JP2017221543A - Intra-tissue fat detection system, intra-tissue fat measuring device, and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、組織内脂肪検出システム、組織内脂肪測定装置、及びプログラムに係り、更に詳しくは、繊維組織に内在する脂肪組織の空間的な構造配置を推察するために有用となる組織内脂肪検出システム、組織内脂肪測定装置、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a tissue fat detection system, a tissue fat measurement device, and a program. More specifically, the present invention relates to tissue fat detection useful for inferring a spatial structure arrangement of fat tissue inherent in a fiber tissue. The present invention relates to a system, a tissue fat measurement device, and a program.
軟組織で構成される生体材料について、硬さ(柔らかさ)に関する情報であるレオロジー特性を把握することは、医療、福祉、食品等の様々な分野で非常に重要となる。ところが、このような生体軟組織は、複雑なレオロジー特性を有することが知られており、ある一定の力で押圧したときの反力の大きさと、そのときの変形量のデータのみでは、正確なレオロジー特性を表す物性値を同定することができず、レオロジー特性を正確かつ定量的に表現するのは困難である。すなわち、生体軟組織は、時間の経過に伴って粘弾性が変化する特性があり、一定の力で押圧しても経時的に変形量が変化する。また、生体軟組織は、その押込力や押込量がある大きさを越えると硬さが変化する特性がある。従って、生体軟組織において、例えば、単一の押し込み状態で単一の変形量を計測し、単一のヤング率等を求めただけでは、レオロジー特性を表す物性値として不十分である。 It is very important in various fields such as medical care, welfare, food, etc., to grasp rheological properties, which are information on hardness (softness), for biomaterials composed of soft tissues. However, such living soft tissues are known to have complex rheological properties, and accurate rheology can be obtained only by the data of the magnitude of the reaction force when pressed with a certain force and the amount of deformation at that time. It is difficult to accurately and quantitatively express rheological properties because physical property values representing the properties cannot be identified. That is, the soft biological tissue has a characteristic that the viscoelasticity changes with the passage of time, and the amount of deformation changes with time even when pressed with a constant force. In addition, the soft biological tissue has a characteristic that the hardness changes when the pushing force or the pushing amount exceeds a certain size. Therefore, in a living soft tissue, for example, simply measuring a single deformation amount in a single indented state and obtaining a single Young's modulus or the like is not sufficient as a physical property value representing rheological characteristics.
ところで、近時、健康管理やスポーツ科学における1つの指標として、繊維組織と脂肪組織が混在する非均質組織である筋肉内に存在する筋肉内脂肪の空間的な構造が注目されつつあり、当該筋肉内脂肪を定量的に把握可能な手法や装置に対するニーズがある。 By the way, recently, as an index in health management and sports science, the spatial structure of intramuscular fat existing in muscle, which is a heterogeneous tissue in which fiber tissue and adipose tissue are mixed, is attracting attention. There is a need for methods and devices that can quantitatively understand internal fat.
特許文献1には、X線CT装置で得られた筋肉組織の断層画像に基づいて、筋肉内脂肪量の指標となる値を求めるX線CTシステムが開示されている。
前記特許文献1のX線CTシステムにあっては、X線CT装置を用いることから、装置の大型化を招来するばかりか、筋肉に内在する微視的な脂肪片までも断層画像に出現させるためには、高い分解能が必要となり、被検者に高線量のX線を照射しなければならないという問題がある。
In the X-ray CT system disclosed in
そこで、本発明者らは、鋭意、実験研究を行った結果、以下の事象を見出した。すなわち、繊維組織に脂肪組織が混在する筋肉組織等の非均質組織において、非均質組織を押圧する押圧力を正弦波状に周期的に経時変化させたときに、ある押圧力や周波数の所定範囲では、当該非均質組織の変形状態が押圧力とほぼ同一の周波数で、正弦波状に周期的に経時変化する。また、前記押圧力を前述のように所定範囲で経時変化させたときには、非均質組織の変形状態が前記押圧力に対して時間遅れを生じ、この時間遅れは、非均質組織内の脂肪成分の量が同一であれば、周波数を変えても同一になるとともに、当該脂肪成分の量に応じて規則的に変化する。 Accordingly, as a result of earnestly conducting experimental research, the present inventors have found the following events. That is, in a non-homogeneous tissue such as a muscular tissue in which adipose tissue is mixed in a fibrous tissue, when the pressing force for pressing the non-homogeneous tissue is periodically changed over time in a sine wave shape, a certain pressing force and frequency are within a predetermined range. The deformed state of the non-homogeneous tissue periodically changes with time in a sinusoidal shape at substantially the same frequency as the pressing force. Further, when the pressing force is changed over time within a predetermined range as described above, the deformation state of the non-homogeneous tissue causes a time delay with respect to the pressing force, and this time delay is caused by the fat component in the non-homogeneous tissue. If the amount is the same, it will be the same even if the frequency is changed, and will change regularly according to the amount of the fat component.
本発明は、このような発明者らの知見に基づいて案出されたものであり、その目的は、X線CT装置等の画像診断装置での筋肉組織等の断層画像の取得を不要にし、コンパクトな装置構成で組織内脂肪を定量的に把握することができる組織内脂肪検出システム、組織内脂肪測定装置、及びプログラムを提供することにある。 The present invention has been devised on the basis of such inventors' knowledge, and its purpose is to make it unnecessary to acquire a tomographic image of muscle tissue or the like in an image diagnostic apparatus such as an X-ray CT apparatus, An object of the present invention is to provide a tissue fat detection system, a tissue fat measurement device, and a program capable of quantitatively grasping tissue fat with a compact device configuration.
本発明は、主として、脂肪成分が混在する生体軟組織を所定の力で押し込み、その際の押込力の大きさと押し込まれた前記生体軟組織の部位の変形量とを測定する押圧変形測定装置と、当該押圧変形測定装置での測定結果に基づき、前記脂肪成分の量に対応する組織内脂肪量を求める組織内脂肪測定装置と備え、前記押圧変形測定装置は、前記押込力が正弦波状に周期的に経時変化するように、前記生体軟組織を複数の周波数パターンで押し込む押込手段と、前記押込力に対応して正弦波として表れる前記変形量の時系列データを前記周波数パターン毎に取得するデータ取得手段とを備え、前記組織内脂肪測定装置では、前記周波数パターン毎の前記変形量の時系列データによる周波数応答に基づいて、前記組織内脂肪量を求める、という構成を採っている。 The present invention mainly presses a living soft tissue mixed with fat components with a predetermined force, and measures the magnitude of the pressing force at that time and the amount of deformation of the pushed soft tissue portion, And a tissue fat measurement device that obtains the amount of fat in the tissue corresponding to the amount of the fat component based on the measurement result of the pressure deformation measurement device. A pushing means for pushing the living soft tissue in a plurality of frequency patterns so as to change with time; and a data obtaining means for obtaining, for each frequency pattern, time series data of the deformation amount expressed as a sine wave corresponding to the pushing force. And the tissue fat measurement device obtains the tissue fat mass based on a frequency response based on time-series data of the deformation amount for each frequency pattern. It has taken.
本発明によれば、繊維組織と脂肪組織が混在する非均質組織において、周期的に経時変化する押圧力を対象の生体軟組織に付加し、そのときの生体軟組織の経時的な変形量を測定することで、生体軟組織に含まれる脂肪の量に応じて定まる特徴量(物性値)を検出することができ、当該特徴量により、非均質組織に存在する脂肪の空間的な構造の定量的な把握が可能になる。 According to the present invention, in a heterogeneous tissue in which fibrous tissue and adipose tissue are mixed, a pressing force that periodically changes with time is applied to the target soft tissue, and the amount of deformation of the soft tissue over time is measured. Therefore, it is possible to detect the characteristic amount (physical property value) determined according to the amount of fat contained in the living soft tissue, and quantitatively grasp the spatial structure of fat existing in the non-homogeneous tissue based on the characteristic amount. Is possible.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1には、本実施形態に係る組織内脂肪検出システムの概略構成図が示されている。この組織内脂肪検出システム10では、繊維組織と脂肪組織が存在する非均質な生体軟組織の脂肪成分の量に対応する組織内脂肪量を検出可能となっている。本実施形態では、当該組織内脂肪量として、筋肉内部に混在する脂肪の量に対応する物性値である筋肉内脂肪量を検出することとして、以下に説明する。ここで、検出された筋肉内脂肪量は、筋肉と脂肪の空間的な構造を表すパラメータとして、例えば、筋肉内部の脂肪成分の空間的な構造の把握による健康管理やスポーツ科学によるアスリートの能力評価用のデータや、食肉の赤身に微視的に含まれる脂肪分の量に基づく食肉の旨みに関する評価用のデータを求める際に利用可能となる。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of the tissue fat detection system according to the present embodiment. In the tissue
この組織内脂肪検出システム10は、筋肉内脂肪量の検出対象となる筋肉部位を含む生体軟組織の検出対象部位Sを所定の力で押し込み、その際の押込力の大きさと押し込まれた検出対象部位Sの変形量とを測定する押圧変形測定装置12と、押圧変形測定装置12の測定結果に基づき、筋肉内脂肪量を求める組織内脂肪測定装置13と、組織内脂肪測定装置13で求められた筋肉内脂肪量や当該筋肉内脂肪量に基づく情報等を提示する情報提示装置14とを備えている。
This tissue
前記押圧変形測定装置12は、検出対象部位Sを所定の力で押し込み可能に設けられた押込手段16と、検出対象部位Sへの押込力の時系列データとともに、検出対象部位Sの変形量の時系列データを取得するデータ取得手段17とを備えている。
The pressing
前記押込手段16は、検出対象部位Sに接触した状態で押し込まれる圧子19と、検出対象部位Sに対して圧子19を離間接近させるための動力となるモータ等で構成されたアクチュエータ20と、アクチュエータ20の駆動を制御する駆動制御部21と、検出対象部位Sからの反力の検出に基づいて、圧子16による検出対象部位Sへの押込力を一定時間毎に測定する力センサ22とにより構成されている。
The
前記駆動制御部21では、圧子19の動作による検出対象部位Sへの押込力が予め設定された振幅と周波数で周期的に経時変化するように、力センサ22の測定結果をフィードバックしながらアクチュエータ20の駆動が制御される。具体的に、駆動制御部21では、時間に対する押込力の関係が、予めユーザにより設定された振幅及び周波数を有する正弦波状で周期的に変化するように、アクチュエータ20の駆動が制御される。前記筋肉内脂肪量を求める以降の処理では、少なくとも2パターンとなる複数の周波数パターンで圧子19を動作させ、当該周波数パターン毎にデータ取得手段17で取得された検出対象部位Sの変形量の時系列データが用いられる。
The
前記データ取得手段17では、検出対象部位Sへの押込力の時系列データとともに、圧子19の移動量に対応するアクチュエータ20の駆動量を図示省略したセンサを用いて所定時間毎に検出することにより、圧子19によって押圧された検出対象部位Sの変形量(変位量)が所定時間毎に求められ、当該変形量の時系列データが得られる。すなわち、ここでは、前記押込力の時系列データとして、時間tと押込力fの関係式である入力正弦波(f=f0sin(ωt))が特定されるとともに、前記変形量の時系列データとして、時間tと変形量xの関係式である出力正弦波(x=x0sin(ωt+φ))が求められる。これら各式において、ωは、周波数であり、f0は、押込力の振幅であり、x0は、変形量の振幅であり、φは、入力正弦波に対する出力正弦波の位相の時間遅れを表す。なお、本発明者らの実験研究によれば、押込力の振幅f0と変形量の振幅x0が小さい所定領域内では、上記各式で表されるように、押込力を正弦波状に経時変化させたときに、変形量も、同一の周波数ωの正弦波状で経時変化する性質を見出しており、本発明では、この性質を利用できる前記所定領域内でのデータを用いて、後述するように、筋肉内脂肪量を求めるようになっている。従って、このような性質の出力正弦波が得られるように予め振幅f0及び周波数ωが調整された上で、検出対象部位Sに押圧力が付加される。
The data acquisition means 17 detects the driving amount of the
前記組織内脂肪測定装置13は、CPU等の演算処理装置及びメモリやハードディスク等の記憶装置等からなるコンピュータによって構成され、当該コンピュータを以下の各手段として機能させるためのプログラムがインストールされている。
The tissue
この組織内脂肪測定装置13は、押込力の振幅f0に対する変形量の振幅x0の割合を表すゲインAを求めるゲイン算出手段24と、ゲインAと周波数ωの関係式を求める周波数応答導出手段25と、周波数応答導出手段25で求めた関係式に基づいて、筋肉内脂肪量を求める組織内脂肪算出手段26とを備えている。
The tissue
前記ゲイン算出手段24では、複数の周波数パターンで圧子19を動作させたときに、それぞれの周波数バターンについて、そのときの出力正弦波での変形量の振幅x0を、そのときの入力正弦波での押込力の振幅f0で除算することで、周波数ω毎にゲインA(A=x0/f0)がそれぞれ求められる。
In the gain calculation unit 24, when operating the
前記周波数応答導出手段25では、次のようにして、ゲインAと周波数ωの関係式が求められる。すなわち、本発明者らの研究結果によれば、押込力の振幅f0と変形量の振幅x0が小さい前述の所定領域内では、周波数ωとゲインAの関係を両対数グラフ化したときに、図2中下側の線分のように、ほぼ線形の関係が成り立つことから、各周波数ωとそのときのゲインAとから、次の式(1)が導き出される。
前記組織内脂肪算出手段26では、上式(1)で特定された粘弾性比率rと、前述した位相の時間遅れφとから、本発明者らの研究により導出された次式(2)に基づいて、筋肉内脂肪量Rが求められる。
前記情報提示装置14では、例えば、組織内脂肪測定装置13で求めた粘弾性比率r、組織の硬さを表す指標値G、筋肉内脂肪量Rをそのまま数値として、或いは、グラフ等の図表化した画像として、図示しないモニタを通じてユーザに直接提示する構成を挙げることができる。
In the
なお、当該情報提示装置14としては、特に限定されるものではなく、当該情報を画像で表示可能な各種の表示装置、前記情報を音声や刺激等で提示可能なスピーカーや刺激提示装置等、種々の装置を採用することができる。
The
次に、前記組織内脂肪検出システム10において、筋肉内脂肪量Rを求める操作手順及び処理手順を説明する。
Next, an operation procedure and a processing procedure for obtaining the intramuscular fat amount R in the tissue
先ず、筋肉内脂肪量Rを測定したい検出対象部位Sに圧子19を少し押し込んだ状態でセットし、ユーザが指定したある周波数や最大押込力(振幅f0)により、当該初期セット位置に対して周期的に外力を加えたり緩めたりする。つまり、押込力の経時変化の状態が、初期セット位置に対し、検出対象部位Sを押込む方向と離れる方向に周期的に正弦波状に変化するように圧子19が動作する。そして、データ取得手段17では、圧子19によって押圧された検出対象部位Sの変形量が所定時間毎に測定され、変形量の時系列データが取得される。このとき、当該変形量の時系列データが、押込力とほぼ同一の周波数の正弦波状となっている場合には、以降の処理が継続して行われ、そうでない場合は、押込力に関する他の周波数と振幅をユーザが再度設定し、検出対象部位Sの変形量が正弦波状となる時系列データが得られるまで行う。このように正弦波状の変形量の時系列データが得られる状態で、押込力の周波数を変化させ、各周波数それぞれについて、変形量の時系列データが取得される。
First, the
次に、前述したように、ゲイン算出手段24において、複数回行った周波数パターン毎に、それぞれ得られた変形量の時系列データからゲインAが周波数毎に求められた後、周波数応答導出手段25において、ゲインAと周波数ωの関係式が求められ、粘弾性比率rが特定される。最後に、組織内脂肪算出手段26において、粘弾性比率rと、押込力の時系列データである入力正弦波に対する変形量の時系列データである出力正弦波の位相の時間遅れφとから、筋肉内脂肪量Rが求められる。
Next, as described above, after the gain calculation unit 24 obtains the gain A for each frequency from the time series data of the deformation amount obtained for each frequency pattern performed a plurality of times, the frequency
以上のように求めた筋肉内脂肪量Rは、繊維組織と脂肪組織が存在する非均質な生体軟組織において、脂肪組織が繊維組織に入り込んでいる量を表し、脂肪量の空間的な構造を定量的に表すパラメータとして活用できる。 The intramuscular fat amount R obtained as described above represents the amount of fat tissue entering the fiber tissue in the non-homogeneous living soft tissue where the fiber tissue and the fat tissue exist, and quantifies the spatial structure of the fat amount. It can be used as a parameter to express automatically.
なお、前記押圧変形測定装置12としては、前述の構造に限定されるものではなく、前述と同様の作用を奏する限りにおいて、種々の構造のセンサや計測機器の代替適用、若しくは併用が可能である。
The pressure
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。 In addition, the configuration of each part of the apparatus in the present invention is not limited to the illustrated configuration example, and various modifications are possible as long as substantially the same operation is achieved.
10 組織内脂肪検出システム
12 押圧変形測定装置
13 組織内脂肪測定装置
16 押込手段
17 データ取得手段
24 ゲイン算出手段
25 周波数応答導出手段
26 組織内脂肪算出手段
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記押圧変形測定装置は、前記押込力が正弦波状に周期的に経時変化するように、前記生体軟組織を複数の周波数パターンで押し込む押込手段と、前記押込力に対応して正弦波として表れる前記変形量の時系列データを前記周波数パターン毎に取得するデータ取得手段とを備え、
前記組織内脂肪測定装置では、前記周波数パターン毎の前記変形量の時系列データによる周波数応答に基づいて、前記組織内脂肪量を求めることを特徴とする組織内脂肪検出システム。 A pressing deformation measuring device for pressing a living soft tissue mixed with a fat component with a predetermined force, and measuring the amount of pressing force at that time and the amount of deformation of the pressed soft living tissue; and the pressing deformation measuring device. With a tissue fat measurement device that calculates the amount of fat in the tissue corresponding to the amount of the fat component based on the measurement result,
The pressing deformation measuring device includes a pressing unit that presses the living soft tissue in a plurality of frequency patterns so that the pressing force periodically changes in a sine wave shape, and the deformation that appears as a sine wave corresponding to the pressing force. Data acquisition means for acquiring time-series data of an amount for each frequency pattern,
In the tissue fat measurement device, the tissue fat amount is obtained based on a frequency response based on time-series data of the deformation amount for each frequency pattern.
前記組織内脂肪算出手段では、前記粘弾性比率と、前記押込力に対する変形量の位相の時間遅れとにより、予め記憶された数式により前記組織内脂肪量が求められることを特徴とする請求項2記載の組織内脂肪検出システム。 In the frequency response deriving means, a viscoelastic ratio representing a change ratio of the gain with respect to a change in the frequency is specified from the relational expression,
3. The intra-tissue fat calculating means obtains the intra-tissue fat amount from a mathematical formula stored in advance based on the viscoelastic ratio and a time delay of the phase of the deformation amount with respect to the indentation force. The tissue fat detection system as described.
前記押込力の振幅に対する前記変形量の振幅の割合を表すゲインを求めるゲイン算出手段と、相互に同一となる前記押込力と前記変形量の周波数に対する前記ゲインの関係式を求める周波数応答導出手段と、当該周波数応答導出手段で求めた関係式に基づき、前記組織内脂肪量を求める組織内脂肪算出手段とを備えたことを特徴とする組織内脂肪測定装置。 When the living soft tissue mixed with a fat component is pushed in with a pushing force that periodically changes with time in a sinusoidal manner for each of a plurality of frequency patterns, the amount of deformation of the living soft tissue in the sinusoidal shape obtained with each frequency pattern In the tissue fat measurement device for obtaining the amount of fat in the tissue corresponding to the amount of the fat component based on the series data,
Gain calculating means for obtaining a gain representing a ratio of the amplitude of the deformation amount to the amplitude of the pushing force; and a frequency response deriving means for obtaining a relational expression of the gain with respect to the frequency of the pushing force and the deformation amount which are mutually the same. A tissue fat measurement device comprising: tissue fat calculation means for obtaining the tissue fat mass based on the relational expression obtained by the frequency response deriving means.
前記押込力の振幅に対する前記変形量の振幅の割合を表すゲインを求めるゲイン算出手段と、相互に同一となる前記押込力と前記変形量の周波数に対する前記ゲインの関係式を求める周波数応答導出手段と、当該周波数応答導出手段で求めた関係式に基づき、前記組織内脂肪量を求める組織内脂肪算出手段として、前記コンピュータを機能させることを特徴とする組織内脂肪測定装置のプログラム。 When the living soft tissue mixed with a fat component is pushed in with a pushing force that periodically changes with time in a sinusoidal manner for each of a plurality of frequency patterns, the amount of deformation of the living soft tissue in the sinusoidal shape obtained with each frequency pattern Based on the series data, in a computer program for causing the tissue fat measuring device to calculate the amount of fat in the tissue corresponding to the amount of the fat component,
Gain calculating means for obtaining a gain representing a ratio of the amplitude of the deformation amount to the amplitude of the pushing force; and a frequency response deriving means for obtaining a relational expression of the gain with respect to the frequency of the pushing force and the deformation amount which are mutually the same. A program for a tissue fat measurement device, which causes the computer to function as tissue fat calculation means for obtaining the tissue fat mass based on the relational expression obtained by the frequency response deriving means.
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