(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気共鳴イメージング装置とともに使用される力検出装置であって、磁気共鳴イメージング装置外に設置される発光部および受光部と、磁気共鳴イメージング装置内に設置される検出部と、上記受光部において検出されたデータを処理するデータ処理部と、上記発光部から照射された検出光を検出部に伝送する光ファイバからなる送光管と、この送光管の先端部から照射された検出光を受光して上記受光部に伝送する光ファイバからなる受光管とを有し、上記送光管及び受光管の先端部を支持する非磁性材料からなるフレームを上記検出部に設けるとともに検出部に入力された力に応じて弾性変形する弾性変形部を上記フレームに設け、かつ上記送光管及び受光管の先端部の一方を弾性変形部に支持させ、
上記受光管を３本以上の光ファイバにより構成し、これらの光ファイバを、上記送光管から照射される検出光の軸心を中心とした上下左右に等間隔に配置することによって、上記送光管からの検出光がこれらの光ファイバの先端部にそれぞれ均等に照射されるようにするとともに、上記検出部に入力された力に応じて弾性変形部が弾性変形することにより、受光管に対する送光管の支持位置が上下左右に変位するように構成し、
これらの光ファイバを介して導出された光をそれぞれ受光する３個以上の受光素子を上記受光部に設け、各受光素子の受光量を比較することにより、複数方向に作用する力をそれぞれ検出するように構成されたことを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
上記弾性変形部は、一定間隔を隔てて相対向する一対の第１平行板と、この第１平行板と直交する方向に延びるとともに、一定間隔を隔てて相対向する一対の第２平行板とを備えたことを特徴とする請求項１記載の力検出装置。
【請求項３】
上記検出部に、被験者によって把持される把持部を設けるとともに、この把持部に先窄まりの当接面を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴イメージング装置内で使用される圧力検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、脳機能研究や医療現場において、強磁場を発生させる超電導磁石等を備えた磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）が広く用いられている。つまり、前者においては、微少整脈や毛細血管における赤血球中の脱酸素化ヘモグロビンの濃度が減少する現象（ＢＯＬＤ効果）に対応した水素原子の核磁気共鳴信号（ＭＲＩ信号）の上昇を測定することによって脳の活動を測定し、後者においては、人体の断面図を撮像することにより、臓器の材料特性の同定や病巣部の特定が行われている。
【０００３】
特に、脳機能研究における実験では、被験者に一定の課題を与え、この課題実行時と、平常時とにおける脳の活動をそれぞれ観測し、その差分に応じて脳の活動部位を測定することが行われている。具体的には、人の視聴覚情報処理に関する研究において、被験者に視覚刺激もしくは聴覚刺激を与え、上記磁気共鳴イメージング装置によって脳の活動を測定することが行われている。一方、人の運動機能に関する研究では、被験者に何らかの運動を行わせつつ、上記磁気共鳴イメージング装置によって脳の活動を測定することが行われている。上記被験者が行う動作としては、物体の把持運動等が考えられ、例えば歪みゲージを備えた把持力検出装置の検出部を被験者が把持することにより、この把持力検出装置に作用する力を検出しつつ、被験者が上記把持運動を行う際の脳活動を上記磁気共鳴イメージング装置により測定したいという要求がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記歪みゲージを備えた把持力検出装置には、磁性を有する金属材が使用されているため、これを上記磁気共鳴イメージング装置内に持ち込むと、種々の弊害が発生するという問題がある。すなわち、上記磁気共鳴イメージング装置による撮像は、磁場の均一性を前提としており、磁気共鳴イメージング装置内に磁性体が持ち込まれることによって上記磁場が乱されると、磁気共鳴イメージング装置の出力画像に深刻なノイズが発生して正確な画像が得られないという問題がある。また、磁気共鳴イメージング装置が発する強磁場の影響により上記把持力検出装置の出力信号にノイズが発生して、上記把持力を正確に測定できないという問題もある。
【０００５】
このため、図６に示されるように、プラスチック材等からなる非磁性体により形成された検出部２１と、この検出部２１に設けられた水圧ポンプ２２により発生した水圧を伝達するゴムホース２３と、このゴムホース２３により伝達された水圧を容器２４内の水頭に応じて計測する計測部２５とを有する水圧式力検出装置を使用し、被験者により上記検出部２１に加えられる把持力に対応した水圧を上記計測部２５に発生させ、その値を計測することにより、磁性体を磁気共鳴イメージング装置内に持ち込むことなく、上記水圧に対応した把持力を検出することが行われている。
【０００６】
しかし、上記水圧式力検出装置の計測レンジは、その最大値が８００Ｎ程度と比較的大きいが、５０Ｎ程度以下が不感帯となるため、微少な力を検出することができないという問題がある。さらに、上記水圧式力検出装置では、計測可能な力の作用方向が一方向に限定されるので、多方向に作用する複雑な力を正確に検出することができず、汎用性が得られないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、汎用性が高いとともに、検出レンジの設定が自由に行うことができ、かつ磁気共鳴イメージング装置の出力画像にノイズを発生させることなく、力を正確に検出することができる力検出装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、磁気共鳴イメージング装置とともに使用される力検出装置であって、磁気共鳴イメージング装置外に設置される発光部および受光部と、磁気共鳴イメージング装置内に設置される検出部と、上記受光部において検出されたデータを処理するデータ処理部と、上記発光部から照射された検出光を検出部に伝送する光ファイバからなる送光管と、この送光管の先端部から照射された検出光を受光して上記受光部に伝送する光ファイバからなる受光管とを有し、上記送光管及び受光管の先端部を支持する非磁性材料からなるフレームを上記検出部に設けるとともに検出部に入力された力に応じて弾性変形する弾性変形部を上記フレームに設け、かつ上記送光管及び受光管の先端部の一方を弾性変形部に支持させ、上記受光管を３本以上の光ファイバにより構成し、これらの光ファイバを、上記送光管から照射される検出光の軸心を中心とした上下左右に等間隔に配置することによって、上記送光管からの検出光がこれらの光ファイバの先端部にそれぞれ均等に照射されるようにするとともに、上記検出部に入力された力に応じて弾性変形部が弾性変形することにより、受光管に対する送光管の支持位置が上下左右に変位するように構成し、これらの光ファイバを介して導出された光をそれぞれ受光する３個以上の受光素子を上記受光部に設け、各受光素子の受光量を比較することにより、複数方向に作用する力をそれぞれ検出するように構成されたものである。
【０００９】
上記構成によれば、磁気共鳴イメージング装置内に磁性体が持ち込まれることに起因して磁気共鳴イメージング装置の磁場が乱されたり、磁気共鳴イメージング装置が発する強磁場の影響により上記力検出装置の出力信号にノイズが発生したりすることが防止されることになる。
【００１１】
又、上記構成によれば、検出部に入力される複数方向の力がそれぞれ正確に検出されるため、優れた検出精度が得られることになる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、上記請求項１記載の力検出装置において、上記弾性変形部が、一定間隔を隔てて相対向する一対の第１平行板と、この第１平行板と直交する方向に延びるとともに、一定間隔を隔てて相対向する一対の第２平行板とを備えたものである。
【００１３】
上記構成によれば、検出部に作用する２方向の力にそれぞれ比例して上記第１，第２平行板が変形するため、この変形量を測定することにより、上記２方向の力がそれぞれ正確に検出されることになる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、上記請求項１または２に記載の力検出装置において、上記検出部に、被験者によって把持される把持部を設けるとともに、この把持部に先窄まりの当接面を設けたものである。
【００１５】
上記構成によれば、被験者が検出部の把持部を把持した際に、上記当接面が被験者の掌および指等に線接触することにより、上記把持部の特定方向に作用する力が正確に検出されることになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る力検出装置の実施形態を示している。この力検出装置は、図外の磁気共鳴イメージング装置外に設置される電気ボックス１と、磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）内において使用される検出部２と、上記電気ボックス１において検出されたデータを処理するとともに記録するパソコン等からなるデータ処理部３とを有し、上記電気ボックス１と検出部２とは、光ファイバからなる送光管４および受光管５により接続されている。
【００１７】
電気ボックス１には、発光ダイオードまたはレーザ光源等からなる発光部６と、この発光部６から照射されるとともに上記送光管４および受光管５を介して伝送された検出光を受光する４個の受光素子からなる受光部７と、この受光部７から出力された検出信号を増幅する４個のアンプ８とが設けられている。そして、上記発光部６から照射された検出光が、１本の光ファイバからなる送光管４を介して上記検出部２に照射されるとともに、この検出部２に接続された４本の光ファイバ５ａ〜５ｄにより受光された後に、上記電気ボックス１に設けられた上記受光部７に伝送されて受光される。また、上記受光部７において検出された受光量が電気信号に変換されるとともに、アンプ８によって増幅された後、上記データ処理部３にそれぞれ伝送されるようになっている。
【００１８】
検出部２は、図２および図３に示すように、アクリル樹脂またはガラス材等の非磁性材料によって中空の長方形状に形成されたフレーム９と、このフレーム９の上辺部９ａおよび下辺部９ｂの外面側に突設された一対の把持部１０，１１とを有し、この把持部１０，１１を被験者が手で握ることができる大きさに形成されている。上記把持部１０，１１は、その上下両面がそれぞれ先窄まりの円弧状に形成されることにより、被験者が上記検出部２を把持した際に、上記把持部１０，１１の上下両面が、被験者の掌および指等に線接触する当接面１０ａ，１０ｂとなるように構成されている。
【００１９】
上記フレーム９の左辺部９ｃおよび右辺部９ｄには、１本の光ファイバからなる上記送光管４の挿通孔と、４本の光ファイバ５ａ〜５ｄからなる受光管５の挿通孔とがそれぞれ形成されている。そして、上記送光管４の先端部が、フレーム９の右辺部９ｄを貫通してフレーム９の中空部内に導入された状態で、下辺部９ｂの内面側に突設された支持部９ｅに支持されている。また、上記受光管５の先端部が、フレーム９の左辺部９ｃを貫通するとともに、上記送光管４の先端部に対向した状態でフレーム９に固定されている。
【００２０】
フレーム９の下辺部９ｂには、図４に示すように、互いに平行に延びる上下一対の第１平行板１２，１２と、前後一対の第２平行板１３，１３と有する弾性変形部１４が、送光管４の支持部９ｅを挟んでその左右両側にそれぞれ配設されている。上記第１，第２平行板１２，１３は、その厚みが１ｍｍ程度に形成され、下方の把持部１１から入力される把持力に比例して弾性変形することにより、上記支持部９ｅに支持された送光管４の支持位置が上下左右（図のＹ方向およびＸ方向）に変位するように構成されている。
【００２１】
すなわち、上記第１，第２平行板１２，１３は、それぞれ両端支持ばりとみなすことができるため、上記把持部１１から入力されるＹ方向の荷重Ｆと、第１平行板１２の変形量δとの関係式は下式のように表され、この変形量δが上記荷重Ｆに比例することになる。
【００２２】
Ｆ＝−（１２ＥＩδ）／（Ｌ3）
上記式は、たわみ曲線の微分方程式から導かれるものであり、Ｅはヤング率、Ｉは断面二次モーメント、Ｌは第１平行板１２からなる両端支持ばりの長さである。
【００２３】
なお、上記把持部１１から入力されるＸ方向に作用する荷重に応じて第１，第２平行板１２，１３に微少なねじれが生じ、このねじれ変形量は、上記Ｘ方向の荷重に比例して変化する。
【００２４】
上記受光管５を構成する４本の光ファイバ５ａ〜５ｄは、上記把持部１１からの入力がない通常時に、図５に示すように、送光管６から照射される検出光の軸心Ｏを中心として上下左右に等間隔で配置されている。これによって上記送光管４からの検出光が、上記光ファイバ５ａ〜５ｄの先端部にそれぞれ均等に照射されるように構成されている。
【００２５】
上記構成の力検出装置を使用する場合には、まず上記把持部１１からの入力がない状態で、発光部６から送光管４を介して上記受光管５の先端部に向けて検出光を照射する。そして、上記受光管５を構成する４本の光ファイバ５ａ〜５ｃを介して受光部７に伝送された検出光を、受光部７に設けられた４個の受光素子によりそれぞれ受光し、その光量を表す検出信号を上記４個のアンプ８によって増幅した状態で、上記データ処理部３に入力して上記光量を検証する。
【００２６】
上記検証結果、受光管５の各光ファイバ５ａ〜５ｄに均等に光が照射されず、あるいは上記４個の受光素子の感度に差がある等の理由で、上記光量の検出値にばらつきがあることが確認された場合には、各受光素子により検出された光量が均等になるように、上記アンプ８の増幅率を調節することにより、初期設定を行う。
【００２７】
次いで、図外の磁気共鳴イメージング装置上に横たわった被験者に、上記検出部２の把持部１０，１１を把持させた状態で、下方の把持部１１に把持力を作用させるとともに、発光部６から送光管４を介して上記受光管５の先端部に向けて検出光を照射しつつ、上記受光管５および受光部７を介して伝送された検出光を受光部７において受光し、その受光データに基づき、上記検出部２に加えられた把持力を上記データ処理部３において求める。
【００２８】
すなわち、上記検出部２の把持部１１に把持力が加えられると、フレーム９の下辺部９ｄに設けられた弾性変形部１４が上記把持力に比例して弾性変形することにより、上記受光管５を構成する４本の光ファイバ５ａ〜５ｃを介して受光部７に伝送される検出光の光量に差が生じるため、上記受光部７を構成する４個の受光素子の検出信号に基づき、上記光量の差を上記データ処理部３において比較することにより、上記弾性変形部１４の変形量および上記把持力を正確に検出することができる。
【００２９】
例えば、上記把持部１１から図４のＹ方向（上下方向）に入力される力に応じ、弾性変形部１４がＹ方向に弾性変形して送光管４の支持部９ｅが上方に移動すると、この送光管４から照射される検出光の軸心Ｏが図５のＹ方向に変位することにより、上側に配設された光ファイバ５ａ，５ｃに入射される検出光の光量が、下側に配設された光ファイバ５ｂ，５ｄに比べて多くなるため、これに応じて上記弾性変形部１４の上下変形量、つまりＹ方向に作用する力の大きさを検出することができる。
【００３０】
また、上記把持部１１から図４のＸ方向（左右方向）に入力される力に応じ、弾性変形部１４に微少なねじれ変形が生じて送光管４の支持部９ｅがＸ方向に移動すると、この送光管４から照射される検出光の軸心Ｏが図５のＸ方向に変位することにより、図５の右側に配設された光ファイバ５ｃ，５ｄに入射される検出光の光量が、左方に配設された光ファイバ５ａ，５ｂに比べて多くなるため、これに応じて上記弾性変形部１４のねじれ変形量、つまりＸ方向に作用する力の大きさを検出することができる。
【００３１】
上記のように磁気共鳴イメージング装置外に設置される発光部６および受光部７と、磁気共鳴イメージング装置内に配設される検出部２と、上記受光部７において検出されたデータを処理するデータ処理部３と、上記発光部６から照射された検出光を検出部２に伝送する光ファイバからなる送光管４と、この送光管４の先端部から照射された検出光を受光して上記受光部７に伝送する光ファイバからなる受光管５とを有し、上記送光管４および受光管５の先端部を支持する非磁性材料からなるフレーム９を検出部２に設けるとともに、この検出部２に入力された力に応じて弾性変形する弾性変形部１４を上記フレーム９に設け、かつ上記送光管４の先端部を上記弾性変形部１４に支持させたため、上記磁気共鳴イメージング装置内に磁性体が持ち込まれることにより、磁気共鳴イメージング装置の出力画像にノイズが発生したり、力の検出信号にノイズが発生したりする等の弊害を生じることなく、上記検出部２を被験者が把持することにより入力される力を正確に検出することができる。
【００３２】
すなわち、レーザ光源等からなる発光部６および受光素子等からなる受光部７の磁性体を上記磁気共鳴イメージング装置外に配設し、かつ磁気共鳴イメージング装置内に持ち込まれる検出部２をアクリル樹脂等の非磁性体により形成するとともに、上記送光管４および受光管５を光ファイバからなる非磁性体により形成したため、上記磁気共鳴イメージング装置内に磁性体が持ち込まれることに起因して磁気共鳴イメージング装置の磁場が乱されたり、磁気共鳴イメージング装置が発する強磁場の影響により上記把持力検出装置の出力信号にノイズが発生したりするのを確実に防止することができる。したがって、磁気共鳴イメージング装置の出力画像にノイズが発生するのを防止しつつ、把持力検出装置力の検出精度が低下するのを効果的に抑制することができ、しかも上記弾性変形部１４の変形量に応じて５０Ｎ以下の小さな力も正確に検出することができる。
【００３３】
また、上記実施形態では、受光管５を４本の光ファイバ５ａ〜５ｄにより構成するとともに、各光ファイバ５ａ〜５ｄを介して導出された光をそれぞれ受光する４個の受光素子を上記受光部７に設け、上記各受光素子の受光量を比較することにより、Ｙ方向およびＸ方向の２方向に作用する力をそれぞれ検出するように構成したため、図６に示すように、力の検出方向が１方向に限定された把持力検出装置に比べて、複雑な力を正確に検出できるという利点がある。
【００３４】
特に、上記実施形態に示すように、一定間隔を隔てて相対向する一対の第１平行板１２，１２と、この第１平行板１２，１２と直交する方向に延びるとともに、一定間隔を隔てて相対向する一対の第２平行板１３，１３とを上記弾性変形部１４に設けた場合には、上記検出部２に作用する２方向Ｘ，Ｙの力に比例して上記両平行板１２，１２，１３，１３がそれぞれ弾性変形するため、この変形量を測定することにより、上記２方向Ｘ，Ｙの力をそれぞれ正確に検出することができる。
【００３５】
また、上記実施形態では、被験者によって把持される把持部１０，１１を検出部２に設けるとともに、この把持部１０，１１に先窄まりの当接面１０ａ，１０ｂを設けることにより、被験者が上記検出部２を把持した際に、上記把持部１０，１１の当接面１０ａ，１１ａが被験者の掌および指等に線接触するように構成したため、被験者の掌および指等に当接する把持部１０，１１の位置が変化することに起因して、上記Ｘ方向に変位する弾性変形部１４の変位量に差が発生するという事態の発生を効果的に防止し、この変位量に応じてＸ方向に作用する力を正確に検出できるという利点がある。
【００３６】
なお、上記２方向Ｘ，Ｙの力を検出するように構成された上記実施形態に代え、互いに直交する３方向に変形する弾性変形部１４を上記フレーム９に設け、かつ３個以上の受光素子を上記受光部７に設けるとともに、３本以上の光ファイバによって上記受光管５を構成することにより、上記３方向に作用する力をそれぞれ検出するようにしてもよく、これに３方向の角変位を加えた６軸方向の力を検出するようにしてもよい。
【００３７】
また、本発明に係る力検出装置は、被験者の把持力に検出する場合に限られず、測定者が検出部２を把持し、磁気共鳴イメージング装置上に横たわる被験者に対して上記把持部１１等を押し当てた状態で、その押圧力を検出するとともに、その押圧力に応じた断面変形を計測することにより、内臓等の硬さを検出する装置しても使用することができる。この場合、上記のように複数方向の力を検出する必要はなく、一方向のみに変形する弾性変形部を上記フレーム９に設けるとともに、上記受光部７において一方向の変位を検出するように構成すればよい。
【００３８】
さらに、上記送光管４の先端部を弾性変形部１４に支持させてなる上記実施形態に代え、受光管５の先端部を弾性変形部１４に支持させるとともに、送光管４の先端部をフレーム９の左辺部９ｃ等に固定した構造としてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、磁気共鳴イメージング装置とともに使用される力検出装置であって、磁気共鳴イメージング装置外に設置される発光部および受光部と、磁気共鳴イメージング装置内に配設される検出部と、上記受光部において検出されたデータを処理するデータ処理部と、上記発光部から照射された検出光を検出部に伝送する光ファイバからなる送光管と、この送光管の先端部から照射された検出光を受光して上記受光部に伝送する光ファイバからなる受光管とを有し、上記送光管および受光管の先端部を支持する非磁性材料からなるフレームを上記検出部に設けるとともに、この検出部に入力された力に応じて弾性変形する弾性変形部を上記フレームに設け、かつ上記送光管および受光管の先端部の一方を上記弾性変形部に支持させたため、上記磁気共鳴イメージング装置内に磁性体が持ち込まれることに起因して磁気共鳴イメージング装置の磁場が乱されたり、磁気共鳴イメージング装置が発する強磁場の影響により上記把持力検出装置の出力信号にノイズが発生したりするのを確実に防止して、上記検出部に作用する力を正確に検出できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る力検出装置に全体構成を示す説明図である。
【図２】検出部の具体的構成を示す正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】弾性変形部の具体的構成を示す斜視図である。
【図５】受光管の取付状態を示す説明図である。
【図６】力検出装置の従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
２  検出部
３  データ処理部
４  送光管
５  受光管
６  発光部
７  受光部
１０，１１  把持部
１０ａ，１１ａ  当接面
１２  第１平行板
１３  第２平行板
１４  弾性変形部
【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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