Optical evaluation of internal damage to human hair based on second near-infrared window polarization microscopy.

ABSTRACT

OBJECTIVE: Hair beauty treatments glorify human life. As a side effect, there is a risk of deteriorating the health of the hair. Optically polarized microscopy has been used for many decades to evaluate hair conditions owing to its ease of use and low operating costs. However, the low biopermeability of light hinders the observation of detailed structures inside hair. The aim of this study is to establish an evaluation technique of internal damages in a hair by utilizing a near-infrared (NIR) light with a wavelength of 1000-1600 nm, called "second NIR window". METHODS: We built a laser scanning transmission microscope system with an indium gallium arsenide detector, a 1064 nm laser source, and optical circular polarization to visualize the anisotropy characterization of keratin fibres in hair. Samples of Asian black hair before and after bleaching, after permanent-waving, after lithium bromide (LiBr) treatment, and after heating was observed. Some parameters reflecting intra-hair damage were quantitatively compared with the parameters in digitally recorded images with analytical developments. RESULTS: The light transmittance of black hair was dramatically improved by utilizing the second NIR window. Numerical analysis of circular polarization in hair quantified the internal damage in chemically or thermally treated hair and found two different types of damage. The present method enabled quantitative evaluation of the condition changes in the cortex; for example, a decrease in circular polarizability by LiBr treatment and restoration by replacing the LiBr solution with water. In addition, black speckles were observed after the heat treatment. Longer heating and wetting times increased the appearance probability and size of the speckles. According to quantitative analyses, the emergence of black spots was independent of polarizability changes, indicating that they were not pores. CONCLUSION: Circular polarization microscopy based on near-infrared optics in the second NIR window provides an effective evaluation method for quantifying intra-hair damage caused by cosmetic treatments. The present method provides noninvasive, easy, and inexpensive hair evaluation and has potential as a gold standard in hair care research/medical fields.

OBJECTIF les soins capillaires glorifient la vie humaine. Comme effet secondaire, il existe un risque de détérioration de la santé du cheveu. La microscopie en lumière polarisée est utilisée depuis de nombreuses décennies pour évaluer la santé capillaire en raison de sa facilité d'utilisation et de son faible coût d'exploitation. Cependant, la faible bioperméabilité de la lumière empêche l'observation des structures détaillées à l'intérieur du cheveu. Pour résoudre ce problème, cette étude tente d'établir une technique d'évaluation des atteintes internes d'un cheveu en utilisant une lumière proche infrarouge (NIR) d'une longueur d'onde de 1000 à 1600 nm, appelée « deuxième fenêtre NIR ¼. MÉTHODES nous avons construit un système de microscope de transmission à balayage laser équipé d'un capteur indium gallium arsenide, d'une source laser de 1064 nm et d'une polarisation circulaire optique pour visualiser la caractérisation de l'anisotropie des fibres de kératine dans les cheveux. Des échantillons de cheveux noirs asiatiques ont subi un traitement avant et après la décoloration, l'ondulation permanente, le bromure de lithium (LiBr) et la chaleur. Certains paramètres reflétant les dommages intra­cheveu ont été comparés quantitativement aux paramètres des images enregistrées numériquement avec des développements analytiques. RÉSULTATS la transmission de la lumière des cheveux noirs a été considérablement améliorée en utilisant la deuxième fenêtre NIR. L'analyse numérique de la polarisation circulaire des cheveux a quantifié les dommages internes des cheveux traités chimiquement ou thermiquement et a mis en évidence deux types de dommages différents. La présente méthode a permis d'évaluer quantitativement les changements de condition dans le cortex; par exemple, une diminution de la polarisation circulaire par le traitement par LiBr et la restauration en remplaçant la solution LiBr par de l'eau. En outre, des taches noires ont été observées après le traitement thermique. Des temps de chauffage et de mouillage plus longs ont augmenté la fréquence d'apparition et la taille des taches. D'après des analyses quantitatives, l'émergence de points noirs était indépendante des changements de polarisation, indiquant qu'il ne s'agissait pas de pores. CONCLUSION: La microscopie par polarisation circulaire basée sur l'optique proche infrarouge dans la deuxième fenêtre NIR fournit une méthode d'évaluation efficace pour quantifier les dommages intra­cheveu causés par les traitements cosmétiques. La présente méthode fournit une évaluation des cheveux non invasive, facile et peu coûteuse et a un potentiel de référence dans la recherche sur les soins capillaires/les domaines médicaux.