JP3756125B2

JP3756125B2 - 耳小骨可動性検出装置

Info

Publication number: JP3756125B2
Application number: JP2002102105A
Authority: JP
Inventors: 行志岩倉
Original assignee: Rion Co Ltd
Current assignee: Rion Co Ltd
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: JP2003290153A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耳の外科手術で行われている鼓室形成術や人工中耳植込み手術などにおいて、耳小骨の可動性のレベルを確認するのに用いる耳小骨可動性検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、耳小骨の可動性を知るために実際に行われている方法としては、術者がアブミ骨またはアブミ骨底板に振動子で直接振動を与え、患者の聞こえ具合を検査することにより、内耳を通した耳小骨の可動性を確認する方法である。ここで、聞こえ具合の検査方法は、局所麻酔手術の場合には直接患者との問診であり、全身麻酔手術の場合は聴性脳幹反応（ＡＢＲ）検査である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、局所麻酔手術の場合は、全身麻酔手術と比較して、短時間で手術を完了させなければならないため、術者により高い熟練とより多くの経験を必要とする。一方、全身麻酔手術の場合の聴性脳幹反応検査は他覚的検査方法であるが、信号が微弱なため、通常５００〜２０００回程度の加算が必要である。このため、アブミ骨またはアブミ骨底板に振動子で振動を加えて、聴性脳幹反応をみる場合、振動子を何らかの方法でしっかり固定して振動を加えなければならない。
従って、医者からは、より簡便かつ他覚的な方法で耳小骨の可動性を検出する方法が要望されている。
【０００４】
本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、振動子を固定すること無く、術者が手で持ってアブミ骨またはアブミ骨底板に押し当てるだけで、瞬時に耳小骨の可動性のレベルを検出することができる耳小骨可動性検出装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく本発明は、所望の電気信号を出力する駆動部と、この駆動部の電気信号により機械振動を発生する加振器と、この加振器による機械振動を耳小骨に伝えると共に、その反作用力を捉えるプローブと、このプローブが捉えた反作用力を電気信号に変換する力検出器と、この力検出器が出力する電気信号を演算処理して耳小骨の可動性のレベルを判定する検出・判定部と、この検出・判定部による判定結果を表示する表示部を備え、前記プローブが耳小骨に伝える機械振動として前記加振器の共振周波数近傍の周波数を用い、前記プローブの先端が耳小骨等に接触した時の前記力検出器の出力変化から耳小骨の可動性のレベルを判定するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る耳小骨可動性検出装置のブロック構成図、図２はトランスデューサ部と耳小骨の模式図、図３はトランスデューサ部の等価回路図、図４はトランスデューサ部の簡易等価回路図、図５は力検出器の出力変化を示す図、図６はトランスデューサ部の構成説明図、図７は駆動部のブロック構成図、図８は検出・判定部と表示部のブロック構成図である。
【０００７】
本発明に係る耳小骨可動性検出装置は、図１に示すように、正弦波電気信号を出力する駆動部１と、駆動部１の正弦波電気信号により正弦波振動をする加振器２と、加振器２による正弦波振動を耳小骨に伝えると共に、その反作用力を捉えるプローブ３と、プローブ３が捉えた反作用力を電気信号に変換する力検出器４と、力検出器４が出力する電気信号を演算処理して耳小骨の可動性のレベルを判定する検出・判定部５、検出・判定部５による判定結果を聴覚に訴えて提示する表示部６からなり、耳小骨の機械インピーダンスを検出する装置である。なお、表示部６は聴覚だけではなく、他の視覚や触覚など五感で判断できるものも含まれる。
【０００８】
蝸牛の機械入力インピーダンスを含めたアブミ骨の機械インピーダンスは、人の側頭骨を使った実験から、正常な耳の場合、約０．４Ｎs/ｍ（１００〜５,０００Ｈｚの周波数範囲でほぼ一定の値）である。これを１,０００Ｈｚでの質量に換算すると、約６０ｍｇに相当する。このような機械インピーダンスを検出するためにはプローブの機械出力インピーダンスを同程度にすることが有効であるが、これは難しい。
【０００９】
また、機械インピーダンスを検出する対象物に加える振動を大きくすれば、検出される反作用力の出力も大きくなり、検出が有利になる。しかし、生体の耳小骨の場合、大きな振動を加えると生体に悪影響を及ぼす可能性があるため、加えられる振動には限界がある。通常、１２０から１３０ｄＢの音圧レベルで人は不快感を感じる。短時間でも１３０ｄＢを越える音を聞かせると耳を損なう危険がある、といわれている。
【００１０】
これを考慮すると、生体の耳小骨の機械インピーダンスを検出する場合、周波数１,０００Ｈｚでは、アブミ骨における振動変位が１μｍを越える振動を加えるべきではなく、安全をみて、０．３μｍ以下の振動で検出することが必要である。このときのアブミ骨からの反作用力は約８×１０-4Ｎの大きさである。
本発明は、機器を著しく小形化することなく、耳小骨のような小さな機械インピーダンスを検出することを可能にする手段を提供する。その原理の概略は以下の通りである。
【００１１】
振動する検出器をこの検出器の機械出力インピーダンスより著しく小さい機械インピーダンスをもった耳小骨等の対象物に接触した場合、振動はほとんど変化しない。このとき検出される力の大きさは、（対象物の機械インピーダンス）×（振動速度）の程度である。振動周波数が検出器の共振周波数の場合、検出器の機械インピーダンスの実効質量分とスティフネス分が相殺して抵抗分のみとなり、検出器の機械出力インピーダンスが著しく小さくなる。
【００１２】
この状態で振動している検出器を耳小骨等の対象物に接触した場合、もとの振動が変化する。この振動の変化に起因して出力される力の大きさは、上述した（対象物の機械インピーダンス）×（振動速度）より、ずっと大きくすることが可能である。このようにして検出感度を著しく大きくすることにより、耳小骨等の小さな機械インピーダンスの検出を可能にする。
【００１３】
次に、本発明の原理を詳細に説明する。図２の模式図に示す加振器２、力検出器４およびプローブ３からなるトランスデューサ部１０の等価回路モデルは、図３に示すようになる。ここで、Ｆ₀は加振力、ｍ₁とｒ₁はそれぞれ力検出素子左側の振動部の実効質量と抵抗、ｓ₁は振動部を保持するばねのスティフネス、ｓ₂は力検出素子のスティフネス、ｍ₂とｒ₂はそれぞれ力検出素子右側の振動部の実効質量と抵抗、ｓ₃はプローブのスティフネス、zxは検出対象である耳小骨８の機械インピーダンスである。
【００１４】
ｓ₃が｜zx｜より十分大きいと仮定すると、プローブ３が耳小骨８に接触していない場合の等価回路は図４（ａ）となり、プローブ３が耳小骨８に接触している場合の等価回路図は４（ｂ）となる。ここで、Ｆ₁とｖ₁およびＦとｖは、それぞれプローブ３が耳小骨８に接触していない場合および接触している場合の力検出器４で検出される力とプローブ３を伝わる振動速度である。
実際上、力検出部４のスティフネスｓ₂は十分大きいから、Ｆ₁とｖ₁およびＦとｖは、次に示す式（１）〜式（４）となる。
【００１５】
【数１】

【００１６】
ここで、ｆは加振周波数である。加振周波数ｆが共振周波数ｆ0近傍でない場合は、次に示す式（６）が成り立つ。
【００１７】
【数２】

【００１８】
式（６）より、ｖ≒ｖ₁（７）が成り立つ。式（７）が成り立つ共振周波数近傍でない加振周波数をｆ_aと表すことにすると、プローブ３が耳小骨８に接触することによる力検出器４で検出される力の変化量の大きさΔＦ(ｆ_a)は、次に示す式（８）となる。
【００１９】
【数３】

【００２０】
一方、加振周波数ｆが共振周波数ｆ₀の場合は、次に示す式（９），（１０）となる。
【００２１】
【数４】

【００２２】
プローブ３が耳小骨８に接触することによる力検出器４で検出される力の変化量の大きさΔＦ(ｆ₀)は、次に示す式（11）となる。
【００２３】
【数５】

【００２４】
いま、アブミ骨の機械インピーダンスのようにｚ_x(ｆ₀) ≒ｚ_x(ｆ_a)であり、加振の振動速度が一定でｖ₁(ｆ₀) ≒ｖ₁(ｆ_a)である場合を考える。加振周波数が共振周波数の場合とそうでない場合とでは、式（８）と式（１１）を比較することにより、共振周波数ｆ₀での力検出出力は、次式(１３)に示すように、共振周波数でないｆ_aの場合のＡ倍となる。
【００２５】
【数６】

【００２６】
実際、式（１３）において、│ｒ₁−ｊω₀ｍ₂│＞ω₀ｍ₂であり、適当にｍ₂を大きくすれば、次に示す式（１４）を満足し、Ａは１より十分大きくすることができる。
【００２７】
【数７】

【００２８】
通常の加振器では、加振力Ｆ₀が一定となる。この場合には、式（１）と式（９）より、│ｖ₁(ｆ₀)│≫│ｖ₁(ｆ_a)│なり、上述の議論よりもさらに式（１１）の方が式（８）より著しく大きくなる。即ち、プローブ先端に接触させた耳小骨等の小さな機械インピーダンスを、加振器の共振周波数近傍の周波数を用いて検出することにより、十分な検出感度を得ることができる。
【００２９】
次に、加振力Ｆ₀が一定の場合に、図４の等価回路に基づいて、プローブ３が耳小骨８に接触することによる力検出器４で検出される力の変化量の大きさΔＦを共振周波数ｆ₀付近の周波数に対して、耳小骨８の機械インピーダンスｚ_xをパラメータとして計算した結果の一例を図５に示す。図５において、横軸は加振器の共振周波数ｆ₀で規格化した周波数ｆn（＝ｆ／ｆ₀）、縦軸は力の変化量の大きさΔＦである。
【００３０】
図５（ａ）は、ｚ_xがすべて抵抗成分だけとして計算した結果で、上の曲線から順に│ｚ_x│の値がそれぞれ1.6，0.8，0.4，0.2，0.1Ｎs/ｍの場合である。同様に図５（ｂ）は、ｚ_xがすべて質量成分だけとして計算した結果で、上の曲線から順に共振周波数ｆ₀での│ｚ_x│の値がそれぞれ1.6，0.8，0.4，0.2，0.1Ｎs/ｍの場合である。計算で使用したその他の図４における等価回路の素子の値は、ｍ₁＝3.3×10-3ｋg、ｒ₁＝6.5Ｎs/ｍ、ｓ₁＝1.5×106Ｎ/ｍ、ｍ₂＝1×10-3ｋg、ｒ₂＝1.6Ｎs/ｍ、Ｆ₀＝7.2×10-3 Ｎである。
【００３１】
トランスデューサ部１０は、図６に示すように、動電形の電気機械変換器である加振器２と、圧電形の機械電気変換器である力検出器４を使用している。
加振器２は、マグネット１１と、ヨーク１２と、プレート１３と、ギャップ１４とで磁気回路を構成し、この磁気回路のギャップ１４の中に置かれるコイル１５と、コイル１５と一体に固定される振動子１６と、振動子１６を矢印Ｂ方向のみに振動させるように支えると共に、振動子１６が矢印Ｂ方向に変位したとき振動子１６に復元力を与えるばね１７ａ，１７ｂと、ばね１７ａ，１７ｂの周囲およびヨーク１２を固定するケース１８と、コイル１５に電流を流すためのコイル端子１９ａ，１９ｂとから構成される。
【００３２】
力検出器４は、圧電素子２０と、振動子１６と、プローブ基部３ｂおよび圧電素子２０の両端に発生した電気出力を取出すための出力端子２１ａ，２１ｂとから構成される。
圧電素子２０およびプローブ３は、振動子１６とほとんど一体に振動するように振動子１６に取付けられる。圧電素子２０は、圧電素子２０に働く矢印Ｂ方向の力に対して、電荷を出力する変換素子である。振動子１６およびプローブ基部３ｂは、圧電素子２０を挟み圧電素子２０に矢印Ｂ方向の力を作用させる。出力端子２１ａ，２１ｂは、必要なら、それぞれプローブ３、振動子１６と電気的に絶縁される。プローブ３は、耳小骨８等の検出対象物にその先端３ａを押し当てて、耳小骨８に振動を与え、そのときの反作用力を圧電素子２０に伝える。
【００３３】
駆動部１は、図７に示すように、発振器３１と定電流駆動回路３２で構成され、駆動信号を加振器２のコイル端子１９ａ，１９ｂに入力する。発振器３１は、加振器２の共振周波数ｆ₀の周波数で正弦波を出力し、周波数および出力振幅が安定していることが必要である。定電流駆動回路３２は、動電形の加振器２の負荷が多少変化しても、駆動力を一定に保持する。
【００３４】
駆動部１は、コイル端子１９ａ，１９ｂに周波数ｆの正弦波電気信号を入力し、コイル１５に電流を流すと、ギャップ１４内の磁場との相互作用により振動子１６、圧電素子２０およびプローブ３は矢印Ｂ方向の正弦波振動をする。この時、圧電素子２０には、（プローブ３の機械インピーダンス）×（振動速度）の力が作用し、出力端子２１ａ，２１ｂからこの力に比例した電気信号が出力される。
【００３５】
次に、プローブ先端３ａを耳小骨８等の検出対象物に接触した場合は、（検出対象物の機械インピーダンス）×（プローブ先端３ａの振動速度）に相当した反作用力がプローブ先端３ａに働く。この力はプローブ３を通して圧電素子２０に加わり、この力に比例した電気信号が上述の電気信号に加算（ベクトル加算）されて出力端子２１ａ，２１ｂに出力される。そして、出力端子２１ａ，２１ｂから出力される電気信号が検出・判定部５に入力される。
【００３６】
検出・判定部５は、図８に示すように、力検出器４の出力信号を増幅する増幅器５１と、増幅器５１が出力するアナログ信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングしてデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器５２と、Ａ／Ｄ変換器５２が出力するデジタル信号の適当な数のサンプリングデータから周波数ｆ₀成分の振幅値を十分な精度で検出する振幅検出器５３と、振幅検出器５３の出力信号をホールドタイミング信号の真偽により出力する入力値ホールド回路５４と、振幅検出器５３の出力信号と入力値ホールド回路５４の出力信号との差を演算する減算器５５と、減算器５５の出力信号と３種の設定値（設定値１，設定値２，設定値３）を比較してどの範囲に存在するかによって耳小骨８の可動性のレベルを判定する可動性判定器５６を備える。なお、５７は減算器５５の出力をモニターするためのメータである。
【００３７】
表示部６は、図８に示すように、可動性判定器５６による３種類の判定結果（可動性OK1信号，可動性OK2信号，可動性NG信号）に対応した３種類の電気信号を出力する音声信号発生器５８と、音声信号発生器５８が出力する３種類の電気信号を電気音響変換して３種類の音色を発するスピーカ５９からなる。
【００３８】
以上のように構成した本発明に係る耳小骨可動性検出装置の動作について説明する。
先ず、術者がトランスデューサ部１０を手に持ち、フットスイッチ等によりホールドタイミング信号を入力値ホールド回路５４に適当に入れ、プローブ３に何も接触していない状態でメータ５７の出力がほぼゼロになるようにする。このとき本装置のスピーカ５９から音は出力されない。
【００３９】
次いで、術者は顕微鏡で見ながら周波数ｆ₀で正弦波振動しているプローブ３の先端３ａをアブミ骨に接触させる。すると、力検出器4の出力端子２１ａ，２１ｂから出力される電気信号が増幅器５１に入力され、適当に増幅された後にＡ／Ｄ変換器５２に入力され、適当なサンプリング周波数でサンプリングされたデジタル信号に変換される。
【００４０】
この信号の適当な数のサンプリングデータから振幅検出器５３が周波数ｆ₀成分の振幅値を十分な精度で検出する。振幅検出器５３の出力信号は入力値ホールド回路５４と減算器５５のａ入力端子に入力される。入力値ホールド回路５４では、ホールドタイミング信号が真（True）のとき、入力値が出力され、一方ホールドタイミング信号が偽（False）のときは、出力が変化せず保持される。
【００４１】
入力値ホールド回路５４の出力信号は減算器５５のｂ入力端子に入力される。通常、ホールドタイミング信号は偽（False）であり、本装置の使用者がアブミ骨にプローブ３を接触させる前の状態で少なくとも１度はスイッチ等の入力手段によって真（True）にする。
【００４２】
減算器５５では、単にａ入力端子に入力される信号とｂ入力端子に入力される信号の差を演算して出力する。この出力は、プローブ３をアブミ骨に接触させたことによる力検出器４の出力信号の変化に比例する。この変化は、アブミ骨の可動性が大きいときは小さく、可動性が無いときは大きい。
【００４３】
減算器５５の出力信号を可動性判定器５６により、その大きさが設定値（設定値１，設定値２，設定値３）のどの範囲にあるかを判定し、判定結果（可動性OK1信号，可動性OK2信号，可動性NG信号）を出力する。なお、設定値１，設定値２，設定値３の値は、アブミ骨の機械インピーダンスｚ_xの実測値に基づいて、本装置使用前に設定される。
【００４４】
可動性判定器５６への入力値が、設定値１以下の場合にはノイズレベルと判断し、３種類の判定結果（可動性OK1信号，可動性OK2信号，可動性NG信号）はすべて偽（False）、設定値１と設定値２の間の場合には可動性OK1信号のみ真（True）、設定値２と設定値３の間の場合には可動性OK2信号のみ真（True）、設定値３以上の場合には可動性NG信号のみ真（True）となる。
【００４５】
可動性判定器５６による３種類の判定結果（可動性OK1信号，可動性OK2信号，可動性NG信号）を音声信号発生器５８に入力すると、音声信号発生器５８は３種類の判定結果に対応した３種類の電気信号を出力する。スピーカ５９は、音声信号発生器５８が出力する３種類の電気信号を電気音響変換して３種類の音色を発する。
【００４６】
アブミ骨の可動性が正常ならば、可動性OK1信号または可動性OK2信号に相当した音色の音響信号がスピーカ５９から発せられるので、術者はプローブ３の先端３ａとアブミ骨の接触状況を確認しながら、アブミ骨の可動性のレベルをスピーカ５９が発する音色から判断することができる。
【００４７】
なお、力検出器４で検出される力の変化量の位相情報を使うことにより、検出対象物の機械インピーダンスの位相を知ることができ、この位相から検出対象物が質量性か抵抗性かスティフネス性かを判定することに応用することが可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、振動子を固定すること無く、術者が手で持ってアブミ骨またはアブミ骨底板に押し当てるだけで、瞬時に耳小骨の可動性を検出することができる。
また、術者はプローブの先端とアブミ骨の接触状況を確認しながら、アブミ骨の可動性を表示部が発する信号から判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る耳小骨可動性検出装置のブロック構成図
【図２】トランスデューサ部と耳小骨の模式図
【図３】プローブを耳小骨に接触させた状態のトランスデューサ部の等価回路図
【図４】トランスデューサ部の簡易等価回路図で、（ａ）はプローブを耳小骨に接触させない状態、（ｂ）はプローブを耳小骨に接触させた状態
【図５】力検出器の出力変化を示す図で、（ａ）は耳小骨の機械インピーダンスzxすべて抵抗成分だけの場合、（ｂ）は耳小骨の機械インピーダンスzxすべて質量成分だけの場合
【図６】トランスデューサ部の構成説明図
【図７】駆動部のブロック構成図
【図８】検出・判定部と表示部のブロック構成図
【符号の説明】
１…駆動部、２…加振器、３…プローブ、３ａ…プローブ先端、４…力検出器、５…検出・判定部、６…表示部、８…耳小骨、１０…トランスデューサ部。

Claims

所望の電気信号を出力する駆動部と、この駆動部の電気信号により機械振動を発生する加振器と、この加振器による機械振動を耳小骨に伝えると共に、その反作用力を捉えるプローブと、このプローブが捉えた反作用力を電気信号に変換する力検出器と、この力検出器が出力する電気信号を演算処理して耳小骨の可動性のレベルを判定する検出・判定部と、この検出・判定部による判定結果を表示する表示部を備え、前記プローブが耳小骨に伝える機械振動として前記加振器の共振周波数近傍の周波数を用い、前記プローブの先端が耳小骨等に接触した時の前記力検出器の出力変化から耳小骨の可動性のレベルを判定することを特徴とする耳小骨可動性検出装置。