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JP7541352B2 - Diagnostic Equipment - Google Patents

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JP7541352B2
JP7541352B2 JP2021050959A JP2021050959A JP7541352B2 JP 7541352 B2 JP7541352 B2 JP 7541352B2 JP 2021050959 A JP2021050959 A JP 2021050959A JP 2021050959 A JP2021050959 A JP 2021050959A JP 7541352 B2 JP7541352 B2 JP 7541352B2
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stomach
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昌宏 武居
ヌルセティア パンジー ダルマ
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Chiba University NUC
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  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Description

本発明は、断装置に関する。
The present invention relates to diagnostic devices.

現在、機能性ディスペプシアを患う人が増えている。機能性ディスペプシアは、精密検査などでは、器質的な異常が無いものの、慢性的な早期満腹感、胃もたれ、および胃痛があり、生活の質を下げる要因となる。 The number of people suffering from functional dyspepsia is currently increasing. Although detailed tests show no organic abnormalities, patients with functional dyspepsia experience chronic early satiety, heavy stomach, and stomach pain, which can reduce the quality of life.

機能性ディスペプシアなどの胃に関する疾患の改善には、胃の状態(胃の位置、胃の大きさ、胃の大きさの時間変化、胃内部ΓのpH)を客観的に把握することが重要である。特に、患者自身が、胃の状態を把握するためには、簡易的、かつ、低侵襲的に胃を可視化できることが重要である。 To improve stomach-related diseases such as functional dyspepsia, it is important to objectively understand the state of the stomach (location of the stomach, size of the stomach, changes in stomach size over time, and pH of the internal stomach). In particular, it is important to be able to visualize the stomach simply and minimally invasively so that patients themselves can understand the state of their stomach.

胃の状態を低侵襲的に測定する方法として、胃電図(EGG)が一般的ではあるが、データの分析には専門知識が必要であり、患者自身で胃の状態を把握することができない。加えて、胃電図(EGG)は、微弱な胃の筋電値を検出するために、高価なアンプが必要という問題がある。また、超音波エコーにより胃壁輪郭∂Γを可視化することは可能であるが、超音波エコーは患者自身で簡易に使用することができない。 Electrogastrograms (EGGs) are a common method for minimally invasively measuring the condition of the stomach, but specialized knowledge is required to analyze the data, and patients are unable to grasp the condition of their stomachs by themselves. In addition, electrogastrograms (EGGs) have the problem that they require expensive amplifiers to detect the weak electromyographic values of the stomach. Also, while it is possible to visualize the stomach wall contour ∂Γ using ultrasound echography, patients cannot easily use ultrasound echography themselves.

簡易、安価で、かつ、極低侵襲性の内臓を可視化する方法としては、電気インピーダンス・トモグラフィ(EIT: Electrical impedance tomography)を用いた肺用EITシステムがある。 A simple, inexpensive, and minimally invasive method for visualizing internal organs is the use of a pulmonary electrical impedance tomography (EIT) system.

肺用EITシステムとして、特許文献1には、患者の胸郭の周りに電極を配置するための電気インピーダンス測定ベルトであって、間隔をあけた複数の電極のアレイと、電極が配置された支持構造とを含み、電極アレイを有する支持構造は、電極が並べられる、角度を付けられた2本の脚部を含み、ベルトが患者の胸郭の周りに巻きつけられると、電極のアレイが、角度を付けられた脚部の頂点が位置することになっている患者の背中から、肋骨と本質的に平行に、患者の胸骨の下方部分へと延在するように、2本の脚部は頂点からある角度で広がっていることを特徴とする、電気インピーダンス測定ベルトが開示されている。 As a pulmonary EIT system, Patent Document 1 discloses an electrical impedance measurement belt for placing electrodes around a patient's thorax, the electrical impedance measurement belt including an array of a plurality of spaced electrodes and a support structure on which the electrodes are arranged, the support structure having the electrode array includes two angled legs on which the electrodes are arranged, the two legs diverging at an angle from the apex so that when the belt is wrapped around the patient's thorax, the electrode array extends from the patient's back, where the apex of the angled legs is to be located, to the lower portion of the patient's sternum, essentially parallel to the ribs.

特表2015-508314号公報Special table 2015-508314 publication

特許文献1の肺用EITシステムは、肺の内容物が気体であるので、被測定者が伏せていても、立っていても、胸部断面に対して十分な画像が得られる。しかし、胃の内容物は液体であり、体位に大きく依存してしまう。そのため、肺用EITシステムを用いても、高精度に胃の状態を可視化することが困難である。 The lung EIT system of Patent Document 1 obtains sufficient images of the chest cross section whether the subject is lying face down or standing up, because the lung contents are gas. However, the stomach contents are liquid, and are highly dependent on the subject's body position. Therefore, even when using a lung EIT system, it is difficult to visualize the state of the stomach with high accuracy.

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、安価であり、極低侵襲性で、かつ、簡易に被測定者の胃を可視化可能な診断装置提供することを目的とする。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and has an object to provide a diagnostic device that is inexpensive, minimally invasive, and capable of visualizing the stomach of a subject in a simple manner.

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
<1> 本発明の一態様に係る診断装置は、間隔をあけて、3次元的に配置される複数の電極と、前記電極を保持し、かつ、前記電極を被測定者の少なくとも腹部に配置可能な支持体と、を備える電気インピーダンス・トモグラフィセンサを用いる診断装置であって、前記電極間に電流又は電位差を印加し、前記電流を印加する場合は電流印加電圧測定パターンに基づき電位差と位相を測定し、前記電極間に前記電位差を印加する場合は電圧印加電流測定パターンに基づき電流と位相を測定する、電流電圧印加測定部と、あらかじめ決められた前記電流印加電圧測定パターンまたは前記電圧印加電流測定パターン、前記被測定者の腹部輪郭を分割して得たメッシュ座標、および各前記電極の座標を基に、前記被測定者のヤコビ行列を計算するヤコビ行列計算部と、前記ヤコビ行列計算部で計算された前記被測定者の前記ヤコビ行列と、前記電流電圧印加測定部で測定された前記電位差および位相または前記電流および位相と、から前記被測定者の電気物性分布を計算する電気物性分布計算部と、を備え
前記電気物性分布計算部から得られた前記電気物性分布を前記被測定者の各構成に対応するクラスタに分類することで、前記被測定者の胃壁輪郭情報を得る胃壁輪郭計算部を備える。
> 上記<>に記載の診断装置は、前記ヤコビ行列計算部において、機械学習を用いて、前記ヤコビ行列を計算してもよい。
> 上記<1>または<2>に記載の診断装置は、前記電気物性分布計算部で計算された前記電気物性分布から前記被測定者の胃内部の相対pH分布を推定する、相対pH推定部をさらに備えてもよい。
> 上記<>~<>のいずれか1つに記載の診断装置は、前記電気物性分布が導電率差分布であってもよい。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
<1> A diagnostic device according to one aspect of the present invention is a diagnostic device using an electrical impedance tomography sensor including a plurality of electrodes arranged three-dimensionally at intervals, and a support that holds the electrodes and allows the electrodes to be placed on at least the abdomen of a person to be measured, the diagnostic device including: a current/voltage application measurement unit that applies a current or a potential difference between the electrodes, and measures a potential difference and a phase based on a current application/voltage measurement pattern when the current is applied, and measures a current and a phase based on a voltage application/current measurement pattern when the potential difference is applied between the electrodes; a Jacobian matrix calculation unit that calculates a Jacobian matrix of the person to be measured based on the predetermined current application/voltage measurement pattern or the voltage application/current measurement pattern, mesh coordinates obtained by dividing the abdominal contour of the person to be measured, and the coordinates of each of the electrodes; and an electrical property distribution calculation unit that calculates an electrical property distribution of the person to be measured from the Jacobian matrix of the person to be measured calculated by the Jacobian matrix calculation unit and the potential difference and phase or the current and phase measured by the current/voltage application measurement unit ,
The apparatus further includes a stomach wall contour calculation unit that obtains stomach wall contour information of the subject by classifying the electrical property distribution obtained from the electrical property distribution calculation unit into clusters corresponding to each configuration of the subject .
<2> In the diagnosis device according to <1> above, the Jacobian matrix calculation unit may calculate the Jacobian matrix using machine learning.
<3> The diagnostic device according to <1> or <2> above may further include a relative pH estimation unit that estimates a relative pH distribution inside the stomach of the subject from the electrical property distribution calculated by the electrical property distribution calculation unit.
<4> In the diagnostic device according to any one of <1> to <3> above, the electrical property distribution may be a conductivity difference distribution.

本発明の上記態様によれば、安価であり、極低侵襲性で、かつ、簡易に被測定者の胃を可視化可能な診断装置および当該診断装置提供することができる。
According to the above aspects of the present invention, it is possible to provide a diagnostic device that is inexpensive, minimally invasive, and capable of easily visualizing the stomach of a subject, and the diagnostic device.

本発明の実施形態に係る診断装置の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a diagnostic device according to an embodiment of the present invention. 電流電圧印加測定部の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a current/voltage application measuring unit. 電気インピーダンス・トモグラフィセンサにおける電極の配置パターンの一例である。1 is an example of an arrangement pattern of electrodes in an electrical impedance tomography sensor. 電気インピーダンス・トモグラフィセンサにおける電極の配置パターンの一例である。1 is an example of an arrangement pattern of electrodes in an electrical impedance tomography sensor. 電気インピーダンス・トモグラフィセンサにおける電極の配置パターンの一例である。1 is an example of an arrangement pattern of electrodes in an electrical impedance tomography sensor. 電極の位置と電極の番号との関係を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining the relationship between electrode positions and electrode numbers. 3D隣接法における電極への電流印加電圧測定パターンを説明するための図である。13 is a diagram for explaining a current application voltage measurement pattern to an electrode in the 3D neighboring method. FIG. 3D隣接法における電極への電流印加電圧測定パターンを説明するための図である。13 is a diagram for explaining a current application voltage measurement pattern to an electrode in the 3D neighboring method. FIG. 3D隣接法における電極への電流印加電圧測定パターンを説明するための図である。13 is a diagram for explaining a current application voltage measurement pattern to an electrode in the 3D neighboring method. FIG. フル3D法における電極への電流印加電圧測定パターンを説明するための図である。11A and 11B are diagrams for explaining a current application voltage measurement pattern for electrodes in a full 3D method. フル3D法における電極への電流印加電圧測定パターンを説明するための図である。11A and 11B are diagrams for explaining a current application voltage measurement pattern for electrodes in a full 3D method. フル3D法における電極への電流印加電圧測定パターンを説明するための図である。11A and 11B are diagrams for explaining a current application voltage measurement pattern for electrodes in a full 3D method. ストレッチセンサとベンドセンサと支持体との配置の一例を説明するための図である。10 is a diagram for explaining an example of an arrangement of a stretch sensor, a bend sensor, and a support body. FIG. 被測定者の腹部輪郭∂Ωを説明するための図である。1 is a diagram for explaining an abdominal contour ∂Ω of a subject; 既知の腹部輪郭∂ΩのデータセットIと既知の腹部内部Ωのヤコビ行列のデータセットJについて説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining a data set I of a known abdominal contour ∂Ω and a data set J of a Jacobian matrix of a known abdominal interior Ω. ヤコビ行列計算部におけるヤコビ行列J*の計算のフローチャートである。13 is a flowchart of calculation of the Jacobian matrix J* in the Jacobian matrix calculation unit. 胃壁輪郭計算部におけるクラスタに分類する計算のフローチャートである。13 is a flowchart of calculation for classifying into clusters in the stomach wall contour calculation unit. 相対pH推定部における相対pHを計算するフローチャートである。11 is a flowchart for calculating a relative pH in a relative pH estimation unit. 導電率差分布Δσと相対pHの分布をシミュレーションするための条件を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing conditions for simulating the conductivity difference distribution Δσ and the relative pH distribution. 食事前の導電率差分布Δσと相対pHの分布をシミュレーションするための条件を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing conditions for simulating the distribution of conductivity difference Δσ and relative pH before a meal. 食事中の導電率差分布Δσと相対pHの分布をシミュレーションするための条件を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing conditions for simulating the distribution of conductivity difference Δσ and relative pH during a meal. 液体を飲んだ後の導電率差分布Δσと相対pHの分布を示す図である。FIG. 13 shows the distribution of conductivity difference Δσ and the distribution of relative pH after drinking a liquid. 固形物を食べている間の導電率差分布Δσと相対pHの分布を示す図である。FIG. 13 shows the distribution of conductivity difference Δσ and relative pH while eating solid food. 胃の3Dイメージングの実験装置を示す図である。FIG. 1 shows the experimental setup for 3D imaging of the stomach. 胃の3Dイメージングの実験プロトコル(実験条件)を示す図である。FIG. 1 shows the experimental protocol (experimental conditions) for 3D imaging of the stomach. 被測定者1~3の胃内部Γの導電率差分布Δσを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the distribution of electrical conductivity differences Δσ of the internal stomach Γ of subjects 1 to 3. 被測定者1~3の胃内部Γの相対pH分布を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the relative pH distribution of Gamma inside the stomach of subjects 1 to 3. 被測定者1の胃内部Γの空間平均導電率差と相対pHとの関係を示す図である。FIG. 13 is a graph showing the relationship between the spatial average conductivity difference and relative pH of the inside of the stomach Γ of a subject 1. 被測定者2の胃内部Γの空間平均導電率差と相対pHとの関係を示す図である。1 is a diagram showing the relationship between the spatial average conductivity difference and relative pH of the inside of the stomach Γ of a subject 2. FIG. 被測定者3の胃内部Γの空間平均導電率差と相対pHとの関係を示す図である。1 is a diagram showing the relationship between the spatial average conductivity difference and relative pH of the inside of the stomach Γ of a subject 3. FIG. 第1ステップのファジークラスタリングを用いた後の被測定者の胃壁輪郭∂Γを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the stomach wall contour ∂Γ of a subject after using the first step of fuzzy clustering. 第2ステップのファジークラスタリングを用いた後の被測定者の胃壁輪郭∂Γを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the stomach wall contour ∂Γ of a subject after using the second step of fuzzy clustering. 被測定者1の空間平均導電率差<Δσ>と空間平均相対pH<pH*>の時間変化を示す図である。1 is a diagram showing changes over time in the spatial average conductivity difference <Δσ> and the spatial average relative pH <pH*> of subject 1. FIG. 被測定者2の空間平均導電率差<Δσ>と空間平均相対pH<pH*>の時間変化を示す図である。1 is a diagram showing changes over time in the spatial average conductivity difference <Δσ> and the spatial average relative pH <pH*> of subject 2. FIG. 被測定者3の空間平均導電率差<Δσ>と空間平均相対pH<pH*>の時間変化を示す図である。13 is a diagram showing changes over time in the spatial average conductivity difference <Δσ> and the spatial average relative pH <pH*> of a subject 3. FIG. 従来法で計測した健常者のpHの時間変化を示す図である。FIG. 1 is a graph showing the change in pH over time in a healthy subject measured by a conventional method. 従来法で計測した胃潰瘍患者のpHの時間変化を示す図である。FIG. 1 shows the change over time in pH in a patient with a gastric ulcer measured by a conventional method. 被測定者の特定の時間の空間平均導電率差<Δσ>を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the spatial average conductivity difference <Δσ> at a specific time for a subject. 被測定者の特定の時間の空間平均相対pH<pH*>を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the spatial average relative pH <pH*> of a subject at a specific time. 被測定者の胃の大きさを示すボクセル数を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the number of voxels indicating the size of the stomach of a subject.

(診断装置)
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係る診断装置100について説明する。図1に示すように、診断装置100は、電流電圧印加測定部1及び診断計算部50を備える。診断計算部50は、腹部輪郭推定部2、ヤコビ行列計算部3、電気物性分布計算部4、胃壁輪郭計算部5、相対pH推定部6、及び出力部7を備える。
(Diagnostic device)
A diagnostic device 100 according to one embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in Fig. 1, the diagnostic device 100 includes a current/voltage application measurement unit 1 and a diagnostic calculation unit 50. The diagnostic calculation unit 50 includes an abdominal contour estimation unit 2, a Jacobian matrix calculation unit 3, an electrical property distribution calculation unit 4, a stomach wall contour calculation unit 5, a relative pH estimation unit 6, and an output unit 7.

診断装置100の診断計算部50は、例えば、Central Processing Unit(CPU),Read Only Memory(ROM)、Random Access Memory(RAM)及びHard Disk Drive(HDD)/Solid State Drive(SSD)を備える。腹部輪郭推定部2、ヤコビ行列計算部3、電気物性分布計算部4、胃壁輪郭計算部5、相対pH推定部6及び出力部7は、CPUにおいて、所定のプログラムを実行することで実現される。プログラムは、記録媒体経由で取得してもよく、ネットワーク経由で取得してもよい。また、診断装置100の構成を実現するための専用のハードウェア構成を用いてもよい。以下、各部について説明する。 The diagnostic calculation unit 50 of the diagnostic device 100 includes, for example, a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and a hard disk drive (HDD)/solid state drive (SSD). The abdominal contour estimation unit 2, the Jacobian matrix calculation unit 3, the electrical property distribution calculation unit 4, the stomach wall contour calculation unit 5, the relative pH estimation unit 6, and the output unit 7 are realized by the CPU executing a predetermined program. The program may be acquired via a recording medium or via a network. A dedicated hardware configuration may also be used to realize the configuration of the diagnostic device 100. Each unit is described below.

(電流電圧印加測定部)
電流電圧印加測定部1について、図2を用いて説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
(Current and voltage application measurement section)
The current/voltage application measuring unit 1 will be described with reference to Fig. 2. The drawings used in the following description may show characteristic parts in an enlarged scale for the sake of convenience in order to make the characteristics easier to understand, and the dimensional ratios of each component may differ from the actual ones. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited thereto, and may be modified as appropriate within the scope of the effects of the present invention.

まず方向について定義する。ここでは、被測定者が床面Fに立って測定する場合を例に挙げて説明する。床面Fと平行な一方向をx方向、床面Fに沿って、x方向と直交する方向をy方向とする。z方向は、床面Fと垂直な方向である。z方向は、x方向及びy方向と直交する方向である。以下、+z方向を「上」、-z方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。 First, let us define the directions. Here, we will explain an example in which the person being measured stands on floor surface F. The direction parallel to floor surface F is defined as the x direction, and the direction along floor surface F that is perpendicular to the x direction is defined as the y direction. The z direction is perpendicular to floor surface F. The z direction is perpendicular to the x and y directions. Below, the +z direction may be expressed as "up" and the -z direction as "down". Up and down do not necessarily coincide with the direction in which gravity is applied.

図2に示すように、電流電圧印加測定部1は、電気インピーダンス・トモグラフィセンサ10と制御部30とを備える。電気インピーダンス・トモグラフィセンサ10は、間隔をあけて、3次元的に配置される複数の電極20(電極数Q)と、電極20を保持し、かつ、電極20を被測定者の少なくとも腹部に配置可能な支持体25とを備える。ここで、「被測定者の少なくとも腹部に配置可能な」とは、被測定者が電気インピーダンス・トモグラフィセンサ10を着用した際に、被測定者の少なくとも腹部に、電極20が配置されることをいう。電流電圧印加測定部1は、電気インピーダンス・トモグラフィセンサ10を被測定者が着用後、電極20間に所定の電流または電位差を印加し、電位差または電流を測定する。電流を印加する場合は、あらかじめ決めた電流印加電圧測定パターン(多数ある電極から二つずつの電極を順番に選び、電流を印加し順次電位差を測定するパターン)に基づき、電位差を測定する。このとき、位相(印加電流と測定電位差との時間的なずれ)も測定することが望ましい。電位差を印加する場合は、あらかじめ決めた電圧印加電流測定パターン(多数ある電極から二つずつの電極を順番に選び、電位差を印加し順次電流を測定するパターン)に基づき、電流を測定する。このとき、位相(印加電位差と測定電流との時間的なずれ)も測定することが好ましい。以後、電流を印加する場合を中心に記載し、電位差を印加する場合の詳細な記載を省略する場合もある。ここで、電極20の数Qは例えば、4以上である。電極20が3次元的に配置され、かつ、電極20の数が4以上あることで、後述の腹部輪郭推定部2とヤコビ行列計算部3の演算結果を用いて、胃壁輪郭∂Γの推定、胃内部の相対pH分布の推定をすることができる。計算の精度を高めるために電極の数は多いほうが好ましい。電極20の配置位置は、特に限定されない。電極20の配置としては、被測定者の胃を囲むように電極が配置されることが好ましい。以下に、電極20の配置パターンについて説明する。 As shown in FIG. 2, the current/voltage application measurement unit 1 includes an electrical impedance tomography sensor 10 and a control unit 30. The electrical impedance tomography sensor 10 includes a plurality of electrodes 20 (number of electrodes Q) arranged three-dimensionally at intervals, and a support 25 that holds the electrodes 20 and allows the electrodes 20 to be placed at least on the abdomen of the person being measured. Here, "able to be placed at least on the abdomen of the person being measured" means that the electrodes 20 are placed at least on the abdomen of the person being measured when the person being measured wears the electrical impedance tomography sensor 10. After the person being measured wears the electrical impedance tomography sensor 10, the current/voltage application measurement unit 1 applies a predetermined current or potential difference between the electrodes 20 and measures the potential difference or current. When applying a current, the potential difference is measured based on a predetermined current application/voltage measurement pattern (a pattern in which two electrodes are selected in sequence from a large number of electrodes, a current is applied to each electrode, and the potential difference is measured in sequence). At this time, it is desirable to also measure the phase (the time shift between the applied current and the measured potential difference). When applying a potential difference, the current is measured based on a predetermined voltage application current measurement pattern (a pattern in which two electrodes are selected from a large number of electrodes in sequence, a potential difference is applied, and the current is measured in sequence). At this time, it is preferable to also measure the phase (the time lag between the applied potential difference and the measured current). Hereinafter, the case where a current is applied will be mainly described, and a detailed description of the case where a potential difference is applied may be omitted. Hereinafter, the number Q of electrodes 20 is, for example, 4 or more. By arranging the electrodes 20 three-dimensionally and having 4 or more electrodes 20, it is possible to estimate the stomach wall contour ∂Γ and the relative pH distribution inside the stomach using the calculation results of the abdominal contour estimation unit 2 and the Jacobian matrix calculation unit 3 described later. In order to increase the accuracy of the calculation, it is preferable to have a large number of electrodes. The arrangement position of the electrodes 20 is not particularly limited. It is preferable that the electrodes 20 are arranged so as to surround the stomach of the person to be measured. The arrangement pattern of the electrodes 20 is described below.

図3は、被測定者の腹部にのみ間隔をあけて電極20を配置した電極配置パターンの一例である。ここでは、z軸方向に位置を変えて4個ずつ、xy平面で位置を変えて4個ずつ、計16個の電極20を配置している。図3の電極20間はz軸方向、および、周囲方向に等間隔に離れているが、電極の配置パターンはこれに限定されるものではなく、例えば千鳥配列などでもよい。ただし、z軸方向に最も上に位置する電極20と最も下に位置する電極20との間に被測定者の胃上端部から胃下端部までが入るように配置することが好ましい。また、x軸方向またはy軸方向において、電極20の両端を直径とする円周内に、被測定者の胃左端部から胃右端部までが入るように配置することが好ましい。このように電極20を配置することで、被測定者の電気物性分布をより正確に測定することができる。 Figure 3 shows an example of an electrode arrangement pattern in which the electrodes 20 are arranged at intervals only on the abdomen of the subject. Here, 16 electrodes 20 are arranged, four at a time at different positions in the z-axis direction and four at a time at different positions in the xy plane. The electrodes 20 in Figure 3 are equally spaced apart in the z-axis direction and in the circumferential direction, but the arrangement pattern of the electrodes is not limited to this and may be, for example, a staggered arrangement. However, it is preferable to arrange the electrodes 20 so that the upper end to the lower end of the stomach of the subject is between the electrode 20 located at the top and the electrode 20 located at the bottom in the z-axis direction. It is also preferable to arrange the electrodes 20 so that the left end to the right end of the stomach of the subject is within a circumference with both ends of the electrodes 20 as a diameter in the x-axis direction or y-axis direction. By arranging the electrodes 20 in this way, the electrical property distribution of the subject can be measured more accurately.

図4は、被測定者の腹部および腹部の周りに間隔をあけて電極20を配置する電極配置パターンの一例である。ここでは、z軸方向に位置を変えて4個ずつ、xy平面で位置を変えて4個ずつ、計16個の電極20を腹部に配置し、さらに、被測定者の腹部の周りに16個の電極20を配置している。電極20間は等間隔に離れてもよいし、等間隔でなくてもよい。ただし、最も上に位置する電極20と最も下に位置する電極20との間に胃全体(胃上端部から胃下端部)までが入るように配置することが好ましい。また、図4の配置の場合は、腹部の周りに配置されているので、胃の腹部側だけではなく、背側、および、両脇腹側にも、電流が流れた状態で電位差を測定することができるので、このように電極20を配置することで、被測定者の胃の電気物性分布をより正確に計算することができる。 Figure 4 shows an example of an electrode arrangement pattern in which electrodes 20 are arranged at intervals on and around the abdomen of the subject. Here, 16 electrodes 20 are arranged on the abdomen, four at a time at different positions in the z-axis direction and four at a time at different positions in the xy plane, and 16 electrodes 20 are arranged around the abdomen of the subject. The electrodes 20 may be spaced equally apart, or may not be spaced equally apart. However, it is preferable to arrange the electrodes 20 so that the entire stomach (from the upper end to the lower end of the stomach) is between the uppermost electrode 20 and the lowermost electrode 20. In addition, in the case of the arrangement in Figure 4, since the electrodes 20 are arranged around the abdomen, the potential difference can be measured with current flowing not only on the abdominal side of the stomach but also on the back side and both flank sides. By arranging the electrodes 20 in this way, the electrical property distribution of the stomach of the subject can be calculated more accurately.

図5は、被測定者の腹部および腹部の周りに間隔をあけて電極20を配置する電極配置パターンの一例である。ここでは、被測定者の腹部の周りにz軸方向で位置を変えて、16個ずつ、計64個の電極20を配置している。電極20間は等間隔に離れてもよいし、等間隔でなくてもよい。ただし、電極20のz軸方向に最も高い位置にある電極20と最も低い位置にある電極20との間に胃全体(胃上端部から胃下端部)が入るように配置することが好ましい。また、図5の配置の場合は、腹部の周りに配置されているので、胃の腹部側だけではなく、背側、両脇腹側にも、広範囲にわたり電流が流れることとなり、このように電極20を配置することで、被測定者の電気物性分布をより正確に測定することができる。 Figure 5 shows an example of an electrode arrangement pattern in which the electrodes 20 are arranged at intervals around the abdomen of the person being measured. Here, 16 electrodes 20 are arranged around the abdomen of the person being measured, with positions changed in the z-axis direction, for a total of 64 electrodes 20. The electrodes 20 may be spaced equally apart, or may not be spaced equally apart. However, it is preferable to arrange the electrodes 20 so that the entire stomach (from the upper end to the lower end of the stomach) is between the electrode 20 located at the highest position in the z-axis direction and the electrode 20 located at the lowest position. In addition, in the case of the arrangement in Figure 5, since the electrodes 20 are arranged around the abdomen, current flows over a wide area not only on the abdominal side of the stomach, but also on the back side and both flank sides. By arranging the electrodes 20 in this way, the distribution of electrical properties of the person being measured can be measured more accurately.

電極20は、電気的に制御部30と接続される。非測定者に電流または電位差を印加できれば、電極20の材質や形状は特に限定されない。電極20としては、例えば、Au、Ag、Cuなどの金属、導電性高分子、表面を金属で被覆した繊維、導電性高分子で表面を被覆した繊維などが挙げられる。 The electrode 20 is electrically connected to the control unit 30. There are no particular limitations on the material or shape of the electrode 20 as long as it can apply a current or potential difference to the subject. Examples of the electrode 20 include metals such as Au, Ag, and Cu, conductive polymers, fibers whose surfaces are coated with metals, and fibers whose surfaces are coated with conductive polymers.

電極20と制御部30との電気的な接続方法は、特に限定されない。接続方法としては、例えば、リード線で電極20と制御部30とを接続してもよいし、導電性繊維が編み込まれた配線で電極20と制御部30とを接続してもよい。編み込まれた配線を用いることで、支持部25の快適性が向上する。 The method of electrically connecting the electrode 20 and the control unit 30 is not particularly limited. For example, the electrode 20 and the control unit 30 may be connected with a lead wire, or the electrode 20 and the control unit 30 may be connected with wiring with woven conductive fibers. The use of woven wiring improves the comfort of the support unit 25.

支持体25は、電極20を保持し、かつ、電極20を被測定者の少なくとも腹部に配置可能であれば、特に限定されない。支持体25は、被測定者の少なくとも腹部に所定の圧力を負荷できることが好ましい。所定の圧力が負荷されることで、電極20と被測定者との密着性が向上し、より正確に電流または電位差を印加し、電位差または電流を測定することができる。また、支持体25は、少なくとも被測定者の腹部または腹部および腹部の周りを覆う。支持体25の材質としては、例えば、エラストマー、革、布などの誘電体が好ましい。支持体25の形状は、特に限定されないが、例えば、ベルト状、腹巻状、スーツ状などが挙げられる。 There are no particular limitations on the support 25, so long as it can hold the electrode 20 and can place the electrode 20 at least on the abdomen of the person being measured. It is preferable that the support 25 can apply a predetermined pressure to at least the abdomen of the person being measured. Applying a predetermined pressure improves the adhesion between the electrode 20 and the person being measured, making it possible to more accurately apply a current or potential difference and measure the potential difference or current. The support 25 also covers at least the abdomen of the person being measured, or the abdomen and the area around the abdomen. The material of the support 25 is preferably a dielectric material such as elastomer, leather, or cloth. The shape of the support 25 is not particularly limited, but examples include a belt-like shape, a belly band-like shape, and a suit-like shape.

(制御部)
制御部30は、例えば、電流を印加する電流印加電極(または電位差を印加する電圧印加電極)と電位差を測定する電圧測定電極(または電流を測定する電流測定電極)の切り替えを行うためのマルチプレクサ、電圧測定(または電流測定)と位相測定を行うインピーダンスアナライザなどを備える。インピーダンスアナライザとは、印加周波数と振幅を変化させて、インピーダンス、すなわち、測定電位差(印加電位差)と印加電流(測定電流)の比、および、その位相とを計測する部品である。制御部30は、例えば、CPUにおいて、所定のプログラムを実行し、マルチプレクサおよびインピーダンスアナライザを制御することで、インピーダンス測定(電位差と電流の比、およびその位相の測定)を行う。電流電圧印加測定部1内部だけで制御部30を制御し、インピーダンス測定を行ってもよいし、診断計算部50で実行されたプログラムに応じて制御部30を制御し、インピーダンス測定を行ってもよい。インピーダンス測定の結果は、電気物性分布計算部4に送られる。電気物性分布計算部4への情報の伝達方法は特に限定されない。制御部30から有線で診断計算部50の電気物性分布計算部4に送ってもよいし、無線で診断計算部50の電気物性分布計算部4に送ってもよい。
(Control Unit)
The control unit 30 includes, for example, a multiplexer for switching between a current application electrode (or a voltage application electrode for applying a potential difference) that applies a current and a voltage measurement electrode (or a current measurement electrode for measuring a current) that measures a potential difference, and an impedance analyzer for performing voltage measurement (or current measurement) and phase measurement. The impedance analyzer is a component that changes the applied frequency and amplitude to measure impedance, that is, the ratio of the measured potential difference (applied potential difference) to the applied current (measured current), and its phase. The control unit 30 executes a predetermined program in, for example, a CPU, and controls the multiplexer and the impedance analyzer to perform impedance measurement (measurement of the ratio of the potential difference to the current, and its phase). The control unit 30 may be controlled only within the current/voltage application measurement unit 1 to perform impedance measurement, or the control unit 30 may be controlled according to a program executed in the diagnosis calculation unit 50 to perform impedance measurement. The result of the impedance measurement is sent to the electrical property distribution calculation unit 4. There is no particular limitation on the method of transmitting information to the electrical property distribution calculation unit 4. The data may be sent from the control unit 30 to the electrical property distribution calculation unit 4 of the diagnostic calculation unit 50 via a wired line, or may be sent to the electrical property distribution calculation unit 4 of the diagnostic calculation unit 50 wirelessly.

制御部30は、あらかじめ決めた電流印加電圧測定パターン(どの電極間に電流を印加し、どの電極間に電位差を測定するかのパターン)に基づき、電極20間に電流を印加し、電位差を測定する。または、制御部30は、あらかじめ決めた電圧印加電流測定パターンに基づき、電極20間に電位差を印加し、電流を測定する。電流を印加する場合、同様に電位差を印加する場合も、どの電極20間に電流(電位差)を印加し、どの電極間で電位差(電流)を測定するかについては、特に限定されないが、3次元的に配置した電極20に「満遍なく」電流(電位差)を印加し電位差(電流)を測定することが好ましい。「満遍なく電流(電位差)を印加し電位差(電流)を測定する」とは、全ての電極20が一度は電流電位差の印加または測定に用いられるように、電流電位差を印加測定することを意味する。電極20への電流印加電圧測定パターンを説明するために、図5の電極配置パターンにおける電極番号の付け方の例を説明する。以下、図6を用いて、各レイヤーに8個の電極20があり、4つのレイヤーで構成するときの、電極20の番号のつけ方を説明する。各電極20の番号は、二つの数字から構成され、最初の数字がレイヤー番号を表し、その次の数字が当該レイヤーにおける電極20の位置を表す。電極20の位置を表す番号は、例えば、腹部中央の前から反時計回りに番号を振る。以下、図7A、7B、7C、7D、7E、7Fを用いて、「満遍なく」電流を印加し、電位差を測定する場合について説明する。なお、その電流印加電圧測定パターンとしては、例えば、3次元(3D)隣接法、フル3次元(フル3D)法などが挙げられる。電流印加電圧測定パターンの数Mは、各電流印加電圧測定パターンで異なる。以下、各電流印加電圧測定パターンについて説明する。なお、以下に説明する電流印加電圧測定パターンは、電圧印加電流測定パターンにも適用することができる。印加する電流値とその印加周波数は、生体への影響や装置の簡便性を鑑みて、例えば、1.0mA以下のHz帯からMHz帯程度までの交流が好ましい。 The control unit 30 applies a current between the electrodes 20 and measures the potential difference based on a predetermined current application voltage measurement pattern (a pattern of which electrodes the current is applied between and which electrodes the potential difference is measured between). Alternatively, the control unit 30 applies a potential difference between the electrodes 20 and measures the current based on a predetermined voltage application current measurement pattern. When applying a current or a potential difference, there is no particular limitation as to which electrodes 20 the current (potential difference) is applied between and which electrodes the potential difference (current) is measured between, but it is preferable to apply the current (potential difference) "evenly" to the electrodes 20 arranged three-dimensionally and measure the potential difference (current). "Applying a current (potential difference) evenly and measuring the potential difference (current)" means that the current potential difference is applied and measured so that all the electrodes 20 are used at least once to apply or measure the current potential difference. In order to explain the current application voltage measurement pattern to the electrodes 20, an example of how to assign electrode numbers in the electrode arrangement pattern of FIG. 5 will be explained. Hereinafter, with reference to FIG. 6, a method of numbering the electrodes 20 when each layer has eight electrodes 20 and is configured with four layers will be described. The number of each electrode 20 is composed of two numbers, the first number representing the layer number, and the second number representing the position of the electrode 20 in the layer. The numbers representing the positions of the electrodes 20 are numbered counterclockwise from the front of the center of the abdomen, for example. Hereinafter, with reference to FIGS. 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, and 7F, a case in which a current is applied "evenly" and a potential difference is measured will be described. In addition, examples of the current application voltage measurement pattern include a three-dimensional (3D) adjacent method and a full three-dimensional (full 3D) method. The number M of the current application voltage measurement pattern differs for each current application voltage measurement pattern. In the following, each current application voltage measurement pattern will be described. In addition, the current application voltage measurement pattern described below can also be applied to a voltage application current measurement pattern. Considering the effect on the living body and the simplicity of the device, it is preferable that the applied current value and its applied frequency be, for example, an alternating current of 1.0 mA or less in the Hz to MHz range.

3D隣接法は、隣接する電極間に電流を印加する方法であり、例えば、ひとつのレイヤーに8電極あり、4つのレイヤーの合計32電極の場合を考えて、図7Aを用いて説明をする。z方向が同じ面の1-1電極と1-2電極に電流を印加し、1-3電極と1-4電極、1-4電極と1-5電極といったように、隣接する電極間のそれぞれの電位差を順次測定し、レイヤーの最後の2つの電極(ここでは1-7電極と1-8電極)との間の電位差を測定した後は、レイヤーにおける最後の電極(ここでは、電極1-8)とその1つ上のレイヤーの一番初めの電極(ここでは電極2-1)との間の電位差を測定する。以下、同様の手順で各電極間の電位差を順次測定し、4-7電極と4-8電極まで隣接する電極間の電位差を測定する。次に、z方向が同じ面の1-2電極と1-3電極に電流を印加し、同様に電位差を測定する。図7Bに示す通り、1-8電極、2-8電極、3-8電極については、ひとつ上のレイヤーの2-1電極、3-1電極、4-1電極の間に電流を印加して、図7Cに示した通り、同様に電位差を測定する。この場合3D隣接法では、電流印加電圧測定パターンの数Mは、全部で928通りとなる。 The 3D adjacent method is a method of applying a current between adjacent electrodes. For example, consider the case where there are 8 electrodes in one layer, and there are 32 electrodes in total in 4 layers, and use FIG. 7A to explain. Apply a current to the 1-1 and 1-2 electrodes on the same surface in the z direction, and measure the potential difference between adjacent electrodes such as the 1-3 and 1-4 electrodes, the 1-4 and 1-5 electrodes, etc. After measuring the potential difference between the last two electrodes of the layer (here, the 1-7 and 1-8 electrodes), measure the potential difference between the last electrode in the layer (here, the electrode 1-8) and the first electrode of the layer above it (here, the electrode 2-1). Thereafter, measure the potential difference between each electrode in the same procedure, and measure the potential difference between adjacent electrodes up to the 4-7 and 4-8 electrodes. Next, apply a current to the 1-2 and 1-3 electrodes on the same surface in the z direction, and measure the potential difference in the same way. As shown in Figure 7B, for the 1-8, 2-8, and 3-8 electrodes, a current is applied between the 2-1, 3-1, and 4-1 electrodes on the layer above, and the potential difference is measured in the same way, as shown in Figure 7C. In this case, with the 3D adjacent method, the number M of current application voltage measurement patterns is 928 in total.

フル3D法は、基準となる電極と、基準となる電極以外の電極との間のすべての組み合わせ、または、できるだけ多くの電極間で電位差を測定する方法であり、例えば図7Dで説明をすると、z方向が同じ面の隣接する1-8電極と1-1電極との間に電流を印加し、1-2電極(基準となる電極)と1-3電極のように隣接する電極だけではなく、1-2電極と2-1電極、1-2電極と3-1電極といったように、基準となる電極に隣接していない電極に対しても電位差を測定し、基準となる電極と基準となる電極以外の電極との間のそれぞれの電位差を順次測定する。また、図7Eに示す通り、z方向が同じ面であっても隣接しない1-8電極と1-2電極にも電流を印加し、同様に基準となる電極と、基準となる電極以外の電極との間のそれぞれの電位差を順次測定する。さらに、図7Fに示す通り、z方向が同じ面でない隣接する1-8電極と2-2電極にも電流を印加し、同様に電位差を測定する。フル3D法では、電流印加電圧測定パターンの数Mは、全部で189,225通りとなる。 The full 3D method is a method of measuring the potential difference between all combinations of a reference electrode and an electrode other than the reference electrode, or between as many electrodes as possible. For example, referring to FIG. 7D, a current is applied between the 1-8 electrode and the 1-1 electrode, which are adjacent to each other on the same surface in the z direction, and the potential difference is measured not only for adjacent electrodes such as the 1-2 electrode (reference electrode) and the 1-3 electrode, but also for electrodes that are not adjacent to the reference electrode, such as the 1-2 electrode and the 2-1 electrode, and the 1-2 electrode and the 3-1 electrode, and the potential difference between each of the reference electrodes and the electrodes other than the reference electrode is measured in sequence. Also, as shown in FIG. 7E, a current is applied to the 1-8 electrode and the 1-2 electrode, which are not adjacent even though they are on the same surface in the z direction, and the potential difference between each of the reference electrodes and the electrodes other than the reference electrode is measured in sequence in the same manner. Furthermore, as shown in FIG. 7F, a current is applied to the 1-8 electrode and the 2-2 electrode, which are adjacent to each other on a surface that is not on the same z direction, and the potential difference is measured in the same manner. In the full 3D method, the total number of current application and voltage measurement patterns, M, is 189,225.

以下、本実施形態の診断装置100では、3D隣接法を用いて、電位差を測定した例について説明する。 Below, we will explain an example of measuring the potential difference using the 3D adjacent method with the diagnostic device 100 of this embodiment.

(腹部輪郭推定部)
腹部輪郭推定部2は、図2および図8Aに示した通り、例えば、ストレッチセンサ22とベンドセンサ(角度検センサ)24を支持部25上の4点以上の腹部輪郭計測点26に配置し、被測定者が支持部25を着用する前にその腹部輪郭計測点26の座標(x、y、z)の基準点として求め、被測定者が支持部25を着用した後の腹部輪郭計測点26の座標(x、y、z)の変化から、被測定者の腹部輪郭∂Ωを推定する。ストレッチセンサ22とベンドセンサ24は、各電極のz方向の位置とは同じにすることが好ましいが、xとy位置については、独自の位置に設けてもよいし、電極20の座標(x、y、z)近傍に配置してもよい。ストレッチセンサ22とベンドセンサ24は、各電極のz方向の位置におけるxとyの腹部輪郭∂Ωをz方向に重ねて、被測定者の3次元的な腹部輪郭∂Ωを推定する。腹部輪郭計測点26の座標データから被測定者の腹部輪郭∂Ωを得るために、腹部輪郭推定部2は、腹部輪郭計測点26の間(各座標点間)を補う。また、このようなストレッチセンサ22とベンドセンサ24を用いることで被測定者の腹部輪郭∂Ωを正確に推定することはできるが、ストレッチセンサ22とベンドセンサ24を片方だけ用いる、または、両方ともに用いなくても、例えばS、M、Lなどの平均的なサイズの支持部25を用いることで、簡易的には被測定者の腹部輪郭∂Ωを推定することもできる。腹部輪郭推定部2は、腹部輪郭計測点26の位置座標およびBスプライン曲線などの補間曲線を用いて、被測定者の腹部輪郭∂Ωをより精度よく推定する。ここでは、Bスプライン曲線で被測定者の腹部輪郭∂Ωを推定したが、ベジエ曲線、ラメ曲線などを用いてもよい。図8BにBスプライン曲線で推定された被測定者の腹部輪郭∂Ωを示す。図8Bに示す通り、例えば、被測定者の腹部輪郭∂Ωを電極がある位置毎に分割し(レイヤー毎に分割)し、各レイヤー毎に、被測定者の腹部輪郭∂Ωから∂Ω4を推定する。得られた各レイヤー毎の被測定者の腹部輪郭∂Ωから∂Ω4から、そのxとy方向だけではなくz方向に対しても、Bスプライン曲線などの補間曲線を用いて、被測定者の3次元の腹部輪郭∂Ωをより精度よく推定する。q番目の電極20の位置は、電極位置からレイヤー層の中心(原点)Oまでの長さrと、電極20の位置および原点Oを結んだ線とx軸とのなす角度θと、で表される。得られた被測定者の腹部輪郭∂Ωの情報は、ヤコビ行列計算部3に送られる。
(Abdominal contour estimation section)
As shown in Fig. 2 and Fig. 8A, for example, the abdominal contour estimation unit 2 arranges a stretch sensor 22 and a bend sensor (angle detection sensor) 24 at four or more abdominal contour measurement points 26 on the support part 25, obtains the coordinates (x, y, z) of the abdominal contour measurement points 26 as reference points before the subject wears the support part 25, and estimates the abdominal contour ∂Ω of the subject from the change in the coordinates (x, y, z) of the abdominal contour measurement points 26 after the subject wears the support part 25. The stretch sensor 22 and the bend sensor 24 are preferably positioned in the same z-direction as each electrode, but the x and y positions may be provided at unique positions or may be positioned near the coordinates (x, y, z) of the electrode 20. The stretch sensor 22 and the bend sensor 24 superimpose the x and y abdominal contours ∂Ω at the z-direction positions of each electrode in the z-direction to estimate the three-dimensional abdominal contour ∂Ω of the subject. In order to obtain the abdominal contour ∂Ω of the subject from the coordinate data of the abdominal contour measurement points 26, the abdominal contour estimation unit 2 supplements the intervals between the abdominal contour measurement points 26 (between each coordinate point). Although the abdominal contour ∂Ω of the subject can be accurately estimated by using such stretch sensor 22 and bend sensor 24, the abdominal contour ∂Ω of the subject can be simply estimated by using only one of the stretch sensor 22 and the bend sensor 24, or even if neither of them is used, by using a support part 25 of an average size such as S, M, or L. The abdominal contour estimation unit 2 estimates the abdominal contour ∂Ω of the subject more accurately using the position coordinates of the abdominal contour measurement points 26 and an interpolation curve such as a B-spline curve. Here, the abdominal contour ∂Ω of the subject is estimated by a B-spline curve, but a Bezier curve, a Lamé curve, or the like may also be used. FIG. 8B shows the abdominal contour ∂Ω of the subject estimated by a B-spline curve. As shown in FIG. 8B, for example, the abdominal contour ∂Ω of the subject is divided into each position where an electrode is located (divided into each layer), and the abdominal contour ∂Ω l to ∂Ω 4 of the subject is estimated for each layer. From the abdominal contour ∂Ω l to ∂Ω 4 of the subject obtained for each layer, the three-dimensional abdominal contour ∂Ω of the subject is estimated more accurately using an interpolation curve such as a B-spline curve not only in the x and y directions but also in the z direction. The position of the q-th electrode 20 is represented by the length r q from the electrode position to the center (origin) O of the layer, and the angle θ between the line connecting the position of the electrode 20 and the origin O and the x-axis. The information on the abdominal contour ∂Ω of the subject obtained is sent to the Jacobian matrix calculation unit 3.

ストレッチセンサ22は、伸縮性のひずみセンサである。ストレッチセンサ22は、支持体25を被測定者が測定した際の腹部輪郭計測点26付近の伸縮方向の変位を測定する。 The stretch sensor 22 is an elastic strain sensor. The stretch sensor 22 measures the displacement in the stretch direction near the abdominal contour measurement point 26 when the subject measures the support 25.

ベンドセンサ24は、角変位を測定することができるセンサである。ベンドセンサ24は、支持体25を被測定者が測定した際の腹部輪郭計測点26付近の曲げ方向の変位を測定する。 The bend sensor 24 is a sensor that can measure angular displacement. The bend sensor 24 measures the displacement in the bending direction near the abdominal contour measurement point 26 when the subject measures the support 25.

以上の説明では、ストレッチセンサ22およびベンドセンサ24を用いて、腹部輪郭∂Ωを推定する例を説明したが、本実施形態の診断装置100において、腹部輪郭計測点26の座標があれば、ストレッチセンサ22およびベンドセンサ24などのセンサを備えていなくてもよい。センサを用いない場合、例えば、腹部輪郭推定部2の計算に用いられる腹部輪郭計測点26の座標は、診断装置100とは別に測定して得たデータを用いてもよい。 In the above explanation, an example of estimating the abdominal contour ∂Ω using the stretch sensor 22 and bend sensor 24 has been described, but in the diagnostic device 100 of this embodiment, as long as the coordinates of the abdominal contour measurement points 26 are available, it is not necessary to include sensors such as the stretch sensor 22 and bend sensor 24. When no sensors are used, for example, the coordinates of the abdominal contour measurement points 26 used in the calculations of the abdominal contour estimation unit 2 may be data obtained by measurement separately from the diagnostic device 100.

(ヤコビ行列計算部3)
ヤコビ行列は、空間に分布する電気物性(導電率、誘電率)の基準に対する変化に対して、電流印加したときの測定電位差(または、電圧印加したときの測定電流)がどれだけ変化するかを示した感度行列である。被測定者のヤコビ行列(感度行列)は被験者の電気物性の空間分布や体形などで異なり、被測定者のヤコビ行列が分かれば電気物性分布を算出することができる。ヤコビ行列計算部3は、あらかじめ決められた電極20の電流印加電圧測定パターン(または電圧印加電流測定パターン)、および、腹部輪郭推定部2で推定した被測定者の腹部輪郭∂Ω(腹部輪郭∂Ωを分割して得たメッシュ座標)と電極20の座標とを用い、被測定者の腹部内部Ωのヤコビ行列J*(*は被測定者のために推定したこと意味する記号)を計算する。ヤコビ行列計算部3は、(1)あらかじめ撮影した被測定者自身の胃X線画像やMRI画像などをベースとして、下記式(9)を用いてヤコビ行列J*を計算し、ヤコビ行列J*をオーダーメイドで作成してもよいし、(2)年齢、性別、国籍、身長、体重などの一般的な情報に基づく胃の3次元位置情報とあらゆる形G個の腹部輪郭∂Ωを第一データベースとし、その第一データベースから、第二データベース(既知の腹部輪郭∂ΩのデータセットIと既知の腹部内部Ωのヤコビ行列のデータセットJ)を作成し、その第二データベースから、腹部輪郭推定部2で推定した被測定者の腹部輪郭∂Ωに対して、機械学習などを用いて被測定者の最適なヤコビ行列J*を選んでもよい。
(Jacobian matrix calculation part 3)
The Jacobian matrix is a sensitivity matrix that indicates how much the measured potential difference when a current is applied (or the measured current when a voltage is applied) changes with respect to the change in the spatially distributed electrical properties (conductivity, dielectric constant) relative to the reference. The Jacobian matrix (sensitivity matrix) of the subject varies depending on the spatial distribution of the subject's electrical properties and body shape, and the electrical property distribution can be calculated by knowing the Jacobian matrix of the subject. The Jacobian matrix calculation unit 3 calculates the Jacobian matrix J* (* is a symbol that means that it is estimated for the subject) of the subject's abdominal interior Ω using the predetermined current application voltage measurement pattern (or voltage application current measurement pattern) of the electrode 20, the subject's abdominal contour ∂Ω (mesh coordinates obtained by dividing the abdominal contour ∂Ω) estimated by the abdominal contour estimation unit 2, and the coordinates of the electrode 20. The Jacobian matrix calculation unit 3 may (1) calculate the Jacobian matrix J* using the following formula (9) based on a stomach X-ray image or MRI image of the subject taken in advance, and create a custom-made Jacobian matrix J*, or (2) use three-dimensional position information of the stomach based on general information such as age, sex, nationality, height, and weight and G abdominal contours ∂Ω of any shape as a first database, create a second database (a data set I of known abdominal contours ∂Ω and a data set J of the Jacobian matrix of known abdominal interior Ω) from the first database, and select the optimal Jacobian matrix J* for the subject from the second database using machine learning or the like for the abdominal contour ∂Ω of the subject estimated by the abdominal contour estimation unit 2.

以下、図9に従って(2)の第一データベースと第二データベースについて説明する。はじめに、第一データベースでは、例えば、一般的に公開されている特定の年齢や国籍や性別の健常者の胃の3次元位置情報(例えば一般的に公開されている胃の3D画像)に対して、太った人ややせた人を想定してあらゆる形(ジオメトリ)G個の腹部輪郭∂Ωの情報(例えば一般的に公開されている胃の3D画像を太った人ややせた人を想定して加工した画像)を用意する。 Below, the first and second databases of (2) will be described with reference to Figure 9. First, in the first database, for example, 3D position information of the stomach of a healthy person of a specific age, nationality, and sex that is publicly available (for example, a publicly available 3D image of the stomach) is prepared, and information of abdominal contours ∂Ω of all shapes (geometry) G pieces is prepared assuming obese and thin people (for example, images that have been processed from a publicly available 3D image of the stomach assuming obese and thin people).

第一データベースでは、g番目のジオメトリの腹部輪郭∂Ωに対して、Q個の電極20に応じて、適切な解像度が得られるように、その内部Ωを3次元のメッシュに分割する。例えば、電極20がQ=32個の場合は、既知の腹部輪郭∂Ωを含む領域を、x-y平面におよそ1024分割、z方向におよそ32分割の合計およそ32768点に分割してメッシュnを作成してもよい(1≦n≦N)。この場合のNは32768点となる。メッシュ数や形状は、電極20の個数や必要な解像度に合わせて適宜設定することができる。なお、この作業は第一データベース内で行ってもよいし、次の第二データベース内で行ってもよい。 In the first database, the interior Ω g of the abdominal contour ∂Ω g of the g-th geometry is divided into three-dimensional meshes so that an appropriate resolution can be obtained according to the Q number of electrodes 20. For example, when the number of electrodes 20 is Q=32, the region including the known abdominal contour ∂Ω g may be divided into approximately 1024 in the xy plane and approximately 32 in the z direction, resulting in a total of approximately 32768 points, to create mesh n (1≦n≦N). In this case, N is 32768 points. The number and shape of the meshes can be appropriately set according to the number of electrodes 20 and the required resolution. This operation may be performed in the first database or in the next second database.

次に、第二データベースにおける、ジオメトリG個の腹部輪郭∂Ωの情報に対する既知の腹部輪郭∂ΩのデータセットIについて説明する。既知の腹部輪郭∂ΩのデータセットIとは、(Q+3)×N(空間メッシュ数)×G(第1データベースのジオメトリ数)の要素を持った既知の腹部輪郭∂Ωのデータからなる行列である。ここで、Qは厳密には腹部輪郭計測点の数であり、電極数と異なる値をとってもよいが、ここでは便宜上、腹部輪郭計測点の数Qと電極数Qは同じ値とする。腹部輪郭∂ΩのデータセットIは、腹部輪郭推定部2で推定した被測定者の腹部輪郭∂Ω、その腹部輪郭∂Ωから腹部内部Ωを分割して得たN個のメッシュ座標(x,y,z)、および、原点Oからの各電極20までの距離rから構成される。Q+3の3の意味は、g番目ジオメトリn番目メッシュにおける座標位置(x,y,z)であり、Qの意味はg番目ジオメトリにおける腹部輪郭計測点Qの半径rである。 Next, the data set I of the known abdominal contour ∂Ω for the information of the geometry G of abdominal contour ∂Ω in the second database will be described. The data set I of the known abdominal contour ∂Ω is a matrix consisting of data of the known abdominal contour ∂Ω having elements of (Q+3)×N (number of spatial meshes)×G (number of geometries in the first database). Here, strictly speaking, Q is the number of abdominal contour measurement points, and may have a value different from the number of electrodes, but for convenience, the number Q of abdominal contour measurement points and the number Q of electrodes are set to the same value. The data set I of the abdominal contour ∂Ω is composed of the abdominal contour ∂Ω of the subject estimated by the abdominal contour estimation unit 2, N mesh coordinates (x n , yn , z n ) obtained by dividing the abdominal interior Ω from the abdominal contour ∂Ω, and the distance r from the origin O to each electrode 20. The 3 in Q+3 refers to the coordinate position (x n , yn , z n ) in the nth mesh of the gth geometry, and Q refers to the radius r of the abdominal contour measurement point Q in the gth geometry.

データセットIは、以下の式(1)で表される。Iは、既知の腹部輪郭∂Ωにおける入力変数であり、下記の式(2)で表される。式(2)中のI は、既知の腹部輪郭∂Ωにおけるメッシュnの入力変数であり、下記の式(3)で表される。式(3)中のX は、既知の腹部輪郭∂Ωにおけるメッシュnのデカルト座標(x,y,z)を示し、下記の式(4)で表される。式(3)中のrは、既知の腹部輪郭∂Ωに配置される電極20の原点からの距離で、下記の式(5)で表される。式(5)中のQは、腹部輪郭計測点の数 (電極数と同じでもよい)を示す。なお、式中のTは行列要素の転置を示し、右辺Rは実数の集合を示し、その上付き文字は行列の要素、または列ベクトルの要素を示し、その下付き文字は行ベクトルの要素を示す。 The data set I is expressed by the following formula (1). I g is an input variable in the known abdominal contour ∂Ω g , and is expressed by the following formula (2). I g n in formula (2) is an input variable of mesh n in the known abdominal contour ∂Ω g , and is expressed by the following formula (3). X g n in formula (3) indicates the Cartesian coordinates (x n , yn , z n ) of mesh n in the known abdominal contour ∂Ω g , and is expressed by the following formula (4). r g in formula (3) is the distance from the origin of the electrode 20 placed on the known abdominal contour ∂Ω g , and is expressed by the following formula (5). Q in formula (5) indicates the number of abdominal contour measurement points (which may be the same as the number of electrodes). Note that T in the formula indicates the transpose of a matrix element, and the right side R indicates a set of real numbers, the superscript indicates an element of a matrix or an element of a column vector, and the subscript indicates an element of a row vector.

Figure 0007541352000001
Figure 0007541352000001

既知の腹部内部Ωのヤコビ行列のデータセットJは、例えば、前述した第一データベースとあらゆる形の腹部輪郭∂Ωとから有限要素法を用い、ヤコビ行列Jを計算することで、既知のヤコビ行列のデータセットJを作成してもよい。ヤコビ行列Jは、被測定者の腹部輪郭∂Ωによって変わるので、多数の既知の腹部輪郭∂Ωおよびヤコビ行列Jを用意することが好ましい。ここでは、既知の腹部輪郭∂Ωを∂Ω(1≦g≦G)とする。Gは、データセット中の既知の腹部輪郭∂Ωの数であり、例えば100から10000である。∂Ωの種類やGの数は、適宜修正できる。既知の腹部内部Ωのヤコビ行列のデータセットJは、M(電流印加電圧測定パターンの数)×N(空間メッシュ数)×G(第1データベースの数)の要素を持った既知の感度行列である。G個の3次元の形をXベクトル、複数の既知の試料の腹部輪郭∂Ωから有限要素法などで取得した複数のヤコビ行列Jのデータをいう。ヤコビ行列のデータセットJは、あらかじめ決めた電流印加電圧測定パターン(または、電圧印加電流測定パターン)の感度行列である。 The data set J of the Jacobian matrix of the known abdominal interior Ω may be created by, for example, calculating the Jacobian matrix J using the finite element method from the first database and any shape of abdominal contour ∂Ω described above. Since the Jacobian matrix J varies depending on the abdominal contour ∂Ω of the subject, it is preferable to prepare a large number of known abdominal contours ∂Ω and Jacobian matrices J. Here, the known abdominal contour ∂Ω is ∂Ω g (1≦g≦G). G is the number of known abdominal contours ∂Ω in the data set, and is, for example, 100 to 10,000. The types of ∂Ω g and the number of G can be modified as appropriate. The data set J of the Jacobian matrix of the known abdominal interior Ω is a known sensitivity matrix having elements of M (number of current application voltage measurement patterns)×N (number of spatial meshes)×G (number of first databases). This refers to data on multiple Jacobian matrices J obtained by the finite element method or the like from G three-dimensional shapes represented by X vectors and multiple abdominal contours ∂Ω of known specimens. The Jacobian matrix data set J is the sensitivity matrix of a predetermined current application voltage measurement pattern (or voltage application current measurement pattern).

腹部輪郭∂Ωのヤコビ行列Jは、下記の式(6)で表される。式(6)のMは、電流印加電圧測定パターンの数を示し、Nはメッシュ数を示し、Gはジオメトリ数を示す。ジオメトリg(1≦g≦G)のヤコビ行列Jは、式(7)で示され、ジオメトリg(1≦g≦G)のメッシュn(1≦n≦N)におけるヤコビ行列J nは、式(8)で示される。ジオメトリg(1≦g≦G)のメッシュn(1≦n<N)の電流印加電圧測定パターンm(1≦m≦M)およびにおけるヤコビ行列要素J nmは、下記の式(9)を用い、計算される。ここで、σは、電気物性分布の例としてメッシュnにおける導電率を示すが、他の電気物性分布(導電率差分布Δσ、誘電率分布、誘電率差分布、位相分布、位相差分布)でもよい。Aはn番目のメッシュ体積を示すが、計算コストの関係などで簡便に計算したい場合はx-y方向のメッシュ面積を用いてz方向には近似してもよい。Vm(e,d)は、電流印加電圧測定パターンmにおける測定電位差Vを示す。eは電流印加電圧測定パターンmにおける電流印加電極ペアを示し、dは電流印加電圧測定パターンmにおける電圧測定電極ペアを意味する。V(i)は、電流印加電極ペアeへの電流印加により誘発された、電圧測定電極ペアd間の電位差を示す。V(i)は電圧測定電極ペアdへの電流印加により誘発された、電流印加電極ペアe間の電位差である。∇はナブラ記号で微分演算子である。 The Jacobian matrix J of the abdominal contour ∂Ω is expressed by the following formula (6). In formula (6), M indicates the number of current application voltage measurement patterns, N indicates the number of meshes, and G indicates the number of geometries. The Jacobian matrix J g of geometry g (1≦g≦G) is expressed by formula (7), and the Jacobian matrix J g n of mesh n (1≦n≦N) of geometry g (1≦g≦G) is expressed by formula (8). The Jacobian matrix elements J g nm of current application voltage measurement patterns m (1≦m≦M) and m of mesh n (1≦n<N) of geometry g (1≦g≦G) are calculated using the following formula (9). Here, σ n indicates the conductivity in mesh n as an example of an electrical property distribution, but may be other electrical property distributions (conductivity difference distribution Δσ, permittivity distribution, permittivity difference distribution, phase distribution, phase difference distribution). An indicates the volume of the nth mesh, but if you want to perform a simple calculation due to calculation costs, you can use the mesh area in the xy directions to approximate the z direction. Vm(e,d) indicates the measured potential difference V in current application voltage measurement pattern m. e indicates the current application electrode pair in current application voltage measurement pattern m, and d means the voltage measurement electrode pair in current application voltage measurement pattern m. V(i e ) indicates the potential difference between voltage measurement electrode pair d induced by current application to current application electrode pair e. V(i d ) is the potential difference between current application electrode pair e induced by current application to voltage measurement electrode pair d. ∇ is the nabla symbol, which is a differential operator.

Figure 0007541352000002
Figure 0007541352000002

以下、図9の第二データベースから出力される既知の腹部内部Ωのヤコビ行列のデータセットJと既知の腹部輪郭∂Ωのデータセットを用いて、腹部輪郭推定部2で推定された被測定者の腹部輪郭∂Ωから、あらかじめ決めた電流印加電圧測定パターンm(1≦m≦M)を基に、被測定者のヤコビ行列J*(*は被測定者のために推定したこと意味する記号)を計算する方法について説明する。ヤコビ行列J*を計算する際には、入力変数として、腹部輪郭∂ΩのデータセットIと腹部内部Ωのヤコビ行列のデータセットJを用い、例えば最近傍探索手法やニューラルネットワークなどの機械学習を用いて、被測定者のヤコビ行列J*を計算する。最近傍探索手法としては、特に限定されないが、K近傍法、近似最近傍探索、局所性鋭敏型ハッシュ、kd木などが挙げられる。ここでは、K近傍法を例に挙げて説明する。 Hereinafter, a method for calculating the Jacobian matrix J* (where * denotes that the matrix is estimated for the subject) of the subject based on a predetermined current application voltage measurement pattern m (1≦m≦M) from the subject's abdominal contour ∂Ω estimated by the abdominal contour estimation unit 2 using a data set J of the Jacobian matrix of the known abdominal interior Ω output from the second database in FIG. 9 and a data set of the known abdominal contour ∂Ω will be described. When calculating the Jacobian matrix J*, the data set I of the abdominal contour ∂Ω and the data set J of the Jacobian matrix of the abdominal interior Ω are used as input variables, and the Jacobian matrix J* of the subject is calculated using, for example, a nearest neighbor search method or machine learning such as a neural network. Examples of nearest neighbor search methods include, but are not limited to, the K-nearest neighbor method, approximate nearest neighbor search, locality sensitive hashing, and kd tree. Here, the K-nearest neighbor method will be used as an example.

次に、図10を用いてK近傍法による被測定者のヤコビ行列J*の計算の方法について説明する。ヤコビ行列計算部3は、腹部輪郭推定部2から送られてきた被測定者の腹部輪郭∂Ω*を既知の腹部輪郭∂Ωのデータセットと同じメッシュ数Nとなるように分割する。その後、あらかじめ決められた電流印加電圧測定パターンmと、電流電圧印加測定部1から送られてきた電極20の座標から、メッシュnから入力変数Iを作成する(S12)。入力変数Iは、被測定者の腹部輪郭∂Ω*における入力変数であり、下記の式(10)で表される。式(10)中のI は、被測定者の腹部輪郭∂Ωにおけるメッシュnの入力変数であり、下記の式(11)で表される。式(11)中のX*は、被測定者の腹部輪郭∂Ωにおけるメッシュnのデカルト座標(x*,y*,z*)を示し、下記の式(12)で表される。Tは行列要素の転置を示す。式(11)中のrは、被測定者の腹部輪郭∂Ωに配置される電極20(正確には、腹部輪郭計測点)の原点Oからの距離で、下記の式(13)で表される。式(13)中のQは、電極20(正確には、腹部輪郭計測点)の個数を示す。 Next, a method of calculating the Jacobian matrix J* of the subject using the K-nearest neighbor method will be described with reference to FIG. 10. The Jacobian matrix calculation unit 3 divides the abdominal contour ∂Ω* of the subject sent from the abdominal contour estimation unit 2 into the same number of meshes N as the data set of the known abdominal contour ∂Ωg . Then, an input variable I * is created from mesh n based on a predetermined current application voltage measurement pattern m and the coordinates of the electrode 20 sent from the current/voltage application measurement unit 1 (S12). The input variable I * is an input variable in the abdominal contour ∂Ω* of the subject, and is expressed by the following formula (10). I * n in formula (10) is an input variable of mesh n in the abdominal contour ∂Ω of the subject, and is expressed by the following formula (11). X* n in formula (11) indicates the Cartesian coordinates (x* n , y* n , z* n ) of mesh n in the abdominal contour ∂Ω of the subject, and is expressed by the following formula (12). T indicates the transposition of matrix elements. r * in formula (11) is the distance from the origin O of the electrodes 20 (more precisely, the abdominal contour measurement points) placed on the abdominal contour ∂Ω of the subject, and is expressed by the following formula (13). Q in formula (13) indicates the number of electrodes 20 (more precisely, the abdominal contour measurement points).

Figure 0007541352000003
Figure 0007541352000003

次に、K近傍法(K-nearest neighbor algorithm, K-NN)による被測定者のヤコビ行列Jの計算の流れを説明する。ヤコビ行列計算部3は、初期値(例えば、n=1、m=1)を入力する(S13)。次にヤコビ行列計算部3は、まず、被測定者の計測したIと第二データベースからの出力である既知の腹部輪郭∂ΩのデータセットIとのユークリッド距離行列Cを計算する(S14)。ユークリッド距離行列Cは、下記の式(14)で表され、I nmとユークリッド距離が小さいクラスター数K個の入力変数I nmを示す。クラスター数Kの数は特に限定されず、例えば5である。ユークリッド距離行列Cは、独自に決めるクラスター数Kとメッシュ数Nの要素K×Nからなる。メッシュn(1≦n≦N)におけるユークリッド距離行列Cnは、下記の式(15)で示され、I とI のユークリッド距離を示し、被測定者の計測したIとジオメトリg(1≦g≦G)の既知の腹部輪郭∂ΩのデータセットIが最小になるようにきめる。次に、ユークリッド距離行列Cと既知の腹部内部Ωのヤコビ行列のデータセットJを用いて、nを固定した時のmにおける被測定者のヤコビ行列J (要素数はM)を計算する(S15)。それは、下記の式(16)で計算され、J は既知の腹部輪郭∂Ωにおけるメッシュnにおける電流印加電圧測定パターンmのヤコビ行列を示す。図10には、例えば、メッシュn=5の位置を例として、I についての例が、記されている。 Next, the flow of calculation of the Jacobian matrix J * of the subject by the K-nearest neighbor algorithm (K-NN) will be described. The Jacobian matrix calculation unit 3 inputs initial values (e.g., n=1, m=1) (S13). Next, the Jacobian matrix calculation unit 3 first calculates a Euclidean distance matrix C between the measured I * of the subject and the data set I of the known abdominal contour ∂Ω output from the second database (S14). The Euclidean distance matrix C is expressed by the following formula (14), and indicates I * nm and input variables Ignm of K clusters with small Euclidean distance. The number of clusters K is not particularly limited, and is, for example, 5. The Euclidean distance matrix C is composed of elements K× N of the number of clusters K and the number of meshes N that are determined independently. The Euclidean distance matrix Cn in mesh n (1≦n≦N) is shown by the following formula (15), which indicates the Euclidean distance between I g n and I * n , and is determined so that the measured I * of the subject and the data set I g of the known abdominal contour ∂Ω of the geometry g (1≦g≦G) are minimized. Next, using the Euclidean distance matrix C and the data set J of the Jacobian matrix of the known abdominal interior Ω, the Jacobian matrix J * n (the number of elements is M) of the subject at m when n is fixed is calculated (S15). It is calculated by the following formula (16), and J g n indicates the Jacobian matrix of the current application voltage measurement pattern m in mesh n at the known abdominal contour ∂Ω g . In FIG. 10, for example, an example of I 5 * is shown, taking the position of mesh n=5 as an example.

nm の計算が終わったところで、ヤコビ行列計算部3は、nの数がメッシュ数Nと等しいか判定する(S15)。nとNが等しくない場合は、nの数を1つ上げ、再度S15に戻る(S16)。nとNが等しい場合は、次にmが電流印加電圧測定パターンの数Mと等しいか判定する(S17)。mとMが等しくない場合は、mの数を1つ上げ、再度S14に戻る(S18)。nとmがそれぞれNとMと等しくなれば、ヤコビ行列計算部3は、被測定者のヤコビ行列Jの計算を終了し、電気物性分布計算部4に被測定者のヤコビ行列Jを送る。通常上記の式(3)を用いて、通常のPCでヤコビ行列Jを計算すると、5分以上計算に時間がかかってしまう。本実施形態に係る診断装置100では、既知のデータセットIと腹部輪郭∂Ωのヤコビ行列のデータセットJを用意し、被測定者の腹部輪郭∂Ωおよび電流印加電圧測定パターンを基に、K近傍法のような機械学習を用いることで、被測定者のヤコビ行列Jを短時間で精度高く計算することができる。 After the calculation of J nm * is completed, the Jacobian matrix calculation unit 3 judges whether the number of n is equal to the number of meshes N (S15). If n and N are not equal, the number of n is incremented by one, and the process returns to S15 again (S16). If n and N are equal, the process next judges whether m is equal to the number M of current application voltage measurement patterns (S17). If m and M are not equal, the number of m is incremented by one, and the process returns to S14 again (S18). When n and m are equal to N and M, respectively, the Jacobian matrix calculation unit 3 ends the calculation of the Jacobian matrix J * of the subject, and sends the Jacobian matrix J * of the subject to the electrical property distribution calculation unit 4. Normally, if the Jacobian matrix J is calculated using the above formula (3) on a normal PC, it takes more than five minutes to calculate. In the diagnostic device 100 according to this embodiment, a known data set I and a data set J of the Jacobian matrix of the abdominal contour ∂Ω g are prepared, and the Jacobian matrix J * of the subject can be calculated with high accuracy in a short time by using machine learning such as the K-nearest neighbor method based on the subject's abdominal contour ∂Ω and the current application and voltage measurement pattern.

Figure 0007541352000004
Figure 0007541352000004

(電気物性分布計算部)
電気物性分布計算部4は、ヤコビ行列計算部3から送られてきた被測定者のヤコビ行列Jと、電流電圧印加測定部1で測定された電位差および位相(または電流および位相)とから被測定者の電気物性分布を計算する。ここで、電気物性分布とは、例えば、導電率分布σ、導電率差分布Δσ、誘電率分布、誘電率差分布、位相分布、および、位相差分布などである。以後、導電率と導電率差(時間tの基準に対する時間tの導電率)を区別して記載する場合があり、差を表す記号としてΔを用いる。
以下は導電率差分布Δσに焦点をあてて説明する。既知の被測定者のヤコビ行列Jと、測定した既知の電位差ΔV(時間tの基準に対する時間tの電位差)から、導電率差分布Δσを求める問題は、不適切逆問題と呼ばれ、例えば、繰り返し計算を使って求めることができる。その繰り返し回数を右数の数字で表す。繰り返し回数0回目の初期の導電率差分布Δσは(右上の数字は繰り返し回数)、被測定者のヤコビ行列Jを用い下記の式(17)から計算される。Tは転置行列を示す。式(17)中のΔVは、下記の式(18)に示す通り、あらかじめ決められた電流印加電圧測定パターン(または電圧印加電流測定パターン)M個の要素を持つ列ベクトルである。式(18)中のΔVmの処理の仕方は2つの方法、すなわち、印加電流周波数一定で測定時間差を使う方法と、測定時間一定でいくつかの印加電流周波数差を用いることができる。ここでは測定時間差を使う方法について述べると、電流印加電圧測定パターンm(0≦m≦M)の時間tのときの測定電位ΔV(t)を基準として、時間tのときの測定電位ΔV(t)からの時間差の測定電位差ΔVを用い、下記の式(19)で表される。また、この式は、V(t)で除してもよい。式(19)中のmは、電流印加電圧測定パターンである。
被測定者の導電率差分布Δσは、初期の導電率差分布Δσを繰り返し回数のスタートとして、下記の式(20)を用いて計算される。式(20)中のiは、繰り返し計算回数を表す。式(20)中のRは正則化行列、λは計算を収束させるための、任意のパラメータを示し、例えば、0.01である。Rは例えば、下記の式(21)で表され、既知の被測定者のヤコビ行列Jの関数である。計算された被測定者の導電率差分布Δσは、胃壁輪郭計算部5または相対pH推定部6に送られる。
(Electrical property distribution calculation part)
The electrical property distribution calculation unit 4 calculates the electrical property distribution of the subject from the Jacobian matrix J * of the subject sent from the Jacobian matrix calculation unit 3 and the potential difference and phase (or current and phase) measured by the current and voltage application measurement unit 1. Here, the electrical property distribution is, for example, the electrical conductivity distribution σ, the electrical conductivity difference distribution Δσ, the dielectric constant distribution, the dielectric constant difference distribution, the phase distribution, and the phase difference distribution. Hereinafter, the electrical conductivity and the electrical conductivity difference (the electrical conductivity at time t relative to the reference at time t0 ) may be described separately, and the symbol Δ is used to represent the difference.
The following description focuses on the conductivity difference distribution Δσ. The problem of calculating the conductivity difference distribution Δσ from the known Jacobian matrix J * of the measured person and the known measured potential difference ΔV (potential difference at time t relative to the reference at time t 0 ) is called an ill-posed inverse problem, and can be calculated, for example, using iterative calculation. The number of iterations is represented by the number on the right. The initial conductivity difference distribution Δσ 0 at the 0th iteration (the number on the upper right is the number of iterations) is calculated from the following formula (17) using the Jacobian matrix J * of the measured person. T indicates a transposed matrix. ΔV in formula (17) is a column vector having M elements of a predetermined current application voltage measurement pattern (or voltage application current measurement pattern) as shown in the following formula (18). There are two ways to process ΔVm in formula (18), that is, a method using a measurement time difference with a constant applied current frequency, and a method using several applied current frequency differences with a constant measurement time. Here, the method using the measurement time difference will be described. Using the measured potential ΔV m (t 0 ) at time t 0 of current application voltage measurement pattern m (0≦m≦M) as a reference, the measured potential difference ΔV of the time difference from the measured potential ΔV m (t) at time t is expressed by the following equation (19). This equation may also be divided by V m (t 0 ). In equation (19), m is the current application voltage measurement pattern.
The conductivity difference distribution Δσ of the subject is calculated using the following formula (20) with the initial conductivity difference distribution Δσ 0 as the start of the number of repetitions. In formula (20), i represents the number of repetitive calculations. In formula (20), R represents a regularization matrix, and λ represents an arbitrary parameter for converging the calculation, and is, for example, 0.01. R is represented, for example, by the following formula (21), and is a function of the known Jacobian matrix J * of the subject. The calculated conductivity difference distribution Δσ of the subject is sent to the stomach wall contour calculation unit 5 or the relative pH estimation unit 6.

Figure 0007541352000005
Figure 0007541352000005

(胃壁輪郭計算部)
胃壁輪郭計算部5は、電気物性分布計算部4から得られた被測定者の電気物性分布(導電率分布σ、導電率差分布Δσ、誘電率分布、誘電率差分布、位相分布、位相差分布)を被測定者の胃内部Γ、胃壁輪郭∂Γ、胃外部の構成成分に対応するクラスタに分類することで、被測定者の胃壁輪郭∂Γ情報を得る。さらに、その被測定者の胃内部Γの電気物性分布情報も得る。胃壁輪郭計算部5は、得られた胃壁輪郭∂Γ情報と胃内部Γの電気物性分布情報とを相対pH推定部6および出力部7に送る。胃壁は、その周囲の肝臓、脾臓などの他の組織と比較して、電気物性分布の中でも特に導電率差が高く大きな差があり、導電率差分布Δσをクラスタリングすることにより、胃壁輪郭∂Γを他の臓器と区別して抽出することができる。その胃内部についても、胃酸の分泌により導電率差が高く、したがって、胃壁輪郭∂Γを得ることで、その胃内部Γの導電率差分布Δσを精度高く得ることができる。さらに、導電率差だけでなく、誘電率についても、胃壁は肝臓、脾臓などの他の組織と比較して小さく、結果として、位相にも大きな違いがあり、導電率差だけではく、誘電率や位相などの電気物性を用いてもよい。被測定者の電気物性分布を被測定者の構成成分(胃外部、胃壁輪郭∂Γ、胃内部Γ)に対応するクラスタに分類する方法は、特に限定されないが、例えば、ファジークラスタリング、k平均法、EMアルゴリズム、ISODATA法、最長距離法などが挙げられる。ここでは、ファジークラスタリングを2回繰り返す2ステップファジークラスタリングの例を説明する。
(Stomach wall contour calculation unit)
The stomach wall contour calculation unit 5 obtains stomach wall contour ∂Γ information of the subject by classifying the electrical property distribution (conductivity distribution σ, conductivity difference distribution Δσ, permittivity distribution, permittivity difference distribution, phase distribution, and phase difference distribution) of the subject obtained from the electrical property distribution calculation unit 4 into clusters corresponding to the components of the subject's stomach inside Γ, stomach wall contour ∂Γ, and outside the stomach. In addition, electrical property distribution information of the subject's stomach inside Γ is also obtained. The stomach wall contour calculation unit 5 sends the obtained stomach wall contour ∂Γ information and electrical property distribution information of the stomach inside Γ to the relative pH estimation unit 6 and the output unit 7. Compared to other tissues such as the liver and spleen surrounding it, the stomach wall has a particularly high conductivity difference among electrical property distributions, and by clustering the electrical property difference distribution Δσ, the stomach wall contour ∂Γ can be extracted in distinction from other organs. The inside of the stomach also has a high conductivity difference due to the secretion of gastric acid, and therefore, by obtaining the stomach wall contour ∂Γ, the conductivity difference distribution Δσ of the stomach inside Γ can be obtained with high accuracy. Furthermore, in addition to the conductivity difference, the gastric wall has a small dielectric constant compared to other tissues such as the liver and spleen, and as a result, there is a large difference in phase, so electrical properties such as dielectric constant and phase may be used in addition to the conductivity difference. The method of classifying the electrical property distribution of the subject into clusters corresponding to the components of the subject (outside of the stomach, stomach wall contour ∂Γ, inside of the stomach Γ) is not particularly limited, but examples include fuzzy clustering, k-means, EM algorithm, ISODATA method, and longest distance method. Here, an example of two-step fuzzy clustering in which fuzzy clustering is repeated twice will be described.

図11は、2ステップファジークラスタリング(2Step Fuzzy c-Means algorithm)を用いて、被測定者の電気物性分布(導電率分布σ、導電率差分布Δσ、誘電率分布、誘電率差分布、位相分布、および、位相差分布など)から被測定者の構成成分に対応するクラスタに分類するフローチャートである。以下、電気物性分布として導電率分布σの例をとり、図11を用いて被測定者の構成成分に対応するクラスタに分類する流れを説明する。電気物性分布計算部4から送られてきた導電率分布σに対し、3種のクラスタK=3とし、胃内部Γのk=1σ、胃壁輪郭∂Γのk=2σ、胃外部のk=3σに分け、クラスタの初期化を行う(S21)。このとき繰り返し回数jは0とする。次に、k番目にクラスタされているメッシュnの導電率σの座標=(x,y,z)からクラスタ重心位置 を下記の式(22)を用いて計算する(S22)。次にファジー重みづけμnを式(23)を用いて計算する(S23)。次に、得られたファジー重心 を式(24)を用いて計算する(S24)。クラスタ再設定を式(25)を用いて行う。各クラスタ重心位置 とファジー重心位置 を計算した後、メッシュnにおける導電率σは、下記の式(23)で計算されるメッシュnの座標rとファジー重心位置 との差のユークリッド距離が最小であった重心位置にフィジー重みとの積として、導電率σがクラスタkに割り当てられる(S25)。各クラスタ再配置後、最新j回目の各ファジー重心位置ファジー重心 とその1回前(j-1)回目の計算における各ファジー重心位置ファジー重心 j-1の重心位置とが一致していない場合、S22に戻る(S26)。最新の各ファジー重心位置とその一回前の計算における各ファジー重心位置が一致していれば、ステップ2に移動する。ステップ2ではステップ1と同様であるが、クラスタ数Kは2、すなわち、k=1(胃内部)、k=2(胃壁)のみで計算を行い、再度各クラスタ毎に、クラスタ重心位置とファジー重心位置 を計算する。ステップ2では、ステップ1と同様に、クラスタ初期化(S21a)、クラスタ重心位置の計算(S22a)、ファジー重みづけの計算(S23a)、ファジー重心位置の計算(S24a)、クラスタ再設定(S25a)、および判定(S26a)を行う。再度同様の処理を行うことで、被測定者の構成成分にクラスタリングされた電気物性分布が得られる。ファジークラスタリングのような被測定者の導電率分布σを構成成分に対応するクラスタに分類することで、導電率の閾値で分けるよりも高精度に胃壁輪郭∂Γを明確にすることができる。また、胃壁輪郭計算部5は、短時間に胃壁輪郭∂Γを算出することができるので、リアルタイムに胃の形状変化を得ることができ、さらに、胃壁輪郭∂Γと胃内部Γのボクセル数を計算することで胃の大きさの時間変化を求めることができる。胃壁輪郭∂Γの形状変化をリアルタイムに得ることで、胃の診断に重要な、胃全体の運動、胃上部の運動、および、胃下部の運動を把握することができる。 FIG. 11 is a flow chart showing how to classify the electrical property distribution (conductivity distribution σ, conductivity difference distribution Δσ, permittivity distribution, permittivity difference distribution, phase distribution, and phase difference distribution, etc.) of a subject into clusters corresponding to the subject's constituent components using a 2-step fuzzy clustering (2-step fuzzy c-means algorithm). Hereinafter, the flow of classifying the electrical property distribution into clusters corresponding to the subject's constituent components will be described using FIG. 11, taking the example of electrical property distribution σ as an example. The electrical property distribution σ sent from the electrical property distribution calculation unit 4 is divided into three types of clusters K=3, k=1 σ 0 for the stomach inside Γ, k=2 σ 0 for the stomach wall contour ∂Γ, and k=3 σ 0 for the stomach outside, and the clusters are initialized (S21). At this time, the number of repetitions j is set to 0. Next, the cluster center position kr c j is calculated from the coordinates kr n = (x n , yn , z n ) of the conductivity k σ n of the k-th clustered mesh n using the following formula (22) (S22). Next, the fuzzy weight k μ j n is calculated using formula (23) (S23). Next, the obtained fuzzy center of gravity k f c j is calculated using formula (24) (S24). Cluster reassignment is performed using formula (25). After calculating each cluster center of gravity kr c j and the fuzzy center of gravity k f c j , the conductivity σ n in mesh n is assigned to cluster k as the product of the center of gravity kr c with the smallest Euclidean distance between the coordinate rn of mesh n and the fuzzy center of gravity k f c j calculated using the following formula (23 ) and the Fiji weight (S25). After each cluster rearrangement, if the latest j-th calculation of each fuzzy center of gravity k f c j does not match the center of gravity k f c j-1 of each fuzzy center of gravity k f c j in the calculation one time before (j-1), the process returns to S22 (S26). If the latest fuzzy center of gravity k f c j-1 of each calculation matches the fuzzy center of gravity k f c j in the calculation one time before, the process proceeds to step 2. Step 2 is the same as step 1, but the number of clusters K is 2, that is, calculation is performed only for k=1 (inside the stomach) and k=2 (stomach wall), and the cluster center of gravity k r c and the fuzzy center of gravity k f c j are calculated again for each cluster. Step 2 is the same as step 1, in which cluster initialization (S21a), calculation of cluster center of gravity (S22a), calculation of fuzzy weighting (S23a), calculation of fuzzy center of gravity (S24a), cluster resetting (S25a), and judgment (S26a) are performed. By performing the same process again, an electrical property distribution clustered into the components of the subject can be obtained. By classifying the electrical conductivity distribution σ of the subject into clusters corresponding to the components, such as by fuzzy clustering, the stomach wall contour ∂Γ can be clarified with higher accuracy than by dividing it by a threshold value of electrical conductivity. In addition, since the stomach wall contour calculation unit 5 can calculate the stomach wall contour ∂Γ in a short time, the shape change of the stomach can be obtained in real time, and further, the time change of the stomach size can be obtained by calculating the number of voxels of the stomach wall contour ∂Γ and the stomach interior Γ. By obtaining the shape change of the stomach wall contour ∂Γ in real time, it is possible to grasp the movement of the entire stomach, the movement of the upper stomach, and the movement of the lower stomach, which are important for stomach diagnosis.

Figure 0007541352000006
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胃壁輪郭計算部5は、被測定者の胃壁輪郭∂Γと胃内部Γとの境界線、および、胃壁輪郭∂Γと胃外部との境界線を強調するために、従来の方法を用いてもよく、境界線の強調方法は、特に限定されず、例えば、Canny法、ソーベル法・ガウスのラプラシアン法などが挙げられる。 The stomach wall contour calculation unit 5 may use a conventional method to emphasize the boundary between the subject's stomach wall contour ∂Γ and the inside of the stomach Γ, and the boundary between the stomach wall contour ∂Γ and the outside of the stomach. The method of emphasizing the boundary is not particularly limited, and examples include the Canny method, the Sobel method, and the Gaussian Laplacian method.

(相対pH推定部)
図12は相対pH推定部6で相対pHを求めるためのアルゴリズムの一例であり、以下、電気物性分布として導電率分布σの例をとり、このアルゴリズムに従って説明する。相対pH推定部6は、電気物性分布計算部4から送られた被測定者の電気物性分布(ここでは、導電率分布σ)、および、胃壁輪郭計算部5から送られた被測定者の胃壁輪郭∂Γ情報に基づいて、胃内部Γの相対pHの分布を推定する。推定された相対pH分布は出力部7に送られる。相対pH推定部6は、被測定者の電気物性分布から被測定者の胃内部の相対pH分布を推定してもよい。ここで、相対pHとは、厳密なpHを示すものではなく、次に示す基準に対する相対的なpHを示し、記号ではpH*と*を付けて表記する。胃内部Γに飲料や食事などが入ると、胃壁輪郭∂Γから胃酸(主に塩酸HCl)が分泌され、胃内部ΓのpHが変化する。胃内部Γの厳密な相対pHはpH=-log[H]で示され、[H]、すなわち、1リットル当たりの溶液中のHイオンの濃度molで示される。ます初めに、食事前(飲料中)の相対pHの推定は例えば、コールラウシュの平方根則(オンサガーの導電率式)をベースとした下記の式(26)に基づいて計算される。下記の式(26)において、σは電気物性分布計算部4で計算された導電率を示し、cはこの式から求めたい胃酸濃度である。Λは、既知の胃酸の極限モル導電率を示し、胃酸を塩酸HClと仮定すると、コールラウシュのイオン独立移動の法則により、273.5×10Smmol-1となる。また、αとβは、胃内部Γの溶媒の温度、比誘電率、粘性係数から求まる定数であり、溶媒を水と仮定し、胃内部Γの温度を36.5℃(=309.5K)、誘電率80.4、粘性係数η=0.8903×10-2Pボアズ(1P= 10-1Pas)を仮定すると、図12に示した通り、Λ、α、βなどの各定数が得られ、式(26)により、cを求めることができる。ここで注意する点は3つあり、1)cはHの濃度ではなく胃酸(電解質濃度)であり、正確な[H]を求めるために、HClの電離定数などを考慮してもよいが、胃酸は強胃酸なので簡単のため、電離定数などは考慮しなくてもよく、cを[H]とみなしてもよい。また、2)電気物性分布計算部4で計算された導電率σは単位のある絶対値ではなく、相対値であるので、式(26)で求めたcも相対値とみなしてもよい。さらに、3)cは単位体積当たりの電解質濃度であるので、水などの飲んだ溶媒の体積Vが既知であるとより正確な比較が可能である。式(26)で求めたcは、飲んだ水が既知の場合はその水体積Vw、空腹時の胃体積V0、時間tの胃体積Vtで除して単位体積当たりの値でもよいし、相対値を前提としているので、Vw、V、Vtなどで除さなくてもよい。以下、シミュレーションに従って、液体を飲んだ場合および固形物を食べた場合について説明する。
(Relative pH Estimation Unit)
FIG. 12 is an example of an algorithm for determining the relative pH in the relative pH estimation unit 6. Hereinafter, an example of the electrical conductivity distribution σ will be taken as the electrical property distribution, and the algorithm will be described. The relative pH estimation unit 6 estimates the distribution of the relative pH inside the stomach Γ based on the electrical property distribution (here, the electrical conductivity distribution σ) of the subject sent from the electrical property distribution calculation unit 4 and the stomach wall contour ∂Γ information of the subject sent from the stomach wall contour calculation unit 5. The estimated relative pH distribution is sent to the output unit 7. The relative pH estimation unit 6 may estimate the relative pH distribution inside the stomach of the subject from the electrical property distribution of the subject. Here, the relative pH does not indicate the strict pH, but indicates the pH relative to the following standard, and is represented by the symbols pH* and *. When a drink or meal enters the stomach Γ, gastric acid (mainly hydrochloric acid HCl) is secreted from the stomach wall contour ∂Γ, and the pH of the stomach Γ changes. The exact relative pH of Γ inside the stomach is expressed as pH = -log [H + ], where [H + ] is the concentration of H + ions in the solution per liter in moles. First, the relative pH before a meal (drinking) is estimated based on, for example, the following formula (26) which is based on Kohlrausch's square root law (Onsager's conductivity formula). In the following formula (26), σ indicates the conductivity calculated by the electrical property distribution calculation unit 4, and c is the gastric acid concentration to be obtained from this formula. Λ indicates the known limiting molar conductivity of gastric acid, which is 273.5 x 10 4 Sm 2 mol -1 according to Kohlrausch's law of independent ion migration if gastric acid is assumed to be hydrochloric acid HCl. In addition, α and β are constants calculated from the temperature, dielectric constant, and viscosity coefficient of the solvent of Γ inside the stomach. If we assume that the solvent is water, the temperature of Γ inside the stomach is 36.5°C (=309.5K), the dielectric constant is 80.4, and the viscosity coefficient η=0.8903×10 -2 P Boise (1P=10 -1 Pas), then the constants such as Λ , α, and β can be obtained as shown in Fig. 12, and c can be calculated using formula (26). There are three points to note here: 1) c is gastric acid (electrolyte concentration) rather than the concentration of H + , and the ionization constant of HCl may be taken into consideration to calculate an accurate [H + ], but since gastric acid is a strong gastric acid, the ionization constant may not be taken into consideration for simplicity, and c may be regarded as [H + ]. In addition, 2) the conductivity σ 0 calculated by the electrical property distribution calculation unit 4 is not an absolute value with a unit but a relative value, so c calculated by formula (26) may also be considered as a relative value. Furthermore, 3) since c is an electrolyte concentration per unit volume, a more accurate comparison is possible if the volume V of the ingested solvent such as water is known. If the ingested water is known, c calculated by formula (26) may be divided by the water volume Vw, the stomach volume V0 on an empty stomach, and the stomach volume Vt at time t to obtain a value per unit volume, or, since it is based on relative values, it is not necessary to divide by Vw, V 0 , Vt, etc. Below, a description will be given of the case where a liquid is ingested and the case where a solid food is eaten according to a simulation.

Figure 0007541352000007
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まず、表1、図13、図14A、および図14Bに示したシミュレーション条件、すなわち、図13に示した腹部と胃のジオメトリに表1で示した条件で、図14A食事前(飲料中)(BM)条件、および、図14B食事中(DM)条件において、電磁気シミュレーションを行った。ますはじめに、液体を飲んだ場合について、説明する。一般的に、健常者の胃は、200mL程度の液体は胃に入ると胃道(胃体管)を通り数分から数10分程度で十二指腸に排出され、空腹時の胃体積Vの膨張や胃の蠕動運動は小さいと言われている。これらの液体が胃に入った場合は、空腹時の胃体積Vの変化はほぼないと仮定できる。粘性が高い液体の場合は、粘性摩擦力が大きくなり胃の蠕動運動によって排出され、胃内部Γの体積変化があるので、後述する固形物の場合で説明する。飲料を飲んだ際の胃の相対pHの推定は、以下の方法で行うことができる。飲料を飲んだ後の相対pHは、例えば、下記の式(27)から計算される。下記の式(27)において、σBM は、液体を飲む前に計算された空腹時の導電率を示し、σBM は、液体を飲んだ後の時間tの導電率を示し、Λは極限モル導電率差を示し、αとβは定数であり、cBM 0H+は液体の飲む前の空腹時の胃酸濃度を示し、cBM tH+は、液体を飲んだ後の時間tの胃酸濃度cBM tH+を示す。cBM 0H+とcBM tH+との和は、下記の式(28)で表される。式(28)において、mは胃酸(H)の質量を示し、Δmは液体を飲んだ後の胃酸の質量の変化分を示す。Vは液体を飲む前の空腹時の胃体積である。cBM 0H+は、液体を飲む状態で測定して得られた結果から求めた導電率分布σから、式(26)を用いて計算することができ、Vも液体を飲む前の測定で得られた結果から求められた胃壁輪郭∂Γによって求めることができる。[H]は、下記の式(29)で表される。式(26)および式(29)から相対pHを求めることができる。このように、液体を飲んだ後に得られた導電率分布σから式(29)を用いて相対pHを計算することできる。これによって、図15に示す通り、食事前(飲料中BM)の導電率分布σ及び相対pHの分布が得られる。 First, electromagnetic simulation was performed under the simulation conditions shown in Table 1, FIG. 13, FIG. 14A, and FIG. 14B, that is, under the conditions shown in Table 1 for the geometry of the abdomen and stomach shown in FIG. 13, under the conditions of FIG. 14A before meal (during drinking) (BM) and FIG. 14B during meal (DM) conditions. First, the case of drinking liquid will be described. In general, it is said that when about 200 mL of liquid enters the stomach of a healthy person, it passes through the gastric tract (stomach tract) and is discharged into the duodenum in about several minutes to several tens of minutes, and the expansion of the stomach volume V0 and the peristaltic movement of the stomach when fasting are small. When these liquids enter the stomach, it can be assumed that there is almost no change in the stomach volume V0 when fasting. In the case of a liquid with high viscosity, the viscous friction force becomes large and is discharged by the peristaltic movement of the stomach, and there is a volume change in the stomach interior Γ, so this will be described in the case of a solid matter described later. The relative pH of the stomach when a beverage is consumed can be estimated by the following method. The relative pH after drinking a beverage is calculated, for example, from the following formula (27). In the following formula (27), σ BM 0 indicates the fasting conductivity calculated before drinking the liquid, σ BM t indicates the conductivity at time t after drinking the liquid, Λ indicates the limiting molar conductivity difference, α and β are constants, c BM 0H+ indicates the fasting gastric acid concentration before drinking the liquid, and c BM tH+ indicates the gastric acid concentration c BM tH+ at time t after drinking the liquid. The sum of c BM 0H+ and c BM tH+ is expressed by the following formula (28). In formula (28), m 0 indicates the mass of gastric acid (H + ), and Δm indicates the change in the mass of gastric acid after drinking the liquid. V 0 is the fasting stomach volume before drinking the liquid. c BM 0H+ can be calculated using equation (26) from the conductivity distribution σ obtained from the results obtained by measurement while drinking the liquid, and V 0 can also be calculated from the stomach wall contour ∂Γ obtained from the results obtained by measurement before drinking the liquid. [H + ] is expressed by the following equation (29). The relative pH can be calculated from equations (26) and (29). In this way, the relative pH can be calculated using equation (29) from the conductivity distribution σ obtained after drinking the liquid. This allows the conductivity distribution σ and relative pH distribution before the meal (BM in beverage) to be obtained as shown in FIG. 15.

Figure 0007541352000008
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Figure 0007541352000009
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次に、固形物を食べた場合について、説明する。固形物を食べた場合、または、粘性の高い液体を飲んだ場合は、胃に入ったものは、胃の蠕動運動によって排出される。一般的に、健常者の胃は、液体の場合よりも長い時間をかけて、固形物を十二指腸に排出され、空腹時の胃体積Vからの膨張や胃の蠕動運動は大きく、一方、機能性ディスペプシアなどの胃に疾患がある患者は、空腹時の胃体積Vからの膨張や胃の蠕動運動は小さいと言われている。そのため、時間tにおける胃内部Γの体積VtとVとを比べることで、胃の状態を調べることができる。固形物を食べた場合、または、粘性の高い液体を飲んだ場合の胃の相対pHの推定は、以下の方法で行うことができる。固形物を食べた後、または、粘性の高い液体を飲んだ後の相対pHは、例えば、下記の式(30)から計算される。下記の式(30)において、σDM は、固形物を食べる前に計算された導電率分布σを示し、σDM は、固形物を食べている間の時間tのときに計算された導電率分布を示し、Λは、極限モル導電率差を示し、αとβは定数であり、cDM 0H+は固形物を食べる前の胃酸濃度を示し、cDM tH+は、固形物を食べている間の時間tにおける胃酸濃度を示す。cDM 0H+とcDMt H+との和は、下記の式(31)で表される。式(31)において、mDM 0H+は固形物を食べる前の胃酸(H)の質量を示し、ΔmDM tH+は固形物を食べている間の胃酸の質量の変化分を示し、VDM 0H+は固形物を食べる前の胃体積を示し、VDM tH+は固形物を食べている間の胃体積変化分を示す。cDM 0H+は固形物を食べる前の測定で推定された導電率分布σから式(26)を用いて計算することができる。VDM 0H+は、固形物を食べる前の測定から推定された胃壁輪郭∂Γから求めることができ、VDM tH+は、固形物を食べている間の測定から推定された胃壁輪郭∂Γから求めることができる。[H]は、下記の式(32)で表される。式(26)および式(32)から相対pHを求めることができる。これによって、図16に示す通り食事中(DM)の導電率分布σ及び相対pHの分布が得られる。
本実施形態に係る診断装置100は、電流電位差の測定から画像表示までが短時間(0.1秒~1秒程度)であり、かつ、演算も短時間にできるので、食事中の胃の形状変化および相対pHの変化をリアルタイムに測定することができる。
Next, the case of eating solid food will be described. When solid food is eaten or highly viscous liquid is drunk, the contents that enter the stomach are discharged by the peristaltic movement of the stomach. In general, the stomach of a healthy person takes a longer time to discharge solid food into the duodenum than liquid, and the expansion from the stomach volume V0 when fasting and the peristaltic movement of the stomach are large, while it is said that patients with stomach diseases such as functional dyspepsia have small expansion from the stomach volume V0 when fasting and small peristaltic movement of the stomach. Therefore, the state of the stomach can be examined by comparing the volume Vt of the stomach interior Γ at time t with V0 . The relative pH of the stomach when eating solid food or drinking highly viscous liquid can be estimated by the following method. The relative pH after eating solid food or drinking highly viscous liquid is calculated, for example, from the following formula (30). In the following formula (30), σ DM 0 denotes the conductivity distribution σ calculated before eating a solid food, σ DM t denotes the conductivity distribution calculated at time t while eating a solid food, Λ denotes the limiting molar conductivity difference, α and β are constants, c DM 0H+ denotes the gastric acid concentration before eating a solid food, and c DM tH+ denotes the gastric acid concentration at time t while eating a solid food. The sum of c DM 0H+ and c DMtH + is expressed by the following formula (31). In formula (31), m DM 0H+ denotes the mass of gastric acid (H + ) before eating a solid food, Δm DM tH+ denotes the change in the mass of gastric acid while eating a solid food, V DM 0H+ denotes the stomach volume before eating a solid food, and V DM tH+ denotes the change in stomach volume while eating a solid food. c DM 0H+ can be calculated using equation (26) from the conductivity distribution σ estimated from the measurement before eating solid food. V DM 0H+ can be obtained from the stomach wall contour ∂Γ estimated from the measurement before eating solid food, and V DM tH+ can be obtained from the stomach wall contour ∂Γ estimated from the measurement while eating solid food. [H + ] is expressed by the following equation (32). The relative pH can be obtained from equations (26) and (32). As a result, the conductivity distribution σ and the relative pH distribution during a meal (DM) can be obtained as shown in FIG. 16.
The diagnostic device 100 according to this embodiment can measure the current potential difference and display the image in a short time (approximately 0.1 to 1 second), and can also perform calculations in a short time, so that it is possible to measure changes in the shape and relative pH of the stomach during a meal in real time.

Figure 0007541352000010
Figure 0007541352000010

(出力部)
出力部7は、胃壁輪郭計算部5から送られた胃壁輪郭∂Γと胃壁輪郭∂Γ内における、導電率分布σ、導電率差分布Δσ、誘電率分布、誘電率差分布、位相分布、位相差分布、さらには、相対pH推定部6から送られてきた相対pH分布を出力する。なお、出力部7は、胃壁輪郭計算部5の前の電気物性分布計算部4から送られた導電率分布σ、導電率差分布Δσ、誘電率分布、誘電率差分布、位相分布、位相差分布を出力してもよい。これらの電気物性分布と相対pH分布は、3D(三次元)空間と時間の4D(四次元)画像、時間を固定した3D画像、その3D画像を空間的に平均化した2D画像や1D(一次元)値、および、時間的に平均化した時間平均値などに換算して、それらの出力を表示してもよい。以降、空間平均の記号として< >を用いる場合がある。
(Output section)
The output unit 7 outputs the electrical conductivity distribution σ, electrical conductivity difference distribution Δσ, dielectric constant distribution, dielectric constant difference distribution, phase distribution, and phase difference distribution within the stomach wall contour ∂Γ and the stomach wall contour ∂Γ sent from the stomach wall contour calculation unit 5, as well as the relative pH distribution sent from the relative pH estimation unit 6. The output unit 7 may also output the electrical conductivity distribution σ, electrical conductivity difference distribution Δσ, dielectric constant distribution, dielectric constant difference distribution, phase distribution, and phase difference distribution sent from the electrical property distribution calculation unit 4 preceding the stomach wall contour calculation unit 5. These electrical property distributions and relative pH distributions may be converted into 4D (four-dimensional) images of 3D (three-dimensional) space and time, 3D images with fixed time, 2D images or 1D (one-dimensional) values obtained by spatially averaging the 3D images, and time average values obtained by temporally averaging, and the outputs may be displayed. Hereinafter, <> may be used as a symbol for spatial average.

胃の運動機能には適応性弛緩(胃上部の運動機能で胃に食べ物を入れる機能)と胃排出能(胃下部から十二指腸に消化物を排出する機能)との2種類があり、胃疾患の症状には、胃上部の運動機能低下による適応性弛緩異常を原因とする「早期飽満感」と、胃下部の運動機能低下による胃排出能異常を原因とする「胃もたれ」がある。したがって、出力部7では、胃全体の体積V0の時間変化を表示してもよいし、その胃体積全体ではなくて、胃上部(胃底部)、胃中部(胃体部)、胃下部(幽門部)を区別して、表示してもよい。さらに、胃疾患の病態のひとつとして、例えば、胃の知覚過敏による胃痛(心窩部痛、心窩部灼熱感)があり、胃中部(胃体部)からの胃酸の分泌が重要となる場合もある。したがって、相対Phについても、胃全体の相対pHを表記してもよいし、胃上部(胃底部)、胃中部(胃体部)、胃下部(幽門部)を区別して、表示してもよい。 There are two types of gastric motility: adaptive relaxation (the motility of the upper stomach that puts food into the stomach) and gastric emptying (the motility of the lower stomach that emptys digested material into the duodenum). Symptoms of gastric disease include "early satiety" caused by abnormal adaptive relaxation due to reduced motility of the upper stomach, and "heavy stomach" caused by abnormal gastric emptying due to reduced motility of the lower stomach. Therefore, the output unit 7 may display the change in the volume V0 of the entire stomach over time, or may display the upper stomach (fundus), middle stomach (body), and lower stomach (pylorus) separately, rather than the entire stomach volume. Furthermore, one of the pathological conditions of gastric disease is, for example, stomach pain (epigastric pain, epigastric burning sensation) caused by gastric hypersensitivity, and in some cases, the secretion of gastric acid from the middle stomach (body) is important. Therefore, the relative pH may be displayed as the relative pH of the entire stomach, or may be displayed separately for the upper stomach (fundus), middle stomach (body), and lower stomach (pylorus).

被測定者の構成成分にクラスタリングされた電気物性分布の出力先は特に限定されない。出力先は、液晶ディスプレイのような表示部であってもよいし、HDDのような記憶装置であってもよい。 The output destination of the electrical property distribution clustered into the constituents of the subject is not particularly limited. The output destination may be a display unit such as an LCD display, or a storage device such as a HDD.

以上、本実施形態に係る診断装置100を詳説した。なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。上記の実施例では、胃壁輪郭計算部5の計算の後に、相対pH推定部6で相対pHを計算していたが、先に相対pH推定部6で相対pHを計算した後、胃壁輪郭計算部5を計算してもよい。 The above is a detailed explanation of the diagnostic device 100 according to this embodiment. Note that the technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. In the above example, the relative pH was calculated by the relative pH estimation unit 6 after the calculation by the stomach wall contour calculation unit 5, but the relative pH may be calculated by the relative pH estimation unit 6 first, and then the stomach wall contour calculation unit 5 may perform the calculation.

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。 In addition, the components in the above embodiment may be replaced with well-known components as appropriate without departing from the spirit of the present invention, and the above-mentioned modifications may be combined as appropriate.

以下、実施例により本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
次に、本実施形態に係る診断装置100の有効性を検証するために実験した例について説明する。なお、本実験は千葉大学大学院工学研究院生命倫理審査委員会の承認のうえ実施した。被測定者は三人(22歳男性(被測定者1)、30歳男性(被測定者2)、32歳男性(被測定者3))で、そのうち二人(22歳と30歳男性)は健常者であるが、一人の32歳男性は軽度の機能性ディスペプシアを患っており、胃の調子が悪く朝食があまり食べられない症状を持つ。被測定者は、図17に示した8(x,y方向)×4(z方向)=32個の電極20を備えたスーツ状の支持体25を装着した。あらかじめ決めた電流印加電圧測定パターンは、前記図7A~Cに示した3D隣接法とした。電流電圧印加測定部1の電極間の印加周波数は1450Hzで、印加電流は1mAとし、各電極間に電流を印加し電位差を測定した。腹部輪郭推定部2では、被測定者三人ともに同様の体系をしているため、代表して一人の腹部に対して、ベンドセンサ(角度検出センサ)とストレッチセンサにて輪郭測定位置の座標を計測し、レイヤー1からレイヤー4までの形状である腹部輪郭∂Ωから∂Ωを求め、Bスプライン曲線を用いて、被測定者の3次元の腹部輪郭∂Ωを推定した。ヤコビ行列計算部3では、前記図10に基づいて被験者の体系に合わせたヤコビ行列J*を求めた。電気物性分布計算部4では、誘電率分布と位相分布は用いずに、導電率差分布のみを画像化した。本実施例の診断装置の胃壁輪郭計算部5では、2ステップファジークラスタリングを用いた。以上の実験条件において実験を開始した。
Example 1
Next, an example of an experiment conducted to verify the effectiveness of the diagnostic device 100 according to this embodiment will be described. This experiment was conducted with the approval of the Chiba University Graduate School of Engineering Bioethics Committee. The subjects were three people (a 22-year-old male (subject 1), a 30-year-old male (subject 2), and a 32-year-old male (subject 3)), two of whom (the 22-year-old and 30-year-old males) were healthy, but the 32-year-old male suffered from mild functional dyspepsia and had a condition in which he had a bad stomach and could not eat much breakfast. The subjects wore a suit-like support 25 equipped with 8 (x, y directions) x 4 (z direction) = 32 electrodes 20 as shown in FIG. 17. The predetermined current application voltage measurement pattern was the 3D adjacent method shown in FIGS. 7A to C. The application frequency between the electrodes of the current/voltage application measurement unit 1 was 1450 Hz, the application current was 1 mA, and a current was applied between each electrode to measure the potential difference. In the abdominal contour estimation unit 2, since all three subjects have the same body structure, the coordinates of the contour measurement position for one representative subject's abdomen were measured using a bend sensor (angle detection sensor) and a stretch sensor, and the abdominal contours ∂Ω l to ∂Ω 4 , which are the shapes from layer 1 to layer 4, were obtained, and the three-dimensional abdominal contour ∂Ω of the subject was estimated using a B-spline curve. In the Jacobian matrix calculation unit 3, a Jacobian matrix J* was calculated based on the body structure of the subject based on FIG. 10. In the electrical property distribution calculation unit 4, only the conductivity difference distribution was imaged, without using the permittivity distribution and phase distribution. In the stomach wall contour calculation unit 5 of the diagnostic device of this embodiment, two-step fuzzy clustering was used. The experiment was started under the above experimental conditions.

以下、図18を用い計測時間と飲食行為との関係について説明する。計測時間は3分毎であり、各時間はt~t40の記号で示してある。被測定者は実験開始前から6時間以上飲食をせず、その空腹状態を初期状態として、実験開始前の30分間からは、座位の姿勢で安静状態とし生理条件を整えた。実験開始後、30分間おきに水を200mLずつ、3回に分けて合計600mLの水を飲み、90分後には、いなりずし3つを食べた。このいなりずし3つは質量300gで、胃内を想定しシェーカーにて液状にしたところ、およそ100mLの粘性液体に相当した。計測は合計120分間で3分ごとに41回(実験開始時0分のときも含めて計測)行い、実験開始時tの空腹状態の計測電位差V0を基準とした。1回目の水200mLを、実験開始時(t)の計測直後に、30秒程度の時間で速やかに飲料した。その後、2回目の水200mLを、30分後(t10)の計測直後に、30秒程度の時間で速やかに飲料した。その後、3回目の水200mLを、60分後(t20)の計測直後に、30秒程度の時間で速やかに飲料した。その後、いなりずし3つ300gを、90分後(t30)の計測直後に、4分程度の時間で速やかに食べ終え、計測を続けた。 The relationship between the measurement time and the eating and drinking behavior will be described below with reference to FIG. 18. The measurement time is every 3 minutes, and each time is indicated by a symbol t 0 to t 40. The subject did not eat or drink for more than 6 hours before the start of the experiment, and the fasting state was set as the initial state. From 30 minutes before the start of the experiment, the subject was in a sitting position and resting state to prepare the physiological condition. After the start of the experiment, the subject drank 200 mL of water every 30 minutes, divided into three times, totaling 600 mL of water, and 90 minutes later, ate three inari sushi. The three inari sushi had a mass of 300 g, and when liquefied in a shaker to simulate the inside of the stomach, it was equivalent to approximately 100 mL of viscous liquid. Measurements were performed 41 times every 3 minutes (including measurements at 0 minutes at the start of the experiment) for a total of 120 minutes, and the measured potential difference V0 in the fasting state at the start of the experiment t 0 was used as the reference. The first 200 mL of water was promptly drunk in about 30 seconds immediately after the measurement at the start of the experiment (t 0 ). Then, the second 200 mL of water was promptly drunk in about 30 seconds immediately after the measurement 30 minutes later (t 10 ). Then, the third 200 mL of water was promptly drunk in about 30 seconds immediately after the measurement 60 minutes later (t 20 ). Then, three 300 g pieces of inari sushi were promptly eaten in about 4 minutes immediately after the measurement 90 minutes later (t 30 ), and the measurement was continued.

図19は、電気物性分布計算部4が出力した被測定者三人(ふたりは健常者で一人は軽度ディスペプシア患者)の3Dの導電率差分布Δσの出力画像であり、2ステップファジークラスタリングの処理をする前の画像で、実験開始3分後t(水を200mL飲んだ直後)、実験開始33分後t11(2回目の水を200mL飲んだ直後)、実験開始63分後t21、(3回目の水を200mL飲んだ直後)、実験開始93分後t31(食事中)である。図19の実験開始後tの図で、点線で囲った部分は、胃の3D位置を示すところである。図19の上に記載された図は、電極配置パターンを示す。 Figure 19 shows output images of 3D conductivity difference distribution Δσ of three subjects (two healthy subjects and one mild dyspepsia patient) output by the electrical property distribution calculation unit 4, and the images are taken before the two-step fuzzy clustering process, at t 1 (immediately after drinking 200 mL of water), t 11 (immediately after drinking 200 mL of water for the second time), t 21 (immediately after drinking 200 mL of water for the third time), and t 31 (during a meal), 3 minutes after the start of the experiment. In the diagram of t 1 after the start of the experiment in Figure 19, the area surrounded by a dotted line indicates the 3D position of the stomach. The diagram at the top of Figure 19 shows the electrode arrangement pattern.

図20は、相対pH推定部6が出力した相対ph[-]を示す。ここでは、相対pH推定部6は胃壁輪郭計算部5の出力前で実行し、相対pH推定部6の結果を胃壁輪郭計算部5の入力とした。図20は、実験開始3分後t(水を200mL飲んだ直後)、実験開始33分後t11(2回目の水を200mL飲んだ直後)、実験開始63分後t21、(3回目の水を200mL飲んだ直後)、および実験開始93分後t31(食事中)における被測定者1~3の相対pH分布を示す図である。図20の実験開始3分後の図の点線で囲った部分は、胃の3D位置を示すところである。図20の上の図は、電極配置パターンを示す。 FIG. 20 shows the relative pH [-] output by the relative pH estimation unit 6. Here, the relative pH estimation unit 6 is executed before the output of the stomach wall contour calculation unit 5, and the result of the relative pH estimation unit 6 is input to the stomach wall contour calculation unit 5. FIG. 20 shows the relative pH distribution of subjects 1 to 3 at t 1 (immediately after drinking 200 mL of water) 33 minutes after the start of the experiment, t 11 (immediately after drinking 200 mL of water for the second time), t 21 (immediately after drinking 200 mL of water for the third time), and t 31 (during a meal) 93 minutes after the start of the experiment. The area surrounded by the dotted line in the figure of FIG. 20 3 minutes after the start of the experiment indicates the 3D position of the stomach. The upper figure of FIG. 20 shows the electrode arrangement pattern.

図21A、21B、21Cは、相対pH推定部6でのオンサガー導電率式による空間平均導電率差<Δσ>と空間平均相対pH<pH*>の対応グラフであり、各時間における40点の空間平均導電率差(実験開始時t0のときの導電率差を基準とし、時間tのときの空間平均導電率差<Δσ>)から、空間平均相対pH<pH*>を求めた結果である。図21Aが被測定者1(健常者)の結果であり、図21Bが被測定者2(健常者)の結果であり、図21Cが被測定者3(軽度機能性ディスペプシア患者)の結果を示す。 Figures 21A, 21B, and 21C are graphs showing the spatial average conductivity difference <Δσ> and the spatial average relative pH <pH*> according to the Onsager conductivity formula in the relative pH estimation unit 6, and show the results of determining the spatial average relative pH <pH*> from the spatial average conductivity difference at 40 points at each time (the conductivity difference at the start of the experiment t0 is used as the reference, and the spatial average conductivity difference <Δσ> at time t). Figure 21A shows the results for subject 1 (healthy subject), Figure 21B shows the results for subject 2 (healthy subject), and Figure 21C shows the results for subject 3 (a patient with mild functional dyspepsia).

図22Aおよび22Bは、図19の電気物性分布計算部4が出力した被測定者の一人(被測定者1:健常者)の導電率差Δσの3D画像をベースとして、胃壁輪郭計算部5が出力した(a)第1ステップのファジークラスタリング(図22A)と(b)第2ステップファジークラスタリングとの2ステップファジークラスタリング(図22B)を用いた後の胃内部Γ(k=1)と胃壁輪郭∂Γ(k=2)の空間位置を示した3D画像である。図22Aの第1ステップで、3種のクラスタ(胃内部Γのk=1Δσ、胃壁輪郭∂Γのk=2Δσ、胃外部のk=3Δσ)に分け、さらに、図22Bの第2ステップで、2種のクラスタ(胃内部Γのk=1Δσと胃壁輪郭∂Γのk=2Δσ)に分け、胃壁輪郭∂Γと胃内部Γを抽出したもので、実験開始から3分後t(水を200mL飲んだ直後)と、93分後t31(食事をした直後)を代表的に示したものである。 22A and 22B are 3D images showing the spatial positions of the stomach interior Γ (k=1) and the stomach wall contour ∂Γ (k=2) after two-step fuzzy clustering (a) first-step fuzzy clustering ( FIG. 22A ) and (b) second-step fuzzy clustering ( FIG. 22B ) output by the gastric wall contour calculation unit 5, based on the 3D image of the conductivity difference Δσ of one of the subjects (subject 1: healthy subject) output by the electrical property distribution calculation unit 4 in FIG. 19 . In the first step in Figure 22A, the stomach was divided into three clusters ( k = 1 Δσ for inside Γ, k = 2 Δσ for stomach wall contour ∂Γ, and k = 3 Δσ for outside the stomach), and in the second step in Figure 22B, the stomach was divided into two clusters ( k = 1 Δσ for inside Γ and k = 2 Δσ for stomach wall contour ∂Γ), and the stomach wall contour ∂Γ and inside the stomach Γ were extracted. Representative images are shown at t 1 (immediately after drinking 200 mL of water) 3 minutes after the start of the experiment and t 31 (immediately after eating a meal).

図23A、23B、23Cは、被測定者三人に対して、本実施例の診断装置の出力である2種のクラスタ(胃内部Γのk=1Δσと胃壁輪郭∂Γのk=2Δσ)内に位置する各ボクセルにおける空間平均導電率差<Δσ>を左縦軸に示している。さらに、本実施例の診断装置の出力である相対pHの時間変化(右縦軸に相対pH<pH*>と表記)を示している。横軸は、時間(t1~t40)を示す。図23Aは、被測定者1(健常者)の結果である。図23Bは、被測定者2(健常者)の結果である。図23Cは、被測定者3(軽度機能性ディスペプシア患者)の結果である。次にその<Δσ>の時間変化について、各時間のt1~t40について、説明する。この図23A、23Bの被測定者(健常者)の示す通り、水200mLを飲料した直後、すなわち、t、t11、t21の空間平均導電率差<Δσ>は、水により胃酸が薄まり導電率差が急激に減少し、その後の計測時間では胃酸が分泌され<Δσ>の減少が緩やかまたは増加し、その後胃酸の分泌が止まり、液体が胃から排出されるため、<Δσ>が減少する傾向を示す。いなりずしを食事をした直後のt31でも、<Δσ>に同様の傾向があるが、食事は固形物で消化に時間がかかり胃から排出される時間も長く、胃酸の分泌も長い時間続くため、<Δσ>の減少傾向は、水の場合と比べてそれほど顕著ではないことがわかる。しかしながら、図23Cの被測定者3(軽度機能性ディスペプシア患者)では、大きく異なる傾向を示す。例えば、いなりずしを食事をした直後のt31では、<Δσ>はほとんど変化しない。 23A, 23B, and 23C show the spatial average conductivity difference <Δσ> in each voxel located in two types of clusters ( k=1 Δσ of stomach interior Γ and k=2 Δσ of stomach wall contour ∂Γ) for three subjects on the left vertical axis. Furthermore, the time change of relative pH (relative pH <pH*> on the right vertical axis) which is the output of the diagnostic device of this embodiment is shown. The horizontal axis shows time (t1 to t40). FIG. 23A shows the result of subject 1 (healthy subject). FIG. 23B shows the result of subject 2 (healthy subject). FIG. 23C shows the result of subject 3 (patient with mild functional dyspepsia). Next, the time change of <Δσ> will be explained for each time t1 to t40. As shown in the subjects (healthy subjects) in Figures 23A and 23B, the spatial average conductivity difference <Δσ> immediately after drinking 200 mL of water, i.e., at t 1 , t 11 , and t 21, shows a rapid decrease in the conductivity difference due to the dilution of gastric acid by water, and at the measurement time thereafter, gastric acid is secreted, and the decrease in <Δσ> is gradual or increases, and then gastric acid secretion stops and liquid is discharged from the stomach, so <Δσ> shows a tendency to decrease. At t 31 immediately after eating inari sushi, there is a similar tendency in <Δσ>, but since meals are solids that take time to digest and are discharged from the stomach for a long time, and gastric acid secretion continues for a long time, it can be seen that the decrease in <Δσ> is not as significant as in the case of water. However, the subject 3 (a patient with mild functional dyspepsia) in Figure 23C shows a significantly different tendency. For example, at time t31 immediately after eating inari sushi, <Δσ> hardly changes.

次に、この相対pHについて説明する。この図23A、23Bの被測定者(健常者)の示す通り、水200mLを飲料した直後、すなわち、t、t11、t21の相対pHの空間平均値相対pHは、胃酸が分泌されるために、急激に上昇し、その後、胃酸が希釈されるため相対pH<pH*>のなだらかな上昇があり、その後の計測時間では胃酸が分泌され相対pHが増加の傾向を示した。いなりずしを食事した直後のt31でも、<pH*>は増加の傾向があることがわかる。しかしながら、図23(c)の被測定者(軽度機能性ディスペプシア患者)では、大きく異なる傾向を示す。例えば、いなりずしを食事をした直後のt31では、<pH*>はほとんど変化しない。以上より、本実施形態に係る診断装置によって、食前食後の胃内部Γの相対pHの可視化が可能であることが確認された。 Next, the relative pH will be described. As shown in the subject (healthy person) in Figs. 23A and 23B, immediately after drinking 200 mL of water, i.e., the spatial average relative pH of the relative pH at t 1 , t 11 , and t 21 , rises rapidly due to the secretion of gastric acid, and then, as the gastric acid is diluted, there is a gradual rise in the relative pH <pH*>, and at the measurement time thereafter, gastric acid is secreted and the relative pH shows a tendency to increase. It can be seen that even at t 31 immediately after eating inari sushi, there is a tendency for <pH*> to increase. However, the subject (mild functional dyspepsia patient) in Fig. 23(c) shows a significantly different tendency. For example, at t 31 immediately after eating inari sushi, <pH*> hardly changes. From the above, it was confirmed that the diagnostic device according to this embodiment can visualize the relative pH inside the stomach Γ before and after eating.

ちなみに、図24A、24Bは、従来技術の侵襲性の高い胃用相対pH測定装置(直接鼻腔からセンサを直接胃内部Γに挿入し胃内部Γ相対pHを計測する装置)により、計測した例であり(蘆田潔:24 時間相対pH モニタリング.竹本忠良 監:日本消化性潰瘍学,医科学出版社,1995により引用)、同様の傾向が見られる。図24Aは、健常者の結果であり、図24Bは胃潰瘍患者の結果である。 Incidentally, Figures 24A and 24B are examples of measurements taken using a highly invasive gastric relative pH measuring device of the prior art (a device that measures the relative pH inside the stomach by inserting a sensor directly into the stomach's Gamma through the nasal cavity) (cited in Ashida Kiyoshi: 24-Hour Relative pH Monitoring, edited by Takemoto Tadayoshi: Japanese Society of Digestive Ulcers, Medical Science Publishing, 1995), and show similar trends. Figure 24A shows the results for a healthy subject, and Figure 24B shows the results for a patient with a gastric ulcer.

図25Aは、2クラスタリング後の胃内部Γ(k=1)と胃壁輪郭∂Γ(k=2)の空間平均導電率差<Δσ>の時間変化[-]を、特に注目する時間である、t(tで計測後に水200mL飲んだ直後)、t11(t10で計測後に水200mL飲んだ直後)、t21(t20で計測後に水200mL飲んだ直後)、および、t31(t30で計測後にいなりずしを食事した直後)を示したものであり、図25Bはそのときの相対ph[-]である。これらの図に示す通り、健常者と機能性ディスペプシアを患う患者とはその傾向が大きく異なることがわかる。 Fig. 25A shows the time change [-] of the spatial average conductivity difference <Δσ> between the stomach interior Γ (k=1) and the stomach wall contour ∂Γ (k=2) after 2-clustering, at times of particular interest: t 1 (immediately after drinking 200 mL of water after measurement at t 0 ), t 11 (immediately after drinking 200 mL of water after measurement at t 10 ), t 21 (immediately after drinking 200 mL of water after measurement at t 20 ), and t 31 (immediately after eating inari sushi after measurement at t 30 ), and Fig. 25B shows the relative ph [-] at those times. As shown in these figures, it can be seen that the trends are significantly different between healthy subjects and patients suffering from functional dyspepsia.

図26は、図19から2種のクラスタ(胃内部Γのk=1Δσと胃壁輪郭∂Γのk=2Δσ)のボクセル数を算出したもので、実験開始3分後33分、63分後t1、11、21 の平均値(水を200mL飲んだ直後)を基準として、実験開始93分後t31(食事をした直後)とを、一人の健常者と、機能性ディスペプシア患者とを比較した結果である。その結果、水を飲んだ直後に対して食事をした直後の胃体積が、健常者はΔV31=23%と大きく増加したが、機能性ディスペプシア患者ではΔV31=6%しか増加しなかった。このことより、運動機能の形状を抽出することができることが確認された。 Figure 26 shows the number of voxels of two types of clusters ( k=1 Δσ of stomach interior Γ and k=2 Δσ of stomach wall contour ∂Γ) calculated from Figure 19. The average values of t1 , t11 , and t21 (immediately after drinking 200 mL of water) 3 minutes after the start of the experiment and t31 (immediately after eating) 93 minutes after the start of the experiment were compared between a healthy subject and a functional dyspepsia patient. As a result, the stomach volume immediately after eating compared to immediately after drinking water increased significantly by ΔV31 = 23% in the healthy subject, but only increased by ΔV31 = 6% in the functional dyspepsia patient. This confirmed that the shape of motor function could be extracted.

以上、詳説したように、本実施形態に係る診断装置100は、微弱電流(微弱電位差)を印加するだけの極低侵襲で短時間に高い精度で被測定者の胃の状態を診断することができる。 As described above in detail, the diagnostic device 100 according to this embodiment can diagnose the stomach condition of the subject in a very minimally invasive manner with high accuracy in a short time by simply applying a weak current (weak potential difference).

1 電流電圧印加測定部
2 腹部輪郭推定部
3 ヤコビ行列計算部
4 電気物性分布計算部
5 胃壁輪郭計算部5
6 相対pH推定部
7 出力部
10 電気インピーダンス・トモグラフィセンサ
20 電極
25 支持体
30 制御部
100 診断装置
1 Current and voltage application measurement unit 2 Abdominal contour estimation unit 3 Jacobian matrix calculation unit 4 Electrical property distribution calculation unit 5 Stomach wall contour calculation unit 5
6 Relative pH estimation unit 7 Output unit 10 Electrical impedance tomography sensor 20 Electrode 25 Support 30 Control unit 100 Diagnostic device

Claims (4)

間隔をあけて、3次元的に配置される複数の電極と、前記電極を保持し、かつ、前記電極を被測定者の少なくとも腹部に配置可能な支持体と、を備える電気インピーダンス・トモグラフィセンサを用いる診断装置であって、
前記電極間に電流又は電位差を印加し、前記電流を印加する場合は電流印加電圧測定パターンに基づき電位差と位相を測定し、前記電極間に前記電位差を印加する場合は電圧印加電流測定パターンに基づき電流と位相を測定する、電流電圧印加測定部と、
あらかじめ決められた前記電流印加電圧測定パターンまたは前記電圧印加電流測定パターン、前記被測定者の腹部輪郭を分割して得たメッシュ座標、および各前記電極の座標を基に、前記被測定者のヤコビ行列を計算するヤコビ行列計算部と、
前記ヤコビ行列計算部で計算された前記被測定者の前記ヤコビ行列と、前記電流電圧印加測定部で測定された前記電位差および位相または前記電流および位相と、から前記被測定者の電気物性分布を計算する電気物性分布計算部と、
を備え
前記電気物性分布計算部から得られた前記電気物性分布を前記被測定者の各構成に対応するクラスタに分類することで、前記被測定者の胃壁輪郭情報を得る胃壁輪郭計算部を、さらに備える診断装置。
A diagnostic device using an electrical impedance tomography sensor, comprising: a plurality of electrodes arranged three-dimensionally at intervals; and a support for holding the electrodes and enabling the electrodes to be placed on at least an abdomen of a subject,
a current/voltage application measurement unit that applies a current or a potential difference between the electrodes, and measures a potential difference and a phase based on a current application/voltage measurement pattern when the current is applied, and measures a current and a phase based on a voltage application/current measurement pattern when the potential difference is applied between the electrodes;
a Jacobian matrix calculation unit that calculates a Jacobian matrix of the subject based on the predetermined current application voltage measurement pattern or the voltage application current measurement pattern, mesh coordinates obtained by dividing the abdominal contour of the subject, and coordinates of each of the electrodes;
an electrical property distribution calculation unit that calculates an electrical property distribution of the subject from the Jacobian matrix of the subject calculated by the Jacobian matrix calculation unit and the potential difference and phase or the current and phase measured by the current/voltage application measurement unit;
Equipped with
The diagnostic device further includes a stomach wall contour calculation unit that obtains stomach wall contour information of the subject by classifying the electrical property distribution obtained from the electrical property distribution calculation unit into clusters corresponding to each configuration of the subject .
前記ヤコビ行列計算部において、機械学習を用いて、前記ヤコビ行列を計算する、請求項に記載の診断装置。 The diagnostic device according to claim 1 , wherein the Jacobian matrix calculation unit calculates the Jacobian matrix using machine learning. 前記電気物性分布計算部で計算された前記電気物性分布から前記被測定者の胃内部の相対pH分布を推定する、相対pH推定部をさらに備える、請求項1または2に記載の診断装置。 The diagnostic device according to claim 1 , further comprising a relative pH estimation unit that estimates a relative pH distribution inside the stomach of the subject from the electrical property distribution calculated by the electrical property distribution calculation unit. 前記電気物性分布が導電率差分布である、請求項のいずれか1項に記載の診断装置。 The diagnostic device according to claim 1 , wherein the electrical property distribution is a conductivity difference distribution.
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