JP5836745B2 - Indentation test equipment - Google Patents
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Description
本発明は、新規な押込試験方法に関する。また、本発明は、前記の押込試験方法を用いる、新規な押込試験装置に関する。 The present invention relates to a novel indentation test method. The present invention also relates to a novel indentation test apparatus using the above indentation test method.
金属材料の変形などの特性を調べるため用いられる引張試験は、客観性を有する評価方法として一般的であるが、試料などから試験片を切り出す必要性があり、この侵襲性の高さから製品中の素材や生きたままの生体組織への適用が困難である。 Tensile tests used for investigating properties such as deformation of metal materials are common as objective evaluation methods. However, it is necessary to cut out test specimens from samples and the like. It is difficult to apply to other materials and living tissues.
一方、同様に材料の硬さ計測で一般に使用されている押込試験は、試験片を切り出す必要がないことなどから低侵襲計測が可能となる。この押込試験は、金属材料に対してはHertzの弾性接触理論が高い信頼性を持っている事が知られている(例えば、非特許文献1参照)。 On the other hand, the indentation test that is generally used for measuring the hardness of materials similarly enables minimally invasive measurement because it is not necessary to cut out a test piece. In this indentation test, it is known that Hertz's elastic contact theory has high reliability for metal materials (for example, see Non-Patent Document 1).
また、押込試験は生体軟組織のような大変形を伴う軟材料の構成関係の計測に使用される例がいくつかある(例えば、非特許文献2〜5参照)。
In addition, there are several examples in which the indentation test is used for measuring the compositional relationship of soft materials with large deformations such as biological soft tissues (for example, see Non-Patent
しかしながら、上述した押込試験による生体軟組織のような大変形を伴う軟材料の構成関係の計測では、Hertzの弾性接触理論の高信頼性が沢俊行によって示されているが微小変形の範囲内であり、また高谷治らによる生体軟組織への適用はHertzの弾性接触理論と本質的に等価なN値による手法である。また、N値と併せて負荷・除荷過程のエネルギー損失から同定する有馬義貴らの手法も、Hertzの弾性接触理論と同様に半無限体を仮定するもので厚さの影響は考慮されていない。この厚さに関しては、N.E.WATERSの研究報告があるがその影響を示したものであって、応力-ひずみ関係と対応付けた評価には至っていない。さらに非可逆挙動に着目した石橋達弥らによる高分子材料への適用報告があるものの、可逆性の高い軟材料への適用は困難であるという問題がある。 However, in the measurement of the compositional relationship of soft materials with large deformation such as living soft tissue by the indentation test described above, the high reliability of Hertz's elastic contact theory is shown by Toshiyuki Sawa, but it is within the range of minute deformation. In addition, Osamu Takatani et al. Applied to soft biological tissues is a technique based on N value which is essentially equivalent to Hertz's elastic contact theory. In addition, the method of Yoshiki Arima, who identifies from the energy loss in the loading / unloading process together with the N value, assumes a semi-infinite body as well as Hertz's elastic contact theory, and does not consider the effect of thickness. . Regarding this thickness, there is a research report of N.E.WATERS, but it shows the effect, and has not yet been evaluated in association with the stress-strain relationship. Furthermore, although there is a report on application to polymer materials by Tatsuya Ishibashi and others focusing on irreversible behavior, there is a problem that application to soft materials with high reversibility is difficult.
一方、近年乳ガンとその診療技術についての進歩が急速になっている。乳ガンの進行と治療乳ガンは、乳腺やその周囲の乳房組織に発生する癌腫であり、その進行の過程で石灰化やしこり等の組織変化を伴う疾患である。このため、その診療においては視触診や超音波検査、さらにはX 線を用いたマンモグラフィ検査が行われ、より進行したケースでは外科療法が施されることとなる。 On the other hand, in recent years, progress on breast cancer and its medical technology has been rapid. Breast Cancer Progression and Treatment Breast cancer is a cancer that occurs in the mammary gland and surrounding breast tissue, and is a disease accompanied by tissue changes such as calcification and lump in the course of its progression. For this reason, visual examination, ultrasonic examination, and mammography examination using X-rays are performed in the medical treatment, and surgical treatment is given in more advanced cases.
乳ガンの診療技術は、乳ガンの定期検診に観られるように、すでに先述の視触診や超音波検査などが広く実施されており、さらにはマンモグラフィ検査について乳ガンの疑いが高い受診者ばかりか全ての受診者に施すよう働きかけを強めている自治体も出てきている。 As seen in routine breast cancer screening, breast cancer has already undergone extensive medical examinations such as visual and palpation and ultrasonography, as well as all patients who are highly suspected of breast cancer regarding mammography. Some local governments are intensifying their efforts to apply them.
しかしながら、このような状況においても乳ガンの定期検診の受診率は必ずしも高くなく、この理由として視触診や超音波診断の精度の低さ、あるいは高額かつ場合によっては痛みを伴うマンモグラフィ検査が敬遠されている点が挙げられている。 However, even in such a situation, the rate of regular breast cancer screening is not necessarily high. This is because the accuracy of visual examination and ultrasound diagnosis is low, or expensive and sometimes painful mammography examinations are avoided. There are some points.
触診は、組織の微妙な状態の違いを術者が指先で感じ取ることにより様々な所見を得ることができる方法であり、その簡便性から初期診断の最も基本的は手段の1つとなっている。 Palpation is a method by which the operator can obtain various findings by sensing the subtle differences in the tissue with his fingertips, and is one of the most basic means of initial diagnosis because of its simplicity.
なお、発明者は、本発明に関連する技術内容を開示している(特許文献1および非特許文献6〜11参照)。
The inventor has disclosed technical contents related to the present invention (see
上述したように、触診は、組織の微妙な状態の違いを術者が指先で感じ取ることにより様々な所見を得ることができる方法であり、その簡便性から初期診断の最も基本的は手段の1つとなっている一方で、術者の経験の差異により同じ症状でも違った診断が下されることが解決すべき課題となっている。 As described above, palpation is a method in which the operator can obtain various findings by sensing the difference in the delicate state of the tissue with the fingertip, and the most basic of the initial diagnosis is one of means because of its simplicity. On the other hand, it is a problem to be solved that different diagnoses can be made even for the same symptoms due to differences in the experience of the surgeon.
そこで、触診のような押込みにより検査対象を変形させる過程で得られる計測データについて、これを数理的に処理することによって、客観的かつ定量的に計測する方法および装置の開発が望まれている。また、上記乳ガンの診療技術ばかりでなく、試料中に異物が存在する場合の定量的な計測にも応用するできる方法および装置の開発が望まれている。 Therefore, it is desired to develop an objective and quantitative measurement method and apparatus by mathematically processing the measurement data obtained in the process of deforming the inspection object by pressing such as palpation. Further, development of a method and apparatus that can be applied not only to the above-described breast cancer medical technique but also to quantitative measurement when a foreign substance is present in a sample is desired.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な押込試験方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記の押込試験方法を用いる、新規な押込試験装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a novel indentation test method.
Another object of the present invention is to provide a novel indentation test apparatus using the above indentation test method.
本発明の一形態によれば、試料中の異物の有無を検出するための押込み試験装置において、試料と球圧子を相対的に移動させて試料の複数の位置に球圧子を位置させるための水平アクチュエータと、試料に球圧子を押し込む垂直アクチュエータと、複数の位置において、押込み荷重および押込み量を制御する制御部と、押込み荷重および押し込み量に基づき複数の位置でのヤング率および試料の厚みを算出する算出部と、算出部で算出された複数の位置でのヤング率および厚みの値を記憶する記憶装置部と、を有し、ヤング率の複数の位置間での差分、および、算出された厚みの値の複数の位置間での変化にもとづき、試料中の硬さの異なる物体の存在および押し込み方向における物体の位置を推定する。According to one aspect of the present invention, in an indentation test apparatus for detecting the presence or absence of foreign matter in a sample, a horizontal for positioning the ball indenter at a plurality of positions of the sample by relatively moving the sample and the ball indenter. Actuator, vertical actuator that pushes the ball indenter into the sample, control unit that controls the indentation load and indentation amount at multiple positions, and calculation of Young's modulus and sample thickness at multiple positions based on the indentation load and indentation amount And a storage unit that stores values of Young's modulus and thickness at a plurality of positions calculated by the calculating unit, and the difference between the plurality of positions of the Young's modulus and the calculated Based on the change of the thickness value between a plurality of positions, the presence of an object having different hardness in the sample and the position of the object in the pushing direction are estimated.
以下、押込試験方法および押込試験装置にかかる発明を実施するための形態について説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention relating to the indentation test method and the indentation test apparatus will be described.
押込試験方法は、試料に球圧子を押込む押込試験方法において、試料厚さを同定し、前記試料厚さを用いて試料の相当押込ひずみを算出し、前記相当押込ひずみを用いて試料のヤング率を算出する方法である。 The indentation test method is an indentation test method in which a ball indenter is indented into a sample. The sample thickness is identified, the equivalent indentation strain of the sample is calculated using the sample thickness, and the Young's sample of the sample is calculated using the equivalent indentation strain. This is a method for calculating the rate.
押込試験装置は、試料に球圧子を押込む押込試験装置において、試料厚さを同定する試料厚さ同定部と、前記試料厚さを用いて試料の相当押込ひずみを算出する相当押込ひずみ算出部と、前記相当押込ひずみを用いて試料のヤング率を算出するヤング率算出部を有する装置である。 The indentation test apparatus includes a sample thickness identification unit for identifying a sample thickness and an equivalent indentation strain calculation unit for calculating an equivalent indentation strain of the sample using the sample thickness. And a Young's modulus calculator that calculates the Young's modulus of the sample using the equivalent indentation strain.
なお、本明細書の文章において、英文字記号にハット記号を付すものを「(英文字記号)ハット」と記載し、英文字記号にオーバーラインを付すものを「(英文字記号)オーバーライン」と記載し、英文字記号に2次微分係数を付すものを「(英文字記号)2次微分係数」と記載する。 In the text of this specification, “(English character symbol) hat” refers to an English character symbol with a hat symbol, and “(English character symbol) overline” refers to an English character symbol with an overline. And the one with a secondary differential coefficient appended to an English letter symbol is described as “(English letter symbol) secondary differential coefficient”.
押込試験の評価法について説明する。まず、有限体試料の接触変形について説明する。
半無限体試料に対して十分に硬い球圧子を押込むとき、Hertz の弾性接触理論を用いると、図1に示す押込荷重Fと押込量δの関係が以下のように表現される。
The indentation test evaluation method will be described. First, contact deformation of a finite sample will be described.
When a sufficiently hard ball indenter is pushed into a semi-infinite body sample and Hertz's elastic contact theory is used, the relationship between the pushing load F and the pushing amount δ shown in FIG. 1 is expressed as follows.
ただし、係数Aは次の関係である。 However, the coefficient A has the following relationship.
ここで、φ,Eおよびνはそれぞれ球圧子の直径、試料のヤング率(以下、「Young率」ともいう)およびポアソン比(以下、「Poisson比」ともいう)である。さらに、図1の半径aの接触面に対して試料の荷重面上で半径r方向にp(r)で示される荷重分布が仮定されることにより、接触面中央の応力σは以下の式で表現される。 Here, φ, E, and ν are the diameter of the ball indenter, the Young's modulus of the sample (hereinafter also referred to as “Young's modulus”), and the Poisson's ratio (hereinafter also referred to as “Poisson ratio”), respectively. Furthermore, by assuming a load distribution indicated by p (r) in the radius r direction on the load surface of the sample with respect to the contact surface of radius a in FIG. Expressed.
また、押込荷重Fとひずみεの関数として、Young率E が式(3)とHooke則σ=Eεから次式のように導出される。 Further, as a function of the indentation load F and the strain ε, the Young's modulus E is derived from the equation (3) and Hooke's law σ = Eε as follows:
ここで、これら式(1)と(4)の関係から、半無限体試料と剛体球の接触によるひずみが圧子直径φおよび押込量δによって次式; Here, from the relationship between these equations (1) and (4), the strain due to the contact between the semi-infinite sample and the hard sphere is expressed by the following equation depending on the indenter diameter φ and the indentation amount δ:
で一意に求めることができる。このεHオーバーラインをHertzひずみ(Hertz strain) と称する。 Can be obtained uniquely. This ε H overline is referred to as a Hertz strain.
剛体上に置かれた様々な厚さhi(i=1,2,--,∞)の試料上へ球圧子の押込試験を考えるとき、圧子の荷重面と反対にある剛体の影響で、図2に示すような荷重F-押込量δ曲線が得られる。無限厚さh∞を有する半無限体試料に対する押込試験では、Hertzの弾性接触理論で説明できるような破線で示される荷重Fの曲線を得られるが、有限体試料では一般に荷重Fハットが半無限体試料の結果より大きい次の関係の結果となる。 When considering the indentation test of a spherical indenter on samples of various thicknesses hi (i = 1,2,-, ∞) placed on a rigid body, the effect of the rigid body opposite to the load surface of the indenter A load F-push-in amount δ curve as shown in Fig. 2 is obtained. In the indentation test for a semi-infinite body sample with infinite thickness h ∞ , a load F curve indicated by a broken line as explained by Hertz's elastic contact theory can be obtained, but in general a load F hat is semi-infinite for a finite body sample. The result of the following relationship is greater than that of the body sample.
この試料厚さhiの違いによる荷重Fハットへの影響について、Hertzの弾性接触理論が適用できると仮定して考えると、式(1) から Assuming that Hertz's elastic contact theory can be applied to the effect on the load F hat due to the difference in the sample thickness hi, from Equation (1)
となる関係が得られるので、押込量δに関する係数A,Aハットについて次の関係を得られる。 Therefore, the following relationship can be obtained for the coefficients A and A hat related to the indentation amount δ.
さらに、圧子直径φおよび試料のPoisson比νに変化がないものとすれば、式(2)より次式の関係が得られることから、有限体試料の押込試験結果へのHertzの弾性接触理論の適用によって求めたYoung率Eハットは本来の値Eより高くなる。 Furthermore, if there is no change in the indenter diameter φ and the Poisson's ratio ν of the sample, the relationship of the following equation can be obtained from Equation (2), so Hertz's elastic contact theory to the indentation test result of the finite body sample The Young's rate E hat obtained by application is higher than the original value E.
このようにして得たYoung率Eハットを、球圧子押込係数(spherical indentation modulus)と呼ぶこととする。 The Young's modulus E hat obtained in this way is referred to as a spherical indentation modulus.
式(9)に示したように、半無限体試料を前提とするHertzの弾性接触理論による式(1)を有限体試料に適用すると、球圧子押込係数Eハットに厚さhiの影響が表れるため、この現象を利用した試料厚さhiの同定を考える。 Applying Hertz's elastic contact theory equation (1) assuming a semi-infinite sample to a finite sample, as shown in equation (9), shows the effect of the thickness hi on the spherical indenter indentation coefficient E hat. Therefore, consider the identification of the sample thickness hi using this phenomenon.
この球圧子押込係数Eハットの同定に関して、変形量が微小である接触した瞬間については試料厚さhiの差異による影響が小さいと考えられる。つまり接触した瞬間では、任意の厚さhiに対して式(1)の適用条件から次式の関係を考えることができる。 Regarding the identification of the ball indenter indentation coefficient E hat, it is considered that the influence of the difference in the sample thickness hi is small at the moment of contact when the deformation amount is very small. That is, at the moment of contact, the relationship of the following equation can be considered from the application condition of equation (1) for an arbitrary thickness hi.
一方、試料厚さhiが小さいほど試料の下にある剛体の影響が早期に表れるため、図3(a) の実線に示すように、押込みに伴う球圧子押込係数Eハットの同定結果の上昇が顕著になる。この上昇は試料の厚さがhi<hi+1の関係を持つ場合に次の関係で表される。 On the other hand, as the sample thickness hi is smaller, the influence of the rigid body under the sample appears earlier, and as shown by the solid line in Fig. 3 (a), the identification result of the ball indenter indentation coefficient E hat accompanying the indentation increases. Become prominent. This increase is expressed by the following relationship when the thickness of the sample has a relationship of hi <hi + 1.
このことから、試料厚さhiと球圧子押込係数の2次導関数Eハット・2次微分係数には次式の関係 From this, the relationship between the sample thickness hi and the second derivative of the ball indenter indentation coefficient E hat and second derivative is given by
を考えることが可能となり、図3(b)に示すような関数f(Eハット・2次微分係数)を得ることができれば、接触開始時の情報から試料厚さhiの演繹が可能となる。 If the function f (E hat · second derivative) shown in FIG. 3 (b) can be obtained, the sample thickness hi can be deduced from the information at the start of contact.
押込変形の評価法について説明する。軟材料の押込過程においては、荷重面における表面形状の大きな変化のように、圧子の押込みによって試料中の変形領域が著しく変化する現象が観られる。このことから、押込変形を球圧子による接触変形に圧縮変形の効果を重ね合わせることを考える。 The indentation deformation evaluation method will be described. In the indentation process of the soft material, a phenomenon in which the deformation region in the sample is remarkably changed by the indenter indentation is observed like a large change in the surface shape on the load surface. From this, it is considered that the indentation deformation is superimposed on the contact deformation by the ball indenter with the effect of the compression deformation.
このとき、まず接触の効果はHertzひずみεHオーバーラインで表現し、さらに圧縮は軟らかさによる圧縮変形の領域体積の変化率εVオーバーラインで表すものとして、次の関係を定義する。 At this time, the following relationship is defined on the assumption that the contact effect is first expressed by the Hertz strain ε H overline, and further the compression is expressed by the rate of change ε V of the region volume of the compressive deformation due to softness.
このεIオーバーラインは、押込過程で試料中に生じる3次元的なひずみ分布を等価的な単軸ひずみで表そうとしたもので、これを相当押込ひずみ(equivalent indentation strain) と呼ぶこととする。 This ε I overline is an attempt to express the three-dimensional strain distribution that occurs in the sample in the indentation process with an equivalent uniaxial strain, which is called the equivalent indentation strain. .
軟材料の球圧子による押込過程において、試料中でも特に著しい荷重による変形を伴う圧縮領域Vを考える。この領域Vについて、図4の網掛け部で示すように、試料の初期表面と圧子表面の相貫線上で圧子球表面に直交し、かつ試料の下部境界面にも直交する楕円体を考える。このとき、荷重軸zから下部境界面における交線までの距離βと楕円体の高さαを用いて表される楕円の関数 In the indentation process of a soft material with a ball indenter, a compression region V accompanied by deformation due to a significant load is considered in the sample. For this region V, as shown by the shaded portion in FIG. 4, an ellipsoid that is orthogonal to the surface of the indenter sphere on the intermittence line between the initial surface and the indenter surface and also orthogonal to the lower boundary surface of the sample is considered. At this time, the function of the ellipse expressed using the distance β from the load axis z to the intersection line at the lower boundary surface and the height α of the ellipsoid
を用いると、圧縮領域の体積Vは次の式で表現できる。 Is used, the volume V of the compression region can be expressed by the following equation.
圧縮領域に生じるひずみはその領域変化dVから求めることができるが、この領域変化dVを圧縮領域の上面の移動量dδで簡易的に表す方法を検討する。このとき、領域変化dVは移動量dδを用いて次式で表すことができる。 Although the strain generated in the compression region can be obtained from the region change dV, a method of simply expressing this region change dV by the amount of movement dδ of the upper surface of the compression region will be examined. At this time, the region change dV can be expressed by the following equation using the movement amount dδ.
さらに、圧縮領域Vの変化率εVオーバーラインの増分dεVオーバーラインが次式で定義できる。 Furthermore, the change rate ε V overline increment dε V overline of the compression region V can be defined by the following equation.
したがって、圧縮領域に生じたひずみεVオーバーラインは次式で表現できる。 Therefore, the strain ε V overline generated in the compression region can be expressed by the following equation.
これより、式(13)の相当押込ひずみεIオーバーラインは次式となる。 From this, the equivalent indentation strain ε I overline of the equation (13) becomes the following equation.
この相当押込ひずみεIオーバーラインは、圧子直径φを無限大とすれば This equivalent indentation strain ε I overline is obtained when the indenter diameter φ is infinite.
となり、単軸の公称ひずみとなる。一方で、これは厚さhを無限大とすれば Thus, the nominal strain is uniaxial. On the other hand, if the thickness h is infinite,
となってHertzひずみεHオーバーラインと一致する。
これらのことから、式(19)で表される相当押込ひずみεIオーバーラインは接触変形と圧縮変形の両方を表現できる特性があることがわかる。
Which is consistent with the Hertz strain ε H overline.
From these facts, it can be seen that the equivalent indentation strain ε I overline expressed by the equation (19) has a characteristic capable of expressing both contact deformation and compression deformation.
式(19)の相当押込ひずみεIオーバーラインが単軸変形を等価的に表現できるとすれば、試料中に生じた応力σとの関係で次式を想定できる。 If the equivalent indentation strain ε I overline in equation (19) can equivalently express uniaxial deformation, the following equation can be assumed in relation to the stress σ generated in the sample.
さらに、この接触部における応力σと荷重Fハットの関係で式(3)が成立するならば、試料のYoung率Eは相当押込ひずみεIオーバーラインを用いて次式で導出可能となる。 Furthermore, if Equation (3) is established by the relationship between the stress σ and the load F hat at the contact portion, the Young's modulus E of the sample can be derived from the following equation using the equivalent indentation strain ε I overline.
この式(23)と相当押込ひずみεIオーバーラインを表す式(19)、さらに上述した試料厚さhiを求める方法を併用することによっては、球圧子の直径φと荷重Fハット、押込量δの関係から試料のYoung率Eの評価が原理的に可能となる。 By combining this equation (23) with equation (19) representing the equivalent indentation strain ε I overline and the method for obtaining the sample thickness hi described above, the diameter φ of the ball indenter, the load F hat, the indentation amount δ In principle, the Young's modulus E of the sample can be evaluated.
つぎに、試料厚さhiが小さくなるにつれて荷重曲線の傾きが大きくなる図2の実線で示す現象について、これを押込量δの関数形あるいは見かけのYoung率Eハットで考慮することで、Hertzの理論式(1)を拡張した次式を考える。 Next, regarding the phenomenon shown by the solid line in FIG. 2 where the slope of the load curve increases as the sample thickness hi decreases, by taking this into account as a function of the indentation amount δ or an apparent Young's modulus E hat, Hertz's Consider the following equation, which is an extension of theoretical equation (1).
ここで、本来のYoung率Eと見かけのYoung率Eハットとの間には次の関係が成立する。 Here, the following relationship is established between the original Young rate E and the apparent Young rate E hat.
これは、図3(a)で示すように、接触開始時では本来のYoung率Eと見かけのYoung率Eハットが同値E0であるのに対して、押込みが進行するにつれて見かけのYoung率Eハットが本来のYoung率Eより高く計測される現象を表している。 As shown in FIG. 3 (a), the original Young's rate E and the apparent Young's rate E hat are the same value E 0 at the start of contact, whereas the apparent Young's rate E as the push-in progresses. This represents a phenomenon in which the hat is measured higher than the original Young's rate E.
この現象の試料厚さhと接触時のYoung率の2次導関数Eハット・2次微分係数の関係は、図5に示すような指数的関係で近似できることが分かっており、これを次式で表す。 It is known that the relationship between the sample thickness h of this phenomenon and the second derivative E hat and the second derivative of the Young's modulus at the time of contact can be approximated by an exponential relationship as shown in Fig. 5. Represented by
ここで、GはYoung率の2次導関数を無次元化する係数であり、Hは試料厚さの係数となる。 Here, G is a coefficient for making the second derivative of the Young's modulus dimensionless, and H is a coefficient for the sample thickness.
したがって、接触時のYoung率2次導関数Eハット・2次微分係数から式(26)により試料厚さhが求められ、これにより式(13)の相当押込ひずみεIオーバーラインも求められる。さらにこれと押込荷重Fハットから、様々な厚さの試料のYoung率Eを式(23)で求めることができる。 Accordingly, the sample thickness h is obtained from the Young's modulus second derivative E-hat and the second derivative at the time of contact according to the equation (26), thereby obtaining the equivalent indentation strain ε I overline of the equation (13). Furthermore, from this and the indentation load F hat, the Young's modulus E of samples having various thicknesses can be obtained by the equation (23).
この式(23)で求められるYoung率は、様々な厚さの試料に対する実験的検証から、厚さに依らないことが確認されている[1]。さらに多様な硬さや形状への適用性も確認できれば、この計測法によって生体軟組織などの複雑な変形特性や形状を有する試料の評価も可能となる。 The Young's modulus obtained by this equation (23) has been confirmed to be independent of thickness from experimental verification on samples of various thicknesses [1]. Furthermore, if applicability to various hardnesses and shapes can be confirmed, it is possible to evaluate samples having complicated deformation characteristics and shapes such as biological soft tissue by this measurement method.
つぎに、評価法の検証について説明する。まず、押込試験装置とその条件について説明する。評価法の検証のため、図6 に示す押込試験機を用いる。この押込試験機は、垂直アクチュエータ1が水平アクチュエータ2に取り付けられており、この垂直アクチュエータ1にはステージ3が取り付けられている。ステージ3には荷重軸5が取り付けられており、垂直アクチュエータ1と水平アクチュエータ2をパーソナルコンピュータ(PC)で操作することで荷重軸5の位置を制御する形式となっている。荷重軸5の先に取り付けられた球圧子6に作用する荷重は荷重軸5に取り付けたロードセル4から取得し、押込量は荷重軸5を取り付けたステージ3の移動量として、これを垂直アクチュエータ1および水平アクチュエータ2から取得する。
Next, verification of the evaluation method will be described. First, the indentation test apparatus and its conditions will be described. The indentation tester shown in Fig. 6 is used to verify the evaluation method. In this indentation tester, a
図7に示すように、押込試験システム20は、押込試験機19のロードセル4から送られてきた荷重値Fおよび垂直アクチュエータ1の中にある垂直ポテンショメータ9から送られてきた押込量δからヤング率を算出するもので、同時に押込試験機19の動きも押込位置・押込量制御部18で制御している。このとき、送られてきた押込量δと算出されたヤング率からは、試料厚さが同定されることとなり、この同定され算出された試料厚さを基に試料厚さの影響を考慮したひずみが算出され、試料厚さの影響を考慮したヤング率が算出されることとなる。さらに、試料厚さ同定部12とヤング率算出部14で求められる試料厚さとヤング率の情報は、水平アクチュエータ2の中にある水平ポテンショメータ10から得られる押込位置の情報を用いて試料厚さ・初期ヤング率補正部15において補正される。この補正情報から病変部位置同定部16で病変部の位置が同定されることとなる。これらCPU部11で扱われたデータに関しては、全て記憶装置部17で記録される仕組みとなっている。
As shown in FIG. 7, the
圧子の押し込む位置を変化させた試験について説明する。試験方法は、検査対象へ球圧子を押し込み、この押し込んだ際の押し込み量と反力の関係を数理的に処理するものである。この押し込みによる試験装置としては、上述したように、球圧子を試料へ押し込む機構と反力を計測する部分、および演算する部分を備え、さらに押し込む球圧子の位置を変化させられる機構を備えたものを用いる(図8(a))。 A test in which the position where the indenter is pushed is changed will be described. In the test method, a ball indenter is pushed into the object to be inspected, and the relationship between the push-in amount and the reaction force when pushed in is mathematically processed. As described above, this push-in test apparatus has a mechanism for pushing the ball indenter into the sample, a part for measuring the reaction force, and a part for calculating, and further a mechanism for changing the position of the ball indenter to push. (FIG. 8 (a)).
この図8(a)に示す球圧子の押し込む位置を変化させた試験方法を用いると、試料の厚さhおよび初期Young率E0の分布を図8(a)中のグラフのように求めることができる。さらに表面が平坦であっても試料の厚さに変化がある場合は、図8(b)のグラフのように試料の厚さhおよび初期Young率E0の分布を求めることができる。 Using the test method in which the indentation position of the ball indenter shown in FIG. 8 (a) is changed, the distribution of the sample thickness h and initial Young's modulus E 0 can be obtained as shown in the graph in FIG. 8 (a). Can do. Further, if the thickness of the sample varies even if the surface is flat, the distribution of the sample thickness h and the initial Young's modulus E 0 can be obtained as shown in the graph of FIG. 8 (b).
本発明による病変部の評価方法について説明する。最初に、底に病変部がある試料の測定について説明する。
図9(a)に示すような試料の底に病変部がある場合には、試料の厚さhおよび初期Young率E0の分布は図8(b)と同様に図9(a)中のグラフのような厚さhに変化がある結果として測定できる。
A method for evaluating a lesion according to the present invention will be described. First, measurement of a sample having a lesion on the bottom will be described.
When there is a lesion at the bottom of the sample as shown in FIG. 9 (a), the distribution of the sample thickness h and the initial Young's modulus E 0 in FIG. 9 (a) is the same as in FIG. 8 (b). It can be measured as a result of the change in thickness h as shown in the graph.
つぎに、表面に病変部がある試料の測定について説明する。
図10(a)に示すような試料の表面に病変部がある場合には、試料の厚さhおよび初期Young率E0の分布は図10(a)中のグラフのような初期Young率E0に変化がある結果として測定できる。
Next, measurement of a sample having a lesion on the surface will be described.
When there is a lesion on the surface of the sample as shown in FIG. 10 (a), the distribution of the sample thickness h and the initial Young's rate E 0 is the initial Young's rate E as shown in the graph of FIG. 10 (a). It can be measured as a result of a change in zero .
中位に病変部がある試料の測定について説明する。
図11(a)に示すような試料の中位に病変部がある場合には、試料の厚さhおよび初期Young率E0の分布は図11(a)中のグラフのような厚さhおよび初期Young率E0ともに変化がある結果として測定できる。
The measurement of a sample having a lesion in the middle will be described.
When there is a lesion in the middle of the sample as shown in FIG. 11 (a), the distribution of the sample thickness h and the initial Young's modulus E 0 is the thickness h as shown in the graph of FIG. 11 (a). It can also be measured as a result of changes in both the initial Young's rate E 0 .
なお、試料厚さの同定方法は、上述の方法に限定されるものではない。このほか試料厚さの同定方法としては、CT、MRI、超音波画像診断、光干渉断層計などを採用することができる。 Note that the sample thickness identification method is not limited to the above-described method. In addition, CT, MRI, ultrasonic image diagnosis, optical coherence tomography, and the like can be employed as a sample thickness identification method.
本発明の用途は、上述の乳ガンの診療技術に限定されるものではない。このほか本発明の用途としては、肝硬変、動脈硬化、食品内異物検査、高分子材料内欠陥検査などを採用することができる。 The application of the present invention is not limited to the aforementioned breast cancer medical technique. In addition, cirrhosis, arteriosclerosis, inspection of foreign substances in food, inspection of defects in polymer materials, and the like can be employed as applications of the present invention.
本発明によれば、以下のような効果が得られる。
痛み等の侵襲性が低く、しかも簡素かつ安全・安価な乳ガンの診療技術を提供することができる。
触診のような押込みにより検査対象を変形させる過程で得られる計測データについて、これを数理的に処理することによって病変の程度や位置、範囲を客観的かつ定量的に計測する方法および装置を提供することができる。
この効果は、環境変化に敏感な生体軟組織の特性に基づいたものであることから、日常の生活でみられるハリやコリの部位同定、打撲の位置や程度の客観的計測などでも利用することができる。
According to the present invention, the following effects can be obtained.
It is possible to provide a simple, safe and inexpensive medical technique for breast cancer that is low in invasiveness such as pain.
Provided is a method and apparatus for objectively and quantitatively measuring the extent, position, and range of lesions by mathematically processing measurement data obtained in the process of deforming an inspection object by pressing such as palpation. be able to.
Since this effect is based on the characteristics of soft tissue that is sensitive to environmental changes, it can also be used for objective measurement of the location and extent of bruises, identification of areas of tension and stiffness seen in daily life. it can.
なお、本発明は上述の発明を実施するための形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。 It is to be noted that the present invention is not limited to the embodiment for carrying out the above-described invention, and various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
[参考文献]
[1] M. Tani and A. Sakuma, Evaluation of Thickness and Young's Modulus of Soft Materials by using Spherical Indentation Testing, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol.75, No.755, (2009),pp.901-908.(in Japanese)
[References]
[1] M. Tani and A. Sakuma, Evaluation of Thickness and Young's Modulus of Soft Materials by using Spherical Indentation Testing, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol.75, No.755, (2009), pp.901-908. (in Japanese)
1‥‥垂直アクチュエータ、2‥‥水平アクチュエータ、3‥‥ステージ、4‥‥ロードセル、5‥‥荷重軸、6‥‥球圧子、7‥‥試料、8‥‥テーブル、9‥‥垂直ポテンショメータ、10‥‥水平ポテンショメータ、11‥‥CPU部、12‥‥試料厚さ同定部、13‥‥ひずみ算出部、14‥‥ヤング率算出部、15‥‥試料厚さ・初期ヤング率補正部、16‥‥病変部位置同定部、17‥‥記憶装置部、18‥‥押込位置・押込量制御部、19‥‥、押込試験機20‥‥押込試験システム
DESCRIPTION OF
Claims (2)
試料と球圧子を相対的に移動させて前記試料の複数の位置に前記球圧子を位置させるための水平アクチュエータと、
前記試料に前記球圧子を押し込む垂直アクチュエータと、
前記複数の位置において、押込み荷重および押込み量を制御する制御部と、
前記押込み荷重および押し込み量に基づき前記複数の位置でのヤング率および試料の厚みを算出する算出部と、
前記算出部で算出された複数の位置でのヤング率および厚みの値を記憶する記憶装置部と、を有し、
前記ヤング率の複数の位置間での差分、および、算出された厚みの値の複数の位置間での変化にもとづき、前記試料中の硬さの異なる物体の存在および押し込み方向における前記物体の位置を推定する押込試験装置。 In the indentation test device to detect the presence or absence of foreign matter in the sample,
A horizontal actuator for relatively moving the sample and the ball indenter to position the ball indenter at a plurality of positions of the sample;
A vertical actuator that pushes the ball indenter into the sample;
At the plurality of positions, a control unit that controls the indentation load and the indentation amount;
A calculation unit for calculating the Young's modulus and the thickness of the sample at the plurality of positions based on the indentation load and the indentation amount;
A storage unit that stores values of Young's modulus and thickness at a plurality of positions calculated by the calculation unit;
Based on the difference between the plurality of positions of the Young's modulus and the change in the calculated thickness value between the plurality of positions, the presence of an object of different hardness in the sample and the position of the object in the indentation direction Indentation test device to estimate.
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