JP2010051589A - Non-invasive human skin melanin measuring method, and instrument therefor - Google Patents

Non-invasive human skin melanin measuring method, and instrument therefor Download PDF

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JP2010051589A JP2008220313A JP2008220313A JP2010051589A JP 2010051589 A JP2010051589 A JP 2010051589A JP 2008220313 A JP2008220313 A JP 2008220313A JP 2008220313 A JP2008220313 A JP 2008220313A JP 2010051589 A JP2010051589 A JP 2010051589A
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Takayuki Muneda
孝之 宗田
Atsushi Nakamura
厚 中村
Shinya Otsubo
真也 大坪
Katsuo Aizawa
勝夫 會沢
Takashi Nagaoka
隆 永岡
Masayo Furukawa
雅代 古川
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Shizuoka Prefecture
Waseda University
Ichimaru Pharcos Co Ltd
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Shizuoka Prefecture
Waseda University
Ichimaru Pharcos Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new non-invasive human skin melanin measuring method for correctly quantitating human skin melanin without performing biopsy, and observing and displaying the distribution, and to provide an instrument for the method. <P>SOLUTION: Data group, where diffuse reflection spectra in three-dimensional model skins different in produced melanin amount is made correspond to a chemically quantitated melanin amount, is obtained. The calibration curve of the melanin amount is obtained concerning a score obtained by performing main component analysis with respect to the data group. The score is calculated, based on the diffuse reflection spectra of an object to be measured, and applied to the calibration curve, thereby calculating the melanin amount of the object to be measured. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、非侵襲ヒト皮膚メラニン計測法及びその装置に関する。   The present invention relates to a non-invasive human skin melanin measurement method and apparatus.

可視−近赤領域でのメラニンの光吸収特性については、長波長化に伴い単調減少スペクトルを示し、メラニン量が増えれば波長領域全域でスペクトル強度が増加することが知られている。従来の技術では、吸光度スペクトル強度をメラニン量に見立てることによって、ある波長(或いは波長バンド)での吸光度スペクトル強度分布をもってメラニン分布としていた。或いは、可視−近赤全領域での拡散反射フルスペクトルから計算される色座標パラメータ、若しくはそれらを波長バンドで計測した光強度で代表させたもの、の強度分布をもってメラニン分布としていた。しかし、これらの方法は、メラニン分布状態を定性的に観察するものであり、定量的にメラニン分布を測定するものではなかった。   As for the light absorption characteristics of melanin in the visible-near red region, it is known that a monotonically decreasing spectrum is shown as the wavelength increases, and that the spectral intensity increases in the entire wavelength region as the amount of melanin increases. In the conventional technique, the absorbance spectrum intensity distribution at a certain wavelength (or wavelength band) is used as the melanin distribution by regarding the absorbance spectrum intensity as the amount of melanin. Alternatively, the melanin distribution has an intensity distribution of color coordinate parameters calculated from the diffuse reflection full spectrum in the entire visible-near red region or those represented by the light intensity measured in the wavelength band. However, these methods are intended to qualitatively observe the melanin distribution state, and not to measure the melanin distribution quantitatively.

また、皮膚から計測した拡散反射スペクトルを分解してメラニン量を推定する方法も知られている(特許文献1)。この方法では、メラニンを含む色素自体の吸収或いは吸光度スペクトルが既知であることが前提となる。しかし、合成メラニンの吸収或いは吸光度スペクトルは分かっているものの、人体内で産生されるメラニンを含む色素自体の本当の吸収或いは吸光度スペクトルがどのようなものかは未だ分かっていないため、正確な定量ができなかった。   In addition, a method of estimating the amount of melanin by decomposing a diffuse reflection spectrum measured from the skin is also known (Patent Document 1). This method assumes that the absorption or absorbance spectrum of the pigment itself containing melanin is known. However, although the absorption or absorbance spectrum of synthetic melanin is known, it is not yet known what the true absorption or absorbance spectrum of the pigment itself containing melanin produced in the human body is. could not.

このため、光スペクトルを利用してヒト皮膚メラニンを正確に定量しようとするとき、バイオプシー(生体採取)が避けられなかった。しかし、バイオプシーは人体に負担を強いることになり、好ましくない。
国際公開WO2005/079661号パンフレット
For this reason, when trying to accurately quantify human skin melanin using the light spectrum, biopsy (living a living body) was inevitable. However, biopsy is not preferable because it imposes a burden on the human body.
International Publication WO2005 / 079661 Pamphlet

そこで、本発明は、バイオプシーを行わずに、ヒト皮膚メラニンを正確に定量し、その分布を観察、表示することのできる、新規の非侵襲ヒト皮膚メラニン計測法及びその装置を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel non-invasive human skin melanin measurement method and apparatus capable of accurately quantifying human skin melanin and observing and displaying the distribution without performing biopsy. And

本発明の非侵襲ヒト皮膚メラニン計測法は、産生メラニン量が異なる3次元モデル皮膚において拡散反射スペクトルを計測して空間的に平均された拡散反射スペクトルを求める第1のステップと、
化学的に3次元モデル皮膚のメラニン量を定量する第2のステップと、
第1のステップで求めた拡散反射スペクトル対して主成分分析を施してローディングベクトルとスコアを求める第3のステップと、
第3のステップで求めたスコアと第2のステップで定量したメラニン量の関係を式
The non-invasive human skin melanin measurement method of the present invention includes a first step of measuring a diffuse reflection spectrum in a three-dimensional model skin having different amounts of produced melanin to obtain a spatially averaged diffuse reflection spectrum;
A second step of chemically quantifying the amount of melanin in the three-dimensional model skin;
A third step of performing a principal component analysis on the diffuse reflection spectrum obtained in the first step to obtain a loading vector and a score;
Expression of the relationship between the score obtained in the third step and the amount of melanin determined in the second step

(ここで、Sは拡散反射スペクトルデータ群より算出したスコア、Mは化学的手法によって求められたメラニン量)に当てはめて検量線を求める第4のステップと、
計測対象物の拡散反射スペクトルを第3のステップで求めたローディングベクトルに射影することでスコアを算出する第5のステップと、
第5のステップで求めたスコアを第4のステップで求めた検量線に当てはめて計測対象物のメラニン量を算出する第6のステップと
を備えたことを特徴とする。
(Where S is a score calculated from the diffuse reflectance spectrum data group, M is the amount of melanin determined by a chemical method) and a fourth step for determining a calibration curve;
A fifth step of calculating a score by projecting the diffuse reflection spectrum of the measurement object onto the loading vector obtained in the third step;
And a sixth step of calculating the melanin amount of the measurement object by applying the score obtained in the fifth step to the calibration curve obtained in the fourth step.

また、拡散反射スペクトルの波長域を620nm−720nmとすることを特徴とする。   The wavelength range of the diffuse reflection spectrum is 620 nm to 720 nm.

また、産生メラニン量が異なる3次元モデル皮膚において拡散反射スペクトルを計測して空間的に平均された拡散反射スペクトルを求める第1のステップと、
化学的に3次元モデル皮膚のメラニン量を定量する第2のステップと、
第1のステップで求めた拡散反射スペクトルから式
A first step of measuring a diffuse reflection spectrum in a three-dimensional model skin having different amounts of produced melanin to obtain a spatially averaged diffuse reflection spectrum;
A second step of chemically quantifying the amount of melanin in the three-dimensional model skin;
Formula from the diffuse reflectance spectrum obtained in the first step

(ここで、R1,2,…,nは光の拡散反射率、Tは第i層の拡散透過率)を用いて各波長のx、yスペクトル強度を同定する第3のステップと、
第3のステップで同定された各波長のx、yスペクトル強度と第2のステップで定量されたメラニン量との関係から検量線を求める第4のステップと、
計測対象物の拡散反射スペクトルからx、yスペクトル強度を算出する第5のステップと、
第5のステップで求めたx、yスペクトル強度を第4のステップで求めた検量線に当てはめて計測対象物のメラニン量を算出する第6のステップと
を備えたことを特徴とする。
(Wherein, R 1, 2, ..., n is the diffuse reflection of light, T i is the diffusion transmittance of the i layer) third identifying x i of each wavelength using the y i spectral intensity When,
A fourth step for obtaining a calibration curve from the relationship between the x i , y i spectral intensity of each wavelength identified in the third step and the amount of melanin quantified in the second step;
A fifth step of calculating x i and y i spectral intensities from the diffuse reflection spectrum of the measurement object;
And a sixth step of calculating the melanin amount of the measurement object by applying the x i and y i spectral intensities obtained in the fifth step to the calibration curve obtained in the fourth step.

本発明の非侵襲ヒト皮膚メラニン計測装置は、計測対象物に白色光を照射する白色光源と、前記計測対象物により拡散反射された光を分光する分光器と、この分光器により分光された拡散反射スペクトルを検出する検出器と、この検出器により検出された拡散反射スペクトルのデータが入力されるデータ処理装置と、前記白色光源からの白色光を直線偏光化しこの白色光の偏光面と垂直な直線偏光成分のみを前記分光器に入射させる偏光板とを備えたことを特徴とする。   A non-invasive human skin melanin measuring apparatus according to the present invention includes a white light source that irradiates a measurement target with white light, a spectroscope that splits light diffusely reflected by the measurement target, and a diffusion that is spectrally dispersed by the spectroscope. A detector for detecting the reflection spectrum, a data processing device to which data of the diffuse reflection spectrum detected by the detector is input, and white light from the white light source is linearly polarized and perpendicular to the polarization plane of the white light. And a polarizing plate for allowing only the linearly polarized light component to enter the spectroscope.

また、前記データ処理装置には3次元モデル皮膚のメラニン量のデータが入力されるとともに、前記データ処理装置は、本発明の非侵襲ヒト皮膚メラニン計測法にしたがって計測対象物のメラニン量を算出可能に構成されたことを特徴とする。   In addition, the data processing device receives data on the amount of melanin in the three-dimensional model skin, and the data processing device can calculate the amount of melanin in the measurement object according to the non-invasive human skin melanin measurement method of the present invention. It is characterized by being configured.

また、前記検出器は、計測中央部に常に焦点を合わせることができる自動焦点機能を有していることを特徴とする。   In addition, the detector has an automatic focusing function capable of always focusing on the measurement central portion.

また、顕微光学系機能を有することを特徴とする。   It also has a microscopic optical system function.

バイオプシーを行わずに、ヒト皮膚メラニンを正確に定量し、その分布を観察、表示することができる。   Without performing biopsy, it is possible to accurately quantify human skin melanin and observe and display its distribution.

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

はじめに、本発明による非侵襲ヒト皮膚メラニン計測装置の一実施例について図1と図2を参照して説明する。図1において、1は計測対象物Sを置くステージ、2は白色光源である。ステージの上方にはスリット3を備えた分光器4が設けられている。分光器4は、透過型グレーティングを搭載したイメージング分光器である。計測対象物の1ラインから反射した光はスリット3を通り、分光器で分光されて検出器たるCCDカメラ5の受光面に結像する。すなわち、CCDカメラ5の受光面のX軸は計測対象物の1ライン上の位置に対応し、Y軸方向は分光された光のスペクトルとなる。   First, an embodiment of a non-invasive human skin melanin measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. In FIG. 1, 1 is a stage on which the measurement object S is placed, and 2 is a white light source. A spectroscope 4 having a slit 3 is provided above the stage. The spectrometer 4 is an imaging spectrometer equipped with a transmission type grating. The light reflected from one line of the measurement object passes through the slit 3 and is split by the spectroscope to form an image on the light receiving surface of the CCD camera 5 which is a detector. That is, the X axis of the light receiving surface of the CCD camera 5 corresponds to the position on one line of the measurement object, and the Y axis direction is the spectrum of the dispersed light.

図2に分光器4の詳細構造を示す。スリット3はスリット本体3aと集光するためのレンズ3bとで構成されている。さらに2枚のレンズ4a、4cとの間にある透過型グレーティング方式のプリズム4bとにより構成されている。CCDカメラ5には、EM(Electron Multiplying)CCDカメラや光電子増倍管が搭載されたCCDカメラなどを用いて、微弱な光にも感じるように感度を高めている。   FIG. 2 shows the detailed structure of the spectrometer 4. The slit 3 includes a slit body 3a and a lens 3b for condensing light. Further, it is composed of a transmissive grating type prism 4b between two lenses 4a and 4c. The CCD camera 5 uses an EM (Electron Multiplying) CCD camera, a CCD camera equipped with a photomultiplier tube, or the like to increase the sensitivity so that even weak light can be felt.

この装置の光学的部分の構成はこのようになっているので、CCDカメラの1フレームで、計測対象物Sの1ラインの拡散反射スペクトルデータを取得できる。このデータはデータ処理装置6に入力される。続いて、ステージを微小な長さ動かして次の1ライン拡散反射スペクトルデータをCCDカメラの次のフレームに取得し、データ処理装置に送る。この動作を繰り返すことにより、2次元の面の拡散反射スペクトルデータを取得できる。実際には、上記X軸に対応する計測対象物表面の1ラインに垂直な方向に掃引させる機構、例えば、調節手段7でステージをほぼ連続的に移動させながら、その動作に同期してCCDカメラ5でデータを取得するようになっている。   Since the configuration of the optical part of the apparatus is as described above, diffuse reflection spectrum data of one line of the measuring object S can be acquired with one frame of the CCD camera. This data is input to the data processing device 6. Subsequently, the stage is moved by a minute length to acquire the next one-line diffuse reflection spectrum data in the next frame of the CCD camera and send it to the data processor. By repeating this operation, diffuse reflection spectrum data of a two-dimensional surface can be acquired. Actually, a mechanism for sweeping in a direction perpendicular to one line on the surface of the measurement object corresponding to the X axis, for example, a CCD camera in synchronism with the operation while the stage is moved almost continuously by the adjusting means 7. In step 5, data is acquired.

また、図示しないが、本実施例の装置は、一組の偏光板を備えている。この偏光板により、白色光源2からの光が直線偏光化されるとともに、この直線偏光化された白色光源2からの光の偏光面と垂直な直線偏光成分のみを分光器4に入射させるようになっている。これにより、計測対象物Sの表面で生じる乱反射の影響が抑制されるようになっている。なお、この2つの直線偏光の向きは任意に設定できるように構成されている。   Although not shown, the apparatus of this embodiment includes a set of polarizing plates. By this polarizing plate, the light from the white light source 2 is linearly polarized, and only the linearly polarized light component perpendicular to the polarization plane of the light from the linearly polarized white light source 2 is incident on the spectrometer 4. It has become. Thereby, the influence of the irregular reflection which arises on the surface of the measuring object S is suppressed. The directions of the two linearly polarized lights can be arbitrarily set.

また、図示しないが、本実施例の装置は、計測中央部に常に焦点を合わせることができる自動焦点(AF)機能を有している。これにより、計測対象物Sの表面の比較的空間周波数の大きな凹凸に起因する影の影響を抑制することができるようになっている。   Although not shown, the apparatus of the present embodiment has an automatic focus (AF) function that can always focus on the measurement center. Thereby, the influence of the shadow resulting from the unevenness | corrugation with comparatively big spatial frequency of the surface of the measurement target S can be suppressed now.

さらに、図示しないが、本実施例の装置は、色素病変と正常部との境界領域観察に優れる顕微光学系機能を有している。   Further, although not shown, the apparatus of the present embodiment has a microscopic optical system function that is excellent in observation of a boundary region between a pigment lesion and a normal part.

そして、この装置は、搭載しているスリット3の光学スリット長と分光器4の光学系倍率が決める計測画面縦寸法と、スリット3の光学スリット幅と調節手段7の駆動ソフト設定が決める計測画面横寸法と、CCDカメラ5の1画素寸法、スリット3の光学スリット幅と分光器4の光学系倍率が決める1画素寸法、を2次元画像の基本長さスケールとして、2次元画像内各画素に分光器4の特性が決める波長範囲内の拡散反射スペクトルを格納できる。この装置は、位置の情報と拡散反射スペクトルの情報を、光学スリットの長手方向と垂直方向に掃引、すなわちラインスキャンすることで、短時間で取得可能である。取得した計測対象の拡散反射スペクトルの解析は、2次元スペクトル画像の描画を可能にする。したがって、この装置によれば、拡散反射スペクトルに定性的・定量的な違いがあれば、そのような光学的に違いがある領域を強調表示することができる。拡散反射スペクトルから色の三原色各要素値を計算して、それをもとに描画すれば、カラー写真と遜色ない擬似カラー画像も再構成できる。   This apparatus has a measurement screen vertical dimension determined by the optical slit length of the mounted slit 3 and the optical system magnification of the spectroscope 4, a measurement screen determined by the optical slit width of the slit 3 and the drive software setting of the adjusting means 7. The horizontal dimension, one pixel dimension of the CCD camera 5, one pixel dimension determined by the optical slit width of the slit 3 and the optical system magnification of the spectroscope 4 are used as the basic length scale of the two-dimensional image for each pixel in the two-dimensional image. A diffuse reflection spectrum within a wavelength range determined by the characteristics of the spectroscope 4 can be stored. This apparatus can acquire position information and diffuse reflection spectrum information in a short time by sweeping, ie, line scanning, in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the optical slit. The analysis of the acquired diffuse reflection spectrum of the measurement object enables drawing of a two-dimensional spectrum image. Therefore, according to this apparatus, if there is a qualitative / quantitative difference in the diffuse reflection spectrum, such an optically different area can be highlighted. If each element value of the three primary colors of color is calculated from the diffuse reflection spectrum and rendered based on the calculated value, a pseudo color image comparable to a color photograph can be reconstructed.

つぎに、本発明による非侵襲ヒト皮膚メラニン計測法について説明する。本発明による非侵襲ヒト皮膚メラニン計測法は、非臨床シミュレーションという新しい概念に基づくものである。すなわち、角質層、顆粒層、有棘層、ヒト由来のメラノサイトを含む基底層からなる表皮に対する3次元モデル皮膚を、メラニンが産生、拡散される表皮のシミュレーターとする。一定条件のUVB照射下で2週間培養した3次元モデル皮膚の拡散反射スペクトルを計測すると同時に、そこで実際に産生されたメラニン量を化学的方法で定量する。これにより、計測された平均拡散反射スペクトルあるいはそれらから提案する数理モデル(後述)に基づいて抽出される各種パラメータ値と、実際のメラニン量との1:1対応が可能となる。さらにその数理モデルは、3次元モデル皮膚と実際の皮膚で計測される拡散反射スペクトル或いは抽出されたパラメータとを関係づけることができるので、実際のヒト皮膚で計測される拡散反射スペクトルからメラニン量を推定できることになる。その推定値は、生体内で合成されるメラニン高分子との関連が不明な合成メラニン高分子のスペクトルを用いる従来法に比べて、信頼性が高い。ヒト皮膚から計測される拡散反射スペクトルに基づいて最終的に描画される画像は、定量的な2次元メラニン量分布図を与える。以下、数理モデルI、IIについて詳細に説明する。   Next, the noninvasive human skin melanin measuring method according to the present invention will be described. The noninvasive human skin melanin measurement method according to the present invention is based on a new concept of nonclinical simulation. That is, a three-dimensional model skin for the epidermis composed of a stratum corneum, a granule layer, a spiny layer, and a basal layer containing human-derived melanocytes is used as a simulator for the epidermis in which melanin is produced and diffused. The diffuse reflectance spectrum of the three-dimensional model skin cultured for 2 weeks under UVB irradiation under a certain condition is measured, and at the same time, the amount of melanin actually produced is quantified by a chemical method. This makes it possible to have a 1: 1 correspondence between various parameter values extracted based on the measured average diffuse reflection spectrum or a mathematical model proposed from them (described later) and the actual amount of melanin. Furthermore, the mathematical model can relate the diffuse reflectance spectrum measured on the three-dimensional model skin and the actual skin or extracted parameters, so the melanin amount can be calculated from the diffuse reflectance spectrum measured on the actual human skin. It can be estimated. The estimated value is more reliable than the conventional method using a spectrum of a synthetic melanin polymer whose relationship with a melanin polymer synthesized in vivo is unknown. The image finally drawn based on the diffuse reflection spectrum measured from the human skin gives a quantitative two-dimensional melanin distribution map. Hereinafter, the mathematical models I and II will be described in detail.

[数理モデルI]
主成分分析は本来統計的手法の一つであり、得られたデータ群から互いに独立した成分を導出する教師なしの多変量解析であり、現在、スペクトルを用いた定量法の一つとしてしばしば用いられている。元となる式は以下の通りである。
[Mathematical model I]
Principal component analysis is essentially a statistical method, an unsupervised multivariate analysis that derives independent components from the obtained data group, and is currently often used as a quantitative method using spectra. It has been. The original formula is as follows.

ここで、Aは一つにつきM個の波長で計測されたN個のデータ群でありN×M行列となる。また、TはN×M行列のスコア、PはM×M行列のローディングベクトルと呼ばれる。   Here, A is an N × M matrix that is N data groups measured at M wavelengths. T is called the score of the N × M matrix, and P is called the loading vector of the M × M matrix.

主成分分析を行うと、スペクトルを構成する波長の数Mと同じだけのローディングベクトルとスコアが得られる。このローディングベクトルはM次の多次元空間を構成する軸として捉えられ、スコアはその軸上の座標に相当する。データ群Aが吸収スペクトルによって構成されている場合、ランベルト・ベール則からローディングベクトルは測定対象を構成する成分の一つが表す吸収スペクトル、スコアはその構成成分の量に対応すると考えられる。   When the principal component analysis is performed, as many loading vectors and scores as the number M of wavelengths constituting the spectrum are obtained. This loading vector is regarded as an axis constituting an M-th order multidimensional space, and the score corresponds to a coordinate on the axis. When the data group A is constituted by an absorption spectrum, it is considered from Lambert-Beer rule that the loading vector corresponds to the absorption spectrum represented by one of the components constituting the measurement object, and the score corresponds to the amount of the component.

データ群Aが拡散反射スペクトルによって構成されている場合には、測定対象を多層として捉えることによりローディングベクトルは各界面からの反射率、スコアは成分量に対応すると考えられる。ただし、拡散反射測定では対象表面での正反射光が強いため、正しくメラニンの拡散反射スペクトルに対応するローディングベクトルを得ることが困難になる。これを解決するため、偏光板の導入は効果的である。   When the data group A is constituted by a diffuse reflection spectrum, it is considered that the loading vector corresponds to the reflectance from each interface and the score corresponds to the component amount by grasping the measurement target as a multilayer. However, in the diffuse reflection measurement, the specular reflection light on the target surface is strong, so it is difficult to correctly obtain a loading vector corresponding to the diffuse reflection spectrum of melanin. In order to solve this, introduction of a polarizing plate is effective.

本発明では、上述した装置を用いて、まず、産生メラニン量が異なる3次元モデル皮膚において拡散反射スペクトルを計測し、空間的に平均された拡散反射スペクトルを求める。一方で化学分解法(chemical degradation method)を用いた化学的手法によるメラニン定量を行なう。この段階で、化学的に定量されたメラニン量に1:1で対応する平均拡散反射スペクトルが得られる。このデータ群に対して主成分分析を施し、メラニンの拡散反射スペクトルに対応するローディングベクトルとスコアを求める。   In the present invention, using the above-described apparatus, first, a diffuse reflection spectrum is measured in a three-dimensional model skin having different amounts of produced melanin, and a spatially averaged diffuse reflection spectrum is obtained. On the other hand, melanin quantification is performed by a chemical method using a chemical degradation method. At this stage, an average diffuse reflectance spectrum corresponding 1: 1 with the chemically quantified amount of melanin is obtained. A principal component analysis is performed on the data group to obtain a loading vector and a score corresponding to the diffuse reflection spectrum of melanin.

具体的には、ローディングベクトルとスコアはつぎのようにして求める。N×M行列で表されるデータ群Aに関して期待値0とした共分散行列を求め、これに関して固有値問題を解くことで得られる固有ベクトルが全成分(M個)のローディングベクトルPとなる。   Specifically, the loading vector and the score are obtained as follows. An eigenvector obtained by obtaining a covariance matrix with an expected value of 0 for the data group A represented by an N × M matrix and solving the eigenvalue problem with respect to this is the loading vector P of all components (M).

ここで算出されたローディングベクトルは直交化されているので、M次元空間中の軸を表すと考えられる。N個のデータ中のi番目のものAを第j主成分のローディングベクトルPに射影することで、スコアTj,iが得られる。 Since the loading vector calculated here is orthogonalized, it is considered to represent an axis in the M-dimensional space. A score T j, i is obtained by projecting the i-th A i of N data onto the loading vector P j of the j-th principal component.

つぎにスコアとメラニン量の関係、すなわち検量線を求める。なお、検討の結果、このとき以下の式がデータとベストフィットすることがわかっている。   Next, a relationship between the score and the melanin amount, that is, a calibration curve is obtained. As a result of the examination, it is known that the following equation is best fit with the data.

ここで、Sは拡散反射スペクトルデータ群より算出したスコア、Mは化学的手法によって求められたメラニン量である。   Here, S is a score calculated from the diffuse reflectance spectrum data group, and M is the amount of melanin obtained by a chemical method.

同じ装置を用いて計測対象物であるヒト皮膚の拡散反射スペクトルをメラニンに対応する上で求めたローディングベクトルに射影することで、簡単にスコア量が算出できる。このスコア量を上述の検量線に当てはめると、メラニン量を算出できる。その結果、ヒト皮膚のメラニン量分布画像を描画可能である。   By projecting the diffuse reflection spectrum of the human skin, which is the measurement object, onto the loading vector obtained for the melanin using the same apparatus, the score amount can be easily calculated. When this score amount is applied to the above-mentioned calibration curve, the melanin amount can be calculated. As a result, a melanin distribution image of human skin can be drawn.

ヒト皮膚の構造は、表層から表皮、真皮、皮下組織となっており、真皮組織より奥には血管網が存在する。したがって、ヒト皮膚から計測する拡散反射スペクトルでは、メラニンスペクトルとヘモグロビンスペクトルが干渉している。本方法は、波長域を限定することで、ヘモグロビンスペクトルの影響を抑制することができる。例えば波長域620nm−720nmを利用する。このようにしてもスペクトル干渉の影響を完全に除去することはできないと考えられるが、その簡便さゆえに極めて有用な方法である。   The structure of human skin is from the surface layer to the epidermis, dermis, and subcutaneous tissue, and a vascular network exists behind the dermis tissue. Therefore, in the diffuse reflection spectrum measured from human skin, the melanin spectrum and the hemoglobin spectrum interfere with each other. This method can suppress the influence of the hemoglobin spectrum by limiting the wavelength range. For example, a wavelength range of 620 nm to 720 nm is used. Even if it does in this way, it is thought that the influence of spectrum interference cannot be removed completely, but it is an extremely useful method because of its simplicity.

[数理モデルII]
本方法によれば、ヒト皮膚から計測される拡散反射スペクトルでのメラニンスペクトルとヘモグロビンスペクトルの干渉を原理的に100%除去できる。
[Mathematical model II]
According to this method, the interference between the melanin spectrum and the hemoglobin spectrum in the diffuse reflection spectrum measured from human skin can be removed 100% in principle.

クベルカ(Kubelka)とムンク(Munk)は、色の見え方すなわち拡散反射の本質が、物質による光の吸収と散乱にあることを明らかにしている(P. Kubelka and F. Munk, Z. tech. Phys. 12, p593(1931))。多層モデルを考え光の多重反射を考慮した理論はクベルカによって定式化されている。n層モデルにおいて、第i層の吸収係数をK、散乱係数をSとすると、全層におけるもどり光の総和、つまり観察される光の拡散反射率R1,2,…,nは式(1)のように表される(P. Kubelka, Journal of the Optical Society of America 38, 5: pp.448-457, 1948, ibid. 44, 4: pp.330-335, 1954)。 Kubelka and Munk have shown that the essence of color appearance, or diffuse reflection, is the absorption and scattering of light by matter (P. Kubelka and F. Munk, Z. tech. Phys. 12, p593 (1931)). The theory that considers multiple reflection of light considering a multilayer model is formulated by Kubelka. In the n-layer model, if the absorption coefficient of the i-th layer is K i and the scattering coefficient is S i , the total return light in all layers, that is, the diffuse reflectance R 1, 2,. (1) (P. Kubelka, Journal of the Optical Society of America 38, 5: pp.448-457, 1948, ibid. 44, 4: pp.330-335, 1954).

は第i層の拡散透過率を表す。第i層の厚みをdとし、 T i represents the diffuse transmittance of the i-th layer. The thickness of the i-th layer is d i ,

とすると、式(1)は式(3)のように書き換えることができる。 Then, equation (1) can be rewritten as equation (3).

式(3)に含まれる2n個の未知変数x、yがわかっていると、n層の多層モデルにおける理論的な拡散反射率を得ることができる。逆に、理論的には、拡散反射率から適切な拘束条件下で2n個の未知変数x、yを逆算することが可能である。 If 2n unknown variables x i and y i included in the equation (3) are known, a theoretical diffuse reflectance in a multilayer model of n layers can be obtained. Conversely, theoretically, it is possible to back-calculate 2n unknown variables x i and y i from the diffuse reflectance under appropriate restraint conditions.

実際のヒト皮膚では表皮、真皮などにおける変数を個別に計測することはほぼ不可能である。したがって、式(3)を用いて実験で得られた拡散反射スペクトルから、2n個の未知変数x、yを同定する作業に必要とされる拘束条件を見出す手法は、既知の合成メラニンスペクトルやヘモグロビンスペクトルに頼らざるをえない。本方法は、拘束条件として、ヒトの表皮における変数x、yの初期値として、3次元モデル皮膚において求められた波長に依存する値を用いるという、これまでにない発想に基づいている。 In actual human skin, it is almost impossible to individually measure variables in the epidermis and dermis. Therefore, a technique for finding a constraint condition necessary for identifying 2n unknown variables x i and y i from the diffuse reflection spectrum obtained by experiment using Equation (3) is a known synthetic melanin spectrum. And you have to rely on the hemoglobin spectrum. This method is based on an unprecedented idea of using a wavelength-dependent value obtained in the three-dimensional model skin as an initial value of the variables x i and y i in the human epidermis as a constraint condition.

ヒト3次元モデル皮膚をはじめとした各種培養細胞は一般に非常に薄く、その反射スペクトルを計測する場合、培養細胞に照射された光は細胞を透過し、その下に置かれた素材の反射・吸収の影響を強く受ける。そこで、本手法ではつぎのような工夫を加えることが望ましい。3次元モデル皮膚が入った石英ガラス製シャーレの下に、基準白色板を置く。この配置に対して、可視近赤光に対して透明である石英ガラス製シャーレを無視して、3次元モデル皮膚を第1層、下に置かれた基準白色板を第2層とする多層モデルを考え、3次元モデル皮膚固有の変数x、y(i=1)を求める。このモデルでは、式(3)においてT=0、R=C(一定値)とおくことができ、観察される反射率Rは第1層での多重散乱効果を考慮しない場合、式(4)のように表すことができ、考慮した場合、式(5)のように表すことができる。 Various cultured cells such as human three-dimensional model skin are generally very thin, and when the reflection spectrum is measured, the light irradiated to the cultured cells is transmitted through the cells, and the reflection and absorption of the material placed thereunder Strongly influenced by. Therefore, it is desirable to add the following devices in this method. A reference white plate is placed under a quartz glass petri dish containing the three-dimensional model skin. For this arrangement, ignoring a quartz glass petri dish that is transparent to visible near-red light, a multilayer model in which the three-dimensional model skin is the first layer and the reference white plate placed below is the second layer Considering the above, variables x i and y i (i = 1) specific to the three-dimensional model skin are obtained. In this model, T 2 = 0 and R 2 = C (constant value) can be set in the equation (3), and the observed reflectance R is determined by the equation (3) when the multiple scattering effect in the first layer is not considered. 4), and when considered, it can be expressed as in equation (5).

式(4)において、波長ごとの未知変数はx、yの2つである。x,yは式(2)に示したとおり、吸光係数・散乱係数に関連した変数であり、3次元モデル皮膚固有の変数である。そのようなx、yは、式(5)を満たすように決定される。そして、式(6)にしたがってx、yが求められる。 In equation (4), there are two unknown variables for each wavelength, x 1 and y 1 . x 1 and y 1 are variables related to the extinction coefficient / scattering coefficient as shown in Expression (2), and are variables inherent to the three-dimensional model skin. Such x 1 and y 1 are determined so as to satisfy Expression (5). Then, x 1, y 1 according to Equation (6) is obtained.

ただしRexpは計測によって得られた3次元モデル皮膚の拡散反射率であり、λは計測したスペクトルの波長範囲にわたって和を取ることを意味する。未知変数の最適化には、例えば、ガウス・ニュートン法(非線形最小二乗法)を用いることができる。 Where R exp is the diffuse reflectance of the three-dimensional model skin obtained by measurement, and λ means that the sum is taken over the wavelength range of the measured spectrum. For example, the Gauss-Newton method (nonlinear least square method) can be used for optimization of the unknown variable.

これらの演算には位置情報は含まれないため、計測対象に含まれる全ての点(計測に用いるCCDカメラの画素寸法が決める)における拡散反射スペクトルに対して個別にx、yスペクトルを算出することができる。したがって、各波長におけるx、yの2次元分布を描画できる。このことはメラニンの2次元分布描画を可能にすることを意味する。その具体的方法を以下に述べる。 Since these calculations do not include position information, x 1 and y 1 spectra are calculated individually for diffuse reflection spectra at all points included in the measurement target (the pixel dimensions of the CCD camera used for measurement are determined). can do. Therefore, a two-dimensional distribution of x 1 and y 1 at each wavelength can be drawn. This means that it is possible to draw a two-dimensional distribution of melanin. The specific method is described below.

数理モデルIで述べたように、産生メラニン量が異なる3次元モデル皮膚において拡散反射スペクトルを計測し、空間的に平均された拡散反射スペクトルを求める。一方で化学分解法を用いた化学的手法によるメラニン定量を行う。次に、平均拡散反射スペクトルからx、yスペクトルを同定する。この後、例えば各波長のx、yスペクトル強度と、メラニン量との関係を求めれば、検量線が得られる。これを用いれば、x、yスペクトルからメラニン量を推定することができる。 As described in the mathematical model I, a diffuse reflection spectrum is measured in a three-dimensional model skin with different amounts of produced melanin, and a spatially averaged diffuse reflection spectrum is obtained. On the other hand, melanin quantification is performed by a chemical method using a chemical decomposition method. Next, x 1 and y 1 spectra are identified from the average diffuse reflection spectrum. Thereafter, for example, if a relationship between the x 1 and y 1 spectral intensities of the respective wavelengths and the amount of melanin is obtained, a calibration curve can be obtained. If this is used, the amount of melanin can be estimated from the x 1 and y 1 spectra.

つぎに、ヒト皮膚のメラニン量推定法について説明する。既に述べたように、ヒト皮膚の構造は、表層から表皮、真皮、皮下組織となっており、真皮組織より奥には血管網が存在する。したがって、拡散反射スペクトルでは、メラニンスペクトルとヘモグロビンスペクトルが干渉している。   Next, a method for estimating the amount of melanin in human skin will be described. As already described, the structure of human skin is from the surface layer to the epidermis, dermis, and subcutaneous tissue, and a vascular network exists behind the dermis tissue. Therefore, in the diffuse reflection spectrum, the melanin spectrum and the hemoglobin spectrum interfere with each other.

本方法は式(3)に示したとおり多層に展開が可能であるので、皮膚の物理的構造を反映させたモデルに対する理論式導出が可能である。最も簡単なモデルは、2層モデルである。そこでは有限の厚さをもった表皮層と奥行き無限大と簡略化した真皮層を考える。モデルに基づいて理論式を導出すると、必要となるパラメータは、表皮層ではx、yスペクトル、真皮層ではxスペクトルだけとなる。実際に計測された拡散反射スペクトルを再現できるように表皮層のx、yスペクトルと真皮層のxスペクトルを同定するには、適切な拘束条件が必要となる。その拘束条件して、x、yスペクトルとして3次元モデル皮膚で求めたスペクトルを初期値とし、xスペクトルに対しては、例えば誰でも利用可能な100%酸化状態でのヘモグロビンスペクトルを初期値として設定するという初期値設定条件を利用することができる。こうすることで、式(4)の収束を高速化することができ、また誤収束を防ぐように、表皮層のx、yスペクトルはメラニンに支配され、真皮層のxスペクトルはヘモグロビンに支配されている物理的に意味があるパラメータを導出可能となる。同定された表皮層のx、yスペクトルを、上述の検量線を用いてメラニン量に換算すると、ヒト皮膚のメラニン量分布を描画できる。 Since this method can be developed in multiple layers as shown in Equation (3), it is possible to derive a theoretical equation for a model that reflects the physical structure of the skin. The simplest model is a two-layer model. There, we consider a skin layer with a finite thickness and a dermis layer simplified with infinite depth. When the theoretical formula is derived based on the model, the necessary parameters are only the x 1 and y 1 spectra in the epidermis layer and the x 2 spectrum in the dermis layer. Appropriate constraints are required to identify the x 1 and y 1 spectra of the epidermis and the x 2 spectrum of the dermis so that the actually measured diffuse reflectance spectrum can be reproduced. As a constraint, the spectrum obtained from the three-dimensional model skin as the x 1 and y 1 spectra is set as an initial value. For the x 2 spectrum, for example, a hemoglobin spectrum in a 100% oxidation state that can be used by anyone is initially set. An initial value setting condition of setting as a value can be used. By doing so, the convergence of equation (4) can be accelerated, and the x 1 and y 1 spectra of the epidermis are dominated by melanin and the x 2 spectrum of the dermis is hemoglobin so as to prevent misconvergence. It is possible to derive physically meaningful parameters that are governed by. When the x 1 and y 1 spectra of the identified epidermis layer are converted into melanin amounts using the above-mentioned calibration curve, the melanin amount distribution of human skin can be drawn.

同定された真皮層のxスペクトルからは、ヘモグロビン総量の相対値を算出することも、従来から行われている方法で酸素飽和度を算出することも可能である。また、3層構造モデルのような重層モデルを考えることも可能である。この場合、真皮層と皮下組織別々にヘモグロビン起因のスペクトルを同定可能である。数理モデルIIは、数理モデルIに比べて、より厳密にメラニン量を推定可能である。 From x 2 spectrum identified dermis layer, it is also, it is possible to calculate the oxygen saturation in a manner conventionally performed for calculating the relative value of the total amount of hemoglobin. It is also possible to consider a multilayer model such as a three-layer structure model. In this case, it is possible to identify the spectrum caused by hemoglobin separately for the dermis layer and subcutaneous tissue. Mathematical model II can estimate the amount of melanin more precisely than mathematical model I.

本発明によれば、ヒト皮膚のメラニン量分布を非接触かつ非侵襲に計測できるため、例えばメラノーマといった色素性病変の診断に資するところが大きい。   According to the present invention, the distribution of melanin in human skin can be measured in a non-contact and non-invasive manner, which greatly contributes to the diagnosis of pigmented lesions such as melanoma.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。   In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation implementation is possible.

以下の具体的実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。   The following specific examples further illustrate the present invention.

[皮膚モデル培養]
皮膚モデルとして、マットテック社(MatTek Corporation)製のMEL−300Aを用いた。
[Skin model culture]
As a skin model, MEL-300A manufactured by MatTek Corporation was used.

はじめに、インサートを搬送用培地より取り出し、37℃に予熱した0.9mlのEPI−100MM入り6ウェルプレートに移すことにより、組織移植を行った。そして、インサートが入ったプレートをインキュベーター(37℃、5%CO)に入れ、1時間平衡させて前平衡を行った。 First, tissue transplantation was performed by removing the insert from the transport medium and transferring it to a 6-well plate containing 0.9 ml of EPI-100MM preheated to 37 ° C. The plate with the insert was placed in an incubator (37 ° C., 5% CO 2 ) and equilibrated for 1 hour to perform pre-equilibration.

つぎに、処置済み組織が入ったプレートをインキュベーターに戻し、14日間培養した。そして、14日間の培養期間中、培地交換の作業を7回行った。   Next, the plate containing the treated tissue was returned to the incubator and cultured for 14 days. Then, during the culture period of 14 days, the medium exchange operation was performed seven times.

なお、培地交換は、以下の手順で行った。プレート内の培地を吸引除去し、滅菌済みステンレスワッシャーを各ウェルに2段積みし、インサートをその上に置いた。その後、予熱した新しい培地3.5mlを各ウェルに添加した。前回添加したコウジ酸余剰分除去のため、PBS洗浄液にてインサートの内外を洗浄した。   The medium exchange was performed according to the following procedure. The medium in the plate was removed by aspiration, sterilized stainless steel washers were stacked in each well in two stages, and the insert was placed on it. Thereafter, 3.5 ml of preheated fresh medium was added to each well. In order to remove the excess kojic acid added last time, the inside and outside of the insert were washed with a PBS washing solution.

以上の培養は、メラニン生成抑制作用を有することが知られているコウジ酸を種々の濃度で加えてそれぞれ行うことで、種々の産生メラニン量を有する皮膚モデルを得た。   The above culture was carried out by adding kojic acid, which is known to have a melanin production inhibitory effect, at various concentrations, thereby obtaining skin models having various amounts of produced melanin.

[化学的手法によるメラニン定量]
実施例1において培養終了後の皮膚組織をカップから外し、1.5mlチューブに入れ、凍結乾燥処理を施し、乾燥皮膚組織の重量測定を行った。そして、組織に1.0mlの超純水(miliQ-water)を加え、ガラスホモジネーターを用いてホモジナイズした。その後、超音波装置(Handy sonic model UR-20P)を用いてホモジナイズ後の組織に超音波処理を施した。サンプルを100μlずつスクリュー管へ分注した。
[Melanin determination by chemical method]
In Example 1, the cultured skin tissue was removed from the cup, placed in a 1.5 ml tube, freeze-dried, and the dry skin tissue was weighed. Then, 1.0 ml of ultrapure water (miliQ-water) was added to the tissue and homogenized using a glass homogenizer. Thereafter, the homogenized tissue was subjected to ultrasonic treatment using an ultrasonic device (Handy sonic model UR-20P). Samples were dispensed 100 μl into screw tubes.

そして、以下の手順により、ユーメラニン(Eumelanin)、フェオメラニン(Pheomelanin)について定量を行った。   Then, quantification was performed for eumelanin and pheomelanin by the following procedure.

[ユーメラニンの定量]
PTCA(pyrrole-2,3,5-tricarboxylic acid)を定量し、これを指標としてユーメラニンを定量した。
[Quantification of Eumelanin]
PTCA (pyrrole-2,3,5-tricarboxylic acid) was quantified, and eumelanin was quantified using this as an index.

はじめに、100μlの組織溶解液に800μlの1M−HSOを添加した。そして、100μlのマウス肝ホモジナイズ液(500mg/10ml)を添加し、10分間振盪した。振盪の間、10μlの3%KMnOを加えた。また、振盪する間にKMnOの紫色が消えた時点で再度10μlの3%KMnOを加えた。その後、100μlの10%NaSOを加えた。 First, 800 μl of 1M-H 2 SO 4 was added to 100 μl of tissue lysate. Then, 100 μl of mouse liver homogenizing solution (500 mg / 10 ml) was added and shaken for 10 minutes. During shaking, 10 μl of 3% KMnO 4 was added. Also, 10 μl of 3% KMnO 4 was added again when the purple color of KMnO 4 disappeared while shaking. Then 100 μl of 10% Na 2 SO 3 was added.

つぎに、この反応液に対し約7mlのエーテル(アルミナ処理済)を加え、振盪し、エーテル画分をリム付き試験管に移した。そして、水性画分に再度約7mlのエーテルを加え、振盪し、水性画分に再度約7mlのエーテルを加え、エーテル画分を先ほどのリム付き試験管に移した。   Next, about 7 ml of ether (alumina-treated) was added to the reaction solution, shaken, and the ether fraction was transferred to a test tube with a rim. Then, about 7 ml of ether was added again to the aqueous fraction, shaken, and about 7 ml of ether was added again to the aqueous fraction, and the ether fraction was transferred to the rim-equipped test tube.

その後、試験管濃縮器(TC-10D)を用い、減圧下にてエーテル画分を濃縮乾固してから、真空ポンプを用いて完全に濃縮させた。   Thereafter, the ether fraction was concentrated to dryness under reduced pressure using a test tube concentrator (TC-10D), and then completely concentrated using a vacuum pump.

そして、残渣に200μlの超純水(miliQ-water)を加え、ボルテックスにて混合した。溶液を1.5mlチューブに移し、遠心分離(10000rpm、1分間)した。   Then, 200 μl of ultrapure water (miliQ-water) was added to the residue and mixed by vortexing. The solution was transferred to a 1.5 ml tube and centrifuged (10000 rpm, 1 minute).

上清をHPLC用チューブに移し、HPLC(検出器:JASCA 875-UV、ポンプ:JASCA PU-980、サンプラー:JASCA AS-2057plus、インテグレーター:JASCA 807-IT、カラム:JASCA 860-Co、バッファー:0.1M KPB(pH2.10):MeOH=99:1)によりPTCAを定量した。そして、PTCA量を160倍した数値をユーメラニン量とした(K.Wakamatsu and S. Ito, Pigment Cell Res 15: pp.174-183, 2002)。   The supernatant was transferred to an HPLC tube and HPLC (detector: JASCA 875-UV, pump: JASCA PU-980, sampler: JASCA AS-2057plus, integrator: JASCA 807-IT, column: JASCA 860-Co, buffer: 0 PTCA was quantified by 1M KPB (pH 2.10): MeOH = 99: 1). The value obtained by multiplying the PTCA amount by 160 was defined as the eumelanin amount (K. Wakamatsu and S. Ito, Pigment Cell Res 15: pp.174-183, 2002).

[フェオメラニンの定量]
4−AHP(4-amino-3-hydroxyphenylalanine)を定量し、これを指標としてフェオメラニンを定量した。
[Quantification of pheomelanin]
4-AHP (4-amino-3-hydroxyphenylalanine) was quantified, and pheomelanin was quantified using this as an index.

はじめに、100μlの組織溶解液に30μlの30%HPOを加えた。そして、500μlの57%HIを加え、オイルバスにて130℃で20時間反応させた。放冷の後、別の試験管に反応液100μlを取り分けた。 First, 30 μl of 30% H 3 PO 4 was added to 100 μl of tissue lysate. Then, 500 μl of 57% HI was added and reacted at 130 ° C. for 20 hours in an oil bath. After allowing to cool, 100 μl of the reaction solution was placed in another test tube.

つぎに、反応液を真空ポンプを用いて乾燥させ、残渣に200μlの0.1M−HClを添加し、ボルテックスにて混合した。そして、これを1.5mlチューブに移し、遠心分離(10000rpm、1分間)した。   Next, the reaction solution was dried using a vacuum pump, 200 μl of 0.1 M HCl was added to the residue, and mixed by vortexing. Then, this was transferred to a 1.5 ml tube and centrifuged (10000 rpm, 1 minute).

上清をHPLC用チューブに移し、HPLC(検出器:JASCA 2020plus、ポンプ:JASCA 880-PU、サンプラー:JASCA AS-950-10、インテグレーター:JASCA 807-IT、カラム:JASCA catechol pack、バッファー:0.1Mクエン酸緩衝液(pH3.00):MeOH=96:4)により4−AHPを定量した。そして、4−AHP量を9倍した数値をフェオメラニン量とした(K.Wakamatsu and S. Ito, Pigment Cell Res 15: pp.174-183, 2002)。   The supernatant was transferred to an HPLC tube, and HPLC (detector: JASCA 2020plus, pump: JASCA 880-PU, sampler: JASCA AS-950-10, integrator: JASCA 807-IT, column: JASCA catechol pack, buffer: 0. 4-AHP was quantified with 1M citrate buffer (pH 3.00): MeOH = 96: 4). A value obtained by multiplying the 4-AHP amount by 9 was defined as the pheomelanin amount (K. Wakamatsu and S. Ito, Pigment Cell Res 15: pp.174-183, 2002).

ユーメラニン(EM)とフェオメラニン(PM)の定量結果を表1に示す。   Table 1 shows the quantitative results of eumelanin (EM) and pheomelanin (PM).

[数理モデルIへの当てはめ]
実施例1において得られた種々の産生メラニン量を有する皮膚組織について、それぞれPBS洗浄液にてインサート内外を洗浄した後、石英ガラス製シャーレに移し、上述した装置を用いて拡散反射スペクトルを計測し、空間的に平均された拡散反射スペクトルを求めた。このデータ群に対して上述の数理モデルIの主成分分析を施し、メラニンの拡散反射スペクトルに対応するローディングベクトルとスコアを求めた。そして、このスコアと実施例2で得られたメラニン量の関係を求めた。その結果を図3と図4に示す。なお、図3はフェオメラニン、図4はユーメラニンについての結果である。
[Fit to mathematical model I]
About the skin tissue having various amounts of produced melanin obtained in Example 1, after washing the inside and outside of the insert with PBS washing solution, respectively, transferred to a quartz glass petri dish, and measured the diffuse reflection spectrum using the above-described apparatus, A spatially averaged diffuse reflectance spectrum was determined. The principal component analysis of the mathematical model I described above was performed on this data group, and a loading vector and a score corresponding to the diffuse reflection spectrum of melanin were obtained. The relationship between this score and the amount of melanin obtained in Example 2 was determined. The results are shown in FIGS. FIG. 3 shows the results for pheomelanin, and FIG. 4 shows the results for eumelanin.

図3、図4の関係を既述の以下の式に当てはめて、最小自乗法により係数a、bを求めたところ、図3において、a=0.0899、b=0.0432のとき、相関係数の自乗Rは0.913、図4において、a=0.0776、b=0.0271のとき、相関係数の自乗Rは0.816となった。このことから今回作製したローディングベクトルは十分にメラニンの拡散反射スペクトルに対応していることが確認された。 3 and 4 are applied to the following formulas described above, and the coefficients a and b are obtained by the method of least squares. When a = 0.0899 and b = 0.0432 in FIG. The square R 2 of the relationship number is 0.913, and in FIG. 4, when a = 0.0776 and b = 0.0271, the square R 2 of the correlation coefficient is 0.816. From this, it was confirmed that the loading vector prepared this time sufficiently corresponds to the diffuse reflection spectrum of melanin.

ここで、S(図3、4ではy)は本実施例で測定した拡散反射スペクトルデータ群より算出したスコア、M(図3、4ではx)は実施例2の化学的手法によって求められたメラニン量である。   Here, S (y in FIGS. 3 and 4) is a score calculated from the diffuse reflectance spectrum data group measured in this example, and M (x in FIGS. 3 and 4) is obtained by the chemical method of Example 2. The amount of melanin.

上記の式を用いて第一スコアから求めたフェーメラニンとユーメラニンの分布を図5、図6に示す。   The distribution of femelanin and eumelanin determined from the first score using the above formula is shown in FIGS.

[数理モデルIIへの当てはめ]
実施例1において得られた種々の産生メラニン量を有する皮膚組織について、それぞれPBS洗浄液にてインサート内外を洗浄した後、石英ガラス製シャーレに移し、この下に基準白色板を置いた。そして、上述した装置を用いて拡散反射スペクトルを計測し、空間的に平均された拡散反射スペクトルを求めた。この3次元モデル皮膚の拡散反射スペクトルに対し、上述の数理モデルIIの手法を適用したところ、図7、図8に示すように、長波長化に伴い、x、y共に単調減少することがわかった。ヒト3次元モデル皮膚はほぼ一定の厚みをもつ構造をしているため、上述の式(2)より、吸収係数・散乱係数共に単調減少であると推定される。これは従来の知見とも一致している。また光学式顕微鏡により3次元モデル皮膚の厚みを実測し、式(2)より吸収係数・散乱係数を推定したところ、実際のヒト皮膚における乳頭状真皮(血液を含まない)に対して、インビトロで同定された吸収係数・散乱係数の値とほぼ一致した(R. R. Anderson and J. A. Parrish, The Journal of Investigative Dermatology 77: pp.13-19, 1981)。
[Fit to mathematical model II]
The skin tissues having various amounts of produced melanin obtained in Example 1 were respectively washed with PBS washing solution inside and outside the insert, and then transferred to a quartz glass petri dish, and a reference white plate was placed under this. And the diffuse reflection spectrum was measured using the apparatus mentioned above, and the spatially averaged diffuse reflection spectrum was obtained. When the mathematical model II method described above is applied to the diffuse reflection spectrum of the three-dimensional model skin, as shown in FIGS. 7 and 8, both x 1 and y 1 monotonously decrease as the wavelength increases. I understood. Since the human three-dimensional model skin has a structure with a substantially constant thickness, it is presumed from the above equation (2) that both the absorption coefficient and the scattering coefficient are monotonously decreased. This is consistent with conventional knowledge. In addition, the thickness of the three-dimensional model skin was measured with an optical microscope, and the absorption coefficient / scattering coefficient was estimated from equation (2). As a result, the papillary dermis (not including blood) in actual human skin was in vitro. It almost coincided with the identified absorption coefficient and scattering coefficient (RR Anderson and JA Parrish, The Journal of Investigative Dermatology 77: pp.13-19, 1981).

図7、8は、フェオメラニン濃度とx、yスペクトルとの関係を示しており、これを用いることによりメラニン量を推定することができることが実証された。 7 and 8 show the relationship between the pheomelanin concentration and the x i and y i spectra, and it was demonstrated that the amount of melanin can be estimated by using this.

本発明による計測装置の概略図である。It is the schematic of the measuring device by this invention. 本発明による計測装置に搭載された分光器の構成図である。It is a block diagram of the spectrometer mounted in the measuring apparatus by this invention. フェオメラニンの拡散反射スペクトルに対応するスコアとフェオメラニン量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the score corresponding to the diffuse reflection spectrum of pheomelanin, and the amount of pheomelanin. ユーメラニンの拡散反射スペクトルに対応するスコアとユーメラニン量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the score corresponding to the diffuse reflection spectrum of eumelanin, and the amount of eumelanins. フェオメラニンの分布を示す画像である。It is an image which shows distribution of pheomelanin. ユーメラニンの分布を示す画像である。It is an image which shows distribution of eumelanin. フェオメラニン濃度とxスペクトルとの関係を示すグラフである。Is a graph showing the relationship between the phaeomelanin concentration and x i spectrum. フェオメラニン濃度とyスペクトルとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a pheomelanin density | concentration and yi spectrum.

符号の説明Explanation of symbols

2 白色光源
4 分光器
5 CCDカメラ(検出器)
6 データ処理装置
2 White light source 4 Spectrometer 5 CCD camera (detector)
6 Data processing device

Claims (8)

産生メラニン量が異なる3次元モデル皮膚において拡散反射スペクトルを計測して空間的に平均された拡散反射スペクトルを求める第1のステップと、
化学的に3次元モデル皮膚のメラニン量を定量する第2のステップと、
第1のステップで求めた拡散反射スペクトル対して主成分分析を施してローディングベクトルとスコアを求める第3のステップと、
第3のステップで求めたスコアと第2のステップで定量したメラニン量の関係を式
(ここで、Sは拡散反射スペクトルデータ群より算出したスコア、Mは化学的手法によって求められたメラニン量)に当てはめて検量線を求める第4のステップと、
計測対象物の拡散反射スペクトルを第3のステップで求めたローディングベクトルに射影することでスコアを算出する第5のステップと、
第5のステップで求めたスコアを第4のステップで求めた検量線に当てはめて計測対象物のメラニン量を算出する第6のステップと
を備えたことを特徴とする非侵襲ヒト皮膚メラニン計測法。
A first step of measuring a diffuse reflection spectrum in a three-dimensional model skin having different amounts of produced melanin to obtain a spatially averaged diffuse reflection spectrum;
A second step of chemically quantifying the amount of melanin in the three-dimensional model skin;
A third step of performing a principal component analysis on the diffuse reflection spectrum obtained in the first step to obtain a loading vector and a score;
Expression of the relationship between the score obtained in the third step and the amount of melanin determined in the second step
(Where S is a score calculated from the diffuse reflectance spectrum data group, M is the amount of melanin determined by a chemical method) and a fourth step for determining a calibration curve;
A fifth step of calculating a score by projecting the diffuse reflection spectrum of the measurement object onto the loading vector obtained in the third step;
A non-invasive human skin melanin measurement method comprising: a sixth step of calculating the melanin amount of the measurement object by applying the score obtained in the fifth step to the calibration curve obtained in the fourth step .
拡散反射スペクトルの波長域を620nm−720nmとすることを特徴とする請求項1記載の非侵襲ヒト皮膚メラニン計測法。 The noninvasive human skin melanin measuring method according to claim 1, wherein the wavelength range of the diffuse reflection spectrum is 620 nm to 720 nm. 産生メラニン量が異なる3次元モデル皮膚において拡散反射スペクトルを計測して空間的に平均された拡散反射スペクトルを求める第1のステップと、
化学的に3次元モデル皮膚のメラニン量を定量する第2のステップと、
第1のステップで求めた拡散反射スペクトルから式
(ここで、R1,2,…,nは光の拡散反射率、Tは第i層の拡散透過率)を用いて各波長のx、yスペクトル強度を同定する第3のステップと、
第3のステップで同定された各波長のx、yスペクトル強度と第2のステップで定量されたメラニン量との関係から検量線を求める第4のステップと、
計測対象物の拡散反射スペクトルからx、yスペクトル強度を算出する第5のステップと、
第5のステップで求めたx、yスペクトル強度を第4のステップで求めた検量線に当てはめて計測対象物のメラニン量を算出する第6のステップと
を備えたことを特徴とする非侵襲ヒト皮膚メラニン計測法。
A first step of measuring a diffuse reflection spectrum in a three-dimensional model skin having different amounts of produced melanin to obtain a spatially averaged diffuse reflection spectrum;
A second step of chemically quantifying the amount of melanin in the three-dimensional model skin;
Formula from the diffuse reflectance spectrum obtained in the first step
(Wherein, R 1, 2, ..., n is the diffuse reflection of light, T i is the diffusion transmittance of the i layer) third identifying x i of each wavelength using the y i spectral intensity When,
A fourth step for obtaining a calibration curve from the relationship between the x i , y i spectral intensity of each wavelength identified in the third step and the amount of melanin quantified in the second step;
A fifth step of calculating x i and y i spectral intensities from the diffuse reflection spectrum of the measurement object;
And a sixth step of calculating the melanin amount of the measurement object by applying the x i and y i spectral intensities obtained in the fifth step to the calibration curve obtained in the fourth step. Invasive human skin melanin measurement method.
計測対象物に白色光を照射する白色光源と、前記計測対象物により拡散反射された光を分光する分光器と、この分光器により分光された拡散反射スペクトルを検出する検出器と、この検出器により検出された拡散反射スペクトルのデータが入力されるデータ処理装置と、前記白色光源からの白色光を直線偏光化しこの白色光の偏光面と垂直な直線偏光成分のみを前記分光器に入射させる偏光板とを備えたことを特徴とする非侵襲ヒト皮膚メラニン計測装置。 A white light source that irradiates a measurement object with white light, a spectroscope that divides the light diffusely reflected by the measurement object, a detector that detects a diffuse reflection spectrum that is dispersed by the spectroscope, and the detector A data processing device to which data of the diffuse reflection spectrum detected by is input, and polarized light that linearly polarizes white light from the white light source and causes only the linearly polarized light component perpendicular to the polarization plane of the white light to enter the spectroscope. A non-invasive human skin melanin measuring device comprising a plate. 前記データ処理装置には3次元モデル皮膚のメラニン量のデータが入力されるとともに、前記データ処理装置は、請求項1記載の非侵襲ヒト皮膚メラニン計測法にしたがって計測対象物のメラニン量を算出可能に構成されたことを特徴とする請求項4記載の非侵襲ヒト皮膚メラニン計測装置。 The data processing device receives data on the melanin amount of the three-dimensional model skin, and the data processing device can calculate the melanin amount of the measurement object according to the non-invasive human skin melanin measurement method according to claim 1. The noninvasive human skin melanin measuring apparatus according to claim 4, wherein the noninvasive human skin melanin measuring apparatus is configured. 前記データ処理装置には3次元モデル皮膚のメラニン量のデータが入力されるとともに、前記データ処理装置は、請求項3記載の非侵襲ヒト皮膚メラニン計測法にしたがって計測対象物のメラニン量を算出可能に構成されたことを特徴とする請求項4記載の非侵襲ヒト皮膚メラニン計測装置。 The data processing device receives data on the amount of melanin in the three-dimensional model skin, and the data processing device can calculate the amount of melanin in the measurement object according to the noninvasive human skin melanin measurement method according to claim 3. The noninvasive human skin melanin measuring apparatus according to claim 4, wherein the noninvasive human skin melanin measuring apparatus is configured. 前記検出器は、計測中央部に常に焦点を合わせることができる自動焦点機能を有していることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の非侵襲ヒト皮膚メラニン計測装置。 The non-invasive human skin melanin measuring apparatus according to any one of claims 4 to 6, wherein the detector has an automatic focusing function capable of always focusing on a measurement central portion. 顕微光学系機能を有することを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の非侵襲ヒト皮膚メラニン計測装置。 The noninvasive human skin melanin measuring apparatus according to any one of claims 4 to 6, which has a microscopic optical system function.
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