硬軟試験方法、硬軟試験装置、及び硬軟測定装置
【課題】相対的に柔らかな表層下部に存在する下層５２（筋肉など）の硬軟を評価することを可能とする。
【解決手段】測定対象物５０の表面に接触圧子を押し付け、その接触圧子に負荷する押込荷重Ｗと接触圧子の押込深さｘを使用して測定対象物５０の硬軟を評価する。予め設定した荷重設定Ｗ１での、押込深さｘの変化Δｘに対する押込荷重Ｗの変化ΔＷの割合で表される傾きθの値によって硬軟を評価する。
【解決手段】測定対象物５０の表面に接触圧子を押し付け、その接触圧子に負荷する押込荷重Ｗと接触圧子の押込深さｘを使用して測定対象物５０の硬軟を評価する。予め設定した荷重設定Ｗ１での、押込深さｘの変化Δｘに対する押込荷重Ｗの変化ΔＷの割合で表される傾きθの値によって硬軟を評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、健康管理や品質管理などの目的で、筋肉の疲労やコリの状況を評価したり、高分子材料や食品などの弾性、硬軟、柔らかさなどを評価したり、家畜や水産物等の生育、成育度、鮮度などを評価したりするために、測定対象物の硬軟を評価、測定する硬軟試験方法及び硬軟測定装置に関する技術分野である。特に、表層部とその下に存在する下層とを備え、表層部が下層よりも柔らかい測定対象物における、下層の硬軟評価に有効な硬軟試験方法及び硬軟測定装置に関する技術分野である。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも表層部側が粘弾性体からなる測定対象物の硬軟を測定するための、従来の硬軟測定装置としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されるものがある。
すなわち、接触圧子を軸方向に移動可能に支持すると共に、その接触圧子が軸方向にバネ部材によって付勢されて構成される。そして、その接触圧子の変位量や押込荷重によって硬度を測定して測定対象物表層の硬軟を評価している。
【０００３】
例えば、一般に市販されているポータブルまたは簡易な筋硬度計は、接触圧子にバネ部材による与圧を掛け、測定対象物表面に押し付けた際における、接触圧子の変位や与圧の変化を数値化して測定するものであり、接触圧子が完全に加圧盤まで押込まれた場合を「数値１００」とした指標で筋肉の弾性、筋肉の硬軟として評価している。
なお、押込荷重の大きさが一定でないと誤差が大きく再現性が劣るため、自重で荷重を掛けて計測する装置もある。
【特許文献１】特開２００４−８５５４８号公報
【特許文献２】特開２００６−３２９９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、生体の筋肉の硬軟を測定する場合を想定すると、筋肉の上層（表層）には、脂肪層がある。この脂肪層が数ｍｍ以下の薄い場合には、上記従来のような硬軟測定装置であっても筋肉弾性の硬軟を測定して評価可能と思われる。しかし、脂肪層が厚い場合などにあっては深層の筋肉弾性の硬軟の測定は、難しいとされている。
すなわち、既存の筋硬度計（筋肉組織緊張度合い、筋肉の固さの度合い、弾性の大小の度合い、これらを定量化する計測機器）の原理は、一定の荷重で押込んだ圧子の変位量または変位に応じた荷重の大きさから判定しており、スポンジ、ゴムやプラスチックなど高分子材料の硬軟を測定するデュロメータ（ＪＩＳ、ＩＳＯに準拠）と同じである。これらの計測では、測定試料の条件が表面平滑で相応の厚さと均質な組成を有するような条件下で、かつ表層から数ミリ下の下層の硬軟、柔らかさを捉える程度の機能しかない。この条件から外れた、人体のような皮膚を含む脂肪層の厚さや粘弾性の違いによる上層の影響を除去して、その下層にある筋肉組織の弾性の程度を捉えることは困難であることから、従来の装置で得られた数値の客観性が疑問とされるなど、解決すべき点が多い。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、相対的に柔らかな表層下部に存在する下層（筋肉など）の硬軟を評価することが可能な硬軟試験方法及び硬軟測定装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、測定対象物の表面に接触圧子を押し付け、その接触圧子に負荷される押込荷重と接触圧子の押込深さから測定対象物の硬軟を評価する硬軟試験方法であって、
予め設定した設定押込荷重となったときの、単位時間当たりの押込深さの変化に対する押込荷重の変化で表される傾きの値によって硬軟を評価することを特徴とするものである。
【０００６】
次に、請求項２に記載した発明は、測定対象物の表面に接触圧子を押し付け、その接触圧子に負荷する押込荷重と接触圧子の押込深さとに基づき、単位時間当たりの押込深さの変化に対する押込荷重の変化で表される傾きを求め、予め設定した設定傾きの値になったときの押込荷重の値によって硬軟を評価することを特徴とする硬軟試験方法である。
次に、請求項３に記載した発明は、請求項１又は請求項２に記載した構成に対し、上記測定対象物は、硬軟の異なる複数層から構成され、表層の下部に当該表層よりも弾性係数が大きな測定層を有し、その測定層の硬軟を評価することを特徴とするものである。
【０００７】
次に、請求項４に記載した発明は、軸方向に進退可能に装置本体に支持されて測定対象物表面に先端部を接触可能な接触圧子と、上記装置本体に対する接触圧子の相対変位量を検出する相対変位検出手段と、上記接触圧子に負荷される荷重を検出する荷重検出手段と、上記相対変位検出手段及び荷重検出手段の検出信号に基づき、相対変位の変化に対する荷重の変化の割合で表される傾きを算出すると共に、予め設定された設定荷重となったときの上記傾きを算出する演算装置とを、備えることを特徴とする硬軟試験装置である。
【０００８】
次に、請求項５に記載した発明は、測定対象物の表面に接触させる当接部及びその当接部に先端部を連結した棒状部からなる接触圧子と、上記接触圧子を中空部に配置して当該接触圧子を軸方向に案内する内筒体と、その内筒体外径面側に入れ子状に配置されて内筒体に対し上記軸方向へ進退可能に支持される外筒体と、上記内筒体と外筒体との間に介装されて上記軸方向に弾性力を発生して内筒体に対し外筒体が離れる方向へ相対的に付勢するバネ部材からなる位置決め手段と、上記外筒体の中空部内で上記棒状部の後端部に連結して接触圧子に負荷されている荷重を検出する荷重検出手段と、外筒体の中空部内でその荷重検出部を上記軸方向に移動可能に案内する荷重検出部案内手段と、上記荷重検出部と外筒体の底部との間に介在されて上記軸方向に弾性力を発生する第２バネ部材と、上記内筒体に対する上記軸方向への接触圧子の相対変位量を検出する相対変位検出手段と、備えることを特徴とする硬軟測定装置である。
次に、請求項６に記載した発明は、請求項５に記載した構成に対し、上記外筒体の底部は、その外径面が外筒体の筒部内径面に対して螺合によって固定される円柱状のプラグ部材であって、外筒体の内径面に対する軸方向位置を調整可能となっていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、上記傾きと押込荷重との関係で硬軟を評価することで、相対的に柔らかな表層の下側にある測定層（筋肉など）の硬軟を、表層の弾性や当該表層の厚さの影響を抑えて、評価することが可能となる。
なお、例えば、対象とする測定対象物に応じて、実験その他によって押込荷重−押込深さの曲線を想定して、その曲線の傾きが立ち上がる位置に上記設定押込荷重を設定すればよい。
また、例えば設定押込荷重を低く設定すれば、若干精度は落ちるものの、表層の硬軟を評価することも出来る。
また、請求項５又は請求項６に記載する硬軟測定装置を使用することで、上記傾きと、それに対応する押込荷重を測定することを行うことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
（硬軟測定装置）
図１は、本実施形態の硬軟試験方法に使用される、硬軟測定装置の一部透視図的に図示した断面図である。
硬軟測定装置は、接触圧子１と、その接触圧子１を軸方向Ｓに進退可能に案内する内筒体７と、その内筒体７の外周側に入れ子状に支持される外筒体１２と、その内筒体７と外筒体１２との間に介装される第１バネ部材１６と、上記内筒体７に対する接触圧子１の軸方向Ｓへの変位量を検出する相対変位検出手段と、上記接触圧子１に負荷される荷重を検出する荷重検出手段と、その荷重検出手段を接触圧子１側に付勢する第２バネ部材２１と、を備える。
【００１１】
上記接触圧子１は、測定対象物の表面に接触させる当接部２と、その当接部２に先端部を連結して当接部２と同軸に配置された棒状部３と、から構成される。
上記棒状部３は、断面円形の棒状体からなっている。ただし、本実施形態では、軸方向Ｓ中途部が小径となって、相対変位検出手段が外径方向にできるだけ張り出さないように設計している。すなわち、棒状部３は、先端部側から、第１棒状部４、その第１棒状部４よりも小径の第２棒状部５、及び第１棒状部４と同径の第３棒状部６を同軸に連結して構成される。図１では、第１棒状部４の後端部に対して第２棒状部５の先端部をネジ止めで固定し、同様に、第３棒状部６の先端部に対して第２棒状部５の後端部をネジ止めで固定することで一体となっている。
【００１２】
そして、第１棒状部４の先端部に対し半円球の突起が一体的に形成され、その突起が上記当接部２を構成する。
上記内筒体７は、その中空部が、上記第１棒状部４及び第３棒状部６が摺動可能な径の内径面に形成されている。ただし、上記第２棒状部５と対向可能な部分は大径の中空部となっていて、その大径の中空部に相対変位検出手段を構成する、リニアゲージ１１（変位計）が設置されている。このリニアゲージ１１は、上記第２棒状部５の軸方向Ｓ変位を検出し、その検出信号を後述の演算装置３０に出力する。上記内筒体７は、装置本体を構成する。
【００１３】
ここで、本実施形態では、内筒体７は、軸方向Ｓに沿って３つの筒体、つまり先端部側から第１内筒体８、第２内筒体９、及び第３内筒体１０の順に配置され、それぞれが螺合によって同軸に締結されている。そして、第２内筒体９の内径面の内径が、第１及び第３内筒体８，１０の内径よりも大径に形成され、その第２内筒体９に対して、上述のように上記リニアゲージ１１が固定されている。また、第１棒状部４が第１内筒体８に摺動自在に支持され、且つ第３棒状部６が第２内筒体９に摺動可能に支持されることで、棒状部３は、その軸方向Ｓ両端部が内筒体７の中空部に対し案内、つまり軸方向Ｓに進退可能な状態で案内させる。
【００１４】
なお、第１内筒体８の先端部には外向きフランジ８ａが形成されて、測定対象物の表面への接触面積を大きくして内筒体７先端部の面圧を下げている。
また、上記内筒体７の長さは、上記接触圧子１の長さよりも短い。つまり、内筒体７先端と接触圧子１の先端とが面一の状態では、接触圧子１の後端部側は、内筒体７の後端部から突出した状態となる。
また、上記第３内筒体１０の後端部側は、内径面が大径となって、第１バネ部材１６の座面１０ａを形成している。
【００１５】
上記外筒体１２は、先端部側から、第１外筒体１３、及び第２外筒体１４の２つの筒体から構成される。第１外筒体１３は、先端部側の内径面が、第３内筒体１０外径面に摺動可能な径に設定されることで、第３円筒体の外径面に対して入れ子状に摺動自在に嵌め込み可能となっている。また、その第１外筒体１３内径面の後端部側には内向きに張り出す内向きフランジ１３ａが形成されている。上記内向きフランジ１３ａは、第３内筒体１０の後端部と対向配置されるが、その先端部に形成される開口は、上記第３棒状部６を余裕を持って通過可能な大きさに設定されている。
【００１６】
その第１外筒体１３における上記内向きフランジ１３ａよりも後端部側に、第２外筒体１４が同軸にネジ１５によって締結されている。
そして、第１外筒体１３の先端部側内径面に、第３内筒体１０が軸方向Ｓに摺動可能に嵌め込まれることで、内筒体７と外筒体１２とが軸方向Ｓへ進退可能に一部入れ子状となっている。また、第１外筒体１３の先端部側内径面内に、コイルバネからなる第１バネ部材１６が同軸に配置されている。第１バネ部材１６は、一方の端部を第３円筒体の後端側に設けた座面１０ａに当接させ、他方の端部を上記第１外筒体１３の内向きフランジ１３ａに当接させている。なお、第１バネ部材１６は、位置決め手段を構成する。
【００１７】
ここで、第１外筒体１３の一部には、軸方向Ｓに延びる長穴状のスリット１３ｂが形成され、そのスリット１３ｂ位置で、第３内筒体１０にネジ１７が取り付けられている。このネジ１７は、スリット１３ｂの端部に当接することで、第１外筒体１３の抜け止めストッパとなって内筒体７に対する外筒体１２の相対ストローク量を規制し、第１バネ部材１６の初期状態でのバネ力を規制する。
【００１８】
また、第１外筒体１３の内向きフランジ１３ａよりも後端側内径面内にロードセル１８が配置され、先端部側の面を上記第３棒状部６の後端部に連結している。ロードセル１８は、荷重検出手段を構成する。
そのロードセル１８はセル支持部材１９に連結している。セル支持部材１９は、短寸の円柱状部材であって、上記第２外筒体１４の内径面に同軸に且つ軸方向Ｓに進退可能に配置されている。
【００１９】
そのセル支持部材１９は、上記内向きフランジ１３ａから突出した棒体２０に軸方向Ｓに移動可能に案内されている。すなわち、内向きフランジ１３ａから外筒体１２の軸と平行に棒体２０が突出し、その棒体２０は、セル支持部材１９に開口した貫通穴を貫通している。棒体２０及び上記貫通穴は、荷重検出部案内手段を構成する。
そのセル支持部材１９の後端部側面には、第２バネ部材２１の端部を着座させるための凹部１９ａが形成されている。
【００２０】
また、上記第２外筒体１４の後端部側内径面には、雌ねじが刻設されている。その雌ねじに螺合する雄ねじが形成されたプラグ部材２２が螺合によって取り付けられている。このプラグ部材２２によって外筒体１２の後端部側が閉塞されている。
そのプラグ部材２２にも、第２バネ部材２１を着座させる凹部２２ａが形成されている。そして、第２外筒体１４内に同軸に第２バネ部材２１が配置され、一方の端部をセル支持部材１９の凹部１９ａに着座させ、他方の端部をプラグ部材２２の凹部２２ａに着座させている。この第２バネ部材２１の弾性力によって、ロードセル１８を介して接触圧子１に予圧が負荷される。
【００２１】
上記ロードセル１８及びリニアゲージ１１が検出した各検出信号は、演算装置３０に出力される。
演算装置３０は、連続的に入力される検出信号に基づき、所定時間間隔毎（例えば、０．１秒毎）における、棒状部３の変位量つまり押込深さｘと、そのときの押込荷重Ｗのデータを記憶部３１に記憶する。また、表示部３２にその結果を加工して表示する。
なお、演算装置３０は、例えば、ロードセル１８が検出した荷重が初期予圧よりも大きくなったときや、リニアゲージ１１による相対変位量が発生したことを検知したら、計測開始点と判断する。
【００２２】
そして、予め設定してある設定押込荷重Ｗ１と同じ荷重値に対し、その前回値の荷重値との差である単位時間当たりの荷重変化量ΔＷと、上記設定押込荷重Ｗ１のときの押込深さｘと、その前回値の押込深さｘとの差である単位時間当たり変位変化量Δｘとを求め、下記（１）式によって傾きθを算出する。
θ＝ｔａｎ−１（ΔＷ／Δｘ） ［°］ ・・・（１）
そして、求めた傾きθを表示部３２に表示したり、印字したりする。
ここで、上記演算装置３０は、演算した押込深さｘと押込荷重Ｗとの関係を図２のように表示すると共に、押込荷重Ｗと押込深さｘの時系列の変化についても表示する。
押込荷重Ｗの変化速度が早い場合には、測定誤差が大きくなる可能性があるので、警告を出力する。
ここで、例えば、上記予め設定してある設定押込荷重Ｗ１は、上記硬軟測定装置の最大荷重より若干小さな値に設定しておく。
【００２３】
図３に、内筒に対し外筒を押し込んだときの状態を示す。図３は、接触圧子１の先端部を無負荷状態（測定対象物に非接触状態）の場合であって、内筒体７からの接触圧子１の突出量が最大の状態である。この状態から、接触圧子１を押し込んだときの状態を図４に示す。この状態では、例えば最大荷重３３Ｎがロードセル１８からの検出信号によって測定される。すなわち、この状態で接触圧子１に負荷される荷重が硬軟測定装置の最大荷重となる。
【００２４】
また、この状態から、図５のように、プラグ部材２２の螺合量を増やして、外筒体１２の内径面に対する軸方向位置を調整すると、図５（ａ）のように初期荷重を増加出来ると共に、図５（ｂ）のように、最大荷重を増加させることが可能となる。すなわち、プラグ部材２２の螺合量を調整することで、測定対象物の硬軟に応じた、負荷荷重となるように調整することが出来る。
【００２５】
（使用方法）
図６のように、測定対象物は、表面から所定深さまでが粘弾性体の特性を有する物体とし、人体のように、表面側から表層部とその下部の下層５２とを有し、表層部よりも下層５２の方が弾性力が大きいものとする。下層５２は測定層となる。
まず、初期設定として、ネジ１７の取付け位置で装置のストローク量（内筒体７に対する外筒体１２のストローク量）を設定する。また、プラグ部材２２の螺合量を調整することで、第２バネ部材２１による初期荷重を調整する。
【００２６】
そして、接触圧子１の先端部及び内筒体７の先端部、つまり硬軟測定装置の先端部を測定対象物５０の表面に当て、続いて押込荷重Ｗの変化速度が所定値以下となるように気をつけながら、外筒体１２を測定対象物５０側に押していく。押すことによって、第１バネ部材１６のバネ力に抗して、内筒体７に対する外筒体１２の入れ子量（重なり）が増加する。すなわち、内筒体７の後端部側の端面が外筒体１２に内向きフランジ１３ａに当接するまで、相対的に外筒体１２が移動し、その動作によって、第２バネ部材２１のバネ力によって、徐々に接触圧子１に負荷される押込荷重Ｗが増加すると共に、その増加に伴い、接触圧子１の先端部が、測定対象物５０からの反力に抗して測定対象物５０内に押し込まれる。図６に、測定対象物５０の下層５２の硬軟による、接触圧子１の押込み量の違いを示す模式図を示す。
【００２７】
その押込荷重Ｗ及び押込深さｘの検出信号が、ロードセル１８及びリニアゲージ１１から演算装置３０に出力されて、演算装置３０で所定時間間隔（例えば０．１秒間隔）毎に押込荷重Ｗ及び押込深さｘを算出する。また、押込荷重Ｗの変化に対する押込深さｘの変化の割合である傾きθも算出する、それらの算出値は、表示部３２に表示されると共に、設定押込荷重Ｗ１となったときの傾きθが求められる。
なお、上記計測は、複数回行って、傾きθの平均値を取ることが好ましい。
そして、その傾きθの大きさによって、表層部の下にある下層５２の硬軟を評価する。
【００２８】
（測定原理）
ここで、本硬軟評価方法の測定原理について説明する。
本測定原理は、静的粘弾性測定法、つまり試料に一定歪み（応力）を与え、応力（歪み）変化を測定する方法を応用したもので、試料が固くなる（ストレスが大きい）と傾きθの角度が大きくなる性質を利用している。また傾きθが立ち上がる部分の傾きθに着目して、下層５２の定量化を検討したものである。
【００２９】
まず、図７（ａ）のような、それぞれ均一な材質で同一厚さの板状部材であって、弾性係数（硬軟）が異なる試料Ａ〜Ｅを使用して、以下の考察を行った。
各試料Ａ〜Ｅ単体の硬軟については、ＪＩＳやＩＳＯに準拠した従来例のような硬軟測定装置によって、それぞれの硬軟を求めることが出来、その試料Ａ〜Ｅの硬軟の序列を容易に得ることが出来る。
次に、図７（ｂ）〜（ｄ）のように、試料を複数の層となるように積層した場合を考える。なお、（ｂ）は上層５１と下層５２の厚さが等しい２層構成で下層５２が試料Ａ〜Ｅで弾性が異なり、（ｃ）は上層５１が下層５２よりも２倍厚い場合で、（ｄ）は下層５２が上層５１よりも２倍厚い場合である。
【００３０】
ここで本件発明で達成すべき目的は次の２点である。
１）上層５１の弾性体の下部にある下層５２の弾性体の変化が定量化でき、その序列も整理できる。
２）下層５２の弾性体の大きさの違いと変化が定量化でき、これを絶対値として表せる。絶対値とは上層５１の弾性体を除去し、直接に下層５２の弾性体の大きさを定量化することであり、下層５２の弾性そのものを測定したことと等しい結果を得る。すなわち、図７（ａ）のような、単体で測定した場合と同等な数値として得る。
【００３１】
まず、 下層５２の弾性体が１つに対して上層５１の厚さを図７の（ｂ）と（ｃ）の２種類を考える。また、下層５２の弾性係数は上層５１の弾性体よりも大きいとする。
この場合における、押込荷重Ｗ−押込深さｘの線図（Ｗ−ｘ線図）は図８に示すようになる。そして、そのＷ−ｘ線図の曲線は、上層５１の厚さが薄い図７（ｂ）の場合はＹ軸に近く、上層５１が厚い図７（ｃ）はＹ軸から離れる曲線となる。
【００３２】
そして、上層５１の条件は、設定押込荷重Ｗ１の値を適切に調整すれば、その設定押込荷重Ｗ１のライン４０よりも下側の挙動（このライン４０以下のＷ−ｘ線図）で吸収してしまうので、θの判定には影響しないか影響が小さくなる。すなわち、下層５２が同じ弾性体の場合には、押込深さｘは異なるものの、傾きθは同じ値若しくはほぼ同じ値となる。なお、設定押込荷重Ｗ１は、傾きθが立ち上がっていると想定される範囲で設定すればよい。
【００３３】
すなわち、設定押込荷重Ｗ１に対する押込深さｘは、上層５１の弾性体やその厚さに影響を受けるが、設定押込荷重Ｗ１の値を適切に調整すれば、設定押込荷重Ｗ１に対する傾きθで見れば、上層５１の影響を抑えることが可能となる。
また、図７（ｂ）の例において、下層５２の弾性体が異なる場合には、同じ設定押込荷重Ｗ１における、傾きθは、下層５２の弾性体が硬いほど大きくなる。
【００３４】
このように、傾きθの大きさから、次の評価が可能になる。
なお、傾きθの範囲は、０°＜θ≦９０°となる。
１）θ→大：下層５２の弾性体は硬い。
２）θ→小：下層５２の弾性体は軟らかい。
３）θ＝９０°→対象物が完全な剛体。
４）θ≒０°→対象物が完全な軟体と想定される。
なお、従来のように、押込荷重Ｗが一定に近い設定で測定した場合には、押込荷重Ｗと押込深さｘの最大値から、これらの変化を捉えることが出来ない。
【００３５】
ここで、相対的に柔らかい上層５１と硬い下層５２とからなる測定対象物５０に対して、押込荷重Ｗを負荷した場合に、当該押込荷重Ｗが小さいときには、その変形は、柔らかい上層５１での変形が支配的となり、このときの傾きθは相対的に小さい。更に、押込荷重Ｗが増加するにつれて、全体としての変形は下層５２の変形が支配的となり、傾きθが立上ってそのときの傾きθは相対的に大きくなる。
【００３６】
従って、上記設定押込荷重Ｗ１を小さく設定すれば、上層５１の硬軟に応じた傾きθを得ることができて上層５１の硬軟を評価することが出来る。一方、設定押込荷重Ｗ１を高めに設定すれば、上述のように下層５２の硬軟を評価することが出来る。
なお、対象とする測定対象物５０によって上記設定押込荷重Ｗ１は異なるが、例えば、一度、押込荷重Ｗと押込深さｘの対応を求めてみて、傾きθの立ち上りが大きくなっていると想定されるところに設定押込荷重Ｗ１を設定すればよい。対象とする下層５２の弾性体の弾性力の値が推測できれば、その弾性体の弾性力から上記設定押込荷重Ｗ１を経験値などに基づいて設定すればよい。
【００３７】
（効果）
（１） 以上のように、上層５１の弾性力や厚さによる影響を抑えて、上層５１よりも硬い粘弾性体からなる下層５２の硬軟を、傾きθを指標として求めることが出来る。そして、この傾きθの大きさによって下層５２の硬軟の序列が付けられ、つまり下層５２の硬度の定量的な評価が可能となる。
従来、筋肉の疲労度や炎症によりその内圧が上昇することが分かっており、治療により疲労や炎症が収まり回復した場合には内圧が降下することも分かっている。その確認方法は、従来では細い針を直接患部に刺入していたが、一般の検診ではできなくなっている。可能なのはアスリートなどに限られ、病院で診察した後に本人の同意を得て実施されている。
【００３８】
そこで、筋肉内圧の上昇や降下は筋肉の張り（緊張度＝弾性）の大小と同じであり、弾性の大小に表れる筋肉の硬軟が測定でき、内圧の変化と硬軟の変化との相関性が得られれば、硬軟測定だけで診療計画が実施できれば飛躍的な診断技術と言われている。
すなわち、定量化はもちろん評価方法や測定方法は全く確立されていないのが現状である。これに対し、本発明を使用することで、この課題が解消する。
なお、内筒体７の先端部も測定対象物５０表面に押し付けられるが、外向きフランジ８ａによって、その圧は小さくなると共に、表層の変位で吸収されて、下層５２の硬軟測定に影響はないか小さい。
（２）また、設定押込荷重Ｗ１を小さく設定すれば、上層５１の硬軟も評価することが可能となる。
【００３９】
（応用）
上記説明では、予め設定した設定押込荷重Ｗ１での傾きθで評価しているが、これは逆に見れば、所定の傾きθとなる押込荷重Ｗで評価したのと、同等の関係にある。すなわち、予め所定の傾きθを設定傾きθ１として設定しておき、その設定傾きθ１となる押込荷重Ｗの大きさで評価するようにしても構わない。
【実施例】
【００４０】
［第１実施例］
上記実施形態で説明した硬軟測定装置及び硬軟評価方法を評価するために、人体の筋肉組織を計測してみた。
人体の試験部位として、僧帽筋（上部線維）、僧帽筋（中部線維）、上腕二頭筋、大腿直筋の４箇所を選定して実施した。選定理由は、僧帽筋は「肩こり」に代表されるところ、上腕二頭筋は「力こぶ」が容易に再現可能であること、大腿直筋は試験する際に硬軟測定装置を押し当てるのにあまり慣れを必要としないためである。なお、日頃運動をしている大学生を被験者としている。
ここで、この試験の初期設定値は以下のように設定した。
・設定押込荷重Ｗ１（３０Ｎ）
・押込時間（７秒）
・接触圧子１の当接部２（外径φ４０）
・押込ストローク（１３ｍｍ）
・押込圧子寸法（ＳＲ４）
【００４１】
（試験結果）
演算装置３０で算出した値に基づき以下の検討を行った。
（１）押込深さｘ−押込荷重Ｗからの検討
最大押込荷重Ｗに対する、各部位の押込深さｘを求めたところ図９に示す結果を得た。
また、各部位の押込荷重Ｗを求めたところ図１０に示す結果を得た。この図９及び図１０からは、対象部位の筋肉弾性の序列は同じ関係となっていて、以下のような序列となっている。
僧帽筋（上部線維） ＞僧帽筋（中部線維 ）＞大腿直筋 ＞上腕二頭筋
また、図９及び図１０には、大腿直筋と上腕二頭筋に力を入れて筋肉を硬くした場合の測定結果も併記した。同図から分かるように、「力有り」では弾性（緊張度）は大きくなり、その比較は次にようになる。
大腿直筋（力有り） ＞上腕二頭筋（力有り）
【００４２】
（２）傾きθからの検討
押込荷重Ｗの変化ΔＷと押込深さｘの変化Δｘとの関係から、任意の（ΔＷ／Δｘ）を与えた各対象部位の傾きθの角度を求めた。その結果を図１１に示し、これを図１０との対比が分かり易いように整理したものが図１２である。
横軸の「１から５」及び「５から７」は荷重の範囲設定番号を表している。
設定方法は押込最大荷重Ｗに対するΔＷを与える割合として、例えば次のように設定した。
番号１： ０．２〜０．５
番号２： ０．３〜０．６
番号３： ０．４〜０．７
番号４： ０．５〜０．８
番号５： ０．６〜０．９
番号６： ０．７〜０．９
番号７： ０．８〜０．９
【００４３】
番号５〜７は、装置の押込終了に近い辺りの番号５を２分割した６と７である。すなわち、最大押込荷重Ｗが与えられる辺りを分割して、皮膚や脂肪層下部の筋肉弾性を捉えられるのではないかと考え、これがＷ−ｘ線図の傾きθの角度の大きさに変化が見られると予測したためである。番号１から番号７に示すΔＷの割合は一例を示したもので、対象部位の小さな硬軟の変化を捉えるためΔＷの番号はＷ−ｘ線図の最大荷重Ｗの１．０まで任意に設定可能としている。
【００４４】
図１２から分かるように、傾きθで評価すると、例えば荷重範囲番号５の傾きθの角度の大小を比較すれば、押込荷重Ｗの大小でみた図１０中の筋肉の部位２と５の僧帽筋（中部線維）と大腿直筋が入れ替わり、次のような序列である。
僧帽筋（上部線維）＞大腿直筋＞僧帽筋（中部線維）＞上腕二頭筋
また、「力有り」でも、押込荷重Ｗの大小でみた図１０中の筋肉の部位４と６が入れ替わり、以下の関係にある。
上腕二頭筋（力有り）＞大腿直筋（力有り）
このように、傾きθで評価すると、押込荷重Ｗによる序列とは異なる序列の部位が存在している。すなわち、押込荷重Ｗによる評価と、傾きθでの評価とは一致しない部分がある。
なお、上述のように押込深さｘによる評価と、押込荷重Ｗによる評価とは同じ序列となっている。
【００４５】
（３）Ｗ−ｘ線図の形から検討
図１１と図１２からは、押込初期から終了までの各部位の序列は変わっていないため、Ｗ−ｘ線図の傾きθは各部位により異なっていると見られる。
ここに、各部位のＷ−ｘ線図の代表例を図１３及び図１４に示す。押込荷重Ｗによる評価である図１０では、僧帽筋（中部線維）が大腿直筋（力無し）より大きいが、図１２の傾きθの角度での評価では逆転しており、図１３から、押込荷重１０Ｎから最大値までの傾きは大腿直筋（力無し）が大きくなっていることが分かる。従って、この逆転現象に注目する必要がある。
【００４６】
次に、「力有り」の上腕二頭筋（力有り）と大腿直筋（力有り）との区別は、図１４のように、押込荷重１０Ｎから最大値までの傾きが異なり、傾きθから求めた序列になる判断は可能である。単に押込荷重や押込深さのみで硬軟を評価する方法は正しく判断出来ないため、このＷ−ｘ線図を用いる測定は効果的な方法である。この点も注目すべき点がある。
【００４７】
［第２実施例］
そこで、更に詳しく検証すべく、人体の筋肉部位を弾性体と見立てた固さ（緊張）程度を試作品により計測した結果から、先に示した注目すべき点の要因やどちらの評価が正しく対象部位の弾性を捉えているのか検討してみた。
ここで、不確定要素が多い人体部位では測定や解析が複雑になるため、皮膚や脂肪層の下部にある筋肉層の弾性変化を定量化する基本的な試験を行う必要から、以下では試料をスポンジ弾性体に置き換えて、これらの点を検証してみた。
【００４８】
（１）試料
人体の筋肉組織は上層５１に皮膚や脂肪及び血管からなる層が有り、その下に筋肉組織が有り、筋肉組織の緊張度は上層５１にも影響があると思われるが、簡便化して、図１５のような脂肪層の厚さを変えたモデルを想定した。皮膚や脂肪層は軟質スポンジ、下層５２の筋肉は硬質スポンジ、骨部はアルミ板の金属板とした試料を作成する。
スポンジの硬度特性を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
この表１で、Ｃ型硬度（度）は、デュロメータＴｙｐｅＣ硬度計により測定された値（カタログ値）で、Ｃ型は日本ゴム協会規格（ＳＲＩＳ ０１０１）である。
また、各スポンジの寸法は、幅１００ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ５ｍｍの板部材とする。このスポンジから図１５のモデルから図１６に示す４種類の試験試料の組合せを検討した。
【００５１】
組合せは次の通りである。
（ａ）１層（ｔ）：厚さ５ｍｍで、試料Ａ〜Ｅの５種類
（ｂ）２層（ｔ×ｔ）：上層５１は軟質スポンジ試料Ａ、厚さ５ｍｍ／下層５２は試料Ａ〜Ｅの５種類、厚さ５ｍｍ
（ｃ）２層（２ｔ×ｔ）：上層５１は軟質スポンジ試料Ａ、厚さ５ｍｍ×２／下層５２は試料Ａ〜Ｅの５種類、厚さ５ｍｍ
（ｄ）２層（ｔ×２ｔ）：上層５１は軟質スポンジ試料Ａ、厚さ５ｍｍ／下層５２は試料Ａ〜Ｅの５種類、厚さ５ｍｍ×２
【００５２】
（２）試験方法
上記と同じ方法及び解析を実施した。
まず、既存の硬度計を使用した２例の場合の例を比較のために示す。
（３）デュロメータによる試験（比較のための試験）
（ア）試験方法
この試験方法は、ＪＩＳ Ｋ ６２５３ 加硫ゴムの硬軟試験方法に準拠した市販品である。その仕様を以下に示す。
・デュロメータＴｙｐｅＥ硬度計使用
・ミツトヨ社製ハードマチックＨＨ−３００
・準拠規格ＪＩＳ Ｋ ６２５３ 加硫ゴムの硬軟試験方法
（イ）試験結果
試験は、図１６に示す４種について行った。
図１７にその結果を示す。図中、斜めに傾斜した線が図１６（ａ）の試料Ａ〜Ｅの硬度値である。その結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
【００５４】
この表２の「測定値［度］」表示の説明は次の内容である。
・Ｅ ：デュロメータＥ型
・数字：硬度の大きさ（単位：度）、測定値の中央値
・±数字：中央値に対するバラツキ
・数字：加圧面押し付け測定時間（単位：秒）
表２の硬度値は試料Ａ〜Ｅのスポンジ硬軟（表１のメーカー測定値）に近似する結果である。この値は試料質感の表面からの値である。図１７（ａ）は試料Ａを上層５１として下層５２に試料Ａ〜Ｅ（表２の硬度値を示す）に変えた硬度値である。同様に（ｂ）と（ｃ）からも、試料Ａ−Ａ−Ａの組合せだけが僅かに小さくなるが、その他は判別が困難である。すなわち、上層５１試料Ａの上から下層５２の硬軟変化を捉えることはできない。
すなわち、この従来の試験では、次のようなことが言える。
・下層５２試料は上層５１試料の層の硬軟質感に支配される。
・下層５２試料は上層５１試料の厚さの影響を受けた硬軟質感になる。
・下層５２試料の硬軟の評価が困難である。
【００５５】
（４）筋硬度計ＮＥＵＴＯＮＥによる試験（比較のための試験）
（ア）試験方法
この試験方法は、筋硬度計として市販されている製品を用いてデュロメータＴｙｐｅＥ硬度計と同じ試料を用いてその得失を検討するために実施した。その仕様を以下に示す。
・ＮＥＵＴＯＮＥ ＴＤＭ−Ｎ１硬度計を使用
・有限会社トライオール社製
（イ）試験結果
試験は、図１６の４種について行った。その結果を、図１８に示す。図中、斜めに傾斜する線が図１６（ａ）の試料Ａ〜Ｅの硬度値である。その結果を表３に示す。
【００５６】
【表３】
【００５７】
ここで、表３の「測定値［Ｎ硬度］」表示の説明は次の内容である。
・Ｎ ： ＮＥＵＴＯＮＥ ＴＤＭ−ＮＩのＮ
・数字：指示値の読み、測定値の中央値
・±数字： 中央値に対するバラツキ
１層のＮ硬度値は表３の結果となった。試料Ａ〜Ｅのスポンジ硬度は、表１のメーカー測定値とは異なるが、硬軟の序列は表２と同じである。図１７と図１８の２層の傾向は全く同じであり、試料Ａ−Ａ−Ａの組合せだけが僅かに小さくなるが、その他は判別が困難である。すなわち、上層５１試料Ａの上から下層５２の硬軟変化を捉えることはできない。
【００５８】
（５）押込深さｘと押込荷重Ｗとの関係について
（ア）試験方法
上記実施形態で説明した硬軟測定装置を使用して、各種の試料で押込深さｘと押込荷重Ｗとを測定した。
その押込荷重Ｗと試料との組合せの関係を図１９に示す。
なお、図１６（ｂ）のようにｔ１０ｍｍ（２枚重ね）とした試料を標準とした。試料Ａ−Ａ〜Ｅ−Ｅが図１７と図１８の試料Ａ〜Ｅに対応する。
（イ）試験結果
試料Ａ−Ａ〜Ｅ−Ｅの両者の関係から、上記実施形態で説明した硬軟測定装置の機構が正常に機能していたことが分かる。
【００５９】
また、図１９についてデュロメータ及び筋硬度計の場合と対比して観れば、硬軟の序列は、先の２種と全く同じであり筋硬度計での測定と酷似している。
次に、図１９（ａ）の試料Ａ−Ａ〜Ａ−Ｅから分かるように、図１７（ａ）と及び図１８（ａ）と比較して、試料Ａ−Ａ〜Ａ−Ｅの序列が判別できるようになり、他の２種には備わっていない機能が確認できた。
【００６０】
同じく、図１９（ｂ）と（ｃ）についても比較すると、（ｃ）は（ａ）と同じく序列が判別でき、標準とした序列と大きさをそのまま下方に移した結果になっている。これも他にはない機能である。
図１９（ｂ）では、上層５１の厚さの影響によって下層５２の変化を少し捉え難くなっているが、試料の序列は表れており、硬軟測定装置の機能が、上記従来例の種に比べ有効性、有用性の点で高い機能性があることが分かる。
【００６１】
（６）傾きθと硬軟
（ア）試験方法
次に、上述に示したΔＷの変化の割合による範囲と同じものを使用し、番号１から番号７で整理してみた。そして、Ｗ−ｘ線図の形から検討も行い、傾きθの角度と下層５２試料の硬軟との相関性について解析してみた。
ここでは、図１７、図１８及び図１９における、２層組合せた下層５２試料の硬軟序列が判別可能な方法について検討した。
【００６２】
（イ）試験結果
図１９の（ａ）、（ｂ）と（ｃ）に対応する傾きθの角度で整理すると、図２０に示す結果を得る。
図２０（ａ）から試料Ａ−ＡはＡ−ＢとＡ−Ｃとの違いが分かるが、試料Ａ−ＢとＡ−Ｃとの違いは小さく同程度と考えられ、図１９（ａ）の序列と一致している。つまり、押込荷重Ｗの大小は傾きθの角度の大小と一致することが分かる。この考え方は、図２０（ｃ）と図１９（ｃ）でも同じ傾向になっているため、傾きθから下層５２の硬軟判別は可能であることが分かる。
【００６３】
このように、押込荷重Ｗで判別や序列が分かれば、傾きθからの判定は追確認として有用である。また、押込荷重Ｗで序列や硬軟の違いが判別可能な試料においては、傾きθの序列も押込初期から終了まで変わらない点は新たな発見である。
また、図１９（ｂ）の序列は大まかに捉えているが、その判定に有用な資料が有れば序列の断定が可能になる。図２０（ｂ）において番号５〜７の序列は図１９（ｂ）の序列を明確に表しており、その判別に有効であることが分かる。そして、押込荷重Ｗでは下層５２の硬軟序列の判定が曖昧または難しい場合であっても、この傾きθによって評価した方がより精確に評価出来ることが分かる。
【００６４】
（７）以上のことをまとめると次のようになる。
（ア）工業用硬度計として、スポンジやゴムの硬軟試験のデュロメータの結果である図１７と筋硬度計ＮＥＵＴＯＮＥで市販されている結果の図１８における押込荷重Ｗによる方法では同図（ａ）、（ｂ）と（ｃ）の２層構成（上層５１が下層５２より軟らかい質感）では、試料１層と比べ下層５２の硬軟の大きさや序列は困難または全く捉えられない。もっとも、上層５１の厚さが薄い数ｍｍ以下では可能のようである。
【００６５】
（イ）また、上述のような既存の２種と比べ、本件発明に基づく硬軟測定装置を使用すると、図１９から分かるように、図１９（ａ）と（ｃ）のような形態であれば、押込荷重Ｗだけでも下層５２の硬軟変化を捉えられることが分かる。
（ウ）また、図１９（ｂ）の場合には、押込荷重Ｗによる序列の判別が難しいが、傾きθで評価すると、図２０にように、下層５２の硬軟変化を捉えられることが分かる。
このように、本実施形態の硬軟試験を使用すると、上層５１に比較的軟らかな厚い層が存在しても傾きθの角度から、従来判別が不可能であった上層５１下部の下層５２の硬軟を定量的に評価することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
ここで、本発明に基づく硬軟試験方法は、例えば下記のような分野で使用可能と思われる。
・医療福祉：リハビリ、手技療法、理学療法、成形外科
・競技スポーツ：スポーツドクター、トレーナー
・一般家庭：健康管理、疲労、コリ、料理など
・工業製品：高分子材料、品質管理など
・食品加工：弾性、硬軟、柔らかさ、品質管理など
・農 業：野菜、果物、穀物、生育、品質管理など
・畜 産：家畜の成育、品質管理など
・林 業：樹木、生育など
・水産業：成育、鮮度、品質管理など
・土木・建設業：土圧、老朽化、施工管理、水分・湿度吸収率、検査など
【００６７】
その適用例の一例を挙げれば次のようなものがある。
１）筋肉組織の緊張度測定（張りの具合）、診断時の治療前や治療後の回復程度を定量化する。筋肉は脂肪を介して存在するため脂肪層の厚さを取り除いた筋肉の硬軟を定量化する必要がある。
２）僧帽筋の緊張度（一般に言われている肩こり）と精神的なストレスによる因果関係とを定量化する。
３）肩こり時の値とこれが回復したときの値との違いを定量化する。最終目標として、指圧療法士が指先で感じるこりの大小が定量化できる性能に作り込む。
【００６８】
４）スポーツトレーナーやスポーツドクターが選手の筋肉の張りを測定することで、身体的な健康管理や回復力を定量化し、メンタル面を含めた総合評価に利用可能である。
５）理学療法士においては、リハビリの成果を数値化して患者への励みや治療の効果について、患者や療法士の主観的な判断ではなく客観的な判断に利用できる。
６）押込み条件や小型化により、肌の張り（弾性）が測定でき肌年齢や化粧水により肌の回復力にも利用できる。化粧品会社や店頭ブースで使ってもらうことによる装置の効果も期待できる。
７）その他、多くの産業分野では粘弾性に近い対象物の弾性、粘性、硬軟を定量化したり品質管理したりする計測が行われており、これらの分野にも応用や適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に基づく実施形態に係る硬軟測定装置を示す断面図である。
【図２】表示例を示す図である。
【図３】本発明に基づく実施形態に係る硬軟測定装置を示す断面図である。
【図４】本発明に基づく実施形態に係る硬軟測定装置を示す断面図である。
【図５】本発明に基づく実施形態に係る硬軟測定装置を示す断面図である。
【図６】下層の硬軟が異なる測定対象物について、押し込んだときの違いを示す模式図である。
【図７】試料を示す図である。
【図８】測定原理を説明するＷ−ｘ線図である。
【図９】押込深さでの評価を示す図である。
【図１０】押込荷重での評価を示す図である。
【図１１】傾きでの評価を示す図である。
【図１２】傾きでの評価を示す図である。
【図１３】筋肉の各部位におけるＷ−ｘ線図を示す図である。
【図１４】力を入れた筋肉の各部位におけるＷ−ｘ線図を示す図である。
【図１５】人体でのモデルを示す図である。
【図１６】人体モデルでの試料を示す図である。
【図１７】デュロメータによる試験結果を示す図である。
【図１８】従来の筋硬度計での試験結果を示す図である。
【図１９】本実施形態の硬軟測定装置を使用した押込荷重の試験結果を示す図である。
【図２０】傾き角度での試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 接触圧子
２ 当接部
３ 棒状部
７ 内筒体
１２ 外筒体
１６ 第１バネ部材
１８ ロードセル
２１ 第２バネ部材
３０ 演算装置
５０ 測定対象物
５１ 上層
５２ 下層（測定層）
Ｗ 押込荷重
Ｗ１ 設定押込荷重
θ 傾き
θ１ 設定傾き
ΔＷ 荷重変化量
Δｘ 変位変化量
【技術分野】
【０００１】
本発明は、健康管理や品質管理などの目的で、筋肉の疲労やコリの状況を評価したり、高分子材料や食品などの弾性、硬軟、柔らかさなどを評価したり、家畜や水産物等の生育、成育度、鮮度などを評価したりするために、測定対象物の硬軟を評価、測定する硬軟試験方法及び硬軟測定装置に関する技術分野である。特に、表層部とその下に存在する下層とを備え、表層部が下層よりも柔らかい測定対象物における、下層の硬軟評価に有効な硬軟試験方法及び硬軟測定装置に関する技術分野である。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも表層部側が粘弾性体からなる測定対象物の硬軟を測定するための、従来の硬軟測定装置としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されるものがある。
すなわち、接触圧子を軸方向に移動可能に支持すると共に、その接触圧子が軸方向にバネ部材によって付勢されて構成される。そして、その接触圧子の変位量や押込荷重によって硬度を測定して測定対象物表層の硬軟を評価している。
【０００３】
例えば、一般に市販されているポータブルまたは簡易な筋硬度計は、接触圧子にバネ部材による与圧を掛け、測定対象物表面に押し付けた際における、接触圧子の変位や与圧の変化を数値化して測定するものであり、接触圧子が完全に加圧盤まで押込まれた場合を「数値１００」とした指標で筋肉の弾性、筋肉の硬軟として評価している。
なお、押込荷重の大きさが一定でないと誤差が大きく再現性が劣るため、自重で荷重を掛けて計測する装置もある。
【特許文献１】特開２００４−８５５４８号公報
【特許文献２】特開２００６−３２９９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、生体の筋肉の硬軟を測定する場合を想定すると、筋肉の上層（表層）には、脂肪層がある。この脂肪層が数ｍｍ以下の薄い場合には、上記従来のような硬軟測定装置であっても筋肉弾性の硬軟を測定して評価可能と思われる。しかし、脂肪層が厚い場合などにあっては深層の筋肉弾性の硬軟の測定は、難しいとされている。
すなわち、既存の筋硬度計（筋肉組織緊張度合い、筋肉の固さの度合い、弾性の大小の度合い、これらを定量化する計測機器）の原理は、一定の荷重で押込んだ圧子の変位量または変位に応じた荷重の大きさから判定しており、スポンジ、ゴムやプラスチックなど高分子材料の硬軟を測定するデュロメータ（ＪＩＳ、ＩＳＯに準拠）と同じである。これらの計測では、測定試料の条件が表面平滑で相応の厚さと均質な組成を有するような条件下で、かつ表層から数ミリ下の下層の硬軟、柔らかさを捉える程度の機能しかない。この条件から外れた、人体のような皮膚を含む脂肪層の厚さや粘弾性の違いによる上層の影響を除去して、その下層にある筋肉組織の弾性の程度を捉えることは困難であることから、従来の装置で得られた数値の客観性が疑問とされるなど、解決すべき点が多い。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、相対的に柔らかな表層下部に存在する下層（筋肉など）の硬軟を評価することが可能な硬軟試験方法及び硬軟測定装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、測定対象物の表面に接触圧子を押し付け、その接触圧子に負荷される押込荷重と接触圧子の押込深さから測定対象物の硬軟を評価する硬軟試験方法であって、
予め設定した設定押込荷重となったときの、単位時間当たりの押込深さの変化に対する押込荷重の変化で表される傾きの値によって硬軟を評価することを特徴とするものである。
【０００６】
次に、請求項２に記載した発明は、測定対象物の表面に接触圧子を押し付け、その接触圧子に負荷する押込荷重と接触圧子の押込深さとに基づき、単位時間当たりの押込深さの変化に対する押込荷重の変化で表される傾きを求め、予め設定した設定傾きの値になったときの押込荷重の値によって硬軟を評価することを特徴とする硬軟試験方法である。
次に、請求項３に記載した発明は、請求項１又は請求項２に記載した構成に対し、上記測定対象物は、硬軟の異なる複数層から構成され、表層の下部に当該表層よりも弾性係数が大きな測定層を有し、その測定層の硬軟を評価することを特徴とするものである。
【０００７】
次に、請求項４に記載した発明は、軸方向に進退可能に装置本体に支持されて測定対象物表面に先端部を接触可能な接触圧子と、上記装置本体に対する接触圧子の相対変位量を検出する相対変位検出手段と、上記接触圧子に負荷される荷重を検出する荷重検出手段と、上記相対変位検出手段及び荷重検出手段の検出信号に基づき、相対変位の変化に対する荷重の変化の割合で表される傾きを算出すると共に、予め設定された設定荷重となったときの上記傾きを算出する演算装置とを、備えることを特徴とする硬軟試験装置である。
【０００８】
次に、請求項５に記載した発明は、測定対象物の表面に接触させる当接部及びその当接部に先端部を連結した棒状部からなる接触圧子と、上記接触圧子を中空部に配置して当該接触圧子を軸方向に案内する内筒体と、その内筒体外径面側に入れ子状に配置されて内筒体に対し上記軸方向へ進退可能に支持される外筒体と、上記内筒体と外筒体との間に介装されて上記軸方向に弾性力を発生して内筒体に対し外筒体が離れる方向へ相対的に付勢するバネ部材からなる位置決め手段と、上記外筒体の中空部内で上記棒状部の後端部に連結して接触圧子に負荷されている荷重を検出する荷重検出手段と、外筒体の中空部内でその荷重検出部を上記軸方向に移動可能に案内する荷重検出部案内手段と、上記荷重検出部と外筒体の底部との間に介在されて上記軸方向に弾性力を発生する第２バネ部材と、上記内筒体に対する上記軸方向への接触圧子の相対変位量を検出する相対変位検出手段と、備えることを特徴とする硬軟測定装置である。
次に、請求項６に記載した発明は、請求項５に記載した構成に対し、上記外筒体の底部は、その外径面が外筒体の筒部内径面に対して螺合によって固定される円柱状のプラグ部材であって、外筒体の内径面に対する軸方向位置を調整可能となっていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、上記傾きと押込荷重との関係で硬軟を評価することで、相対的に柔らかな表層の下側にある測定層（筋肉など）の硬軟を、表層の弾性や当該表層の厚さの影響を抑えて、評価することが可能となる。
なお、例えば、対象とする測定対象物に応じて、実験その他によって押込荷重−押込深さの曲線を想定して、その曲線の傾きが立ち上がる位置に上記設定押込荷重を設定すればよい。
また、例えば設定押込荷重を低く設定すれば、若干精度は落ちるものの、表層の硬軟を評価することも出来る。
また、請求項５又は請求項６に記載する硬軟測定装置を使用することで、上記傾きと、それに対応する押込荷重を測定することを行うことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
（硬軟測定装置）
図１は、本実施形態の硬軟試験方法に使用される、硬軟測定装置の一部透視図的に図示した断面図である。
硬軟測定装置は、接触圧子１と、その接触圧子１を軸方向Ｓに進退可能に案内する内筒体７と、その内筒体７の外周側に入れ子状に支持される外筒体１２と、その内筒体７と外筒体１２との間に介装される第１バネ部材１６と、上記内筒体７に対する接触圧子１の軸方向Ｓへの変位量を検出する相対変位検出手段と、上記接触圧子１に負荷される荷重を検出する荷重検出手段と、その荷重検出手段を接触圧子１側に付勢する第２バネ部材２１と、を備える。
【００１１】
上記接触圧子１は、測定対象物の表面に接触させる当接部２と、その当接部２に先端部を連結して当接部２と同軸に配置された棒状部３と、から構成される。
上記棒状部３は、断面円形の棒状体からなっている。ただし、本実施形態では、軸方向Ｓ中途部が小径となって、相対変位検出手段が外径方向にできるだけ張り出さないように設計している。すなわち、棒状部３は、先端部側から、第１棒状部４、その第１棒状部４よりも小径の第２棒状部５、及び第１棒状部４と同径の第３棒状部６を同軸に連結して構成される。図１では、第１棒状部４の後端部に対して第２棒状部５の先端部をネジ止めで固定し、同様に、第３棒状部６の先端部に対して第２棒状部５の後端部をネジ止めで固定することで一体となっている。
【００１２】
そして、第１棒状部４の先端部に対し半円球の突起が一体的に形成され、その突起が上記当接部２を構成する。
上記内筒体７は、その中空部が、上記第１棒状部４及び第３棒状部６が摺動可能な径の内径面に形成されている。ただし、上記第２棒状部５と対向可能な部分は大径の中空部となっていて、その大径の中空部に相対変位検出手段を構成する、リニアゲージ１１（変位計）が設置されている。このリニアゲージ１１は、上記第２棒状部５の軸方向Ｓ変位を検出し、その検出信号を後述の演算装置３０に出力する。上記内筒体７は、装置本体を構成する。
【００１３】
ここで、本実施形態では、内筒体７は、軸方向Ｓに沿って３つの筒体、つまり先端部側から第１内筒体８、第２内筒体９、及び第３内筒体１０の順に配置され、それぞれが螺合によって同軸に締結されている。そして、第２内筒体９の内径面の内径が、第１及び第３内筒体８，１０の内径よりも大径に形成され、その第２内筒体９に対して、上述のように上記リニアゲージ１１が固定されている。また、第１棒状部４が第１内筒体８に摺動自在に支持され、且つ第３棒状部６が第２内筒体９に摺動可能に支持されることで、棒状部３は、その軸方向Ｓ両端部が内筒体７の中空部に対し案内、つまり軸方向Ｓに進退可能な状態で案内させる。
【００１４】
なお、第１内筒体８の先端部には外向きフランジ８ａが形成されて、測定対象物の表面への接触面積を大きくして内筒体７先端部の面圧を下げている。
また、上記内筒体７の長さは、上記接触圧子１の長さよりも短い。つまり、内筒体７先端と接触圧子１の先端とが面一の状態では、接触圧子１の後端部側は、内筒体７の後端部から突出した状態となる。
また、上記第３内筒体１０の後端部側は、内径面が大径となって、第１バネ部材１６の座面１０ａを形成している。
【００１５】
上記外筒体１２は、先端部側から、第１外筒体１３、及び第２外筒体１４の２つの筒体から構成される。第１外筒体１３は、先端部側の内径面が、第３内筒体１０外径面に摺動可能な径に設定されることで、第３円筒体の外径面に対して入れ子状に摺動自在に嵌め込み可能となっている。また、その第１外筒体１３内径面の後端部側には内向きに張り出す内向きフランジ１３ａが形成されている。上記内向きフランジ１３ａは、第３内筒体１０の後端部と対向配置されるが、その先端部に形成される開口は、上記第３棒状部６を余裕を持って通過可能な大きさに設定されている。
【００１６】
その第１外筒体１３における上記内向きフランジ１３ａよりも後端部側に、第２外筒体１４が同軸にネジ１５によって締結されている。
そして、第１外筒体１３の先端部側内径面に、第３内筒体１０が軸方向Ｓに摺動可能に嵌め込まれることで、内筒体７と外筒体１２とが軸方向Ｓへ進退可能に一部入れ子状となっている。また、第１外筒体１３の先端部側内径面内に、コイルバネからなる第１バネ部材１６が同軸に配置されている。第１バネ部材１６は、一方の端部を第３円筒体の後端側に設けた座面１０ａに当接させ、他方の端部を上記第１外筒体１３の内向きフランジ１３ａに当接させている。なお、第１バネ部材１６は、位置決め手段を構成する。
【００１７】
ここで、第１外筒体１３の一部には、軸方向Ｓに延びる長穴状のスリット１３ｂが形成され、そのスリット１３ｂ位置で、第３内筒体１０にネジ１７が取り付けられている。このネジ１７は、スリット１３ｂの端部に当接することで、第１外筒体１３の抜け止めストッパとなって内筒体７に対する外筒体１２の相対ストローク量を規制し、第１バネ部材１６の初期状態でのバネ力を規制する。
【００１８】
また、第１外筒体１３の内向きフランジ１３ａよりも後端側内径面内にロードセル１８が配置され、先端部側の面を上記第３棒状部６の後端部に連結している。ロードセル１８は、荷重検出手段を構成する。
そのロードセル１８はセル支持部材１９に連結している。セル支持部材１９は、短寸の円柱状部材であって、上記第２外筒体１４の内径面に同軸に且つ軸方向Ｓに進退可能に配置されている。
【００１９】
そのセル支持部材１９は、上記内向きフランジ１３ａから突出した棒体２０に軸方向Ｓに移動可能に案内されている。すなわち、内向きフランジ１３ａから外筒体１２の軸と平行に棒体２０が突出し、その棒体２０は、セル支持部材１９に開口した貫通穴を貫通している。棒体２０及び上記貫通穴は、荷重検出部案内手段を構成する。
そのセル支持部材１９の後端部側面には、第２バネ部材２１の端部を着座させるための凹部１９ａが形成されている。
【００２０】
また、上記第２外筒体１４の後端部側内径面には、雌ねじが刻設されている。その雌ねじに螺合する雄ねじが形成されたプラグ部材２２が螺合によって取り付けられている。このプラグ部材２２によって外筒体１２の後端部側が閉塞されている。
そのプラグ部材２２にも、第２バネ部材２１を着座させる凹部２２ａが形成されている。そして、第２外筒体１４内に同軸に第２バネ部材２１が配置され、一方の端部をセル支持部材１９の凹部１９ａに着座させ、他方の端部をプラグ部材２２の凹部２２ａに着座させている。この第２バネ部材２１の弾性力によって、ロードセル１８を介して接触圧子１に予圧が負荷される。
【００２１】
上記ロードセル１８及びリニアゲージ１１が検出した各検出信号は、演算装置３０に出力される。
演算装置３０は、連続的に入力される検出信号に基づき、所定時間間隔毎（例えば、０．１秒毎）における、棒状部３の変位量つまり押込深さｘと、そのときの押込荷重Ｗのデータを記憶部３１に記憶する。また、表示部３２にその結果を加工して表示する。
なお、演算装置３０は、例えば、ロードセル１８が検出した荷重が初期予圧よりも大きくなったときや、リニアゲージ１１による相対変位量が発生したことを検知したら、計測開始点と判断する。
【００２２】
そして、予め設定してある設定押込荷重Ｗ１と同じ荷重値に対し、その前回値の荷重値との差である単位時間当たりの荷重変化量ΔＷと、上記設定押込荷重Ｗ１のときの押込深さｘと、その前回値の押込深さｘとの差である単位時間当たり変位変化量Δｘとを求め、下記（１）式によって傾きθを算出する。
θ＝ｔａｎ−１（ΔＷ／Δｘ） ［°］ ・・・（１）
そして、求めた傾きθを表示部３２に表示したり、印字したりする。
ここで、上記演算装置３０は、演算した押込深さｘと押込荷重Ｗとの関係を図２のように表示すると共に、押込荷重Ｗと押込深さｘの時系列の変化についても表示する。
押込荷重Ｗの変化速度が早い場合には、測定誤差が大きくなる可能性があるので、警告を出力する。
ここで、例えば、上記予め設定してある設定押込荷重Ｗ１は、上記硬軟測定装置の最大荷重より若干小さな値に設定しておく。
【００２３】
図３に、内筒に対し外筒を押し込んだときの状態を示す。図３は、接触圧子１の先端部を無負荷状態（測定対象物に非接触状態）の場合であって、内筒体７からの接触圧子１の突出量が最大の状態である。この状態から、接触圧子１を押し込んだときの状態を図４に示す。この状態では、例えば最大荷重３３Ｎがロードセル１８からの検出信号によって測定される。すなわち、この状態で接触圧子１に負荷される荷重が硬軟測定装置の最大荷重となる。
【００２４】
また、この状態から、図５のように、プラグ部材２２の螺合量を増やして、外筒体１２の内径面に対する軸方向位置を調整すると、図５（ａ）のように初期荷重を増加出来ると共に、図５（ｂ）のように、最大荷重を増加させることが可能となる。すなわち、プラグ部材２２の螺合量を調整することで、測定対象物の硬軟に応じた、負荷荷重となるように調整することが出来る。
【００２５】
（使用方法）
図６のように、測定対象物は、表面から所定深さまでが粘弾性体の特性を有する物体とし、人体のように、表面側から表層部とその下部の下層５２とを有し、表層部よりも下層５２の方が弾性力が大きいものとする。下層５２は測定層となる。
まず、初期設定として、ネジ１７の取付け位置で装置のストローク量（内筒体７に対する外筒体１２のストローク量）を設定する。また、プラグ部材２２の螺合量を調整することで、第２バネ部材２１による初期荷重を調整する。
【００２６】
そして、接触圧子１の先端部及び内筒体７の先端部、つまり硬軟測定装置の先端部を測定対象物５０の表面に当て、続いて押込荷重Ｗの変化速度が所定値以下となるように気をつけながら、外筒体１２を測定対象物５０側に押していく。押すことによって、第１バネ部材１６のバネ力に抗して、内筒体７に対する外筒体１２の入れ子量（重なり）が増加する。すなわち、内筒体７の後端部側の端面が外筒体１２に内向きフランジ１３ａに当接するまで、相対的に外筒体１２が移動し、その動作によって、第２バネ部材２１のバネ力によって、徐々に接触圧子１に負荷される押込荷重Ｗが増加すると共に、その増加に伴い、接触圧子１の先端部が、測定対象物５０からの反力に抗して測定対象物５０内に押し込まれる。図６に、測定対象物５０の下層５２の硬軟による、接触圧子１の押込み量の違いを示す模式図を示す。
【００２７】
その押込荷重Ｗ及び押込深さｘの検出信号が、ロードセル１８及びリニアゲージ１１から演算装置３０に出力されて、演算装置３０で所定時間間隔（例えば０．１秒間隔）毎に押込荷重Ｗ及び押込深さｘを算出する。また、押込荷重Ｗの変化に対する押込深さｘの変化の割合である傾きθも算出する、それらの算出値は、表示部３２に表示されると共に、設定押込荷重Ｗ１となったときの傾きθが求められる。
なお、上記計測は、複数回行って、傾きθの平均値を取ることが好ましい。
そして、その傾きθの大きさによって、表層部の下にある下層５２の硬軟を評価する。
【００２８】
（測定原理）
ここで、本硬軟評価方法の測定原理について説明する。
本測定原理は、静的粘弾性測定法、つまり試料に一定歪み（応力）を与え、応力（歪み）変化を測定する方法を応用したもので、試料が固くなる（ストレスが大きい）と傾きθの角度が大きくなる性質を利用している。また傾きθが立ち上がる部分の傾きθに着目して、下層５２の定量化を検討したものである。
【００２９】
まず、図７（ａ）のような、それぞれ均一な材質で同一厚さの板状部材であって、弾性係数（硬軟）が異なる試料Ａ〜Ｅを使用して、以下の考察を行った。
各試料Ａ〜Ｅ単体の硬軟については、ＪＩＳやＩＳＯに準拠した従来例のような硬軟測定装置によって、それぞれの硬軟を求めることが出来、その試料Ａ〜Ｅの硬軟の序列を容易に得ることが出来る。
次に、図７（ｂ）〜（ｄ）のように、試料を複数の層となるように積層した場合を考える。なお、（ｂ）は上層５１と下層５２の厚さが等しい２層構成で下層５２が試料Ａ〜Ｅで弾性が異なり、（ｃ）は上層５１が下層５２よりも２倍厚い場合で、（ｄ）は下層５２が上層５１よりも２倍厚い場合である。
【００３０】
ここで本件発明で達成すべき目的は次の２点である。
１）上層５１の弾性体の下部にある下層５２の弾性体の変化が定量化でき、その序列も整理できる。
２）下層５２の弾性体の大きさの違いと変化が定量化でき、これを絶対値として表せる。絶対値とは上層５１の弾性体を除去し、直接に下層５２の弾性体の大きさを定量化することであり、下層５２の弾性そのものを測定したことと等しい結果を得る。すなわち、図７（ａ）のような、単体で測定した場合と同等な数値として得る。
【００３１】
まず、 下層５２の弾性体が１つに対して上層５１の厚さを図７の（ｂ）と（ｃ）の２種類を考える。また、下層５２の弾性係数は上層５１の弾性体よりも大きいとする。
この場合における、押込荷重Ｗ−押込深さｘの線図（Ｗ−ｘ線図）は図８に示すようになる。そして、そのＷ−ｘ線図の曲線は、上層５１の厚さが薄い図７（ｂ）の場合はＹ軸に近く、上層５１が厚い図７（ｃ）はＹ軸から離れる曲線となる。
【００３２】
そして、上層５１の条件は、設定押込荷重Ｗ１の値を適切に調整すれば、その設定押込荷重Ｗ１のライン４０よりも下側の挙動（このライン４０以下のＷ−ｘ線図）で吸収してしまうので、θの判定には影響しないか影響が小さくなる。すなわち、下層５２が同じ弾性体の場合には、押込深さｘは異なるものの、傾きθは同じ値若しくはほぼ同じ値となる。なお、設定押込荷重Ｗ１は、傾きθが立ち上がっていると想定される範囲で設定すればよい。
【００３３】
すなわち、設定押込荷重Ｗ１に対する押込深さｘは、上層５１の弾性体やその厚さに影響を受けるが、設定押込荷重Ｗ１の値を適切に調整すれば、設定押込荷重Ｗ１に対する傾きθで見れば、上層５１の影響を抑えることが可能となる。
また、図７（ｂ）の例において、下層５２の弾性体が異なる場合には、同じ設定押込荷重Ｗ１における、傾きθは、下層５２の弾性体が硬いほど大きくなる。
【００３４】
このように、傾きθの大きさから、次の評価が可能になる。
なお、傾きθの範囲は、０°＜θ≦９０°となる。
１）θ→大：下層５２の弾性体は硬い。
２）θ→小：下層５２の弾性体は軟らかい。
３）θ＝９０°→対象物が完全な剛体。
４）θ≒０°→対象物が完全な軟体と想定される。
なお、従来のように、押込荷重Ｗが一定に近い設定で測定した場合には、押込荷重Ｗと押込深さｘの最大値から、これらの変化を捉えることが出来ない。
【００３５】
ここで、相対的に柔らかい上層５１と硬い下層５２とからなる測定対象物５０に対して、押込荷重Ｗを負荷した場合に、当該押込荷重Ｗが小さいときには、その変形は、柔らかい上層５１での変形が支配的となり、このときの傾きθは相対的に小さい。更に、押込荷重Ｗが増加するにつれて、全体としての変形は下層５２の変形が支配的となり、傾きθが立上ってそのときの傾きθは相対的に大きくなる。
【００３６】
従って、上記設定押込荷重Ｗ１を小さく設定すれば、上層５１の硬軟に応じた傾きθを得ることができて上層５１の硬軟を評価することが出来る。一方、設定押込荷重Ｗ１を高めに設定すれば、上述のように下層５２の硬軟を評価することが出来る。
なお、対象とする測定対象物５０によって上記設定押込荷重Ｗ１は異なるが、例えば、一度、押込荷重Ｗと押込深さｘの対応を求めてみて、傾きθの立ち上りが大きくなっていると想定されるところに設定押込荷重Ｗ１を設定すればよい。対象とする下層５２の弾性体の弾性力の値が推測できれば、その弾性体の弾性力から上記設定押込荷重Ｗ１を経験値などに基づいて設定すればよい。
【００３７】
（効果）
（１） 以上のように、上層５１の弾性力や厚さによる影響を抑えて、上層５１よりも硬い粘弾性体からなる下層５２の硬軟を、傾きθを指標として求めることが出来る。そして、この傾きθの大きさによって下層５２の硬軟の序列が付けられ、つまり下層５２の硬度の定量的な評価が可能となる。
従来、筋肉の疲労度や炎症によりその内圧が上昇することが分かっており、治療により疲労や炎症が収まり回復した場合には内圧が降下することも分かっている。その確認方法は、従来では細い針を直接患部に刺入していたが、一般の検診ではできなくなっている。可能なのはアスリートなどに限られ、病院で診察した後に本人の同意を得て実施されている。
【００３８】
そこで、筋肉内圧の上昇や降下は筋肉の張り（緊張度＝弾性）の大小と同じであり、弾性の大小に表れる筋肉の硬軟が測定でき、内圧の変化と硬軟の変化との相関性が得られれば、硬軟測定だけで診療計画が実施できれば飛躍的な診断技術と言われている。
すなわち、定量化はもちろん評価方法や測定方法は全く確立されていないのが現状である。これに対し、本発明を使用することで、この課題が解消する。
なお、内筒体７の先端部も測定対象物５０表面に押し付けられるが、外向きフランジ８ａによって、その圧は小さくなると共に、表層の変位で吸収されて、下層５２の硬軟測定に影響はないか小さい。
（２）また、設定押込荷重Ｗ１を小さく設定すれば、上層５１の硬軟も評価することが可能となる。
【００３９】
（応用）
上記説明では、予め設定した設定押込荷重Ｗ１での傾きθで評価しているが、これは逆に見れば、所定の傾きθとなる押込荷重Ｗで評価したのと、同等の関係にある。すなわち、予め所定の傾きθを設定傾きθ１として設定しておき、その設定傾きθ１となる押込荷重Ｗの大きさで評価するようにしても構わない。
【実施例】
【００４０】
［第１実施例］
上記実施形態で説明した硬軟測定装置及び硬軟評価方法を評価するために、人体の筋肉組織を計測してみた。
人体の試験部位として、僧帽筋（上部線維）、僧帽筋（中部線維）、上腕二頭筋、大腿直筋の４箇所を選定して実施した。選定理由は、僧帽筋は「肩こり」に代表されるところ、上腕二頭筋は「力こぶ」が容易に再現可能であること、大腿直筋は試験する際に硬軟測定装置を押し当てるのにあまり慣れを必要としないためである。なお、日頃運動をしている大学生を被験者としている。
ここで、この試験の初期設定値は以下のように設定した。
・設定押込荷重Ｗ１（３０Ｎ）
・押込時間（７秒）
・接触圧子１の当接部２（外径φ４０）
・押込ストローク（１３ｍｍ）
・押込圧子寸法（ＳＲ４）
【００４１】
（試験結果）
演算装置３０で算出した値に基づき以下の検討を行った。
（１）押込深さｘ−押込荷重Ｗからの検討
最大押込荷重Ｗに対する、各部位の押込深さｘを求めたところ図９に示す結果を得た。
また、各部位の押込荷重Ｗを求めたところ図１０に示す結果を得た。この図９及び図１０からは、対象部位の筋肉弾性の序列は同じ関係となっていて、以下のような序列となっている。
僧帽筋（上部線維） ＞僧帽筋（中部線維 ）＞大腿直筋 ＞上腕二頭筋
また、図９及び図１０には、大腿直筋と上腕二頭筋に力を入れて筋肉を硬くした場合の測定結果も併記した。同図から分かるように、「力有り」では弾性（緊張度）は大きくなり、その比較は次にようになる。
大腿直筋（力有り） ＞上腕二頭筋（力有り）
【００４２】
（２）傾きθからの検討
押込荷重Ｗの変化ΔＷと押込深さｘの変化Δｘとの関係から、任意の（ΔＷ／Δｘ）を与えた各対象部位の傾きθの角度を求めた。その結果を図１１に示し、これを図１０との対比が分かり易いように整理したものが図１２である。
横軸の「１から５」及び「５から７」は荷重の範囲設定番号を表している。
設定方法は押込最大荷重Ｗに対するΔＷを与える割合として、例えば次のように設定した。
番号１： ０．２〜０．５
番号２： ０．３〜０．６
番号３： ０．４〜０．７
番号４： ０．５〜０．８
番号５： ０．６〜０．９
番号６： ０．７〜０．９
番号７： ０．８〜０．９
【００４３】
番号５〜７は、装置の押込終了に近い辺りの番号５を２分割した６と７である。すなわち、最大押込荷重Ｗが与えられる辺りを分割して、皮膚や脂肪層下部の筋肉弾性を捉えられるのではないかと考え、これがＷ−ｘ線図の傾きθの角度の大きさに変化が見られると予測したためである。番号１から番号７に示すΔＷの割合は一例を示したもので、対象部位の小さな硬軟の変化を捉えるためΔＷの番号はＷ−ｘ線図の最大荷重Ｗの１．０まで任意に設定可能としている。
【００４４】
図１２から分かるように、傾きθで評価すると、例えば荷重範囲番号５の傾きθの角度の大小を比較すれば、押込荷重Ｗの大小でみた図１０中の筋肉の部位２と５の僧帽筋（中部線維）と大腿直筋が入れ替わり、次のような序列である。
僧帽筋（上部線維）＞大腿直筋＞僧帽筋（中部線維）＞上腕二頭筋
また、「力有り」でも、押込荷重Ｗの大小でみた図１０中の筋肉の部位４と６が入れ替わり、以下の関係にある。
上腕二頭筋（力有り）＞大腿直筋（力有り）
このように、傾きθで評価すると、押込荷重Ｗによる序列とは異なる序列の部位が存在している。すなわち、押込荷重Ｗによる評価と、傾きθでの評価とは一致しない部分がある。
なお、上述のように押込深さｘによる評価と、押込荷重Ｗによる評価とは同じ序列となっている。
【００４５】
（３）Ｗ−ｘ線図の形から検討
図１１と図１２からは、押込初期から終了までの各部位の序列は変わっていないため、Ｗ−ｘ線図の傾きθは各部位により異なっていると見られる。
ここに、各部位のＷ−ｘ線図の代表例を図１３及び図１４に示す。押込荷重Ｗによる評価である図１０では、僧帽筋（中部線維）が大腿直筋（力無し）より大きいが、図１２の傾きθの角度での評価では逆転しており、図１３から、押込荷重１０Ｎから最大値までの傾きは大腿直筋（力無し）が大きくなっていることが分かる。従って、この逆転現象に注目する必要がある。
【００４６】
次に、「力有り」の上腕二頭筋（力有り）と大腿直筋（力有り）との区別は、図１４のように、押込荷重１０Ｎから最大値までの傾きが異なり、傾きθから求めた序列になる判断は可能である。単に押込荷重や押込深さのみで硬軟を評価する方法は正しく判断出来ないため、このＷ−ｘ線図を用いる測定は効果的な方法である。この点も注目すべき点がある。
【００４７】
［第２実施例］
そこで、更に詳しく検証すべく、人体の筋肉部位を弾性体と見立てた固さ（緊張）程度を試作品により計測した結果から、先に示した注目すべき点の要因やどちらの評価が正しく対象部位の弾性を捉えているのか検討してみた。
ここで、不確定要素が多い人体部位では測定や解析が複雑になるため、皮膚や脂肪層の下部にある筋肉層の弾性変化を定量化する基本的な試験を行う必要から、以下では試料をスポンジ弾性体に置き換えて、これらの点を検証してみた。
【００４８】
（１）試料
人体の筋肉組織は上層５１に皮膚や脂肪及び血管からなる層が有り、その下に筋肉組織が有り、筋肉組織の緊張度は上層５１にも影響があると思われるが、簡便化して、図１５のような脂肪層の厚さを変えたモデルを想定した。皮膚や脂肪層は軟質スポンジ、下層５２の筋肉は硬質スポンジ、骨部はアルミ板の金属板とした試料を作成する。
スポンジの硬度特性を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
この表１で、Ｃ型硬度（度）は、デュロメータＴｙｐｅＣ硬度計により測定された値（カタログ値）で、Ｃ型は日本ゴム協会規格（ＳＲＩＳ ０１０１）である。
また、各スポンジの寸法は、幅１００ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ５ｍｍの板部材とする。このスポンジから図１５のモデルから図１６に示す４種類の試験試料の組合せを検討した。
【００５１】
組合せは次の通りである。
（ａ）１層（ｔ）：厚さ５ｍｍで、試料Ａ〜Ｅの５種類
（ｂ）２層（ｔ×ｔ）：上層５１は軟質スポンジ試料Ａ、厚さ５ｍｍ／下層５２は試料Ａ〜Ｅの５種類、厚さ５ｍｍ
（ｃ）２層（２ｔ×ｔ）：上層５１は軟質スポンジ試料Ａ、厚さ５ｍｍ×２／下層５２は試料Ａ〜Ｅの５種類、厚さ５ｍｍ
（ｄ）２層（ｔ×２ｔ）：上層５１は軟質スポンジ試料Ａ、厚さ５ｍｍ／下層５２は試料Ａ〜Ｅの５種類、厚さ５ｍｍ×２
【００５２】
（２）試験方法
上記と同じ方法及び解析を実施した。
まず、既存の硬度計を使用した２例の場合の例を比較のために示す。
（３）デュロメータによる試験（比較のための試験）
（ア）試験方法
この試験方法は、ＪＩＳ Ｋ ６２５３ 加硫ゴムの硬軟試験方法に準拠した市販品である。その仕様を以下に示す。
・デュロメータＴｙｐｅＥ硬度計使用
・ミツトヨ社製ハードマチックＨＨ−３００
・準拠規格ＪＩＳ Ｋ ６２５３ 加硫ゴムの硬軟試験方法
（イ）試験結果
試験は、図１６に示す４種について行った。
図１７にその結果を示す。図中、斜めに傾斜した線が図１６（ａ）の試料Ａ〜Ｅの硬度値である。その結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
【００５４】
この表２の「測定値［度］」表示の説明は次の内容である。
・Ｅ ：デュロメータＥ型
・数字：硬度の大きさ（単位：度）、測定値の中央値
・±数字：中央値に対するバラツキ
・数字：加圧面押し付け測定時間（単位：秒）
表２の硬度値は試料Ａ〜Ｅのスポンジ硬軟（表１のメーカー測定値）に近似する結果である。この値は試料質感の表面からの値である。図１７（ａ）は試料Ａを上層５１として下層５２に試料Ａ〜Ｅ（表２の硬度値を示す）に変えた硬度値である。同様に（ｂ）と（ｃ）からも、試料Ａ−Ａ−Ａの組合せだけが僅かに小さくなるが、その他は判別が困難である。すなわち、上層５１試料Ａの上から下層５２の硬軟変化を捉えることはできない。
すなわち、この従来の試験では、次のようなことが言える。
・下層５２試料は上層５１試料の層の硬軟質感に支配される。
・下層５２試料は上層５１試料の厚さの影響を受けた硬軟質感になる。
・下層５２試料の硬軟の評価が困難である。
【００５５】
（４）筋硬度計ＮＥＵＴＯＮＥによる試験（比較のための試験）
（ア）試験方法
この試験方法は、筋硬度計として市販されている製品を用いてデュロメータＴｙｐｅＥ硬度計と同じ試料を用いてその得失を検討するために実施した。その仕様を以下に示す。
・ＮＥＵＴＯＮＥ ＴＤＭ−Ｎ１硬度計を使用
・有限会社トライオール社製
（イ）試験結果
試験は、図１６の４種について行った。その結果を、図１８に示す。図中、斜めに傾斜する線が図１６（ａ）の試料Ａ〜Ｅの硬度値である。その結果を表３に示す。
【００５６】
【表３】
【００５７】
ここで、表３の「測定値［Ｎ硬度］」表示の説明は次の内容である。
・Ｎ ： ＮＥＵＴＯＮＥ ＴＤＭ−ＮＩのＮ
・数字：指示値の読み、測定値の中央値
・±数字： 中央値に対するバラツキ
１層のＮ硬度値は表３の結果となった。試料Ａ〜Ｅのスポンジ硬度は、表１のメーカー測定値とは異なるが、硬軟の序列は表２と同じである。図１７と図１８の２層の傾向は全く同じであり、試料Ａ−Ａ−Ａの組合せだけが僅かに小さくなるが、その他は判別が困難である。すなわち、上層５１試料Ａの上から下層５２の硬軟変化を捉えることはできない。
【００５８】
（５）押込深さｘと押込荷重Ｗとの関係について
（ア）試験方法
上記実施形態で説明した硬軟測定装置を使用して、各種の試料で押込深さｘと押込荷重Ｗとを測定した。
その押込荷重Ｗと試料との組合せの関係を図１９に示す。
なお、図１６（ｂ）のようにｔ１０ｍｍ（２枚重ね）とした試料を標準とした。試料Ａ−Ａ〜Ｅ−Ｅが図１７と図１８の試料Ａ〜Ｅに対応する。
（イ）試験結果
試料Ａ−Ａ〜Ｅ−Ｅの両者の関係から、上記実施形態で説明した硬軟測定装置の機構が正常に機能していたことが分かる。
【００５９】
また、図１９についてデュロメータ及び筋硬度計の場合と対比して観れば、硬軟の序列は、先の２種と全く同じであり筋硬度計での測定と酷似している。
次に、図１９（ａ）の試料Ａ−Ａ〜Ａ−Ｅから分かるように、図１７（ａ）と及び図１８（ａ）と比較して、試料Ａ−Ａ〜Ａ−Ｅの序列が判別できるようになり、他の２種には備わっていない機能が確認できた。
【００６０】
同じく、図１９（ｂ）と（ｃ）についても比較すると、（ｃ）は（ａ）と同じく序列が判別でき、標準とした序列と大きさをそのまま下方に移した結果になっている。これも他にはない機能である。
図１９（ｂ）では、上層５１の厚さの影響によって下層５２の変化を少し捉え難くなっているが、試料の序列は表れており、硬軟測定装置の機能が、上記従来例の種に比べ有効性、有用性の点で高い機能性があることが分かる。
【００６１】
（６）傾きθと硬軟
（ア）試験方法
次に、上述に示したΔＷの変化の割合による範囲と同じものを使用し、番号１から番号７で整理してみた。そして、Ｗ−ｘ線図の形から検討も行い、傾きθの角度と下層５２試料の硬軟との相関性について解析してみた。
ここでは、図１７、図１８及び図１９における、２層組合せた下層５２試料の硬軟序列が判別可能な方法について検討した。
【００６２】
（イ）試験結果
図１９の（ａ）、（ｂ）と（ｃ）に対応する傾きθの角度で整理すると、図２０に示す結果を得る。
図２０（ａ）から試料Ａ−ＡはＡ−ＢとＡ−Ｃとの違いが分かるが、試料Ａ−ＢとＡ−Ｃとの違いは小さく同程度と考えられ、図１９（ａ）の序列と一致している。つまり、押込荷重Ｗの大小は傾きθの角度の大小と一致することが分かる。この考え方は、図２０（ｃ）と図１９（ｃ）でも同じ傾向になっているため、傾きθから下層５２の硬軟判別は可能であることが分かる。
【００６３】
このように、押込荷重Ｗで判別や序列が分かれば、傾きθからの判定は追確認として有用である。また、押込荷重Ｗで序列や硬軟の違いが判別可能な試料においては、傾きθの序列も押込初期から終了まで変わらない点は新たな発見である。
また、図１９（ｂ）の序列は大まかに捉えているが、その判定に有用な資料が有れば序列の断定が可能になる。図２０（ｂ）において番号５〜７の序列は図１９（ｂ）の序列を明確に表しており、その判別に有効であることが分かる。そして、押込荷重Ｗでは下層５２の硬軟序列の判定が曖昧または難しい場合であっても、この傾きθによって評価した方がより精確に評価出来ることが分かる。
【００６４】
（７）以上のことをまとめると次のようになる。
（ア）工業用硬度計として、スポンジやゴムの硬軟試験のデュロメータの結果である図１７と筋硬度計ＮＥＵＴＯＮＥで市販されている結果の図１８における押込荷重Ｗによる方法では同図（ａ）、（ｂ）と（ｃ）の２層構成（上層５１が下層５２より軟らかい質感）では、試料１層と比べ下層５２の硬軟の大きさや序列は困難または全く捉えられない。もっとも、上層５１の厚さが薄い数ｍｍ以下では可能のようである。
【００６５】
（イ）また、上述のような既存の２種と比べ、本件発明に基づく硬軟測定装置を使用すると、図１９から分かるように、図１９（ａ）と（ｃ）のような形態であれば、押込荷重Ｗだけでも下層５２の硬軟変化を捉えられることが分かる。
（ウ）また、図１９（ｂ）の場合には、押込荷重Ｗによる序列の判別が難しいが、傾きθで評価すると、図２０にように、下層５２の硬軟変化を捉えられることが分かる。
このように、本実施形態の硬軟試験を使用すると、上層５１に比較的軟らかな厚い層が存在しても傾きθの角度から、従来判別が不可能であった上層５１下部の下層５２の硬軟を定量的に評価することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
ここで、本発明に基づく硬軟試験方法は、例えば下記のような分野で使用可能と思われる。
・医療福祉：リハビリ、手技療法、理学療法、成形外科
・競技スポーツ：スポーツドクター、トレーナー
・一般家庭：健康管理、疲労、コリ、料理など
・工業製品：高分子材料、品質管理など
・食品加工：弾性、硬軟、柔らかさ、品質管理など
・農 業：野菜、果物、穀物、生育、品質管理など
・畜 産：家畜の成育、品質管理など
・林 業：樹木、生育など
・水産業：成育、鮮度、品質管理など
・土木・建設業：土圧、老朽化、施工管理、水分・湿度吸収率、検査など
【００６７】
その適用例の一例を挙げれば次のようなものがある。
１）筋肉組織の緊張度測定（張りの具合）、診断時の治療前や治療後の回復程度を定量化する。筋肉は脂肪を介して存在するため脂肪層の厚さを取り除いた筋肉の硬軟を定量化する必要がある。
２）僧帽筋の緊張度（一般に言われている肩こり）と精神的なストレスによる因果関係とを定量化する。
３）肩こり時の値とこれが回復したときの値との違いを定量化する。最終目標として、指圧療法士が指先で感じるこりの大小が定量化できる性能に作り込む。
【００６８】
４）スポーツトレーナーやスポーツドクターが選手の筋肉の張りを測定することで、身体的な健康管理や回復力を定量化し、メンタル面を含めた総合評価に利用可能である。
５）理学療法士においては、リハビリの成果を数値化して患者への励みや治療の効果について、患者や療法士の主観的な判断ではなく客観的な判断に利用できる。
６）押込み条件や小型化により、肌の張り（弾性）が測定でき肌年齢や化粧水により肌の回復力にも利用できる。化粧品会社や店頭ブースで使ってもらうことによる装置の効果も期待できる。
７）その他、多くの産業分野では粘弾性に近い対象物の弾性、粘性、硬軟を定量化したり品質管理したりする計測が行われており、これらの分野にも応用や適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に基づく実施形態に係る硬軟測定装置を示す断面図である。
【図２】表示例を示す図である。
【図３】本発明に基づく実施形態に係る硬軟測定装置を示す断面図である。
【図４】本発明に基づく実施形態に係る硬軟測定装置を示す断面図である。
【図５】本発明に基づく実施形態に係る硬軟測定装置を示す断面図である。
【図６】下層の硬軟が異なる測定対象物について、押し込んだときの違いを示す模式図である。
【図７】試料を示す図である。
【図８】測定原理を説明するＷ−ｘ線図である。
【図９】押込深さでの評価を示す図である。
【図１０】押込荷重での評価を示す図である。
【図１１】傾きでの評価を示す図である。
【図１２】傾きでの評価を示す図である。
【図１３】筋肉の各部位におけるＷ−ｘ線図を示す図である。
【図１４】力を入れた筋肉の各部位におけるＷ−ｘ線図を示す図である。
【図１５】人体でのモデルを示す図である。
【図１６】人体モデルでの試料を示す図である。
【図１７】デュロメータによる試験結果を示す図である。
【図１８】従来の筋硬度計での試験結果を示す図である。
【図１９】本実施形態の硬軟測定装置を使用した押込荷重の試験結果を示す図である。
【図２０】傾き角度での試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 接触圧子
２ 当接部
３ 棒状部
７ 内筒体
１２ 外筒体
１６ 第１バネ部材
１８ ロードセル
２１ 第２バネ部材
３０ 演算装置
５０ 測定対象物
５１ 上層
５２ 下層（測定層）
Ｗ 押込荷重
Ｗ１ 設定押込荷重
θ 傾き
θ１ 設定傾き
ΔＷ 荷重変化量
Δｘ 変位変化量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の表面に接触圧子を押し付け、その接触圧子に負荷される押込荷重と接触圧子の押込深さから測定対象物の硬軟を評価する硬軟試験方法であって、
予め設定した設定押込荷重となったときの、単位時間当たりの押込深さの変化に対する押込荷重の変化で表される傾きの値によって硬軟を評価することを特徴とする硬軟試験方法。
【請求項２】
測定対象物の表面に接触圧子を押し付け、その接触圧子に負荷する押込荷重と接触圧子の押込深さとに基づき、単位時間当たりの押込深さの変化に対する押込荷重の変化で表される傾きを求め、予め設定した設定傾きの値になったときの押込荷重の値によって硬軟を評価することを特徴とする硬軟試験方法。
【請求項３】
上記測定対象物は、硬軟の異なる複数層から構成され、表層の下部に当該表層よりも弾性係数が大きな測定層を有し、その測定層の硬軟を評価することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した硬軟試験方法。
【請求項４】
軸方向に進退可能に装置本体に支持されて測定対象物表面に先端部を接触可能な接触圧子と、上記装置本体に対する接触圧子の相対変位量を検出する相対変位検出手段と、上記接触圧子に負荷される荷重を検出する荷重検出手段と、上記相対変位検出手段及び荷重検出手段の検出信号に基づき、相対変位の変化に対する荷重の変化の割合で表される傾きを算出すると共に、予め設定された設定荷重となったときの上記傾きを算出する演算装置とを、備えることを特徴とする硬軟試験装置。
【請求項５】
測定対象物の表面に接触させる当接部及びその当接部に先端部を連結した棒状部からなる接触圧子と、上記接触圧子を中空部に配置して当該接触圧子を軸方向に案内する内筒体と、その内筒体外径面側に入れ子状に配置されて内筒体に対し上記軸方向へ進退可能に支持される外筒体と、上記内筒体と外筒体との間に介装されて上記軸方向に弾性力を発生して内筒体に対し外筒体が離れる方向へ相対的に付勢するバネ部材からなる位置決め手段と、上記外筒体の中空部内で上記棒状部の後端部に連結して接触圧子に負荷されている荷重を検出する荷重検出手段と、外筒体の中空部内でその荷重検出部を上記軸方向に移動可能に案内する荷重検出部案内手段と、上記荷重検出部と外筒体の底部との間に介在されて上記軸方向に弾性力を発生する第２バネ部材と、上記内筒体に対する上記軸方向への接触圧子の相対変位量を検出する相対変位検出手段と、備えることを特徴とする硬軟測定装置。
【請求項６】
上記外筒体の底部は、その外径面が外筒体の筒部内径面に対して螺合によって固定される円柱状のプラグ部材であって、外筒体の内径面に対する軸方向位置を調整可能となっていることを特徴とする請求項５に記載した硬軟測定装置。
【請求項１】
測定対象物の表面に接触圧子を押し付け、その接触圧子に負荷される押込荷重と接触圧子の押込深さから測定対象物の硬軟を評価する硬軟試験方法であって、
予め設定した設定押込荷重となったときの、単位時間当たりの押込深さの変化に対する押込荷重の変化で表される傾きの値によって硬軟を評価することを特徴とする硬軟試験方法。
【請求項２】
測定対象物の表面に接触圧子を押し付け、その接触圧子に負荷する押込荷重と接触圧子の押込深さとに基づき、単位時間当たりの押込深さの変化に対する押込荷重の変化で表される傾きを求め、予め設定した設定傾きの値になったときの押込荷重の値によって硬軟を評価することを特徴とする硬軟試験方法。
【請求項３】
上記測定対象物は、硬軟の異なる複数層から構成され、表層の下部に当該表層よりも弾性係数が大きな測定層を有し、その測定層の硬軟を評価することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した硬軟試験方法。
【請求項４】
軸方向に進退可能に装置本体に支持されて測定対象物表面に先端部を接触可能な接触圧子と、上記装置本体に対する接触圧子の相対変位量を検出する相対変位検出手段と、上記接触圧子に負荷される荷重を検出する荷重検出手段と、上記相対変位検出手段及び荷重検出手段の検出信号に基づき、相対変位の変化に対する荷重の変化の割合で表される傾きを算出すると共に、予め設定された設定荷重となったときの上記傾きを算出する演算装置とを、備えることを特徴とする硬軟試験装置。
【請求項５】
測定対象物の表面に接触させる当接部及びその当接部に先端部を連結した棒状部からなる接触圧子と、上記接触圧子を中空部に配置して当該接触圧子を軸方向に案内する内筒体と、その内筒体外径面側に入れ子状に配置されて内筒体に対し上記軸方向へ進退可能に支持される外筒体と、上記内筒体と外筒体との間に介装されて上記軸方向に弾性力を発生して内筒体に対し外筒体が離れる方向へ相対的に付勢するバネ部材からなる位置決め手段と、上記外筒体の中空部内で上記棒状部の後端部に連結して接触圧子に負荷されている荷重を検出する荷重検出手段と、外筒体の中空部内でその荷重検出部を上記軸方向に移動可能に案内する荷重検出部案内手段と、上記荷重検出部と外筒体の底部との間に介在されて上記軸方向に弾性力を発生する第２バネ部材と、上記内筒体に対する上記軸方向への接触圧子の相対変位量を検出する相対変位検出手段と、備えることを特徴とする硬軟測定装置。
【請求項６】
上記外筒体の底部は、その外径面が外筒体の筒部内径面に対して螺合によって固定される円柱状のプラグ部材であって、外筒体の内径面に対する軸方向位置を調整可能となっていることを特徴とする請求項５に記載した硬軟測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００９−５２９１２（Ｐ２００９−５２９１２Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１７３６７（Ｐ２００７−２１７３６７）
【出願日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、文部科学省、都市エリア産学官連携促進事業（発展型）委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８９９００００５７）学校法人日本大学 (650)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、文部科学省、都市エリア産学官連携促進事業（発展型）委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８９９００００５７）学校法人日本大学 (650)
【Ｆターム（参考）】
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