JP2014039641A - Multi-axial force detection device and brain activity measurement apparatus - Google Patents

Multi-axial force detection device and brain activity measurement apparatus Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multi-axial force detection device capable of measuring a direction and a dimension of force generated by movement of a subject, the movement having multi-directional freedom degrees.SOLUTION: A force detection device 100 for detecting force from a subject for a movement issue during measurement of a cranium part of the subject by an MRI apparatus includes a load cell section 110 one end side of which is fixed to a stationary base 102 and that includes a holding part 104 at the other longitudinal end. The load cell section 110 includes a first parallel flat plate portion 121 that is formed of a side part of a first through-hole 120 opened penetrating through an elastic member 112; a second parallel flat plate portion 123 that is formed of a side part of a second through-hole 122 opened penetrating through the elastic member 112; and first and second gauges 130 and 132 that detects deformations of the first and second parallel flat plate portions.

Description

この発明は、多軸方向の力検出装置に関し、より特定的には、脳活動測定装置の測定中に使用可能な多軸方向の力検出装置の構成に関する。また、この発明は、このような多軸方向の力検出装置を用いた脳活動測定装置の構成に関する。   The present invention relates to a multi-axis force detection device, and more particularly to a configuration of a multi-axis force detection device that can be used during measurement by a brain activity measurement device. The present invention also relates to a configuration of a brain activity measurement device using such a multi-axis direction force detection device.

生体の脳や全身の断面を撮像する方法として、生体中の原子、特に、水素原子の原子核に対する核磁気共鳴現象を利用した核磁気共鳴イメージング(MRI : Magnetic Resonance Imaging)法が、人間の臨床画像診断等に使用されている。   As a method of imaging the cross-section of the brain and whole body of a living body, a nuclear magnetic resonance imaging (MRI) method that uses the nuclear magnetic resonance phenomenon of atoms in the living body, particularly hydrogen nuclei, is a human clinical image. It is used for diagnosis.

核磁気共鳴映像法は、それを人体に適用する場合、同様の人体内断層画像法である「X線CT」に比較して、たとえば、以下のような特徴がある。   When applied to the human body, the nuclear magnetic resonance imaging method has the following features, for example, compared to “X-ray CT” which is a similar tomographic image of the human body.

(1)水素原子の分布と、その信号緩和時間(原子の結合の強さを反映)に対応した濃度の画像が得られる。このため、組織の性質の差異に応じた濃淡を呈し、組織の違いを観察しやすい。   (1) An image having a density corresponding to the distribution of hydrogen atoms and the signal relaxation time (reflecting the strength of atomic bonding) can be obtained. For this reason, the lightness and darkness corresponding to the difference in tissue properties is exhibited, and the difference in tissue is easily observed.

(2)磁場は、骨による吸収がない。このため、骨に囲まれた部位(頭蓋内、脊髄など)を観察しやすい。   (2) The magnetic field is not absorbed by the bone. For this reason, it is easy to observe the part (intracranial, spinal cord, etc.) surrounded by bones.

(3)X線のように人体に害になるということがないので、広範囲に活用できる。   (3) Since it is not harmful to the human body like X-rays, it can be used in a wide range.

このような核磁気共鳴影像法は、人体の各細胞に最も多く含まれ、かつ最も大きな磁性を有している水素原子核(陽子)の磁気性を利用する。水素原子核の磁性を担うスピン角運動量の磁場内での運動は、古典的には、コマの歳差運動にたとえられる。   Such nuclear magnetic resonance imaging uses the magnetic properties of hydrogen nuclei (protons) that are contained most in each cell of the human body and have the greatest magnetism. The movement in the magnetic field of the spin angular momentum responsible for the magnetism of the hydrogen nucleus is classically compared to the precession of the coma.

以下、本発明の背景の説明のために、この直感的な古典的モデルで、簡単に核磁気共鳴の原理をまとめておく。   In the following, for the purpose of explaining the background of the present invention, the principle of nuclear magnetic resonance is briefly summarized with this intuitive classic model.

上述したような水素原子核のスピン角運動量の方向(コマの自転軸の方向)は、磁場のない環境では、ランダムな方向を向いているものの、静磁場を印加すると、磁力線の方向を向く。   The direction of the spin angular momentum of the hydrogen nuclei (the direction of the rotation axis of the coma) as described above is directed in a random direction in an environment without a magnetic field, but is directed in the direction of the lines of magnetic force when a static magnetic field is applied.

この状態で、さらに振動磁界を重畳すると、この振動磁界の周波数が、静磁界の強さで決まる共鳴周波数f0=γB0/2π(γ:物質に固有の係数)であると、共鳴により原子核側にエネルギーが移動し、磁化ベクトルの方向が変わる(歳差運動が大きくなる)。この状態で、振動磁界を切ると、歳差運動は、傾き角度を戻しながら、静磁界における方向に復帰していく。この過程を外部からアンテナコイルにより検知することで、NMR信号を得ることができる。   In this state, when the oscillating magnetic field is further superimposed, if the frequency of the oscillating magnetic field is a resonance frequency f0 = γB0 / 2π (γ: a coefficient specific to the substance) determined by the strength of the static magnetic field, the resonance causes The energy moves and the direction of the magnetization vector changes (precession increases). When the oscillating magnetic field is cut in this state, the precession returns to the direction in the static magnetic field while returning the tilt angle. By detecting this process from the outside with an antenna coil, an NMR signal can be obtained.

このような共鳴周波数f0は、静磁界の強度がB0(T)であるとき、水素原子では、42.6×B0(MHz)となる。   Such a resonance frequency f0 is 42.6 × B0 (MHz) for hydrogen atoms when the strength of the static magnetic field is B0 (T).

さらに、核磁気共鳴映像法では、血流量の変化に応じて、検出される信号に変化が現れることを用いて、外部刺激等に対する脳の活動部位を視覚化することも可能である。このような核磁気共鳴映像法を、特に、fMRI(functional MRI)と呼ぶ。   Furthermore, in the nuclear magnetic resonance imaging method, it is possible to visualize the active site of the brain with respect to an external stimulus or the like by using the change in the detected signal according to the change in the blood flow. Such a nuclear magnetic resonance imaging method is particularly called fMRI (functional MRI).

fMRIでは、装置としては通常のMRI装置に、さらに、fMRI計測に必要なハードおよびソフトを装備したものが使用される。   In fMRI, an ordinary MRI apparatus equipped with hardware and software necessary for fMRI measurement is used.

ここで、血流量の変化がNMR信号強度に変化をもたらすのは、血液中の酸素化および脱酸素化ヘモグロビンは磁気的な性質が異なることを利用している。酸素化ヘモグロビンは反磁性体の性質があり、周りに存在する水の水素原子の緩和時間に影響を与えないのに対し、脱酸素化ヘモグロビンは常磁性体であり、周囲の磁場を変化させる。したがって、脳が刺激を受け、局部血流が増大し、酸素化ヘモグロビンが増加すると、その変化分をMRI信号として検出する事ができる。被験者への刺激は、たとえば、視覚による刺激や聴覚による刺激、あるいは所定の課題(タスク)の実行等が用いられる(たとえば、特許文献1)。   Here, the change in blood flow brings about a change in the NMR signal intensity utilizing the fact that oxygenated and deoxygenated hemoglobin in blood has different magnetic properties. Oxygenated hemoglobin has a diamagnetic property and does not affect the relaxation time of hydrogen atoms present in the surrounding area, whereas deoxygenated hemoglobin is a paramagnetic material and changes the surrounding magnetic field. Therefore, when the brain is stimulated, local blood flow increases, and oxygenated hemoglobin increases, the change can be detected as an MRI signal. For the stimulation to the subject, for example, visual stimulation, auditory stimulation, or execution of a predetermined task (task) is used (for example, Patent Document 1).

ここで、脳機能研究においては、微少整脈や毛細血管における赤血球中の脱酸素化ヘモグロビンの濃度が減少する現象(BOLD効果)に対応した水素原子の核磁気共鳴信号(MRI信号)の上昇を測定することによって脳の活動の測定が行われている。   Here, in brain function research, the increase of nuclear magnetic resonance signal (MRI signal) of hydrogen atoms corresponding to the phenomenon (BOLD effect) in which the concentration of deoxygenated hemoglobin in erythrocytes in microarrhythmias and capillaries decreases. The brain activity is measured by measuring.

特に、人の運動機能に関する研究では、被験者に何らかの運動を行わせつつ、上記磁気共鳴イメージング装置によって脳の活動を測定することが行われている。上記被験者が行う動作としては、物体の把持運動等が考えられ、把持力検出装置の検出部を被験者が把持することにより、この把持力検出装置に作用する力を検出しつつ、被験者が上記把持運動を行う際の脳活動を上記磁気共鳴イメージング装置により測定する。   In particular, in research on human motor functions, brain activity is measured by the magnetic resonance imaging apparatus while causing a subject to perform some kind of exercise. As the operation performed by the subject, an object gripping motion or the like is conceivable. When the subject grips the detection unit of the gripping force detection device, the subject detects the force acting on the gripping force detection device, and the subject grips the gripping motion. Brain activity during exercise is measured by the magnetic resonance imaging apparatus.

ただし、このような把持力検出装置では、一般には、歪ゲージなど磁性を有する金属材が使用されているため、これを上記磁気共鳴イメージング装置内に持ち込むと、種々の弊害が発生するという問題がある。このため、このような金属材料を使用しない力検出装置が提案されている(たとえば、特許文献2を参照)。もっとも、この特許文献2に開示された力検出装置では、主として1軸方向の運動が想定されている結果、2軸方向以上の自由度の運動で生じる力の大きさと方向を正確に評価することは困難である、という問題がある。   However, since such a gripping force detection device generally uses a magnetic metal material such as a strain gauge, there are problems that various adverse effects occur when it is brought into the magnetic resonance imaging device. is there. For this reason, the force detection apparatus which does not use such a metal material is proposed (for example, refer patent document 2). However, in the force detection device disclosed in Patent Document 2, it is possible to accurately evaluate the magnitude and direction of the force generated by the motion with two or more degrees of freedom mainly as a result of assuming the motion in one axis direction. There is a problem that is difficult.

一方で、四肢の運動に対して脳がどのように活動しているかについて、すでにいくつかの研究がある。   On the other hand, there are already some studies on how the brain is acting on limb movements.

たとえば、運動関連領野の神経表現は主にサルを用いた電気生理実験で明らかにされてきた(たとえば、非特許文献1を参照)。このようなサルについての研究から一次運動野は筋座標系で身体運動を表現しているという知見が得られている。   For example, the neural expression of the movement-related areas has been clarified mainly by electrophysiological experiments using monkeys (see, for example, Non-Patent Document 1). From such studies on monkeys, it has been found that the primary motor area expresses body movements in the muscle coordinate system.

しかし、サルの研究では、脳への侵襲的な計測を用いており、一度に計測できる箇所が限られているため、運動に関わる脳部位全てについては明らかになっていない。   However, in monkey research, invasive measurement of the brain is used, and the number of parts that can be measured at one time is limited.

このため、ヒトが手足を動かす際に脳がどのような座標系(頭部中心、筋、関節など)で四肢の運動の情報を表現しているかは明らかになっていない、というのが現状である。   For this reason, it is not clear what kind of coordinate system (head center, muscle, joint, etc.) the limb movement information is expressed when a human moves limbs. is there.

ところで、ヒトの場合、非侵襲的な脳活動の計測が必要であり、この場合、fMRIデータから、より詳細な情報を抽出できるデコーディング技術が発達してきている(たとえば、非特許文献2を参照)。   By the way, in the case of humans, it is necessary to measure brain activity non-invasively. In this case, a decoding technique capable of extracting more detailed information from fMRI data has been developed (for example, see Non-Patent Document 2). ).

特開2011−000184号公報明細書Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-000184 特開2003−284699号公報明細書Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-284699

Kakei S, Hoffman DS, Strick PL, Muscles and movement representations in the primary motor cortex. Science 285:2136-2139(1999)Kakei S, Hoffman DS, Strick PL, Muscles and movement representations in the primary motor cortex.Science 285: 2136-2139 (1999) Kamitani Y, Tong F. Decoding the visual and subjective contents of the human brain. Nat Neurosci. 2005; 8: 679-85.Kamitani Y, Tong F. Decoding the visual and subjective contents of the human brain. Nat Neurosci. 2005; 8: 679-85.

MRI装置のような脳活動計測装置により、人体、特に脳の活動を測定するような装置において、脳がどのような座標系(頭部中心、筋、関節など)で四肢の運動の情報を表現しているかを調べるには、四肢が多軸方向に運動する際の脳活動の計測を可能とすることが必要となる。言い換えると、人間の四肢の運動により生じる力および方向を、より高い自由度で測定できることが必要となる。   The brain activity measurement device such as an MRI device expresses limb movement information in any coordinate system (head center, muscle, joint, etc.) of the brain in a device that measures the activity of the human body, especially the brain. In order to investigate whether or not the limbs move in multiple axes, it is necessary to be able to measure brain activity. In other words, it is necessary to be able to measure the force and direction generated by the movement of the human limb with a higher degree of freedom.

特に、脳活動計測装置が磁場計測により、脳活動を計測する装置である場合、さらに、力検出装置は、このような磁場計測に干渉を与えないことも必要になる。   In particular, when the brain activity measurement device is a device that measures brain activity by magnetic field measurement, the force detection device is also required not to interfere with such magnetic field measurement.

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、被験者の多軸方向の自由度をもつ運動により生じる力の方向と大きさを計測することが可能な多軸方向の力検出装置を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to measure the direction and magnitude of a force generated by a motion of a subject having multiple degrees of freedom. It is to provide a possible multi-axial force detection device.

この発明の他の目的は、磁場計測により脳活動を計測するような装置において、被験者の運動における力とその方向を検出する際に、磁場計測に干渉を与えることがない力検出装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a force detection device that does not interfere with magnetic field measurement when detecting force and direction in the motion of a subject in a device that measures brain activity by magnetic field measurement. That is.

この発明のさらに他の目的は、力の方向と大きさを計測することが可能な多軸方向の力検出装置を用いて被験者が課題を実行している状態で、磁気計測により被験者の脳活動を計測することが可能な脳活動測定装置を提供することである。   Still another object of the present invention is to provide a brain activity of a subject by magnetic measurement in a state where the subject is performing a task using a multi-axis direction force detection device capable of measuring the direction and magnitude of the force. It is providing the brain activity measuring apparatus which can measure this.

この発明の1つの局面に従うと、脳活動測定装置における被験者の頭蓋部分の測定中に、被験者に与えられる運動課題について被験者からの力の検出を行うための多軸方向の力検出装置であって、固定台と、被験者により力を受ける作用部と、固定台に対して一端側が固定され、長手方向の他端に作用部が設けられるロードセル部とを備え、ロードセル部は、長手方向に延在する弾性部材と、長手方向に直交する第1の方向に弾性部材を貫通して開口する第1の貫通孔の側面部分により形成される第1の平行平板部分と、第1の方向に直交する第2の方向に弾性部材を貫通して開口する第2の貫通孔の側面部分により形成される第2の平行平板部分と、第1の平行平板部分の変形量を検知するための第1のゲージと、第2の平行平板部分の変形量を検知するための第2のゲージとを含む。   According to one aspect of the present invention, there is provided a multi-axial force detection device for detecting a force from a subject with respect to an exercise task given to the subject during measurement of the skull portion of the subject in the brain activity measurement device. A fixed base, an action part that receives a force from the subject, and a load cell part that is fixed at one end to the fixed base and has an action part at the other end in the longitudinal direction, the load cell part extending in the longitudinal direction. And a first parallel plate portion formed by a side surface portion of a first through hole that penetrates and opens the elastic member in a first direction orthogonal to the longitudinal direction, and is orthogonal to the first direction. A second parallel flat plate portion formed by a side surface portion of the second through hole that opens through the elastic member in the second direction, and a first for detecting the deformation amount of the first parallel flat plate portion. Change of gauge and second parallel plate part And a second gauge for detecting the amount.

好ましくは、脳活動測定装置は、核磁気共鳴イメージング装置であって、固定台、作用部、ロードセル部は、非磁性の材料により形成されている。   Preferably, the brain activity measuring apparatus is a nuclear magnetic resonance imaging apparatus, and the fixed base, the action part, and the load cell part are formed of a nonmagnetic material.

好ましくは、作用部は、被験者が印加する力を受ける面を有し、ロードセル部から着脱可能であり、面の方向は、作用部の脱着により、水平方向と鉛直方向とのいずれかに変更可能であり、固定台は、ロードセル部が固定される側に、弾性部材を挿入可能な孔が設けられ、ロードセル部は、弾性部材が孔に挿入されることにより、固定台に固定される。   Preferably, the action part has a surface that receives the force applied by the subject and is detachable from the load cell part, and the direction of the surface can be changed to either the horizontal direction or the vertical direction by detaching the action part. The fixing base is provided with a hole into which the elastic member can be inserted on the side where the load cell part is fixed, and the load cell part is fixed to the fixing base by inserting the elastic member into the hole.

好ましくは、孔は、複数設けられており、複数の孔のうちの所定の孔に弾性部材が挿入されて固定されている状態で、複数の孔のうちの他の孔に挿入される校正用部材をさらに備え、校正用部材は、校正用部材より回動自在に支持される滑車を含み、校正時において、作用部から滑車を介して紐部材により所定の重量の錘を吊り下げることで校正を実行する。   Preferably, a plurality of holes are provided, and the calibration member is inserted into another of the plurality of holes in a state where the elastic member is inserted and fixed in a predetermined hole of the plurality of holes. The calibration member further includes a pulley that is rotatably supported by the calibration member, and calibrates by suspending a weight of a predetermined weight by a string member from the action unit via the pulley during calibration. Execute.

好ましくは、第1および第2のゲージの各々は、光ファイバからの光を第1のレンズ経由で所定角度で平行平板に照射し、反射光を第2のレンズ経由で受光し、反射光の受光状態の変化により、平行平板の変形量を検出する。   Preferably, each of the first and second gauges irradiates light from the optical fiber onto the parallel plate at a predetermined angle via the first lens, receives the reflected light via the second lens, and reflects the reflected light. The amount of deformation of the parallel plate is detected from the change in the light receiving state.

好ましくは、弾性部材は、固定台に固定される第1の弾性部を含み、第1の弾性部は、固定台にそれぞれの一端が固定される1組の脚部材と、1組の脚部をつなぐ支持部材と有し、支持部材の中央部から突出し、長手方向の他端に作用部が設けられる第2の弾性部をさらに含み、第1および第2の平行平板部分は、第2の弾性部に形成されており、ロードセル部は、支持部材の中央部を挟む両側に開口する第3および第4の貫通孔により、第1の方向および第2の方向のいずれとも直交する第3の方向への支持部材の変形を検出するための第3および第4の平行平板部分と、第3および第4の平行平板部分の変形量をそれぞれ検知するための第3および第4のゲージとをさらに含む。   Preferably, the elastic member includes a first elastic part fixed to the fixing base, and the first elastic part includes a pair of leg members each having one end fixed to the fixing base and a pair of leg parts. And a second elastic part that protrudes from the central part of the support member and that has an action part at the other end in the longitudinal direction. The first and second parallel flat plate portions are The load cell portion is formed in the elastic portion, and the third and fourth through-holes opened on both sides sandwiching the central portion of the support member are connected to the third direction orthogonal to both the first direction and the second direction. Third and fourth parallel plate portions for detecting the deformation of the support member in the direction, and third and fourth gauges for detecting the deformation amounts of the third and fourth parallel plate portions, respectively. In addition.

この発明の他の局面に従うと、脳活動測定装置であって、被験者の関節の1つを少なくとも所定の2次元面内の方向にアイソメトリックに運動させる運動課題において運動方向の指示を表示するための表示装置と、被験者の脳活動を非侵襲的に計測し、活性となっている脳領域を特定するための脳活動測定装置と、脳活動測定装置における被験者の頭蓋部分の測定中に運動課題を実施する際に、被験者により加えられる力の大きさと力の方向を検出するための多軸方向の力検出装置と、多軸方向力検出装置により検出された運動時の力の軌跡と、運動中の脳活動情報とを関連付けて記憶するための記憶装置とを備え、表示装置は、運動課題の実行中において、運動時の力の軌跡を被験者に提示する。   According to another aspect of the present invention, there is provided a brain activity measuring device for displaying an instruction of a movement direction in a movement task for moving one of a subject's joints isometrically in a direction in at least a predetermined two-dimensional plane. A display device, a brain activity measuring device for non-invasively measuring the brain activity of the subject and identifying an active brain region, and a motor task during measurement of the skull of the subject in the brain activity measuring device A multi-axis force detection device for detecting the magnitude and direction of the force applied by the subject, a force trajectory during movement detected by the multi-axis direction force detection device, And a storage device for storing the brain activity information in association with each other, and the display device presents the trajectory of the force during exercise to the subject during the exercise task.

好ましくは、力検出装置は、固定台と、被験者により力を受ける作用部と、固定台に対して一端側が固定され、長手方向の他端に作用部が設けられるロードセル部とを備え、ロードセル部は、長手方向に延在する弾性部材と、長手方向に直交する第1の方向に弾性部材を貫通して開口する第1の貫通孔の側面部分により形成される第1の平行平板部分と、第1の方向に直交する第2の方向に弾性部材を貫通して開口する第2の貫通孔の側面部分により形成される第2の平行平板部分と、第1の平行平板部分の変形量を検知するための第1のゲージと、第2の平行平板部分の変形量を検知するための第2のゲージとを含む。   Preferably, the force detection device includes a fixed base, an action portion that receives a force by the subject, and a load cell portion that is fixed at one end to the fixed stand and has an action portion at the other end in the longitudinal direction. Is a first parallel flat plate portion formed by an elastic member extending in the longitudinal direction and a side surface portion of a first through hole that opens through the elastic member in a first direction orthogonal to the longitudinal direction; The amount of deformation of the second parallel plate portion formed by the side surface portion of the second through hole that penetrates and opens the elastic member in the second direction orthogonal to the first direction, and the amount of deformation of the first parallel plate portion A first gauge for detection and a second gauge for detecting the deformation amount of the second parallel plate portion are included.

好ましくは、脳活動測定装置は、核磁気共鳴イメージング装置であって、固定台、作用部、ロードセル部は、非磁性の材料により形成されている。   Preferably, the brain activity measuring apparatus is a nuclear magnetic resonance imaging apparatus, and the fixed base, the action part, and the load cell part are formed of a nonmagnetic material.

好ましくは、弾性部材は、矩形の断面形状を有し、作用部は、被験者が印加する力を受ける面を有し、固定台は、ロードセル部が固定される側に、被験者から面が力を受ける方向が第1の方向に沿う方向および第2の方向に沿う方向のいずれの場合でも弾性部材を挿入可能な孔が設けられ、ロードセル部は、弾性部材が孔に挿入されることにより、固定台に固定される。   Preferably, the elastic member has a rectangular cross-sectional shape, the action portion has a surface that receives a force applied by the subject, and the fixing base has a force from the subject on the side on which the load cell portion is fixed. A hole into which the elastic member can be inserted is provided regardless of whether the receiving direction is the direction along the first direction or the direction along the second direction, and the load cell portion is fixed by inserting the elastic member into the hole. Fixed to the base.

この発明の力検出装置によれば、ロードセルで、把持部に印加される力について多軸方向に力の方向と大きさとを検知できる。   According to the force detection device of the present invention, the load cell can detect the direction and magnitude of the force applied to the grip portion in the multiaxial direction.

また、この発明によれば、磁場計測により脳活動を計測するような装置において、被験者の運動における力とその方向を検出する際に、磁場計測に干渉を与えることがない。   Further, according to the present invention, in an apparatus for measuring brain activity by magnetic field measurement, interference is not given to magnetic field measurement when detecting force and direction of the subject's movement.

あるいは、この発明の脳活動測定装置によれば、多軸方向の力検出装置を用いて被験者が課題を実行している状態で、磁気計測により被験者の脳活動を計測するので、被験者の運動による脳活動をその場で観測することができる。   Alternatively, according to the brain activity measuring device of the present invention, the subject's brain activity is measured by magnetic measurement in a state where the subject is performing the task using the multi-axis direction force detection device. Brain activity can be observed on the spot.

MRI装置10の全体構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an MRI apparatus 10. MRI装置10の外部構成を示す外観図である。1 is an external view showing an external configuration of an MRI apparatus 10. 実施の形態1の2軸方向の力検出装置100の構成の外観図である。1 is an external view of a configuration of a biaxial force detection device 100 according to a first embodiment. 第2の貫通孔122と第2のゲージ132とを含む部分の拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view of a portion including a second through hole 122 and a second gauge 132. 平行平板形力量計において、ひずみの生じ方を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating how a distortion | strain arises in a parallel plate type dynamometer. キャリブレーションに使用する治具200の外観を示す図である。It is a figure which shows the external appearance of the jig | tool 200 used for a calibration. 治具200を用いたキャリブレーションを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calibration using the jig | tool 200. FIG. 被験者2に力検出装置100を用いて課題を実行させて、脳活動を計測する際の原理を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the principle at the time of making the test subject 2 perform a subject using the force detection apparatus 100, and measuring brain activity. 被験者2の行う課題の時間経過を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the time passage of the subject which the test subject 2 performs. fMRIにより計測された脳活動部位と、一次運動野についての座標系の検出結果を示す図である。It is a figure which shows the detection result of the coordinate system about the brain activity site | part measured by fMRI, and a primary motor area. 実施の形態2の3軸方向の力検出装置300の構成の外観図である。6 is an external view of a configuration of a triaxial force detection device 300 according to Embodiment 2. FIG.

以下、本発明の実施の形態の多軸方向の力検出装置の構成について、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。
[実施の形態1]
以下では、被験者の脳活動を計測する装置として、MRI装置を例にとって説明する。ただし、本実施の形態の多軸方向の力検出装置は、MRI装置による脳活動計測だけではなく、他の装置による脳活動計測にも使用することが可能である。特に、多軸方向の力検出装置が、非磁性材料で形成されている場合には、磁場測定により脳活動を計測するような装置において、被験者の運動の力の大きさと方向を検知することに好適である。
Hereinafter, the configuration of a multi-axis force detection device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, components and processing steps given the same reference numerals are the same or equivalent, and the description thereof will not be repeated unless necessary.
[Embodiment 1]
Hereinafter, an MRI apparatus will be described as an example of an apparatus for measuring the brain activity of a subject. However, the multi-axis direction force detection apparatus according to the present embodiment can be used not only for brain activity measurement by the MRI apparatus but also for brain activity measurement by another apparatus. In particular, when the multi-axis direction force detection device is formed of a non-magnetic material, in a device that measures brain activity by magnetic field measurement, the magnitude and direction of the subject's movement force is detected. Is preferred.

図1は、MRI装置10の全体構成を示す模式図である。   FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of the MRI apparatus 10.

図1に示すように、MRI装置10は、被検者2の関心領域に制御された磁場を付与してRF波を照射する磁場印加機構11と、この被検者2からの応答波(NMR信号)を受信してアナログ信号を出力する受信コイル20と、この被検者2に付与される磁場を制御するとともにRF波の送受信を制御する駆動部21と、この駆動部21の制御シーケンスを設定するとともに各種データ信号を処理して画像を生成するデータ処理部32とを備える。   As shown in FIG. 1, the MRI apparatus 10 includes a magnetic field application mechanism 11 that applies a controlled magnetic field to a region of interest of the subject 2 and irradiates an RF wave, and a response wave (NMR) from the subject 2. Signal) and output an analog signal, a drive unit 21 that controls the magnetic field applied to the subject 2 and controls transmission and reception of RF waves, and a control sequence of the drive unit 21. And a data processing unit 32 configured to set and process various data signals to generate an image.

なお、ここで、被検者2が載置される円筒形状のボアの中心軸をZ軸にとりZ軸と直交する水平方向にX軸及び鉛直方向にY軸を定義する。   Here, the central axis of the cylindrical bore on which the subject 2 is placed is taken as the Z axis, and the X axis in the horizontal direction perpendicular to the Z axis and the Y axis in the vertical direction are defined.

MRI装置10は、このような構成であるので、磁場印加機構11により印加される静磁場により、被検者2を構成する原子核の核スピンは、磁場方向(Z軸)に配向するとともに、この原子核に固有のラーモア周波数でこの磁場方向を軸とする歳差運動を行う。   Since the MRI apparatus 10 has such a configuration, the nuclear spin of the nuclei constituting the subject 2 is oriented in the magnetic field direction (Z-axis) by the static magnetic field applied by the magnetic field applying mechanism 11, and this Precession is performed around this magnetic field direction at the Larmor frequency specific to the nucleus.

そして、このラーモア周波数と同じRFパルスを照射すると、原子は共鳴しエネルギーを吸収して励起され、核磁気共鳴現象(NMR現象;Nuclear Magnetic Resonance)が生じる。この共鳴の後に、RFパルス照射を停止すると、原子はエネルギーを放出して元の定常状態に戻る緩和過程で、ラーモア周波数と同じ周波数の電磁波(NMR信号)を出力する。   When an RF pulse having the same frequency as that of the Larmor frequency is irradiated, the atoms resonate and absorb energy to be excited, and a nuclear magnetic resonance phenomenon (NMR phenomenon; Nuclear Magnetic Resonance) occurs. When the RF pulse irradiation is stopped after this resonance, the atoms emit an electromagnetic wave (NMR signal) having the same frequency as the Larmor frequency in a relaxation process in which energy is released and returns to the original steady state.

この出力されたNMR信号を被検者2からの応答波として受信コイル20で受信し、データ処理部32において、被検者2の関心領域が画像化される。   The output NMR signal is received by the receiving coil 20 as a response wave from the subject 2, and the region of interest of the subject 2 is imaged in the data processing unit 32.

磁場印加機構11は、静磁場発生コイル12と、傾斜磁場発生コイル14と、RF照射部16と、被検者2をボア中に載置する寝台18とを備える。   The magnetic field application mechanism 11 includes a static magnetic field generation coil 12, a gradient magnetic field generation coil 14, an RF irradiation unit 16, and a bed 18 for placing the subject 2 in the bore.

被験者2の脇には、寝台18に固定された多軸方向の力検出装置(以下、単に「力検出装置」と呼ぶ)100が設けられる。被験者2は、特に限定されないが、たとえば、プリズムメガネ4により、Z軸に対して垂直に設置されたディスプレイ6に表示される画面を見ることができる。このディスプレイ6の画像により、被験者2に視覚刺激が与えられる。   Next to the subject 2, a multi-axis force detection device (hereinafter simply referred to as “force detection device”) 100 fixed to the bed 18 is provided. Although the subject 2 is not particularly limited, for example, the prism glasses 4 can see the screen displayed on the display 6 installed perpendicular to the Z axis. A visual stimulus is given to the subject 2 by the image on the display 6.

なお、被験者2への視覚刺激は、被験者2の目前にプロジェクタにより画像が投影される構成であってもよい。   Note that the visual stimulus to the subject 2 may be configured such that an image is projected by a projector in front of the subject 2.

駆動部21は、静磁場電源22と、傾斜磁場電源24と、信号送信部26と、信号受信部28と、寝台18をZ軸方向の任意位置に移動させる寝台駆動部30と、力検出装置100を制御し、力の検知を実行するセンサコントローラ部50とを備える。   The drive unit 21 includes a static magnetic field power source 22, a gradient magnetic field power source 24, a signal transmission unit 26, a signal reception unit 28, a bed driving unit 30 that moves the bed 18 to an arbitrary position in the Z-axis direction, and a force detection device. And a sensor controller 50 that controls 100 and detects force.

データ処理部32は、操作者(図示略)から各種操作や情報入力を受け付ける入力部40と、被検者2の関心領域に関する各種画像及び各種情報を画面表示する表示部38と、各種処理を実行させるプログラム・制御パラメータ・画像データ(三次元モデル像等)及びその他の電子データを記憶する記憶部36と、駆動部21を駆動させる制御シーケンスを発生させるなどの各機能部の動作を制御する制御部42と、駆動部21との間で各種信号の送受信を実行するインタフェース部44と、関心領域に由来する一群のNMR信号からなるデータを収集するデータ収集部46と、このNMR信号のデータに基づいて画像を形成する画像処理部48とを備える。   The data processing unit 32 receives various operations and information input from an operator (not shown), a display unit 38 that displays various images and various information related to the region of interest of the subject 2, and various processes. Controls the operation of each functional unit such as a storage unit 36 for storing programs to be executed, control parameters, image data (three-dimensional model image, etc.) and other electronic data, and generating a control sequence for driving the drive unit 21. An interface unit 44 that executes transmission and reception of various signals between the control unit 42 and the drive unit 21, a data collection unit 46 that collects data including a group of NMR signals derived from the region of interest, and data of the NMR signals And an image processing unit 48 for forming an image based on the above.

また、データ処理部32は、専用コンピュータである場合の他、各機能部を動作させる機能を実行する汎用コンピュータであって、記憶部36にインストールされたプログラムに基づいて、指定された演算やデータ処理や制御シーケンスの発生をさせるものである場合も含まれる。   The data processing unit 32 is a general-purpose computer that executes a function for operating each functional unit, in addition to the case of being a dedicated computer, and based on a program installed in the storage unit 36, a specified calculation or data This includes cases where processing and control sequences are generated.

静磁場発生コイル12は、Z軸周りに巻回される螺旋コイルに静磁場電源22から供給される電流を流して誘導磁場を発生させ、ボアにZ軸方向の静磁場を発生させるものである。このボアに形成される静磁場の均一性の高い領域に被検者2の関心領域を設定することになる。ここで、静磁場コイル12は、より詳しくは、たとえば、4個の空芯コイルから構成され、その組み合わせで内部に均一な磁界を作り、被験者2の体内の所定の原子核、より特定的には水素原子核のスピンに配向性を与える。   The static magnetic field generating coil 12 generates an induction magnetic field by causing a current supplied from a static magnetic field power supply 22 to flow through a spiral coil wound around the Z axis, and generates a static magnetic field in the Z axis direction in the bore. . The region of interest of the subject 2 is set in a region where the static magnetic field formed in the bore is highly uniform. Here, more specifically, the static magnetic field coil 12 is composed of, for example, four air-core coils, and a combination thereof creates a uniform magnetic field inside the predetermined magnetic nucleus in the body of the subject 2, more specifically, Gives orientation to the spin of hydrogen nuclei.

傾斜磁場発生コイル14は、Xコイル、Yコイル及びZコイル(図示省略)から構成され、円筒形状を示す静磁場発生コイル12の内周面に設けられる。
これらXコイル、Yコイル及びZコイルは、それぞれX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向を順番に切り替えながら、ボア内の均一磁場に対し傾斜磁場を重畳させ、静磁場に強度勾配を付与する。Zコイルは励起時に、磁界強度をZ方向に傾斜させて共鳴面を限定し、Yコイルは、Z方向の磁界印加の直後に短時間の傾斜を加えて検出信号にY座標に比例した位相変調を加え(位相エンコーディング)、Xコイルは、続いてデータ採取時に傾斜を加えて、検出信号にX座標に比例した周波数変調を与える(周波数エンコーディング)。
The gradient magnetic field generating coil 14 includes an X coil, a Y coil, and a Z coil (not shown), and is provided on the inner peripheral surface of the static magnetic field generating coil 12 having a cylindrical shape.
These X coil, Y coil, and Z coil superimpose a gradient magnetic field on the uniform magnetic field in the bore while sequentially switching the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction, and give an intensity gradient to the static magnetic field. . During excitation, the Z coil limits the resonance surface by inclining the magnetic field strength in the Z direction, and the Y coil adds a short time immediately after applying the magnetic field in the Z direction to phase-modulate the detection signal in proportion to the Y coordinate. Is added (phase encoding), and the X coil subsequently applies a gradient when data is acquired to give the detected signal a frequency modulation proportional to the X coordinate (frequency encoding).

この重畳される傾斜磁場の切り替えは、制御シーケンスに従って、Xコイル、Yコイル及びZコイルにそれぞれ異なるパルス信号が送信部24から出力されることにより実現される。これにより、NMR現象が発現する被検者2の位置を特定することができ、被検者2の画像を形成するのに必要な三次元座標上の位置情報が与えられる。   Switching of the superimposed gradient magnetic field is realized by outputting different pulse signals from the transmitter 24 to the X coil, the Y coil, and the Z coil in accordance with the control sequence. Thereby, the position of the subject 2 where the NMR phenomenon appears can be specified, and position information on three-dimensional coordinates necessary for forming the image of the subject 2 is given.

RF照射部16は、制御シーケンスに従って信号送信部33から送信される高周波信号に基づいて、被検者2の関心領域にRF(Radio Frequency)パルスを照射するものである。
なお、RF照射部16は、図1において、磁場印加機構11に内蔵されているが、寝台18に設けられたり、あるいは、受信コイル20と一体化されていてもよい。
The RF irradiation unit 16 irradiates the region of interest of the subject 2 with an RF (Radio Frequency) pulse based on the high-frequency signal transmitted from the signal transmission unit 33 according to the control sequence.
The RF irradiation unit 16 is built in the magnetic field application mechanism 11 in FIG. 1, but may be provided on the bed 18 or integrated with the receiving coil 20.

受信コイル20は、被検者2からの応答波(NMR信号)を検出するものであって、このNMR信号を高感度で検出するために、被検者2に近接して配置されている。
ここで、受信コイル20には、NMR信号の電磁波がそのコイル素線を切ると電磁誘導に基づき微弱電流が生じる。この微弱電流は、信号受信部28において増幅され、さらにアナログ信号からデジタル信号に変換されデータ処理部32に送られる。
The receiving coil 20 detects a response wave (NMR signal) from the subject 2 and is disposed close to the subject 2 in order to detect the NMR signal with high sensitivity.
Here, when the electromagnetic wave of the NMR signal cuts the coil wire in the receiving coil 20, a weak current is generated based on the electromagnetic induction. The weak current is amplified by the signal receiving unit 28, further converted from an analog signal to a digital signal, and sent to the data processing unit 32.

すなわち、静磁界にZ軸傾斜磁界を加えた状態にある被験者2に、共鳴周波数の高周波電磁界を、RF照射部16を通じて印加すると、磁界の強さが共鳴条件になっている部分の所定の原子核、たとえば、水素原子核が、選択的に励起されて共鳴し始める。共鳴条件に合致した部分(たとえば、被験者2の所定の厚さの断層)にある所定の原子核が励起され、スピンがいっせいに回転する。励起パルスを止めると、受信コイル20には、今度は、回転しているスピンが放射する電磁波が信号を誘起し、しばらくの間、この信号が検出される。この信号によって、被験者2の体内の、所定の原子を含んだ組織を観察する。そして、信号の発信位置を知るために、XとYの傾斜磁界を加えて信号を検知する、という構成になっている。   That is, when a high-frequency electromagnetic field having a resonance frequency is applied to the subject 2 in a state where a Z-axis gradient magnetic field is added to the static magnetic field through the RF irradiating unit 16, a predetermined portion of the portion where the magnetic field strength is in the resonance condition is applied. Nuclei, such as hydrogen nuclei, are selectively excited and begin to resonate. Predetermined nuclei in a portion that matches the resonance condition (for example, a tomography having a predetermined thickness of the subject 2) are excited, and spins rotate together. When the excitation pulse is stopped, the electromagnetic wave emitted by the rotating spin is induced in the receiving coil 20 this time, and this signal is detected for a while. By this signal, a tissue containing a predetermined atom in the body of the subject 2 is observed. And in order to know the transmission position of a signal, it is the structure of adding a gradient magnetic field of X and Y, and detecting a signal.

画像処理部48は、記憶部36に構築されているデータに基づき、励起信号を繰り返し与えつつ検出信号を測定し、1回目のフーリエ変換計算により、共鳴の周波数をX座標に還元し、2回目のフーリエ変換でY座標を復元して画像を得て、表示部38に対応する画像を表示する。   The image processing unit 48 measures the detection signal while repeatedly applying the excitation signal based on the data constructed in the storage unit 36, and reduces the resonance frequency to the X coordinate by the first Fourier transform calculation. The Y coordinate is restored by Fourier transformation to obtain an image, and an image corresponding to the display unit 38 is displayed.

図2は、MRI装置10の外部構成を示す外観図である。   FIG. 2 is an external view showing an external configuration of the MRI apparatus 10.

図2においては、寝台18に、力検出装置100が固定されている。このように力検出装置100を固定する方法としては、特に限定されないが、たとえば、寝台18の被験者2が仰臥する面上に樹脂製の板を固定し、この板に力検出装置100を非磁性の樹脂製のボルトナットなどの固定具により固定するという方法をとることが可能である。   In FIG. 2, the force detection device 100 is fixed to the bed 18. The method of fixing the force detection device 100 in this way is not particularly limited. For example, a resin plate is fixed on the surface of the bed 18 on which the subject 2 lies, and the force detection device 100 is non-magnetic on the plate. It is possible to take a method of fixing by a fixing tool such as a resin bolt and nut.

また、図中においては、力検出装置100は、寝台18において被験者2の右手側に固定されているが、この構成に限定されるものではなく、寝台18において被験者2の左手側に固定されていてもよい。   In the drawing, the force detection device 100 is fixed to the right hand side of the subject 2 in the bed 18, but is not limited to this configuration, and is fixed to the left hand side of the subject 2 in the bed 18. May be.

(2軸の力検出装置100の構成)
以下では、実施の形態1として、2軸方向の力の検出が可能な力検出装置100の構成について説明する。
(Configuration of the biaxial force detection device 100)
Hereinafter, as the first embodiment, a configuration of a force detection device 100 capable of detecting a force in two axial directions will be described.

図3は、このような2軸方向の力検出装置100の構成の外観図である。   FIG. 3 is an external view of the configuration of such a biaxial force detection device 100.

被験者2は、後に詳しく説明するように、fMRIにより頭蓋部分の測定をして脳活動を検出する際に、図3中のX−Y平面内の所定方向へ手首を動かすとの課題を、ディスプレイ6の表示により指示される。力検出装置100は、指示された方向へ被験者2が片方の手首を動かす際に、被験者2により加えられる力の大きさと力の方向を検出する。   As described in detail later, the subject 2 displays the problem of moving the wrist in a predetermined direction in the XY plane in FIG. 3 when the brain activity is detected by measuring the skull portion by fMRI. 6 is instructed. The force detection device 100 detects the magnitude and direction of the force applied by the subject 2 when the subject 2 moves one wrist in the indicated direction.

力検出装置100は、固定台102と、被験者2が把持する把持部104と、固定台102に一端が固定され、長手方向であるZ方向の他端に把持部104が設けられるロードセル部110とを備える。   The force detection device 100 includes a fixed base 102, a grip portion 104 that the subject 2 grips, and a load cell portion 110 that is fixed at one end to the fixed base 102 and has the grip portion 104 at the other end in the Z direction, which is the longitudinal direction. Is provided.

ロードセル部110は、矩形の断面形状を有し、長手方向に延びる弾性部材112と、長手方向に直交するX方向に弾性部材112を貫通して開口する第1の貫通孔120の側面部分により形成される第1の平行平板部分121と、Y方向に弾性部材112を貫通して開口する第2の貫通孔122の側面部分により形成される第2の平行平板部分123と、第1の平行平板部分121の変形量を検知するための第1のゲージ130と、第2の平行平板部分123の変形量を検知するための第2のゲージ132とを含む。   The load cell portion 110 has a rectangular cross-sectional shape, and is formed by an elastic member 112 extending in the longitudinal direction and a side portion of the first through hole 120 that opens through the elastic member 112 in the X direction orthogonal to the longitudinal direction. The first parallel flat plate portion 121, the second parallel flat plate portion 123 formed by the side surface portion of the second through hole 122 that opens through the elastic member 112 in the Y direction, and the first parallel flat plate A first gauge 130 for detecting the deformation amount of the portion 121 and a second gauge 132 for detecting the deformation amount of the second parallel flat plate portion 123 are included.

なお、固定台102、弾性部材112および把持部104の材質としては、所定の剛性を有する弾性材料を使用することができ、特に限定されないが、非磁性の材料として、いわゆる「エンジニアリングプラスチック」などの樹脂を用いることが可能である。このようなエンジニアリングプラスチックとしては、より具体的には、たとえば、ポリアセタール樹脂を用いることができる。あるいは、磁場測定に影響を与えない限り、非磁性の材料としては、このような樹脂に限らず、アルミなどの非磁性金属であってもよい。   In addition, as a material of the fixing base 102, the elastic member 112, and the grip part 104, an elastic material having a predetermined rigidity can be used, and is not particularly limited, but a nonmagnetic material such as a so-called “engineering plastic” can be used. It is possible to use a resin. More specifically, for example, a polyacetal resin can be used as such an engineering plastic. Alternatively, as long as the magnetic field measurement is not affected, the nonmagnetic material is not limited to such a resin, and may be a nonmagnetic metal such as aluminum.

ここで、把持部104は、ロードセル部110から着脱可能な構成となっており、測定中は、たとえば、非磁性の材料、たとえば、樹脂製のネジ(図示せず)により、ロードセル部110に固定されている。そして、把持部104は、ロードセル部110へ挿し込む方向を変えることで、取っ手(ハンドル)の向きを、水平方向(Y方向)または垂直方向(X方向)のいずれにも変更できる構成であるものとする。図3では、取っ手が垂直方向(X方向)となるように、把持部104がロードセル部110に挿し込まれている。   Here, the grip portion 104 is configured to be detachable from the load cell portion 110, and is fixed to the load cell portion 110 with a non-magnetic material, for example, a resin screw (not shown) during measurement. Has been. And the holding part 104 is a structure which can change the direction of a handle (handle) to either a horizontal direction (Y direction) or a vertical direction (X direction) by changing the direction inserted in the load cell part 110. And In FIG. 3, the grip portion 104 is inserted into the load cell portion 110 so that the handle is in the vertical direction (X direction).

また、図3においては、貫通孔120と貫通孔122とは、断面が矩形形状の孔として記載されているが、必ずしも、このような形状に限定されるわけではない。起歪体である弾性部材112において、貫通孔120と貫通孔122のそれぞれの側面が、「平行平板形力量計(平行平板形ロードセル)」として使用可能であれば、孔の断面形状は、他の形状であってもよい。したがって、たとえば、平行平板部の部材の厚さも必ずしも均一である必要はない。   In FIG. 3, the through hole 120 and the through hole 122 are described as holes having a rectangular cross section, but are not necessarily limited to such a shape. In the elastic member 112 that is a strain generating body, if the side surfaces of the through hole 120 and the through hole 122 can be used as a “parallel plate type force meter (parallel plate type load cell)”, the cross-sectional shape of the hole is The shape may also be Therefore, for example, the thickness of the member of the parallel plate portion does not necessarily have to be uniform.

図4は、図3において、第2の貫通孔122と第2のゲージ132とを含む部分の拡大図である。   FIG. 4 is an enlarged view of a portion including the second through hole 122 and the second gauge 132 in FIG. 3.

第1の貫通孔120と第1のゲージ130とを含む部分についても、基本的に同様の構成である。   The part including the first through hole 120 and the first gauge 130 is basically the same in configuration.

また、図5は、平行平板形力量計において、ひずみの生じ方を説明するための概念図である。   FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining how strain occurs in a parallel plate force meter.

以下では、図4および図5に従って、平行平板部123のロードセルとしての構造および動作を説明する。   Below, the structure and operation | movement as a load cell of the parallel plate part 123 are demonstrated according to FIG. 4 and FIG.

まず、図4を参照して、第2のゲージ132は、弾性部材112から一体成型によりその断面がL字形状となるように突出した載置部124に、平行平板部123の一方側面と対向するように取り付けられる。第2のゲージ132は、自身と平行平板部123の一方側面との間の距離δの変化を検出する。   First, referring to FIG. 4, the second gauge 132 is opposed to one side surface of the parallel plate portion 123 on the mounting portion 124 that protrudes from the elastic member 112 so as to be L-shaped in cross section by integral molding. To be attached. The second gauge 132 detects a change in the distance δ between itself and one side surface of the parallel plate portion 123.

特に、限定されないが、第2のゲージ132としては、光学式の変位センサ、たとえば、限定反射方式のLED(Light Emitting Diode)式の光ファイバ変位センサを使用できる。ここで、たとえば、限定反射方式の光ファイバ変位センサであれば、光ファイバ126からのLEDの光を第1のレンズ(投光レンズ)経由で、所定角度で平行平板123の一方側面に照射すると、反射成分の反射光は、第2のレンズ(受光レンズ)経由で受光される。距離δの変位に応じて、受光されファイバ126経由で伝達される光強度が変化するので、その受光強度の変化を検出することで対象物までの距離の変位量を知ることができる。この変位量から、ロードセルに印加された力のX方向成分を検出できることになる。このような構成であるので、第2のゲージ132部分には磁性材料を使用せずに変位量の検出が可能である。しかも、信号の伝達が光ファイバにより行われるので、MRI装置が設置される室内でも、信号にノイズが混入することがない。   Although not particularly limited, the second gauge 132 may be an optical displacement sensor, for example, a limited reflection type LED (Light Emitting Diode) type optical fiber displacement sensor. Here, for example, in the case of an optical fiber displacement sensor of the limited reflection method, when one side surface of the parallel plate 123 is irradiated at a predetermined angle with the light of the LED from the optical fiber 126 via the first lens (projecting lens). The reflected light of the reflection component is received via the second lens (light receiving lens). Since the light intensity received and transmitted via the fiber 126 changes according to the displacement of the distance δ, the amount of displacement of the distance to the object can be known by detecting the change in the light reception intensity. From this displacement amount, the X-direction component of the force applied to the load cell can be detected. Due to such a configuration, it is possible to detect the amount of displacement without using a magnetic material in the second gauge 132 portion. In addition, since signal transmission is performed by an optical fiber, noise is not mixed into the signal even in a room where the MRI apparatus is installed.

同様にして、平行平板部121と第1のゲージ130とにより、ロードセルに印加された力のY方向成分をX方向とは独立に検出できる。   Similarly, the Y direction component of the force applied to the load cell can be detected independently of the X direction by the parallel plate portion 121 and the first gauge 130.

言い換えれば、平行平板部121と平行平板部123により、ロードセルに印加されたX−Y面内の力の大きさと方向を検出できることになる。   In other words, the parallel plate portion 121 and the parallel plate portion 123 can detect the magnitude and direction of the force in the XY plane applied to the load cell.

このような光センサとしては、たとえば、送受光ファイバとレンズから構成される樹脂製ファイバユニット、例えば、KEYENCE社製FU−38を用いることができる。   As such an optical sensor, for example, a resin fiber unit composed of a transmission / reception fiber and a lens, for example, FU-38 manufactured by KEYENCE can be used.

本実施の形態の光センサは、細い光ファイバを対向して設置するというような方式でないため、位置合わせに要求される精度に余裕があり、製造しやすい、との特徴も有する。   Since the optical sensor of this embodiment is not a system in which thin optical fibers are installed facing each other, it has a feature that there is a margin in accuracy required for alignment and that it is easy to manufacture.

なお、第2のゲージ132は、上述のとおり、載置部124に取り付けられており、載置部124が弾性部材112と連続する部分は、平行平板部123よりも外側(貫通孔122の開口していない部分)であるので、第2のゲージ132を取り付けたことが、平行平板部123の変形に干渉を与えることがない。   The second gauge 132 is attached to the mounting portion 124 as described above, and the portion where the mounting portion 124 continues to the elastic member 112 is outside the parallel plate portion 123 (opening of the through hole 122). Therefore, the attachment of the second gauge 132 does not interfere with the deformation of the parallel plate portion 123.

また、一般的には、平行平板形力量計では、その変形量の計測には、ひずみゲージが使用される。しかし、一般的なひずみゲージは、「薄い絶縁体上にジグザグ形状にレイアウトされた金属の抵抗体(金属箔)が取り付けられた構造をしており、変形による電気抵抗の変化を測定することによりひずみ量に換算する」との構成を有する。このひずみゲージの金属の抵抗体は、磁性を有するため、強い磁場を用いて測定するMRI装置において、正確な測定を実施するためは、必ずしも適さない。しかし、本実施の形態では、上述のとおり、光学的に距離δの変化を検出するため、磁場中であっても、測定に影響を与えることなく、高精度に距離δの変化を検出し、ロードセルに印加されたX−Y面内の力の大きさと方向を検出することが可能である。   In general, in a parallel plate type force meter, a strain gauge is used to measure the amount of deformation. However, a general strain gauge has a structure in which a metal resistor (metal foil) laid out in a zigzag shape is attached to a thin insulator, and by measuring the change in electrical resistance due to deformation, “Converted into strain amount”. Since the strain gauge metal resistor has magnetism, it is not necessarily suitable for performing an accurate measurement in an MRI apparatus that uses a strong magnetic field. However, in the present embodiment, as described above, since the change in the distance δ is optically detected, even in the magnetic field, the change in the distance δ is detected with high accuracy without affecting the measurement. It is possible to detect the magnitude and direction of the force in the XY plane applied to the load cell.

図5を参照して、平行平板の幅(図5では、画面の奥行き方向)をbとし、平行平板の厚さをtとし、平行平板の長さをIとし、加えられる力をFとし、平行平板の縦弾性係数をEとするとき、変位δは、以下のように表現される。   Referring to FIG. 5, the width of the parallel plate (in the depth direction of the screen in FIG. 5) is b, the thickness of the parallel plate is t, the length of the parallel plate is I, the applied force is F, When the longitudinal elastic modulus of the parallel plate is E, the displacement δ is expressed as follows.

δ=FI3/(2Ebt3
したがって、逆に、変位δから力Fを求めることができる。
δ = FI 3 / (2 Ebt 3 )
Therefore, conversely, the force F can be obtained from the displacement δ.

(力検出装置100のキャリブレーション)
以下では、以上説明した力検出装置100のキャリブレーションの方法の一例について説明する。
(Calibration of force detection device 100)
Hereinafter, an example of the calibration method of the force detection device 100 described above will be described.

図6は、キャリブレーションに使用する治具200の外観を示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing the appearance of the jig 200 used for calibration.

図6に示すように、治具200は、力検出装置1002弾性部材112と同一の断面形状を有する弾性部材210と、弾性部材210の先端に取り付けられた支持部材220と、支持部材220に支持される滑車230とからなる。   As shown in FIG. 6, the jig 200 is supported by the elastic member 210 having the same cross-sectional shape as the force detection device 1002 elastic member 112, a support member 220 attached to the tip of the elastic member 210, and the support member 220. And a pulley 230.

なお、図6に示すように、弾性部材210は、その途中で、根本側と先端側とが平行にずれるように折れ曲がりを有している。また、支持部材220には、その背面から滑車230の上部側に向かう空隙240が設けられる。   As shown in FIG. 6, the elastic member 210 is bent in the middle so that the root side and the tip side are displaced in parallel. Further, the support member 220 is provided with a gap 240 from the back surface thereof toward the upper side of the pulley 230.

ここで、弾性部材210も、滑車230も、非磁性の材料で形成されていることが望ましい。   Here, it is desirable that both the elastic member 210 and the pulley 230 are made of a nonmagnetic material.

図7は、治具200を用いたキャリブレーションを説明するための図である。   FIG. 7 is a diagram for explaining calibration using the jig 200.

まず、固定台102は、上面が水平となるように設置された台3上に固定される。   First, the fixed base 102 is fixed on the base 3 installed so that the upper surface is horizontal.

また、固定台102において、弾性部材112が取り付けられる側には、弾性部材112を、ちょうど、はめ込める大きさの孔103−1〜103−9が、3×3に配列されているものとする。ただし、孔の個数は、このような9個に限定されるものではない。   In addition, in the fixed base 102, holes 103-1 to 103-9 that are just large enough to fit the elastic member 112 on the side where the elastic member 112 is attached are arranged in 3 × 3. . However, the number of holes is not limited to nine.

上述のような孔103−1〜103−9の配置において、ロードセル部110の弾性部材112は、真ん中の孔103−5に、把持部104の取っ手が垂直方向となるように挿入され、固定されている。   In the arrangement of the holes 103-1 to 103-9 as described above, the elastic member 112 of the load cell portion 110 is inserted and fixed in the middle hole 103-5 so that the handle of the grip portion 104 is in the vertical direction. ing.

また、治具200の弾性部材210は、ロードセル部110と同じ高さの孔103−4に挿入され、固定されている。   Further, the elastic member 210 of the jig 200 is inserted and fixed in the hole 103-4 having the same height as the load cell unit 110.

この状態で、錘260をつるす紐250が、滑車230を介して、空隙を通って把持部104の取っ手に結び付けられている。ここでも、錘260自身も、紐250も、非磁性の材料で形成されていることが望ましい。   In this state, the string 250 that suspends the weight 260 is connected to the handle of the grip portion 104 through the gap via the pulley 230. Again, it is desirable that both the weight 260 itself and the string 250 are made of a non-magnetic material.

このような構成とすれば、力検出装置100自身も、キャリブレーションに使用される治具200も、錘260も、紐250も、すべて非磁性の材料から形成した状態とすることが可能で、その場合は、NMR装置の測定に影響を与えることなく、NMR装置の設置された室内でキャリブレーションを行うことができ、キャリブレーションの精度、ひいては、測定精度の向上を図れるとともに、一連の測定を効率的に実行することが可能となる。   With such a configuration, the force detection device 100 itself, the jig 200 used for calibration, the weight 260, and the string 250 can all be made of a nonmagnetic material, In that case, the calibration can be performed in the room where the NMR apparatus is installed without affecting the measurement of the NMR apparatus, and the calibration accuracy and thus the measurement accuracy can be improved. It becomes possible to execute efficiently.

錘260の重量は予めわかっているため、図7のような構成で、把持部104の取っ手にY方向(水平方向)に所定の力を印加することにより、ロードセルのキャリブレーションを実行することができる。   Since the weight of the weight 260 is known in advance, the load cell can be calibrated by applying a predetermined force in the Y direction (horizontal direction) to the handle of the grip portion 104 with the configuration shown in FIG. it can.

なお、把持部104のハンドルにX方向(垂直方向)に所定の力を印加するキャリブレーションの際には、たとえば、把持部104の固定具を緩めて、把持部104をロードセル部110から抜き取り、取っ手の方向を水平方向にしてはめ込み固定する。このとき、ロードセル部110は、孔103−5に挿入されたままである。その上で、治具200とは滑車の向きが90度回転した治具を、固定台102の孔103−5の垂直上方の孔103−2に挿入して固定する。その上で、把持部104の取っ手に一端が結ばれた紐250を、取っ手の鉛直上方に位置する滑車を経由して、紐250の他端に錘260をぶら下げることで、Y方向と同様にキャリブレーションを実施することが可能である。   In the calibration for applying a predetermined force in the X direction (vertical direction) to the handle of the grip portion 104, for example, the grip portion 104 is loosened and the grip portion 104 is removed from the load cell portion 110. Fit the handle in the horizontal direction and fix it. At this time, the load cell portion 110 remains inserted into the hole 103-5. On that basis, the jig 200 is inserted into a hole 103-2 vertically above the hole 103-5 of the fixing base 102 and fixed, with the jig rotated by 90 degrees in the direction of the pulley. Then, the string 250 having one end tied to the handle of the grip portion 104 is suspended from the other end of the string 250 via a pulley positioned vertically above the handle, and the same as in the Y direction. Calibration can be performed.

なお、図6では、滑車230は、Y方向のキャリブレーションを想定して、弾性部材210の長手方向と直交する方向に回転自在となるように固定されている。特に限定されないが、滑車230は、支持部材220から着脱可能であって、X方向のキャリブレーションの際には、空隙240内に滑車230が位置し長手方向に滑車230が回転自在となるように、滑車230をはめ込むことが可能な溝が支持部220に形成されている構成であってもよい。すなわち、支持部材220を空隙240の開口する側から見たとき、この空隙240と十字を成すように、この溝が設けられていれば、その溝に滑車230を挿し込むことで、上記のような構成とすることができる。この場合は、X方向のキャリブレーションでもY方向のキャリブレーション時と、同一の治具200を使用してキャリブレーションを実行することが可能である。   In FIG. 6, the pulley 230 is fixed so as to be rotatable in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the elastic member 210, assuming calibration in the Y direction. Although not particularly limited, the pulley 230 can be attached to and detached from the support member 220, and when calibrating in the X direction, the pulley 230 is positioned in the gap 240 and the pulley 230 is rotatable in the longitudinal direction. The support part 220 may have a structure in which a groove capable of fitting the pulley 230 is formed. That is, when the groove is provided so as to form a cross with the gap 240 when the support member 220 is viewed from the opening side of the gap 240, the pulley 230 is inserted into the groove, as described above. It can be set as a simple structure. In this case, even in the calibration in the X direction, the calibration can be executed using the same jig 200 as in the calibration in the Y direction.

また、固定台102に、上述のような孔が異なる高さで複数個設けられ、この孔に弾性部材112が挿入されてロードセルが固定される構成であることにより、力の測定時における取っ手の高さを容易に調整することができる。また、把持部104を固定具によりロードセル部110から着脱可能に固定する構成としているので、力の測定時においても、把持部104の取っ手の方向をX方向またはY方向のいずれかに容易に変更することができる。   In addition, a plurality of holes as described above are provided on the fixing base 102 at different heights, and the load cell is fixed by inserting the elastic member 112 into the holes. The height can be easily adjusted. In addition, since the grip 104 is detachably fixed from the load cell portion 110 with a fixing tool, the handle direction of the grip 104 can be easily changed to either the X direction or the Y direction even when measuring force. can do.

(測定の手順)
図8は、被験者2に力検出装置100を用いて課題を実行させて、脳活動を計測する際の原理を説明するための概念図である。
(Measurement procedure)
FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining the principle when the subject 2 is caused to execute a task using the force detection device 100 and the brain activity is measured.

すなわち、以下では、四肢の運動において、脳の座標表現を調べるために、複数の方向に運動を行いそのときの脳活動を計測する場合を例にとって説明する。   That is, in the following, in order to examine the coordinate expression of the brain in the movement of the limbs, a case where the movement in a plurality of directions and the brain activity at that time are measured will be described as an example.

このような方法は、非特許文献1において、Kakeiらがサルに対して行ったものに相当する。   Such a method corresponds to that performed by Kakei et al.

まず、図8(a)に示すように、運動の方向を水平方向を0°と180°として定義し、被験者2に指示される運動方向は、45°ずつの8方向とする。   First, as shown in FIG. 8A, the direction of motion is defined as 0 ° and 180 ° in the horizontal direction, and the direction of motion instructed by the subject 2 is eight directions of 45 °.

その上で、被験者2に、力検出装置100の把持部104の取っ手を回内位と回外位で把持した上で、主として、アイソメトリック運動(等尺性運動)を行ってもらう。アイソメトリック運動とするのは、運動のばらつきを抑制できるためである。   Then, the subject 2 is asked to mainly perform isometric exercise (isometric exercise) after holding the handle of the grip 104 of the force detection device 100 in the pronation and supination positions. The reason for the isometric motion is that the variation in motion can be suppressed.

このような状態で、被験者2に手首の伸展や屈曲などの課題を実行してもらう。   In this state, subject 2 performs tasks such as wrist extension and flexion.

この運動課題の最も重要な特徴は、手首運動に関する空間、関節、筋肉の3つの座標系を分離し、ニューロン活動の座標系を判別できる点にある。座標系分離の詳細については、非特許文献1に開示があるので、以下では、簡単に概略のみを説明する。   The most important feature of this movement task is that the coordinate system of neuronal activity can be distinguished by separating the three coordinate systems of space, joints and muscles related to wrist movement. Since details of coordinate system separation are disclosed in Non-Patent Document 1, only an outline will be briefly described below.

ここで「座標系」は、運動を記述するための基準の取り方を意味する。   Here, the “coordinate system” means a method of taking a reference for describing a motion.

例えば「上」や「下」は外部の空間に基準をおいた運動の記述であり、空間座標系とよばれる。これに対して「伸展」や「屈曲」は手首関節の構造を基準にした運動の記述であり、関節座標系とよばれる。   For example, “upper” and “lower” are descriptions of movements based on an external space, and are called a spatial coordinate system. On the other hand, “extension” and “flexion” are motion descriptions based on the wrist joint structure, and are called joint coordinate systems.

そして、8方向の手首運動を、回内位、回外位という異なる姿勢で、被験者2に行ってもらう。例えば、ある脳領域が回内位で「上」への運動で最も強く活動したとする。これだけでは、その脳領域の活動が空間座標系で「上」方向を表現しているのか、関節座標系で手首の「伸展」を意味しているのか区別できない。   Then, subject 2 performs wrist movements in eight directions with different postures of pronation and supination. For example, suppose that a certain brain region is most profoundly active in the pronation and moving up. This alone cannot distinguish whether the activity of the brain region expresses the “up” direction in the spatial coordinate system or the “extension” of the wrist in the joint coordinate system.

そこで手首を180度回転して回外位にする。もし、その脳領域の活動が「上」を意味していれば、今度も「上」への運動で活動し(ただし手首は屈曲)、空間座標系と判別される。もし手首の「伸展」を意味するなら、今度も「伸展」運動で活動し(ただし手首は下に動く)関節座標系と判別される。さらに、手首を動かす際に動く筋肉の座標系は、「回内位」→「中間位」→「回外位」というように、運動時の手首の方向を変えることで、これらの空間座標系や関節座標系から区別されることも示されている。   Therefore, the wrist is rotated 180 degrees to the swivel position. If the activity of the brain region means “up”, it is again activated by movement to “up” (however, the wrist is bent), and is identified as a spatial coordinate system. If it means “extension” of the wrist, it is determined to be a joint coordinate system that is still active in the “extension” movement (but the wrist moves downward). Furthermore, the coordinate system of the muscles that move when moving the wrist is changed to the spatial coordinate system by changing the wrist direction during exercise, such as “pronunciation” → “intermediate” → “extraversion”. It is also shown that it is distinguished from the joint coordinate system.

図9は、被験者2の行う課題の時間経過を説明するための図である。   FIG. 9 is a diagram for explaining the time course of the task performed by the subject 2.

図9を参照して、被験者2には、ディスプレイ6に表示された視覚刺激に従って運動課題を行ってもらい、そのときの脳活動変化を撮像する。   Referring to FIG. 9, subject 2 is asked to perform an exercise task according to the visual stimulus displayed on display 6, and the brain activity change at that time is imaged.

すなわち、ディスプレイ6の中央部に固視点を表示するとともに、運動方向が指示される。これに応じて、被験者2が行った運動における力の軌跡(大きさと方向の時間変化)が、表示される。   That is, a fixed viewpoint is displayed at the center of the display 6 and the direction of movement is instructed. In response to this, the trajectory of force in the exercise performed by the subject 2 (change in time in magnitude and direction) is displayed.

運動課題は、上述のとおり、手首の運動であり、被験者に、複数の異なる方位(方向1、方向2、…)に手首を動かしてもらう。   As described above, the exercise task is exercise of the wrist, and the subject is caused to move the wrist in a plurality of different directions (direction 1, direction 2,...).

特に、限定されないが、たとえば、被験者2には、アイソトニック運動とアイソメトリック運動を行ってもらう。アイソトニック運動課題では、上肢の動きを光学式モーションキャプチャにより計測する。アイソメトリック運動課題では、運動出力(力の方向と大きさ)を力検出装置100を用いて計測する。   Although not particularly limited, for example, subject 2 is asked to perform isotonic exercise and isometric exercise. In the isotonic exercise task, the movement of the upper limb is measured by optical motion capture. In the isometric exercise task, the exercise output (force direction and magnitude) is measured using the force detection device 100.

さらに運動関連皮質の座標表現を調べるため、上肢の姿勢を変更して運動課題を行ってもらう。注目する身体部位(手首)ではない箇所(肘や肩)の付随的な運動を抑制するため、カフを用いることも可能である。試行ごとの被験者の運動のばらつきを抑制するため、被験者2には、運動軌道または運動出力を時間経過を認識できる軌跡としてディスプレイ6に表示することにより、視覚刺激としてフィードバックする。運動時の筋出力を筋電計で、眼球運動を眼球運動モニターで計測する。   Furthermore, in order to investigate the coordinate expression of the movement-related cortex, the posture of the upper limb is changed and the movement task is performed. A cuff can also be used to suppress incidental movements of a part (elbow or shoulder) that is not the body part (wrist) of interest. In order to suppress variation in the movement of the subject for each trial, the subject 2 is fed back as a visual stimulus by displaying the movement trajectory or the movement output on the display 6 as a trajectory that can recognize the passage of time. The muscle output during exercise is measured with an electromyograph, and the eye movement is measured with an eye movement monitor.

このようにして計測された脳活動変化の撮像情報は、運動課題の指示方向および運動出力の情報と関連付けて、制御部42により記憶部36に格納される。   The imaging information of the brain activity change thus measured is stored in the storage unit 36 by the control unit 42 in association with the instruction direction of the exercise task and the exercise output information.

計測データの解析では、はじめに各被験者の皮質構造をその形態に従って一次運動野、運動前野、補足運動野などに区分けする。次にそれらの各領域において運動の方位のデコードを行う。さらに、ある姿勢から別の姿勢に変更して運動した場合にどのようにデコーディング結果が変更するか調べ、各領域での運動の座標表現を明らかにする。   In the analysis of the measurement data, first, the cortical structure of each subject is divided into a primary motor area, a premotor area, a supplementary motor area, etc. according to the form. Next, the direction of motion is decoded in each of these areas. In addition, it investigates how the decoding result changes when moving from one posture to another, and clarifies the coordinate representation of the motion in each region.

図10は、このようにしてfMRIにより計測された脳活動部位と、一次運動野についての座標系の検出結果を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing the detection results of the coordinate system for the brain activity site and the primary motor area measured by fMRI in this way.

図10(a)に示すように、右手首運動時に活動する脳部位がfMRIにより計測される。   As shown in FIG. 10A, the brain region that is active during right wrist movement is measured by fMRI.

図10(b)は、予備的な実験結果を示すものであり、一次運動野からのデコーディング結果では、右手首運動では、空間座標と筋座標の2つの表現が混在している可能性があることを示している。   FIG. 10 (b) shows a preliminary experimental result. In the decoding result from the primary motor area, there is a possibility that two expressions of spatial coordinates and muscle coordinates are mixed in the right wrist movement. It shows that there is.

以上説明したように、力検出装置100のような構成とすることで、ロードセル110で、把持部104に印加される力のX−Y平面内での大きさと方向、すなわち、言い換えると、力のX成分およびY成分が検知できる。また、このような力検出装置100が非磁性材料で構成されることで、MRI装置のように磁場計測で脳活動を計測する装置により運動時の脳活動を計測できる。   As described above, by adopting a configuration like the force detection device 100, the load cell 110 has a magnitude and direction in the XY plane of the force applied to the grip portion 104, that is, in other words, the force X component and Y component can be detected. In addition, since the force detection device 100 is made of a nonmagnetic material, brain activity during exercise can be measured by a device that measures brain activity by magnetic field measurement, such as an MRI device.

したがって、MRI装置のような磁場の検出により、脳活動を測定する装置において、ヒトの運動についての運動野内における座標のコーディングだけでなく、ヒトの運動時の様々な他の脳活動の測定も可能となる。
[実施の形態2]
以下では、実施の形態2として、3軸方向の力の検出が可能な力検出装置300の構成について説明する。
Therefore, in a device that measures brain activity by detecting a magnetic field like an MRI device, it is possible to measure not only the coordinates in the motor cortex for human motion but also various other brain activities during human motion. It becomes.
[Embodiment 2]
Hereinafter, as a second embodiment, a configuration of a force detection device 300 that can detect forces in three axial directions will be described.

なお、実施の形態1の力検出装置100と同一部分または対応する部分には、同一符号を付してある。   In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is the same as that of the force detection apparatus 100 of Embodiment 1, or a corresponding part.

図11は、実施の形態2の3軸方向の力検出装置300の構成の外観図である。   FIG. 11 is an external view of the configuration of the triaxial force detection device 300 according to the second embodiment.

被験者2は、後に詳しく説明するように、fMRIにより頭蓋部分の測定をして脳活動を検出する際に、3次元の所定方向へ手首を動かすとの課題を、ディスプレイ6の表示により指示される。力検出装置300は、指示された方向へ被験者2が片方の手首を動かす際に、被験者2により加えられる力の大きさと力の方向を検出する。   As will be described in detail later, the subject 2 is instructed by the display 6 to display the task of moving the wrist in a predetermined three-dimensional direction when the brain activity is detected by measuring the skull by fMRI. . The force detection device 300 detects the magnitude and direction of the force applied by the subject 2 when the subject 2 moves one wrist in the designated direction.

力検出装置300は、固定台102と、被験者2が把持する把持部104と、ロードセル部310とを備える。   The force detection device 300 includes a fixed base 102, a grip portion 104 that the subject 2 grips, and a load cell portion 310.

ロードセル部310は、固定台102に固定されるコの字型(U字型)の第1の弾性部312を備える。第1の弾性部312は、固定台102にそれぞれの一端が固定される脚部材312aおよび312bと、脚部材312aと312bとをつなぐ支持部材312cとから一体的に構成される。第1の弾性部312の断面は矩形形状である。   The load cell portion 310 includes a U-shaped first elastic portion 312 that is fixed to the fixed base 102. The first elastic portion 312 is integrally formed from leg members 312a and 312b whose one ends are fixed to the fixing base 102, and a support member 312c that connects the leg members 312a and 312b. The cross section of the first elastic portion 312 has a rectangular shape.

ロードセル部310は、さらに、支持部材312cの中央から突出し、長手方向(Z方向)の他端に把持部104が設けられる第2の弾性部110を備える。   The load cell portion 310 further includes a second elastic portion 110 that protrudes from the center of the support member 312c and is provided with the grip portion 104 at the other end in the longitudinal direction (Z direction).

第2の弾性部110は、矩形の断面形状を有し、長手方向(Z方向)に延びる弾性部材112と、長手方向に直交するX方向に弾性部材130を貫通して開口する第1の貫通孔120の側面部分により形成される第1の平行平板部分121と、Y方向に弾性部材112を貫通して開口する第2の貫通孔122の側面部分により形成される第2の平行平板部分123と、第1の平行平板部分121の変形量を検知するための第1のゲージ130と、第2の平行平板部分123の変形量を検知するための第2のゲージ132とを含む。   The second elastic portion 110 has a rectangular cross-sectional shape, an elastic member 112 extending in the longitudinal direction (Z direction), and a first penetration that opens through the elastic member 130 in the X direction orthogonal to the longitudinal direction. A first parallel flat plate portion 121 formed by the side surface portion of the hole 120 and a second parallel flat plate portion 123 formed by the side surface portion of the second through hole 122 that opens through the elastic member 112 in the Y direction. And a first gauge 130 for detecting the amount of deformation of the first parallel flat plate portion 121 and a second gauge 132 for detecting the amount of deformation of the second parallel flat plate portion 123.

第1の弾性部312と第2の弾性部110とは、樹脂により一体に形成することができる。   The first elastic part 312 and the second elastic part 110 can be integrally formed of resin.

支持部312cにおいては、弾性部材112の一端と連なる中央部と脚部材312aとの間およびこの中央部と脚部材312bと連なる部分との間のそれぞれに、Y方向に支持部材312cを貫通して開口する第3の貫通孔320の側面部分により形成される第3の平行平板部分321と、Y方向に支持部材312cを貫通して開口する第4の貫通孔322の側面部分により形成される第4の平行平板部分323と、第3の平行平板部分321の変形量を検知するための第3のゲージ330と、第4の平行平板部分323の変形量を検知するための第4のゲージ332とが設けられる。   In the support portion 312c, the support member 312c passes through the support member 312c in the Y direction between the central portion connected to one end of the elastic member 112 and the leg member 312a and between the central portion and the portion connected to the leg member 312b. A third parallel plate portion 321 formed by the side surface portion of the third through hole 320 that opens and a side portion of the fourth through hole 322 that opens through the support member 312c in the Y direction. 4 parallel plate portions 323, a third gauge 330 for detecting the deformation amount of the third parallel plate portion 321, and a fourth gauge 332 for detecting the deformation amount of the fourth parallel plate portion 323. And are provided.

第1〜第4のゲージ130,132,330,332の構成は、実施の形態1で説明したような光学式の変位センサを用いることができる。   As the configurations of the first to fourth gauges 130, 132, 330, and 332, the optical displacement sensor as described in the first embodiment can be used.

なお、特に限定されないが、固定台102、第1の弾性部312と第2の弾性部110ならびに把持部104の材質としても、いわゆる「エンジニアリングプラスチック」を用いることができ、より具体的には、たとえば、ポリアセタール樹脂を用いることができる。   Although not particularly limited, so-called “engineering plastic” can be used as the material of the fixing base 102, the first elastic portion 312 and the second elastic portion 110, and the grip portion 104. More specifically, For example, a polyacetal resin can be used.

また、図11においても、貫通孔120,貫通孔122,貫通孔320および貫通孔322は、断面が矩形形状の孔として記載されているが、必ずしも、このような形状に限定されるわけではない。起歪体である第1の弾性部312と第2の弾性部110において、貫通孔120,貫通孔122,貫通孔320および貫通孔322のそれぞれの側面が、「平行平板形力量計(平行平板形ロードセル)」として使用可能であれば、孔の断面形状は、他の形状であってもよい。   Also, in FIG. 11, the through hole 120, the through hole 122, the through hole 320, and the through hole 322 are described as holes having a rectangular cross section, but are not necessarily limited to such a shape. . In the first elastic part 312 and the second elastic part 110 which are the strain generating bodies, the side surfaces of the through hole 120, the through hole 122, the through hole 320 and the through hole 322 are “parallel plate type force meters (parallel plate type). As long as it can be used as a shape load cell), the cross-sectional shape of the hole may be another shape.

また、実施の形態2の力検出装置300においても、キャリブレーションの治具を使えるようにするために、固定台102において弾性部材312が取り付けられる側には、弾性部材312を、ちょうど、はめ込める大きさの孔が、n×mに配列されているものとする(n,mは、それぞれ3以上の自然数)。   Also in the force detection device 300 of the second embodiment, the elastic member 312 can be fitted just on the side where the elastic member 312 is attached to the fixed base 102 so that the calibration jig can be used. It is assumed that the holes having a size are arranged in n × m (n and m are natural numbers of 3 or more, respectively).

上述のような孔の配置において、弾性部材312は、脚部が、それぞれ、2つの孔に把持部104の取っ手が垂直方向となるように挿入され、固定されている。固定台102に設けられる孔をn×mに配列することにより、実施の形態1と同様に、把持部104の高さを変えて、固定することが容易となる。さらに、把持部104は、実施の形態1と同様に固定具によりロードセル部310に着脱可能に固定されているので、把持部104のハンドルの向きを垂直方向から水平方向に変えて固定し、キャリブレーションしたり、あるいは、力の計測をしたりすることが容易になる。   In the arrangement of the holes as described above, the elastic member 312 is fixed by inserting the leg portions into the two holes so that the handle of the grip portion 104 is in the vertical direction. By arranging the holes provided in the fixing base 102 in n × m, it becomes easy to change the height of the grip portion 104 and to fix it, as in the first embodiment. Furthermore, since the grip 104 is detachably fixed to the load cell portion 310 by a fixing tool as in the first embodiment, the handle 104 of the grip 104 is fixed by changing the direction of the handle from the vertical direction to the horizontal direction and calibrating. Or force measurement becomes easier.

また、治具200の弾性部材210は、ロードセル部310とは、別の孔に挿入され、固定される。キャリブレーションの方法は、基本的に、実施の形態1と同様であるので、その詳細の説明は省略する。   Further, the elastic member 210 of the jig 200 is inserted into a hole different from the load cell portion 310 and fixed. Since the calibration method is basically the same as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.

力検出装置300を上記のような構成とすることで、このような力検出装置300が、ロードセル310で、把持部104に印加される力のX−Y平面内での大きさと方向、すなわち、言い換えると、力のX成分およびY成分が検知できるだけでなく、力のZ成分についても検知できることになる。また、力検出装置300が、非磁性材料で構成されることで、MRI装置のように磁場計測で脳活動を計測する装置により運動時の脳活動を計測できる。   By configuring the force detection device 300 as described above, the force detection device 300 has a load cell 310 and the magnitude and direction of the force applied to the grip portion 104 in the XY plane, that is, In other words, not only the X and Y components of the force can be detected, but also the Z component of the force can be detected. Further, since the force detection device 300 is made of a nonmagnetic material, the brain activity during exercise can be measured by a device that measures brain activity by magnetic field measurement, such as an MRI device.

したがって、実施の形態2の力検出装置は、実施の形態1の力検出装置の奏する効果に加えて、ヒトの運動時のさらに多様な他の脳活動の測定も可能とするものである。   Therefore, in addition to the effects exhibited by the force detection device according to the first embodiment, the force detection device according to the second embodiment can also measure various other brain activities during human exercise.

なお、以上の実施の形態1または実施の形態2の説明においては、被験者2に与えられる運動課題は、手首の運動であるものとしたが、本発明は、必ずしもこのような場合に限定されない。たとえば、運動は、足首の運動であってもよいし、腕の関節の運動、脚の関節の運動や、たとえば、手の指の特定の関節の運動であってもよい。したがって、以上の説明では、被験者2の手により把持される部分を「把持部」と呼び、把持部の取っ手(ハンドル)が被験者2からの力の作用を受ける面を含む構成となっているが、このように手首の運動に限らない場合は、被験者2からの力の作用を受ける面を含む部分のことを、より一般に「作用部」と呼ぶ。測定される力の大きさのレンジや、運動する箇所の大きさに合わせて、作用部の大きさや、ロードセル部の剛性や大きさを変化させることで、このように、より一般的な運動課題について、被験者からの力の大きさおよび方向を検知することが可能となる。   In the above description of the first embodiment or the second embodiment, the exercise task given to the subject 2 is a wrist exercise, but the present invention is not necessarily limited to such a case. For example, the movement may be an ankle movement, a movement of an arm joint, a movement of a leg joint, or a movement of a specific joint of a finger of a hand, for example. Therefore, in the above description, the part gripped by the hand of the subject 2 is referred to as a “gripping part”, and the handle (handle) of the gripping part includes a surface that receives the action of force from the subject 2. In this way, when not limited to wrist movement, a portion including a surface that receives the action of force from the subject 2 is more generally referred to as an “action portion”. By changing the size of the action part and the rigidity and size of the load cell part according to the range of the magnitude of the force to be measured and the size of the place to move, this is a more general exercise task , It is possible to detect the magnitude and direction of the force from the subject.

今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。   Embodiment disclosed this time is an illustration of the structure for implementing this invention concretely, Comprising: The technical scope of this invention is not restrict | limited. The technical scope of the present invention is shown not by the description of the embodiment but by the scope of the claims, and includes modifications within the wording and equivalent meanings of the scope of the claims. Is intended.

2 被験者、6 ディスプレイ、10 MRI装置、11 磁場印加機構、12 静磁場発生コイル、14 傾斜磁場発生コイル、16 RF照射部、18 寝台、20 受信コイル、21 駆動部、22 静磁場電源、24 傾斜磁場電源、26 信号送信部、28 信号受信部、30寝台駆動部、32 データ処理部、36 記憶部、38 表示部、40 入力部、42 制御部、44 インタフェース部、46 データ収集部、48 画像処理部、50 センサコントローラ部、100 力検出装置、102 固定台、104 把持部、110 ロードセル部、112 弾性部材、120 第1の貫通孔、121 第1の平行平板部分、122 第2の貫通孔、123 第2の平行平板部分、130 第1のゲージ、132 第2のゲージ132、300 力検出装置、310 ロードセル部、312 第1の弾性部、312a,312b 脚部材、312c 支持部材、320 第3の貫通孔、321 第3の平行平板部分、322 第4の貫通孔、323 第4の平行平板部分、330 第3のゲージ、332 第4のゲージ332。   2 subjects, 6 display, 10 MRI apparatus, 11 magnetic field application mechanism, 12 static magnetic field generation coil, 14 gradient magnetic field generation coil, 16 RF irradiation unit, 18 bed, 20 reception coil, 21 drive unit, 22 static magnetic field power source, 24 gradient Magnetic field power supply, 26 signal transmission unit, 28 signal reception unit, 30 bed driving unit, 32 data processing unit, 36 storage unit, 38 display unit, 40 input unit, 42 control unit, 44 interface unit, 46 data collection unit, 48 image Processing unit, 50 sensor controller unit, 100 force detection device, 102 fixing base, 104 gripping unit, 110 load cell unit, 112 elastic member, 120 first through hole, 121 first parallel plate portion, 122 second through hole 123 Second parallel plate portion, 130 First gauge, 132 Second gauge 132, 300 Force test Deposition device, 310 load cell section, 312 first elastic section, 312a, 312b leg member, 312c support member, 320 third through hole, 321 third parallel flat plate portion, 322 fourth through hole, 323 fourth Parallel plate portion, 330 third gauge, 332 fourth gauge 332.

Claims (9)

脳活動測定装置における被験者の頭蓋部分の測定中に、被験者に与えられる運動課題について被験者からの力の検出を行うための多軸方向の力検出装置であって、
固定台と、
前記被験者により力を受ける作用部と、
前記固定台に対して一端側が固定され、長手方向の他端に前記作用部が設けられるロードセル部とを備え、前記ロードセル部は、
前記長手方向に延在する弾性部材と、
前記長手方向に直交する第1の方向に前記弾性部材を貫通して開口する第1の貫通孔の側面部分により形成される第1の平行平板部分と、
前記第1の方向に直交する第2の方向に前記弾性部材を貫通して開口する第2の貫通孔の側面部分により形成される第2の平行平板部分と、
前記第1の平行平板部分の変形量を検知するための第1のゲージと、
前記第2の平行平板部分の変形量を検知するための第2のゲージとを含む、多軸方向の力検出装置。
A multi-axis force detection device for detecting a force from a subject for a motion task given to the subject during measurement of the skull portion of the subject in the brain activity measurement device,
A fixed base;
An action part that receives force by the subject;
One end side is fixed to the fixed base, and the load cell portion is provided with the action portion at the other end in the longitudinal direction.
An elastic member extending in the longitudinal direction;
A first parallel flat plate portion formed by a side surface portion of a first through hole that opens through the elastic member in a first direction orthogonal to the longitudinal direction;
A second parallel flat plate portion formed by a side surface portion of a second through hole that opens through the elastic member in a second direction orthogonal to the first direction;
A first gauge for detecting a deformation amount of the first parallel plate portion;
And a second gauge for detecting the amount of deformation of the second parallel flat plate portion.
前記脳活動測定装置は、核磁気共鳴イメージング装置であって、
前記固定台、前記作用部、前記ロードセル部は、非磁性の材料により形成されている、請求項1記載の多軸方向の力検出装置。
The brain activity measuring device is a nuclear magnetic resonance imaging device,
The multi-axis direction force detection device according to claim 1, wherein the fixed base, the action portion, and the load cell portion are formed of a nonmagnetic material.
前記作用部は、前記被験者が印加する力を受ける面を有し、前記ロードセル部から着脱可能であり、前記面の方向は、前記作用部の脱着により、水平方向と鉛直方向とのいずれかに変更可能であり、
前記固定台は、前記ロードセル部が固定される側に、前記弾性部材を挿入可能な孔が設けられ、
前記ロードセル部は、前記弾性部材が前記孔に挿入されることにより、前記固定台に固定される、請求項1または2記載の多軸方向の力検出装置。
The action part has a surface that receives a force applied by the subject and is detachable from the load cell part. The direction of the surface is either horizontal or vertical depending on the attachment / detachment of the action part. Can be changed,
The fixing base is provided with a hole into which the elastic member can be inserted on the side where the load cell portion is fixed,
The multi-axial force detection device according to claim 1, wherein the load cell portion is fixed to the fixing base by inserting the elastic member into the hole.
前記孔は、複数設けられており、
前記複数の孔のうちの所定の孔に前記弾性部材が挿入されて固定されている状態で、前記複数の孔のうちの他の孔に挿入される校正用部材をさらに備え、
前記校正用部材は、前記校正用部材より回動自在に支持される滑車を含み、
校正時において、前記作用部から前記滑車を介して紐部材により所定の重量の錘を吊り下げることで校正を実行する、請求項3記載の多軸方向の力検出装置。
A plurality of the holes are provided,
A calibration member that is inserted into another of the plurality of holes in a state where the elastic member is inserted and fixed in a predetermined hole of the plurality of holes;
The calibration member includes a pulley that is rotatably supported by the calibration member;
The multi-axis direction force detection device according to claim 3, wherein calibration is performed by suspending a weight having a predetermined weight from the acting portion via the pulley and by a string member during calibration.
前記第1および第2のゲージの各々は、光ファイバからの光を第1のレンズ経由で所定角度で前記平行平板に照射し、反射光を第2のレンズ経由で受光し、前記反射光の受光状態の変化により、前記平行平板の変形量を検出する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の多軸方向の力検出装置。   Each of the first and second gauges irradiates light from an optical fiber to the parallel plate at a predetermined angle via a first lens, receives reflected light via a second lens, and transmits the reflected light. The multi-axis direction force detection device according to claim 1, wherein a deformation amount of the parallel plate is detected based on a change in a light receiving state. 前記弾性部材は、
前記固定台に固定される第1の弾性部を含み、
前記第1の弾性部は、
前記固定台にそれぞれの一端が固定される1組の脚部材と、
前記1組の脚部をつなぐ支持部材と有し、
前記支持部材の中央部から突出し、前記長手方向の他端に作用部が設けられる第2の弾性部をさらに含み、
前記第1および第2の平行平板部分は、前記第2の弾性部に形成されており、
前記ロードセル部は、
前記支持部材の前記中央部を挟む両側に開口する第3および第4の貫通孔により、前記第1の方向および前記第2の方向のいずれとも直交する第3の方向への前記支持部材の変形を検出するための第3および第4の平行平板部分と、
前記第3および第4の平行平板部分の変形量をそれぞれ検知するための第3および第4のゲージとをさらに含む、請求項1または2に記載の多軸方向の力検出装置。
The elastic member is
Including a first elastic portion fixed to the fixed base;
The first elastic part is
A set of leg members each having one end fixed to the fixed base;
A support member connecting the pair of legs,
A second elastic portion that protrudes from the central portion of the support member and that has an action portion provided at the other end in the longitudinal direction;
The first and second parallel flat plate portions are formed on the second elastic portion,
The load cell unit is
Deformation of the support member in a third direction orthogonal to both the first direction and the second direction by third and fourth through holes opening on both sides sandwiching the central portion of the support member Third and fourth parallel plate portions for detecting
3. The multi-axial force detection device according to claim 1, further comprising third and fourth gauges for detecting deformation amounts of the third and fourth parallel plate portions, respectively.
被験者の関節の1つを少なくとも所定の2次元面内の方向にアイソメトリックに運動させる運動課題において運動方向の指示を表示するための表示装置と、
前記被験者の脳活動を非侵襲的に計測し、活性となっている脳領域を特定するための脳活動測定装置と、
前記脳活動測定装置における前記被験者の頭蓋部分の測定中に前記運動課題を実施する際に、前記被験者により加えられる力の大きさと力の方向を検出するための多軸方向の力検出装置と、
前記多軸方向力検出装置により検出された運動時の力の軌跡と、運動中の脳活動情報とを関連付けて記憶するための記憶装置とを備え、
前記表示装置は、運動課題の実行中において、前記運動時の力の軌跡を前記被験者に提示する、脳活動測定装置。
A display device for displaying an instruction of a movement direction in a movement task for moving one of the joints of the subject in an isometric direction at least in a predetermined two-dimensional plane;
A brain activity measuring device for non-invasively measuring the brain activity of the subject and identifying an active brain region;
A multiaxial force detection device for detecting the magnitude and direction of force applied by the subject when performing the exercise task during measurement of the skull portion of the subject in the brain activity measurement device;
A storage device for storing the trajectory of the force during exercise detected by the multi-axis direction force detection device and the brain activity information during the exercise in association with each other;
The display device is a brain activity measurement device that presents a trajectory of force during the exercise to the subject during execution of an exercise task.
前記力検出装置は、
固定台と、
前記被験者により力を受ける作用部と、
前記固定台に対して一端側が固定され、長手方向の他端に前記作用部が設けられるロードセル部とを備え、前記ロードセル部は、
前記長手方向に延在する弾性部材と、
前記長手方向に直交する第1の方向に前記弾性部材を貫通して開口する第1の貫通孔の側面部分により形成される第1の平行平板部分と、
前記第1の方向に直交する第2の方向に前記弾性部材を貫通して開口する第2の貫通孔の側面部分により形成される第2の平行平板部分と、
前記第1の平行平板部分の変形量を検知するための第1のゲージと、
前記第2の平行平板部分の変形量を検知するための第2のゲージとを含む、請求項7記載の脳活動測定装置。
The force detection device includes:
A fixed base;
An action part that receives force by the subject;
One end side is fixed to the fixed base, and the load cell portion is provided with the action portion at the other end in the longitudinal direction.
An elastic member extending in the longitudinal direction;
A first parallel flat plate portion formed by a side surface portion of a first through hole that opens through the elastic member in a first direction orthogonal to the longitudinal direction;
A second parallel flat plate portion formed by a side surface portion of a second through hole that opens through the elastic member in a second direction orthogonal to the first direction;
A first gauge for detecting a deformation amount of the first parallel plate portion;
The brain activity measuring device according to claim 7, further comprising a second gauge for detecting a deformation amount of the second parallel plate portion.
前記脳活動測定装置は、核磁気共鳴イメージング装置であって、
前記固定台、前記作用部、前記ロードセル部は、非磁性の材料により形成されている、請求項8記載の脳活動測定装置。
The brain activity measuring device is a nuclear magnetic resonance imaging device,
The brain activity measuring device according to claim 8, wherein the fixed base, the action portion, and the load cell portion are formed of a nonmagnetic material.
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