アクシムバイオセンサの説明

バイオセンサーは、いままで人の指の感覚に依存していた柔らかさの判定を、さらに高い精度で感知することが出来、特に得られた硬さ情報をデータ化することが出来る世界で初めての画期的システムです。（国内外11ｶ国特許審査請求中、日本、米国とオーストラリアは承認完了）

物にはそれぞれ固有の振動数があり、硬いものは高い固有振動数をもち、柔らかいものは低い固有振動数をもっています。下の図は、コップ単体とゴムのような柔らかいものが着いたコップをそれぞれたたいた場合の音（振動数）を比べたものです。

コップ（焼き物）単体をたたくと高い音がします。今度はコップにゴムを貼り付けてたたいてみます。そのとき音は低くなります。
この音が低くなる理由はコップ＋ゴムの固有振動数が下がるからです。そこで「キ―ン」の振動数をf₀とし、「コ―ン」の振動数をf_xとした場合、その差Dfはゴムの振動特性（柔らかさ）を示します。
実際にはセンサーはコップではなく下記のように圧電セラミック素子（PZT）をもちいます。

振動子の先端に接触子を付加し、その形状を半径aの球状とすれば、r_x、m_x、k_xは各々半径aの2乗、3乗、1乗に比例します。そこで、共振時のリアクタンス項のみを考慮すると、接触面の小さい範囲で（3）式はスティフネス効果により（5）式となり、物質効果で（6）式となります。

よって、センサー先端部を一定の接触圧で物質に押し当てたとき、この物質が十分に硬ければ接触面積の増大が少なく、周波数変化量はスティフネス効果となり、また柔らかい場合は接触面積が増大して質量効果となるので、このときの周波数変化を求めることで物質の硬さ/柔らかさをリアルタイムで検出することが出来ます。

計測方法は非常に簡単で、人の指で硬さを感知する手法と同様に、計測物体にセンサーを押し当てることにより、計測物の硬さ/柔らかさをリアルタイムで知ることが出来ます。また、計測範囲は右の図で示すように非常に広く、シリコンゴムのように柔らかいものから、鉄板のように硬いものまでの広い範囲の硬さ/柔らかさの物体を計測することが出来ます。

右記計測はアクシムバイオセンサーを物体に接触後2秒での値で、数値はセンサーの振動周波数の変化を示す。柔らかい物質の場合は周波数の変化は減衰し、硬い物体の場合は増加する。

バイオセンサーは、物体の硬さ/柔らかさを知るために、音響インピーダンスの違いを計測するので、計測物体の制限範囲^*が大変少ないのも大きな特徴で、論理的には液体^**にいたる物質の計測も可能です。人が触って判断するもの全てがその計測対象となり、幅広い用途があり、特に医療の触診に代る計測法として、最も機能が発揮できる一つの分野です。現在までの各医療機関の研究では、例えば3mm径程度のX線でも判別困難な小さな癌の特定などを上げることが出来ることも報告されています。

^*計測温度は120℃以下。スポンジ等中間に空気層のある物質の比較計測は困難です。
^**液体計測の場合は粘度ではなく液体に含まれる物質全ての音響インピーダンスを計測。

バイオセンサーは計測対象により、プローブ形状/機構、他センサーとの組み合わせ、回路、計測ソフトなどが異なり、様々なシステム^*が準備されております。

ペンタイプでの生体組織の計測についての例：ペンタイププローブに設置されている触覚センサーの自由振動が例えば87 kHzで振動しているとし、その接触子を健常な軟組織に接触させたとき、振動数が84.6 kHzに変化し、センサーが硬組織の近くを押し当てたとき、84.9 kHzとなったとします。このときのセンサー押し当て加重量は3gとします。計測はそれぞれ3gの加重のときの周波数変化量をみます。硬さ/柔らかさの判定は、計測物質が柔らかいほど変化量が大きく、変化量が小さいもしくは逆符号になれば硬いと判定します。

計算

軟組織の変化量： 87.0 - 84.6 = 2.4 kHz ①

硬組織の変化量： 87.0 - 84.9 = 2.1 kHz ②

軟組織と硬組織の差：　2.4 - 2.1 = 0.3 kHz ③

ここで、軟組織は2.4 kHzの柔らかさを測定していますが、硬組織は軟組織はより0.3 kHz硬いことが判定できます。

ビーナストロンでの皮膚計測についての例：ビーナストロンは触覚センサーユニットがモーター駆動により、指定された深さにまで押し当てられ、さらに同スピードでもとの位置に戻され、計測物質の硬さと同時に、張り（Elasticity：弾性）をも計測出来る最新のシステムで、肌/筋肉等の計測に最適といえます。

計測結果はリアルタイムでグラフとして表示され、例えば触覚データ/押し当て圧力の関数グラフを指定すれば、右図のように表示されます。ここではグラフの接線が硬さを表わし、往路と復路の差が残留変形を表わし、弾性を知ることができます。計測物が柔らかい場合は接線の傾きが大きく、硬い場合は傾きが寝てきます。また、バネのような完全弾性体の場合は、往復路が同じグラフを描き、弾性が少ない物質の場合は往復路のグラフ幅が大きくなります。

皮膚に対する化粧品の影響と、スポーツトレーニングをする時の筋肉の疲労と乳酸の増加を研究するためにこのタイプが利用されました。

画面のイメージをクリックすると拡大された画面が表示されます。イメージはビーナストロンの計測イメージです。

バイオセンサーシステムは基本的に次のユニットから構成されています。