[논문]압전효과를 이용한 압인방식의 휴대용 피부탄력 측정장치

박준영; 김명남

doi:10.9717/kmms.2022.25.9.1307

압전효과를 이용한 압인방식의 휴대용 피부탄력 측정장치
A Portable Skin Elasticity Measuring Device Based on Indentation Method Using Piezoelectric Effect 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.25 no.9, 2022년, pp.1307 - 1315

박준영 (Dept. of Medical & Biological Engineering, Graduate School, Kyungpook National University) , 김명남 (Dept. of Biomedical Engineering, School of Medicine, Kyungpook National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed and developed a new portable skin elasticity measuring device based on the indentation method using piezoelectric effect. The proposed device is designed to minimize the uncertainty caused by the layer structure of the skin when measuring the elasticity of the skin. And, we developed a piezoelectric-based thin-film pressure sensor that can measure quantitatively and quickly during repeated measurement as a device sensor. To confirm the effectiveness of the proposed measuring device, it was compared with the experimental results of the conventional measuring devices under the same experimental conditions, and statistical correlation analysis was performed between the experimental data of the proposed measuring device and the experimental data of the conventional measuring devices. As a result of the correlation analysis, it was confirmed that the proposed measuring device had a high correlation with the conventional measuring devices. Therefore, it was confirmed that the proposed skin elasticity measuring device was effective.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Anatomical structure of the skin.
그림 Fig. 2. (a) Structure and (b) photo of proposed pressure sensor.
그림 Fig. 3. Characteristics of manufactured sensor. (a) Experimental environment and (b) results.
그림 Fig. 4. (a) Exploded view and (b) design modeling of proposed measuring device.
그림 Fig. 5. Manufacturing of parts for measuring device.
그림 Fig. 6. Principle of indentation-based developed measuring device.
그림 Fig. 7. Block diagram of the proposed measuring device system.
그림 Fig. 8. Experimental skin measurement devices. (a) Cutometer, (b) Dermaflex, and (c) proposed measuring device.
그림 Fig. 9. Measurement regions on the face, neck, and arm.
그림 Fig. 10. Measurement results of skin elasticity according to subject and region using proposed measuring device.
그림 Fig. 11. Measurement results of skin elasticity according to subjects and regions using (a) Cutometer and (b) Dermarflex.
그림 Fig. 12. Correlation between FV_out in proposed measuring device and U_r/U_f in Cutometer.
그림 Fig. 13. Correlation between FV_out in proposed measuring device and E in Dermaflex.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 기존 피부탄력 측정장치들의 단점을 보완한 압인방식 기반의 휴대형 피부탄력 측정장치를 제안하였다. 제안한 측정장치는 손과 장비간의 움직임이 자유로우며, 이동시 휴대 가능하도록 소형화하여 설계 및 제작하였다.
그러나 이 기기들의 사용에 따른 효과를 검증하기 위해서는 정확한 피부탄력을 측정할 필요가 있다. 본 논문에서는 기존 피부탄력 측정장치들의 사용상 편의성과 휴대성을 개선한 새로운 피부탄력 측정용 장치를 제안하였다.

제안 방법

제안한 측정장치는 손과 장비간의 움직임이 자유로우며, 이동시 휴대 가능하도록 소형화하여 설계 및 제작하였다. 세부적으로는 먼저, 피부의 특정 부위에서 반복 측정을 신속하고 정량적으로 평가할 수 있는 압전(piezoelectric)방식의 박막형 압력센서를 설계 및 제작하여 측정장치에 적용하였다. 제안한 압전방식의 압력센서에 대한 성능을 확인하기 위하여 디지털 포스 측정기(digital force in- strument)와 테스트 지그를 이용하여 변화율을 검증하였으며 피부탄력 측정범위내에서 선형적 출력 특성을 가짐을 확인하였다.
세부적으로는 먼저, 피부의 특정 부위에서 반복 측정을 신속하고 정량적으로 평가할 수 있는 압전(piezoelectric)방식의 박막형 압력센서를 설계 및 제작하여 측정장치에 적용하였다. 제안한 압전방식의 압력센서에 대한 성능을 확인하기 위하여 디지털 포스 측정기(digital force in- strument)와 테스트 지그를 이용하여 변화율을 검증하였으며 피부탄력 측정범위내에서 선형적 출력 특성을 가짐을 확인하였다. 그런 다음.
본 논문에서는 기존 피부탄력 측정장치들의 단점을 보완한 압인방식 기반의 휴대형 피부탄력 측정장치를 제안하였다. 제안한 측정장치는 손과 장비간의 움직임이 자유로우며, 이동시 휴대 가능하도록 소형화하여 설계 및 제작하였다. 세부적으로는 먼저, 피부의 특정 부위에서 반복 측정을 신속하고 정량적으로 평가할 수 있는 압전(piezoelectric)방식의 박막형 압력센서를 설계 및 제작하여 측정장치에 적용하였다.
따라서 반복 측정에 용이하고 정량적인 측정을 위해서 압전방식의 박막형 압력센서와 인체의 다양한 위치에서 측정 가능하며 움직임이 자유로운 휴대용 측정장치를 제안하였다. 제안한 측정장치는 압인방식의 측정장치로서 핵심 기구물인 프로브는 피부의 탄력을 측정할 때 피부의 계층 구조로 인한 불확실성을 최소화할 수 있도록 설계하였다. 제안한 시스템의 프로브의 센서로 피에조방식의 압력센서를 설계 및 제작하였으며 실험을 통하여 센서의 특성이 유효함을 확인하였다.
3.2 휴대용 피부탄력 측정장치 설계 및 제작

제안한 휴대용 피부탄력 측정장치는 즉각적인 피부탄력(ISE, Instant Skin Elasticity)을 측정한다. 장치 끝에 있는 프로브(probe)를 5회 연속으로 짧게 누르면 피부가 센서에 저항하는 힘 혹은 회복력에 의해 전기적인 출력 신호를 얻게 되며 이를 통해 피부의 탄성력을 추정할 수 있으며 출력 신호가 클수록 피부의 탄력이 높다고 평가할 수 있다.
그런 다음. 진피 두께 또는 피하지방 조직의 영향을 최소화할 수 있도록 측정장치의 기구물을 최적화하여 피부탄력 측정장치를 설계 및 제작하였다. 또한, 제안한 피부탄력 측정장치의 신뢰성 평가를 위해서 동일한 조건하에서 기존에 임상학적 연구에 주로 활용되고 있는 피부탄력 측정장치들을 이용하여 피부탄력을 측정한 결과 데이터와 제안한 측정장치를 이용하여 피부탄력을 측정한 결과 데이터사이의 비교 및 통계적 상관 분석을 통해 제안한 피부탄력 측정장치의 성능이 유효함을 확인하였다.

대상 데이터

2와 같이 제작된 압력센서에서 PVDF 박막의 직경은 3 mm, 두께는 약 100 μm이며, 전체 압력센서의 크기는 가로 4 mm, 세로 6.8 mm로서 한쪽 면이 둥근 형태이다.
Iivarinen 등은 다양한 프로브 헤드 모양들 중에서 압인방식의 측정에서는 길이가 짧고 모서리가 둥근 형태의 프로브가 짧은 측정시간내에서 사용할 때, 지방 조직과 근육의 영향이 낮았기 때문에 피부의 기계적 특성에 가장 적합할 수 있다고 하였다[13]. 따라서 본 논문에서는 이러한 연구결과 등을 고려하여 측정장치의 프로브를 직경이 6 mm이고 길이가 2 mm이며 모서리가 원형인 형태로 설계하였다.
또한, 피부의 회복력을 기계적인 응답을 통해 삽입된 압전형 압력센서로 전달하기 위해 직경 5.8 mm, 길이 10 mm, 굵기 0.5 mm이고 스프링 강 기준으로 스프링상수를 0.1로 설정하여 제작된 용수철, 15 mm 길이로 제작된 힘 변환기, 10 mm 직경의 보조 로드 (support rod), 11 mm 직경의 로드 커버(rod cover) 그리고 12 mm 직경의 플레이트 커버로 구성하는 기계적인 구조물을 설계 및 제작하였으며 제작한 결과물을 그림 Fig. 5에서 보였다.
본 논문에서 설계 및 제작한 압전효과를 이용한 박막형 압력센서는 5개의 다층구조로 구성되어 있으며 압전방식의 유연한(flexible) 압력센서를 구현하기 위하여 폴리불화비닐리덴(PVDF, Polymer Polyvinyliden Fluoride)박막을 활용하였다. 외부 코팅 층은 유연한 플라스틱 소재를 이용하여 절연 층을 구성하였다.
실험에서는 힘 게이지를 사용하여 센서에 수직으로 최대 0 N∼ 70 N의 힘을 가하면서 출력 데이터를 획득하였다.
8에서 보였다. 제안한 측정장치의 실험은 피부병 이력이 없는 건강한 30대 남자 4명대상으로 5군데의 신체부위에서 측정을 수행하였다. 연구 대상자들에게 사전 동의 및 협조를 받아 연구의 목적과 방법을 설명하고 연구에 동의한 자만 참여하도록 하였다.
측정 데이터는 디지털 멀티미터를 사용하여 수집하였으며 샘플링 주파수는 1000 Hz로 설정하였다. 장치를 피부에 수직으로 위치시키고, 측정 부위에 5 초씩 5회 반복 측정을 통해 각각의 데이터를 수집하였다.
측정장치는 피부에 접촉하는 플레이트 커버(plate cover), 프로브, 피부의 점탄성 힘을 전달하기 위한 용수철과 힘 변환기(force transducer) 그리고 제안한 압력센서로써 구성된다. 피부의 탄력성을 확실하게 측정하기 위해서는 피부의 층상 구조로 인해 발생하는 불확실성을 최소화해야 한다.

데이터처리

압력센서의 힘에 따른 출력 전압의 특성을 확인하기 위하여 제작한 센서를 Fig. 3(a)에서 보인 것과같이 Sundoo사의 디지털 포스 테스트 지그(digital force test zig)에 고정하고 Agilent사의 E4980A 멀티미터에 연결한 다음, USB 케이블로 PC에 연결하여 출력 특성을 Matlab으로 분석하였다. 실험에서는 힘 게이지를 사용하여 센서에 수직으로 최대 0 N∼ 70 N의 힘을 가하면서 출력 데이터를 획득하였다.
제안한 측정장치와 현재 임상에서 사용되는 2개의 측정장치들을 이용하여 실험을 수행하였으며 그 결과 모든 장치들이 신체의 근위부에서 말단부로 갈수록 그 측정값이 미미하게 낮아지는 양상을 확인할 수 있었다. 제안한 측정장치에 대한 유효성과 신뢰성을 확인하기 위하여 제안한 장치와 2개의 측정장치들 사이의 상관도 분석을 수행하였다. 분석 결과, 장치들 사이에 밀접한 상관관계가 있음이 확인되어 제안한 장치가 피부탄력 측정에 유효함을 확인하였다.
제안한 측정장치의 신뢰성 평가를 위해서 임상학적 연구에 주로 활용되고 있는 Cutometer와 Derma- flex의 피부탄력에 대한 결과 데이터와 제안한 측정장치의 피부탄력에 대한 결과 데이터를 Matlab을 이용하여 Spearman의 상관분석(Spearman’s correla- tion)을 수행하였다
장치를 피부에 수직으로 위치시키고, 측정 부위에 5 초씩 5회 반복 측정을 통해 각각의 데이터를 수집하였다. 최종 측정 후, 5회 측정을 통해 수집한 데이터들의 평균값을 Matlab을 사용하여 분석하였다.

성능/효과

기존의 측정장치는 긴 측정시간으로 인한 히스테리시스 효과와 임상 환경에서 손과 장비의 번거로운움직임 등으로 모바일 측정에 적합하지 않았다. 따라서 반복 측정에 용이하고 정량적인 측정을 위해서 압전방식의 박막형 압력센서와 인체의 다양한 위치에서 측정 가능하며 움직임이 자유로운 휴대용 측정장치를 제안하였다.
기존의 측정장치는 긴 측정시간으로 인한 히스테리시스 효과와 임상 환경에서 손과 장비의 번거로운움직임 등으로 모바일 측정에 적합하지 않았다. 따라서 반복 측정에 용이하고 정량적인 측정을 위해서 압전방식의 박막형 압력센서와 인체의 다양한 위치에서 측정 가능하며 움직임이 자유로운 휴대용 측정장치를 제안하였다. 제안한 측정장치는 압인방식의 측정장치로서 핵심 기구물인 프로브는 피부의 탄력을 측정할 때 피부의 계층 구조로 인한 불확실성을 최소화할 수 있도록 설계하였다.
진피 두께 또는 피하지방 조직의 영향을 최소화할 수 있도록 측정장치의 기구물을 최적화하여 피부탄력 측정장치를 설계 및 제작하였다. 또한, 제안한 피부탄력 측정장치의 신뢰성 평가를 위해서 동일한 조건하에서 기존에 임상학적 연구에 주로 활용되고 있는 피부탄력 측정장치들을 이용하여 피부탄력을 측정한 결과 데이터와 제안한 측정장치를 이용하여 피부탄력을 측정한 결과 데이터사이의 비교 및 통계적 상관 분석을 통해 제안한 피부탄력 측정장치의 성능이 유효함을 확인하였다.
제안한 측정장치에 대한 유효성과 신뢰성을 확인하기 위하여 제안한 장치와 2개의 측정장치들 사이의 상관도 분석을 수행하였다. 분석 결과, 장치들 사이에 밀접한 상관관계가 있음이 확인되어 제안한 장치가 피부탄력 측정에 유효함을 확인하였다.
제안한 측정장치는 압인방식의 측정장치로서 핵심 기구물인 프로브는 피부의 탄력을 측정할 때 피부의 계층 구조로 인한 불확실성을 최소화할 수 있도록 설계하였다. 제안한 시스템의 프로브의 센서로 피에조방식의 압력센서를 설계 및 제작하였으며 실험을 통하여 센서의 특성이 유효함을 확인하였다. 제안한 측정장치와 현재 임상에서 사용되는 2개의 측정장치들을 이용하여 실험을 수행하였으며 그 결과 모든 장치들이 신체의 근위부에서 말단부로 갈수록 그 측정값이 미미하게 낮아지는 양상을 확인할 수 있었다.
제안한 시스템의 프로브의 센서로 피에조방식의 압력센서를 설계 및 제작하였으며 실험을 통하여 센서의 특성이 유효함을 확인하였다. 제안한 측정장치와 현재 임상에서 사용되는 2개의 측정장치들을 이용하여 실험을 수행하였으며 그 결과 모든 장치들이 신체의 근위부에서 말단부로 갈수록 그 측정값이 미미하게 낮아지는 양상을 확인할 수 있었다. 제안한 측정장치에 대한 유효성과 신뢰성을 확인하기 위하여 제안한 장치와 2개의 측정장치들 사이의 상관도 분석을 수행하였다.

후속연구

최근 피부 노화에 대한 피부탄력 개선 및 유지를 위한 미용기기 및 의료기기의 연구개발이 활발히 진행되고 있으며 많은 기기들이 출시되고 있다. 그러나 이 기기들의 사용에 따른 효과를 검증하기 위해서는 정확한 피부탄력을 측정할 필요가 있다. 본 논문에서는 기존 피부탄력 측정장치들의 사용상 편의성과 휴대성을 개선한 새로운 피부탄력 측정용 장치를 제안하였다.
제안한 피에조 센서를 적용한 압인방식의 휴대용 피부탄력 측정장치는 피부의 즉각적인 탄력측정을 제공하며, 피부의 생물 물리학적 특성에 대한 중요한 정보를 정량적인 수치를 제공하므로 자외선, 피부 노화, 수분 및 계절적 변화가 피부탄력에 어떻게 영향을 미치는 평가하는 데 사용할 수 있을 것으로 판단되며 피부탄력에 영향을 미치는 제품 개발, 연구, 실험실 등 임상 분야에서 많은 도움이 될 것이다.

참고문헌 (15)

G. Boyer, L. Laquieze, A. Le Bot, S. Laquieze, and H. Zahouani, "Dynamic Indentation on Human Skin in Vivo: Ageing Effects," Skin Research and Technology, Vol. 15, Issue 1, pp. 55-67, 2009.

상세보기
J.E. Pope, M. Baron, N. Bellamy, J. Campbell, and S. Carette, "Variability of Skin Scores and Clinical Measurements in Scleroderma," The J ournal of Rheumatology, Vol. 22, Issue 7, pp. 1271-1276, 1995.
S. Diridollou, F. Patat, and F. Gens, "In Vivo Model of the Mechanical Properties or the Human Skin under Suction," Skin Research and Technology, Vol. 6, Issue 4, pp. 214-221, 2000.

상세보기
N.T. Clancy, G.E. Nilsson, C.D. Anderson, and M.J. Leahy, "A New Device for Assessing Changes in Skin Viscoelasticity Using Indentation and Optical Measurement." Skin Research and Technology, Vol. 16, Issue 2, pp. 210-228, 2010.

상세보기
N. Krueger, S. Luebberding, M. Oltmer, M. Streker, and M. Kerscher, "Age-related Changes in Skin Mechanical Properties: A Quantitative Evaluation of 120 Female Subjects," Skin Research and Technology, Vol. 17, Issue 2, pp. 141-148, 2011.

상세보기
Y.P. Huang, Y.P. Zheng, S.F. Leung, and A.P.C. Choi, "High Frequency Ultrasound Assessment of Skin Fibrosis: Clinical Results," Ultrasound in Medicine & Biology, Vol. 33, Issue 8, pp. 1191-1198, 2007.

상세보기
S. Diridollou, M. Berson, and V. Vabre, "An In Vivo Method for Measuring the Mechanical Properties of the Skin Using Ultrasound," Ultrasound in Medicine & Biology, Vol. 24, Issue 2, pp. 215-224, 1998.

상세보기
M. Gniadecka and J. Serup, "Suction Chamber Method for Measuring Skin Mechanical Properties: the Dermaflex®," Handbook of NonInvasive Methods and the Skin, 2nd Edition, CRC Press, Boca Raton, Florida, pp. 571-577, 2006.
K. O'goshi, "Suction Chamber Method for Measurement of Skin Mechanics: the Cutometer®," Handbook of Non-Invasive Methods and the Skin, 2nd Edition, CRC Press, Boca Raton, Florida, pp. 579-582, 2006.
J.S. Park, S.D. Na, K.W. Sung, and M.N. Kim, "Vibration Power Improvement Method of Curved Beam Based Actuator Using Finite Element Analysis," Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 22, No. 2, pp. 271-280, 2019.

원문보기 상세보기
K. Schrader and A. Domsch, Cosmetology Theory and Practice: Research, Test Methods, Analysis, Formulas, Vol. 1, Kessler Druck+Medien, Germany, 2005.
J.A. Clark, J.C.Y. Cheng, and K.S. Leung, "Mechanical Properties of Normal Skin and Hypertrophic Scars," Burns, Vol. 22, No. 6, pp. 443-446, 1996.

상세보기
J.T. Iivarinen, R.K. Korhonen, and J.S. Jurvelin, "Experimental and Numerical Analysis of Soft Tissue Stiffness Measurement Using Manual Indentation Device-significance of Indentation Geometry and Soft Tissue Thickness," Skin Research and Technology, Vol. 20, Issue 3, pp. 347-354, 2013.

상세보기
M. Gniadecka, "Effects of Ageing on Dermal Echogenicity," Skin Research and Technology, Vol. 7, Issue 3, pp. 204-207, 2001.

상세보기
J. Park, A Portable Skin Elasticity Measuring Device Based on Indentation Method with the Piezoelectric Sensor, Master's Thesis of Kyungpook National University of Medical and Biological Engineering, 2022

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증