JP7081576B2 - 皮膚組織における色素濃度の推定方法 - Google Patents
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Description
皮膚組織の層状モデルに対して光伝搬のシミュレーションを行うことにより皮膚組織の分光反射率Rs(λ)を算出し、
一方、皮膚組織の吸光度を、皮膚組織の層状モデルの色素含有層内の色素による吸収係数の多項式で表した吸光度関数Z(λ)を設定し、
吸光度関数Z(λ)を分光反射率Rs(λ)に、吸光度スペクトル又は反射率スペクトルとしてフィッティングすることにより吸光度関数Z(λ)の各項の係数を定め、
被験者の皮膚の分光反射率Rm(λ)を測定し、
分光反射率Rm(λ)と係数を定めた吸光度関数Z(λ)とを、吸光度スペクトル又は反射率スペクトルとして比較することで、層状モデルの所定の色素含有層に対応した深さの層の色素濃度を推定する方法を提供する。
(色素濃度の推定方法の概要)
図1は、本発明の一態様の色素濃度の推定方法のフローの説明図である。この方法では、概略、皮膚組織に所定の層数で層状モデルを設定し(STEP 1-1)、皮膚の吸光度スペクトルが、層状モデルにおける複数の色素含有層(即ち、層状モデルを構成する層であって色素が含有されている層)の吸収係数の多項式で表されるとして吸光度関数Z(λ)を設定する(STEP 1-2)。そして、その多項式の係数を求めるために、まず、皮膚組織に対して種々の色素濃度で光伝搬のシミュレーションを行うことにより皮膚組織の分光反射率Rs(λ)を算出する(STEP 1-3)。次に、分光反射率Rs(λ)を吸光度As(λ)に変換し、その吸光度As(λ)に吸光度関数Z(λ)をフィッティングさせることにより吸光度関数Z(λ)の多項式の係数を求める(STEP 1-4)。
一方、被験者の皮膚の分光反射率Rm(λ)を測定する(STEP 2-1)。そして、分光反射率Rm(λ)を吸光度Am(λ)に変換し、その吸光度Am(λ)と、係数を定めた吸光度関数Z(λ)とを比較することで、吸光度関数Z(λ)から所定の色素含有層の色素濃度を求める(STEP 2-2)。こうして求めた色素濃度を、層状モデルの所定の色素含有層に対応する深さの、被験者の皮膚組織の色素濃度と推定する。
図2に示すように、皮膚組織は複雑な層構造になっていることが知られており、同図に示すように皮膚組織を第1層の上皮角質層、第2層の表皮層、第3層の真皮乳頭層、第4層の乳頭下血管網、第5層の真皮血管層、第6層の皮下血管網、第7層の皮下組織の7層に区分した7層モデル、これを更に細分化した9層モデル、あるいは反対に皮膚組織を表皮、真皮、皮下組織の3層に区分した3層モデルなどが皮膚組織の解析の目的などに応じて使用されている。たとえば、7層モデルでは、第2層の表皮層にはメラニン、カロチン等の色素、第4層の乳頭下血管網と第6層の皮下血管網には血液由来のオキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビン、ビリルビン、カロチン等の色素、第7層には皮下脂肪組織に沈着したカロチン等の色素が存在し得る。そこで、本発明の一態様としてはこれらの色素の皮膚の深さ方向の存在位置を正確に特定すると共に、光伝搬のシミュレーションをできる限り簡単にする点から7層モデルを採用し、皮膚組織における典型的な色素分布の例として、第2層の表皮層のメラニンと、第4層の乳頭下血管網及び第6層の皮下血管網のオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンを考える。
吸光度関数Z(λ)は、皮膚組織の層状モデルの色素含有層ごとに色素の種類と濃度を推定するために本発明者が設定した関数であって、皮膚の吸光度スペクトルが、色素含有層内の色素による吸収係数の多項式で表されるとしたものである。この多項式は色素含有層ごとの吸収係数の多項式としてもよく、各色素含有層に含まれる色素ごとの吸収係数の多項式としてもよい。例えば、第2層の表皮層にメラニンが存在し、第4層の乳頭下血管網と第6層の皮下血管網にオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンが存在するとして色素含有層ごとの吸収係数の3次の多項式を考える場合、吸光度関数Z(λ)は次式(1)で表される。
式(1)
また、Melはメラニンによる第2層の吸収係数、Der4(λ)はオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンによる第4層の吸収係数、Der6(λ)はオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンによる第6層の吸収係数で、それぞれ次式で表される。
Mel=μaM・[Mel]
Der4(λ)=μaOhb・[Ohb4]+μaHb・[Hb4]
Der6(λ)=μaOhb・[Ohb6]+μaHb・[Hb6]
式中、μaMはメラニンの吸光係数
μaOhbはオキシヘモグロビンの吸光係数
μaHbはデオキシヘモグロビンの吸光係数
[Mel]はメラニンの濃度(g/L)
[Ohb4]は第4層におけるオキシヘモグロビン濃度(g/L)
[Hb4]は第4層におけるデオキシヘモグロビン濃度(g/L)
[Ohb6]は第6層におけるオキシヘモグロビン濃度(g/L)
[Hb6]は第6層におけるデオキシヘモグロビン濃度(g/L)
μaM、μaOhb、μaHbは既知の数値を使用する。
また、吸光度関数Z(λ)を分光反射率Rs(λ)とフィッティングさせるにあたり、[Mel]、[Ohb4]、[Hb4]、[Ohb6]、[Hb6]には設定値を使用する。
皮膚組織の分光反射率Rs(λ)は、種々の色素濃度で光伝搬のシミュレーションを行うことにより算出する。光伝搬のシミュレーションの手法としては、モンテカルロ法、クベルカムンク法、光伝搬の解析的手法(輸送方程式の解析解や拡散近似の解析解)等を使用することができる。
一般に拡散反射スペクトルA(λ)は透過スペクトルR(λ)と等価であるとされ、拡散反射スペクトルと吸光度スペクトルは次式により変換できる。
A(λ)=-logR(λ)
そこで、図3に示した分光反射率Rs(λ)のスペクトルから図4に示した吸光度スペクトルAs(λ)を得ることができる。
被験者の皮膚の分光反射率Rm(λ)の測定は、分光カメラを用いて行うことができる。分光カメラの波長分解能は1~10nm、空間分解能は0.01~0.5mm/画素が好ましい。また、照明光は可視から近赤外(950nm程度まで)を含む光源が好ましく、例えば、人工太陽灯を使用することができる。
(STEP 1-4)で係数を求めた吸光度関数Z(λ)と、(STEP 2-1)で求めた被験者の分光反射率Rm(λ)を変換して得られる吸光度スペクトルAm(λ)とを比較することにより、あるいは、吸光度関数Z(λ)を変換して得られる反射率の関数と被験者の分光反射率Rm(λ)とを比較することにより、吸光度関数Z(λ)が吸光度スペクトルAm(λ)と等価となるときの吸光度関数Z(λ)中の色素含有層の濃度を求める。この場合も、推定精度を向上させる点及び計算が簡易になる点から吸光度関数Z(λ)と吸光度スペクトルAm(λ)を比較することが好ましい。また、好ましくは4バンド以上、より好ましくは6バンド以上で比較することが好ましい。
皮膚組織に対して種々の色素濃度で光伝搬のシミュレーションを行うことにより算出した分光反射率Rs(λ)を変換して得られる吸光度スペクトルAs(λ)には図4に示したようにスペクトルの形状にばらつきの幅が存在する。これに対し、本発明者はこれらのスペクトルを、スペクトル相互の相対スペクトルとするとばらつきの幅が収束すると予想し、次式(2a)で表される平均スペクトルを基準スペクトルとし、
相対吸光度=As(λ)-As_av
を求めることにより図5に示した相対吸収スペクトルを得た。
相対吸光度=Am(λ)-Am_av
と相対吸光度関数Z'(λ)とを比較すればよい。
このように相対吸光度を用いることにより、色素濃度の推定精度を更に向上させることができる。
(1)吸光度関数Z(λ)の取得
表1に示したパラメータで波長を400~900nmの範囲で10nm毎に変化させてシミュレーションすることにより得た分光反射率Rs(λ)を吸光度スペクトルAs(λ)に変換し、その吸光度スペクトルAs(λ)に式(1)の吸光度関数Z(λ)をフィッティングさせることにより吸光度関数Z(λ)の係数c1、・・・c20を定め、係数c1、・・・c20が定まった吸光度関数Z(λ)を得た。
分光反射率Rm(λ)を測定する皮膚の測定部位を前腕の背側とし、手及び前腕を温浴又は炭酸浴中に浸漬し、その後放置した。図6に示すタイミングで分光反射率Rm(λ)を6回測定した。
また、温浴後の第2層のメラニン濃度、第4層の血液濃度及び第6層の血液濃度の経時変化を図9に示し、炭酸浴後の第2層のメラニン濃度、第4層の血液濃度及び第6層の血液濃度の経時変化を図10に示す。図9及び図10において縦軸は体積分率である。
Claims (5)
- 皮膚組織を形成する所定の深さの層における色素濃度の推定方法であって、
皮膚組織の層状モデルに対して色素濃度を変えて光伝搬のシミュレーションを行うことにより色素濃度が異なる複数の分光反射率Rs(λ)を算出し、
色素濃度が異なる複数の分光反射率Rs(λ)から、分光反射率の平均スペクトルRs_ av 又は吸光度の平均スペクトルAs_ av を求め、一方、皮膚組織の吸光度を、皮膚組織の層状モデルの色素含有層内の色素による吸収係数の多項式で表した吸光度関数Z(λ)を設定し、
吸光度関数Z(λ)を、吸光度の相対スペクトル又は反射率の相対スペクトルとフィッティングすることにより、吸光度関数Z(λ)の各項の係数を定めた相対吸光度関数Z’(λ)を得、ここで吸光度の相対スペクトルは吸光度スペクトルから吸光度の平均スペクトルAs_ av を差し引いたものであり、反射率の相対スペクトルは分光反射率Rs(λ)から分光反射率の平均スペクトルRs_ av を差し引いたものであり、
被験者の皮膚の分光反射率Rm(λ)を測定し、
分光反射率Rm(λ)と相対吸光度関数Z’(λ)とを、吸光度スペクトル又は反射率スペクトルとして比較することで、層状モデルの所定の色素含有層に対応した深さの層の色素濃度を推定する方法。 - 被験者の分光反射率Rm(λ)と相対吸光度関数Z’(λ)とを比較する場合に、被験者の分光反射率Rm(λ)を吸光度スペクトルAm(λ)に変換し、被験者の吸光度スペクトルAm(λ)の平均スペクトルAm_ av を求め、被験者の吸光度スペクトルAm(λ)から平均スペクトルをAm_ av を差し引いた被験者の相対吸光度と相対吸光度関数Z’(λ)とを比較する請求項1記載の推定方法。
- 皮膚組織の層状モデルとして、メラニンを含む一つの層と、ヘモグロビンを含む深さの異なる2つの層を含む層状モデルを使用し、光伝搬のシミュレーションにおいてメラニンと深さの異なるヘモグロビンの色素濃度を変える請求項1又は2記載の推定方法。
- 皮膚組織の層状モデルを、第1層:上皮角質層、第2層:表皮層、第3層:真皮乳頭層、第4層:乳頭下血管網、第5層:真皮網状層、第6層:皮下血管網、第7層:皮下組織の7層モデルとし、光伝搬のシミュレーションにおいて、光学パラメータのうち屈折率、散乱係数、非等方性パラメータをそれぞれ第1層~第7層で共通の一定値とし、第1層~第7層の層厚を固定し、第2層にメラニンが含まれ、第4層と第6層にオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンが含まれるとして、第2層のメラニン濃度、第4層のオキシヘモグロビン濃度とデオキシヘモグロビン濃度、第6層のオキシヘモグロビン濃度とデオキシヘモグロビン濃度を変化させ、第4層と第6層の酸素飽和度を一定値に設定する請求項1~3のいずれかに記載の推定方法。
- 吸光度関数Z(λ)を第2層のメラニンの吸収係数と第4層のヘモグロビンの吸収係数と第6層のヘモグロビンの吸収係数の3次の多項式とする請求項4記載の推定方法。
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赤穂莉奈,廣瀬未紗,福西宗憲,津村徳道,5バンド皮膚画像からの非線形5成分推定手法の提案と精度検証,電気学会研究会資料,2016年09月26日 |
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