計測自動制御学会東北支部 40 周年記念学術講演会
2004 年 12 月 22 日，23 日 日本大学工学部

講演番号：A19

前立腺触診用センサの開発○ 田中真美Cho JIYON （東北大学）

千葉

棚橋善克（棚橋よしかつ＋泌尿器科）

裕（東北公済病院）

長南征二（東北大学）Development of a tactile sensor for monitoring prostate conditions*M. Tanaka , C. Jiyon (Tohoku University) , Y. Chiba (Tohokukosai hospital)
Y. Tanahashi (Tanahashi Yoshikatsu + Dept. of Urology) , and S. Chonan (Tohoku University)
Abstract− This paper is a study on the optimum design of a palpation sensor for detecting prostate cancer and hypertrophy. The receptor of the sensor is a polyvinylidene fluoride(PVDF) film placed on the surface of a matrix
rubber base. The sensor is pressed against the prostate gland and driven sinusoidally, with a constant amplitude. Thevoltage signal from the PVDF film is integrated over the sampling period and is used as the output of the sensor forevaluating the stiffness of the pressed prostate gland. The output strength of the sensor is dependent on the relative
stiffness of the sensor base rubber to the stiffness of the object prostate gland. Thus, the stiffness of the base rubberis of great importance to make the sensor output maximum and achieve the best discrimination of the normality andabnormality of the organ. The FEM analysis is introduced for the optimal design of sensor.
Key Words:

1

Palpation Sensor, PVDF Film, Measurement, Prostate Cancer and Hypertrophy

緒言

単軸応力緩和実験摘出された前立腺の正常組織と癌組織を測定試料として用い，粘弾性特性測定用の単軸応力緩和実験を行う．実験装置に軸直動ステージコントローラにレーザー変位計と突起を取り付けたものを用い，直Aluminum pipe

CrankMotor

1mm(a) Geometry of the sensor
Vulcanized rubber convex
Sponge rubber

PVDF6mm2Sensor12mm

前立腺疾患の診断方法としては，血液検査，画像診断法，直腸内診断法等がある．最も手軽な診断方法である直腸内触診法は，前立腺肥大症が柔らかな左右対称の肥大であるのに対し，癌は凹凸不整の増殖を示し硬さも著しく増加するという特徴を利用し判別するものである．しかしながら，人間の指感覚は曖昧で触診は医師の経験に大きく依存する．そのため医療現場では曖昧な人間の指感覚に代わる客観的評価法の確立が求められている[1]. 田中らはFig.1に示すポリフッ化ビニルデン(以下PVDF)フィルムを受感材とした前立腺硬さ判別用能動型センサを製作し，本センサを前立腺に押し当てることにより前立腺の硬さに応じたセンサ出力値を得られることを確認した[2]．これまでセンサ出力とセンサ母材の硬さと対象物である前立腺硬さの相対関係については実験のみで検証されただけで，センサの十分な設計指針は明らかにされていない．
以上に鑑み本研究では，前立腺癌,・肥大症判別用触診センサの改良を目的とし，有限要素解析によりセンサの最適化設計を行う．具体的には測定対象物とセンサ母材の材料特性を求めるため，前立腺の正常組織と癌組織およびゴム材料を用いて単軸応力緩和実験を行う．その特性を基にセンサ母材および測定対象物を粘弾性体とするＦＥＭ解析モデルを作成し計算を行い，数種類のセンサ母材におけるPVDFフ
ィルムの誘起電圧を調査し，センサ母材の最適硬さについて検討した．最後に実験室において検証実験を行い解析の妥当性について検討した．

3mm
Aluminium(b) Sensory receptor
Fig. 1 Active palpation sensor [2 ]動ステージで測定試料にステップ上ひずみを与え，その時の測定試料の変位と応力についてレーザー変位計とロードセルの出力を測定する．実験装置の概略図をFig.2に示す。
前立腺をFig.3に示すような一般化されたマックス
ウェルモデルの粘弾性体として考える． 実験により求めた応力の時間変化σ( t )とひずみε0を式(1)に代入し，緩和弾性係数Er(t)を求め，非線形最小二乗法による近似を行う．

E r (t ) =nσ (t )= k e + ∑ k i e −t / τ ,ε0i =0it > 0,

τ i = ci / k i(1)
ここで，Erは緩和弾性係数，σは応力，ε0はひずみ，kはばね係数，cはダンパ係数，tは時間である．本研究では要素の個数を5要素とする近似を行い，未定定数ke ，ki , およびτiを決める[3]．Fig.4に実験結果と式(1)による近似曲線を示す．

185

1mm

Linear Stage
ComputerComputerConvex
Prostate

LoadSensor
Organ

6mm

3mm

AcetateTape(0.063mm)
PVDF Film(0.028mm)

1mm

Laser beam

5mm

X:0.25000
Y:0.00000

Controller

1.5mm

X:0.25000
Y:0.00000

100mm

Load Cell

Laser
DisplacementAmplifier

Oscilloscope

Analysis Model

5.4321050mm(a) FEM Image model(b) FEM modelFig. 5 Analysis modelFig. 2 Experimental setup for measurement of prostaticviscoelasticity[ × 10+6]

k1k2

c1

c2

Relaxation Modulus E r (t)4kik0・・・
ci

VulcanizedRubber6
Rubber5
Rubber4
Rubber332

10Fig. 3 Generalized Maxwell Model

02040

Time[sec]+5Relaxation Modulus E r (t)Fig. 6 Viscoelasticity of Sensor materials]

1

Induced Voltage of PVDF Film [V][ × 10002040

Time[sec](a) Normal[ × 10+5]

Relaxation Modulus E r (t)66420Sensor Material

5Fig. 7 Induced voltage

4321002040Time[sec]3NormalCancer
Differencedzenilca
Vu
6erbb
Ru
5erbb
Ru
4erbb
Ru
3erbb
Ru
2erbb
Ru
1erbb
Ru

7Fig. 48(b) Cancer
Experimental results and nonlinear least-squares
fits

FEM 解析

Fig.1 に示した前立腺癌･肥大症判別用能動型触診センサ[2]の形状を基にして FEM イメージモデルを作成した．解析モデルを Fig.5 に示す。測定対象物の臓器モデルをセンサ母材と同じ円柱と想定することにより三次元軸対象モデルとすることが可能である．臓器形状はセンサの押し付けによるひずみに影響を及ぼさない十分な大きさとし，臓器底面は全方向拘束とする．センサモデルの形状は Fig.1 にある能動型センサと同型で，アルミニウム板，センサ母材，突起とする．
センサ母材と突起の間には，保護膜としてアセテートテープに重ねられた PVDF フィルムを配置する．実際のセンサを考慮し本解析モデルにおいてはセンサ要
素間の接触面挙動は固着と設定する[4]．一方，臓器の表面には粘液があり臓器とセンサ間の摩擦はないものと考え，臓器との接触面挙動は標準で，摩擦係数は0 とする．
本センサは測定対象物の臓器を圧縮しセンサ出力を得るものであるので，センサの上面から厚さ方向（ｚ方向）に圧縮した時の構造解析を行う．本条件
下でPVDFフィルムモデルに生じる円周方向および圧縮方向の応力σr，σzをそれぞれ求め，起電電荷を式(2)によりそれぞれQrとQzとして求め，その和から式(3)を用いてPVDFフィルムモデルの誘起電圧を求める[5]．

186[ × 10

V = Q / C a = (Q r + Q z ) / C a(2)(3)

Relaxation Modulus E r (t)Q = ∫ d ⋅ σ ⋅ dA

ここで，Q は起電電荷，ｄは圧電歪定数，σ は応力，
A は面積，V は誘起電圧，Ca は電気容量である．
前立腺モデル，センサ母材モデルおよびセンサ突起モデルを粘弾性材料として設定する[6]．センサ母材モデルには前立腺の粘弾性特性を基準として求めた 6 種類の仮想ゴムと加硫ゴムの計 7 種類である.仮想ゴムに関して，実験によって得られた前立腺の正常組織と癌組織の緩和弾性係数をそれぞれ Rubber2と Rubber4 のものとし，Rubber1 は Rubber2 の緩和弾性係数の 1/2，Rubber3 の緩和弾性係数は Rubber2 とRubber4 の中間値とする．また Rubber5，6 はそれぞれ Rubber4 の緩和弾性係数の 2 倍，4 倍の値を有するものとする．加硫ゴムはセンサ突起およびセンサ母材として使用するが，粘弾性特性は単軸応力緩和実験を行い直接求めたものである．これらの特性を
Fig.6 に示す．
センサの上面から厚さ方向に0.25mmの変位を加えた場合の解析よりＰＶＤＦに生じる応力を求め，式(2)(3)より誘起電圧を求めた．結果をFig.７に示す．
結果より対象物が正常組織より癌組織での誘起電圧が大きいことがわかる．また対象物が正常組織の場
合，誘起電圧はセンサ母材の硬さがRubber3の時に最大となり，癌組織の場合はセンサ母材の硬さがRubber4の時最大となる事が分かる．さらにセンサ母材の硬さがRubber4の場合,対象物の癌組織と正常組織の間での誘起電圧差が最大となることがわかる．

+6]

Silicon5
Silicon4
Silicon3
Silicon2
Silicon1Cancer
Normal1002040Time[s]Fig. 8 Viscoelasticity of silicon rubbers

Sensor Rubber
PVDF Film
ConvexObjectComputer

X:0.25000
Y:0.00000

Acrylic Plate

Computer

L-Shape Plate

Linear StageController
X:0.25000
Y:0.00000

Low-pass Filter

Oscilloscopef(a) Sensor system
24mm
12mm

４．検証実験

6mm

Sensor Rubber

4.2 実験方法
実験装置の概略図とセンサ詳細図をFig.9(a)，(b)に示す．駆動装置には x 軸直動ステージクロスロー

30mm

PVDF Film
7.5mm

60mm

4.1 実験試料
実験試料には解析結果との比較のため，解析に用いたセンサ母材の粘弾性特性(緩和弾性係数)と似た性質を有する5種類のシリコンゴムの作成を試みた．
Fig.2の単軸応力緩和実験装置を用いて，作成したシリコンゴムの粘弾性特性を測定し求めた緩和弾性係数をFig.8に示す． なお，Fig.8には各シリコンゴムの緩和弾性係数と参考値として前立腺の正常組織と癌組織の緩和弾性係数を示す．結果より,作成したシリコンゴムは解析に使用したRubber1〜5より若干硬い傾向である事がわかった．そこで，この5種類のシリコンゴム間での相対的な硬さにおけるセンサ出力について調査を行い，解析結果と比較する事とする．実験では，対象物にはSilicon Rubber2およびSilicon Rubber4をそれぞれ前立腺の正常組織と癌組織として仮定した対象物Rubber AおよびRubber Bとして用い，Silicon Rubber1〜5の5種類のゴムをセンサ母材として使用し，最適なセンサ感度が得られるセンサ母材について検討する．

(Silicon rubber 1~5)

Convex(b) Geometry of sensor
Fig.9

Experimental setup for measuring sensor output

ラを使用し，コンピュータからの指令をコントロー
ラに通して伝えることにより，直動ステージを水平方向に任意の速度で移動させることが可能である.
この直動ステージに45×70mmのL字型プレートを取り付け，そこにセンサを貼り付けてある．今回のセンサは，24×60mm，厚さ 5mm のシリコンゴムにセンサ受感材として 15×40mm(圧電部 12×30mm)の長方形 PVDF フィルムを貼り付け，中央には 6×15mm，厚さ 2mm の加硫ゴムを突起として取り付けた．
測定はセンサの突起が固定された対象物に軽く触れる状態を初期状態とし，そこから一定速度でセンサを押し付け，押し付け変位が2mmとなるまでのセンサ出力を測定した．なお，この押し付け速度は安定した出力が得られるよう，実験的に確認し決定した

187

もので2.5mm/sとする[7]．センサ出力は遮断周波数10Hzのローパスフィルタを通した後に，オシロスコープで測定後保存される．

Rubber A
Rubber B
Difference

10I

4.3 信号処理法
本研究ではセンサ出力を評価する方法として，式(4)に示すように測定時間域でのPVDFフィルムからの出力信号を求め，測定時間域での押し込みで得られた信号の和をセンサ出力値Iとして用いることにする．
NI = Σ V ( n) ，(4)

50Sil
icon1

n =1

ここで，V(n)はPVDFフィルムのn番目のデジタル出力
信号電圧値，Nは測定時間域のサンプリング取得数である．
4.4 実験結果および考察
実験により得られた各センサ母材とIの関係をFig.
10に示す．結果より，対象物が硬い場合は柔らかい
場合よりセンサ出力値は大きく，解析結果と一致することが確認された．また，対象物がRubber A(正常組織の硬さ) の場合はセンサ母材がSilicon2の場合にセンサ出力は最大となっており，対象物がRubber B（癌組織の硬さ）の場合はセンサ母材がSilicon4の場合にセンサ出力が最大となることがわかった．また，対象物がRubber Aの場合とRubber Bの両センサ出力結果よりセンサ出力値Iの差を求めたところ，センサ母材が対象物Rubber Bの硬さであるセンサ母材Silicon4で最大となり，解析結果と一致することが確認できた．
以上のことより，センサ母材の最適化実験においても解析結果と同様に本センサに最適なセンサ母材は前立腺癌の硬さをもつ｢Silicon4｣であることが確認された．

５結 言

本研究では，PVDFフィルムを受感材とする前立腺触診センサシステムの最適設計を目的としてセンサ母材の最適硬さについて有限要素法解析を用いて検討した．また，実験により解析の妥当性を検証した．
得られた結論を要約すると以下のようになる．
１．単軸応力緩和実験装置を製作し，実際の前立腺の正常組織と癌組織を対象とした単軸応力緩和実験を行い，それらの粘弾性特性を明らかにした．
２.前立腺の正常組織，癌組織，およびセンサ柔軟母材の解析モデルにおいて粘弾性特性を表すことが可能な一般化されたマックスウェルモデルを用いた解析を行うために，単軸応力緩和実験結果をもとに非線形最小二乗法の近似により，それらのばね定数およびダンパー定数を求めた．

Silicon2Sil
icon3Sil
Silicoicon4n5Sensor MaterialFig.10 Experimental result
３.一定変位を与える静的解析結果より，対象物が正常組織の場合と癌組織の場合での誘起電圧の差は，センサ母材の硬さを癌組織の硬さとする場合に最も大きくなり，センサ母材材料として癌組織の硬さが最適であることを確認した．
４.解析とほぼ同じ条件下でセンサの最適化実験を行い解析結果の妥当性を検証した．結果より，対象物が正常組織モデルゴムの場合より癌組織モデルゴムの場合でのセンサ出力値が大きくなり，また対象物が正常組織モデルゴムの場合と癌組織モデルゴムの場合でのセンサ出力値の差は，センサ母材として癌組織モデルゴムの硬さを用いる場合に最も大きくなることがわかった．以上より，解析結果の妥当性が確認された．
なお本研究は，文部科学省科学研究費補助金の研究助成を受けて行われたことをここに付記する。
参考文献[1] EKLUND A., BERGH A., LINDAHL O.A.：A Catheter
Tactile Sensor for Measuring Hardness of Soft Tissue:
Measurement in a Silicone Model and in an in Vitro Human
Prostate Model, Medical & Biological Engineering &Computing, Vol.37 (1999), pp.618-624[2].M.Tanaka, M. Furubayashi, Y. Tanahashi, and Seiji Chonan,
Development of an active palpation sensor for detecting
prostatic cancer and hypertrophy, Smart Mater. Struct.
9(2000)878-884.
[3] 国尾 武，固体力学の基礎 (1977)，pp.237-249[4] ANSYS REVISION 5.4 ユーザーマニュアル‐エレメン‐：サイバネットシステム株式会社 (1998)[5] Takuro Ikeda：Fundamentals of Piezoelectricity, Oxford
University Press (1990)[6] ANSYS 構造非線形セミナー7.0〜付録 粘弾性：サイバネットシステム株式会社(2003)[7] Mami Tanaka, Yoko Nakagawa, Yoshikatsu Tanahashi, andSeiji Chonan ： COMPUTER-AIDED DESIGN OF APALPATION SENSOR FOR DETECTING PROSTATICCANCER AND HYPER- TROPHY THIRTEENTH INTERNATIONAL CONFFRENCE ON ADAPTIVESTRUCTURES AND TECHNOLOGIES(2002), 188-192.

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