Deep skin homogeneity and light diffusion: An accelerated Monte Carlo model for in vivo skin characterization and consumer perception

• Published in: International journal of cosmetic science Vol. 46; no. 3; pp. 368 - 379
• Main Author: Puccetti, G.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: England Wiley Subscription Services, Inc 01.06.2024
• Subjects: Adult; ageing; Biomedical materials; claim substantiation; Color; computer modelling; Consumer Behavior; Consumers; Diffusion; Diffusion layers; Female; Homogeneity; Human tissues; Humans; Lasers; Light; Middle Aged; Monte Carlo Method; Optical properties; Optics; Skin; Skin - metabolism; Skin - radiation effects; skin optics; Wavelengths; Young Adult; skin; claim substantiation; ageing; skin optics; computer modelling
• ISSN: 0142-5463; 1468-2494
• DOI: 10.1111/ics.12936

The appearance of healthy and youthful skin is related to many factors of the skin optical properties as perceived by our visual sense. The optics of light travelling through human tissues has been extensively investigated in the field of biomedical applications, including the experimental characterization and modelling of skin optics and the propagation of light such as lasers through the layers. This work presents an innovative approach to probe deep skin by means of spectrally and spatially resolved light diffusion in the different layers of skin. Dual hyperspectral measurements of the panellist's skin are performed in vivo on subjects to obtain reflectance and light diffusion spectra. Both are simultaneously fitted by a GPU‐accelerated Monte Carlo model to obtain skin optical parameters as a function of depth. The results show a clear correlation between deep skin light diffusion at wavelengths above 590 nm and the subject age, which indicates a progressive degradation of skin homogeneity with age. The effect of this orange–red light diffusion background is to alter the colour tone of the skin. A skincare product is used to show that the warmer skin colour tone is clearly perceivable to consumers when evaluating facial images with and without the product. The product effect also correlates well with hyperspectral measurements. Lastly, this innovative approach demonstrates a first step in real‐time skin characterization for consumers and opens the door to customized cosmetic solutions for individual needs. Résumé L’aspect jeune et en bonne santé de la peau est lié à de nombreux facteurs des propriétés de la peau perçues par notre sens visuel. L’optique de la lumière qui traverse les tissus humains a fait l’objet de recherches approfondies dans le domaine des applications biomédicales, notamment la caractérisation expérimentale, la modélisation de l’optique cutanée et la propagation de la lumière telle que les lasers à travers ses couches. Ce travail présente une approche innovante permettant de sonder la peau profonde au moyen d’une diffusion de la lumière résolue spectralement et spatialement dans les différentes couches de la peau. Des mesures hyperspectrales doubles de la peau du panéliste sont effectuées in vivo sur des sujets pour obtenir des spectres de réflectance et de diffusion de la lumière. Les deux sont simultanément ajustés par un modèle Monte Carlo accéléré par processeur graphique afin d’obtenir les paramètres optiques de la peau comme fonction de sa profondeur. Les résultats montrent une corrélation claire entre la diffusion de la lumière de la peau profonde à des longueurs d’onde supérieures à 590 nm et l’âge du sujet, ce qui indique une dégradation progressive de l’homogénéité de la peau avec l’âge. L’effet de ce fond de diffusion de la lumière rouge‐orangée est l’altération de la couleur de la peau. Un produit de soin de la peau a été utilisé pour montrer que le teint plus chaud de la peau était clairement perceptible par les consommateurs évaluant des images du visage avec ou sans produit. L’effet du produit est aussi bien corrélé avec les mesures hyperspectrales. Cette approche innovante démontre enfin une première étape dans la caractérisation de la peau en temps réel pour les consommateurs et ouvre la voie à une solution cosmétique personnalisée selon les besoins individuels. The optics of light diffusion through and within the different layers of human tissues have been investigated as a diagnostic of skin ageing through hyperspectral in vivo imaging.