42‑4, 390/394(2004) 研 究
テラヘル ツ電磁波パル スを用 いた 非接触 ・局所皮膚水分量測定 の開発*
安 井 武 史**・ 東 野 義 之***・ 荒 木 勉**
Non-contact Measurement of Local Water Content in Skin Using a Terahertz Electromagnetic Pulse*
Takeshi YASUI,** Yoshiyuki TOHNO,*** Tsutomu ARAKI**
Abstract We propose the application of a terahertz electromagnetic pulse (THz pulse) for non-contact measurement of local water content in the skin. The free-space propagating THz pulse is generated as dipole ra- diation from a photoconductive antenna triggered by a femtosecond pulsed light from a mode-locked Ti:Sapphire laser. Strong interaction of the electromagnetic wave with water in the THz region enables the measurement of water content in the skin using the THz pulse. The ultrashort temporal width of the THz pulse can probe depth information on the skin in the same manner as the ultrasound pulse echo method. In this paper, we demonstrate measurements of water content and thickness of the analytical region in a human skin sample based on the time- of-flight method for THz pulse echo. A relative change of water content in the sample was determined by the change in the peak height of the THz pulse echoed from the skin surface. With respect to tomographic informa- tion on the skin, we observed THz pulse echo from an air-corneum interface and that from an epidermis-dermis in- terface, successively. Simultaneous quantification of the water content and thickness will be a powerful tool for monitoring the hydration level with respect to morphology of the skin.
Keywords:terahertz pulse, hydration, tomography, skin.
1. は じ め に
皮 膚 は 人体 が 外 界 と接 す る部 位 で あ り, 皮 膚 呼 吸 ・発 汗 な ど に よ り生 体 内 の 環 境 や 体 温 を 調 節 す る だ け で な く, 外 部 の刺 激(異 物, 細 菌, 微 生 物, 太 陽 光 線, 機 械 的刺 激 他) か ら生 体 内 部 組 織 を保 護 す る役 割 も担 っ て い る. 皮 膚 の こ れ らの機 能 が 低 下 す る と皮 膚 疾 患 とな り, 炎 症 や痒 み を生
じる こ と に な る. この よ うな 皮 膚 の機 能 は, 皮 膚 の 最 外 殻 組 織 で あ る角 質 層 及 び 表 皮 の水 分 含 有 量 と 関係 が あ る と考 え られ て い る. 一 方, ア トピー 性 皮 膚 炎 に よ る ドラ イス キ ン, 皮 膚 ガ ンや 火 傷 の 検 査, 化 粧 品 ・医 薬 品 の評 価, 美 容 な ど, 実 用 的 視 点 か ら も皮 膚 の水 分 モ ニ タ リ ング は 多 くの
ニ ー ズ が あ る. こ の よ う に, 皮 膚 水 分 量 は 人 間が 生 活 し て い く上 で重 要 な生 理 的 パ ラ メ ー ター で あ り, 皮 膚 科 学 的 観 点 か ら重 要 な 関 心 事 と な っ て い る.
従 来 よ り水 の 電 気 的特 性(電 導 率, 静 電 容 量, 誘 電 率 他) を利 用 した皮 膚 水 分 測 定 法 が 提 案 ・実 用 化 され て い る が, マ ク ロ な領 域(〜cm2)の 接 触 測 定 で あ る上 に, 水 分 以 外 の 電解 質(汗 他)の 影 響 を受 けや す く高 精 度 化 が 困 難 で あ っ た. 一 方, 非 接 触 リモ ー ト測 定 が 可 能 な光 学 的 手 法 と し て, 可 視 光 や 近 赤 外 光 の拡 散 反 射 分 光 法 に よ る水 分 測 定 法 も提 案 され て い る が, 水 の微 弱 な吸 収 ・皮 膚 組 織 中 の 多 重 散 乱 ・メ ラニ ン色 素 の 吸 収 とい っ た要 因 の た め, 十 分 な成 果 は挙 げ られ て い な い.
こ の よ う な現 状 に お い て, 皮 膚 水 分 量 測 定 の 非 接 触 ・高 感 度 ・高 精 度 ・高 空 間 分 解 能 化 は も ち ろ ん の こ と, さ ら に 角 質 層 あ る い は表 皮 の 厚 さ測 定 を同 時 に 実 現 で きれ ば, 皮 膚 保 水 状 態 に 関 す る重 要 な指 針 を得 る こ とが 可 能 に な る と 考 え られ る. 本 論 文 で は, こ の よ う な皮 膚 計 測 を実 現 す る 手段 と して テ ラヘ ル ツ 電磁 波 パ ル ス(THzパ ルス)に 注 目 し, 皮 膚 表 面 の 相 対 含 有 水 分 量 と皮 膚 断 層 構 造 の 非 接 触 ・ 局 所 測 定 に 関 す る報 告 を行 う.
*生 体 医 工 学 シ ン ポ ジ ウ ム2004発 表(2004年9月
, 札 幌)
2004年8月9日 受 付, 2004年11月18日 改 訂
Received August 9, 2004;revised November 18, 2004.
**大 阪 大 学 大 学 院 基 礎 工 学 研 究 科 機 能 創 成 専 攻
Department of Mechanical Science and Bioengineering, Graduate School of Engineering Science, Osaka University
***奈 良 県 立 医 科 大 学 医 学 部 第1解 剖 学 教 室
1st Department of Anatomy, Nara Medical University
は, 自 由 空 間 伝 搬, 良 好 な物 質 透 過 特 性, 極 性 分 子(例 え ば水)と の 相 互 作 用 が 大 きい, 低 エ ネ ル ギ ー ・低 侵 襲, コ ヒ ー レ ン トなサ ブ ピ コ秒 パ ル ス, 広 帯 域 ス ペ ク トル, 生 体 組 織 内 で の 散 乱 の 影 響 が 小 さい, イ メ ー ジ ング測 定 や 分 光 測 定 が 可 能, とい っ た特 徴 を有 す る. この よ うな ユ ニ ー ク な特 徴 に よ り, 生 体 計 測 分 野 に お け る 新 しい計 測 手 段 と し て注 目 さ れ て い る2〜5).
この よ う なTHzパ ル ス を皮 膚 計 測 に応 用 す る こ と に よ り, (a)非 破 壊 ・非 接 触 ・低 侵 襲, (b)低 散 乱 ・深 浸 透 性 に よ る皮 膚 深 部 の測 定, (c)水 との 相 互 作 用 を利 用 した 高 感 度 水 分 量 測 定, (d)サ ブ ピ コ秒 時 間分 解 測 定 に よる 高 精 度 断 層 構 造 測 定, (e)THzイ メ ー ジ ン グ に よ る2次 元 分 布 測 定 とい っ た特 徴 を有 す る 高 機 能 皮 膚 診 断 法 が期 待 で き る.
3. 測 定 原 理
皮 膚 組 織 は, 外 側 か ら, 角 質 層 ・表 皮 ・真 皮 ・皮 下 組 織 とい う順 序 で 層構 造 を成 して い る(第1図(a)). 各 層 の 成 分 は 各 々異 な る こ とか らそ の 光 学 的 特 性 で あ る群 屈 折 率 も 異 な り, そ の 結 果, 各 層 の 境 界 に は 群 屈 折 率 不 連 続 面 が存
第1THzエ コ ー パ ル ス の 強 度 は 空 気‑角 質 層 境 界 の 群 屈 折 率 差 に よ っ て決 まる 反 射 率 に依 存 す る た め, そ の 強 度 変 化 よ り皮 膚 表 面 含 有 水 分 量 の相 対 変 化 を モ ニ タ リ ング で き る.
4. 実 験 装 置 及 び サ ン プ ル
第2図 に, 実 験 装 置 図 を示 す. THzパ ル ス の発 生 及 び検 出 に は フ ェ ム ト秒 モ ー ド同 期 チ タ ン ・サ フ ァイ ア レー ザ ー (AVESTA TiF‑Kit‑100, パ ル ス 幅=60fs, パ ワ ー=200 mW, 繰 り返 し周 波 数=87MHz, 中 心 波 長=810nm)を 用 い る. レー ザ ー 光 は ビー ム ・ス プ リ ッ タ ー(BS1)に よ っ て, THz発 生 用 ポ ンプ 光 とTHz検 出用 プ ロ ー ブ 光 に 分 岐 さ る. ポ ン プ光 は レ ンズ に よっ て, 光 伝 導 ア ンテ ナ(PC ア ン テ ナ)に 集 光 さ れ る. 光 伝 導 膜 上 の微 小 ア ン テ ナ ・ギ
ャ ップ 間 に は, あ らか じめ バ イ ア ス 電 圧 をか け て お く. フ ェ ム ト秒 パ ル ス光 が ギ ャ ップ に 入 射 した 瞬 間 に光 伝 導 膜 に 発 生 した 光 励 起 キ ャ リ アが, バ イ ア ス 電圧 で 加 速 され る こ とに よ っ てPCア ンテ ナ 間 を微 小 電 流 が 瞬 時 に流 れ, 双 極 子 放 射 が 起 こ る. そ の 結 果, THzパ ル ス が 超 半 球 型 シ リ コ ン レ ンズ(Siレ ンズ)側 に放 射 され る. THzパ ル ス は軸 外
第1図 測 定 原 理
(a)皮 膚 組 織 構 造 と(b)THzエ コ ー パ ル ス 時 間 波 形.
Fig. 1 Principle of the proposed method.
(a) Layer structure of skin tissue, and (b) Temporal waveform of THz pulse echo.
第2図 実 験 装 置 Fig. 2 Experimental setup.
し放 物 面 鏡(OAPM1)に よ っ て 平 行 光 線 に さ れ, 平 面 ミ ラ ー(M)で 反 射 さ れ た 後, 別 の軸 外 し放 物 面 鏡(OAPM2) に よ っ て サ ン プ ル に 集 光 さ れ る. サ ンプ ル か ら反 射 され た THzパ ル ス は 軸 外 し放 物 面 鏡(OAPM2)に よ っ て 再 び平 行 光 線 に され た後, 3番 目の 軸 外 し放 物 面 鏡(OAPM3)に
よ っ て 電 気 光 学 結 晶(EO結 晶)に 集 光 さ れ る. プ ロ ー ブ パ ル ス 光 は 時 間 遅 延 を経 て 偏 光 子(P)で 直 線 偏 光 に され た 後, ビ ー ム ス プ リ ッ ター(BS2)に よ っ てTHzパ ル ス と 空 間 的 に重 ね 合 わ さ れ てEO結 晶 に 入 射 さ れ る. こ こ で, THzパ ル ス はEO結 晶 の 印 加 電 界 と して 機 能 す る. す な わ ち, THzパ ル ス とプ ロー ブ光 がEO結 晶 内 で 時 間 的 に重 な っ た 時 の み, THzパ ル ス に よ る 電 気 光 学 効 果(複 屈 折)を プ ロ ー ブ 光 が 受 け, 直 線 偏 光 の プ ロ ー ブ 光 が 楕 円偏 光 化 さ れ る. 複 屈 折 量 はTHzパ ル ス の 電 場 強 度 に比 例 す る. そ の 複 屈 折 量 を1/4波 長 板(λ/4), ロ ー シ ョ ン ・プ リ ズ ム (RP), 自動 バ ラ ンス 検 出 型 フ ォ トダ イ オ ー ド(PD)を 用 い て 強 度 信 号 と して ロ ッ ク イ ン検 出 す る. 本 シ ス テ ム で は, PCア ン テ ナ の バ イ ア ス 電 圧 変 調 に よ り発 生 させ た 高 速 変 調THzパ ル ス(変 調 周 波 数=100kHz)を 用 い る こ と に よ り, ロ ッ ク イ ン検 出 に お け る測 定SN比 の 向 上 を 実 現 させ て い る7). プ ロ ー ブ 光 はTHzパ ル ス に比 べ て パ ル ス 幅 が 短 い の で, プ ロー ブ光 の 時 間遅 延 を連 続 的 に 変 化 させ な が ら複 屈 折 変 化 量 を サ ン プ リ ン グ測 定 す る こ と に よ り, THzパ ル ス の 電 場 時 間 波 形 を再 現 す る. ま た イ メ ー ジ ン
グ測 定 で は, サ ンプ ル を2次 元 的 に走 査 す る.
本 研 究 で は, サ ンプ ル と し て ヒ ト掌 の 皮 膚 を 用 い た. 皮 膚 サ ン プ ル は, ホ ル マ リ ン固 定 さ れ た 解 剖 献 体 か ら取 り出 さ れ, 皮 下 組 織 を外 科 用 メ ス で 除 去 した. こ の よ う に して 作 成 した 角 質 層 ・表 皮 ・真 皮 か ら な る皮 膚 サ ンプ ル は, 蒸 留 水 で洗 浄 後 乾 燥 させ て, 実験 に用 い た.
5. 実 験 結 果
5・1 基 本 特 性
本 シ ス テ ム に よ っ て 得 られ たTHzパ ル ス の 電 場 時 間 波 形 を第3図(a)に 示 す. この よ うにTHz領 域 で は, もは や 搬 送 波 成 分 の 包 絡 波 が 超 短 パ ル ス を 形 成 す る の で は な く, 完 全 な モ ノ サ イ クル ・パ ル ス と な り, パ ル ス 幅 は0.4psで
あ っ た. こ の 電 場 時 間 波 形 を フ ー リ エ 変 換 す る こ と に よ り, 振 幅 と位 相 の周 波 数 ス ペ ク トル(フ ー リエ ス ペ ク トル) を得 る こ とが で きる. 第3図(b)は 振 幅 ス ペ ク トル を示 し て お り, 周 波 数 ス パ ンは3THzに 達 して い る こ とが確 認 で
き る. また, 測 定SN比 は 最 大1,000で あ っ た.
イ メ ー ジ ン グ特 性 の 評 価 は, ナ イ フエ ッ ジ法 を用 い て 行 っ た. す な わ ち, 第3図(a)のTHz電 場 時 間 波 形 の最 大 値 に 時 間遅 延 を固 定 し, サ ン プ ル位 置 で ビ ー ム を横 切 る 方 向 に ナ イ フ を0.1mm刻 み で 移 動 させ た 時 の 電 場 強 度 の 変 化 を測 定 した(第4図(a)). 測 定 値 に対 して, ガ ウ シ ア ン・
フ ィ ッテ ィ ン グ を 行 っ た 結 果, ス ポ ッ ト径(空 間 分 解 能) は1.7mmで あ っ た. またTHzイ メ ー ジ ング の 応 用 例 と し て, カ ッ ター ナ イ フ刃 の根 元 部 分 のTHzイ メ ー ジ ン グ測
第3図 基 本 特 性
(a)時 間 波 形 と(b)振 幅 ス ペ ク トル.
Fig. 3 Fundamental property of THz pulse.
(a) Temporal waveform, and (b) Amplitude spectrum.
第4図 空 間 分 解 能
(a)THzス ポ ッ ト径. カ ツ タ ー ナ イ フ の(b)光 学 イ メ ー ジ と(c)THzイ メ ー ジ.
Fig. 4 Spatial resolution of the proposed system.
(a) THz spot diameter determined by knife-edge measurement, (b) Optical image, and (c) THz image of a paper knife.
定 を 透 過 配 置 で 行 っ た. 第4図(b)に 示 す よ う に, カ ッ タ ー ナ イ フ 刃 の 幅 は9mmで, 直 径3mmの 穴 が あ い て い る. サ ン プ ル は 自 動 ス テ ー ジ に よ っ て20mm×20mmの
測 定 範 囲 を0.25mm刻 み で2次 元 的 に 走 査 し, 測 定 を 行 っ た. そ の 結 果, 得 ら れ たTHzイ メ ー ジ が 第4図(c)で あ る. ナ イ フ 刃 は 金 属 製 で あ る た めTHzパ ル ス 光 は 透 過 で き ず, 結 果 と し て そ の 部 分 が 影 と な っ て 表 れ て い る こ と が 分 か る. ま た, 光 学 イ メ ー ジ と 比 較 す る と, 回 折 の 影 響 に よ り イ メ ー ジ が 少 し ぼ や け て い る が, ナ イ フ エ ッ ジ 及 び 穴 の 部 分 が 確 認 で き る.
5・2 皮 膚 断 層 測 定
第5図 に, ヒ ト掌 皮 膚 サ ン プ ル か ら 得 ら れ たTHzエ コ ー パ ル ス の 電 場 時 間 波 形 を 示 す. こ こ で 時 間 波 形 は デ コ ン ボ リ ュ ー シ ョ ン解 析 に よ る イ ン パ ル ス 応 答 と し て 示 さ れ て お り, エ コ ー パ ル ス の 正 負 及 び 大 小 は 境 界 前 後 の 群 屈 折 率 の 大 小 関 係 に よ っ て 決 ま る. 第5図 に お い て, (1)は 空 気‑
角 質 層 の境 界, (2)は 表 皮‑真 皮 の 境 界, (3)は 真 皮‑サ ン プ ル ホ ル ダ ー境 界 か ら のTHzエ コ ー パ ル ス で あ る と考 え られ る. 一 般 に掌 は 身 体 中 で特 に角 質層 が 厚 い 部 位 と し て 知 られ て い る が, 角 質 層下表 皮 境 界 の エ コ ー は 観 測 され て い な い. これ は, 角 質 層 厚 さ に 対 してTHzパ ル ス の 時 間 幅 が 十 分 に 短 くな い上 に 角 質 層‑表 皮 境 界 の 屈 折 率 差 が 小 さ い た め, 微 弱 な 角 質 層‑表 皮 境 界 か ら の エ コ ー パ ル ス が 時 間 的 に分 離 され ず, エ コー パ ル ス(1)に 重 畳 し隠 れ た 状 態 で あ る た め と 思 わ れ る. THz領 域 に お け る 生 体 組 織 の 群 屈 折 率 を2と す る と4), 角 質 層 表 面 か ら表 皮‑真 皮 境 界 まで の 厚 さ は409μmで, 真 皮 の 厚 さ は1,260μmで あ り, 実 際 の サ ンプ ル の 幾 何 学 的 形 状 とオ ー ダー 的 に 一 致 して い
る.
5・3 含 有 水 分 量 測 定
次 に皮 膚 含 有 水 分 量 に 関 す る実 験 を行 っ た. サ ン プ ル に は, 前 述 の 皮 膚 断 層 測 定 で 利 用 した ヒ ト掌 皮 膚 を蒸 留 水 中
第5図 ヒ ト掌 皮 膚 のTHzエ コ ー パ ル ス.
Fig. 5 THz echo pulse obtained from human palm skin.
第6図 ヒ ト掌 皮 膚 水 分 量 の 時 間 的 変 化.
Fig. 6 Temporal change of water content in human palm skin.
に12時 間浸 して用 い た. こ こ で は, 測 定 原 理 で 述 べ た よ う に, 含 有 水 分 量 に よ るTHz屈 折 率 変 化 を利 用 した. す な わ ち, 空 気‑角 質 層 境 界 エ コ ーパ ル ス(1)の 強 度 を用 い て, 含 有 水 分 量 の推 定 を行 っ た. 第6図 は, エ コー パ ル ス(1) の 強度 をパ ラ メ ー ター と して 用 い た場 合 の 時 間 変 化 を示 し て い る. 皮 膚 サ ン プル を空 気 中 に放 置 す る と, 時 間 の 経 過 と共 に エ コー パ ル ス(1)の 強 度 が 減 少 した. これ は以 下 の よ うに 考 え られ る. THz領 域 に お け る水 の群 屈 折 率 は2 よ り大 きい た め7), 水 を 含 ん だ 皮 膚 の 群 屈 折 率 は乾 燥 皮 膚 (群屈 折 率=2)よ り大 き くな る. す な わ ち, 皮 膚 の 乾燥 と 共 に群 屈 折 率 が 低 下 して い くこ と に な る. この 群 屈 折 率 の 低 下 に よ り, 空 気(群 屈 折 率=1)‑角 質 層 境 界 に お け る群 屈 折 率 差 も低 下 す る た め, THzエ コー パ ル ス信 号 の 強 度 が 減 少 す る. 第6図 の 結 果 は この よ うな 過 程 を反 映 し てお り, 角 質 層 表 面 の水 分 量 変 化 に 対 応 して い る と考 え られ る.
6. ま と め
THzパ ル ス を用 い た新 しい 非 接 触 ・局 所 皮 膚 診 断 法 と し て, 皮 膚 の 水 分 量 と厚 さ の 同 時 測 定 に 関 す る基 礎 研 究 を報 告 した. 厚 さ測 定 に 関 して は, 空 気 下角 質 層 及 び 表 皮‑真 皮 の 各 境 界 か らのTHzエ コー パ ル ス を確 認 した. 一 方, 角 質 層‑表 皮 境 界 か らの エ コ ー パ ル ス は厚 さ分 解 能(時 間 分 解 能)の 不 足 に よ り, 空 気‑角 質 層 境 界 の エ コ ー パ ル ス と分 離 す る こ とが で き なか っ た. 今 後 は, さ らな る 厚 さ分 解 能 の 向 上 が 望 ま れ る. そ の た め の 手 段 と して, 極 短THzパ ル ス の 利 用8)や 信 号 解 析 手 法 の 改 善(逆 問 題 解 析 な ど)9)を 検 討 して い る. また 水 分 量 測 定 に 関 して は, 皮 膚 含 有 水 分 量 に よ るTHz屈 折 率 変 化 を利 用 す る こ とに よ り, THzパ ル ス エ コー の 強 度 変 化 か ら皮 膚 表 面 水 分 量 の相 対 的 な変 化 を モ ニ タ リ ング で きた. 一 方 で, 皮 膚 含 有 水 分 量 の 絶 対 定 量 を行 うた め に は 本 手 法 で は不 十 分 で あ り, 今 後 は 微 量 水 分 量 の 高 感 度 定 量 法 の 検 討 が 必 要 で あ る. 上 記 問 題 の 解 決
及 び測 定 迅 速 化 に よ る 高 速2次 元 イ メ ー ジ ン グ測 定 が 実 現 で きれ ば, 本 手 法 に基 づ い た次 世代 の 高 機 能 皮 膚 診 断 法 が 期 待 で きる と考 え られ る.
謝 辞 本 研 究 の 一 部 は, 中 谷 電 子 計 測 技 術 振 興 財 団及 び NEDO産 業 技 術 研 究 助 成 に よ り援 助 を 受 け た.
文 献
1) D. H. Auston, K. P. Cheung & P. R. Smith:Picosecond pho- toconducting Hertzian dipoles, Appl. Phys. Lett., 45-3, 284/286 (1984)
2) D. M. Mittleman, R. H. Jacobsen & M. C. Nuss:T-ray imag- ing, IEEE J. Quantum Electron., 2-3, 679/692 (1996) 3) T. Loffler, T. Bauer, K. J. Siebert, H. G. Roskos, A. Fitzger-
ald & S. Czasch:Terahertz dark-field imaging of biomedi- cal tissue, Opt. Exp., 9-12, 616/621 (2001)
4) B. E. Cole, R. Woodward, D. Crawley, V. P. Wallace, D. D.
Arnone & M. Pepper:Terahertz imaging and spectros- copy of human skin, in-vivo, Proc. SPIE, 4276, 1/10 (2001) 5) D. Crawley, C. Longbottom, V. P. Wallace, B. E. Cole, D. D.
Arnone & M. Pepper:Three-dimensional terahertz pulse imaging of dental tissue, J. Biomed. Opt., 8-2, 303/307
(2003)
6) J. T. Kindt & C. A. Schmuttenmaer:Far-Infrared dielec- tric properties of polar liquids probed by femtosecond te- rahertz pulse spectroscopy, J. Phys. Chem., 100-24, 10373/10379 (1996)
7) T. Yasui & T. Araki:Dependence of terahertz electric field on electric bias and modulation frequency in pulsed terahertz emission from electrically-modulated photocon- ductive antenna detected with free-space electro-optic sampling, Jpn. J. Appl. Phys., 44 (2005) (in printing) 8) Y. C. Shen, P. C. Upadhya, E. H. Linfield & H. E. Beere:Ul-
trabroadband terahertz radiation from low-temperature- grown GaAs photoconductive emitters, Appl. Phys. Lett., 83-15, 3117/3119 (2003)
9) 安 田敬 史, 実 吉 永 典, 安 井 武 史, 荒 木 勉, 岩 田哲 郎:テ ラヘ ル ツ電磁 波 パ ル ス を用 い た塗 装 膜厚 測 定 の 高分 解 能化, 平 成16年 度 日本分 光学 会春 季講 演会 講演 要 旨集, 66(2004)
