JP2005055224A - 近赤外線水分計を利用した軟骨の含水量の測定装置及び測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】軟骨の含水率を正確に測定し、軟骨の変性の程度を初期段階から客観的に評価できる測定方法および測定装置を提供する。
【解決手段】所定の圧力下において近赤外線水分計により軟骨の含水量の時間変化を測定することにより、前記軟骨の透水率を定量的に評価する。
【選択図】 図３
【解決手段】所定の圧力下において近赤外線水分計により軟骨の含水量の時間変化を測定することにより、前記軟骨の透水率を定量的に評価する。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体組織の軟骨、特に関節軟骨の含水量ひいては透水率を測定する測定方法及び測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高齢化社会において生体組織の軟骨の変性摩耗による障害は、変形性関節症として臨床上急増し、臨床的治療対象としては膝関節が最も多い。従来の変形性膝関節症の診断はＸ線像上の関節裂隙の狭小化や軟骨下骨の硬化像といった所見に基づいてなされ、初期の変性については診断されていない。また、スポーツ選手において軟骨損傷は重大な障害を与えるが、軟骨の再生能力は一般に劣るために治療上の問題が多い。
【０００３】
軟骨の力学特性（剛性や硬さ）については、押込み試験や超音波法により調べる基礎研究や臨床研究が行われている。非特許文献１によれば、Ｍｏｗらは、圧密試験の手法を軟骨に応用して、軟骨の圧密試験を行ない、軟骨の変形能が透水率によって変化することを見出している。圧密試験は、物質の透水性の試験方法として知られており、例えば、土の圧密試験に関して、ＪＩＳ規格Ａ１２１７の圧密試験方法がある。
【０００４】
また、特許文献１には、生体において吸光色素を血管内に注入して血中色素濃度を連続測定し、生体内の水分量関連値、特に肺水分量を測定する装置が開示されている。
【０００５】
さらに、近赤外線を材料表面に照射して得られる反射強度スペクトル特性から材料中に含まれる不純物を同定し、材料の品質管理あるいは製品の良否判別を行う近赤外線分光法の応用技術について研究が行われている。近赤外線の波長帯域（８００−２５００ｎｍ）には、水分子中のＯＨ基の吸収スペクトル波長（約１４５０ｎｍと１９００ｎｍ） が存在することから、近赤外線水分計が実用化され、市販されている。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｍｏｗ， Ｖ．Ｃ．， Ｋｕｅｉ， Ｓ．Ｃ．， Ｌａｉ， Ｗ．Ｍ．， Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ， Ｃ．Ｇ．： Ｂｉｐｈａａｓｉｃ Ｃｒｅｅｐ ａｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｒｔｉｃｕｌａｒ Ｃａｒｔｉｌａｇｅ ｉｎ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ − Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｅｘｐｒｅｒｉｍｅｎｔｓ−． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， １０２−７３−８４， １９８０．
【特許文献１】
特開２００３−１３５４３３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
軟骨に対する最新の治療法として、軟骨の移植が分子生物学的技法の導入により実験的に試みられるようになったが、Ｘ線像上での所見の変化に乏しい移植直後段階での軟骨の健全性評価は肉眼的所見によっている。
【０００８】
軟骨の剛性や硬さを調べた従来のｉｎ ｖｉｔｒｏの実験によれば、これらの力学特性は軟骨の水分量に強く依存することが報告されている。
【０００９】
しかしながら、従来、軟骨に関しては、その透水率を簡単且つ正確に測定する方法が無く、さらに、軟骨変性の程度を定量的に診断する方法も無かった。
【００１０】
非特許文献１に記載のＭｏｗらの圧密試験も、含水量の測定を目的としているものではい。また、圧密試験では、含水量の時間的変化を連続的に測定することは出来ない。
【００１１】
本発明の目的は、軟骨の含水量ひいては透水率を正確に測定し、生体組織の変性の程度を初期段階から客観的に評価できる測定方法および測定装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、荷重を一定時間加えた後に除荷し、この除荷の過程で変形する軟骨の含水量の時間変化を近赤外線水分計により測定すると同時に軟骨の変形量を測定し、この吸光度の時間変化から軟骨の含水量の時間変化を求めることにある。
【００１３】
本発明の他の特徴は、軟骨試料の吸光度の時間変化すなわち吸光度回復率を透水率の指標として用いることにある。
本発明の他の特徴は、軟骨について、近赤外線水分計を用いて吸光度測定を行なう手段と、前記軟骨に対して所定時間だけ荷重を加えて圧縮変形させる手段と、前記軟骨に対する除荷後の前記吸光度の時間変化から前記軟骨の吸光度回復率を求め、該吸光度回復率を透水率の指標とする演算評価手段、とを備えた生体の軟骨の透水率の診断装置にある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例になる軟骨の含水量測定診断装置の全体構成を示す図である。測定診断装置１００は、軟骨試料１を載置する試料台１０２と、軟骨試料１に含まれる水分量の時間変化を測定するための近赤外線水分計２と、押込み試験装置３と、軟骨試料１の軸方向における変形の回復量を同時に測定するためのレーザー変位計４を備えている。試料１の周囲には、吸水材５、含水材６が配置されている。
【００１５】
測定診断装置１００は、さらに、ＣＰＵやメモリを有し測定、診断の機能を有するコントローラ１０４を備えている。コントローラ１０４は、メモリに保持された測定の各手順を実行する測定用プログラム１０６を有する。また、測定用のデータや測定結果のデータ１１０を保持するため記憶装置を有している。さらに、測定の各手順や測定結果を表示する表示装置１１４を含む入出力部１１２を備えている。
【００１６】
測定用プログラム１０６及び診断プログラム１０８は、押込み試験後の変形の回復過程で近赤外線水分計により軟骨に流入する水分量の時間変化を測定し、さらに、吸光度回復率を算出し、これにより透水率を評価し、ひいては軟骨の診断用のデータを提供する。なお、近赤外線水分計２やレーザー変位計４として市販の装置を使用する場合には、上記した測定診断装置１００の機能の一部は近赤外線水分計２やレーザー変位計４に分担させることができる。逆に、専用の測定装置や診断装置として、近赤外線水分計２やレーザー変位計４の測定処理の機能の一部を測定診断装置１００側に取り込んで全体のシステムを構成しても良いことは、言うまでも無い。
【００１７】
本発明の実施例になる関節軟骨の含水量測定すなわち透水率の測定は、近赤外線水分計による押込み試験前の吸光度測定、押込み試験及び押込み荷重の除荷と吸光度の測定の各手順からなる。以下、本発明の一実施例による関節軟骨の含水量、すなわち透水率の測定の手順について、図２、図３を用いて説明する。
【００１８】
図２は、測定用プログラム１０６及び診断プログラム１０８の機能をフローチャートとして示したものである。まず、測定用の軟骨試料１を準備すると共に、各種測定条件を設定する（Ｓ２００）。次に、軟骨試料１の吸光度測定を行ない（Ｓ２０２）、この結果に基いて試料の含水量を算出し、そのデータを記憶装置に保持する（Ｓ２０４）。次に、軟骨試料に押込み荷重を印加する（Ｓ２０６）。その後、荷重除去後の試料の変形の回復量と、試料の吸光度の連続同時測定を行なう（Ｓ２０８）。そして、これらの測定結果から試料の含水量を求め、透水率の指標としての吸光度回復率の算出を行なう（Ｓ２１０）。これら含水量及び吸光度回復率の時間変化と、予め求められている診断用データとの比較に基き、試料の正常、異常の診断処理を行ない、その結果を参考情報として表示装置１１４に表示する（Ｓ２１４）。
【００１９】
次に、図３を用いて、近赤外線水分計による押込み試験前の吸光度測定、押込み試験及び押込み荷重の除荷と吸光度の測定の各手順をより具体的に説明する。
【００２０】
（１）近赤外線水分計による押込み試験前の吸光度、含水量の測定
図３のＡに示すように、軟骨試料１について、近赤外線水分計２による押込み試験前の吸光度、換言すると含水量の測定を行なう。吸光度の測定条件は次の通り。
（ａ）軟骨試料１の大きさの要件：直径７．５ｍｍ以上，厚さは１．０ｍｍ以上とする。厚さが特に重要であり、１．０ｍｍ以下では吸光度が厚さに依存してしまう。
この場合、近赤外線照射プローブと軟骨試料との間の距離が１０ｍｍの場合、近赤外線照射プローブの近赤外線照射域は、直径８ｍｍの円形領域である。
【００２１】
（ｂ）近赤外線照射プローブの至適照射角度：鉛直方向に対して約１０度傾斜させる。角度が１０度より小さいと試料表面からの正反射光により測定感度が落ちる。逆に、角度が１０度より大きくなると、反射光強度が極端に低下し，測定不能となる。
【００２２】
（ｃ）近赤外線照射プローブと軟骨試料との間の距離：５〜１０ｍｍとする。吸光度はこの距離の範囲内であれば距離に依存しない。
【００２３】
〈含水量の評価指標〉：
含水量は次式（１）で定義される吸光度によって相対的に評価されるものである。吸光度の数値が大きいほど，含水量も大きい。
Ｉｉ：入射光強度 Ｉｒ：反射光強度
ここで入射光，反射光の波長は水分子中のＯＨ基による吸収スペクトル波長１４６０ｎｍと１９６０ｎｍに選ぶ。近赤外線は、８００から２５００ｎｍ（ナノメートル）の範囲の波長を持つ光であるが、１４６０ｎｍと１９６０ｎｍに、水分子（ＯＨ基）による吸収波長が存在する。すなわち，軟骨試料に水が存在すると、近赤外線の中の特定のスペクトル強度が低下する。そこで、そのスペクトル強度の低下の割合を測定すれば、軟骨試料中の水分量がわかる。
この近赤外線水分計を利用することにより、材料表面近傍の水の流動状態を観測できる。しかも材料へ与えるダメージが少ないことから、生体組織への応用に適している。
【００２４】
（２）押込み試験
次に、図３のＢに示すように、軟骨試料１に対して、押込み試験を行なう。具体的には、押込み試験装置３に設けられた、例えば直径７．５ｍｍのＳＵＳ３０４製の平面圧子により軟骨試料１に荷重を加え，圧縮変形させる。圧縮速度は０．１ｍｍ以下の準静的変形速度の範囲とする。また、一例として，設定圧力は４．５ＭＰａ，保持時間は５ｍｉｎとする。この間に軟骨から滲出してくる水を吸水材５により吸収する。吸水材５としては、Ｄｒｙ Ｃｏｔｔｏｎが最も良い結果が得られる。
【００２５】
（３）押込み荷重の除荷と吸光度の測定
次に、図３のＣに示すように、押込み荷重の除荷と吸光度の測定を行なう。前記した設定圧力４．５ＭＰａ，保持時間５ｍｉｎが経過したら，直ちに押込み試験装置３の平面圧子を取り除き軟骨試料１に対して除荷する。軟骨試料１を含水材６（例えば、Ｗｅｔｔｅｄ Ｃｏｔｔｏｎ）により包み込み，再吸水させる。そして、（１）と同じ要領にて近赤外線照射プローブを設置し，吸光度の時間変化を測定する。また，レーザー変位計４により，軟骨試料１の軸方向における変形の回復量を同時に測定する。
【００２６】
軟骨試料１について、観測時間を６０ｍｉｎ．程度とすると、水の再吸収過程を明瞭に把握できる。吸光度の時間変化を吸光度回復率として次式（２）で定義すれば，吸光度回復率を透水率の指標として用いることができる。
【００２７】
吸光度回復率 Ｒ＝ｄＡ／ｄｔ （２）
但し、 Ａ：吸光度 ｔ：時間
含水量の正確な測定のためには、軟骨の変形解析、近赤外線水分計の測定対象領域の把握、検量線（水分量と近赤外線反射強度との校正関係）の作成が必要である。また、軟骨を対象とする場合、吸水材５、含水材６共にＷｅｔｔｅｄ Ｃｏｔｔｏｎが適しているが、吸水用と含水用に独立した別個の部材を使用するのが望ましい。吸水材５、含水材６は、測定対象に応じて、各々適切ものを選択すればよい。
【００２８】
なお、上記実施例では、吸光度と軟骨の変形回復量の時間変化の測定のために、各々近赤外線水分計とレーザー変位計とを用いているが、レーザー変位計による変形量測定は補助的なものであり、レーザー変位計は省略しても差し支えない。
【００２９】
図４は、上記実施例に基づく方法でえられた測定結果に基いた、硝子軟骨（正常軟骨）と繊維軟骨の、吸光度の時間変化の関係を示す図である。図４の時間零の時点における吸光度は、押込み試験前の軟骨の吸光度（変形前の初期値）と、押込み試験による変形、圧縮に伴い所定値まで減少した軟骨の吸光度（変形後の最低値）とを示している。軟骨の繊維化が進行するにつれて、すなわち変性度が進むにつれて、最低値から初期値までの吸光度の回復がより速くなる傾向が見られる。換言すると、軟骨の変性度が進むにつれて、水分の戻りがより速くなる傾向がある。これは、繊維化が進むとコラーゲン繊維のネットワークがより粗くなり，水の移動が容易となるためであると考えられる。
【００３０】
図５は、硝子軟骨と繊維軟骨の、吸光度回復率の時間変化の関係を示す図である。これは、図４のグラフ特性から、さらに吸光度の時間変化率（以下吸光度回復率と呼ぶことにする）を求めたものである。軟骨の繊維化が進行するにつれて、換言すると変性度が大きくなるにつれて、吸光度の回復がより速くなる（水分の戻りがより速くなる）傾向が見られる。このことから，軟骨の繊維化が進行するにつれて、吸光度回復率のピークが時間的により早い時期に見られることがわかる。
【００３１】
従って、患者の軟骨の吸光度回復率のピークを、硝子軟骨（正常軟骨）の吸光度回復率のピークと比較することにより、患者の軟骨の変性の有無を客観的に評価、診断することができる。特に、「軟骨再生」に関連して、正常および変性軟骨の高精度の識別が可能となる。
【００３２】
このように、本発明の実施例によれば、押込み試験により軟骨の力学特性（剛性や硬さ）を調べると共に、これに加えて水の動態を観測すること、特に、近赤外線水分計を応用することにより、現在の肉眼所見に頼った軟骨変性あるいは再生の主観的な判定を透水率という物理的に明確な指標による客観的な評価に置き換え、軟骨再生医療への貢献が可能になる。
【００３３】
次に、図６により、本発明を適用した、臨床的治療に用いることが可能な透水率の診断装置の構成例を説明する。この診断装置は、患者の軟骨の透水率を直接的に検査して診断を行うことの出来るシステムであり、膝関節等を観察する通常の関節鏡と，近赤外線水分計を接続したもう１組の関節鏡（近赤プローブ）を備えている。なわち、この診断装置は、夫々観察光導入部１２３を有する一対の関節鏡１２０、１２２を備えている。関節鏡１２０は、観察光導入部１２３から観察光を導入して観察を行なう通常の観察用関節鏡である。もう１組の関節鏡１２２は、その観察光導入部に光ファイバー１２４が接続され、この光ファイバーの他端は近赤外線水分計２に接続されている。なお、本システムの場合、患者の体内の軟骨を直接的に加圧して検査するので， 軟骨の加圧された部分の水分は同じ軟骨内の他の部分に移動し、除荷するとまた元の部分に復帰する。よって、上記実施例で述べた吸水材や含水材は不要である。
【００３４】
図６の例は、大腿骨の膝関節にある患部（軟骨変性部）の含水量を測定する場合を示している。測定に際しては、通常の関節鏡１２０を用いた観察により患者の測定対象部位を確認し，患部に他の関節鏡１２２を所定の条件で押し付けて窪みをつけた後に離し，圧縮変形の回復に伴う水分の変化量（吸光度変化）を連続的に計測する。患者の軟骨における吸光度変化のデータから得られた吸光度回復率を、予めえられた、例えば図４、図５に示したような吸光度回復率のデータと比較することで，患者の軟骨の変性の有無や程度を診断することができる。
【００３５】
本実施例における近赤外線水分計２は、関節鏡に光ファイバーで接続されるが，これを小型化して関節鏡１２２に収納することも可能であり、これにより、低侵襲のｉｎ ｖｉｖｏの診断装置を開発できる。
【００３６】
なお、本発明は、軟骨に限らず、他の生体組織の含水量の測定、ひいては透水率の推定や変性の程度の診断にも同様に応用できる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、軟骨の変性の程度を、初期段階から正確かつ客観的に評価できる手法および検査装置を提供することができる。これにより、現在の肉眼所見に頼った軟骨変性あるいは再生の主観的な判定を透水率という物理的に明確な指標による客観的な評価に置き換えることができ、軟骨の診断及び再生医療に貢献することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例になる軟骨の透水率測定装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施例における、押込み試験前の吸光度の測定の手順を説明する図である。
【図３】近赤外線水分計による押込み試験前の吸光度測定、押込み試験及び押込み荷重の除荷と吸光度の測定の各手順をより具体的に説明する図である。
【図４】硝子軟骨（正常軟骨）と繊維軟骨の、吸光度の時間変化の関係を示す図である。
【図５】硝子軟骨と繊維軟骨の、吸光度回復率の時間変化の関係を示す図である。
【図６】本発明を適用した、膝関節等の臨床的治療に用いることが可能な含水量測定システムの構成例を説明する図である。
【符号の説明】
１…軟骨試料、２…近赤外線水分計、３…押込み試験装置、４…レーザー変位計、５…吸水材、６…含水材、１００…測定装置、１０２…試料台、１０４…コントローラ、１０６…測定用プログラム、１０８…診断プログラム、１１４…表示装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体組織の軟骨、特に関節軟骨の含水量ひいては透水率を測定する測定方法及び測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高齢化社会において生体組織の軟骨の変性摩耗による障害は、変形性関節症として臨床上急増し、臨床的治療対象としては膝関節が最も多い。従来の変形性膝関節症の診断はＸ線像上の関節裂隙の狭小化や軟骨下骨の硬化像といった所見に基づいてなされ、初期の変性については診断されていない。また、スポーツ選手において軟骨損傷は重大な障害を与えるが、軟骨の再生能力は一般に劣るために治療上の問題が多い。
【０００３】
軟骨の力学特性（剛性や硬さ）については、押込み試験や超音波法により調べる基礎研究や臨床研究が行われている。非特許文献１によれば、Ｍｏｗらは、圧密試験の手法を軟骨に応用して、軟骨の圧密試験を行ない、軟骨の変形能が透水率によって変化することを見出している。圧密試験は、物質の透水性の試験方法として知られており、例えば、土の圧密試験に関して、ＪＩＳ規格Ａ１２１７の圧密試験方法がある。
【０００４】
また、特許文献１には、生体において吸光色素を血管内に注入して血中色素濃度を連続測定し、生体内の水分量関連値、特に肺水分量を測定する装置が開示されている。
【０００５】
さらに、近赤外線を材料表面に照射して得られる反射強度スペクトル特性から材料中に含まれる不純物を同定し、材料の品質管理あるいは製品の良否判別を行う近赤外線分光法の応用技術について研究が行われている。近赤外線の波長帯域（８００−２５００ｎｍ）には、水分子中のＯＨ基の吸収スペクトル波長（約１４５０ｎｍと１９００ｎｍ） が存在することから、近赤外線水分計が実用化され、市販されている。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｍｏｗ， Ｖ．Ｃ．， Ｋｕｅｉ， Ｓ．Ｃ．， Ｌａｉ， Ｗ．Ｍ．， Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ， Ｃ．Ｇ．： Ｂｉｐｈａａｓｉｃ Ｃｒｅｅｐ ａｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｒｔｉｃｕｌａｒ Ｃａｒｔｉｌａｇｅ ｉｎ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ − Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｅｘｐｒｅｒｉｍｅｎｔｓ−． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， １０２−７３−８４， １９８０．
【特許文献１】
特開２００３−１３５４３３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
軟骨に対する最新の治療法として、軟骨の移植が分子生物学的技法の導入により実験的に試みられるようになったが、Ｘ線像上での所見の変化に乏しい移植直後段階での軟骨の健全性評価は肉眼的所見によっている。
【０００８】
軟骨の剛性や硬さを調べた従来のｉｎ ｖｉｔｒｏの実験によれば、これらの力学特性は軟骨の水分量に強く依存することが報告されている。
【０００９】
しかしながら、従来、軟骨に関しては、その透水率を簡単且つ正確に測定する方法が無く、さらに、軟骨変性の程度を定量的に診断する方法も無かった。
【００１０】
非特許文献１に記載のＭｏｗらの圧密試験も、含水量の測定を目的としているものではい。また、圧密試験では、含水量の時間的変化を連続的に測定することは出来ない。
【００１１】
本発明の目的は、軟骨の含水量ひいては透水率を正確に測定し、生体組織の変性の程度を初期段階から客観的に評価できる測定方法および測定装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、荷重を一定時間加えた後に除荷し、この除荷の過程で変形する軟骨の含水量の時間変化を近赤外線水分計により測定すると同時に軟骨の変形量を測定し、この吸光度の時間変化から軟骨の含水量の時間変化を求めることにある。
【００１３】
本発明の他の特徴は、軟骨試料の吸光度の時間変化すなわち吸光度回復率を透水率の指標として用いることにある。
本発明の他の特徴は、軟骨について、近赤外線水分計を用いて吸光度測定を行なう手段と、前記軟骨に対して所定時間だけ荷重を加えて圧縮変形させる手段と、前記軟骨に対する除荷後の前記吸光度の時間変化から前記軟骨の吸光度回復率を求め、該吸光度回復率を透水率の指標とする演算評価手段、とを備えた生体の軟骨の透水率の診断装置にある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例になる軟骨の含水量測定診断装置の全体構成を示す図である。測定診断装置１００は、軟骨試料１を載置する試料台１０２と、軟骨試料１に含まれる水分量の時間変化を測定するための近赤外線水分計２と、押込み試験装置３と、軟骨試料１の軸方向における変形の回復量を同時に測定するためのレーザー変位計４を備えている。試料１の周囲には、吸水材５、含水材６が配置されている。
【００１５】
測定診断装置１００は、さらに、ＣＰＵやメモリを有し測定、診断の機能を有するコントローラ１０４を備えている。コントローラ１０４は、メモリに保持された測定の各手順を実行する測定用プログラム１０６を有する。また、測定用のデータや測定結果のデータ１１０を保持するため記憶装置を有している。さらに、測定の各手順や測定結果を表示する表示装置１１４を含む入出力部１１２を備えている。
【００１６】
測定用プログラム１０６及び診断プログラム１０８は、押込み試験後の変形の回復過程で近赤外線水分計により軟骨に流入する水分量の時間変化を測定し、さらに、吸光度回復率を算出し、これにより透水率を評価し、ひいては軟骨の診断用のデータを提供する。なお、近赤外線水分計２やレーザー変位計４として市販の装置を使用する場合には、上記した測定診断装置１００の機能の一部は近赤外線水分計２やレーザー変位計４に分担させることができる。逆に、専用の測定装置や診断装置として、近赤外線水分計２やレーザー変位計４の測定処理の機能の一部を測定診断装置１００側に取り込んで全体のシステムを構成しても良いことは、言うまでも無い。
【００１７】
本発明の実施例になる関節軟骨の含水量測定すなわち透水率の測定は、近赤外線水分計による押込み試験前の吸光度測定、押込み試験及び押込み荷重の除荷と吸光度の測定の各手順からなる。以下、本発明の一実施例による関節軟骨の含水量、すなわち透水率の測定の手順について、図２、図３を用いて説明する。
【００１８】
図２は、測定用プログラム１０６及び診断プログラム１０８の機能をフローチャートとして示したものである。まず、測定用の軟骨試料１を準備すると共に、各種測定条件を設定する（Ｓ２００）。次に、軟骨試料１の吸光度測定を行ない（Ｓ２０２）、この結果に基いて試料の含水量を算出し、そのデータを記憶装置に保持する（Ｓ２０４）。次に、軟骨試料に押込み荷重を印加する（Ｓ２０６）。その後、荷重除去後の試料の変形の回復量と、試料の吸光度の連続同時測定を行なう（Ｓ２０８）。そして、これらの測定結果から試料の含水量を求め、透水率の指標としての吸光度回復率の算出を行なう（Ｓ２１０）。これら含水量及び吸光度回復率の時間変化と、予め求められている診断用データとの比較に基き、試料の正常、異常の診断処理を行ない、その結果を参考情報として表示装置１１４に表示する（Ｓ２１４）。
【００１９】
次に、図３を用いて、近赤外線水分計による押込み試験前の吸光度測定、押込み試験及び押込み荷重の除荷と吸光度の測定の各手順をより具体的に説明する。
【００２０】
（１）近赤外線水分計による押込み試験前の吸光度、含水量の測定
図３のＡに示すように、軟骨試料１について、近赤外線水分計２による押込み試験前の吸光度、換言すると含水量の測定を行なう。吸光度の測定条件は次の通り。
（ａ）軟骨試料１の大きさの要件：直径７．５ｍｍ以上，厚さは１．０ｍｍ以上とする。厚さが特に重要であり、１．０ｍｍ以下では吸光度が厚さに依存してしまう。
この場合、近赤外線照射プローブと軟骨試料との間の距離が１０ｍｍの場合、近赤外線照射プローブの近赤外線照射域は、直径８ｍｍの円形領域である。
【００２１】
（ｂ）近赤外線照射プローブの至適照射角度：鉛直方向に対して約１０度傾斜させる。角度が１０度より小さいと試料表面からの正反射光により測定感度が落ちる。逆に、角度が１０度より大きくなると、反射光強度が極端に低下し，測定不能となる。
【００２２】
（ｃ）近赤外線照射プローブと軟骨試料との間の距離：５〜１０ｍｍとする。吸光度はこの距離の範囲内であれば距離に依存しない。
【００２３】
〈含水量の評価指標〉：
含水量は次式（１）で定義される吸光度によって相対的に評価されるものである。吸光度の数値が大きいほど，含水量も大きい。
ここで入射光，反射光の波長は水分子中のＯＨ基による吸収スペクトル波長１４６０ｎｍと１９６０ｎｍに選ぶ。近赤外線は、８００から２５００ｎｍ（ナノメートル）の範囲の波長を持つ光であるが、１４６０ｎｍと１９６０ｎｍに、水分子（ＯＨ基）による吸収波長が存在する。すなわち，軟骨試料に水が存在すると、近赤外線の中の特定のスペクトル強度が低下する。そこで、そのスペクトル強度の低下の割合を測定すれば、軟骨試料中の水分量がわかる。
この近赤外線水分計を利用することにより、材料表面近傍の水の流動状態を観測できる。しかも材料へ与えるダメージが少ないことから、生体組織への応用に適している。
【００２４】
（２）押込み試験
次に、図３のＢに示すように、軟骨試料１に対して、押込み試験を行なう。具体的には、押込み試験装置３に設けられた、例えば直径７．５ｍｍのＳＵＳ３０４製の平面圧子により軟骨試料１に荷重を加え，圧縮変形させる。圧縮速度は０．１ｍｍ以下の準静的変形速度の範囲とする。また、一例として，設定圧力は４．５ＭＰａ，保持時間は５ｍｉｎとする。この間に軟骨から滲出してくる水を吸水材５により吸収する。吸水材５としては、Ｄｒｙ Ｃｏｔｔｏｎが最も良い結果が得られる。
【００２５】
（３）押込み荷重の除荷と吸光度の測定
次に、図３のＣに示すように、押込み荷重の除荷と吸光度の測定を行なう。前記した設定圧力４．５ＭＰａ，保持時間５ｍｉｎが経過したら，直ちに押込み試験装置３の平面圧子を取り除き軟骨試料１に対して除荷する。軟骨試料１を含水材６（例えば、Ｗｅｔｔｅｄ Ｃｏｔｔｏｎ）により包み込み，再吸水させる。そして、（１）と同じ要領にて近赤外線照射プローブを設置し，吸光度の時間変化を測定する。また，レーザー変位計４により，軟骨試料１の軸方向における変形の回復量を同時に測定する。
【００２６】
軟骨試料１について、観測時間を６０ｍｉｎ．程度とすると、水の再吸収過程を明瞭に把握できる。吸光度の時間変化を吸光度回復率として次式（２）で定義すれば，吸光度回復率を透水率の指標として用いることができる。
【００２７】
吸光度回復率 Ｒ＝ｄＡ／ｄｔ （２）
但し、 Ａ：吸光度 ｔ：時間
含水量の正確な測定のためには、軟骨の変形解析、近赤外線水分計の測定対象領域の把握、検量線（水分量と近赤外線反射強度との校正関係）の作成が必要である。また、軟骨を対象とする場合、吸水材５、含水材６共にＷｅｔｔｅｄ Ｃｏｔｔｏｎが適しているが、吸水用と含水用に独立した別個の部材を使用するのが望ましい。吸水材５、含水材６は、測定対象に応じて、各々適切ものを選択すればよい。
【００２８】
なお、上記実施例では、吸光度と軟骨の変形回復量の時間変化の測定のために、各々近赤外線水分計とレーザー変位計とを用いているが、レーザー変位計による変形量測定は補助的なものであり、レーザー変位計は省略しても差し支えない。
【００２９】
図４は、上記実施例に基づく方法でえられた測定結果に基いた、硝子軟骨（正常軟骨）と繊維軟骨の、吸光度の時間変化の関係を示す図である。図４の時間零の時点における吸光度は、押込み試験前の軟骨の吸光度（変形前の初期値）と、押込み試験による変形、圧縮に伴い所定値まで減少した軟骨の吸光度（変形後の最低値）とを示している。軟骨の繊維化が進行するにつれて、すなわち変性度が進むにつれて、最低値から初期値までの吸光度の回復がより速くなる傾向が見られる。換言すると、軟骨の変性度が進むにつれて、水分の戻りがより速くなる傾向がある。これは、繊維化が進むとコラーゲン繊維のネットワークがより粗くなり，水の移動が容易となるためであると考えられる。
【００３０】
図５は、硝子軟骨と繊維軟骨の、吸光度回復率の時間変化の関係を示す図である。これは、図４のグラフ特性から、さらに吸光度の時間変化率（以下吸光度回復率と呼ぶことにする）を求めたものである。軟骨の繊維化が進行するにつれて、換言すると変性度が大きくなるにつれて、吸光度の回復がより速くなる（水分の戻りがより速くなる）傾向が見られる。このことから，軟骨の繊維化が進行するにつれて、吸光度回復率のピークが時間的により早い時期に見られることがわかる。
【００３１】
従って、患者の軟骨の吸光度回復率のピークを、硝子軟骨（正常軟骨）の吸光度回復率のピークと比較することにより、患者の軟骨の変性の有無を客観的に評価、診断することができる。特に、「軟骨再生」に関連して、正常および変性軟骨の高精度の識別が可能となる。
【００３２】
このように、本発明の実施例によれば、押込み試験により軟骨の力学特性（剛性や硬さ）を調べると共に、これに加えて水の動態を観測すること、特に、近赤外線水分計を応用することにより、現在の肉眼所見に頼った軟骨変性あるいは再生の主観的な判定を透水率という物理的に明確な指標による客観的な評価に置き換え、軟骨再生医療への貢献が可能になる。
【００３３】
次に、図６により、本発明を適用した、臨床的治療に用いることが可能な透水率の診断装置の構成例を説明する。この診断装置は、患者の軟骨の透水率を直接的に検査して診断を行うことの出来るシステムであり、膝関節等を観察する通常の関節鏡と，近赤外線水分計を接続したもう１組の関節鏡（近赤プローブ）を備えている。なわち、この診断装置は、夫々観察光導入部１２３を有する一対の関節鏡１２０、１２２を備えている。関節鏡１２０は、観察光導入部１２３から観察光を導入して観察を行なう通常の観察用関節鏡である。もう１組の関節鏡１２２は、その観察光導入部に光ファイバー１２４が接続され、この光ファイバーの他端は近赤外線水分計２に接続されている。なお、本システムの場合、患者の体内の軟骨を直接的に加圧して検査するので， 軟骨の加圧された部分の水分は同じ軟骨内の他の部分に移動し、除荷するとまた元の部分に復帰する。よって、上記実施例で述べた吸水材や含水材は不要である。
【００３４】
図６の例は、大腿骨の膝関節にある患部（軟骨変性部）の含水量を測定する場合を示している。測定に際しては、通常の関節鏡１２０を用いた観察により患者の測定対象部位を確認し，患部に他の関節鏡１２２を所定の条件で押し付けて窪みをつけた後に離し，圧縮変形の回復に伴う水分の変化量（吸光度変化）を連続的に計測する。患者の軟骨における吸光度変化のデータから得られた吸光度回復率を、予めえられた、例えば図４、図５に示したような吸光度回復率のデータと比較することで，患者の軟骨の変性の有無や程度を診断することができる。
【００３５】
本実施例における近赤外線水分計２は、関節鏡に光ファイバーで接続されるが，これを小型化して関節鏡１２２に収納することも可能であり、これにより、低侵襲のｉｎ ｖｉｖｏの診断装置を開発できる。
【００３６】
なお、本発明は、軟骨に限らず、他の生体組織の含水量の測定、ひいては透水率の推定や変性の程度の診断にも同様に応用できる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、軟骨の変性の程度を、初期段階から正確かつ客観的に評価できる手法および検査装置を提供することができる。これにより、現在の肉眼所見に頼った軟骨変性あるいは再生の主観的な判定を透水率という物理的に明確な指標による客観的な評価に置き換えることができ、軟骨の診断及び再生医療に貢献することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例になる軟骨の透水率測定装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施例における、押込み試験前の吸光度の測定の手順を説明する図である。
【図３】近赤外線水分計による押込み試験前の吸光度測定、押込み試験及び押込み荷重の除荷と吸光度の測定の各手順をより具体的に説明する図である。
【図４】硝子軟骨（正常軟骨）と繊維軟骨の、吸光度の時間変化の関係を示す図である。
【図５】硝子軟骨と繊維軟骨の、吸光度回復率の時間変化の関係を示す図である。
【図６】本発明を適用した、膝関節等の臨床的治療に用いることが可能な含水量測定システムの構成例を説明する図である。
【符号の説明】
１…軟骨試料、２…近赤外線水分計、３…押込み試験装置、４…レーザー変位計、５…吸水材、６…含水材、１００…測定装置、１０２…試料台、１０４…コントローラ、１０６…測定用プログラム、１０８…診断プログラム、１１４…表示装置。
Claims (5)
- 軟骨の圧縮変形に伴う吸光度の時間変化を近赤外線水分計により測定し、前記吸光度の時間変化から前記軟骨の含水量の時間変化を求めることを特徴とする、近赤外線水分計を利用した軟骨の含水量の測定方法。
- 軟骨の透水率の評価方法であって、
前記軟骨の試料について、近赤外線水分計による吸光度測定を行ない、
次に，前記軟骨試料に対して所定時間だけ荷重を加え、圧縮変形の間に該軟骨試料から滲出する水を吸水材により吸収し、
所定時間経過後に除荷して前記軟骨試料を包み込んだ含水材の水を前記軟骨試料に再吸水させ、該再吸水過程における吸光度の時間変化を近赤外線水分計により測定し、
前記吸光度の時間変化から吸光度回復率を算出し、該吸光度回復率を前記軟骨試料の透水率の指標として用いることを特徴とする軟骨の透水率の評価方法。 - 軟骨の含水量の測定装置であって、
軟骨の圧縮変形に伴う吸光度の時間変化を近赤外線水分計により測定し、前記吸光度の時間変化から前記軟骨の含水量の時間変化を求めることを特徴とする、近赤外線水分計を利用した軟骨の含水量の測定装置。 - 軟骨の透水率の検査装置であって、
前記軟骨の試料について、近赤外線水分計による吸光度測定を行なう手段と、
前記軟骨試料に対して所定時間だけ荷重を加えて圧縮変形させる手段と、
前記圧縮変形の間に前記軟骨試料から滲出する水を吸収する吸水材と、
前記荷重の除荷後に、前記軟骨試料に再吸水させるための含水材と、
前記吸光度の時間変化から前記軟骨試料の吸光度回復率を求め、該吸光度回復率を透水率の指標とする演算評価手段とを備えていることを特徴とする軟骨の透水率の検査装置。 - 生体の軟骨の透水率の診断装置であって、
前記軟骨について、近赤外線水分計を用いて吸光度測定を行なう手段と、
前記軟骨に対して所定時間だけ荷重を加えて圧縮変形させる手段と、
前記軟骨に対する除荷後の前記吸光度の時間変化から前記軟骨の吸光度回復率を求め、該吸光度回復率を透水率の指標とする演算評価手段、とを備えていることを特徴とする生体の軟骨の透水率の診断装置。
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|---|---|
| WO2005015177A1 (ja) | 2005-02-17 |
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