JP4746229B2 - 電極アレイを用いた２つの任意表面間における接触分布の特徴化 - Google Patents
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Description
【０００１】
（発明の背景）
（ａ）発明の分野
本発明は、接触表面に存在する電極のアレイによって測定した電気信号を用いた、２つの任意表面間における接触の空間分布およびその経時的進展の特徴化、のための方法に関する。
（ｂ）従来技術の説明
材料の機械的特性の研究において、２表面間の接触の特徴化は、非常に重要な役割を果たす。接触、および２表面間の圧力分布を特徴付けする方法が、いくつか存在する。歯の噛み合わせを測定する圧力および接触センサが開発されている（ＵＳ４８５６９９３、ＷＯ８９０２７２７およびＥＰ０３７９５２４）。また、脚部およびガスケットの圧力分布を測定するための可撓性接触センサも開発されている（ＵＳ５０３３２９１、ＷＯ０９１０９２８９およびＥＰ０４５７９００）。これらのシステムでは、２組の電極が、薄い感圧抵抗性コーティングによって分離されており、抵抗変化を電子的に測定して、表面上における接触のタイミング、力および位置を決定する。他にも、圧電膜（ＵＳ４２１６４０３、ＵＳ５３４１６８７およびＵＳ５０５４３２３）、または導電性エラストマ（ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）（ＵＳ４１６３２０４）の対向面上に配置した２つ以上の電極を用いて、圧力分布を特徴付けするデバイスもある。同様の技法を用いた指紋センサも開発されている（ＵＳ４３９４７７３）。
【０００２】
２表面間の接触を測定する一般的な方法の１つに、接触している２表面間における炭素紙材料(carbon paper material)を用いるものがある。また、感圧複写紙によっても、接触を特徴付けすることができる（ＵＳ４６３００７９）。これらの定量的方法は、表面間の圧力分布の第１指示として用いられるが、接触の経時的進展については何も指示を与えない。
【０００３】
経時的な接触の進展や、圧力分布の測定を行わず、２表面間の接触を検出する方法も開発されている。例えば、切除中に、カテーテルおよび組織のような、生物医療測定器および組織間の接触を判定する方法が開発されている。この場合、カテーテル上の電極と患者上の別の電極との間の電圧を測定する（ＷＯ９８４３５４７Ａ２）。別の技法には、電極の全接触インピーダンスの変化率の測定（ＷＯ９９０９８９９Ａ１）、または電極の２つの異なる部分における電流の流れの位相角の測定（ＷＯ９８４４８５６）を用いて、生物医療用電極および皮膚間における接触の喪失を検出するものもある。
【０００４】
また、精密小型スケール力センサのように、表面の形状(topography)を研修するための技法も用いられる。これは、プローブおよび表面間に得られる吸引力および／または反発力が、歪みゲージ材料を変形させ、その結果電気的特性が変化することに基づいている（ＵＳ５０９２１６３）。この場合、電極は表面と接触していない。
米国特許第５，７７９，６５１号は、軟骨縮退の早期検出および診断用医療装置、ならびにかかる装置の使用方法を開示する。しかしながら、この発明は、デバイス先端と特徴化対象材料との間の接触の表面に関する情報も、デバイスの押し込み面と特徴化対象材料との間のこの接触面の時間的進展に関する情報も与えない。これは、重要な点である。何故なら、接触面積や、経時的にこれがどのように変化するかについての正確な知識がなければ、材料特性に関する推論はできないからである。
【０００５】
したがって、２表面間の接触時点の直接的かつ的確な特徴化を可能とし、したがって間接的に、加えられる変形や表面の機械的応答の特徴化を可能とする方法を提供することができれば、非常に望ましいであろう。
（発明の概要）
本発明の目的の１つは、接触表面上に露出した電極からの多数の電気信号を用いて、２つの表面間の接触時点を的確に判定する方法を提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、接触分布の時間的進展を示す電気信号を用いて、検査対象材料に加えられる変位の振幅および速度の経時的推定、ならびに接触および圧縮の間表面を含む電極の角度方位の推定を行うことである。
【０００７】
本発明の別の目的は、２つの表面間の接触の性質および時間的進展によって、材料の機械的応答の特徴化を可能にすることである。
本発明の別の目的は、多次元電極アレイによって、種々の表面構造を設け、接触分布、加えられる変位、および材料の機械的応答を的確に評価することである。
【０００８】
本発明によれば、接触面内に存在する電極アレイを用いて、２表面間における経時的な接触分布の進展を特徴付けする新規の方法を提供する。任意の表面上に規定した位置に電極を置き、第２の任意表面の圧縮中に発生した電気信号を時間と共に測定することによって、接触の進展を的確に特徴付けることができ、したがって材料の機械的応答に関する必須情報が得られる。この方法は、既存の方法とは、主に２つの点で相違する。最初に、感圧コーティングの対向側にある２つの電極を用いて抵抗を測定する代わりに、接触面上で電極アレイを用い、第２の任意表面の圧縮中に電気電位を測定する。第２の相違は、測定の種別である。圧力を測定する代わりに、検査対象材料の接触および圧縮中に発生する差動または絶対電気電位を測定する。かかる情報は、接触および圧縮中に材料に加えられる変位、および材料に対する電極を内蔵した表面の角度方位を推定するために用いることができる。加えて、材料の機械的応答は、電極を内蔵した表面に対するその順応性によって直接示される。
【０００９】
２つの接触表面間における力の発生は、接触の時間的進展に大きく依存し、力信号を解釈するためには、時間的な接触の進展を知る必要がある。接触情報が重要な別の例は、圧縮によって発生する電界の測定である。典型的な例は、微少電極を内蔵したプローブがある物質に接触し、これを圧縮する際に、露出した微少電極において発生する電気電位によってこの物質を特徴付けするという場合である。かかる圧縮を手動で加えたため、生じた変位の種類に関する的確な情報が欠如するとき、手動で加える場合のようにうまく制御されなくても、時間的な接触の分布から、加えた変位の種類に関する情報を得ることができる。かかる情報は、経時的なプローブの変位または速度、および検査対象物質に対するその角度方位の形態とすることができる。経時的な接触分布の的確な測定によって、新たな形式の材料分析をもたらすこともでき、その最も一般的な形態では、「表面順応性」(surface compliance)を特徴付けすると考えることができる。
（図面の簡単な説明）
以上本発明の特性について概略的に述べたが、これより添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を例示として示す。
（発明の詳細な説明）
２つの任意の表面間の接触は、当該表面の一方に配置した電極によって電気信号を測定することによって特徴付けすることができる。更に、電極を内蔵した表面は、いずれの材料表面と接触することもできる。図１Ａないし図１Ｃは、２つの表面間の接触を特徴付けするために使用可能な広範囲に及ぶ表面形状および電極の構成の特定的な例を示す。電極の幾何学的形状、サイズ、間隔、および材料の種類は、用途に応じて様々に変更することができる。
【００１０】
２つの任意表面の接触中、２つの隣接する電極間（差動測定）、または各電極と共通基準との間（絶対測定）において、電気信号を測定することができる。共通基準は、検査槽内におかれた基準電極であり、接地、あるいは第２表面に接触するまたは接触しないアレイの特定の電極に接続することができる。電気信号のノイズ含有物は、差動測定の場合大幅に低減することができ、絶対測定の場合には、アレイの別の電極を基準として用いることによって、大幅に低減することができる。図２、図３、図４および図９は、差動測定の例を示す。図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７および図８は、検査槽内に置かれ接地に接続されている基準電極に対する絶対測定の例を示す。
【００１１】
電気信号を測定するに当たり、６００μｍ離間された２対の電極（電極３および４、ならびに電極８および９）を除いて、３００μｍ離間された直径５０μｍのプラチナ電極１１個から成る線形アレイを用いた。図２、図４、図５Ａ、図５Ｂ、図７、図８および図９は、応力緩和検査（ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ）中に測定した電気信号を示す。的確に接触および変形の振幅および速度を制御し、表面に加えられる力を測定するために、機械検査システムを用いた。電極又はポストを内蔵した表面を荷重セル（ｌｏａｄ ｃｅｌｌに接続し、食塩水を満たした検査チャンバ内に組織を固定し、検査チャンバをアクチュエータ・プラットフォーム上に取り付け、アクチュエータによって変位を加えた。組織応力緩和検査中、最初に電極を内蔵したポストを組織と接触させた（位置対時間グラフ上の位置０）。次いで、既知の距離だけ２つの表面を分離し、固定速度で圧縮力を徐々に加えて行った。図３、図６Ａおよび図６Ｂは、電極を内蔵したポストを荷重セルに接続して、材料の手動圧縮中に測定した電気信号を示す。
【００１２】
図２は、食塩水中に置いた間接軟骨の試料に対する応力緩和検査中に測定した差動電気信号を示す。間接軟骨は、固定の負電荷から成る生物学的組織である。軟骨の圧縮中、固定負電荷に対して、流体中の移動性正イオンの変位が生ずることにより、電気信号即ち電位の流れが生ずる。この応力緩和検査の間、電極を内蔵した半円錐形ポストによって、５００μｍだけ１秒間軟骨組織を圧縮した。半円錐状表面の概略図は、隣接する電極間の電位差を表す各差動チャネルの位置を示す（１１個の電極に対して１０個のチャネル）。最初に、２つの表面が接触するときに（位置対時間グラフ上の位置０）、負荷の増大が観察される。負荷は、変位の終了時に最大となり、組織の緩和中に減少し始め、平衡に達する。同様の挙動は、各チャネル毎に測定した電気信号についても観察された。また、平面上にある４つの差動チャネル（チャネル４、５、６および７）は、円錐面上に位置するチャネルよりも振幅が小さく、１秒における接触ピークによって特徴付けられることがわかる。円錐面上に位置するチャネルは、隣接する電極間の圧力差が高いことのために、より高い電位振幅によって特徴付けられる。実際、圧縮中には、ポストの平面は組織に接触しており、最初により高い変形を加えるので、その表面上では圧力が最大となる。しかしながら、いくら圧力が最大でも、圧力は均一であるので、平面上に位置する２つの隣接する電極間の圧力差は小さい。円錐領域内に位置する電極については、圧力は減少し、周囲で最小となるので、圧力差は高くなる（Soulhat J et al., J Biomech Eng 121:340, 1999)。各電極対が組織に接触する時刻を推測することができる。チャネル３、２および１では、電位は、それぞれ、１秒、１．２秒および１．４秒において上昇し始める。同様の結果が、対称的なチャネル８、９および１０についても観察された。チャネル３および８は、より高い振幅によって特徴付けられる。何故なら、この電極対は、３００μｍではなく、６００μｍだけ離間されているからである。更に、平面の各側に位置する対称的なチャネルは、圧縮中流体の流れが逆方向となるために、逆の符号を有する（チャネル１０、９、８に対してチャネル１、２および３）。実際、半円錐ポストを用いて組織に加えられる圧力は、ポストの周囲において最小であり、中心において最大値まで増大し、中心から周辺に向かって再度減少する。電位は、一方向の線形電極アレイによって測定されるので、平面の各側にある対称的チャネルは、逆の符号を有する。
【００１３】
図３は、手動手段によって食塩水内に置かれた軟骨の試料に半円錐面を接触させたときに測定した差動電気信号の別の例を示す。図２に見られるように、測定した電気信号の形状は、組織の機械的負荷応答と同様である。この場合も、平面の各側に位置するチャネルは、逆の符号を有する。この特定的な例では、手動圧縮中におけるポストの角度方位のために、チャネル９および１０の振幅は非常に小さくなっている。図２および図３の結果は、接触および圧縮の間に、電気信号および負荷から、相補的な情報が得られることを示す。
【００１４】
図４は、電極を有する半円錐形ポストをエラストマ材料と接触させたときに測定した差動電気信号の例を示す。この検査を行ったのは、生物学的組織以外の材料上でも接触分布を特徴化可能であることを実証するためである。エラストマ材料は、固定のイオン化荷電族(ionized charged group)を有していないので、軟骨のような生物学的組織とは対照的に、圧縮の間固定電荷に対する可動イオンの変位はない。この検査は、水溶液内の漬浸ではなく、乾燥状態で行われた。更に、ハイ・パス・フィルタ処理によって電気信号オフセットを除去した。図４の結果は、電極を内蔵した表面の円錐部分に位置するチャネル２および１では、平面上にあるチャネル４または５と比較して、電位は遅れて上昇し始めることを示す。チャネル１および２上の矢印は、チャネルの隣接電極対を構成する２つの電極の一方の接触時刻を示す。これらの結果は、あらゆるサンプル材料上でも本発明の方法を用いて接触分布を特徴付けする実現可能性を実証している。
【００１５】
図５Ａは、食塩水内の関節軟骨の試料に対する応力緩和検査中に測定した絶対電気信号（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ）を示す。この検査中、電極を内蔵した半球形ポストによって１５秒間３００μｍだけ軟骨表面を圧縮した。半球面の概略図は、各電極と、検査槽内に置かれ接地に接続されている基準電極間の電位差を表す、各絶対チャネル（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｃｈａｎｎｅｌ）（１１個の電極に対して１１個のチャネル）の位置を示す。図２におけると同様、負荷は、接触時に最大値まで増加し始め、次いで緩和して平衡に達する。電気信号の形状は、組織の機械的負荷応答と同様である。チャネル６（電極６と槽内にあり接地に接続されている基準電極との間の電位差）は、最も大きな振幅によって特徴付けられる。実際、電極６は、組織に接触する最初の電極である。また、電極６は軟骨にも接触し、これに最大の変形が加えられ、圧力は最大となる。他のチャネルの振幅は、中心（チャネル６）から周辺（チャネル１または１１）に向かって対称的に減少する。全てのチャネルの電気信号は、負であり同相である。何故なら、信号は、接地に接続されている基準電極に対して測定され、軟骨は固定の負電荷から成るからである。実際、圧縮中、正の可動イオンは、固定の負電荷に対して、基準電極の方向に変位され、測定された電気信号は負となる。
【００１６】
図５Ｂは、半球形ポストの２つの対称側の一方で測定した電気信号を重ね合わせて示す。この場合も、周囲（チャネル１１）から中心（チャネル６）に向かって、信号振幅の増大を観察することができる。信号間の時間遅延も、明確に見ることができる。時間遅延は、２つの信号間の開始時刻の差、即ち、これらが０から異なり始めるときの時間差、即ち、負になり始めるときの時間差である。半球面の正確な幾何学的形状、および各電極の位置、ならびに各信号間における開始の時間遅延を知ることによって、接触の時間的進展、ならびに圧縮中の電極を内蔵した表面の他の表面に対する圧縮振幅および速度ならびに角度方位に関する情報を的確に推論することができる。電極を内蔵した表面が他の表面に対して垂直でない場合、最初に組織に接触する半球面の領域上にあるチャネルでは、電位信号は進み（時間遅延が短い）、振幅は大きくなる。
【００１７】
図６Ａは、食塩水内に置かれた軟骨の試料の半球形ポストによる手動圧縮中に測定した絶対電気信号を示す。この場合も、電気信号の形状は、軟骨の機械的負荷応答とほぼ同一である。振幅は、中心（チャネル６）においてより大きく、中心から周囲に向かって対称的に減少する。
【００１８】
図６Ｂは、半球形ポストの一方側において測定した絶対電気信号を重ね合わせて示す。この場合も、周囲（チャネル１）から中心（チャネル６）に向かって、信号振幅の増大が観察される。電気信号間の開始における時間遅延も観察することができる。図６Ｂに示す時間遅延は、図５Ｂのそれよりも見難くなっている。これは、手動圧縮の方が素早いからである。しかしながら、圧縮中におけるポストの振幅、速度および角度方位は、ここでは、より高いデータ獲得率を用いることによって、推論することができる。
【００１９】
図７は、半球形ポストによるエラストマ材料の圧縮中に測定した絶対電気信号を示す。この検査は、食塩水内における漬浸を行わず、乾燥状態で行った。更に、ハイ・パス・フィルタ処理によって、電気信号のオフセットを除去した。最初に、ポストとエラストマ材料との間の接触直後に、電気増幅システムの飽和がある。しかしながら、電気信号の中心から周囲への時間遅延の増大が明らかに見ることができる。図８は、半球形ポストによる軟骨の圧縮中に測定したチャネル６の絶対電気信号を示す。この場合、圧縮後ポストを素早く離別させた。表面の離別中に、追加の電気的情報が得られる。更に、３７秒の時点でチャネル６内において、離別の間に小さな上向きのピークが見られる。この場合も、電気信号の形状は、圧縮中における組織上の機械的負荷応答と同様である。
【００２０】
図示のように、絶対電気信号（図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７および図８）は、差動電気信号（図２、図３、図４および図９）よりも、時間的な接触の進展をより容易に反映することができる。実際、接触は、差動測定の方が曖昧となる。何故なら、電気信号は、表面上の異なる位置にあり異なる時刻に組織に接触する２つの隣接する電極間で測定されたからである。しかしながら、２つの場合、２表面間の接触時点、および接触の時間的進展を的確に判定することができる。接触の時間的進展によって、材料が、電極を内蔵した表面に対して順応することができるか否かについての情報が得られる。更に、表面上における電極の正確な位置によって、接触および圧縮中における電極を内蔵した表面の振幅、速度および角度方位を容易に推論することができる。
【００２１】
検査対象の材料の種別に応じて、測定した電気信号を，コンピュータによって取得される前に、調整用前置増幅器、増幅器およびフィルタに通すことができる。全ての場合において、電極および材料間の接触インピーダンスは、前置増幅器の入力インピーダンスに比較して、無視できる程度でなければならない。更に、バイアス電流を最小にして、電極の分極を回避しなければならない。接触インピーダンスを最小に抑えるために、超音波槽において塩化白金酸溶液を電極に被覆することができる。
【００２２】
本発明は、以下の例を参照することにより、一層容易に理解されよう。以下の例は、本発明の範囲を限定するためではなく、本発明を例示するために提示するのである。
例１
図２、図３、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂおよび図８は、軟骨表面上で測定した電気信号は、組織の電気的特性に直接関係することを示す。実際、機械的負荷応答の形状、ならびに関節軟骨の接触および圧縮の間に測定した電位から、同様の情報を得ることができる。機械的視点からは、関節軟骨は、固相および液相から成る物質である。液相（水）は、組織の微少孔内にある。孔のサイズは約５ｎｍである。軟骨に圧縮を加えると、間質液が多孔性基質を流れて、大きな圧縮力を発生し、これが圧縮および水の損失に抵抗する。したがって、軟骨は特徴的粘弾性挙動を呈するので、負荷または変形の下では、関節軟骨は時間依存機械的挙動を有する。流動電位は、軟骨の圧縮中に発生する圧力に直接関係する。更に、圧縮中の流体速度は、流動電位の傾斜に関係する。例えば、図５Ａにおいて、チャネル６（電極６と接地に接続されている基準電極との間で測定される流動電位）は、より高い流動電位振幅によって特徴付けられ、これは、半球形ポストによって加えられる最大圧力に直接関係する。
【００２３】
多次元電極アレイを関節鏡検査プローブの先端に一体化することによって、流動電位は、関節内部の軟骨表面上で直接測定することができる。しかしながら、軟骨の電気機械的特性を的確に判定するためには、軟骨に加える圧縮振幅または変形および速度が必要となる。電極を内蔵した表面の幾何学的形状、および電極間の距離を選択し、各電極の接触時点を的確に測定することによって、軟骨に加えた変位（的確な推定は、検査対象材料の機械的応答の知識に左右される）、および圧縮中の電極を内蔵した表面の角度方位を推定することができる。かかる情報は、医療機械の分野において、圧縮によって誘発される電気電位の空間マッピングによる軟骨縮退の診断に有用とすることができる。
【００２４】
軟骨の細胞外基質（ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｍａｔｒｉｘ）は、主に、プロテオグリカンと呼ばれる、コラーゲン・ネットワーク（ｃｏｌｌａｇｅｎ ｎｅｔｗｏｒｋ）内に取り込まれた固定の負に荷電された分子で構成されている。軟骨の圧縮中、固定の負荷電プロテオグリカンに関する流体内に正の可動イオンの変位があり、流動電位を発生する。骨関節症は、プロテオグリカンの損失およびコラーゲン・ネットワークの完全性損失によって反映される、軟骨の縮退である。軟骨表面上で測定する流動電位は、プロテオグリカンの含有量およびコラーゲン・ネットワークの完全性に直接関係するので、変形性関節症は流動電位振幅の減少によって反映される。関節鏡検査プローブは、したがって、組織の健康状態および縮退を的確に判定し、縮退やその他の組織治療方法を検査するために用いることができる。図９は、半円錐形ポストによる圧縮中に正常な軟骨外植および劣化した軟骨外植上で測定した差動電位（チャネル３）の一例を示す。この場合、健康な軟骨外植は、生化学分解剤によって処置され、プロテオグリカンの損失およびコラーゲン・ネットワークの破壊を誘発させた。周期的に流動電位を測定し、劣化の進展を研究した。見てわかるように、流動電位は、劣化に対して特に敏感である。更に、流動電位および負荷は、正常軟骨および劣化軟骨に対してほぼ同じ挙動を有する。
【００２５】
関節鏡検査の間、整形外科医は手動で小さな圧縮を軟骨に加える。この手順を数回繰り返して、結果の再生を確認する。整形外科医は、必ずしも的確に軟骨に加える変位を制御できる訳ではない。更に、電極を内蔵した表面は、軟骨表面と完全に平行となることはまずない。平面状の半円錐面または半円面によって、電気信号を分析し、各電極の組織との接触時点を的確に決定し、これによって２つの表面に加えられた相対的な変位および角度方位を示すことができる。平行性の問題は、電極を内蔵した球面および電極を内蔵した表面の任意の方位を許容する信号分析を用いることによって克服することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃは、本発明の方法と共に用いる電極アレイを有する、異なる表面幾何学的形状を示す図である。
【図２】 図２は、電極を内蔵した半円錐表面（図１Ｂ）を、食塩水内に置かれた関節軟骨の試料に接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な差動電気信号および負荷を示す。
【図３】 図３は、手動手段によって、電極を内蔵した半円錐表面（図１Ｂ）を、食塩水内に置かれた関節軟骨の試料に接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な差動電気信号および負荷を示す。
【図４】 図４は、電極を内蔵した半円錐表面（図１Ｂ）を、任意の非生物性エラストマ材料、この場合、消しゴムと接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な差動電気信号および負荷を示す。
【図５】 図５Ａは、電極を内蔵した半球表面（図１Ｃ）を、食塩水内に置かれた関節軟骨の試料に接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な絶対電気信号および負荷を示す。
図５Ｂは、信号間における開始の時間差を示すことにより、電極を内蔵した表面と軟骨表面との間の接触の時間的進展、および電極を内蔵した表面の角度方位を、図５Ａの絶対電気信号を重ね合わせることによって実証する図である。
【図６】 図６Ａは、手動手段によって、電極を内蔵した半球表面（図１Ｃ）を、食塩水内に置かれた関節軟骨の試料に接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な絶対電気信号および負荷を示す。
図６Ｂは、信号間における開始の時間差を示すことにより、電極を内蔵した表面と軟骨表面との間の接触の時間的進展、および電極を内蔵した表面の角度方位を、図６Ａの電気信号を重ね合わせることによって実証する図である。
【図７】 図７は、電極を内蔵した半球状表面（図１Ｃ）を、エラストマ材料と接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な絶対電気信号および負荷を示す。
【図８】 図８は、電極を内蔵した半球状表面（図１Ｃ）を、最初に食塩水内に置かれた関節軟骨の試料に接触させ、次いで逆方向の移動によって表面から離別させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な絶対電気信号および負荷を示す。
【図９】 図９は、電極を内蔵した半円錐表面（図１Ｂ）の、食塩水内に置いた健康な軟骨外植および劣化軟骨外植の圧縮の間に、本発明の方法によって測定した、典型的な差動電気信号および負荷を示す。
（発明の背景）
（ａ）発明の分野
本発明は、接触表面に存在する電極のアレイによって測定した電気信号を用いた、２つの任意表面間における接触の空間分布およびその経時的進展の特徴化、のための方法に関する。
（ｂ）従来技術の説明
材料の機械的特性の研究において、２表面間の接触の特徴化は、非常に重要な役割を果たす。接触、および２表面間の圧力分布を特徴付けする方法が、いくつか存在する。歯の噛み合わせを測定する圧力および接触センサが開発されている（ＵＳ４８５６９９３、ＷＯ８９０２７２７およびＥＰ０３７９５２４）。また、脚部およびガスケットの圧力分布を測定するための可撓性接触センサも開発されている（ＵＳ５０３３２９１、ＷＯ０９１０９２８９およびＥＰ０４５７９００）。これらのシステムでは、２組の電極が、薄い感圧抵抗性コーティングによって分離されており、抵抗変化を電子的に測定して、表面上における接触のタイミング、力および位置を決定する。他にも、圧電膜（ＵＳ４２１６４０３、ＵＳ５３４１６８７およびＵＳ５０５４３２３）、または導電性エラストマ（ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）（ＵＳ４１６３２０４）の対向面上に配置した２つ以上の電極を用いて、圧力分布を特徴付けするデバイスもある。同様の技法を用いた指紋センサも開発されている（ＵＳ４３９４７７３）。
【０００２】
２表面間の接触を測定する一般的な方法の１つに、接触している２表面間における炭素紙材料(carbon paper material)を用いるものがある。また、感圧複写紙によっても、接触を特徴付けすることができる（ＵＳ４６３００７９）。これらの定量的方法は、表面間の圧力分布の第１指示として用いられるが、接触の経時的進展については何も指示を与えない。
【０００３】
経時的な接触の進展や、圧力分布の測定を行わず、２表面間の接触を検出する方法も開発されている。例えば、切除中に、カテーテルおよび組織のような、生物医療測定器および組織間の接触を判定する方法が開発されている。この場合、カテーテル上の電極と患者上の別の電極との間の電圧を測定する（ＷＯ９８４３５４７Ａ２）。別の技法には、電極の全接触インピーダンスの変化率の測定（ＷＯ９９０９８９９Ａ１）、または電極の２つの異なる部分における電流の流れの位相角の測定（ＷＯ９８４４８５６）を用いて、生物医療用電極および皮膚間における接触の喪失を検出するものもある。
【０００４】
また、精密小型スケール力センサのように、表面の形状(topography)を研修するための技法も用いられる。これは、プローブおよび表面間に得られる吸引力および／または反発力が、歪みゲージ材料を変形させ、その結果電気的特性が変化することに基づいている（ＵＳ５０９２１６３）。この場合、電極は表面と接触していない。
米国特許第５，７７９，６５１号は、軟骨縮退の早期検出および診断用医療装置、ならびにかかる装置の使用方法を開示する。しかしながら、この発明は、デバイス先端と特徴化対象材料との間の接触の表面に関する情報も、デバイスの押し込み面と特徴化対象材料との間のこの接触面の時間的進展に関する情報も与えない。これは、重要な点である。何故なら、接触面積や、経時的にこれがどのように変化するかについての正確な知識がなければ、材料特性に関する推論はできないからである。
【０００５】
したがって、２表面間の接触時点の直接的かつ的確な特徴化を可能とし、したがって間接的に、加えられる変形や表面の機械的応答の特徴化を可能とする方法を提供することができれば、非常に望ましいであろう。
（発明の概要）
本発明の目的の１つは、接触表面上に露出した電極からの多数の電気信号を用いて、２つの表面間の接触時点を的確に判定する方法を提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、接触分布の時間的進展を示す電気信号を用いて、検査対象材料に加えられる変位の振幅および速度の経時的推定、ならびに接触および圧縮の間表面を含む電極の角度方位の推定を行うことである。
【０００７】
本発明の別の目的は、２つの表面間の接触の性質および時間的進展によって、材料の機械的応答の特徴化を可能にすることである。
本発明の別の目的は、多次元電極アレイによって、種々の表面構造を設け、接触分布、加えられる変位、および材料の機械的応答を的確に評価することである。
【０００８】
本発明によれば、接触面内に存在する電極アレイを用いて、２表面間における経時的な接触分布の進展を特徴付けする新規の方法を提供する。任意の表面上に規定した位置に電極を置き、第２の任意表面の圧縮中に発生した電気信号を時間と共に測定することによって、接触の進展を的確に特徴付けることができ、したがって材料の機械的応答に関する必須情報が得られる。この方法は、既存の方法とは、主に２つの点で相違する。最初に、感圧コーティングの対向側にある２つの電極を用いて抵抗を測定する代わりに、接触面上で電極アレイを用い、第２の任意表面の圧縮中に電気電位を測定する。第２の相違は、測定の種別である。圧力を測定する代わりに、検査対象材料の接触および圧縮中に発生する差動または絶対電気電位を測定する。かかる情報は、接触および圧縮中に材料に加えられる変位、および材料に対する電極を内蔵した表面の角度方位を推定するために用いることができる。加えて、材料の機械的応答は、電極を内蔵した表面に対するその順応性によって直接示される。
【０００９】
２つの接触表面間における力の発生は、接触の時間的進展に大きく依存し、力信号を解釈するためには、時間的な接触の進展を知る必要がある。接触情報が重要な別の例は、圧縮によって発生する電界の測定である。典型的な例は、微少電極を内蔵したプローブがある物質に接触し、これを圧縮する際に、露出した微少電極において発生する電気電位によってこの物質を特徴付けするという場合である。かかる圧縮を手動で加えたため、生じた変位の種類に関する的確な情報が欠如するとき、手動で加える場合のようにうまく制御されなくても、時間的な接触の分布から、加えた変位の種類に関する情報を得ることができる。かかる情報は、経時的なプローブの変位または速度、および検査対象物質に対するその角度方位の形態とすることができる。経時的な接触分布の的確な測定によって、新たな形式の材料分析をもたらすこともでき、その最も一般的な形態では、「表面順応性」(surface compliance)を特徴付けすると考えることができる。
（図面の簡単な説明）
以上本発明の特性について概略的に述べたが、これより添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を例示として示す。
（発明の詳細な説明）
２つの任意の表面間の接触は、当該表面の一方に配置した電極によって電気信号を測定することによって特徴付けすることができる。更に、電極を内蔵した表面は、いずれの材料表面と接触することもできる。図１Ａないし図１Ｃは、２つの表面間の接触を特徴付けするために使用可能な広範囲に及ぶ表面形状および電極の構成の特定的な例を示す。電極の幾何学的形状、サイズ、間隔、および材料の種類は、用途に応じて様々に変更することができる。
【００１０】
２つの任意表面の接触中、２つの隣接する電極間（差動測定）、または各電極と共通基準との間（絶対測定）において、電気信号を測定することができる。共通基準は、検査槽内におかれた基準電極であり、接地、あるいは第２表面に接触するまたは接触しないアレイの特定の電極に接続することができる。電気信号のノイズ含有物は、差動測定の場合大幅に低減することができ、絶対測定の場合には、アレイの別の電極を基準として用いることによって、大幅に低減することができる。図２、図３、図４および図９は、差動測定の例を示す。図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７および図８は、検査槽内に置かれ接地に接続されている基準電極に対する絶対測定の例を示す。
【００１１】
電気信号を測定するに当たり、６００μｍ離間された２対の電極（電極３および４、ならびに電極８および９）を除いて、３００μｍ離間された直径５０μｍのプラチナ電極１１個から成る線形アレイを用いた。図２、図４、図５Ａ、図５Ｂ、図７、図８および図９は、応力緩和検査（ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ）中に測定した電気信号を示す。的確に接触および変形の振幅および速度を制御し、表面に加えられる力を測定するために、機械検査システムを用いた。電極又はポストを内蔵した表面を荷重セル（ｌｏａｄ ｃｅｌｌに接続し、食塩水を満たした検査チャンバ内に組織を固定し、検査チャンバをアクチュエータ・プラットフォーム上に取り付け、アクチュエータによって変位を加えた。組織応力緩和検査中、最初に電極を内蔵したポストを組織と接触させた（位置対時間グラフ上の位置０）。次いで、既知の距離だけ２つの表面を分離し、固定速度で圧縮力を徐々に加えて行った。図３、図６Ａおよび図６Ｂは、電極を内蔵したポストを荷重セルに接続して、材料の手動圧縮中に測定した電気信号を示す。
【００１２】
図２は、食塩水中に置いた間接軟骨の試料に対する応力緩和検査中に測定した差動電気信号を示す。間接軟骨は、固定の負電荷から成る生物学的組織である。軟骨の圧縮中、固定負電荷に対して、流体中の移動性正イオンの変位が生ずることにより、電気信号即ち電位の流れが生ずる。この応力緩和検査の間、電極を内蔵した半円錐形ポストによって、５００μｍだけ１秒間軟骨組織を圧縮した。半円錐状表面の概略図は、隣接する電極間の電位差を表す各差動チャネルの位置を示す（１１個の電極に対して１０個のチャネル）。最初に、２つの表面が接触するときに（位置対時間グラフ上の位置０）、負荷の増大が観察される。負荷は、変位の終了時に最大となり、組織の緩和中に減少し始め、平衡に達する。同様の挙動は、各チャネル毎に測定した電気信号についても観察された。また、平面上にある４つの差動チャネル（チャネル４、５、６および７）は、円錐面上に位置するチャネルよりも振幅が小さく、１秒における接触ピークによって特徴付けられることがわかる。円錐面上に位置するチャネルは、隣接する電極間の圧力差が高いことのために、より高い電位振幅によって特徴付けられる。実際、圧縮中には、ポストの平面は組織に接触しており、最初により高い変形を加えるので、その表面上では圧力が最大となる。しかしながら、いくら圧力が最大でも、圧力は均一であるので、平面上に位置する２つの隣接する電極間の圧力差は小さい。円錐領域内に位置する電極については、圧力は減少し、周囲で最小となるので、圧力差は高くなる（Soulhat J et al., J Biomech Eng 121:340, 1999)。各電極対が組織に接触する時刻を推測することができる。チャネル３、２および１では、電位は、それぞれ、１秒、１．２秒および１．４秒において上昇し始める。同様の結果が、対称的なチャネル８、９および１０についても観察された。チャネル３および８は、より高い振幅によって特徴付けられる。何故なら、この電極対は、３００μｍではなく、６００μｍだけ離間されているからである。更に、平面の各側に位置する対称的なチャネルは、圧縮中流体の流れが逆方向となるために、逆の符号を有する（チャネル１０、９、８に対してチャネル１、２および３）。実際、半円錐ポストを用いて組織に加えられる圧力は、ポストの周囲において最小であり、中心において最大値まで増大し、中心から周辺に向かって再度減少する。電位は、一方向の線形電極アレイによって測定されるので、平面の各側にある対称的チャネルは、逆の符号を有する。
【００１３】
図３は、手動手段によって食塩水内に置かれた軟骨の試料に半円錐面を接触させたときに測定した差動電気信号の別の例を示す。図２に見られるように、測定した電気信号の形状は、組織の機械的負荷応答と同様である。この場合も、平面の各側に位置するチャネルは、逆の符号を有する。この特定的な例では、手動圧縮中におけるポストの角度方位のために、チャネル９および１０の振幅は非常に小さくなっている。図２および図３の結果は、接触および圧縮の間に、電気信号および負荷から、相補的な情報が得られることを示す。
【００１４】
図４は、電極を有する半円錐形ポストをエラストマ材料と接触させたときに測定した差動電気信号の例を示す。この検査を行ったのは、生物学的組織以外の材料上でも接触分布を特徴化可能であることを実証するためである。エラストマ材料は、固定のイオン化荷電族(ionized charged group)を有していないので、軟骨のような生物学的組織とは対照的に、圧縮の間固定電荷に対する可動イオンの変位はない。この検査は、水溶液内の漬浸ではなく、乾燥状態で行われた。更に、ハイ・パス・フィルタ処理によって電気信号オフセットを除去した。図４の結果は、電極を内蔵した表面の円錐部分に位置するチャネル２および１では、平面上にあるチャネル４または５と比較して、電位は遅れて上昇し始めることを示す。チャネル１および２上の矢印は、チャネルの隣接電極対を構成する２つの電極の一方の接触時刻を示す。これらの結果は、あらゆるサンプル材料上でも本発明の方法を用いて接触分布を特徴付けする実現可能性を実証している。
【００１５】
図５Ａは、食塩水内の関節軟骨の試料に対する応力緩和検査中に測定した絶対電気信号（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ）を示す。この検査中、電極を内蔵した半球形ポストによって１５秒間３００μｍだけ軟骨表面を圧縮した。半球面の概略図は、各電極と、検査槽内に置かれ接地に接続されている基準電極間の電位差を表す、各絶対チャネル（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｃｈａｎｎｅｌ）（１１個の電極に対して１１個のチャネル）の位置を示す。図２におけると同様、負荷は、接触時に最大値まで増加し始め、次いで緩和して平衡に達する。電気信号の形状は、組織の機械的負荷応答と同様である。チャネル６（電極６と槽内にあり接地に接続されている基準電極との間の電位差）は、最も大きな振幅によって特徴付けられる。実際、電極６は、組織に接触する最初の電極である。また、電極６は軟骨にも接触し、これに最大の変形が加えられ、圧力は最大となる。他のチャネルの振幅は、中心（チャネル６）から周辺（チャネル１または１１）に向かって対称的に減少する。全てのチャネルの電気信号は、負であり同相である。何故なら、信号は、接地に接続されている基準電極に対して測定され、軟骨は固定の負電荷から成るからである。実際、圧縮中、正の可動イオンは、固定の負電荷に対して、基準電極の方向に変位され、測定された電気信号は負となる。
【００１６】
図５Ｂは、半球形ポストの２つの対称側の一方で測定した電気信号を重ね合わせて示す。この場合も、周囲（チャネル１１）から中心（チャネル６）に向かって、信号振幅の増大を観察することができる。信号間の時間遅延も、明確に見ることができる。時間遅延は、２つの信号間の開始時刻の差、即ち、これらが０から異なり始めるときの時間差、即ち、負になり始めるときの時間差である。半球面の正確な幾何学的形状、および各電極の位置、ならびに各信号間における開始の時間遅延を知ることによって、接触の時間的進展、ならびに圧縮中の電極を内蔵した表面の他の表面に対する圧縮振幅および速度ならびに角度方位に関する情報を的確に推論することができる。電極を内蔵した表面が他の表面に対して垂直でない場合、最初に組織に接触する半球面の領域上にあるチャネルでは、電位信号は進み（時間遅延が短い）、振幅は大きくなる。
【００１７】
図６Ａは、食塩水内に置かれた軟骨の試料の半球形ポストによる手動圧縮中に測定した絶対電気信号を示す。この場合も、電気信号の形状は、軟骨の機械的負荷応答とほぼ同一である。振幅は、中心（チャネル６）においてより大きく、中心から周囲に向かって対称的に減少する。
【００１８】
図６Ｂは、半球形ポストの一方側において測定した絶対電気信号を重ね合わせて示す。この場合も、周囲（チャネル１）から中心（チャネル６）に向かって、信号振幅の増大が観察される。電気信号間の開始における時間遅延も観察することができる。図６Ｂに示す時間遅延は、図５Ｂのそれよりも見難くなっている。これは、手動圧縮の方が素早いからである。しかしながら、圧縮中におけるポストの振幅、速度および角度方位は、ここでは、より高いデータ獲得率を用いることによって、推論することができる。
【００１９】
図７は、半球形ポストによるエラストマ材料の圧縮中に測定した絶対電気信号を示す。この検査は、食塩水内における漬浸を行わず、乾燥状態で行った。更に、ハイ・パス・フィルタ処理によって、電気信号のオフセットを除去した。最初に、ポストとエラストマ材料との間の接触直後に、電気増幅システムの飽和がある。しかしながら、電気信号の中心から周囲への時間遅延の増大が明らかに見ることができる。図８は、半球形ポストによる軟骨の圧縮中に測定したチャネル６の絶対電気信号を示す。この場合、圧縮後ポストを素早く離別させた。表面の離別中に、追加の電気的情報が得られる。更に、３７秒の時点でチャネル６内において、離別の間に小さな上向きのピークが見られる。この場合も、電気信号の形状は、圧縮中における組織上の機械的負荷応答と同様である。
【００２０】
図示のように、絶対電気信号（図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７および図８）は、差動電気信号（図２、図３、図４および図９）よりも、時間的な接触の進展をより容易に反映することができる。実際、接触は、差動測定の方が曖昧となる。何故なら、電気信号は、表面上の異なる位置にあり異なる時刻に組織に接触する２つの隣接する電極間で測定されたからである。しかしながら、２つの場合、２表面間の接触時点、および接触の時間的進展を的確に判定することができる。接触の時間的進展によって、材料が、電極を内蔵した表面に対して順応することができるか否かについての情報が得られる。更に、表面上における電極の正確な位置によって、接触および圧縮中における電極を内蔵した表面の振幅、速度および角度方位を容易に推論することができる。
【００２１】
検査対象の材料の種別に応じて、測定した電気信号を，コンピュータによって取得される前に、調整用前置増幅器、増幅器およびフィルタに通すことができる。全ての場合において、電極および材料間の接触インピーダンスは、前置増幅器の入力インピーダンスに比較して、無視できる程度でなければならない。更に、バイアス電流を最小にして、電極の分極を回避しなければならない。接触インピーダンスを最小に抑えるために、超音波槽において塩化白金酸溶液を電極に被覆することができる。
【００２２】
本発明は、以下の例を参照することにより、一層容易に理解されよう。以下の例は、本発明の範囲を限定するためではなく、本発明を例示するために提示するのである。
例１
図２、図３、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂおよび図８は、軟骨表面上で測定した電気信号は、組織の電気的特性に直接関係することを示す。実際、機械的負荷応答の形状、ならびに関節軟骨の接触および圧縮の間に測定した電位から、同様の情報を得ることができる。機械的視点からは、関節軟骨は、固相および液相から成る物質である。液相（水）は、組織の微少孔内にある。孔のサイズは約５ｎｍである。軟骨に圧縮を加えると、間質液が多孔性基質を流れて、大きな圧縮力を発生し、これが圧縮および水の損失に抵抗する。したがって、軟骨は特徴的粘弾性挙動を呈するので、負荷または変形の下では、関節軟骨は時間依存機械的挙動を有する。流動電位は、軟骨の圧縮中に発生する圧力に直接関係する。更に、圧縮中の流体速度は、流動電位の傾斜に関係する。例えば、図５Ａにおいて、チャネル６（電極６と接地に接続されている基準電極との間で測定される流動電位）は、より高い流動電位振幅によって特徴付けられ、これは、半球形ポストによって加えられる最大圧力に直接関係する。
【００２３】
多次元電極アレイを関節鏡検査プローブの先端に一体化することによって、流動電位は、関節内部の軟骨表面上で直接測定することができる。しかしながら、軟骨の電気機械的特性を的確に判定するためには、軟骨に加える圧縮振幅または変形および速度が必要となる。電極を内蔵した表面の幾何学的形状、および電極間の距離を選択し、各電極の接触時点を的確に測定することによって、軟骨に加えた変位（的確な推定は、検査対象材料の機械的応答の知識に左右される）、および圧縮中の電極を内蔵した表面の角度方位を推定することができる。かかる情報は、医療機械の分野において、圧縮によって誘発される電気電位の空間マッピングによる軟骨縮退の診断に有用とすることができる。
【００２４】
軟骨の細胞外基質（ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｍａｔｒｉｘ）は、主に、プロテオグリカンと呼ばれる、コラーゲン・ネットワーク（ｃｏｌｌａｇｅｎ ｎｅｔｗｏｒｋ）内に取り込まれた固定の負に荷電された分子で構成されている。軟骨の圧縮中、固定の負荷電プロテオグリカンに関する流体内に正の可動イオンの変位があり、流動電位を発生する。骨関節症は、プロテオグリカンの損失およびコラーゲン・ネットワークの完全性損失によって反映される、軟骨の縮退である。軟骨表面上で測定する流動電位は、プロテオグリカンの含有量およびコラーゲン・ネットワークの完全性に直接関係するので、変形性関節症は流動電位振幅の減少によって反映される。関節鏡検査プローブは、したがって、組織の健康状態および縮退を的確に判定し、縮退やその他の組織治療方法を検査するために用いることができる。図９は、半円錐形ポストによる圧縮中に正常な軟骨外植および劣化した軟骨外植上で測定した差動電位（チャネル３）の一例を示す。この場合、健康な軟骨外植は、生化学分解剤によって処置され、プロテオグリカンの損失およびコラーゲン・ネットワークの破壊を誘発させた。周期的に流動電位を測定し、劣化の進展を研究した。見てわかるように、流動電位は、劣化に対して特に敏感である。更に、流動電位および負荷は、正常軟骨および劣化軟骨に対してほぼ同じ挙動を有する。
【００２５】
関節鏡検査の間、整形外科医は手動で小さな圧縮を軟骨に加える。この手順を数回繰り返して、結果の再生を確認する。整形外科医は、必ずしも的確に軟骨に加える変位を制御できる訳ではない。更に、電極を内蔵した表面は、軟骨表面と完全に平行となることはまずない。平面状の半円錐面または半円面によって、電気信号を分析し、各電極の組織との接触時点を的確に決定し、これによって２つの表面に加えられた相対的な変位および角度方位を示すことができる。平行性の問題は、電極を内蔵した球面および電極を内蔵した表面の任意の方位を許容する信号分析を用いることによって克服することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃは、本発明の方法と共に用いる電極アレイを有する、異なる表面幾何学的形状を示す図である。
【図２】 図２は、電極を内蔵した半円錐表面（図１Ｂ）を、食塩水内に置かれた関節軟骨の試料に接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な差動電気信号および負荷を示す。
【図３】 図３は、手動手段によって、電極を内蔵した半円錐表面（図１Ｂ）を、食塩水内に置かれた関節軟骨の試料に接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な差動電気信号および負荷を示す。
【図４】 図４は、電極を内蔵した半円錐表面（図１Ｂ）を、任意の非生物性エラストマ材料、この場合、消しゴムと接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な差動電気信号および負荷を示す。
【図５】 図５Ａは、電極を内蔵した半球表面（図１Ｃ）を、食塩水内に置かれた関節軟骨の試料に接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な絶対電気信号および負荷を示す。
図５Ｂは、信号間における開始の時間差を示すことにより、電極を内蔵した表面と軟骨表面との間の接触の時間的進展、および電極を内蔵した表面の角度方位を、図５Ａの絶対電気信号を重ね合わせることによって実証する図である。
【図６】 図６Ａは、手動手段によって、電極を内蔵した半球表面（図１Ｃ）を、食塩水内に置かれた関節軟骨の試料に接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な絶対電気信号および負荷を示す。
図６Ｂは、信号間における開始の時間差を示すことにより、電極を内蔵した表面と軟骨表面との間の接触の時間的進展、および電極を内蔵した表面の角度方位を、図６Ａの電気信号を重ね合わせることによって実証する図である。
【図７】 図７は、電極を内蔵した半球状表面（図１Ｃ）を、エラストマ材料と接触させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な絶対電気信号および負荷を示す。
【図８】 図８は、電極を内蔵した半球状表面（図１Ｃ）を、最初に食塩水内に置かれた関節軟骨の試料に接触させ、次いで逆方向の移動によって表面から離別させたときに、本発明の方法によって測定した、典型的な絶対電気信号および負荷を示す。
【図９】 図９は、電極を内蔵した半円錐表面（図１Ｂ）の、食塩水内に置いた健康な軟骨外植および劣化軟骨外植の圧縮の間に、本発明の方法によって測定した、典型的な差動電気信号および負荷を示す。
Claims (26)
- 電極アレイを用いて２つの任意表面間における接触の時間的および空間的進展を特徴付ける方法であって、
ａ）試料表面に対して、電極アレイを内蔵した半球表面であるプローブ表面を適用して、前記電極に、試料面に応答して信号を発生させるステップと、
ｂ）前記電極から信号を得るステップと、
ｃ）前記信号を分析し、前記試料表面に加えられた変位の経時的な振幅および速度、ならびに前記プローブ表面の角度方位を推定するステップと、
から成る方法。 - 請求項１記載の方法において、前記プローブ表面は非平面である方法。
- 請求項１または２記載の方法において、前記電極アレイは多次元である方法。
- 請求項１、２または３記載の方法において、前記電極アレイを、前記電極アレイを内蔵した表面上に位置付け、線、円、または曲線形状を形成する方法。
- 請求項１、２、３または４記載の方法において、前記試料表面および前記電極アレイを内蔵した表面の幾何学的形状は、完全に平坦な表面または部分的に平坦な表面、回転表面、不規則表面、または２つ以上の表面の組み合わせから成るグループから選択した幾何学的形状を有する方法。
- 請求項１、２、３、４または５記載の方法において、前記電極アレイは、少なくとも３つの電極を備え、前記少なくとも３つの電極が二次元を規定する方法。
- 請求項１、２、３、４、５または６記載の方法において、前記電気電位は、隣接する電極間の電位差として、差動的に測定される方法。
- 請求項１、２、３、４、５または６記載の方法において、前記電気電位は、前記アレイの固定電極、または検査槽内に置かれ接地に接続されている基準電極に対して絶対的に測定される方法。
- 請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の方法において、腐食効果や絶縁特性が全くなく、安定したノイズ特性を有する非接触電極との容量性結合によって前記信号を測定する方法。
- 露出電極を内蔵した半球表面であるプローブ表面に対する検査対象組織の圧縮によって誘発される電気電位を用いて、前記組織の構成、構造、機能、健康または罹患状態を含む組織の状態を検出する方法であって、
ａ）請求項１ないし９のいずれか１項に規定した方法にしたがって、電極アレイを用いて２つの任意表面間の接触の時間的および空間的進展を特徴付けするステップと、
ｂ）前記２つの任意表面間の接触の前記時間的および空間的進展を解釈し、前記組織の状態を判定するステップと、
から成る方法。 - 請求項１０記載の方法において、前記プローブ表面が非平面である方法。
- 請求項１０または１１記載の方法において、前記組織が軟骨である方法。
- ２つの任意表面間の接触の時間的および空間的進展を特徴付けする装置であって、
先端を有するプローブと、
前記先端上にある電極アレイと、
請求項１ないし９のいずれか１項に規定した方法にしたがって、２つの任意表面間の接触の時間的および空間的進展を特徴付けする信号取得および処理手段と、
から成る装置。 - 請求項１３記載の装置において、前記電極は、貴金属、銀、金、パラディウム、プラチナ、ローディウム、ルテニウム、イリジウム、オシミウム、銅、アルミニウム、およびタングステンから成るグループから選択した金属、または銀／塩化銀、ステンレス鋼、およびプラチナ／イリジウムまたは前述の金属のいずれかの組み合わせから選択した数種類の金属の合金で作る装置。
- 請求項１３または１４記載の装置において、前記電極は金属ワイヤで作る装置。
- 請求項１３、１４または１５記載の装置において、前記電極は、ミクロン未満からミリメートルの範囲の直径を有する装置。
- 請求項１３、１４、１５または１６記載の装置において、前記処理手段は、前記電極に密接し、ノイズの混入およびマイクロフォン効果を低減する装置。
- 請求項１３、１４、１５、１６または１７記載の装置において、前記電極の表面を処理して、電気接触インピーダンスを低下させる装置。
- 請求項１３、１４、１５、１６，１７または１８記載の装置において、前記処理手段は、高入力インピーダンスおよび低バイアス電流を有する電圧フォロワを備え、測定電圧の共通モード除去を最大化する装置。
- 組織状態を診断する装置であって、
先端を有するプローブと、
前記先端上にある電極アレイと、
請求項１０ないし１２のいずれか１項に規定した方法にしたがって、露出電極を内蔵したプローブ表面に対する検査対象組織の圧縮によって誘発される電気電位を用いて、前記組織の構成、構造、機能、健康または罹患状態を含む組織の状態を検出する信号取得および処理手段と、
から成る装置。 - 請求項２０記載の装置において、前記電極は、貴金属、銀、金、パラディウム、プラチナ、ローディウム、ルテニウム、イリジウム、オシミウム、銅、アルミニウム、およびタングステンから成るグループから選択した金属、または銀／塩化銀、ステンレス鋼、およびプラチナ／イリジウムまたは前述の金属のいずれかの組み合わせから選択した数種類の金属の合金で作る装置。
- 請求項２０または２１記載の装置において、前記電極は金属ワイヤで作る装置。
- 請求項項２０、２１または２２記載の装置において、前記電極は、ミクロン未満からミリメートルの範囲の直径を有する装置。
- 請求項２０、２１、２２または２３記載の装置において、前記処理手段は、前記電極に密接し、ノイズの混入およびマイクロフォン効果を低減する装置。
- 請求項２０、２１、２２、２３または２４記載の装置において、前記電極の表面を処理して、電気接触インピーダンスを低下させる装置。
- 請求項２０、２１、２２、２３、２４または２５記載の装置において、前記処理手段は、高入力インピーダンスおよび低バイアス電流を有する電圧フォロワを備え、測定電圧の共通モード除去率を最大化する装置。
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