ARX modeling을 이용한 피부 임피던스 측정 및 피부 수분화 추정에 관한 연구

Abstract

[한글]

신체의 피부는 외부의 물리적·화학적 물질로부터 인체를 보호하는 기능을 담당한다. 피부의 최외각 층인 각질층의 비정상적인 상태는 질병 및 피부질환과 직접 연관되며 건강한 피부, 즉 피부의 탄력성과 부드러움은 각질층에 존재하는 수분 함유량에 의해 가장 큰 영향을 받는다피부상태를 평가하기 위한 여러 가지 방법 중에 피부 임피던스법은 비침습적이고 이용이 간편하며 측정자의 숙련된 기술이 요구되지 않는 방법으로서 BIS 기술을 도입하여 피부 각질의 수분 함유량뿐만 아니라 시간에 따라 변하는 피부 조직의 정상상태의 응답 또한 측정이 가능하다. 하지만 종례의 BIS방법은 R-C 모델을 근거로 하여 한정된 주파수 변조를 통한 임피던스 획득 방법으로서 R-C 파라미터 선정의 오차 및 고주파에서 커패시턴스성분의 영향 등의 한계점을 가지고 있다. 그래서 본 논문에서는 ARX 모델에 기반을 둔 BIS 방법을 모색하였다. 또한 전류 인가방법에 있어서 임의의 주파수로 변조된 정전류원 방법을 통하여 세포단위에서의 자극에 대한 불응기 문제를 감소시켰다.임피던스 측정 장치는 기존 피부 관리기기의 프로브 전극을 이용하여 2단자 전극법을 사용하였고 수동 소자 모델로 시스템의 선형성을 검증하였으며 시스템의 위상지연을 최소화 하기 위하여 PC기반의 정현파 발생장치와 아날로그-디지탈 전환장치를 구성하였다.31명의 피검자를 대상으로 세안제를 이용하여 안면부에 세안을 하고 항온항습실에서 30분간 24°C, 40%의 환경에 적응시킨 후, 왼쪽 볼 부위에 피부 수분 보유도 계측장비인 Corneometer CM825을 이용하여 데이터를 획득하였으며 직후 본 논문에서 개발된 피부 임피던스 측정 장치를 이용하여 임피던스 데이터를 획득하였다.피부 임피던스 측정 장치로부터 획득된 데이터는 동기화 및 배열화, 추출 전처리과정을 실시하여 ARX 모델링의 곡선 일치율(curve fitting rate)을 높였으며 ARX 모델의 주파수 응답으로 200Hz~25kHz의 BIS를 구현하였다.ARX 모델 주파수 응답의 200Hz~10kHz에서 각 개인의 피부 상태를 반영할 수 있는 주파수 곡선을 확인하였으며, CM825의 피부 수분 보유도의 데이터와 상관분석을 실시한 결과 ARX 모델 5kHz에서의 주파수 응답 크기가 R=0.859로서 가장 연관성이 높았다. 또한 다중회귀분석의 단계별 선택법 결과 피부 수분 보유도를 예측하는 독립변수는 5kHz에서의 응답 크기만으로 피부 수분 보유도에 대한 설명력이 높음을 알 수 있었다.이상의 결과로부터 본 논문은 피부에 대한 새로운 ARX 모델 기반의 BIS 측정 시스템을 개발하였으며, 주파수 응답을 통한 피부 임피던스 분석과 안면부 피부 수분 보유도를 예측하는 회귀방정식을 개발하였다.

[영문]A human skin protects body from the outside physical and chemical substances. The outmost layer of a skin, the stratum corneum''''''''s abnormal state is directly related to a disease or skin disorder, and the health skin, elasticity and softness of a skin is most influenced by the water content.The skin impedance method in various evaluative methods of skin condition is non-invasive, easy to use, and don''''''''t need the technician''''''''s skill. A BIS(Bioimpedance Spectroscopy) technology enables a estimation of the stratum corneum''''''''s water content and a measurement of a response of the skin tissue''''''''s normal state. But the conventional BIS method is an acquirement of impedance through the restricted frequency sweep based on the R-C model and has an error of parameter estimation and a stray capacitance in the high frequency region. So the BIS method based on the ARX model is researched in this study, and adopted the arbitrary-frequency varied constant current source to reduce the refractory period problem of the current stimulation.The developed bio-impedance measuring system adopted the bipolar electrode method and was verified the system linearity by the passive element model. Also the sine wave voltage generator and the analog to digital converter system were developed to minimize the phase delay of system.Experiments were done on 31 subjects who had face washing with the collyrium and were adapted in the temperature & humidity chamber(24°C, 40%). After 30 minutes from the face washing, a skin hydration level in the left cheek was measured by Corneometer CM825 and the skin impedance data were acquired by the developed impedance measuring device.The acquired impedance data were synchronized and rearranged in input data, and were done an extraction and preprocess to increase the curve fitting rate of ARX modeling. Finally 200Hz～25kHz regioned BIS were researched by the frequency response of ARX model.In this study, the frequency curve of ARX model in 200Hz～10kHz could be specialized to the individual''''''''s skin condition, and the skin hydration state and the amplitude of 5kHz frequency in ARX model had the highest significance and correlation(R=0.859, P<0.005). After the best subsets process of multi-regression analysis, only one indepent variable - the amplitude of 5kHz frequency - was sufficient to predict the skin hydration level.From the results above, the BIS system newly based on the ARX model was developed and the regression equation to predict facial skin hydration level was researched through skin impedance analysis in this study.