JP3992838B2 - 表面状態解析方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の表面の状態を解析する表面状態解析方法および装置、特に、皮膚表面の色素沈着の度合いを数値的に解析する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
偏光板をかけたＣＣＤカメラで得られる色素沈着画像の画素ごとのＲ，Ｇ，ＢをＬ＊ ，ａ＊ ，ｂ＊ に変換して色素沈着度合いを数値化する方法（渋江ゆう子他、第７回色彩工学コンファレンス論文集、３−３，１９９０，ｐｐ．５５−５８）や、Ｇの値に着目して色素沈着の色の濃さを表現する方法（原憲子他、第３１回ＳＣＣＪ研究討論会講演要旨集、１９９１，ｐｐ．３６−４２）が報告されている。またＴＶカメラをとおして得られた原画像とそれを平滑化した画像の画素ごとの色差ｄＥの総平均値を用いた色素沈着の評価（舛田勇二他、粧技誌、２８，１９９４，ｐｐ．１４７−１５２）や色素沈着部の紫外画像に着目した数値化（新井清一他、粧技誌、２３，１９８９，ｐｐ．３１−４２）も試みられている。
【０００３】
また、本願出願人は、特開平７−１９８３９号公報において、主波長４００nm，５５０nm，７００nmの分光画像の２値画像の組み合わせから、皮膚表面から深さ方向に存在する場所が異なるメラニン像を抽出すると共に色素沈着部の色の濃さや色素沈着面積などを数値化している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記したいずれの方法も、色素沈着部の色の構成因子を明確に特定することなく当該画素の濃度を数値化し色素沈着部の色の濃さとしているが、本来的にはメラニンのみによる呈色画像を再構成し、数値化の対象とすべきである。
【０００５】
したがって本発明の目的は、色素沈着部の色の構成因子を特定してメラニンのみによる呈色画像を再構成することによって、皮膚表面の色素沈着の度合いをその構成因子との関連において数値的に解析することを可能にする方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば同一の対象物について複数の波長帯域の画像を生成することによって対象物の画像を構成する各画素について複数の波長帯域における画素の輝度を決定し、各画素について、該複数の波長帯域における画素の輝度から、対象物からの反射光のスペクトルに含まれる主成分の成分得点を計算し、各画素の成分得点を輝度で表現した画像を再構成する各ステップを具備する表面状態解析方法が提供される。
【０００７】
前記の方法は、前記再構成された画像内の特定の関心領域内での輝度の頻度分布から該頻度分布に含まれる主成分の成分得点を計算するステップをさらに具備することが好適である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本願発明者らは“粧技誌、１９９７，ｐｐ．４４−５１”において、多数の被験者の皮膚の分光反射率のデータに、多変量解析法の１つである「なまの平方和・積和行列」を用いた主成分分析を適用した結果得られる第１主成分の成分得点Ｍ１ が基底層周辺に存在するメラニンによる呈色度合いを、第２主成分の成分得点Ｍ２ が基底層より上層にあるメラニンによる呈色度合いを、それぞれ反映していることをあきらかにした。
【０００９】
すなわち、多数の被験者の皮膚の分光反射率Ｒ（λ）に関する「なまの平方和・積和行列」の固有ベクトルＶ₁ （λ），Ｖ₂ （λ），Ｖ₃ （λ）で任意の被験者の皮膚の分光反射率Ｒ（λ）を
Ｒ（λ）＝Ｍ₁ Ｖ₁ （λ）＋Ｍ₂ Ｖ₂ （λ）＋Ｍ₃ Ｖ₃ （λ） （１）
と表わすとき、Ｍ₁ は基底層周辺に存在するメラニンによる呈色の度合いを反映し、Ｍ₂ は基底層より上層にあるメラニンによる呈色度合いを反映していることが明らかになった。
【００１０】
本発明では、この手法を皮膚の画像を構成する画素の１つ１つに適用することによって、基底層およびその上層に存在するメラニンの二次元的な分布をまず明らかにする。すなわち、例えば前述の特開平７−１９８３９号公報に開示されたトリスペクトラルカメラを用いればλ＝４００nm，５５０nm，７００nmのときの反射光の画像を得ることができる。この画像を構成する各画素値から換算したＲ（λ）（λ＝４００，５５０，７００）の値と固有ベクトルＶ₁ （λ），Ｖ₂ （λ），Ｖ₃ （λ）のλ＝４００nm，５５０nm，７００nmの値を（１）式に代入して得られる３元連立方式を解けば、各画素ごとにＭ₁ ，Ｍ₂ の値を得ることができる。
【００１１】
最初に、固有ベクトルＶ₁ （λ），Ｖ₂ （λ），Ｖ₃ （λ）を決定するために、日立カラーアナライザー６０７で測定した白人７５人、黒人１２人、黄色人（日本ならびに東南アジア）６３人、計１５０人の女性（２０代〜５０代）の頬の分光反射率データから４００nm〜７００nm，１０nm間隔、３１波長点の分光反射率データをぬきだし波長間なまの平方和・積和行列の固有値と累積寄与率を計算した。得られた固有値と累積寄与率を表１に、固有ベクトルを図１に示す。表２には固有ベクトルの４００nm，５５０nm，７００nmの値を示す。
【００１２】
【表１】

【００１３】
【表２】

【００１４】
累積寄与率からみて、皮膚分光反射率Ｒ（λ）の大きさは、式（１）によってほぼ完全に記述できる。
従って、４００nm，５５０nm，７００nmの皮膚分光反射率が得られれば、連立方程式を解くことによってＭ₁ ，Ｍ₂ ，Ｍ₃ が算出できる。
試作したトリスペクトラルカメラで色素沈着部を撮影すると、主波長４００nm，５５０nm，７００nmの分光画像の個々の画素の輝度Ｉ₂ が得られる。
【００１５】
特開平７−１９８３９号公報に記載された輝度校正用タイルを用いて個々の画素の輝度Ｉ₂ を分光反射率Ｒ₂ に変換する方法を、主波長４００nmの場合を例に記す。事前に測定した輝度校正用タイルＧＲＡＹ ＮＯ．１０００，ＧＲＡＹ ＮＯ．３０００の分光反射率がそれぞれ７．４％，２７．０％であり、校正時の輝度がそれぞれ４０，２５０である場合、これらの値を用いて個々の画素の輝度Ｉ₂ と、分光反射率Ｒ₂ との関係を表す式（２）をつくる。
【００１６】
【数１】

【００１７】
Ｉ₂ ＝２５０，Ｒ₂ ＝２７．０を、式（２）に代入してαを求め、式（３）をつくる。以後、得られた分光画像の個々の画素の輝度Ｉ₂ を式（３）に代入し、画素ごとの分光反射率Ｒ₂ を求める。
【００１８】
【数２】

【００１９】
主波長５５０nm，７００nmの分光画像の個々の画素についても、同様にして変換式を求めた。ここで、主波長４００nm，５５０nm，７００nmの分光画像における個々の画素の分光反射率を、それぞれＲ₄₀₀ ，Ｒ₅₅₀ ，Ｒ₇₀₀ とし、この値を表２に示した４００nm，５５０nm，７００nmの固有ベクトルの値をもちいた式（４）に代入すると、当該画素のメラニンによる呈色に対応する成分得点Ｍ₁ ，Ｍ₂ を算出することができる。
【００２０】
Ｒ₄₀₀ ＝0.0806Ｍ₁ ＋0.1347Ｍ₂ ＋0.2897Ｍ₃
Ｒ₅₅₀ ＝0.1333Ｍ₁ ＋0.2054Ｍ₂ −0.2238Ｍ₃ （４）
Ｒ₇₀₀ ＝0.2757Ｍ₁ −0.3031Ｍ₂ −0.1417Ｍ₃
今回測定の対象とした１５０人の女性の皮膚分光反射率から得られたＭ₁ ，Ｍ₂ の最大値は、それぞれ２６５．３，２６．５、最小値は、９１．２，−１９．５であった。
【００２１】
Ｍ₁ に関する２６５．３〜９１．２の値を２５６階調にわけ、メラニンによる呈色を表わす数値とするとともに、画像によるビジュアル表示のための輝度とした。即ち、当該画素から得られたＭ₁ を式（５）に代入し、当該画素のＭ₁ に対応する輝度Ｉ_M1を求めた。
【００２２】
【数３】

【００２３】
同様に、Ｍ₂ を式（６）に代入し、当該画素のＭ₂ に対応する輝度Ｉ_M2を算出した。
【００２４】
【数４】

【００２５】
上記した処理を個々の画素ごとに行い、得られたＩ_M1から基底層周辺に存在するメラニンによる呈色度合いを反映したＭ₁ 画像を、Ｉ_M2から基底層より上層にあるメラニンによる呈色度合いを反映したＭ₂ 画像を再構成した。
例えばカラー写真にみられるやや青黒い色素沈着部が、Ｍ₁ 画像中にその存在が確認できるが、Ｍ₂ 画像ではその痕跡が見られない。これは、この色素沈着を形成するメラニンが皮膚表面から相対的に深いところにあるからと考えられる。
【００２６】
次に、呈色の度合いを数値化するため、撮影画像の任意の領域に関心領域を設定する。例えば、１９２×１９２画素からなる正方形を関心領域の大きさとする。以下、Ｍ₁ 画像から基底層周辺に存在するメラニンによる呈色の度合いを数値化する方法を記す。
Ｍ₁ の画像は、個々の画素に関する成分得点Ｍ₁ に対応する輝度Ｉ_M1を用いて作成しているので、呈色度合いを数値化するためのパラメーターとして、個々の画素の輝度Ｉ_M1を用いる。
【００２７】
分光光度計で肌の分光反射率を測定する場合は、積分球開口部に押し当てた肌の面積内の平均分光反射率を測定している。そこで、分光光度計による計測と同様に、関心領域内のすべての画素ｊ個の輝度Ｉ_M1,jの平均値を式（７）で算出して平均色素沈着濃度ｍ₁ とする。

この場合問題となるのは、メラニンによる平均色素沈着濃度ｍ₁ の値が同じでも、個々の輝度Ｉ_M1の頻度分布が異なるケースが存在することである。
【００２８】
そこで、輝度Ｉ_M1の頻度分布曲線の数値化を行い、メラニン濃度ｍ₁ と合わせて表示することでより精緻なメラニンによる呈色状態を表現する。以下、その方法を記す。
日本人女性（２０代〜５０代）の頬の色素沈着部を対象に撮影した３波長の分光画像２５０組の関心領域内の輝度Ｉ_M1を１０ランクにわけ、それぞれのランクごとの頻度の平均値を求めて平均頻度分布を書くと図２が得られる。なお、ランクわけの詳細は、表３に示す。
【００２９】
このようにランク分けすると、色素沈着が全体として薄ければ傾斜が大きい右上りの頻度分布曲線となり、色素沈着が全体として濃ければ左上りの曲線成分が強調されたかたちとなる。実際には、こうした大きな傾向の他に、中間濃度の反映もそのかたちの中に折り込まれ、最終的な頻度分布を形成する。
従って、図２の頻度分布のかたちを数値に置き換えることができれば、視覚的に捕らえられる色の濃さの構造を説明する数値が得られる。本願発明者らはこのような頻度分布曲線を数値化する方法を既に報告しているが（川口由起子、粧技認、２８，１９９４，ｐｐ．１５３−１６２）、ここでも同じ手法を数値化のための方法として採用した。即ち、得られた２５０組の色素沈着部を含む分光画像から再構成したメラニンによる呈色画像についての、図２に相当する輝度Ｉ_M1の頻度分布の頻度に関する頻度間なまの平方和・積和行列の固有値解析を行った。表３に輝度のランク分けと得られた固有値、固有ベクトルならびに累積寄与率を示す。
【００３０】
【表３】

【００３１】
第１主成分〜第５主成分を取り上げれば、画素ごとの輝度Ｉ_M1の頻度分布のかたちのほぼ１００％が説明できる。第１主成分はメラニンによる呈色が薄い部分の量的差異、第２主成分は濃い部分の量的差異、第３主成分は中位の呈色部分の量的差異にそれぞれ対応する。結果として、第１主成分〜第３主成分で頻度分布のかたちの９８％が表現できる。残る２％は、第４〜第５主成分にかかわる固有ベクトルに対応する頻度分布のかたちにみられる量的差異で説明される。
【００３２】
以後、上記した第１主成分〜第５主成分であらわされるメラニンによる呈色度合いを、その成分得点Ｚ_M11 ，Ｚ_M12 ，Ｚ_M13 ，Ｚ_M14 ，Ｚ_M15 で表す。得られたＺ_M11 ，Ｚ_M12 ，Ｚ_M13 ，Ｚ_M14 ，Ｚ_M15 が、０〜１００の間の値で表示できるようにダイナミックレンジの拡大を行う。表４に、第１主成分〜第５主成分の成分得点の最大値と最小値を示す。
【００３３】
【表４】

【００３４】
一般に、第ｉ主成分得点の最大値をＺ_M1i,max 、最小値をＺ_M1i,min とし、当該画像の成分得点をＺ_M1i とすると、ダイナミックレンジ拡大後の成分得点Ｚ_M1i,D は、式（８）から求まる。
【００３５】
【数５】

【００３６】
先に求めたｍ₁ と、第１主成分〜第５主成分に関するＺ_M1i,D をもちいて図３のプロファイルを描き、色素沈着状態を示す。図３は基底層周辺に存在するメラニンによる呈色に関するプロファイルを示している。
基底層より上層に存在するメラニンによる呈色についても、式（６）で得られる輝度Ｉ_M2を用いて、平均色素沈着濃度ｍ₂ ならびにプロファイル作成のためのＺ_M21,D ，Ｚ_M22,D ，Ｚ_M23,D ，Ｚ_M24,D ，Ｚ_M25,D を求めた。結果を図４に示す。表５に示すようにこの場合、第１主成分〜第５主成分で説明できる輝度Ｉ_M2の頻度分布のかたちは９９．９４％である。
【００３７】
Ｉ_M2の頻度分布の頻度間、なまの平方和・積和行列から得られた固有ベクトルを図５に示す。
【００３８】
【表５】

【００３９】
上記したように、存在する場所の相対的深さが異なるメラニンによる呈色画像の再構成表示、呈色の数値化ならびに色素沈着濃度状態のプロファイル化によって、色素沈着対応化粧品の有用性や、加齢にともなう色素沈着の増加を明らかにすることができる。
次に、人工光源で日焼けをおこさせた肌を対象にして、存在する相対的な深さが異なるメラニンによる呈色画像の再構成と色素沈着濃度の数値化を行い、色素沈着の回復評価に実用できるか否かを検証した。日焼けテストの実施条件を表６に示す。
【００４０】
【表６】

【００４１】
図６に、式（６）、式（７）から求めた値から構成した基底層周辺に存在するメラニンによる呈色のプロファイルを、図７に基底層より上層のメラニンによる呈色のプロファイルを示す。実線は日焼け前、点線は日焼け１週間後、１点鎖線は１ヶ月後の状態を説明する。
結果として、日焼け１週間後、１ヶ月後、日焼け前の順にメラニンによる呈色が減少している様子が画像に反映されている。また、数値化した指標を用いて作成したプロファイルにおいても、呈色の減少をみることができる。
【００４２】
このケースの場合は日焼けによる一過性の色素沈着であることから、基底層周辺に存在するメラニンも基底層より上層に存在するメラニンも共に減少している様子が画像と数値によって把握できることが必要となるが、結果はその要件を満たしている。
以上のことは、本願で提案した方法が色素沈着の回復評価に十分実用できることを示唆している。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、皮膚表面の色素沈着の度合いを、その構成因子との関連において数値的に解析することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】分光反射率データから計算される波長間なまの平方和・積和行列の固有ベクトルを表わす図である。
【図２】第１主成分の得点Ｍ₁ に対応する輝度Ｉ_M1の平均頻度分布を示すグラフである。
【図３】基底層周辺に存在するメラニンによる呈色のプロファイルを示す図である。
【図４】基底層より上層の存在するメラニンによる呈色のプロファイルを示す図である。
【図５】輝度Ｉ_M2の頻度分布から求めた固有ベクトルを示す図である。
【図６】基底層周辺に存在するメラニンによる呈色のプロファイルを示す図である。
【図７】基底層より上層に存在するメラニンによる呈色のプロファイルを示す図である。

Claims (3)

1. 同一の対象物について複数の波長帯域の画像を生成することによって対象物の画像を構成する各画素について複数の波長帯域における画素の輝度を決定し、
   各画素について、該複数の波長帯域における画素の輝度から、対象物からの反射光のスペクトルに含まれる主成分の成分得点を計算し、
   各画素の成分得点を輝度で表現した画像を再構成する各ステップを具備する美容のための皮膚の表面状態解析方法。
2. 前記再構成された画像内の特定の関心領域内での輝度の頻度分布から該頻度分布に含まれる主成分の成分得点を計算するステップをさらに具備する請求項１記載の方法。
3. 同一の対象物について複数の波長帯域の画像を生成することによって対象物の画像を構成する各画素について複数の波長帯域における画素の輝度を決定する手段と、
   各画素について、該複数の波長帯域における画素の輝度から、対象物からの反射光のスペクトルに含まれる主成分の成分得点を計算する手段と、
   各画素の成分得点を輝度で表現した画像を再構成する手段とを具備する表面状態解析装置。

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