JP5961777B2

JP5961777B2 - 磁気力計測表示装置

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Publication number: JP5961777B2
Application number: JP2012061294A
Authority: JP
Inventors: 小野瑞絵
Original assignee: 小野瑞絵
Priority date: 2012-03-17
Filing date: 2012-03-17
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2032-03-17
Also published as: JP2013195172A

Description

本発明は、細胞を培養もしくは誘導する際に関し、例えば、被作用物体の細胞に物理的な磁気力を与える際に、付加する磁気力の計測表示装置に関する。

動物置換組織のインビトロにおける培養技術の進歩により、動物から採取した機械応答的な細胞や組織細胞の場合、十分に機能する組織を作性するためには、培養中に組織形成する細胞を機械的応力に暴露する必要がある場合がある。すなわち、例えば骨、軟骨、靭帯および腱などの一部の種類の結合組織は、必要な機械的特性を得るために、培養中に機械的応力に暴露する装置（特許公開２００８−２６３９８６）がある。

必要な磁気力の大きさや、作用方向は使用する細胞種および必要な組織形成細胞種により異なる。このような応力を生ずる数多くの方法が技術上周知であり、細胞の直接的な機械的刺激や、流体力学的なシステムが含まれる。

前者の方法では、細胞を圧縮するためにローラー等を使用するが、後者では、細胞を機械的に刺激するために、バイオリアクター入っている培地内でパルス状の高い圧力を使用する方法があるが、所定の大きさの応力を細胞に良好に印加できる方法としては、磁気的に発生された応力を印加する方法がある。

これは、粒径がミクロンメートルもしくはナノメートルのコーティングされた磁性粒子を組織形成細胞に付着させて、該細胞を永久磁石や電磁石の磁場発生手段が発生する磁場中に暴露する。磁場は典型的には１０mT〜１４００mT程度（これに限定されない）の磁束密度を持つ。

磁場は、例えば、０．１〜１０Hzの周波数で変えることができるが、この範囲外の周波数を使用することもある。

細胞に印加される応力の大きさは、一般に、０．１〜１００ピコニュートン（pN）程度（これに限定されない）であり、応力を印加する磁場中の磁性体に作用する。

しかし、培養する細胞に付着した磁性粒子に作用する磁気力のベクトル値を短時間に計測する手段が無く、所定の作用方向に、かつ精度の高い応力値を印加できないという欠点がある。

ここで、精度の高い応力値を求めるためには、精度の高い磁場特性を短時間に正確に求める必要がある。

磁束密度Bを計測手段としては、一般的にホール素子やSQUID素子等がある。常温で使用できる方式はホール素子である。

磁気力Fm [N]の計算式を（１）式に示す。体積がV [m³]の磁性微粒子が置かれた空間の磁束密度Bとすると、磁気力Fmは、磁束密度Bと磁気勾配ΔBの積（以下，磁気力係数fm [T^２/m]と記す）に比例する。ここで，χは磁化率[-]，μ₀は真空透磁率[N/A²]である。

Fm = V・χ・B・ΔB/μ₀
= V・χ・fm /μ₀ ・・・・・・・・・・・（１）

したがって、
測定位置前後での磁束密度Bを計測すれば、両磁束密度Bから磁気勾配ΔBを計算でき、（１）式により、磁気力Fmを計算し求めることができる。

従来、測定位置前後での磁束密度Bの計測は、１個のホール素子をトラバース装置に組み込み数ミリの範囲をトラバースし２点を超える測定位置で磁束密度Bを計測し、その計測結果より測定位置での磁気勾配ΔBを算出する方法がある。しかし、磁気勾配ΔBを求めるのに、トラバースするのに数分以上の時間を要し、短時間での計測および磁気力の算出に時間がかかる欠点ある。

特許公開２００８−２６３９８６

したがって、本発明の目的は、上記の欠点を回避することである。

発明の磁場中に暴露した細胞に付着した磁性粒子に作用する磁気力のベクトル値を、作用点（A点）近傍の磁束密度B、A点近傍の磁束密度差ΔB、前記の測定点のB、ΔBの３次元計測値を短時間にかつ簡便にデジタルデータ化し、そのデルタルを用いてを短時間に精度を高く計算することにより、その計算値を液晶等の表示器に短時間で表示できる。これにより、精度の高い応力値を求めることができる。

したがって、本発明によれば、十分に機能する組織を確実に製作するためや、細胞を所定の場所に輸送するために発生された磁気力を、短時間で計測し、表示することができるので、精度の高い応力値を付加し、十分に機能する組織を確実に製作でき、または、精度よく細胞を所定の場所に輸送できる。

本発明による磁気力計測装置の実施形態１で用いるホール素子積層体の構造を示す図である。実施形態１の１軸用のセンサー部品の構造を示す図である。実施形態１の磁気力計測装置構成を示す図である。実施形態１の３軸用のセンサー部品の構造を示す図である。本発明による磁気力計測装置の実施形態２で用いるホール素子積層体の構造を示す図である。実施形態２の１軸用のセンサー部品の構造を示す図である。実施形態２の磁気力計測装置構成を示す図である。実施形態２の３軸用のセンサー部品の構造を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面について詳細に説明する。

図１は、本発明による磁気力計測装置の実施形態１のホール素子積層体の構造を示す図である。磁気力を求める１軸方向に２個のホール素子１、２を積層して配置する。測定する磁束密度Bは図の矢印方向に存在し、定電流装置３の両極を端子４、端子５に接続し、ホール素子１、２内に電流Icを流す。この際、半導体素子に直角方向の磁束密度Bが加わるとそれぞれのホール素子１、２の位置での磁束密度B_１、B_２に対し、それぞれ電圧値V_H１、電圧値V_H２が生じる。

V_H１=K_H１×Ic×B_１（V）（2）
V_H２=K_H２×Ic×B_２（V）（3）

ここで、K_H１、K_H２は積感度を示し、それぞれのホール素子の材料および幾何学的形状によって定まる定数である。
したがって、ホール素子１，２の電圧値V_H１,V_H２（デルタル値）からそれぞれの磁束密度B_１,B_２を、それぞれのホール素子のV_H-Bの校正値から計算する。

磁気誘導する磁性粒子に作用する例えば図１のz軸方向の磁気力Fmz [N]は，（１）式に示すように，体積がV [m³]の磁性微粒子が置かれた空間の磁束密度Bzが被磁気吸引物質の飽和磁界以下である場合，FmzはBzと磁気勾配ΔBzの積（以下，磁気力係数fmz [T^２/m]と記す）に比例する。

Fmz = V・χ・Bz・（∂Bz/∂z）/μ₀
= V・χ・Bz・ΔBz/μ₀
= V・χ・fmz /μ₀ ・・・・・・・・・・・（4）

ここで，χは磁化率[-]，μ₀は真空透磁率[N/A²]である。

ここで、ホール素子１，２を配置した位置での平均的磁束密度をBzmとすると、Bzmは次式から計算できる。
Bzm＝（Bz₁＋Bz₂）／2 ・・・・・・・・・・・（5）

ホール素子１，２間の磁気勾配をΔBzm（T／m）とすると、ホール素子１，２間の実質素子間距離をL（m）とし
ΔBzm＝（Bz₁―Bz₂）／L ・・・・・・・・・・・（6）

で計算できる。したがって、磁気力係数fmz [T^２/m]は、
fmz＝Bzm×ΔBzm ・・・・・・・・・・・（7）

となる。よって、磁気力Fmz（N）は、

Fmz＝V×χ×fmz /μ₀ ・・・・・・・・・・・（8）

となる。

すなわち、既知であるV、χ,、μ₀、を入力することにより、磁気力Fmzを算出できる。ただし、印加された磁束密度Bが、磁性体に外部磁化を加えていったときに磁化がほとんど増加しなくなったときの磁束密度である飽和磁束密度Bsを超えない場合に（８）式が成り立たつ。

しかし、印加された磁界Bが飽和磁束密度Bsを超えた場合には、磁気力Fmは、

Fm＝V×χ×Bs×ΔBzm /μ₀ ・・・・・・・・・・・（９）

となる。

したがって、ホール素子１，２を２枚積層したホール素子積層体を用いることにより、ホール素子積層体配置位置での磁気力を短時間に計測し、その測定値より算出できるので、その計算結果を計測装置にデジタル表示することができる効果が生じる。

また、上記はホール素子１、２のそれぞれ計測値電圧値V_H１、電圧値V_H２から磁束密度Bz_１、Bz_２を各々計算し磁気勾配ΔBzを計算したが、計測値電圧値V_H１、電圧値V_H２の差分から、磁気勾配ΔBzを直接計算しても、同様な効果が生じる。

図２は、ホール素子１、２のホール素子積層体１０を、ホール素子積層体１０と端子４、５，６，７，８，９の６端子を有するリード線群１１を固定するためのシート12上に接着剤等で固定したセンサー部品１３の構造を示している。

図２のセンサー部品１３を使用した磁気力計測装置の構成図を示す。端子接続器１４でリード線群１１とケーブル１５を電気的に接続し、磁気力計測装置１６と電気信号の入出力を行う。磁気力計測装置１６内には定電流装置（図示せず）が内蔵されている。

図３に示す磁気力計測装置１６は、内蔵バッテリー等の電源の入切り用のスイッチ１７、被測定体の体積V、磁化率χ，真空透磁率μ₀ をボタン操作等で入力する入力手段18、測定したホール素子１、２のそれぞれの電圧値V_H１、V_H２から磁気力計測装置１６に組み込まれたプログラム（図示せず）で計算された平均磁束密度Bzm を表示する液晶等の表示部１９、磁気勾配ΔBzmを表示する液晶等の表示部２０および磁気力Fmzを表示する液晶等の表示部２１で構成される。表示部２０では、表示内容を切り替えて磁気力係数fmzを表示することができる。

磁気力装置１６により、センサー部品１３を、細胞の設置場所に当たる位置に配置することにより、その場の平均磁束密度Bzm、磁気勾配ΔBzm、磁気力Fmzが即時に知ることができ、精度の高い応力値を細胞に付加して十分に機能する細胞組織を確実に製作でき、また、精度よく細胞を所定の場所に移動できる効果がある。

上記は１軸（z軸）用磁気力計測について説明したが、これを３軸（x、y、z軸）用に構成した
センサー部品２２を図４に示す。z軸用の磁束密度を計測するセンサー部品１３のホール素子積層体10と同様な構成のx軸用センサー部品２３は、ホール素子積層体２４、シート２５、リード線群２６で構成し、y軸用センサー部品２７は、ホール素子積層体２８、シート２９、リード線群３０で構成する。

本センサー部品２２を使用すれば、３軸のそれぞれの平均磁束密度Bxm、Bym、Bzm、磁気勾配ΔBxm、ΔBym、ΔBzm、磁気力Fmx、Fmy、Fmzを短時間に計測できる。この構造により、磁気力Fmx、Fmy、Fmzの算出値を使用し、そのベクトル値F_Mとその方向のx、y、z軸からベクトル方向角度θx、θy、θzを算出し、それぞれの算出結果を磁気力計測装置に表示する（図示せず）ことができ、さらに精度の高い応力値を３次元的に細胞に付加して十分に機能する細胞組織を確実に製作でき、また、３次元的に精度よく細胞を所定の場所に移動できる効果がある。
また、上記実施形態１では、ホール素子を２個積層した場合において説明したが、２個以上のホール素子を積層し、各センサー間での計測値の平均値から平均磁気力を求めることもできる。

図５は、本発明による磁気力計測装置の実施形態２の、ホール素子と磁気的影響を与えないピエゾ素子との積層体の構成を示す図である。

図１の構造との相違は、ホール素子１とピエゾ素子３２を積層したホール素子とピエゾ素子の積層体３１を構成し、ピエゾ素子３２に電圧を付加する電圧発生装置３４と、電圧発生装置３４電圧値を計測に合わせて制御する電圧制御装置35と両者の電気信号を入出力するケーブル36で構成される。

ピエゾ素子32に電圧発生装置３４から電圧Vpをかけると逆圧電効果により、z軸方向にわずかな距離Lp（m）だけ伸縮する。したがって、Lp伸縮前後の位置をZ_p0、Z_p1とし、その場所での電圧値V_p0、V_p1から磁束密度をB_p0、B_p1を算出し、これから平均磁束密度B_mpを求めると

B_mp＝（B_p0＋B_p1）／2 ・・・・・・・・・・・（１０）

となる。

また、Lp伸縮前後の位置での磁気勾配をΔB_mp（T／m）は、２点間の距離をLp（m）とし
ΔB_mp＝（B_p0―B_p1）／Lp ・・・・・・・・・・・（１１）
で計算できる。したがって、磁気力係数f_mp [T^２/m]は、
f_mp＝B_mp×ΔB_mp ・・・・・・・・・・・（１２）
となる。

よって、磁気力F_mp（N）は、
F_mp＝V×χ×f_mp /μ₀ ・・・・・・・・・・・（１３）

となる。

すなわち、既知であるV、χ,、μ₀、を入力することにより、磁気力F_mpを算出できる。ただし、印加された磁束密度Bが、磁性体に外部磁化を加えていったときに磁化がほとんど増加しなくなったときの磁束密度である飽和磁束密度B_sを超えない場合に（１２）式が成り立たつ。

しかし、印加された磁界Bが飽和磁束密度B_sを超えた場合には、磁気力F_mpは、

F_mp＝V×χ×B_s×ΔB_mp /μ₀ ・・・・・・・・・・・（１４）

となる。

距離Lpは数ミクロンメートルと微細な距離に制御できるので、磁気発生手段が超伝導磁石等であり、磁気勾配が非常に大きい場合において、非常に精密な磁気勾配を計測できるので、さらに精密な磁気力F_mを即時に知ることができ、より精度の高い応力値を細胞に付加して十分に機能する細胞組織を確実に製作でき、また、精度よく細胞を所定の場所に移動できる効果がある。

また、本実施例では、ホール素子は高価であるため、安価なピエゾ素子を用いて２距離間の磁束密度を計測できるので、ホール素子・ピエゾ素子積層体を安価に作製することができる効果がある。
図６は、ホール素子１とピエゾ素子３２との積層体３１と端子４、５，６，７，８，９の６端子を有するリード線群３７を固定するためのシート12上に接着剤等で固定したセンサー部品３８の構造を示している。

図７に、図６のセンサー部品３８を使用した磁気力計測装置３９の構成図を示す。端子接続器１４でリード線群３７とケーブル１５を電気的に接続し、磁気力計測装置１６と電気信号の入出力を行う。磁気力計測装置１６内には定電流装置（図示せず）およびピエゾ素子を伸縮させる電圧発生装置（図示せず）、電圧値を計測に合わせて制御する電圧制御装置（図示せず）が内蔵されている。

ここで、磁気力計測装置３９は、内蔵バッテリー等の電源の入切り用のスイッチ１７、非測定体の体積V、磁化率χ，真空透磁率μ₀ をボタン操作等で入力する入力手段18、測定したホール素子１のそれぞれの電圧値V_p0、V_p1から磁気力計測装置３９に組み込まれたプログラム（図示せず）で計算された平均磁束密度B_mpを表示する液晶等の表示部１９、磁気勾配ΔB_mpを表示する液晶等の表示部２０および磁気力F_mpを表示する液晶等の表示部２１で構成される。表示部２０では、表示内容を切り替えて磁気力係数f_mpを表示することができる。

上記は１軸（z軸）用磁気力計測について説明したが、これを３軸（x、y、z軸）用に構成したセンサー部品４０を図８に示す。z軸用の磁束密度を計測するセンサー部品３８のホール素子とビエゾ素子との積層体３１と同様な構成のx軸用センサー部品４１は、ホール素子とビエゾ素子との積層体４２、シート４３、リード線群２６で構成し、y軸用センサー部品４４は、ホール素子とビエゾ素子との積層体４５、シート４６、リード線群３０で構成する。

本センサー部品４０を使用すれば、３軸のそれぞれの平均磁束密度Bx_mp、By_mp、Bz_mp、磁気勾配ΔBx_mp、ΔBy_mp、ΔBz_mp、磁気力Fz_mp、Fy_mp、Fz_mpを短時間に計測できる。この構造により、磁気力Fx_mp、Fy_mp、Fz_mpの算出値を使用し、そのベクトル値F_Mpとその方向のx、y、z軸からベクトル方向角度）θpx、θpy、θpzを算出し、それぞれの算出結果を磁気力計測装置に表示する（図示せず）ことができ、さらに精度の高い応力値を３次元的に細胞に付加して十分に機能する細胞組織を確実に製作でき、また、３次元的に精度よく細胞を所定の場所に輸送できる効果がある。

本実施例では、２点間の磁気密度の計測結果から磁気力を求めたが、ピエゾ素子の伸縮距離を３点以上の位置での磁気密度から磁気力を求めことができるので、さらに高い精度で磁気力を求めることができる効果がある。

また、以上の実施例では、磁気センサーとしてホール素子を用いた例で説明したが、ホール素子の代わりにSQUOID素子や磁気抵抗素子、アモルファス・ワイヤを利用する磁気インピーダンス方式やコイルに磁束を通して誘導電流を検知するフラックス・ゲート方式のセンサーを用いても同様な効果がある。

１ホール素子
２ホール素子
３定電流装置
４端子
５端子
６端子
７端子
８端子
９端子
１１リード線群
１２シート
１３センサー部品
１４端子接続器
１５ケーブル
１６磁気力計測装置
１７スイッチ
１８入力手段
１９表示部
２０表示部
２１表示部
２２センサー部品
２３ x軸用センサー部品
２４ホール素子積層体
２５シート
２６リード線群
２７ y軸用センサー部品
２８ホール素子積層体
２９シート
３０リード線群
３１ホール素子とピエゾ素子の積層体
３２ピエゾ素子
３４電圧発生装置
３５電圧制御装置
３６ケーブル
３７リード線群
３８センサー部品
３９磁気力計測装置
４０センサー部品
４１ x軸用センサー部品
４２積層体
４３シート
４４ y軸用センサー部品
４５積層体
４６シート

Claims

磁気力を発生するために印加される磁場内において、被作用物体に磁気力を伝達する位置Aの磁気力を計測する磁気力計測表示装置において、
該位置Aもしくはその近傍での磁気密度を計測する磁気センサーと、
該磁気センサーを少なくとも２点以上の位置での磁束密度を計測するための磁気センサー移動手段と、
磁気計測に必要な電気信号および磁束密度に応じた電気信号を入出力する信号処理手段と、
該電気信号より、磁気密度、磁気勾配、磁気力を算出するプログラムと、
該磁気密度、磁気勾配、磁気力を算出するに必要な被作用物体の物性値等の既知数値を入力する入力手段と、
算出した磁気密度、磁気勾配、磁気力を表示する表示手段
を備えたことを特徴とする磁気力計測表示装置。
磁気力を発生するために印加される磁場内において、被作用物体に磁気力を伝達する位置Aの磁気力を計測する磁気力計測表示装置において、
該位置Aもしくはその近傍での磁気密度を計測するための少なくとも２個以上の磁気センサーを積層した積層磁気センサーと、
磁気計測に必要な電気信号および磁束密度に応じた電気信号を入出力する信号処理手段と、
該電気信号より、磁気密度、磁気勾配、磁気力を算出するプログラムと、
該磁気密度、磁気勾配、磁気力を算出するに必要な被作用物体の物性値等の既知数値を入力する入力手段と、
算出した磁気密度、磁気勾配、磁気力を表示する表示手段
を備えたことを特徴とする磁気力計測表示装置。
該磁気センサーを少なくとも２個以上の磁気センサーを積層した積層磁気センサーで構成したことを特徴とする請求項１記載の磁気力計測表示装置。
該磁気センサーを磁気センサーとピエゾ素子を積層した磁気センサー・ピエゾ素子積層体で構成したことを特徴とする請求項１記載の磁気力計測表示装置。
磁気センサーを磁気センサーとピエゾ素子を積層した磁気センサー・ピエゾ素子積層体で構成したことを特徴とする磁気計測素子。
２個以上の磁気センサーを積層した積層磁気センサーをx、y、z軸の３軸方向に３組配置し、
３軸の磁気計測に必要な電気信号および磁束密度に応じた電気信号を入出力する信号処理手段と、
該電気信号より、３軸の磁気密度、磁気勾配、磁気力と磁気力のベクトル値を算出するプログラムと、
該磁気密度、磁気勾配、磁気力、磁気力のベクトル値を算出するに必要な被作用物体の物性値等の既知数値を入力する入力手段と、
算出した磁気密度、磁気勾配、磁気力、磁気力のベクトル値を表示する表示手段
を備えたことを特徴とする磁気力計測表示装置。
磁気センサーとピエゾ素子を積層した磁気センサー・ピエゾ素子積層体をx、y、z軸の３軸方向に３組配置し、
３軸の磁気計測に必要な電気信号および磁束密度に応じた電気信号を入出力する信号処理手段と、
該電気信号より、３軸の磁気密度、磁気勾配、磁気力と磁気力のベクトル値を算出するプログラムと、
該磁気密度、磁気勾配、磁気力、磁気力のベクトル値を算出するに必要な被作用物体の物性値等の既知数値を入力する入力手段と、
算出した磁気密度、磁気勾配、磁気力、磁気力のベクトル値を表示する表示手段を備えたことを特徴とする磁気力計測表示装置。