已經(jīng)有很多人嘗試通過使用顏色判別標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)地表征不同人種的皮膚類型，其中大多數(shù)方法都是基于肉眼觀察對(duì)皮膚顏色的評(píng)價(jià)。常用的評(píng)價(jià)方法是哈佛大學(xué)的皮膚病學(xué)家Thomas B. Fitzpatrick在1975年提出的基于數(shù)值分類圖表的Fitzpatrick標(biāo)度。該方法將皮膚類型劃分為6個(gè)類別。對(duì)于保健和護(hù)膚品行業(yè)，該方法也被認(rèn)可用作劃分人類皮膚對(duì)可見光響應(yīng)的皮膚病學(xué)研究工具之一。Fitzpatrick標(biāo)度是更早期的Von Luschan色度的現(xiàn)代化，后者使用36塊不透明的玻璃片表征皮膚的顏色。圖1所示為Von Luschan玻璃片描述的人類皮膚的顏色范圍。Fitzpatrick標(biāo)度將這些顏色劃分為6種皮膚類型：白化、白色、淡棕色、地中海棕色、深棕色、黑色。
圖1.Von Luschan顏色標(biāo)度
直觀比較實(shí)驗(yàn)對(duì)象的皮膚與標(biāo)準(zhǔn)玻璃片的顏色，找出最接近的匹配。這種視覺檢查和比較的方法現(xiàn)在看來是存在誤差的，因?yàn)槠浣Y(jié)論受主觀因素影響是易變的，在很多實(shí)例中不同研究者對(duì)同一實(shí)驗(yàn)對(duì)象的測(cè)試結(jié)果是不同的。
視覺檢查結(jié)果的差異主要是因?yàn)槿搜蹖?duì)顏色敏感度的變化和環(huán)境照明條件的不同。目前視覺方法已經(jīng)逐漸被反射分光光度法所取代，因?yàn)楹笳卟粫?huì)受制于人體和環(huán)境的變動(dòng)。
配備有積分球的分光光度計(jì)可以精確測(cè)量人體皮膚的反射光譜，還可以配置顏色分析的數(shù)學(xué)方法，使膚色評(píng)價(jià)成為一種嚴(yán)密、可重復(fù)、準(zhǔn)確的技術(shù)。顏色分析的數(shù)學(xué)方法使用樣品的百分比反射率光譜、給定照明光源的光譜響應(yīng)曲線以及三種人眼可見顏料的光譜靈敏度，得到反映樣品視覺顏色的量化標(biāo)準(zhǔn)。也就是說，現(xiàn)代光譜顏色分析方法可以計(jì)算出顏色的數(shù)值，對(duì)應(yīng)于人眼在特定照明條件下看到的顏色。
反射光譜測(cè)量的數(shù)據(jù)與樣品的化學(xué)成分直接相關(guān)。人類皮膚分為三個(gè)亞層：角質(zhì)層（起保護(hù)作用的一層細(xì)胞）、表皮層和真皮層。反射光譜可以穿透上述三個(gè)皮膚亞層，包含其化學(xué)成分信息。表皮層僅由細(xì)胞構(gòu)成，其底部有內(nèi)含黑色素的黑素細(xì)胞。表皮層的主要化學(xué)成分是蛋白質(zhì)(色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸)、DNA、黑色素和尿刊酸。真皮層除了含有細(xì)胞之外，還包含神經(jīng)和毛細(xì)血管。真皮層的化學(xué)成分還包括氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白和膽紅素。
圖2.反射光譜中涉及到的皮膚結(jié)構(gòu)層次
本研究將通過顏色分析方法評(píng)價(jià)Von Luschan顏色圖表玻璃片和不同人種皮膚的反射光譜。盡管光譜顏色分析方法比直觀檢查更加可靠，但是對(duì)于理解人類皮膚著色的化學(xué)機(jī)理該方法仍有一些不足。顏色分析方法雖然可以很好地測(cè)量肉眼看到的顏色，但是僅限于定性評(píng)價(jià)樣品可見光的顏色性質(zhì)。
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實(shí)驗(yàn)
樣品反射光譜的測(cè)量使用裝有150 mm Spectralon積分球的Lambda X50+紫外/可見/近紅外光譜儀。使鏡面反射口保持原位，以便獲得全反射光譜。將實(shí)驗(yàn)對(duì)象的前臂內(nèi)側(cè)放置于積分球的漫反射口，采集皮膚樣品的光譜。Von Luschan玻璃片的光譜也使用漫反射口進(jìn)行測(cè)量。圖3所示為150 mm積分球處于全反射模式時(shí)的樣品光路。鏡面反射光和漫反射光都被收集。為了全面研究不同類型的人類皮膚，本研究中測(cè)量了從輕度白化到美國(guó)黑人等多個(gè)人種的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。
圖3.150 mm積分球中的光路(點(diǎn)擊查看大圖)
樣品光譜的顯示和處理使用珀金埃爾默的UV WinLab™譜圖分析軟件。樣品的顏色分析使用珀金埃爾默的顏色分析軟件，按照國(guó)際照明委員會(huì)CIE 1976 L*a*b*規(guī)程使用400~700nm的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)范圍。該分析方法使用CIE 1964 10°標(biāo)準(zhǔn)觀察者以及標(biāo)準(zhǔn)光源C(代表了對(duì)應(yīng)色溫為6774K的平均日光照明)。
本研究在顏色分析過程中選擇了CIE L*a*b*顏色空間。L*a*b*顏色空間將色度分量和亮度分量進(jìn)行分離，使得對(duì)樣品的色度和亮度分別進(jìn)行研究成為可能。
圖4形象地說明了一個(gè)典型的L*a*b*顏色圖中L*分量和a*b*分量的分離。在這個(gè)三維空間中，x軸代表綠色/紅色(a*)，y軸代表藍(lán)色/黃色(b*)，z軸代表暗度/亮度(L*)。色度和亮度的分離對(duì)于膚色分析是非常重要的。人類膚色的亮度主要決定于表皮層底部的黑色素含量，而皮膚色度的主導(dǎo)因素是真皮層的血紅蛋白和膽紅素。
圖4.L*a*b*顏色空間(點(diǎn)擊查看大圖)
既然我們可以對(duì)顏色進(jìn)行量化地測(cè)量，也就可以將人類皮膚與Von Luschan玻璃片進(jìn)行比較。關(guān)鍵問題在于：Fitzpatrick標(biāo)度中使用的玻璃片與人類皮膚的顏色接近程度如何時(shí)才算是匹配？由于使皮膚和玻璃片產(chǎn)生顏色的化學(xué)成分差異很大，這是一個(gè)需要考慮的問題。
在人類皮膚光譜中，可見光的波長(zhǎng)能夠穿過相對(duì)透明的表皮層，與富含血管的真皮層中復(fù)雜多樣的化學(xué)成分發(fā)生相互作用。圖5所示為剝離的豬皮表皮層的百分比透射光譜。對(duì)于可見光的波長(zhǎng)來說，表皮層是相對(duì)透明的，僅因?yàn)樯⑸溥^程而減弱到達(dá)真皮層的可見光(400 nm以上區(qū)域)。400 nm以下的紫外光被尿刊酸、DNA的核酸環(huán)和蛋白質(zhì)的芳香氨基酸等細(xì)胞成分所吸收。表皮層的廣泛吸收表現(xiàn)為280 nm附近的吸收峰。
圖5. 豬皮表皮層的百分比透射光譜(點(diǎn)擊查看大圖)
皮膚的反射光譜主要決定于真皮層的化學(xué)成分，隨不同人種皮膚類型而變化。血紅蛋白和黑色素含量的變化使光譜形狀有顯著的改變，如圖6所示。
圖6.不同人種皮膚類型的反射光譜(點(diǎn)擊查看大圖)
對(duì)于白化等透明的皮膚類型，入射光較深地穿透到真皮組織。在可見光區(qū)域的中部，氧合血紅蛋白的雙峰(540和580 nm)在光譜上清晰可見。還原血紅蛋白在560 nm處的單個(gè)吸收峰被氧合血紅蛋白的吸收峰所掩蓋。氧合與還原血紅蛋白的重疊寬峰出現(xiàn)在425 nm。膽紅素在540 nm處有一個(gè)小的吸收峰。真皮層組織中有豐富的血液供應(yīng)，所以全部成分都可以觀察到。
黑色素是由酪氨酸衍生得到的黑色高分子，對(duì)于皮膚的光譜有顯著的影響。從200 nm到超過1000 nm的近紅外區(qū)域，黑色素都具有非常寬的吸收。黑色素集中存在于黑素細(xì)胞中，這種特殊的細(xì)胞分布在表皮層底部的基底細(xì)胞層(表皮生發(fā)層)。膚色越深，緊貼真皮層的表皮層底部(如圖2所示)分布的黑素細(xì)胞越多。黑素細(xì)胞的數(shù)量越多，阻止有害紫外線到達(dá)真皮層的能力越強(qiáng)。如果光線被黑素細(xì)胞吸收，也就不會(huì)到達(dá)真皮層并與其中的成分發(fā)生相互作用。皮膚的顏色加深時(shí)，其光譜上與真皮層化學(xué)成分相關(guān)的譜圖特征開始消失。黑人皮膚的光譜僅包含與黑色素反射相關(guān)的譜圖特征。黑色皮膚的反射率隨波長(zhǎng)的漸變主要是因?yàn)楹谏氐奈庀禂?shù)隨波長(zhǎng)增加而遞減。
現(xiàn)在，我們需要考慮如何比較人類皮膚與用于表征膚色類型的Von Luschan玻璃片的反射光譜。圖7顯示了三種有代表性的皮膚類型（紅色光譜-白化型，綠色光譜-西班牙型，藍(lán)色光譜-黑人型）與相應(yīng)范圍內(nèi)Von Luschan玻璃片(黑色光譜)的光譜重疊。兩組光譜的吸收峰結(jié)構(gòu)特征基本沒有相關(guān)性。如果考慮到玻璃片的顏色產(chǎn)生于無機(jī)顏料而皮膚的顏色產(chǎn)生于芳香類生物體成分，上述現(xiàn)象并不意外。這兩類化合物的電子成鍵特征是顯著不同的。很多玻璃片的光譜顯示出無機(jī)化合物典型的截?cái)嗵卣鳎つw的光譜有很多的吸收峰特征。
圖7.Von Luschan玻璃片與不同人種皮膚類型的光譜比較(點(diǎn)擊查看大圖)
使用CIE L*a*b*顏色分析法對(duì)Von Luschan玻璃片的反射光譜進(jìn)行分析，結(jié)果總結(jié)于表1。表中還對(duì)代表亮度的L*值與Fitzpatrick皮膚類型進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。
玻璃片的L*值從89(淺色)到29(深色)不等，分布范圍達(dá)到了60個(gè)L*單位。在色度值確定之后，Von Luschan玻璃片顏色的人為因素開始變得明顯。圖8將色度值a*對(duì)b*做圖，x軸代表紅色/綠色分量，y軸代表藍(lán)色/黃色分量。顏色最淺的玻璃片是黃綠色的，而顏色較深的玻璃片中紅色分量更多。顏色最深的玻璃片是藍(lán)紅色的。正常情況下，健康的人類皮膚中不會(huì)出現(xiàn)藍(lán)色和綠色。
圖8.Von Luschan玻璃片的CIE a*b*色度圖(點(diǎn)擊查看大圖)
圖9所示為不同人種實(shí)驗(yàn)對(duì)象的皮膚反射光譜的色度圖。注意，數(shù)據(jù)點(diǎn)在黃色-紅色象限內(nèi)集中分布為一組。隨著皮膚顏色從白化型到黑人型的加深，黃色-紅色色度值呈增加趨勢(shì)。毫無疑問，這是因?yàn)槿祟惼つw的顏色主要確定于真皮層中存在的血紅蛋白和膽紅素成分。
圖9. 不同人種前臂皮膚反射光譜的CIE a*b*色度圖(點(diǎn)擊查看大圖)
完整的人類皮膚顏色L*a*b*數(shù)據(jù)收集于表2中。從中可見，皮膚的L*值從73(淺色)到34(深色)不等。比較Von Luschan玻璃片與人類皮膚的L*值，可以發(fā)現(xiàn)皮膚的L*值分布范圍更窄，僅有39個(gè)單位，而Von Luschan玻璃片的L*值分布范圍達(dá)到了60個(gè)單位。皮膚的L*值分布范圍更窄的主要原因很可能在于起反射作用的細(xì)胞的表面結(jié)構(gòu)。與玻璃片相比，皮膚的表面質(zhì)地更加粗糙。表面質(zhì)地對(duì)于漫反射光譜有很重要的影響。漫反射樣品的表面越平滑，看起來就越明亮。因?yàn)?ldquo;粗糙”的表面包含微小的孔洞和縫隙，可以捕捉入射光而阻止其反射。表面的凹凸不平越多或越大看起來就越暗。也就是說，對(duì)于同等膚色的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，干燥粗糙的皮膚看起來要比光滑的皮膚更暗一些。
結(jié)論
對(duì)于不同人種的膚色分析，使用配有150 mm標(biāo)準(zhǔn)積分球的紫外-可見分光光度計(jì)和CIE L*a*b*顏色分析法是一套切實(shí)可行的方法。該方法是具有很好重復(fù)性的定性分析技術(shù)，優(yōu)于以前那些基于經(jīng)驗(yàn)觀察的方法。
真實(shí)的人類皮膚與Von Luschan玻璃片的L*a*b*數(shù)據(jù)有明顯的差異。對(duì)做為Fitzpatrick標(biāo)度基礎(chǔ)的Von Luschan玻璃片的分析結(jié)果表明，玻璃片的生色成分與表面質(zhì)地導(dǎo)致了人為顏色的存在。通過大量不同類型皮膚的L*a*b*數(shù)據(jù)庫(kù)，可以很簡(jiǎn)便地對(duì)Fitzpatrick標(biāo)度進(jìn)行評(píng)估。
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