JP2017064391A - 表面特性測定方法、表面特性測定装置、及び表面特性測定プログラム - Google Patents

表面特性測定方法、表面特性測定装置、及び表面特性測定プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】物質の表面特性を精度良く評価することのできる表面特性測定技術を提供する。
【解決手段】表面特性測定方法は、測定対象物に超音波を照射して前記測定対象物からの反射信号を取得し、測定装置にて前記測定対象物からの反射信号と、あらかじめ取得した参照物質からの参照反射信号との相互相関関数の最大値を計算し、前記相互相関関数の最大値を用いて界面での反射成分を計算し、前記反射成分と前記参照反射信号の比較結果に応じて、前記測定対象物の音響インピーダンスと前記参照物質の音響インピーダンスのいずれか一方を測定値として出力する。
【選択図】図６

Description

本発明は、表面特性の測定に関し、特に、超音波を利用した物体表面・表層の物理特性の測定に関する。
物体表面・表層の特性の評価は様々な分野で有用である。たとえば、生体の場合、生体の表面・表層に存在するのは皮膚であり、皮膚の特性である肌質を把握することで、肌質に応じたスキンケアを行って健康な皮膚を維持することができる。美容・化粧品の分野では、肌質は一般に美容技術者による問診などを通して評価されている。また、計測機器を使用して皮膚の力学特性（肌の柔軟性、弾力性など）や光学特性（肌のつや透明感など）を測定し、肌の状態や機能を客観的に評価することも行われている。
非侵襲計測機器を用いた従来の皮膚の物理特性の測定は、皮膚を表層から一定の条件で応力を負荷したり、一定の変位を加えた上で反力や応答を測定する方法が一般的であり、その値をもって、皮膚全体の物理特性の評価値として検出してきた。しかし皮膚を構成する各層（角層、表皮、真皮、皮下組織）の寄与がすべて含まれた値として特性値が検出されている。皮膚を構成する各層には、それぞれの役割、機能があるので、各層を個別に測定、評価できることが望ましい。
特に、皮膚の最外層にある角層は、生命活動の維持に必要なバリア機能や保湿機能を備えていることから、その特性値の正確な測定は、医療、製薬の分野で重要な課題である。また、スキンケアの訴求対象が薬事的には角層に限定されていることから、角層のみの特性評価は、美容・化粧品の分野でも有意義である。しかし、従来の応力・変位付加型の非侵襲皮膚計測機器では、角層のみの物理特性を測定する事はできなかった。皮膚の各層別の物理特性値を測定したい場合は、非侵襲的な手法ではなく、生検などの切除皮膚片を用いた侵襲的な手法を用いる必要があった。たとえば特許文献１の方法は、皮膚の断層標本を作製することで皮膚断面の音速分布を測定する方法であり、皮膚断層の各層別の音速、つまり体積弾性率を指標とする物理特性値で皮膚の各部位におけるかたさを計測することが可能である。
図１は、従来法で切り取った皮膚断面切片の音速分布画像である。図１の（Ａ）は若年者の頬の皮膚切片、図１の（Ｂ）は高齢者の頬の皮膚断面切片である。図１に掲載するように、紫外線露光部皮膚（頬）においては、最表層の角層の音速は高く（かたく）なる一方で、真皮中層の音速つまり体積弾性率が低下する（やわらかくなる）といった複合的な変化が見られることが分かっている。こういった複合的な変化が見られる測定対象については、従来の応力・変位付加型の非侵襲皮膚計測機器では、表面・表層の物理特性のみを評価することは不可能である。実際に紫外線露光部皮膚（頬）を非侵襲皮膚計測機器として汎用される、吸引法による皮膚粘弾性測定装置（皮膚を一定の圧力で減圧した際に浮き上がる皮膚の高さを評価する方法）で評価すると、真皮が柔らかくなる影響が大きく反映されてしまい、表面・表層がかたくなる現象を捉えることはできていない。
なお、従来の応力・変位付加による非侵襲の皮膚計測機器とは別に、近年、超音波を用いて、非侵襲的に皮膚の異なる深さでのかたさ情報を得る手法が提案されている（特許文献２参照）。この方法は、異なる周波数成分を含む超音波を皮膚に照射して、反射波の音響インピーダンスを計算することで、異なる深さにある複数の層の情報を測定する方法で、皮膚内部からの情報と、皮膚表面・表層の情報と切り分けることが可能で、皮膚表面・表層のみの物理特性を得ることが可能になっている。
特開２００７−２７１７６５号公報 特開２００６−２７１７６５号公報
上述した特許文献２の手法は、プローブの先端を皮膚に押し当て、皮膚から異なる周波数の反射波を受信し、測定することで、皮膚を構成する各層の情報を取得している。
しかし、この手法では皮膚表面に存在する細かい凹凸（皮溝と皮丘）の影響が考慮されていない。実際にはプローブの先端を皮膚に押し当てても、皮溝の部分はプローブの先端面に接触しづらく、接触していない部分では角層の正確な音響インピーダンスを取得することができない。この問題点は、皮膚測定に限らず、歯片や爪などの生体の表面測定や、微細な凹凸が存在する有機または無機の表面・表層の測定にも当てはまる。
そこで、本発明は、物質の表面特性を精度良く評価することのできる表面特性測定の手法と構成を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、測定対象物からの反射波形と、参照物質（具体的には超音波伝達媒体（カプラント）として用いる純水など）からの反射波形である参照波形との間の相互相関関数の最大点で反射成分を抽出し、この反射成分と参照波形との比較結果に応じて表面特性を表わす音響インピーダンスを算出する。
具体的には、表面特性測定方法は、
測定対象物に超音波を照射して前記測定対象物からの反射信号を取得し、
測定装置にて、前記測定対象物からの反射信号と、あらかじめ取得した参照物質からの参照反射信号との相互相関関数の最大値を計算し、
前記相互相関関数の最大値を用いて界面での反射成分を計算し、
前記反射成分と前記参照反射信号の比較結果に応じて、前記測定対象物の音響インピーダンスと前記参照物質の音響インピーダンスのいずれか一方を測定値として出力する。
上記手法により、物質の表面特性を精度良く測定することができる。
既存技術（特許文献１の方法）で測定した皮膚断面のかたさ分布図である。 実施形態の表面特性測定装置の概略図である。 図２の表面特性測定装置のブロック図である。 超音波の反射状態を示す図である。 本発明の原理を説明する図である。 測定対象からの反射波形と参照波形との相互相関を説明する図である。 実施形態の表面特性測定方法のフローチャートである。 参照波との相互相関をとらない場合の測定結果を示す図である。 参照波との相互相関をとった場合の測定結果を示す図である。 測定結果を画像表示する場合の処理フローである。 実施形態の表面特性測定装置を用いて実際に測定した皮膚表面の状態を示す画像である。 図１１で得られた測定データに基づく年代別の平均音響インピーダンスを示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図２は、実施形態の表面特性測定装置１の概略図である。表面特性測定装置１は、プローブ２と、情報処理装置３を有する。プローブ２は、先端に超音波が透過する音響窓５を有する。音響窓５の測定対象と接する材料は、測定対象とは異なる既知の音響インピーダンスを有し、超音波を通過しうる硬質の材料（たとえば硬質の樹脂等）で形成される。
プローブ２は、情報処理装置３と通信可能である。図２の例ではケーブル４で接続されているが、無線接続されていてもよい。プローブ２の音響窓５からは、二次元走査されて送信される超音波が測定対象物に照射され、その反射波はプローブ２で受信され、電気信号に変換されて出力される。受信された反射波には、測定対象物に関する情報が含まれている。
プローブ２は手で把持可能で、たとえば皮膚を計測する場合、手で持ち、被験者の皮膚に直接当てることもできる。また、体の動きに影響を受けることなく精度の高い計測を行いたい場合には、プローブ２を固定したり、プローブ２と頬を両面テープで固定して使用することも可能である。
情報処理装置３は、プローブ２で受信された反射波を解析して、測定対象物の表面特性を検出する。情報処理装置３としては、ノート型コンピュータ、タブレット端末等、演算処理機能と表示機能を有する任意の情報処理装置を用いることができる。実施形態では、情報処理装置３は、測定対象物からの反射波形と、参照波形との相互相関の最大をとることで、測定対象物の内部成分からの反射波形への干渉、および表面形態の凹凸の影響（音響窓への接触、非接触による反射波形への影響）を除去して、正確な表面・表層の音響インピーダンスを抽出する。たとえば、測定対象物が皮膚であるときは、皮膚内部の表皮や真皮からの干渉や、表面形状（きめ、しわなど）の凹凸の影響を除外した、正確な皮膚表層（角層）のかたさや弾性などの物理特性情報を取得する。測定対象物が歯であるときは、内部のセメント質や象牙質の影響、および表面形状（粗さ）の凹凸の影響を除外した、正確な表面のエナメル質のかたさなどの情報を測定する。測定対象が多層フィルムや多層コーティング材の場合は、内部の積層の影響や、表面形状の凹凸の影響を低減して、最表層のかたさや弾性などの情報を測定する。
図３は、図２の表面特性測定装置１のブロック図である。プローブ２は、超音波センサ回路２１と、インタフェース（Ｉ／Ｆ）２７を有する。インタフェース２７は、上述のように無線インタフェースであってもよいし、物理的なインタフェースであってもよい。
超音波センサ回路２１は、送信部２２と、受信部２４と、送受波を分離する送受波分離回路２５と、トランスデューサ２８を有する。送信部２２は、パルス発生回路２３を有する。パルス発生回路２３は、所定のタイミングで駆動パルスを生成する。送信部２２は、送受波分離回路２５を介して、駆動パルスをトランスデューサ２８に印加する。トランスデューサ２８は、パルス（電気）信号を機械的振動に変換して超音波を出力する。
トランスデューサ２８は、測定対象物から反射された反射波を受け取り、反射波を電気信号に変換する。受信電気信号は、送受波分離回路２５により受信部２４に供給される。受信部２４は、アナログ電気信号を検波し、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）でデジタル信号に変換する。デジタル信号（反射波）は、インタフェース２７を介して、情報処理装置３に送信される。
情報処理装置３は、ＣＰＵ３１、インタフェース（Ｉ／Ｆ）３２、メモリ３３、ＤＳＰ（Digital Signal Processor：デジタル信号プロセッサ）３４、入力装置３５、表示装置３６、及び記憶装置３７を有する。プローブ２から送信される反射波信号は、インタフェース３２を介してＤＳＰ３４に入力され、ＤＳＰ３４で信号処理される。
入力装置３５は、タッチパネル、マウス、キーボード等の入力ユーザインタフェースである。表示装置３６は、液晶、プラズマ、有機ＥＬ（electroluminescence）等のモニタディスプレイである。記憶装置３７は、磁気ディスク装置、光ディスク装置等のハードディスクドライブであり、各種プログラムやデータを格納する。メモリ３３は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）やＲＯＭ（リードオンリーメモリ）を含み、超音波測定のためにあらかじめ取得された参照物質の反射波形とその音響インピーダンスを保存する。
ＤＳＰ３４は、測定対象物からの反射波形と参照物質からの反射波形の最大の相互相関に基づいて、測定対象物の音響インピーダンスから表面特性を決定する。実施形態では、ＤＳＰ３４が超音波反射波の信号処理を行うものとして説明するが、後述する表面特性測定プログラムを用いる場合は、ＣＰＵ３１が記憶装置３７に格納された表面特性測定プログラムを読み出して信号解析を実行してもよい。
図４は、超音波の反射状態を示す図である。たとえば、皮膚表面の角層５１を測定する場合を考える。皮膚は、表皮５２、真皮５３、皮下組織（不図示）と多層で形成されている。表皮５２の最表面が角層５１である。皮膚の表面には細かい凹凸、すなわち皮溝５５と皮丘５６がある。皮溝５５は、肌の表面を微細な皮丘５６に区画する溝であるが、皮溝が深く粗くなったしわや毛穴の部分も皮溝５５に含まれる。プローブ２の音響窓５を皮膚に押し当てた場合でも、実際は、皮溝５５は音響窓５と接触していない。音響窓５と皮溝５５の間には、水、ゲル等のカプラント（超音波結合媒体）１０が存在する。超音波は空気層でほぼ１００％反射されるため、超音波測定では、通常はカプラント１０を介在させて、トランスデューサ２８と皮膚の間の音エネルギーの伝達を確保する。
皮溝５５の部分では、音響窓５は角層５１と直接接触できず、カプラント１０に接触する。そのため、従来法では角層５１の正確な音響インピーダンスを取得することができない。実際は皮溝５５であっても、皮丘５６として処理されるからである。微細な凹凸のある測定対象物の表面特性を測定する場合は、凸部（たとえば皮丘５６）で取得される音響インピーダンスと凹部（たとえば皮溝５５）での音響インピーダンスを区別して評価する必要がある。
図５は、実施形態の原理を説明する図である。実施形態では、あらかじめ参照物質としてのカプラント１０からの反射波形を表わす参照信号と、その音響インピーダンスを取得しておく。測定対象物（たとえば皮膚）で反射された超音波の反射波形と、参照波形との最大の相互相関をとることで、表面の角層５１よりも深い層からの反射成分を除去して、音響窓５の界面での反射情報を抽出する。これを参照信号と比較することで、音響窓５が直接皮膚に接触しているのか、カプラント１０が入り込んだ皮溝５５の部分なのかを判断する。
音響窓５が角層５１と直接接触している部分では、反射波形ｓt1が得られる。最大ピークは、角層５１と音響窓５の界面で反射された成分である。最大ピークの後ろに現れる複数の小さなピークは、角層５１よりも深い部分で反射された成分である。たとえば角層５１と表皮５２の界面、表皮５２と真皮５３（図４参照）の界面、真皮５３と皮下組織の界面などで反射された成分である。
他方、音響窓５が角層５１と接触しない部分では、反射波形ｓt1とは異なる反射波形ｓt2が得られる。これは、音響窓５とカプラント１０の界面で反射された成分と、カプラント１０と角層５１の界面で反射された成分を含む、さらに、反射波形ｓt1と同様に、皮膚のさらに深い部分からの反射成分も含む。
カプラント１０からの反射波の参照波形を取得するために、音響窓５または音響窓５と同質、同じ厚さの基板をカプラント１０のみに接触させ、音響窓５とカプラント１０の界面からの反射波を取得しておく。これが参照波ｓrである。
図６は、相互相関関数を説明する図である。実施形態では、測定された反射波と参照波のそれぞれのフーリエ変換の相互相関関数を計算するが、図６では説明の便宜上、フーリエ変換前の時間領域での波形で相互相関関数を説明する。
相互相関関数は、測定対象物（ターゲット）からの反射波ｓtと参照波ｓrの積を積分してから、それぞれの波形の実効値（ｒｍｓ：二乗平均平方根）の積で除算した値であり、−１から１の値をとる。デジタルサンプリングされた波形を多次元ベクトルとすると、ターゲットからの反射波ｓtと参照波ｓrの相関は、ベクトルの内積を絶対値の積で除算した値となる。波形の時間差を変化させながら相関係数を計算した結果が、相互相関関数となる。
参照物質からの参照波ｓrも、ターゲットからの反射波ｓtも、音響窓５との界面からの反射が最も強い。音響窓５との界面よりも後ろ（奥）からの反射は、音響窓５の界面からの反射に比較して小さい。したがって、ターゲットからの反射波ｓtと、参照波ｓrとの相互相関関数が最大となる点が、音響窓５との界面の位置を示す。このときの相互相関関数をＲmaxとする。
相互相関関数の最大値をとることで、音響窓５の界面よりも奥の部分での反射成分を除去する。なお、音響窓５または基板が凸状に湾曲している場合は、図７に於いてＲmaxを与える位置にずれが生じる。すなわち、相互相関関数が最大となるときの時間軸上の位置Δｔはゼロでなくなる。
測定対象物（ターゲット）からの時間領域の反射波ｓtをフーリエ変換して、周波数領域の反射信号Ｓtを計算する。また、参照波ｓrをフーリエ変換して、周波数領域の参照信号Ｓrを計算する。これらを用いて、相互相関関数が最大となるときの界面における反射成分Ｓt(1)の大きさを求める。Ｓt(1)は式（１）から計算される。
ここで、Ｒmはフーリエ変換された反射信号Ｓtと参照信号Ｓrの相互相関関数の最大値、|Ｓt|は反射信号Ｓtの絶対値、|Ｓr|は参照信号Ｓrの絶対値である。
上述のように、Ｓt(1)は、音響窓５が直接物質と接触する界面での反射強度である。Ｓt(1)とＳrの大きさが等しければ、音響窓５に直接接触するのはカプラント１０であり、皮溝５５の部分に相当すると判別することができる。この場合は、あらかじめ取得した参照物質（カプラント１０）の音響インピーダンスを出力する。なお、本明細書と特許請求の範囲で反射信号と参照信号の大きさが「等しい」というときは、カプラントや音響窓の材質のばらつき、測定条件のばらつき等に起因するわずかな誤差を含むものとする。
Ｓt(1)がＳrよりも小さい場合は（Ｓt(1)＜Ｓr）、音響窓５に直接接触する物質の音響インピーダンスは、参照物質であるカプラント１０の音響インピーダンスよりも大きいので、角層５１に接していると判別できる。この場合は、式（２）から、角層５１の音響インピーダンスを計算する。
ここで、Ｚtは音響窓５（または超音波照射窓）に接触している角質（皮膚）の音響インピーダンス、Ｚsは音響窓の音響インピーダンス、Ｚrは参照物質の音響インピーダンス、Ｓtはフーリエ変換後の反射信号、Ｓrはフーリエ変換後の参照信号である。
求めた音響インピーダンスを他の力学特性、たとえば体積弾性率に変換してもよい。音響インピーダンスや、変換後の力学特性を画像化することで、皮膚表面の凹凸状態や弾性を視覚的に把握することができる。
図７は、実施形態の表面特性測定方法のフローチャートである。まず、参照物質から反射された成分を表わす参照信号Ｓｒとその音響インピーダンスをあらかじめ取得する（Ｓ１０１）。参照物質から反射された参照信号Ｓｒと音響インピーダンスは、メモリ３３に記憶される。参照物質としては、上述したカプラント１０の他、水、ゲルなどを用いてもよい。参照物質からの反射信号（参照信号）Ｓrは、フーリエ変換後の値とする。
また、測定対象物質（ターゲット）からの反射信号Ｓtを取得する（Ｓ１０２）。この反射信号Ｓtもフーリエ変換後の値である。次に、反射信号Ｓtと参照信号Ｓrの相互相関関数の最大値Ｒmを計算する（Ｓ１０３）。
測定結果と、算出したＲmを用いて、音響窓５の界面における反射成分Ｓt(1)を計算する（Ｓ１０４）。界面での反射成分Ｓt(1)が参照信号Ｓrよりも小さいか否かを判断する（Ｓ１０５）。界面での反射成分Ｓt(1)が参照信号Ｓrよりも小さい場合は（Ｓ１０５でＹＥＳ）音響窓５が測定対象物と実際に接触していることを意味する。この場合は、測定対象物の音響インピーダンスを算出して出力する（Ｓ１０６）。
界面での反射成分Ｓt(1)が参照信号Ｓrよりも小さくない場合は（Ｓ１０５でＮＯ）、音響窓５が直接接触しているのは、参照物質であることを意味する。皮膚表面の場合は、皮溝５５に当たる部分を測定していることを意味する。この場合は、参照物質の音響インピーダンスを出力する（Ｓ１０７）。所定の範囲にわたって音響インピーダンスが得られたら、表面特性を評価して（Ｓ１０８）、処理を終了する。
上記の方式により、超音波を用いた表面特性の測定で、表面の微細な凹凸や力学特性を精度良く測定し、評価することができる。たとえば、人の皮膚表面の評価としては、きめの細かさ、なめらかさ、弾性等から何十歳代の皮膚状態に相当するかを評価することができる。
図８は、ターゲットからの反射波と参照波の相互相関を用いない場合の生体ヒト皮膚の超音波画像と、Ｘ−Ｘ'ラインでの音響インピーダンスを示す。画像の横軸は長さ（μｍ）、縦軸は音響インピーダンス（Ｐａ・ｓ／ｍ3）である。
図９は、図８と同じサンプルに対して、上述した実施形態の手法を適用したときの超音波画像と、Ｘ−Ｘ'ラインでの音響インピーダンスを示す。
図８と図９はともに、健常な２０代男性の前腕内側（屈側）における皮膚の２次元プロファイルの音響インピーダンス画像を示している。皮膚は、洗浄後に一定時間乾燥させた後に測定した。測定には、４０〜１２０ＭＨｚのトランスデューサ―を用い、カプラントには超純水、皮膚を接触させる基板にはアクリル板を用いた。最も表面で反射される波長に焦点を合わせ、２００×２００ピクセルで画像を取得した。
図８の従来法では、Ｘ−Ｘ'ライン上のＡ点とＢ点で、内部の層からの反射が干渉となって、低い値になっている。これに対し、図９の方法では、内部からの反射成分を除去して、角層５１のみの値が算出されている。このように、実施形態の方法によると、表面凹凸情報を正確に取得することができる。
図１０は、取得した音響インピーダンスを画像情報として表示するときの処理フローを示す。この処理も、情報処理装置３のＤＳＰ３４、またはＣＰＵ３１で行うことができる。図７と同じ工程には同じ符号を付けて説明する。まず、参照物質からの反射信号（フーリエ変換信号）Ｓrとその音響インピーダンスをあらかじめ取得する（Ｓ１０１）。超音波を測定対象物に対して相対的に走査する際の、測定点の座標データを取得する（Ｓ２０１）。相対的な走査は、固定の測定対象物に対してプローブ２を走査してもよいし、超音波センサ回路２１を固定とし、サンプルを保持するステージを２次元駆動してもよい。
次に、各測定点での音響インピーダンスを取得する（Ｓ２０２）。音響インピーダンスの取得は、図７のＳ１０２〜Ｓ１０７のように、フーリエ変換した参照信号とターゲットからの反射信号の相互相関関数の最大に基づく界面反射強度と参照信号強度の比較により、ターゲットの音響インピーダンスまたは参照物質の音響インピーダンスが取得される。音響インピーダンスに応じた階調あるいは色で画像データを生成する（Ｓ２０３）。
他の測定点があるか否かを判断し（Ｓ２０４）、他の測定点がある場合は（Ｓ２０４でＹＥＳ）、Ｓ２０１〜Ｓ２０３を繰り返す。すべての測定点についてＳ２０１〜Ｓ２０３の処理を完了すると（Ｓ２０４でＹＥＳ）、画像を表示する（Ｓ２０５）。
上記のフローで、いったんすべての測定点について、反射波とそのフーリエ変換値を座標値と対応づけてメモリ３３に記憶した後に、各座標点での音響インピーダンスを計算してもよい。この場合も、すべての座標点での画像データが生成されたなら、表示装置３６に表示される。また、音響インピーダンスを別の力学特性に変換し、変換値に応じた階調または色で表示してもよい。
上記の方法により、実際に音響窓５に接触する角層５１と、皮溝５５に当たる部分とを区別し、かつ、内部層からの反射成分を排除して、正確な表面特性の測定が実現する。
図１１は、実施形態の表面特性測定装置１を用いて実際に測定した皮膚表面の状態を示す画像である。２０歳代から８０歳代までの女性７０人の頬の皮膚表面を測定している。７０人の内訳は、２０代（２０〜２９歳）が１９人、４０代（４０〜４９歳）が１５人、６０代（６０〜６９歳）が１９人、７０代及び８０代（７０〜８６歳）が１７人である。
測定方法として、今回は、体の動きによる影響を排除してより正確な値を求めるため、プローブ２を垂直に固定して、音響窓５が水平になるように配置した。この音響窓５に対して被測定者の頬を水平に接するように配置し、表面特性測定装置１のプローブ２の先端を頬に押し当て、測定対象部位の皮膚に超音波を照射して測定対象部位からの反射信号を取得して音響インピーダンスを計算した。プローブ２の音響窓５は、厚さ０．５ｍｍのアクリルで形成されている。被測定者の頬に、あらかじめカプラントとして生理食塩水を塗布した。測定は、湿度が４５％、温度が２５℃の一定の条件下で行った。
図１１は、各測定グループで、音響インピーダンスの分布の代表例を選択した結果を示す。画像中の音響インピーダンスが高い部分（白色及び色の薄い部分）が皮膚、音響インピーダンスが低い部分（黒または色の濃い部部）は気泡やカプラントである。測定部位からの反射信号は、あらかじめ取得した参照物質（生理食塩水）の参照反射信号との相互相関がとられ、相互相関関数の最大値を指標に、界面での反射成分を計算して音響インピーダンスが計算されている。算出された音響インピーダンスは、内部反射による干渉成分が除去された正確な測定結果を示している。
年齢が高くなるにつれ、画像中のインピーダンスは白くなっている（高インピーダンス）ことがわかる。図１１（Ａ）の２０代の皮膚は、全体的にインピーダンス分布が均一である。これは、皮丘が弾力を持って均等に盛り上がり、きめが揃っていることを示す。４０代、６０代、８０代と年齢が進むにつれて、高インピーダンス部分が増える。これは、加齢にともなって角層が厚くなり、きめが粗くなっているためと考えられる。また、４０代、６０代で局所的に低インピーダンス部分存在するのは、角層の肥厚によるしわ、ひび割れにカプラントが入り込んで音響インピーダンスが低くなっているためと考えられる。このように、音響インピーダンスを用いた皮膚表面の測定結果からは、凹凸の影響や皮膚内部の影響を除く、角層の正確な音響インピーダンス値だけでなく、肌のきめの細かさや、なめらかさについても情報を得ることができる。
図１２は、図１１の測定結果に基づく年代別の平均音響インピーダンスを示す。グループ分けした４つのグループのうち、２０代（２０〜２９歳）の平均音響インピーダンスを年齢「２０」に示す。４０代（４０〜４９歳）の平均音響インピーダンスを年齢「４０」に示す。６０代（６０〜６９歳）の平均音響インピーダンスを年齢「６０」に示す。７０代及び８０代（７０〜８６歳）の音響インピーダンスを年齢「８０」に示す。年齢が高くなるにつれ、音響インピーダンスが高くなる傾向がみられ、加齢にともなう角層の硬化との関連性が推察される。
図１１のように、あらかじめ各年代別の平均音響インピーダンス分布を取得しておくことで、被測定者の肌年齢を推定することができる。肌年齢は実際の年齢と一致することもあれば、一致しないこともある。測定された肌年齢が実際の年齢よりも高い場合は、そごの程度に応じた措置を推奨することができる。
このように、実施形態の表面特性測定の構成と手法を用いることで、より正確な表面特性の評価（図７のステップＳ１０８）が実現できる。
上記の方法を表面特性測定プログラムで実現する場合は、メモリ３３または記憶装置３７にあらかじめ表面特性測定プログラムを記憶し、ＣＰＵ３１で表面特性測定プログラムを読み出して実行する。表面特性測定プログラムは、ＣＰＵ３１に、
（ａ）測定対象物に照射された超音波の反射信号を取得する手順と、
（ｂ）前記測定対象物からの反射信号と、あらかじめ取得された参照物質からの参照反射信号との相互相関関数の最大値を計算する手順と、
（ｃ）前記相互相関関数の最大値を用いて前記測定対象物の界面での反射成分を計算する手順と、
（ｄ）前記反射成分と前記参照反射信号の比較結果に応じて、前記測定対象物の音響インピーダンスと前記参照物質の音響インピーダンスのいずれか一方を測定値として出力する手順と、
を実行させる。これにより表面特性を高精度に測定することができる。
本発明によれば、検体または試料の表面の硬さ情報を精度良く測定することができるため、皮膚、毛髪、爪、歯片など生体表面の力学特性、有機または無機の表面・表層の物理特性や欠陥の有無等の評価に利用することができる。
１ 表面特性測定装置
２ プローブ
３ 情報処理装置
５ 音響窓
２１ 超音波センサ回路
３１ ＣＰＵ（プロセッサ）
３３ メモリ
３４ ＤＳＰ（信号処理部）
３７ 記憶装置

Claims (13)

  1. 測定対象物に超音波を照射して前記測定対象物からの反射信号を取得し、
    測定装置にて、前記測定対象物からの反射信号と、あらかじめ取得した参照物質からの参照反射信号との相互相関関数の最大値を計算し、
    前記相互相関関数の最大値を用いて界面での反射成分を計算し、
    前記反射成分と前記参照反射信号の比較結果に応じて、前記測定対象物の音響インピーダンスと前記参照物質の音響インピーダンスのいずれか一方を測定値として出力する、
    ことを特徴とする表面特性測定方法。
  2. 前記反射成分の強度が前記参照反射信号の強度よりも小さい場合に、前記測定対象物の音響インピーダンスを算出して出力することを特徴とする請求項１に記載の表面特性測定方法。
  3. 前記反射成分の強度が前記参照反射信号よりも小さくない場合は、前記参照物質の音響インピーダンスを出力することを特徴とする請求項１に記載の表面特性測定方法。
  4. 前記反射成分は、前記参照反射信号と、前記参照反射信号に対する前記測定対象物からの反射信号の比と、前記相互相関関数の最大値とを乗算して得られることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面特性測定方法。
  5. 前記測定対象物に対して超音波を一次元または二次元的に相対的に走査し、
    座標点ごとに前記測定値を出力する
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面特性測定方法。
  6. 前記超音波の照射は、前記測定装置のプローブの音響窓を前記測定対象物に接触させて照射することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面特性測定方法。
  7. 前記参照物質は水またはゲル状の物質であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面特性測定方法。
  8. 前記測定対象物は皮膚であり、
    前記測定値に基づいて、前記皮膚の弾性、きめ、毛穴、しわの少なくともひとつを評価することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の表面特性測定方法。
  9. 前記測定対象物は有機または無機の単層または積層の物質であり、
    前記測定値に基づいて、最表層の表面粗さ、弾性、欠陥の少なくともひとつを評価することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の表面特性測定方法。
  10. プロセッサに、
    測定対象物に照射された超音波の反射信号を取得する手順と、
    前記測定対象物からの反射信号と、あらかじめ取得された参照物質からの参照反射信号との相互相関関数の最大値を計算する手順と、
    前記相互相関関数の最大値を用いて、界面での反射成分を計算する手順と、
    前記反射成分と前記参照反射信号の比較結果に応じて、前記測定対象物の音響インピーダンスと前記参照物質の音響インピーダンスのいずれか一方を測定値として出力する手順と、
    を実行させる表面特性測定プログラム。
  11. 測定対象物に超音波を照射して前記測定対象物からの反射信号を受信する超音波送受信部と、
    あらかじめ測定した参照物質からの参照反射信号の強度と、前記参照物質の音響インピーダンスを記憶するメモリと、
    前記測定対象物からの反射信号と前記参照反射信号との相互相関関数の最大値に基づいて界面での反射成分を計算し、前記反射成分と前記参照反射信号の比較結果に応じて、前記測定対象物の音響インピーダンスと前記参照物質の音響インピーダンスのいずれか一方を測定値として出力する信号処理部と、
    を有することを特徴とする表面特性測定装置。
  12. 前記信号処理部は、前記反射成分の強度が前記参照反射信号の強度よりも小さいときは前記測定対象物の音響インピーダンスを算出して出力することを特徴とする請求項１１に記載の表面特性測定装置。
  13. 前記信号処理部は、前記反射成分の強度が前記参照反射信号よりも小さくない場合は、前記参照物質の音響インピーダンスを前記メモリから読み出して出力することを特徴とする請求項１１に記載の表面特性測定装置。
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