тип предоставляемой информации могут быть различными. Концентрацию можно представить в численном виде или в виде двухмерной карты распределения цвета. Информацию о состоянии кожи можно передать врачу или косметологу.

Сущностью данного решения является мобильное устройство с указанным выше алгоритмом и блоком защиты детектирования, который выполнен из непрозрачного материала, обеспечивает необходимые постоянные условия детектирования рассеянного света; использование источника белого света, охватывающего видимую и ближнюю ИК область спектра от 350 нм до 1000 нм, с однонаправленным излучением, и матрицы цвето- и светочувствительных элементов для детектирования рассеянного света; возможность анализа любой части человеческого тела (изменения типа кожи, толщины жирового слоя и т.д.) и большая площадь анализируемой области (около 10 cm²). Использование блока защиты детектирования позволяет детектировать изображения при одинаковых условиях освещения и геометрии детектирования в любое время. Это условие позволяет связать цветовые координаты изображения с реальными, физическими длинами волн в видимом диапазоне.

Произвольная форма и телескопическая функция блока защиты детектирования позволяет использовать его с любым мобильным устройством, имеющим вспышку и видеокамеру. Непрозрачный материал, из которого изготовлен блок защиты детектирования, позволяет измерять концентрацию хромофоров кожи при любых внешних условиях (естественном солнечном освещении, искусственном освещении, отсутствии освещения). Чтобы учесть нестабильность источника излучения (влияние заряда батареи, изменение интенсивности спектра источника, пыль и т.п.), применяется нормирование к эталонному изображению белого (например, BaSO₄).

Универсальность предлагаемого изобретения, применимость ко всем мобильным платформам обеспечивается за счет возможности изменения высоты блока защиты детектирования (телескопической функции).

Изобретение можно использовать в качестве устройства и способа для оценки и визуализации фото-возраста и содержания воды в участке кожи человека, а также - наличия и концентрации порфиринов в участке кожи человека. На основании результатов упомянутых оценки и визуализации, пользователю выдают информацию, касающуюся дерматологических рекомендаций и рекомендованных ему косметических процедур.

1. Система для автоматического контроля содержания воды на участке кожи человека, содержащая смартфон, включающий в себя процессор и выведенные на корпус смартфона источник белого света для зондирования участка кожи, детектор изображения, выполненный в виде матрицы светочувствительных элементов, и экран,

и надетую на смартфон интеллектуальную насадку, включающую в себя фотометрический модуль для определения коэффициентов отражения, содержащий:

- по меньшей мере два источника излучения, представляющих собой светодиоды ближнего инфракрасного диапазона (БИК), испускающих излучение на по меньшей мере двух различных длинах волн для зондирования представляющей интерес поверхности участка кожи человека, при этом по меньшей мере один источник света имеет центральную длину волны, которая соответствует максимуму спектрального поглощения воды,

- по меньшей мере один детектор ближнего инфракрасного диапазона для упомянутых по меньшей мере двух различных длин волн, принимающий отраженное и рассеянное от участка кожи человека излучение,

- и управляющий блок процессора для возбуждения источников света,

при этом процессор смартфона выполнен с возможностью:

- обработки захваченных изображений с помощью формирования двух массивов изображений, выравнивания размеров получаемых массивов, очистки изображений от шумов с использованием программных фильтров, нормировки элементов массивов на значения яркости белого, в результате чего формируют массивы, каждый элемент которых является коэффициентом отражения объекта,

- определения оптической плотности воды, находящейся в участке кожи человека, с использованием данных отражения в ближнем инфракрасном диапазоне для определения концентрации воды в участке кожи при помощи отношения оптической плотности на различных длинах волн ближнего инфракрасного диапазона,

- определения концентрации воды в участке кожи в динамике при помощи определения наклона временного сигнала оптической плотности,

- определения характеристических коэффициентов содержания воды для участка кожи человека, представляющих собой разностные изображения, и

- выведения на экран смартфона отображения обработанных данных в качестве характеристических коэффициентов содержания воды участка кожи человека или в качестве изображения лица пользователя с наложенной на него двумерной (2D) картой распределения воды как основного поглотителя света в коже в инфракрасном (ИК) диапазоне,

причем система снабжена блоком защиты детектирования, установленным на интеллектуальной насадке со стороны источников излучения с возможностью предотвращения непосредственного контакта упомянутых источников излучения, детекторов ближнего инфракрасного диапазона и изображения с участком кожи человека.

2. Способ автоматического контроля содержания воды в участке кожи человека, содержащий этапы, на которых:

- захватывают по меньшей мере два изображения поверхности участка кожи человека с помощью источника белого света для зондирования участка кожи и детектора изображения смартфона, выполненного в виде матрицы светочувствительных элементов, и фотометрического модуля для определения коэффициентов отражения интеллектуальной насадки на смартфон, содержащего по меньшей мере два источника излучения, представляющих собой светодиоды ближнего инфракрасного диапазона (БИК), испускающих излучение на по меньшей мере двух различных длинах волн для зондирования представляющей интерес поверхности участка кожи человека, при этом по меньшей мере один источник света имеет центральную длину волны, которая соответствует максимуму спектрального поглощения воды, по меньшей мере один детектор ближнего инфракрасного диапазона для упомянутых по меньшей мере двух различных длин волн, принимающий отраженное и рассеянное от участка кожи человека излучение; и управляющий блок процессора для возбуждения источников света;

- передают захваченные изображения в процессор смартфона для последующей обработки и в процессоре смартфона осуществляют этапы, на которых:

- обрабатывают захваченные изображения с помощью формирования двух массивов изображений, выравнивания размеров получаемых массивов, очистки изображений от шумов с использованием программных фильтров, нормировки всех элементов массивов на значения яркости белого, в результате чего формируют массивы, каждый элемент которых является коэффициентом отражения объекта,

- определяют оптическую плотность воды, находящейся в участке кожи человека, с использованием данных отражения в ближнем инфракрасном диапазоне для определения концентрации воды в участке кожи при помощи отношения оптической плотности на различных длинах волн ближнего инфракрасного диапазона,

- определяют концентрацию воды на участке кожи в динамике при помощи определения наклона временного сигнала оптической плотности,

- определяют характеристические коэффициенты содержания воды для участка кожи человека, представляющие собой разностные изображения,

- отображают на экране смартфона результирующие данные характеристических коэффициентов содержания воды участка кожи человека или изображение лица пользователя,

- осуществляют контроль содержания воды на участке кожи человека на основании отображенных результирующих данных характеристических коэффициентов содержания воды участка кожи человека.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что на этапе отображения на экране смартфона дополнительно отображают изображение представляющего интерес участка кожи человека, и/или всего лица человека, и/или осуществляют визуализацию распределения содержания воды в коже лица человека, и/или отображают текстовую информацию, касающуюся содержания воды в коже, и/или отображают информацию, касающуюся дерматологических рекомендаций и рекомендованных косметических процедур.