JP6829065B2 - 硬度計および硬度測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、対象物の硬さを推定する硬度計に関する。
従来から、対象物の硬度を測定することが有益である場面は多い。例えば、医療分野や美容分野において、人体の硬度の測定が実現されることが望まれている。医療分野では、所定箇所の硬度を測定することにより、長期にわたり同じ姿勢での寝たきりに起因する支持面の皮膚の潰瘍、臓器の変化による皮膚の浮腫や強皮症状などを判定できる。鍼灸院や接骨院などにおいて、鍼灸や整体の施術によって筋肉が柔らかくなった効果も判定できる。また、美容分野では、所定箇所の硬度を測定することにより、疾病の進行度や薬物治療を行った際の効果などを判定できる。
このような用途のために、従来より、一定の力で対象物を圧迫したときに対象物が凹んだ程度を硬度の指標とするデュロメーターという計測器が使われてきた。また、さらに、機械的振動部が物体と接触したときの共振状態の変化情報を得て、これを物体の硬さ情報として出力する触覚センサが開発されてきた（特許文献１参照）。
特開平１０−０６２３２８号公報
前述のデュロメーターの課題として、人が対象物を圧迫する力によって、計測結果である対象物の凹んだ程度が変わるという問題点がある。つまり、同じ対象物であっても、軽く圧迫したときと強く圧迫したときで推定される硬度が異なる。そこで、本発明は、デュロメーターの機構に加えて、圧力センサを能動的に周期運動させる機構を備えた硬度計によって，この課題を解決する。
本発明の一側面は、測定対象物に連続的に押し付けられる可動部と、測定対象物における可動部との接触部分での反力を反映する出力信号を出力するセンサと、可動部をピストン運動させる動力機構と、可動部のピストン運動によって生成される、出力信号の交流成分に基づいて、測定対象物の硬度を推定する硬度推定部と、を備えることを特徴とする硬度計である。
本発明の他の一側面は、可動部を振動させる第１のステップと、可動部を測定対象物に接触させた際の、測定対象物からの反力に基づいたセンス信号を取得する第２のステップと、センス信号の交流成分を取得する第３のステップと、交流成分の振幅に基づいて、測定対象物の硬度を推定する第４のステップと、を備えることを特徴とする硬度測定方法である。
本発明によれば、硬度計において、操作者が圧迫する強度に依存せずに，圧力センサの出力値のみから硬度を推定することができる。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
生体硬度計の全体構成ブロック図である。 測定装置（ガン型）の構造例の説明透視図である。 測定装置（Ｔ字型）の構造例の説明透視図である。 測定装置の動作原理の模式図である。 生体硬度計の磁気センサの電圧波形の模式図である。 生体硬度計の磁気センサの電圧波形を力に変換した模式図である。 硬度を推定する方法の原理説明図である。 生体硬度計の出力波形から直流成分を固定して硬度を推定する模式図である。 生体硬度計の出力波形から交流成分を固定して硬度を推定する模式図である。 硬度を推定した結果を示すグラフ図である。 生体硬度計による処理の全体の流れを示すフローチャートの一例である。 被験者登録画面の図である。 結果表示画面において推定した硬度や硬度マップを表示した図である。 実施例の対応表の例を示す表図である。 実施例の対応表の他の例を示す表図である。 結果表示画面において治療前後の硬度マップを表示した図である。 位置推定のための測定装置を示す模式図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている場合がある。
以下の実施例は、測定対象物の硬度を計算する技術に関する。硬度とは、測定対象物の硬さを表す指標であり、弾性を意味している。以下では、測定対象物として人体などの生体を例として説明するが、これに限定されない。例えば、以下の実施例における硬度計は、生体以外の対象物に適用されてもよい。
図１は、生体硬度計の全体構成図である。生体硬度計１０００は、測定装置１と、硬度計算装置２とを備える。なお、図１の測定装置１では、図２、図３、図４の測定装置１と比較して、構成の一部の図示を省略している。ここで、併せて図２と図３と図４も参照しながら、測定装置１の構成と動作原理について説明する。
図２は、測定装置１の一例の構成を示している。測定装置１は、受信コイル１１（磁場検知手段）を有する本体部１４と、発信コイル１２（磁場発生手段）を有する可動部１５と、バネ１３（弾性体）と、電池１６と、モータ１７と，上下可動部１８とを備える。電池１６によって駆動されるモータ１７が、例えばクランク構造により上下可動部１８をピストン運動させる構成である。なお、受信コイル１１と発信コイル１２とを合わせて磁気センサ１９と称する。磁気センサ１９は、計測対象物１５０における可動部１５との接触部分での反力に対応する反力情報を出力する。
可動部１５の接触部２０は、硬度の測定（計算）時に、計測対象物１５０が凹むように計測対象物１５０に押し付けられる部位であり、可動部と対象部の接触面である。なお、本体部１４と可動部１５は、剛性を有する。計測対象物１５０は、例えば人間の胴体その他の硬度を計測したい対象である。
磁気センサ１９は、測定装置１によって計測対象物１５０へ加えられた圧力に応じた計測対象物１５０の反力の大きさに相当する電圧の情報を出力する。そのため、受信コイル１１と発信コイル１２は、お互いに対向するように配置されている。そして、本体部１４と可動部１５との間には、バネ定数がK’(既知)のバネ１３が配置されている（図２参照）。
なお、バネ１３は、同じ形状の線径が太いバネに交換されてもよい。これにより、対象物の深層位置の硬度を測定することができる。従来では、皮膚表面での硬度の測定しか行えておらず、皮膚深層までの情報に対応できていないという課題があった。これに対して、当該構成によれば、皮膚表面のみならず、皮膚深層までの皮下組織や筋肉などの硬度を測定することができる可能性もある。
図３は、測定装置１の他の一例の構成を示している。図２では、筐体全体がＬ字型になっているが、操作者が持ちやすいようにＴ字型やペンシル型としてもよい。図３はＴ字型の例を示している。図３において図２と共通の構成については同一の参照番号が付されている。３軸受信コイル３０１と発信コイル３０２からなる位置計測装置３については、後述する。
図４を参照して、磁気センサ１９および周辺部品の動作について説明する。まず、交流発振源３１は、特定の周波数（例えば、２０ｋＨｚ）を持つ交流電圧を生成する。その交流電圧はアンプ３２によって特定の周波数を持つ交流電流に変換され、その変換された交流電流が発信コイル１２に流れる。発信コイル１２を流れる交流電流によって発生した磁場は、受信コイル１１に誘起起電力を発生させる。
誘起起電力によって受信コイル１１に発生した交流電流（周波数は交流発振源３１によって生成された交流電圧の周波数と同じ）は、プリアンプ３３によって増幅され、増幅後の信号が検波回路３４に入力される。検波回路３４は、交流発振源３１によって生成された特定の周波数又は２倍周波数によって、前記増幅後の信号の検波を行う。そのため、交流発振源３１の出力を、参照信号３５として検波回路３４の参照信号入力端子に導入する。なお、検波回路３４を用いずに全波整流回路を用いた動作方式にしてもよい。検波回路３４（または整流回路）からの電圧の情報（出力信号）は、ローパスフィルタ３６を通過した後、硬度計算装置２の駆動回路２１（図１参照）に導入される。
計測対象物１５０は、バネ定数Kを有するバネ３７（ａ）と、ダッシュポット係数Gを有するダッシュポット（ダンパー）３７（ｂ）でモデル化される。受信コイル１１と発信コイル１２からなる磁気センサ１９は、計測対象物１５０に押し付けられる。バネ１３のバネ定数K'と計測対象物１５０のバネ定数Kの間には、K’＞Kの関係があることが望ましい。そうしないと、本体部１４を圧迫したときに、本体部１４と計測対象物１５０が接触部２０で接触するおそれがあるからである。
次に、図１に戻って、硬度計算装置２について説明する。硬度計算装置２は、コンピュータ装置である。硬度計算装置２は、駆動回路２１と、マイクロプロセッサー２３と、記憶部２４と、音声発生部２５と、表示部２６と、電源部２７と、入力部２８と、位置推定駆動回路２９とを備える。
マイクロプロセッサー２３は、例えばＣＰＵ(Central Processing Unit)によって実現される。マイクロプロセッサー２３は、電圧波形生成部２３１と、異常波形検出部２３２と、電圧・圧力換算部２３３と、硬度推定部２３４と、判定部２３５と，位置推定部２３６とを備える。マイクロプロセッサー２３の上記処理部は、各種プログラムにより実現することができる。例えば、硬度計算装置２の図示しないメモリには、記憶部２４に格納されている各種プログラムが展開される。マイクロプロセッサー２３は、メモリにロードされたプログラムを実行し、所定の処理や計算を行う。以下、マイクロプロセッサー２３の各処理部の処理内容について説明する。
電圧波形生成部２３１では、駆動回路２１から得られた磁気センサの出力電圧の波形情報を生成する。磁気センサの出力電圧の波形の例については、後に図５で詳説する。
異常波形検出部２３２では、圧迫が弱過ぎる場合や強過ぎる場合、圧迫方向が対象物表面に対して傾いている場合等、不適切な圧迫における異常波形を検出する。硬度の推定にあたっては、操作者の圧迫強度が適切な範囲に入る必要があるが、異常波形検出部２３２では、この適切な範囲から外れた場合の波形を除去することを目的としている。
異常波形の検出方法としては、出力信号の直流成分の大きさが一定範囲に入っていないことを条件として、異常と判定することができる。あるいは、出力信号の交流成分の上限と下限が検出できないことにより、異常な波形と判定することができる。硬度の検出は、このような異常な波形が検出されない範囲において、出力信号の交流成分に基づいて行うことになる。
電圧・圧力換算部２３３では、気センサの出力電圧を圧力情報に換算する。磁気センサの出力電圧は、図２の受信コイル１１と発信コイル１２の間の距離に応じて変化する。そして、この２コイル間の距離はバネ１３の長さと等しい。バネにかかる反力は、フックの法則により、バネ１３の自由長から縮んだ距離とバネ１３のバネ定数から計算することができる。これらの関係より、磁気センサの出力電圧を圧力情報に換算する。磁気センサの出力電圧の圧力情報への換算については、後に図６と図７で詳説する。
具体的には、所定の２コイル間距離のときの磁束を、以下のように計算する。受信コイル１１上の微小な線要素をds1，発信コイル１２上の微小な線要素をds2とする。また、ds1からみたds2の位置ベクトルをrとする。このとき、受信コイル１１と発信コイル１２の相互インダクタンスM12は、次式で計算される（Neumannの公式）。μは透磁率である。
Figure 0006829065
受信コイル１１に電流Iが流れ、受信コイル１１の巻き数をNと仮定すると、発信コイル１２内の磁束φは，M12を用いて次式のように算出される。
Figure 0006829065
同様に、２コイル間距離を所定の距離刻みで変化させたときの磁束φを計算していく。磁束φは磁気センサの出力電圧と線形関係にある。したがって、これらのデータにより、２コイル間距離と磁気センサの出力電圧との変換曲線が作成できる。次に，バネ１３の自由長から２コイル間距離を差し引くことで、バネ１３の変位量を求める。この変位量にバネ１３のバネ定数を乗算すれば反力が得られる。以上により、磁気センサの出力電圧と反力との変換曲線を生成することができる。
≪硬度を推定する方法≫
硬度推定部２３４について図５〜図１０を参照しながら説明する。
図５は磁気センサ１９の出力波形であり、横軸が時間（秒）を、縦軸が出力電圧（Ｖ）を示す。操作者が生体硬度計１０００を計測対象物１５０にあてて少しずつ圧迫していくと、図５のような磁気センサ１９の出力電圧の波形が得られる。条件を単純化するため、計測対象物１５０の硬度は深さによらず一定、すなわち硬さは均一とする（図６〜図９でも同様）。ここで、モータ１７の周波数成分を除いた手の圧迫による遅い変動を直流成分VDと呼び、モータ１７の周波数成分を持つ速い変動の振幅を交流成分VAと呼ぶ。少しずつ圧迫していくと、直流成分VDは大きくなり、それに伴って、交流成分VAが徐々に大きくなっていくことが分かる。これは、圧迫によって受信コイル１１と発信コイル１２間の距離が近づくほど、磁気センサ１９の電圧が指数関数的に大きくなるためである。直流成分と交流成分の抽出は、公知のアナログあるいはデジタルの周波数フィルタを用いればよい。
図６は、この磁気センサ１９の出力電圧の波形を、上述の電圧・圧力換算部２３３によって、圧力の波形に換算して得られる波形である。横軸は図５と同じく時間（秒）であり、縦軸は換算された圧力（Ｎ）である。圧力波形においては、少しずつ圧迫すると、直流成分FDは大きくなるが、交流成分FACの振幅は常に一定となる。交流成分が一定となる点は、図５の磁気センサの出力電圧との相違点である。この交流成分FACに基づいて推定硬度を求める。
実際の硬度を求めるときは、既知の硬度を持つ対象物を複数用意し、各対象物において生体硬度計１０００によって計測し上記の交流成分FACの振幅を求める。これによって、既知の硬度と交流成分FACの対応表ができる。硬度が未知の対象物を測り、交流成分FACが得られたら、この対応表から硬度に変換できる。対応表のデータを線形補間やスプライン補間などによって補間して変換式を得ることで、対応表にない交流成分FACであっても硬度に変換できる。上記の対応表は、予め作成してデータベース化しておき、例えば記憶部２４にデータベース１００１として格納する。硬度推定部２３４はデータベース１００１を参照して、電圧・圧力換算部２３３から得られる圧力を硬度に変換する。
図７は硬度を推定する方法の原理説明図である。ここで、図６の圧力波形において交流成分FACを推定硬度とみなす理由を、図７を参照しながら説明する。計測対象を操作者が一定の力F0で圧迫した場合は、モータ１７によってさらに振幅ACの小さな周期的な変動が与えられる。Dを押し込み量、ΔFを振幅ACの周期変動に伴う力の変化量（変化幅）とすると、この場合、フックの法則により，D: AC＝F0：ΔFの関係が成り立つ。
これは、計測対象の硬さによってΔFが異なることを意味する。つまり、振幅ACは一定であるため、計測対象物１５０が柔らかい場合（測定対象物のバネ定数Kが小）は、押し込み量Dが大きいので、F0に対するモータ１７の振幅ACによる力の変化ΔFが小さくなる。一方で、計測対象が硬い場合（測定対象物のバネ定数Kが大）は、押し込み量Dが小さいので、F0に対するモータ１７の振幅ACによる力の変化ΔFが大きくなる。
上述の内容を式で説明すると以下となる。計測対象物１５０のバネ定数をKとすると、操作者が生体硬度計１０００をある力Fで押し込んだときの押し込み量D[mm]はフックの法則より以下となる。
F ＝ K D
そのときに、モータ１７によって所定の振幅ACで接触部２０が上下に変動する。このとき、操作者が手で所定の力F ＝ FD ＝ KDDで押し込んだときに、モータ１７が最も高い位置(DD − AC)に達したときの力は，以下となる。
FU ＝ K (DD − AC) ＝ F − KAC
そして、操作者が手で所定の力F ＝ FD ＝ KDDで押し込んだときに、モータ１７が最も低い位置(DD ＋ AC)に達したときの力は、以下となる。
FL ＝ K (DD ＋ AC) ＝ F ＋ KAC
モータ１７が最も高い位置と低い位置での力の差分FAC (＝力の交流成分)は以下となる。
FAC ＝ FL − FU ＝ 2KAC
ACは一定であるので、FACは対象物のバネ定数Kに比例する。よって、FACは対象物が硬くなるほど大きくなることが分かる。そして，この式より、対象物が同一硬度であれば圧迫強度（力の直流成分）にかかわらず、力の交流成分FACが常に一定となることが分かる。
図８を参照しながら、磁気センサの出力電圧をそのまま力センサとして用いて硬度を推定する場合を説明する。この場合は、電圧・圧力換算部２３３を省略して、磁気センサ１９の出力電圧をそのまま圧力として扱うこととなる。この場合は、図８に示した波形のように、磁気センサでは、直流成分VDの増大に伴って（つまり，圧迫強度が強くなるに従って）、交流成分VAが増大する。これは、前段落で述べたように、電圧・圧力換算部２３３を実施した場合に，力の直流成分(圧迫強度)にかかわらず、力の交流成分が常に一定となる点とは異なる。
このように交流成分が一定にならない原因としては、磁気センサでは、出力電圧と力の関係が比例関係にならないことが挙げられる。硬度計内部の発信コイル１２と受信コイル１１の間の2コイル間距離は硬度計内部のバネ１３の長さと等しいため、フックの法則により、2コイル間距離と力とは線形関係になる。一方で、磁束の大きさは、発信コイル１２と受信コイル１１の間の2コイル間距離とは線形関係にならず、2コイルが近づくほど急速に磁束が大きくなる非線形の関係となる。そのため、力と磁束も非線形の関係となり、圧迫強度が強くなるに従って交流成分が増大することとなる。
そこで、このように、電圧・圧力換算部２３３を実施せずに、磁気センサの出力電圧をそのまま圧力として扱う場合は、電圧の直流成分VDを一定値VDCに固定したときの電圧の交流成分VACを推定硬度とすることとする。こうすれば、磁束の大きさと2コイル間距離との間の非線形な特性に依存せずに、硬度を推定することができる。
具体的には、記憶部２４のデータベース１００１には、直流成分VDを一定値VDCに固定したときの、VACの振幅と硬度の対応表を格納しておく。測定時には直流成分VDをモニタリングし、所定値VDCになったときの交流成分VACの振幅を取得する。そして、対応表を参照し、当該振幅に対応する硬度を得る。
一定値VDCの決め方の一例を、図８を参照しながら説明する。計測対象物１５０に測定装置１を徐々に押し当てて圧迫していくとき、硬度計が計測対象物１５０に軽く触れている状態（電圧の直流成分VDが小さい状態）である範囲（Ａ）では交流成分が完全には得られない。一方で，硬度計が計測対象を押しこんで飽和した状態である範囲（Ｃ）では、対象物が剛体のように硬くなるため、交流成分の正確な値が得られない。つまり、一定値VDCは、電圧波形の中に交流成分が適切に得られるように、上記の両極端の状態に挟まれた範囲（Ｂ）の電圧に設定すればよいことになる。なお、測定装置１の内部のバネ１３のバネ定数に依存するため、バネを取換えたら再度一定値VDCを決め直す必要がある。
図９は他の例を示す。図８と同様の考えにより、図９に示すように、電圧の交流成分VAを一定値VACに固定したときの電圧の直流成分VDCを推定硬度としてもよい。この方法でも、磁束の大きさと２コイル間距離との間の非線形な特性に依存せずに、硬度を推定できる。電圧の直流成分VACの設定も，上述のVDCの設定方法と同様に、軽く接触した状態（Ａ）と強く押して飽和した状態（Ｃ）の両極端の状態に挟まれた範囲（Ｂ）の電圧の直流成分と設定すればよい。
図８及び図９では、電圧・圧力換算部２３３を実施しない場合に、直流成分を固定したときの交流成分、または，交流成分を固定したときの直流成分に基づいて硬度を推定する方法を説明した。しかし，電圧・圧力換算部２３３を備える場合であっても、計測対象の性質によっては、力の交流成分が常に一定とならない場合がある。この場合は、図８及び図９の硬度推定法を用いるメリットがある。
図７では、硬度を推定する対象物をバネと同じ特性を持つと単純化して説明したが、実用上は、人体の皮膚や筋肉や脂肪などの生体組織を対象として計測を行うことが想定される。バネは、フックの法則に正確に従い、圧迫強度によらずバネ定数は一定値になる。しかし、生体組織は、その性質上、強く圧迫するに従って、バネ定数（硬さ）が大きくなることが知られている。そのため、生体組織を対象として計測する場合は、磁気センサの出力電圧を力に変換した後であっても、図６のように交流成分FDが一定にならずに、圧迫が強くなるに従って増大する可能性がある。このような理由から、電圧・圧力換算部２３３を実施した場合にも、直流成分を固定したときの交流成分（図８参照）、または、交流成分を固定したときの直流成分（図９参照）に基づいて硬度を推定してもよい。さらに，圧迫強度によってバネ定数（硬さ）が異なる場合は交流成分や直流成分の固定値を数種類設定してもよい。
図１０は、磁気センサ１９を用いて、電圧・圧力換算部２３３を実施せずに、図９の方法で硬度を推定した場合の結果を示す。グラフ中の3種類のマーカーは3名の計測者を表している。横軸はデュロメーターで計測した既知の硬度（単位なし）、縦軸は電動硬度計によって図９の方法で求めた推定硬度（Ｖ）である。このグラフから、推定硬度と既知の硬度のデータ点を多項式でフィッティングし、二者の関係を表す曲線を求める。電動硬度計の計測によって推定硬度が得られた場合は、曲線に代入することで既知の硬度に変換することができる。
図１に戻って、記憶部２４は、各種情報を記憶する手段であり、例えば、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などによって実現される。記憶部２４は、実験によって算出された電圧・圧力変換係数Ｃｍｐを予め記憶している。音声発生部２５は、音声を発生させる手段であり、例えばスピーカによって実現される。音声発生部２５は、例えば、測定装置１による測定の開始時および終了時に、ビープ音を発生させる。表示部２６は、各種表示を行う手段であり、例えば、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)またはＣＲＴ(Cathode Ray Tube) Displayによって実現される。表示部２６には、各種の波形、対象物の硬度（例えば、弾性の情報及び粘性の情報の少なくとも一方）、および対象物の硬度を視覚化したインジケータなどが表示される。
表示部２６では、硬度推定部２３４で求めた推定硬度を表示する。また、後述するように、この推定硬度を生体表面上の計測位置にカラーマップ表示してもよい。ここで、生体表面上の計測位置は、後述の通り、位置計測装置から得られた位置情報を反映した磁場のデータより位置推定部２３６によって推定される。また、推定硬度が圧迫強度によって異なる場合は、生体表面からの深さによって硬さが変わる場合もある。
また、表示部２６には、異常波形検出部２３２の結果に基づき、操作者に圧迫する方法を指示する圧迫指示部２６１も含まれる。圧迫指示部２６１では、異常波形検出部２３２において、圧迫強度が不適切であったことを検出した場合に、適切な圧迫強度を指示する。また、硬度推定部２３４において、図８及び図９のように直流成分または交流成分を指定する場合に、適切な圧迫強度を指示する。
電源部２７は、硬度計算装置２における電源供給手段である。入力部２８は、各種情報入力のためにユーザによって操作される手段であり、例えば、キーボードやマウス等によって実現される。
図２および図３に戻って、本体部１４は、受信コイル１１と、受信コイル１１を搭載するコイル基板１１０と、電池１６と、硬度計算の開始時等に操作される動作ボタン１４０と，モータ１７と、受信コイル１１および発信コイル１２とに接続される動作回路基板１４１とを備えている。可動部１５は、発信コイル１２と、発信コイル１２を搭載するコイル基板１２０とを備えている。コイル基板１１０とコイル基板１２０の間には、１本または複数のバネ１３が配置されている。
測定装置１によれば、モータ１７によって回転運動が生じると、モータ１７の軸上からずらした位置に取り付けられた軸が回転し、それに伴って上下可動部１８が上下運動を行う（クランク機構）。動作ボタン１４０を押すとモータ１７が回転を開始し、動作ボタン１４０を押すのをやめるとモータ１７が回転を停止する。この上下運動によって、可動部１５が周期的に計測対象に押し付けられる。対象物が凹むように可動部１５が対象物に押し付けられた際、バネ１３が縮んで発信コイル１２と受信コイル１１とが近づき、受信コイル１１が検知する磁場の大きさが増加することで、接触部２０で発生した反力の大きさに応じた電圧の情報が受信コイル１１から出力される。
上述のように、動作ボタン１４０を押すのをやめるとモータ１７が回転を停止するため、接触部２０の停止位置は操作者が動作ボタン１４０を離したタイミングによって異なることになる。そこで、フォトセンサによってモータ１７の回転位置を計測し、接触部２０が常に定位置で止まるように制御する。これによって、測定装置１はデュロメーターと同じハード構成となり、波形の直流成分はデュロメーターの出力値と同じになる。生体硬度計１０００はデュロメーターの機能を包含することになる。
≪硬度推定アプリケーションの実行順序≫
図１１のフローチャートを参照して（適宜他図参照）、生体硬度計１０００の処理について説明する。以下では、測定対象物として人体を例に説明する。まず、操作者によって身体の硬度を計測する被験者を登録する（ステップＳ１）。登録する内容は、被験者ID，被験者名，性別，年齢，疾患情報，治療情報，他の検査機器の計測結果などである。
図１２に登録画面の例を示す。
次に、硬度計による人の身体の硬度計測を行う。具体的には、操作者によって測定装置１の動作ボタン１４０をオンにすることで、モータ１７が動作し始め、磁気センサのデータが記録され始める（ステップＳ２）。ここでは、測定装置１の全体がモータ１７に取付けられている。この構成の場合、モータ１７を駆動することにより、所定の周波数ｆＨｚで可動部１５を連続的に対象物に押し付けることができる。例えば、f=２〜８Ｈｚ程度に設定してもよい。硬度計算装置２のマイクロプロセッサー２３は、測定装置１の可動部１５が計測対象物１５０に押し付けられるたびに、その測定装置１からの情報を取得する。
操作者は動作ボタン１４０がオンになった状態で、測定装置１を人体表面に垂直にあたるように徐々に圧迫していく（ステップＳ３）。ここで、圧迫強度が強すぎる場合や弱すぎる場合、また、人体表面に対して垂直ではなく傾いている場合など，計測された磁気センサの波形が異常である場合は，マイクロプロセッサー２３によって検出される（ステップＳ４）。この判定は、例えば、図８に示した磁気センサ出力電圧の直流成分の電圧や、交流成分の周波数などから行うことができる。この処理は、マイクロプロセッサー２３の判定部２３５によって実行される。Ｙｅｓの場合はステップＳ５に進み、Ｎｏの場合はステップＳ６に進む。異常波形と判定された場合は、マイクロプロセッサー２３は、表示部２６に計測やり直しのメッセージを表示することで，操作者が適切な圧迫方法に修正するように促す（ステップＳ５）。
ステップＳ４で異常波形ではないと判定された場合は、硬度の推定を行う（ステップＳ６）。マイクロプロセッサー２３は、ステップＳ３で計算した推定値に基づいて、それらの値が異常値か否かを判定する（ステップＳ７）。この処理は、マイクロプロセッサー２３の判定部２３５によって実行される。Ｙｅｓの場合はステップＳ５に進み、Ｎｏの場合はステップＳ８に進む。なお、異常値か否かの判定は、例えば、平均値及び分散を、予め設定しておいた閾値と比較することにより実現できる。
ステップＳ７でＮｏの場合、推定した硬度を測定値として格納する（ステップＳ８）。ステップＳ２からステップＳ８までの処理を、必要に応じて複数の測定点において繰り返す（ステップＳ９）。全ての測定点での測定が完了したら、マイクロプロセッサー２３は、表示部２６に硬度に関する情報や硬度を人体模式図上にマッピングした図を表示させる（ステップＳ１０）。
図１３にこの画面の例を示した。図１３（ａ）の例では、硬度マップは人体の９つの測定点における硬度を表示している。硬度の大小は、濃淡や色の違いで表すことができる。また、図１３（ｂ）のように、スライドバー１３００によって、異なる深さにおける硬さを表示するようにしている。さらに、鍼灸やマッサージなどの治療効果を評価するために、過去の硬度や硬度マップと比較することもできる（ステップＳ１１）。
このように、ある一箇所の硬度の数値を表示、または、過去の数値と比較することができる。また複数の測定箇所の硬度を含んだ硬度マップを表示、または、過去の硬度マップと比較することもできる。また、本実施例の測定方法では、異なる深さの硬さを測ることもできる。
異なる深さの硬度を測定するには、例えば図６のデータにおいて、直流成分の大きなタイミングの交流成分FAC1と、直流成分の小さなタイミングの交流成分FAC2を取得して、それぞれ対応する硬度を求める。直流成分の大きなタイミングの交流成分FAC1は深い部分の硬度を反映し、直流成分の小さなタイミングの交流成分FAC2は浅い部分の硬度を反映している。なお、前述のように、図６のグラフは固さ均一を前提にしているので、いずれの箇所でも交流成分の大きさは同じになっている。しかし、深さにより硬さが異なる場合には、直流成分の大きさにより交流成分の大きさが異なることになる。
また、図８や図９のような磁気センサ出力を直接用いる方式では、固定点を複数とることで、複数の深さがを測ることができる。
図１４ＡおよびＢは、実施例のデータベース１００１が含む対応表の例を示す表図である。
図１４Ａは、図６のように、磁気センサ１９の出力電圧の波形を圧力の波形に換算し、圧力波形から硬度を換算する対応表の例である。図１４Ａ(a)は直流成分振幅と深さの対応表である。図１４Ａ(b)は交流成分振幅と硬さの対応表である。これらの表は、例えば予め実験的に求めておけばよい。任意の深さの硬さを測定したい場合は、図１４Ａ(a)により深さに対応する直流成分振幅を得、当該直流成分振幅のタイミングにおける交流成分振幅を得る。そして、図１４Ａ(b)により、その交流成分振幅に対応する硬さを求める。
図１４Ｂは、図８のように磁気センサの出力電圧をそのまま力センサとして用いて硬度を推定する場合の対応表の例である。図８の例では、電圧の直流成分VDを一定値VDCに固定したときの電圧の交流成分VACを推定硬度としている。この場合、直流成分の大きさにより、すなわち深さにより、交流成分振幅と硬度の対応が変わるため、深さにより複数の対応表が必要になる。図１４Ｂ(a)は浅い部分（直流成分の大きさが１００ｍＶ）の交流成分振幅と硬さの対応表であり、図１４Ｂ(b)は深い部分（直流成分の大きさが２００ｍＶ）の交流成分振幅と硬さの対応表である。
また、図９のように、交流成分を固定したときの直流成分に基づいて硬度を推定する場合には、複数の交流成分に対応して、直流成分と硬度の対応表を準備することになる。なおここで、対応表中の硬度は、推定硬度でもよいし、図１０で説明したように推定硬度を既知の硬度に換算した値でも良い。
図１５は、過去のデータと最新のデータを比較して表示する画面の例を示している。硬度情報や硬度マップを並べて表示してもよいし，両者の差分を表示してもよい。以上で，全てのステップが終了となる。
≪計測位置の推定≫
次に、表示部２６で推定硬度をマップ表示するのに必要な計測位置情報を求める方法を説明する。図１に示した位置計測装置３は、例えば５個の発信コイル３０２と３軸受信コイル３０１から構成されている。
図１６は、５個の発信コイル３０２と３軸受信コイル３０１の配置模式図である。ここで発信コイル３０２は５個としたが、目的とする位置情報の取得に必要な個数であれば他の個数でもよい。３軸受信コイル３０１は生体硬度計１０００の内部に装着される。また、５個の発信コイル３０２は測定対象物との位置関係が既知であるものとする。発信コイル３０２は例えば、計測対象物１５０を配置する試料台に配置される。計測対象物１５０が人体の場合は、ベッド等に内蔵すればよい。これによって、発信コイルに対する生体硬度計の計測位置を推定できる。
位置計測装置３の計測原理は、測定装置１と同様である。位置推定駆動回路２９によって発信コイル３０２に電流を流すと周囲に磁場が生じ、その磁場が電磁誘導の原理によって３軸受信コイル３０１に電圧を生じさせる。測定装置１と異なって、受信コイル・発振コイルともに複数個あるため、磁場の干渉が問題となる。この問題については，発信コイル・受信コイルの各組合せ（１５通り）で電流を流すのと検出するのを短時間で切り替える時分割の方式を採用する方法で解決する。他の方法として、複数の発信コイルに同時に電流を流す場合は，発信コイルの周波数を変えれば、複数の発信コイルの磁場を互いに干渉させずに検出することが出来る。
位置推定部２３６では、表示部２６で推定硬度を生体表面上にマップ表示する際に必要な位置情報を算出する。得られた磁場データから，磁場のシミューレーションによって、３軸受信コイルの３次元的な位置（水平方向Ｘ，Ｙ，垂直方向Ｚ）と姿勢角（仰角θ，方位角φ）を推定する。表示部２６に表示する場合は、例えば、人体の背中の模式図上にマッピングする際は、水平方向Ｘ，Ｙの位置情報のみを使って、推定硬度をカラーマップ表示すればよい。他にも、顔表面に３次元的にマップ表示する場合は、Ｘ，Ｙ，Ｚの位置情報を使ってマップ表示すればよい。
なお、本実施例では、位置推定のために磁場計測を用いたが、他の方法でも良い、例えば、カメラ撮影によって計測位置を推定しても良い。また、加速度センサを２階積分することで計測位置を推定しても良い。
以上説明した本実施例によると、測定対象物に連続的に押し付けられる可動部を備える本体部と、測定対象物における可動部との接触部分での反力に対応する反力情報を出力する圧力センサと、モータと、モータによって駆動され、本体部及び可動部をピストン運動させるクランク機構とを備える硬度計において、可動部のピストン運動によって生成される圧力センサ値の交流成分に基づいて硬度を推定する硬度推定部が提供される。
なお、本実施例では、圧力センサとして磁気センサを用いたが、他の種類のセンサを用いても良い。例えば、図２の磁気センサ１９の代わりに、半導体プロセスを用いたピエゾ抵抗型の圧力センサを配置することができる。ピエゾ抵抗型の圧力センサは、ダイヤフラムの表面に半導体ひずみゲージを形成していて、外部からの力（圧力）によってダイヤフラムが変形して発生するピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化を電気信号に変換する。このため、このセンサの出力から直接図６で示した力の情報を得ることができる。
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることもできる。また、各実施例の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。
上述したマイクロプロセッサー２３の各種処理は、それらの一部や全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納することができる。
上述の実施例において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。
１ …測定装置
２ …硬度計算装置
１１ …受信コイル
１２ …発信コイル
１３ …バネ
１４ …本体部
１５ …可動部
１６ …電池
１７ …モータ
１８ …上下可動部
１９ …磁気センサ
２０ …接触部
２１ …駆動回路
２３ …マイクロプロセッサー
２４ …記憶部
２５ …音声発生部
２６ …表示部
２７ …電源部
２８ …入力部
３ …位置計測装置
３１ …交流発振源
３２ …アンプ
３３ …プリアンプ
３４ …検波回路
３５ …参照信号
３６ …ローパスフィルタ
３７（ａ）…バネ
３７（ｂ）…ダッシュポット
１１０、１２０…コイル基板
１４０ …動作ボタン
１４１ …動作回路基板
１３０ …動作回路基板
１４０ …動作ボタン
２３１ …電圧波形生成部
２３２ …異常波形検出部
２３３ …電圧・圧力換算部
２３４ …硬度推定部
２３５ …判定部
２３６ …位置推定部
２６１ …圧迫指示部
３０１ …３軸受信コイル
３０２ …発信コイル
１０００ …生体硬度計

Claims (11)

  1. 測定対象物に連続的に押し付けられる可動部と、
    前記測定対象物における前記可動部との接触部分での反力を反映する出力信号を出力するセンサと、
    前記可動部をピストン運動させる動力機構と、
    前記可動部のピストン運動によって生成される、前記出力信号の交流成分に基づいて、前記測定対象物の硬度を推定する硬度推定部と、
    を備える硬度計において、
    前記硬度推定部は、
    前記出力信号の直流成分の大きさを所定の値に固定したときの交流成分の振幅に基づいて、前記測定対象物の硬度を推定する、
    ことを特徴とする硬度計。
  2. 測定対象物に連続的に押し付けられる可動部と、
    前記測定対象物における前記可動部との接触部分での反力を反映する出力信号を出力するセンサと、
    前記可動部をピストン運動させる動力機構と、
    前記可動部のピストン運動によって生成される、前記出力信号の交流成分に基づいて、前記測定対象物の硬度を推定する硬度推定部と、
    を備える硬度計において、
    前記硬度推定部は、
    前記出力信号の交流成分の振幅を所定の値に固定したときの直流成分の大きさに基づいて、前記測定対象物の硬度を推定する、
    ことを特徴とする硬度計。
  3. 測定対象物に連続的に押し付けられる可動部と、
    前記測定対象物における前記可動部との接触部分での反力を反映する出力信号を出力するセンサと、
    前記可動部をピストン運動させる動力機構と、
    前記可動部のピストン運動によって生成される、前記出力信号の交流成分に基づいて、前記測定対象物の硬度を推定する硬度推定部と、
    を備える硬度計において、
    前記出力信号の交流成分の上限と下限が検出可能でないことを条件として、異常な波形を検出する異常波形検出部を備え、
    前記硬度推定部は、
    前記異常波形検出部で、異常な波形が検出されない範囲における、前記出力信号の交流成分の振幅に基づいて、前記測定対象物の硬度を推定する、
    ことを特徴とする硬度計。
  4. 前記センサの出力電圧を圧力情報に換算する電圧・圧力換算部を備える、
    ことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれかの硬度計。
  5. 硬度計の計測位置を推定する位置推定部と、
    前記計測位置を用いて推定された前記硬度をマップ表示する硬度マップ表示部と、
    を備える、
    ことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれかの硬度計。
  6. 測定対象物に連続的に押し付けられる可動部と、
    前記測定対象物における前記可動部との接触部分での反力を反映する出力信号を出力するセンサと、
    前記可動部をピストン運動させる動力機構と、
    前記可動部のピストン運動によって生成される、前記出力信号の交流成分に基づいて、前記測定対象物の硬度を推定する硬度推定部と、
    硬度計の計測位置を推定する位置推定部と、
    前記計測位置を用いて推定された前記硬度をマップ表示する硬度マップ表示部と、
    を備える硬度計において、
    前記硬度マップ表示部は、
    二つの硬度マップの差分を提示する、
    ことを特徴とする硬度計。
  7. 可動部を振動させる第１のステップと、
    前記可動部を測定対象物に接触させた際の、前記測定対象物からの反力に基づいたセンス信号を取得する第２のステップと、
    前記センス信号の交流成分を取得する第３のステップと、
    前記交流成分の振幅に基づいて、前記測定対象物の硬度を推定する第４のステップと、
    を備える硬度測定方法において、
    前記第１のステップにおいて、
    前記可動部を振動させる振動部材を用い、前記振動部材は前記可動部とバネを介して接続され、
    前記第２のステップにおいて、
    前記センス信号は、前記可動部に配置された第１のコイルと、前記振動部材に配置された第２のコイルを用いて、一方のコイルから発信された信号を他方のコイルで受信して検出する磁気センサ信号に基づいて取得される、
    ことを特徴とする硬度測定方法。
  8. マイクロプロセッサーと、記憶部と、入力部と、出力部とを備えるコンピュータ装置を用い、
    前記マイクロプロセッサーが、前記入力部から得られる前記磁気センサ信号の波形を、電圧・圧力換算によって、圧力の波形に換算することにより、前記センス信号を得る、
    ことを特徴とする請求項７記載の硬度測定方法。
  9. 前記記憶部に、前記センス信号の交流成分の振幅と硬度の対応表をデータベースとして準備し、
    前記マイクロプロセッサーが、前記対応表に基づいて前記硬度を推定する、
    ことを特徴とする請求項８記載の硬度測定方法。
  10. マイクロプロセッサーと、記憶部と、入力部と、出力部とを備えるコンピュータ装置を用い、
    前記マイクロプロセッサーが、前記磁気センサ信号の波形を、そのまま前記センス信号として用いる、
    ことを特徴とする請求項７記載の硬度測定方法。
  11. 前記記憶部に、前記センス信号の振幅と硬度の対応表をデータベースとして準備し、
    前記対応表は、
    前記センス信号の直流成分を固定した場合の、前記センス信号の交流成分の振幅と硬度の対応を示すものであるか、あるいは、
    前記センス信号の交流成分を固定した場合の、前記センス信号の直流成分の振幅と硬度の対応を示すものであり、
    前記マイクロプロセッサーが、前記対応表に基づいて前記硬度を推定する、
    ことを特徴とする請求項１０記載の硬度測定方法。
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