JP7496980B2

JP7496980B2 - 脂肪含有率等の計測装置及び方法

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Publication number: JP7496980B2
Application number: JP2020015284A
Authority: JP
Inventors: 善人中島
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2024-06-10
Anticipated expiration: 2040-01-31
Also published as: JP2021124285A

Description

本発明は、脂肪と赤身とが混在する試料の脂肪と赤身の混合の程度を計測する技術に関する。

本願では、脂肪は、脂肪組織を意味し、主成分は中性脂肪、すなわちトリグリセリドである。また、赤身は、筋肉を意味し、以下で議論しているように牛肉やマグロなどでは、ミオグロビンが多いと赤く見える。筋肉は、約７０％の水分と約３０％のタンパク質とを含む。

片側開放型の核磁気共鳴（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）センサを用いたプロトン核磁気共鳴法（例えば特許文献１乃至４、非特許文献１を参照のこと）は、非破壊、非侵襲且つ原位置で、計測対象物の内部の水、油、ゴム、ゲルなどの物理化学的状態を計測する手法であり、地下深部の油田の検層（例えば非特許文献１）、生きた牛の脂肪混合度合いの計測（例えば非特許文献２）、マグロの大トロの脂肪含有率計測（例えば非特許文献３）などに応用可能である。例えば、牛肉やマグロなどの食品の脂肪含有量は、食味ひいては価格に直結する重要な特性なので、原位置で非破壊且つ非侵襲で計測を可能とする当該手法は、有望な計測技術といえる。

このプロトン核磁気共鳴法における計測原理はおおよそ次のとおりである。まず、片側開放型の核磁気共鳴センサ（磁気回路及び高周波コイルを含む）の感度領域に入るように、計測対象物を核磁気共鳴センサに近づける。なお、磁気回路のデザインや大きさによるが、感度領域は計測対象物の表面から数ｍｍ～数ｃｍ深部に設定される。高周波コイルに対して所定のパルスシーケンスの高周波パルスを出力し、それが形成する磁界波によって、感度領域に存在する水や油などのプロトンを励起し、そのあと起きるプロトンの横緩和過程を、過渡的な波形ｆ（ｔ）（ｔは時間を表す）として高周波コイルで検出する。

脂肪の炭化水素中のプロトンと水（赤身、すなわち筋肉中の水）のプロトンとは、しばしば互いに異なる横緩和時間を有するので、パルスシーケンス中のパルスの繰り返し間隔ＴＲが、脂肪と赤身中の水の両方のプロトン縦緩和時間より５倍以上長い場合は（例えば非特許文献７）、プロトン横緩和波形データｆ（ｔ）を、以下のような関数で最小自乗法等によりフィッティングさせることができる。
ｆ（ｔ）＝Afat＊exp(－ｔ／T2fat)＋Alean＊exp(－ｔ／T2lean) （１）

ここで、Afatは、最小自乗法等で決められるべき未知の定数であって、ＮＭＲセンサの感度領域中の脂肪量に比例して増加するものである。また、T2fatは、脂肪の横緩和時間（以下、Ｔ２値と呼ぶ）を表し、Aleanは、最小自乗法等で決められるべき未知の定数であって、ＮＭＲセンサの感度領域中の赤身量に比例して増加するものである。さらに、T2leanは赤身のＴ２値を表す。T2fatとT2leanは、それぞれ、赤身のない純粋な脂肪サンプル、脂肪のない純粋な赤身サンプルを、予め計測することで得られる。また、脂肪含有量及び赤身含有量が既知であるサンプル群で、係数Afat及びAleanを予め実験的に計測しておけば、Afat及びAleanをそれぞれ脂肪含有量と赤身含有量に換算できる検量線を得ることができる。この検量線を用いて、未知試料について実験的に得たAfat及びAleanから、ＮＭＲセンサの感度領域内における脂肪混合の程度（すなわち感度領域中の脂肪と赤身の混合比）を推定できる（例えば非特許文献２及び３）。

しかしながら、式（１）に基づき脂肪と赤身の混合の程度を検出できるというのは、T2fat及びT2leanが互いに異なる値であることが前提となっており、この前提が崩れる場合が見出された。

日本特許第５１９６４８０号日本特許第５２９４２３０号日本特許第５１７０６１７号米国特許第６４８９８７２号

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従って、本発明の目的は、一側面として、温度によらず、脂肪と赤身とが混在する試料の脂肪と赤身の混合の程度を計測できるようにするための技術を提供することである。

本発明に係る計測システムは、（Ａ）磁気回路と高周波コイルとを含む核磁気共鳴センサと、（Ｂ）脂肪と筋肉とが混在する試料における筋肉の、プロトン横緩和波形データに対する影響を除去又は抑制するように設定されたパルスパラメータによって特定されるパルスシーケンスの高周波パルスを高周波コイルに出力して、高周波コイルから試料のプロトン横緩和波形データを計測し、当該プロトン横緩和波形データに対する回帰分析により所定関数の係数を算出し、当該計算された係数と予め用意された検量線とに基づき試料の少なくとも脂肪含有率を算出する計測部とを有する。

一側面によれば、温度によらず、脂肪と赤身とが混在する試料の脂肪と赤身の混合の程度を計測できるようになる。

図１は、マグロサンプルの脂肪サンプルについて計測されたＴ１値及びＴ２値、並びに赤身サンプルについて計測されたＴ１値及びＴ２値の温度変化を説明するための図である。図２は、マグロの脂肪サンプルについてＮＭＲ信号の時間変化を温度毎に示した図である。図３は、マグロの赤身サンプルについてＮＭＲ信号の時間変化を温度毎に示した図である。図４は、牛肉サンプルの脂肪サンプルについて計測されたＴ１値及びＴ２値、並びに赤身サンプルについて計測されたＴ１値及びＴ２値の温度変化を説明するための図である。図５は、牛肉の脂肪サンプルについてＮＭＲ信号の時間変化を温度毎に示した図である。図６は、牛肉の赤身サンプルについてＮＭＲ信号の時間変化を温度毎に示した図である。図７は、実施の形態に係る計測システムの概要を示す図である。図８（ａ）は、飽和回復法におけるパルスシーケンス例、（ｂ）は、反復回復法におけるパルスシーケンス例を示す図である。図９は、第１の実施の形態に係る計測処理の処理フローを示す図である。図１０は、第２の実施の形態に係る計測処理の処理フローを示す図である。図１１は、第３の実施の形態に係る計測処理の処理フローを示す図である。図１２は、第４の実施の形態に係る計測処理の処理フローを示す図である。図１３は、コンピュータ装置のブロック構成図である。

［本発明の実施の形態の前提となる実験結果］
マグロサンプルは、生のクロマグロ（国内の養殖モノ）から切り出した皮下脂肪と赤身の２つである。ソックスレー抽出法という通常の食品分析結果によると、その脂肪サンプルと赤身サンプルの脂肪含有量はそれぞれ８３ｗｔ％、６ｗｔ％であった。残りのｗｔ％値は赤身の重量分率なので、前者は赤身のないほぼ純粋な脂肪サンプル、後者は脂肪のないほぼ純粋な赤身サンプルと近似してよい。マグロ計測時においては、この２サンプルを計測することで、式（１）のT2fat及びT2leanをそれぞれ決定できる（例えば非特許文献２及び３を参照のこと）。

一方、牛肉サンプルは、国内産の黒毛和牛から切り出した皮下脂肪と、豪州産の赤身（ランプ肉）の２つである。ソックスレー抽出法によると、その脂肪サンプルと赤身サンプルの脂肪含有量はそれぞれ９２ｗｔ％、５ｗｔ％であった。残りのｗｔ％値は赤身の重量分率なので、前者は赤身のないほぼ純粋な脂肪サンプル、後者は脂肪のないほぼ純粋な赤身サンプルと近似してよい。牛肉計測時においては、この２サンプルを計測することで、式（１）のT2fat及びT2leanをそれぞれ決定できる（例えば非特許文献２及び３を参照のこと）。

計測に使用したＮＭＲ装置は、プロトンのラーモア周波数が２０ＭＨｚで、装填できる試料管の直径は１０ｍｍタイプである（装置詳細は、例えば非特許文献５を参照のこと）。脂肪と赤身のプロトンの横緩和時間Ｔ２を計測するために使用したパルスシーケンスは、ＣＰＭＧ（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）法（飽和回復法とも呼ぶ）である。一方、脂肪と赤身のプロトンの縦緩和時間Ｔ１を計測するために使用したパルスシーケンスは、反転回復 (Inversion recovery) 法である（例えば非特許文献６を参照のこと）。信号積算回数はいずれのシーケンスも８回、積算間隔（シーケンスの繰り返し間隔ＴＲ）は４秒である。サンプル温度は、マグロについては９．３℃～３４．０℃までの５種類、牛肉については８．７℃～３９．８℃までの６種類を実施した。

マグロサンプルに関する結果を図１乃至３に、牛肉サンプルに関する結果を図４乃至６に示す。図１と図４は、脂肪サンプルと赤身サンプルのＴ１及びＴ２値をアレニウスプロット（サンプル絶対温度の逆数に対する、緩和時間の片対数プロット）したものである。上述のようなサンプルの純粋性により、グラフ中で、脂肪サンプルのＴ２値は式（１）のT2fat値であり、赤身サンプルのＴ２値は式（１）のT2lean値である。

ＣＰＭＧ法によって得られた波形ｆ（ｔ）を、図２及び３（マグロサンプル）、並びに図５及び６（牛肉サンプル）に示す。一般に、核スピンのボルツマン分布のため、図２及び３、図５及び６の縦軸、すなわちＮＭＲ信号の強度ｆ（ｔ）は、サンプルの絶対温度の逆数に反比例するので、その補正（例えば非特許文献６を参照のこと）を行った上で、サンプル温度の異なる波形データの強度を定量的に比較できるようにしてある。

図１より、マグロサンプルについては、サンプル温度Ｔが３０℃程度であれば、T2fatはT2leanの約３倍も異なるので（図中に両矢印で示す）、非特許文献３にあるように、式（１）を用いて脂肪と赤身の混合率を定量できる。しかし、サンプル温度が３℃まで低下すると、図１の図中に両矢印で示したように、T2fatはT2leanとほぼ一致してしまい、その結果、式（１）を用いて脂肪と赤身の混合率を定量することは困難になる。

図４より、牛肉サンプルについては、サンプル温度Ｔが４０℃程度であれば、T2fatはT2leanの約３倍も異なるので（図中に両矢印で示す）、非特許文献２にあるように、式（１）を用いて脂肪と赤身の混合率を定量できる。しかし、サンプル温度が約１３℃まで低下すると、T2fatはT2leanとほぼ一致してしまい、その結果、式（１）を用いて脂肪と赤身の混合率を定量することが困難になる。１３℃を超えてさらにサンプル温度が低下すると、赤身と脂肪のＴ２値の長短関係が逆転し、幸いにも両者の乖離は拡大し、たとえば３℃になると図４の図中に両矢印で示したように、T2leanはT2fatの約１．５倍になる。しかしながら１．５倍の差は、上で述べた３倍の差より小さいので、３℃では４０℃に比べると式（１）を用いて脂肪と赤身の混合率を定量することが困難になる。

一般論として、サンプルが低温になると、水や脂肪分子の熱運動が低下してしまい、片側開放型ＮＭＲでは信号が読み取れなくなり、式（１）のAfatやAleanがほぼゼロになってしまい、結果として脂肪や赤身の混合率を定量することが困難になるリスク、すなわち過小評価するリスクがある。しかし、図２及び３と図５及び６によれば、マグロ及び牛肉について、脂肪サンプルも赤身サンプルも、ゼロ時刻に外挿した信号強度は温度に依存せずほぼ同一である。従って、今回調べた温度範囲では、サンプルの低温化によるＮＭＲ信号の消失（すなわち脂肪や赤身の量の過小評価）のリスクはないと言える。

海水温が高い低緯度の外洋上やイケスでマグロを釣り上げた場合、魚肉温度は３０℃程度である。また、生きている牛の体温は約４０℃である。これら比較的肉が高温環境の場合は、上述のとおり、T2fatはT2leanの約３倍も異なるので、非特許文献２及び３にあるように、式（１）を用いて脂肪と赤身の混合率を定量できる。すなわち、釣り上げた直後にマグロの魚体を、あるいは生きている間又はと畜直後に牛を、それぞれＮＭＲスキャンをすれば、脂肪と赤身のＴ２値の違いを利用して正確に脂肪含有量を定量できるであろう。

しかし、マグロを冷蔵庫に長期保管して魚肉温度がチルド温度程度（たとえば図３の３℃付近）まで低下すると、上述のようにT2fatはT2leanとほぼ一致してしまう。牛肉についても、サンプル温度が約１３℃まで低下するとT2fatはT2leanとほぼ一致してしまう。１３℃を超えてさらにサンプル温度が低下するとT2fatはT2leanとの差はふたたび開き始めるが、それでもたとえば３℃では図４に点線で示したように、T2leanはT2fatの約１．５倍程度しか差異がない。このように、低温環境ではマグロ肉も牛肉も、高温環境に比べてT2fatはT2leanと差異が確保できていないので、式（１）を用いての脂肪と赤身の混合率を定量することが困難になる。

そこで、下に述べる手法を用いて、温度によらず（但し、低温が好適）、赤身と脂肪とが混在する未知試料について、脂肪と赤身の混合率を定量できるようにする。

［実施の形態１］
飽和回復法において縦緩和時間の影響を発現させることで、脂肪と赤身との混合率を定量できるようにする実施の形態である。

まず、各実施の形態において前提となる計測システムの構成及び高周波コイルに出力される高周波パルスのパルスシーケンスなどについて説明しておく。

図７に計測システムの構成例を示す。本発明の実施の形態に係る計測システムは、磁気回路及び高周波コイルを有するＮＭＲセンサ２００と、ＮＭＲセンサ２００に対する制御及びＮＭＲセンサ２００の計測結果に対する情報処理を行う計測装置１００とを有する。

ＮＭＲセンサ２００は、例えば非特許文献２等に記載されている片側開放型のＮＭＲセンサである。片側開放型のＮＭＲセンサであるので、図１に模式的に示すように、試料３００をＮＭＲセンサ２００上に載せたり、試料３００にＮＭＲセンサ２００を当てたりすることで計測することができ、試料３００中のＮＭＲセンサ２００寄りに感度領域がある。但し、本発明の実施の形態では、片側開放型でないＮＭＲセンサ２００を用いるようにしてもよい。

計測装置１００は、当該ＮＭＲセンサ２００の高周波コイルに対して所定のパルスシーケンスを出力するように制御を行い、高周波コイルからのＮＭＲ信号（より具体的には横緩和波形データ）を計測し、以下で述べる処理を行うようになっている。

図８に、高周波コイルに出力されるパルスシーケンスの具体例を示す。図８（ａ）は、飽和回復法におけるパルスシーケンスを示し、図８（ｂ）は、反復回復法におけるパルスシーケンスを示し、縦軸は信号強度を表し、横軸は時間を表している。

図８（ａ）に示すように、１つの９０°パルスの後に複数の１８０°パルスがパルス間隔ｔＥで順次出力されるようになっており、その後繰り返し間隔ＴＲおいて同様のパルスシーケンスが繰り返されるようになっている。なお、１８０°パルス間でＮＭＲ信号（点線）のサンプリング（黒丸）が行われ、サンプリングの間隔もパルス間隔ｔＥとなる。パルス間隔ｔＥ及び繰り返し間隔ＴＲは、パルスパラメータの一部である。また、ＮＭＲ信号は微弱なので、各パルスシーケンス内において同じタイミングでサンプリングされた値は、所定回数だけ累積されて、後続の処理で用いられる。

図８（ｂ）に示すように、最初に１８０°パルスが出力され、その後待機時間τおいて９０°パルスが出力され、さらに複数の１８０°パルスがパルス間隔ｔＥで順次出力されるようになっており、その後繰り返し間隔ＴＲおいて同様のパルスシーケンスが繰り返されるようになっている。１８０°パルス間でＮＭＲ信号（点線）のサンプリング（黒丸）が行われ、サンプリングの間隔もパルス間隔ｔＥとなる。待機時間τ、パルス間隔ｔＥ及び繰り返し間隔ＴＲは、パルスパラメータの一部である。また、ＮＭＲ信号は微弱なので、パルスシーケンス内において同じタイミングでサンプリングされた値は、所定回数だけ累積されて、後続の処理で用いられる。

本実施の形態では、図８（ａ）で示した飽和回復法のパルスシーケンスを用いた場合を説明する。

上で述べた実験では、繰り返し間隔ＴＲは４秒であり、これは、脂肪と赤身中の水の両方のＴ１値より５倍以上長い。このような場合は、式（１）ではＴ２の違いしか発現していない（非特許文献７）。しかし、繰り返し間隔ＴＲを短くすると、Ｔ１値の違いも信号強度ｆ（ｔ）に反映させることができるので、これを利用することで、脂肪と赤身の信号に差異を追加できる。繰り返し間隔ＴＲを短くする場合には、式（１）の右辺には、飽和回復法特有の補正係数がかかるので、式（１）の定数Afat及びAleanをA'fat及びA'leanで置換した式（２）になる。
ｆ（ｔ）＝A'fat＊exp(－ｔ／T2fat)＋A'lean＊exp(－ｔ／T2lean) （２）
A'fat＝Afat＊（１－exp（－ＴＲ／T1fat））
A'lean＝Alean＊（１－exp（－ＴＲ／T1lean））
T1fatは、脂肪のＴ１値であり、T1leanは赤身のＴ１値である。

図１及び４に示すように、マグロ肉も牛肉も低温ではT1leanはT1fatの約３倍長い。よって式（２）によれば、ＴＲを短くする効果は、脂肪ではなく赤身の信号低下として顕著に表れる。すなわち、脂肪の信号を相対的に強調し、赤身の信号を相対的に弱める計測手法である。

具体的なＴＲの範囲であるが、非特許文献２によると、片側開放型ＮＭＲではノイズ混入のため赤身の定量誤差が１０％程度になるので、核磁化の縦緩和強度である１－exp(－ＴＲ／T1lean)が１００－１０＝９０％以上に回復してしまうとノイズに埋もれてしまって実質的な赤身信号の減弱効果は期待できない。よってＴＲ値は、式（３）を満たすべきである。
１－exp(－ＴＲ／T1lean) ＜０．９（３）
この式を変形すると、ＴＲの上限を規定する不等式として、ＴＲ＜２．３０＊T1leanとなる。

次に、本実施の形態に従った計測方法を、図９を用いて具体的に説明する。

まず、ユーザは、縦緩和時間Ｔ１の影響を顕在化させる繰り返し間隔ＴＲを、計測装置１００に設定する（ステップＳ１）。この際、式（３）の制約があるので、必要があれば被計測物（未知試料）の温度でT1leanを計測しておき、式（３）の制約条件を満たすように繰り返し間隔ＴＲを設定する。以下、設定された繰り返し間隔ＴＲのパルスシーケンスを用いる。

また、ユーザは、赤身のない純粋な脂肪サンプルについて計測システムを用いて被計測物の温度でT2fatを計測し、脂肪のない純粋な赤身サンプルついて計測システムを用いて被計測物の温度でT2leanを計測する（ステップＳ３）。

さらに、ユーザは、被計測物の温度で脂肪含有率が既知のサンプル群について計測システムで計測を行うことで、脂肪についての係数A'fatについての検量線を生成し、計測装置１００の記憶装置に格納する（ステップＳ５）。なお、ここで赤身含有率が既知のサンプル群についての計測を行うことで、赤身についての係数A'leanについての検量線をも生成しても良いが、式（２）では、繰り返し間隔ＴＲを短くすることでできるだけA'leanの値を小さくし相対的に脂肪の信号を強調する。これにより、脂肪定量の信頼度は向上させることができるが、代償としてA'lean値には強いノイズが入り赤身定量の信頼性が低下するリスクがある。従って、本実施の形態ではA'leanについての検量線は生成しないようにする。

このステップまでは事前準備であるから、既に得られている値についてはそのまま用いるようにしてもよい。

そして、計測装置１００は、設定された繰り返し間隔ＴＲ等のパルスパラメータで特定される高周波パルスを高周波コイルに対して発生させて、当該高周波コイルから未知試料についてプロトン横緩和波形データｆ（ｔ）を計測する（ステップＳ７）。

次に、計測装置１００は、計測されたプロトン横緩和波形データｆ（ｔ）に対して最小自乗法などの回帰分析を行って、式（２）の係数A'fatを算出する（ステップＳ９）。

そして、計測装置１００は、検量線から、係数A'fatに対応する脂肪含有率及び赤身含有率を算出し、表示装置などの出力装置に出力する（ステップＳ１１）。上で述べたノイズの問題から、ここでは、赤身含有率は、１００ｗｔ％－脂肪含有率（ｗｔ％）にて算出する。

このように縦緩和時間Ｔ１の影響を発現させて相対的に赤身成分の影響を抑制させることで、脂肪含有率を精度良く算出することができるようになる。

［実施の形態２］
反復回復法において縦緩和時間の影響を発現させることで、脂肪と赤身との混合率を定量できるようにする実施の形態である。但し、「繰り返し間隔ＴＲが脂肪と赤身中の水の両方のＴ１値より５倍以上長い場合」という条件を満たした場合である。

繰り返し間隔ＴＲが脂肪と赤身中の水の両方のＴ１値より５倍以上長い場合（非特許文献７）、反転回復法のパルスシーケンスであれば、式（２）の代わりに式（４）を使う（例えば、非特許文献１及び７を参照のこと）。
ｆ（ｔ）＝A"fat＊exp(－ｔ／T2fat)＊＋A"lean＊exp(－ｔ／T2lean) （４）
A"fat＝Afat＊(１－２exp(－τ／T1fat))
A"lean＝Alean＊(１－２exp(－τ／T1lean))

式（４）では、τとT1fat及びT1leanとの大小関係がｆ（ｔ）の強弱に影響を及ぼしている。飽和回復法に対する反転回復法の利点であるが、脂肪のＮＭＲ信号に干渉してくる邪魔なA"leanをかぎりなくゼロに抑えることができる。すなわち、赤身のプロトンの核磁化回復途上（縦緩和過程の途中）において核磁化がゼロ点を通過する瞬間をねらって、図８（ｂ）で示した９０°パルスを正確に打ち込めば、赤身由来の信号A"leanは理論上ゼロになる。

具体的には、τ＝ｌｎ２＊T1lean＝０．６９３＊T1leanと設定すれば、式（４）の赤身由来の信号A"leanはゼロになるので、この待機時間τで計測を行えば、脂肪由来の信号のみ計測できる。このベストな値からτ値を若干はずすと、A"leanはゼロにはならないが、小さい値に抑えることができる。このようなゼロあるいは小さいA"lean を生じるようなτ値を採用すれば、赤身由来の信号を抑制できるので高い精度で脂肪含有率を得ることができる。

また、待機時間τが０．６９３＊T1leanから若干外れるとA"leanはゼロにならないが、飽和回復法のときと類似の考察から、以下のような待機時間τの範囲が得られる。すなわち、非特許文献２によると、片側開放型ＮＭＲではノイズ混入のため赤身の定量誤差が１０％程度になるので、核磁化の縦緩和強度である１－２exp(－τ／T1lean)が１００－１０＝９０％以上に回復してしまうとノイズに埋もれてしまって実質的な赤身信号の減弱効果は期待できない。よって、式（４）を実施する場合のτ値は、式（５）を満たすべきである。
１－２exp(－τ／T1lean)＜０．９（５）
この式を変形すると、τ＜３．００＊T1leanとなる。

次に、本実施の形態に従った計測方法を、図１０を用いて具体的に説明する。

まず、ユーザは、赤身の影響を除去又は低減させる待機時間τを計測装置１００に設定する（ステップＳ２１）。この際、式（５）の制約があるので、必要があれば被計測物の温度でT1leanを計測しておき、式（５）の制約条件を満たすように待機時間τを設定する。以下、設定された待機時間τのパルスシーケンスを用いる。なお、待機時間τのベスト値である０．６９３＊T1leanが好ましい。

また、ユーザは、赤身のない純粋な脂肪サンプルについて計測システムを用いて被計測物（未知試料）の温度でT2fatを計測し、脂肪のない純粋な赤身サンプルついて計測システムを用いて被計測物の温度でT2leanを計測する（ステップＳ２３）。

さらに、ユーザは、被計測物の温度で脂肪含有率が既知のサンプル群について計測システムで計測を行うことで、脂肪についての係数A"fatについての検量線を生成し、計測装置１００の記憶装置に格納する（ステップＳ２５）。なお、ここで赤身含有率が既知のサンプル群についての計測を行うことで、赤身についての係数A"leanについての検量線をも生成しても良いが、式（４）では、τを短くすることでできるだけA"leanの値を小さくし相対的に脂肪の信号を強調する。これにより、脂肪定量の信頼度は向上させることができるが、代償としてA"lean値には強いノイズが入り赤身定量の信頼性が低下するリスクがある。従って、本実施の形態ではA"leanについての検量線は生成しないようにする。

そして、計測装置１００は、設定された待機時間τ等のパルスパラメータで特定される高周波パルスを高周波コイルに対して発生させて、当該高周波コイルから未知試料についてプロトン横緩和波形データｆ（ｔ）を計測する（ステップＳ２７）。

次に、計測装置１００は、計測されたプロトン横緩和波形データｆ（ｔ）に対して最小自乗法などの回帰分析を行って、式（４）の係数A"fatを算出する（ステップＳ２９）。

そして、計測装置１００は、検量線から、係数A"fatに対応する脂肪含有率及び赤身含有率を算出し、表示装置などの出力装置に出力する（ステップＳ３１）。上で述べたノイズの問題から、ここでは、赤身含有率は、１００ｗｔ％－脂肪含有率（ｗｔ％）にて算出する。

このように縦緩和時間Ｔ１の影響を発現させて相対的に赤身成分の影響を抑制する又は赤身成分の影響を除去させることで、脂肪含有率を精度良く算出することができるようになる。

［実施の形態３］
第２の実施の形態では、「繰り返し間隔ＴＲが脂肪と赤身中の水の両方のＴ１値より５倍以上長い場合」という条件を満たした場合を示したが、この条件を満たさない、すなわち、「繰り返し間隔ＴＲが脂肪と赤身中の水の両方のＴ１値の５倍より短い場合」という条件に合致する場合について、本実施の形態で述べる。

この場合には、式（４）のA"leanのτ依存性、すなわち１－２exp(－τ／T1lean)という関係が破綻するので、A"leanをゼロにするという意味でのτのベスト値は０．６９３＊T1leanではなくなる。しかし、τを様々に変更した赤身試料計測の予備実験をすることで、核磁化がゼロ点を通過できるτ、すなわちA"leanがゼロになるτが判明するので、そのτの値を採用すれば、赤身の信号をゼロに抑制できる。なお、A"leanがゼロでなくても、十分にゼロに近い値であればA"leanを無視できるので、そのような値を実験的に見つけるようにしてもよい。なお、第２の実施の形態と同様に、９０％回復の待機時間τが、τの上限値とも言える。

次に、本実施の形態に従った計測方法を、図１１を用いて具体的に説明する。

まず、ユーザは、赤身の影響を低減させる待機時間τを、計測システムを用いて実験により決定し、当該待機時間τを計測装置１００に設定する（ステップＳ２１ｂ）。A"leanがゼロになる待機時間τを実験的に見つけるが、上でも述べたように、完全にA"leanがゼロとなる待機時間τではなく、ゼロとみなすことができる程度に小さくなった場合における待機時間τを採用するようにしてもよい。

この後の処理（ステップＳ２３乃至Ｓ３１）については第２の実施の形態と同様であるから、説明を省略する。

このように、繰り返し間隔ＴＲが脂肪と赤身中の水の両方のＴ１値の５倍より短い場合であっても、赤身の影響を低減又は除去する待機時間τを実験的に見つけ出せれば、脂肪含有率を精度良く算出することができるようになる。

［実施の形態４］
本実施の形態は、分子の自己拡散係数Ｄに着目した手法である。

静磁場勾配（その値をＧとする）がある感度領域内を水や脂肪の分子が熱運動、すなわちランダムウォークで移動すると、その効果によってＴ２緩和が促進される。その結果、試料のＴ２値は本来の値（すなわち図１や図４の値）より小さい値T2diffで観測される。
T2diff＝１２／[(γ＊Ｇ＊tＥ)²＊Ｄ] （６）
但し、γはプロトンの磁気回転比（物理定数）、tＥは上で述べたサンプリング間隔又は１８０°パルスの間隔である。赤身中の水分子の自己拡散係数Ｄは、脂肪組織中の脂肪分子のＤより約２桁も高いので（非特許文献２）、同じＧ及びtＥ値でも、赤身の水分子の方が脂肪分子よりも式（６）による緩和の促進を強くうけ、実験的に得られる赤身のＴ２値は脂肪のＴ２値よりかなり短くなる（非特許文献４）。すなわち、この緩和促進の影響を顕著に受けるのは脂肪ではなく赤身である。

このように、傾斜磁場中の分子の拡散運動を利用したプロトン横緩和促進メカニズムを発現させれば、脂肪と赤身のＴ２の差異を強調できる。非特許文献２によると、赤身のT2diffが脂肪のT2fatの１／２．３以下まで短くなると、赤身と脂肪の識別が可能になる。したがって、式（７）の不等式を満たすくらいtＥを長くすれば、赤身のT2diffが脂肪のT2fatとの差が顕著になるので、すなわち２．３倍以上に開くので、結果としてプロトン横緩和時間の違いで、赤身と脂肪の定量化が可能になる。
T2diff＜T2fat／２．３（７）

なお、式（７）は、以下のように書き下される。

式（７）の条件が満たされる状況においては、式（１）のT2leanをT2diffに置換した式が採用される。
ｆ（ｔ）＝Afat＊exp(－ｔ／T2fat)＋Alean＊exp(－ｔ／T2diff) （８）

次に、本実施の形態に従った計測方法を、図１２を用いて具体的に説明する。

まず、ユーザは、赤身の影響を抑制し脂肪の影響を強調する高周波パルス間隔tＥを、計測装置１００に設定する（ステップＳ４１）。なお、式（７）で示すように、高周波パルス間隔tＥには、T2fatに応じた制約があるので、T2fatが未知の状態では適切ではないtＥが設定される場合もある。

従って、仮に高周波パルス間隔tＥを設定して、ユーザは、当該高周波パルス間隔tＥに基づき、赤身のない純粋な脂肪サンプルについて計測システムを用いて被計測物の温度でT2fatを計測し、脂肪のない純粋な赤身サンプルついて計測システムを用いて被計測物の温度でT2leanを計測する（ステップＳ４３）。

ここで、高周波パルス間隔tＥが、ステップＳ４３で得られたT2fatから得られる下限値以上となっているかを確認し（ステップＳ４５）、この制約条件が満たされていない場合には、ステップＳ４１に戻って、再度高周波パルス間隔tＥを設定する。一方、高周波パルス間隔tＥがT2fatから得られる下限値以上となっていれば、当該高周波パルス間隔ｔＥをそのまま以下の計測で採用する。

そして、ユーザは、被計測物の温度で脂肪含有率が既知のサンプル群について計測システムで計測を行うことで、脂肪についての係数Afatについての検量線を生成し、同様に被計測物の温度で赤身含有率が既知のサンプル群について計測システムで計測を行うことで、赤身についての係数Aleanについての検量線を生成し、計測装置１００の記憶装置に格納する（ステップＳ４７）。

そして、計測装置１００は、設定された高周波パルス幅tＥ等のパルスパラメータで特定される高周波パルスを高周波コイルに対して発生させて、当該高周波コイルから未知試料についてプロトン横緩和波形データｆ（ｔ）を計測する（ステップＳ４９）。

次に、計測装置１００は、計測されたプロトン横緩和波形データｆ（ｔ）に対して最小自乗法などの回帰分析を行って、式（８）の係数Afat及びAleanを算出する（ステップＳ5５１）。

そして、計測装置１００は、検量線から、係数Afatに対応する脂肪含有率及び係数Aleanに対応する赤身含有率を算出し、表示装置などの出力装置に出力する（ステップＳ５３）。

このように高周波パルス幅tＥを延ばすことで赤身の影響を相対的に抑制させることで、脂肪含有率及び赤身含有率を精度良く算出することができるようになる。

なお、式（６）によると、傾斜磁場中の分子の拡散運動を利用したプロトン横緩和促進メカニズムを発現させるためには、Ｇ又はtＥの値を大きくすることになる。このうちＧを大きくする手法は、以下の理由で望ましくない。すなわち、静磁場の不均一性指標としてのＧが高いと、ＮＭＲセンサ２００の感度領域の体積が桁違いに小さくなってしまうからである。例えばＧを大きくする手法を採用した磁石の感度領域は、非特許文献４では０．５ｃｍ×０．５ｃｍ×０．２５ｃｍ＝０．０６３ｃｍ³しかない。これに対して、Ｇを桁違いに小さくして設計した磁石であれば（非特許文献２）、感度領域は１．９ｃｍ×１．９ｃｍ×１．６ｃｍ＝５．８ｃｍ³もある。これは、前者の９２倍も大きい。感度領域体積が小さいと脂肪のプロトン信号（図１及び５のゼロ時刻に外挿した信号強度）も比例して弱くなり、ランダムノイズが相対的に増えるので、結果として長時間ＮＭＲ信号を積算することになって、計測時間が長くなってしまう。例えば、上記のように体積が９２倍異なると、プロトン共鳴周波数など他の条件同じとすると、同一レベルの信号ノイズ比のＣＰＭＧ波形を取得するのに９２²＝８５００倍もの長時間の信号積算時間を要することになる。これは、一般に信号・ノイズ比は、Ｎ回積算するとＮの平方根倍だけ改善するためである。このように、磁石のつくる静磁場勾配Ｇを大きくしてしまうと、感度領域が狭まり、結果として脂肪の信号が弱まる欠点がある。従って、Ｄの差異を利用する手法としてはtＥを大きくして、ＮＭＲ計測することが推奨される。すなわち、特許文献１乃至３のように、磁気回路の構造を工夫してできるだけ静磁場勾配Ｇを低下させることで感度領域の体積を大きくすることが好ましい。

［他の実施の形態］
第４の実施の形態は、第１乃至第３の実施の形態のいずれかと組み合わせることができる。

すなわち、式（２）及び（４）は、T2leanをT2diffに置換した、以下の式を採用することになる。
ｆ（ｔ）＝A'fat＊exp(－ｔ／T2fat)＋A'lean＊exp(－ｔ／T2diff) （９）
ｆ（ｔ）＝A"fat＊exp(－ｔ／T2fat)＋A"lean＊exp(－ｔ／T2diff) （１０）

この場合、第４の実施の形態におけるAfatを、A'fat又はA"fatに置き換えて、第４の実施の形態におけるAleanを、A'lean又はA"leanに置き換えて、図１２の処理を行えば良いが、A'lean及びA"leanは信頼性が低くなるので、A'fat及びA"fatから脂肪含有率を算出して、１００ｗｔ％－脂肪含有率で赤身含有率を算出する方が良い。

以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上で示した処理フローについては、処理結果が変わらない限り、処理順番を入れ替えたり、並列実行するようにしてもよい。上でも述べたように、ある程度データの蓄積があれば、そのデータを用いて計測を行うことができるので、事前準備の処理については省略することができる。

さらに、上ではマグロ肉及び牛肉を例示していたが、赤身と脂肪とが混在している他の肉などについても適用可能である。冒頭でも述べたように、ミオグロビンが少ない白身の魚（例えばひらめ）であっても、脂肪と筋肉とが混在しているので、適用可能である。さらに、マグロ肉及び牛肉については、比較的低温において効果があることが述べられているが、本発明の実施の形態は、温度によって効果が減ぜられることはないので、様々な温度の被計測物に対して適用可能である。

なお、上で述べた計測装置１００は、コンピュータ装置を含み、このコンピュータ装置は図１３に示すように、メモリ２５０１とＣＰＵ（Central Processing Unit）２５０３とハードディスク・ドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）２５０５と表示装置２５０９に接続される表示制御部２５０７とリムーバブル・ディスク２５１１用のドライブ装置２５１３と入力装置２５１５とネットワークに接続するための通信制御部２５１７とがバス２５１９で接続されている。なお、ＨＤＤはソリッドステート・ドライブ（ＳＳＤ：Solid State Drive）などの記憶装置でもよい。オペレーティング・システム（ＯＳ：Operating System）及び本発明の実施の形態における処理を実施するためのアプリケーション・プログラムは、ＨＤＤ２５０５に格納されており、ＣＰＵ２５０３により実行される際にはＨＤＤ２５０５からメモリ２５０１に読み出される。ＣＰＵ２５０３は、アプリケーション・プログラムの処理内容に応じて表示制御部２５０７、通信制御部２５１７、ドライブ装置２５１３を制御して、所定の動作を行わせる。また、処理途中のデータについては、主としてメモリ２５０１に格納されるが、ＨＤＤ２５０５に格納されるようにしてもよい。本技術の実施例では、上で述べた処理を実施するためのアプリケーション・プログラムはコンピュータ読み取り可能なリムーバブル・ディスク２５１１に格納されて頒布され、ドライブ装置２５１３からＨＤＤ２５０５にインストールされる。インターネットなどのネットワーク及び通信制御部２５１７を経由して、ＨＤＤ２５０５にインストールされる場合もある。このようなコンピュータ装置は、上で述べたＣＰＵ２５０３、メモリ２５０１などのハードウエアとＯＳ及びアプリケーション・プログラムなどのプログラムとが有機的に協働することにより、上で述べたような各種機能を実現する。

なお、上で述べたような処理を実行することで用いられるデータは、処理途中のものであるか、処理結果であるかを問わず、メモリ２５０１又はＨＤＤ２５０５等の記憶装置に格納される。

以上述べた実施の形態をまとめると以下のようになる。

本発明の実施の形態に係る計測システムは、（Ａ）磁気回路と高周波コイルとを含む核磁気共鳴センサと、（Ｂ）脂肪と筋肉とが混在する試料における筋肉の、プロトン横緩和波形データに対する影響を除去又は抑制するように設定されたパルスパラメータによって特定されるパルスシーケンスの高周波パルスを高周波コイルに出力して、高周波コイルから試料のプロトン横緩和波形データを計測し、当該プロトン横緩和波形データに対する回帰分析により所定関数の係数を算出し、当該計算された係数と予め用意された検量線とに基づき試料の少なくとも脂肪含有率を算出する計測部とを有する。

このようにすることで、温度によらず、脂肪と筋肉（赤身）とが混在する試料の脂肪と筋肉（赤身）の混合の程度を計測できるようになる。これは、筋肉（赤身）の影響を除去又は抑制（相対的な抑制を含む）がなされているためである。

なお、上記パルスパラメータは、飽和回復法における繰り返し間隔（ＴＲ）又は反復回復法における待機時間（τ）と、高周波パルス間隔（tＥ）とのうち少なくともいずれかである場合もある。繰り返し間隔と待機時間については、縦緩和時間による効果を発現させることで、筋肉（赤身）の影響を除去又は低減させるものである。また、高周波パルス間隔（１８０°パルス間隔）については、分子の自己拡散係数Ｄの効果により、相対的に脂肪の影響度合いを高め、相対的に筋肉（赤身）の影響度合いを低減させるものである。

具体的には、飽和回復法における繰り返し間隔を、脂肪の縦緩和時間×２．３倍未満に設定することで、脂肪含有率を精度良く算出することができるようになる。

また、反復回復法における待機時間を、脂肪の縦緩和時間×３．００以下、又は実験的に求められた、筋肉の影響を除去する時間に設定するようにしてもよい。なお、繰り返し間隔ＴＲが脂肪と筋肉中の水の両方のＴ１値より５倍以上長い場合における最も好ましい待機時間τは、脂肪の縦緩和時間×０．６９３である。繰り返し間隔ＴＲが脂肪と筋肉（赤身）中の水の両方のＴ１値より５倍以上長いという条件が成り立たない場合には、実験的に決めることになるが、筋肉（赤身）の影響を完全に除去できない場合でも、十分に低減されていれば、脂肪含有率の精度向上には効果がある。

さらに、高周波パルス間隔を、γをプロトンの磁気回転比とし、Ｄを分子の自己拡散係数とし、Ｇを磁気回路の静磁場勾配とし、T2fatを脂肪の横緩和時間とすると、

の範囲内で設定するようにしてもよい。これによって、筋肉（赤身）に比して脂肪を２．３倍は強調できるようになる。

なお、上で述べた所定関数は、脂肪についての横緩和時間を時定数とし且つ減衰を表す指数関数と、筋肉についての横緩和時間を時定数とし且つ減衰を表す指数関数との和として表される。例えば、式（２）、（４）、（９）及び（１０）のように表される。

本発明の実施の形態に係る計測方法は、（Ａ）磁気回路と高周波コイルとを含む核磁気共鳴センサにおける高周波コイルに対して、脂肪と筋肉とが混在する試料における筋肉の、プロトン横緩和波形データに対する影響を除去又は抑制するように設定されたパルスパラメータによって特定されるパルスシーケンスの高周波パルスを出力して、高周波コイルから前記試料のプロトン横緩和波形データを計測するステップと、（Ｂ）計測されたプロトン横緩和波形データに対する回帰分析により所定関数の係数を算出し、当該計算された係数と予め用意された検量線とに基づき試料の少なくとも脂肪含有率を算出するステップとを含む。

以上述べた計測方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを作成することができて、そのプログラムは、様々な記憶媒体に記憶される。

また、上で述べたような計測方法を実行するコンピュータは、１台のコンピュータで実現される場合もあれば、複数台のコンピュータで実現される場合もあり、それらを合わせて計測システム又は単にシステムと呼ぶものとする。

１００情報処理装置
２００ＮＭＲセンサ
３００被計測物

Claims

磁気回路と高周波コイルとを含む核磁気共鳴センサと、
脂肪と筋肉とが混在する試料における前記筋肉の、プロトン横緩和波形データに対する影響を除去又は抑制するように設定されたパルスパラメータによって特定されるパルスシーケンスの高周波パルスを前記高周波コイルに出力して、前記高周波コイルから前記試料のプロトン横緩和波形データを計測し、当該プロトン横緩和波形データに対する回帰分析により所定関数の係数を算出し、当該計算された係数と予め用意された検量線とに基づき前記試料の少なくとも脂肪含有率を算出する計測部と、
を有し、
前記パルスパラメータが、
１つの９０°パルスの後に複数の１８０°パルスを含むパルス群における、前記複数の１８０°パルスのパルス間隔であり、
前記パルス間隔ｔＥを、
γをプロトンの磁気回転比とし、Ｄを前記筋肉の水分子の自己拡散係数とし、Ｇを前記磁気回路の静磁場勾配とし、T2fatを前記脂肪の横緩和時間とすると、

の範囲内で設定すること
を特徴とする計測システム。
前記所定関数が、
前記脂肪についての横緩和時間を時定数とし且つ減衰を表す指数関数と、前記筋肉についての横緩和時間を時定数とし且つ減衰を表す指数関数との和である
請求項１記載の計測システム。
磁気回路と高周波コイルとを含む核磁気共鳴センサにおける前記高周波コイルに対して、脂肪と筋肉とが混在する試料における前記筋肉の、プロトン横緩和波形データに対する影響を除去又は抑制するように設定されたパルスパラメータによって特定されるパルスシーケンスの高周波パルスを出力して、前記高周波コイルから前記試料のプロトン横緩和波形データを計測するステップと、
計測された前記プロトン横緩和波形データに対する回帰分析により所定関数の係数を算出し、当該計算された係数と予め用意された検量線とに基づき前記試料の少なくとも脂肪含有率を算出するステップと、
を含み、
前記パルスパラメータが、
１つの９０°パルスの後に複数の１８０°パルスを含むパルス群における、前記複数の１８０°パルスのパルス間隔であり、
前記パルス間隔ｔＥを、
γをプロトンの磁気回転比とし、Ｄを前記筋肉の水分子の自己拡散係数とし、Ｇを前記磁気回路の静磁場勾配とし、T2fatを前記脂肪の横緩和時間とすると、

の範囲内で設定すること
を特徴とする計測方法。