JP4350411B2 - 測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、細胞等の生体組織の粘弾性力を調べる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
細胞等の生体組織は、その種類によって硬さが異なることが知られている。したがって、生体組織の定量的な硬さを測定し、測定した硬さを基に、その細胞の種類（例えばがん細胞）を特定することができれば、患者の病気を特定することができる。
【０００３】
従来より、細胞等の生体組織の定量的な硬さを測定する方法として磁気共鳴弾性率測定法（Magnetic Resonance Elastorography）が知られている（非特許文献１）。この方法は、組織の表面に横方向の振動を与えるとともに、ＭＲＩ（磁気共鳴イメージング装置）を用いて生体組織の断面画像を取得し、その振動が組織中を伝搬していく速度を、ＭＲＩで得られた断面画像を基に算出し、算出した速度を基に組織の硬さを算出するものである。この手法によれば、生体組織の堅さを非侵襲で計測することができるとともに、組織中での硬さ（剛性率）の分布を計測することができる。
【０００４】
【非特許文献１】
MR elastography 松田哲也 菅幹生 日磁医誌 第２０巻６号（２０００）２９１〜３００頁
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記手法では、ＭＲＩが数ｃｍオーダー以下の物質の断面画像を取得することが困難であるため、測定物の大きさが数ｃｍオーダーとなり、それよりも小さな生体組織の粘弾性力を測定することは不可能であった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、数ｃｍオーダーよりも小さな生体組織の粘弾性力を定量的に測定することができる測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る測定装置は、生体組織の粘弾性力を測定する測定装置であって、前記生体組織及び微粒子を貯留する貯留手段と、前記微粒子を捕捉するためのレーザ光を出力するレーザ出力手段と、測定者からの操作指令を受け付ける操作手段と、前記操作手段が受け付けた操作指令に応じて、前記レーザ出力手段が出力したレーザ光によって補足された微粒子を移動させるために、前記レーザ光を偏向させる偏向手段と、前記偏向手段が偏向したレーザ光を前記貯留手段に導き、かつ、前記レーザ光に前記微粒子を捕捉させるために前記貯留手段において前記レーザ光を集光させる集光手段と、四角形状の受光領域に対応する測定エリアにおける前記微粒子の位置を検出する検出器と、前記微粒子を前記生体組織に押し当てることにより生じた、前記レーザ光の前記測定エリアでの位置に対する前記微粒子の前記測定エリアでの位置のずれ量を算出するずれ量算出手段と、前記ずれ量算出手段が算出したずれ量を基に、前記生体組織の粘弾性力を算出する算出手段とを備え、前記操作手段は、ハプティックデバイスであり、前記算出手段が算出した前記生体組織の粘弾性力に基づいて、前記ハプティックデバイスに付与する力覚を算出し、算出した力覚を前記ハプティックデバイスに付与する力覚付与手段をさらに備えることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、レーザ光は貯留手段で集光するように貯留手段へ導かれ、集光位置において微粒子を捕捉し、捕捉した微粒子を貯溜手段に貯留されている生体組織に押し当て、押し当てた際に生じる微粒子のレーザ光に対するずれ量が検出され、検出されたずれ量に対して所定の演算が施されて生体組織の粘弾性力が測定される。ここで、レーザ光は、放射圧により、例えば、直径が１００ｎｍ〜数十μｍの非常に小さな微粒子を捕捉することができる。そのため、数ｃｍオーダーよりも小さな生体組織の粘弾性力あるいは、生体組織の極めて小さな領域（例えば数ｃｍオーダーよりも小さな領域）における粘弾性力を測定することが可能となる。
【００１０】
また、この構成によれば、操作手段として、ハプティックデバイスを用いるとともに、算出された生体組織の粘弾性力から力覚が算出され、この力覚がハプティックデバイスに付与されるため、測定者は、生体組織の粘弾性力を体感することができる。
【００１１】
また、前記検出手段は、前記微粒子の散乱光を前記偏向手段を介して受光する４分割ディテクタを含むことが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、微粒子の散乱光を偏向手段を介して受光する４分割ディテクタを用いたため、検出手段の測定結果がそのままずれ量として表れることとなり、粘弾性力の測定手順が一部簡略化される。
【００１３】
また、前記操作手段は、前記偏向手段と通信可能に接続することにより、遠隔地に配設してもよい。この構成によれば、偏向手段を遠隔操作することができる。
【００１４】
また、前記生体組織を切断するための切断用レーザ光を出力する切断用レーザ光出力手段と、前記切断用レーザ光を偏向させるための測定者からの操作指令を受け付ける切断用操作手段と、前記切断用操作手段が受け付けた操作指令に応じて、前記切断用レーザ光を偏向させる切断用レーザ光偏向手段と、前記切断用レーザ光偏向手段が偏向した切断用レーザ光を前記貯留手段へ導く切断用光学系とを備えることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、切断用レーザ光は、操作者からの操作指令に応じて偏向され、貯留手段へと導かれ、生体組織を照射することにより生体組織を切断する。このため、生体組織を所望する長さに切断し、切断した生体組織の各断片の粘弾性力を個別に求めることができるとともに、生体組織として細胞膜を用い、細胞膜が切断された際の粘弾性力の経時的な変化を解析することにより、細胞膜の骨格の状態について診断することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る測定装置（以下、第１の測定装置という）の全体構成図を示している。第１の測定装置は、微粒子Ｐを捕捉するための捕捉用のレーザ光を出力するレーザ出力装置１と、微粒子Ｐを捕捉するために捕捉用のレーザ光を集光する集光レンズ２と、第１の測定装置全体を統括制御する制御装置３とを備えている。レーザ出力装置１と集光レンズ２との間には、レーザ光の下流側に向けて、偏向装置５、２波長性ミラー６が順番に配設されている。２波長性ミラー６の図中上側には集光レンズ７を介して検出器８が配設されている。制御装置３には、検出器８が電気的に接続されている。制御装置３には、レーザ光の偏向量を調整するための操作部９が電気的に接続されている。集光レンズ２の下側には微粒子Ｐ及び生体組織Ｏを貯留する容器１０が配設されている。微粒子Ｐ及び生体組織Ｏは、例えば水によって浸漬されている。微粒子Ｐは、直径が１００ｎｍから数十μｍの誘電体又は金属からなる粒子である。第１の測定装置（第２〜第４の測定装置も同じ）では、微粒子Ｐとして直径２μｍのポリスチレンラテックス粒子を用いている。
【００１７】
レーザ出力装置１は、例えばレーザダイオード及びレーザダイオードに駆動電流を供給する駆動回路等（いずれも図略）から構成され、容器１０が収容する微粒子Ｐを捕捉するためのレーザ光を出力する。なお、駆動回路は、制御装置３と電気的に接続されており、制御装置からの制御信号にしたがって、駆動電流のレベルを決定し、レーザダイオードに出力する。
【００１８】
集光レンズ２は、２波長性ミラー６から出力されたレーザ光を受光して容器１０内の所定の集光位置ＣＰに集光させる。また、微粒子のレーザ光による散乱光を受光して２波長性ミラー６側に導く。微粒子Ｐは集光位置ＣＰにおいてレーザ光からの放射圧を受けて集光される。
【００１９】
偏向装置５は、２個のガルバノミラー５１，５２で構成されている。ガルバノミラーは、可動コイル及び可動コイルの軸に取り付けられた小型反射ミラーを含み、小型反射ミラーは、可動コイルに流れる電流によって傾きが制御される。
【００２０】
ここで、集光位置ＣＰを通り、レーザ光の光軸と垂直平面上に、図２に示すような横方向の一辺にＸ軸が設定され、縦方向の一辺にＹ軸が設定された四角形状の測定エリアＭＡを想定する。
【００２１】
ガルバノミラー５１は、測定エリアＭＡのＸ軸方向へのレーザ光の偏向量を決定し、ガルバノミラー５２は、測定エリアＭＡのＹ軸方向へのレーザ光の偏向量を決定する。これにより図２に示す測定エリアＭＡ上でのレーザ光の位置ＬＰが決定される。なお、レーザ光の位置ＬＰは集光位置ＣＰに対応している。詳細には、ガルバノミラー５１は、例えば傾斜角度が０度のときＸ＝０、傾斜角度が９０度のときＸ＝Ｘ１（測定エリアＭＡのＸ軸上の最大値）となるように傾斜角度に応じてレーザ光のＸ方向の偏向量を決定する。また、ガルバノミラー５２は、例えば傾斜角度が０度のときＹ＝０、傾斜角度が９０度のときＹ＝Ｙ１（測定エリアＭＡのＹ軸上の最大値）となるように傾斜角度に応じてレーザ光のＹ方向の偏向量を決定する。
【００２２】
２波長性ミラー６は、偏向装置５からのレーザ光を反射させて、集光レンズ２側に導くとともに、集光レンズ２からの微粒子Ｐの散乱光を透過して集光レンズ７側へ導く。２波長性ミラー６を透過した散乱光は、集光レンズ７により集光されて検出器８に導かれる。
【００２３】
検出器８は、例えばポジションセンシティブディテクタ（ＰＳＤ）から構成され、微粒子Ｐの散乱光を受光することにより、微粒子Ｐの位置を検出する。ＰＳＤは、光を受光するディテクタ面を備えており、このディテクタ面での散乱光の受光位置（スポット位置）から容器１０内の微粒子Ｐの位置を検出する。ディテクタ面には四角形状の受光領域が設定されており、この受光領域は、測定エリアＭＡと対応している。そして、受光領域には、測定エリアＭＡと対応するようにＸ軸及びＹ軸が設定されている。検出器８は、スポット位置のＸ座標の値に対応するレベルの電圧信号と、Ｙ座標の値に対応するレベルの電圧信号とを制御装置３に出力する。図３は、測定エリアＭＡにおいて、レーザ光をＸ軸と平行に７２μｍ移動させたときの、スポット位置（微粒子の位置）とＰＳＤが生成する電圧との関係を示したグラフであり、縦軸はＰＳＤの出力電圧を示し、横軸は位置を示している。図３中破線はレーザ光を示しており、実線は微粒子Ｐを示している。図３から分かるように測定エリアＭＡの周辺部では、微粒子Ｐの電圧値は、若干ドリフトしているが、中心部ではほぼ直線状に変化していることが分かる。
【００２４】
操作部９は、制御装置３と電気的に接続されたハプティックデバイスで構成され、ベース９１、本体部９２及び操作スティック９３を備えている。本体部９２は、ベース９１に対して図１のＨで示す方向に回転自在に取り付けられている。また、操作スティック９３は、本体部９２に対して図Ｖで示す方向に回転自在に取り付けられている。操作スティック９３を把持した測定者が操作スティック９３を介して本体部９２をＨ方向に回転させると、操作部９は、その回転量に応じたレベルの操作指令信号を制御装置３に出力する。これにより、ガルバノミラー５１は、本体部９２の回転量に応じた角度で傾斜する。また、測定者が操作スティック９３をＶ方向に回転させると、操作部９は、その回転量に応じたレベルの操作指令信号を制御装置３に出力する。これにより、ガルバノミラー５２は、操作スティックの回転量に応じた角度で傾斜する。したがって、測定者は、後述する表示装置３４に表示された測定エリアＭＡの画像を観測しながら、操作部９を操作することにより、測定エリアＭＡおけるレーザ光の位置ＬＰを所望する位置に移動させることができる。
【００２５】
ＣＣＤカメラ１１は、集光レンズ２と２波長性ミラー６との間に配設され、測定エリアＭＡを撮影する。
【００２６】
次に、微粒子Ｐがレーザ光によって捕捉されるレーザトラッピングの原理について説明する。なお、レーザトラッピングの技術は１９８６年にAshkinらによって開発されたものである。(A.Ashki,J.M.Dziedzic,J.E.Bjorkholm and Steven Chu:Observation of a Single-Beam Gradient Force Optical Trap for Dielectric Particles,Optics Letters,11-5,288/290(1986))
図４は、レーザトラッピングの原理を説明するための図である。微粒子Ｐにレーザ光が照射されると、レーザ光は、周囲の媒質と異なる屈折率をもつ粒子の表面で屈折され、進行方向が変化する。これにより散乱が起こる。光を構成するフォトンは運動量を持っており、その運動量は粒子によって屈折・散乱時にも保存される。図４に示すように、Ｐａの方向に進行してきたレーザ光が屈折によりＰａ´の方向へと変化すると、この時の運動量変化分はＦａの方向を向いている。単位時間当たりのフォトンの運動量変化分が粒子に対して作用する力となる。同様に微粒子Ｐにレーザ光が照射している全ての部分における力を重ね合わせると、結果として微粒子Ｐには、レーザ光の焦点位置の方向に引き寄せられる力が働くこととなる。
【００２７】
これは、媒質の屈折率が微粒子Ｐの屈折率よりも小さい場合の挙動であるが、逆に媒質の屈折率が微小粒子の屈折率よりも大きい場合は、レーザ光の屈折する方向が逆となり、レーザ光の集光位置から遠ざかる方向へ力が働く。第１の測定装置は、媒質が水であり操作対象がポリスチレンビーズや生体細胞・分子の場合を想定しているため、媒質の屈折率が微粒子Ｐの屈折率よりも小さい。したがって、微粒子Ｐは集光位置ＣＰで捕捉される。
【００２８】
図５は、第１の測定装置における制御装置３の機能を説明するためのブロック構成図である。制御装置３は、ＣＰＵ（中央処理装置）３１、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、表示装置３４を備えている。
【００２９】
ＲＡＭ３３は、ＣＰＵ３１の作業領域として用いられ種々のデータを一時的に記憶する。表示装置３４は、ＣＲＴ（陰極線管）あるいは液晶パネルから構成され、ＣＣＤカメラ１１によって撮影された測定エリアＭＡの画像や測定された生体組織の粘弾性力等を表示する。
【００３０】
ＣＰＵ３１は、操作受付部３１１、ずれ量算出部３１２、粘弾性力算出部３１３及び力覚算出部３１４を機能的に備えている。
【００３１】
操作受付部３１１は、操作部９から出力された操作指令信号を受信し、受信した操作指令信号のレベルに応じた角度でガルバノミラー５１，５２を傾斜させるための傾斜指令信号を生成し、偏向装置５に出力する。また、操作受付部３１１は、ガルバノミラー５１，５２の傾斜角度から特定されるレーザ光の測定エリアＭＡ上での位置ＬＰ（ＸＬ，ＹＬ）を決定する。ガルバノミラー５１の傾斜角度が決定されると測定エリアＭＡのＸ座標の値が一意に決定されるとともに、ガルバノミラー５２の傾斜角度が決定されると測定エリアＭＡのＹ座標の値が一意に決定されるため、操作受付部３１１は、ガルバノミラー５１，５２のそれぞれの傾斜角度を基に、測定エリアＭＡにおけるレーザ光の位置ＬＰを決定することができる。
【００３２】
ずれ量算出部３１２は、検出器８が検出した微粒子Ｐの測定エリアＭＡ上での位置ＰＰ（ＸＰ，ＹＰ）及び操作受付部３１１が決定したレーザ光の位置ＬＰ（ＸＬ，ＹＬ）とを用いて、ΔＸ＝ＸＬ−ＸＰ、ΔＹ＝ＹＬ−ＹＰの演算を行うことにより、測定エリアＭＡ上におけるレーザ光に対する微粒子Ｐのずれ量ΔＬ（ΔＸ，ΔＹ）を算出する。
【００３３】
粘弾性力算出部３１３は、ずれ量算出部３１２が算出したずれ量ΔＬ（ΔＸ，ΔＹ）を式（１）に代入することにより、生体組織Ｏの粘弾性力ｆ（ｆＸ、ｆＹ）を算出する。
【００３４】
ｆ＝−ｋΔＬ＋６πηｒｖ・・・式（１）
ここで、ｋは光ピンセットのバネ定数、ηは容器１０内の液体（水）の粘性、ｒは微粒子Ｐの半径、ｖ（ｖｘ、ｖｙ）は微粒子Ｐの併進速度を表している。
【００３５】
レーザ光が照射された微粒子Ｐは、レーザ光からの放射圧によって集光位置ＣＰで捕捉される。捕捉された微粒子Ｐを生体組織Ｏに押し当てると、微粒子Ｐは生体組織Ｏからの外力を受けてレーザ光の位置ＬＰからΔＬずれる。ここで、微粒子Ｐに働く力Ｆは式（２）によって表される。
【００３６】
Ｆ＝ｋΔＬ＋６πηｒｖ＋ｆ・・・式（２）
ｆは外力（生体組織Ｏの粘弾性力）であり、右辺第１項は微粒子Ｐに働く捕捉力、右辺第２項は微粒子Ｐの併進運動で働く周りの媒質（水）から受ける粘性抵抗力である。そして、微粒子Ｐの質量をｍ、微粒子Ｐの加速度をａとすると、微粒子Ｐの運動方程式は、式（３）のように表される。
【００３７】
Ｆ＝ｍａ・・・式（３）
微粒子Ｐの質量ｍは非常に小さいため、捕捉力や粘性抵抗力に比べて無視できるとすると、式（３）でＦ＝０とすることができる。そして、式（３）をｆについて求めると式（１）が算出される。そして、式（１）において、η、ｒ及びｖが既知とすると、ΔＬの値が分かれば、粘弾性力ｆを算出することができる。
【００３８】
力覚算出部３１４は、粘弾性力算出部３１３が算出した粘弾性力ｆに対して所定の演算を施すことにより、ハプティックデバイスからなる操作部９に付与する力覚を算出する。測定者が存在するマクロ世界は弾性力が支配する世界であり、微粒子Ｐが存在するマイクロ世界は摩擦や粘性が支配的な世界である。このような物理的特性の違いからマクロ世界とマイクロ世界との位置変位情報や力覚情報は単純に定数倍する方法では操作性の面で適切でないと考えられる。そこで、力覚算出部３１４は、マイクロ環境下の作業感覚をそのまま測定者に提示するのではなく、測定者が操作する上で慣れたマクロ環境下の作業感覚に合うように力覚を算出している。詳細には、微粒子Ｐには周囲の媒質（水）との摩擦力、ブラウン運動による力が主に働いていると考えられる。そこで、力覚算出部３１４は、これらの力を近似的に
Ｆｒ＝−ｋｒＸ・・・式（４）
とすることにより力覚を算出している。
ここで、Ｆｒは微粒子Ｐに働く力、ｋｒはばね定数、Ｘは微粒子の位置変位である。
【００３９】
なお、第１の測定装置は、容器１０が貯留手段に相当し、レーザ出力装置１がレーザ出力手段に相当し、操作部９が操作手段に相当し、偏向装置５が偏向手段に相当し、２波長性ミラー６及び集光レンズ２が集光手段に相当し、検出器８、操作受付部３１１及びずれ量算出部３１２が検出手段に相当し、粘弾性力算出部３１３が算出手段に相当し、力覚算出部３１４が力覚付与手段に相当する。
【００４０】
次に、第１の測定装置の動作について説明する。図１に示すレーザ出力装置１から出力されたレーザ光は、偏向装置５、２波長性ミラー６及び集光レンズ２を介して集光位置ＣＰへと導かれる。容器１０内の微粒子Ｐはレーザ光からの放射圧を受けて、レーザ光によって集光位置ＣＰで捕捉される。そして、測定者が操作部９を操作することで、レーザ光により捕捉された微粒子Ｐは容器１０内を移動する。
【００４１】
図６は、微粒子ＰをＸ軸と平行に右方向に２７μｍ移動させ、引き続き２７μｍ左方向に移動させたときの微粒子Ｐの位置と時間との関係を示したグラフであり、（ａ）は２秒間で１往復させたとき、（ｂ）は１秒間で１往復させたときを示している。両グラフとも、縦軸がＸ座標上の位置を示し、横軸が時間を示している。曲線１は微粒子Ｐの位置と時間との関係を示しており、曲線２はレーザ光の位置と時間との関係を示している。
【００４２】
（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光を右方向に移動させているときは、曲線１は曲線２に対して右方向にずれており、レーザ光を左方向に移動させているときは、曲線１は曲線２に対して左方向にずれているため、微粒子Ｐはレーザ光より少し遅延して移動していることが分かる。また、（ａ）、（ｂ）を比較すると、レーザ光の移動速度を大きくした場合、微粒子Ｐのレーザ光に対する遅延量は増大していることが分かる。この曲線１及び曲線２の差が各時刻における微粒子Ｐのずれ量ΔＬとなる。
【００４３】
図１に示すレーザ光に捕捉された微粒子Ｐは、生体組織Ｏに押し当られる。微粒子Ｐのレーザ光による散乱光は集光レンズ２、２波長性ミラー６及び集光レンズ７を介して検出器８に導かれ、微粒子Ｐの位置が検出される。そして、検出器８が検出した微粒子Ｐの位置は電圧信号として制御装置３に出力される。
【００４４】
図７は、制御装置３の処理を示したフローチャートである。ステップＳ１において、操作受付部３１１は、ガルバノミラー５１，５２の傾斜角度からレーザ光の位置ＬＰを算出する。ステップＳ２において、ずれ量算出部３１２は、操作受付部３１１が算出したレーザ光の位置ＬＰと検出器８が検出した微粒子Ｐとを用いて両者のずれ量ΔＬを算出する。
【００４５】
ステップＳ３において、粘弾性力算出部３１３は、ステップＳ２で算出されたずれ量ΔＬを式（１）に代入することにより、粘弾性力ｆを算出する。図８は、図６（ｂ）で示したように微粒子Ｐを移動させたときのレーザ光による微粒子Ｐの捕捉力と、微粒子Ｐの粘性抵抗力との関係を示したグラフであり、縦軸は粘性抵抗力（単位はμＮ）を、横軸は時間を示している。また、実線で示す曲線は粘性抵抗を示し、破線で示す曲線は捕捉力を示している。なお、この場合、バネ定数ｋはｋ＝０．２５μＮ／ｍとしている。式（１）に示すように、両曲線の差、すなわち粘性抵抗と捕捉力との差が微粒子Ｐにかかる外力（生体組織Ｏの粘弾性力）ｆとなる。
【００４６】
ステップＳ４において、力覚算出部３１４は、ステップＳ３で算出された粘弾性力ｆを用いて力覚を算出する。そして、操作部９には、算出された力覚が付与される。これにより、測定者は操作時に粘弾性力ｆに応じた抵抗力を操作部９から受けることとなり、生体組織Ｏの粘弾性力を体感することができる。
【００４７】
以上説明したように、第１の測定装置によれば、直径１マイクロメートルの微粒子Ｐをレーザ光により捕捉して、生体組織Ｏに押し当てることで生体組織Ｏの粘弾性力ｆを測定しているため、マイクロメートルオーダーの極めて小さな生体組織、あるいは、生体組織の極めて小さな領域における粘弾性力ｆを測定することができる。また、微粒子を捕捉する力が非常に小さいため（数十フェムトニュートンから数ナノニュートンオーダー）、非侵襲で生体組織Ｏの粘弾性力を測定することができる。
【００４８】
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態に係る測定装置（以下、第２の測定装置という）の全体構成図を示している。第２の測定装置は、レーザ出力装置１と偏向装置５との間に２波長性ミラー２１を、２波長性ミラー２１の図中上側に検出器８を配設するとともに、検出器８として４分割ディテクタを採用した。
【００４９】
２波長性ミラー２１は、レーザ出力装置１から出力されたレーザ光を透過させて偏向装置５側に導くとともに、レーザ光による微粒子Ｐの散乱光を偏向装置５を介して受光し、受光した散乱光を反射させて、検出器８側へ導く。
【００５０】
図１０は４分割ディテクタの受光面を示した図である。４分割ディテクタは、４つの受光素子Ｄ１〜Ｄ４を備えており、中心点Ｓは、測定エリアＭＡ上でのレーザ光の位置ＬＰと対応するように配設されている。中心点Ｓを含む円状の破線Ｔは、４分割ディテクタが受光する散乱光を示している。受光素子Ｄ１〜Ｄ４のそれぞれが受光する散乱光の強度をＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４とすると、ずれ量ΔＬは式（５）で表される
ΔＸ＝Ｇ（（Ｉ１＋Ｉ２）−（Ｉ３＋Ｉ４））
ΔＹ＝Ｈ（（Ｉ１＋Ｉ３）−（Ｉ２＋Ｉ４））・・・式（５）
ここで、Ｇ，Ｈは比例定数で、実験によって求められる。４分割ディテクタを採用することにより、検出器８の測定結果がそのまま微粒子Ｐのレーザ光に対するずれ量ΔＬとなり、ずれ量ΔＬの算出手順を一部簡略化することができるとともに、ずれ量ΔＬの検出精度を高めることができる。
【００５１】
なお、第２の測定装置では、検出器８は強度Ｉ１〜Ｉ４を電気信号に変換し、制御装置３に出力する。ずれ量算出部３１２は、式（５）及び強度Ｉ１〜Ｉ４を用いてずれ量ΔＬ（ΔＸ，ΔＹ）を算出する。
（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態に係る測定装置（以下、第３の測定装置という）の全体構成図を示している。第３の測定装置は、第１の測定装置に対して、操作部９を通信装置３００を介して接続することにより遠隔操作を可能としている。通信装置３００は、制御装置３と通信回線３Ａを介して接続されている。通信装置３００は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備える通常のコンピュータに、通信装置として機能させるためのソフトウェアをインストールすることにより実現される。通信装置３００は、操作部９からの操作指令信号を例えばＴＣＰ/ＩＰ（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）プロトコル体系に準拠したデータに変換して、制御装置３に出力する。なお、ＴＣＰ／ＩＰプロトコル体系のトランスポート層のプロトコルとしては、コネクション型のプロトコルであるＴＣＰを採用し、通信の正確性を高めている。
【００５２】
通信回線３Ａとしては、例えば１００ＢＡＳＥ／ＴＸを採用している。それに伴って、通信装置３００及び制御装置３には、１００ＢＡＳＥ／ＴＸに対応する通信ボードを装着している。また、制御装置３には、通信装置３００との間でＴＣＰ／ＩＰによる通信を可能とするためのソフトウェアがインストールされている。
【００５３】
制御装置３は、通信装置３００からの操作指令信号を通信回線３Ａを介して受信し、傾斜指令信号に変換して、偏向装置５に出力する。また、制御装置３は、ＣＣＤ１１が撮影した測定エリアＭＡの画像をＴＣＰ／ＩＰプロトコル体系に準拠したデータに変換し通信装置３００に出力し、通信装置３００は受信したデータから測定エリアＭＡの画像を取り出し表示装置３０１に表示する。これにより、測定者は、測定エリアＭＡの画像を見ながら遠隔的な操作を行なうことができる。さらに制御装置３は、力覚算出部３１４が算出した力覚をＴＣＰ／ＩＰプロトコル体系に準拠した通信データに変換し、通信装置３００に送信する。通信装置３００は、この通信データをから力覚を取り出し、操作部９に力覚を付与する。これにより、測定者は、生体組織Ｏの粘弾性力を体感することができる。
【００５４】
なお、第３の測定装置は、第２の測定装置に対して、通信装置３００を介して操作部９を接続する構成を採用することにより、遠隔操作を可能としてもよい。
【００５５】
（第４実施形態）
図１２は、本発明の第４実施形態に係る測定装置（第４の測定装置）の全体構成図を示している。第１の測定装置に対して、生体組織Ｏを切断するためのレーザ光（切断レーザ光）を出力するレーザ出力装置４１と、切断レーザ光の測定エリアＭＡ上での位置を移動させる偏向装置４２と、偏向装置４２からのレーザ光を集光レンズ２側へ導く２波長性ミラー４３と、切断レーザ光の測定エリアＭＡ上での位置をコントロールするための操作部４４とがさらに付加されている。
【００５６】
レーザ出力装置４１は、生体組織Ｏを切断するのうえで好適な光量及び波長を有するレーザ光、例えば、紫外域の波長を持つレーザ光や、フェムト秒スケールのパルス幅を持つ超短波パルスレーザ光を出力する。偏向装置４２は、２枚のガルバノミラー４２１，４２２から構成される。ガルバノミラー４２１，４２２は、ガルバノミラー５１，５２と同様に、操作部４４からの操作指令に従って、それぞれ傾斜角度が変更され、切断用レーザ光の測定エリアＭＡ上でのＸ及びＹ座標の値を決定し、切断用レーザ光の照射位置を決定する。
【００５７】
２波長性ミラー４３は、偏向装置４２からの切断用レーザ光を反射させて集光レンズ２側へ導くとともに、生体組織Ｏの散乱光を透過させて検出器８側へ導く。
【００５８】
操作部４４は、制御装置３と電気的に接続され、本体部４４１と操作スティック４４２とを備えている。測定者が操作スティック４４２をある方向に倒すと、操作スティック４４２が倒された方向を示す操作指令信号が制御装置３に出力される。操作受付部３１１は、操作指令信号が示す方向に切断用のレーザ光が移動するように、傾斜指示信号をガルバノミラー４２１，４２２に出力し、ガルバノミラー４２１，４２２の傾斜角度を変更させる。
【００５９】
このように、第４の測定装置によれば、生体組織Ｏを切断するための機構を付加したため、生体組織Ｏを所望する長さに切断し、切断した生体組織Ｏの各断片の粘弾性力ｆを個別に求めることが可能となる。また、生体組織Ｏとして細胞膜を用い、この細胞膜を引っ張った状態とし、切断用レーザ光を用いて引っ張られた状態の細胞膜を切断し、切断した際に生じる粘弾性力の経時的な変化（力が緩和していく過程）を解析することにより、細胞膜の骨格の状態について診断することができる。
【００６０】
第４実施形態では、第１の測定装置に生体組織Ｏを切断するための機構を付加したが、これに限定されず、第２、第３の測定装置に生体組織Ｏを切断するための機構を付加してもよい。第３の測定装置に生体組織を切断するための機構を付加した場合、図１１に示す通信装置３００に操作部４４を接続するとともに、通信装置３００に、操作部４４からの操作指令信号を通信回線３Ａに出力するためのソフトウェアをインストールすればよい。これにより、遠隔操作によって生体組織Ｏを切断することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、非常に小さな微粒子（例えば、直径１マイクロメートル）を生体組織に押し当てることで生体組織の粘弾性力を測定しているため、極めて小さな生体組織、あるいは、生体組織の極めて小さな領域における粘弾性力を測定することができる。また、微粒子を補足する力が非常に小さい（例えば、数十フェムトニュートンから数ナノニュートンオーダー）ため、非侵襲で生体組織Ｏの粘弾性力を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る測定装置の全体構成図を示している。
【図２】 測定エリアを示した図である。
【図３】 測定エリアにおいて、レーザ光をＸ軸と平行に７２μｍ移動させたときの、スポット位置（微粒子の位置）とＰＳＤが生成する電圧との関係を示したグラフであり、縦軸はＰＳＤの出力電圧を示し、横軸は位置を示している。
【図４】 レーザトラッピングの原理を説明するための図である。
【図５】 第１の測定装置における制御装置３の機能を説明するためのブロック構成図である。
【図６】 微粒子ＰをＸ軸と平行に右方向に２７μｍ移動させ、引き続き２７μｍ左方向に移動させたときの微粒子Ｐの位置と時間との関係を示したグラフであり、（ａ）は２秒間で１往復させたとき、（ｂ）は１秒間で１往復させたときを示している。
【図７】 制御装置の処理を示したフローチャートである。
【図８】 図６（ｂ）で示したように微粒子Ｐを移動させたときのレーザ光による微粒子Ｐの捕捉力と、微粒子Ｐの粘性抵抗力との関係を示したグラフであり、縦軸は力（単位はμＮ）を、横軸は時間を示している。
【図９】 本発明の第２実施形態に係る測定装置の全体構成図を示している。
【図１０】 ４分割ディテクタの受光面を示した図である。
【図１１】 本発明の第３実施形態に係る測定装置の全体構成図を示している。
【図１２】 本発明の第４実施形態に係る測定装置の全体構成図を示している。
【符号の説明】
１ レーザ出力装置
２ 集光レンズ
３ 制御装置
５ 偏向装置
６ ２波長性ミラー
７ 集光レンズ
８ 検出器
９ 操作部
１０ 容器
２１ ２波長性ミラー
３４ 表示装置
４１ レーザ出力装置
４２ 偏向装置
４３ ２波長性ミラー
４４ 操作部
５１ ５２ ガルバノミラー
３１１ 操作受付部
３１２ ずれ量算出部
３１３ 粘弾性力算出部
３１４ 力覚算出部
４２１ ４２２ ガルバノミラー
【発明の属する技術分野】
本発明は、細胞等の生体組織の粘弾性力を調べる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
細胞等の生体組織は、その種類によって硬さが異なることが知られている。したがって、生体組織の定量的な硬さを測定し、測定した硬さを基に、その細胞の種類（例えばがん細胞）を特定することができれば、患者の病気を特定することができる。
【０００３】
従来より、細胞等の生体組織の定量的な硬さを測定する方法として磁気共鳴弾性率測定法（Magnetic Resonance Elastorography）が知られている（非特許文献１）。この方法は、組織の表面に横方向の振動を与えるとともに、ＭＲＩ（磁気共鳴イメージング装置）を用いて生体組織の断面画像を取得し、その振動が組織中を伝搬していく速度を、ＭＲＩで得られた断面画像を基に算出し、算出した速度を基に組織の硬さを算出するものである。この手法によれば、生体組織の堅さを非侵襲で計測することができるとともに、組織中での硬さ（剛性率）の分布を計測することができる。
【０００４】
【非特許文献１】
MR elastography 松田哲也 菅幹生 日磁医誌 第２０巻６号（２０００）２９１〜３００頁
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記手法では、ＭＲＩが数ｃｍオーダー以下の物質の断面画像を取得することが困難であるため、測定物の大きさが数ｃｍオーダーとなり、それよりも小さな生体組織の粘弾性力を測定することは不可能であった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、数ｃｍオーダーよりも小さな生体組織の粘弾性力を定量的に測定することができる測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る測定装置は、生体組織の粘弾性力を測定する測定装置であって、前記生体組織及び微粒子を貯留する貯留手段と、前記微粒子を捕捉するためのレーザ光を出力するレーザ出力手段と、測定者からの操作指令を受け付ける操作手段と、前記操作手段が受け付けた操作指令に応じて、前記レーザ出力手段が出力したレーザ光によって補足された微粒子を移動させるために、前記レーザ光を偏向させる偏向手段と、前記偏向手段が偏向したレーザ光を前記貯留手段に導き、かつ、前記レーザ光に前記微粒子を捕捉させるために前記貯留手段において前記レーザ光を集光させる集光手段と、四角形状の受光領域に対応する測定エリアにおける前記微粒子の位置を検出する検出器と、前記微粒子を前記生体組織に押し当てることにより生じた、前記レーザ光の前記測定エリアでの位置に対する前記微粒子の前記測定エリアでの位置のずれ量を算出するずれ量算出手段と、前記ずれ量算出手段が算出したずれ量を基に、前記生体組織の粘弾性力を算出する算出手段とを備え、前記操作手段は、ハプティックデバイスであり、前記算出手段が算出した前記生体組織の粘弾性力に基づいて、前記ハプティックデバイスに付与する力覚を算出し、算出した力覚を前記ハプティックデバイスに付与する力覚付与手段をさらに備えることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、レーザ光は貯留手段で集光するように貯留手段へ導かれ、集光位置において微粒子を捕捉し、捕捉した微粒子を貯溜手段に貯留されている生体組織に押し当て、押し当てた際に生じる微粒子のレーザ光に対するずれ量が検出され、検出されたずれ量に対して所定の演算が施されて生体組織の粘弾性力が測定される。ここで、レーザ光は、放射圧により、例えば、直径が１００ｎｍ〜数十μｍの非常に小さな微粒子を捕捉することができる。そのため、数ｃｍオーダーよりも小さな生体組織の粘弾性力あるいは、生体組織の極めて小さな領域（例えば数ｃｍオーダーよりも小さな領域）における粘弾性力を測定することが可能となる。
【００１０】
また、この構成によれば、操作手段として、ハプティックデバイスを用いるとともに、算出された生体組織の粘弾性力から力覚が算出され、この力覚がハプティックデバイスに付与されるため、測定者は、生体組織の粘弾性力を体感することができる。
【００１１】
また、前記検出手段は、前記微粒子の散乱光を前記偏向手段を介して受光する４分割ディテクタを含むことが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、微粒子の散乱光を偏向手段を介して受光する４分割ディテクタを用いたため、検出手段の測定結果がそのままずれ量として表れることとなり、粘弾性力の測定手順が一部簡略化される。
【００１３】
また、前記操作手段は、前記偏向手段と通信可能に接続することにより、遠隔地に配設してもよい。この構成によれば、偏向手段を遠隔操作することができる。
【００１４】
また、前記生体組織を切断するための切断用レーザ光を出力する切断用レーザ光出力手段と、前記切断用レーザ光を偏向させるための測定者からの操作指令を受け付ける切断用操作手段と、前記切断用操作手段が受け付けた操作指令に応じて、前記切断用レーザ光を偏向させる切断用レーザ光偏向手段と、前記切断用レーザ光偏向手段が偏向した切断用レーザ光を前記貯留手段へ導く切断用光学系とを備えることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、切断用レーザ光は、操作者からの操作指令に応じて偏向され、貯留手段へと導かれ、生体組織を照射することにより生体組織を切断する。このため、生体組織を所望する長さに切断し、切断した生体組織の各断片の粘弾性力を個別に求めることができるとともに、生体組織として細胞膜を用い、細胞膜が切断された際の粘弾性力の経時的な変化を解析することにより、細胞膜の骨格の状態について診断することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る測定装置（以下、第１の測定装置という）の全体構成図を示している。第１の測定装置は、微粒子Ｐを捕捉するための捕捉用のレーザ光を出力するレーザ出力装置１と、微粒子Ｐを捕捉するために捕捉用のレーザ光を集光する集光レンズ２と、第１の測定装置全体を統括制御する制御装置３とを備えている。レーザ出力装置１と集光レンズ２との間には、レーザ光の下流側に向けて、偏向装置５、２波長性ミラー６が順番に配設されている。２波長性ミラー６の図中上側には集光レンズ７を介して検出器８が配設されている。制御装置３には、検出器８が電気的に接続されている。制御装置３には、レーザ光の偏向量を調整するための操作部９が電気的に接続されている。集光レンズ２の下側には微粒子Ｐ及び生体組織Ｏを貯留する容器１０が配設されている。微粒子Ｐ及び生体組織Ｏは、例えば水によって浸漬されている。微粒子Ｐは、直径が１００ｎｍから数十μｍの誘電体又は金属からなる粒子である。第１の測定装置（第２〜第４の測定装置も同じ）では、微粒子Ｐとして直径２μｍのポリスチレンラテックス粒子を用いている。
【００１７】
レーザ出力装置１は、例えばレーザダイオード及びレーザダイオードに駆動電流を供給する駆動回路等（いずれも図略）から構成され、容器１０が収容する微粒子Ｐを捕捉するためのレーザ光を出力する。なお、駆動回路は、制御装置３と電気的に接続されており、制御装置からの制御信号にしたがって、駆動電流のレベルを決定し、レーザダイオードに出力する。
【００１８】
集光レンズ２は、２波長性ミラー６から出力されたレーザ光を受光して容器１０内の所定の集光位置ＣＰに集光させる。また、微粒子のレーザ光による散乱光を受光して２波長性ミラー６側に導く。微粒子Ｐは集光位置ＣＰにおいてレーザ光からの放射圧を受けて集光される。
【００１９】
偏向装置５は、２個のガルバノミラー５１，５２で構成されている。ガルバノミラーは、可動コイル及び可動コイルの軸に取り付けられた小型反射ミラーを含み、小型反射ミラーは、可動コイルに流れる電流によって傾きが制御される。
【００２０】
ここで、集光位置ＣＰを通り、レーザ光の光軸と垂直平面上に、図２に示すような横方向の一辺にＸ軸が設定され、縦方向の一辺にＹ軸が設定された四角形状の測定エリアＭＡを想定する。
【００２１】
ガルバノミラー５１は、測定エリアＭＡのＸ軸方向へのレーザ光の偏向量を決定し、ガルバノミラー５２は、測定エリアＭＡのＹ軸方向へのレーザ光の偏向量を決定する。これにより図２に示す測定エリアＭＡ上でのレーザ光の位置ＬＰが決定される。なお、レーザ光の位置ＬＰは集光位置ＣＰに対応している。詳細には、ガルバノミラー５１は、例えば傾斜角度が０度のときＸ＝０、傾斜角度が９０度のときＸ＝Ｘ１（測定エリアＭＡのＸ軸上の最大値）となるように傾斜角度に応じてレーザ光のＸ方向の偏向量を決定する。また、ガルバノミラー５２は、例えば傾斜角度が０度のときＹ＝０、傾斜角度が９０度のときＹ＝Ｙ１（測定エリアＭＡのＹ軸上の最大値）となるように傾斜角度に応じてレーザ光のＹ方向の偏向量を決定する。
【００２２】
２波長性ミラー６は、偏向装置５からのレーザ光を反射させて、集光レンズ２側に導くとともに、集光レンズ２からの微粒子Ｐの散乱光を透過して集光レンズ７側へ導く。２波長性ミラー６を透過した散乱光は、集光レンズ７により集光されて検出器８に導かれる。
【００２３】
検出器８は、例えばポジションセンシティブディテクタ（ＰＳＤ）から構成され、微粒子Ｐの散乱光を受光することにより、微粒子Ｐの位置を検出する。ＰＳＤは、光を受光するディテクタ面を備えており、このディテクタ面での散乱光の受光位置（スポット位置）から容器１０内の微粒子Ｐの位置を検出する。ディテクタ面には四角形状の受光領域が設定されており、この受光領域は、測定エリアＭＡと対応している。そして、受光領域には、測定エリアＭＡと対応するようにＸ軸及びＹ軸が設定されている。検出器８は、スポット位置のＸ座標の値に対応するレベルの電圧信号と、Ｙ座標の値に対応するレベルの電圧信号とを制御装置３に出力する。図３は、測定エリアＭＡにおいて、レーザ光をＸ軸と平行に７２μｍ移動させたときの、スポット位置（微粒子の位置）とＰＳＤが生成する電圧との関係を示したグラフであり、縦軸はＰＳＤの出力電圧を示し、横軸は位置を示している。図３中破線はレーザ光を示しており、実線は微粒子Ｐを示している。図３から分かるように測定エリアＭＡの周辺部では、微粒子Ｐの電圧値は、若干ドリフトしているが、中心部ではほぼ直線状に変化していることが分かる。
【００２４】
操作部９は、制御装置３と電気的に接続されたハプティックデバイスで構成され、ベース９１、本体部９２及び操作スティック９３を備えている。本体部９２は、ベース９１に対して図１のＨで示す方向に回転自在に取り付けられている。また、操作スティック９３は、本体部９２に対して図Ｖで示す方向に回転自在に取り付けられている。操作スティック９３を把持した測定者が操作スティック９３を介して本体部９２をＨ方向に回転させると、操作部９は、その回転量に応じたレベルの操作指令信号を制御装置３に出力する。これにより、ガルバノミラー５１は、本体部９２の回転量に応じた角度で傾斜する。また、測定者が操作スティック９３をＶ方向に回転させると、操作部９は、その回転量に応じたレベルの操作指令信号を制御装置３に出力する。これにより、ガルバノミラー５２は、操作スティックの回転量に応じた角度で傾斜する。したがって、測定者は、後述する表示装置３４に表示された測定エリアＭＡの画像を観測しながら、操作部９を操作することにより、測定エリアＭＡおけるレーザ光の位置ＬＰを所望する位置に移動させることができる。
【００２５】
ＣＣＤカメラ１１は、集光レンズ２と２波長性ミラー６との間に配設され、測定エリアＭＡを撮影する。
【００２６】
次に、微粒子Ｐがレーザ光によって捕捉されるレーザトラッピングの原理について説明する。なお、レーザトラッピングの技術は１９８６年にAshkinらによって開発されたものである。(A.Ashki,J.M.Dziedzic,J.E.Bjorkholm and Steven Chu:Observation of a Single-Beam Gradient Force Optical Trap for Dielectric Particles,Optics Letters,11-5,288/290(1986))
図４は、レーザトラッピングの原理を説明するための図である。微粒子Ｐにレーザ光が照射されると、レーザ光は、周囲の媒質と異なる屈折率をもつ粒子の表面で屈折され、進行方向が変化する。これにより散乱が起こる。光を構成するフォトンは運動量を持っており、その運動量は粒子によって屈折・散乱時にも保存される。図４に示すように、Ｐａの方向に進行してきたレーザ光が屈折によりＰａ´の方向へと変化すると、この時の運動量変化分はＦａの方向を向いている。単位時間当たりのフォトンの運動量変化分が粒子に対して作用する力となる。同様に微粒子Ｐにレーザ光が照射している全ての部分における力を重ね合わせると、結果として微粒子Ｐには、レーザ光の焦点位置の方向に引き寄せられる力が働くこととなる。
【００２７】
これは、媒質の屈折率が微粒子Ｐの屈折率よりも小さい場合の挙動であるが、逆に媒質の屈折率が微小粒子の屈折率よりも大きい場合は、レーザ光の屈折する方向が逆となり、レーザ光の集光位置から遠ざかる方向へ力が働く。第１の測定装置は、媒質が水であり操作対象がポリスチレンビーズや生体細胞・分子の場合を想定しているため、媒質の屈折率が微粒子Ｐの屈折率よりも小さい。したがって、微粒子Ｐは集光位置ＣＰで捕捉される。
【００２８】
図５は、第１の測定装置における制御装置３の機能を説明するためのブロック構成図である。制御装置３は、ＣＰＵ（中央処理装置）３１、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、表示装置３４を備えている。
【００２９】
ＲＡＭ３３は、ＣＰＵ３１の作業領域として用いられ種々のデータを一時的に記憶する。表示装置３４は、ＣＲＴ（陰極線管）あるいは液晶パネルから構成され、ＣＣＤカメラ１１によって撮影された測定エリアＭＡの画像や測定された生体組織の粘弾性力等を表示する。
【００３０】
ＣＰＵ３１は、操作受付部３１１、ずれ量算出部３１２、粘弾性力算出部３１３及び力覚算出部３１４を機能的に備えている。
【００３１】
操作受付部３１１は、操作部９から出力された操作指令信号を受信し、受信した操作指令信号のレベルに応じた角度でガルバノミラー５１，５２を傾斜させるための傾斜指令信号を生成し、偏向装置５に出力する。また、操作受付部３１１は、ガルバノミラー５１，５２の傾斜角度から特定されるレーザ光の測定エリアＭＡ上での位置ＬＰ（ＸＬ，ＹＬ）を決定する。ガルバノミラー５１の傾斜角度が決定されると測定エリアＭＡのＸ座標の値が一意に決定されるとともに、ガルバノミラー５２の傾斜角度が決定されると測定エリアＭＡのＹ座標の値が一意に決定されるため、操作受付部３１１は、ガルバノミラー５１，５２のそれぞれの傾斜角度を基に、測定エリアＭＡにおけるレーザ光の位置ＬＰを決定することができる。
【００３２】
ずれ量算出部３１２は、検出器８が検出した微粒子Ｐの測定エリアＭＡ上での位置ＰＰ（ＸＰ，ＹＰ）及び操作受付部３１１が決定したレーザ光の位置ＬＰ（ＸＬ，ＹＬ）とを用いて、ΔＸ＝ＸＬ−ＸＰ、ΔＹ＝ＹＬ−ＹＰの演算を行うことにより、測定エリアＭＡ上におけるレーザ光に対する微粒子Ｐのずれ量ΔＬ（ΔＸ，ΔＹ）を算出する。
【００３３】
粘弾性力算出部３１３は、ずれ量算出部３１２が算出したずれ量ΔＬ（ΔＸ，ΔＹ）を式（１）に代入することにより、生体組織Ｏの粘弾性力ｆ（ｆＸ、ｆＹ）を算出する。
【００３４】
ｆ＝−ｋΔＬ＋６πηｒｖ・・・式（１）
ここで、ｋは光ピンセットのバネ定数、ηは容器１０内の液体（水）の粘性、ｒは微粒子Ｐの半径、ｖ（ｖｘ、ｖｙ）は微粒子Ｐの併進速度を表している。
【００３５】
レーザ光が照射された微粒子Ｐは、レーザ光からの放射圧によって集光位置ＣＰで捕捉される。捕捉された微粒子Ｐを生体組織Ｏに押し当てると、微粒子Ｐは生体組織Ｏからの外力を受けてレーザ光の位置ＬＰからΔＬずれる。ここで、微粒子Ｐに働く力Ｆは式（２）によって表される。
【００３６】
Ｆ＝ｋΔＬ＋６πηｒｖ＋ｆ・・・式（２）
ｆは外力（生体組織Ｏの粘弾性力）であり、右辺第１項は微粒子Ｐに働く捕捉力、右辺第２項は微粒子Ｐの併進運動で働く周りの媒質（水）から受ける粘性抵抗力である。そして、微粒子Ｐの質量をｍ、微粒子Ｐの加速度をａとすると、微粒子Ｐの運動方程式は、式（３）のように表される。
【００３７】
Ｆ＝ｍａ・・・式（３）
微粒子Ｐの質量ｍは非常に小さいため、捕捉力や粘性抵抗力に比べて無視できるとすると、式（３）でＦ＝０とすることができる。そして、式（３）をｆについて求めると式（１）が算出される。そして、式（１）において、η、ｒ及びｖが既知とすると、ΔＬの値が分かれば、粘弾性力ｆを算出することができる。
【００３８】
力覚算出部３１４は、粘弾性力算出部３１３が算出した粘弾性力ｆに対して所定の演算を施すことにより、ハプティックデバイスからなる操作部９に付与する力覚を算出する。測定者が存在するマクロ世界は弾性力が支配する世界であり、微粒子Ｐが存在するマイクロ世界は摩擦や粘性が支配的な世界である。このような物理的特性の違いからマクロ世界とマイクロ世界との位置変位情報や力覚情報は単純に定数倍する方法では操作性の面で適切でないと考えられる。そこで、力覚算出部３１４は、マイクロ環境下の作業感覚をそのまま測定者に提示するのではなく、測定者が操作する上で慣れたマクロ環境下の作業感覚に合うように力覚を算出している。詳細には、微粒子Ｐには周囲の媒質（水）との摩擦力、ブラウン運動による力が主に働いていると考えられる。そこで、力覚算出部３１４は、これらの力を近似的に
Ｆｒ＝−ｋｒＸ・・・式（４）
とすることにより力覚を算出している。
ここで、Ｆｒは微粒子Ｐに働く力、ｋｒはばね定数、Ｘは微粒子の位置変位である。
【００３９】
なお、第１の測定装置は、容器１０が貯留手段に相当し、レーザ出力装置１がレーザ出力手段に相当し、操作部９が操作手段に相当し、偏向装置５が偏向手段に相当し、２波長性ミラー６及び集光レンズ２が集光手段に相当し、検出器８、操作受付部３１１及びずれ量算出部３１２が検出手段に相当し、粘弾性力算出部３１３が算出手段に相当し、力覚算出部３１４が力覚付与手段に相当する。
【００４０】
次に、第１の測定装置の動作について説明する。図１に示すレーザ出力装置１から出力されたレーザ光は、偏向装置５、２波長性ミラー６及び集光レンズ２を介して集光位置ＣＰへと導かれる。容器１０内の微粒子Ｐはレーザ光からの放射圧を受けて、レーザ光によって集光位置ＣＰで捕捉される。そして、測定者が操作部９を操作することで、レーザ光により捕捉された微粒子Ｐは容器１０内を移動する。
【００４１】
図６は、微粒子ＰをＸ軸と平行に右方向に２７μｍ移動させ、引き続き２７μｍ左方向に移動させたときの微粒子Ｐの位置と時間との関係を示したグラフであり、（ａ）は２秒間で１往復させたとき、（ｂ）は１秒間で１往復させたときを示している。両グラフとも、縦軸がＸ座標上の位置を示し、横軸が時間を示している。曲線１は微粒子Ｐの位置と時間との関係を示しており、曲線２はレーザ光の位置と時間との関係を示している。
【００４２】
（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光を右方向に移動させているときは、曲線１は曲線２に対して右方向にずれており、レーザ光を左方向に移動させているときは、曲線１は曲線２に対して左方向にずれているため、微粒子Ｐはレーザ光より少し遅延して移動していることが分かる。また、（ａ）、（ｂ）を比較すると、レーザ光の移動速度を大きくした場合、微粒子Ｐのレーザ光に対する遅延量は増大していることが分かる。この曲線１及び曲線２の差が各時刻における微粒子Ｐのずれ量ΔＬとなる。
【００４３】
図１に示すレーザ光に捕捉された微粒子Ｐは、生体組織Ｏに押し当られる。微粒子Ｐのレーザ光による散乱光は集光レンズ２、２波長性ミラー６及び集光レンズ７を介して検出器８に導かれ、微粒子Ｐの位置が検出される。そして、検出器８が検出した微粒子Ｐの位置は電圧信号として制御装置３に出力される。
【００４４】
図７は、制御装置３の処理を示したフローチャートである。ステップＳ１において、操作受付部３１１は、ガルバノミラー５１，５２の傾斜角度からレーザ光の位置ＬＰを算出する。ステップＳ２において、ずれ量算出部３１２は、操作受付部３１１が算出したレーザ光の位置ＬＰと検出器８が検出した微粒子Ｐとを用いて両者のずれ量ΔＬを算出する。
【００４５】
ステップＳ３において、粘弾性力算出部３１３は、ステップＳ２で算出されたずれ量ΔＬを式（１）に代入することにより、粘弾性力ｆを算出する。図８は、図６（ｂ）で示したように微粒子Ｐを移動させたときのレーザ光による微粒子Ｐの捕捉力と、微粒子Ｐの粘性抵抗力との関係を示したグラフであり、縦軸は粘性抵抗力（単位はμＮ）を、横軸は時間を示している。また、実線で示す曲線は粘性抵抗を示し、破線で示す曲線は捕捉力を示している。なお、この場合、バネ定数ｋはｋ＝０．２５μＮ／ｍとしている。式（１）に示すように、両曲線の差、すなわち粘性抵抗と捕捉力との差が微粒子Ｐにかかる外力（生体組織Ｏの粘弾性力）ｆとなる。
【００４６】
ステップＳ４において、力覚算出部３１４は、ステップＳ３で算出された粘弾性力ｆを用いて力覚を算出する。そして、操作部９には、算出された力覚が付与される。これにより、測定者は操作時に粘弾性力ｆに応じた抵抗力を操作部９から受けることとなり、生体組織Ｏの粘弾性力を体感することができる。
【００４７】
以上説明したように、第１の測定装置によれば、直径１マイクロメートルの微粒子Ｐをレーザ光により捕捉して、生体組織Ｏに押し当てることで生体組織Ｏの粘弾性力ｆを測定しているため、マイクロメートルオーダーの極めて小さな生体組織、あるいは、生体組織の極めて小さな領域における粘弾性力ｆを測定することができる。また、微粒子を捕捉する力が非常に小さいため（数十フェムトニュートンから数ナノニュートンオーダー）、非侵襲で生体組織Ｏの粘弾性力を測定することができる。
【００４８】
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態に係る測定装置（以下、第２の測定装置という）の全体構成図を示している。第２の測定装置は、レーザ出力装置１と偏向装置５との間に２波長性ミラー２１を、２波長性ミラー２１の図中上側に検出器８を配設するとともに、検出器８として４分割ディテクタを採用した。
【００４９】
２波長性ミラー２１は、レーザ出力装置１から出力されたレーザ光を透過させて偏向装置５側に導くとともに、レーザ光による微粒子Ｐの散乱光を偏向装置５を介して受光し、受光した散乱光を反射させて、検出器８側へ導く。
【００５０】
図１０は４分割ディテクタの受光面を示した図である。４分割ディテクタは、４つの受光素子Ｄ１〜Ｄ４を備えており、中心点Ｓは、測定エリアＭＡ上でのレーザ光の位置ＬＰと対応するように配設されている。中心点Ｓを含む円状の破線Ｔは、４分割ディテクタが受光する散乱光を示している。受光素子Ｄ１〜Ｄ４のそれぞれが受光する散乱光の強度をＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４とすると、ずれ量ΔＬは式（５）で表される
ΔＸ＝Ｇ（（Ｉ１＋Ｉ２）−（Ｉ３＋Ｉ４））
ΔＹ＝Ｈ（（Ｉ１＋Ｉ３）−（Ｉ２＋Ｉ４））・・・式（５）
ここで、Ｇ，Ｈは比例定数で、実験によって求められる。４分割ディテクタを採用することにより、検出器８の測定結果がそのまま微粒子Ｐのレーザ光に対するずれ量ΔＬとなり、ずれ量ΔＬの算出手順を一部簡略化することができるとともに、ずれ量ΔＬの検出精度を高めることができる。
【００５１】
なお、第２の測定装置では、検出器８は強度Ｉ１〜Ｉ４を電気信号に変換し、制御装置３に出力する。ずれ量算出部３１２は、式（５）及び強度Ｉ１〜Ｉ４を用いてずれ量ΔＬ（ΔＸ，ΔＹ）を算出する。
（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態に係る測定装置（以下、第３の測定装置という）の全体構成図を示している。第３の測定装置は、第１の測定装置に対して、操作部９を通信装置３００を介して接続することにより遠隔操作を可能としている。通信装置３００は、制御装置３と通信回線３Ａを介して接続されている。通信装置３００は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備える通常のコンピュータに、通信装置として機能させるためのソフトウェアをインストールすることにより実現される。通信装置３００は、操作部９からの操作指令信号を例えばＴＣＰ/ＩＰ（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）プロトコル体系に準拠したデータに変換して、制御装置３に出力する。なお、ＴＣＰ／ＩＰプロトコル体系のトランスポート層のプロトコルとしては、コネクション型のプロトコルであるＴＣＰを採用し、通信の正確性を高めている。
【００５２】
通信回線３Ａとしては、例えば１００ＢＡＳＥ／ＴＸを採用している。それに伴って、通信装置３００及び制御装置３には、１００ＢＡＳＥ／ＴＸに対応する通信ボードを装着している。また、制御装置３には、通信装置３００との間でＴＣＰ／ＩＰによる通信を可能とするためのソフトウェアがインストールされている。
【００５３】
制御装置３は、通信装置３００からの操作指令信号を通信回線３Ａを介して受信し、傾斜指令信号に変換して、偏向装置５に出力する。また、制御装置３は、ＣＣＤ１１が撮影した測定エリアＭＡの画像をＴＣＰ／ＩＰプロトコル体系に準拠したデータに変換し通信装置３００に出力し、通信装置３００は受信したデータから測定エリアＭＡの画像を取り出し表示装置３０１に表示する。これにより、測定者は、測定エリアＭＡの画像を見ながら遠隔的な操作を行なうことができる。さらに制御装置３は、力覚算出部３１４が算出した力覚をＴＣＰ／ＩＰプロトコル体系に準拠した通信データに変換し、通信装置３００に送信する。通信装置３００は、この通信データをから力覚を取り出し、操作部９に力覚を付与する。これにより、測定者は、生体組織Ｏの粘弾性力を体感することができる。
【００５４】
なお、第３の測定装置は、第２の測定装置に対して、通信装置３００を介して操作部９を接続する構成を採用することにより、遠隔操作を可能としてもよい。
【００５５】
（第４実施形態）
図１２は、本発明の第４実施形態に係る測定装置（第４の測定装置）の全体構成図を示している。第１の測定装置に対して、生体組織Ｏを切断するためのレーザ光（切断レーザ光）を出力するレーザ出力装置４１と、切断レーザ光の測定エリアＭＡ上での位置を移動させる偏向装置４２と、偏向装置４２からのレーザ光を集光レンズ２側へ導く２波長性ミラー４３と、切断レーザ光の測定エリアＭＡ上での位置をコントロールするための操作部４４とがさらに付加されている。
【００５６】
レーザ出力装置４１は、生体組織Ｏを切断するのうえで好適な光量及び波長を有するレーザ光、例えば、紫外域の波長を持つレーザ光や、フェムト秒スケールのパルス幅を持つ超短波パルスレーザ光を出力する。偏向装置４２は、２枚のガルバノミラー４２１，４２２から構成される。ガルバノミラー４２１，４２２は、ガルバノミラー５１，５２と同様に、操作部４４からの操作指令に従って、それぞれ傾斜角度が変更され、切断用レーザ光の測定エリアＭＡ上でのＸ及びＹ座標の値を決定し、切断用レーザ光の照射位置を決定する。
【００５７】
２波長性ミラー４３は、偏向装置４２からの切断用レーザ光を反射させて集光レンズ２側へ導くとともに、生体組織Ｏの散乱光を透過させて検出器８側へ導く。
【００５８】
操作部４４は、制御装置３と電気的に接続され、本体部４４１と操作スティック４４２とを備えている。測定者が操作スティック４４２をある方向に倒すと、操作スティック４４２が倒された方向を示す操作指令信号が制御装置３に出力される。操作受付部３１１は、操作指令信号が示す方向に切断用のレーザ光が移動するように、傾斜指示信号をガルバノミラー４２１，４２２に出力し、ガルバノミラー４２１，４２２の傾斜角度を変更させる。
【００５９】
このように、第４の測定装置によれば、生体組織Ｏを切断するための機構を付加したため、生体組織Ｏを所望する長さに切断し、切断した生体組織Ｏの各断片の粘弾性力ｆを個別に求めることが可能となる。また、生体組織Ｏとして細胞膜を用い、この細胞膜を引っ張った状態とし、切断用レーザ光を用いて引っ張られた状態の細胞膜を切断し、切断した際に生じる粘弾性力の経時的な変化（力が緩和していく過程）を解析することにより、細胞膜の骨格の状態について診断することができる。
【００６０】
第４実施形態では、第１の測定装置に生体組織Ｏを切断するための機構を付加したが、これに限定されず、第２、第３の測定装置に生体組織Ｏを切断するための機構を付加してもよい。第３の測定装置に生体組織を切断するための機構を付加した場合、図１１に示す通信装置３００に操作部４４を接続するとともに、通信装置３００に、操作部４４からの操作指令信号を通信回線３Ａに出力するためのソフトウェアをインストールすればよい。これにより、遠隔操作によって生体組織Ｏを切断することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、非常に小さな微粒子（例えば、直径１マイクロメートル）を生体組織に押し当てることで生体組織の粘弾性力を測定しているため、極めて小さな生体組織、あるいは、生体組織の極めて小さな領域における粘弾性力を測定することができる。また、微粒子を補足する力が非常に小さい（例えば、数十フェムトニュートンから数ナノニュートンオーダー）ため、非侵襲で生体組織Ｏの粘弾性力を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る測定装置の全体構成図を示している。
【図２】 測定エリアを示した図である。
【図３】 測定エリアにおいて、レーザ光をＸ軸と平行に７２μｍ移動させたときの、スポット位置（微粒子の位置）とＰＳＤが生成する電圧との関係を示したグラフであり、縦軸はＰＳＤの出力電圧を示し、横軸は位置を示している。
【図４】 レーザトラッピングの原理を説明するための図である。
【図５】 第１の測定装置における制御装置３の機能を説明するためのブロック構成図である。
【図６】 微粒子ＰをＸ軸と平行に右方向に２７μｍ移動させ、引き続き２７μｍ左方向に移動させたときの微粒子Ｐの位置と時間との関係を示したグラフであり、（ａ）は２秒間で１往復させたとき、（ｂ）は１秒間で１往復させたときを示している。
【図７】 制御装置の処理を示したフローチャートである。
【図８】 図６（ｂ）で示したように微粒子Ｐを移動させたときのレーザ光による微粒子Ｐの捕捉力と、微粒子Ｐの粘性抵抗力との関係を示したグラフであり、縦軸は力（単位はμＮ）を、横軸は時間を示している。
【図９】 本発明の第２実施形態に係る測定装置の全体構成図を示している。
【図１０】 ４分割ディテクタの受光面を示した図である。
【図１１】 本発明の第３実施形態に係る測定装置の全体構成図を示している。
【図１２】 本発明の第４実施形態に係る測定装置の全体構成図を示している。
【符号の説明】
１ レーザ出力装置
２ 集光レンズ
３ 制御装置
５ 偏向装置
６ ２波長性ミラー
７ 集光レンズ
８ 検出器
９ 操作部
１０ 容器
２１ ２波長性ミラー
３４ 表示装置
４１ レーザ出力装置
４２ 偏向装置
４３ ２波長性ミラー
４４ 操作部
５１ ５２ ガルバノミラー
３１１ 操作受付部
３１２ ずれ量算出部
３１３ 粘弾性力算出部
３１４ 力覚算出部
４２１ ４２２ ガルバノミラー
Claims (4)
- 生体組織の粘弾性力を測定する測定装置であって、
前記生体組織及び微粒子を貯留する貯留手段と、
前記微粒子を捕捉するためのレーザ光を出力するレーザ出力手段と、
測定者からの操作指令を受け付ける操作手段と、
前記操作手段が受け付けた操作指令に応じて、前記レーザ出力手段が出力したレーザ光によって補足された微粒子を移動させるために、前記レーザ光を偏向させる偏向手段と、
前記偏向手段が偏向したレーザ光を前記貯留手段に導き、かつ、前記レーザ光に前記微粒子を捕捉させるために前記貯留手段において前記レーザ光を集光させる集光手段と、
四角形状の受光領域に対応する測定エリアにおける前記微粒子の位置を検出する検出器と、
記微粒子を前記生体組織に押し当てることにより生じた、前記レーザ光の前記測定エリアでの位置に対する前記微粒子の前記測定エリアでの位置のずれ量を算出するずれ量算出手段と、
前記ずれ量算出手段が算出したずれ量を基に、前記生体組織の粘弾性力を算出する算出手段とを備え、
前記操作手段は、ハプティックデバイスであり、
前記算出手段が算出した前記生体組織の粘弾性力に基づいて、前記ハプティックデバイスに付与する力覚を算出し、算出した力覚を前記ハプティックデバイスに付与する力覚付与手段をさらに備えることを特徴とする測定装置。 - 前記検出器は、前記微粒子の散乱光を前記偏向手段を介して受光する４分割ディテクタを含むことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
- 前記操作手段は、前記偏向手段と通信可能に接続することにより、遠隔地に配設することを特徴とする請求項１又は２記載の測定装置。
- 前記生体組織を切断するための切断用レーザ光を出力する切断用レーザ光出力手段と、
前記切断用レーザ光を偏向させるための測定者からの操作指令を受け付ける切断用操作手段と、
前記切断用操作手段が受け付けた操作指令に応じて、前記切断用レーザ光を偏向させる切断用レーザ光偏向手段と、
前記切断用レーザ光偏向手段が偏向した切断用レーザ光を前記貯留手段に導く光学系とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の測定装置。
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