JP2013533766A - 皮膚組織の自己蛍光値を求めるための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図8
Description
皮膚色が暗色であることに起因する測定AFの低下と相関関係がある、ひいてはこの測定AFの低下を予測する、パラメータを得る目的で、スペクトルからのさまざまなパラメータを策定した。これらのパラメータを用いて線形重回帰分析を実施した。この目的は、策定されたパラメータが、皮膚色用の修正後のAF値からの測定AFの偏差とどのように関連しているかを判定するためである。このモデルに基づき、修正後の皮膚AFを計算するための好適なアルゴリズムと複数の代替案とを作成し、その後、さまざまな皮膚色の健康な被験者における測定値を用いて検証した。
測定装置
図7に示されているように、AGE Readerを用いて皮膚AFを測定した。図7に示されている測定システム1は、ピーク波長が370nmのUV−Aブラックライト管2(F4T5BLB、フィリップス(Philips)社、オランダ国アイントホーフェン(Eindhoven))の形態の蛍光ランプを光源として有する測定ユニット13を備えている。ランプ2は、遮光ケーシング6の形態の支持構造の内部に配置されている。ケーシング6は、前腕の掌側の皮膚の表面23を〜4cm2照明するために、被験者の前腕7の掌側に接して配置される接触面14を有する。光源2のスペクトルが図1に示されている。自己蛍光波長範囲(すなわち、励起放射線の波長範囲外)における皮膚の反射特性を求めるために、白色LEDの形態の第2光源19が設けられている。この光源19のスペクトルも図1に示されている。照射窓8の縁端部に隣接して、〜0.4cm2の皮膚表面から反射された励起光と自己蛍光発光とを45°の角度αで受光するための非接触型光ファイバ3(直径200μm)の一端18が配置されている。皮膚7から受光された、検出対象の放射線がこの光ファイバを通って、検出器アレイ22を有する分光計15(AvaSpec_2048、アバンテス(Avantes)社、オランダ国エールベーク(Eerbeek))に送られる。分析対象の強度スペクトルを分析し、皮膚7内のAGE含有量をディスプレイ17に表示する信号を生成するためにコンピュータソフトウェアを用いてコンピュータ16がプログラミングされる。コンピュータに読み込まれたソフトウェアは、皮膚7に当てられた放射線の波長範囲外の波長範囲の測定電磁放射線量に従って、測定されたAFをディスプレイ17に表示する信号を生成する。この例によると、このソフトウェアは、下記の方法により皮膚組織の光学特性用に修正するために、測定窓18を介して測定された、皮膚7に当てられた放射線の波長範囲内の波長範囲の電磁放射線量を処理するようにさらに設計される。
この研究では、健康な被験者から成る3つの同齢集団を用いた。第1群は、オランダ在住の黒色の皮膚色を有するアフリカ系カリブ人の血統の61人の被験者で構成された。第2群は、中国在住の中間的な皮膚色を有する120人の南部中国人被験者から成る群であった。第3群は、アジアおよびアフリカの血統の、全てオランダ在住の60人の被験者で構成された。健康状態は、臨床的評価によって(第1および第2同齢集団)、または自己記入質問書を用いて(第3同齢集団)得られた。これら同齢集団の全てに関して、UV反射率が12%未満であり、被験者年齢が20才と70才の間の被験者のみが含まれていた。全てのスペクトルが正しく得られなかった被験者は除外された。
本発明による新しい修正方法と好適な新アルゴリズムとを用いて得られた修正AF値を、期待値からの測定AF値の偏差を記述する既存モデルと比較した。個体の期待AFは、AF=0.024×年齢+0.83によって、被験者の年単位の年齢の関数として記述可能である。この関係は、UV反射率値が10%超の健康な白色人種の一大集合に基づく。[Koetsier 2010]。これにより、特定の個体の皮膚AFの偏差は、次のように計算される。
ΔAF=AFm−AF(年齢)=AFm−0.024×年齢−0.83 (1)
式中、AFmは、測定された皮膚AFである。ΔAFは、適合モデルにおける従属変数として用いられた。
AGE Readerによって測定可能な、皮膚色を記述するパラメータは、利用可能な2種類のスペクトルとの関連付けが可能である。第1は、UV光源による照明中に皮膚から直接測定されるスペクトルである。このスペクトルは、皮膚から反射されるUV光の大きいピークと、各AGEのAFに起因する、場合によってはさらに、NADHおよびリポフスチンなど、同じ波長領域の蛍光発光を有する他の皮膚化合物のAFに起因する、小さい放出ピークとを含む。第2に、白色参照基準と比較された相対的な皮膚反射率を表す反射スペクトルが得られる。このスペクトルは、2つの部分で構成される。すなわち、〜350〜410nmのUV光源で測定された部分と、〜415〜675nmの白色光源で測定された部分である。これらのパラメータは、文献研究と自身の観察とに基づいた。
策定されたこれらパラメータにより、後退型線形重回帰分析を用いて、ΔAFのための予測モデルを得た。健康な被験者群は何れも平均期待ΔAFがゼロと想定されるので、予測ΔAF、ΔAFpred、を次のようにAFmのための修正として用いた。
AFcorr=AFm−ΔAFpred (2)
低い皮膚AF値はUV反射率が10%未満の被験者において最初に観察されたので、皮膚AFをUV反射率の関数として記述することによって、皮膚AFの計算用に導出されたアルゴリズムを検証できる。このために、年齢修正後の皮膚AF(年齢)、ΔAFcorr=AFcorr−AF(年齢)、が使用される。要件は、ΔAFcorrがUV反射率に依存しないこと、および平均ΔAFcorrがゼロに近いことである。さらに、被験者年齢に伴う皮膚AF値の増加は、先に見出された基準値に一致する必要がある[Koetsier 2010]。
被験者
表1は、3つの同齢集団の群サイズ、皮膚色、および年齢特性を群別および合計として、モデル開発群と検証群とについて、それぞれ別にまとめたものである。皮膚色の目安としてUV反射率を用いた。第1群(アフリカ系カリブ人の血統の被験者群)では、一方のスペクトルにおける作為のために、1人の被験者を除外した。
表1。使用したデータセットの群特性。
UV反射率(%) 年齢(年数)
群 サイズ 平均±sd 範囲 平均±sd 範囲
モデル開発に使用した測定値
群1(AC) 33 4.59±1.36 2.55〜7.99 41.5±11.5 20〜69
群2(SC) 33 9.16±1.54 6.69〜11.79 40.4±15.8 21〜70
群3(VO) 33 8.49±2.21 4.13〜11.53 40.9±12.8 20〜69
合計 99 7.41±2.66 2.55〜11.79 40.9±13.3 20〜70
検証に使用した測定値
群1(AC) 27 5.32±1.68 3.20〜10.40 41.6±13.5 20〜70
群2(SC) 87 8.61±1.84 4.30〜11.55 46.8±11.3 24〜69
群3(VO) 27 9.03±2.23 4.20〜11.68 33.7±10.4 20〜58
合計 141 8.06±2.31 3.20〜11.68 43.3±12.6 20〜70
各群は、アフリカ系カリブ人(AC)と南中国人(SC)の被験者、およびさまざまな血統(VO)の被験者でそれぞれ構成された。
期待値からのAFの偏差、ΔAF、を予測しうる提案パラメータを以下に説明する。メラニン、ヘモグロビン、またはビリルビンは皮膚内で最も強力な吸収体であるので、大半のパラメータはこれらに関連付けられる。相関関係を求めるために、99被験者のデータセットを用いてこれらパラメータを解析した。表2は、解析したパラメータの予測特性をまとめたものである。
AGE Readerの開発当初から、UV反射率は皮膚色の指標として用いられてきた。この値によって、皮膚AFは、より暗色の皮膚色を有する被験者においては、期待されたより低いことが見出されたが、ΔAFとの線形関係は見出されなかった[Mulder 2006]。UV反射率の逆数値(InvRefl)が提案され、ΔAFに対して直線性を有することが見出された。本モデルにおいては、UV反射率自体ではなく、InvReflがパラメータとして用いられた。
メラニン量は、指数として表されうる。シニチキン(Sinichkin)ら[Sinichkin 2002]は、2つの波長における反射率間の比(または対数スペクトルにおける傾き)を用いてこの指数を求めることができる3つの波長範囲を提供した。
MI1=R390/R360 (3)
式中、Rは反射率であり、下付き文字は波長をnm単位で示す。
MI2=100×(OD650−OD675) (4)
MI3=100×(OD620−OD675) (5)
式中、ODλは、−logRλとして定義される波長λにおける見掛けの光学濃度である。
UVshape=(R360+R390)/(2×R375) (6)
dUVshape=UVshape+0.407×R390−1.036 (7)
紅斑は、皮膚内のヘモグロビンの見掛けの影響が増加している状態である。シニチキン(Sinichkin)ら[Sinichkin 2002]は、反射スペクトルを用いて、使用頻度の高い、紅斑を指数(EI)として評価するパラメータをまとめている。これらの指数は、皮膚AF値に対するヘモグロビンの影響を記述するために使用可能である。紅斑を記述するために2つの異なる方法が使用されている。第1の方法は、次のように計算された、510〜610nmの範囲内の見掛けの光学濃度(OD)のスペクトル曲線下の領域に基づいていた。
EI1=100×(OD560+1.5×[OD545+OD575]−2.0×[OD510+OD610]) (8)
ここで、この波長範囲は、特定のヘモグロビン吸収ピークを含めるために選択された。
EI2=100×(OD560−OD650) (9)
HI=100x([OD544−OD527.5]/16.5−[OD573−OD544]/29) (10)
および
OI=(5100/HI)×([OD573−OD558.5]/14.5−[OD558.5−OD544]/14.5)+42 (11)
ビリルビンは、皮膚AF測定の発光範囲内である470nm近辺に吸収ピークを有し、500nmでは吸収がほぼ皆無である[Anderson 1981]。さらに考えられるビリルビン吸収の影響を評価するために、470および500nmにおける反射率の比をビリルビン指数としてモデルに含めた。
BI=R470/R500 (12)
反射スペクトルに加え、発光スペクトルもΔAFと相関関係がありうる情報を含んでいると期待された。絶対強度は蛍光色素分子の含有量と関連しているので、相対強度のみを使用できる。470および500nm(Em1)、470および570nm(Em2)ならびに600および650nm(Em3)の各波長ペアにおける発光強度比をパラメータとして含めた。470〜500nmおよび600〜650nmの範囲における平均発光間の比をパラメータEm4として含めた。
99被験者のデータセットにおいて、年齢修正後のAF、ΔAF、との線形相関を求めるために、上記のパラメータを評価した。表2は、ΔAFとさまざまなパラメータとの間の相関関係に関して見出された単変量線形相関係数(ピアソン(Pearson)のR2)をまとめたものである。あらゆるパラメータがこのように設計または変換されたため、線形相関関係のみが存在した。各パラメータについてコルモゴルフ‐スミルノフの検定を用いて正規性を評価した。正規性(p)の有意値も表2に示されている。なお、あらゆるパラメータが正規分布を有するわけではないことに留意されたい。
ΔAFを記述するためのモデルを見出すために、上記のように策定されたパラメータを後退型線形重回帰分析に使用した。p=0.05閾値を用いた場合、4つのパラメータが寄与した(dUVshapeと表3に列挙した3つのパラメータ)。相対的寄与が最も低いパラメータ、dUVshape、は、MI1およびRedLnSlopeパラメータのβ値の半分より小さいβ値を有した。本願明細書において、標準化された相関係数βは、他の寄与を基準とした特定のパラメータの相対的寄与を表す。調整後のR2は0.814であり、表3に示されているp<0.01閾値レベルを有する3パラメータモデルによる調整後のR2レベル0.804と実質的に異なっていなかった。他のパラメータの省略という合理的な予測をもたらすことも可能である。例えば被験者年齢パラメータを含めなかった場合、調整後のR2は0.731であった。したがって、表3のパラメータの好適な線形結合からΔAFをかなりの程度まで予測可能であり、皮膚AFを計算するための好適な新アルゴリズムは、これらのパラメータに基づいている。なお、利用可能な測定計器によっては、これら策定されたパラメータのうちの他のパラメータを使用することが実際に好ましい場合もありうる。例えば、RedLnSlopeの代わりに、例えば630nmおよび675nm(または、例えば、これらの値に5、10、または20nm隣接する範囲またはこれらの値の近辺の範囲)における反射率比を使用する、またはMI1の代わりに360〜390nmにおける反射率においてlnを通る線の傾きを使用することも考えられる。
上記のように得られた好適なアルゴリズムを用いて、皮膚AFの修正値、AFcorr、を次式によって計算した。
AFcorr=AFm+α1MI1+α2RedLnSlope+α3Age (13)
式中、AFmは、未修正の測定皮膚AFであり、α1乃至α3は、重回帰分析を用いて導出された増倍率である。検証群内の各個体について、皮膚AF(AFcorr)と年齢調整された皮膚AF(ΔAFcorr)とを計算した。ΔAFcorrは、AFmの代わりにAFcorrを用いて、式(1)で計算された。この群は、アフリカ系カリブ人の同齢集団からの27被験者と、南部中国人の同齢集団からの87被験者と、さまざまな血統の被験者から成る同齢集団からの27被験者とで構成された。年齢調整後の皮膚AFがUV反射率値の関数として図5に示されている。この図では、さらに皮膚AFを計算するための旧方法(a)と新アルゴリズム(b)とを比較している。この新アルゴリズムを用いると、対皮膚AF比(%)で表されたΔAFcorrの平均標準偏差は14.8%である。
本発明は、さまざまな皮膚色を有する被験者における皮膚AFの増加の確実な判定を可能にする、皮膚AF用の新しい計算アルゴリズムを提供する。このアルゴリズムのために、複数のパラメータが策定され、皮膚で測定された反射スペクトルに適用された。策定されたパラメータから選択された少数のパラメータから成るパラメータセットは、暗色の皮膚色を有する被験者に本来観察される皮膚AF値の低下と極めてよく相関する。
AF=xAFm+(1−x)AFcorr
式中、AFmは、測定された、すなわち未修正の、AF値であり、AFcorrは修正後のAF値であり、xは値がゼロと1の間であり、例えば、被験者のUV反射率が(例えば)10%を超える場合は、例えばx=1であり、被験者のUV反射率が(例えば)3%未満の場合は、例えばx=0であるように、被験者のUV反射率の関数である。そこで、x=1の場合は、AF=AFmであり、x=0の場合は、AF=AFcorrである。この場合、高UV反射率を有する被験者については修正は行われず、極めて低いUV反射率を有する被験者についてはフル修正が適用される一方で、前記例において中間のUV反射率を有する被験者については修正が比例的に適用される。
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[Zonios 2008a]G.ゾニオス(Zonios)、A.ジモウ(Dimou)、I.バスクス(Bassukas)、D.ガラリス(Galaris)、A.ツォラキディス(Tsolakidis)、およびE.カヒラス(Kaxiras)共著、「メラニン吸収分光法:皮膚の非侵襲的調査および黒色腫検出のための新方法(Melanin absorption spectroscopy:new method for noninvasive skin investigation and melanoma detection)」、ジャーナル・オブ・バイオメディカル・オプティクス(J Biomed Opt)、第13巻、2008年、14017。
[Zonios 2008b]G.ゾニオス(Zonios)およびA.ジモウ(Dimou)共著、「メラニン光学特性は生体内の化学的および構造的障害の証拠をもたらす(Melanin optical properties provide evidence for chemical and structural disorder in vivo)」、オプティクス・エクスプレス(Opt Express)、第16巻、2008年、p.8263−8268。
Claims (24)
- 被験者の皮膚組織の自己蛍光値を求める方法であって、
−少なくとも1つの波長の、および/または少なくとも1つの波長範囲内の、電磁励起放射線によって前記皮膚組織の物質を照射するステップと、
−前記照射に応じて前記物質から放出された電磁蛍光放射線量を測定するステップと、
−前記測定された蛍光放射線量に基づき、当該被験者の測定自己蛍光値を生成するステップと、
を含み、
前記求められる自己蛍光値は、前記求められる自己蛍光値がさまざまな被験者が有しうるさまざまなUV皮膚組織反射率に依存する程度が最小化、または少なくとも低減、されるように、励起スペクトルの反射部分、および/またはこのような照射に応じた前記物質からの発光スペクトル、の特性のために、および/または前記少なくとも1つの波長以外の、および/または前記少なくとも1つの波長範囲以外の、複数の波長における反射率測定の特性のために、前記測定自己蛍光値を修正することによって、得られる、
方法。 - 第1の波長または波長範囲における第1の測定強度または反射率と、前記第1の波長または波長範囲とは異なる第2の波長または波長範囲において測定された第2の測定強度または反射率との間の関係に応じて、前記測定自己蛍光値を修正することによって、前記求められる自己蛍光値が得られる、請求項1に記載の方法。
- 前記第1および前記第2の波長または波長範囲は、前記皮膚組織が励起のために照射される波長範囲内である、請求項2に記載の方法。
- 前記第1の波長または波長範囲は、360〜365nmの範囲内であり、前記第2の波長または波長範囲は390〜395nmの範囲内である、請求項2または3に記載の方法。
- 前記第1の波長または波長範囲および前記第2の波長または波長範囲は、放出された蛍光放射線が測定される波長範囲内である、請求項2〜4の何れかに記載の方法。
- 前記第1の波長または波長範囲は620〜650nmの範囲内であり、前記第2の波長または波長範囲は675nmより高い範囲内である、請求項2〜5の何れかに記載の方法。
- 前記第1の波長または波長範囲は450〜525nmの範囲内であり、前記第2の波長または波長範囲は620または625nmより高い範囲内である、請求項2〜6の何れかに記載の方法。
- 前記第2の波長または波長範囲は900nm未満である、請求項6または7に記載の方法。
- 前記修正は、前記第1の波長または波長範囲における反射率と前記第2の波長または波長範囲における反射率との間の比のためである、請求項2〜8の何れかに記載の方法。
- 前記第1の波長または波長範囲における前記第1の測定強度または反射率と前記第2の波長または波長範囲における前記第2の測定強度または反射率との間の前記関係は、前記第2の波長または波長範囲における前記第2の測定強度または反射率に対する前記第1の波長または波長範囲における前記第1の測定強度または反射率の対数を表すグラフの傾きを求めることによって得られる、請求項2〜9の何れかに記載の方法。
- 傾きが求められる前記グラフは、620nm超の波長において前記被験者から得られた反射スペクトルの対数を表す、請求項10に記載の方法。
- 前記測定された自己蛍光は、反射特性と測定された自己蛍光との間の前記関係に対する被験者の年齢の前記影響を表す係数に応じてさらに修正され、前記修正された自己蛍光値は、その後、その年齢のヒトの基準自己蛍光値と比較される、請求項2〜11の何れかに記載の方法。
- 前記求められる自己蛍光値は次式によって得られ、
AFcorr=AFm+α1MI1+α2RedLnSlope+α3Age
式中、
−AFcorrは、前記求められる、すなわち修正された、自己蛍光値であり、
−AFmは、前記測定された、すなわち未修正の、自己蛍光値であり、
−MI1は、前記励起放射線の範囲300nm〜420nm内の2つの異なる波長における前記皮膚組織に対する反射率値の比、あるいは前記範囲300nm〜420nmにおける反射スペクトルの対数における傾きなどの関連値であり、
−RedLnSlopeは、620nm超の波長における反射スペクトルの対数における傾き、または620nm超の波長における反射率値の間の比などの関連値であり、
−Ageは、当該被験者の年齢であり、
−α1、α2、およびα3は、例えば複数の被験者のデータセットに対する回帰分析によって求められた、係数である、
先行請求項の何れかに記載の方法。 - 前記求められる自己蛍光値は、ある波長または波長範囲における反射率または前記反射率の対数に応じて前記測定された自己蛍光を修正することによって得られる、先行請求項の何れかに記載の方法。
- 前記求められる自己蛍光値は、前記測定された自己蛍光を前記反射率の前記対数に応じて修正することによって得られ、前記波長または波長範囲は450〜525の範囲である、請求項11に記載の方法。
- 前記求められる自己蛍光値は、前記UV波長範囲(300〜420nm)にわたる反射率の、直線からの、偏差に応じて、前記測定された自己蛍光を修正することによって得られる、先行請求項の何れかに記載の方法。
- 前記求められる自己蛍光値に基づき、当該被験者の前記(皮膚)組織に蓄積された糖化最終産物(AGE)含有量が推定される、先行請求項の何れかに記載の方法。
- 測定された自己蛍光値と修正された自己蛍光値との組み合わせに基づき、糖化最終産物(AGE)含有量または被験者の健康上のリスクが推定される、請求項17に記載の方法。
- 前記組み合わせは、次式の形態であり、
AF=xAFm+(1−x)AFcorr
式中、AFmは、測定された自己蛍光値であり、AFcorrは、修正された自己蛍光値であり、xは、ゼロと1の間の値を有し、例えば、被験者の前記UV反射率が5%と20%の間のパーセント値を超えた場合はx=1であり、被験者の前記UV反射率が1%と5%の間のパーセント値未満の場合はx=0であるように、例えば、被験者の前記UV反射率の関数である、請求項18に記載の方法。 - 被験者の皮膚組織の自己蛍光値を求めるための装置であって、
特定の照射窓の背後から電磁励起放射線によって無傷の皮膚組織を生体内で非侵襲的に照射するための、放射線源を備えたピックアップユニットと、
前記皮膚組織からの電磁蛍光放射線を測定するための検出器と、
前記測定された前記組織からの蛍光放射線量に従って前記組織の自己蛍光値を生成する手段と、
を備え、
前記手段は、励起スペクトルの反射部分、および/またはこのような照射に応じた前記物質からの発光スペクトル、の特性のために、および/または前記少なくとも1つの波長以外の、および/または前記少なくとも1つの波長範囲以外の、複数の波長における複数の反射率測定値の特性のために、前記測定された自己蛍光値を修正するように構成される、
装置。 - 前記放射手段は、420nmより高い範囲内の少なくとも2つの互いに異なる波長または波長範囲において放射線を選択的に放射するように構成される、請求項20に記載の装置。
- 前記検出手段は、420nmより高い範囲内の少なくとも2つの互いに異なる波長または波長範囲において放射線を選択的に検出するように構成される、請求項20に記載の装置。
- 前記検出器によって検出される放射線が実質的に皆無でない場合は、前記放射線源の作動を防止するように構成される、請求項20〜22の何れかに記載の装置。
- 実質的に、420nmより高い少なくとも1つの波長範囲においてのみ、前記照射窓の背後から電磁放射線によって皮膚組織を照射するための放射線源をさらに備え、
前記装置は、実質的に、420nmより高い少なくとも1つの波長範囲においてのみ、前記電磁放射線によって前記皮膚が照射されるとき、照射対象の皮膚のための基準特性に合った反射率が前記検出器によって検出されない場合は、前記放射線源の作動を防止するように構成される、請求項23に記載の装置。
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