JP2021141964A

JP2021141964A - 肌水分量測定装置

Info

Publication number: JP2021141964A
Application number: JP2020040833A
Authority: JP
Inventors: 友介坂上; Yusuke Sakagami
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2021-09-24

Abstract

【課題】安全で、精度よく肌水分量を測定できる肌水分量測定装置を提供する。【解決手段】肌水分量測定装置１は、肌表面１２に配置された電極１０と、電極に並列に配置された外部抵抗Ｒgと、電極と外部抵抗との間に設けられた第１の切り替えスイッチＳrとを備え、肌表面の静電容量と外部抵抗とで、ハイパスフィルタが構成され、第１の切り替えスイッチを切り替えて、電極に外部抵抗が接続されていないとき、及び、電極に外部抵抗が接続されているときに、電極に生じる第１及び第２の電圧の周波数特性を測定し、第１及び第２の電圧の周波数特性から、ハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性を算出して、ハイパスフィルタの遮断周波数を求め、遮断周波数に基づいて、肌表面の静電容量を求めることにより、肌表面の水分量を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は、生体の肌表面における静電容量を求めることにより、肌表面の水分量を測定する肌水分量測定装置に関する。

生体の肌表面の静電容量を求めることにより、肌表面の水分量を測定する方法が知られている。例えば、特許文献１には、絶縁膜で覆われた電極対を、生体の肌表面に押しつけ、電極対に高周波電圧を印加することによって、肌表面の静電容量を求め、静電容量に基づいて、肌表面の水分量を測定する方法が開示されている。この方法は、水の比誘電率が大きいため、肌表面の水分量が多いと、肌表面における静電容量が大きくなり、肌表面の水分量が少ないと、肌表面における静電容量が小さくなることを利用したものである。
の水分量の評価は、皮膚表面の電気伝導度又は電気容量を測定することにより行われてきた。例えば、田上らは、３．５ＭＨｚの高周波を用いて電気伝導度及び電気容量を測定することにより、肌水分量を測定している（香粧会誌、Ｖｏｌ．４、Ｎｏ．２、１９８０年）。

特開２０１９−１０５６０４号公報

特許文献１に開示された方法は、生体に高周波電圧を印加する必要があるため、皮膚疾患などで肌が弱い場合には、生体を傷つけるおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、その主な目的は、安全で、精度よく肌水分量を測定できる肌水分量測定装置を提供することにある。

本発明に係る肌水分量測定装置は、肌表面に配置された電極と、電極に並列に配置された外部抵抗と、電極と外部抵抗との間に設けられた第１の切り替えスイッチとを備え、肌表面における生体の静電容量と外部抵抗とで、ハイパスフィルタが構成されており、第１の切り替えスイッチを切り替えて、電極に外部抵抗が接続されていないときに電極に生じる第１の電圧の周波数特性、及び、電極に外部抵抗が接続されているときに電極に生じる第２の電圧の周波数特性を測定し、第１の電圧の周波数特性、及び第２の電圧の周波数特性から、ハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性を算出することにより、ハイパスフィルタの遮断周波数を求め、遮断周波数に基づいて、肌表面における生体の静電容量を求めることにより、肌表面の水分量を測定する。

本発明によれば、安全で、精度よく肌水分量を測定できる肌水分量測定装置を提供することができる。

本発明の一実施形態における肌水分量測定装置の構成を模式的に示した回路図である。肌表面における生体の静電容量を求めるステップを説明したフローチャートである。（ａ）、（ｂ）は、Ｖ_１の波形、及びＶ_２の波形の一例を示した図である。（ａ）、（ｂ）は、Ｖ_１の周波数特性、及びＶ_２の周波数特性の一例を示した図である。ハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性の一例を示した図である。（ａ）〜（ｃ）は、肌表面の水分量における静電容量と遮断周波数との関係を示した図である。本実施形態における変形例１を示した回路図である。（ａ）、（ｂ）は、静電容量と遮断周波数との関係を示した図である。本実施形態における変形例２を示した回路図である。本実施形態における変形例３を示した回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態における肌水分量測定装置の構成を模式的に示した回路図である。

図１に示すように、本実施形態における肌水分量測定装置１は、生体の肌表面１２に配置された電極１０と、電極１０に並列に配置された外部抵抗Ｒgと、電極１０と外部抵抗Ｒgとの間に設けられた第１の切り替えスイッチＳrとを備えている。外部抵抗Ｒgの一端は、グランド電極１１に接続されている。

生体内の信号源Ｖbで発生した電気信号は、肌表面１２に配置した電極１０で検出される。電極１０で生じた電圧は、増幅器２０で増幅されて、出力電圧Ｖoutとして計測される。

ここで、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcは、従来の方法の測定によれば、大凡、数十ｐＦ程度であることが知られている。一方、肌表面１２以外の生体の静電容量Ｃbは、生体組織の比誘電率が、生体電位の周波数帯域において、大凡６×１０^４程度であることから、大凡、数百ｎＦ程度となる。

肌表面１２に配置した電極で生体電位を測定した場合、ＣcとＣbとが直列に接続されていると仮定すると、Ｃb≫Ｃcであることから、ＣcとＣbの合成容量は、Ｃcが支配的になる。すなわち、Ｃcが、肌表面１２における生体の静電容量を反映していると考えられる。従って、本実施形態において、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcと、外部抵抗Ｒgとで、ハイパスフィルタが構成されていると考えられる。

次に、図２を参照しながら、図１に示した構成の回路を用いて、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcを求めるステップを説明する。

まず、第１の切り替えスイッチＳrをオフに切り替えて、電極１０に外部抵抗Ｒgが接続されていないときに、電極１０に生じる第１の電圧Ｖ_１の波形を測定する。同様に、第１の切り替えスイッチＳrをオンに切り替えて、電極１０に外部抵抗Ｒgが接続されているときに、電極１０に生じる第２の電圧Ｖ_２の波形を測定する（ステップＳ１）。図３（ａ）、（ｂ）に、Ｖ_１の波形、及びＶ_２の波形の一例を示す。なお、縦軸の電圧の大ききは任意である。

次に、測定したＶ_１の波形、及びＶ_２の波形を、公知の手法を用いて、それぞれ周波数特性に変換する（ステップＳ２）。図４（ａ）、（ｂ）に、Ｖ_１の周波数特性、及びＶ_２の周波数特性の一例を示す。なお、縦軸の電圧の大ききは任意である。

次に、変換したＶ₁の周波数特性、及びＶ_２の周波数特性から、静電容量Ｃcと外部抵抗Ｒgとで構成されたハイパスフィルタにおけるゲイン（Ｖ_２／Ｖ_１）の周波数特性を算出する（ステップＳ３）。図５に、ハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性の一例を示す。

次に、算出したハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性から、ハイパスフィルタの遮断周波数を求める（ステップＳ４）。具体的には、図５に例示したゲインの周波数特性のグラフを用いて、ゲインが（１／２）^１／２（約０．７）になる周波数ｆcを求める。

ここで、ハイパスフィルタにおける遮断周波数ｆcは、下記の式（１）で表される。

従って、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcは、外部抵抗Ｒgと遮断周波数ｆcとを用いて、下記の式（２）から求められる（ステップＳ５）。

最後に、求めた生体の静電容量Ｃcから、予め求めておいた静電容量Ｃcと肌表面１２の水分量との関係を用いて、肌表面１２の水分量を求める（ステップＳ６）。

以上、説明したように、本実施形態では、図１に示した回路構成により、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcと、外部抵抗Ｒgとで、ハイパスフィルタを構成し、このハイパスフィルタの遮断周波数ｆcから、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcを求めることにより、肌表面１２の水分量を求めることができる。

ここで、ハイパスフィルタの遮断周波数ｆcは、電極１０に外部抵抗Ｒgが接続されていないときに電極１０に生じる第１の電圧Ｖ_１の周波数特性、及び、電極１０に外部抵抗Ｒgが接続されているときに電極１０に生じる第２の電圧Ｖ_２の周波数特性を測定し、第１の電圧Ｖ_１の周波数特性、及び第２の電圧Ｖ_２の周波数特性から、ハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性を算出することにより求めることができる。

本実施形態によれば、生体内で発生した電気信号を、肌表面１２に配置した電極１０で検出することによって、生体に高周波電圧を印加することなく、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcを求めることができる。これにより、皮膚疾患などで肌が弱い場合でも、生体を傷つけることなく、安全で、精度よく、肌表面１２の水分量を求めることができる。

ところで、肌表面１２の水分量が変動すると、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcも変動する。従って、ハイパスフィルタにおける遮断周波数ｆcは、上記の式（１）で表されるように、外部抵抗Ｒgが一定であるため、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcが変動すると、遮断周波数ｆcも変動する。

例えば、図６（ａ）に示すように、肌表面１２のある水分量における静電容量Ｃcに対して、遮断周波数ｆcが求められた場合、水分量の減少に伴い静電容量Ｃcが減少したとき、遮断周波数ｆcは、図６（ｂ）に示すように、高周波数側にシフトする。また、水分量の増加に伴い静電容量Ｃcが増加したとき、遮断周波数ｆcは、図６（ｃ）に示すように、低周波数側にシフトする。

生体内の信号源Ｖbの電気信号は、低周波（０．０１〜１０００Ｈｚ）であるため、肌表面１２に配置した電極１０で検出される電圧Ｖ_１、Ｖ_２の周波数も低い。例えば、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の周波数範囲が、幅Ｗであるとすると、ゲイン（Ｖ_２／Ｖ_１）が、図６（ａ）に示したような周波数特性であれば、遮断周波数ｆcを求めることができるが、もし、図６（ｂ）、（ｃ）に示したような周波数特性であれば、遮断周波数ｆcを求めることができない。

そのため、外部抵抗Ｒgは、静電容量Ｃcの想定される範囲において、遮断周波数ｆcの変動が、生体内の信号源Ｖbの周波数範囲内に収まるように、その大きさを調整することが好ましい。

（変形例１）
図７は、本実施形態における変形例１を示した回路図である。

図７に示すように、本変形例における肌水分量測定装置１は、図１に示した肌水分量測定装置１の構成に加えて、電極１０に直列に配置された外部容量Ｃgと、電極１０と外部容量Ｃgとの間に設けられた第２の切り替えスイッチＳ_Ｃ０、Ｓ_Ｃ１とをさらに備えている。

本変形例１においては、肌表面１２における生体の静電容量Ｃc及び外部容量Ｃgと、外部抵抗Ｒgとで、ハイパスフィルタが構成されている。

図７に示した構成の回路を用いて、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcを求めるステップは、以下の通りである。

まず、第１の切り替えスイッチＳrをオフ、第２の切り替えスイッチＳ_Ｃ０をオン、Ｓ_Ｃ１をオフに切り替えて、電極１０に外部容量Ｃg及び外部抵抗Ｒgが接続されていないときに、電極１０に生じる第１の電圧Ｖ_１の波形を測定する。同様に、第１の切り替えスイッチＳrをオン、第２の切り替えスイッチＳ_Ｃ０をオフ、Ｓ_Ｃ１をオンに切り替えて、電極１０に外部容量Ｃg及び外部抵抗Ｒgが接続されているときに、電極１０に生じる第２の電圧Ｖ_２の波形を測定する。

次に、測定したＶ_１の波形、及びＶ_２の波形を、公知の手法を用いて、それぞれ周波数特性に変換する。

次に、変換したＶ₁の周波数特性、及びＶ_２の周波数特性から、静電容量Ｃc及び外部容量Ｃgと、外部抵抗Ｒgとで構成されたハイパスフィルタにおけるゲイン（Ｖ_２／Ｖ_１）の周波数特性を算出する。

次に、算出したハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性から、ハイパスフィルタの遮断周波数ｆcを求める。

ここで、静電容量Ｃc及び外部容量Ｃgの合成容量Ｃ’は、下記の式（３）で表される。

従って、合成容量Ｃ’と外部抵抗Ｒgで構成されたハイパスフィルタにおける遮断周波数ｆcは、下記の式（４）で表される。

上記の式（４）から、合成容量Ｃ’は、外部抵抗Ｒgと遮断周波数ｆcとを用いて、下記の式（５）から求められる。

従って、上記の式（３）より、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcは、下記の式（６）を用いて求めることができる。

上述したように、静電容量Ｃcが小さいとき、遮断周波数ｆcは、図８（ａ）の周波数特性Ａに示すように、高周波数側にシフトする。この場合、上記の式（４）に示すように、外部抵抗Ｒgを大きくすることによって、図８（ａ）の周波数特性Ｂに示すように、遮断周波数ｆc’を、生体内の信号源Ｖbの周波数範囲Ｗ内に収めることができる。

また、静電容量Ｃcが大きいとき、遮断周波数ｆcは、図８（ｂ）の周波数特性Ｃに示すように、低周波数側にシフトする。この場合、上記の式（４）に示すように、外部容量Ｃgを小さくすることによって、図８（ｂ）の周波数特性Ｂに示すように、遮断周波数ｆc’を、生体内の信号源Ｖbの周波数範囲Ｗ内に収めることができる。

従って、想定される静電容量Ｃcが一番小さいときに、第１の切り替えスイッチＳrをオン、第２の切り替えスイッチＳ_Ｃ０をオン、Ｓ_Ｃ１をオフに切り替えて、静電容量Ｃcと外部抵抗Ｒgとで、ハイパスフィルタを構成し、外部抵抗Ｒgを、ハイパスフィルタの遮断周波数ｆcが、生体内の信号源Ｖbの周波数範囲Ｗ内に収まる大きさに調整することが好ましい。

また、想定される静電容量Ｃcが一番大きいときに、第１の切り替えスイッチＳrをオン、第２の切り替えスイッチＳ_Ｃ０をオフ、Ｓ_Ｃ１をオンに切り替えて、静電容量Ｃc及び外部容量Ｃgと外部抵抗Ｒgとで、ハイパスフィルタを構成し、外部容量Ｃgを、ハイパスフィルタの遮断周波数ｆcが、生体内の信号源Ｖbの周波数範囲Ｗ内に収まる大きさに調整することが好ましい。

このように、外部抵抗Ｒg及び外部容量Ｃgの大きさを調整することによって、想定される静電容量Ｃcの変動に対して、ハイパスフィルタの遮断周波数ｆcを、生体内の信号源Ｖbの周波数範囲Ｗ内に収めることができる。これにより、肌水分量をより精度よく測定することができる。

（変形例２）
図９は、本実施形態における変形例２を示した回路図である。

図９に示すように、本変形例における肌水分量測定装置１は、図１に示した肌水分量測定装置１の構成において、外部抵抗Ｒgが、抵抗値の異なる複数の外部抵抗Ｒg_１、Ｒg_２、Ｒg_３（図９では３つの外部抵抗を例示）からなる。

図９に示した構成の回路を用いて、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcを求めるステップは、以下の通りである。

まず、第１の切り替えスイッチＳr_１、Ｓr_２、Ｓr_３をオフに切り替えて、電極１０に外部抵抗Ｒg_１、Ｒg_２、Ｒg_３が接続されていないときに、電極１０に生じる第１の電圧Ｖ_１の波形を測定する。同様に、第１の切り替えスイッチＳr_１、Ｓr_２、Ｓr_３の少なくも一つをオンに切り替えて、電極１０に外部抵抗Ｒg_１、Ｒg_２、Ｒg_３の少なくとも一つが接続されているときに、電極１０に生じる第２の電圧Ｖ_２の波形を測定する。

次に、変換したＶ₁の周波数特性、及びＶ_２の周波数特性から、静電容量Ｃcと、外部抵抗Ｒg_１、Ｒg_２、Ｒg_３の少なくとも一つとで構成されたハイパスフィルタにおけるゲイン（Ｖ_２／Ｖ_１）の周波数特性を算出する。

最後に、求めた遮断周波数ｆcから、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcを求めることにより、肌表面１２の水分量を測定する。

本変形例においては、複数の外部抵抗Ｒg_１、Ｒg_２、Ｒg_３を切り替えることによって、ハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性を、よりきめ細やかに調整することができる。これにより、遮断周波数をより精度よく求めることができるため、肌水分量をより精度よく測定することができる。

（変形例３）
図１０は、本実施形態における変形例３を示した回路図である。

図１０に示すように、本変形例における肌水分量測定装置１は、図７に示した肌水分量測定装置１の構成において、外部容量Ｃgが、容量値の異なる複数の外部容量Ｃg_１、Ｃg_２、Ｃg_３（図１０では３つの外部容量を例示）からなる。

図１０に示した構成の回路を用いて、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcを求めるステップは、以下の通りである。

まず、第１の切り替えスイッチＳrをオフ、第２の切り替えスイッチＳ_Ｃ０をオン、Ｓ_Ｃ１、Ｓ_Ｃ２、Ｓ_Ｃ３をオフに切り替えて、電極１０に外部容量Ｃg_１、Ｃg_２、Ｃg_３及び外部抵抗Ｒgが接続されていないときに、電極１０に生じる第１の電圧Ｖ_１の波形を測定する。同様に、第１の切り替えスイッチＳrをオン、第２の切り替えスイッチＳ_Ｃ０をオフ、Ｓ_Ｃ１、Ｓ_Ｃ２、Ｓ_Ｃ３の少なくとも一つをオンに切り替えて、電極１０に外部容量Ｃg_１、Ｃg_２、Ｃg_３の少なくとも一つ、及び外部抵抗Ｒgが接続されているときに、電極１０に生じる第２の電圧Ｖ_２の波形を測定する。

次に、変換したＶ₁の周波数特性、及びＶ_２の周波数特性から、静電容量Ｃc及び外部容量Ｃg_１、Ｃg_２、Ｃg_３の少なくとも一つと、外部抵抗Ｒgとで構成されたハイパスフィルタにおけるゲイン（Ｖ_２／Ｖ_１）の周波数特性を算出する。

本変形例においては、複数の外部容量Ｃg_１、Ｃg_２、Ｃg_３を切り替えることによって、ハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性を、よりきめ細やかに調整することができる。これにより、遮断周波数をより精度よく求めることができるため、肌水分量をより精度よく測定することができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、図１に示した回路構成において、電極１０を、絶縁体を介して、肌表面１２に配置してもよい。この場合、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcと、絶縁体による静電容量との合成容量を、上記式（２）を用いて求め、その後、求めた合成容量と、絶縁体による静電容量の容量値から、肌表面１２における生体の静電容量Ｃcを求めることができる。絶縁体としては、生体が着る衣服等でもよい。

１肌水分量測定装置
１０電極
１１グランド電極
１２肌表面
２０増幅器
Ｃg、Ｃg_１、Ｃg_２、Ｃg_３外部容量
Ｒg、Ｒg_１、Ｒg_２、Ｒg_３外部抵抗
Ｓr_１、Ｓr_２、Ｓr_３第１の切り替えスイッチ
Ｓc_０、Ｓc_１、Ｓc_２、Ｓc_３第２の切り替えスイッチ

Claims

生体の肌表面の水分量を測定する肌水分量測定装置であって、
前記肌表面に配置された電極と、
前記電極に並列に配置された外部抵抗と、
前記電極と前記外部抵抗との間に設けられた第１の切り替えスイッチと
を備え、
前記肌表面における生体の静電容量と、前記外部抵抗とで、ハイパスフィルタが構成されており、
前記第１の切り替えスイッチを切り替えて、前記電極に前記外部抵抗が接続されていないときに前記電極に生じる第１の電圧の周波数特性、及び、前記電極に前記外部抵抗が接続されているときに前記電極に生じる第２の電圧の周波数特性を測定し、
前記第１の電圧の周波数特性、及び第２の電圧の周波数特性から、前記ハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性を算出することにより、前記ハイパスフィルタの遮断周波数を求め、
前記遮断周波数に基づいて、前記肌表面における生体の静電容量を求めることにより、前記肌表面の水分量を測定する、肌水分量測定装置。
前記電極に直列に配置された外部容量と、
前記電極と前記外部容量との間に設けられた第２の切り替えスイッチと、
をさらに備え、
前記肌表面における生体の静電容量及び前記外部容量と、前記外部抵抗とで、ハイパスフィルタが構成されており、
前記第１の切り替えスイッチ及び前記第２の切り替えスイッチを切り替えて、前記電極に前記外部容量及び前記外部抵抗が接続されていないときに前記電極に生じる第１の電圧の周波数特性、及び、前記電極に前記外部容量及び前記外部抵抗が接続されているときに前記電極に生じる第２の電圧の周波数特性を測定し、
前記第１の電圧の周波数特性、及び第２の電圧の周波数特性から、前記ハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性を算出することにより、前記ハイパスフィルタの遮断周波数を求め、
前記遮断周波数に基づいて、前記肌表面における生体の静電容量を求めることにより、前記肌表面の水分量を測定する、請求項１に記載の肌水分量測定装置。
前記外部抵抗は、抵抗値の異なる複数の外部抵抗からなり、
前記第１の切り替えスイッチを切り替えて、前記電極に前記複数の外部抵抗が接続されていないときに前記電極に生じる第１の電圧の周波数特性、及び、前記電極に前記複数の外部抵抗の少なくとも一つに接続されているときに前記電極に生じる第２の電圧の周波数特性を測定し、
前記第１の電圧の周波数特性、及び第２の電圧の周波数特性から、前記ハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性を算出することにより、前記ハイパスフィルタの遮断周波数を求め、
前記遮断周波数に基づいて、前記肌表面における生体の静電容量を求めることにより、前記肌表面の水分量を測定する、請求項１に記載の肌水分量測定装置。
前記外部容量は、容量値の異なる複数の外部容量からなり、
前記第１の切り替えスイッチ及び前記第２の切り替えスイッチを切り替えて、前記電極に前記複数の外部容量及び前記外部抵抗が接続されていないときに前記電極に生じる第１の電圧の周波数特性、及び、前記電極に前記複数の外部容量の少なくとも一つ、及び前記外部抵抗が接続されているときに前記電極に生じる第２の電圧の周波数特性を測定し、
前記第１の電圧の周波数特性、及び第２の電圧の周波数特性から、前記ハイパスフィルタにおけるゲインの周波数特性を算出することにより、前記ハイパスフィルタの遮断周波数を求め、
前記遮断周波数に基づいて、前記肌表面における生体の静電容量を求めることにより、前記肌表面の水分量を測定する、請求項２に記載の肌水分量測定装置。
前記外部抵抗の抵抗値をＲg、前記遮断周波数をｆcとしたとき、前記肌表面における生体の静電容量Ｃcは、以下の式（１）に基づいて求められる、請求項１に記載の肌水分量測定装置。
前記外部容量の容量値をＣg、前記外部抵抗の抵抗値をＲg、前記遮断周波数をｆcとしたとき、前記肌表面における生体の静電容量Ｃcは、以下の式（２）に基づいて求められる、請求項２に記載の肌水分量測定装置。
前記電極は、絶縁体を介して、前記肌表面に配置されている、請求項１〜４の何れかに記載の肌水分量測定装置。