JPH11125590A

JPH11125590A - バランス型粘弾性測定装置

Info

Publication number: JPH11125590A
Application number: JP29199597A
Authority: JP
Inventors: Munehiro Date; 宗宏伊達; Katsuo Nishi; 克夫西; Akira Shiraishi; 明白石
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1997-10-24
Publication date: 1999-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】被測定物を測定器に近づける必要がなく、
手持ちで使うことができ、どんな向きでも使え、姿
勢を変えたときの体の硬さの変化などの測定も可能であ
り、表面のみでなく内部の硬さの不均一も測定できる
粘弾性測定装置を提供する。【解決手段】細長い可動棒１２と、その端部に固定さ
れ軸線Ｚに直交して延びた探触子１４と、可動棒を軸線
に垂直なＸ−Ｙ面内で振動させる加振器１６と、可動棒
を有する可動体１３を重心位置Ｇで揺動可能に支持する
揺動支持器２０と、前記平面内での探触子の動きを検出
する位置検出器２２と、探触子を振動させるための力信
号を発生しかつ位置検出器の位置信号を解析する演算装
置２４と、探触子の先端に取り付けられた超音波送受波
器２６と備え、探触子を被測定物（皮膚８）の表面に接
触させるときの力信号と位置信号から表面粘弾性を測定
し、同時に得られた被測定物の断面像から内部の硬さ分
布を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、皮膚等の表面のみ
ならず内部の力学的性質についても測定することの出来
る粘弾性測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】膠原病は、現在その治療法の確立されて
いない難病の１つである。この病気は外見的には指先等
の末端部より皮膚が硬くなりはじめ、硬化が体の中心部
に進むと死亡する。そのため、定期的に患者の皮膚の一
部を切り取って皮膚の弾性率を検査することによって病
状の進行を調べているが、これは患者に大きな苦痛を与
える問題点がある。

【０００３】この問題点を解決するために、本発明の発
明者は、先に、特公昭６３−１８５３号及び特公平７−
６０１１５号を創案し出願した。

【０００４】特公平７−６０１１５号の「表面粘弾性測
定方法及びその装置」の装置は、図１０に示すように、
一端が回動自在に固定され水平方向に延びた可動棒２
と、可動棒の他端に固定され鉛直方向に延びた探触子３
と、探触子を可動棒の軸線に垂直な平面内で振動させる
加振器４と、前記平面内での探触子の動きを検出する位
置検出器５と、探触子を振動させるための力信号を発生
しかつ位置検出器の位置信号を解析する演算装置６と、
からなり、探触子３を被測定物の表面に接触させるとき
の力信号と位置信号から表面粘弾性を測定するようにな
っていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の粘弾性
測定装置では、水平方向に延びた可動棒２の支点ａが可
動棒の端部にあり、可動棒の自重により探触子の動作位
置が変化しやすい欠点があった。すなわち、従来の装置
では可動棒２から下方に延びた延長部２ｂをバネ７で付
勢し、この可動棒の自重をバネ力でバランスさせて、水
平位置に可動棒２を保持するようになっていた。なお、
この図で１はハウジング、５ａは光ファイバ、５ｂは検
出素子である。

【０００６】しかし、この構造では、重力の方向が変わ
るとバランスを失うため、装置は据え置き型とせざる
を得ず、被測定物を装置の所まで持ってくる必要があ
り、そのため、手持ちでの測定はできず、自由な向
きでの測定ができず、例えば、姿勢を変えたときの体の
硬さの変化などの測定が不可能だった。

【０００７】更に、従来の装置では、表面に接触させ
た探触子の動きとそれに必要な力のみを計測していたた
め、表面の平均的硬さだけしか計測できず、内部の硬さ
の不均一は測定できなかった。そのため、例えば膠原病
の病状が進行した場合に、その進み具合を客観的に把握
できない問題点があった。

【０００８】本発明は、上述した問題点を解決するため
に創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、
被測定物を測定器に近づける必要がなく、手持ちで
使うことができ、どんな向きでも使え、姿勢を変えた
ときの体の硬さの変化などの測定も可能であり、表面
のみでなく内部の硬さの不均一も測定できる粘弾性測定
装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、細長い
可動棒と、可動棒の端部に固定されその軸線に直交する
方向に延びた探触子と、可動棒をその軸線に垂直な平面
内で振動させる加振器と、可動棒を有する可動体をその
重心位置で揺動可能に支持する揺動支持器と、前記平面
内での探触子の動きを検出する位置検出器と、探触子を
振動させるための力信号を発生しかつ位置検出器の位置
信号を解析する演算装置と、を備え、探触子を被測定物
の表面に接触させるときの力信号と位置信号から表面粘
弾性を測定する、ことを特徴とするバランス型粘弾性測
定装置が提供される。

【００１０】この構成により、揺動支持器により可動棒
を有する可動体が重心位置で支持されているので、装置
全体をどのような姿勢にしても、可動体の重心まわりの
バランスが保たれる。従って、この構成により、どのよ
うな姿勢をとっても、重力により動作中心がずれるとい
う現象を無くすことができ、姿勢を変えたときの体の硬
さの変化などの測定も可能であり、どのような向きでも
使える。

【００１１】本発明の好ましい実施形態によれば、探触
子の先端に取り付けられた超音波送受波器と、超音波送
受波器の反射波強度から被測定物の断面像を画像表示す
る画像表示装置とを備え、探触子を被測定物の表面に接
触させるときの力信号及び位置信号と同時に得られた被
測定物の断面像から内部の硬さ分布を測定する。この構
成により、物体の内部のひずみの場所による硬さの違い
を、力信号及び位置信号と同時に測定できるので、内部
の硬さの不均一も測定できる。すなわち、探触子で外部
から変形を与え、この変形と同期した内部の変形を、同
時に得られた超音波像から測定することにより、外部の
変形に追従して変形する部分は柔らかく、追従しない部
分は固いといった硬さ分布を計測することができる。

【００１２】また、前記加振器は、可動棒の端部に固定
され可動棒の軸線に直交する直交軸Ｘ，Ｙをそれぞれ囲
む１対のコイルと、可動棒の軸線方向に磁場Ｂを発生さ
せる磁場発生装置とからなり、１対のコイルにそれぞれ
変動電流Ｉを流して可動棒をＸ方向及びＹ方向に振動さ
せるようになっている。この構成により、装置全体を一
体化でき、外形寸法を小型化でき、手持ち型の装置とす
ることができ、測定器を被測定物の場所に持っていくこ
とができ、被測定物の制約を無くすことができる。

【００１３】更に、前記揺動支持器は、可動棒と中間部
材の間を連結する第１の十字クロスバネと、中間部材と
固定部との間を連結する第２の十字クロスバネとからな
り、第１と第２の十字クロスバネは、互いに直交するＸ
軸又はＹ軸まわりに揺動可能に構成されている。この構
成により、薄いバネ板を用いて十字クロスバネを構成す
ることにより、可動棒を重心まわりに極めて小さい抵抗
で精度よく支持することができ、測定精度を高めること
ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。図１は、本発明によるバランス型粘弾性測定装置の
全体構成図であり、図２は、図１を模式的に示す図であ
る。更に、図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図であ
る。図１乃至図３に示すように、本発明のバランス型粘
弾性測定装置１０は、細長い可動棒１２、探触子１４、
加振器１６、揺動支持器２０、位置検出器２２、及び演
算装置２４を備えている。

【００１５】探触子１４は、可動棒１２の端部（図１で
左端）に固定され、その軸線Ｚに直交する方向に延びて
いる。また、探触子１４の先端には、超音波送受波器２
６が取り付けられている。更に、超音波送受波器２６
は、装置外部に設置された画像表示装置２８に電気的に
接続され、超音波送受波器２６の反射波強度から被測定
物の断面像を画像表示するようになっている。

【００１６】加振器１６は、可動棒１２の端部（図１で
右端）に固定された１対のコイル１７ａ，１７ｂと、磁
場発生装置１８とからなる。１対のコイル１７ａ，１７
ｂは、可動棒１２の軸線Ｚに直交する直交軸Ｘ，Ｙをそ
れぞれ囲むように構成されている。また磁場発生装置１
８は、コイル１７ａ，１７ｂをＺ軸方向から挟む磁石１
８ａと、コイルの内側に位置する磁性体１８ｂとからな
る。磁石１８ａは例えば永久磁石又は電磁石であり、磁
性体１８ｂは例えば鉄片である。磁性体１８ｂはは図示
しない支持部材により固定部分（例えばケーシング１）
に固定されている。従って、コイル１７ａ，１７ｂは可
動棒１２の右端部に固定されているが、磁石１８ａ及び
磁性体１８ｂとは接触せず、その間で軸線Ｚに直交する
面内で自由に振動できるようになっている。

【００１７】この構成により、磁性体１８ｂの両側に位
置するコイル１７ａ，１７ｂの部分に可動棒の軸線方向
でかつ逆向きの磁場Ｂを発生させ、同時に１対のコイル
１７ａ，１７ｂにそれぞれ変動電流Ｉを流すことによ
り、いわゆるフレミングの左手の法則により、可動棒１
２の端部を軸線Ｚに垂直な平面内でＸ方向及びＹ方向に
振動させることができる。

【００１８】図４は、図１の揺動支持器２０の構成図で
あり、（Ａ）は図１と同一方向からみた図、（Ｂ）は
（Ａ）を上部から見た図である。この図に示すように、
揺動支持器２０は、可動棒１２と中間部材２０ａの間を
連結する第１の十字クロスバネ２１ａと、中間部材２０
ａと固定部材２０ｂとの間を連結する第２の十字クロス
バネ２１ｂとからなる。第１と第２の十字クロスバネ２
１ａ，２１ｂは、十字にクロスした薄いバネ板で構成さ
れ、バネ板の端部が可動棒１２と中間部材２０ａ、及び
中間部材２０ａと固定部材２０ｂにそれぞれ固定されて
いる。固定部材２０ｂは、装置の本体部分、例えばケー
シング１に固定されている。

【００１９】この構成により、第１十字クロスバネ２１
ａにより固定部材２０ｂに対して中間部材２０ａをＸ軸
まわりに自由に揺動させることができ、第２十字クロス
バネ２１ｂにより中間部材２０ａに対して可動棒１２を
Ｙ軸まわりに自由に揺動させることができ、全体として
可動棒１２をその重心位置Ｇで揺動可能に支持すること
ができる。また、薄いバネ板を用いて十字クロスバネ２
１ａ，２１ｂを構成することにより、可動棒１２を有す
る可動体１３を重心Ｇまわりに極めて小さい抵抗で精度
よく支持することができ、測定精度を高めることができ
る。

【００２０】なお、本発明はこの構成に限定されるもの
ではなく、例えば、球面軸受等を用いて、可動体１３を
その重心位置Ｇで揺動可能に支持してもよい。また、本
発明において可動体１３とは、可動棒１２と共に移動す
る部分全体を意味し、可動棒１２の他、探触子１４（超
音波送受波器２６を含む）、コイル１７ａ，１７ｂ、後
述する位置検出器２２の光ファイバ２２ａ、等からな
る。

【００２１】位置検出器２２は、可動棒１２の先端部
（図１で左端部）に一端が軸線方向外向き（図１で左向
き）に取り付けられた光ファイバ２２ａと、これに対向
して軸線方向Ｚに垂直に配置された二次元位置検出器２
３とからなる。光ファイバ２２ａの他端は、ハウジング
１に固定された光源（図示せず）まで、可動棒１２の動
きを制約しないように僅かなたるみをもって延びてい
る。二次元位置検出器２３は、例えば半導体像位置検出
素子である。この構成により、軸線Ｚに垂直な平面内で
の探触子１４の動きを、光ファイバ２２ａを通して照射
される光点の位置として二次元位置検出器２３により検
出することができる。

【００２２】図５は、本発明の測定システムを示すブロ
ック図であり、図６は、本発明の制御回路を示すブロッ
ク図である。図５及び図６に示すように、演算装置２４
は、コンピュータ２４ａ、ＤＡ変換器２４ｂ、ＡＤ変換
器２４ｃ、ゲイン可変回路２４ｄ、増幅器２４ｅ等から
なる。図５において、コンピュータ２４ａ（例えばパソ
コン）から、ＤＡ変換器２４ｂを介してＸ駆動信号とＹ
駆動信号がアナログ電流として出力され、Ｘ軸変位信
号、Ｙ軸変位信号、Ｘ駆動力信号、Ｙ駆動力信号、超音
波信号がＡＤ変換器２４ｃを介してコンピュータ２４ａ
に入力される。また、図６において、二次元位置検出器
２３（この図で位置センサー）からのＸ変位，Ｙ変位信
号と、Ｘ駆動信号とＹ駆動信号から増幅器２４ｅを介し
てＸ駆動力信号とＹ駆動力信号がコイル１７ａ，１７ｂ
（Ｘ駆動コイル、Ｙ駆動コイル）に供給される。ゲイン
可変回路２４ｄは、動作状態での接触子の動きやすさを
きめる。例えば、ゲインが高いと外部より動かしにく
い。

【００２３】この構成により接触子１４を２つのコイル
１７ａ，１７ｂでＸ，Ｙ方向に振動させながら、接触子
１４を皮膚に押しつけ、その際得られるデータをパソコ
ンで処理することにより、探触子１４を被測定物の表面
に接触させるときの力信号２５ａと位置信号２５ｂから
表面粘弾性を算出することができる。

【００２４】図７は、探触子１４の先端部に取り付けた
超音波送受波器２６（超音波センサー）の使用方法を示
す図である。この図において、（Ａ）は、超音波センサ
ー２６を皮膚８に接触させていない状態における内部の
表皮８ａ、脂肪８ｂ、筋肉８ｃの状態、（Ｂ）（Ｃ）は
超音波センサー２６を押しつけた状態を模式的に示して
いる。また、この例で、（Ｂ）は脂肪８ｂが柔らかく、
筋肉８ｃが硬い場合、（Ｃ）は逆に脂肪８ｂが硬く、筋
肉８ｃが柔らかい場合、を示している。更に、各図の右
側に示す図は、画像表示装置２８により画像表示された
被測定物の断面像である。

【００２５】この図に示すように、画像表示装置２８に
よる画像から内部の表皮８ａ、脂肪８ｂ、筋肉８ｃの少
なくとも境界位置を検出することができる。また、本発
明の装置では、探触子１４の力信号２５ａ及び位置信号
２５ｂと同時に被測定物の断面像が得られるので、力信
号２５ａ及び位置信号２５ｂと各境界位置の変化状態か
ら皮膚内部の硬さ分布を把握することができる。すなわ
ち、探触子１２で外部から変形を与え、この変形と同期
した内部の変形を、同時に得られた超音波像から測定す
ることにより、外部の変形に追従して変形する部分は柔
らかく、追従しない部分は固いといった硬さ分布を計測
することができる。

【００２６】

【実施例】図８は、本発明の装置により左腕内側の皮膚
の硬さを測定した実施例である。この図において、横軸
は握る力、縦軸は皮膚の硬さ（弾性率）である。また、
図中のｘ，ｙ，ｚは、腕の長さ方向をｚ軸とし、皮膚の
表面をｘｚ面、皮膚の内部に向かう方向をｙ軸としてい
る。この図から、表面方向は硬くならず握る力にほぼ比
例して深さ方向に硬くなる（弾性率が増加する）ことが
数値的に把握できることがわかる。これは皮膚の硬さと
筋肉の硬さを分離して測定できたことを示している。

【００２７】図９は、膠原病の患者の測定例を示す図で
ある。この図で、横軸は図８におけるｙ方向位置信号２
５ｂ（皮膚表面からの深さ）、縦軸はｙ方向の力信号２
５ａである。また、図の（Ａ）は健康人の第二指の甲側
であり、（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は患者の各部の場合であ
る。この図から、第二指の甲側の比較から、患者の皮膚
が健康人に比べて硬くなっているのがわかる。

【００２８】なお、本発明は上述した実施形態及び実施
例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々変更できることは勿論である。例えば、上
述した実施形態では、本発明の装置により皮膚の弾性率
を測定する例を示したが、本発明はこれに限定されず、
その他の分野にも同様に適用することができる。

【００２９】

【発明の効果】上述した本発明の構成により、揺動支持
器２０により可動体１３が重心位置Ｇで支持されている
ので、装置全体をどのような姿勢にしても、可動体１３
の重心まわりのバランスが保たれる。従って、どのよう
な姿勢（向き）をとっても、重力により動作中心がずれ
るという現象を無くすことができ、姿勢を変えたときの
体の硬さの変化などの測定も可能となる。

【００３０】また、物体の内部のひずみの場所による硬
さの違いを、力信号及び位置信号と同時に測定できるの
で、探触子で外部から変形を与え、この変形と同期した
内部の変形を、同時に得られた超音波像から測定するこ
とにより、内部の硬さの不均一も測定できる。更に、装
置全体を一体化でき、外形寸法を小型化でき、手持ち型
の装置とすることができ、測定器を被測定物の場所に持
っていくことができ、被測定物の制約が無くすことがで
きる。

【００３１】従って、本発明のバランス型粘弾性測定装
置は、被測定物を測定器に近づける必要がなく、手
持ちで使うことができ、どんな向きでも使え、姿勢を
変えたときの体の硬さの変化などの測定も可能であり、
表面のみでなく内部の硬さの不均一も測定できる、等
の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるバランス型粘弾性測定装置の全体
構成図である。

【図２】図１を模式的に示す図である。

【図３】図２のＡ−Ａ線における断面図である。

【図４】図１の揺動支持器の構成図である。

【図５】本発明の測定システムを示すブロック図であ
る。

【図６】本発明の制御回路を示すブロック図である。

【図７】本発明の装置の使用方法を示す図である。

【図８】皮膚の硬さの測定例を示す図である。

【図９】膠原病の患者の測定例を示す図である。

【図１０】従来の粘弾性測定装置の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ハウジング２可動棒３探触子４加振器５位置検出器６演算装置８皮膚１０バランス型粘弾性測定装置１２可動棒１３可動体１４探触子１６加振器１７ａ，１７ｂコイル１８磁場発生装置１８ａ磁石１８ｂ磁性体２０揺動支持器２０ａ中間部材２０ｂ固定部材２２位置検出器２２ａ光ファイバ２３二次元位置検出器２４演算装置２６超音波送受波器２８画像表示装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者白石明埼玉県和光市広沢２番１号理化学研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細長い可動棒と、可動棒の端部に固定さ
れその軸線に直交する方向に延びた探触子と、可動棒を
その軸線に垂直な平面内で振動させる加振器と、可動棒
を有する可動体をその重心位置で揺動可能に支持する揺
動支持器と、前記平面内での探触子の動きを検出する位
置検出器と、探触子を振動させるための力信号を発生し
かつ位置検出器の位置信号を解析する演算装置と、を備
え、探触子を被測定物の表面に接触させるときの力信号
と位置信号から表面粘弾性を測定する、ことを特徴とす
るバランス型粘弾性測定装置。
【請求項２】探触子の先端に取り付けられた超音波送
受波器と、超音波送受波器の反射波強度から被測定物の
断面像を画像表示する画像表示装置とを備え、探触子を
被測定物の表面に接触させるときの力信号及び位置信号
と同時に得られた被測定物の断面像から内部の硬さ分布
を測定する、ことを特徴とする請求項１に記載のバラン
ス型粘弾性測定装置。
【請求項３】前記加振器は、可動棒の端部に固定され
可動棒の軸線に直交する直交軸Ｘ，Ｙをそれぞれ囲む１
対のコイルと、可動棒の軸線方向に磁場Ｂを発生させる
磁場発生装置とからなり、１対のコイルにそれぞれ変動
電流Ｉを流して可動棒をＸ方向及びＹ方向に振動させ
る、ことを特徴とする請求項１に記載のバランス型粘弾
性測定装置。
【請求項４】前記揺動支持器は、可動棒と中間部材の
間を連結する第１の十字クロスバネと、中間部材と固定
部との間を連結する第２の十字クロスバネとからなり、
第１と第２の十字クロスバネは、互いに直交するＸ軸又
はＹ軸まわりに揺動可能に構成されている、ことを特徴
とする請求項１に記載のバランス型粘弾性測定装置。