JP4583296B2 - 肌年齢の測定方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、肌年齢の測定方法及びその装置に関する。

近年、皮膚等の皺（しわ）・染み・くすみの有無や弾力性、保湿性の有無など肌の老化度合いとして肌年齢という用語が化粧品関連分野や、エステなどの美容・健康分野などでよく使われている。そして、その肌年齢を合理的に得る方法、装置に需要がある。

この肌年齢を測定するための指標の１つとして、皮膚等に圧縮空気を吹きつけてその弾方性を測る測定方法や装置は知られており、例えば、被計測面に圧縮空気を瞬間的に吹きつけ、この吹きつけによる被計測面の変位量をレーザー変位計にて測定し、その計測結果を線形表示するようにしたものや（特許文献１参照）、噴射ノズルから圧縮ガスを被測定部に向けて噴射し、それによる被測定部の表面変位を計測し、噴射からの時間と表面変位との関係に基づいて、被測定部の応力に対する表面特性を評価するもの（特許文献２参照）がある。

また、本発明者らが提案したものとして、皮膚や筋肉などの生体表面部等の変形特性を知るために、皮膚や筋肉に加振力を作用させ、該加振力によって生ずる加速度、速度、変位の周期的な応答のうち少なくとも１つを測定し、加振力と応答との間の伝達特性により物体の変形特性を測定するものや（特許文献３参照）、加振力を作用させるための空気ノズルの作用点と、この作用点に照射するレーザー変位計の光軸とを一致させた変形特性測定装置（特許文献４参照）がある。

特許文献１記載のものは、被計測面を非接触状態で計測を行い正確な計測が行えるという利点や、圧縮空気の吹き付け部位の変位量に基づいて、コンピュータで演算されて描かれる弾性率線をディスプレイ上に線形表示させ、正確な弾性特性の判定が行われる利点があるが、肌年齢を推定する手法や算出方法については何ら開示されていない。

特許文献２記載のものは、被測定面に圧縮空気を吹き付けると、被測定面が最大変位で窪むが、圧縮空気の吹き付けを停止すると、窪んだ箇所の変位が回復過程に入り、変位回復の所要時間を計測することにより肌年齢を推定するものである。例えば、最大変位、変位所要時間、回復所要時間、回復全所要時間、平均変位速度、平均回復速度等をパラメーターとして年齢に対する相関係数を求め、相関係数の高いパラメーターに対して肌年齢の推定に優位性があるとするものであるが、変位と時間のみを計測して肌年齢の推定を行うので精度に欠ける面があった。

特許文献３及び特許文献４に記載のものは、被測定物を粘弾性体として把握し、これを質量ｍ、バネｋ、ダンパーｃによる機械振動系のモデルとして表し、質量ｍ、バネｋ、ダンパーｃの各特性を算出している（特許文献３の段落番号００２１及び図４、特許文献４の段落番号００２８及び図９参照）。しかしながら、これらの文献には特許文献１と同様に肌年齢を推定する手法や算出方法については何ら開示されていない。
また、計測をプローブなどを使った接触方式で行うと計測データの収集はプローブやそれを動かすアクチュエータなどの機械的な応答速度を上回ることができない。即ち、接触方式は、計測時間１秒以下の高速な計測を行うには適切でない。

特開２００３−２９４５９８号公報 特開２００４−１０８７９４号公報 特開２００４−０６９６６８号公報 特開２００５−１２１６１４号公報

本発明は上記間題点に鑑み、被測定対象となる肌を粘弾性体として把握し、これを質量ｍ、バネｋ、ダンパーｃによる機械振動系のモデルとして表すとともに、質量ｍ、バネｋ、ダンパーｃからなる機械インビーダンス特性（各パラメーター）を算出し、この機械インピーダンス特性に基づき、肌の老化度合いの指標となる肌年齢を精度よく推定することを可能にした肌年齢の測定方法及び装置を提供することにある。

被測定面（肌）に圧縮空気を噴射することにより、非接触で力を加え、被測定面を変形させる。変位をレーザー変位計で計測し検出する。
肌の粘弾性特性は、被測定面における質量ｍ、バネｋ、ダンパーｃからなる機械インピーダンス特性のパラメーターにより推定できるものとする。
検出値と変位の伝達特性から、演算・制御手段により、被測定面における質量ｍ、バネｋ、ダンパーｃからなる機械インピーダンス特性を算出する。

演算・制御手段は、さらに、算出された機械インピーダンス特性によりＢＭＩ値〔体脂肪率＝体重（ｋｇ）÷身長（ｍ）²〕、すなわち、肥満度を推定し、算出された機械インピーダンス特牲の粘性パラメーターＣを同特性中の弾性パラメーターＫで正規化することにより、結果として粘性パラメーターＣをＢＭＩ値で補正する。補正された粘性パラメーターＣ、すなわち、Ｃ／Ｋ値を肌の粘弾性特性と推定する。
そして、前記の肌の粘弾性特性を予め準備したＣ/Ｋ値に関する年齢別標準値のテーブルと対比して最も近似した値と対応した年齢を肌年齢と決定する。
表示手段により、決定された肌年齢を数値などで表示する。

被測定対象となる肌の被計測面は、バネｋ及びダンパーｃを並列結合したものを、さらに、直列に２段結合したモデルにおける機械インピーダンス特性のパラメーターで表わされるものと定義し、該モデルを利用して前記質量ｍ、バネｋ、ダンパーｃからなる機械インピーダンス特性を算出する。なお、質量ｍは、肌の変位測定では小さいので無視し得る。

計測のために力を印加する圧縮空気は、充分な容量の空気タンクからレギュレータ及びバッファタンクを経由して供給されることが好ましい。空気タンクはコンプレッサーを備えた大型のタンクの場合や塗料のスプレー缶のような小型（携帯可能な）のタンクの場合とがある。

１．肌を、肌表面にバネ（インピーダンスｋ）とダンパー（インピーダンスｃ）を並列結合したもの（各インピーダンスｋ１，ｃ１，ｋ２，ｃ２）を肌の厚み方向へ直列に２段結合した構造にモデル化したことにより、このモデルから推定される粘弾性体としての変位応答曲線が肌に対する実測値による変位応答曲線とよく一致し、肌年齢を精度よく推定することができる。
２．弾性項目パラメーターｋ２の値は、年齢との相関係数がもっとも高いので、精度の高い肌年齢を演算することができる。
３．合成弾性パラメーターＫ値は、被験者の体格とやや強い相関があり、このためＣ／Ｋ値は、合成粘性パラメーターＣ値を体格で補正した結果となる。Ｃ／Ｋ値（補正粘性パラメーター）を用いることにより、精度高く肌年齢を演算することができる。
４．Ｃ／Ｋ値は、ステップ応答における時定数でもあるので、変位応答より６３．２％に達する時間を測定することにより容易に求めることができる。

５．圧縮空気の供給経路にバッファタンクを設けたので安定したステップ状の圧力特性を得られ、計測時に常に一定した印加力を得られる。また、圧力センサーを省略できる。このため、演算・制御手段で処理しなければならないデータの種類が少なくなり、演算・制御手段に能力の高いものが要求されない。その一方で、肌年齢を精度よく推定することができる。
６．変位応答の計測が非接触なので、肌に損傷を与えるとか、非衛生であるといった問題点を解決できる。

〔装置〕
図１は、肌年齢測定装置１の基本構造を模式的に示している。この装置１は、基板２に非測定対象となる手や腕３を載置して上方から圧縮空気を吹き付けて測定のための力を印加するタイプのものであり、基板２に対して一体に起立させて構成した支柱４にガイド５を設け、ガイド５にスライダー６を上下方向に位置調整可能に組み付けてある。スライダー６にはヒトの肌表面ｐに圧縮空気を噴射するノズル７と力の印加による肌の変位を三角測量の原理で計測する変位センサ−８を備える。実施例において変位センサー８は、（株）キーエンスが市販しているレーザ変位センサーＬＫ−０３０を用いている。

ノズル７には、圧縮空気を蓄えたボンベ９から、圧力を一定にするレギュレータ１０と一定圧力の空気を蓄え圧力変動を低減するバッファタンク１１及び圧縮空気の流れを制御する電磁弁１２を経由した圧縮空気供給路１３が接続されている。
肌年齢測定装置１は、さらに、演算装置１４とその出力ポートに接続された表示装置１５を備え、演算装置１４には電磁弁１２へ弁の開閉信号が送られる一方、変位センサー８からの検出信号が入力ポートに伝達される。

演算装置１４と表示装置１５はいわゆるパソコンで構成され、ユーザー利用の記憶部に装置全体の作動制御を行うプログラムと変位センサー８から取得した情報に基づき機械インピーダンス特性の推定（各パラメーターの推定）と肌年齢の算出を行うプログラムをパソコンのＯＳとリンクさせて格納してある。表示装置への信号の伝達と表示データの処理はパソコンが備えた機能による。

計測の手順は、図２のフローチャートに示すように、スライダー６を調整してノズル７、変位センサー８と肌表面ｐとの距離（実施例１０ｍｍ）、ボンベ圧（同０．６ＭＰａ）やレギュレータ１０による圧力調整値(同０．３ＭＰａ)を適正に調節、又は確認する（初期化）。ついで、計測の開始により、前記プログラムが稼動して、電磁弁１２が開かれ（同０．２５ｓｅｃ）ノズル７からの圧縮空気の噴流によって肌に印加力ｆ（同０．１７Ｎ）が印加される（図３）。肌表面ｐの変位ｘ（へこみの規模１．５〜２．０ｍｍ程度）が変位センサー８で計測される。計測された検出値はデータとして演算装置１４のＲＡＭに保存され、このデータに基づいて、あらかじめ格納された数式のプログラムにより機械インピーダンス特性（各パラメーター）が推定され、さらに、同様に格納された数式と対応年齢テーブルとから肌年齢の算出が行われる。計測の結果としての算出された肌年齢は、表示用バッファとしてのＲＡＭに収められ、表示装置１５に表示される。表示の形態は数字、グラフ、ポインターなど適宜なものを選択できる。

機械インピーダンス特性の推定では印加力とこれによる肌表面ｐの変位を高精度で計測する必要があるが、本装置では圧力レギュレータ１０とバッファタンク１１を備えることで再現性の高い圧力特性を得ることに成功し、噴射のたびに圧縮空気の圧力を計測する圧力センサを用いなくとも、調整後にパソコンへあらかじめ記億させた空気圧に基づいて機械インピーダンス特性を推定することができる。また、通常何の対策もされていない場合のノズル位置での圧力特性は図４（ａ）のようになるが、本装置で得られる圧力特性は図４（ｂ）のようなステップ状であり、機械インピーダンス特性の推定において計算が容易かつ精度のよい推定が可能となる。
以上のことは、演算装置が実行速度やメモリ容量の非力なプロセッサであってもよいことを意味し、緒果として、肌年齢測定装置１のコスト削減を図ることができる。

〔方法１〕
基本の考え方
ヒトの肌は加齢とともにその「はり」を失っていく。図５は、ヒト肌に力を加えたときの変位データを最大変位で正規化したグラフであり、２０代男性の場合へこませてもすぐに元に戻るが、５０代男性では、元に戻るまでに時間がかかる。このことは、肌表面ｐは、バネや粘っこさといった粘弾性特性を備えた面であり、この特性は加齢と共に変化するものとして捉えることができる。本発明の方法はこの点に着目し、肌年齢を計測するものである。

具体的手段
このため肌表面ｐに圧縮空気を噴射して非接触で力を印加し、このときの肌の変位応答を非接触で取得する。すなわち、印加力と肌表面ｐの変位応答から肌の粘弾性特性を測定し、あらかじめ記憶させた肌年齢と肌の粘弾性特性の関係より肌年齢を算出する。肌の粘弾性特性の測定は肌の粘弾性モデルのインピーダンス特性（パラメーター）を推定することによって行う。
インピーダンスパラメーターの推定にあたっては、図６（ａ），（ｂ）のように、肌表面ｐに、バネｋとダンパーｃを並列結合したものを直列に二段結合したバネ・ダンパーをもつ機械インピーダンスモデルを用いる。すなわち、機械インピーダンス特性としてｋ１，ｃ１，ｋ２，ｃ２の４つのパラメーターを推定する。ｋ１，ｋ２は弾性項目パラメーター、ｃ１，ｃ２は粘性項目パラメーターである。

このモデルは２自由度系の運動であり、次式の運動方程式で表される。

さらに（Ｉ）式を印加力ｆと全体の変位ｘとの運動方程式に変形すると

となる、なお、係数はそれぞれ

である。

印加力ｆと変位ｘは既知のデータであるが、計測データにはノイズが含まれていると考えられるので、データを微分して扱うと精度が極端に低下する。本手法ではこの影響を避けるために微分が表れない積分方程式の形に（２）式を変形する。

これを行列で表示すると

ただし

である。

ｆとｘはそれぞれ計測データであり、時系列に従って

と表される。
これより、

でインピーダンスパラメーターｚを推定することができる。
ただし

である。

表１は、この方法によって機械インピーダンスの各パラメーターを推定した結果である。２０代と５０代とを比較するとｋ１には大きな違いは見られないが、ｋ２、ｃ１、ｃ２、に大きな違いがあらわれていることが分かる。

インピーダンス推定結果

図７（ａ）〜（ｄ）は被験者６７人に対する年齢と４つのパラメーターｋｌ，ｋ２，ｃ１，ｃ２との関係を示したものである。表２は、そのときのそれぞれのパラメーターと年齢との相関係数である。このうち、弾性項目ｋ２との相関係数−０．６３２は、従来の肌に力を印加し変形させ、力を除いてから変形が回復するまでの時間を扱うという方法で得た場合には年齢との相関係数が、０．５６１程度であることに比べるとこの相関はかなり高く、精度の高い肌年齢測定が可能といえる。

粘弾性パラメーターと年齢との相関係数
なお、年齢の算出は、次式によっても良いし、あらかじめ粘性項目パラメーターｋ２と年齢を対応させたテーブルから近似のものを抽出してもよい。
肌年齢＝６６６５．３×（ｃ/ｋ）＋１２．１６４

これだけ高い精度が得られたのは、回復するまでの時間という従来手法では「力を除いた時間」と「変位が回復した時間」の２つだけの情報のみで測定しているのに対し、本発明による手法では肌がどのように変化したのか、例えば、すばやく変位が生じた、ゆっくりと変化した、というような力に対する肌の変位応答を、肌表面ｐを粘弾性と捉え、これに機械インピーダンス特性（パラメーター）を使うことによって年齢との関係をうまく表現できるためと考えられる。

この実施例のように、力の印加を圧縮空気で行うときは、きわめて高速に印加を行うことができる。また、圧縮空気の圧力、流量を適切に調整することにより力の印加特性を、容易に変更可能であるといった利点も生まれる。さらに、先に述べたとおり、本発明による肌年齢装置の印加空気の圧力特性はステップ状となるから、測定データが安定する。
実施例では、力の印加に圧縮空気を用いたが、人の肌に吹き付けても格別な支障のない他の気体でもよく、一般には圧縮気体である。

〔方法２〕
前記方法１で用いた図６（ｂ）の４要素モデルの合成の粘性パラメーターＣと合成弾性パラメーターＫは、次のように求めることができる。
Ｃ＝ｃ１・ｃ２（ｃ１＋ｃ２）
Ｋ＝ｋ１・ｋ２（ｋ１＋ｋ２）
そして、合成粘性パラメーターＣと合成弾性パラメーターＫ、及び前記パラメーターＣをパラメーターＫで正規化した値Ｃ／Ｋと被験者の年齢との相関を取ってみると、表３のようになる。

Ｃ／Ｋ値と年齢との関係

合成弾性パラメーターＫに、年齢との相関は見られないが、被験者の体格との相関を取ってみると図８の相関図が得られ、相関係数−０．３４４というやや強い相関が現れることから、合成弾性パラメーターＫは体格の情報を有し、合成粘性パラメーターＣを合成弾性パラメーターＫで正規化したＣ／Ｋ値は合成粘性パラメーターＣを体格で補正していると言える。その結果、表３及び図９のように、Ｃ／Ｋ値と年齢との間に高い相関があらわれている。したがって、方法２では方法１の場合の粘性項目パラメーターｋ２に替え、Ｃ／Ｋ値を肌年齢の算定に用いる。年齢との相関係数が、０．６０９であることは、Ｃ／Ｋ値と年齢との相関はかなり高く、この方法によっても、精度の高い肌年齢測定が可能といえる。

模式的に示した肌年齢測定装置の機構図 肌年齢の測定手順を示したフロー図 変位センサーとノズル部分の斜視図 ノズル先端部における圧縮空気の圧力波形、従来例 ノズル先端部における圧縮空気の圧力波形、本願の発明 ヒト肌に力を加えたときの変位データを最大変位で正規化したグラフ （ａ）肌モデルに示す４要素モデル （ｂ）機械インピーダンスの４要素モデル 被験者６７名の年齢とパラメーターの関係を示すグラフ 被験者６７名の年齢とパラメーターの関係を示すグラフ 被験者６７名の年齢とパラメーターの関係を示すグラフ 被験者６７名の年齢とパラメーターの関係を示すグラフ 合成弾性パラメーターＫと体格指数ＢＭＩとの関係を示すグラフ Ｃ／Ｋと年齢との関係を示すグラフ

符号の説明

１ 肌年齢測定装置
２ 基板
３ 被測定対象
４ 支柱
５ ガイド
６ スライダー
７ ノズル
８ 変位センサー
９ ボンベ
１０ レギュレータ
１１ バッファタンク
１２ 電磁弁
１３ 圧縮空気供給路
１４ 演算装置
１５ 表示装置

Claims (2)

1. 被測定対象となる肌を、肌表面にバネ（インピーダンスｋ）とダンパー（インピーダンスｃ）を並列結合したもの（各インピーダンスｋ１，ｃ１，ｋ２，ｃ２）を肌の厚み方向へ直列に２段結合した構造をもつ４要素モデルとみなし、被測定対象となる肌の被計測面に圧縮気体を噴射して非接触で肌に力を印加し，印加力による被計測面の変位量を測定して、印加力（ｆ）と変位（ｘ）間の伝達特性から被測定面における機械インピーダンス特性を算出し、その合成粘性パラメーターＣ（ｃ１・ｃ２／（ｃ１＋ｃ２））をもうひとつの同機械インピーダンス特性の合成弾性パラメーターＫ（ｋ１・ｋ２／（ｋ１＋ｋ２））で正規化することによってＢＭＩ値で補正された補正粘性パラメーターＣ／Ｋを得、Ｃ／Ｋ値を被測定個所の肌の粘弾性特性と推定し、ついでＣ／Ｋ値をあらかじめ準備したＣ／Ｋ値に関する年齢別標準値と対比し、最も近似する値と対応した年齢を肌年齢とすることを特徴とした肌年齢の測定方法。
2. 被測定対象となる肌の被計測面に圧縮気体を噴射して非接触で力を印加する力印加手段と、
   該力印加手段の圧縮空気を制御するための空圧制御手段と、
   被計測面に加えられた加振力によって生じる変位を測定するレーザー変位計からなる計測手段と、
   被測定対象となる肌を、肌表面にバネ（インピーダンスｋ）とダンパー（インピーダンスｃ）を並列結合したもの（各インピーダンスｋ１，ｃ１，ｋ２，ｃ２）を肌の厚み方向へ直列に２段結合した構造をもつ４要素モデルとみなし、被測定対象となる肌の被計測面に圧縮気体を噴射して非接触で肌に力を印加し，印加力による被計測面の変位量を測定して、印加力（ｆ）と変位（ｘ）間の伝達特性から被測定面における機械インピーダンス特性を算出し、その合成粘性パラメーターＣ（ｃ１・ｃ２／（ｃ１＋ｃ２））をもうひとつの同機械インピーダンス特性の合成弾性パラメーターＫ（ｋ１・ｋ２／（ｋ１＋ｋ２））で正規化することによってＢＭＩ値で補正された補正粘性パラメーターＣ／Ｋを得、Ｃ／Ｋ値を被測定個所の肌の粘弾性特性と推定し、ついでＣ／Ｋ値をあらかじめ準備したＣ／Ｋ値に関する年齢別標準値と対比し、最も近似する値と対応した年齢を肌年齢とする演算・制御手段と、
   該演算・制御手段で推定された肌年齢を数値表示する表示手段と、
   を備えたことを特徴とする肌年齢の測定装置。

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