专利名称：微小检验体的体积弹性率测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微小生物组织及其他微小检验体的力学性质、特别是体积弹性率的测量方法及测量装置。
背景技术：
在以软骨或骨等的再生治疗为目的的细胞组织培养中，其成熟度在判定适用向患者移植的时期方面是重要的，所以，必须正确地对这些生物组织的力学强度进行测量。但是，迄今为止，微小且柔软的生物组织作为用于正确地测量应变或应力的试验片，其形状不整齐，所以，用通常的力学物理性能测量法对力学性质进行测量比较困难，而且，组织会由于测量而遭受损伤等，因此，不能在培养的中途阶段连续地进行测量。
现在，作为关于生物组织的物理性能测量的公知装置，有下述装置，即，通过对生物表层组织进行光学分析，来判定皮肤的弹力、张力、新鲜度(例如，参照专利文献1)，或者通过照射光，来推断肩酸、肝硬化、乳腺癌、或者脂肪肝的发展程度等(例如，参照专利文献2)，但是，能够在培养的中途阶段对上述那样的再生组织的硬度本身持续并且有效地进行测量的装置却不存在。
特开平11-244266号公报[专利文献2]特开平10-000190号公报发明内容本发明提供一种用于通过体积弹性率来正确地把握由于微小且柔软而不能进行整形的，不能用通常的试验仪器进行测量的物体，特别是软骨或骨、血管等生物组织的成熟度的方法及装置。
体积弹性率，是在向体积V的物体施加一定的压力P后，其体积缩小dV时，根据虎克定律，应力P用P＝-kdV/V表示的情况下的比例常数k。
因此，本发明提供如下的方法和装置，即，首先测量基准压力气氛下的微小检验体的初始体积，然后在加压气氛下测量该检验体的缩小后的体积，从这些体积的变化来正确地运算测量检验体的体积弹性率。
为解决上述问题，技术方案1所述的发明提出了下述基本方案，即，在将生物组织等微小检验体收纳在已知容积的测量室中，检测出使该测量室内的气压从第一气压变化为第二气压时检验体的体积变化的方法中，使测量室内的容积周期性地变化，并对此时的测量室内的压力变动进行计测，通过对该计测信号进行运算解析来测量检验体的体积弹性率。
技术方案2及5中所述的发明为用于具体地实施前述基本发明的方法及装置，具备测量室、比较用容积室、和用于检测两室间的压力差的差压计测机构，将检验体收纳在测量室中，分别在将测量室·比较用容积室均设定为基准气压的状态下，和，将两室均设定为比基准气压高的压缩气压的状态下，向两室施加周期性的压力变化，并从基准气压时的两室的差压信号检测出检验体的初始体积，从压缩气压时的两室的差压信号检测出检验体的压缩体积，然后对这些检测信号进行运算解析，来测量检验体的体积弹性率。
技术方案3以下所述的发明提供了用于使用前述方法及装置来运算体积弹性率的运算式、及其他对实施本发明有效的具体机构。
根据本发明，检验体只要是能够插入测量室的试样容纳部中的微小物体，任何形状都可以，所以能够进行活着的微小生物组织的计测。以往，不能用应变仪等对形状不定的活着的细胞的强度(硬度)进行测量，所以不过是将经过适当处理了的试样作为大致的标准来进行计测。但是，根据本发明，即使对上述那样的形状不定的生物组织也可以很正确地进行计测，所以，例如，只要将健康人的生物软骨的体积弹性率和作成治疗用的生物软骨的体积弹性率进行比较，就可以在保持其原样的状态下计测出该治疗用的生物软骨的成熟度。
即，根据本发明，使在保持其原样的状态下对形状不定的生物组织的力学性质，例如变形度、弹性率等进行定量的测量成为可能，从而对再生医学、仿生工程学等领域的研究作出了划时代的贡献。


图1为表示实施本发明的方法的装置的一例的纵剖视图。
图2为通过图1的活塞中心轴的A-A剖视图。
图3为表示取出从筐体的各室检测出的压力的差并进行处理的测量电路构成的简图。
图4为将在测量室中放入0到4个钢球后测量时的输出坐标打点而作出的图，描绘了将筐体置于大气压下(0kPa)的情况下的直线A、50kPa的情况下的直线B、100kPa的情况下的直线C。
具体实施例方式
图1为表示实施本发明的装置的一例的纵剖视图，1为由硬质塑料等形成的底箱、2为支承在底箱1的上端上的，收纳测量室等的筐体、3为用于对筐体2内的活塞驱动凸轮进行旋转驱动的马达、C为收纳全部这些装置的，具备盖C’的外侧密闭筐体。
在该情况下，筐体2为圆筒状，通过杯状分隔部件5及后面关于图2所述的弦壁14等，将顶板4下方的内部空间划分成测量室6、比较用容积室7。在杯状分隔部件5上，具有收纳由出入测量室6内的活塞8a、出入比较用容积室7内的活塞8b构成的相同形状的活塞对的压力缸室，压力缸室的中间下部，与同样地形成在杯状分隔部件5上的凸轮轴孔9连通。凸轮轴孔9使支承在马达3的输出轴上的活塞驱动凸轮10可转动地嵌合着。
在顶板4上设置有开口11，该开口11中嵌合有罩12。测量用检验体，在取下罩12后，收纳在杯状分隔部件5的上表面，即试样容纳部11’上。又，试样容纳部11’为经由形成在顶板4的下表面上的流路13与测量室6完全连通的状态，从而形成了作为测量室6的延长部分的空间。21a、21b为将测量室6、比较用容积室7与外侧筐体C连通的连通路，测量室6、比较用容积室7内的气压由此保持成与筐体C内的气压相同的气压，但该流路由于为极细的流路，所以被设计为流路阻力高的状态。
图2为通过图1的活塞中心轴的A-A剖视图。如该图2所明确的那样，形成在圆筒状的筐体2的背面及正面圆弧范围内的弦壁14，14’对杯状分隔部件5进行固定，并且确定了测量室6和比较用容积室7的大小。从筐体2的外侧伸入的，到达差压计15的一对内部探测端(未图示)的探测导通管16，16贯穿弦壁14，并分别在测量室6和比较用容积室7中开口。作为构成差压计15的压力传感器的元件结构，可以使用半导体膜片型、压电型、静电电容型、弹性体膜片型等，但在该实施方式中，采用了易于结构化的静电电容型。在这种静电电容型差压传感器中，前述一对内部探测端，是指对位于上下固定电极之间的中央电极进行支承的硅膜片的两表面，上下各电极和中央电极之间的静电电容跟随与差压相应的硅膜片的位置位移。而且，17是连通测量室6和容积室7的微细管路，是为使两室6，7在足够长的时间常数内处于压力平衡状态而设置的，所以从本质上来说，不必特别地设置。
同样地，在图2中，18为对活塞8a和8b的后端进行支承的复位弹簧18，使活塞前端一直压接在凸轮10上，来保证与凸轮旋转相应的活塞的往复运动。又，希望在两室6、7上均设置将测量室6及比较用容积室7的各室与外部密闭筐体C连通的连通路21a、21b，但即使在只设置在任一个室中的情况下，也可以在一定时间后，通过两室6，7间的微细连通路17使另一个室也处于同样的压力。
图3为表示取出从筐体2检测出的差压并进行处理的测量电路构成的简图。差压计15的差压输出被供给到FFT分析机(高速傅立叶变换解析装置)19，通过该FFT分析机19，作为除去伴随着活塞运动等产生的噪音等后的正确的差压信号输出，然后通过内装的运算电路算出检验体的体积弹性率。不过，也可以还将专用的运算电路及输出装置连接在FFT分析机19外部。又，20是差压计15及FFT分析机19等所需的电源。使用上述装置构成的情况下的测量原理如下所述。总容积的全体(1，2，15)包围在密闭筐体C中。
首先，设，通过活塞8a、8b向室内的伸入及退出，使设定为基准气压(例如，大气压)的测量室6和比较用容积室7的容积以同位相周期性地变化ΔV。其中，设包括试样容纳部11’在内的测量室6的容积和压力为V1，P1，设比较用容积室7的容积和压力为V2，P2。两室6，7间的微细管路17设定为，相对于ΔV的变化，在足够长的时间常数(大约1分钟以内)内变成P1＝P2，所以，若考虑该ΔV变化以一定周期产生，就可以将周期内的平均压力表示为P1＝P2＝P。在该状态下，设产生PV变化的多变指数为n时，在准静态过程中，
P1V1n＝常数…(1)用时间对该式两边微分，得到P1nV1n-1dV1+dP1V1n＝0 …(2)若将该微分式(2)中的容积增量dV1及压力增量dP1置换为容积变化ΔV1＝ΔV及对应的压力变化ΔP1，则测量室的压力瞬时值P1的分解度也相当于ΔV生成的周期，从而可应用[P1]＝P。因此，可得到压力变化式ΔP1＝-nPΔV/V1 …(3)同样地，对于比较用容积室，由于ΔV2＝ΔV，所以可得到ΔP2＝-nPΔV/V2 …(4)在测量室(试样容纳部11’)中未放入试样的状态下，表示为，ΔP1-ΔP2＝nPΔV(1/V1-1/V2) …(5)其中，设将具有微小体积X(V1的数百分之1～千分之1左右)的试样放入测量室(试样容纳部11’)后剩余的容积为Vx时，在测量室6和比较用容积室7之间产生与该容积相对应的差压。该关系为式(6)，ΔP1-ΔP2＝nPΔV[(1/(V1-X)-1/V2]＝nPΔV(1/Vx-1/V2) …(6)如前所述，在上式(6)中，可采用[P1]＝[P2]＝P的理由是，测量室6和比较用容积室7之间的空气阻力大小为，使两室的压力在足够长的时间常数(约1分钟以内)内平衡，而且，这样的空气流通关系在各室6，7和总容积的外部空间之间也成立，所以可使用总容积的作为已知或设定值的总容积外部压力，作为该P。若由此来测量差压ΔP1-ΔP2，由于式(6)的右边除容积Vx以外都是已知的常数，所以可以通过该Vx容易地求得试样体积X。
进而，如果将包括试样容纳部11’在内的测量室6的容积V1和比较用容积室7的容积V2预先设定为V1＝V2＝V，对上式(6)的第1行ΔP1-ΔP2＝nPΔV[(1/(V-X)-1/V]…(7)的右边进行通分，可得到ΔP1-ΔP2＝nPΔV[(V-V+X)/V(V-X)]＝〔nPΔV/(V-X)〕X/V＝〔nPΔV(V+X)/(V2-X2)〕X/V …(8)由于分母的微小体积的平方X2相对于V2可以忽略，可得到ΔP1-ΔP2＝〔nPΔV(V+X)/V2〕X/V＝nPΔV(X/V2+X2/V3) …(9)同样地，忽略右边第2项，可得到ΔP1-ΔP2＝(nPΔV/V2)X…(10)从而，可以容易地求得试样体积X。
接着，对从差压计的输出信号中提取表示实际的差压ΔP2-ΔP1的有效输出Ys的方法进行叙述。通过向测量室6中投入检验体体积X而产生的差压ΔP1-ΔP2的输出信号，最终成为与产生容积变化ΔV的活塞8a、8b的周期性运动相对应的频率的振动成分。
其中，如果活塞8a、8b的运动是在时间轴上用正弦波表示的那样的简谐振动，则压差计输出的主要成分可能是该振动频率的正弦波信号，但如图2所明确的那样，克服弹簧18来驱动活塞8a，8b的活塞驱动凸轮10的形状为将正方形的4个顶点切削掉了的变形8角形，大体上由以正方形的顶点间隔为一个周期的基本波成分(一次成分)，和以变形8角形的钝角顶点间隔为一个周期的倍频成分(二次成分)构成，另外，也夹杂有由装置的振动和冲击产生的杂音。在本发明的实施中，在以活塞的基本振动数，即削掉顶点了的近似正方形凸轮的转速19Hz的4倍(乘以正方形的四边的值)76Hz作为一次成分的频率时，可以最精确地进行测量。
因此，在本发明的实施方式中，如图3所示，将差压计15的输出输入到FFT分析机19中，其中从通过高速傅立叶变换得到的信号中，提取表示压力变动的基本波成分(一次成分)和倍频成分(二次成分)，第3谐波成分以上则作为噪音忽略。在该情况下，二次成分是由变形8角形产生的信号，作为应从包含在一次成分中的由4顶点变形产生的误差成分中扣除的信号成分而存在。因此，经过FFT运算处理后的差压计输出，被作为从一次成分中扣除二次成分后的值Ys∝ΔP1-ΔP2使用。这样，根据式(6)中的ΔP1-ΔP2＝nPΔV(1/Vx-1/V2)，可求得X＝V1-Vx …(11)或者，可简单地根据式(10)的ΔP1-ΔP2＝(nPΔV/V2)X，来得到基准压力P(例如，大气压)下的检验体的体积X。
接着，将总容积自身置于比基准压力P高的气压P’下，产生同样的容积变化ΔV，可得到在气压P’下变化(收缩)了的相同检验体的体积X’。
X’＝V1-Vx’ …(12)从这些试样体积X及X’的值将体积应变εv及体积弹性率K作为εv＝(X-X’)/X…(13)及K＝(P’-P)/εv…(14)算出。
〔实施例1〕作出用于从未知试样的差压输出Ys求出体积X的Ys-X校正用回归直线。为作成该回归直线，首先，求出在大气压(用kPa单位表示为0kPa)下，将体积已知的高弹性率的试样，例如钢球放入测量室的试样容纳部11’中时的输出。此时，设1个钢球的体积为x、个数为N，则X＝Nx。实际的钢球体积x为4.19mm3，对其0个到4个的输出坐标进行打点而做出的图为图4的回归直线A。其次，将总容积整个放入密闭容器中，送进压缩空气，然后对同样的试样个数求出总容积输出，并作图。因为钢球的体积弹性率足够大，所以可认为相对于施加的压力(高压)几乎不发生体积变化。在高压下测量的回归直线B表示压力为50kPa的情况，回归直线C表示压力为100kPa的情况。
这些回归直线在X坐标零点(无试样)上，具有各自固有的输出，形成为具有一定的斜率的一次直线，将大气压时的一般式表示为Ys＝aX+b …(15)将施加了高压时的一般式表示为Ys’＝a’X’+b’ …(16)表示。实际上使用数值计算法算出的一次直线的式子为，A(基准压大气压) Ys＝4.0518X+486.84[mV]B(50kPa) Ys’＝2.0413X’+238.88[mV]C(100kPa) Ys’＝1.3317X’+147.13[mV]在作图时，表示Ys、Ys’与X、X’的直线关系的精度的影响程度的R2分别为0.9852、0.975及0.981，明显地，都是高精度的。
因此，当然，基准压时及高压·压缩时的试样体积X和X’可以通过把由FFT分析机的输出Ys和Ys’得到的(ΔP2-ΔP1)和(ΔP2’-ΔP1’)应用于前式(1)、(2)中算出，但也可以从上述Ys＝aX+b、Ys’＝a’X’+b’的直线上的位置(或者以Ys和Ys’为地址的表内的数值)直接求得，作为实施本发明方法的装置，后者的作为使用Ys式和Ys’式的方式进行初始设定更为简便。
使用上述校正曲线，对物理参数已知的，与生物软组织近似的硅酮橡胶粒的体积进行测量。首先，将该已知的物理参数和钢球的物理参数一起表示在表1中。
表1试样的种类 体积V 杨氏模量E 体积弹性率K[mm3] [kPa][kPa]钢球 4.19 200×106 极大值(约170×106)硅酮橡胶 11.5 80 670**其中，K＝E/3(1-2v)，泊松比v＝0.48下面，将把差压计的FFT处理输出套用在校正用的回归直线中而得到的测量结果作成表2表示。
表2压力P 差压计的FFT处理输出 体积(计算值)[kPa] [mV]/76HZ-152HZ [mm3]0 529.431 10.5(-1.0*)100 159.084 8.98*表示与实际体积的误差为-1.0。
在使用通过上述测量得到的体积来计算硅酮橡胶粒的体积弹性率K时，K＝P/εv＝100/[(10.5-8.98)/10.5]＝690[kPa]。该值相对于记在表1中的已知物理参数之一的已知体积弹性率K＝670，只产生了不足+3％的误差，而且，该K也不能说是相对于相同硅酮粒的绝对的真值，所以可以解释为能得到大致正确的值。
在以上实施例中，采用凸轮驱动/弹簧复位式的活塞作为用于使测量室和比较用容积室产生ΔV的变化的容积变化赋予机构，也可以使用电磁驱动式活塞或膜片、振动板方式等其他物理位移机构。而且，使充满测量室和比较用容积室的内外的气体为非活性气体，可以作为防止装置结构或试样的氧化或者劣化的方式。而且，外侧密闭筐体C内的气压若切换设定为如下3级等的多个气压，即，最初设定为1个气压，接着例如切换成1.3个气压、1.5个气压，则如果计测运算出各阶段下的差压输出，就可以作成更加正确的回归直线，所以可在高精度下求得检验体的体积弹性率。
如以上的实施方式所明确的那样，本发明的方法对于形状不特定的各种检验体，可以在其为微小生物组织时，在活着的状态下，迅速而且精度良好地对其力学特性之一的体积弹性率进行测量。因此，可以作为对培养的软骨或骨、血管等生物组织的成熟度进行计测的医疗用仪表使用，而且，可用于对形状不定的柔软的物质，例如合成纤维、植物纤维、种子、脂肪等广泛的物质的物理性能及机械的性质进行判明。
权利要求
1.一种微小检验体的体积弹性率测量方法，其特征在于，将生物组织等微小检验体收纳在已知容积的测量室内，检测出使该测量室内的气压从第一气压变化为第二气压时检验体的体积变化，其中，使前述测量室内的容积周期性地变化，并对此时的测量室内的压力变动进行计测，通过对该计测信号进行运算解析来测量检验体的体积弹性率。
2.一种微小检验体的体积弹性率测量方法，其特征在于，具备测量室、比较用容积室、用于检测两室间的压力差的差压计测机构，将检验体收纳在前述测量室中，分别在将测量室·比较用容积室均设定为基准气压的状态下，和，将两室均设定为比基准气压高的压缩气压的状态下，对前述两室施加周期性的压力变化，并从基准气压时的两室的差压信号检测出检验体的初始体积，从压缩气压时的两室的差压信号检测出检验体的压缩体积，然后对这些检测信号进行运算解析，来测量检验体的体积弹性率。
3.如权利要求2所述的体积弹性率测量方法，其特征在于，设测量室的容积为V1、比较用容积室的容积为V2、对两室施加的同位相的相同容积变化为ΔV，设前述基准气压下的收纳的检验体的初始体积为X、除去该检验体部分的测量室中的容积为Vx、前述测量室和比较用容积室的各室内的压力P1、P2的变化为ΔP1，ΔP2、该P1，P2的平均值为[P1]＝[P2]＝P，设前述压缩气压下的收纳的检验体的压缩体积为X’、除去该检验体部分的测量室中的容积为Vx’、前述测量室和比较用容积室的各室内的压力P1’、P2’的变化为ΔP1’，ΔP2’、该P1’，P2’的平均值为[P1’]＝[P2’]＝P’，将各室通用的PVn多元变化的微分式中的容积增量dV及压力增量dP分别置换为前述容积变化ΔV及与其相伴的压力变化ΔP1、ΔP2，及ΔP1’，ΔP2’时，得到两个时候的差压近似式，ΔP1-ΔP2＝nPΔV(1/Vx-1/V2)…(1)ΔP1’-ΔP2’＝nP’ΔV(1/Vx’-1/V2)…(2)由用前述差压计检测出的ΔP1-ΔP2、ΔP1’-ΔP2’及前述式(1)式(2)，求出置于基准气压下的，与容积Vx对应的检验体的初始体积X和置于压缩气压下的，与容积Vx’对应的检验体的压缩体积X’。
4.如权利要求2或3所述的体积弹性率测量方法，其特征在于，前述基准气压为大气压。
5.一种微小检验体的体积弹性率测量装置，其特征在于，具备收纳检验体的测量室、比较用容积室、用于对两室周期性地施加相同容积变化的容积变化赋予机构、将两室的气压切换成至少第一压，第二压2级的机构、检测赋予前述容积变化时的两室内的压力差的机构，从两室的差压计测前述检验体的压缩体积，从而算出检验体的体积弹性率。
6.如权利要求5所述的体积弹性率测量装置，其特征在于，将由前述测量室、前述比较用容积室、前述容积变化赋予机构、用于检测前述压力差的差压计测机构所构成的结构体，收纳在可以导入加压气体的密闭筐体内，经由具有高流通阻力的流路来使前述测量室·比较用容积室与前述密闭筐体内部连通。
7.如权利要求5或6所述的体积弹性率测量装置，其特征在于，前述容积变化赋予机构由出入前述测量室和比较用容积室的一对活塞构成。
8.如权利要求5～7中的任一项所述的体积弹性率测量装置，其特征在于，前述容积变化赋予机构为膜片式振动板。
9.如权利要求5～8中的任一项所述的体积弹性率测量装置，其特征在于，将前述测量室及比较用容积室的气压设定为多个不同的气压。
10.如权利要求5～9中的任一项所述的体积弹性率测量装置，其特征在于，具备将前述差压计测机构的输出进行傅立叶变换解析并运算体积弹性率的机构。
全文摘要
提供一种微小检验体的体积弹性率测量方法及装置，具备测量室(6)、比较用容积室(7)、用于检测两室(6、7)间的压力差的差压计测机构(15)，将检验体收纳在测量室(6)中，分别在将两室(6、7)均设定为基准气压的状态下，和，将两室(6、7)均设定为比基准气压高的压缩气压的状态下，对前述两室(6、7)施加周期性的压力变化，并从基准气压时的两室的差压信号检测出检验体的初始体积，从压缩气压时的两室(6、7)的差压信号检测出检验体的压缩体积，然后对这些检测信号进行运算解析，来测量检验体的体积弹性率。
文档编号G01N3/00GK1601254SQ200410079848
公开日2005年3月30日 申请日期2004年9月23日 优先权日2003年9月24日
发明者堤定美 申请人:关西Tlo株式会社