特表 2023-549296 材料の弾性を表す物理量を測定する非侵襲的方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-22

(54)【発明の名称】材料の弾性を表す物理量を測定する非侵襲的方法

(51)【国際特許分類】

   A61B 8/00 20060101AFI20231115BHJP

   A61B 5/107 20060101ALI20231115BHJP

【ＦＩ】

A61B8/00

A61B5/107 800

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023550710

(86)(22)【出願日】2021-11-05

(85)【翻訳文提出日】2023-06-29

(86)【国際出願番号】 EP2021080851

(87)【国際公開番号】W WO2022096697

(87)【国際公開日】2022-05-12

(31)【優先権主張番号】2011409

(32)【優先日】2020-11-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】500379381

【氏名又は名称】サントル ナショナル ドゥ ラ ルシャルシュ シアンティフィク

【氏名又は名称原語表記】Ｃｅｎｔｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ ｄｅ ｌａ Ｒｅｃｈｅｒｃｈｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｑｕｅ

【住所又は居所原語表記】３ ｒｕｅ Ｍｉｃｈｅｌ Ａｎｇｅ， ＦＲ－７５０１６ Ｐａｒｉｓ， Ｆｒａｎｃｅ

(71)【出願人】

【識別番号】521325374

【氏名又は名称】エコール サントラル ドゥ リヨン

【氏名又は名称原語表記】ＥＣＯＬＥ ＣＥＮＴＲＡＬＥ ＤＥ ＬＹＯＮ

(71)【出願人】

【識別番号】523165455

【氏名又は名称】エコール ナショナル デ トラヴォー ピュブリック ドゥ レタ

(74)【代理人】

【識別番号】100108143

【弁理士】

【氏名又は名称】嶋崎 英一郎

(72)【発明者】

【氏名】ヴァルジオリュ， ロベルト

(72)【発明者】

【氏名】ザウアニ， アッサン

(72)【発明者】

【氏名】ベルゲオー， アレクサンドル

【テーマコード（参考）】

4C038

4C601

【Ｆターム（参考）】

4C038VA04

4C038VB22

4C038VC20

4C601DD19

4C601DD23

4C601JB28

4C601JB34

4C601JB50

(57)【要約】

材料の弾性を表す物理量を測定する非侵襲的方法であって、測定軸に沿って材料の表面で発生した剪断波の様々な成分の基本モードの位相速度を、対のセットから算出する工程（８６）であって、各対は、周波数ｆ_ｉと、前記周波数ｆ_ｉについて算出した前記基本モードの位相速度Ｖ_ｉとで形成され、前記測定軸に平行な測定方向に前記基本モードの分散曲線を形成し、添え字「ｉ」は、前記周波数ｆ_ｉ及び前記位相速度Ｖ_ｉの次数である、工程と、前記分散曲線を深さに応じた位相速度のプロファイルに変換する工程（１００）であって、所与の深さでの前記位相速度は、前記深さでの前記材料の弾性を表す物理量である、工程と、を含む。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

材料の弾性を表す物理量を測定する非侵襲的方法であって、前記方法は、
ａ）様々な周波数の成分を含む剪断波を発生させるために刺激器を使用して衝撃点で材料を変形させる工程であって、前記様々な成分は、前記材料の表面に伝播し、前記材料の表面の変位を引き起こす工程（７２）と、
ｂ）測定装置を使用して、前記材料の表面の前記変位を、測定軸に沿って前後に並んだ少なくとも３つの測定点で経時的に測定する工程（７４）と、
を含み、
前記方法は、
ｃ）前記測定軸に沿って発生した前記剪断波の前記様々な成分の基本モードの位相速度を、前記測定装置の前記測定値、対のセットから算出する工程であって、各対は、周波数ｆ_ｉと、前記周波数ｆ_ｉについて算出した前記基本モードの位相速度Ｖ_ｉとで形成され、前記測定軸に平行な測定方向に前記基本モードの分散曲線を形成し、添え字「ｉ」は、前記周波数ｆ_ｉ及び前記位相速度Ｖ_ｉの次数である、工程（８６）と、
ｄ）前記分散曲線を深さに応じた位相速度のプロファイルに変換する工程であって、所与の深さでの前記位相速度は、前記深さでの前記材料の弾性を表す物理量である、工程（１００）と、
をさらに含むことを特徴とする、方法。

【請求項2】

前記分散曲線を前記測定方向で位相速度のプロファイルに変換する工程（１００）は、
１）前記分散曲線の各周波数ｆ_ｉを、次の関係：λ_ｉ＝Ｖ_ｉ／ｆ_ｉを用いて対応する波長λ_ｉに変換する動作（１０２）と、その後、
２）前記測定方向について次の関係：α＝Ｚ_ｍａｘ／λ_ｍａｘを用いて係数αの値を計算する動作であって、式中、
- Ｚ_ｍａｘは、前記測定軸に沿って最も離れている２つの測定点を隔てる距離の半分であり、
- λ_ｍａｘは、前記測定方向について前記動作１）を実行した後に得られる前記波長λ_ｉのうち最も大きい波長である、
動作（１０４）と、
３）動作１）を実行した後に得られる各波長λ_ｉを、次の関係：ｐ_ｉ＝αλ_ｉを用いて対応する深さｐ_ｉに変換し、式中αは、前記動作２）で計算した前記係数である、動作（１０６）と、
を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記方法は、互いに角度を伴ってずれている少なくとも第１の測定軸と第２の測定軸に対して工程ａ）、ｂ）、ｃ）及びｄ）を実施し、第１の測定軸及び第２の測定軸は、同じ衝撃点を通過することを含む、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記基本モードの位相速度を算出する工程ｃ）は、いくつかの異なる周波数ｆ_ｉに対し、
- 各測定点について、
- 前記周波数ｆ_ｉが中心にあって－３ｄＢ帯域幅が周波数ｆ_ｉ－１とｆ_ｉ＋１との間にある帯域通過フィルタを使用して、前記測定装置を用いて前記測定軸に沿って座標ｘの測定点で測定した信号ｕ（ｘ，ｔ）をフィルタ処理して、フィルタ処理後の信号ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）を得る動作（８８）と、
- 前記フィルタ処理した信号ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）が絶対最小値を通過する時点ｔ_ｉ，ｍ（ｘ）を特定する動作（９０）と、
その後、
- 前記最小値が前記測定軸に沿って伝播する前記速度Ｖ_ｉを、前記最小値が起こる前記時点ｔ_ｉ，ｍ（ｘ）及び前記位置ｘから計算する動作であって、このようにして計算した前記速度Ｖ_ｉは、前記周波数ｆ_ｉでの前記基本モードの位相速度である動作（９２）と、
を繰り返すことを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

工程ｃ）は、
- 一連の周波数ｆ_ｉの中から、前記周波数ｆ_ｉが以下の条件（１）：
［数１］

を検証しなくなる下限である最低周波数ｆ_ｍｉｎを自動で同定する動作を
含み、式中、
- μ_ｉ，１及びμ_ｉ，０は、座標（ｘ；ｔ_ｉ，ｍ（ｘ））の点を最良の方法で近似する最小二乗法によって算出される直線の係数であり、
- ｘ_ｐは、前記衝撃点に最も近い前記第１の測定点から数えてｐ番目の測定点の位置ｘであり、
- Ｐ_ｍａｘは、前記測定軸に沿って分布する測定点の数であり、
- ｅｒｒ_ｍａｘは、所定の定数であり、
- その後、前記周波数ｆ_ｍｉｎ以上の前記周波数ｆ_ｉのみが分散曲線を形成するように保持される、
請求項４に記載の方法。

【請求項6】

工程ｃ）は、
- 一連の周波数ｆ_ｉの中から、周波数ｆ_ｉが前記条件（１）を検証しなくなる上限である最高周波数ｆ_ｍａｘを自動で同定する動作であって、前記周波数ｆ_ｍａｘを自動で同定する前記動作は、いくつかの周波数ｆ_ｉについて前記条件（１）を検証することによって実行される動作と、その後、
- 前記周波数ｆ_ｍａｘ以下の前記周波数ｆ_ｉのみが分散曲線を形成するように保持される動作と、
を含む、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

周波数ｆ_ｉはすべて１Ｈｚ～３，０００Ｈｚである、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか一項に記載の方法を実施するための、材料の弾性を表す物理量を測定する非侵襲的器具であって、前記器具は、
- 様々な周波数の成分を含む剪断波を発生させるために材料を衝撃点で変形させることができる刺激器であって、前記様々な成分は、前記材料の表面で伝播し、前記材料の表面の変位を引き起こす、刺激器（８）と、
- 前記材料の表面の変位を、測定軸に沿って前後に並んだ少なくとも３つの測定点で経時的に測定できる測定装置（１０）と、
を備える器具において、
前記器具は、
- 前記測定軸に沿って発生した前記剪断波の前記様々な成分の基本モードの位相速度を、前記測定装置の測定値、対のセットから算出でき、各対は、周波数ｆ_ｉと、前記周波数ｆ_ｉについて算出された前記基本モードの位相速度Ｖ_ｉとで形成され、前記測定軸に平行な測定方向に前記基本モードの分散曲線を形成でき、添え字「ｉ」は、前記周波数ｆ_ｉ及び前記位相速度Ｖ_ｉの次数であり、
- 前記分散曲線を深さに応じて位相速度のプロファイルに変換でき、所与の深さでの前記位相速度は、前記深さでの前記材料の弾性を表す物理量である、
処理ユニット（１２）を含むことを特徴とする、非侵襲的器具。

【請求項9】

前記処理ユニット（１２）は、前記分散曲線を前記測定方向の位相速度のプロファイルに変換するために、以下の動作：
１）前記分散曲線の各周波数ｆ_ｉを、次の関係：λ_ｉ＝Ｖ_ｉ／ｆ_ｉを用いて対応する波長λ_ｉに変換し、その後、
２）前記測定方向について次の関係：α＝Ｚ_ｍａｘ／λ_ｍａｘを用いて係数αの値を計算し、式中、
- Ｚ_ｍａｘは、前記測定軸に平行に沿って最も離れている２つの測定点を隔てる距離の半分であり、
- λ_ｍａｘは、前記測定方向について前記動作１）を実行した後に得られる前記波長λ_ｉのうち最も大きい波長であり、
３）前記動作１）の後に得られた各波長λ_ｉを、次の関係：ｐ_ｉ＝αλ_ｉを用いて対応する深さｐ_ｉに変換し、式中αは、前記動作２）で計算した係数であること
を実行するように構成される、請求項８に記載の器具。

【請求項10】

- 前記測定装置は、センサアレイ（６２）を含み、各センサは、それぞれの測定点で前記材料の表面の変形の振幅を測定でき、前記アレイは、少なくとも３つのセンサを含み、各センサは、測定軸に沿って前後に並んだ３つの対応する測定点で、前記材料の表面の変形を測定し、
- 前記器具は、前記センサアレイが取り付けられているヒンジアーム（４）を含み、前記ヒンジアームは、前記センサアレイを回転軸周りに所定角度だけ回転させて、前記センサアレイの前記測定軸を第１の測定軸と同列にするのと、前記第１の測定軸から角度を伴ってずれている第２の測定軸と同列にするのとを交互に行うことができる、
請求項８又は９に記載の器具。

【請求項11】

前記センサアレイは、
- 各測定点から反射した光を感知する光学センサの列（６２）と、
- 前記光学センサの列が感知した反射光で照らされた各測定点での前記材料の表面の変位を算出するように構成されたマイクロプロセッサ（６４）と、
を含み、
- 前記測定装置は、前記測定軸に沿って並んだ各測定点を照らす光線の発光器（６０）を含む、
請求項１０に記載の器具。

【請求項12】

前記刺激器（８）は、前記材料の表面上に、前記材料を前記衝撃点で変形させる流体の噴流を投射できる、請求項８～１１のいずれか一項に記載の器具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、材料の弾性を表す物理量を測定する非侵襲的方法及び装置に関する。

【0002】

本発明は、特に粘弾性材料及び／又は変形可能な材料又は基材の弾性を表す物理量を測定する非侵襲的方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0003】

例としては、皮膚の弾性などの機械的特性の測定は、例えば、何らかの皮膚病の診断を支援すること、皮膚に施した美容整形術の有効性及び結果を測定すること、in-vitroでの培養皮膚（バイオプリンティング）の弾性を測定すること、又はin-vitroでの培養皮膚（バイオプリンティング）の機械刺激の効果を測定すること、において役に立つ。

【0004】

そのような方法の公知例は、例えば、次の文献に記載されている。M. Ayadh et al: 「Methods for characterizing the anisotropic behavior of the human skin's relief and its mechanical properties in vivo linked to age effects」、 IOP Publishing, Surf. Topogr.: Metrol. Prop. 8 (2020) 014002, 19/03/2020。今後は、この文献を「Ａｙａｄｈ２０２０」として参照する。

【0005】

この公知の方法は、非侵襲的であるという点が有利である。したがって、患者の皮膚に実施するのは簡単である。この公知の方法により、皮膚表面でのレイリー速度を様々な方向で測定することが可能になる。レイリー速度は、皮膚の弾力性を表す位相速度に比例する。

【0006】

皮膚及び他の粘弾性材料又は変形可能な材料は、いくつかの側面で多層基材に似ていることがある。Ａｙａｄｈ２０２０に記載されている方法は、皮膚の表面層、とりわけ表皮の機械的特性に関する情報のみを提供している。一方、この表面層の下に位置している皮膚の層の機械的特性に関する情報は、この公知の方法を用いて得ることはできない。特に、この公知の方法では、真皮及び皮下組織などの副層（sub-layers）の機械的特性を測定することはできない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

したがって、本発明の目的は、材料の弾性を表す量を測定する方法であって、その材料の副層の弾性を表す物理量をさらに測定できる方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の１つの対象は、材料の弾性を表す物理量を測定する非侵襲的方法であって、前記方法は、
ａ）様々な周波数の成分を含む剪断波（shear wave）を発生させるために刺激器を使用して衝撃点（impact point）で材料を変形させる工程であって、前記様々な成分は、前記材料の表面に伝播し、前記材料の表面の変位を引き起こす工程と、
ｂ）測定装置を使用して、前記材料の表面の前記変位を、測定軸に沿って前後に並んだ少なくとも３つの測定点で経時的に測定する工程と、
を含み、
前記方法は、
ｃ）前記測定軸に沿って発生した前記剪断波の前記様々な成分の基本モードの位相速度を、前記測定装置の前記測定値、対のセット（the set of pairs）から算出する工程であって、各対は、周波数ｆ_ｉと、前記周波数ｆ_ｉについて算出した前記基本モードの位相速度Ｖ_ｉとで形成され、前記測定軸に平行な測定方向に前記基本モードの分散曲線を形成し、添え字「ｉ」は、前記周波数ｆ_ｉ及び前記位相速度Ｖ_ｉの次数である、工程と、
ｄ）前記分散曲線を深さに応じた位相速度のプロファイルに変換する工程であって、所与の深さでの前記位相速度は、前記深さでの前記材料の弾性を表す物理量である、工程と、をさらに含む、方法である。

【0009】

測定される材料又は基材には、粘弾性材料及び／又は変形可能な材料などがあり、例えば、ヒトの皮膚、人工皮膚、魚の皮などの海洋生物の皮をはじめとする動物の皮、野菜又は果物の皮が含まれてよい。これらの材料は、合成皮革又は植物皮革のほか、例えば臓器ファントムに使用されるもののようないくつかのポリマーを含んでいてもよい。本方法は、織物又は路面などの塗装にも適用できる。

【0010】

本方法の実施形態は、以下の１つ又は複数の特徴を含むことができる。すなわち、
１）前記分散曲線を前記測定方向で位相速度のプロファイルに変換する工程は、
o１）前記分散曲線の各周波数ｆ_ｉを、次の関係：λ_ｉ＝Ｖ_ｉ／ｆ_ｉを用いて対応する波長λ_ｉに変換する動作と、その後、
o２）前記測定方向について次の関係：α＝Ｚ_ｍａｘ／λ_ｍａｘを用いて係数αの値を計算する動作であって、式中、
- Ｚ_ｍａｘは、前記測定軸に沿って最も離れている２つの測定点を隔てる距離の半分であり、
- λ_ｍａｘは、前記測定方向について前記動作o１）を実行した後に得られる前記波長λ_ｉのうち最も大きい波長である、
動作と、
o３）動作o１）を実行した後に得られる各波長λ_ｉを、次の関係：ｐ_ｉ＝αλ_ｉを用いて対応する深さｐ_ｉに変換し、式中αは、前記動作o２）で計算した前記係数である、動作と、を含む。
２）前記方法は、互いに角度を伴ってずれている少なくとも第１の測定軸と第２の測定軸に対して工程ａ）、ｂ）、ｃ）及びｄ）を実施し、第１の測定軸及び第２の測定軸は、同じ衝撃点を通過することを含む。
３）前記基本モードの位相速度を算出する工程ｃ）は、いくつかの異なる周波数ｆ_ｉに対し、
- 各測定点について、
- 前記周波数ｆ_ｉが中心にあって－３ｄＢ帯域幅が周波数ｆ_ｉ－１とｆ_ｉ＋１との間にある帯域通過フィルタを使用して、前記測定装置を用いて前記測定軸に沿って座標ｘの測定点で測定した信号ｕ（ｘ，ｔ）をフィルタ処理して、フィルタ処理後の信号ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）を得る動作と、
- 前記フィルタ処理した信号ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）が絶対最小値を通過する時点ｔ_ｉ，ｍ（ｘ）を特定する動作と、
その後、
- 前記最小値が前記測定軸に沿って伝播する前記速度Ｖ_ｉを、前記最小値が起こる前記時点ｔ_ｉ，ｍ（ｘ）及び前記位置ｘから計算する動作であって、このようにして計算した前記速度Ｖ_ｉは、前記周波数ｆ_ｉでの前記基本モードの位相速度である動作と、を繰り返すことを含む。
４）工程ｃ）は、
- 一連の周波数ｆ_ｉの中から、前記周波数ｆ_ｉが以下の条件（１）：
［数１］

を検証しなくなる下限である最低周波数ｆ_ｍｉｎを自動で同定する動作を
含み、式中、
- μ_ｉ，１及びμ_ｉ，０は、座標（ｘ；ｔ_ｉ，ｍ（ｘ））の点を最良の方法で近似する最小二乗法によって算出される直線の係数であり、
- ｘ_ｐは、前記衝撃点に最も近い前記第１の測定点から数えてｐ番目の測定点の位置ｘであり、
- Ｐ_ｍａｘは、前記測定軸に沿って分布する測定点の数であり、
- ｅｒｒ_ｍａｘは、所定の定数であり、
- その後、前記周波数ｆ_ｍｉｎ以上の前記周波数ｆ_ｉのみが分散曲線を形成するように保持される。
５）工程ｃ）は、
- 一連の周波数ｆ_ｉの中から、周波数ｆ_ｉが前記条件（１）を検証しなくなる上限である最高周波数ｆ_ｍａｘを自動で同定する動作であって、前記周波数ｆ_ｍａｘを自動で同定する前記動作は、いくつかの周波数ｆ_ｉについて前記条件（１）を検証することによって実行される動作と、その後、
- 前記周波数ｆ_ｍａｘ以下の前記周波数ｆ_ｉのみが分散曲線を形成するように保持される動作と、を含む。
６）周波数ｆ_ｉはすべて１Ｈｚ～３，０００Ｈｚである。

【0011】

本発明の他の対象は、前述の方法を実施するための、材料の弾性を表す物理量を測定する非侵襲的器具であって、前記器具は、
- 様々な周波数の成分を含む剪断波を発生させるために材料を衝撃点で変形させることができる刺激器であって、前記様々な成分は、前記材料の表面で伝播し、前記材料の表面の変位を引き起こす、刺激器と、
- 前記材料の表面の変位を、測定軸に沿って前後に並んだ少なくとも３つの測定点で経時的に測定できる測定装置と、
を備える器具において、
前記器具は、
- 前記測定軸に沿って発生した前記剪断波の前記様々な成分の基本モードの位相速度を、前記測定装置の測定値、対のセットから算出でき、各対は、前記周波数ｆ_ｉについて算出された前記基本モードの周波数ｆ_ｉと位相速度Ｖ_ｉとで形成され、前記測定軸に平行な測定方向に前記基本モードの分散曲線を形成でき、添え字「ｉ」は、前記周波数ｆ_ｉ及び前記位相速度Ｖ_ｉの次数であり、
- 前記分散曲線を深さに応じて位相速度のプロファイルに変換でき、所与の深さでの前記位相速度は、前記深さでの前記材料の弾性を表す物理量である、
処理ユニットを含む、非侵襲的器具である。

【0012】

前記器具の実施形態は、以下の１つ又は複数の特徴を含むことができる。すなわち、
１）
- 前記測定装置は、センサアレイ（an array of sensors）を含み、各センサは、それぞれの測定点で前記材料の表面の変形の振幅を測定でき、前記アレイは、少なくとも３つのセンサを含み、各センサは、測定軸に沿って前後に並んだ３つの対応する測定点で、前記材料の表面の変形を測定し、及び、
- 前記器具は、前記センサアレイが取り付けられているヒンジアームを含み、前記ヒンジアームは、前記センサアレイを回転軸周りに所定角度だけ回転させて、前記センサアレイの前記測定軸を第１の測定軸と同列にするのと、前記第１の測定軸から角度を伴ってずれている第２の測定軸と同列にするのとを交互に行うことができる。
２）
- 前記センサアレイは、
- 各測定点から反射した光を感知する光学センサの列と、
- 前記光学センサの列が感知した反射光で照らされた各測定点での前記材料の表面の変位を算出するように構成されたマイクロプロセッサと、を含み、
- 前記測定装置は、前記測定軸に沿って並んだ各測定点を照らす光線の発光器を含む。
３）前記刺激器は、前記材料の表面上に、前記材料を前記衝撃点で変形させる流体の噴流を投射できる。

【0013】

本発明に係る測定方法及び器具は、健康、医薬品産業、化粧品、品質管理などの様々な分野において、様々なアプリケーションで実施することができる。

【0014】

測定はとりわけ生体内で、又は例えば生検によって収集された、任意の種類の軟組織に対して実施できる。例によれば、様々な病理を監視し、分析できる。皮膚腫瘍の分析は、生体内又は組織採取後に実施できる。強皮症又は骨形成不全症などのコラーゲンの病状を分析できる。また、慢性創傷を含む創傷の治癒を監視できる。その他の例によれば、本発明による方法及び器具は、化粧品の効果の研究において、特にアンチエイジング製品を皮膚に塗布した後のコラーゲン繊維の刺激を観察することによって実装できる。

【0015】

本発明は、以下の説明を読むことで、よりよく理解されるであろう。以下の説明は、非限定的な例として挙げているにすぎず、図面を参照して記載されている。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】材料の弾性を表す物理量を測定する器具のアーキテクチャの概略図である。

【図2】図１の器具の刺激器及び測定装置の概略図である。

【図3】図１の器具を使用して材料の弾性を表す物理量を測定する方法の工程図である。

【図4】図２の器具により得られる変位の測定値を示す３次元のグラフである。

【図5】剪断波の変位速度の計算を示すグラフである。

【図6】周波数成分に対し、図２の器具により得られる変位の測定値を示す３次元のグラフである。

【図7】図６の周波数成分の位相速度の決定を示すグラフである。

【図8】図６の周波数成分の減衰を示すグラフである。

【図9】図１の器具を使用して決定した分散曲線を表すグラフである。

【図10】図１の器具を使用して決定した位相速度のプロファイルを示すグラフである。

【図11】図２の器具で構築された断層像を示すグラフである。

【図12】深さに応じた図６の周波数成分の断層像を示すグラフである。

【図13】図３の方法を使用して測定した位相速度、及び位相速度を決定するための他の公知方法を使用して決定した位相速度を、同じグラフィック表示にて示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【実施例】

【0017】

前記図面においては、同一の要素を言及するために同一の符号が使用されている。本明細書の以降において、当業者によく知られている特性及び機能については詳細に記載してはいない。

【0018】

本明細書においては、詳細な実施形態を図面を参照しつつ第１章で最初に述べる。次いで、この実施形態に対する代替案を第２章で述べる。最後に、別の実施形態の利点について第３章で述べる。

【0019】

第１章：例示的な実施形態

【0020】

これ以後に述べる例示的な実施形態においては、測定された材料はヒトの皮膚である。当然のことながら、記載される器具及び方法は他の材料の測定をするために使用することができる。

【0021】

図１は、皮膚の弾性を表す物理量を測定する非侵襲的器具２を表している。器具２は、
- ヒンジアーム４と、
- アーム４の遠位端に装着された、刺激器８及び測定装置１０と、
- 刺激器８及び測定装置１０に接続されている計算処理ユニット１２と、
を含む。

【0022】

アーム４の近位端は、固定支持体１４に自由度なしで装着される。アーム４は、いくつかのヒンジ２０を有し、このヒンジにより、刺激器８と測定装置１０の両方を投影軸２２の周りで同時に回転させて動かすことが可能になる。図１では、軸２２は垂直である。この場合、ヒンジ２０により、刺激器８及び測定装置１０を支持体１４に対して６自由度で動かすことができる。

【0023】

刺激器８及び測定装置１０を所望の位置に配置するためにアーム４を変形させると、アーム４は、刺激器８及び測定装置１０をその位置で静止状態に保持する。ヒンジ２０は、例えば使用者が手動で作動させるか、電気モータで作動する。アーム４は、刺激器８及び測定装置１０を処理ユニット１２に接続する導電体の支持体としての役割も果たす。

【0024】

刺激器８は、作動時に衝撃点でヒトの皮膚を変形させる。衝撃点は、投影軸２２と皮膚表面との交点に位置する。刺激器８によって生じる皮膚の変形は、それが剪断波を発生させ、その後、該剪断波が皮膚表面に沿って伝播するようなものである。この剪断波は、いくつかの異なる周波数の周波数成分を含む。通常、ヒトの皮膚の場合、これらの成分の周波数は、１Ｈｚ～３，０００Ｈｚであり、通常は１Ｈｚ～１，０００Ｈｚである。

【0025】

装置１０は、剪断波によって引き起こされた皮膚表面の変形を、測定軸に沿って前後に並んだいくつかの測定点で測定する。この測定軸は、本文中で「測定方向」と称する方向と平行に延在する。通常、装置１０は、３、１０又は１００ヵ所を超える測定点を有する。ここでは装置１０は、４００ヵ所の測定点を有する。以下、測定軸に沿った測定点の位置は、原点Ｏから測定した横座標ｘで表記され、例えばｍｍ又はμｍで表される。ここでは、測定軸と投影軸２２とは、実質的に直角に交差する。原点Ｏは、この２つの軸の交点とみなされる。

【0026】

衝撃点に最も近い測定点と衝撃点から最も遠い測定点との間の距離をＬ_ｍａｘと表記する。ここでは例示として、距離Ｌ_ｍａｘは７ｍｍである。この実施形態では、測定点は、測定軸に沿って均等に分布している。したがって、２つの連続する測定点の間の距離は、１７．５μｍである。

【0027】

処理ユニット１２は、測定装置１０に接続されて、この装置の測定値を取得する。さらに詳細には、ユニット１２は、サンプリング周波数ｆ_ｅで、各測定点で測定された変位を経時的に取得する。以下、横座標ｘの測定点で測定された時点での変位をｕ（ｘ，ｔ）と表記する。例えば、ここでは、周波数ｆ_ｅは８ｋＨｚである。

【0028】

ユニット１２は、このようにして取得した信号ｕ（ｘ，ｔ）を処理して、そこから様々な深さでの皮膚の弾性を表す物理量を引き出すことができる。そのために、ユニット１２は、中央処理装置３０及び機械インターフェース３２を有する。中央処理装置３０は、
- 図３の方法を実行するための命令を含むメモリ３４と、
- メモリ３４に保存されている命令を実行できるプログラマブルマイクロプロセッサ（programmable microprocessor）３６と、を含む。

【0029】

インターフェース３２により、測定した皮膚の弾性を表す物理量を表示することが可能になる。通常はそのために、インターフェース３２は、画面３８を有する。ここではインターフェース３２は、図３の測定方法の実行を引き起こすための制御を得るためにキーボード４０も有する。

【0030】

図２は、刺激器８及び測定装置１０をさらに詳細に示している。図２では、皮膚は、概略的に符号４６で示され、皮膚４６の表面には符号４８が付されている。この図では、表面４８は、刺激器８によって加えられた衝撃を受けた後に変形した形で示されている。皮膚表面の衝撃点には符号４９が付されている。

【0031】

皮膚表面に伝播する剪断波を生み出すために、刺激器８は、この実施形態では、衝撃点４９で皮膚に衝撃を与えるために空気の噴流を使用する。そのために、刺激器８は、
- 加圧空気タンク５０と、
- タンク５０に流体接続された減圧弁５２と、
- 制御可能な電磁弁５４と、
- 電磁弁５４の出口に流体接続されたノズル５６と
を含む。

【0032】

例えば、タンク５０に入っている空気の圧力は、０．６又は０．８ＭＰａより大きい。ここでは減圧弁５２は、空気圧を下げる。例えば、減圧弁５２の出口の空気圧は、０．１ＭＰａ～０．６ＭＰａ又は０．１～０．４ＭＰａである。

【0033】

電磁弁５４は、ユニット１２の制御下で、開放位置から閉鎖位置へ、またその逆に動かすことができる。閉鎖位置では、電磁弁５４は、空気がタンク５０から逃げるのを防止する。逆に開放位置では、電磁弁５４は、空気をタンク５０から逃がす。タンク５０から逃げる空気はその後、ノズル５６によって案内され、軸２２に沿って空気の噴流を形成し、衝撃点４９で皮膚４６の表面４８に衝撃を与える。

【0034】

電磁弁（５４）により、表面４８上に投射される空気の噴流の継続時間を調整することが可能になる。通常、空気の噴流の継続時間は、２０ｍｓ又は１０ｍｓ未満である。ここでは、空気の噴流の継続時間は、５ｍｓ～１０ｍｓである。

【0035】

ノズル５６の少なくとも一部は、空気の噴流を軸２２に沿って誘導するために軸２２に沿って延在する。表面４８に対面しているノズル５６の端部は、使用中に器具２と表面４８との間に直接の機械的接触がないように、この表面から機械的に離れている。

【0036】

測定装置１０は、光学測定装置である。この実施形態では、測定装置はそのために、
- 各測定点を照らす光線の発光器６０と、
- 各々の測定点から反射した光を感知する光学センサの列６２、及び
各々の光学センサによって感知された反射光から、各々の測定点での表面４８の変位を算出するようにプログラムされたマイクロプロセッサ６４と、を含む。

【0037】

ここでは、装置１０は、衝撃点４９に最も近い測定点が、その衝撃点から０．５ｍｍ又は０．８ｍｍより長く、かつ典型的には５ｍｍ未満の距離だけ離れているように刺激器８に対して配置される。好ましくは、衝撃点に最も近い測定点とこの衝撃点との間の距離は、０．７ｍｍ～１．３ｍｍ又は０．９ｍｍ～１．１ｍｍである。ここでは、この距離は、１ｍｍである。

【0038】

このような測定装置は、公知のもので、市販されている。例えば、この実施形態では、装置１０は、株式会社ＫＥＹＥＮＣＥ（登録商標）から商品番号ＬＪ－Ｖ７０２０として販売されている装置である。この場合、発光器６０は、単色で平行化された光線を放出するレーザ源である。よって、装置１０については、以下でこれ以上詳細に説明しない。

【0039】

器具２の動作については、図３を用いて、図４～図１３を参照して説明する。

【0040】

最初の工程６８では、アーム４を変形させて、刺激器８及び測定装置１０を、研究対象の皮膚で覆われた人体の一部に近づけて配置する。器具２により、人体のどの部分でも研究することが可能になる。例えば、ヒトの前腕に関しては、図４～図１３に示した実験結果が得られた。通常、刺激器８及び装置１０は、皮膚の衝撃点４９に垂直な方向に対して投影軸２２が７５°～１１０°、かつ好ましくは８０°～１００°の角度となるように、皮膚の表面４８に対して配置される。

【0041】

表面４８に対面しているノズル５６の下方端部は、衝撃点４９から１ｍｍ又は２ｍｍ又は５ｍｍより長く、一般には２０ｍｍ未満の距離だけ離れている。

【0042】

器具２を皮膚４６に対して正しく配置すると、信号ｕ（ｘ，ｔ）を取得する段階７０が実行される。

【0043】

さらに詳細には、刺激器８及び装置１０を表面４８に対して正しく配置すると、工程７２で、ユニット１２は、刺激器８を制御して空気の噴流の放出を引き起こし、皮膚を変形させる。ここではユニット１２は、電磁弁５４を制御してこの空気の噴流を発生させる。するとこの空気の噴流は、衝撃点４９で皮膚に衝撃を与える。これにより、この衝撃点４９で表面４８に短時間の変形が生じる。一方この表面４８の変形で剪断波が発生し、この剪断波は、表面４８に沿ってあらゆる方向に伝播するため、とりわけ装置１０の測定軸に沿って伝播する。

【0044】

工程７４では、装置１０は、各々の測定点で、皮膚の表面を伝播する剪断波によってもたらされた表面４８の変位を測定する。

【0045】

これと並行して工程７６では、各サンプリング時点で、各測定点についてユニット１２は装置１０から測定値を取得する。よってユニット１２は、各々の信号ｕ（ｘ，ｔ）を取得する。

【0046】

図４は、取得した信号ｕ（ｘ，ｔ）の一例を３次元グラフで表したものである。このグラフでは、
- 水平軸は、時間をミリ秒で表し、
- 垂直軸は、表面４８の変位の振幅をミリメートルで表し、
- 深さ軸は、測定軸に沿った測定点の位置ｘをμｍで表している。

【0047】

様々な信号ｕ（ｘ，ｔ）を取得すると、取得段階７０は終了し、信号ｕ（ｘ，ｔ）を処理する段階８０が始まる。段階８０は、ユニット１２によって実行される。

【0048】

工程８２では、各信号ｕ（ｘ，ｔ）について、ユニット１２は、信号ｕ（ｘ，ｔ）がその絶対最小値を通過する時点ｔ_ｍｉｎ（ｘ）を検索し、同定する。

【0049】

次に、工程８４では、ユニット１２は、座標点（ｘ；ｔ_ｍｉｎ（ｘ））で形成される点群を最も近似する直線Ｄの式を算出する。直線の式は、以下の通りである：ｔ＝μ_１ｘ＋μ_０。係数μ_１及びμ_０は、最小二乗法を用いて得られた係数である。

【0050】

図５は、座標点（ｘ；ｔ_ｍｉｎ（ｘ））で形成された点群、及び最小二乗法で得られた直線Ｄを表している。

【0051】

皮膚４６を伝播する剪断波は、分散波である。つまり、その位相速度は周波数によって異なる。したがって、位相速度は、この剪断波の各周波数成分で同じではない。位相速度とは、特に明記しない限り、ここでは剪断波の基本モードの位相速度を意味する。基本モードは、表面４８の変位の振幅が最大であるモードに相当する。この位相速度を周波数ｆ_ｉに対してＶ_ｉと表記し、添え字ｉは、周波数ｆ_ｉを同定する次数である。ここでは周波数は、ｆ_１と表記する最低周波数からｆ_Ｐｍａｘと表記する最高周波数まで順序付けされる。

【0052】

皮膚の場合、皮膚４６を伝播する様々な周波数成分は、通常は１Ｈｚ～３，０００Ｈｚであり、最も多いのは、１Ｈｚ～１，０００Ｈｚ又は１Ｈｚ～５００Ｈｚ又は１Ｈｚ～４００Ｈｚであることが観察された。例示として、ここでは周波数ｆ_ｉは、この１Ｈｚ～１、０００Ｈｚの範囲の区間で選択される。

【0053】

特に重要なのは、最低周波数であり、ｆ_ｍｉｎと表記され、それに対して位相速度がある。この最低周波数ｆ_ｍｉｎは、概して１Ｈｚ～１０Ｈｚであることが観察されている。よって、この方法では、区間［１Ｈｚ；１０Ｈｚ］の周波数ｆ_ｉのサンプリングピッチは、小さくなるように、つまり、ここでは２Ｈｚ又は１Ｈｚ未満になるように選択される。逆に、区間［１０Ｈｚ、１０００Ｈｚ］では、周波数ｆ_ｉのサンプリングピッチは、それよりも大きくなるように選択される。例えば、この区間［１０Ｈｚ；１，０００Ｈｚ］では、サンプリングピッチは、５Ｈｚ又は１０Ｈｚ又は２０Ｈｚより大きい。そのため、周波数ｆ_ｉは、区間［１Ｈｚ；１０Ｈｚ］では１Ｈｚのピッチだけ互いに離れているが、区間［１０Ｈｚ；１，０００Ｈｚ］では５Ｈｚ又は１０Ｈｚより大きいピッチだけ互いに離れている。

【0054】

工程８６では、ユニット１２は、選択した各周波数ｆ_ｉについて、必要であれば、対応する位相速度Ｖ_ｉを算出する。

【0055】

そのために、動作８８でユニット１２は、周波数ｆ_ｉを中心とする帯域通過フィルタを用いて各信号ｕ（ｘ，ｔ）をフィルタ処理する。周波数ｆ_ｉでフィルタ処理された信号ｕ（ｘ，ｔ）を、以下、ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）と表記する。この帯域通過フィルタの－３ｄＢ帯域幅は、周波数ｆ_ｉ－１～ｆ_ｉ＋１である。通常、この帯域幅は、区間［１０Ｈｚ；１，０００Ｈｚ］の周波数ｆ_ｉでは２０Ｈｚ又は１０Ｈｚ未満であり、区間［１Ｈｚ；１０Ｈｚ］の周波数ｆ_ｉでは２Ｈｚ未満である。

【0056】

図６は、図４の信号ｕ（ｘ，ｔ）を２０Ｈｚの周波数でフィルタ処理して得た様々な信号ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）を表している。このグラフは、信号ｕ（ｘ，ｔ）ではなく、信号ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）を表しているという点以外は図４のグラフと同じである。

【0057】

動作９０では、ユニット１２は、各信号ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）について、その信号がその絶対最小値を通過する時点ｔ_ｉ、ｍ（ｘ）を検索し、同定する。そのために、時点ｔ_{ｉ－１、ｍ}（ｘ）又はｔ_{ｉ＋１、ｍ}（ｘ）がそれぞれ周波数ｆ_ｉ－１又は周波数ｆ_ｉ＋１についてすでに同定されていれば、ユニット１２は、この時点ｔ_{ｉ－１、ｍ}（ｘ）又はｔ_{ｉ＋１、ｍ}（ｘ）を中心とする時間間隔で、時点ｔ_ｉ、ｍ（ｘ）を最優先に検索する。

【0058】

時点ｔ_{ｉ－１，ｍ}（ｘ）又はｔ_{ｉ＋１，ｍ}（ｘ）がそれまでに同定されていなければ、時点ｔ_ｉ，ｍ（ｘ）は、工程８２で同定した時点ｔ_ｍｉｎ（ｘ）を中心とする時間間隔で検索される。

【0059】

動作９２では、ユニット１２は、信号ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）から周波数ｆ_ｉに対する位相速度Ｖ_ｉを計算する。そのために、ユニット１２は、座標点（ｘ；ｔ_ｉ，ｍ（ｘ））で形成された点群を最善の形で近似する直線Ｄ_ｉの式を算出する。直線Ｄ_ｉの式は、以下の通りである：ｔ_ｉ，ｅ（ｘ）＝μ_ｉ，１ｘ＋μ_ｉ，０。係数μ_ｉ、１及びμ_ｉ、０は、工程８４について説明したように、最小二乗法を実施することによって得られる。

【0060】

図７は、座標（ｘ，ｔ_ｉ，ｍ（ｘ））の点群及び線Ｄ_ｉを表している。

【0061】

直線Ｄ_ｉの式が算出されると、ユニット１２は、近似誤差、すなわち横座標が同じで、直線Ｄ_ｉ上にある座標点（ｘ；ｔ_ｉ，ｍ（ｘ））と座標点（ｘ；ｔ_ｉ，ｅ（ｘ））との間の偏差も推定する。

【0062】

この誤差が所定の閾値ｅｒｒ_ｍａｘを超えていれば、剪断波の周波数ｆ_ｉの周波数成分のエネルギーがわずかなため、周波数ｆ_ｉに対して位相速度がないとみなされる。ここでは例えば、近似誤差は、以下の関係（１）を用いて推定される。

【数2】

式中、
- μ_ｉ，１及びμ_ｉ，０は直線Ｄ_ｉの係数であり、
- ｘ_ｐは、衝撃点に最も近い最初の測定点から数えてｐ番目の測定点の位置ｘであり、
- Ｐ_ｍａｘは、測定軸に沿って分布する測定点の数であり、
- ｅｒｒ_ｍａｘは、所定の定数である。

【0063】

この近似誤差が閾値ｅｒｒ_ｍａｘ以下である場合、位相速度Ｖ_ｉは１／μ_ｉ，１であるとみなされる。このようにして得られた位相速度Ｖ_ｉは、周波数ｆ_ｉでの基本モードの位相速度である。実際これは、信号ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）の最小値から、すなわち変位の振幅が最大になる点からのみ得られる。

【0064】

動作９４では、ユニット１２は、周波数ｆ_ｉの周波数成分の減衰Ａ_ｉ（ｘ）も算出する。ここでは減衰Ａ_ｉ（ｘ）は、動作９０で同定された信号ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）の最小値の振幅に等しいとみなされる。よって、この実施形態では、減衰Ａ_ｉ（ｘ）は、ｕ_ｉ（ｘ；ｔ_ｉ、ｍ（ｘ））である。

【0065】

図８は、図４の信号ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）の位置ｘに応じた減衰Ａ_ｉ（ｘ）の変化を表している。

【0066】

工程８８～工程９４を各々の周波数ｆ_ｉについて繰り返す。以下、位相速度Ｖ_ｉが算出された周波数ｆ_ｉのうち最小のものをｆ_ｍｉｎ、最大のものをｆ_ｍａｘとそれぞれ表記する。座標点（Ｖ_ｉ；ｆ_ｉ）のセットによって形成される曲線は、分散曲線と呼ばれる。図９は、図４のｕ（ｘ，ｔ）信号から得られた分散曲線を表している。

【0067】

剪断波の周波数成分の波長λ_ｉが長いほど、その周波数成分は皮膚４６の表面４８の下を深く伝播する。そのため、波長λ_ｉの周波数成分の速度Ｖ_ｉは、深さｐ_ｉでの皮膚の機械的特性を表している。この時点で、位相速度Ｖ_ｉは、以下の関係：Ｖ_ｉ＝（Ｅ_ｉ／（２ρ_ｉ（１＋ν_ｉ）））^０．５によって、皮膚４６の機械的特性に関連していることに留意されたい。式中、
- Ｅ_ｉは、深さｐ_ｉでの皮膚のヤング率であり、
- ρ_ｉは、深さｐ_ｉでの皮膚の密度であり、
- ν_ｉは、深さｐ_ｉでの皮膚のポアソン係数である。

【0068】

よって、密度ρ_ｉ及び係数ν_ｉが公知の定数であることを考慮すると、速度Ｖ_ｉは、深さｐ_ｉでのヤング率Ｅ_ｉを直接表すものである。よって、速度Ｖ_ｉは、深さｐ_ｉでの皮膚の弾性を表すものである。

【0069】

したがって、深さｐ_ｉに応じた速度Ｖ_ｉのプロファイルは、測定軸に沿った、皮膚の機械的特性の断面図に相当する。

【0070】

工程１００では、ユニット１２は、分散曲線を深さｐ_ｉに応じた速度のプロファイルに変換する。

【0071】

そのために、動作１０２で、ユニット１２は、各周波数ｆ_ｉを、対応する波長λ_ｉに変換する。実際、ユニット１２は、次の関係（２）：λ_ｉ＝Ｖ_ｉ／ｆ_ｉを用いる。

【0072】

次に、動作１０４で、ユニット１２は、各波長λ_ｉを、対応する深さｐ_ｉに変換する係数αの値を計算する。ここでは、深さ_ｐｉは、皮膚の下に埋もれている点と皮膚の表面４８とを隔てている距離である。この係数αは、次の関係（３）：ｐ_ｉ＝αλ_ｉに従って、各波長λ_ｉを、対応する深さｐ_ｉに関連付ける。

【0073】

この係数αは、所与の測定軸に対する定数である。対照的に、皮膚などの異方性・粘弾性材料の場合、係数αは、測定方向に応じて変化する。換言すると、係数αは、測定を行う方向によって異なる。

【0074】

ここでは、係数αは、ユニット１２によって、次の関係（４）：α＝Ｚ_ｍａｘ／λ_ｍａｘを用いて計算され、式中、
- Ｚ_ｍａｘは、距離Ｌ_ｍａｘの半分であり、
- λ_ｍａｘは、動作１０２の後に得られる波長λ_ｉのうち最大のものである。

【0075】

係数αの値が計算されると、動作１０６で、ユニット１２は、上記の関係（３）を用いて、各波長λ_ｉを深さｐ_ｉに変換する。そのため、周波数ｆ_ｉは波長λ_ｉに対応し、この波長は深さｐ_ｉに対応する。各座標点（Ｖ_ｉ；ｆ_ｉ）で、周波数ｆ_ｉを、対応する深さｐ_ｉに置き換えることによって、器具２で測定された速度のプロファイルが得られる。速度のこのようなプロファイルの一例を図１０に示している。

【0076】

ここで、工程６８及び段階７０及び８０を数回繰り返し、各回で測定軸を所定角度だけ軸２２周りに回転させる。そのために、工程６８を新たに繰り返すたびに、アーム４を変形させて刺激器８及び測定装置１０それ自体を回転させるようにする。この回転は、投影軸２２の位置を変えるものではなく、よって衝撃点４９の位置を変えるものではない。例えば、工程６８を新たに繰り返すたびに、測定軸は、前回の位置から少なくとも１°又は５°、例えば１０°又は２０°の角度でずれる。

【0077】

取得したデータを処理する段階８０を新たに繰り返すたびに、工程１００が再度実行される。実際、前述したように、係数αの値は、ヒトの皮膚の場合、測定軸の方向に大きく左右される。

【0078】

最後に、工程１１０で、深さｐ_ｉに応じた皮膚の機械的特性が画面３８に表示される。様々なグラフィック表示が可能である。例えば、図１０に示したような速度プロファイルが画面３８に表示される。ただし、好ましくは、様々な測定方向について得られた様々な速度プロファイルは、同じグラフ上に同時に表示されて、衝撃点４９での皮膚４６の断層像を形成する。このような断層像を図１１に示している。この断層像では、縦軸は深さｐ_ｉを表している。軸２２は、器具２の投影軸に相当する。様々な測定平面Ｐｌ_１～Ｐｌ_６が示されている。これらの平面Ｐｌ_１～Ｐｌ_６は、互いに角度を伴ってずれている。ここで、これらの測定平面は、各々が軸２２を包含し、それぞれの測定方向に平行に延在する。各測定平面は、そのそれぞれの測定方向に平行な測定軸に沿って測定された速度プロファイルを包含する。よって、横軸は、測定された速度Ｖ_ｉの座標Ｖ_ｉｘ及びＶ_ｉｙを表している。

【0079】

図１２は、深さに応じた減衰Ａ_ｉ（ｘ）を表している。また、横軸は、測定点の位置ｘを表している。縦軸は、深さｐ_ｉをミリメートル単位で表している。座標の各点（ｘ；ｐ）の色は、その深さｐとその横座標ｘについての速度Ｖ_ｉの減衰をコード化する。そのために、関係（３）を用いて深さを対応する波長λ_ｉに変換し、その後、関係（２）を用いて、このようにして得た波長λ_ｉを対応する周波数ｆ_ｉに変換する。工程９４では、位置ｘに応じた減衰Ａ_ｉ（ｘ）は、すべての周波数ｆ_ｉについてグラフ表示されているため、その深さｐに対応する特定の周波数ｆ_ｉについてグラフ表示される。これを図８のグラフに示している。図８のグラフには、横座標に対応する減衰Ａ_ｉ（ｘ）がグラフ表示されている。図１２のグラフの座標の点（ｘ；ｐ）で特定の色でコード化されるのは、この測定された減衰Ａ_ｉ（ｘ）の値である。

【0080】

様々な位相速度Ｖ_ｉは、例えばＭＡＳＷ（Ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｗａｖｅｓ）として知られる方法などの他の方法で、信号ｕ（ｘ，ｔ）から算出できる。ＭＡＳＷ法により、各周波数ｆ_ｉについて、基本モードの速度Ｖ_ｉと、基本モードの次数より高い次数のモードの位相速度を算出することができる。

【0081】

図１３は、図３の方法で算出した位相速度Ｖ_ｉと、ＭＡＳＷ法で算出した様々な位相速度とを同じグラフに表したものである。横軸は周波数ｆ_ｉを表し、縦軸は、算出した位相速度の振幅を表している。図３の方法で算出した速度Ｖ_ｉは、点線の曲線１２０で表されている。

【0082】

ＭＡＳＷ法で算出される所与の周波数ｆ_ｉの位相速度は、その位相速度の振幅が大きいほど暗い色でコード化される。周波数ｆ_ｉが同じ場合、ＭＡＳＷ法は、基本モードと他の高次モードのそれぞれに対応する複数の位相速度を算出する。算出したこれらの位相速度のうち、振幅が最も大きいものが基本モードの位相速度に相当する。このグラフに示したように、ほとんどの場合、図３の方法で算出した速度Ｖ_ｉは、図１３のグラフの最も暗い箇所を通過している。これは、２つの異なる方法で算出した基本モードの位相速度が一致していることを示している。

【0083】

対照的に、図１３のグラフに楕円で囲んだ領域があるが、これは該当しない事例である。これは特に高周波、すなわち２４０Ｈｚを超える周波数に当てはまるが、一部の低周波にも当てはまる。これらの領域では、ＭＡＳＷ法で算出した基本モードの位相速度は、急激に低下し、その後再び同じように急激に上昇している。以下、基本モードの位相速度のこれらの突然の低下を「位相跳躍」（phase jumps）と称する。このような位相跳躍は、図１３の９０Ｈｚ付近で丸で囲まれている。逆に、図１３の方法では、このような位相跳躍は発生しない。また、図１３の方法により、ＭＡＳＷ法を実施することで可能となるよりも、はるかに高い周波数で基本モードの位相速度を算出することが可能になる。そのため、図１３の方法は、公知の方法よりも正確であると考えられる。

【0084】

第２章：代替案

【0085】

測定装置の代替案

【0086】

１つの特定の代替案では、前記装置は、皮膚又は他の材料の表面の変位を、互いに角度を伴ってずれているいくつかの測定軸に沿って同時に測定することができる。そのため、このような測定装置を用いると、投影軸２２の周りにそれを回転させる必要がないか、実施する回転数が少なくなる。例えば、このような測定装置は、各測定軸に光学センサアレイを含む。

【0087】

別の実施形態では、前記測定軸は、衝撃点４９を通過せずに、その衝撃点の横を通過する。

【0088】

装置１０は、表面４８の画像を高周波で取得するカメラを用いて実装してもよい。

【0089】

刺激器８の他の実施形態は可能である。例えば、１つの代替案としては、前記空気の噴流を、二酸化炭素のような他の気体の噴流、あるいは、水のような流体の噴流に置き換える。

【0090】

刺激器は、測定対象の材料又は基材の表面に剪断波を発生させるために必ずしも流体の噴流を放出する必要はない。このような剪断波は、器具を使用して材料に直接接触する刺激器によって発生させてもよい。例えば、刺激器は、材料を衝撃点４９で叩くハンマーであってよい。刺激器は、衝撃点４９で材料に衝撃を与えるために、軸２２に沿って発射されるゴムボールなどの発射体であってもよい。

【0091】

前記測定装置は、必ずしも光学測定装置である必要はない。これは特に、器具２が表面積の大きい基材に適用される場合に当てはまることで、その場合、全体のサイズの制限が緩和される。例えば、信号ｕ（ｘ，ｔ）は、各々の測定点に変位センサを直接配置することによって測定することもできる。このような用途に適していると思われる公知の変位センサが多数ある。例えば変位センサは、加速度計であってよい。

【0092】

別の実施形態では、特定の波長で電磁波を放射する要素又は電磁波を反射する要素が各々の測定点に配置される。測定装置のセンサは、測定点で放出又は反射された電磁放射線から、これらの測定点の各々で表面の変位を測定する。

【0093】

本方法の代替案

【0094】

基本モードの位相速度を深さに応じて構築するために、他の方法も可能である。例えば、図１３に示したように、頭字語ＭＡＳＷで知られる方法を適用できるが、これは現在では精度が低いと考えられている。別の実施形態では、ＭＡＳＷ法の１つの代替案が適用され、この代替案は、図１３に観察された位相跳躍の問題を軽減するように修正したものである。最後に、ＭＡＳＷ法以外の方法が、例えば地球物理学などの他の技術分野で開発されており、これらの方法が基本モードの位相速度を算出する限り、ここで置き換えることができる。

【0095】

他の方法としては、周波数ｆ_ｉのサンプリングピッチは、分析区間全体にわたって同じである。例えば、前の例示的な実施形態では、サンプリングピッチは、１Ｈｚ～１０００Ｈｚの範囲の全区間にわたって同じである。

【0096】

時点ｔ_ｉ，ｍ（ｘ）を検索して同定する他の方法も可能である。例えば、時点ｔ_ｉ，ｍ（ｘ）は、検索を所定の時間間隔に限定することなく検索される。この場合、検索は、時点ｔ_{ｉ－１，ｍ}（ｘ）又はｔ_{ｉ＋１，ｍ}（ｘ）又はｔ_ｍｉｎ（ｘ）を考慮せずに実施される。そのため、工程８２及び８４を省略できる。

【0097】

近似誤差は、別の方法で推定できる。特に、この近似誤差を計算するために多くの他の関係が可能である。例えば、関係（１）の代わりに以下の関係（５）を用いることができる。

【数3】

【0098】

別の実施形態では、係数αは、装置１０によって測定された信号ｕ（ｘ，ｔ）に応じて算出される。例えば、簡易化した実施形態では、所与の測定方向に対して用いられる係数αは、装置１２の使用者が用意する。

【0099】

様々な測定方向で測定を行うために刺激器８自体を回転させる代わりに、測定方向を一定に保ち、衝撃点を直線に沿って動かして、材料又は基材の一部を徐々に走査することも可能である。

【0100】

同じ測定軸に沿った測定を様々な時点で繰り返して、これらの測定値の経時的な変化を見てよい。例えば、材料又は基材の機械的特性の経時的な変化、例えば、保湿製品を塗布した後の皮膚の機械的特性の経時的な変化を測定するためにこれを適用してよい。

【0101】

他の代替案

【0102】

当然のことながら、前述したように、ここに述べる器具２は、皮膚以外の粘弾性及び異方性材料に適用することができる。例えば、人工皮膚のような、同様のいかなる粘弾性材料に対しても適用することができる。

【0103】

器具２は、例えば、野菜や果物の皮のように、他の粘弾性材料に対しても適用することができる。

【0104】

器具２を皮膚以外の粘弾性材料に使用する場合、ユニット１２が速度Ｖ_ｉを計算するための周波数ｆ_ｉの区間は、区間［１Ｈｚ；１，０００Ｈｚ］とは異なっていてよい。同じように、器具２を使用する対象の粘弾性材料が異方性でなければ、係数αを第１の測定方向について計算でき、そして第１の測定方向から角度を伴ってずれている他の測定方向についてその係数αと同じ値を用いる。この場合、これらの他の測定方向については動作１０４を繰り返さない。

【0105】

異なる深さにおける材料又は基材のヤング率以外の他の機械的特性は、位相速度Ｖ_ｉから推定することができる。例えば、粘度についても、速度Ｖ_ｉから推定することができる。

【0106】

分散曲線を構築するための図３の方法は、基材の機械的特性を表す物理量を測定するための任意の非侵襲的な用途で実施できる。実際、上記に説明したように、この方法により、基本モードのより正確な位相速度を取得することが可能になる。例えば、図３の方法は、路面又は任意の多層構造などの基材の深さの機械的特性を測定するための非侵襲的器具で実施することもできる。このような基材の場合、互いに角度を伴ってずれているいくつかの異なる方向の速度プロファイルを測定する必要はない。また、各々の測定方向の係数αの値を算出する必要もない。最後に、基材が皮膚以外の場合、刺激器８及び測定装置１０はその基材に適応される。例えば、路面の場合、刺激器８は、路面に衝撃を与える塊で形成される。路面の場合、装置１０は、通常は７ｍｍを超える距離にわたって剪断波を測定する。

【0107】

前記測定装置の測定値に応じた係数αの値の算出は、基本モードの位相速度のプロファイルから材料又は基材の機械的特性を測定する任意の他の器具で実施することもできる。実際、係数αの値を前述のように計算すると、分散曲線を速度プロファイルに変換する精度が向上する。

【0108】

第３章：記載した実施形態の利点

【0109】

ヒトの皮膚に対する前記測定器具及び方法の実施形態を説明してきたように、他の粘弾性及び／又は変形可能な材料又は基材に実施した場合には、以下に記載されている技術的利点及び効果は、本発明に係る器具及び方法に等しく適用される。

【0110】

本明細書に記載した測定方法により、剪断波の基本モードの位相速度を表面だけでなく様々な深さで測定することが可能になる。したがって、材料又は基材の機械的特性を、材料又は基材の表面だけでなく、表面下の様々な深さで明らかにすることが可能になる。さらに、器具２により、非侵襲性を維持しながら、すなわち材料又は基材を切断する必要なく、機械的特性を様々な深さで明らかにすることが可能になる。

【0111】

ヒトの皮膚を測定する場合、測定した信号ｕ（ｘ，ｔ）から、さらに詳細には、分散曲線から係数αの値を計算することで、係数αの値を測定対象の皮膚及び選択した測定方向に自動で合わせることが可能になる。実際、他の基材とは対照的に、係数αの値はヒトによって大きく異なり、選択した測定方向によっても大きく異なることが観察されている。そのため、係数αの値を自動で計算することにより、位相速度のプロファイルの精度が向上する。そのため、観察深さの精度が向上する。

【0112】

互いに角度を伴ってずれているいくつかの方向について位相速度のプロファイルを構築することで、測定した皮膚又は材料の機械的特性の断層像を生成することが可能になる。このような断層像では特に、この機械的特性の異方性を測定方向に応じて観察することができる。そのため、測定した深さの全方向の張力を定量化することが可能で、この張力を３次元で表すことができる。例えば、細胞の活動を示す張力を測定することにより、創傷の治癒を分析し、監視することができる。

【0113】

信号ｕ_ｉ（ｘ，ｔ）の最小値が発生する時点ｔ_ｉ，ｍ（ｘ）及び位置ｘから基本モードの位相速度を計算すると、周波数ｆ_ｉで基本モードの位相速度を正確に算出することが可能になる。したがって、これにより、構築された位相速度のプロファイルの精度が向上し、それに伴い材料又は基板の機械的特性の測定の精度が向上する。

【0114】

周波数ｆ_ｍｉｎを自動で同定することで、測定方法の再現性を高めることが可能になる。なぜなら、この最小周波数は使用者が手動で算出するものではないからである。また、条件（１）を使用する場合、それによって波長λ_ｍａｘをさらに正確に算出でき、係数αの値の算出精度も向上するため、最終的には位相速度のプロファイルの精度が向上する。

【0115】

周波数ｆ_ｍａｘを自動で同定することで、存在しない剪断波、又はごくわずかな剪断波の周波数成分の位相速度を算出することを回避する。したがって、これにより、器具２によって構築される位相速度のプロファイルの精度が向上する。

【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】

【国際調査報告】