JPH10505519A - 特に医療インプラントに適した構造解析器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 歯科用インプラント28を解析するための歯科用解析器10であって、患者の歯科用インプラント28に接触させるプローブ先端部26を有する歯科用プローブ20を含む。加速度計56をプローブ先端部26に連結する。ハンマ42がアクチュエータ44によって加速度計56に向かって打ち出されると、プローブ先端部26で歯科用インプラント28に衝撃が与えられ、歯科用インプラント28が振動する。加速度計56が、振動している歯科用インプラント28の加速度の時刻歴を測定する。プロセッサは歯科用インプラント28の測定した加速度の時刻歴を周波数スペクトルに変換し、それから歯科用インプラント28の状態について診断することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 特に医療インプラントに適した構造解析器 背景技術 歯科用インプラントを患者の顎骨に植え込んだ時、歯科用インプラントと顎骨 の間が十分接着されているかどうかを判定することの難しいことが多い。最近、 患者の顎のＸ線写真を撮り、歯科用インプラントと顎骨の構造的一体化について 調べるのは、歯科用インプラントが適正に顎骨に接着されているかどうかを判定 する普通の方法である。しかし、ある時間に渡って歯科用インプラントの推移を 追跡せねばならない場合、Ｘ線に多数回さらされる累積的効果に対する医学的考 慮から、Ｘ線を用いるのは好ましくない。 Ｘ線写真を撮らなくてよい歯科用インプラントもしくは歯のモビリティー（移 動性）を判定する装置を提供する多くの試みがなされている。そのような試みの 一つが米国特許 No.3,094,115 に見られるが、これは歯のモビリティーインジケ ータを開示している。使用に際し、患者が歯を振動させる振動装置に頭を載せて 歯科用椅子に座る。加速度計の入った手持ちのプローブを歯に当てて振動する歯 の振幅を測定する。前記振動装置の入力信号からの、加速度計が受けた信号の振 幅と周波数の逸脱がプローブによって記録される。この測定法では、振動装置の 位置のばらつき、ならびに患者の頭を通して測定したデータのゆがみのため、お よびプローブ共振自体によって誤差が出る。 米国特許 No.4,470,810 にもう一つの試みが見られるが、これは、歯に運動を 与えて歯の変位を測定することによって歯の変位率を見出すことのできる手持ち プローブを開示している。歯の変位は通常１ミリメートルより少ないので、この ように小さい変位を測定する装置は極めて正確でなければならない。しかし、こ のプローブで測定する変位測定にはプローブ自体が基準点として用いられるので 、プローブを持つ角度のば らつきならびにプローブを歯に押し当てる力によって起こる大きい誤差が出る。 同様な試みが米国特許No.4,881,552に見られるが、これは歯の剛性を評価する ための手持ちプローブを有する歯安定性モニターを開示している。プローブによ って、歯の変位と、その結果歯にかかった力とが測定される。この装置では、前 記米国特許No.4,470,810のプローブで起こる誤差と同じ誤差が出る。 さらにもう一つの試みが米国特許No.4,482,324に見られるが、これは歯のゆる み加減を判定する手持ちプローブを開示している。この装置には装置の持ち手に 直角に配設したラム(ram)がある。ラムを特定の速度に加速し、歯に衝突させた のち、元の位置へ向かって反発させる。ラムが戻るに要する時間によって歯のモ ビリティーの程度が直接示される。この方法でもプローブの歯に対しての持ち方 のばらつきのために誤差が出る。 発明の開示 機械式プローブを用いて歯や歯科用インプラントのモビリティーを判定しよう というこれらの試みは、測定しているパラメータ、測定法あるいはプローブの設 計のために、正確でなく、また反復できないことが分かった。ある時間に渡って 歯科用インプラントの推移を正確に追跡するには、測定装置は歯科用インプラン トの状態の小さい変化を検知できるほど正確でなければならない。従って、ある 時間に渡って歯科用インプラントの推移を追跡できるように、歯科用インプラン トの状態の小さい変化を検知するのに十分正確な機械的装置が、常に要請されて いる。 本発明は構造体に接触するプローブ先端を有するプローブを提供するものであ る。構造体の加速度の時刻歴を測定するために、プローブ先端に加速度計が連結 されている。プローブには、ハンマーを打出してプローブ先端で構造体に衝撃を 与えるアクチュエータが入っている。 好適な実施形態においては、中空管を備えたプローブ本体にアクチュエータと ハンマーが入っている。プローブ本体に固定した膜によって加速度計を支持して 、加速度計の運動をプローブ本体の運動から隔離している。アクチエータは、ハ ンマーを打出し位置へ引っ込めるための電磁コイルと、ハンマーを打ち出すため にハンマーに当接したばねとを備えいる。プローブ先端が所定の力で構造体に対 して押し当てられるまで、センサによってアクチュエータがハンマーを打ち出さ ないようにする。プロセッサが、フーリエ変換関数によって構造体の測定された 加速度の時刻歴を周波数スペクトルに変換する。 生成された周波数スペクトルの特性を周波数スペクトルのデータベースと比較 することで診断ができるようになる。 本発明のプローブは極めて正確で歯科用インプラントの状態の小さい変化を検 知できるように歯科用インプラントを解析できるものであり、ある時間に渡って 歯科用インプラントの推移を正確に追跡できる。本発明によれば、歯科用インプ ラントの加速度の時刻歴を測定することによって歯科用インプラントの剛性、モ ービリティー、減衰、共振モード／振動数、および骨との一体化のような情報を 与えるに十分なデータが得られる。さらに、本発明のプローブは、他の医療用イ ンプラント、歯、骨、あるいは工業で用いられる機械的構造体の状態を正確に解 析できるものである。 図面の簡単な説明 本発明の前述の目的、その他の目的、構成および利点は、以下の図面に示す好 適な実施形態の説明から明らかにされる。各図面では一貫して同様な参照記号で 同じ部分を示している。図面は必ずしも原寸でなく、本発明の原理を例示するこ とに重点が置かれている。 図１は本発明の歯科用解析器の略図で、歯科用プローブを一部破断ししたとこ ろを示す。 図２は歯科用インプラントに当接させた位置の歯科用プローブの略図である。 図３は歯科用インプラントに衝撃を与えている歯科用プローブの略図である。 図４は振動している歯科用インプラントに当接させた位置の歯科用プローブの 略図である。 図５は電子ボックス用の好適な電気回路の略図である。 図６は歯科用インプラントの加速度の時刻歴のグラフである。 図７は図６の加速度の時刻歴グラフから得られた周波数スペクトルを示す線図 である。 図８は振動している歯科用インプラントの一次元位置／変位時刻歴のグラフで ある。 図９は振動している歯科用インプラントの二次元位置／変位時刻歴のグラフで ある。 図１０は２つの加速度計をプローブ先端に取り付けた好適なプローブ先端の側 面図である。 図１１は歯科用プローブの一部の側断面図である。 図１２は股関節インプラントに当接させた位置の本発明のプローブの略図であ る。 図１３は内視鏡の助けを借りて股関節インプラントに当接させた位置の本発明 のプローブの略図である。 図１４は本発明の他の好適な実施形態の略図である。 発明の好適な実施形態 図１を参照して、歯科用解析器10は歯科用プローブ20、電子ボックス16および コンピュータすなわちプロセッサ12を含むものである。歯科用プローブ20は、図 ２に示す歯科用インプラント28の歯冠76に衝撃を与え、歯科用インプラントがそ の衝撃によって振動する時、その歯科用イン プラントの加速度の時刻歴を測定するものである。歯科用プローブ20は、アクチ ュエータ44を収容したプローブ本体24、アクチュエータ44から延びているハンマ 42、および加速度計56を備えている。加速度計56は、使用時、歯科用インプラン ト28の歯冠76に当接して位置付けされる剛体の軽量プローブ先端部26に固定され ている。 前記プローブ先端部26と加速度計56は、図１１に示すプローブ本体24の先端に 張り渡した可撓性のダイアフラムまたは膜体58によって支持する。隔膜58はプロ ーブ先端部26を歯科用インプラント28の歯冠76に押し当てる働きをなし、プロー ブ先端部26と加速度計56の運動をプローブ本体24の運動から隔離（絶縁）する。 図２のアクチュエータ44は、電磁コイル45とばね40を有する。打出しボタン34 を押すとアクチュエータ44が作動し、ばね40の力に抗して、ハンマ42をばね40に 押し込み、このばね40が、ハンマ42を加速度計56に向かって押し出す。これによ り、プローブ先端部26が衝撃エネルギーを歯科用インプラント28に伝達して、歯 科用インプラント28を振動させる。前記加速度計56は、振動している歯科用イン プラント28の加速度の時刻歴を測定する。 歯科用プローブ20は、図１の電気コネクタ22と線路18によって電子ボックス16 に電気的に接続されている。電子ボックス16にはアクチュエータ44に動力を与え る容量性電源 16aがある。図５に従って詳細に後述するように、電子ボックス16 には、歯科用プローブ16で測定する加速度の時刻歴を調節、すなわち濾波して、 望ましくない信号を除去するために信号調節フィルタもある。電子ボックス16と 歯科用プローブ20には、加速度の時刻歴信号を増幅する増幅器も入っている。電 子ボックス16は線路14によってコンピュータ12に接続されている。コンピュータ 12は電子ボックス16から来る調節された加速度の時刻歴をフーリエ変換関数によ って周波数スペクトルに変換する。この周波数スペクトルから歯科用インプラン ト28の状態が診断できる。 患者の安全のために電子ボックス16内の光学式絶縁(opto-isolation)バッファ ーによって、コンピュータ12の110V電子機器を歯科用プローブ20から絶縁する。 コンピュータは、無害の低圧（5Vより低い）を用いる可搬型のものとして、患者 の危険をなくすることができる。さらに、電子ボックスを同様な無害の電圧で働 かせて、光学式アイソレータ(opto-isolator)を不要にすることができる。 図２を参照して、使用時には、歯科医または歯科技工士が手で歯科用プローブ 20を持ち、プローブ先端部26の端27を歯科用インプラント28の歯冠76に押し当て て隔膜58（図１１）を緊張させる。歯科用インプラント28は、インプラント柱74 によって歯冠76を顎骨70に固定して成るものである。プローブ先端部26の端27を 歯肉組織72上の歯科用インプラント28の歯冠76に当てて位置させる。プローブ先 端部26の端27が動かない、すなわち歯冠76から離れないようにするために、粘着 剤または臘を用いてもよい。 次いで、ハンマ42を作動させるアクチュエータ44に電力を与えるために打ち出 しボタン34を押す。しかし、プローブ先端部26が所定の力、または予め認定可能 な力で歯科用インプラント28に押し当てられていることを力センサ30（図１１） が検知するまでは、アクチュエータに電力が与えられない。別法として、力セン サ30は、加速度計56がプローブ本体24に対して所定の位置に来るだけ隔膜58がた わんだ時に電力がアクチュエータ44に送出されるようにする位置センサと置き換 えてもよい。この所定の力になると、電子ボックス16の容量性電源 16aから電力 パルスが放出されて、アクチュエータ44の電磁コイルに一時的に通電される。す るとハンマ42が電磁コイル45に向い加速度計56から離れて打出し位置へ引き寄せ られ、ばね40が圧縮される。 容量性電源16a からのエネルギーがアクチュエータで放散されると、電磁コイ ル45が切れ、圧縮されたばね40のポテンシャルエネルギーが放出される。これに より、ハンマ42が加速度計56をたたいて、較正された 矩形波状の周波数応答衝撃を与える（図３）。加速度計56がプローブ先端部26に 強固に固定されているので、プローブ先端部26は歯冠76に衝撃を与えてインプラ ント柱74をたわませる。プローブ先端部26が所定の力で歯科用インプラント28の 歯冠76に押し当てられている時にだけハンマ42を打ち出すことによって、歯科用 プローブ20から常に一定の衝撃が加えられる。表示灯32が点灯して衝撃の起こっ たことが表示される。 プローブ先端部26で歯科用インプラント28に衝撃を与えると、歯科用インプラ ント28は矢印 78aで示すように前後に振動する（図４）。ハンマ42が歯科用イン プラント28にディラックのデルタ入力関数を与え、歯科用インプラント28をある 周波数範囲で振動させる。プローブ先端部26を歯冠76に押しつけたままにしてプ ローブ先端部26の端27が歯冠76と接触したままとする。プローブ先端部26が歯冠 76に押し付けられたままになっている間、隔膜58のためにプローブ先端部26と加 速度計56が、プローブ本体24と別個に振動できる。その結果、矢印78bで示すよ うに、プローブ先端部26と加速度計56が、歯科用インプラント28と一致して振動 する。この振動は診断対象の構造体（この場合は歯科用インプラント）の複合し た動的共振で、これを周波数ドメインに変形させると、診断対象の構造体に特有 なスペクトル識別特性が得られる。周波数の測定は電子工学の分野で行うことの できる最も正確で確固たる測定であるから、極めて敏感な測定でもある。 加速度計56で歯科用インプラント28の運動の加速度を測定して、時間に対する 電圧（ボルト）で測定される歯科用インプラント28の加速度の時刻歴が得られる 。歯科用インプラント28の加速度を100マイクロ秒間隔で加速度計56で測定する が、これで、一つの加速度の時刻歴に合計約1000のデータの標本が採られること になる。 電子ボックス16（図１）で使用不可能データを加速度の時刻歴から排除するこ とによって、測定した加速度の時刻歴を調節する。図５は電子ボックス16用の好 適な電気回路を示す。光学式アイソレータ90b と線路 92を介して、遅延装置96を加速度計56に接続する。光学式アイソレータ90a と線 路94によって、打出しボタン34を遅延装置96の可調整遅延装置96a に接続する。 光学式アイソレータ90a、90bで歯科用プローブ20を電子ボックス16内の電子機器 から電気的に絶縁する。打出しボタン34はまた、光学式アイソレータ90a、線路9 4、110 および順次パルス発生器 112を介して容量性電源 16aに接続する。高域 通過フィルタ 16bを線路98で遅延装置96に接続し、低域通過フィルタ16c を線路 100で高域通過フィルタ 16bに接続する。ノッチフィルタ 104を線路102 で低域 フィルタ 16cに接続する。ノッチフィルタ 104はまた線路 106、光学式アイソレ ータ108 および線路14を介してコンピュータ12に接続する。 打出しボタン34を押すと、順次パルス発生器 112が一連のパルスを発生して、 容量性電源 16aからアクチュエータ44に給電させる。パルスは各々発生して後に 全時刻歴測定ができるように間隔が置かれており、信号対ノイズ比をよくするた めに多数の測定値の平均をとる。歯科用インプラント28の歯冠76に衝撃が与えら れると、遅延回路96が一時的に開になって、歯科用インプラント28に対して衝撃 が与えられた後の最初の１/2サイクルに現れるプローブ先端部26の初期の衝撃に よって生じたデータを排除し、歯科用インプラント28に生じた振動に関連するデ ータだけを記録するようにする。 遅延回路96が閉じると、加速度の時刻歴信号が高域通過フィルタ 16bを通り、 そこで低周波信号、すなわちノイズ（約 0ないし10Hz）が濾波除去される。これ らの低周波信号は使用不能で、ノイズが入っており、除去されることで、所望の 信号の信号対ノイズ比が増す。次いで信号は低域通過フィルタ 16cを通るが、こ れはデータ取込みシステムのナイキスト・サンプリング周波数(5kHz)を越える高 周波ノイズを排除して、さらに所望信号の信号対ノイズ比を増す。ノッチフィル タ 104が次いで望ましくない共振を除去する。 曲線を用いた外挿によって分解能を増すために、オプションのsinx/x フィルタをノッチフィルタ104 の後に設けてもよい。５秒間以内に採った３つ以 上の連続データ標本の平均によって、信号対ノイズ比をさらに増す。これらの連 続標本からのデータを統計的に平均する、すなわち二乗和の平方根(route-summ- squared)をとって、信号対ノイズ比を増した信号を出す。第６図は歯科用インプ ラント28の調節された加速度時刻歴を示すグラフである。 次いで調節済みの加速度時刻歴は、電子ボックス16からコンピュータ12へ転送 されて処理される。コンピュータ12は、標準の市販ソフトウェアプログラムを用 い、歯科用インプラント28の調節済みの加速度時刻歴に対して、加速度の時刻歴 を電圧（ボルト）対周波数で記録された周波数スペクトルに変換する周波数ドメ インの高速フーリエ変換を行う（図７）。測定する各歯科用インプラント28に対 して、対応する周波数スペクトルには指紋と同様な特有のスペクトル識別特性が ある。その結果、歯科用インプラントを対応する周波数スペクトルによって識別 することができる。さらに、歯科用インプラント28の状態に関する情報を、加速 度の時刻歴と発生させた周波数スペクトルから数学的に抜き出すことができる。 例えば、歯科用インプラント28の調節済み加速度時刻歴を二重積分して、歯科 用インプラント28の時間的なモビリティーまたは位置の変化が求められる。歯科 用インプラント28のモビリティーまたは位置は、経時的にグラフにプロットでき る。このプロットは、図８に示すように、経時的に一次元の歯科用インプラント の運動を記録するものである。 二次元経時モビリティの一例が、歯科用インプラント28の変位を xと yの方向 にプロットした第９図の位置／変位時刻歴グラフに示されている。グラフの二次 元形状は、好ましくは、第二の加速度計を加速度計56に直角の方向に向けてプロ ーブ先端部26に固定することにより得る。結果として、歯科用インプラント28の 二つの加速度の時刻歴が、x、y 成分を成す相互に垂直な方向で測定される。二 方向で加速度の時刻歴を測 定する好適な構成を図１０に示すが、ここでは二つの加速度計 29a、29b をプロ ーブ先端部26の端27付近に相互に垂直に向けて取り付けている。三次元データを 得るために第三の方向で加速度の時刻歴を測定する第三加速度計を付加してもよ い。別法として、歯科用インプラント28の方に多数の加速度計を直接接合しても よい。 歯科用インプラント28の速度は加速度の時刻歴を１回積分して求めることがで きる。これも時間の関数としてグラフにプロットできる。 周波数スペクトルも歯科用インプラント28の状態に関する情報を与える。例え ば、歯科用インプラント28の減衰は、周波数スペクトルの特定周波数の振幅が経 時的に死滅する率によって数学的に求められる。 衝撃を与えた後、インプラント28、プローブ先端部26および加速度計56は、下 記の微分方程式を満足する減衰一自由度系振動として、ともに振動する。 但し、ｍ＝質量、 ｃ＝減衰係数、 ｋ＝ばね定数、 ｘ＝歯の変位 式１の同次解は減衰について次式で表すことができる。 但し、ｗ＝発振器の自然周波数（ラジアン／秒）、 ｔ＝時間（秒） Ａ，Ｂ＝境界条件に依存する係数、 ξ＝臨界減衰率（c/Cc） ｔ＝０における既知の境界条件、 ｘ＝０、 歯の速度Ｖ＝０を適用すると、 Ｂ＝０ Ａ＝Ｖ０／Ｗ 従って、衝撃を与えて後の歯の振動は下記の式で表現される。 式３は時間ｔの関数として応答変位ｘを表している。 減衰項 があるので、ｔが無限大に近付くと、ｘは零に近付く。 減衰があるために、減衰する正弦波となる。 歯科用インプラント28の共振周波数は周波数スペクトルのピークによって示さ れる。共振周波数が分かれば、歯科用インプラント28のモード形を求めることが できる。歯科用インプラント28を片持梁として扱って、振動している片持梁の種 々の既知のモード形を歯科用インプラント28の各共振周波数と相関させることが できる。 歯科用インプラント28の剛性は次式によって求められる。 加速度の時刻歴を時間ドメインから周波数ドメインに変換するフーリエ変換関 数は次式によって与えられる。 歯科用インプラント28の骨との一体化および／または接合の特性およびスペク トル判別のような他の情報は、歯科用インプラント28の周波数スペクトルを以前 に記録した周波数スペクトルのデータベースと比較するスペクトル解析によって 求められる。データベースには歯科用インプラントに関するある特性を周波数ス ペクトルの対応する特定の特性と関連付けるソフトウェアが含まれている。 コンピュータ12が、生成された周波数スペクトルの形をデータベースに記憶さ れている周波数スペクトルの形と一致させれば、歯科用インプラント28の状態に ついて診断することができる。患者の年齢、性別および身体歴をコンピュータ12 に入力して診断を支援することができる。簡単な回答の望まれる応用では、赤ま たは緑の表示灯によって診断を信号で知らせることができる。その場合、緑灯は 周波数スペクトルのある特性が許容範囲内にあって、インプラントが良好なこと を示す。赤灯は周 波数スペクトルのある特性が許容範囲から外れており、インプラントが劣悪であ ることを示す。より多くの情報の望まれる応用では、診断の結果をコンピュータ 12の画面に出すか印字機で刷り出す。 特定の歯科用インプラントの骨との一体化および／または接合の特性を経時的 に追跡するとき、歯科用インプラントと骨の結合が経時的に良くなれば、ある時 間に渡って歯科用インプラントの測定周波数がより高い周波数へ移行する。逆に 、結合が悪くなれば、より低い周波数への移行が経時的に起こる。 図１１に歯科用プローブ20をより詳細に示す。プローブ本体24は主管 24aと延 長管48より成るものである。延長管48は主管 24aにナット38で固定されている。 プローブ本体24はツーピースなので、加速度計56とアクチュエータ44の間で長手 方向に位置調整できる。 アクチュエータ44は好ましくは耐食性ばね鋼製の“G”クリップ36によって主 管24a の先端部に固定する。“G”クリップは主管 24aの内径に拡張力をかけて 固定され、かつ主管 24aの長手軸沿いにアクチュエータ44の位置を調整して、歯 科用プローブ20を較正することができるようになっている。別法としては、主管 24aの内部にねじを切り、アクチュエータ44をねじ付きアダプタで固定するとい った他の適当な手段によって、アクチュエータ44を主管24に固定してもよい。 打出しボタン34は線路 34a、34bによって電気的コネクタ22に電気的に接続す る。アクチュエータ44は線路 44a、44bによって電気的コネクタ22に電気的に接 続する。 ハンマ42の頭は、好ましくは、理想的な衝撃力を与えるために重金属を鋳込ん で成型した減衰力の大きいエポキシから造られる。ハンマ42は電磁コイル45の中 空部 45a内にスライドする強磁性軸46を有している。これにより、打ち出された 時に、プローブ本体24の長手方向軸に沿ったハンマ42の直線運動が確実に得られ る。ばね40は、軸46の周りで、ハンマ42と電磁コイル45の両方に当接して位置し ている。 加速度計56は質量の小さい小型とし、歯科用インプラント28の振動が加速度計 56によって実質的にゆがめられたり、変えられることのないようにしている。加 速度計56は線路 56a、56b によって電気的コネクタ22に電気的に接続されている 。加速度計56の周りに“O”-リング54を二つ取り付けて、プローブ本体24の長手 方向軸に沿った加速度計56の運動を維持できるようにしている。加速度計56を取 り巻く延長管48の内面に、好ましくはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の低 摩擦スリーブ50を配置する。これで加速度計56が確実にスムーズで妨害なく動く ようになるので、“O”-リング54が低摩擦スリーブ50に触れても、加速度計56の 加速度はさほど変わらない。 ダイアフラムまたは単なる膜体58を延長管48の先端に伸張し強制リング52で固 定している。ダイアフラム58は、好ましくは厚み0.007 インチの外科用ゴムで造 るが、他の適当な厚みの弾性材料のものとしてもよい。雄ねじ付きネック57がダ イアフラム58を貫通して延びてアダプタ60にねじ込まれる、このアダプタ60と加 速度計56の間にダイアフラム58を挟んで、加速度計56がダイアフラム58に固定さ れる。ダイアフラム58によって、プローブ先端部26、アダプタ60および加速度計 56の運動がプローブ本体24の運動から隔離され、歯科用インプラント28の運動だ けが加速度計56によって測定されるようになる。 プローブ先端部26には雌ねじ部分26b があり、これがアダプタ60の雄ねじ部分 60aに螺合する。プローブ先端部26はプローブ先端部26の質量を低減するための 空洞 26aがあって中空である。プローブ先端部26の端27は、歯科用インプラント 28に当接して位置決めできるように滑り止め平面を有している。端27の直径は一 般に小さく、例えば直径0.1 インチである。約 2.5インチの長い先端部は患者の 口内深く測定するのに好ましいが、先のより短い先端部は皮膚の層越しに骨構造 を試験するのに好ましい。 衛生を考慮して、プローブ先端部26は一般に使い捨てとしている。ア ダプタ60とプローブ先端部26の外面にはレンチを当てる平坦部があり、ここにレ ンチを当ててプローブ先端部26をアダプタ60に締め付けることができるようにな っている。収集データが歪まないように、解析する周波数帯域に渡って、プロー ブ先端部26の伝達関数を１とすることが好ましい。 好適な実施形態においては、歯科用プローブ20は長さ約６インチ、幅0.5 イン チで、手持ち使用に適するようになっている。プローブ本体24、プローブ先端部 26、アダプタ60およびナット38は、重量低減のためにチタン製とするとよいが、 その代りに、ステンレス、アルミあるいはプラスチックのような他の適当な材料 を使ってもよい。 他の応用において、本発明は、股関節インプラント、膝インプラント、肘イン プラント、肩インプラント、手首インプラントまたは種々の医療整形用インプラ ントのような、他の医療用インプラントの解析に用いることができる。皮膚、軟 骨あるいは毛髪によって覆われた構造体は、これらの被覆物質を透過して下の構 造体に直接触れるように、先のとがった先端部を用いて解析することができる。 さらに、本発明は歯や骨、例えば椎骨、肋骨あるいは趾骨のような患者の器官構 造体の解析に用いることができる。 医療用インプラントを解析する場合、外科創傷を閉止する前の設置中に医療用 インプラントを解析する。第12図は外科創傷の閉止前に解析している股関節イン ブラント 126を例示している。患者 120の開いた外科創傷 124があるので、大腿 骨122 と新しく設置した股関節インプラント 126が露出されている。プローブ20 と同様なプローブ 20aのプローブ先端部26が股関節インプラント 126に当接して 位置付けされている。歯科用インプラント28について上に述べたと同様に、股関 節インプラント１26の加速度の時刻歴をプローブ 20aで測定し、これを周波数ス ペクトルに変換する。股関節インプラント 126の周波数スペクトルを股関節イン プラントの以前に記憶された周波数スペクトルを含む臨床データベース と比較する。股関節インプラント 126の周波数スペクトルの特性を記憶された周 波数スペクトルの特性と比較する。 臨床データベースには、股関節インブラントの合格臨床基準に相関した周波数 スペクトルの、ある特性の合格範囲が記録されている。股関節インプラント126 の周波数スペクトルが合格臨床規準よりも低く相関すれば、不十分な結合、受容 体サイトの軟骨や他の軟質組織の介在、あるいは受容体サイトの亀裂などにより 、股関節インプラント 126の取付けが不十分と推定される。この状態は、外科医 に対して、創傷 124を閉止する前にこの問題の矯正が必要なことを警告している ので、股関節インプラントが故障した時に矯正する二度手間を防ぐ。 図１３を参照して、股関節インプラント 126は関節鏡技術によって創傷 124を 閉止して後解析することができる。この手順では、プローブ 20aを内視鏡 128の 先端部に組み込む。内視鏡 128を切開部 130から患者 120に挿入し、プローブ 2 0aを股関節インプラント 126に当接させて位置決めし、プローブ 20aで股関節イ ンプラント 126を解析する。これで股関節インプラント 126を長時間に渡って測 定できるようになる。ある時間に渡ってとった股関節インプラント126 の周波数 スペクトルを、相互に比較して股関節インプラント 126が一層安定になるか劣化 しつつあるかが決定できる。小さい変化が主要な問題となる前にそれらを検知し て、インブラントの取替えをしないで済むように早期治療を開始できるようにな る。 本発明の装置は、故障発生前にメンテナンスを行うために、振動識別解析を行 って飛行機の翼、機械類または構造建築物のような機械的構造体の構造特性を求 めるにも用いることができる。そのような場合、プローブを用いて構造体に所望 位置で衝撃を与えて構造体の加速度の時刻歴を測定する。次いでこの加速度の時 刻歴から周波数スペクトルを発生させる。多くの技術応用では周波数スペクトル だけしか必要でない。 しかし、別法として、測定した加速度の時刻歴と対応する周波数スペク トルと比較するために、以前に測定した加速度の時刻歴とそれらに対応する周波 数スペクトルをデータベースに記録しておいてもよい。 図１４に可搬装置が望ましい工業上のメンテナンスや他の応用に適当なシステ ムを示す。このシステムは可搬コンピュータ13に連結するプローブ20を具備して いる。可搬コンピュータ13は手持ちするかベルトに付けるに十分小さく、加速度 の時刻歴と周波数スペクトルを見るための画面 13aが付いているもので、ユーザ がキーパッド13b で情報を入力できる。可搬コンピュータ13内に加速度の時刻歴 を調節するための電子機器が入れてある。 均等物 当業者は特別の実験をしなくても、ここに記載の実施形態の均等物を認識また は確認できるであろう。このような均等物も下記の請求の範囲に包含される。例 えば、アクチュエータ44は電気機械的に動作させると述べたが、その代りに、ア クチュエータ44を空気圧または機械的に動作させることができる。さらに、加速 度計は、プローブ先端部26の速度や位置を測定する速度センサまたは位置センサ と置き換えてもよい。さらに、電気箱16の電子機器をコンピュータ12に内蔵する こともできる。また、図１２、図１３に示す開いた創傷の利用と関節鏡解析法は 、どのような種類の医療用インプラントの解析ならびに患者の骨の解析にも実施 できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デルジオ・アンソニイ アメリカ合衆国，マサチューセッツ州 01757 ミルフォード，ヘムロック レー ン 13 (72)発明者 ダリオ・ローレンス・ジェイ アメリカ合衆国，ロードアイランド州 02806−3323，バーリントン，ナイアット ポイント（番地なし) (72)発明者 クチアロ・ステファン・ジェイ アメリカ合衆国，マサチューセッツ州 01915，ベバリィ，ドッジ ストリート 269

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 構造体に接触させるプローブ先端部、 プローブ先端部に連結されて構造体の加速度の時刻歴を測定する加速度計、 プローブ先端部を構造体に衝突させるハンマ、および ハンマを打ち出すアクチュエータ、 を備えたプローブ。 ２． 請求項１において、さらに、 前記アクチュエータを収容する中空管を備えたプローブ本体、および プローブ本体に固定され加速度計の運動をプローブ本体の運動から隔離するよ うに加速度計を支持する膜体、 を備えたプローブ。 ３． 請求項１において、前記アクチュエータが、 ハンマを打出し位置に位置させる電磁コイル、および ハンマを打ち出すためにハンマに当接して位置するばね体、 を備えたプローブ。 ４． 請求項１において、さらに、前記プローブ先端部が所定の力で構造体に接 触するまではアクチュエータがハンマを打ち出さないように作動するセンサを有 するプローブ。 ５． 請求項１において、さらに、前記構造体の測定した加速度の時刻歴を周波 数スペクトルに変換するプロセッサを有するプローブ。 ６． 請求項１において、前記構造体が歯科用インプラントであるプローブ。 ７． 加速度計に固定されているプローブ先端部を構造体に当接して位置させる 工程、 プローブ先端部を構造体に衝突させる工程、および 前記加速度計で構造体の加速度の時刻歴を測定する工程、 より成る構造体の動的特性を測定する方法。 ８． 請求項７において、ハンマで前記プローブ先端部を前記構造体に衝突させ る方法。 ９． 請求項８において、さらに、アクチュエータで前記ハンマを打ち出す工程 を含む方法。 １０． 請求項９において、さらに、プローブ先端部が所定の力で前記構造体に 接触するまではハンマを打ち出さないようにする工程を含む方法。 １１． 請求項９において、さらに、 前記アクチュエータを中空プローブ本体内に収容する工程、および、 前記加速度計の運動をプローブ本体の運動から隔離するように加速度計をプロ ーブ本体に固定した膜体で支持する工程を含む方法。 １２． 請求項９において、前記アクチュエータによるハンマの打出しが、 電磁コイルでハンマを打出し位置に位置させる工程、および、 前記ハンマに当接位置付けしたばね体でハンマを打ち出す工程、 を含む方法。 １３． 請求項７において、さらに、測定した構造体の加速度の時刻歴を周波数 スペクトルに変換する工程を含む方法。 １４． 請求項７において、前記構造体が歯科用インプラントである方法。 １５． 請求項１３において、さらに、前記周波数スペクトルの特性を周波数ス ペクトルのデータベースと比較する工程を含む方法。 １６． 構造体に衝突させて構造体の加速度の時刻歴を測定する手持ちプローブ 、および 測定した構造体の加速度の時刻歴を周波数スペクトルに変換するプロセッサ、 を有する構造体の動的特性を測定するシステム。