(57)【要約】【課題】皮膚や筋肉のような軟組織の力学特性を１回の計測で誤差なく計測する方法を提供することを目的とする。【解決手段】軟組織の試料表面に二等辺三角形,又は、正三角形の孔を空けた板をあて押し付けて、当該三角形の対称軸に沿った押込み方向の前記試料の押込変形量を測定し、前記アルゴリズムにより，２層のヤング率と上層の厚みを推定し、前記軟組織の表層からの層状力学特性分布を計測する方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟組織の試料表面に二等辺三角形,又は、正三角形の孔を空けた板をあて押し付けて、当該三角形の対称軸に沿った押込み方向の前記試料の押込変形量を測定し、軟組織が薄い表層と厚い母層からなると仮定して行った有限要素解析で確立した推定アルゴリズムにより，軟組織の２層のヤング率と上層の厚みを推定し、前記軟組織の表層からの層状力学特性分布を計測する方法。
【請求項２】
前記変形量をレーザシートを用いそのシートに沿ったライン上の変位を計測できる二次元タイプのレーザ変位計で測定することを特徴とする請求項1記載の層状力学特性分布を計測する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟組織の層状力学特性分布の表層からの計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
皮膚や血管程度の軟らかい試料の力学特性を求める方法にピペット吸引法がある。図１は、ピペット吸引法の概念を示す図である。当該図１において、試料表面に円管（あるいは円孔の空いた板）を軽く押し当て，内部に陰圧を負荷して試料を管内に吸引する。この時の吸引圧ΔPと吸引量Lの関係とコンピュータシミュレーション（FEM analysis，有限要素解析）結果を比較して，試料の弾性率（ヤング率）Eを求める。
【０００３】
このようにピペット吸引法とは試料表面をピペットで吸引した際の陰圧と吸引変形量に計算機シミュレーションを組み合わせて試料の弾性率を求める方法であり、弾性率が計測される範囲は表面からピペット直径分の深さまでの領域となることが解析と実験から判っている。そこで、吸引孔径の違う幾つかのピペットで試料を吸引した際の変形挙動を基に、表層と母層からなる２層モデルの表層の弾性率と厚み、そして母層の弾性率を求める方法が提案され、その有効性について確認されている（非特許文献１）。
【０００４】
更に、この吸引孔を三角形にすることにより、三角形の頂点付近の吸引圧‐変形量関係は吸引孔径の小さい場合の吸引圧‐変形量関係と見なせ、三角形の重心付近の吸引圧‐変形量関係は吸引孔径の大きい場合の吸引圧‐変形量関係と見なせる筈である。このことを利用して、吸引孔を二等辺三角形として、その対称軸上の吸引圧‐変形量関係を計測することで、１回の吸引で上述２層モデルの表層の弾性率と厚み、そして母層の弾性率を求める方法も提案されている（特許文献１・非特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２０１１−０５５７４０
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】松本健郎、川和拓央、永野雄二郎、佐藤正明：ピペット吸引法による皮膚表皮層・真皮層の弾性特性の分離計測に関する基礎検討、第13回バイオエンジニアリング講演会講演論文集 228-229 (2001)
【非特許文献２】宮野真一、長山和亮、松本健郎：三角吸引孔を用いたピペット吸引法による軟組織弾性率の深さ方向分布計測、 第20回バイオフロンティア講演会講演論文集 13-4 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記従来の方法では、直径の異なるピペット（または吸引孔）を何回も試料にあてて、吸引を繰り返す必要があり、計測が煩雑であるほか、ヒトにおける計測の場合のように、対象の状態が時々刻々変化する場合には、計測精度にも問題があった。また、三角孔を用いた吸引法においても、プローブを試料にあてただけで、試料が若干、吸引孔の内部にめり込み、これが吸引変形計測に無視できないアーチファクトを与える場合のあることが問題であった。これは特に、皮膚のような柔らかい物体の計測を行う場合に特に問題であった。
【０００８】
前記のピペットによる吸引法では断面が円形の孔で吸引していたために，色々な大きさの吸引孔で何回も計測する必要があり、これを１回の計測で済ませるために開発された三角吸引孔を用いた計測でも、プローブを試料に押付けただけで試料が孔内に侵入し、これが力学特性の推定に誤差を与える原因となっていた。これは特に皮膚などの柔らかい試料では致命的な誤差となり、三角吸引孔方式の実用化を阻む原因となっていた。
【０００９】
本発明は上記点に鑑みて、皮膚や筋肉のような軟組織の力学特性を１回の計測で誤差なく計測する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
軟組織の試料表面に二等辺三角形,又は、正三角形の孔を空けた板をあて押し付けて、当該三角形の対称軸に沿った押込み方向の前記試料の押込変形量を測定し、軟組織が薄い表層と厚い母層からなると仮定して行った有限要素解析で確立した推定アルゴリズムにより，軟組織の２層のヤング率と表層の厚みを推定し、前記軟組織の表層からの層状力学特性分布を計測する方法を確立した。
【００１１】
かかる方法により発明者は、プローブを試料に押し付けた際の孔内への試料のめり込みを詳細に測定することで表面から深さ方向の弾性率分布を計測できると考え、即ち，当該試料表面に二等辺三角形の孔を空けた板をあて，孔を試料に押し付けることで，試料は孔内にめり込むが，三角形の頂点付近の変形は試料表層のみの弾性特性を，重心付近の変形は試料の深い部分を含んだ弾性特性を表すのではないかと考えた。そこで二等辺三角形の対称軸に沿って押込んだときの変形量を精密に測定し，計算機シミュレーションと組み合わせることにより，後述の２層モデルについて試料弾性率の深さ方向分布を求める方法を定式化し，計算結果を利用して，確かに前記２層モデルの両層の弾性率と表層の厚みを推定できることを確かめたのである。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項２に記載の発明では、前記変形量をレーザシートを用いそのシートに沿ったライン上の変位を計測できる二次元タイプのレーザ変位計で測定することを特徴とする請求項1記載の層状力学特性分布を計測する方法を確立した。
【００１３】
かかる方法により、皮膚や筋肉のような柔らかい試料の表面から内部に向けての硬さの分布を，試料表面にプローブをあて，軽く押し付けるだけで知ることができ、従来の方式と異なりポンプ等が不要なため装置構成が簡便になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のピペット吸引法の概念を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態における装置の全体構成を示す図である。
【図３】図２，図４の計測部の詳細を示す図である。試料１）が二等辺三角形孔を通じて押付チャンバ３）内に押し込まれた際の対象軸上の押付変形量分布をレーザ変位計４）のレーザシートで計測する。
【図４】本発明の第２実施形態における装置の全体構成を示す図である。
【図５】本発明で使用した下記の使用アルゴリズムを説明するための非特許文献に掲載している図（Fig. 1）である。
【図６】本発明で使用した下記の使用アルゴリズムを説明するための非特許文献に掲載している図（Fig. ２）である。
【図７】本発明で使用した下記の使用アルゴリズムを説明するための非特許文献に掲載している図（Fig. ３）である。
【図８】本発明で使用した下記の使用アルゴリズムを説明するための非特許文献に掲載している図（Fig. ４）である。
【図９】本発明で使用した下記の使用アルゴリズムを説明するための非特許文献に掲載している図（Fig. ５）である。
【図１０】本発明で使用した下記の使用アルゴリズムを説明するための非特許文献に掲載している図（Fig. ６）である。
【図１１】本発明で使用した下記の使用アルゴリズムを説明するための非特許文献に掲載している図（Fig. ７）である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１実施形態）
図２に実施形態の例を示す。試料表面が水平で上面を向いている場合に，これを上面から計測する場合の例である。試料１）にプローブ２）をあて，その下の押付チャンバ３）を自重で試料１）に押付けることにより，試料を押付チャンバ底面の孔内にめり込ませる。押付チャンバ底面には図３に示すように二等辺三角形の孔が空いており，この孔の対称軸に沿った試料の変形をレーザ変位計４）で計測する。ここで用いるレーザ変位計は一般に広く用いられているレーザビームで一点の変位を測定するタイプではなく，レーザシートを用い，そのシートに沿ったライン上の変位を計測できる二次元タイプのものである。プローブの自重を負荷した状態の前記ラインに沿った押付変形量を求め，下記＜使用アルゴリズム＞に述べたアルゴリズムにより，２層のヤング率と上層の厚みを推定する。計測対象範囲のヤング率に応じてプローブの自重を調整することにより，レーザ変位計にとって好適な押込量が得られるようにする。前記アルゴリズムを変更することにより，多層のヤング率分布も推定できる。
＜使用アルゴリズム＞
次の非特許文献に掲載したアルゴリズムを使用した。
すなわち、
（第２実施形態）
図４に第２実施形態を示す。試料表面が鉛直であり，これに側方からプローブを当てて計測する場合の例である。試料１）にプローブ２）をあて，その下の押付チャンバ３）を押付力で試料１）に押付けることにより，試料を押付チャンバ底面の孔内にめり込ませる。押付チャンバ底面には図３に示すように二等辺三角形の孔が空いており，この孔の対称軸に沿った試料の変形をレーザ変位計４）で計測する。ここで用いるレーザ変位計は一般に広く用いられているレーザビームで一点の変位を測定するタイプではなく，レーザシートを用い，そのシートに沿ったライン上の変位を計測できる二次元タイプのものである。プローブの押付力はバネを利用した一定押付力付加機構６）を用いて一定値を負荷する。自重を負荷した状態のラインに沿った押付変形量を求め，前記アルゴリズムにより，２層のヤング率と上層の厚みを推定する。計測対象範囲のヤング率に応じて押付力を調整することにより，レーザ変位計にとって好適な押込量が得られるようにする。前記アルゴリズムを変更することにより，多層のヤング率分布も推定できる。
【符号の説明】
【００１６】
１）  試料    
２）  プローブ    
３）  押付チャンバ
４）  レーザ変位計
５）  コンピュータ
６）  一定押付力付加機構
【図５】
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【図１１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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