(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体軟組織のレオロジー特性を表す物性値を検出するレオロジー特性の物性値検出システムであって、
前記生体軟組織を所定の力で押し込み、その際の押込力の大きさと押し込まれた前記生体軟組織の部位の変形量とを測定する押込み測定装置と、
当該押込み測定装置での測定結果に基づき演算によって前記物性値を求める物性値演算装置と、
備え、
前記押込み測定装置は、押し込み状態の異なる複数パターンで前記生体軟組織を押し込み可能に設けられ、
前記物性値演算装置は、前記押込力の大きさを段階的に増大させ、各大きさで前記押込力を一定にしたときの経時的な前記変形量の変化から、前記生体軟組織の弾性要素と粘性要素の比率である粘弾性比率を前記物性値として求める粘弾性比率算出手段を備え、
前記粘弾性比率算出手段は、複数時刻で取得された複数の前記変形量から構築された時系列データであって、経時的な検出対象部位の変形に関する時系列データにつき、時間及び前記変形量を対数変換した値を直線近似し、その傾きを粘弾性比率として算出する、
生体軟組織のレオロジー特性の物性値検出システム。
【請求項２】
前記物性値演算装置は、前記押込力を変化させたときの当該各押込力に対する前記変形量の関係から、前記生体軟組織の弾性率に関する前記物性値を求める弾性率算出手段を備える、
請求項１に記載の生体軟組織のレオロジー特性の物性値検出システム。
【請求項３】
前記弾性率算出手段は、押し込み開始から一定時間経過後における前記変形量に対応する変形代表値が所定の境界値未満のときに一定となる線形弾性率と、前記変形代表値が前記境界値を越えるときに一定の割合で変化する非線形弾性率とを求める、
請求項２に記載の生体軟組織のレオロジー特性の物性値検出システム。
【請求項４】
生体軟組織を所定の力で押し込んだ際の押込力の大きさと、押し込まれた前記生体軟組織の部位の変形量の変化に基づいて、当該生体軟組織のレオロジー特性を表す物性値を演算によって求める物性値演算装置であって、
前記押込力の大きさを段階的に増大させ、各大きさで前記押込力を一定にしたときの経時的な前記変形量の変化から、前記生体軟組織の弾性要素と粘性要素の比率である粘弾性比率を前記物性値として求める粘弾性比率算出手段と、
前記押込力を変化させたときの当該各押込力に対する前記変形量の関係から、前記生体軟組織の弾性率に関する前記物性値を求める弾性率算出手段と、
を備え、
前記粘弾性比率算出手段は、複数時刻で取得された複数の前記変形量から構築された時系列データであって、経時的な検出対象部位の変形に関する時系列データにつき、時間及び前記変形量を対数変換した値を直線近似し、その傾きを粘弾性比率として算出する、
生体軟組織のレオロジー特性の物性値演算装置。
【請求項５】
生体軟組織を所定の力で押し込んだ際の押込力の大きさと、押し込まれた前記生体軟組織の部位の変形量の変化に基づいて、当該生体軟組織のレオロジー特性を表す物性値を演算によって求める物性値演算装置を構成するコンピュータを機能させるためのプログラムであって、
前記押込力の大きさを段階的に増大させ、各大きさで前記押込力を一定にしたときの経時的な前記変形量の変化から、前記生体軟組織の弾性要素と粘性要素の比率である粘弾性比率を前記物性値として求める粘弾性比率算出手段であって、複数時刻で取得された複数の前記変形量から構築された時系列データであって、経時的な検出対象部位の変形に関する時系列データにつき、時間及び前記変形量を対数変換した値を直線近似し、その傾きを粘弾性比率として算出する粘弾性比率算出手段と、前記押込力を変化させたときの当該各押込力に対する前記変形量の関係から、前記生体軟組織の弾性率に関する前記物性値を求める弾性率算出手段として、
前記コンピュータを機能させるための物性値演算装置のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体軟組織のレオロジー特性の物性値検出システム、物性値演算装置及びそのプログラムに係り、更に詳しくは、複雑な力学的特性を考慮した生体軟組織の硬さに関する特徴量を求める生体軟組織のレオロジー特性の物性値検出システム、物性値演算装置及びそのプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
軟組織で構成される生体材料について、硬さ（柔らかさ）に関する情報であるレオロジー特性を把握することは、医療、福祉、食品等の様々な分野で非常に重要となる。ところが、このような生体軟組織は、複雑なレオロジー特性を有することが知られており、ある一定の力で押圧したときの反力の大きさと、そのときの変形量のデータからでは、正確なレオロジー特性を表す物性値を同定することができず、レオロジー特性を正確かつ定量的に表現するのは困難である。すなわち、生体軟組織は、時間の経過に伴って粘弾性が変化する特性があり、一定の力で押圧しても経時的に変形量が変化する。また、生体軟組織は、その押込力や押込量がある大きさを越えると硬さが変化する特性がある。従って、生体軟組織において、例えば、単一の押し込み状態で単一の変形量を計測し、単一のヤング率等を求めただけでは、レオロジー特性を表す物性値として不十分である。
【０００３】
このように、従来、生体軟組織のレオロジー特性を的確に表すパラメータ（物性値）が無いことから、医療行為において、生体組織の硬さに基づく患者の病変等の状況に関する診断は、有用な装置が出回っておらず、医師の手で患部を触り、そのときの力の大きさと変形の程度を医師の触覚により確認する触診が最も基本的である。
【０００４】
ところで、生体組織の硬さを定量的に評価するための装置として、例えば、特許文献１に示されるように、生体組織に接触させて当該生体組織の硬さを表すヤング率を計測する生体硬さ計測装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２７３７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１の生体硬さ計測装置にあっては、所定の押込力による変形量を単一に計測し、単一のヤング率を求めるに過ぎず、この計測結果は、前述した通り、生体軟組織の複雑なレオロジー特性を考慮した物性値として不十分である。すなわち、前記生体硬さ計測装置は、経時的に変化する生体軟組織の粘弾性についての指標値を求めるものではなく、また、生体軟組織への押込力を変化させたときの当該生体軟組織の硬さの変化についての指標値を求めるものでもない。従って、例えば、対比する二つの生体軟組織間において、ヤング率が同一であったとしても、良性、悪性等、組織の状態に応じてレオロジー特性が異なる場合もあり、前記生体硬さ計測装置の計測結果のみでは、組織の状態の特定を自動的に行うことは難しい。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、生体軟組織に対してレオロジー特性を的確に表す特徴値を求めることができる生体軟組織のレオロジー特性の物性値検出システム、物性値演算装置及びそのプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明は、主として、生体軟組織のレオロジー特性を表す物性値を検出するレオロジー特性の物性値検出システムであって、前記生体軟組織を所定の力で押し込み、その際の押込力の大きさと押し込まれた前記生体軟組織の部位の変形量とを測定する押込み測定装置と、当該押込み測定装置での測定結果に基づき演算によって前記物性値を求める物性値演算装置と備え、前記押込み測定装置は、押し込み状態の異なる複数パターンで前記生体軟組織を押し込み可能に設けられ、前記物性値演算装置では、前記各押し込み状態で測定されたそれぞれの前記変形量に基づき、前記物性値を求める、という構成を採っている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、生体軟組織について単一のヤング率を求める従来の硬さ計測手法とは異なり、生体軟組織の複雑なレオロジー特性に対応した従来に無い新たなパラメータによる物性値を求めることができる。この物性値は、単一のヤング率では判別し難い生体軟組織の状態を自動的に特定するための指標値として利用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る生体軟組織のレオロジー特性の物性値検出システムの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る生体軟組織のレオロジー特性の物性値検出システムの構成図である。この物性値検出システム１０は、生体軟組織の硬さの情報であるレオロジー特性を表す物性値（パラメータ）を検出可能になっている。検出された物性値は、例えば、乳がんや肝がん等の触診を自動化する装置（図示省略）や、整体等を行った筋肉部位のほぐれ具合等を自動評価するための装置（図示省略）等におけるデータとして利用可能となる。
【００１３】
この物性値検出システム１０は、物性値の検出対象となる生体軟組織を所定の力で押し込み、その際の押込力の大きさと押し込まれた前記生体軟組織の部位の変形量とを測定する押込み測定装置１２と、押込み測定装置１２の測定結果に基づき演算によって物性値を求める物性値演算装置１３と、物性値演算装置１３で求められた物性値や当該物性値に基づく情報等を提示する情報提示装置１４とを備えている。
【００１４】
前記押込み測定装置１２は、物性値の検出対象となる生体軟組織の部位である検出対象部位Ｓに接触して押し込まれる圧子１６と、検出対象部位Ｓに圧子１６を押し込むための動力となるモータ等で構成されたアクチュエータ１７と、アクチュエータ１７の駆動を制御する制御手段１８と、検出対象部位Ｓからの反力に基づいて、検出対象部位Ｓへの圧子１６の押込力を一定時間毎に測定する力センサ１９と、圧子１６による押し込み時における検出対象部位Ｓの変形量を求める変形量測定手段２０とを備えて構成されている。
【００１５】
前記制御手段１８では、押し込み状態の異なる複数パターンで生体軟組織を押し込み可能にアクチュエータ１７の駆動制御を行う。すなわち、制御手段１８では、圧子１６による検出対象部位Ｓの押込力を一定の大きさで所定時間行う第１のモードと、時間の経過に伴って前記押込力を段階的に増大させ、各押込力において前記第１のモードの動作を行う第２のモードとにより、アクチュエータ１７を駆動制御するようになっている。
【００１６】
前記変形量測定手段２０では、アクチュエータ１７の駆動量に基づく圧子１６の移動量を検出することにより、圧子１６によって押圧された検出対象部位Ｓの変位量である変形量を求めるようになっている。
【００１７】
前記物性値演算装置１３は、ＣＰＵ等の演算処理装置及びメモリやハードディスク等の記憶装置等からなるコンピュータによって構成され、当該コンピュータを以下の各手段として機能させるためのプログラムがインストールされている。
【００１８】
この物性値演算装置１３は、押込力を一定にしたときの経時的な検出対象部位Ｓの変形量の変化から、粘弾性に関する特徴値である粘弾性比率を物性値として求める粘弾性比率算出手段２２と、押込力を変化させたときの当該押込力に対する検出対象部位Ｓの変形量の関係から、生体軟組織の弾性率に関する物性値を求める弾性率算出手段２３とを備えている。
【００１９】
前記粘弾性比率算出手段２２では、前記第１のモードで制御されたアクチュエータ１７の駆動により、次のようにして、粘弾性比率ｒが求められる。すなわち、所定時間（例えば、１０数秒間）、アクチュエータ１７の駆動により一定の力で圧子１６を検出対象部位Ｓに押し当て、その際の検出対象部位Ｓの変形量ｘを一定時間毎に変形量測定手段２０から取得し、複数時間で取得した複数の変形量ｘから、経時的な検出対象部位Ｓの変形に関する時系列データを構築する。そして、当該時系列データにつき、時間ｔと変形量ｘを対数変換した値を直線近似し、その傾きを粘弾性比率ｒとする。この粘弾性比率ｒは、生体軟組織の弾性要素と粘性要素の比率を数値化した指標値であり、０から１までの値を採る。ここで、粘弾性比率ｒが、０の場合に完全弾性体となる一方、１の場合に完全粘性体（流動体）となる。また、前記直線近似の関係において、当該直線近似の切片となる変形量ｘを変形代表値ｘｃとする。この、変形代表値ｘｃは、後述する弾性率算出手段２３での演算処理の際に用いられ、圧子１６を検出対象部位Ｓに押し当ててから１秒後における変形量ｘに該当する。
【００２０】
すなわち、圧子１６を検出対象部位Ｓに押し当ててからの時間ｔ、各時間ｔにおける変形量ｘ、変形代表値ｘｃ、粘弾性比率ｒとの間には次式（１）の関係が成り立つ。
【００２１】
【数１】
0006656706.tif 000002
【００２２】
前記弾性率算出手段２３では、前記第２のモードで制御されたアクチュエータ１７の駆動により、次のようにして、２種類の弾性率である線形弾性率Ｇ及び非線形弾性率Ｇｎが求められる。先ず、アクチュエータ１７の駆動により、ある大きさの押込力ｆｃで圧子１６を検出対象部位Ｓに所定時間押し込み、前記粘弾性比率算出手段２２での処理と同様に、前記時系列データにつき時間ｔと変形量ｘを対数変換した値を直線近似し、変形代表値ｘｃを求める。そして、同様に、検出対象部位Ｓへの圧子１６の押込力ｆｃを増大させながら、複数の各押込力ｆｃそれぞれについて変形代表値ｘｃを取得し、様々な押込力ｆｃにおける変形代表値ｘｃが押込力ｆｃに対応して記録される。本発明者らの研究によれば、変形代表値ｘｃが所定の境界値ｘｎ未満となる小さい領域では、変形代表値ｘｃと押込力ｆｃとの関係が線形的になることから、このときの変形代表値ｘｃと押込力ｆｃとの関係を表す直線を導出した上で、当該の傾きが、線形弾性率Ｇとして決定される。なお、境界値ｘｎ未満の変形代表値ｘｃの範囲を線形領域と称する。ここで求めた線形弾性率Ｇは、押込力ｆｃの増加に基づく生体軟組織のひずみの増加率を表し、当該増加率は、線形領域の特性から、同一の生体軟組織の状態で一定値を採る。
【００２３】
すなわち、変形代表値ｘｃが境界値ｘｎ未満のときには、線形弾性率Ｇ、押込力ｆｃ、変形代表値ｘｃとの間には次式（２）の関係が成り立つ。
【００２４】
【数２】
0006656706.tif 000003
【００２５】
更に、変形代表値ｘｃが境界値ｘｎを越えたときには、次のように非線形弾性率Ｇｎが求められる。すなわち、本発明者らの研究によれば、変形代表値ｘｃが前記境界値ｘｎよりも大きい領域では、変形代表値ｘｃと押込力ｆｃとの関係が指数関数的に増加することから、当該指数関数を導出して対数変換することで、変形代表値ｘｃと押込力ｆｃとの間の関係が直線関係になり、当該直線の傾きが非線形弾性率Ｇｎとして決定される。なお、境界値ｘｎを越える変形代表値ｘｃの範囲を非線形領域と称する。ここで求めた非線形弾性率Ｇｎは、非線形領域における、押込力ｆｃの増加に基づく生体軟組織のひずみの増加率の変化率を表す。
【００２６】
すなわち、変形代表値ｘｃが境界値ｘｎを越える場合には、後述する調整定数をβとし、非線形弾性率Ｇｎ、押込力ｆｃ、変形代表値ｘｃとの間には次式（３）の関係が成り立ち、次式（３）を対数変換すると次式（４）が得られる。
【００２７】
【数３】
0006656706.tif 000004
【００２８】
ここで、コンピュータシミュレーション等において、線形領域と非線形領域で求めた関数の接続性が必要になるため、線形弾性率Ｇ及び非線形弾性率Ｇｎが変形代表値ｘｃの境界値ｘｎで一致するように、次のようにして、接続性を担保した線形弾性率Ｇ及び非線形弾性率Ｇｎの調整処理が行われる。
【００２９】
すなわち、上式（２）及び上式（３）は、変形代表値ｘｃが境界値ｘｎのときに接するという条件から、ｘｃ＝ｘｎのときに、上式（２）及び上式（３）による値がそれぞれ一致し、且つ、上式（２）及び上式（３）を変形代表値ｘｃでそれぞれ微分した関数による値とがそれぞれ一致する必要がある。この条件から以下の式（５）及び式（６）が導き出される。
【００３０】
【数４】
0006656706.tif 000005
【００３１】
式（５）及び式（６）から、以下の式（７）が得られ、当該式（７）と上式（５）とから、線形弾性率Ｇｎを消去して以下の式（８）が得られる。
【００３２】
【数５】
0006656706.tif 000006
【００３３】
このように、線形弾性率Ｇ、非線形弾性率Ｇｎ、境界値ｘｎ及び定数βの各パラメータは、上式（７）及び（８）の関係を満たす必要がある。実際に取得したデータが、境界値ｘｎにおいて、前記条件を満たすようになっていれば、これら４つのパラメータを求めることができる。但し、測定ノイズ等により、これらの関係式から外れる場合も存在するため、これら関係を満たすように調整する必要がある。
【００３４】
よりロバスト性の高い同定方法として、上式（７）及び（８）を元の式の拘束条件として設定し、パラメータ同定を行う。具体的には、上式（２）について拡張カルマンフィルタを用い、線形弾性率Ｇ、非線形弾性率Ｇｎを求める際に、以下の式（９）及び式（１０）の連立非線形方程式の２つのパラメータを推定することで、各パラメータの拘束条件を成立したまま、線形弾性率Ｇ、非線形弾性率Ｇｎの値が決定可能となる。そして、線形弾性率Ｇ、非線形弾性率Ｇｎが決まった後、上式（７）及び（８）の関係を利用して、境界値ｘｎ及び定数βが求められる。
【００３５】
【数６】
0006656706.tif 000007
【００３６】
前記情報提示装置１４では、例えば、物性値演算装置１３で求めた粘弾性比率ｒ、線形弾性率Ｇ、非線形弾性率Ｇｎをそのまま数値として、或いは、グラフ等の図表化した画像として、図示しないモニタを通じて使用者に直接提示する構成を挙げることができる。
【００３７】
なお、当該情報提示装置１４としては、特に限定されるものではなく、当該情報を画像で表示可能な各種の表示装置、前記情報を音声や刺激等で提示可能なスピーカーや刺激提示装置等、種々の装置を採用することができる。
【００３８】
以上のように求めた粘弾性比率ｒ、線形弾性率Ｇ、非線形弾性率Ｇｎは、がんの診断や整体評価等の対象となる生体軟組織のレオロジー特性を表すデータとして活用することができ、得られた当該データにより、予めデータベースとして記憶された生体軟組織の状態毎の同種の各物性値と対比することで、対象となる生体組織の状態の推定に寄与できる。
【００３９】
なお、前記押込み測定装置１２としては、前述の構造に限定されるものではなく、前述と同様の作用を奏する限りにおいて、種々の構造のセンサや計測機器の代替適用、若しくは併用が可能である。
【００４０】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  物性値検出システム
１２  押込み測定装置
１３  物性値演算装置
２２  粘弾性比率算出手段
２３  弾性率算出手段
【図１】
0006656706.tif 000008