KR100690205B1

KR100690205B1 - 광의 흡수 산란 및 확산 반사를 이용한 동물 피부특성 측정방법

Info

Publication number: KR100690205B1
Application number: KR1020050037914A
Authority: KR
Inventors: 김훈
Original assignee: 플래닛팔이 주식회사
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2007-03-12
Also published as: KR20060115478A

Abstract

본 발명은 광의 흡수, 산란 및 확산반사를 이용한 피부특성 측정방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 가시광선 파장의 빛을 조사하여 확산되고 튀어나오는 빛의 특정 세기 및 파장의 변화를 측정하여 피부의 두께, 구성 성분은 물론 특정 성분의 양까지도 측정이 가능한 광의 흡수, 산란 및 확산반사를 이용한 피부특성 측정방법에 관한 것이다.

본 발명의 광의 흡수, 산란 및 확산반사를 이용한 피부특성 측정방법은 광원으로부터 빛을 피부에 조사하는 단계, 상기 피부에 조사된 빛 가운데 피부내에서 흡수, 산란, 확산되고 튀어나온 빛의 변화를 측정하는 단계 및 상기 빛의 세기에 따라 피부의 특성을 측정하는 단계로 이루어짐에 기술적 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 광의 흡수, 산란 및 확산반사를 이용한 피부특성 측정방법은 저렴하면서도 간편하며, 피부 손상이나 변형없이 안전하게 피부의 특성을 측정할 수 있으며, 더 나아가서 골밀도 측정, 체액 및 혈액 분석 등 추가적인 응용 효과가 있다.

확산반사, 광, 피부, 가시광선

Description

광의 흡수 산란 및 확산 반사를 이용한 동물 피부특성 측정방법{Method for measuring the characteristics of animal skin with absorption, scattering and diffuse reflectance proferties of light}

도 1은 일반적인 피부조직에서의 광 특성을 보여주는 도면.

도 2a는 본 발명의 실험예 1의 손가락에 투과된 백색 빛의 파장변화를 광원에 따라 보여주 는 도면.

도 2b는 본 발명의 실험예 1의 790nm 파장의 빛을 손가락에 조사하였을 때 거리별 빛의 흡수 및 확산반사 정도를 나타낸 도면.

도 2c는 본 발명의 실험예 1의 790nm 파장의 빛을 손가락에 조사하였을 때 거리별 빛의 강도를 나타낸 도면.

도 3a는 본 발명의 실험예 2의 피하지방층과 표피층에서의 광의 확산 정도를 거리별로 나타낸 도면.

도 3b는 본 발명의 실험예 2의 피하지방층과 표피층에서의 광의 강도를 거리별로 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 실험예 3의 진피와 피하지방층의 광 특성을 이미지 센서로 촬영한 사진.

도 5a는 본 발명의 실험예 4-1의 샘플을 이미지 센서로 촬영한 결과 나타난 각 각의 띠(링)까지의 거리를 나타낸 도면.

도 5b는 본 발명의 실험예 4-1의 샘플을 이미지 센서로 촬영한 결과 나타난 각 각의 띠까지의 거리를 측정한 방법을 나타낸 도면.

도 5c는 본 발명의 실험예 4-1의 샘플을 이미지 센서로 촬영한 결과 나타난 띠 1, 2, 3까지의 거리를 나타낸 도면.

도 5d는 본 발명의 실험예 4-2의 샘플을 이미지 센서로 촬영한 결과 나타난 각 각의 띠까지의 거리를 나타낸 도면.

도 6a는 본 발명의 실험예 5의 한천 겔에서의 광 특성을 이미지 센서로 촬영한 사진.

도 6b는 본 발명의 실험예 5의 한천 겔에서의 광 특성을 이미지 센서로 촬영한 사진.

도 6c는 본 발명의 실험예 5의 한천 겔에서의 광 특성을 이미지 센서로 촬영한 사진.

도 7a는 본 발명의 실험예 6의 피부두께 2.15mm 샘플에서의 광 특성을 이미지 센서로 촬영한 사진.

도 7b는 본 발명의 실험예 6의 피부두께 2.57mm 샘플에서의 광 특성을 이미지 센서로 촬영한 사진.

본 발명은 광의 흡수(absorption)와 산란(scattering), 확산반사(diffuse reflectance)를 이용한 피부특성 측정방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 가시광선 파장의 빛을 조사하여 확산되고 튀어나오는 빛의 세기변화 및 파장 변화를 측정하여 피부의 두께, 구성 성분은 물론 특정 성분의 양까지도 측정이 가능한 광의 흡수와 산란, 확산반사를 이용한 동물 피부특성 측정방법에 관한 것이다.

피부는 수직으로 잘라 단면을 보면 가장 바깥층인 표피, 중간층인 진피, 가장 아래층인 피하지방조직으로 된 3개의 층으로 크게 이루어져 있으며, 그밖의 피부부속기관으로서 털, 땀샘, 지방샘, 손발톱, 촉각기관 등을 가지고 있다. 이중 표피는 매우 얇은 기관으로서 혈관이 없고, 표피의 두께는 보통 0.07 ~ 1.12mm인데, 피부의 두께는 진피로 결정되는 것이 아니고 표피의 두께로 결정된다. 표피는 피부의 두께에 따라 다르나 각화세포가 변형되는 모양에 따라 뚜렷한 5개의 각기 다른 세포층으로 이루어지며, 가장 바깥쪽에서부터 각질층, 투명층, 과립층, 유극층, 기저층으로 되어 있다. 또 표피에서는 죽은 각질세포가 떨어져 나가고 새로운 세포가 생성되는 28일 주기 각화현상이 일어난다.

여기에서, 각질층은 피부의 가장 표면에 있으며 단단하고 건조한 얇은 껍질을 이르는데, 각질 또는 케라틴이라 불리는 단백질이 50%, 지방 20%, 수용성 물질 23%, 수분 7%로 구성되어 있으며 이중에서 지방, 수용성물질, 수분 등은 피부내에서 분비되는 피지, 땀 등과 어우러져 표피를 감싸는 피부 보호막을 형성한다. 건강한 피부의 표면은 pH가 약 5.5 정도인데 산성지방막이라고도 한다. 이 산성지방막 은 표피의 수분이 많이 증발되는 것을 방지하고 세균, 박테리아, 곰팡이 등이 번식하는 것을 억제하고, 공기중에 있는 먼지나 오염물질 또는 유해물질로부터 피부를 보호하는 기능을 한다.

투명층은 각질층 바로 밑에 있는 층으로, 생명력이 없는 무색, 무핵세포이며 맑고 투명한 층이다. 모든 피부에 존재하나 얇은 피부에서는 식별이 쉽지 않고 손바닥, 발바닥에서 뚜렷이 관찰된다. 3 ~ 4개의 세포층으로 되어 있고 납작한 호산성 세포로 구성되어 있다. 투명층은 산성지향성의 성질을 지니며 피부의 산성막을 형성하는 층이라 할 수 있다.

과립층은 각질의 전단계 물질인 케라트히알린이라는 과립이 들어 있다. 과립층의 세포에는 세포핵이 없어 세포분열이 일어나지 않으며 세포모양도 꽤 넓다. 과립층은 또한 외부로부터의 이물질 통과(특히 물의 침투에 대한 방어역할)와 피부내부로부터의 수분증발을 저지하여 피부염이나 피부건조를 방지하는 피부미용상 중요한 역할을 하고 있다.

유극층은 표피 가운데 가장 두꺼운 층이며 유극층의 세포에는 세포핵이 있어 세포를 만들어 낸다. 유극층과 기저층을 합하면 말피기층이라고도 하는데 이층은 각화과정의 시작과 진행에 중요한 층으로 알려져 있다. 유극세포 사이에는 림프관이 순환하고 있어 피부의 피로회복 및 미용에 관계가 있다.

끝으로, 기저층은 표피의 가장 아래층에 위치하고 있으며 진피와 밀착되어 있고 진피와 서로 물결모양의 경계를 이루고 있다. 기저층의 기저세포는 살아있는 세포로서 왕성한 세포분열이 일어나므로 표피세포의 대부분이 생성되는 곳이다. 기 저층내에는 각질세포와 색소세포가 있다. 기저층의 각질세포는 케라틴화되어 각질층을 이루었다가 피부표면에서 떨어져 나가며, 활발히 분열하여 계속해서 새로운 세포를 윗층으로 보내는 역할을 하며, 피부 색상을 결정짓는 멜라닌 색소를 만들어 낸다.

진피는 표피의 약 10 ~ 40배나 되는 두꺼운 층으로 표피와 물결모양으로 연결되어 있으며 이 물결모양의 진피 유두체 부분에 모세혈관, 신경섬유 등이 들어 있다. 진피의 주요 구성물질은 콜라겐 섬유와 앨라스틴 섬유, 그리고 그 공간을 채우고 있는 점다당류들이다. 콜라겐 섬유와 앨라스틴 섬유는 그물 모양으로 서로 짜여 있어 피부의 탄력과 신축성을 유지하게 한다.

피하지방조직은 피부의 가장 깊숙한 곳에 위치하며, 헐렁한 섬유성 단백질로 짜여져 있는데, 그 사이사이에 다수의 벌집모양 지방세포들이 자리잡고 있다. 피하지방조직은 여성호르몬과 관계가 깊어 여성의 신체선에 부드러움을 주며, 또한 열의 부도체이기 때문에 체내의 열이 외부의 온도에 좌우되지 않도록 하고, 여분의 피부 밑 지방조직으로 축적되어 뼈 또는 근육을 외부의 압력으로부터 보호하는 쿠션 역할을 한다. 또 영양이 부족할 때에는 영양의 공급원이 되기도 하고 피하지방이 너무 많으면 피하지방층의 혈관이나 림프관이 늘어나 혈액 순환이 원활하지 못하게 된다.

그 밖의 피부의 부족기관으로는 몸의 체온조절과 노폐물의 배설, 피부 표면의 수분 공급 역할을 하는 땀샘과 피지를 생산하는 피지샘과 햇빛, 추위, 더위 등 물리적인 자극으로부터 우리의 몸을 보호해주는 손톱, 발톱이 있다.

따라서 피부는 단순히 신체를 덮고 있는 것이 아니라 분비 및 배설 기능, 호흡기능, 흡수기능, 영양소 저장기능 등을 가지며 우리의 신체를 보호하고 있다.

피부특성을 알기 위해 피부의 두께를 결정하는 것은 몇 가지 목적에 있어서 매우 중요하다. 피부 조직과 각 층의 두께는 다양한 환경에서 매우 가치있는 진단 정보를 제공한다. 예를 들어, 피부두께는 자연노화(chronological ageing)와 광노화(photo ageing)에 의한 피부의 변화를 알려주는 중요한 인자 가운데 하나이다. 또한 피부의 두께를 통해 여러 가지 내분비계장애(endocrine disorder)와 관련된 중요한 정보를 알 수 있다. 게다가, 피부의 두께와 골밀도의 관계에 관한 연구도 진행된 바 있으며 유럽에서는 실제 임상에 응용하고 있다. 따라서, 피부두께 측정은 골손실장애(bone loss disorder) 진단과 모니터링에도 잠재적인 응용 가능성을 지니고 있다.

피부와 구성층의 두께 및 특성을 결정하는 가장 일반적인 방법은 생검시료(biopsy spencimen)를 조직검사하는 것이다. 그러나 생검은 침습성 시술(invasive procedure)로만 가능하며, 피시술자(환자)는 상당한 불편과 불안감, 외과적 수술과 관련된 위험성을 감수해야한다. 또한, 숙련된 의료진과 장치가 필요한 시간 소모적인 다단계 과정이라는 단점이 있다. 따라서, 체내(in vivo) 실험으로 피부의 두께및 특성을 측정할 수 있는 비침습성(non-invasive) 방법이 바람직하다.

종래에 비침습성 방법으로 초음파를 이용한 방법(ultrasonography)이 있다. 목표 지점에 초음파 빔을 입사한 뒤 반사된 초음파를 검출하여 그 지점의 이미지나 초음파영상(sonogram)을 형성한다. 이 때 형성된 이미지나 초음파영상을 분석하여 전체 피부의 두께와 성분을 추정할 수 있다. 그러나 이 방법은 생검과 조직검사의 단점을 극복할 수 있지만 검사 순간의 조직의 상태를 나타내는 대상조직(targeted tissue)의 거시영상(macroscopic image)만을 제공한다는 제한사항이 존재한다. 따라서, 초음파촬영술은 각 조직층과 관련된 상세한 정보를 제공하지 못한다. 또한 장비가 고가이므로 많은 비용이 든다는 단점이 있다.

근적외선 흡수 스펙트럼(near infrared absorbance spectrum)을 이용하여 체내 피부의 두께를 정량적으로 각 층별로 계산하는 방법들이 시도되었다. 이 방법은 빛을 흡수하고 산란시키는 각 층의 특정 성분들의 근적외선 흡수 스펙트럼을 보정하여 피부의 두께를 산정하지만, 광원으로 750 ~ 1,500nm 파장의 근적외선에만 한정되어있으며, 스펙트로미터가 광원 가까이 구성되어야하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 피부내부로 조사된 가시광선의 흡수와 산란, 확산반사 특성을 이용하여 안전하게 피부의 두께와 구성 성분은 물론 특정 성분의 양까지도 측정이 가능한 광의 흡수와 산란, 확산반사를 이용한 동물 피부특성 측정방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 광원으로부터 빛을 피부에 조사하는 단계, 상기 피부에 조사된 빛 가운데 피부내에서 확산되고 튀어나온 빛의 세기변화 및 파장 변화를 측정하는 단계 및 상기 빛의 변화에 따라 피부의 특성을 측정하는 단계로 이루어진 광의 흡수와 산란, 확산반사를 이용한 피부특성 측정방법에 의해 달성된다.

즉, 피부특성 측정 방법에 있어서, 광원으로부터 발생하는 특정의 빛을 피부조직에 조사하는 단계; 상기 피부조직에 조사된 빛 가운데 피부 내에서 흡수, 산란, 확산 반사되는 빛의 세기와 파장의 변화를 센서로 측정하는 단계; 상기 빛의 세기와 파장의 변화를 측정하는 단계에서 얻어진 이미지 등의 데이터를 해석하여 피부의 특성을 측정하는 단계를 순차로 행하여 이때 얻어지는 광의 흡수와 산란, 확산반사의 신호에 의한 데이터를 처리함으로서 피부특성을 측정하는 방법에 관한 것으로, 여기서 상기 빛의 파장은 가시광선(300 ~ 750nm) 영역으로 하며, 상기 빛의 세기를 측정하는 센서를 CMOS, CCD 이미지 센서(image sensor) 칩 형태의 센서 가운데 하나를 사용하고, 상기 피부 내에서 흡수, 산란 확산반사 되어나온 빛의 신호는 표피, 진피, 피하지방층에서 각각 흡수, 산란 확산반사 되어나온 빛의 신호를 데이터 처리하는 광의 흡수와 산란, 확산반사를 이용한 피부특성 측정방법이다.

또한 상기 피부 내에서 흡수, 산란 확산반사 되어나온 빛의 신호와 이를 해석하는 센서의 데이터를 처리하여 골밀도 측정, 혈액 분석이 가능한 것이다.

상기한 본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

먼저, 도 1은 본 발명의 동작을 설명하기에 앞서 이해를 돕기 위해 피부에서의 광 특성을 나타낸 것으로 간략하게 설명하면 다음과 같다.

피부에 빛을 조사하였을 경우 피부 표면에서는 정반사(specular reflectance)가 일어나며, 일반적으로 정반사는 간섭용인으로 작용할 수 있으나, 경우에 따라서는 기준점으로 사용이 가능하다. 피부 조직 내에서는 흡수(absorption), 형광(fluorescence), 라만산란(Raman scattering), 다단계 탄성산란(multiple elastic scattering), 단일 역산란(single backscattering)이 발생한다. 본 발명에서는 피부 조직 내에서 흡수되거나 산란, 다단계 탄성산란된 확산반사(diffuse reflectance)된 빛의 세기를 측정한다.

<실시예>

이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

실험예 1

인체의 일부인 손가락에 빛을 조사하여 흡수, 확산반사된 빛의 세기를 측정하였다. 손가락에 투과된 백색광원의 파장별 빛의 세기는 도 2a에 도시된 바와 같으며, 790nm 파장의 빛을 피부에 조사할 경우 광원으로부터의 수평거리에 따른 확산반사된 빛의 세기는 도 2b에 도시된 바와 같다. 확산반사는 거리에 따라 (-)방향으로 감소하는 것으로 나타났고, 이러한 경향은 피부에서 진피 두께에 따라 차이를 보이며 거리 보다는 기울기에서 차이가 나타났다.

실험예 2

신선한 돼지고기를 이용하여 피하지방(백색지방)층과 표피층에 630nm 파장의 빛을 조사하였을 경우 표피에서 수직거리에 따른 빛의 확산 정도를 측정하였으며, 그 결과는 도 3에 도시된 바와 같다. 도 3에 따르면 9mm 지점 까지 빛의 세기가 점점 증가하다가 그 이후에서는 감소하면서 전체적으로 여러개의 동심원을 그리며 동일한 빛의 세기가 측정되었다. 일반적으로 지방세포가 진피 세포보다 크기가 크고, 밀도가 낮으며, 지방층의 색이 백색이므로 광을 흡수하면서 또한 반사하는 효과가 존재하는 것으로 나타났다.

실험예 3

실험예 2와 마찬가지로 신선한 돼지고기를 이용하여 진피층과 피하지방층에 630nm 파장의 빛을 조사하였을 경우 표피에서 수직거리에 따른 빛의 확산 정도를 측정한 결과를 이미지 센서로 촬영한 결과는 도 4와 같다. 표피 및 진피층과 피하지방층의 광 투과가 매우 다른 것으로 나타났으며, 빛이 경계면을 따라 우선적으로 도파되고, 광원에서부터 어느 정도 거리가 떨어지면 지방층의 빛과는 비교적 간섭이 적게 일어나는 것을 관찰 할 수 있다.

실험예 4-1

이미지 센서를 이용하여 인체 각 부위별 피부 특성을 관찰하였다. 팔, 종아리, 이마, 등, 뺨에 빛을 조사할 경우 이미지 센서에 나타나는 띠까지의 거리를 측정한 결과는 도 5a에 도시된 바와 같다. 도 5b 및 도 5c는 빛을 조사할 경우 신체 부위별(등, 팔, 종아리, 뺨)로 나타난 이미지 센서 촬영 사진 상에서 A, B, C의 거 리를 측정한 방법과 결과를 나타낸다.

실험예 4-2

실험예 4-1와 같은 방식으로 이미지 센서를 이용하여 인체 각 부위별 피부 특성을 관찰하였다. 등, 팔, 종아리에 빛을 조사할 경우 이미지 센서에 나타나는 띠까지의 거리를 측정한 결과는 도 5d에 도시된 바와 같다.

실험예 5

한천(agar) 10%를 이용한 겔 샘플에 630nm 파장의 빛을 조사하여 그 특성을 관찰하였다. 본 샘플의 크기는 직경 12cm에 두께 6cm(도 6a), 3cm(도 6b), 2+1cm(도 6c, 잘라낸 후 다시 붙여 사용) 원형 덩어리를 사용하였으며, 도 6a ~ 도6c에 도시된 바와 같이 약간의 원형 띠가 보이나, 이는 이미지 센서와 광원의 각도와 광원이 강하게 나오는 부분의 영향으로 판단된다.

실험예 6

두께가 2.15와 2.57mm인 피부에 빛을 조사할 경우 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 이미지 센서 상의 여러 개의 띠가 발생한다. 각 띠의 거리는 피부두께가 2.15일 경우, 6.39, 10.59, 14.55, 19.15, 24.76, 47.81mm로 나타났으며, 피부두께가 2.57일 경우, 각 때의 거리는 7.31, 12.07, 15.75, 19.84, 29.13, 58.12mm로 나타났다. 따라서, 피부의 두께가 커질수록 각 띠까지의 거리도 멀어지는 것으로 나 타났다.

따라서, 본 발명의 광의 흡수와 산란, 확산반사를 이용한 피부특성 측정방법은 저렴하면서도 간편하며, 피부손상이나 변형없이 안전하게 피부의 특성을 측정할 수 있으며, 더 나아가서 골밀도 측정, 혈액 성분 분석 등 추가적인 응용 효과가 있다.

Claims

피부특성 측정 방법에 있어서,

광원으로부터 발생하는 가시광선의 빛을 피부조직에 조사하는 단계;

상기 피부조직에 조사된 빛 가운데 피부 내에서 흡수, 산란, 확산 반사되는 빛의 세기와 파장의 변화를 센서로 측정하는 단계;

상기 빛의 세기와 파장의 변화를 측정하는 단계에서 얻어진 이미지 등의 데이터를 해석하여 피부의 특성을 측정하는 단계; 로 이루어짐을 특징으로 하는 광의 흡수와 산란, 확산반사를 이용한 동물 피부특성 측정방법.
제 1 항에 있어서,

상기 빛의 파장은 가시광선(300 ~ 750nm) 영역인 것을 특징으로 하는 광의 흡수와 산란, 확산반사에 의한 신호를 이용한 동물 피부특성 측정방법.
제 1 항에 있어서,

상기 빛의 세기를 측정하는 센서를 CMOS, CCD 이미지 센서(image sensor) 칩 형태의 센서 가운데 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 광의 흡수와 산란 확산반사를 이용한 동물 피부특성 측정방법.
제 1 항에 있어서,

상기 피부 내에서 흡수, 산란 확산반사 되어나온 빛의 신호는 표피, 진피, 피하지방층에서 각각 흡수, 산란 확산반사 되어나온 빛의 신호인 것을 특징으로 하는 광의 흡수와 산란, 확산반사를 이용한 동물 피부특성 측정방법.
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