JP3939984B2 - 弾性体の物性の測定装置 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は皮膚の物性のような、弾性体の物性を測定するのに好適な装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、皮膚の様な弾性体の物性を測定する装置としては、皮膚上に密着子を密着させ、吸引脱気して、それによる皮膚の表面の変形の程度を測定する、所謂キュートメーターや、皮膚の表面上で接触子を回転させそれに対して皮膚側から生じる応力を測定するツイストメーターなどの装置が知られている。この様な装置においては、皮膚の方向性を考慮した測定が行えず、厳密な意味での定量的な測定が出来ない難点が存在する。また、これらの装置で負荷される力は皮膚に日常的にかかる力ではない。
【０００３】
任意の方向における皮膚の伸展能を測定できる装置として、エクステンソメーターが知られている（Ａｃｔａ．Ｄｅｒｍ．Ｖｅｎｅｒｅｏｌ．（Ｓｔｏｃｋｈ），１９９７，７７：４１６−４１９）。しかしながら、この装置で測定される物性は伸展能のみである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
皮膚には、その真皮においてコラーゲン線維構造が存在し、この為、方向による物性の著しい相違があることを本発明者らは見出している。従って、測定の方向性を厳密にコントロールしなければ、皮膚に於いて意味のある物性は測定し得ない。さらに、皮膚を引っ張ってその伸展能を測定するエクステンソメーターは、シワ形成との関連性を検討するのに最適な物性測定機とは言えない。
【課題の解決手段】
【０００５】
本発明は、この様な状況下為されたものであり、測定方向の厳密なコントロールが出来、かつ、皮膚等の弾性体の表面におけるシワ形成に一層関連した物性などの測定の出来る弾性体の物性の測定装置を提供することを課題とする。 この様な実状に鑑みて、本発明者らは、鋭意研究努力を重ねた結果、実際にヒト顔面皮膚が日常的に受ける力を模倣した外力による皮膚変形を解析すること、すなわち、皮膚を収縮させたときの皮膚の応力を測定及び解析することが可能な弾性体の物性の測定装置を用いることにより、かかる測定が可能であることを見出した。即ち、本発明は次のような技術に関するものである。
（１） 皮膚変形により生じる応力を測定することにより皮膚の表面及び内部構造の物性を測定する装置であって、測定対象である皮膚の表面と接触する、位置固定と位置合わせが可能なアームの先端に取り付けられた接触子を少なくとも２つ有し、該接触子の少なくとも１つが皮膚の表面に沿った方向に可動性であり、該可動性接触子を動かす動力部、該動力部の動作を制御する制御部、接触子の運動によって生じる応力を電気信号として検知する検知部、及び検知部により検知された応力の電気信号と可動性接触子の運動量とを処理する処理部とを有し、皮膚の表面と接触した接触子の動作が２個の接触子の接近動作と接近動作後の保持静止動作を含んでいることを特徴とする装置。
（２） 前記皮膚の内部構造が、皮下におけるコラーゲンの線維束構造であることを特徴とする、（１）に記載の測定装置。
（３） 接触子間距離を縮める接近動作（ｓｔｅｐ １）、接触子間距離を維持する保持静止動作（ｓｔｅｐ ２）及び接触子間距離を元に戻す復帰動作（ｓｔｅｐ ３）からなるサイクルで得られる、ｓｔｅｐ １における収縮時の応力の最大値、ｓｔｅｐ ２の維持時における減衰する応力の最大値、及びｓｔｅｐ ３における収縮解放時に減衰する応力の最大値、ｓｔｅｐ ２の維持時において応力が最大値からＦ２／ｅ（Ｆ２＝ｓｔｅｐ ２の維持時における減衰する応力の最大値、ｅ＝２．７１８）まで減衰するのにかかる時間、から選択されるパラメータを測定することによって、皮膚の表面及び内部構造の物性を測 定することを特徴とする、（１）又は（２）に記載の測定装置。
（４） 前記物性がシワの形成と関連する物性である、（１）〜（３）何れか１項に記載の測定装置。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明について、実施の形態を中心に詳細に説明を加える。
（１）本発明の弾性体の物性の測定装置の接触子
本発明の弾性体の物性の測定装置は、少なくとも２つの接触子を有し、該接触子の少なくとも１つは皮膚の表面に沿った方向に可動性であることを特徴とする。これは、接触子の間の距離を変化させることにより、接触子が固定されている弾性体を変形させ、その変形に伴って生じる応力変化が、弾性体の物性の特徴を示すからである。この場合、接触子を２つとして、一方を固定し、他方を可動性とすることも出来るし、両方とも可動性とすることも出来る。両方とも可動性にした場合には応力変化の解析が前者に比べて複雑化する。又、接触子を３本以上にして更に複雑な変形パターンに対する応力変化を測定・解析する装置も本発明の弾性体の物性の測定装置の技術的範囲に属する。尚、測定時において、前記接触子は可動性のものも非可動性のものも何れも弾性体上に接着剤や粘性物質で固定されていることが好ましい形態であるが、弾性体上の滑り抵抗の評価などを加味する場合には、固定せずに、接触部分を摩擦係数の大きい形状にして用いることも出来る。
【０００７】
（２）本発明の弾性体の物性の測定装置の動力部
本発明の弾性体の物性の測定装置は動力部を有する。該動力部は上記可動性接触子を動かす動力源となる。この様な動力源としてはモーターなどが好適に例示できる。例えば、モーターにより生じた回転運動はカムやプーリーなどによって直線運動に変換され、可動性接触子を直線的に運動させる。該動力部によって駆動された可動性接触子の運動量は接触子の位置座標や回転数などの可動部の運動特性によりモニターされる。
【０００８】
（３）本発明の物性の測定装置の制御部
上記動力部によって生じた運動エネルギーは、接触子を例えば直線的に運動させるが、かかる運動は制御部によって制御される。これは、過剰な運動量が接触子にかかると弾性体表面を破壊することがあったり、運動制御が適切に為されないと測定値への信頼性が損なわれることがあったりするためである。かかる制御は上記運動量モニターの結果をもとに行われることが好ましい。又、この様な制御は、コンピューターなどによって管理され、可動性接触子の運動パターン（動作）を決める手段となる。この様なコンピューターとしては市販されているパーソナルコンピューターを使用することが出来る。
本発明の物性の測定装置における可動性接触子の運動パターンは、弾性体の表面と接触した接触子の動作が２個の接触子の接近動作と接近動作後の保持静止動作を含むように設定される。好ましくは、接触子間距離を縮める接近動作、接触子間距離を維持する保持静止動作及び接触子間距離を元に戻す復帰動作からなる基本サイクルを繰り返す運動パターンを用い、最後のサイクルで得られた測定値に基いて解析する。接触子間距離の初期値及びその短縮値ならびに短縮速度は、弾性体の種類によって適宜選択されるが、皮膚の場合には、通常には初期値３〜１０ｍｍ、短縮値０．５〜５ｍｍ及び短縮速度０．５〜２ｍｍ／秒の範囲から選択される。サイクル数は、通常には、１〜５回である。
これにより、皮膚などの弾性体のシワ形成に一層強く影響を及ぼすと考えられる物性を調べることができる。
【０００９】
（４）本発明の弾性体の物性の測定装置の検知部
本発明の弾性体の物性の測定装置の検知部は、可動性接触子の運動によって生じる、弾性体由来の応力を検知する。この様に検知された応力は、電気信号として後記の処理部へ伝達される。この様に可動性接触子の運動によって生じる応力は、弾性体の表面の物理的特性を示すものであり、可動性接触子の運動パターンにより、弾性値の種々の物性が反映された数値として検出される。
【００１０】
（５）プローブ
上記の接触子、動力部及び検知部は１つのユニットであるプローブを構成していることが使用勝手上好ましい。この様なプローブは測定時、位置が固定される構造をとることが好ましい。かかる位置固定手段としては、金属製の骨格とバネ部を有し、位置固定と位置
合わせが可能な、所謂アームの先端に取り付けられていることが好ましい。この様な構造をとることにより、接触子の位置と方向を自由に変えることができ、弾性体の表面について任意の方向でその物理特性を測定することが出来る。かかるアームの変形容易性は、接触子の可動性より低くなければならない。また、接触子を囲むガードリングを設けることが好ましい。ガードリングを設けることにより、測定範囲外の部分による影響を最小化することができる。ガードリングとしては、例えば、正方形の筒状のものや、二重の円筒状で、内側の筒は外側の筒内をスライドでき、バネにより内側の筒が外側の筒よりも突出するように付勢されているものが挙げられる。弾性体に接触する部分には、滑り止めとしてシリコーンをコーティングしてもよい。
【００１１】
（６）本発明の弾性体の物性の測定装置の処理部
本発明の弾性体の物性の測定装置の処理部は、可動性接触子の運動量と可動性接触子の運動によって生じた応力とを処理する部分であり、通常のパーソナルコンピューターを用いれば良く、その処理は専用のプログラムを作成しても良いが、例えば、マイクロソフト社製のエクセルなどの表計算ソフトを利用して、運動量（或いは可動性接触子の位置座標）をＸ軸に、応力をＹ軸にとってプロットすることが出来る。この様なプロットをグラフ上に行うと、弾性体ごとの特徴あるパターンを得ることが出来る。
得られたパターンは、全体として解析してもよいし、パターンの一部をパラメーターとして解析してもよい。例えば、接触子間距離を縮める接近動作（ｓｔｅｐ １）、接触子間距離を維持する保持静止動作（ｓｔｅｐ ２）及び接触子間距離を元に戻す復帰動作（ｓｔｅｐ ３）からなる基本サイクルで得られるパターンにおいて、ｓｔｅｐ １における収縮時の応力の最大値（図６中、Ｆｍａｘ又は図９中、Ｆ１）、ｓｔｅｐ ２における維持時に減衰する応力の最大値（図６中、Ｆｖ又は図９中、Ｆ２）、ｓｔｅｐ ３における収縮解放時に減衰する応力の最大値（図９中、Ｆ３）、ｓｔｅｐ ２における維持時において応力が最大値からＦ２／ｅ（Ｆ２＝ｓｔｅｐ ２の維持時における減衰する応力の最大値、ｅ＝２．７１８）まで減衰するのにかかる時間（図９中、Ｔ）が挙げられる。
本発明の弾性体の物性の測定装置は、さらに、処理部によって処理されたデータを表示する表示部を有することが好ましい。表示部は、例えば、ディスプレイである。
本発明の弾性体の物性の測定装置によれば、弾性体の表面そのものに起因する物性と、弾性体の内部構造に起因する物性とを合わせた形での物性を測定することができる。このような物性に反映される特性としては、老化に伴う弾力消失、光老化に伴う変化、シワ形成に関連する特性などが例示できる。
本発明の弾性体の物性の測定装置の具体例を図５を参照して説明する。接触子は、先端に滑り止めのシリコーン部材１をつけたアーム２により構成される。アーム２のプローブ側に、検知部として歪み計３が取り付けられる。アーム２の一方は、動力部であるステッパーモーター４により可動にされている。歪み計３からの電気信号は、歪み増幅器６により増幅され、応力信号調節器７を通して処理部であるコンピューター８に入力される。また、ステッパーモーター４は、コンピューター８からの制御信号に基いて制御部であるモーター制御器５により制御される。モーター制御器５へ制御信号から接触子の運動量がコンピューター８で算出される。そして、コンピューター８により処理されたデータがディスプレイ９に表示される。測定の際には、接触子の先端のシリコーン部材１を皮膚に接触させ、モータ制御器５により制御されたステッパーモーター４で、アーム２間距離を縮めたり元に戻したりすることにより皮膚を収縮したり元の状態に戻したりする操作を加える。この時のアーム２の運動量及びアーム２にかかる皮膚からの力がコンピューター８に入力され、物性が測定される。
【実施例】
【００１２】
＜実施例１＞
図１に示される、弾性体の物性の測定装置は、１本の可動性接触子と１本の固定接触子を有し、可動性接触子を駆動するモーター（動力部）と接触子の前進・後退・停止を制御する制御部及び接触子に負荷される応力を検知する検知部とを有するプローブを備え、さらに、制御部へ運動の制御信号をプログラムに従って伝え、この制御信号を位置座標（Ｘ座標）に変換し、検知された応力をＹ座標として取り込む、処理部であるパーソナルコンピュータを備える。可動性接触子の運動パターンは最初２本の接触子は４ｍｍの間隔を有する位置に設定されており、可動性接触子は非可動性接触子の方向へ１秒かけて１ｍｍ近づく。しかる後５秒間この位置を保持しもとの間隔４ｍｍの位置へ１秒かけて戻る。この作業を５回繰り返す様、プログラムされている。
【００１３】
＜実施例２＞
実施例１の装置を用いて、図２に示すプロトコールに従って、２０代７名、３０代５名、５０代５名の１７名のパネラーを用いて、前腕外側中央部（光老化部位）と上腕内側中央部（生理的老化部位）において、プローブ位置と応力のパターンを測定した。この様な測定に於けるグラフのパターンの一例を図３に示す。このパターンの各部位の座標より、図４に示すパラメーターを算出した。これらのパラメーターと測定部位、年齢との関係を調べたところ、表１に示すようになった。この結果より、本発明の装置を用いることにより、従来測定できなかった肌の老化の非侵襲的測定が出来ることがわかる。
【表１】
【００１４】
＜実施例３＞
本実施例の測定装置を図５を参照して説明する。接触子は、先端に滑り止めのシリコーン部材１をつけたアーム２により構成される。アーム２のプローブ側に、検知部として歪み計３が取り付けられる。アーム２の一方は、動力部であるステッパーモーター４により可動にされている。歪み計３からの電気信号は、歪み増幅器６により増幅され、応力信号調節器７を通して処理部であるコンピューター８に入力される。また、ステッパーモーター４は、コンピューター８からの制御信号に基いて制御部であるモーター制御器５により制御される。モーター制御器５へ制御信号から接触子の運動量がコンピューター８で算出される。そして、コンピューター８により処理されたデータがディスプレイ９に表示される。接触子の周りには、測定範囲外の部分による影響を最小化するため、ガードリング（金属製、一辺３３ｍｍの正方形、１０ｍｍ幅）が設けられている。
【００１５】
可動性接触子の運動パターンは以下の通りである。
ｓｔｅｐ １：アーム間距離を４ｍｍから３ｍｍに短縮する（１ｍｍ／秒）。
ｓｔｅｐ ２：アーム間距離３ｍｍで４秒間維持する。
ｓｔｅｐ ３：アーム間距離を４ｍｍへ戻す（１ｍｍ／秒）。
サイクル繰り返し：５回（最終サイクルについてパターンを解析）
【００１６】
上記の装置を用い、高弾性サンプルとしてシリコーンゴム、及び、粘弾性を有するサンプルとしてアガロースゲルを測定した。測定結果の一例を図６に示す。パラメーターとして、皮膚収縮時の最大応力（図６中、Ｆｍａｘ（Ｖ））及びｓｔｅｐ ２で見られる応力の減衰（図６中、Ｆｖ（Ｖ））を使用して解析すると、アガロースゲルでは見られるＦｖが、シリコーンゴムではほとんど見られなかったことから、Ｆｖは粘弾性に関わるパラメーターであると考えられる。また、Ｆｍａｘは、シリコーンゴムの硬度又はアガロースゲルの濃度に依存的に増加することが分かり、硬さに関わるパラメーターであると考えられる。
【００１７】
次に、上記の装置を用い、健常白人男女１７名（２０〜６１歳）を被験者とし、上腕内側中央と前腕外側中央の２部位に対して、腕の短軸及び長軸に沿った２方向で測定を行った。測定結果の例を図７に示す。粘弾性を有するアガロースゲル型のパターンを示すことが分かる。
【００１８】
測定の部位と方向の別にＦｍａｘ及びＦｖの平均値を算出した結果を図８に示す。上腕内側では、Ｆｍａｘ及びＦｖ共に２方向で値に有意差はなかったが、前腕外側では、両パラメーターとも、短軸方向よりも長軸方向の方が有意に高い値であった。
【００１９】
また、各パラメーターと年齢との相関を表２に示す。両部位とも、短軸方向ではなく、長軸方向でのみ、上腕内側ではＦｍａｘ、前腕外側ではＦｖにそれぞれ年齢との相関が認められた。
【表２】
【００２０】
以上の結果より、本発明の測定装置を用いた測定により、露光部位である前腕外側皮膚の物性が、長軸方向と短軸方向とで異なっていること、また、上腕内側及び前腕外側とも、長軸方向に加齢に伴う皮膚物性変化が認められることが判明した。すなわち、本発明の測定装置を用いることにより、光老化に伴う物性変化とシワ形成との関連性について、解析できる可能性が示された。
【００２１】
＜実施例４＞
接触子の運動パターンを以下のものに変更し、ガードリングを二重の円筒状で、内側の筒は外側の筒内をスライドでき、バネにより内側の筒が外側の筒よりも突出するように付勢されているものに変更すること以外は実施例３と同じ装置を用いた。
【００２２】
可動性接触子の運動パターン
ｓｔｅｐ １：アーム間距離を４ｍｍから３．５ｍｍに短縮する（０．５ｍｍ／秒）。
ｓｔｅｐ ２：アーム間距離３．５ｍｍで４秒間維持する。
ｓｔｅｐ ３：アーム間距離を４ｍｍへ戻す（０．５ｍｍ／秒）。
サイクル繰り返し：５回（最終サイクルについてパターンを解析）
【００２３】
上記の装置を用い、高弾性サンプルとしてシリコーンゴム、及び、粘弾性を有するサン
プルとしてアガロースゲルを測定した。測定結果の一例を図９に示す。パラメーターとして、皮膚収縮時の最大応力（図９中、Ｆ１（Ｖ））、維持時に減水衰する応力の最大値（図９中、Ｆ２（Ｖ））、収縮解放時に減少する応力の最大値（図９中、Ｆ３（Ｖ））及び維持時において応力が最大値からＦ２／ｅ（Ｆ２＝ｓｔｅｐ ２の維持時における減衰する応力の最大値、ｅ＝２．７１８）まで減衰するのにかかる時間（図９中、Ｔ（秒））を使用して解析すると、アガロースゲルでは見られるＦ２が、シリコーンゴムではほとんど見られなかったことから、Ｆ２とそれを元に算出されるＴは粘弾性に関わるパラメーターであると考えられる。また、Ｆ１及びＦ３は、シリコーンゴムの硬度又はアガロースゲルの濃度に依存的に増加することが分かり、硬さに関わるパラメーターであると考えられる。
【００２４】
次に、上記の装置を用い、健常日本人男性８０名（２１〜５９歳、平均４５．３歳）を被験者とし、顔面目尻部を対象に、目頭と目尻を結んだ線に対して、水平と垂直の２方向で測定を行った。測定結果の例を図１０に示す。粘弾性を有するアガロースゲル型のパターンを示すことが分かる。
【００２５】
測定方向の別にＦ１、Ｆ２、Ｆ３及びＴの平均値を算出した結果を図１１に示す。硬さに関わるパラメーターＦ１及びＦ３において、水平方向より垂直方向の方が有意に低い値であった。すなわち、顔面目尻皮膚ではこの２方向で硬さに関わる物性に有意な差が認められることが判明した。
【００２６】
この時の測定値と被験者のシワの程度との関連性について検討するため、測定時に採取した対象部位のシリコーンレプリカに、２０度の角度で斜め上方から光を当て、生じたシワ影面積の評価対象領域（１ｃｍ×１ｃｍ）に占めるパーセンテージをシワ面積比率として画像解析により算出し、この比率をシワ程度評価の指標とし、本発明の測定装置による測定で得られた各パラメーターとの相関を調べた。
【００２７】
結果を表３に示す。この結果、垂直方向のＴのみ相関が認められた。このことから、顔面目尻部でのシワ形成に垂直方向の粘弾性が関わっている可能性が示された。
【表３】
【００２８】
以上の結果より、本発明の測定装置を用いた測定により、顔面目尻皮膚で、硬さに関わるパラメーターＦ１及びＦ３が、目頭と目尻を結ぶ線に平行な方向よりも皮膚の表面でそれと直交する方向の方が有意に低い値であることが示され、目尻皮膚の物性が全方向に等しいわけではないことが示唆された。
【００２９】
また、本発明の測定装置による測定値と、顔面目尻部のシワ程度との関連性を検討した結果、目頭と目尻を結ぶ線に皮膚の表面上で直交する方向の粘弾性に関わるパラメーターＴに、目尻のシワ程度との相関性が認められ、この物性が目尻皮膚でのシワ形成に影響を及ぼしている可能性が示唆された。
【産業上の利用の可能性】
【００３０】
上記の本発明の弾性体の物性の測定装置は、次に示す効果を有する。
【００３１】
（１）可動性接触子を有することにより、弾性体の表面上で、その測定位置と測定の方向性を厳密にコントロールしながら、測定することが出来る。これは、例えば皮膚のように、弾性の根元であるコラーゲンの線維束構造が皮下に、一方向に並んだ構造を有する、物性に方向性のある弾性体の物性の把握には、方向性ごとに測定が出来るので、特に好適である。即ち、従来までは侵襲的にしか測定できなかった、コラーゲン線維束の乱れなどを非侵襲的に測定することが出来る。この特徴に加えて、可動性接触子の運動パターンを接触子間の接近動作及びその後の保持静止動作を含むものとすることにより、シワ形成との関連性などを検討するのに適した特性値を測定することが出来る。
【００３２】
（２）本発明の弾性体の物性の測定装置によれば、表面そのものに起因する物性と、内部構造に起因する物性とを合わせた形での物性を測定することが出来る。更に、その数値変化のパターン解析に於いては、キュートメーターの様に単次元の数値ではなく、主因子を分解しうる多次元のデータとして得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施例１の装置を表す模式図である。
図２は、実施例２のプロトコルを示す図である。
図３は、実施例２で得られたプロットパターンの一例を示す図である。前腕外側中央部（手首から約１０ｃｍ）、短軸方向を測定した。
図４は、実施例２で得られたプロットパターンの特徴点とパラメータを示す図である。図中、第５波のｒ５、ｒ６、ｒ７、ｒ８、ｔ６及びｔ８は、第１波のｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４、ｔ２及びｔ４にそれぞれ相当する。
図５は、実施例３の装置を表す模式図である。
図６は、実施例３におけるシリコーンゴム（ａ）及びアガロースゲル（ｂ）の測定結果を示す図である。
図７は、実施例３におけるヒト腕皮膚の測定結果を示す図である。
図８は、測定の部位と方向の別にパラメーターＦｍａｘ及びＦｖの平均値を算出した結果を示す図である。
図９は、実施例４におけるシリコーンゴム（ａ）及びアガロースゲル（ｂ）の測定結果を示す図である。
図１０は、実施例４におけるヒト腕皮膚の測定結果を示す図である。
図１１は、測定方向の別にパラメーターＦ１、Ｆ２、Ｆ３及びＴの平均値を算出した結果を示す図である。
【０００１】
本発明は皮膚の物性のような、弾性体の物性を測定するのに好適な装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、皮膚の様な弾性体の物性を測定する装置としては、皮膚上に密着子を密着させ、吸引脱気して、それによる皮膚の表面の変形の程度を測定する、所謂キュートメーターや、皮膚の表面上で接触子を回転させそれに対して皮膚側から生じる応力を測定するツイストメーターなどの装置が知られている。この様な装置においては、皮膚の方向性を考慮した測定が行えず、厳密な意味での定量的な測定が出来ない難点が存在する。また、これらの装置で負荷される力は皮膚に日常的にかかる力ではない。
【０００３】
任意の方向における皮膚の伸展能を測定できる装置として、エクステンソメーターが知られている（Ａｃｔａ．Ｄｅｒｍ．Ｖｅｎｅｒｅｏｌ．（Ｓｔｏｃｋｈ），１９９７，７７：４１６−４１９）。しかしながら、この装置で測定される物性は伸展能のみである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
皮膚には、その真皮においてコラーゲン線維構造が存在し、この為、方向による物性の著しい相違があることを本発明者らは見出している。従って、測定の方向性を厳密にコントロールしなければ、皮膚に於いて意味のある物性は測定し得ない。さらに、皮膚を引っ張ってその伸展能を測定するエクステンソメーターは、シワ形成との関連性を検討するのに最適な物性測定機とは言えない。
【課題の解決手段】
【０００５】
本発明は、この様な状況下為されたものであり、測定方向の厳密なコントロールが出来、かつ、皮膚等の弾性体の表面におけるシワ形成に一層関連した物性などの測定の出来る弾性体の物性の測定装置を提供することを課題とする。 この様な実状に鑑みて、本発明者らは、鋭意研究努力を重ねた結果、実際にヒト顔面皮膚が日常的に受ける力を模倣した外力による皮膚変形を解析すること、すなわち、皮膚を収縮させたときの皮膚の応力を測定及び解析することが可能な弾性体の物性の測定装置を用いることにより、かかる測定が可能であることを見出した。即ち、本発明は次のような技術に関するものである。
（１） 皮膚変形により生じる応力を測定することにより皮膚の表面及び内部構造の物性を測定する装置であって、測定対象である皮膚の表面と接触する、位置固定と位置合わせが可能なアームの先端に取り付けられた接触子を少なくとも２つ有し、該接触子の少なくとも１つが皮膚の表面に沿った方向に可動性であり、該可動性接触子を動かす動力部、該動力部の動作を制御する制御部、接触子の運動によって生じる応力を電気信号として検知する検知部、及び検知部により検知された応力の電気信号と可動性接触子の運動量とを処理する処理部とを有し、皮膚の表面と接触した接触子の動作が２個の接触子の接近動作と接近動作後の保持静止動作を含んでいることを特徴とする装置。
（２） 前記皮膚の内部構造が、皮下におけるコラーゲンの線維束構造であることを特徴とする、（１）に記載の測定装置。
（３） 接触子間距離を縮める接近動作（ｓｔｅｐ １）、接触子間距離を維持する保持静止動作（ｓｔｅｐ ２）及び接触子間距離を元に戻す復帰動作（ｓｔｅｐ ３）からなるサイクルで得られる、ｓｔｅｐ １における収縮時の応力の最大値、ｓｔｅｐ ２の維持時における減衰する応力の最大値、及びｓｔｅｐ ３における収縮解放時に減衰する応力の最大値、ｓｔｅｐ ２の維持時において応力が最大値からＦ２／ｅ（Ｆ２＝ｓｔｅｐ ２の維持時における減衰する応力の最大値、ｅ＝２．７１８）まで減衰するのにかかる時間、から選択されるパラメータを測定することによって、皮膚の表面及び内部構造の物性を測 定することを特徴とする、（１）又は（２）に記載の測定装置。
（４） 前記物性がシワの形成と関連する物性である、（１）〜（３）何れか１項に記載の測定装置。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明について、実施の形態を中心に詳細に説明を加える。
（１）本発明の弾性体の物性の測定装置の接触子
本発明の弾性体の物性の測定装置は、少なくとも２つの接触子を有し、該接触子の少なくとも１つは皮膚の表面に沿った方向に可動性であることを特徴とする。これは、接触子の間の距離を変化させることにより、接触子が固定されている弾性体を変形させ、その変形に伴って生じる応力変化が、弾性体の物性の特徴を示すからである。この場合、接触子を２つとして、一方を固定し、他方を可動性とすることも出来るし、両方とも可動性とすることも出来る。両方とも可動性にした場合には応力変化の解析が前者に比べて複雑化する。又、接触子を３本以上にして更に複雑な変形パターンに対する応力変化を測定・解析する装置も本発明の弾性体の物性の測定装置の技術的範囲に属する。尚、測定時において、前記接触子は可動性のものも非可動性のものも何れも弾性体上に接着剤や粘性物質で固定されていることが好ましい形態であるが、弾性体上の滑り抵抗の評価などを加味する場合には、固定せずに、接触部分を摩擦係数の大きい形状にして用いることも出来る。
【０００７】
（２）本発明の弾性体の物性の測定装置の動力部
本発明の弾性体の物性の測定装置は動力部を有する。該動力部は上記可動性接触子を動かす動力源となる。この様な動力源としてはモーターなどが好適に例示できる。例えば、モーターにより生じた回転運動はカムやプーリーなどによって直線運動に変換され、可動性接触子を直線的に運動させる。該動力部によって駆動された可動性接触子の運動量は接触子の位置座標や回転数などの可動部の運動特性によりモニターされる。
【０００８】
（３）本発明の物性の測定装置の制御部
上記動力部によって生じた運動エネルギーは、接触子を例えば直線的に運動させるが、かかる運動は制御部によって制御される。これは、過剰な運動量が接触子にかかると弾性体表面を破壊することがあったり、運動制御が適切に為されないと測定値への信頼性が損なわれることがあったりするためである。かかる制御は上記運動量モニターの結果をもとに行われることが好ましい。又、この様な制御は、コンピューターなどによって管理され、可動性接触子の運動パターン（動作）を決める手段となる。この様なコンピューターとしては市販されているパーソナルコンピューターを使用することが出来る。
本発明の物性の測定装置における可動性接触子の運動パターンは、弾性体の表面と接触した接触子の動作が２個の接触子の接近動作と接近動作後の保持静止動作を含むように設定される。好ましくは、接触子間距離を縮める接近動作、接触子間距離を維持する保持静止動作及び接触子間距離を元に戻す復帰動作からなる基本サイクルを繰り返す運動パターンを用い、最後のサイクルで得られた測定値に基いて解析する。接触子間距離の初期値及びその短縮値ならびに短縮速度は、弾性体の種類によって適宜選択されるが、皮膚の場合には、通常には初期値３〜１０ｍｍ、短縮値０．５〜５ｍｍ及び短縮速度０．５〜２ｍｍ／秒の範囲から選択される。サイクル数は、通常には、１〜５回である。
これにより、皮膚などの弾性体のシワ形成に一層強く影響を及ぼすと考えられる物性を調べることができる。
【０００９】
（４）本発明の弾性体の物性の測定装置の検知部
本発明の弾性体の物性の測定装置の検知部は、可動性接触子の運動によって生じる、弾性体由来の応力を検知する。この様に検知された応力は、電気信号として後記の処理部へ伝達される。この様に可動性接触子の運動によって生じる応力は、弾性体の表面の物理的特性を示すものであり、可動性接触子の運動パターンにより、弾性値の種々の物性が反映された数値として検出される。
【００１０】
（５）プローブ
上記の接触子、動力部及び検知部は１つのユニットであるプローブを構成していることが使用勝手上好ましい。この様なプローブは測定時、位置が固定される構造をとることが好ましい。かかる位置固定手段としては、金属製の骨格とバネ部を有し、位置固定と位置
合わせが可能な、所謂アームの先端に取り付けられていることが好ましい。この様な構造をとることにより、接触子の位置と方向を自由に変えることができ、弾性体の表面について任意の方向でその物理特性を測定することが出来る。かかるアームの変形容易性は、接触子の可動性より低くなければならない。また、接触子を囲むガードリングを設けることが好ましい。ガードリングを設けることにより、測定範囲外の部分による影響を最小化することができる。ガードリングとしては、例えば、正方形の筒状のものや、二重の円筒状で、内側の筒は外側の筒内をスライドでき、バネにより内側の筒が外側の筒よりも突出するように付勢されているものが挙げられる。弾性体に接触する部分には、滑り止めとしてシリコーンをコーティングしてもよい。
【００１１】
（６）本発明の弾性体の物性の測定装置の処理部
本発明の弾性体の物性の測定装置の処理部は、可動性接触子の運動量と可動性接触子の運動によって生じた応力とを処理する部分であり、通常のパーソナルコンピューターを用いれば良く、その処理は専用のプログラムを作成しても良いが、例えば、マイクロソフト社製のエクセルなどの表計算ソフトを利用して、運動量（或いは可動性接触子の位置座標）をＸ軸に、応力をＹ軸にとってプロットすることが出来る。この様なプロットをグラフ上に行うと、弾性体ごとの特徴あるパターンを得ることが出来る。
得られたパターンは、全体として解析してもよいし、パターンの一部をパラメーターとして解析してもよい。例えば、接触子間距離を縮める接近動作（ｓｔｅｐ １）、接触子間距離を維持する保持静止動作（ｓｔｅｐ ２）及び接触子間距離を元に戻す復帰動作（ｓｔｅｐ ３）からなる基本サイクルで得られるパターンにおいて、ｓｔｅｐ １における収縮時の応力の最大値（図６中、Ｆｍａｘ又は図９中、Ｆ１）、ｓｔｅｐ ２における維持時に減衰する応力の最大値（図６中、Ｆｖ又は図９中、Ｆ２）、ｓｔｅｐ ３における収縮解放時に減衰する応力の最大値（図９中、Ｆ３）、ｓｔｅｐ ２における維持時において応力が最大値からＦ２／ｅ（Ｆ２＝ｓｔｅｐ ２の維持時における減衰する応力の最大値、ｅ＝２．７１８）まで減衰するのにかかる時間（図９中、Ｔ）が挙げられる。
本発明の弾性体の物性の測定装置は、さらに、処理部によって処理されたデータを表示する表示部を有することが好ましい。表示部は、例えば、ディスプレイである。
本発明の弾性体の物性の測定装置によれば、弾性体の表面そのものに起因する物性と、弾性体の内部構造に起因する物性とを合わせた形での物性を測定することができる。このような物性に反映される特性としては、老化に伴う弾力消失、光老化に伴う変化、シワ形成に関連する特性などが例示できる。
本発明の弾性体の物性の測定装置の具体例を図５を参照して説明する。接触子は、先端に滑り止めのシリコーン部材１をつけたアーム２により構成される。アーム２のプローブ側に、検知部として歪み計３が取り付けられる。アーム２の一方は、動力部であるステッパーモーター４により可動にされている。歪み計３からの電気信号は、歪み増幅器６により増幅され、応力信号調節器７を通して処理部であるコンピューター８に入力される。また、ステッパーモーター４は、コンピューター８からの制御信号に基いて制御部であるモーター制御器５により制御される。モーター制御器５へ制御信号から接触子の運動量がコンピューター８で算出される。そして、コンピューター８により処理されたデータがディスプレイ９に表示される。測定の際には、接触子の先端のシリコーン部材１を皮膚に接触させ、モータ制御器５により制御されたステッパーモーター４で、アーム２間距離を縮めたり元に戻したりすることにより皮膚を収縮したり元の状態に戻したりする操作を加える。この時のアーム２の運動量及びアーム２にかかる皮膚からの力がコンピューター８に入力され、物性が測定される。
【実施例】
【００１２】
＜実施例１＞
図１に示される、弾性体の物性の測定装置は、１本の可動性接触子と１本の固定接触子を有し、可動性接触子を駆動するモーター（動力部）と接触子の前進・後退・停止を制御する制御部及び接触子に負荷される応力を検知する検知部とを有するプローブを備え、さらに、制御部へ運動の制御信号をプログラムに従って伝え、この制御信号を位置座標（Ｘ座標）に変換し、検知された応力をＹ座標として取り込む、処理部であるパーソナルコンピュータを備える。可動性接触子の運動パターンは最初２本の接触子は４ｍｍの間隔を有する位置に設定されており、可動性接触子は非可動性接触子の方向へ１秒かけて１ｍｍ近づく。しかる後５秒間この位置を保持しもとの間隔４ｍｍの位置へ１秒かけて戻る。この作業を５回繰り返す様、プログラムされている。
【００１３】
＜実施例２＞
実施例１の装置を用いて、図２に示すプロトコールに従って、２０代７名、３０代５名、５０代５名の１７名のパネラーを用いて、前腕外側中央部（光老化部位）と上腕内側中央部（生理的老化部位）において、プローブ位置と応力のパターンを測定した。この様な測定に於けるグラフのパターンの一例を図３に示す。このパターンの各部位の座標より、図４に示すパラメーターを算出した。これらのパラメーターと測定部位、年齢との関係を調べたところ、表１に示すようになった。この結果より、本発明の装置を用いることにより、従来測定できなかった肌の老化の非侵襲的測定が出来ることがわかる。
【表１】
＜実施例３＞
本実施例の測定装置を図５を参照して説明する。接触子は、先端に滑り止めのシリコーン部材１をつけたアーム２により構成される。アーム２のプローブ側に、検知部として歪み計３が取り付けられる。アーム２の一方は、動力部であるステッパーモーター４により可動にされている。歪み計３からの電気信号は、歪み増幅器６により増幅され、応力信号調節器７を通して処理部であるコンピューター８に入力される。また、ステッパーモーター４は、コンピューター８からの制御信号に基いて制御部であるモーター制御器５により制御される。モーター制御器５へ制御信号から接触子の運動量がコンピューター８で算出される。そして、コンピューター８により処理されたデータがディスプレイ９に表示される。接触子の周りには、測定範囲外の部分による影響を最小化するため、ガードリング（金属製、一辺３３ｍｍの正方形、１０ｍｍ幅）が設けられている。
【００１５】
可動性接触子の運動パターンは以下の通りである。
ｓｔｅｐ １：アーム間距離を４ｍｍから３ｍｍに短縮する（１ｍｍ／秒）。
ｓｔｅｐ ２：アーム間距離３ｍｍで４秒間維持する。
ｓｔｅｐ ３：アーム間距離を４ｍｍへ戻す（１ｍｍ／秒）。
サイクル繰り返し：５回（最終サイクルについてパターンを解析）
【００１６】
上記の装置を用い、高弾性サンプルとしてシリコーンゴム、及び、粘弾性を有するサンプルとしてアガロースゲルを測定した。測定結果の一例を図６に示す。パラメーターとして、皮膚収縮時の最大応力（図６中、Ｆｍａｘ（Ｖ））及びｓｔｅｐ ２で見られる応力の減衰（図６中、Ｆｖ（Ｖ））を使用して解析すると、アガロースゲルでは見られるＦｖが、シリコーンゴムではほとんど見られなかったことから、Ｆｖは粘弾性に関わるパラメーターであると考えられる。また、Ｆｍａｘは、シリコーンゴムの硬度又はアガロースゲルの濃度に依存的に増加することが分かり、硬さに関わるパラメーターであると考えられる。
【００１７】
次に、上記の装置を用い、健常白人男女１７名（２０〜６１歳）を被験者とし、上腕内側中央と前腕外側中央の２部位に対して、腕の短軸及び長軸に沿った２方向で測定を行った。測定結果の例を図７に示す。粘弾性を有するアガロースゲル型のパターンを示すことが分かる。
【００１８】
測定の部位と方向の別にＦｍａｘ及びＦｖの平均値を算出した結果を図８に示す。上腕内側では、Ｆｍａｘ及びＦｖ共に２方向で値に有意差はなかったが、前腕外側では、両パラメーターとも、短軸方向よりも長軸方向の方が有意に高い値であった。
【００１９】
また、各パラメーターと年齢との相関を表２に示す。両部位とも、短軸方向ではなく、長軸方向でのみ、上腕内側ではＦｍａｘ、前腕外側ではＦｖにそれぞれ年齢との相関が認められた。
【表２】
以上の結果より、本発明の測定装置を用いた測定により、露光部位である前腕外側皮膚の物性が、長軸方向と短軸方向とで異なっていること、また、上腕内側及び前腕外側とも、長軸方向に加齢に伴う皮膚物性変化が認められることが判明した。すなわち、本発明の測定装置を用いることにより、光老化に伴う物性変化とシワ形成との関連性について、解析できる可能性が示された。
【００２１】
＜実施例４＞
接触子の運動パターンを以下のものに変更し、ガードリングを二重の円筒状で、内側の筒は外側の筒内をスライドでき、バネにより内側の筒が外側の筒よりも突出するように付勢されているものに変更すること以外は実施例３と同じ装置を用いた。
【００２２】
可動性接触子の運動パターン
ｓｔｅｐ １：アーム間距離を４ｍｍから３．５ｍｍに短縮する（０．５ｍｍ／秒）。
ｓｔｅｐ ２：アーム間距離３．５ｍｍで４秒間維持する。
ｓｔｅｐ ３：アーム間距離を４ｍｍへ戻す（０．５ｍｍ／秒）。
サイクル繰り返し：５回（最終サイクルについてパターンを解析）
【００２３】
上記の装置を用い、高弾性サンプルとしてシリコーンゴム、及び、粘弾性を有するサン
プルとしてアガロースゲルを測定した。測定結果の一例を図９に示す。パラメーターとして、皮膚収縮時の最大応力（図９中、Ｆ１（Ｖ））、維持時に減水衰する応力の最大値（図９中、Ｆ２（Ｖ））、収縮解放時に減少する応力の最大値（図９中、Ｆ３（Ｖ））及び維持時において応力が最大値からＦ２／ｅ（Ｆ２＝ｓｔｅｐ ２の維持時における減衰する応力の最大値、ｅ＝２．７１８）まで減衰するのにかかる時間（図９中、Ｔ（秒））を使用して解析すると、アガロースゲルでは見られるＦ２が、シリコーンゴムではほとんど見られなかったことから、Ｆ２とそれを元に算出されるＴは粘弾性に関わるパラメーターであると考えられる。また、Ｆ１及びＦ３は、シリコーンゴムの硬度又はアガロースゲルの濃度に依存的に増加することが分かり、硬さに関わるパラメーターであると考えられる。
【００２４】
次に、上記の装置を用い、健常日本人男性８０名（２１〜５９歳、平均４５．３歳）を被験者とし、顔面目尻部を対象に、目頭と目尻を結んだ線に対して、水平と垂直の２方向で測定を行った。測定結果の例を図１０に示す。粘弾性を有するアガロースゲル型のパターンを示すことが分かる。
【００２５】
測定方向の別にＦ１、Ｆ２、Ｆ３及びＴの平均値を算出した結果を図１１に示す。硬さに関わるパラメーターＦ１及びＦ３において、水平方向より垂直方向の方が有意に低い値であった。すなわち、顔面目尻皮膚ではこの２方向で硬さに関わる物性に有意な差が認められることが判明した。
【００２６】
この時の測定値と被験者のシワの程度との関連性について検討するため、測定時に採取した対象部位のシリコーンレプリカに、２０度の角度で斜め上方から光を当て、生じたシワ影面積の評価対象領域（１ｃｍ×１ｃｍ）に占めるパーセンテージをシワ面積比率として画像解析により算出し、この比率をシワ程度評価の指標とし、本発明の測定装置による測定で得られた各パラメーターとの相関を調べた。
【００２７】
結果を表３に示す。この結果、垂直方向のＴのみ相関が認められた。このことから、顔面目尻部でのシワ形成に垂直方向の粘弾性が関わっている可能性が示された。
【表３】
以上の結果より、本発明の測定装置を用いた測定により、顔面目尻皮膚で、硬さに関わるパラメーターＦ１及びＦ３が、目頭と目尻を結ぶ線に平行な方向よりも皮膚の表面でそれと直交する方向の方が有意に低い値であることが示され、目尻皮膚の物性が全方向に等しいわけではないことが示唆された。
【００２９】
また、本発明の測定装置による測定値と、顔面目尻部のシワ程度との関連性を検討した結果、目頭と目尻を結ぶ線に皮膚の表面上で直交する方向の粘弾性に関わるパラメーターＴに、目尻のシワ程度との相関性が認められ、この物性が目尻皮膚でのシワ形成に影響を及ぼしている可能性が示唆された。
【産業上の利用の可能性】
【００３０】
上記の本発明の弾性体の物性の測定装置は、次に示す効果を有する。
【００３１】
（１）可動性接触子を有することにより、弾性体の表面上で、その測定位置と測定の方向性を厳密にコントロールしながら、測定することが出来る。これは、例えば皮膚のように、弾性の根元であるコラーゲンの線維束構造が皮下に、一方向に並んだ構造を有する、物性に方向性のある弾性体の物性の把握には、方向性ごとに測定が出来るので、特に好適である。即ち、従来までは侵襲的にしか測定できなかった、コラーゲン線維束の乱れなどを非侵襲的に測定することが出来る。この特徴に加えて、可動性接触子の運動パターンを接触子間の接近動作及びその後の保持静止動作を含むものとすることにより、シワ形成との関連性などを検討するのに適した特性値を測定することが出来る。
【００３２】
（２）本発明の弾性体の物性の測定装置によれば、表面そのものに起因する物性と、内部構造に起因する物性とを合わせた形での物性を測定することが出来る。更に、その数値変化のパターン解析に於いては、キュートメーターの様に単次元の数値ではなく、主因子を分解しうる多次元のデータとして得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施例１の装置を表す模式図である。
図２は、実施例２のプロトコルを示す図である。
図３は、実施例２で得られたプロットパターンの一例を示す図である。前腕外側中央部（手首から約１０ｃｍ）、短軸方向を測定した。
図４は、実施例２で得られたプロットパターンの特徴点とパラメータを示す図である。図中、第５波のｒ５、ｒ６、ｒ７、ｒ８、ｔ６及びｔ８は、第１波のｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４、ｔ２及びｔ４にそれぞれ相当する。
図５は、実施例３の装置を表す模式図である。
図６は、実施例３におけるシリコーンゴム（ａ）及びアガロースゲル（ｂ）の測定結果を示す図である。
図７は、実施例３におけるヒト腕皮膚の測定結果を示す図である。
図８は、測定の部位と方向の別にパラメーターＦｍａｘ及びＦｖの平均値を算出した結果を示す図である。
図９は、実施例４におけるシリコーンゴム（ａ）及びアガロースゲル（ｂ）の測定結果を示す図である。
図１０は、実施例４におけるヒト腕皮膚の測定結果を示す図である。
図１１は、測定方向の別にパラメーターＦ１、Ｆ２、Ｆ３及びＴの平均値を算出した結果を示す図である。
Claims (4)
- 皮膚変形により生じる応力を測定することにより皮膚の表面及び内部構造の物性を測定する装置であって、測定対象である皮膚の表面と接触する、位置固定と位置合わせが可能なアームの先端に取り付けられた接触子を少なくとも２つ有し、該接触子の少なくとも１つが皮膚の表面に沿った方向に可動性であり、該可動性接触子を動かす動力部、該動力部の動作を制御する制御部、接触子の運動によって生じる応力を電気信号として検知する検知部、及び検知部により検知された応力の電気信号と可動性接触子の運動量とを処理する処理部とを有し、皮膚の表面と接触した接触子の動作が２個の接触子の接近動作と接近動作後の保持静止動作を含んでいることを特徴とする装置。
- 前記皮膚の内部構造が、皮下におけるコラーゲンの線維束構造であることを特徴とする、請求項１に記載の測定装置。
- 接触子間距離を縮める接近動作（ｓｔｅｐ １）、接触子間距離を維持する保持静止動作（ｓｔｅｐ ２）及び接触子間距離を元に戻す復帰動作（ｓｔｅｐ ３）からなるサイクルで得られる、ｓｔｅｐ １における収縮時の応力の最大値、ｓｔｅｐ ２の維持時における減衰する応力の最大値、ｓｔｅｐ ３における収縮解放時に減衰する応力の最大値、及びｓｔｅｐ ２の維持時において応力が最大値からＦ２／ｅ（Ｆ２＝ｓｔｅｐ ２の維持時における減衰する応力の最大値、ｅ＝２．７１８）まで減衰するのにかかる時間、から選択されるパラメータを測定することによって、皮膚の表面及び内部構造の物性を測定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の測定装置。
- 前記物性がシワの形成と関連する物性である、請求項１〜３何れか１項に記載の測定装置。
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