JP2003505709A - 電極アレイを用いた2つの任意表面間における接触分布の特徴化 - Google Patents
電極アレイを用いた2つの任意表面間における接触分布の特徴化Info
- Publication number
- JP2003505709A JP2003505709A JP2001513297A JP2001513297A JP2003505709A JP 2003505709 A JP2003505709 A JP 2003505709A JP 2001513297 A JP2001513297 A JP 2001513297A JP 2001513297 A JP2001513297 A JP 2001513297A JP 2003505709 A JP2003505709 A JP 2003505709A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- contact
- electrodes
- tissue
- electrode array
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 54
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 38
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 38
- 210000000845 cartilage Anatomy 0.000 claims description 37
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 claims description 30
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 26
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 23
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 20
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 15
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims 4
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims 2
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 claims 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 claims 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 claims 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 claims 1
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims 1
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims 1
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 11
- 210000001188 articular cartilage Anatomy 0.000 description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 102000016611 Proteoglycans Human genes 0.000 description 5
- 108010067787 Proteoglycans Proteins 0.000 description 5
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 5
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 5
- 230000007850 degeneration Effects 0.000 description 5
- 239000013536 elastomeric material Substances 0.000 description 5
- 102000008186 Collagen Human genes 0.000 description 4
- 108010035532 Collagen Proteins 0.000 description 4
- 229920001436 collagen Polymers 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 2
- 201000008482 osteoarthritis Diseases 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000010834 Extracellular Matrix Proteins Human genes 0.000 description 1
- 108010037362 Extracellular Matrix Proteins Proteins 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 239000008380 degradant Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 210000003722 extracellular fluid Anatomy 0.000 description 1
- 210000002744 extracellular matrix Anatomy 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0048—Detecting, measuring or recording by applying mechanical forces or stimuli
- A61B5/0053—Detecting, measuring or recording by applying mechanical forces or stimuli by applying pressure, e.g. compression, indentation, palpation, grasping, gauging
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
- A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
- A61B5/6843—Monitoring or controlling sensor contact pressure
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
- A61B5/4514—Cartilage
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
- A61B5/4528—Joints
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
- Electrotherapy Devices (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Measuring Leads Or Probes (AREA)
Abstract
Description
た、2つの任意表面間における接触の空間分布およびその経時的進展の特徴化、
のための方法に関する。 (b)従来技術の説明 材料の機械的特性の研究において、2表面間の接触の特徴化は、非常に重要な
役割を果たす。接触、および2表面間の圧力分布を特徴付けする方法が、いくつ
か存在する。歯の噛み合わせを測定する圧力および接触センサが開発されている
(US4856993、WO8902727およびEP0379524)。また
、脚部およびガスケットの圧力分布を測定するための可撓性接触センサも開発さ
れている(US5033291、WO09109289およびEP045790
0)。これらのシステムでは、2組の電極が、薄い感圧抵抗性コーティングによ
って分離されており、抵抗変化を電子的に測定して、表面上における接触のタイ
ミング、力および位置を決定する。他にも、圧電膜(US4216403、US
5341687およびUS5054323)、または導電性エラストマ(ela
stomer)(US4163204)の対向面上に配置した2つ以上の電極を
用いて、圧力分布を特徴付けするデバイスもある。同様の技法を用いた指紋セン
サも開発されている(US4394773)。
ける炭素紙材料(carbon paper material)を用いるものがある。また、感圧複写
紙によっても、接触を特徴付けすることができる(US4630079)。これ
らの定量的方法は、表面間の圧力分布の第1指示として用いられるが、接触の経
時的進展については何も指示を与えない。
方法も開発されている。例えば、切除中に、カテーテルおよび組織のような、生
物医療測定器および組織間の接触を判定する方法が開発されている。この場合、
カテーテル上の電極と患者上の別の電極との間の電圧を測定する(WO9843
547A2)。別の技法には、電極の全接触インピーダンスの変化率の測定(W
O9909899A1)、または電極の2つの異なる部分における電流の流れの
位相角の測定(WO9844856)を用いて、生物医療用電極および皮膚間に
おける接触の喪失を検出するものもある。
るための技法も用いられる。これは、プローブおよび表面間に得られる吸引力お
よび/または反発力が、歪みゲージ材料を変形させ、その結果電気的特性が変化
することに基づいている(US5092163)。この場合、電極は表面と接触
していない。
がって間接的に、加えられる変形や表面の機械的応答の特徴化を可能とする方法
を提供することができれば、非常に望ましいであろう。 (発明の概要) 本発明の目的の1つは、接触表面上に露出した電極からの多数の電気信号を用
いて、2つの表面間の接触時点を的確に判定する方法を提供することである。
象材料に加えられる変位の振幅および速度の経時的推定、ならびに接触および圧
縮の間表面を含む電極の角度方位の推定を行うことである。
材料の機械的応答の特徴化を可能にすることである。 本発明の別の目的は、多次元電極アレイによって、種々の表面構造を設け、接
触分布、加えられる変位、および材料の機械的応答を的確に評価することである
。
経時的な接触分布の進展を特徴付けする新規の方法を提供する。任意の表面上に
規定した位置に電極を置き、第2の任意表面の圧縮中に発生した電気信号を時間
と共に測定することによって、接触の進展を的確に特徴付けることができ、した
がって材料の機械的応答に関する必須情報が得られる。この方法は、既存の方法
とは、主に2つの点で相違する。最初に、感圧コーティングの対向側にある2つ
の電極を用いて抵抗を測定する代わりに、接触面上で電極アレイを用い、第2の
任意表面の圧縮中に電気電位を測定する。第2の相違は、測定の種別である。圧
力を測定する代わりに、検査対象材料の接触および圧縮中に発生する差動または
絶対電気電位を測定する。かかる情報は、接触および圧縮中に材料に加えられる
変位、および材料に対する電極を内蔵した表面の角度方位を推定するために用い
ることができる。加えて、材料の機械的応答は、電極を内蔵した表面に対するそ
の順応性によって直接示される。
信号を解釈するためには、時間的な接触の進展を知る必要がある。接触情報が重
要な別の例は、圧縮によって発生する電界の測定である。典型的な例は、微少電
極を内蔵したプローブがある物質に接触し、これを圧縮する際に、露出した微少
電極において発生する電気電位によってこの物質を特徴付けするという場合であ
る。かかる圧縮を手動で加えたため、生じた変位の種類に関する的確な情報が欠
如するとき、手動で加える場合のようにうまく制御されなくても、時間的な接触
の分布から、加えた変位の種類に関する情報を得ることができる。かかる情報は
、経時的なプローブの変位または速度、および検査対象物質に対するその角度方
位の形態とすることができる。経時的な接触分布の的確な測定によって、新たな
形式の材料分析をもたらすこともでき、その最も一般的な形態では、「表面順応
性」(surface compliance)を特徴付けすると考えることができる。 (図面の簡単な説明) 以上本発明の特性について概略的に述べたが、これより添付図面を参照して、
本発明の好適な実施形態を例示として示す。 (発明の詳細な説明) 2つの任意の表面間の接触は、当該表面の一方に配置した電極によって電気信
号を測定することによって特徴付けすることができる。更に、電極を内蔵した表
面は、いずれの材料表面と接触することもできる。図1Aないし図1Cは、2つ
の表面間の接触を特徴付けするために使用可能な広範囲に及ぶ表面形状および電
極の構成の特定的な例を示す。電極の幾何学的形状、サイズ、間隔、および材料
の種類は、用途に応じて様々に変更することができる。
と共通基準との間(絶対測定)において、電気信号を測定することができる。共
通基準は、検査槽内におかれた基準電極であり、接地、あるいは第2表面に接触
するまたは接触しないアレイの特定の電極に接続することができる。電気信号の
ノイズ含有物は、差動測定の場合大幅に低減することができ、絶対測定の場合に
は、アレイの別の電極を基準として用いることによって、大幅に低減することが
できる。図2、図3、図4および図9は、差動測定の例を示す。図5A、図5B
、図6A、図6B、図7および図8は、検査槽内に置かれ接地に接続されている
基準電極に対する絶対測定の例を示す。
び4、ならびに電極8および9)を除いて、300μm離間された直径50μm
のプラチナ電極11個から成る線形アレイを用いた。図2、図4、図5A、図5
B、図7、図8および図9は、応力緩和検査(stress relaxati
on test)中に測定した電気信号を示す。的確に接触および変形の振幅お
よび速度を制御し、表面に加えられる力を測定するために、機械検査システムを
用いた。電極又はポストを内蔵した表面を荷重セル(load cellに接続
し、食塩水を満たした検査チャンバ内に組織を固定し、検査チャンバをアクチュ
エータ・プラットフォーム上に取り付け、アクチュエータによって変位を加えた
。組織応力緩和検査中、最初に電極を内蔵したポストを組織と接触させた(位置
対時間グラフ上の位置0)。次いで、既知の距離だけ2つの表面を分離し、固定
速度で圧縮力を徐々に加えて行った。図3、図6Aおよび図6Bは、電極を内蔵
したポストを荷重セルに接続して、材料の手動圧縮中に測定した電気信号を示す
。
差動電気信号を示す。間接軟骨は、固定の負電荷から成る生物学的組織である。
軟骨の圧縮中、固定負電荷に対して、流体中の移動性正イオンの変位が生ずるこ
とにより、電気信号即ち電位の流れが生ずる。この応力緩和検査の間、電極を内
蔵した半円錐形ポストによって、500μmだけ1秒間軟骨組織を圧縮した。半
円錐状表面の概略図は、隣接する電極間の電位差を表す各差動チャネルの位置を
示す(11個の電極に対して10個のチャネル)。最初に、2つの表面が接触す
るときに(位置対時間グラフ上の位置0)、負荷の増大が観察される。負荷は、
変位の終了時に最大となり、組織の緩和中に減少し始め、平衡に達する。同様の
挙動は、各チャネル毎に測定した電気信号についても観察された。また、平面上
にある4つの差動チャネル(チャネル4、5、6および7)は、円錐面上に位置
するチャネルよりも振幅が小さく、1秒における接触ピークによって特徴付けら
れることがわかる。円錐面上に位置するチャネルは、隣接する電極間の圧力差が
高いことのために、より高い電位振幅によって特徴付けられる。実際、圧縮中に
は、ポストの平面は組織に接触しており、最初により高い変形を加えるので、そ
の表面上では圧力が最大となる。しかしながら、いくら圧力が最大でも、圧力は
均一であるので、平面上に位置する2つの隣接する電極間の圧力差は小さい。円
錐領域内に位置する電極については、圧力は減少し、周囲で最小となるので、圧
力差は高くなる(Soulhat J et al., J Biomech Eng 121:340, 1999)。各電極対
が組織に接触する時刻を推測することができる。チャネル3、2および1では、
電位は、それぞれ、1秒、1.2秒および1.4秒において上昇し始める。同様
の結果が、対称的なチャネル8、9および10についても観察された。チャネル
3および8は、より高い振幅によって特徴付けられる。何故なら、この電極対は
、300μmではなく、600μmだけ離間されているからである。更に、平面
の各側に位置する対称的なチャネルは、圧縮中流体の流れが逆方向となるために
、逆の符号を有する(チャネル10、9、8に対してチャネル1、2および3)
。実際、半円錐ポストを用いて組織に加えられる圧力は、ポストの周囲において
最小であり、中心において最大値まで増大し、中心から周辺に向かって再度減少
する。電位は、一方向の線形電極アレイによって測定されるので、平面の各側に
ある対称的チャネルは、逆の符号を有する。
せたときに測定した差動電気信号の別の例を示す。図2に見られるように、測定
した電気信号の形状は、組織の機械的負荷応答と同様である。この場合も、平面
の各側に位置するチャネルは、逆の符号を有する。この特定的な例では、手動圧
縮中におけるポストの角度方位のために、チャネル9および10の振幅は非常に
小さくなっている。図2および図3の結果は、接触および圧縮の間に、電気信号
および負荷から、相補的な情報が得られることを示す。
定した差動電気信号の例を示す。この検査を行ったのは、生物学的組織以外の材
料上でも接触分布を特徴化可能であることを実証するためである。エラストマ材
料は、固定のイオン化荷電族(ionized charged group)を有していないので、軟
骨のような生物学的組織とは対照的に、圧縮の間固定電荷に対する可動イオンの
変位はない。この検査は、水溶液内の漬浸ではなく、乾燥状態で行われた。更に
、ハイ・パス・フィルタ処理によって電気信号オフセットを除去した。図4の結
果は、電極を内蔵した表面の円錐部分に位置するチャネル2および1では、平面
上にあるチャネル4または5と比較して、電位は遅れて上昇し始めることを示す
。チャネル1および2上の矢印は、チャネルの隣接電極対を構成する2つの電極
の一方の接触時刻を示す。これらの結果は、あらゆるサンプル材料上でも本発明
の方法を用いて接触分布を特徴付けする実現可能性を実証している。
電気信号(absolute electrical signal)を示す。
この検査中、電極を内蔵した半球形ポストによって15秒間300μmだけ軟骨
表面を圧縮した。半球面の概略図は、各電極と、検査槽内に置かれ接地に接続さ
れている基準電極間の電位差を表す、各絶対チャネル(absolute ch
annel)(11個の電極に対して11個のチャネル)の位置を示す。図2に
おけると同様、負荷は、接触時に最大値まで増加し始め、次いで緩和して平衡に
達する。電気信号の形状は、組織の機械的負荷応答と同様である。チャネル6(
電極6と槽内にあり接地に接続されている基準電極との間の電位差)は、最も大
きな振幅によって特徴付けられる。実際、電極6は、組織に接触する最初の電極
である。また、電極6は軟骨にも接触し、これに最大の変形が加えられ、圧力は
最大となる。他のチャネルの振幅は、中心(チャネル6)から周辺(チャネル1
または11)に向かって対称的に減少する。全てのチャネルの電気信号は、負で
あり同相である。何故なら、信号は、接地に接続されている基準電極に対して測
定され、軟骨は固定の負電荷から成るからである。実際、圧縮中、正の可動イオ
ンは、固定の負電荷に対して、基準電極の方向に変位され、測定された電気信号
は負となる。
せて示す。この場合も、周囲(チャネル11)から中心(チャネル6)に向かっ
て、信号振幅の増大を観察することができる。信号間の時間遅延も、明確に見る
ことができる。時間遅延は、2つの信号間の開始時刻の差、即ち、これらが0か
ら異なり始めるときの時間差、即ち、負になり始めるときの時間差である。半球
面の正確な幾何学的形状、および各電極の位置、ならびに各信号間における開始
の時間遅延を知ることによって、接触の時間的進展、ならびに圧縮中の電極を内
蔵した表面の他の表面に対する圧縮振幅および速度ならびに角度方位に関する情
報を的確に推論することができる。電極を内蔵した表面が他の表面に対して垂直
でない場合、最初に組織に接触する半球面の領域上にあるチャネルでは、電位信
号は進み(時間遅延が短い)、振幅は大きくなる。
測定した絶対電気信号を示す。この場合も、電気信号の形状は、軟骨の機械的負
荷応答とほぼ同一である。振幅は、中心(チャネル6)においてより大きく、中
心から周囲に向かって対称的に減少する。
て示す。この場合も、周囲(チャネル1)から中心(チャネル6)に向かって、
信号振幅の増大が観察される。電気信号間の開始における時間遅延も観察するこ
とができる。図6Bに示す時間遅延は、図5Bのそれよりも見難くなっている。
これは、手動圧縮の方が素早いからである。しかしながら、圧縮中におけるポス
トの振幅、速度および角度方位は、ここでは、より高いデータ獲得率を用いるこ
とによって、推論することができる。
を示す。この検査は、食塩水内における漬浸を行わず、乾燥状態で行った。更に
、ハイ・パス・フィルタ処理によって、電気信号のオフセットを除去した。最初
に、ポストとエラストマ材料との間の接触直後に、電気増幅システムの飽和があ
る。しかしながら、電気信号の中心から周囲への時間遅延の増大が明らかに見る
ことができる。図8は、半球形ポストによる軟骨の圧縮中に測定したチャネル6
の絶対電気信号を示す。この場合、圧縮後ポストを素早く離別させた。表面の離
別中に、追加の電気的情報が得られる。更に、37秒の時点でチャネル6内にお
いて、離別の間に小さな上向きのピークが見られる。この場合も、電気信号の形
状は、圧縮中における組織上の機械的負荷応答と同様である。
図8)は、差動電気信号(図2、図3、図4および図9)よりも、時間的な接触
の進展をより容易に反映することができる。実際、接触は、差動測定の方が曖昧
となる。何故なら、電気信号は、表面上の異なる位置にあり異なる時刻に組織に
接触する2つの隣接する電極間で測定されたからである。しかしながら、2つの
場合、2表面間の接触時点、および接触の時間的進展を的確に判定することがで
きる。接触の時間的進展によって、材料が、電極を内蔵した表面に対して順応す
ることができるか否かについての情報が得られる。更に、表面上における電極の
正確な位置によって、接触および圧縮中における電極を内蔵した表面の振幅、速
度および角度方位を容易に推論することができる。
取得される前に、調整用前置増幅器、増幅器およびフィルタに通すことができる
。全ての場合において、電極および材料間の接触インピーダンスは、前置増幅器
の入力インピーダンスに比較して、無視できる程度でなければならない。更に、
バイアス電流を最小にして、電極の分極を回避しなければならない。接触インピ
ーダンスを最小に抑えるために、超音波槽において塩化白金酸溶液を電極に被覆
することができる。
例は、本発明の範囲を限定するためではなく、本発明を例示するために提示する
のである。 例1 図2、図3、図5A、図5B、図6A、図6Bおよび図8は、軟骨表面上で測
定した電気信号は、組織の電気的特性に直接関係することを示す。実際、機械的
負荷応答の形状、ならびに関節軟骨の接触および圧縮の間に測定した電位から、
同様の情報を得ることができる。機械的視点からは、関節軟骨は、固相および液
相から成る物質である。液相(水)は、組織の微少孔内にある。孔のサイズは約
5nmである。軟骨に圧縮を加えると、間質液が多孔性基質を流れて、大きな圧
縮力を発生し、これが圧縮および水の損失に抵抗する。したがって、軟骨は特徴
的粘弾性挙動を呈するので、負荷または変形の下では、関節軟骨は時間依存機械
的挙動を有する。流動電位は、軟骨の圧縮中に発生する圧力に直接関係する。更
に、圧縮中の流体速度は、流動電位の傾斜に関係する。例えば、図5Aにおいて
、チャネル6(電極6と接地に接続されている基準電極との間で測定される流動
電位)は、より高い流動電位振幅によって特徴付けられ、これは、半球形ポスト
によって加えられる最大圧力に直接関係する。
動電位は、関節内部の軟骨表面上で直接測定することができる。しかしながら、
軟骨の電気機械的特性を的確に判定するためには、軟骨に加える圧縮振幅または
変形および速度が必要となる。電極を内蔵した表面の幾何学的形状、および電極
間の距離を選択し、各電極の接触時点を的確に測定することによって、軟骨に加
えた変位(的確な推定は、検査対象材料の機械的応答の知識に左右される)、お
よび圧縮中の電極を内蔵した表面の角度方位を推定することができる。かかる情
報は、医療機械の分野において、圧縮によって誘発される電気電位の空間マッピ
ングによる軟骨縮退の診断に有用とすることができる。
プロテオグリカンと呼ばれる、コラーゲン・ネットワーク(collagen
network)内に取り込まれた固定の負に荷電された分子で構成されている
。軟骨の圧縮中、固定の負荷電プロテオグリカンに関する流体内に正の可動イオ
ンの変位があり、流動電位を発生する。骨関節症は、プロテオグリカンの損失お
よびコラーゲン・ネットワークの完全性損失によって反映される、軟骨の縮退で
ある。軟骨表面上で測定する流動電位は、プロテオグリカンの含有量およびコラ
ーゲン・ネットワークの完全性に直接関係するので、変形性関節症は流動電位振
幅の減少によって反映される。関節鏡検査プローブは、したがって、組織の健康
状態および縮退を的確に判定し、縮退やその他の組織治療方法を検査するために
用いることができる。図9は、半円錐形ポストによる圧縮中に正常な軟骨外植お
よび劣化した軟骨外植上で測定した差動電位(チャネル3)の一例を示す。この
場合、健康な軟骨外植は、生化学分解剤によって処置され、プロテオグリカンの
損失およびコラーゲン・ネットワークの破壊を誘発させた。周期的に流動電位を
測定し、劣化の進展を研究した。見てわかるように、流動電位は、劣化に対して
特に敏感である。更に、流動電位および負荷は、正常軟骨および劣化軟骨に対し
てほぼ同じ挙動を有する。
数回繰り返して、結果の再生を確認する。整形外科医は、必ずしも的確に軟骨に
加える変位を制御できる訳ではない。更に、電極を内蔵した表面は、軟骨表面と
完全に平行となることはまずない。平面状の半円錐面または半円面によって、電
気信号を分析し、各電極の組織との接触時点を的確に決定し、これによって2つ
の表面に加えられた相対的な変位および角度方位を示すことができる。平行性の
問題は、電極を内蔵した球面および電極を内蔵した表面の任意の方位を許容する
信号分析を用いることによって克服することができる。
る、異なる表面幾何学的形状を示す図である。
骨の試料に接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な差動電
気信号および負荷を示す。
内に置かれた関節軟骨の試料に接触させたときに、本発明の方法によって測定し
た、典型的な差動電気信号および負荷を示す。
材料、この場合、消しゴムと接触させたときに、本発明の方法によって測定した
、典型的な差動電気信号および負荷を示す。
骨の試料に接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な絶対電
気信号および負荷を示す。 図5Bは、信号間における開始の時間差を示すことにより、電極を内蔵した表
面と軟骨表面との間の接触の時間的進展、および電極を内蔵した表面の角度方位
を、図5Aの絶対電気信号を重ね合わせることによって実証する図である。
内に置かれた関節軟骨の試料に接触させたときに、本発明の方法によって測定し
た、典型的な絶対電気信号および負荷を示す。 図6Bは、信号間における開始の時間差を示すことにより、電極を内蔵した表
面と軟骨表面との間の接触の時間的進展、および電極を内蔵した表面の角度方位
を、図6Aの電気信号を重ね合わせることによって実証する図である。
たときに、本発明の方法によって測定した、典型的な絶対電気信号および負荷を
示す。
関節軟骨の試料に接触させ、次いで逆方向の移動によって表面から離別させたと
きに、本発明の方法によって測定した、典型的な絶対電気信号および負荷を示す
。
骨外植および劣化軟骨外植の圧縮の間に、本発明の方法によって測定した、典型
的な差動電気信号および負荷を示す。
るための技法も用いられる。これは、プローブおよび表面間に得られる吸引力お
よび/または反発力が、歪みゲージ材料を変形させ、その結果電気的特性が変化
することに基づいている(US5092163)。この場合、電極は表面と接触
していない。 米国特許第5,779,651号は、軟骨縮退の早期検出および診断用医療装
置、ならびにかかる装置の使用方法を開示する。しかしながら、この発明は、デ
バイス先端と特徴化対象材料との間の接触の表面に関する情報も、デバイスの押
し込み面と特徴化対象材料との間のこの接触面の時間的進展に関する情報も与え
ない。これは、重要な点である。何故なら、接触面積や、経時的にこれがどのよ
うに変化するかについての正確な知識がなければ、材料特性に関する推論はでき
ないからである。
Claims (19)
- 【請求項1】 電極アレイを用いて2つの任意表面間における接触の時間的
および空間的進展の特徴付け方法であって、 a)試料表面に対して、電極アレイを内蔵した表面を適用させ、試料面に応答
して前記電極に信号を発生させるステップと、 b)前記電極から信号を得るステップと、 c)前記電極から受け取った前記信号を、処理手段によって処理するステップ
と、 d)前記信号処理から受け取ったデータを分析および解釈し、試料面と電極ア
レイを内蔵した面との間における接触の時間的および空間的進展を特徴付けする
ステップであって、前記電極から受け取った信号間の時間オフセットが、試料面
と電極アレイを内蔵した表面との間の接触の時間的および空間的進展を示す、ス
テップと、 から成る方法。 - 【請求項2】 請求項1記載の方法において、前記電極アレイは多次元であ
る方法。 - 【請求項3】 請求項1記載の方法において、前記電極アレイを、前記電極
アレイを内蔵した表面上に位置付け、線、円、または曲線形状を形成する方法。 - 【請求項4】 請求項3記載の方法において、前記線は、三角形、矩形、多
角形、六角形、七角形、または八角形格子である方法。 - 【請求項5】 請求項1記載の方法において、前記試料表面および前記電極
アレイを内蔵した表面の幾何学的形状は、完全に平坦な表面または部分的に平坦
な表面、回転表面、不規則表面、または2つ以上の表面の組み合わせから成るグ
ループから選択した幾何学的形状を有する方法。 - 【請求項6】 請求項5記載の方法において、前記回転表面は、円錐形、球
形、放物線状、円錐形、楕円形から成るグループから選択する方法。 - 【請求項7】 請求項1記載の方法において、前記電極アレイは、少なくと
も3つの電極を備え、前記少なくとも3つの電極が二次元を規定する方法。 - 【請求項8】 請求項1記載の方法において、前記電極は、貴金属、銀、金
、パラディウム、プラチナ、ローディウム、ルテニウム、イリジウム、オシミウ
ム、銅、アルミニウム、およびタングステンから成るグループから選択した金属
、または銀/塩化銀、ステンレス鋼、およびプラチナ/イリジウムまたは前述の
金属のいずれかの組み合わせから選択した数種類の金属の合金で作る方法。 - 【請求項9】 請求項1記載の方法において、前記電極は金属ワイヤで作る
方法。 - 【請求項10】 請求項1記載の方法において、前記電極は、ミクロン未満
からミリメートルの範囲の直径を有する方法。 - 【請求項11】 請求項1記載の方法において、前記処理手段は、前記電極
に密接し、ノイズの混入およびマイクロフォン効果を低減する方法。 - 【請求項12】 請求項1記載の方法において、前記電極アレイを内蔵した
表面を処理して、電気接触インピーダンスを低下させる方法。 - 【請求項13】 請求項1記載の方法において、前記処理手段は、高入力イ
ンピーダンスおよび低バイアス電流を有する電圧フォロワを備え、測定電圧の共
通モード除去を最大化する方法。 - 【請求項14】 請求項1記載の方法において、電気電位を、隣接する電極
間の電位差として差動的に、あるいは前記アレイの固定電極、または検査槽内に
置き接地に接続した基準電極に対して絶対的に測定する方法。 - 【請求項15】 請求項1記載の方法において、腐食効果や絶縁特性が全く
なく、安定したノイズ特性を有する非接触電極との容量性結合によって信号を測
定する方法。 - 【請求項16】 前記電極アレイを内蔵した表面の前記試料表面に対する相
対的変位および方位の少なくとも1つを示すための、請求項1、2、3、4、5
、6、7、8、9、10、11、12、13、14または15の方法の使用。 - 【請求項17】 材料の機械的応答または「表面順応性」を特徴付けするた
めの請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、1
4または15の方法の使用。 - 【請求項18】 露出電極を内蔵したプローブ表面に対する検査対象組織の
圧縮によって誘発される電気電位を用いて、前記組織の構成、構造、機能、健康
または罹患状態を含む組織の状態を検出する方法であって、 a)前記組織表面に対して少なくとも2点に電極を被着するステップと、 b)前記電極および組織を共に圧縮し、流動電位を誘発するステップと、 c)前記電位を分析し、接触の空間的および時間的進展を検出し、更に前記組
織の流動電位マップを取得するステップと、 d)前記電位を解釈して、前記組織の状態を判定するステップと、 から成る方法。 - 【請求項19】 請求項18記載の方法において、前記組織が軟骨である方
法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US14598399P | 1999-07-29 | 1999-07-29 | |
US60/145,983 | 1999-07-29 | ||
PCT/CA2000/000885 WO2001008555A1 (en) | 1999-07-29 | 2000-07-28 | Characterization of the contact distribution between two arbitrary surfaces using electrode arrays |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003505709A true JP2003505709A (ja) | 2003-02-12 |
JP4746229B2 JP4746229B2 (ja) | 2011-08-10 |
Family
ID=22515421
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001513297A Expired - Fee Related JP4746229B2 (ja) | 1999-07-29 | 2000-07-28 | 電極アレイを用いた2つの任意表面間における接触分布の特徴化 |
Country Status (11)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1199983B1 (ja) |
JP (1) | JP4746229B2 (ja) |
CN (1) | CN1213695C (ja) |
AT (1) | ATE266354T1 (ja) |
AU (1) | AU767222B2 (ja) |
CA (1) | CA2378705C (ja) |
DE (1) | DE60010709T2 (ja) |
MX (1) | MXPA02001021A (ja) |
NO (1) | NO20020442D0 (ja) |
NZ (1) | NZ516668A (ja) |
WO (1) | WO2001008555A1 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7894871B2 (en) | 2006-12-29 | 2011-02-22 | St. Jude Medical, Atrial Fibrillation Division, Inc. | Filtering method for surface modeling |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001510370A (ja) * | 1997-02-07 | 2001-07-31 | バイオ・シンテック・リミテッド | 圧縮により生じた電気的ポテンシャルの空間的マッピングを介して軟骨の変性を診断する医療装置 |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AT375466B (de) | 1977-07-27 | 1984-08-10 | List Hans | Messwertaufnehmer mit einem piezoelektrischen messelement |
US4856993A (en) | 1985-03-29 | 1989-08-15 | Tekscan, Inc. | Pressure and contact sensor system for measuring dental occlusion |
US5033291A (en) | 1989-12-11 | 1991-07-23 | Tekscan, Inc. | Flexible tactile sensor for measuring foot pressure distributions and for gaskets |
US5246013A (en) * | 1989-12-22 | 1993-09-21 | Massachusetts Institute Of Technology | Probe, system and method for detecting cartilage degeneration |
US5341687A (en) | 1992-11-16 | 1994-08-30 | The Goodyear Tire & Rubber Company | 3-dimensional pressure sensor |
JP4425993B2 (ja) * | 1996-08-23 | 2010-03-03 | オステオバイオロジックス, インコーポレイテッド | 把持型物質テスタ |
-
2000
- 2000-07-28 EP EP00951148A patent/EP1199983B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-07-28 AT AT00951148T patent/ATE266354T1/de not_active IP Right Cessation
- 2000-07-28 NZ NZ516668A patent/NZ516668A/en unknown
- 2000-07-28 CN CN00811003.4A patent/CN1213695C/zh not_active Expired - Fee Related
- 2000-07-28 DE DE60010709T patent/DE60010709T2/de not_active Expired - Lifetime
- 2000-07-28 AU AU64199/00A patent/AU767222B2/en not_active Ceased
- 2000-07-28 JP JP2001513297A patent/JP4746229B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2000-07-28 MX MXPA02001021A patent/MXPA02001021A/es active IP Right Grant
- 2000-07-28 CA CA2378705A patent/CA2378705C/en not_active Expired - Fee Related
- 2000-07-28 WO PCT/CA2000/000885 patent/WO2001008555A1/en active IP Right Grant
-
2002
- 2002-01-28 NO NO20020442A patent/NO20020442D0/no not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001510370A (ja) * | 1997-02-07 | 2001-07-31 | バイオ・シンテック・リミテッド | 圧縮により生じた電気的ポテンシャルの空間的マッピングを介して軟骨の変性を診断する医療装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE60010709T2 (de) | 2005-04-28 |
NZ516668A (en) | 2003-10-31 |
AU6419900A (en) | 2001-02-19 |
EP1199983A1 (en) | 2002-05-02 |
ATE266354T1 (de) | 2004-05-15 |
NO20020442L (no) | 2002-01-28 |
JP4746229B2 (ja) | 2011-08-10 |
CA2378705A1 (en) | 2001-02-08 |
EP1199983B1 (en) | 2004-05-12 |
CA2378705C (en) | 2014-04-29 |
CN1365264A (zh) | 2002-08-21 |
WO2001008555A1 (en) | 2001-02-08 |
NO20020442D0 (no) | 2002-01-28 |
MXPA02001021A (es) | 2003-07-21 |
DE60010709D1 (de) | 2004-06-17 |
CN1213695C (zh) | 2005-08-10 |
AU767222B2 (en) | 2003-11-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4225578B2 (ja) | 圧縮により生じた電気的ポテンシャルの空間的マッピングを介して軟骨の変性を診断する医療装置 | |
US6882880B2 (en) | Arthroscopic impedance probe to detect cartilage degeneration | |
KR101410513B1 (ko) | 전기생리학적 분석 시스템 | |
US20020049382A1 (en) | Arthroscopic diagnostic probe to measure mechanical properties of articular cartilage | |
Jalkanen | Hand-held resonance sensor for tissue stiffness measurements—a theoretical and experimental analysis | |
JP2019523428A (ja) | 皮下のマイクロ生体チャンネルの場所の特定のための電気インピーダンス測定及びeitイメージ | |
Baidillah et al. | Electrical impedance spectroscopy for skin layer assessment: A scoping review of electrode design, measurement methods, and post-processing techniques | |
JP4746229B2 (ja) | 電極アレイを用いた2つの任意表面間における接触分布の特徴化 | |
US6790186B1 (en) | Device for evaluating the dynamic, mechanical properties of materials | |
Helgason et al. | Increased sensitivity of smart contact lenses for continuous intraocular pressure measurement using ring-shaped design | |
Quenneville et al. | Fabrication and characterization of nonplanar microelectrode array circuits for use in arthroscopic diagnosis of cartilage diseases | |
Todorov et al. | Design of a Flexible, Wearable Interdigitated Capacitive Sensor for Monitoring Biomarkers of Atopic Dermatitis | |
Feng et al. | Electroactive polymer-based inner vessel-wall pressure transducer capable of integration with a PTA balloon catheter for examining blood vessel health | |
Bombard | A surface probe for in situ detection of cartilage degradation via electromechanical spectroscopy | |
Legare et al. | Evaluation of cartilage quality using streaming potential maps | |
Yun et al. | In-vivo biotissue discrimination using electrochemical impedance spectroscopy on a hypodermic needle with fine interdigitated electrodes | |
WO2023288016A2 (en) | Sensor having contoured membrane | |
RU2299011C2 (ru) | Способ и устройство для оценки плотности и неоднородности биологической ткани | |
WO2024211173A1 (en) | Non-invasive neural interface and method of making the same | |
KR20240063008A (ko) | 마이크로 니들이 구비된 침습형 실시간 심근효소 측정장치 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070727 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100915 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20101215 |
|
A602 | Written permission of extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602 Effective date: 20101222 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110315 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110415 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110513 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140520 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |