JP4748405B2

JP4748405B2 - 物質硬さ測定装置

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Publication number: JP4748405B2
Application number: JP2001119991A
Authority: JP
Inventors: 定夫尾股
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2021-04-18
Also published as: JP2002310945A; US6842501B2; WO2002085213A1; US20040114715A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線ＣＴ装置のＣＴ値に関係して、物質の硬さ測定装置に係り、特に、物質としての生体組織例えば臓器における硬さ、さらには臓器全体における微小部分の硬さの測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の背景を理解するためには、技術の分野の異なる２つの従来技術の説明が必要である。１つは機械電気振動系を用いた物質としての生体組織の硬さ測定装置における技術分野であり、他の一つはＸ線ＣＴ装置を用いた物質としての生体組織のＣＴ値についての技術分野である。まず前者について説明し、次に後者について述べる。
【０００３】
従来生体の組織物質の硬さを測定する方法として、プローブを被測定物質に押し当てつつ振動を与えて、その入力振動に対する生体組織物質の機械振動応答をセンサで検出して周波数、位相の変化等から硬さに対応する特性値を得る方法がある。例えば尾股定夫「圧電型バイブロメータによる軟組織の硬さ測定とその解析」、医用電子と生体工学、第２８巻第１号、１９９０年、第１頁から第８頁、およびＳ．Ｏｍａｔａｅｔａｌ，ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ，３５（１９９２）ｐｐ９−１５などである。図３に従来例として、特開平９−１４５６９１号に開示された生体組織の硬さ測定装置を示す。図３において、被測定物質１である生体組織、例えば皮膚組織、肝臓等の内臓組織に、プローブ本体２が押し当てられる。プローブ本体２はその内部に振動体３及び歪検出センサ４を有し、さらにプローブ本体２は外部の制御ユニット５と結合している。制御ユニット５は自励発振回路６を有し、自励発振回路６は、増幅器７及びゲイン変化補正回路８を有している。さらに、自励発振回路６と結合してその周波数の周波数測定回路９及びその振幅の電圧測定回路１０が備えられる。
【０００４】
この従来例の作用を次に述べる。被測定物質１にプローブ本体２が押し当てられると、その内部の振動体３は制御ユニット５における自励発振回路６との機械電気振動系により電気信号が機械振動に変換されて自励発振振動を起こしているので、その振動がプローブ本体２の先端部から被測定物質１に入力される。この入力された振動により、被測定物質１はその機械振動伝達特性に応じて応答する。この応答した出力振動（歪）を歪検出センサ４で検出し電気信号に変換する。かかる振動体３と歪検出センサ４は、例えば圧電振動素子と圧電センサによって実現できる。振動体３と歪検出センサ４は増幅器７とともに帰還ループを形成して自励発振する。ここで振動体３からの入力信号に被測定物質１が応答した結果、一般に周波数が変化し位相差を生じ振幅が低下するが、ゲイン変化補正回路８は歪検出センサ４の出力信号の振幅ゲインを補正する働きを有する。またゲイン変化補正回路８が自励発振回路６の帰還ループ中に構成されているので、振幅ゲインを補正しつつ生じた位相差をゼロにするように帰還がかかる。その位相差がゼロに帰還されたときの被測定物質１、振動体３、自励発振回路６、歪検出センサ４等の機械電気振動系の共振周波数を周波数測定回路９により求めることができる。
【０００５】
よく知られているように、この共振状態は速度共振であるので、変位共振や加速度共振と異なり、系の減衰定数のいかんにかかわらず位相がゼロのときに最大共振振幅を示す。したがって減衰定数が何であっても、位相がゼロのときの共振周波数を求めることで、その系のばね定数を求めることができる。そこでこの共振周波数と、プローブ本体２が被測定物質１に接触していないときの周波数との周波数変化ｄｆが被測定物質１のばね定数、すなわち硬さに対応する特性値となる。例えば図４は周波数変化ｄｆと、他の方法で測定されたせん断弾性係数との関係を３０ｍｍ厚みのゼラチンについて示したものである。図５に生体組織を含む様々な被測定物質の周波数変化ｄｆについてフォームラバーを基準とした値を示す。このように測定された周波数変化ｄｆから、せん断弾性係数Ｇとの対応のほか、知られている関係式を用いてヤング率との対応、また一定の直径を有する試験片を押し当てたときにおける被測定物質のばね定数等の対応などによって、被測定物質１の硬さを得ることが出来る。
【０００６】
次にＸ線ＣＴ装置を用いた生体組織のＣＴ値について述べる。Ｘ線ＣＴ装置とは、生体組織などの被検体にＸ線管よりＸ線を照射しながら被検体に対して相対的に移動しつつ走査して、Ｘｅガス電離箱方式などの検出器により被検体を透過したＸ線の量を測定し、三次元的な画像処理を用いて、被検体内部の臓器の位置、形状、大きさを得る装置である。その基本的原理は物質によりＸ線の減弱が異なること、すなわちＸ線管から被測定生体組織に入射されたフォトンが、生体組織を構成する物質の原子との相互作用、すなわち光電効果やコンプトン効果などの相互作用などの影響を受けて固有の減衰を示すことに基づく。一般にＸ線を利用した臓器などの表示法としては、物質のＸ線吸収値について水をゼロとして基準とした相対値として数値化して、これをＣＴ値として利用している。したがってＣＴ値は次の数式１で示される。
【０００７】
【数１】
ＣＴ値＝｛（各種物質の減弱係数）／（水の減弱係数）｝−１・・・（１）
単位はハウンスフイールド・ユニット（Ｈ．Ｕ．）で表示される。図６に各種人体組織のＣＴ値について報告された例を示す。骨のＣＴ値はその構成する無機物質により決められ、他の臓器においてもＣＴ値はたんぱく質、水、脂肪といった構成物でほとんど定まる。すなわちＸ線ＣＴ装置は、Ｘ線が照射される広い領域全般にわたり、検出器の持つ高い空間分解能で、生体内部の組織の位置、大きさ、形状等の情報のほか、ＣＴ値から生体組織のＸ線吸収特性を得ることが出来、その変化から生体組織の変化を確認できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来例の硬さ測定装置では、ゲイン変化補正回路の働きにより、硬さに対応する特性値である周波数変化を十分な大きさとして検出できるため、１つの装置で軟らかい生体組織から硬い生体組織まで誤差を少なくして硬さを測定できる。しかしながら、被測定物にプローブ本体を押し当てつつ測定をするので、被測定領域の平均値としての硬さが得られるのであって、大きいプローブで測定するときは位置などの空間分解能に限界があり、小さいプローブで測定するときは広い領域のデータを得るには繰り返し場所を変えて走査しなければならない。例えば、ある臓器のどこか、ごく一部の微小部分に他の部分と異なる硬い部分がある場合に、広い領域のその微小部分を特定して検出することは大きいプローブでは困難であり、小さいプローブでは時間がかかる。すなわち広い領域において空間分解能の高い、生体組織の硬さ測定装置をいかに構成するかの課題がある。
【０００９】
一方Ｘ線ＣＴ装置から得られるＣＴ値は３次元空間における分解能は高い。しかし、ＣＴ値は水との相対値で物質のＸ線吸収特性を表現したものであって、ＣＴ値のみでは物質の硬さといった柔軟性、堅牢性を表すこと、特に生体組織の異常を触診によって硬さから判断するといったときの硬さとの対応性を表現することは出来ない。
【００１０】
本発明は、物質の硬さとＸ線吸収値との間にある一定の相関があるという知見に基づいている。例えば図１にブタの脂肪部分について物質の硬さを表す周波数変化とＣＴ値との関係を示す。図１は、プローブを物質に押し当てつつ振動を与えて、その入力振動に対する物質の機械振動応答をセンサで検出し、その入力信号と出力信号の周波数変化を物質の硬さを表すものとして縦軸にとり、また市販のＸ線ＣＴ測定器により同一物質についてＣＴ値を求めて横軸として、その相関をグラフ化したものである。図１から物質の硬さと、ＣＴ値などのＸ線吸収値の間には、一定の明確な相関が見出される。
【００１１】
本発明の目的は、前述の従来技術の課題を解決し、広い領域において空間分解能の高い物質の硬さの測定、とくに生体組織例えば臓器における硬さ、さらには臓器全体における微小部分の硬さの測定を可能にし、またＸ線ＣＴ装置におけるＣＴ値から生体組織の柔軟性、堅牢性を硬さで表現することを可能とする物質の硬さ測定装置を提供するものであり、またコンピュータを用いることでかかる物質の硬さデータを出力することが出来る記録媒体を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る物質硬さ測定装置は、計測された被測定物質のＸ線吸収値を入力する入力手段と、参照物質として、複数の生体組織物質と金属とガラスとゴムと木材について、せん断弾性係数またはヤング率またはバネ定数に基づく硬さデータと、Ｘ線吸収値データとの対応関係を記憶する対応関係記憶手段と、前記入力された被測定物質のＸ線吸収値から前記対応関係を用いて被測定物質の硬さに変換する演算を行う演算手段と、その変換された被測定物質の硬さを出力する出力手段を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る物質硬さ測定装置においては、前記Ｘ線吸収値を入力する入力手段に、微小領域で計測された被測定物質のＸ線吸収値を入力することで、前記対応関係記憶手段に記憶されているＸ線吸収値データと硬さデータの対応関係を用いて、前記演算手段により被測定物質の硬さに変換する演算を行うことで、微小領域の硬さを測定でき、またＸ線吸収値を利用価値の高い物質の硬さに変換できる。
【００１５】
本発明に係る生体組織硬さ測定装置においては、変換された被測定物質の２次元の硬さ分布を出力するディスプレイを出力手段として備える。Ｘ線吸収値計測手段により得られたＸ線吸収値は広い領域において空間分解能が高いことから、微小領域であっても硬さを出力でき、広い領域において空間分解能が高く硬さを測定でき、またＸ線吸収値を利用価値の高い物質の硬さに変換できる。
【００１７】
また本発明に係る物質硬さ測定装置においては、物質のＸ線吸収値を数値化し水をゼロとした相対値で表したものをＣＴ値としたときに、前記Ｘ線吸収値は前記ＣＴ値であることが好適である。
【００２０】
さらに本発明に係る物質硬さ測定装置において、前記硬さデータは、被測定物質に振動子より入力信号を与え、その被測定物質からの出力信号を得て、入力信号と出力信号の周波数変化からもとめた硬さデータであることが好適である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。図２は、本発明の実施に係る物質硬さ測定装置としての生体組織硬さ測定装置を示すものであって、Ｘ線吸収値計測手段１１と硬さ変換部２１を有している。Ｘ線吸収値計測手段１１は、Ｘ線走査部１２を有しており、その内部はＸ線管１３に対して生体組織等の被検体１４が配置できるようになっており、Ｘ線管１３からみて被検体１４の背面にＸｅガス電離箱方式などの検出器１５が置かれる。Ｘ線管１３には高圧発生器１６が接続され、テーブル・ガントリー駆動機構１７はＸ線管１３、被検体１４及び検出器１５と結びついている。検出器１５にはデータ収集ユニット１８が接続され、コンピュータ１９は、高圧発生器１６、テーブル・ガントリー駆動機構１７及びデータ収集ユニット１８と接続される。コンピュータ１９は、ＣＴ値出力部２０と接続される。
【００２２】
このＸ線吸収値計測手段１１は硬さ変換部２１と結び付けられ、硬さ変換部２１は、記録媒体２２を用いる記憶装置２３と接続される硬さ変換演算装置２４を有していて、硬さ変換演算装置２４はまたＣＴ値出力部２０と、さらにディスプレイ２５と接続される。
【００２３】
かかる構成を有する生体組織硬さ測定装置の作用を以下に説明する。Ｘ線吸収値計測手段１１においては、高圧発生器１６からＸ線を励起するための高電圧がＸ線管１３に供給され、生体組織等の被検体１４にＸ線ビームを走査して、検出器１５によって生体組織等の被検体１４を透過したＸ線強度を検出、電気信号に変換してデータ収集ユニット１８にデータとして集められる。この場合、テーブル・ガントリー駆動機構１７によってＸ線管１３、被検体１４及び検出器１５は相対的に移動し、被検体１４の広い領域にわたり３次元的にＸ線ビームを走査する。したがって検出器１５を通してデータ収集ユニット１８には、Ｘ線が照射される被検体１４の広い領域全般にわたり、検出器１５の持つ高い空間分解能で生体組織等の被検体１４を透過したＸ線強度のデータが集められる。これらの各構成要素の機構制御はコンピュータ１９によって行われる。またコンピュータ１９は、データ収集ユニット１８で集められた生体組織等の被検体１４を透過したＸ線強度データと、各構成要素機構の制御条件データから、３次元的な画像処理を用いて、被検体１４内部の臓器の位置、形状、大きさを求める。さらにこれらのデータより、被検体１４の特定の位置に対応したＸ線吸収値を演算して求め、進んで数式１を用いてＸ線吸収値として一般的に用いられるＣＴ値を演算し、被検体１４の特定の位置情報とともにそれに対応したＣＴ値を、ＣＴ値出力部２０に出力する。
【００２４】
このようなＸ線吸収値計測手段１１としてはいわゆるＸ線ＣＴ装置を用いることができる。一般に使用されているＸ線ＣＴ装置がＣＴ値出力部２０を備えていないときは、特別のＣＴ値演算装置を設けることまたはコンピュータ１９に、ＣＴ値出力部２０の機能を持たせることができる。
【００２５】
硬さ変換部２１においては、まず複数の参照物質のＣＴ値データと硬さデータとの対応関係を記録してあって、コンピュータを用いることで、物質のＣＴ値データを入力して物質の硬さデータを出力することができる記録媒体２２が、記憶装置２３に挿入される。記憶装置２３は、その対応関係を読み出し一時記憶する。このような複数の参照生体組織のＣＴ値データと硬さデータの対応関係は、例えば同一の参照物質の試料について、ＣＴ値を得るための測定と硬さを得るための測定をそれぞれ行い、相関関係の処理を行うことで得ることが出来る。この対応関係は校正曲線の対応関係式、またはＣＴ値データと硬さデータを１対１で対応させて表示したテーブル等、またはプログラムの形で与えることができる。
【００２６】
次に硬さ変換演算装置２４に、ＣＴ値出力部２０から出力された被検体１４の特定の位置に対応するＣＴ値を入力し、上記記憶装置２３から一時記憶されている前記対応関係を呼び出して、入力した被検体１４の特定の位置に対応するＣＴ値について演算または検索等の演算処理を行い、ＣＴ値を硬さデータに変換する。この硬さデータを対応する位置情報とともに、２次元で、例えばプリンタ画像データ、液晶表示装置またはＣＲＴによる表示データとしてディスプレイ２５に表示する。
【００２７】
以上の実施の形態では、いわゆるＸ線ＣＴ装置を用いた場合について説明したが、例えば一定の標準的な形状（厚みなど）に被検体１４の試料形状を統一しておけば、Ｘ線吸収値を、Ｘｅガス電離箱方式などの検出器１５などで計測することで、試料の厚みなどの形状係数を一定値として本発明を実施できる。
【００２８】
また、本発明に係る生体組織硬さ測定装置の実施の形態としては、Ｘ線吸収値計測手段１１と硬さ変換部２１を一体構造とせず、それぞれ別個の装置として構成することもできる。硬さ変換部２１のみを独立の装置とするときは、被検体１４のＣＴ値を入力する入力手段、記録媒体２２、記憶装置２３、硬さ変換演算装置２４、出力手段としてのディスプレイ２５を備えることで本発明が実施できる。この場合には、複数の参照物質のＣＴ値データと硬さデータとの対応関係を記録してある記録媒体２２を用いて、被検体１４のＣＴ値データを入力して被検体１４の硬さデータを出力するプログラムを動かすことができる、適切な性能の市販のコンピュータによっても本発明が実施できる。さらに記録媒体２２を用いずに、複数の参照物質のＣＴ値データと硬さデータとの対応関係を規定する関係式またはテーブルを記憶装置２３に内蔵することでも本発明が実施できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係る物質硬さ測定装置としての生体組織硬さ測定装置においては、被測定生体組織にＸ線を走査照射し、前記被測定生体組織のＸ線吸収値を計測するＸ線吸収値計測手段を備え、その計測されたＸ線吸収値を、複数の参照生体組織のＸ線吸収値データと硬さデータの対応関係を記憶する対応関係記憶装置からＸ線吸収値データと硬さデータの対応関係を呼び出し、硬さ変換演算装置によって、前記対応関係を用いて前記被測定生体組織の硬さに変換する演算を行わせ、その変換された前記被測定生体組織の硬さを出力するディスプレイを備えることとしたので、Ｘ線吸収値計測手段により得られたＸ線吸収値は広い領域において空間分解能が高いことから、微小領域であっても硬さを出力でき、広い領域において空間分解能が高く硬さを測定できた。またＸ線吸収値を、柔軟性、堅牢性を表す物質の硬さに変換できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】物質の硬さを表す周波数変化とＣＴ値との相関図である。
【図２】本発明に係る物質硬さ測定装置の実施の形態におけるブロック図である。
【図３】従来例の硬さ測定装置の構成説明図である。
【図４】周波数変化ｄｆとせん断弾性係数Ｇの関係を示す図である。
【図５】さまざまな被測定物質の周波数変化ｄｆについてフォームラバーを基準とした値を示す
【図６】各種人体組織のＣＴ値の報告例である。
【符号の説明】
１被測定物質、２プローブ本体、３振動体、４歪検出センサ、５制御ユニット、６自励発振回路、７増幅器、８ゲイン変化補正回路、９周波数測定回路、１０電圧測定回路、１１Ｘ線吸収値計測手段、１２Ｘ線走査部、１３Ｘ線管、１４被検体、１５検出器、１６高圧発生器、１７テーブル・ガントリー駆動機構、１８データ収集ユニット、１９コンピュータ、２０ＣＴ値出力部、２１硬さ変換部、２２記録媒体、２３記憶装置、２４硬さ変換演算装置、２５ディスプレイ。

Claims

計測された被測定物質のＸ線吸収値を入力する入力手段と、参照物質として、複数の生体組織物質と金属とガラスとゴムと木材について、せん断弾性係数またはヤング率またはバネ定数に基づく硬さデータと、Ｘ線吸収値データとの対応関係を記憶する対応関係記憶手段と、前記入力された被測定物質のＸ線吸収値から前記対応関係を用いて被測定物質の硬さに変換する演算を行う演算手段と、その変換された被測定物質の硬さを出力する出力手段を備えている物質硬さ測定装置。
請求項１に記載した物質硬さ測定装置において、前記出力手段は、前記変換された前記被測定物質の２次元の硬さ分布を出力するディスプレイであることを特徴とする物質硬さ測定装置。
請求項１に記載した物質硬さ測定装置において、物質のＸ線吸収値を数値化し水をゼロとした相対値で表したものをＣＴ値としたときに、前記Ｘ線吸収値は、前記ＣＴ値であることを特徴とする物質硬さ測定装置。
請求項１に記載した物質硬さ測定装置において、前記硬さデータは、被測定物質に振動子より入力信号を与え、その被測定物質からの出力信号を得て、入力信号と出力信号の周波数変化からもとめた硬さデータであることを特徴とする物質硬さ測定装置。