明新科技大學 校內專題研究計畫成果報告
應用全彩肌膚造影系統於膠原蛋白的美膚療效之生醫光電研究
The Bio-Photonic Study on Restoration Effect of Collagen by
英 文 摘 要
Collagen is one of the main structural proteins in human dermis. The lack and atrophy of collagen induces the appearance of wrinkles and beginning of aging. L-ascorbic Acid has significant effects in skin-whitening and anti-oxidation, which helps to keep skin beautiful and healthy, respectively.
With auto-fluorescence, the amount of collagen is in proportion to the strength of its fluorescence spectrum. Therefore, a new method is proposed to determine the content of collagen and the health of skin through the analysis of fluorescence and reflection spectra. Compared with conventional chemical analysis, this method needs less time, and is much more non-invasive.
Solutions of different concentration of external collagen and L-ascorbic Acid are applied on healthy, spotted and wrinkled skin in this study. By the time dependence of fluorescence and reflection spectra, the effects of skin absorption and restoration of collagen and L-ascorbic Acid are derived, respectively.
The experimental shows that the collagen or L-ascorbic Acid solution of adequate concentration is best for skin absorption. Admixed with suitable concentration of L-ascorbic Acid, the collagen solution is well absorbed and results in effect of smoothing wrinkles; the effect of L-ascorbic Acid to clear up the spots is also demonstrated. By scientific explorations shown above, the restoration effects of cosmetic materials are validated, and people’s confusion and myth about skincare products are avoided. Consequently, this study helps to advance cosmetic industry.
(1) 使用三維全彩掃瞄系統拍攝健康肌膚真皮組織的結構。 (2) 使用分光光譜儀確立膠原蛋白的光學性質與其濃度或成分間的關係。 (3) 使用螢光光譜儀確立膠原蛋白光譜之形態與特性波長。 (4) 使用掃瞄系統拍攝瑕疵、受傷與老化等肌膚組織的各種結構特性。 (5) 研究人體使用何種攝取方式最能有效吸收膠原蛋白。 (6) 研究膠原蛋白在皮膚的吸收過程中的時間吸收曲線形態。 (7) 研究臉部、手臂各部分肌膚對何種成分的膠原蛋白具有最佳之吸收效果。 (8) 研究經過膠原蛋白的修復療效後，肌膚的光譜曲線會產生怎樣的變化。 (9) 使用掃瞄系統拍攝經修復行為後，肌膚組織恢復過程的微觀結構改善狀況。 ◎ 重要參考文獻：
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K. Hitzenberger, and D. Stifter, “En-face scanning optical coherence tomography with ultra-high resolution for material investigation,” Optics Express, 13(3), 2005.
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二、研究目的
西 元 1972 年 ， P. A. Flourney 發 現 了 光 學 低 同 調 干 涉 術 (Low Coherence Interferometry, LCI) 並用於 10µm 以下細薄膜厚度的量測，開始成為量測元件厚度與折 射率的良好工具之一。隨著半導體製程的進步，LCI 所需要的高亮度與高頻寬光源得到 良好的改善，因此開始有人將之應用於高散射度的生物組織之深度定位上。此類技術具 有高度的空間解析力，大約 1~10µm。比起其他影像系統的解析力，例如超音波檢測， 段可高上一至兩個數量級，而且其發展已進入即時量測的階，為除超音波 (US)、X射線 (X-ray)、電腦斷層攝影 (CT)、核磁共振造影 (MRI)、正子發射斷層掃瞄 (PET) 等外， 深具潛力的光學式生醫造影技術。
西元1991 年，日本科學家 J. G. Fujimoto 利用邁克遜式光學低同調干涉術對生物 組織做深層（Z 軸）的掃描，並搭配對組織的平面橫向（X 軸與 Y 軸）掃描，達到了組 織內部的二維與三維斷層影像 [1]，這種嶄新的醫學造影技術稱為「光學同調斷層掃描 術」(OCT: Optical Coherence Tomography)。
三、研究方法
因使用高強度寬頻紅外光源 (SLD IR Source)、配合三維空間點掃瞄的方式聚焦成 像，此「3D 紅外線美膚檢測儀」之肌膚深度 (Skin Depth) 與穿透力度 (Penetration Depth)
將可大為提高。「3D 美膚檢測儀」之外觀與架構如圖 1，其設計採慣用的手持方式，光
源、平面鏡與搭載聚焦系統的掃瞄引擎 (3D Motorizing Engine) 等干涉光學部分使用微 光學技術架構於手持攝影系統上，偵測通道則設置於放置手持系統的底座上。位於手持 攝影系統上控制光源的電源線 (Power Line)、控制掃瞄引擎的控制線 (Control Line) 與 偵測通道的偵測線 (Detection Fiber) 則一併連接至位於底座中包含光偵測器的主機板 (Main Board) 上，於此同時進行光源的功率控制、三維空間點掃瞄的控制、信號循序成 像的影像處理等工作，並以電纜線接至顯示器以輸出最後的皮膚醫學影像。
如圖 1 右側為本計畫進行之光電實驗系統，此系統即是上述「3D 全彩深層掃瞄美
膚儀」的巨像化。從寬頻光源 (SLD Source, Super-Luminescence Diode Source) 射出的寬 頻雷射光進入分光鏡或光纖耦合器後，分為反射與穿透兩道光線，一道進入以反射鏡為 主的「參考臂」(Reference Arm) 等待再次返回分光鏡與自樣品臂返回的樣品光線干涉 成像；另一光線進入以光纖透鏡 (GRIN Lens) 與聚焦物鏡為主的「樣品臂」(Sample Arm)，此掃瞄運動單元上載光纖透鏡與聚焦物鏡，可聚焦於生醫樣品深層結構中的某一 空間點取像，並可同時以三維步進台控制之（圖2）以對樣品深層組織中的空間點群做 X、Y、Z 各軸循序的掃瞄，以完成三維 (3D) 的掃瞄成像。如圖 2 右側即為本系統對高 麗菜試行掃瞄的結果，由圖中可見高麗菜的深層結構為厚度、形狀不規則的層狀構造。 分別從參考臂與樣品臂返回的兩道光線通過分光鏡後結合、產生干涉信號並進入偵 測通道 (Detection Channel) 成像，次以高速光偵測器依序取樣、並以電腦配合影像軟體 繪製成平面（X 軸與 Y 軸）或立體（加上 Z 軸）的影像 [7]。若成像系統的影像處理速 度高於畫面要求的畫素總數 (Pixels) 與畫面更新頻率 (FPI, Frames per Second)，則尚可 進入即時量測 (4D) 的醫學影像層次。 在「3D 紅外線美膚檢測儀」構思期間，我們進而思考運用白色 LED 光源搭配高速 切換的三原色濾光片而組成所謂的「3D 全彩美膚檢測儀」[5] ，其細部構造如圖 1 所示。 理論上，白光光源原本頻寬太寬（約300 nm）故不適於干涉成像，但如將此頻寬切成三 部分，其中心分別為紅、綠、藍等色色光，則其各色頻寬分別可降至約50~100 nm 左右， 恰可符合在「低同調干涉術中」光源頻寬比單色光寬、比全頻光窄的特殊要求。如圖4，
自白光LED 光源 (White LED Source) 加上三原色濾光片轉輪 (Color Filter wheel) 濾得
紅、綠、藍三原色光後，分別利用這些色光掃瞄皮膚同一深度的X-Y 平面，最後可使用
影像軟體將三張單彩畫面合併成全彩的皮膚深層結構影像。若是掃瞄韌體可控制掃瞄引
擎掃得多於一個視角的畫面，甚至可以得到全彩、立體的3D 皮膚深層影像。值得一提
具非侵入性、可執行3D 深層掃瞄之光學同調攝影系統 (OCT) 之組成方塊圖。 (2) 運動單元與掃瞄控制：此一部份由一研究生主導撰寫程式，以控制 OCT 系統中負 責聚焦與掃瞄樣本深層結構的運動單元（如下圖，可類比於光碟機中的光學讀寫 頭），可培養Visual Basic 控制程式之撰寫與調校的實務能力。除此之外，亦接著 擴充成像系統的光源種類與改良掃瞄系統的穿透能力，特別是白光源與三原色光 源的建立。
可上載GRIN Lens 與聚焦物鏡、對樣品的深層結構做 X、Y、Z 各軸掃瞄的運動單元— 3D 步進平台與其三軸掃瞄的控制程式。
(3) 資料擷取與造影程式：此一部份由一研究生負責撰寫影像處理程式來高速擷取從
光偵測器中感知的干涉信號，並將這些灰階信號進一步處理成為2D 或 3D、單色
正在接收干涉訊號的光偵測器與運作中的影像擷取程式。
LabVIEW 全彩造影程式之設計。
上方三圖為三原色任意灰階之模擬照片；下方三圖為任兩原色疊合產生之新色彩。
的能力，之後亦將負責生物光學顯微鏡、離心機、振盪器等生醫器材並參與生化 分析。 圖左：使用加上Y 字型光纖的螢光光譜儀量得之各種不同膚質的螢光光譜；圖右：初塗 上固定濃度膠原蛋白所產生的螢光光譜之變化。 學術用的「組織識別成像術」之主要架構。（本系統產出連續式反射光譜） 「組織識別成像術」的系統如上圖所示，將其各部分說明如下：
四、結果與討論
對本3D 全彩深層掃瞄系統而言，若使用 SLD 寬頻紅外光源，其組織穿透力可達約
1 mm，足以穿透人體一般部位皮膚的真皮深層（約 0.033 inch 或 0.8 mm），參看表 1； 但因空間解析力較為不足，其縱向解析度（Z 軸方向深度掃瞄的精確度）與橫向解析度 （X-Y 方向皮膚表面聚焦光點的精細度）分別約為 12 與 0.9 µm。本系統在三度空間中 採用 X-Y 平面優先的所謂「En-face 掃瞄法」[8]，對每個 X-Y 平面則採取「之」字型 （Zic-Zac）掃瞄，最快的掃瞄速度為 20,000 步／秒，相當於每秒沿著某一軸掃瞄 0.25 mm 的距離；光偵測器方面的對應取樣頻率為40 次／秒。在 Z 軸方向上每隔 0.1 mm 掃瞄一 次，在1 mm 的穿透深度時可提供 10 張 X-Y 皮膚斷層掃瞄照片。每張斷層照片為 1.2 mm x 0.9 mm，每畫素為 6 µm 見方，相當於 200 x150 畫素。
因需至少三倍的處理速度（三原色），故畫面更新速度較緩；但因其空間解析力較紅外 光源為高、且為與流行的2D 肌膚檢測儀有相同使用習慣的全彩成像，未來將有更為可 觀的發展潛力。相對來說，若使用紅外光源於「3D 美膚檢測儀」中，雖為單彩成像， 但因所需數據處理環境之要求較低，故畫面更新速度會比較快，將易於達到即時成像的 要求。 螢光影像光譜儀與「Y 光纖」得到的三原色光譜亦用於校正全彩程式負責造影之三 原色，以達到讓實為虛擬色彩的成影趨近於真實色彩的醫學影像之目標。如圖4 所示為 資料擷取與造影程式部分，左圖上方為經校正過之三原色任意灰階的模擬照片、下方三 張照片為上方任取兩原色照片疊合產生；右圖為左圖上方三原色灰階照片全部疊合產生 之全彩模擬照片。撰寫程式來高速擷取從光偵測器中感知的干涉信號，並將這些灰階信 號進一步處理成為2D 或 3D、單色或疊合成全彩的醫學影像掃瞄照片。 進一步，應用肌膚檢測儀與分光、螢光光譜儀等系統來研究醫學美容材料的美膚療 效，可瞭解經美容材料不同途徑的吸收作用後，各種斑、疤、皺紋、傷痕等肌膚瑕疵的 修復狀況。利用OCT，可拍攝瑕疵肌膚的結構性醫學影像、應用於皮膚疾病的新式醫學 診斷法；利用光譜儀等輔助器材，可獲得與修復療效相關的種種功能性醫學診斷資訊， 兩者相輔相成。 為了使本創作的概念更加具體化，下圖顯示學術用的「組織識別成像術」之原型， 與其架構方塊圖一一相互對應。其中： (1) 下圖左側照片之主體為三維運動單元，對應於架構方塊圖左側部分（包括 3D Moterizing Engine、Collimator、Objective 等，還包括可置放手臂的檢測台）。 (2) 下圖右側照片之主體為光譜儀，對應於架構方塊圖右側部分（包括 Broad-band
Light Source、Monochrometer、Y-type Fiber、Spectrometer、Power Supply、Computer 等）。
組織識別成像術的基本精神為「以讀取代替寫入」，因此不需使用染劑或高能雷射， 僅使用到各種屬於非游離輻射波長的低功率發光二極體LED，對人體的危害可說微乎其 微幾可忽略。讀取信號為反射光譜，並非基於螢光效應或非線性效應產生的微弱受激螢 光信號，因此進入肌膚組織與讀出組織信號較為容易，是故穿透深度深且信號雜訊比 強，不但可輕易取得真皮組織深層的影像、且對於偵測系統之要求與成本亦相對較低。 組織識別成像術也提供擬真的彩色影像，對於使用者、病患或愛美人士之吸引力與使用 意願將大為增加。組織識別成像術由於安全性高、建置成本低，復因反射信號強、穿透 深度可深及真皮組織深層、加上產出之結果為彩色影像，因此本系統具極大市場潛力， 可望先應用於皮膚醫學研究機構、皮膚科相關醫療院所，後可望應用於廣大的美容保養 專櫃等市場，造福廣大愛美人士。 在組織自體螢光的研究方面，本研究著重於皮膚美容，因此將選擇美容保養所注 重之部位來進行研究實驗。黑色素囤積以及皺紋這兩大問題在美容醫學上是最受關注 的課題之一，又因黑色素囤積與皺紋在人體皮膚組織上隨處可見，而且受治療後的成 果也較為明顯，因此選擇這兩種型態來進行實驗。實驗部位將以手腕正常皮膚、黑斑、 胎斑及臉部細紋做為受測部位，分別代表正常皮膚、黑色素囤積以及皺紋三種不同的 皮膚組織型態。在實驗的期間中，受測部位均以長袖衣物保護，目的為防止紫外線破 壞受測部位的膠原蛋白，以求實驗的準確性。 由於本研究主要為檢驗市售保養品中的膠原蛋白與左旋維他命 C 之吸收與療 效，因此在實驗中使用的水解膠原蛋白粉與左旋維他命選自生產一般自製保養品原料 的化工公司；而調和濃度所使用的溶液為自行蒸餾之純水。實驗所調製之藥品濃度都 以重量百分比濃度來進行配製。 研究中所使用之儀器為螢光光譜儀組其系統架構如圖 3.4，本實驗以氙氣燈做為 實驗使用光源，如圖3.5 所示，圖 3.6 則是氙氣燈的有效光譜範圍，透過 Jobin-Yvon H10 單光儀如圖 3.7 所示，將氙氣燈之全波段光譜分光出所要使用的光，做為激發光光源。 再經由 Y 型光纖 (Y-type fiber) 如圖 3.8 導出，將激發後所得之自體螢光訊號傳至 Jobin-Yvon TRIAX 320 光譜儀如圖 3.9 所示，再分析指定掃瞄之螢光光譜波段，掃瞄 後的螢光光譜訊號由光電倍增管 (Photomultiplier tube，PMT) 偵測放大後，經 GPIB
介面將訊號傳到電腦，透過SpectraMax 軟體來顯示光譜圖譜。
此 Y 型光纖由 18 根光纖所組成，其中的 10 根光纖將激發光導向受測端，其餘
六、致謝
七、參考文獻
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八、附圖、附表
圖1: 「3D 全彩美膚檢測儀」之設計；本計畫建構之系統即此「全彩檢測儀」之巨像化‧
圖3: 使用 UV/VIS/NIR 分光光譜儀 (PerkinElmer Lambda 900) 量測三原色濾光片之穿 透光譜的結果；使用螢光影像光譜儀 (Jobin Yvon TRIAX imaging spectrometer 320) 與 Y 光纖測得之白色光源光譜（上）與經三原色濾光片得到的三原色光束的發射光譜（下）。
圖 4: 左圖上方為經校正過之三原色任意灰階的模擬照片、下方三張照片為上方任取兩
九、附錄
附錄一、楊伯溫，“三維肌膚檢測儀”，中華民國發明專利，申請中，2007
年
7 月。
明新科技大學提交專利申請書
（一）基本資料：
填表日期：96 年 4 月 16 日 提 交 人 姓 名楊伯溫
職 稱助理教授
申 請 院 別■工學院 管理學院 服務學院 通識教育部 其他
系所/單位名稱光電系統工程系
聯 絡 方 式 電話：(公)03-5593142-3382 (手機)0936-650800 (傳真)03-5593142-3388 電 子 信 箱 [email protected] 申 請 專 利 種 類◎
1.發明 2.新型 3.新式樣 【註：1.本校補助項目限於申請本國專利 2.最終申請種類由專利審查會議決議】3D 美膚檢測儀
中/英文專利名稱 關鍵詞 醫學美容、皮膚醫學、OCT（Optical Coherence Tomography： 光學同調斷層攝影術）、皮膚檢測儀、美膚檢測儀
（二）專利發明(創作)人資料：
姓 名 1.楊伯溫 2. 3. 4. 5. 貢 獻 度 100 % % % % % 英 文 姓 名 Bor-Wen Yang 國 籍 中華民國 身 分 證 字 號 J120364513 ★專利發明(創作) 人 簽 名 或 蓋 章 ＊ 備註：1.發明(創作)人同意該項創作絕無抄襲，請於上述欄位簽名或蓋章。 2.如專利發明人 5 位以上，請另填一張資料表(附表一)專 利 申 請 人 明新科技大學（Minghsin University of Science and Technology）
（四）專利內容簡單說明：
(習知例概略構成、習知例使用缺失、本案概略構成、本案使用優點) 習知例概略構成 目前市面上、特別是美容保養專櫃所使用的美容肌膚檢測儀所偵測的皆屬於平面 (2D) 影像，基本上都可以看到肌膚表皮的細胞與影像（如圖一）。 習知例使用缺失 一般常見的2D 肌膚檢測儀因使用白光光源、配合影像拍攝的方式成像，其穿透 力不足，只能看到皮膚表面已經暗沈、老化或產生細紋、斑點的肌膚，無法深入表皮 內層與真皮組織中看到在肌膚深層裡變化、代謝中的細胞，故亦無法經由深層細胞的 變異來預知膠原蛋白的萎縮、黑色素的沈積、以及未來漸漸向外產生細紋與斑點的狀 況與機制，因此在「醫學美容」的領域中僅屬於可以事後偵測與修補、無法事前探知 與預防的膚質偵測工具。 本案概略構成 現代醫學對疾病的診斷與治療，為了顯現人體內部的結構或病變，往往需要仰賴能 透視生物體的檢測利器。針對如皮膚等具散射性的生物組織，我們進行 3D 影像重建的 光學同調斷層攝影術 (optical coherence tomography, OCT)已有一段時間，進而提出「3D 美膚檢測儀」的構想。皮膚檢測儀只能做皮膚表面的拍攝成像，因此規劃之初即將此深度掃描的醫學影像術之 應用領域鎖定於皮膚科學方面。將 OCT 技術運用於醫學美容與皮膚醫學上，我們提出 所謂「3D 美膚檢測儀」的構想。此「3D 紅外線美膚檢測儀」之設計因使用高強度寬頻 紅外光源 (SLD IR Source)、配合三維空間點掃瞄的方式聚焦成像，其肌膚深度 (Skin Depth) 大為降低、穿透力大為提高，在皮膚醫學上之應用價值大大凌駕於市面上通行的 2D 肌膚檢測儀之上。如圖三，其外觀與架構採慣用的手持方式，光源、平面鏡與搭載 聚焦系統的掃瞄引擎 (3D Motorizing Engine) 等干涉光學部分使用微光學技術架構於手 持攝影系統上，偵測通道則設置於放置手持系統的底座上。位於手持攝影系統上控制光 源的電源線 (Power Line)、控制掃瞄引擎的控制線 (Control Line) 與偵測通道的偵測線 (Detection Fiber) 則一併連接至位於底座中包含光偵測器的主機板 (Main Board) 上，於 此同時進行光源的功率控制、三維空間點掃瞄的控制、信號循序成像的影像處理等工 作，並以電纜線接至顯示器以輸出最後的皮膚醫學影像。此使用紅外線寬頻光源的造影 系統，其穿透力不但遠勝於使用白光光源，且足可深入人體絕大部分面積的真皮層，因 此能探測表皮內層、真皮層與皮下組織，進而看到其中的微血管、汗腺、皮脂腺、與變 化中的膠原蛋白、彈力蛋白等生物機構，故可經由這些深層細胞的變異裡來診斷與預知 組織細胞增生、變化或劣化的機制。 在「3D 紅外線美膚檢測儀」專利案撰寫期間，發明人進而思考運用白色 LED 光源 搭配高速切換的三原色濾光片而組成所謂的「3D 全彩美膚檢測儀」（圖四），並同時含 括於本「3D 美膚檢測儀」的專利範疇中。理論上，白光光源原本頻寬太寬（約 300 nm） 故不適於干涉成像，但如將此頻寬切成三部分，其中心分別為紅、綠、藍等色色光，則 其各色頻寬分別可降至約50~100 nm 左右，恰可符合在「低同調干涉術中」光源頻寬比
單色光寬、比全頻光窄的特殊要求。如圖四，自白光LED 光源 (White LED Source) 加 上三原色濾光片轉輪 (Color Filter wheel) 濾得紅、綠、藍三原色光後，分別利用這些色
音波、孕婦子宮超音波等）；同樣地，利用OCT 的原理與結構，我們提出 OCT 可以做
成 3D（甚或 4D）的肌膚檢測儀，基於 OCT 屬於與超音波一樣的非侵入性檢測技術、
且擁有更高的影像解析度，若在技術成熟後用以取代2D 肌膚檢測儀，則將可為醫學美
（五）圖形說明:
圖一、現今美容與醫療界通用的2D 肌膚檢測儀‧
圖三、本創作之「3D 紅外線美膚檢測儀」‧
附錄二(1)、楊伯溫、詹立明、鄭文軒、王凱正、廖書賢，“The Design and
Prototype of a Hand-held 3D Full-colored Skin Imaging System by Optical
Coherence Tomography”，2008
台灣光電科技研討會
，台中，台灣，2008。
THE DESIGN AND PROTOTYPE OF
A HAND-HELD 3D FULL-COLORED SKIN IMAGING SYSTEM
BY OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY
Bor-Wen Yang,1,* L.-M. Chan,2 W.-H. Cheng,2 K.-C. Wang2 and H.-H. Liao3
1 Department of Opto-Electronic System Engineering
2 Institute of Electronic Engineering; 3 Institute of Electrical Engineering 1,2,3 Ming-Hsin University of Science and Technology
1,2,3 1, Hsin-Hsing Road, Hsin-Fong, Hsin-Chu, Taiwan, 30401, R.O.C.
*Phone: 03-5593142 ext. 3385, *Fax: 03-5593142 ext. 3388, *E-Mail: [email protected]
Abstract --- 將醫學影像技術中的光學同調斷層攝影術 (OCT) 應用於皮膚醫學，我們提出了新 的構想，將美容專櫃上常用的手持式 2D 平面攝影儀改良為 3D 深層掃瞄的全彩美膚檢測儀。除擁有可 達到真皮深層的穿透力外，因使用紅、綠、藍三原色光束進行三維空間的點掃瞄成像，此檢測儀之空間 解像力亦大為提高。本論文的目的即為建構可執行三維、全彩掃瞄的生醫檢測系統，除可應用於其他的 生物醫學檢測外，特別設計來觀測真皮層內的組織，此系統即是上述手持式美膚檢測儀概念的巨像化。
Keywords: Medical Imaging, Optical Coherence Tomography, Skin, Dermatology
INTRODUCTION
近年來，美容醫學產業成長快速，據估計其市值已達到一千五百億美金，形成所謂的「美麗產業」 [1]。
目前市面上，美容專櫃常用的「皮膚檢測儀」所偵測的屬於平面影像，其穿透力不足，可看到肌膚的表 皮、無法深入真皮中看到在深層裡變化的組織，屬於可事後偵測、無法事前預防的檢測儀器。
圖1: 「3D 全彩美膚檢測儀」之設計；本論文建構之系統即為「3D 全彩美膚檢測儀」之巨像化‧
若將白光光源的頻寬概分為紅、綠、藍三部分，則各色頻寬可縮小至約50~100 nm，符合光源頻寬
在低同調干涉術中的要求。如圖 1，運用白光 LED (White LED Source) 搭配高速切換的三原色濾光片
(Color Filter wheel) 濾得紅、綠、藍三色光束後，分別利用這些光束掃瞄皮膚同一深度（Z 為定值）的 X-Y 水平平面上各點，最後撰寫影像軟體將三張單彩畫面合併成全彩的皮膚深層影像。若可控制掃瞄引擎掃 得多於一個視角的畫面，甚至可得到全彩、立體的3D 皮膚深層影像。 圖1 右側所示為本論文所建構之系統，此系統即是上述「三維全彩深層肌膚檢測儀」的巨像化。從 SLD (Super-Luminescence Diode) 紅外光源出射的光束進入分光鏡後，分為穿透與反射兩道光線，一道進入以 反射鏡為主的參考臂、另一道進入以步進平台為主的樣品臂。3D 步進平台上搭載著光纖透鏡 (GRIN) 與 聚焦物鏡（如圖2），可將光束聚焦於皮膚深層組織中的某一空間點而取像，並完成包括三軸在內各種型 式的掃瞄。圖2 右側所示為系統對高麗菜斷面掃瞄的結果，圖中清楚顯示高麗菜不規則的層狀構造。 圖2: 可置放手臂的樣品測試台與搭載聚焦系統的 3D 步進平台；系統對高麗菜的 Z 軸斷面掃瞄之結果。 RESULTS
本造影系統在進行三維深層掃瞄時，採取以X-Y 平面優先的所謂「En-face」掃瞄法 [6]，對每個 X-Y
表1、紅外線 SLD 與自行組建的三原色光束之穿透深度、縱向與橫向解析度各項數值之比較。
Axial Resolution Lateral Resolution Penetration Depth
SLD IR 11.523 μm 0.857 μm 0.986 mm
White Light + Red Filter 1.588 μm 0.637 μm 0.849 mm
White Light + Green Filter 2.016 μm 0.578 μm 0.810 mm
White Light + Blue Filter 0.908 μm 0.493 μm 0.748 mm
將系統的光源部分改為白光源與準直透鏡，加上紅、綠、藍三色濾光片後，可組成三原色掃瞄光束。 為了確定本系統是否確能產生全彩造影功能，我們使用光譜儀分別量測三色濾片與三色光束的光譜，以 估算三色光束的解析度是否達到微米等級、穿透深度是否達到真皮深層。圖 3 左側為使用 UV/VIS/NIR 分光光譜儀測得的三色濾片穿透光譜；圖 3 右側為使用螢光光譜儀測得之三色光束發射光譜，由此光譜 可估得紅、綠、藍各色光之代表波長λ 與波寬 Δλ 分別為 (600 nm, 100 nm)、(545 nm, 65 nm)、(465 nm, 105 nm)。將各色光譜結果歸納於表 1，可知三原色光之縱向、橫向解析度均較紅外光源為高，可產生更為精 細的影像；至於穿透深度，雖略遜於紅外光源，但三色光之平均值達0.80 mm，仍足以深入真皮組織。綜 合言之，因全彩系統與現今二維檢測儀之彩色使用習慣相近，將具備更為可觀的發展潛力。
圖3: 使用分光光譜儀 (PerkinElmer Lambda 900) 測得之三原色濾光片穿透光譜；使用螢光光譜儀 (Jobin
CONCLUSION 將OCT 技術應用於皮膚，我們提出了彩色深層掃瞄的構想，並建構肌膚檢測儀的系統。以醫學領域 言之，對皮膚病的客觀診斷、皮膚癌成因的研究、及美容醫學、預防醫學等領域，均可能產生貢獻。若 此種新型的手持式檢測儀進一步為醫材廠商所研發，則其貢獻不可不謂大矣！ REFERENCES [1] http://www.moneydj.com/default.htm.
[2] D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J.S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, and J. G. Fujimoto, “Optical Coherence Tomography,” Science 254, 1178 (1991).
[3] J. Welzel, E. Lankenau, R. Birngruber, and R. Engelhardt, “Optical coherence tomography of the human skin”, J. Am. Acad. Dermatol., 37(6), pp. 958-63, 1997.
[4] F. Spoler, M. Forst, Y. Marquardt, D. Hoeller, and F. Abuzahra., “High-resolution optical coherence tomography as a non-destructive monitoring tool,” Skin Res. Technol., 12(4), pp. 261-267, 2006.
[5] 楊伯溫，“三維肌膚檢測儀”，中華民國發明專利，申請中，2007 年 7 月。
附錄二(2)、
*Bor-Wen Yang and Hsu-Hsian Liao, May 2008, “Applications of Reflection
Spectroscopy in Skincare and Skin Imaging,” 6th International Conference on Optics-Photonics Design & Fabrication, Taipei, Taiwan, pp. 413-414
Applications of Reflection Spectroscopy in Skincare and Skin Imaging
Bor-Wen Yang (1) and Hsu-Hsian Liao (2)
1 : Department of Opto-Electronic System Engineering, Ming-Hsin University of Science and Technology, Taiwan, R.O.C. 2 : Institute of Electrical Engineering, Ming-Hsin University of Science and Technology, Taiwan, R.O.C.
Abstract: Spectroscopy is applied in dermatology in this study. By fluorescence spectrum, collagen is quantified to explore
the effects of skincare product; by reflection spectra, scanned points in dermis are respectively identified to yield non-invasive image.
Keywords: spectroscopy, dermatology, collogen, fluorescence spectrum, skincare, reflection spectroscopy, non-invasive
1. Introduction
In the study, the quantity of collogen in dermis is determined by fluorescence spectrum 1) to inspect the restoring effects of cosmetics. The dermis is consolidated by absorption of external collogen, so the collagen becomes constituent of skincare products.
2. Experimental
2.1 Effects of collagen
Through hydrolysis of collagen powder, solutions of different concentration are prepared and used on healthy, spoted, and wrinkled skin to study the absorption and restoring effects of collagen. Two operation modes of fluorescence spectrometer are used:
Fig.1 Fluorescence spectrometer.
Stimulated by λ= 330nm, collagen emits visible Fluorescence featured with λ= 350 to 430nm. 2) The content and the absorption efficiency of collagen into dermis is thus decided by its fluorescence spectrum.
For the convenience of face or hand detection, “Y-type” fiber is prepared in place of the sample box for the spectrometer, as shown in Fig. 2. One of the arms of “Y” letter receives light directed from the monochrometer, and the other transmits the reflected light from skin surface to the spectrometer for analysis.
Fig.2 “Y-type” fiber in place of the sample box.
The absorption of external collagen into skin is demonstrated by the rise of the fluorescence spectrum. The spectrum is raised within the characteristic region of λ= 350~430nm after the collogen solution is used on the skin surface for days, as shown in Fig. 3.
Fig.3 The fluorescence spectrum of skin rises after application of collagen solution.
Fig.4 The absorption rates of stimulated spectra in inner side of forearm rise as a function of time.
As time goes, the skin in inner side of forearm continues absorbing external collogen in a course of 3 weeks, as shown in Fig. 4. The solution of ~0.5% is better absorbed than those of other concentrations. The saturation of absorption appears in solutions of concentration higher than 1.0%, which implies too much collagen blocks its way of subsequent absoption.
4. Conclusion and Discussions
By fluorescence and reflection spectroscopy, the absorption and restoration of collagen are explored, respectively. It is found that collogen can be absorbed directly by way of skin surface. Collagen solution of appropriate thickness is best for absorption. Smeared with collagen, the remedy is noticeable for wrinkles, but not for spots.
5. References
1) C. T. Chen etc., “Light-induced fluorescence spectroscopy: A potential diagnostic tool for oral neoplasia,” Proc. Nat’l Sci. Council, ROC - Life Science, 20(4), pp. 123-30, 1996.
十、計畫成果自評
本計畫執行一年以來，於2008 年共計已發表發明專利兩篇、研討會論文共十五篇，
目前投稿中的有明新學報論文兩篇、審查中的有Optical Review (SCI) 期刊論文兩篇：
1. *
Bor-Wen Yang, Li-Ming Chan, and Kai-Cheng Wang, Mar. 2009, “The Hand-held
3-dimensional Skin Imaging System by Full-colored Optical Coherence Tomography,” Opt. Rev., in review. (SCI)
2. *
Bor-Wen Yang and Hsu-Hsian Liao, Mar. 2009, “The Studies of Tissue Absorption and
Restoring Effects of Collagen and L-ascorbic Acid by Fluorescence and Reflection Spectroscopy,” Opt. Rev., in review. (SCI)
3. *
Bor-Wen Yang, Cheng-Chiun Tsai, Li-Ming Chan, and Xin-Chang Chen, Dec. 2008,
“The Design of Hand-held 3-dimensional Skin Imaging System by Full-colored Optical Coherence Tomography,” International Conference on Laser Applications in Life Sciences, Taipei, Taiwan, accepted.
4. *
Bor-Wen Yang, Chun-Ying Tseng, Hsu-Hsian Liao, and Jian-Ming Li, Dec. 2008, “The
Systematic Study of Skin Absorption and Restoring Effects of Collagen and L-ascorbic Acid by Fluorescence and Reflection Spectroscopy,” International Conference on Laser Applications in Life Sciences, Taipei, Taiwan, accepted.
5. *
Bor-Wen Yang, Kui-Teng Huang, Wen-Hsuan Cheng, and Yuan-Shuo Chang, Dec. 2008,
“The Study of Human Albinism Eugenics through the Development of Guppy (Peacock Fish) Embryoes,” International Conference on Laser Applications in Life Sciences, Taipei, Taiwan, accepted.
6. *
Bor-Wen Yang, Jian-Ming Li, Kai-Cheng Wang, and Chun-Ying Tseng, Dec. 2008, “The
Design and Implementation of Completely Non-invasive Tissue Recognition Imaging for Dermatology and Cosmetology,” International Conference on Laser Applications in Life Sciences, Taipei, Taiwan, accepted.
7. *
Bor-Wen Yang, Hsiang-Sheng Tseng, and Cheng-Chiun Tsai, Dec. 2008, “The Study of
Mechanism of Blood Coagulation by Optical Tweezer,” International Conference on Laser Applications in Life Sciences, Taipei, Taiwan, accepted.
8. *
Bor-Wen Yang, Yu-Hong Mu, and Kui-Teng Huang, Dec. 2008, “The Study of Sperm’s
Activity under Different Pharmaceuticals and Environments by Optical Tweezer,” International Conference on Laser Applications in Life Sciences, Taipei, Taiwan, accepted. 9. *
Bor-Wen Yang, Li-Ming Chan, Kai-Cheng Wang, and Wen-Hsuan Cheng, Sep. 2008, “A
3-Dimensional Skin Imaging System Designed by Full-Colored Optical Coherence Tomography in conventional Hand-Held Model,” SPIE 1st International Workshop on Optical Coherence Tomography & Adaptive optics, Canterbury, U. K.
10. *
Bor-Wen Yang, Li-Ming Chan, and Kai-Cheng Wang, May 2008, “The Hand-Held 3D
Skin Imaging System by Full-Colored Optical Coherence Tomography,” 6th International Conference on Optics-Photonics Design & Fabrication, Taipei, Taiwan, pp. 411-412. 11. *
Bor-Wen Yang and Hsu-Hsian Liao, May 2008, “Applications of Reflection
