专利名称：皮肤表面状态的光学特性测定方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过计算从皮肤表面到微循环系统受到血红朊、黑色素等影响范围的光学特性测定皮肤表面状态的方法。
现有的测定皮肤色素沉着、色泽灰暗等评价方法。是使特定波长的光入射到皮肤表面上，计算接收到的该反射光特定波长中的皮肤反射率借此评价红斑和色素沉着的方法是公知的(特开昭58-33153号公报)。另外，为了测定皮肤的色素沉着而通过计算在特定的两个波长下的皮肤反射率的比值计算出关于黑色素含量和血红朊含量等指数的方法也是公知的(特开平5-16160号公报)。
另外，作为不受血液影响的表皮色相测定方法，通常是吸引皮肤表面将部分拉起，使白光射入到该拉起部分然后计算出表皮透射光的分光谱的方法也是公知的(特开平5-87730号公报)。
可是，利用上述测定皮肤的反射光测定方法，由于在接收光中除了含有皮肤内部的散射光之外还会有许多其它表面散射光，所以在接收光的光路长度上的色散增加，引起不能正确分析的问题。
另外在检测表皮透射光的方法中存在由于排除血液对检测结果的影响而不能评价受血液循环影响的皮肤表面的色度程度的问题。
本发明的目的是解决已有技中的问题，正确地评价血液微循环状态和由于黑色素沉着引起的有关色泽灰暗、黑影等皮肤的光学特性。
本发明人发现通过把从皮肤表面到微循环系统的范围作为测定对象，检测皮肤内部散射光可以达到上述目的，从而完成了本发明。
也就是说，本发明提供一种特征为使光入射到皮肤上、检测从皮肤表面到微循环系统范围的内部散射光然后计算光学特性的皮肤表面状态的光学特性测定方法。
特别是用在波长400～1500nm的范围内互相不同的三个以上波长范围的光入射并且检测，或者用分别属于波长400～500nm，波长500～600nm和波长600-800nm波长范围的三个波长范围的光入射并且检测，借此计算光学特性，从而提供一种皮肤表面状态的测定方法。
另外，作为实施这些方法的装置，本发明提供一种包括使确定波长范围的光入射在皮肤上的光发射单元、接收从光发射单元入射到皮肤并接收内部散射光的光接收单元和根据由光接收单元接收的光的波长和光通量计算从皮肤表面到微循环系统范围的皮肤光学特性的计算单元并且使与皮肤相对的光发射单元和光接收单元的表面被高度为0.2～0.8mm的周壁围住的皮肤表面状态测定装置。
按照本发明，由于检测从皮肤表面到微循环系统范围的内部散射光，所以可以正确地检测到在皮肤的角质层中存在的并且作为皮肤色素沉着原因的黑色素和在微循环系统内的血红朊。从而可以正确评价反应皮肤色泽灰暗和血流循环的皮肤表面色度情况等皮肤表面状态。
另外，按照本发明，由于不是检测表面散射光，而是检测内部散射光，所以检测光的光路长度的偏差较小，从而使S/N比提高。
另外，在本发明中，所谓皮肤的微循环系统是毛细血管与组织间的边界范围的血流系统，对于全吸光度(组织的吸光度，毛细血管的静脉血吸光度和伴随脉动的动脉血的吸光度的总合)，伴随脉动吸光度成分称为5％以下的最小血流系统。
如本发明所述，如果把伴随脉动吸光度成分为5％以下的微循环系统作为检测对象，则可以评价受血液循环影响的皮肤表面色度的情况。对此，如果不是把位于对皮肤色泽有影响的非常浅部的血流作为检测对象，而是把伴随脉动吸光度成分(动脉血)作为主要检测对象，则因为只能检测出深部血液的光学特性，所以不能测定受血液循环影响的皮肤颜色。
图1是本发明方法测定原理的说明图。
图2是氧化型血红朊(HbO2)和还原型血红朊(Hb)的吸收谱图。
图3是皮肤色病患的色分光特性图。
图4是本发明装置实例的概略构成图[图(a)]及其发射/接收光探测器的底面图(图(b)]图5是与本发明不同装置实例的使用状态的说明图。
图6是在实施例中的亮度指数L*与黑色素指数的关系图。
图7是比较例中的亮度指数L*与黑色素指数的关系图。
图8是压住时间与总的血红朊浓度或氧化饱和度的关系图。
图9是靠人感官评价伤纹与实施例的皮肤色指数的关系图。
下面结合图面详细说明本发明的方法及其装置，在各图中凡同一符号表示相同的构成部件。
图1是本发明方法测定原理的说明图。在该图中当光LO从发光单元1入射到皮肤S上时，便分成入射光LO表面散射光LS和入射在皮肤S内部的光，射入皮肤内部的光分成透过真皮方向的光Lt、吸收的光La和内部散射光从皮肤表面射出的光Li。如果入射到皮肤S上的光LO是可见光，则由于真皮以下的组织的透射光Lt很少，所以透射光Lt与表面散射光LS，内部散射光Li和吸收光La的光量相比可以略去不计。因此[数1]可以近似表示为入射光量＝表面散射光光量＋内部散射光光量＋吸收光光量。
因为随着皮肤内部的色素吸收波长和色素浓度波长分布及光量分别对应变化，所以可以认为内部散射光和吸收光具有根据皮肤内部色素变化的信息。
因此，在上述的公式中可以略去表面散射光或者作为噪声处理，以便可以使测定系统在吸收、入射光光量和内部散射光上适用Lamber-beer定律，可以用下式表示[数2]log(Io/Is)＝εCl(式中Io入射光光量，Is内部散射光光量，ε色素的吸光系数，C色素浓度，I光路长度)可是，作为影响内部散射光的皮肤内部的色素，例如可以举出主要存在于表皮中的黑色素，存在于真皮中的血红朊，其中血红朊包括氧化型(HbO2)和还原型(Hb)。因此，这些色素具有图2所示的固有吸收谱。另外皮肤的细胞组织对内部散射光的影响可以略去不计。
因此，通过检测皮肤内部的散射光可以计算出皮肤内部的血红朊、黑色素等色素的浓度例如在图2中，由于在565nm(G(绿))和波长830nm(IR(红外))的波长下，氧化型血红朊与还原型血红朊的吸光系数相等，所以可以简化根据检测光的吸光度求解浓度的计算。另外，根据氧化型血红阮(HbO2)与还原型血红朊(Hb)在波长660nm(R(红))下的吸光系数的比率最大，通过与在上述氧化型血红朊与还原型血红朊的吸光系数相等的波长(565nm，830nm)下的吸光度的比较可以计算出血红朊的氧饱和度。因此，设波长565nm(G(绿))，830nm(IR(红外))，660nm(R(红))三个波长下的吸光度分别为AG，AIR、AR，考虑对这三个波长吸光度的各个色素的关系可以计算出各个色素的浓度。
在这种情况下，黑色素，血红朊分别存在于表皮和真皮中，表皮的厚度为dD，真皮的厚度为dE。设dD＝KdE.(式中K为系数)另外，由于波长G(绿)，IR(红外)，R(红)的透过深度不同，所以可以将[数4]表示为d(R)＝m·d(G)，d(IR)＝n·d(G)在用下标D表示真皮，下标E表示表皮时这些关系也成立。
因此上述三个吸收光度AG，AIR，AR分别用如下的(1)～(3)式表示。式中εX(Y)表示在波长为Y时的X吸光系数，GX表示X的浓度。因为dD(G)＝K·dE(G)所以AG＝AHBO2(G)+AHb(G)+AM(G)＝εHbO2(G)·CHbO2·dD(G)+εHb(G)·CHb·dD(G)+εM(G)·CM·dE(G)＝εHbO2(G)·(CHBO2+CHb·K·dE(G)+εM(G)·CM·dE(G)＝(K·εHbO2(G)·CTHB+εM(G)·CM)·dE(G)(1)[数6]因为dE(R)＝n·dE(G)、dD(R)＝K·n·dE(G)所以AR＝AHbO2(R)+AHb(R)+AM(R)＝εHbO2(R)·CHbO2·dD(R)+εHb(R)·CHb·dD(R)+εM(R)·CM·dE(R)＝εHbO2(R)·(CHBO2+CHb·K·n·dE(G)+εM(R)·CM·n·dE(G)＝(K·n·εHbO2(R)·CTHB+n·εM(R)·CM)·dE(G)
(2)[数7]因为dE(R)＝m·dE(G)、dD(R)＝K·m·dE(G)所以AR＝AHbO2(R)+AHb(R)+AM(R)＝εHbO2(R)·CHbO2·dD(R)+εHb(R)·CHb·dD(R)+εM(R)·CM·dE(R)＝εHbO2(R)·CHbO2·K·m·dE(G)+εHb(R)·CHb·K·m·dE(G)+εM(R)·CM·m·dE(G)＝(K·m·εHbO2(R)·CHbO2+K·m·εHb(R)·CHb+m·εM(R)·CM)·dE(G)(3)因此，根据式(1)～(3)，可以将氧化型血红朊浓度CHbO2，还原型血红朊浓度(Hb，黑色素浓度CM表示成下式(4)～(6)
数8
数9
数10CM·d=1/n·ϵHbO2(G)·AIR-ϵHbO2(IR)·AG(ϵHbO2(G)·ϵM(IR)-ϵHbO2(IR)·ϵM(G))=195/n-AIR-3.77AG554000-----(6)]]>因此，通过计算出吸光度AG、AR、AR，可以计算出氧化型血红朊浓度CHbO2，还原型血红朊浓度CHb，黑色素浓度CM。
按照上述的本发明，通过计算出血流中的氧化型血红朊浓度CHbO2，还原型血红朊浓度CHb和氧化型浓度CHbO2与还原型血红朊浓度CHb的比率，可以比较详细地评价血流对皮肤表面颜色的影响。因此氧化型血红朊(HbO2)浓度与还原型血红朊(Hb)浓度的比率是氧饱和度，即血红朊正在与氧结合的比例。另外，还可以正确评价黑色素沉着的状态。
图3是用专门的仪器板通过目视将被检验者(年龄20～50岁，30名)的皮肤表面分为有色泽灰暗(N＝17)和无色泽灰暗(N＝14)两类，并且将色泽灰暗有无(即有无表面颜色病患)与被检验者的皮肤吸光度的分光特性汇总后的表面病患的色分光特性图。如该图中所示，根据在波长500～600nm(R)附近的吸收峰的大小可以明显地区分出皮肤色病患评价结果。据此认为血液中总的血红朊多的人血液流动好，出现红的健康肤色，总血红朊少的人血液流动不良出现青的肤色。
因此，按照本发明可以利用作为比较简便的评价指数的“肤色指数”评价与血红朊相关连的肤色合适程度。即肤色指数相当图3中的斜线面积，用下式表示。肤色指数＝1/2×(B的吸光度(470nm)+G的吸光度(565nm))×(565-470)+1/2×(G的吸光度(565nm)+R的吸光度(660nm)×660-565)-1/2×(B的吸光度(470nm)+R的吸光度(660nm))×(660-470)＝95/2×(B的吸光度(470nm)-2×G的吸光度(565nm)+R的吸光度(660nm))。
用这个肤色指数评价皮肤色度的合适程度也包含在本发明中。
虽然上面叙述的是利用三个波长接收皮肤内部散射光的评价方法，但是，这不是对本发明的限定。检测的波长可以根据光源、光接收传感器等适当设定。例如可以使用波长为400～1500nm的任意波长，另外，也可以使用包含氧化型血红朊和还原型血红朊的吸光系数相等且波长为400～500nm的B范围的波长，氧化型血红朊和还原型血红朊的灵敏度最大为500～600nm的G范围的波长、含有使氧化型血红朊和还原型血红朊的吸光系数相等的波长的600～800nm范围的波长、波长为800～1500nm的IR范围的波长中任何一个范围内的波长。
例如在检测波长对三种色素有贡献的情况下，最好从上述各波长范围中适当选择出3个以上波长。
图4是通过检测从皮肤表面到微循环系统范围的内部散射光计算出光学特性的本发明装置例子的概略构成图(图4(a))及其发射/接收光探测头的底面图(图4(b))。
图4中所示的装置包括由与皮肤紧密接触发射确定波长的光的光发射单元1和接收从光发射单元1入射到皮肤S上所产生的内部散射光的光接收单元组成一体的发射/接收探测头3、放大被光接收单元2接收的检测信号的放大器4和根据检测出的光的波长和光量计算出该皮肤S的光学特性的计算机5。该装置的光发射/光接收探测头3的特征为光发射单元1上与皮肤相对的一面1a和光接收单元2上与皮肤S相对的一面2a被作为发射/接收探测头3的外筒延长形成的高度为02～0.8mm的周壁所包围。因此，如果采用这个装置，则将如下述那样，在测定时，即使光发射/光接收探测头3的周壁3a的边缘3b紧密接触在皮肤S上，皮肤S的测定部位在光发射单元1和光接收单元2的压迫下也不会使该部位的微循环系统的血液排开，从而可以防止在测定时由血红朊引起吸收的降低。与此相反如图5所示，如果光发射单元1上与皮肤1相对的那一面1a和光接收单元2上与皮肤S相对的那一面2a与光发射/光接收探测头3的外筒边缘3b形成在同一平面上，则在光发射/光接收探测头3与皮肤紧密接触时使测定部位的皮肤S受压迫，使该部位的微循环系统的血液排开，不可能正确测定皮肤的未来状态，这是不可取的。
在图4的装置中，发光单元1由4种发光波长的发光二极管(B(470nm)，G(565nm)，R(660nm)，IR(830nm)组成，这些发光二极管在发光单元2的周围配置成同心圆状。为了减少光发射方向的误差，每种颜色的发光二极管最好设置2个以上。
接收单元2由光电二极管组成，虽然在图4中的光接收单元2是由单一的光电二极管组成，但是为了提高检测精度，可以根据需要使用若干个光电二极管。
另外，这些光发射单元1与光接收单元2各自的中心距离L通常为1～3mm，以便使测定对象范围能从皮肤表面到微循环系统。
利用这个装置测定皮肤S的光学特性时，使光发射/光接收探测头3的外筒边缘3b与皮肤S紧密接触，使在光发射/光接收探测头3的内侧形成的与发光单元1相对的面1a和与光接收单元2相对的面2a与皮肤S接触，这样可通过其一个面1a与皮肤接触的发光单元1向皮肤S发射光，可以防止发射到皮肤上的光在受到皮肤表面凹凸的散射后被光接收单元2接收，另外，可以使从光发射单元1入射到皮肤S内部的入射光量增加，还可以降低由于入射光角度引起的入射光量的偏差。另外，通过使光接收单元2的表面2a与皮肤S接触可以防止皮肤表面的散射光被接收。因此，如果采用这个装置，则因为在从发光单元1入射到皮肤S的光中，不会接收皮肤表面的散射光，只能接收内部的散射光，所以在根据从皮肤表面到微循环系统范围内的黑色素和血红朊等含量检测确定波长的光量时，可以提高S/N。
另外，如上所述，在测定时使光发射/光接收探测头3的边缘3b紧密接触在皮肤S上的情况下，因为光发射单元1上与皮肤S相对的那一面1a和光接收单元2上与皮肤S相对的那一面2a被光发射/光接收探测头3的周壁3a包围，周壁3a的厚度3b为02～0.8mm，所以皮肤S的测定部位在受到光发射单元1和光接收单元2的压迫下不会排开该部位的微循环血液，从而可以正确地测定反映受微循环系统影响的皮肤S的光学特性。
下面根据实施例具体说明本发明。
比较例1，实施例1使用立即引起皮肤黑化的UVB(波长290～320nm)照射前腕内侧并分6个等级改变照射量进行诱发色素沉着(利用分光型色差计(ミノルタ公司制，CM-1000)，获得的亮度指数测色值L*＝62.383，61.348，61.05，58.853，57.183，56.892)，按各照射量等级进行测定，然后求出黑色素指数。
这时在比较例1中，利用MEXAMETER MX-16 Courage&Knazaka公司制造的接收反射光的测定仪器，用发光二极管LED作为光源将波长为568nm，660nm，880nm的各波长的光以非接触的方式入射到皮肤上，光接收单元同时检测由发光单元入射到受检体上的光的表面反射光和内部散射光。
另外，作为实施例1的测定仪器，采用图4中所示的装置，例如在这种情况下，设从光发射单元1发射的光是波长为G(660nm)和R(830nm)的光。
另外黑色素指数根据用MX-16的黑色素的计算方法按下式计算出。黑色素指数＝Log5×[Log(R/G)+Log5]×500(式中R和G分别为接收的光波长G(660nm)和R(830nm)的光强度。)这些结果示在图6(实施例1)和图7(比较例1)中。
无论在图6还是在图7中，虽然UVB的照射量越大，色素沉着越多，利用分光型测色仪的亮度测色值L*变小，但是从图中可看出，图6中所示用实施例1检测内部散射光的结果是相关系数R明显变大，一次回归式的斜率变大。因此，可以看出，检测内部散射光的实施例1的测定比检测表面反射光的比较例1的测定具有更高的精度和灵敏度。
实施例2研究在最大血压(220mmHg)以上压迫上腕时的压迫时间与血液状态的变化关系。
在这种情况下，把560nm，660nm，830nm的3个波长作为检测波长，根据式(4)和(5)计算出氧化血红朊浓度和还原血红朊浓度，再求出总的血红朊浓度和血红朊的氧饱含度。
关于光达到的深度系数，在本例中取m＝1.7，n＝3.2(这些值随着部位、个人的不同而变化，在本例中不是对这个值的限定)。另外，用分光型色差计(ミノルタ社制CM-1000)测定亮度L*。这个结果示在图8和表1中。在图8中，横轴表示压迫时间纵轴表示总的血红朊浓度和血红朊的氧饱和度，它们分别表示压迫开始时间选为1时的相对值。
表1压迫时间(分) 亮度L*061.9161.4261.0360.7
从图8中可以看出，与总的血红朊浓度随时间变化较少的情况相反，氧饱含浓度随时间降低很多。这是由于当动脉和静脉两个血流停止，在血流量不变的状态下消耗氧的结果。这时可以观察到肤色亮度也明显降低。因此，显然，为详细评价在皮肤微循环下的血液状态对肤色的贡献，不但要测量总的血红朊的浓度，还要求出氧饱和度。
在检测波长为2个波长的情况下，虽然通过利用氧化型血红朊与还原型血红阮的吸光系数相等的血红朊的吸收点可以求出总的血红朊浓度，但是氧饱和浓度在理论上不能参照等吸收点以外的波长吸收光度计算出。为此，在求氧饱和度的情况下，象上述实施例那样应至少把3个以上波长作为检测波长。
实施例3根据B(400～500nm)，G(500～600nm)，R(600～800nm)三种波长的内部散射光的吸光度求出作为被检验者为20岁-70岁的女性103名的面颊肤色指数。另外通过9名专业评审员对这些受试者的肤色状态进行1(不良)～9(良好)9个等级的人为感官检查，将感官检查结果与肤色指数的关系绘成曲线，其结果示在图9中。
从图9中可以看出，本发明的肤色指数与由专业译审人员的感管评价结良好的相符。
按照本发明，可以对受血液循环影响的皮肤肤色适合程度，斑点和光泽暗淡等光学特性进行良好的评价。
权利要求
1.一种皮肤表面状态的光学特性测定方法，其特征在于使光入射在皮肤上，通过检测从皮肤表面到微循环系统范围内的内部散射光计算出光学特性。
2.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于使光发射单元与皮肤接触发出入射光，使光接收单元接触皮肤接收皮肤的内部散射光。
3.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于检测波长是400～1500nm的光。
4.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于检测波长为400～500nm的光。
5.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于检测波长当500～600nm的光。
6.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于检测波长为600～800nm的光。
7.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于检测波长为800～1500nm的光。
8.如权利要求3、4、5、6或7所述的测定方法，其特征在于通过检测3个以上波长范围的光，计算出与皮肤的血红朊含量有关光学的特性。
9.如权利要求3、4、5、6或7所述的测定方法，其特征在于通过检测3个以上波长范围的光，计算出与血红朊氧饱和度有关的光学特性。
10.如权利要求3、4、5、6或7所述的测定方法其特征在于、通过检测3个以上波长范围内的光，计算出与皮肤黑色素含量有关的光学特性。
11.如权利要求3、4、5、6或7所述的测定方法，其特征在于通过检测3个波长范围的光计算出皮肤的肤色指数。
12.一种实施权利要求1～11中任意一项方法的皮肤表面状态的测定装置，其特征在于包括使确定波长范围的光入射到皮肤上的发光单元，接收从发光单元入射到皮肤上的光的内部散射光的光接收单元，根据由光接收单元接收的光的波长和光量计算出从皮肤表面到微循环系统范围的皮肤光学特性的计算单元；该发光单元和光接收单元上与皮肤相对的那一面被高度为0.2～0.8mm的周壁包围。
13.如权利要求12所述的测定装置，其特征在于发光单元可以使3个以上波长范围的光入射。
全文摘要
本发明可以用于正确地评价受血液循环影响的皮肤肤色度合适程度,病患、光泽、灰暗等光学特性;方案是使光Lo入射在皮肤S上,检测从皮肤表面到微循环系统范围的内部散射光Li,计算出光学特性,借此测定皮肤表面状态。这时作为检测光最好使用波长为400～500nm,500～600nm、600～800nm、800～1500nm的三个以上波长范围的光。
文档编号A61B5/00GK1182572SQ9712279
公开日1998年5月27日 申请日期1997年10月25日 优先权日1996年10月25日
发明者风间治仁, 永义直, 矢田幸博 申请人:花王株式会社