JP4275525B2 - 標的表面の特性を測定する装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流を使用して、その上に絶縁コーティングを備えた基質を有する、標的表面の幾つかの特性を測定する装置及び方法に関し、詳細には、天然発生組織の特性、より詳細には、角質層の特性を測定するのに有用である。

何年もの間、当該技術分野において、当業者は標的表面の多様な特性を測定することを試みてきた。本明細書で使用される時、標的表面は、一つ以上の美観的、電気的又は機能的に区別できる層をその上に重ね合わせた基質を備える。基質は、考慮中の系の他構成成分間に配置されても、又は考慮中の系の内側構成成分であってもよい。少なくとも一つの重ね合わせた層が基質上に配置され、保護機能又は他の機能性を有してもよい。考慮中の保護層は、外側に面する保護層であり、この層は、標的表面が使用中に露出される。本発明によって区別可能、及び測定可能であるためには、下記で論じられるように、標的表面の重ね合わせた層が、基質よりも大きな電気抵抗を有すると共に、比較的薄型であることだけが必要である。

本発明の測定は、天然組織を含む標的表面に適用できる。本明細書で使用する時、天然組織は、動物、植物及び鉱物界由来の組織を含む。

特に関心対象となる標的表面は、人間の皮膚である。角質層、即ち人間の皮膚の最外層は、幾つかの機能を呈するので、人間の皮膚の多様な特性を測定することは重要である。例えば、角質層は、身体の内側と外界との障壁となる。この障壁を維持することは、化学物質、細菌、及びウィルスが身体内に侵入するのを防ぐ上で重要である。角質層はまた、身体からの水分排出を調節する。しかしながら、人間の皮膚の障壁特性の測定は、衛生的、非侵襲的で、様々な年齢及び健康状態の人々に有功でなければならない。

皮膚の障壁特性は、典型的には、経表皮的な水分損失によって測定される。しかしながら、この測定は複雑な機器に依存し、且つ、湿度、アルコール摂取量、パーキンソン病及びある種の頭痛などの、互いに関連のない健康及び環境要因によって影響される可能性がある。経表皮的な水分損失は、「非侵襲方法及び皮膚のハンドブック（Handbook of Non-invasive Methods and the Skin）」（編者：セラップ（Serup）及びジェメック（Jemec）、ＣＲＣプレス（CRC Press）により出版、著作権１９９５年）の第９章で、より詳細に論じられており、これを参照して本明細書に組み入れる。

同様に、他の関心対象となる標的表面としては、犬及び猫などのペットの皮膚が挙げられる。ペットの皮膚の状態は、ペットのおおよそ全体の健康状態及び栄養を示すことができる。ペットは、自身の健康の問題や要求を直接伝えることができないので、この特徴は特に重要である。

マーティンセン（Martinsen）らに対して１９９８年４月１４日に発行された米国特許第５，７３８，１０７号は、３つの電極を皮膚に接触させることにより、皮膚の含水量を測定する技術を開示している。５０ｋＨｚ未満の周波数を有する電圧がそれらの電極に印加される。次いで、サセプタンスが電極下で測定される。当該技術分野における更に別の試みで、位相角を直接測定される。リーズ（Lees）らに対して１９７２年５月２３日に発行された米国特許第３，６６５，３０２号、クリスティンソン（Kristinsson）に対して１９８８年７月１９日に発行された米国特許第４，７５８，７７８号、及び１９９６年９月１８日に発行された英国特許第２２９８８９２３号が例証している。しかしながら、これらの各試みは、交流及び位相角の複雑な測定に依存する。

ウィーバー（Weaver）らに対して２０００年７月４日に発行された米国特許第６，０８５，１１５号は、電界に対する皮膚の抵抗を低下させる生体電位測定を開示している。生体電位測定と競合する不必要な電圧を低下させるために、抵抗低下剤を局所塗布することも教示されている。生体電位測定は、皮膚の表面部位で行われ、この部位は、強い電界パルスにより電気穿孔される。この方法において、電気穿孔法は、生体電位測定の質を向上させる補助手段として使用され、皮膚の特性を指示するものではない。

ゾピンスキー（Szopinski）に対して１９９９年７月６日に発行されたＰＣＴ国際公開特許ＷＯ００／１３０１Ａ１は、皮膚の抵抗／インピーダンスの測定を教示している。ＡＣインピーダンス又はＤＣ抵抗をそれぞれ引き起こすのに、交流及び直流電流の両方が使用されてもよい。しかしながら、これらの各教示は、皮膚特性を決定するのに抵抗／インピーダンス測定に依存する。抵抗測定は、印加電圧及び多数の他要因の値に左右され、従って、正確性が低いこともある。インピーダンス測定法はより高い正確性を有するが、関与する周波数が高いために複雑な機器を必要とする。

カウフマン（Kauffman）に対して１９９３年８月２４日に発行された米国特許第５，２３９，２５８号は、とりわけ、被試験物質サンプルを溶媒に溶解することにより、燃料、オイル及び食品の新鮮さを測定する方法を教示している。この溶媒は、物質及びその酸化製品の両方を溶解するように選択される。この手順は、サンプルの一体性を持続させたい時には実行できない。

本発明者には、従来技術における試みは、いずれも、角質層を通してのイオン移動に依存するか、又はそのイオン移動を生じさせる、比較的高い電圧を利用して皮膚特性を測定する方法を教示していない。

更に、本発明の方法及び装置は、多くの天然基質、特に導電性のある基質上に配置された、多くの天然コーティングの障壁特性を測定するのに広く適用してもよい。例えば、本発明は、導電性の天然基質の表面上に配置された、あらゆる薄い絶縁層の幾つかの特性、例えば、植物の葉の蝋様層の透過性、植物の根の障壁特性、植物に対する化学的コーティングの有効性、革の等級、布の耐水性、導電性表面上の残留埃／汚れ、導電性表面上の細菌学上の汚染、ウィルス性の汚染、カビの汚染、又は他の汚染を測定するのに使用してもよい。例えば、本発明は、ジャガイモ、ニンジン、リンゴ及びオレンジなどの野菜の外層のような食品を試験するのに使用してもよい。

１つの実施形態において、本発明は、天然組織を含む標的表面の障壁特性を測定する方法を備える。この方法は、プローブを提供する工程を備える。このプローブは、互いに電気的に連通している一対の離間した電極を有し、前記電極間に増加した電圧を供給することができる電圧発生器を提供し、且つ前記電極間の電圧を指示することができる電圧メータを提供する。電極は、試験対象の皮膚と接触するように取り付けられる。前記電極間の電流が所定値に達するまで、増加する電圧が電圧発生器から電極に供給される。前記電流が所定値に達した時に生じる電圧が記録される。

別の実施形態において、本発明は、天然組織を含む標的表面の障壁特性を測定するための装置を備える。この装置はプローブを備える。このプローブは、互いに電気的に連通している一対の離間した電極を有する。電極は、対象の皮膚と接触可能である。この装置はまた、電極間に増加する電圧を供給することができる電圧発生器と、電極間の電圧を指示することができる電圧メータとを備える。電圧メータは、前記電極間の電流が所定値に達すると、それら電極間の電圧を指示する。

当業者であれば、前記の方法及び装置が、標的表面の湿分含量、障壁特性、及び他の特性の測定にも同様に適用できることを認識する。例えば、本発明に従って、多様な基質上の他の障壁、コーティング及び積層体の測定を行ってもよい。

図１を参照すると、一つの実施形態において、本発明は、標的表面の皮膚又は他保護層の障壁特性を測定するための装置を備える。この装置は、測定される表面と接触する２つの電極１２を有するプローブ１０と、プローブ１０に電位を供給する電圧発生器と、プローブ１０に供給された電圧を指示する電圧メータと、電極１２間の電流を指示する電流メータとを備える。

本発明の装置及び方法は非侵襲性である。非侵襲性は、装置が標的表面を貫通しないか、又は標的表面に損傷を与えないことを意味する。この装置及び方法はまた、従来技術の多くの教示に生じるような標的表面の電気抵抗を測定しない。同様に、交流電流に生じるような位相ずれは、本発明では測定されない。代わりに、本発明は、印加電圧の非直線反応を測定する。

本発明による装置は、固定位置に配置されてもよい。一つの実施形態において、この装置は持ち運び可能であり、多様な位置及び方向で使用できる。

図２を参照し、装置についてより詳細に検討すると、プローブ１０は、第一電極及び第二電極１２を有する。各電極１２は、標的表面と接触可能である。各電極１２は、電圧発生器に隣接した近位端と、標的表面と接触する遠位端とを有する。好ましくは、電極１２の遠位端は、装置が人間又は動物を試験する場合、標的表面に対する損傷及び被検体の不快感を防ぐのに十分に大きい接触面積を有する。

接触面積の大きさは、電極１２によって印加される圧力によって決まる。本明細書に記載される実施形態の場合、電極１２は、１平方メートル当たり１０〜１００グラムの接触圧力を印加してもよい。所望であれば、電極１２又はプローブ１０全体は、所望の接触圧力を備えるために、ばね装填されてもよい。本明細書に記載される実施形態の場合、電極１２の遠位端は、０．５〜１０平方ミリメートルの接触面積を有してもよい。測定の正確性を確実にするために、２平方メートルの接触面積が利用されてもよい。

好ましくは、電極１２の遠位端の断面は円形である。電極１２の遠位端は研削されて、非常に研磨された表面仕上げとなり、これにより、標的表面との適当な電気的接触が確実となる。電極１２の遠位端は、凸形形状を有してもよい。電極１２に対して凸形形状が選択される場合、電極１２は、０．０５〜５ミリメートル、より詳細には２ミリメートルの曲率半径を有する球形であってもよい。

電極１２は、可変の距離又は所定の距離だけ離れた２つの点と考えられる。電極１２間の間隔は、所望の電気経路の発生を確実にするために、標的表面の層の厚さよりも大きくなければならない。本発明による所望の電気経路は、一方の電極１２から層を通って基質まで行き、再び層を戻って、他方の電極１２までである。電極１２の互いの間隔が接近しすぎている場合、電気経路は、基質まで到達することなく、電極間で短絡することがある。本明細書において記載され、及び特許請求される実施形態の場合、電極１２は、標的表面に接触する時、標的基質での著しい電圧低下を達成するのに必要な間隔よりも短い間隔だけ離間してもよい。電極１２は、第一実施形態においては２〜８ミリメートルのピッチで、第二実施形態においては５ミリメートルのピッチで離間してもよい。

図３を参照すると、第一電極１２は、複数の別個の接触表面を含んでもよい。第一電極１２の複数の接触表面は、均一に、又は不均一に第二電極１２から間隔をあけてもよい。一つの好適な実施形態において、第一電極１２の接触表面は、円形の外形をなして第二電極１２の周りに配置される。この外形では、接触表面は、等しく放射状に第二電極１２から間隔をあけても、互いに等しく周囲方向に間隔をあけてもよい。あるいは、標的表面がそこを流れる電流に対して非軸抵抗性であることが懸念される場合、接触表面は、第二電極１２から等しく放射状に間隔をあけても、互いに等しくなく周囲方向に間隔をあけてもよい。第一電極１２又は第二電極１２のいずれも、アノード／カソードであってもよい。

更に別の代替実施形態において、第二電極１２は、等しいか又は等しくない環状クリアランスによって隔てられた第一電極と完全に外接してもよい。更に別の実施形態において、第二電極１２は、第一電極１２の２つの接触表面間に介在してもよい。つまり、一方の接触表面が第二電極１２と外接し、次いで、その第二電極１２は、第一電極１２の他方の接触表面と外接する。電極１２又はその接触表面を有し、他の電極１２と外接する実施形態は、同心又は偏心的外形のいずれを利用してもよい。

再び図１を参照すると、装置はまた、電圧発生器も備える。電圧発生器は直流でもよいが、交流も考えられる。当業者にとって既知であるように、直流は、キャパシタンス作用に直面しないという利点を付与する。

図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを参照すると、電圧発生器は、基準値から閾値まで増加可能な電圧を提供してもよい。基準値は、電極１２が標的表面と接触する時の電圧の初期値である。閾値は、試験中、電極１２間の電流が所定値に達した時の電圧値である。典型的には、閾値電圧値は、基準電圧よりも大きい。電圧は、第一実施形態においては０ボルトから２００ボルトまで、第二実施形態においては０ボルトから３０ボルトまで増加可能であってもよい。電圧は、０ボルトから特定の試験中に印加される最大電圧まで単調に増加してもよい。

図４Ａ〜図４Ｃの測定は、接触圧力が１平方メートル当たり５０グラムのプローブ１０と、直径が５ミリメートルである球形の遠位端と、８ミリメートルピッチで離間した電極１２とを使用し、単調に増加する電圧速度は１秒当たり１．５ボルトで行われた。例証の目的で、図４Ａ〜図４Ｃの測定は、閾値電流に到達しても終了しなかった。図４Ａ〜図４Ｃのそれぞれにおいて例証した測定のための閾値電流及び関連電圧が以下の表１に示される。

所定の電流は、０．１〜５マイクロアンペア、詳細には１マイクロアンペアであってもよい。所定の電流が高すぎると、標的表面を損傷するか、又は標的表面に痛みを引き起こすことがある。所定の電流が低すぎると、特別な器具を用いない限り、雑音が測定の正確性を妨害することがある。

電流が単調に増加される場合、１秒当たり０．１〜１０ボルトの速度で増加されてもよい。一つの好適な実施形態において、電圧は、１秒当たり１．５ボルトの速度で単調に増加されてもよい。電圧は、試験される表面の電気的反応の割合より低い割合で増加されてもよい。被検体の電気的反応の割合は、段階関数として印加される、ある電圧の印加によって被検体を流れる電流の変化の割合である。所望であれば、電圧は非直線的に増加されてもよい。例えば、印加電圧は、試験開始時は非常に迅速に増加し、次いで閾値が近づいてきたらより緩慢に増加してもよい。この手順は、ほぼ閾値電圧に近い正解性を可能にし、また総試験時間が短縮できるという利点も付与する。

あるいは、電圧は、基準値からより高い値まで増加されてもよい。このより高い値は、電圧の閾値より大きくてもよい。より高い電圧に達すると、電圧は、基準電圧と等しいか、又は基準電圧より大きい、より低い値に低下する。次いで、電圧は、前記のより高い電圧より大きくてもよい新たなより高い電圧まで増加される。次いで、電圧は、前記のより低い中間電圧よりも大きい、新たなより低い電圧に達するまで低下される。このプロセスは、少なくとも一回閾値に達するまで、一以上のサイクルで実行される。この電圧を単調に増加させる手順は、二つの電極１２間の電流にヒステリシスを生じることもある。ヒステリシスは、標的表面についての更なる情報を提供し得る。例えば、以下で論じるように、ヒステリシスは、角質層における水の経路の発端、持続時間又は緩和時間を指示し得る。

再び図１及び図２を参照すると、好適な電圧発生器は、カリフォルニアのパロアルト（Palo Alto, Ca）のアジレントテクノロジー社（Agilent Technologies, Inc）からモデル番号３３１２０Ａとして市販されている。また、本発明は、それぞれ適切な分解能及び応答時間の電流電圧メータを備える。好適な組み合わせメータは、アジレントテクノロジー社（Agilent Technologies, Inc）からモデル番号３４４０１Ａとして市販されている。

所望であれば、装置は、更に基準信号発生器及び信号比較器を備えてもよい。信号比較器は、プローブ１０間の電流値を参照信号の電流値と比較する。電極１２間の電流が所定値に達すると、停止信号が電圧発生器に送信される。電極１２に印加される電圧はそれ以上増加しない。故に、この停止信号は、装置の安全機構である。停止信号が高い時、電極１２への電圧及び／又は電流の更なる増加は起こらず、これにより標的表面の損傷が回避される。電極１２に印加される電流が基準信号の電流値に達する時に、停止信号が励起されてもよい。電極１２に印加される電流は、電流メータによって指示されてもよい。
所定の電流に達した時に発生する電圧が記録される。所望であれば、この電圧は更なる参照のために記録されてもよい。

理論に拘束されないが、電圧が人間及び他の動物の皮膚に印加される時、電圧が所定のレベルに達すると、電界が角質層を貫通する水の経路を作り出すと考えられている。水の経路は、表皮からのイオンが角質層を貫通するのを可能にする。イオンは、電極１２間の水の経路及び表皮を通って移動する。イオンは電流を生成する。この電流は、印加電圧と共に増加する。所定の電流に達する時の閾値電圧は、所定の電流に達すると記録される。この電圧は、角質層の障壁能力に正比例し、ＳＣでの湿分レベルに反比例する。このプロセスは、皮膚又は他の標的表面を損傷しない。

予測として、本発明は、金属基質（例えば、車体パネル）上の塗料／蝋／汚れ又はワニスの厚さ及び強度、導電性基質上に配置されたポリオレフィン類及び合成不織布などの合成薄膜の厚さなどを測定するのに使用できる。

本発明による装置の概略的な電気回路図である。 本発明による代表的なプローブの斜視図である。 本発明によるプローブの代替実施形態の斜視図であり、このプローブは、第二電極の周りに周囲方向に配置された複数の別個の接触表面を有する第一電極を有する。 ４２歳のコーカソイド男性の、人体皮膚の角質層の障壁特性を測定する本発明による試験のグラフ表示であり、図４Ａは右頬で測定された。 ４２歳のコーカソイド男性の、人体皮膚の角質層の障壁特性を測定する本発明による試験のグラフ表示であり、図４Ｂは左頬骨で測定された。 ４２歳のコーカソイド男性の、人体皮膚の角質層の障壁特性を測定する本発明による試験のグラフ表示であり、図４Ｃは前額部の左側で測定された。

Claims (3)

1. 互いに電気的に連通している一対の離間した電極であって、被検体の皮膚と接触可能である電極を有するプローブと、
   前記電極間に増加する電圧を供給することができる電圧発生器と、
   前記電極間の電圧を指示することができる電圧メータとを備える皮膚の角質層の障壁特性を測定する装置において、
   前記電圧メータは、前記電極間の電流が所定値に達した時に、前記電極間の電圧を指示し、
   前記プローブは、第一電極及び第二電極を有し、前記第一電極は複数の別個の接触表面を含み、該複数の別個の接触表面は前記第二電極の周りに放射状パターンに配置されていることを特徴とする装置。
2. 前記電極の各々は、３〜１０ｍｍの距離だけ離間している、請求項１に記載の装置。
3. 前記電圧は、１秒当たり０．１〜１０ボルトの速度で単調に増加する、請求項１または２に記載の装置。

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