(57)【要約】【課題】所定の接触荷重のもとで正弦波の力を印加したときの加速度の実効値を測定して皮膚の硬さの評価値を得る硬さ測定において、“点”としての接触荷重における硬さ評価値を、現実的な接触荷重の許容範囲のもとで得る。【解決手段】接触荷重が許容範囲内（１０ｇｆ±３０％）であるときに接触荷重と加速度の実効値を複数回測定した結果から回帰式を算出し、それを用いて所定の接触荷重（１０ｇｆ）における加速度の実効値を算出する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の表面に一定の振幅および所定の周波数で大きさが変化する力を印加したときの表面の加速度の代表値および接触荷重を測定する手段と、
該測定手段による測定を複数回繰り返して得られる測定値から接触荷重と加速度の代表値の関係を表わす関係式を算出する手段と、
該関係式を使って所定の接触荷重における加速度の代表値を算出することによって対象物の表面の硬さを評価する手段とを具備する硬さ測定装置。
【請求項２】
前記測定手段は、印加された力の瞬時値に相当する第１の測定値とその各々に対する加速度の瞬時値に相当する第２の測定値との関係の妥当性を確認する手段を含む請求項２記載の硬さ測定装置。
【請求項３】
前記妥当性確認手段は、印加された力の第１および第２の周期のそれぞれについて、複数の前記第１の測定値と複数の前記第２の測定値とから得られる２つの回帰直線がいずれも有意であり、実質的に原点を通り、かつ、両者の傾きが実質的に等しいとき、第１の測定値と第２の測定値の関係が妥当であるとする請求項２記載の硬さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の表面、特に、生体皮膚表面の力学特性、特に硬さを評価するための評価値の算出に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許第３２５７５６３号には、生体の表面に一定の振幅で３０Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下の一定の周波数で大きさが変化する力を印加して生体表面を振動させたときの表面の加速度を検出し、検出した加速度の振幅に比例する量を算出し、その逆数を生体表面の硬さの評価値とする生体表面の硬さ測定装置が開示されている。
【０００３】
また測定原理、測定器の構成は同じだが、振動発生手段の形状がベンダー型（たわみ型）であり、片持ち梁に類似した振動板の上下に圧電素子を張りつけ、一方の圧電素子を加振用、他方を加速度検出用とするとともに、振動板の支持点を２支持点とし、支持点間の距離を調整することで加振周波数を任意に設定できる歯の動揺センサ（岡  久雄、清水義和、更谷啓治、川添タカヨシ、電気情報通信学会論文誌、Ｊ８０−Ａ、１７８８−１７９３（１９９７））、インプラント動揺測定システム（岡  久雄、小野浩一、松谷義雄、龍田光弘、更谷啓治、川添タカヨシ、張  銘、施生根、王  忠義、信学技報、ＭＢＥ９９−１５７、７３−７８（２０００−０３））も提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３２５７５６３号
【非特許文献１】
岡  久雄、清水義和、更谷啓治、川添タカヨシ、電気情報通信学会論文誌、Ｊ８０−Ａ、１７８８−１７９３（１９９７）
【非特許文献２】
岡  久雄、小野浩一、松谷義雄、龍田光弘、更谷啓治、川添タカヨシ、張  銘、施生根、王  忠義、信学技報、ＭＢＥ９９−１５７、７３−７８（２０００−０３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の特許第３２５７５６３号に記載されているように、生体の各部位の中でも、例えば前頭部、胸部、肋骨上、大腿部、ふくらはぎ等の、同一被験者にあっても部位によって硬さが大きく異なる場合の硬さ評価に対しては、前述した硬さ測定装置はきわめて有用である。しかしながら、加齢や肉付きによって変化する生体皮膚表面の“硬さ〜柔らかさ”を評価する場合や、肌の乾燥などで生じた生体皮膚表面の微妙な“硬さ〜柔らかさ”の違いを評価する場合、あるいは頬のように被験者間の生体皮膚表面の硬さの違いがさほど大きくないケースでは、生体皮膚表面に振動子を軽く接触させながら測定を行わないと硬さの違いが検出しにくい。例えば、頬の皮膚表面の硬さの違いを精度良く検出するためには接触荷重を１０ｇｆ位とする必要がある。しかしながら１０ｇｆという“点”としての接触荷重で振動子を皮膚表面に接触・維持して計測を行うことはきわめて困難である。そこでデータ採取を可とする接触荷重は、例えば１０±１ｇｆとしている。データ採取を可とする接触荷重が１０±１ｇｆであることは、接触荷重に対して１０％の許容範囲をもうけていることであり、これに起因する採取データのバラツキが発生する。このことは、単にバラツキのあるデータが得られるという弊害のみならず、接触荷重が設定許容範囲内にあれば無条件で硬さ〜柔らかさの評価値としての生体機械インピーダンスのデータを採取し、その算術平均を算出して設定許容範囲の中央値で代表される接触荷重に対する硬さ〜柔らかさの評価値としているという作業を実施していることになり、設定した“点”としての接触荷重に対応する評価値が得られているかどうかの保証が十分でない。
【０００６】
また、実際問題として１０ｇｆ±１ｇｆに接触荷重を維持することは容易ではなく、測定者にかかる負担は大きい。結果として接触荷重の維持の難しさに基づく測定誤差の発生や、測定に要する時間が長くなるといった弊害が生じる。
【０００７】
さらに、前述したいずれの装置も、電気信号（駆動電圧）が機械系（振動板ないしは振動子）の振動に円滑に変換されているか否かのチェック、あるいは電気系から機械系への変換状態の変化（測定システムの定常性異常の発生）などをチェックすること、即ちシステム異常や人為的な測定ミスの発生の有無を検知し、正常と思われるデータのみを採取することができない。
【０００８】
本発明の第１の目的は、上記したような曖昧さを持つ接触荷重に対する硬さ〜柔らかさの評価値ではなく、設定した“点”としての接触荷重に対する硬さ〜柔らかさの評価値の計測を可とすることである。
【０００９】
本発明の第２の目的は、接触荷重の許容範囲をより広く（例えば、１０ｇｆ±２ｇｆ）設定できるようにして測定そのものの実施を容易にし、かつ生体皮膚の硬さ〜柔らかさをより精度高く計測することを可とすることである。
【００１０】
本発明の第３の目的は上記したシステム異常や人為的な測定ミスに対するチェック機能を付加し、自動的に正常なデータのみを採取することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の硬さ測定装置は、対象物の表面に一定の振幅および所定の周波数で大きさが変化する力を印加したときの表面の加速度の代表値および接触荷重を測定する手段と、該測定手段による測定を複数回繰り返して得られる測定値から接触荷重と加速度の代表値の関係を表わす関係式を算出する手段と、該関係式を使って所定の接触荷重における加速度の代表値を算出することによって対象物の表面の硬さを評価する手段とを具備することを特徴とする。
【００１２】
前記測定手段は、印加された力の瞬時値に相当する第１の測定値とその各々に対する加速度の瞬時値に相当する第２の測定値との関係の妥当性を確認する手段を含む。
【００１３】
この妥当性確認手段は、印加された力の第１および第２の周期のそれぞれについて、複数の前記第１の測定値と、その各々に対する複数の前記第２の測定値とから得られる、２つの回帰直線がいずれも有意であり、実質的に原点を通り、かつ、両者の傾きが実質的に等しいとき、第１の測定値と第２の測定値の関係が妥当であるとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
特許第３２５７５６３号に記載されているように、生体表面の硬さ〜柔らかさは、生体機械インピーダンスを測定することによって評価することができる。この生体機械インピーダンスは角周波数ωの関数として複素数Ｚ（ω）として表され、生体表面に印加した力Ｆ（ω）とその応答としての生体表面の速度Ｖ（ω）から
Ｚ（ω）＝Ｆ（ω）／Ｖ（ω）
と定義され、加速度Ａ（ω）＝ｊωＶ（ω）を使うと
Ｚ（ω）＝ｊωＦ（ω）／Ａ（ω）                              （１）
と表される。
【００１５】
式（１）から、特定の周波数ω０  における複素機械インピーダンスＺ（ω０  ）は、
Ｚ（ω０  ）＝ｊω０  Ｆ（ω０  ）／Ａ（ω０  ）
となる。両辺の絶対値をとると
｜Ｚ（ω０  ）｜＝ω０  ｜Ｆ（ω０  ）｜／｜Ａ（ω０  ）｜
となり、ω０  および｜Ｆ（ω０  ）｜が一定であれば
｜Ｚ（ω０  ）｜＝ｋ／｜Ａ（ω０  ）｜    ；  ｋ＝比例定数        （２）
式（２）は、生体表面に振幅および周波数が一定の振動をあたえた時の加速度の絶対値または実効値などの代表値を測定すれば、その周波数における生体機械インピーダンスに逆比例する量が得られること、その逆数をとれば生体機械インピーダンスに比例する量が得られることを意味している。但し、式（２）は、ｋという比例定数を含んでいるので生体機械インピーダンスそのものを表すものではない。
【００１６】
上記した生体機械インピーダンスに比例する量、すなわち生体表面の“硬さ〜柔らかさ”の指標を記号ＳＨ（Ｓｋｉｎ  Ｈａｒｄｎｅｓｓ）で表すことにし
ＳＨ＝１／Ａｅ                                                  （３）
と定義する。ここでＡｅ  は、測定された加速度の実効値である。加速度の実効値が大きいということは、生体表面の駆動点が動きやすいことであり、柔らかいことを意味する。
【００１７】
特許第３２５７５６３号では、式（３）のＳＨを生体表面の硬さを表すパラメータとしているが、Ａｅ  を生体表面の硬さのパラメータとすることもできる。
【００１８】
また、触診で硬さ〜柔らかさを評価する場合、３段階評価（＋１，０，−１、すなわち硬い、ふつう、柔らかい）、あるいは５段階評価（＋２，＋１，０，−１，−２、すなわち硬い、やや硬い、ふつう、やや柔らかい、柔らかい）とするケースが多い。
【００１９】
式（３）で得られたＳＨの値を、例えば５段階評価値（記号ＳＨ’で表記）に変換するとしたら、ＳＨを式（４）に代入すればよい。
【００２０】
ＳＨ’＝４×（ｓｈ−ＳＨｍａｘ  ）／（  ＳＨｍｉｎ−ＳＨｍａｘ  ）−２    （４）
ここでＳＨｍａｘ  ，ＳＨｍｉｎ  は、多数のボランティアの生体表面のＳＨの測定値から得られた最大値、最小値である。またｓｈは、当該ボランティアのＳＨの実測値である。
【００２１】
図１は本発明の硬さ測定装置の一実施例に係る、皮膚の硬さ測定システムの構成を示す。
【００２２】
本システムは、プローブ１０、皮膚硬さ測定器１２、１２ビットＡ／Ｄコンバータ１４およびパーソナルコンピュータ１６から構成されている。
【００２３】
皮膚硬さ測定器１２にはＡ／Ｄコンバータ内蔵のＣＰＵ１８、一定振幅および所定の周波数の駆動電圧を発生してプローブ１０の圧電素子（後述）へ与えるための正弦波発生器２０、プローブ１０の加速度センサ（後述）からの信号から所望の帯域の信号のみを通過させてＡ／Ｄコンバータ１４へ供給するためのバンドバスフィルタ２２、及びプローブ１０の接触荷重センサ（後述）からの信号をサンプル／ホールドしてＣＰＵ１８内蔵のＡ／Ｄコンバータへ供給するサンプル／ホールド回路２４が設けられている。
【００２４】
図２はプローブ１０の詳細を示す。シム材２６の両面に駆動用圧電セラミックス２８および検出用圧電セラミックス３０が貼り付けられ、その先端に振動子３６が取り付けられる。
【００２５】
駆動用圧電素子２８に正弦波を印加して振動させた状態で振動子３６を測定対象の皮膚表面に接触させることにより、検出用圧電素子３０に加速度に比例した電圧が発生する。接触荷重は歪みゲージ３８により検出される。センサ全体は支点３２および３４の２点において支持されるが、１点において支持するようにしても良い。
【００２６】
本願発明の第１の目的である、設定した“点”としての接触荷重に対する硬さ（柔らかさ）の評価値を得るため、および第２の目的である、接触荷重の許容範囲を現実的なものとするため、図１の皮膚硬さ測定システムにおいては、プローブ１０の接触子３６を皮膚表面に軽く接触させたときの接触荷重をチェックし、それが予め設定された許容範囲内にあることを条件として接触荷重と加速度の実効値を複数回測定し、それらから図３に示すような回帰直線を算出し、これを用いて、特定の“点”としての接触荷重における加速度の実効値を算出する。図３に示した例では、接触荷重の許容範囲を１０ｇｆ±３０％として得られた複数の測定値から回帰式を求め、それを用いて接触荷重１０ｇｆにおける加速度の推定実効値６０３．１６が得られている。
【００２７】
また本発明の第３の目的である、システム異常や人為的測定ミスの発生の有無を検知するため、時々刻々得られる駆動電圧値と加速度の検出電圧値との関係に対して回帰分析を適用して妥当性をチェックする。すなわち、生体表面に振動子を接触させた場合に得られる加速度に対応する出力電圧波形の位相は、粘弾性体である生体を対象にした場合、図４に示すように、駆動電圧波形の位相に対して位相遅れが生じる。したがって駆動電圧ｘを横軸に、加速度に対応する出力電圧ｙを縦軸にプロットすると図５に示すような楕円の形をしたリサージュ図形が描ける。この場合、横軸にプロットされる駆動電圧ｘは確定変数であり、かつその振幅の大きさは一定であることから楕円の形を形成するリサージュ図形の慣性モーメントが最大となる軸の勾配の大きさは、加速度の大きさ、すなわち生体皮膚表面の硬さ〜柔らかさに関する情報を持つ。そしてシステム異常や測定ミスが発生していなければ歪みのない綺麗なリサージュ図形が得られるはずである。そこでリサージュ図形に歪みがみられるか否かをみるために図６に示すように駆動電圧ｘと加速度に対応する出力電圧ｙに関する回帰直線４０を算出する。なお、駆動電圧ｘとは正弦波発生器２０（図１）の出力をＡ／Ｄ変換器１４でディジタルに変換したものであり、出力電圧ｙとは、バンドパスフィルタ２２の出力をＡ／Ｄ変換器１４でディジタル変換したものである。
【００２８】
この場合、回帰直線に有意性がみられないとしたら、駆動電圧ｘの変化と加速度に対応する出力電圧ｙの変化に対応関係がみられないことを意味し、何らかのシステム異常や人為的な測定ミスが発生していることになる。
【００２９】
駆動電圧ｘの波形と加速度に対応する出力電圧ｙの波形の周期が同じなら、リサージュ図形のプロットから得られる回帰直線は、原点を通る。システム異常が発生しているか、あるいは人為的な測定ミスが発生している場合は、原点を通らない。原点を通っていない場合は、上記と同様、異常とする。
【００３０】
連続する２周期について回帰直線を算出した場合、同一の生体表面を測定対象にして時間的に連続計測しているわけだから、前半１周期で得られたｘとｙを用いて描いたリサージュ図形に見られる回帰直線の勾配と、後半１周期で得られたｘとｙを用いて描いたリサージュ図形に見られる回帰直線の勾配は類似しているはずである。即ち、平行性は極めて高いと予測される。この勾配の平行性の有意性の検定を行うことにより、前半で得られた皮膚の硬さの測定値と後半で得られた皮膚の硬さの測定値の同一性を判断する。
【００３１】
図７は、上記の手法に基づくパーソナルコンピュータ１６（図１）およびＣＰＵ１８における処理のフローチャートであり、図８は図７中の“妥当性チェック”の処理の詳細を示すフローチャートであり、図９は測定条件設定のための画面の一例を示す。
【００３２】
まず図９に示す画面で測定条件の設定を行なう。図９中、“サンプリング数”とは、駆動電圧波形１周期におけるサンプリング数、“測定回数”とは駆動電圧波形２周期を１回としたときの測定回数である。
【００３３】
図７において、まずパーソナルコンピュータ１６において図９に示す画面による設定が終わって、皮膚硬さ測定器１２（図１）の副電源スイッチ１９がオンにされたら（ステップ１０００）、ＣＰＵ１８がプローブ１０へ−３Ｖの電源を供給して歪みゲージ３８（図２）を通電し、正弦波発生器２０（図１）の電源をオンにする。
【００３４】
このとき、プローブ１０を測定対象に限りなく近付け測定時の向きで保持する。通電後５秒待って（ステップ１００２）、図８に詳細を示す妥当性チェックを行ない（ステップ１００４）、測定値が妥当であればそのときの接触荷重Ｘおよび加速度の実効値Ｙを算出して格納する（ステップ１００６）。接触荷重Ｘは妥当性チェックのための加速度データの採取に同期して歪みゲージ３８からサンプル／ホールド回路２４を経て採取したデータの平均値であり、加速度の実効値Ｙはそのときに得られる加速度の瞬時値の自乗平均の平方根をとることにより算出される。
【００３５】
ステップ１００４および１００６を“測定回数”で設定された回数だけ実行したら、それら複数のＸおよびＹの値に対して回帰分析を適用して回帰直線の式（回帰式）を算出する（ステップ１００８）。算出された回帰式を用いて図９の“中心荷重”において設定された荷重における加速度の実効値を算出して式（３）によりパラメータＳＨを算出する（ステップ１０１０）。式（４）によりＳＨをＳＨ’に変換して（ステップ１０１２）、結果を表示した後（ステップ１０１４）、副電源スイッチ１９をオフにする。
【００３６】
上記のステップ１００４の妥当性チェックにおいては、図８に示すように、まず、接触荷重が許容範囲内になるのを待ち（ステップ１１００）、連続２周期にわたって駆動電圧ｘおよび検出電圧ｙを採取し（ステップ１１０２）、前半１周期について回帰直線の算出を試み（ステップ１１０４）、回帰が有意でなければ採取したデータを廃棄してステップ１１００の処理へ戻る。回帰が有意であれば、回帰直線が原点を通るか、すなわち直線の切片のｙ座標の絶対値が予め定められた値以下であるかをチェックする（ステップ１１０６）。原点を通らなければステップ１１００へ戻り、原点を通れば後半１周期についても同様な処理を行なう（ステップ１１０８〜１１１０）。
【００３７】
それぞれの回帰直線に異常がなければ、両者が平行かどうか、すなわち両者の傾きの差が所定値以下であるかを調べ（ステップ１１１２）、平行でなければステップ１１１０へ戻る。平行であれば加速度検出電圧のサンプリングに同期して採取した接触荷重の平均値を算出し（ステップ１１１４）、接触荷重平均値が許容範囲内になければステップ１１１０に戻り、許容範囲内であれば妥当性チェックの処理を終了する。
【００３８】
特に歪みゲージは通電開始とともに熱が発生し、振動板への熱の伝播が続く。それに伴い測定値の継続的な増大が観測される。また、ゲージの発熱による障害の発生と比較してその影響は小さいとおもわれるが、振動板の振動に起因する発熱、振動板の金属疲労の蓄積も考えられ、測定をしていない時の振動板の振動停止は良策と考えられる。これらのことから上記のように測定時のみ、正弦波発生器２０と歪みゲージ３８の電源をＯＮとすることが望ましい。また、副電源をＯＮにして正弦波発生器に電源を供給すると所定の周波数の正弦波で振動板および振動子は駆動されるが、１次の固有モードで安定した振動状態を呈するまですなわち歪みゲージの出力電圧が一定になるまで約５秒必要とする。そのため、上記のように副電源ＯＮから５秒後に測定を開始することが望ましい。
【００３９】
本実施例の場合、本発明の第１の目的である設定した“点”としての接触荷重（例えば１０ｇｆ）に対する硬さ〜柔らかさの評価値が得られていることは、まず接触荷重Ｘにおける加速度の実効値Ｙを推定する回帰式をもとめ、得られた回帰式を用いて、所定の“点”としての接触荷重Ｘにおける加速度の実効値Ｙを算出していることから自明である。
【００４０】
本発明の第２の目的は、接触荷重の許容範囲をより広く（例えば、１０ｇｆ±２ｇｆ）設定できるようにして測定そのものの実施を容易にし、かつ生体皮膚表面の硬さ〜柔らかさをより精度高く計測することを可とすることである。
【００４１】
上記した目的が達成できたかどうかの確認を硬さの異なる２種類のシリコン材料（大きさ、直径８５ｍｍ、長さ５０ｍｍのＲＴＶ（室温硬化型）ゴム、アスカー硬度計（Ｆ型）の測定値、硬い材料＝２７、柔らかい材料＝１５）を測定試料として実施したところ表１に示すような結果が得られた。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
2004239686.tif 000004
Ａ２  の接触荷重の許容範囲（本願実施例）は、Ａ１  の接触荷重の許容範囲の２倍になっている。単純に考えれば、測定は容易に実行できるが、データのバラツキは大きくなると予測される。しかしながら本発明の第２の目的は、接触荷重の許容範囲を広くしても、硬さ〜柔らかさをより高精度に測定できるようにすることである。加速度に対応する出力電圧を１２ビットに量子化し実効値をもとめ、ＳＮ比を算出した。得られたＡ１  ，Ａ２  の測定器のＳＮ比は、下記の如くであった。
【００４４】
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結果として本願実施例の方が６．２デシベル、真数で４．２倍の利得がある。このことは、本願実施例の方法・装置で１回測定した時の測定精度は、特許第３２５７５６３号に記載した装置で４．２回測定し、その平均値を求めた時の測定精度と同じであることを意味している。すなわちこのケースでは接触荷重の許容範囲を２倍の±２ｇｆとし、接触荷重の維持に関する測定者の負担を軽くするとともに、測定の実施を容易にし、合わせて測定精度も向上させた。
【００４５】
また本発明の第３の目的であるシステム異常や測定ミスの有無を検知し、正常と思われるデータのみを自動的に採取できるシステムの構築に関しては、振動板および振動子を駆動するための駆動電圧と加速度に対応する出力電圧の整合性を統計的手法を導入し検定すること、で実現した。
【００４６】
【発明の効果】
（１）設定した“点”としての接触荷重に対する生体皮膚の硬さ〜柔らかさの評価値の計測が可能である。
【００４７】
（２）測定時の接触荷重の許容範囲を広くし、測定のしやすさ、測定者の負担の軽減をはかりつつ、同時に測定精度の向上を実現している。
【００４８】
（３）電気信号（駆動電圧）が機械系（振動板ないしは振動子）の振動に円滑に変換されているか否かのチェック、あるいは電気系から機械系への変換状態の変化（測定システムの定常性異常の発生）などをチェック、すなわちシステム異常や人為的な測定ミスの発生の有無を検知し、正常と思われるデータのみ採取できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る皮膚の硬さ測定システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１のプローブ１０の詳細を示す図である。
【図３】所定の“点”としての接触荷重における加速度の算出のための回帰直線を説明するグラフである。
【図４】駆動電圧の波形と加速度検出電圧の波形の関係を示すグラフである。
【図５】駆動電圧を横軸、加速度検出電圧をたて軸とするリサージュ図形を示すグラフである。
【図６】リサージュ図形に対する回帰直線を説明するグラフである。
【図７】図１のパーソナルコンピュータ１６における処理のフローチャートである。
【図８】図７の“妥当性チェック”の詳細を示すフローチャートである。
【図９】パーソナルコンピュータ１６の設定画面を示す図である。
【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５】
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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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