WO2022154113A1 - 力学的測定装置 - Google Patents

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WO2022154113A1
WO2022154113A1 PCT/JP2022/001307 JP2022001307W WO2022154113A1 WO 2022154113 A1 WO2022154113 A1 WO 2022154113A1 JP 2022001307 W JP2022001307 W JP 2022001307W WO 2022154113 A1 WO2022154113 A1 WO 2022154113A1
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WO
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probe
soft tissue
load
distance
measuring device
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PCT/JP2022/001307
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French (fr)
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伸生 安達
正和 石川
豪器 亀井
謙三 鈴木
栄久 鈴木
Original Assignee
国立大学法人広島大学
有限会社たくみ精密鈑金製作所
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B5/0048—Detecting, measuring or recording by applying mechanical forces or stimuli
    • A61B5/0053—Detecting, measuring or recording by applying mechanical forces or stimuli by applying pressure, e.g. compression, indentation, palpation, grasping, gauging
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B10/00—Other methods or instruments for diagnosis, e.g. instruments for taking a cell sample, for biopsy, for vaccination diagnosis; Sex determination; Ovulation-period determination; Throat striking implements
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    • A61B5/107—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof
    • A61B5/1072—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof measuring distances on the body, e.g. measuring length, height or thickness
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    • A61B5/44—Detecting, measuring or recording for evaluating the integumentary system, e.g. skin, hair or nails
    • A61B5/441—Skin evaluation, e.g. for skin disorder diagnosis
    • A61B5/442—Evaluating skin mechanical properties, e.g. elasticity, hardness, texture, wrinkle assessment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/40—Investigating hardness or rebound hardness
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension
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    • A61B90/30—Devices for illuminating a surgical field, the devices having an interrelation with other surgical devices or with a surgical procedure
    • A61B2090/306—Devices for illuminating a surgical field, the devices having an interrelation with other surgical devices or with a surgical procedure using optical fibres

Definitions

  • the present invention measures the mechanical properties of a living soft tissue when a pressing force or tension is applied to the living soft tissue such as ligaments, muscles, and cartilage, and quantitatively and objectively inspects the state of the living soft tissue.
  • a mechanical measuring device that can be diagnosed.
  • doctors In surgical operations such as arthroscopic surgery, doctors usually abut a stainless rod-shaped probe on a predetermined part of the biological soft tissue and rely on the sense of force transmitted from the abutting part to the hand through the probe. Judgment is used to qualitatively inspect and diagnose the damaged state of biological soft tissue.
  • This examination / diagnosis is based on the subjective knowledge of the doctor, and is greatly influenced by the knowledge and experience of the doctor.
  • unified examination / diagnosis based on objective criteria has not been performed, and in particular, it is difficult for an inexperienced doctor to inspect / diagnose a probe. Therefore, there are many requests to quantitatively inspect and diagnose the probe to give it objectivity.
  • Patent Documents 1 to 3 as a method for quantitatively inspecting and diagnosing a biological soft tissue
  • Patent Document 4 as a method for quantitatively inspecting and diagnosing a biological hard tissue.
  • Patent Document 1 shows an inspection / diagnosis device for a joint portion using a probe. The force applied to the tip of the probe is detected by the stress detection unit (see FIGS. 1 and 2 of Patent Document 1). Further, Patent Document 1 shows a state in which the user locks the labrum, which is a biological soft tissue, to the tip of the probe and pulls it with the probe (see FIG. 6 (a) of Patent Document 1).
  • Patent Document 1 discloses a method of quantitatively and objectively inspecting and diagnosing the state of biological soft tissues by measuring the force applied to the tip of the probe with a stress detecting unit. Further, Patent Document 2 measures the tension of a tendon or a ligament. The extension amount of the hook shaft is measured by a tension spring set to a certain tension in advance. In this case, in order to measure the extension amount, the spike portion of the abutting means is brought into contact with the bone, the surface of the abutted bone is set to the reference position for measuring the extension amount, and the probe is brought into contact with the extension amount.
  • Patent Document 3 quantitatively detects the mechanical properties of ligaments. An example is shown in which the probe is manually moved, the load is detected by a strain gauge, and the displacement amount is detected by a specified displacement amount using a spring force (see FIG. 1 of Patent Document 3). ..
  • Patent Document 4 is a method and apparatus for evaluating the strength of bones of humans and animals, which are living hard tissues. A displacement generator including a rotating horizontal cam interlocked with the rotation of a motor and a follower pin that moves up and down with the rotation of the cam is shown (see FIGS. 3A and 3B of Patent Document 4).
  • This follower pin has a configuration in which the inspection probe is moved up and down, and a configuration of a force sensor capable of detecting a force applied to the inspection probe and a configuration of a distance sensor capable of detecting the moving distance of the force are shown.
  • a reference probe is provided in addition to the inspection probe, and a configuration is shown in which the reference probe specifies the degree of insertion of the inspection probe (see FIGS. 1A to 1C of Patent Document 4).
  • Patent Document 4 discloses a method for quantitatively and objectively inspecting and diagnosing the state of biological hard tissue.
  • the living soft tissue can be regarded as a viscoelastic body.
  • Viscoelastic bodies are characterized by being mechanically soft and having a velocity dependence between stress and strain.
  • the first point is that the relationship between the force ⁇ (stress) applied to the living soft tissue and the distance ⁇ (strain) on which the force acts is velocity-dependent.
  • the velocity of the applied force ⁇ is large, the force ⁇ appears larger with respect to the distance (strain) ⁇ on which the force acts, as compared with the case where the velocity is small.
  • Patent Document 1 The configuration shown in Patent Document 1 is for quantitatively inspecting and diagnosing the state of biological soft tissues, but it is for manually (thumbly) moving the probe, and the moving speed cannot be kept constant.
  • the movement distance detection is to visually read the scale engraved on the device, and it is impossible to accurately measure the movement distance detection and the force detection at that point at the same time. There is inevitably a time lag between detections. Therefore, sequential and real-time measurement of both detections is not possible.
  • the moving distance detection usually requires a reference point for distance detection, but Patent Document 1 does not set a reference point.
  • the moving speed of the acting force is not constant, and it is impossible to measure at a constant speed.
  • the acting force is measured visually on the acting force scale, and the moving distance of the probe, that is, the extension amount is measured visually on the moving scale. Therefore, it is impossible to measure the acting force and the extension amount at the same time and sequentially.
  • the measurement is performed manually. Therefore, the moving speed of the load (force) is not constant, and it is impossible to measure at a constant speed.
  • the load is automatically measured by a strain gauge
  • the moving distance of the probe that is, the displacement amount is measured intermittently, and one-to-one sequential / real-time measurement of the displacement amount and the load is impossible. ..
  • Patent Document 3 there is no setting of a reference point for detecting the moving distance. Therefore, as in the case of Patent Document 1, the contact between the tip of the probe and the object to be measured is visually confirmed, and the contact position is used as the reference point, so that the detection of the moving distance is inaccurate.
  • the configuration shown in Patent Document 4 relates to the inspection / diagnosis of the living hard tissue, and is different from the present invention in which the inspection / diagnosis of the living soft tissue is performed. In Patent Document 4, since the rotary tilt cam linked to the rotation of the motor and the follower pin reciprocate up and down with the rotation of the cam, the vertical reciprocating motion of the follower pin does not reach a constant speed.
  • the inspection probe Since the inspection probe reciprocates up and down in conjunction with the follower pin, the inspection probe cannot reciprocate at a constant speed. Further, in order to measure the moving distance of the inspection probe, it is usually necessary to set a reference position, and therefore, the reference probe is indispensable in Patent Document 4.
  • the reference probe is in contact with a hard substance (for example, bone) that can withstand the pressure, and the moving distance of the inspection probe is measured from the difference between the reciprocating inspection probe and the fixed reference probe position. Therefore, in this case, a hard substance for fixing the reference probe is required, and measurement cannot be performed with a soft tissue-only object such as a viscoelastic body.
  • the probe is moved at a constant speed in the biological soft tissue, and the pressing force or tensile force of the probe and the moving distance of the probe are sequentially and simultaneously measured to accurately quantitatively and objectively measure the state of the biological soft tissue. It makes it possible to carry out inspections and diagnoses.
  • the first mechanical measuring device of the present invention includes a main body case, a probe extending from the main body case and abutting on a predetermined portion of the biological soft tissue, and a load (integrally connected to the probe and applied to the biological soft tissue). It has a load measuring means for measuring force), a moving means for moving the probe at a constant speed, and a distance measuring means for measuring the moving distance by the moving means, and the load applied to the biological soft tissue and the probe. It is characterized in that the moving distance is measured at the same time.
  • the second mechanical measuring device of the present invention is the rigidity for calculating the rigidity (stress / strain) of the biological soft tissue in the first mechanical measuring device by using the outputs of the load measuring means and the distance measuring means.
  • the third mechanical measuring device of the present invention is the moving distance of the probe from the time when the load measuring means starts measuring the load applied to the biological soft tissue in the first or second mechanical measuring device. It is characterized by starting the measurement of.
  • the fourth mechanical measuring device of the present invention is the mechanical measuring device according to any one of the first to third, characterized in that a constant speed by the moving means is changed in a timely manner.
  • the fifth mechanical measuring device of the present invention is the mechanical measuring device according to any one of the first to fourth, and displays the outputs of the load measuring means, the distance measuring means, and the rigidity calculating means. It is characterized by having a means and a recording means for recording each of the outputs.
  • the sixth mechanical measuring device of the present invention is the mechanical measuring device according to any one of the first to fifth, characterized in that it has a supporting means for fixing the position of the main body case. be.
  • the seventh mechanical measuring device of the present invention is the mechanical measuring device according to any one of the first to sixth, wherein the probe is made of a translucent material, and scattered light is emitted from one end of the probe. It is characterized by being released.
  • the load (force) applied to the biological soft tissues and the moving distance of the probe are simultaneously measured in a state where the probe is moved at a constant speed. It becomes possible to measure. Therefore, the state of the biological soft tissue to be examined / diagnosed can be accurately, quantitatively and objectively measured.
  • (A) is a cross-sectional view of the mechanical measuring device according to the first embodiment
  • (b) is a top view of the support member 25
  • (c) is a side view of the support member 25.
  • Model diagram of living soft tissue The figure which shows the shape of one end part 10a of a probe 10.
  • (A) is a diagram showing the positional relationship between the probe 10 and the ligament before and after the start of measurement
  • (b) is a diagram showing the relationship between the moving distance of the probe 10 and the tension when measuring the ligament.
  • Schematic diagram showing the mechanical measuring device of the first embodiment and its circuit configuration relationship The figure which shows the circuit configuration relation of Embodiment 1.
  • Diagram showing the relationship between strain, stress and rigidity of living soft tissues A diagram schematically showing the relationship between force and distance when a force is applied to the same living soft tissue at different speeds. The figure which shows the change of the stiffness in the characteristic of strain-stress The figure which shows the display output by the display means 22b in Embodiment 1.
  • Cross-sectional view of the mechanical measuring device according to the second embodiment Schematic diagram showing the mechanical measuring device of the second embodiment and its circuit configuration relationship
  • Perspective view of the mechanical measuring device of the second embodiment Structural cross-sectional view of the main part of the mechanical measuring device according to the third embodiment
  • Explanatory drawing of support member used for mechanical measuring apparatus which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. 1A shows a cross-sectional view of the mechanical measuring device according to the first embodiment.
  • 10 is a probe
  • 10a is one end of the probe
  • 10b is the other end
  • 11 is a probe holder
  • 12 is a load sensor
  • 12a is an output terminal of the load sensor
  • 13 is a main body case.
  • 13a is the grip of the main body case
  • 13b is the lid of the main body case
  • 14 is the stepping motor
  • 14a is the motor coil
  • 14b is the nut
  • 15 is the screw shaft
  • 16 is the connecting member
  • 17 is the spline shaft
  • 18 is the ball.
  • FIGS. 1 (b) and 1 (c) show a top view and a side view of the support member 25.
  • Reference numeral 25b is a notch portion through which the probe 10 penetrates. The presence of the notch portion 25b also has the effect of visually observing the state of one end portion 10a of the probe 10.
  • One end 10a of the probe 10 is in contact with a predetermined portion of the biological soft tissue, and a part of the tip thereof is bent so that a pressing force or a tensile force can be applied from the predetermined portion.
  • the other end 10b of the probe 10 is detachably attached to the probe holder 11.
  • the biological soft tissue to be measured here is, for example, muscle, ligament, cartilage, skin, blood vessel, etc., and is not particularly limited as long as it is a biological tissue exhibiting viscoelasticity. As shown in the model of FIG. 2, this viscoelastic body exhibits a characteristic that the spring E and the dashpot ⁇ are approximately arranged in parallel.
  • FIGS. 3 (a) to 3 (c) show an example.
  • FIG. 3A shows a T-shaped shape in which the end portion 10a is provided with a portion extending in a direction orthogonal to the Z axis (the axis in the major axis direction of the rod-shaped probe), and is shown in FIG. 3 (b). ) Indicates a bifurcated form. In the case of these shapes, the ligament tissue and the like can be pressed stably.
  • FIG. 3C shows a disk-shaped shape at one end 10a. In the case of a disk shape, when pressing the cartilage tissue, the contact portion can be pressed uniformly.
  • the probe holder 11 is connected to the load sensor 12 so that the pressing force or the tensile force applied to the probe 10 can be transmitted to the load sensor 12.
  • the load sensor 12 is a three-axis sensor (implementation) capable of measuring not only the major axis direction (Z-axis) of the probe 10 but also the pressing force or tensile force of two axes (X-axis and Y-axis) orthogonal to the major axis direction (Z-axis).
  • Z-axis the major axis direction
  • X-axis and Y-axis two axes
  • Z-axis the major axis direction
  • the sample biological soft tissue
  • the sample can be measured only with the Z-axis, but it may be measured with a combination of the Z-axis and the X-axis or the Z-axis and the Y-axis.
  • Three axes are not always required, and a one-axis device, a two-axis device, or a three-axis device may be used.
  • this tilt can be corrected by obtaining the resultant force of the X-axis, Y-axis, and Z-axis.
  • the X-axis, Y-axis, and Z-axis sensor outputs of the load sensor 12 are analog inputs to the electronic circuit unit 21 in the main body case 13 of the mechanical measuring device via the output terminal 12a.
  • the main body case 13 is composed of a bottomed cylindrical grip portion 13a that is gripped by the user and a lid portion 13b that closes the opening of the grip portion 13a.
  • the probe 10 is attached to one end side of the grip portion 13a, and the thickness is designed so that the user (not shown) can easily grip the grip portion 13a, and the other end side of the grip portion 13a is designed to be thicker than the one end side. As a result, the user can operate the probe in a stable manner.
  • the stepping motor 14 is housed in the main body case 13, has a motor coil 14a and a nut 14b, and the nut 14b extends along the Z-axis direction.
  • the stepping motor 14 (in the first embodiment, a Linear actuator 28F47-2.1-906 manufactured by Haydonkerk Pitman) causes the nut 14b to rotate around the central axis by applying an electric current to excite the motor coil 14a.
  • the nut 14b functions as a rotor of the stepping motor 14.
  • a thread groove is formed on the inner peripheral surface of the nut 14b along the Z axis, and a thread thread screwed into the thread groove is formed on the outer peripheral surface of the screw shaft 15.
  • the screw shaft 15 can be moved in the Z-axis direction by rotating the nut 14b.
  • This amount of movement can be controlled by the number of pulses or the frequency applied to the stepping motor 14.
  • the moving speed can be easily changed only by changing the number of pulses or the frequency.
  • the moving speed of the living soft tissue is assumed to be 0.1 mm to 5 mm per second. In this way, according to the configuration shown in the first embodiment, it is possible to realize that the screw shaft 15 is moved at a predetermined constant speed.
  • the spline shaft 17 is attached to a screw shaft 15 that moves in the Z-axis direction via a connecting member 16.
  • the spline shaft 17 slides in the Z-axis direction along the inside of the ball spline 18 as the screw shaft 15 moves in the Z-axis direction.
  • the ball spline 18 is attached to the inside of the through hole of the lid portion 13b.
  • the spline shaft 17 is supported by the ball spline 18 so as to be movable along the Z-axis direction.
  • One end of the spline shaft 17 in the Z-axis direction is attached to the load sensor 12, and the load sensor 12 can be moved in the Z-axis direction at a predetermined constant speed.
  • the position detector 20 detects the moving distance of the connecting member 16 in the Z-axis direction with a position sensor (in the first embodiment, RDC1022A05 of Alps Electric Co., Ltd. is used).
  • the position detector 20 can detect the moving distance of the probe 10 in the Z-axis direction.
  • an encoder may be connected to the stepping motor 14 to detect the moving distance in the Z-axis direction.
  • the electronic circuit unit 21 is a circuit that drives and controls the stepping motor 14, the position detector 20, and the load sensor 12.
  • the electronic circuit unit 21 is connected to a controller unit 22 provided outside the main body case 13 via an external cable 23.
  • the mechanical measuring device of the first embodiment targets the biological soft tissue as the measurement target, the measurement target is soft, and the reference probe required in Patent Documents 2 and 4 cannot be used. This is because when the reference probe penetrates or presses against the soft tissue, there is not enough hard tissue to receive the force. Further, even if an attempt is made to set the measurement reference position by bringing the reference probe into contact with the biological soft tissue, the positional relationship between the reference probe and the biological soft tissue fluctuates due to the soft tissue, and it is difficult to set the measurement reference position. In the mechanical measuring device of the first embodiment, it is not necessary to set the measurement reference position of the moving distance, and the measurement can be performed without the reference position.
  • the time point at which the load sensor 12 detects the load from the soft tissue of the living body can be set as the measurement start point of the moving distance. Therefore, it is possible to measure the load applied to the soft tissue of the living body and the moving distance of the probe without using the reference probe.
  • FIG. 4A shows the positional relationship between the probe 10 and the ligament (cross section) before the start of measurement.
  • the probe 10 starts moving in the probe tension direction
  • the probe 10 moves in the probe tension direction.
  • the probe 10 contacts the ligament. From this contact point, the measurement of the load applied to the ligament by the probe 10 is started, and the movement distance of the probe is also started to be measured at the same time.
  • the state of this measurement is shown in FIG. 4 (b).
  • the relationship between the moving distance of the probe 10 and the load (tension) is measured. Until then, the load remains zero as the probe moves. Therefore, it is not necessary to set the measurement reference position by the reference probe, and the reference probe itself is unnecessary.
  • a support member 25 (specific configurations are shown in FIGS. 1B and 1C) is provided on the outside of the main body case 13, and the tip of the support member 25 is used as a part of the surface of the object to be measured.
  • the contact can be made to stabilize the main body of the mechanical measuring device.
  • the support member 25 can be freely extended and contracted in the Z-axis direction by adjusting the fixing screw 25a.
  • the support member 25 is not essential in the first embodiment. If the support member 25 is not provided, the probe 10 can be moved automatically by the stepping motor 14 by grasping it in a stationary state by hand, so that the moving distance and the load can be measured. Therefore, the support member 25 is configured to be used as needed.
  • the probe 10 is moved at a predetermined constant speed by the stepping motor 14, and (2) the moving distance of the probe 10 is detected by the position detector 20 at the same time.
  • the load of the probe 10 can be measured in real time by the load sensor 12. Therefore, it becomes possible to accurately grasp the characteristics of the biological soft tissue.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the mechanical measurement of Embodiment 1 and its circuit configuration relationship.
  • the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same functions as those in FIG.
  • the output of the load sensor 12 and the output of the position detector 20 are input to the microcomputer 22a of the controller unit 22.
  • the microcomputer 22a uses the measurement results of the load sensor 12 and the position detector 20 to calculate the rigidity (stress / strain) of the biological soft tissue, and outputs the result to the display means 22b and the recording means 22c. Further, the microcomputer 22a controls the motor drive circuit 14c that drives and controls the stepping motor 14. With this configuration, it is possible to accurately control the moving speed of the probe 10.
  • FIG. 6 is a diagram showing the overall circuit configuration of the first embodiment.
  • the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 5 indicate the same functions as those in FIGS. 1 and 5.
  • the electronic circuit unit 21 is arranged in the main body case 13 and controls the load sensor 12, the position detector 20, and the stepping motor 14. Further, the controller unit 22 is provided outside the main body case 13 via an external cable 23.
  • a motor drive circuit 14c is provided for controlling the stepping motor 14.
  • a control signal (pulse signal, signal direction, valid / invalid) is transmitted from the microcomputer 22a to the motor drive circuit 14c, and the motor coil 14a of the stepping motor 14 controls the probe 10 to move at a constant speed. More specifically, the motor drive circuit 14c generates a pulse signal to be the excitation signal applied to the motor coil 14a to the stepping motor 14, and the excitation signal is applied to the motor coil 14a to obtain a nut. Rotate 14b. This rotation is controlled by the number of applied pulses.
  • the rotation of the nut 14b can be reversed by changing the forward / reverse direction of the applied pulse, and the rotation direction of the stepping motor 14 can be controlled so as to switch the moving direction of the probe 10.
  • the rotation speed of the nut 14b is determined by changing the frequency of the clock signal of the motor drive circuit 14c.
  • the constant moving speed of the probe 10 can be switched in the range of about 0.1 mm to 5 mm per second. Even if the moving speed of the probe 10 is not strictly constant, if the maximum and minimum values of the moving speed of the probe 10 are within ⁇ 5% of the average value of the moving speed of the probe 10, the probe It can be considered that 10 is moving at a constant speed.
  • the drive actuator is not limited to a stepping motor, as long as the speed can be controlled, and a linear motor, a piston, or the like can also be used.
  • the output signal from the load sensor 12 and the output signal (analog signal) from the position detector 20 are transmitted to the controller unit 22 via the external cable 23. ..
  • the mechanical measuring device measures the soft tissue of the living body, prevents abnormal operation of the device, and prevents an unexpected medical error. Therefore, the mechanical measuring device includes a function of controlling the operation switch 24 including the emergency stop SW in addition to the trigger SW and the preparation SW in the electronic circuit unit 21.
  • the emergency stop SW is turned on, the motor power cutoff circuit operates, and the controller unit 22 urgently stops the operation of the stepping motor 14.
  • the controller unit 22 is connected to the main body of the mechanical measuring device via an external cable 23, processes signals from the load sensor 12, the position detector 20, and the stepping motor 14, and accurately grasps the characteristics of the biological soft tissue. To process the signal for.
  • the controller unit 22 is composed of a microcomputer 22a, a display means 22b, a recording means 22c, and the like.
  • the microcomputer 22a converts the output signal of the load sensor 12 and the output signal from the position detector 20 into digital values by the built-in analog-digital conversion circuit.
  • the microcomputer 22a calculates the rigidity of the biological soft tissue and the like based on the above-mentioned digital values related to the moving distance, the pressing force or the tensile force of the probe 10.
  • FIG. 7 is a diagram conceptually showing the relationship between the distance (strain) and the force (stress) of the living soft tissue.
  • the moving distance of the probe 10 is represented by the distance ⁇
  • the pressing force or tensile force is represented by the force ⁇ .
  • the amount of change in the force (load) applied to the probe 10 from a certain "first time point" after the start of measurement to the "second time point” after the first time point is the amount of change in force ⁇ ⁇ .
  • the amount of change in the position of the probe 10 between the first time point and the second time point is calculated as the amount of change ⁇ in the distance (strain) ⁇ .
  • the amount of change ⁇ of the load applied to the probe 10 between the first time point and the second time point is divided by the amount of change ⁇ of the position of the probe 10 between the first time point and the second time point.
  • the stiffness ⁇ / ⁇ at the second time point is obtained. Since this rigidity reflects the characteristics of the living soft tissue, it is conceivable to use this value as an evaluation judgment index of the living soft tissue.
  • FIG. 8 schematically shows the relationship between the force and the distance when a force is applied to the same living soft tissue at different speeds.
  • the curves are different depending on the speed of application. The higher the speed of the pressing force or the tensile force, the faster the force rises.
  • Each living soft tissue has its own optimum speed, and it is important to load the load at the optimum speed unique to the living soft tissue, otherwise accurate measurement is not possible. Further, if the speed at which the load is applied changes during one measurement, accurate measurement is impossible even in this case. Therefore, it is necessary to keep the moving speed of the probe 10 constant during one rigidity measurement. In the apparatus shown in the first embodiment, since the moving speed of the probe 10 is made constant, it is possible to accurately evaluate the characteristics of the living soft tissue.
  • the load applied to the soft tissue from the probe 10 is measured from the time when the load sensor 12 starts to detect it, and at the same time, the moving distance of the probe 10 is also measured to sequentially calculate the rigidity of the soft tissue at each time point. is required.
  • FIG. 9 shows a method of this calculation. As shown in FIG. 9, the time when the load sensor 12 starts to detect the load applied to the soft tissue of the living body is set as the measurement start point.
  • the rigidity is repeatedly calculated and output as ⁇ 1 / ⁇ 1 and ⁇ 2 / ⁇ 2 at predetermined time intervals.
  • the display means 22b is electrically connected to the microcomputer 22a.
  • the display means 22b displays the rigidity calculated by the microcomputer 22a, the load in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions detected by the load sensor 12, and the position information from the position detector 20.
  • the user can evaluate the living soft tissue with reference to the information displayed on the display means 22b.
  • the recording means 22c is connected to the microcomputer 22a, and data is written and taken out.
  • the recording means 22c stores past accumulated data. By comparing this accumulated data with the newly measured result, the mechanical state of the biological soft tissue can be grasped quantitatively and objectively, and the user can grasp the mechanical state of the biological soft tissue quantitatively and objectively from this comparison result. You can judge the necessity. Further, by newly accumulating the measurement result in the recording means 22c, the accumulated data can be enriched.
  • Communication between the communication module and the external device is performed by, for example, wired communication using a LAN (Local Area Network) cable or a serial communication cable. Communication between the communication module and the external device may be performed by wireless communication using WiFi (registered trademark) or Bluetooth (registered trademark), and the calculated data may be output via the communication module.
  • LAN Local Area Network
  • Bluetooth registered trademark
  • FIG. 10 is a diagram showing a display example in the display means 22b of the mechanical measurement device according to the first embodiment when the ligament of a pig is measured as an example.
  • A is a moment in the X-axis direction (N-cm)
  • B is a moment in the Y-axis direction (N-cm)
  • C is a load in the Z-axis direction (N)
  • D is a stiffness value (N). / Mm) is shown.
  • These values are calculated by the microcomputer output 22a based on the outputs of the load sensor 12 and the position detector 20.
  • the rigidity value D is a value calculated for each movement distance of 0.1 mm.
  • the numerical values shown in the figure are dimensionless.
  • a and B are moments, the load in the X-axis direction and the load in the Y-axis direction applied to the probe tip can be calculated from these values, and the load in the Z-axis direction can be corrected using these values.
  • the rigidity value of D varies up and down on the graph, but in this case, the width ⁇ of the moving distance was as small as 0.1 mm, and if this is increased, the variation becomes smaller, and the value is close to the actual state.
  • the values of A, B, C, and D are the values detected continuously from the measurement start point, that is, the zero point of the moving distance, and in synchronization with each other, and the rigidity value at any point of the moving distance can be obtained. can. It is possible to obtain the rigidity value at the optimum moving distance to express the physical properties of the object to be measured.
  • FIG. 11 shows a structural cross-sectional view of the mechanical measuring device according to the second embodiment
  • FIG. 12 is a schematic view showing the relationship between the structure of the second embodiment and its circuit configuration.
  • the same reference numerals as those in the first embodiment indicate the same functions as those in FIGS. 1, 5, and 6.
  • the difference between the second embodiment and the first embodiment is that it has a pistol structure similar to that of an electric drill of a machine tool.
  • 26 is a DC gear motor
  • 26a is a motor drive circuit
  • 26b is a nut
  • 27 is a screw shaft.
  • a thread groove is formed on the inner peripheral surface of the nut 26b along the Z-axis direction, and a thread thread screwed into the thread groove is formed on the outer peripheral surface of the screw shaft 27. ..
  • the connecting member 16 moves in the Z-axis direction.
  • the screw shaft 27 of the DC gear motor 26 is arranged parallel to the spline shaft 17, the main body case 13 becomes longer in the vertical direction of the paper surface, so that an electric drill structure is realized.
  • FIG. 13 is a perspective view of the mechanical measuring device according to the second embodiment.
  • the user grasps and uses the handle portion of the main body case 13 of the mechanical measuring device.
  • the support member 25 shown here is in a form in which a notch portion 25b is not provided.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a main part structure of the mechanical measuring device according to the third embodiment.
  • the structure shown in FIG. 14 can be applied to the first and second embodiments, and the structure (not shown in FIG. 14) can be applied to the first embodiment or the second embodiment.
  • the same functional members as those in the first and second embodiments are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the probe 10 is made of a translucent material, light is introduced from the other end 10b of the probe 10, and scattered light is emitted at one end 10a of the probe 10. Acrylics, polycarbonates, and other transparent hard materials are suitable for the probe 10.
  • Light can be scattered to the outside by, for example, applying a satin finish to the surface of one end portion 10a of the probe 10.
  • the emission range of the scattered light may be the entire circumference of one end portion 10a, but may be limited to the inner range of the curved portion.
  • the introduction of light into the probe 10 connects the optical fiber 31 to the other end 10b of the probe 10.
  • Light is supplied to the optical fiber-31 from the optical fiber light source 32.
  • the probe 10 side end of the optical fiber-31 is fixed to the probe holder 11 by a set screw 33.
  • FIG. 14 (a) shows a case where the axis of the optical fiber-31 and the axis of the other end 10b of the probe 10 are connected at different predetermined angles, and FIG.
  • FIG. 14 (b) shows the case where the axis of the optical fiber-31 is connected. It shows the case where and the axial center of the other end portion 10b of the probe 10 are aligned and connected.
  • the one end 10a of the probe 10 is brought into contact with the ligament, it is necessary to confirm that the one end 10a firmly catches the ligament, but since the ligament is inside the joint, it is relatively dark. Is difficult to do.
  • By emitting scattered light at one end 10a of the probe 10 as in the present embodiment it is possible to confirm the contact state between the one end 10a of the probe 10 and the ligament. Further, as in the present embodiment, by scattering light from the bent one end portion 10a to the outside, the periphery of the one end portion 10a can be brightened, and the state of the affected part of the soft tissue can be observed.
  • FIG. 15A and 15B are explanatory views of a support member used in the mechanical measuring device according to the fourth embodiment
  • FIG. 15A is a perspective view of the support member
  • FIG. 15B is a top view of the support member
  • (C) is a side view of the support member
  • FIG. 15 (d) is a side view showing the usage state of the support member.
  • the support member shown in FIG. 15 can be applied in place of the support member of the first and second embodiments.
  • the same functional members as those in the first to third embodiments are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the support member 25 according to the present embodiment includes a pair of contact pieces 25c that come into contact with a part of the surface of the object to be measured (human body), and a probe holder holding portion 25d formed between the pair of contact pieces 25c. It has a peephole 25e formed in the probe holder holding portion 25d.
  • the support member 25 according to the present embodiment is separated from the main body case 13 provided with the probe 10, and can be installed on the object to be measured. In this way, by using the support member 25 separated from the main body case 13 provided with the probe 10, it can be used according to the shape and state of the object to be measured.
  • the above embodiment is particularly advantageously applied to the mechanical measurement of biological soft tissues.
  • Probe 10a One end 10b The other end 11 Probe holder 12 Load sensor (load measuring means) 12a Output terminal 13 Main body case 13a Gripping part 13b Lid part 14 Stepping motor (moving means) 14a Motor coil 14b Nut 14c Motor drive circuit 15 Screw shaft 16 Connecting member 17 Spline shaft 18 Ball spline 19 Cover 20 Position detector (distance measuring means) 21 Electronic circuit unit 22 Controller unit 22a Microcomputer 22b Display means 22c Recording means 23 External cable 24 Operation switch 25 Support member (support means) 25a Fixing screw 25b Notch 25c Contact piece 25d Probe holder holding part 25e Peep window 26 DC gear motor 26a Motor drive circuit 26b Nut 27 Thread shaft 31 Optical fiber 32 Optical fiber light source 33 Set screw

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Abstract

本体ケースと、本体ケースから延伸し、生体軟組織の所定部分に当接するプローブ１０と、プローブ１０に一体的に連結され、プローブ１０により生体軟組織に加わる荷重を計測する荷重計測手段１２と、プローブ１０を一定速度で移動させる移動手段１４と、移動手段１４による移動距離を計測する距離計測手段２０とを有し、筋肉、軟骨等の生体軟組織の計測において、プローブ１０を一定速度で移動させた状態で、生体軟組織に加わる荷重と、プローブ１０の移動距離を同時に計測することにより、生体軟組織の力学的状態の検査・診断を実現した力学的測定装置。

Description

力学的測定装置
　本発明は、靭帯、筋肉、軟骨等の生体軟組織に対して、押圧力又は張力等を加えたときの生体軟組織の力学的特性を計測し、生体軟組織の状態を定量的・客観的に検査・診断できる力学的測定装置に関する。
　関節鏡手術等の外科手術においては、医師は通常ステンレス製の棒状のプローブを生体軟組織の所定部分に当接し、当接部からプローブを介して手に伝わる力の感覚を頼りにして、自らの判断で生体軟組織の損傷状態を定性的に検査・診断している。この検査・診断は、医師の主観的知見に基づくもので、医師の知識・経験により大きく左右される。この様に、従前においては、客観的基準に基づく統一された検査・診断がなされておらず、特に、経験の浅い医師によるプローブの検査・診断は難しい状況である。そのためプローブの検査・診断を定量的に行い、客観性を持たせることへの要望が多くある。
　ここで、生体組織は、骨、歯等の生体硬組織と筋肉、靭帯、軟骨等の生体軟組織に分類される。例えば、生体軟組織を定量的に検査・診断する手法として、特許文献１から特許文献３があり、生体硬組織を定量的に検査・診断する手法として、特許文献４がある。
　特許文献１は、プローブを用いた関節部の検査・診断装置を示す。プローブの先端部に加わる力を応力検出部にて検出する（特許文献１の第１図及び第２図参照）。さらに、特許文献１では、生体軟組織である関節唇を使用者がプローブの先端部に係止し、プローブで引張している状態が示され（特許文献１の第６図（ａ）参照）、プローブの先端部を使用者が生体軟組織である軟骨に押圧した状態が示されている（特許文献１の第６図（ｂ）参照）。この様に、特許文献１には、プローブの先端に加わる力を応力検出部で計測し、生体軟組織の状態を定量的・客観的に検査・診断する手法が開示されている。
　また、特許文献２は、腱又は靭帯の張力を計測する。予めある張力に設定された張力バネにより、フックシャフトの延長量を計測する。この場合、延長量を測るために、当接手段のスパイク部分を骨に当接させ、当接させた骨の表面を延長量測定のための基準位置に設定し、プローブの延長量と当接手段の移動距離との差から、引張力が実質的に働く延長量を求めている。
　特許文献３は、靭帯の力学的特性を定量的に検出する。プローブを手動にて動かし、荷重はひずみゲージで検出し、変位量はバネ力を利用して定められた規程の変位量にて検出する例が示されている（特許文献３の図１参照）。
　一方、特許文献４は、生体硬組織であるヒト及び動物の骨の強さを評価する方法及び装置である。モータの回転に連動する回転水平カムと、このカムの回転に伴って上下運動するフォロアピンからなる変位ジェネレータが示されている（特許文献４の図３Ａ及び図３Ｂ参照）。このフォロアピンは、検査プローブを上下させる構成となっており、検査プローブに加わる力を検知できる力センサ及びその力の移動距離を検知できる距離センサの構成が示されている。また、特許文献４では、検査プローブの他に参照プローブが設けられ、参照プローブにより、検査プローブの挿入程度を特定する構成が示されている（特許文献４の図１Ａ～図１Ｃ参照）。この様に、特許文献４には、生体硬組織の状態を定量的・客観的に検査・診断する手法が開示されている。
特許第６２５３０４５号公報 特開第２００２－３９８８２号公報 特開第２０００－２０１９０６号公報 特許第４９１８０８６号公報
　生体軟組織は粘弾性体とみなすことができる。粘弾性体には力学的には軟らかく、応力とひずみの間には速度依存性があるという特徴がある。このような生体軟組織の状態を力学的に検査・診断を行う場合、生体軟組織に加わる力とその力が作用する距離の２つの値を計測することが必要である。しかしながら、このとき次の2点について考慮することが必須になる。第1点は、生体軟組織に加わる力σ（応力）とその力が作用する距離ε（ひずみ）との関係には速度依存性があることである。加わる力σの速度が大の場合は、小の場合に比較して、その力が作用する距離（ひずみ）εに対して力σが大きく現れる。同じ被測定物に異なる速度で力を加えた場合、そのときの力と距離の関係には異なる結果が現れる。したがって、加わる力の速度が計測中に変化すると、力σと距離（ひずみ）εの関係を正確に計測することができない。このため、粘弾性体である生体軟組織の力学的特性を正確に測定するには、生体軟組織へ加える力の速度を一定にすることが必須の条件である。
　第2点は、粘弾性体は、剛性体と異なり、その力σ／距離ε特性（剛性）は常に線形でなく、曲線形である。そのため、個々の地点での剛性（stiffness）を計測する必要があり、プローブの移動距離とその地点での力を関連づけて計測（リアルタイム計測）する必要がある。
　特許文献１に示される構成は、生体軟組織の状態を定量的に検査・診断するものであるが、手動（親指）にてプローブを移動させるものであり、移動速度を一定に保つことはできない。また移動距離検出は装置に刻まれたスケールを目視で読むことになっており、移動距離検出とその地点での力検出とを同時に正確に計測することは不可能であり、移動距離検出と力検出の間にはどうしても時間差が生まれる。したがって、両検出の逐次・リアルタイム計測は不可能である。さらに移動距離検出には、通常距離検出のための基準点が必要であるが、特許文献１には基準点の設定がない。そのためプローブの先端部が被測定物に当接した瞬間を目視で確認し、そのときのプローブの位置を基準点みなして移動距離の検出を行う。しかし生体の靭帯や軟骨は生体内部にあり、生体に小さな穴を開けプローブを挿入し靭帯や軟骨に当接させる。その小さな視野の狭い穴からのぞいてプローブと被測定物との接触点を目視で確認しなければならず、正確に見出すことは不可能である。つまり正確な基準点設定は不可能で、移動距離の検出も必然的に不正確になる。
　特許文献２も特許文献１と同様に手動で装置を動かし、計測している。そのため、作用力の移動速度は一定でなく、一定速度での計測は不可能である。また、作用力の計測は作用力スケールを目視で行い、プローブの移動距離すなわち延長量の測定は移動スケールを目視で行っている。したがって、作用力と延長量の同時、逐次計測は不可能である。
　特許文献３においても同様に手動で計測している。したがって、荷重（力）の移動速度は一定ではなく、一定速度での計測は不可能である。また、荷重はひずみゲージにて自動で計測されるが、プローブの移動距離すなわち変位量は断続的に計測されており、変位量と荷重との１対１の逐次・リアルタイム計測は不可能である。さらに特許文献3では、移動距離検出のための基準点の設定が無い。そのため特許文献１の場合と同様に、プローブ先端部と被測定物の当接を目視で確認し、その当接位置を基準点としていることから、移動距離の検出は不正確である。
　一方、特許文献４に示される構成は、生体硬組織の検査・診断に係るものであり、生体軟組織を対象とした検査・診断を行う本発明とは異なる。特許文献４では、モータの回転に連動する回転傾斜カムと、このカムの回転に伴ってフォロアピンが上下往復運動するものであるため、フォロアピンの上下往復運動は一定速度にならない。検査プローブはフォロアピンと連動して上下往復運動するので、検査プローブも一定速度で往復運動することはできない。また検査プローブの移動距離計測のためには通常基準位置を設定する必要があり、そのため特許文献４では参照プローブが必須になっている。参照プローブはその押圧に耐えられるような硬い物質（例えば、骨）に当接され、往復運動する検査プローブと固定の参照プローブの位置との差から、検査プローブの移動距離が計測されている。したがって、この場合は、参照プローブを固定するための硬い物質が必要であり、粘弾性体のような軟組織のみの被測定物では計測できない。
　そこで、本発明では、生体軟組織においてプローブを一定速度で移動させ、プローブの押圧力又は引張力と、プローブの移動距離を逐次同時計測することにより、生体軟組織の状態を正確に定量的・客観的に検査・診断を行うことを可能にしたものである。
　本発明の第１の力学的測定装置は、本体ケースと、前記本体ケースから延伸し、生体軟組織の所定部分に当接するプローブと、前記プローブに一体的に連結され、前記生体軟組織に加わる荷重（力）を計測する荷重計測手段と、前記プローブを一定速度で移動させる移動手段と、前記移動手段による移動距離を計測する距離計測手段とを有し、前記生体軟組織に加わる前記荷重と前記プローブの前記移動距離とを同時に計測することを特徴とするものである。
　本発明の第２の力学的測定装置は、第１の力学的測定装置において、前記荷重計測手段と前記距離計測手段との出力を用いて、生体軟組織の剛性（応力／ひずみ）を算出する剛性算出手段を有することを特徴とするものである。
　本発明の第３の力学的測定装置は、第１又は第２の力学的測定装置において、前記荷重計測手段が前記生体軟組織に加わる前記荷重の計測を開始した時点から、前記プローブの前記移動距離の計測を開始することを特徴とするものである。
　本発明の第４の力学的測定装置は、第１から第３のいずれかに記載の力学的測定装置において、前記移動手段による一定速度を適時変更することを特徴とするものである。
　本発明の第５の力学的測定装置は、第１から第４のいずれかに記載の力学的測定装置において、前記荷重計測手段、前記距離計測手段及び前記剛性算出手段の各出力を表示する表示手段と、前記各出力を記録する記録手段とを有することを特徴とするものである。
　本発明の第６の力学的測定装置は、第１から第５のいずれかに記載の力学的測定装置において、前記本体ケースの位置を固定するための支持手段を有することを特徴とするものである。
　本発明の第７の力学的測定装置は、第１から第６のいずれかに記載の力学的測定装置において、前記プローブを透光性材料で構成し、前記プローブの一方端部から散乱光を放出することを特徴とするものである。
　本発明の実施の形態によれば、靭帯、筋肉、軟骨等の生体軟組織の計測において、プローブを一定速度で移動させた状態で、生体軟組織に加わる荷重（力）と、プローブの移動距離を同時に計測することが可能になる。したがって、検査・診断の対象となる生体軟組織の状態を正確に、定量的・客観的に計測できる。
（a）は実施形態１に係る力学的測定装置の断面図、（ｂ）は支持部材２５の上面図、（ｃ）は、支持部材２５の側面図 生体軟組織のモデル図 プローブ１０の一方端部１０ａの形状を示す図 （ａ）は計測開始前後におけるプローブ１０と靭帯との位置関係を示す図、（ｂ）は靭帯を計測した場合のプローブ１０の移動距離と張力の関係を示す図 実施形態１の力学的計測装置とその回路構成関係を示す概略図 実施形態１の回路構成関係を示す図 生体軟組織のひずみと応力と剛性の関係を示す図 同じ生体軟組織対して異なる速度で力を加えたときの力と距離の関係を模式的に示す図 ひずみー応力の特性における剛性の変化を示す図 実施形態１における表示手段２２ｂでの表示出力を示す図 実施形態２に係る力学的測定装置の断面図 実施形態２の力学的計測装置とその回路構成関係を示す概略図 実施形態２の力学的計測装置の斜視図 実施形態３に係る力学的測定装置の要部構造断面図 実施形態４に係る力学的測定装置に用いる支持部材の説明図
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照して説明する。
（実施形態１）
力学的測定装置の構造
　図１（ａ）は実施形態１に係る力学的測定装置の断面図を示す。図１（ａ）において、１０はプローブ、１０ａはプローブ１０の一方端部、１０bは他方端部、１１はプローブホルダー、１２は荷重センサー、１２ａは荷重センサー１２の出力端子、１３は本体ケース、１３ａは本体ケース１３の把持部、１３bは本体ケース１３の蓋部、１４はステッピングモータ、１４ａはモータコイル、１４bはナット、１５はねじ軸、１６は連結部材、１７はスプライン軸、１８はボールスプライン、１９はカバー、２０は位置検出器、２１は電子回路部、２２はコントローラ部、２３が外部ケーブル、２４は操作スイッチ、２５は支持部材、２５ａは固定ねじである。また、図１（ｂ）及び（ｃ）は、支持部材２５の上面図、側面図を示す。２５ｂはプローブ１０が貫通するための切欠き部である。切欠き部２５ｂが存在すると、プローブ１０の一方端部１０aの状態を目視できる効果もある。
　以下、具体的に述べる。プローブ１０の一方端部１０ａは、生体軟組織の所定部分に当接し、そこから押圧力又は引張力を付加出来るように先端一部が屈曲している。プローブ１０の他方端部１０ｂは、プローブホルダー１１に着脱可能に装着されている。
　ここで測定対象としている生体軟組織は、例えば、筋肉、靱帯、軟骨、皮膚、血管等であり、粘弾性を示す生体組織であれば、特に限定されない。この粘弾性体は、図２のモデルで示す様に、近似的にバネＥとダッシュポットηを並列に並べた特性を示す。
　このプローブ１０の材料としては、防食性に優れた材料、例えば、ステンレス鋼、その他金属、樹脂が適時選択される。プローブ１０の一方端部１０ａの形状は、用途に応じて、適時変更することが出来る。図３（ａ）～（ｃ）はその例を示す。一方端部１０ａが、図３（ａ）には、Z軸（棒状プローブの長軸方向の軸）と直交する方向に延在する部分を設けたＴ字状の形態を示し、図３（ｂ）には、二叉に分岐している形態を示す。これらの形状の場合、靭帯組織などを安定して押圧することが出来る。また、図３（ｃ）は、一方端部１０ａが、円盤形状の形態を示す。円盤形状の場合、軟骨組織を押圧する際、接触部分を均一に押圧出来る。
　プローブホルダー１１は、プローブ１０に加わる押圧力又は引張力を荷重センサー１２に伝達できる様に荷重センサー１２に接続されている。実施形態１では、荷重センサー１２は、プローブ１０の長軸方向（Z軸）のみならず、それに直交する2軸（X軸とY軸）の押圧力又は引張力を計測出来る3軸センサー（実施形態１では、日本リニアックス(株)MFS20-025を使用）を用いている。勿論、Z軸のみでも検体（生体軟組織）を計測出来るが、Ｚ軸とＸ軸又はＺ軸とＹ軸の２軸の組合わせで計測してもよい。必ずしも３軸が必要であるわけではなく、１軸の装置、２軸の装置又は３軸の装置でもよい。ただ、プローブ１０が検体（生体軟組織）に傾いて当接する場合、X軸、Y軸及びZ軸の合力を求めればこの傾きを補正することが出来る。荷重センサー１２のX軸、Y軸及びZ軸のセンサー出力は、出力端子１２ａを介して力学的測定装置の本体ケース１３内の電子回路部２１へのアナログ入力となる。
　本体ケース１３は、使用者が把持し、有底筒状の把持部１３ａと、把持部１３ａの開口を閉塞する蓋部１３bから構成されている。把持部１３ａの一端側は、プローブ１０が取り付けられ、使用者（図示せず）が把持し易い太さに設計され、把持部１３ａの他端側は、一端側より太く設計されている。これにより、使用者は安定したプローブ操作が出来る。
　ステッピングモータ１４は、本体ケース１３に収納されており、モータコイル１４ａとナット１４ｂを有しており、ナット１４ｂは、Ｚ軸方向に沿って延在している。ステッピングモータ１４（実施形態１では、Haydonkerk Pitman 社のLinear actuator 28F47-2.1-906を使用）は、電流を流してモータコイル１４ａを励磁することにより、ナット１４ｂは中心軸回りに回転させる。それにより、ナット１４ｂは、ステッピングモータ１４のロータとして機能する。ナット１４ｂの内周面には、Ｚ軸に沿って、ねじ溝が形成されており、ねじ軸１５の外周面には、このねじ溝に螺合するねじ山が形成されている。このため、ナット１４ｂを回転させることにより、ねじ軸１５をＺ軸方向に移動させることが出来る。この移動量は、ステッピングモータ１４に加えるパルス数又は周波数により制御できる。また、計測対象の生体軟組織の種類に応じて、移動速度を設定する必要があるが、ステッピングモータ１４では、パルス数又は周波数を変更するのみで、移動速度を容易に変更できる。生体軟組織を対象とする移動速度として、毎秒０．１ｍｍ～５ｍｍを想定している。この様に、実施形態１に示す構成により、ねじ軸１５を所定の一定速度で移動させることを実現できる。
　スプライン軸１７は、Ｚ軸方向に移動するねじ軸１５に連結部材１６を介して取り付けられている。スプライン軸１７は、ねじ軸１５がＺ軸方向に移動するに伴って、ボールスプライン１８の内部に沿ってＺ軸方向に摺動する。ボールスプライン１８は、蓋部１３ｂの貫通穴の内部に取り付けられている。これにより、スプライン軸１７は、Ｚ軸方向に沿って移動可能にボールスプライン１８に支持されている。スプライン軸１７のＺ軸方向の一方端は、荷重センサー１２に取り付けられており、荷重センサー１２を所定の一定速度にてＺ軸方向に移動させることが可能となる。
　位置検出器２０は、連結部材１６のＺ軸方向の移動距離をポジションセンサー（実施形態１では、アルプス電気（株）のRDC1022A05を使用）にて検出する。この位置検出器２０により、プローブ１０のＺ軸方向の移動距離を検出することが出来る。この場合、ポジションセンサーの代わりに、ステッピングモータ１４にエンコーダを連結させて、Ｚ軸方向の移動距離を検出させてもよい。
　電子回路部２１は、ステッピングモータ１４、位置検出器２０及び荷重センサー１２を駆動・制御する回路である。電子回路部２１は、外部ケーブル２３を介し、本体ケース１３の外に設けられたコントローラ部２２に接続されている。
　また、実施形態１の力学的測定装置は、生体軟組織を測定対象としているため測定対象物が軟らかく、特許文献２、４において必要な参照プローブが使えない。参照プローブを軟組織に侵入あるいは押圧した時、その力を受け止めることができるほどの硬い組織がないからである。また参照プローブを生体軟組織に接触させて計測基準位置を設定しようとしても、組織が軟らかいため参照プローブと生体軟組織との間の位置関係が変動してしまい、計測基準位置の設定が困難である。実施形態１の力学的測定装置では、移動距離の計測基準位置の設定は不要で、基準位置なしで計測可能である。荷重センサー１２が生体軟組織からの荷重を検知した時点を移動距離の計測スタート点とすることができる。そのため、参照プローブを用いることなく生体軟組織に加わる荷重と、プローブの移動距離の計測を行うことが可能である。
　図４を用いて、具体的に説明する。図４（ａ）は、計測開始前のプローブ１０と靭帯（断面）との位置関係を示す。実施形態１の力学的測定装置では、例えば、プローブ１０がプローブ張力方向へ移動を開始する時点では、プローブ１０は測定対象である靭帯に接触しておらず、プローブ張力方向への移動に伴って、プローブ１０が靭帯に接触する。この接触時点から、プローブ１０による靭帯に加わる荷重の計測が開始され、プローブの移動距離も同時に計測が開始される。この計測の状態を、図４（ｂ）に示す。接触時点以降、プローブ１０の移動距離と荷重（張力）の関係が計測される。それまではプローブが移動しても荷重はゼロのままである。したがって、参照プローブによる計測基準位置の設定は不要であり、参照プローブ自身が不要である。
　実施形態１の力学的測定装置においては、計測時には、使用者は本体ケース１３を手で把持するので、計測状態が不安定になることがある。そこで、本体ケース１３の外側に、支持部材２５（具体的構成は図１（ｂ）、（ｃ）に示されている）を設け、支持部材２５の先端を被測定物の表面の一部に当接させ、力学的測定装置本体の安定化を図ることが出来る。支持部材２５は、固定ねじ２５ａの調整により、Z軸方向に自由に延長・収縮させることが出来る。ただし、支持部材２５は実施形態１では必須ではない。支持部材２５がない場合は手で静止状態に把持すれば、プローブ１０の移動はステッピングモータ１４により自動的に駆動されるので、移動距離と荷重を計測できる。したがって、支持部材２５は必要に応じて用いられる構成である。
　以上の様に、実施形態１によれば、（1）ステッピングモータ１４により、プローブ１０を所定の一定速度にて移動させること、（2）位置検出器２０によりプローブ１０の移動距離を検出すると同時に、荷重センサー１２によりプローブ１０の荷重をリアルタイムに計測することが出来る。したがって、生体軟組織の特性を正確に把握することが可能になる。
力学的測定装置の構造と回路構成の関係
　図５は、実施形態１の力学的測定とその回路構成関係を示す概略図である。図５において、図１と同一符号には、図１と同機能を示す。
図５から明らかな様に、実施形態１においては、荷重センサー１２の出力、位置検出器２０の出力は、コントローラ部２２のマイコン２２ａに入力される。マイコン２２ａでは、荷重センサー１２と位置検出器２０との計測結果を用いて、生体軟組織の剛性（応力／ひずみ）を算出する剛性算出を行い、結果を表示手段２２ｂ及び記録手段２２ｃに出力する。また、マイコン２２ａはステッピングモータ１４を駆動制御するモータ駆動回路14ｃを制御する。この構成により、プローブ１０の移動速度を正確に制御することが実現される。
全体の回路構成
　図６は実施形態１の全体の回路構成を示す図であり、図６において、図１及び図５と同一符号には、図１及び図５と同機能を示す。まず、電子回路部２１は、本体ケース１３内に配置されており、荷重センサー１２、位置検出器２０及びステッピングモータ１４の制御を行っている。また、コントローラ部２２は外部ケーブル２３を介して本体ケース１３の外部に設けられる。
　ステッピングモータ１４の制御に関しては、モータ駆動回路１４ｃが設けられている。このモータ駆動回路１４ｃに対して制御信号（パルス信号、信号方向、有効無効）が、マイコン２２ａより送信され、ステッピングモータ１４のモータコイル１４ａによりプローブ１０が一定速度で移動するように制御する。より具体的には、モータ駆動回路１４ｃから、ステッピングモータ１４に対して、モータコイル１４ａに印加される励磁信号となるパルス信号を生成し、当該励磁信号をモータコイル１４ａに印加することにより、ナット１４ｂを回転させる。この回転は印加パルス数により制御される。また、印加パルスの正逆方向を変えることにより、ナット１４ｂの回転を逆転させることが可能であり、プローブ１０の移動方向を切り替えるようにステッピングモータ１４の回転方向を制御することができる。また、モータ駆動回路１４ｃのクロック信号の周波数を変えることにより、ナット１４ｂの回転速度が決定される。その結果、プローブ１０の一定の移動速度が凡そ秒速０.１ｍｍ～５ｍｍの範囲で切り替えられる。
　なお、プローブ１０の移動速度が厳密に一定でなくても、プローブ１０の移動速度の最大値及び最小値がプローブ１０の移動速度の平均値に対して±５パーセントの範囲内にあれば、プローブ１０が、一定速度で移動していると見做せる。
　さらに駆動アクチュエータとしては、ステッピングモータに限らず、速度制御できればよく、リニアモータ、ピストンなどでも採用できる。
　次に、荷重センサー１２及び位置検出器２０の制御に関しては、荷重センサー１２からの出力信号及び位置検出器２０からの出力信号（アナログ信号）をコントローラ部２２に、外部ケーブル２３を介して送信する。
　更に、実施形態１にかかる力学的測定装置は、生体軟組織の計測を行い、装置の異常動作を未然に防止し、不慮の医療ミスを防止する。そのため、力学的測定装置には、トリガーＳＷ、準備ＳＷの他に緊急停止ＳＷからなる操作スイッチ２４を制御する機能が、電子回路部２１に含まれている。緊急停止ＳＷをＯＮにした場合、モータ電源遮断回路が働き、コントローラ部２２で、ステッピングモータ１４の動作を緊急に停止している。
　コントローラ部２２は、力学的測定装置本体と外部ケーブル２３を介して接続されており、荷重センサー１２、位置検出器２０及びステッピングモータ１４からの信号を処理し、生体軟組織の特性を正確に把握するための信号を処理する。コントローラ部２２は、マイコン２２ａ、表示手段２２ｂ、記録手段２２ｃなどにより構成されている。
　まず、マイコン２２ａでは、荷重センサー１２の出力信号及び位置検出器２０からの出力信号を、内蔵のアナログ－デジタル変換回路によりデジタル値に変換する。マイコン２２ａは、プローブ１０の移動距離、押圧力又は引張力に関連する上記のデジタル値に基づいて、生体軟組織の剛性などを算出する。
　生体軟組織の剛性について、図７～図９を用いて説明する。図７は生体軟組織の距離（ひずみ）と力（応力）の関係を概念的に示した図である。プローブ１０の移動距離は距離εで、押圧力又は引張力は力σで表されている。第１に、計測開始後のある「第１時点」から第１時点よりも後の「第２時点」までの間におけるプローブ１０に加わる力（荷重）の変化量を、力σの変化量Δσとして算出する。第２に、第１時点から第２時点までの間におけるプローブ１０の位置の変化量を、距離（ひずみ）εの変化量Δεとして算出する。そして、第３に、第１時点から第２時点までの間におけるプローブ１０に加わる荷重の変化量Δσを、第１時点から第２時点までの間におけるプローブ１０の位置の変化量Δεで除することにより、第２時点における剛性（stiffness）Δσ／Δεを求める。この剛性は、生体軟組織の特性を反映するので、この値を生体軟組織の評価判断指標とすることが考えられる。
　なお、力と距離の関係には速度依存性がある。図８は同じ生体軟組織対して異なる速度で力を加えたときの力と距離の関係を模式的に示す。図８から明らかな様に、加える速度によって別々の曲線になっている。押圧力又は引張力の速度が大きい程、力の立ち上がりが早くなる。生体軟組織にはそれぞれ固有の最適な速度があり、生体軟組織固有の最適な速度で荷重を負荷することが重要で、さもなければ正確な計測はできない。また、１回の計測中に荷重をかける速度が変化するとこの場合も正確な計測は不可能である。したがって、１回の剛性の計測中の間では、プロープ１０の移動速度を一定にする必要がある。実施形態１で示す装置では、プローブ１０の移動速度を一定にすることを実現しているので、正確に生体軟組織の特性評価を行うことが可能になる。
　生体軟組織のひずみと応力の特性は線形ではなく曲線形状を示している。したがって、一か所の剛性の計測では正確とは言えない。例えば、プローブ１０から生体軟組織に加わる荷重を荷重センサー１２が検知し始めた時点から計測し、同時にプローブ１０の移動距離も計測することにより、それぞれの時点での生体軟組織の剛性を逐次算出することが必要である。図９にこの算出の方法を示す。図９の様に、生体軟組織に加わる荷重を荷重センサー１２が検知し始めた時点を計測開始点として設定する。プローブ１０から生体軟組織に加わる荷重を荷重センサー１２が検知し始めた後、所定の時間間隔で、Δσ１／Δε１、Δσ２／Δε２のように剛性を繰り返し算出及び出力することが示されている。この様に複数地点での剛性を求めると、より正確に生体軟組織の特性評価が可能になり、被測定物に固有の最適な剛性Δσn／Δεnを求めることができる。被測定物は多種多様であるから、このようにプローブ１０の移動中における逐次計測が必須である。実施形態１で示す装置では、プローブ１０の移動距離と荷重をリアルタイムで計測できるので、このような計測法を実現できる。特許文献１ないし特許文献４に示された従来例において、あえて剛性を算出するとなると、図９で示された測定スタート時点のＯ点とＡ点の２点を結んだσ／εのみが測定されるだけであり、真に必要な曲線状の各時点でのΔσ１／Δε１、Δσn／Δεnなどを求めることはできない。
　表示手段２２ｂは、マイコン２２ａに電気的に接続されている。表示手段２２ｂは、マイコン２２ａにて算出された剛性、荷重センサー１２で検出されたX軸、Y軸、及びZ軸方向の荷重、位置検出器２０からの位置情報を表示する。使用者は、表示手段２２bに表示された情報を参考にして、生体軟組織の評価を行うことが出来る。
　記録手段２２ｃは、マイコン２２ａに接続されており、データの書き込み、取り出しがなされる。記録手段２２ｃには、過去の蓄積データが記憶されている。この蓄積データと新たに測定した結果を比較することにより、より正確に生体軟組織の力学的状態を定量的、客観的に把握することができ、使用者はこの比較結果から、手術等の治療の必要性を判断することが出来る。また測定結果を新たにこの記録手段２２ｃに蓄積することにより、蓄積データの充実化が図られる。
　また、図示はしていないが、通信モジュールを設け、ここから、外部装置（パーソナルコンピュータ、タブレット端末等）との通信を行うことも可能である。通信モジュールと外部装置との通信は、例えば、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）ケーブル又はシリアル通信ケーブルを用いた有線通信により行われる。通信モジュールと外部装置との通信は、ＷｉＦｉ（登録商標）又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を用いた無線通信により行われてもよく、通信モジュールを介して、算出されたデータを出力してもよい。
計測結果
　図１０は、一例として豚の靭帯を計測した場合において、実施形態１に係る力学的測定装置の表示手段２２ｂにおける表示例を示す図である。ここでは、アナログ表示を行っているが、必要に応じて、デジタル表示にすることも可能である。図１０において、ＡはＸ軸方向のモーメント（Ｎ－ｃｍ）、ＢはＹ軸方向のモーメント（Ｎ－ｃｍ）、ＣはＺ軸方向の荷重（N）、Dは剛性値（stiffness）（Ｎ／ｍｍ）を示す。これらの値は、荷重センサー１２、位置検出器２０の出力に基づき、マイコン出力２２ａで算出する。なお、剛性値Ｄは、移動距離０．１ｍｍ毎に算出された値である。図中に示された数値はそれぞれ無次元化してある。
　Ａ、Ｂはモーメントであるが、これらの値からプローブ先端に加わるＸ軸方向の荷重とＹ軸方向の荷重を算出でき、これらの値を用いてＺ軸方向の荷重を補正することができる。Ｄの剛性値はグラフ上では上下にばらついているが、この場合は移動距離の幅Δεが０．１ｍｍと小さかったためで、これを大きくすればばらつきは少なくなり、実態に近い値を示す。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれの値は計測開始時点すなわち移動距離ゼロ点から連続して、且つ互いに同期して検出された値であり、移動距離の任意の点での剛性値を求めることができる。被測定物の物性を表わすのに最適な移動距離での剛性値を求めることができる。
（実施形態２）
　図１１は実施形態２に係る力学的測定装置の構造断面図を示し、図１２は、実施形態２の構造とその回路構成の関係を示す概略図である。本実施形態において、実施の形態１と同一符号は、図１、図５及び図６と同機能を示す。
　実施形態２が実施形態１と異なる点は、工作機器の電動ドリルと同様な、ピストル構造となっていることである。図１１、図１２において、２６はＤＣギアモータ、２６ａはモータ駆動回路、２６bはナット、２７はねじ軸である。ここで、ナット２６ｂの内周面には、Ｚ軸方向に沿って、ねじ溝が形成されており、ねじ軸２７の外周面には、このねじ溝に螺合するねじ山が形成されている。ねじ軸２７の回転に伴い、連結部材１６はZ軸方向に移動する。ここでは、ＤＣギアモータ２６のねじ軸２７がスプライン軸１７と平行に配置されるので、本体ケース１３が紙面の上下方向に長くなるので、電動ドリル構造が実現されることとなる。
　図１３は、実施形態２に係る力学的測定装置の斜視図である。使用者は力学的測定装置の本体ケース１３の柄の部分を把持し、使用する。なお、ここで示す支持部材２５は切欠き部２５ｂを設けない形態である。
（実施形態３）
　図１４は実施形態３に係る力学的測定装置の要部構造断面図である。図１４に示す構造は実施形態１及び実施形態２に適用でき、図１４で図示しない構造は、実施形態１又は実施形態２を適用できる。本実施形態においても、実施の形態１、２と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
　本実施形態では、プローブ１０を透光性材料で構成し、プローブ１０の他方端部１０ｂから光を導入し、プローブ１０の一方端部１０aで散乱光を放出する。プローブ１０には、例えばアクリル、ポリカーボネイト、その他の透明硬質材料が適している。
　プローブ１０の一方端部１０aには、表面に例えば梨地加工を施すことで、外部に光を散乱させることができる。散乱光の放出範囲は、一方端部１０aの全周であってもよいが、湾曲部の内側範囲だけとしてもよい。
　プローブ１０への光の導入は、プローブ１０の他方端部１０ｂに光ファイバー３１を接続する。光ファイバ－３１には、光ファイバー用光源３２から光を供給する。
　光ファイバ－３１のプローブ１０側端部は、止ねじ３３によってプローブホルダー１１に固定する。
　図１４（a）は光ファイバ－３１の軸心とプローブ１０の他方端部１０ｂの軸心とを所定角度異ならせて接続した場合を示し、図１４（b）は光ファイバ－３１の軸心とプローブ１０の他方端部１０ｂの軸心とを一致させて接続した場合を示している。
　例えばプローブ１０の一方端部１０aを靭帯に当接させるときには、一方端部１０aが靭帯を確実に捕らえているかを確認する必要があるが、靭帯は関節の内部にあるために、比較的暗く確認を行いにくい。本実施形態のように、プローブ１０の一方端部１０aで散乱光を放出することで、プローブ１０の一方端部１０aと靭帯との当接状況を確認することができる。
　また、本実施形態のように、屈曲させた一方端部１０aから光を外部に散乱させることで、一方端部１０aの周囲を明るくすることができ、軟組織の患部の状態を観察することができる、
（実施形態４）
　図１５は実施形態４に係る力学的測定装置に用いる支持部材の説明図であり、図１５（a）は同支持部材の斜視図、図１５（b）は同支持部材の上面図、図１５（c）は同支持部材の側面図、図１５（d）は同支持部材の使用状態を示す側面図である。図１５に示す支持部材は実施形態１及び実施形態２の支持部材に代えて適用できる。本実施形態においても、実施の形態１～３と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
　本実施形態による支持部材２５は、被測定対象（人体）の表面の一部に当接させる一対の当接片２５cと、一対の当接片２５cの間に形成されるプローブホルダー保持部２５dと、プローブホルダー保持部２５dに形成されるのぞき窓２５eとを有している。
　本実施形態による支持部材２５は、プローブ１０を備えた本体ケース１３とは分離されており、被測定対象に設置することができる。
　このように、プローブ１０を備えた本体ケース１３とは分離された支持部材２５を用いることで、被測定対象の形状や状態に応じて使用することができる。
　今回開示された実施の形態は全ての点で例示であり、制限的なものではなく、本開示の基本的な範囲は、上記の実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また上記の実施例では生体軟組織について説明したが、生体軟組織に限らず粘弾性を示す材料、例えば食品、ゴム製品、ほか産業用材料などにも有効に使用可能である。
　上記の実施形態は、生体軟組織の力学的測定に特に有利に適用される。
１０　プローブ
１０ａ　一方端部
１０ｂ　他方端部
１１　プローブホルダー
１２　荷重センサー（荷重計測手段）
１２ａ　出力端子
１３　本体ケース
１３ａ　把持部
１３ｂ　蓋部
１４　ステッピングモータ（移動手段）
１４ａ　モータコイル
１４ｂ　ナット
１４ｃ　モータ駆動回路
１５　ねじ軸
１６　連結部材
１７　スプライン軸
１８　ボールスプライン
１９　カバー
２０　位置検出器（距離計測手段）
２１　電子回路部
２２　コントローラ部
２２ａ　マイコン
２２ｂ　表示手段
２２ｃ　記録手段
２３　外部ケーブル
２４　操作スイッチ
２５　支持部材（支持手段）
２５ａ　固定ねじ
２５ｂ　切欠き部
２５ｃ　当接片
２５ｄ　プローブホルダー保持部
２５ｅ　のぞき窓
２６　ＤＣギアモータ
２６ａ　モータ駆動回路
２６ｂ　ナット
２７　ねじ軸
３１　光ファイバー
３２　光ファイバー用光源
３３　止ねじ

 

Claims (7)

  1. 　本体ケースと、前記本体ケースから延伸し、生体軟組織の所定部分に当接するプローブと、前記プローブに一体的に連結され、前記生体軟組織に加わる荷重を計測する荷重計測手段と、前記プローブを一定速度で移動させる移動手段と、前記移動手段による移動距離を計測する距離計測手段とを有し、前記生体軟組織に加わる前記荷重と前記プローブの前記移動距離とを同時に計測することを特徴とする力学的測定装置。
  2. 　前記荷重計測手段と前記距離計測手段との出力を用いて、前記生体軟組織の剛性（力／距離）を算出する剛性算出手段を有することを特徴とする請求項１記載の力学的測定装置。
  3. 　前記荷重計測手段が前記生体軟組織に加わる前記荷重を計測開始した時点から、前記プローブの前記移動距離の測定を開始することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の力学的測定装置。
  4. 　前記移動手段による一定速度を適宜変更することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の力学的測定装置。
  5. 　前記荷重計測手段、前記距離計測手段及び前記剛性算出手段の各出力を表示する表示手段と、前記各出力を記録する記録手段が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の力学的測定装置。
  6. 　前記本体ケースの位置を固定するための支持手段を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の力学的測定装置。
  7. 　前記プローブを透光性材料で構成し、前記プローブの一方端部から散乱光を放出することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の力学的測定装置。

     
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