画像による皮膚色測定装置の皮膚科治療への応用

研究・技術論文
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画像による皮膚色測定装置の皮膚科治療への応用
秋本眞喜雄＊1
Development of an Image Colorimeter for Noncontact Skin Color Measurement
and Application to the Dermatological Treatment
by
Makio AKIMOTO
Abstract
The skin is unique as an organ that is highly accessible to direct visual inspection with light. Visual inspection
of cutaneous morphology is the mainstay of clinical dermatology, but relies heavily on subjective assessment by
the skilled dermatologists. We present an imaging colorimeter of non-contact skin color measuring system and
some experimented results using such instrument. The system is comprised by a video camera, light source, a
real-time image processing board, magneto optics disk and personal computer which controls the entire system.
The CIE-L*a*b* uniform color space is used. This system is used for monitoring of some clinical diagnosis. The
instrument is non-contact, easy to operate, and has a high precision unlike the conventional colorimeters. This
instrument is useful for clinical diagnoses, monitoring and evaluating the effectiveness of treatment.
Key words：skin color, quantification, video camera, chemical peeling, low power laser
1 ．はじめに
もとに診断している．しかし，熟練しているとは言
近年の医療には光の応用技術が多く導入されてい
え皮膚科医の主観的な判断によるもので，微妙に変
る．レーザー治療や光感受性物質を用いた光線力
化する皮膚の性状を視覚で判断するには限界がある．
1）
学療法などは今後の医療の中核をなす技術として
皮膚色の定量的測定は反射型分光光度計や測色計で
期待されている．光に関する物理量は時間・空間的
可能であるが，これらの機器では測定範囲内の色が
要素を除けば可視波長域における分光組成のみであ
平均化されるため，測定ヘッドの面積以下の皮疹の
る．この物理量に対応して生じる知覚は色知覚であ
色を定量できない．また，色ムラの程度などは表現
る．人の体の中で視覚的に見える唯一の臓器は皮膚
不可能なため，皮膚科臨床での応用には限界がある．
であり，そこに起きた変化や病変部の記載は古くか
筆者は，ビデオカメラの色再現性の向上と画像処理
ら興味の対象とされてきた．実際，皮膚科学では肉
技術の進歩に着目して画像による皮膚色測定装置を
眼的診断や触診が重視されてきたため，顕微鏡を除
開発し，その皮膚科治療への応用を試みた．近年の
いては科学的な計測機器を用いた診断法の導入が遅
臨床医学では科学的な根拠に基づいた診断や治療が
れてきたことも事実である．皮膚病の診断や治療に
要求されており，機器を用いた治療効果判定は有意
おいて，皮膚科医は皮膚の色の違いを過去の経験を
義と考えた．画像による皮膚色測定装置は忙しい日
2）
＊ 1 関東学院大学工学総合研究所研究員
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工学総合研究所報 No. 35，2 0 0 7
常診療においても簡便に使用でき，診断や治療効果
の判定に有用であることが示された．
3 ．装置の構成
皮膚色測定装置 5，6 ）は Fig. 2 に示すように，光源，
ビデオカメラおよび保存・管理のためのディスクか
2 ．皮膚の色のなりたち
ら構成されている．これらのシステムはインターフ
皮膚は Fig. 1 に示すように表皮，真皮，皮下組織
ェースを介してパーソナルコンピュータによって制
の 3 層からなり，各層には固有の機能がある．表皮
御されている．測定ヘッドは小型・軽量に作られて
層にはメラニン色素が多く分布している．真皮層は
おり，身体のいろいろな部分で適用できる．施行者
波状に表皮と接しており，毛細血管が多く存在する．
は画面上で測定したい部分を選択し，マウスを用い
一般に各層の厚みや色素の分布には個人差や部位差
て任意の大きさに測定領域を設定する．ところで，
があり，色素含有量のわずかな変化によって皮膚色
インターネットや情報通信技術の普及に伴い，異な
は変化する．したがって，皮膚色の測定方法には皮
るメディア間での色彩画像の変換技術が急速に進歩
膚に存在する色素量のみを抽出する方法と表色系で
している．しかし，これらの多くは色再現性に重点
．前者は，色素の
を置いた空間であり，色彩感覚の均等性は保証され
吸光度が波長によって異なる特性に着目して特定の
ていない．色の感覚の均等性を保証した空間は国際
波長で皮膚の反射率を測定し，皮膚に存在するメラ
照明委員会より勧告されている均等色空間のみであ
ニンやヘモグロビンの量に相関した指数で表現する
る．特に CIE−L*a*b* 均等色空間 7 ）は物体色の均等
ものである．これは吸光度と色素量は線形相関する
性に優れ，感覚的な色の違いも定量的に評価できる
ことが期待できるからであり，この方法の最大の利
ため，皮膚色の評価にも有効であると考えた．そこ
点でもある．しかし，この関係は濃度が低いときに
で，CCDカメラから出力された RGB信号は L*a*b*
成り立つもので，色素濃度が高くなると線形関係か
均等色空間に変換して色彩表示した．皮膚の色素沈
ら外れる．一方，後者の方法は反射率の測定から色
着度には明度指数（L*）を，紅斑のそれは a* 軸を基
皮膚色を定量する方法とがある
3，4 ）
相，明度，彩度の三つの属性として皮膚の色を表現
準に反時計方向に回転した角度，すなわち色相角
する方法である．皮膚の色の測定には分光光度計や
（h ）を用いた．炎症性皮膚病変は赤色方向へ強くな
色彩計が使用されるが，接触における色の変化など
り，逆に皮疹が軽快し正常皮膚色に近づくと黄色調
o
の考慮はされていない．本論文は後者の測定原理を
用いて，画像による非接触の皮膚色測定装置を実現
し，皮膚科治療効果の判定を試みたものである．
Fig. 1 皮膚の構造と機能
Fig. 2 画像による皮膚色測定装置
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関東学院大学
が強い傾向になる．色相角は赤色・黄色の度合いを
ルを 2 回塗布し，10∼15分間実施して終了とした．
直接に評価できるので皮膚色を表現するのに適して
2 回目以降は濃度を20％，30％と上げて実施した．
いる．測定領域を確定すると表色値が画面上に瞬時
1 回のピーリングに要する時間は15分間程度である．
に表示される．
ピーリング中は疼痛緩和のために扇風機を使用した．
中和剤使用後，石鹸洗顔を行った後，日焼け止め含
4 ．対象と方法
有クリームを塗布し，紫外線予防の指導を行った．
皮膚科治療において，外用塗布だけでは十分に治
これらの処置を原則として 1 週間に 1 ∼ 2 回の割合
療効果が発揮できない難治性疾患に対して，近年ケ
で合計12回実施した．なお，治療効果を検討するた
ミカルピーリングやレーザ治療などの新しい治療方
めに，乳酸は右顔面，グリコール酸は左顔面に塗布
法を選択し，その治療効果に期待することが多い．
した．乳酸およびグリコール酸の濃度，pH は同一に
は皮膚に化学物質を塗布して
調整した．各症例について毎回のピーリング実施時
表面を一定の深さで剥離し，その後の治癒効果を利
に治療前後の皮膚色を測定して皮膚の改善度を調べ
用して皮膚を再生する方法である．日本人を含む黄
た．なお，計測結果の 2 群間の有意差検定にはMan-
色人種は欧米人に比較して色素沈着を生じやすいた
WhitneyのU検定を用い，p <0. 05を有意差ありとし
め，色素沈着度の評価が重要となる．ピーリング剤
た．
ケミカルピーリング
8）
にはグリコール酸や乳酸あるいはレチノール酸など
存在するが，本研究では美白効果の高い乳酸による
4 ．2
レーザー治療の方法
ケミカルピーリングを実施した．一方，レーザー治療
治療の対象は成人アトピー性皮膚炎患者 8 例（男
には組織の蛋白質凝固を行い，病変部を破壊あるい
性 4 例，女性 4 例，平均年齢31. 9歳）で，従来の治
は瘢痕形成により治療を行う高反応レベルレーザー
療方法では難治であった症例を選択した．治療に使
と光エネルギーを組織の蛋白凝固を引き起こさない
用したレーザーは低出力レベルの半導体レーザー
レベルまで低く抑えて，痛みや痒みの神経節ブロッ
（Trinple D，`レザック社製）であり，基本的な仕
クにより治療を行う低反応レベルレーザーがある9 ）．
様は Table 1 の通りである．レーザーの照射方法は
本研究は後者の低反応レベルレーザーを用いて成人
左右の星状神経節に各7. 5分間， 1 週間に 1 ∼ 2 回の
アトピー性皮膚炎の治療効果を試みた．アトピー性
割合で実施し，治療期間は 6 ∼ 8 週間とした．星状
皮膚炎は角質層の異常に起因する皮膚の乾燥とバ
神経節は第7頸椎近傍に存在し，頭頸部および上肢の
リア機能異常と定義されており，非特異的な刺激反
交換神経の中継点となっており，痛みや痒みの発生
応と特異的なアレルギー反応とが関与して生じるも
に関与していると考えられているため，星状神経節
のであり，痒みを伴う炎症を特徴とする疾患である．
照射による交換神経遮断効果を期待した．
10）
このため，紅斑の抑制が診断や治療に要求され，皮
実際の照射は，ハンドピースを皮膚面に対して垂
膚色の評価を最も必要とする症例でもある．なお，
直に握持し，移動させないように注意しながら照射
本研究における実際の治療は皮膚科クリニックで実
した．レーザー照射中は，患者，術者など関係者は
施したものである．治療効果等はすべて医師により
全て防護用眼鏡を装着した．なお，外用剤・内服薬
判定されており，機器による定量化の有用性を保証
するものである．
4 ．1
ケミカルピーリングの方法
治療の対象は尋常性ざ瘡，肝斑・老人性色素斑，
日光角化症などの色素沈着を主訴として受診した症
例を選択した．乳酸配合ピーリング剤は，10％，20％，
30％濃度のものを用いた．初回は10％乳酸配合ジェ
Table 1
低出力レーザーの特性
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工学総合研究所報 No. 35，2 0 0 7
の治療方法は変更しないことを原則とした．皮疹の
リング後は全例で数値が高くなり，美白効果が認め
改善度は皮疹の症状により，皮疹なしまたは乾燥皮
られた．老人性色素斑や日光角化症などの症例も同
膚（±）
，紅斑＋鱗屑（＋）
，表皮剥離，丘疹，浮腫
様な結果が得られた．尋常性ざ瘡について乳酸とグ
（＋＋）
，苔癬化または膿痂疹（＋＋＋）の 4 段階
リコール酸の治療効果の比較を Fig. 4 に示した．乳
に評価し，皮疹の範囲との積で 0 ∼300にスコア化
酸の方が治療効果の高いことが認められた．乳酸に
して軽症（50以下）
，中等度（50∼150）
，重症（150
よる美白効果はクレオパトラがミルク風呂を愛用し
以上）に分類した．痩痒と不眠については10段階評
た頃より有名であるが，その主な効果は最近になり
価とした．これらの評価基準は日本皮膚科学会より
次第に裏づけられつつある．
勧告されているアトピー性皮膚炎治療のガイドライ
レーザー治療における治療前後の臨床症状のスコ
ン11）に従った．皮膚色の測定はレーザー施行前後に
アによる改善度をTable 2 に示した．治療期間後の平
毎回顔面の同一部位を測定した．血液検査は好酸球
均スコアは全例で減少し症状は軽快した．痩痒のス
数，好酸球塩基性蛋白（ECP）
，ヒト肥満細胞の特異
コアは個人差が大きく臨床症状とは比例しなかった
的分泌顆粒のトリプターゼについて調べた．
が，臨床症状のスコアは減少した．特に不眠につい
ては治療効果が高く， 6 例でスコアが1. 0以下になっ
5 ．実験結果および考察
た．アトピー性皮膚炎の治療効果判定は，Fig. 5 に
ケミカルピーリング治療において，尋常性ざ瘡は
最も治療効果が高く認められたものであり，乳酸に
よるケミカルピーリング実施全例で面皰，紅斑およ
び色素沈着が減少した．皮膚色測定装置を用い，ピー
リング治療前後で皮膚色を比較した結果を Fig. 3 に
示した．皮膚の色素沈着度は明度指数（L*）で表さ
れ，数値が低い症例ほど黒さが強いことを表し，ピー
Fig. 4 乳酸とグリコール酸の治療効果の比較（尋常性ざ瘡）
Table 2 皮疹のスコアによる改善度
Fig. 3 ピーリング前後の色素沈着度の変化（尋常性ざ瘡）
関東学院大学
Fig. 5
低反応レーザ治療前後の紅斑の変化
Fig. 6 レーザ治療前後の好酸球塩基性蛋白の変化
示すように色相角（ h°
）で表現した．レーザー治療
前は赤みが強く，数値が低かったが，治療後には赤
みが減少して黄色調が強くなり健常人の色相角に近
づいている．特に低出力レーザーは，ステロイド外
用剤で難治な痒疹や苔癬化病変に対して治療効果が
認められた．これらの結果は全例でほぼ同様であっ
た．血液検査による比較において，数例の重症例で
は皮疹の改善度と好酸球数とは一致しなかったが，
8 症例の平均値は治療前後で減少した．好酸球塩基
性蛋白の血中濃度はアトピー性皮膚炎の重症度の指
標になると考えられている．好酸球塩基性蛋白は
Fig. 6 に示すように，全例で減少した結果が得られ
た．このことはレーザーによる治療効果の有効性を
示唆するものである．低出力レーザー治療後に痩痒
が軽減することから，肥満細胞の脱顆粒抑制作用が
推定される．ヒト肥満細胞の特異的分泌顆粒である
トリプターゼについて測定した結果をFig. 7 に示し
た． 8 例の平均値では軽度減少したが，臨床症状と
は相関しなかった．皮膚科領域での低出力レーザー
は帯状疱疹の疼痛緩和に用いられているが，アトピ
ー性皮膚炎のような炎症性皮膚病変についての治療
評価では，皮膚科医は無意識のうちに，その病変の
Fig. 7 レーザ治療前後のトリプターゼの変化
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工学総合研究所報 No. 35，2 0 0 7
赤みの強さに着目して治療が有効であるかどうかを
的変化の追跡や個人の疾患別あるいは治療方法別に
評価している．例えば赤みが消失し色素沈着が残っ
治療効果を比較する際にも有効であり，臨床応用の
たとしても，赤みを主体に考え，皮疹が軽快してい
可能性が示唆された．
ると判断する．色相角では，赤みが強いほど 0 度に
近づき，赤みが減少すると黄色人種では黄色調が強
くなり，赤と黄色の度合の評価が直接できるので，
炎症性皮膚病変評価に適していることがわかる．
6 ．まとめ
皮膚の色を非接触で測定するために CCDカメラを
用いた画像による測定装置を開発した．従来の装置
治療効果を判定する場合，治療終了後に治療前後
と異なり接触における皮膚色の変化を問題にする必
の臨床写真を並べて比較すれば容易であるが，実際
要がなく精度も高いことが示された．病変部が広く
には 1 週間に 1 ∼ 2 回の試行ごとに前の皮疹を思い
なると，どこを測定部位として選ぶかは主観で決め
出し効果判定をしなければならない．熟練している
ることが多いが，画像で定量することにより測定部
とは言え観察期間が長くなるほど最初の臨床像との
位の決定にも客観性がある．施行者が異なっても常
比較は困難であり，皮膚色測定装置で数値により効
に一定な値が得られ，長期的な経時変化の追跡や治
果を確認することは客観的な判断を行える点で有効
療効果の判定に有効であり，皮膚科臨床への可能性
と考えた．画像による皮膚色測定装置の最大の利点
が示された．実際の皮膚科治療において，乳酸によ
は測定部位を実際にモニタ上で見られ，測定したい
るケミカルピーリングは尋常性ざ瘡や色素沈着など
部位のみを選択できることである．測定ヘッドを測
の皮膚疾患に有効な治療効果を認めた．また，低出
定部にあてる時の圧力で測定部が貧血状態になって
力レーザーは，局所麻酔剤による神経遮断に代わり，
色が変わることが皮膚色測定で常に問題になるが，
光エネルギーによる交感神経の抑制が可能であり，
本装置は画像による非接触の測定であるため，常に
痛みだけでなく痒みにも有効であることが示唆され
一定な画像が得られる．このことは，施行者が異な
た．低出力レーザー治療の作用機序についてはまだ
っても一定な値が得られることを意味し，忙しい日
不明な点も多いが，今後の臨床治療に十分利用でき
常診療においてもピントの微妙な調整や専門的技術
る方法の一つであると考える．
を必要としないので誰でも簡便に利用できる．また，
理論的に測定が最小 1 画素まで行うことができ，例
謝辞
えば黒子のような小さな皮疹の計測もでき，逆にレ
本研究は高野医科クリニックにおいて実施された
ンズの交換で大きな皮疹の全体の色情報を知ること
ものであり，畑三恵子院長ならびに看護士各位に深
も工夫次第で可能である．さらに，測定部位内の色
くお礼を申し上げます．
情報が多数の画素の集合として得られるため，その
分布を知ることができる．分光光度計や色彩計では
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の画像が記録できるので，コスト的にも有利である．
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