[go: up one dir, main page]

JP2003501645A - 材料の動的機械的性質を評価する装置 - Google Patents

材料の動的機械的性質を評価する装置

Info

Publication number
JP2003501645A
JP2003501645A JP2001501852A JP2001501852A JP2003501645A JP 2003501645 A JP2003501645 A JP 2003501645A JP 2001501852 A JP2001501852 A JP 2001501852A JP 2001501852 A JP2001501852 A JP 2001501852A JP 2003501645 A JP2003501645 A JP 2003501645A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mechanical properties
dynamic mechanical
dynamic
signal
contact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001501852A
Other languages
English (en)
Inventor
サジェン フィールド、ジョン
ビンセント スウェイン、マイケル
チャールズ アップルヤード、リチャード
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Sydney
Original Assignee
University of Sydney
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Sydney filed Critical University of Sydney
Publication of JP2003501645A publication Critical patent/JP2003501645A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4514—Cartilage
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Measuring devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/32—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
    • G01N3/38—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces generated by electromagnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/40—Investigating hardness or rebound hardness
    • G01N3/405—Investigating hardness or rebound hardness by determining the vibration frequency of a sensing element in contact with the specimen
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4528—Joints
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/003—Generation of the force
    • G01N2203/005—Electromagnetic means
    • G01N2203/0051—Piezoelectric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0089—Biorheological properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02827—Elastic parameters, strength or force

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Rheumatology (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)

Abstract

(57)【要約】 材料の動的機械的性質を評価するための 装置（１０）は、取っ手（１４）から突出する細長い円筒形ハウジング（１２）を備えている。ハウジング（１２）は通路（１６）を区画形成する。通路（１６）の一端はプラグ（１８）によって閉鎖され、通路（１６）の他端は端部キャップ（２０）を有している。通路（１６）内には弾性的に撓うビーム（２２）が片持ち支持された様式で配置されている。ビーム（２２）の自由端には探針（２４）が配置されている。ビーム（２２）のたわみを監視すると共にビーム（２２）の動きを表す出力信号を生成するために、歪みゲージアレイ（２８）がビーム（２２）上に装着されている。材料の動的機械的性質を評価するための方法も開示している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の属する技術分野） 本発明は材料の動的機械的性質の評価に関する。詳細には、本発明は材料の動
的機械的性質を評価するための装置及び方法に関する。本発明は特に、例えば関
節軟骨、他の組織、滑液、又はその等価物のような医学分野における材料の動的
機械的性質の測定に特に使用されるが、必ずしもそれに限定されるわけではない
。
【０００２】 （発明の背景） 関節軟骨は、人及び動物の滑膜性連結における、骨の端部同士を覆う結合組織
である。関節軟骨は、比較的軟らかく−骨より約１０００倍硬さが小さい−、新
しい関節では滑らかで白い外見を有し、古い関節ではざらざらして黄味がかった
外見を有している。関節軟骨は、１）関節にかかる負荷の分配による接触応力の
最小化、２）負荷支持に関するエネルギーの一部の放散、３）関節で繋がれてい
る表面間のほとんど摩擦の無い動作の許容、を始めとする、多くの機能を有して
いる。
【０００３】 （関節炎等の）疾病は関節の炎症や関節軟骨の損傷につながることが多く、そ
れらは外科的インターベンションを必要とする。苦痛や疾病の軽減には、損傷又
は変性した軟骨の内科療法又は外科的切除を伴う。手術室において、処置の選択
は軟骨表面の関節鏡検査に基づいて行われることが多い。この方法はしばしば不
確かであり、表面下の変性に関する指標を与えない。一旦腐食が起こると変形性
関節症は不可逆的に進むため、変形性関節症の早期診断は臨床段階への進行を防
止するために不可欠である。見た所正常な軟骨を示す徴候的患者のほとんどすべ
ての例において、軟骨を探針で調べたところ、軟骨が軟化していることが判明し
た。実際、軟骨の軟化は、変形性関節症によって引き起こされる早期に観察可能
な変化の一つである。
【０００４】 軟骨の機械的性質についてのベンチトップ型材料試験装置を用いたインビトロ
での研究が、かなり多く行われている。また、軟骨の機械的性質をインビボで評
価するための多くの測定機器が提案されている（例えば米国特許第４，３６４，
３９９号、米国特許第５，４９４，０４５号、米国特許第４，１３２，２２４号
、米国特許第５，５０３，１６２号）。通常、そのような装置の各々は、探針に
より軟骨表面のこわさ（stiffness ）を測定する。探針は軟骨を局所的に押し下
げ、針入に逆らう力から局所的静的こわさを測定する。この方法は表面下の変性
についてのより多くの情報を提供をすることがわかったが、一方で、動的負荷に
応じなければならない軟骨の性質を完全には特徴付けていない。本発明は、探針
を軟骨表面に振動する様式で押し下げることによる、軟骨の動的な評価を提供す
る。
【０００５】 （発明の概要） 本発明の第１態様によれば、材料の動的機械的性質を評価する装置であって、
ハウジングと；電界を適用するとハウジングに対して往復運動する様式に変位可
能となるようハウジングに対して変位可能に配置された弾性的に撓うビームと；
評価材料に係合するよう該ビームによって備えられた係合手段と；ビームの変位
を測定するために該ビーム上に配置されたたわみ測定手段と；を備えた装置が提
供される。
【０００６】 好ましくは、ビームはバイモルフの形をしており、詳細には、圧電セラミック
材料等の少なくとも２つの圧電材料の積層体である。 ビームをハウジングに取り付ける方法は、装置の用途によって左右される。本
発明の１実施形態において、ビームは、ビームの自由端に配置された係合手段（
探針であり得る）によって、ハウジング内の支持体から延びるように片持ち支持
により配置される。
【０００７】 係合手段はビームから延び得る。再び装置の用途に左右され、係合手段は一定
角度をなしてビームまで延びるか、又はビームと一列に並び得る。後者の場合、
係合手段はビームの端部から突出し得る。
【０００８】 本発明の別の実施形態において、ビームは電界の適用下でビームの中央部分で
曲がるように、その両端で支持される。その場合、係合手段はビームの中央部分
に配置され得る。
【０００９】 ビームに適用される電界は適当な１又は複数の周波数をしたＡＣ信号を生成す
る電圧生成手段から生じた電圧の形をしていてよい。 たわみ測定手段はビームに取り付けられた歪みゲージアレイの形をしていてよ
い。ビームが片持ち支持の様式で装着された場合、該アレイはビームの該装着端
の位置か又はその付近に配置され得る。ビームが両端で支持されている場合、該
アレイは又はビームの一端又は両端の位置か又はその付近に配置され得る。
【００１０】 装置が片持ち支持の様式で装着されたビームを有している場合、装置はハウジ
ングに受承されたプラグを備え得る。プラグの一端は、ビームに対する固定具と
して機能し得る。プラグの反対端は、補足的な電気コネクタに接続するための電
気接続手段を備え得る。
【００１１】 ビームが両端で支持されている場合、ハウジングは、ビームが載っているハウ
ジングの床から延びる支持部材を有し得る。 装置は、材料の動的機械的性質の評価に使用されるビームの動的挙動を評価を
評価するための、たわみ測定手段と接続可能なプロセシング手段を備え得る。
【００１２】 １実施形態において、プロセシング手段は、係合手段が材料と接触していない
第１信号と、係合手段が材料と接触している少なくとも１つの更なる信号であっ
て、係合手段が、係合手段の影響を評価材料から分離するために両信号を結合さ
せる結合手段とも接触している少なくとも１つの更なる信号とを測定するよう機
能する。
【００１３】 使用の際、振動する電界を生成する電圧生成手段は、材料の動的性質を複数の
周波数の範囲にわたって測定することを可能にする複素波形信号を生成し得る。
【００１４】 別の実施形態において、プロセシング手段は、針入に逆らう力か、又は係合手
段による材料の変位及び係合手段の動きを監視する電子装置ユニットとを組み込
み得る。この電子装置ユニットは、圧電ロードセルの形をした負荷検出要素と、
それに関連する電子回路とを備え得る。関連する電子回路は、電界効果トランジ
スタを組み込み得る。 電子装置ユニットは、係合手段とビームとの間に配置され、液体不浸透性ケー
シング内に封止される。
【００１５】 本発明の第２態様によれば、電界に応答して弾性的に撓うビーム上に備えられ
る係合手段を付勢して、評価材料と接触させる工程と；振動電界をビームに適用
して、係合手段が変形力を材料に定期的に加えるように所定の振動数でビームを
振動させる工程と；ビームが振動している時のビームの動的挙動を監視する工程
と；監視したビームの動的挙動から材料の動的機械的性質に関するデータを抽出
する工程と；から成る、材料の動的機械的性質を評価する方法が提供される。
【００１６】 ビームは、少なくとも２つの圧電材料の積層体から成るバイモルフであり、該
方法は、複素波形信号でビームを励起する工程を含み得る。 該方法は、前記信号の影響下でビームの振動により生成されたデータを用いて
、異なる周波数での材料の動的機械的性質を測定する工程を含み得る。
【００１７】 該方法は、係合手段が材料と接触していない第１信号と、係合手段が材料と接
触している少なくとも１つの更なる信号とを得て、係合手段の影響を評価中の材
料から分離するためにそれらの信号を結合する工程を含み得る。
【００１８】 このように、該方法は、それらの信号を用いて複数の伝達関数を形成する工程
を含み得る。最後に、該方法は、該伝達関数をプロセシングして、複数の周波数
範囲における材料の動的性質に関する値を同時に与える工程を含む。
【００１９】 本発明を添付図面を参照しながら例示により説明する。 （図面の詳細な説明） 図面の図１〜３において、参照数字１０は一般に、本発明の第１実施形態によ
る材料の動的機械的性質を評価するための装置を示す。この実施形態の装置１０
は、関節軟骨の評価に特に使用されるものであり、その用途に関して説明する。
装置１０は取っ手１４から突出している細長い円筒形のハウジング１２を備えて
いる。取っ手１４は外科医等のオペレータがハウジング１２を操作するのを助け
る。ハウジング１２は通路１６（図２）を区画形成する。通路１６の一端はプラ
グ１８によって閉鎖されている。通路１６の対向端は、端部キャップ２０を有し
ている。
【００２０】 通路１６内には、弾性的に撓うビーム２２が、片持ち支持された様式で配置さ
れている。ビーム２２はプラグ１８の一端から延びる。ビーム２２は圧電バイモ
ルフの形をしている。
【００２１】 ビーム２２の自由端には、探針２４の形をした係合手段が配置されている。探
針２４はビーム２２の長手方向軸に対してほぼ直角に延びており、ハウジング１
２の端部と端部キャップ２０における位置合わせ凹部により区画形成された開口
部２６を通って突出する。図示していないが、ハウジング１２の内部へのデトリ
タス（生物分解物）の進入を阻止する弾性的に撓うガスケットによって、開口部
２６は閉鎖されている。
【００２２】 プラグ１８への片持ち支持による取付部に隣接して、ビーム２２上には歪みゲ
ージアレイ２８の形をしたたわみ測定手段が装着されている。 ビーム２２が突出している端部と反対側のプラグ１８の端部は、電気接続部を
内蔵している。電気接続部は、例えば、コンピュータ等のプロセシング手段（図
示せず）と接続するコネクタ要素３０上に相補的な電気コネクタにより係合され
る、雌接続部である。
【００２３】 端部キャップ２０と端部キャップ２０を支持するそのハウジング１２の端部の
直径は、インサイチュとインビボでの関節軟骨へのアクセスを容易にする球根状
端部を形成すべく、ハウジング１２の残りの部分の直径よりも大きくし得ること
に注意する。拡大された丸い表面も、軟骨と接触した時に、探針２４に探針２４
が接触する表面と垂直な小さい力を加えさせる、基準面を提供する。
【００２４】 図面の図２に示された本発明の実施形態において、軟骨のこわさは、探針２４
が軟骨と接触していないときのビーム２２の挙動に対する、探針２４が軟骨に対
して接触しているときのビーム２２の動的挙動の変化から導き出される。
【００２５】 従って、使用の際、振動電界がビーム２２に加えられる。ビーム２２が圧電バ
イモルフの構成をしているため、電界の適用により、ビーム２２は所定の様式で
振動する。これに次いで、探針２４が軟骨に同様に力を加えたり軟骨から力を除
いたりする。
【００２６】 探針２４が軟骨に接触した時のビーム２２の動的挙動又は機械的応答は、フー
リエ変換の式で決定される。線形の応答に関しては、通常、探針２４が軟骨と接
触するビーム２２を備えたシステムを表す伝達関数は、２つのフーリエ変換の積
である。第１のフーリエ変換は探針２４が軟骨と接触していないビーム２２を示
し、第２のフーリエ変換は軟骨の挙動を示す。どちらのフーリエ変換も、実（同
相）成分と虚（位相から９０度のずれ）成分とを有する複素数である。これらの
成分を用いると、軟骨の局所的こわさ及び損失正接が得られ、これらは共に、軟
骨の変性（変性があった場合）の程度の指標測定値を与える。
【００２７】 フーリエ変換は、バイモルフビーム２２に加えられた瞬間電圧と、歪みゲージ
アレイ２８により戻される瞬間電圧とから形成される。それらのフーリエ変換は
、複合又は複素波形を用いて好ましくは計算される。
【００２８】 上記のように、軟骨を示すフーリエ変換は実成分と虚成分とに分けられる。 材料により探針２４にかけられる力Ｆ（ｗ）は、ビーム２２の自由なたわみを
減らすのに必要な力と探針２４に加えられた任意の電圧に対して探針２４が材料
と接触している時に測定された力との関係により、およびビーム２２の既知の機
械的性質を用いることにより、測定可能である。探針２４の変位Ｈ（ｗ）は、探
針２４が材料と接触していない時のビームたわみと探針２４が材料と接触してい
る時のビームたわみとの関係により測定される。
【００２９】 材料のこわさと損失正接は、以下の伝達関数より測定され得る。 Ｋ（ｗ）＝Ｆ（ｗ）／Ｈ（ｗ） このように、使用の際、歪みゲージアレイ２８からの信号はプラグ１８とコネ
クタ要素３０を介してプロセシング手段（図示しない）へと送られ、プロセシン
グ手段において信号２８は、関節軟骨の動的機械的性質を評価するために処理さ
れる。
【００３０】 ここで図面の図３について参照すると、本発明の第２実施形態が示されている
。特に注記しない限り、図１及び２に関連して、同様な参照数字は同様な部分の
ことを指す。
【００３１】 本発明のこの実施形態において、装置１０のプロセシング手段は、電子装置ユ
ニット３２を備えている。電子装置ユニット３２は、探針２４による材料への針
入に逆らう力を監視する。電子装置ユニット３２は、探針２４とビーム２２との
間に配置された圧電ロードセル３４の形をした負荷検出装置を有している。ロー
ドセル３４は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）３６に接続される。ロードセル３
４とＦＥＴ３６はポリマー製の液体不浸透性ケーシング３８内に包まれる。電線
４８は電子装置ユニット３２をプラグ１８に接続する。
【００３２】 本発明のこの実施形態では、関節軟骨の動的挙動が、探針２４により軟骨に加
えられた力の正関数として評価される。 本発明の両実施形態において、さらに多くの情報を提供するために、ある周波
数範囲にわたって、局所的動的複合こわさを測定してもよい。いくつかの別々の
周波数での測定によりインターベンション処置が過度に延長される場合、好まし
くない医療結果が起こる可能性がある。しかしながら本発明に関しては、複数の
周波数の範囲の測定は、複合波形を使用することで、１回の周波数に対する測定
に必要な時間よりも短い期間に圧縮され得る。次に、複合動的こわさの抽出が、
フーリエ分解法を用いて達成される。
【００３３】 図面の図４及び５について説明すると、本発明のさらなる実施形態による装置
が、参照数字５０により、概略的に図示かつ設計される。特に注記しない限り、
図面の図１〜３に関連して、同様な参照数字は同様な部分のことを指す。
【００３４】 本発明のこの実施形態では、ハウジング１２は、取外し可能な蓋５４により閉
鎖された基部５２を有する。基部５２は床部５６を区画形成し、床部５６からは
一対の離間した支柱５８が突出している。ビーム２２は、床部５６に対して離間
した関係で、支柱５８に支持されている。ビーム２２はその両端で、動かないよ
うに拘束されている。
【００３５】 この装置５０は、滑液等の体液の粘弾性の性質の変化を検出するのに使用され
るものである。関節の機械的健康をクリティカルに評価する方法を提供する。 当業者は、関節炎がある関節に存在している関節の場合は、健康な関節の滑液
の性質に比べて、滑液の粘弾性の性質の大きさが顕著に減小することを理解する
であろう。
【００３６】 本発明のこの実施形態では、探針２４はビーム２２の中央に配置された隆起し
た円盤の形をしている。探針２４は蓋５４から懸吊された円盤６０と位置が合わ
されている。試験すべき一定量の滑液が探針２４とプレート６０との間に配置さ
れる。ビーム２２はその中央において、電圧励起信号から生じた電界の制御下で
、たわみと力を生じさせる。
【００３７】 探針２４により流体に与えられた上部プレート６０に対する「圧搾する」動き
が、監視される。 先の実施形態の場合のように、バイモルフビーム２２は複素波形により振動さ
れる。検査中に流体に加えられた負荷に応答した歪みゲージアレイ２８からの信
号出力を分析するための同様な手段を用いて、流体の特性及び性質が決定される
。詳細には、該分析は、上述したような数式を用いて、検査中の流体の粘弾性の
性質に関する伝達関数を生成する。
【００３８】 ここで図面の図６及び７について参照すると、本発明のまた別の実施形態が参
照数字７０により、概略的に図示かつ設計される。繰り返し述べるが、特に注記
しない限り、以前の図面に関連して、同様な参照数字は同様な部分のことを指す
。
【００３９】 本発明のこの実施形態では、ハウジング１２は、円筒形ケーシング７６が取り
付けられた支持部材７２を有する。ビーム２２は部材７２から片持ち支持された
様式で延びる。ビーム２２の自由端に取り付けられ、ビーム２２と一列に並んで
いる探針２４は、ハウジング７０の円筒形ケーシング７６のダンベル形の開口部
７４を通って突出している。
【００４０】 探針２４は、探針２４の端部がケーシング７６の端部と実質的に面一になるよ
うに、開口部７４に受承されている。 歪みゲージアレイ２８は、部材７２に対するビーム２２の片持ち取付部の近く
で、ビーム２２の上に設けられている。
【００４１】 装置７０は、本発明のこの実施形態によれば、インビトロ又はインビボでの組
織の粘弾性の性質を測定するためのものである。繰り返し述べるが、バイモルフ
ビーム２２は複素波形を有する電界励起信号を受ける。探針２４は、矢印７８（
図７）の方向に振動され、評価中の組織は剪断状態に置かれる。歪みゲージアレ
イ２８により生成された信号は、繰り返し述べるが、先に述べたように数式を用
いて検査中の組織の物理的性質に関する伝達関数を生成する、先の実施形態と同
様な分析を受ける。
【００４２】 図面の図８に示した本発明の実施形態において、本発明の材料の動的機械的性
質を評価するためのさらに別の装置が、参照数字８０により、概略的に図示かつ
設計される。この装置８０も、組織の粘弾性の性質の変化を検出するのに使用さ
れるものである。
【００４３】 この実施形態では、ハウジング１２はほぼＬ形をしており、固定足部８４を形
成する肢部８２を有する。ビーム２２はハウジング１２の構成部８６から懸吊さ
れておりハウジング１２の肢部８２と実質的に平行に延びる。探針２４は、足部
の形をしており、ビーム２２の自由端に配置される。
【００４４】 ビーム２２は励起信号を受ける。励起信号は複素波形を有する。ハウジング１
２の足部８４，２４は組織に対して配置され、探針又は足部２４の固定足部８４
に対する変位が、張力の様式で組織に負荷をかける。
【００４５】 電界効果下でのビーム２２のたわみ動きは、歪みゲージアレイ２８により監視
される。歪みゲージアレイ２８からの出力信号を分析して、数式を用いて検査中
の組織の性質に関する伝達関数を生成する。
【００４６】 図示していない本発明のさらなる実施形態は、キーホール手術におけるその使
用である。キーホール手術を行っている外科医の不満は、外科医が遠隔操作機器
を使用している時の「感触」がないことである。手術の大部分で失われている重
要な要素は、外科医が外科用メス又は他の機器があるタイプの組織から別のタイ
プの組織へ（例えば、疾病組織から正常組織へ、又はその逆）と通過するのを感
じ取れる感触が欠けていることである。
【００４７】 本発明の装置が適切な構成をしている場合、マニピュレータ端部にある外科用
メス又は他の装置の上に、固定した複数の又はランダムな周波数の小さな振動を
載せる手段が提供されることが想到される。歪みゲージアレイは、生成される力
と、それに関連する位相角を測定する。即ち実際に組織の動的機械的性質を測定
し、適切な信号を生成することにより、外科医が制御している機器に「感触」の
シミュレーションを与え得る。
【００４８】 探針２４での軟骨、他の組織、又は流体の振動圧縮と解放によって、より早期
のより正確な診断をもたらす材料の動的評価が達成されることは、本発明の特に
有利な効果である。特に、材料の動的評価によって、形成される材料のより正確
な評価が可能となる。
【００４９】 本発明に対しては、特定の実施形態に示すように、広く説明された本発明の精
神及び範囲から逸脱することなく多くの変更及び／又は改変がなされ得る。従っ
て、ここでの実施形態は、すべての点で例証的なものであって限定的なものでは
ないものと解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による、材料の動的機械的性質を評価するた
めの装置の三次元略図を示す。
【図２】装置の１実施形態の三次元略断面図を示す。
【図３】装置の別の実施形態の部分の三次元略図を示す。
【図４】本発明のさらなる実施形態による、材料の動的機械的性質を評価す
るための装置の三次元略図を示す。
【図５】図４におけるＶ−Ｖ線における図４の装置の略側面図を示す。
【図６】本発明のまた別の実施形態による、材料の動的機械的性質を評価す
るための装置の三次元略図を示す。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線における図６の装置の略側断面図を示す。
【図８】本発明のさらに別の実施形態による、材料の動的機械的性質を評価
するための装置の三次元略図を示す。
【図９】装置と共に使用するプロセシング手段に対する初期化手順のフロー
チャートを示す。
【図１０】プロセシング手段の試験手順のフローチャートを示す。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年５月２日（２００１．５．２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】 （発明の概要） 本発明の第１態様によれば、材料の動的機械的性質を評価する装置であって、
ハウジングと；電界を適用するとハウジングに対して往復運動する様式に変位可
能となるようハウジングに対して変位可能に配置された弾性的に撓うビームであ って、少なくとも２つの圧電材料の積層体であるバイモルフから成るビームと ；
評価材料に係合するよう該ビームによって備えられた係合手段と；ビームの変位
を測定するために該ビーム上に配置されたたわみ測定手段と；を備えた装置が提
供される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】 好ましくは、圧電材料は、圧電セラミック材料である。 ビームをハウジングに取り付ける方法は、装置の用途によって左右される。本
発明の１実施形態において、ビームは、ビームの自由端に配置された係合手段（
探針であり得る）によって、ハウジング内の支持体から延びるように片持ち支持
により配置される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】 本発明の第２態様によれば、電界に応答して弾性的に撓うビーム上に備えられ
る係合手段を付勢して、評価材料と接触させる工程であって、前記ビームは少な くとも２つの圧電材料の積層体であるバイモルフから成る工程と ；振動電界をビ
ームに適用して、係合手段が変形力を材料に定期的に加えるように所定の振動数
でビームを振動させる工程と；ビームが振動している時のビームの動的挙動を監
視する工程と；監視したビームの動的挙動から材料の動的機械的性質に関するデ
ータを抽出する工程と；から成る、材料の動的機械的性質を評価する方法が提供
される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】 該 方法は、複素波形信号でビームを励起する工程を含み得る。 該方法は、前記信号の影響下でビームの振動により生成されたデータを用いて
、異なる周波数での材料の動的機械的性質を測定する工程を含み得る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ， ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，Ｋ Ｇ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ， ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 アップルヤード、リチャード チャールズ オーストラリア国 2107 ニューサウスウ ェールズ州 ビ−ルゴ−ラ プラトー ロ ーワー プラトー ロード 324 Ｆターム(参考） 2G061 AA20 AB05 BA19 BA20 EA01 EA02 EA04 EB05

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】材料の動的機械的性質を評価する装置であって、 ハウジングと、 電界を適用するとハウジングに対して往復運動する様式に変位可能となるよう
    ハウジングに対して変位可能に配置された弾性的に撓うビームと、 評価材料に係合するよう該ビームによって備えられた係合手段と、 ビームの変位を測定するために該ビーム上に配置されたたわみ測定手段と、を
    備えた装置。
  2. 【請求項２】該ビームが、少なくとも２つの圧電材料の積層体であるバイモ
    ルフから成る、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】各圧電材料は圧電セラミック材料である、請求項２に記載の装
    置。
  4. 【請求項４】係合手段がビームから延びている、請求項１乃至３のいずれか
    一項に記載の装置。
  5. 【請求項５】たわみ測定手段が、ビーム上に配置された歪みゲージアレイの
    形をしている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 【請求項６】材料の動的機械的性質を評価するために使用される、ビームの
    動的挙動を評価するたわみ測定手段に接続可能なプロセシング手段を備えた請求
    項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 【請求項７】プロセシング手段は、係合手段が材料と接触していない第１信
    号と、係合手段が材料と接触している少なくとも１つの更なる信号であって、係
    合手段が、係合手段の影響を評価材料から分離するために両信号を結合させる結
    合手段とも接触している少なくとも１つの更なる信号とを測定するよう機能する
    、請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】振動電界を生成する電圧生成手段を備えた、請求項７に記載の
    装置。
  9. 【請求項９】電圧生成手段は、材料の動的性質を複数の周波数の範囲にわた
    って測定することを可能にする複素波形信号を生成する、請求項８に記載の装置
    。
  10. 【請求項１０】材料の動的機械的性質を評価する方法であって、 電界に応答して弾性的に撓うビーム上に備えられた係合手段を付勢して、評価
    材料と接触させる工程と、 振動電界をビームに適用して、係合手段が変形力を材料に定期的に加えるよう
    に所定の振動数でビームを振動させる工程と、 ビームが振動している時のビームの動的挙動を監視する工程と、 監視したビームの動的挙動から、材料の動的機械的性質に関するデータを抽出
    する工程と、から成る方法。
  11. 【請求項１１】ビームは、少なくとも２つの圧電材料の積層体から成るバイ
    モルフであり、前記方法は、複素波形信号でビームを励起する工程を含む、請求
    項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】前記信号の影響下でビームの振動により生成されたデータを
    用いて、材料の動的機械的性質を測定する工程を含む、請求項１１に記載の方法
    。
  13. 【請求項１３】係合手段が材料と接触していない第１信号と、係合手段が材
    料と接触している少なくとも１つの更なる信号とを得て、係合手段の影響を評価
    中の材料から分離するために両信号を結合する工程を含む、請求項１２に記載の
    方法。
  14. 【請求項１４】前記両信号を用いて複数の伝達関数を形成する工程を含む、
    請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】該伝達関数をプロセシングして、複数の周波数範囲における
    材料の動的性質に関する値を同時に与える工程を含む、請求項１４に記載の方法
    。
  16. 【請求項１６】以下の材料：関節軟骨、滑液、身体組織、のうちのいずれか
    １つの動的機械的性質を評価するのに使用される、請求項１乃至９のいずれか１
    項に記載の装置。
JP2001501852A 1999-06-04 2000-06-05 材料の動的機械的性質を評価する装置 Pending JP2003501645A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU0778 1998-04-08
AUPQ0778A AUPQ077899A0 (en) 1999-06-04 1999-06-04 A device for evaluating the dynamic mechanical properties of materials
PCT/AU2000/000632 WO2000075624A1 (en) 1999-06-04 2000-06-05 A device for evaluating the dynamic, mechanical properties of materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2003501645A true JP2003501645A (ja) 2003-01-14

Family

ID=3814975

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001501852A Pending JP2003501645A (ja) 1999-06-04 2000-06-05 材料の動的機械的性質を評価する装置

Country Status (6)

Country Link
US (1) US6790186B1 (ja)
EP (1) EP1192441A1 (ja)
JP (1) JP2003501645A (ja)
AU (1) AUPQ077899A0 (ja)
CA (1) CA2375451A1 (ja)
WO (1) WO2000075624A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4852041B2 (ja) * 2004-08-10 2012-01-11 デイジ プレシジョン インダストリーズ リミテッド 剪断試験装置

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030055360A1 (en) * 2001-09-05 2003-03-20 Zeleznik Matthew A. Minimally invasive sensing system for measuring rigidity of anatomical matter
WO2007093799A1 (en) * 2006-02-17 2007-08-23 Dage Precision Industries Ltd. Shear test apparatus and method
GB0603243D0 (en) * 2006-02-17 2006-03-29 Dage Prec Ind Ltd Shear test device
US20080262391A1 (en) * 2007-04-23 2008-10-23 Mark Peter Ottensmeyer Instrument for measuring the mechanical properties of vocal tissues
US10039488B2 (en) * 2011-09-09 2018-08-07 Provost, Fellows, Foundation Scholars And The Other Members Of The Board Of The College Of The Holy And Undivided Trinity Of Queen Elizabeth, Near Dublin System and method to determine tissue compression
US9021893B2 (en) * 2011-12-08 2015-05-05 Exquadrum, Inc. High survivability fluid flow sensor having a load cell for detecting loading on the sensor probe
US11259714B2 (en) 2013-05-23 2022-03-01 The General Hospital Corporation System and method for measuring solid stress in tissues
CN114279810B (zh) * 2020-09-27 2024-01-12 中车唐山机车车辆有限公司 连接器插头拉脱力的测试装置及拉脱力测量方法
CN113305857B (zh) * 2021-06-01 2022-10-28 广州万安建设监理有限公司 一种应用于工程监理的施工质量检测机器人

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4132224A (en) 1977-01-12 1979-01-02 Randolph Robert G Durometer for indentible tissue and the like
FR2382688A1 (fr) * 1977-03-04 1978-09-29 Oreal Appareil de mesure de durete
US4364399A (en) 1981-02-23 1982-12-21 Dashefsky Joseph H Diagnostic instrument
FI90616C (fi) * 1991-08-01 1994-03-10 Ilkka Kiviranta Jäykän kudoksen jäykkyysmittauslaite ja mittausmenetelmä
US5503162A (en) 1992-04-21 1996-04-02 Board Of Regents, University Of Texas System Arthroscopic cartilage evaluator and method for using the same
US5518008A (en) * 1994-08-25 1996-05-21 Spectral Sciences Research Corporation Structural analyzer, in particular for medical implants
JP2863448B2 (ja) * 1994-09-26 1999-03-03 哲生 宅野 歯の動揺度測定装置
US5701913A (en) 1995-02-03 1997-12-30 University Technologies International Inc. Tissue softness probe
JP3151153B2 (ja) * 1995-09-20 2001-04-03 定夫 尾股 周波数偏差検出回路及びそれを利用した測定器
US5911694A (en) * 1996-08-22 1999-06-15 Olympus Optical Co., Ltd. Endoceliac physical quantity measuring apparatus having excellent measuring resolution
DE69733261T2 (de) * 1996-08-23 2006-01-19 Osteobiologics, Inc., San Antonio Tragbares materialprüfgerät
US6068604A (en) * 1998-04-09 2000-05-30 Smith & Nephew, Inc. Cartilage indentor instrument

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4852041B2 (ja) * 2004-08-10 2012-01-11 デイジ プレシジョン インダストリーズ リミテッド 剪断試験装置

Also Published As

Publication number Publication date
CA2375451A1 (en) 2000-12-14
WO2000075624A1 (en) 2000-12-14
AUPQ077899A0 (en) 1999-06-24
US6790186B1 (en) 2004-09-14
EP1192441A1 (en) 2002-04-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6585666B2 (en) Arthroscopic diagnostic probe to measure mechanical properties of articular cartilage
Appleyard et al. The accuracy and reliability of a novel handheld dynamic indentation probe for analysing articular cartilage
JP4425993B2 (ja) 把持型物質テスタ
US9386962B2 (en) Method and apparatus for evaluating osteointegration of medical implants
US6882880B2 (en) Arthroscopic impedance probe to detect cartilage degeneration
Laasanen et al. Novel mechano-acoustic technique and instrument for diagnosis of cartilage degeneration
Cunningham et al. Biomechanical measurement of fracture healing
US5368044A (en) Vibrational analysis of bones
EP0955890B1 (en) Device for imaging the prostata
Cornelissen et al. Assessment of tibial stiffness by vibration testing in situ—II. Influence of soft tissues, joints and fibula
JP2001510370A (ja) 圧縮により生じた電気的ポテンシャルの空間的マッピングを介して軟骨の変性を診断する医療装置
JP2000051156A (ja) 触覚センサ信号処理装置
JPH11513280A (ja) 組織の異方性の機械的特性の測定
Laasanen et al. Ultrasound indentation of bovine knee articular cartilage in situ
JP2003501645A (ja) 材料の動的機械的性質を評価する装置
JP2004298205A (ja) 超音波診断装置
JP4381118B2 (ja) 超音波診断装置
Srivastava et al. Numerical evaluation of nonbonded piezo sensor for biomedical diagnostics using electromechanical impedance technique
Vlaanderen et al. Low back pain, the stiffness of the sacroiliac joint: a new method using ultrasound
CA2530501A1 (en) Apparatus for mapping biological tissue quality
AU765184B2 (en) A device for evaluating the dynamic, mechanical properties of materials
JP7723884B1 (ja) せん断波伝播速度推定による靭帯ないし腱の状態表示方法、及びこれを備えた靭帯ないし腱の状態表示システム
US20210251543A1 (en) Systems, Devices, and Methods For Non-Invasive and Non-Destructive Imaging and Measurement of Tissue and Material Mechanical Properties
JP4608458B2 (ja) 超音波診断装置
Do et al. Advanced assessment of the bone mineral density of a finger using a vibration-based in vivo device and two-stepped cantilever beam model