JP4790231B2

JP4790231B2 - 表皮の解析方法

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Publication number: JP4790231B2
Application number: JP2004179813A
Authority: JP
Inventors: 哲也次田
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: JP2006000385A

Description

本発明は、低干渉光干渉計測法による表皮の解析方法に関する。

皮膚は、表面から順に表皮（約１００〜２００μｍ）、真皮（約２ｍｍ）および皮下組織からなる。このうち表皮は約２０μｍ厚の角層を含み、外界の影響や病態によって形態や見え方が異なる。そのため、表皮の形態は、肌の評価の一指標として使用されており、正確に計測することが必要とされている。

一方、生体や物体の内部構造を無侵襲に解析する手法の一つに、可視又は近赤外領域の低コヒーレンス光を使用して試料からの反射光や散乱光の干渉計測を行い、試料の内部構造を解析する低干渉光干渉計測法(low coherence reflectometry)を測定原理とする光干渉断層撮影法(optical coherence tomography,以下ＯＣＴと略する)があり、近年、生体あるいは物体の内部構造の新たな解析手法として注目され、皮膚の測定にも利用できるように改良が進められている（特許文献１）。

図１４は、ＯＣＴの測定原理の説明図である。このＯＣＴ計測装置１は、波長１３００ｎｍ〜１５５０ｎｍの低コヒーレンス光を発する低干渉性光源２から発せられた光を光ファイバー３で導光し、カプラー４で光量を１：１に分岐し、光ファイバー３の先端のプローブ５、６をそれぞれ試料Ｓと参照鏡７とに当接させ、光を入射させる。ここで、参照鏡７は、試料Ｓの深さ方向ｚに移動するようになっている。試料Ｓからの反射光と参照鏡７からの反射光とは、それぞれプローブ５、６で受光され、分析器８に送られ、それらを合わせた反射強度が測定される。ここで、試料Ｓからの反射光と参照鏡７からの反射光との光路差がゼロの場合、分析器８には双方の反射光の干渉により反射強度にピーク（干渉信号）が観測される。したがって、空気の屈折率をｎ^* と表すと、試料Ｓ内には、干渉信号が観察されたときの参照鏡７の移動距離ｚに対応する光学的深さｎ^*ｚの位置に反射界面が存在すること、即ち、試料Ｓは、この光学的深さｎ^*ｚの位置を界面として光学的性質の異なる２つの層を有していることがわかる。このＯＣＴ計測によれば、試料表面から深さ２０μｍ程度から深さ数１００μｍまでの広い領域が測定可能となる。

また、ＯＣＴ計測において、ある干渉信号が観察された場合に、その干渉信号の強度は、干渉信号が基づく層の光散乱強度に応じて、深さ方向ｚの増大に伴い、急激に減衰する。したがって、ＯＣＴ計測によれば、干渉信号のピーク形状から、試料Ｓ内部の層の光散乱強度を知ることができる。即ち、分析器８で計測される干渉信号の光学厚みｎ^*ｚと、その強度（反射率[dB]）のプロファイルは、理論的には次式（１）で表される。

（式中、Ｉz：後方散乱の強度
Ｉ_i：入射光の強度
σ_b：媒体固有の後方散乱係数
σ_t：媒体固有の減衰係数
ｎ^*Ｚ_s：光学厚み
ｋ：計測条件で定まる比例定数）

そこで、図１５に示すように、光散乱強度の低い層Ｓ-1と光散乱強度の高い層Ｓ-2が積層している試料ＳをＯＣＴ計測すると、計測される干渉信号の光学厚みｎ^*ｚと強度（反射率[dB]）のプロファイルは、同図に模式的に示すように、２つのピークｐ1 、ｐ2 を有するものとなる。ピークｐ1 は、プローブ５と光散乱強度の低い層Ｓ-1との界面反射により光学厚みｎ*ｚ₁ において観測されるピークであり、その光散乱強度は光の進行に伴い緩やかに減衰する。また、ピークｐ2 は、さらに光が深く進行した光学厚みｎ*ｚ₂ において、光散乱強度の低い層Ｓ-1と光散乱強度の高い層Ｓ-2との界面反射により観察されるピークであり、その光散乱強度は光の進行に伴い急激に減少する。

図１６は、実際にヒトの皮膚（４５歳、女性、右上腕内側）をＯＣＴ計測することにより得られた干渉信号の光学厚みｎ^*ｚと強度（反射率[dB]）のプロファイルであり、図１７は、被験者の皮膚（頬）上に複数の干渉計を列設することにより皮膚の所定範囲を同時に計測できるようにし、得られた干渉信号を明度に変換することにより計測データを画像化したＯＣＴ像であり、干渉信号が強い（反射率が高い）部位は明るく、干渉信号が弱い（反射率が低い）部位は暗く表されている。図１８は手の平のＯＣＴ像である。

図１４で説明したように、互いに接する２つの層の屈折率あるいは光散乱強度が異なる場合にＯＣＴの計測データにピークが現れるから、図１６に観察される２つのピークのうち、光学厚み０μｍ程度で急激に立ち上がり、徐々に減衰しているピークには、センサー先端と皮膚表面との界面によるピークと、光学厚み２０μｍ程度にある角層と顆粒層との境界によるピークが含まれ、ここに角層と顆粒層の境界があることは、組織解剖学的にもＨ/Ｅ染色により淡明層として確認されている。また、光学厚み１００μｍ程度で立ち上がり、徐々に減衰しているピークは、表皮と真皮との境界によるものと考えられている。

図１６のピークは図１７、図１８の画像の明領域に対応するから、角層は、図１８に示すように、明度が皮膚表面Ａ1から中間明度領域Ａ2 、暗領域Ａ3 と単調減少した後、最初に高くなった明領域Ａ4 の手前までであり、表皮は、図１７に示すように、角層よりも深部領域で深さ方向に中間明度領域Ａ5 、暗領域Ａ6 、明領域Ａ7 、暗領域Ａ8が順次観察される場合に、明領域Ａ7 の手前までであると考えられている。したがって、図１７の暗領域Ａ6 は表皮組織であると考えられている。なお、同図において、ラインＬ1 はプローブを構成するガラスであり、ラインＬ1 と皮膚表面Ａ1との間は、計測時に皮膚表面に塗布したジェルである。

特許３４１４１７３号公報

しかしながら、本発明者は、ＯＣＴ計測で得られた皮膚の観察結果を共焦点レーザー顕微鏡等で検証することにより、図１７に観察される暗領域Ａ6 には、真皮組織に存在する真皮乳頭があること、したがって、この暗領域Ａ6 は表皮組織ではなく真皮組織であること、よって従来のＯＣＴ計測の解析手法では皮膚の表皮、真皮といった層構造を正確に解析できないことを見出した。

なお、従来よりＯＣＴ計測による皮膚の層構造の解析結果と、ヒトから採取した皮膚組織の顕微鏡観察とを対応させることはなされていたが、観察されたヒトの皮膚組織の多くは、皮膚に病変部を有する患者の組織であるか、死亡した乳児や老人から採取した組織であり、さらに採取後ホルマリンに浸漬保存されていたものであったため、表皮は肥厚していたり、角層が折れ曲がったり、膨潤あるいは収縮している。したがって、これらの観察から生きた組織の正確なデータを得ることはできなかったと考えられる。

これに対し、本発明は、ＯＣＴ計測のデータから、皮膚の層構造、特に表皮厚を正確に解析できるようにすることを目的とする。

本発明者は、ＯＣＴ計測データの干渉信号を明度に変換することにより得た画像から皮膚の層構造を解析するにあたり、角層は、従来の解析方法と同様に、光学厚み２０μｍ程度の皮膚表面近傍において明度が皮膚表面から中間明度領域、暗領域と単調減少した後、最初に高くなった場合に、その明領域の手前までとするが、表皮は、従来と異なる特定の解析方法をとることにより正確に求められること、より具体的には、角層よりも深部領域で深さ方向に中間明度領域、暗領域及び明領域が順次観察される場合に、皮膚表面から暗領域の手前までを表皮とすると、共焦点レーザー顕微鏡を用いて健常な皮膚を無侵襲で計測した場合に得られる結果と整合することを見出した。

即ち、本発明は、皮膚の所定範囲を光干渉断層撮影法(ＯＣＴ)で計測し、その干渉信号の光学厚みと強度のプロファイルの干渉信号強度を明度に変換することにより計測データを画像化し、得られた画像から皮膚の層構造を解析する方法であって、
前記画像において、角層よりも深部領域で深さ方向に、干渉信号プロファイルが単調に減衰する中間明度領域、干渉信号プロファイルがフラットとなる暗領域及び明領域が順次観察される場合に、皮膚表面から暗領域の手前までを表皮とする皮膚の層構造の解析方法を提供する。

また、本発明は、複数の健常人について、上述の解析方法で求めた表皮厚と年齢とを関係づけたデータベースを構築し、任意の被験者について、上述の解析方法で表皮厚を求め、前記データベースに基づいて該被験者の表皮厚に対応する肌年齢を求める方法を提供する。

特に、本発明は、上述の解析方法であって被験者への所定の処置（ＵＶ照射、化粧品、剤、乾燥、湿潤剤等）の適用前及び適用後の皮膚の所定範囲を光干渉断層撮影法で計測する方法を提供する。

本発明の解析方法によれば、生体の皮膚の層構造における表皮の厚さ、形状、分布等を無侵襲にかつ正確に求めることができる。

したがって、(1)測定部位による表皮厚の違い、(2)皮丘の面積や高さ、皮溝の分布や深さ、皮膚の色等の皮膚の表面性状とその内部にある表皮との関係、(3)表皮厚の加齢変化、(4)紫外線や化粧料が表皮に及ぼす影響、等も正確に調べることができる。よって、これらに関するデータを蓄積することにより、被験者の表皮厚から該被験者の肌年齢を評価することが可能となり、また、皮膚に適用する化粧料や薬剤の評価をすることが可能となり、被験者の皮膚に対して望ましいスキンケアアドバイスを提供することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一または同等の構成要素を表している。

本発明の解析方法は、皮膚の所定範囲をＯＣＴ計測し、その干渉信号を明度に変換することにより計測データを画像化し、得られた画像から皮膚の層構造を解析する方法である。

ここで、ＯＣＴ計測自体は、例えば、特許文献１に記載されているように、市販の装置を使用して行うことができる。また、皮膚の所定範囲を走査するようにＯＣＴ計測を行い、得られた干渉信号を明度に変換し、計測データを画像化することも、干渉計を複数列設した市販の装置を使用し、計測データを画像処理ソフトで処理することにより行うことができる。

ただし、ＯＣＴ計測に使用する低コヒーレンス光の波長としては、５００〜１７００ｎｍが好ましい。波長が短すぎると光が真皮まで達せず、反対に長すぎると分解能が低下し、厚さ２０μｍ程度の角層の測定が困難となる。

皮膚の所定範囲をＯＣＴ計測し、干渉信号を明度に変換し、画像化することにより、前述の図１７、図１８のような画像を得ることができるが、本発明では、このような画像から表皮の厚さ、形状、分布等を求めるにあたり、図１に示すように、角層よりも深部領域で深さ方向に中間明度領域Ａ5 、暗領域Ａ6 及び明領域Ａ7 が順次観察される場合に、皮膚表面Ａ1 から暗領域Ａ6 の手前までを表皮とする。したがって、真皮は暗領域Ａ6 から下の領域となる。これに対し、角層は、図１８に示したように、皮膚表面近傍で深さ方向に中間明度領域Ａ2 、暗領域Ａ3 、明領域Ａ4 が順次観察される場合に、皮膚表面から明領域Ａ4 の手前までとする。

このような表皮領域あるいは角層領域の区分けを、ＯＣＴ計測で得られる干渉信号の光学厚みｎ^*ｚとその強度（反射率[dB]）のプロファイルに対応させると、図２に示すように、光学厚み０μｍ程度で急激に立ち上がり、徐々に減衰しているピークに、センサーと皮膚表面との界面によるピークと、光学厚み２０μｍ程度には角層と顆粒層との境界によるピークが含まれ、光学厚み６０〜９０μｍ前後でフラットになっている部分が、真皮乳頭のある暗領域Ａ6 となり、光学厚み１００程度で立ち上がっているピークが、その下の結合組織との境界によるものとなる。

図３は、表皮の干渉信号を得るため、ヒトから採取し、剥離した表皮のみの皮膚片をガラス板上に載置してＯＣＴ計測を行うことにより得たプロファイルである。同図から、皮膚表面のピークが光学厚み７０μｍ程度まで単調に減衰し、その後フラットになっていることがわかる。したがって、最初のピークから単調に減衰している間が表皮であり、それに続くフラットな部分が真皮乳頭に対応することとなる。なお、光学厚み１８０μｍ程度にあるピークは、皮膚片とガラス板との界面によるものである。

なお、図１の画像において、暗領域Ａ6 が表皮ではなく、真皮であることは、後述の実施例で具体的に示すように、この領域の水平断面画像を共焦点レーザー顕微鏡を用いて、組織を侵襲することなく撮ると、表皮組織中に真皮乳頭の横断面が島状に観察されることから確認できる。

図１の画像において、表皮と真皮との境界に明領域が観察されず、暗領域Ａ6 が観察される理由は明らかではないが、真皮乳頭のある真皮領域には血管があり、血液で入射光が吸収されること、あるいは、真皮乳頭を形成する組織が光を吸収する性質を有すること等が考えられる。また、真皮乳頭のある暗領域Ａ6 の下に明領域Ａ7 が観察されるのは、この領域の結合組織は、その上の真皮乳頭のある領域に対して屈折率又は配向性が異なること、あるいは散乱性を有すること等が考えられる。

本発明の解析方法において、ＯＣＴ計測の干渉信号を明度に変換した画像から表皮厚を求める具体的手法としては、例えば、前述の図１において、中間明度領域Ａ5 と暗領域Ａ6 との境界（即ち、表皮と真皮との境界）を観察者がトレースし、このトレース線と皮膚表面との間隔を複数箇所で計測し、その平均を求めればよい。その場合、皮膚表面とトレース線との間隔は、皮膚の深さ方向の距離とするよりも、各計測点で皮膚表面に垂直な方向の距離（曲線幅）とすると、計測値のばらつきを小さくすることができる。

このトレース線の形状と皮溝との関係から、内部構造から皮膚表面の状態（キメやシワ）を調べることができるが、この関係を求める具体的手法としては、例えば、図４に示すように、幅１００μｍの窓から観察される皮溝と、上述のトレース線の形状とのパターンをＡ、Ｂ、Ｃの３種に分類し、観察部位ごとに各パターンの出現率を求めればよい。

本発明の解析方法によれば、生体の皮膚の表皮厚や表皮形状を無侵襲に正確に計測できるので、皮膚の色、きめ、皮丘の大きさ、皮溝の分布や深さ、毛穴の目立ち具合等の皮膚の表面性状と、表皮厚、表皮形状、皮膚の肥厚の進行度合い等との関係を正確に調べることができる。

したがって、多数の健常人から、本発明の解析方法により、所定の部位の皮膚の表皮厚、角層厚、表皮形状等を得ると共に、年齢、性別等の情報を得、表皮に関するデータと年齢等を関係づけたデータベースを構築しておくと、任意の被験者について、本発明の解析方法により表皮厚等を計測することにより、その被験者の肌年齢を評価することができる。

また、被験者の皮膚に、ＵＶ照射、乾燥、加湿、化粧品や薬剤の適用等の処置を行った前後で本発明の解析方法により表皮厚を計測すると、その処置が表皮厚に及ぼす影響を評価することができる。

さらに、被験者が所定部位の表皮厚等を、本発明の解析方法で継続的に計測することにより、その被験者の皮膚の健康管理をすることができる。

また、皮膚に対する所定の処置と、その処置を皮膚に行った場合の表皮厚の変化と、皮膚の色、きめ、皮丘の大きさ、皮溝の分布や深さ、毛穴の目立ち具合等の皮膚の表面性状の変化とを関連づけたデータベースを構築しておくと、任意の被験者について本発明の解析方法で表皮厚等を計測することにより、その被験者にスキンケアとしての望ましい処置を提案することができる。

実施例１
マイケルソン干渉計を８個並べたＯＣＴ計測装置（SkinDex300、ISIS社）を用いて、被験者の前腕内側部位をＯＣＴ計測した（計測条件：照射波長１３００ｎｍ）。この場合、表面の１３５μ幅を５μステップ移動し、画像を取得することで総数２８枚の連続切片像を得、その中から任意に３枚抽出し、測定箇所の代表とした。次いで、画像計測ソフト（Image-Pro、Media Cybernetics社）を用いて、反射率を輝度に変換するイメージング処理を行った。こうして得た画像を図５に示す。

図５から得られた画像を目視観察することにより、皮膚表面から深さ５０〜７０μｍのあたりに暗領域のあることを確認した。

一方、同じ測定部位を共焦点レーザー顕微鏡（Vivscope 1000、Lucid社）（レーザー波長８３０ｎｍ（ガリウム-ヒ素レーザ）、出力１６ｍＷ、対物レンズ３０倍、観察視野４５０μｍ×４００μｍ、垂直解像度5μｍ）を用いて、測定深度を皮膚表面から６.７μｍ間隔で２０７μｍまでとし、各測定深度の水平断面画像を取得した。これらの画像を対比することにより、測定深度５０〜７０μｍで、表皮組織中に真皮乳頭の横断面が島状に観察された。図６に、測定深度６０μｍにおける真皮乳頭の横断面画像を示す。

したがって、前述のイメージングにより得た画像中の暗領域は、真皮乳頭の存在する真皮であることが確認できた。

実施例２
ＯＣＴ計測装置（SkinDex300、ISIS社）を用い、実施例１と同様の測定条件で、成人男性５名、成人女性５名の前腕内側の同一部位をそれぞれ５回ＯＣＴ計測し、画像計測ソフト（Image-Pro、Media Cybernetics社）を用いて、反射率を輝度に変換するイメージング処理を行った。

得られた画像を目視観察することにより、皮膚表面と真皮の境界をトレースし、表皮厚として、図７に示すように、トレース線Ｌ3 と皮膚表面との垂直幅ＨＴ及び曲線幅ＣＴの２通りを、それぞれ各被験者について無作為に２００箇所で自動計測し、各被験者の変動係数ＣＶ（＝標準偏差/平均値）と全被験者についての変動係数ＣＶを求めた。結果を表１に示す。

表１から、前腕内側の表皮厚は、垂直幅ＨＴ61.7〜77.8μｍ又は曲線幅ＣＴ56.7〜70.4μｍであり、従来、約１００〜２００μｍであるとされていた表皮厚よりも低く計測されていることがわかる。

また、垂直幅ＨＴよりも曲線幅ＣＴの方が、変動係数が低いことがわかる。したがって、以降の実施例では、表皮厚として曲線幅を測定した。

実施例３：部位ごとの表皮厚の加齢変化
首都圏在住の１０代〜６０代の女性１１６名（各年代約２０名）を被験者とし、実施例２と同様にＯＣＴ計測し、イメージング処理を行い、得られた画像における角層または表皮の曲線幅ＣＴから各被験者の角層厚と表皮厚を求めた。この場合、測定部位は、図８の通り、額、頬、上腕内側、前腕内側、前腕外側、手の甲、腹部、背部、大腿内側、下腿内側、脛とし、全て本人の右側を計測した。なお、図８において、矢印は、イメージング処理により得た断層像の方向を示している。各測定部位について３回計測を行い、その平均を角層厚あるいは表皮厚とした。結果を表２、表３、図９、図１０に示す。

また、頬と上腕内側については、被験者の年齢と計測された表皮厚とをプロットした。結果を図１１、図１２に示す。

これらの結果から、本実施例によれば、従来、約１００〜２００μｍであるとされていた表皮厚が約６０〜１００μｍと、従来よりも低い値に計測されていることがわかる。

また、手の甲・腹部・背部以外は、表皮厚と年齢に相関性のあることがわかる。

実施例４：紫外線照射の表皮厚への影響
成人男性１２名を被験者とし、紫外線（UV-B）を皮膚に照射した場合の照射後の日数と表皮厚との関係を調べた。

この場合、照射部位は前腕外側、上腕内側、腹部、背部、大腿内側とし、照射面積は1箇所あたり１０ｍｍ×０.５ｍｍとした。照射エネルギーは２０〜２００mJの範囲で２ＭＥＤが得られるように調整した。

照射後０日、１日、２日、３日、７日、１０日、２０日、３０日、４０日、５０日に、実施例２と同様にＯＣＴ計測を行い、表皮厚と角層厚を求めた。

その結果、紫外線照射後３〜４日で皮膚の赤みが消えた後も、図１３に示すように、紫外線照射後５〜７日までは表皮厚は厚くなること、したがってこの方法で表皮厚を求めることにより、外見上わからない表皮の変化を追跡できることがわかる。

なお、角層も紫外線照射により肥厚したが、部位によっては照射後３〜４日で剥離し、最終的に角層厚は照射前と同程度となった。

本発明の評価方法は、皮膚の層構造の解析や、ＵＶ照射、乾燥、加湿、化粧品や薬剤の適用等が皮膚に及ぼす影響の評価等の分野で有用となる。

ＯＣＴ計測の干渉信号を明度に変換することにより得た画像から表皮領域を求める方法の説明図である。干渉信号のプロファイルである。干渉信号のプロファイルである。表皮と真皮との境界をトレースした線の形状と皮溝とのパターンの説明図である。ＯＣＴ計測値のイメージングにより得た画像である（実施例１）。共焦点レーザー顕微鏡を用いて撮った、皮膚の水平断面の画像である（実施例１）。皮膚の表皮厚（垂直幅、曲線幅）の計測方法の説明図である（実施例２）。測定部位の説明図である（実施例３）。各測定部の角層厚を示した図である（実施例３）。各測定部の表皮厚を示した図である（実施例３）。年齢と頬の表皮厚との関係図である（実施例３）。年齢と上腕内側の表皮厚との関係図である（実施例３）。紫外線照射後の表皮厚の経日変化を表した図である（実施例４）。ＯＣＴの測定原理の説明図である。干渉信号のプロファイルの説明図である。ＯＣＴ計測による、ヒトの皮膚の光学厚みと干渉信号の強度（反射率）のプロファイルである。皮膚（頬）のＯＣＴ像である。皮膚（手の平）のＯＣＴ像である。

符号の説明

１計測装置
２低干渉性光源
３光ファイバー
４カプラー
５プローブ
６プローブ
７参照鏡
８分析器
Ａ1 皮膚表面
Ａ2 中間明度領域
Ａ3 暗領域
Ａ4 明領域
Ａ5 中間明度領域
Ａ6 暗領域
Ａ7 明領域
Ａ8 暗領域
Ｓ試料
Ｓ-1 光散乱強度の低い層
Ｓ-2 光散乱強度の高い層
ｚ試料の深さ方向

Claims

皮膚の所定範囲を光干渉断層撮影法で計測し、その干渉信号の光学厚みと強度のプロファイルの干渉信号強度を明度に変換することにより計測データを画像化し、得られた画像から皮膚の層構造を解析する方法であって、
前記画像において、角層よりも深部領域で深さ方向に、干渉信号プロファイルが単調に減衰する中間明度領域、干渉信号プロファイルがフラットとなる暗領域及び明領域が順次観察される場合に、皮膚表面から暗領域の手前までを表皮とする皮膚の層構造の解析方法。
皮膚表面近傍で深さ方向に、前記中間明度領域、暗領域、明領域が順次観察される場合に、皮膚表面から明領域の手前までを角層とし、角層よりも深部領域で深さ方向に中間明度領域、暗領域及び明領域が順次観察される場合の前記皮膚表面から暗領域の手前までの表皮とする領域で干渉信号強度が単調に減衰している請求項１記載の解析方法。
所定の処置の適用前及び適用後の皮膚の所定範囲を光干渉断層撮影法で計測する請求項１記載の解析方法。
複数の健常人について、請求項１記載の解析方法で求めた表皮厚と年齢とを関係づけたデータベースを構築し、任意の被験者について、請求項１記載の解析方法で表皮厚を求め、前記データベースに基づいて該被験者の表皮厚に対応する肌年齢を求める方法。