☆タッチセンサ、タッチパネル
◆オンセル型タッチセンサ
☆感覚量センシング
◆味覚計測
＿◇従来の方法
①酸味 pHメータ
実際にはpHと酸味の強さは比例しない
②塩味 電気伝導度計
ナトリウムだけでなく、苦味を生じる塩化カリウムや塩化マグネシウムにも反応
③甘味 粘度計、屈折率計、比重計
甘くないデンプンやタンパク室にも反応
＿◇ヒトの味覚を文字した味覚センサ
人工の脂質膜（数種類）にそれぞれの味物質が吸着すると電位が発生するのでそれを測定し、それらの信号組み合わせから特徴を抽出して味を判断する。
＿◇辛味
辛味は味細胞でなく、痛覚を刺激する。
カプサイシンは「熱い」と同じ
わさび、和からし
アリルからし油（アリルイソチオシアネート）
ショウガ
ジンゲロン
コショウ
ピペロン
サンショウ
サンショール
※高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）で計測
※辛さの単位「スコヴィル」
元は主観単位だったが、現在ではＨＰＬＣでカプサイシンの量を直接はかって換算する。
タバスコ ２５００～４０００スコヴィル
ハバネロ種トウガラシ １０万～３５万スコヴィル
◆日本酒
＿◇主要な成分と計測量
①アルコール度数
エチルアルコール濃度
蒸留してアルコール濃度同一の溶液を作り、比重計で計測（浮力を測る）
②酸度
コハク酸、乳酸、リンゴ酸などの「酸」の総量
③日本酒度
アルコール以外の酸、アミノ酸、糖分の量
蒸留せず、日本酒度用比重計で計測（浮力を測る）
４℃の水と同じ比重でゼロ。
エキス分が多ければ比重大なのでマイナス（１５まで）
エキス分がすくければプラス（１５まで）
温度１５℃で測定
※
淡麗（日本酒度＋、酸度低）
濃醇（日本酒度－、酸度高）
辛口（日本酒度＋、酸度高）
甘口（日本酒度－、酸度低）
※日本酒度Ｎ，酸度Ａ
甘辛度Ｙ、濃淡度Ｚ
Y=193593/(1443+N) – 1.16*A – 132.57
Z=94545/(1443+N) + 1.18*A – 68.54
Y=-3 非常に辛い、Y=3 非常に甘い
Z=-3 非常に薄い、Z=3 非常に濃い
※測定計器は財務省の検定が義務づけられている
※酸度の計測は、日本酒に酸性で色を示す試薬をいれ、これにビュレットから0.1規定の水酸化ナトリウム溶液を滴下して、中和するまでにいれた水酸化ナトリウムの量を酸度とする。
通常0.5~3
※上記のように中性にした後、ホルマリンを加えるとアミノ酸が酸性を示す（アミノ酸は通常中性）、おなじ手順で酸度を測るとアミノ酸度となる
◆臭い
動物の鼻の嗅細胞は受容体「レセプター」をもち、におい分子「リガンド」を吸着してにおいと感じる。数十万種以上もあるにおい分子を嗅ぎ分けられる。
※現状は単体の受容体をもほうし、特定の分子だけを吸着するセンサが開発されている
人工脂質膜センサ
導電性ポリマーセンサ
※従来のガスセンサーを発展させた
酸化物半導体センサ
臭い分子に直接対応していないので複数組み合わせる
※全般的に感度が低い
☆生体量センシング
◆血圧
＿◇収縮期血圧
心臓が収縮したときに送り出された最高圧力
（上の血圧）
＿◇拡張期血圧
心臓が拡張し、動脈血管壁が元に戻ったときの最低圧力
（下の血圧）
＿◇測定
カフに圧力を加え一旦血液の流れを止める。圧迫を緩めると、血流が再開し、コロトコフ音（Ｋ音）が聞こえるので、このときの圧力を最高血圧とする。さらにカフを緩めると、コロトコフ音が聞こえなくなるので、これを最低血圧とする。
◆血圧脈波検査
baPWV (brachial-ankle Pulse Wave Velocity)
脈波伝達速度
足首と上腕の計４箇所に血圧計をとりつけて同時に血圧を測り、脈波到達時間差⊿Tを測る。
baPWV = (La – Lb) / ⊿T [cm/s]
La:身長から換算式で求めた大動脈弁口から足首の長さ(cm)
Lb:身長から換算式で求めた大動脈弁口から手首の長さ(cm)
※４０歳で1200、６５歳で1400程度
◆ABI Ankle-Brancial Index
足首と上腕の血圧の比。血管の狭まり具合。
ABI = 足首の血圧 / 上腕の血圧
※足の動脈が細くなると、１以下の低い値を示す。
◆体脂肪率計
ＢＩ法（生体インピーダンス測定法）
※水分量を一定にしないと誤差が多い
食事直後は避ける
排尿しておく
決まった時間に測る
運動直後や入浴直後はさける
◆脳計測
＿◇脳波
δ波0.5～４Ｈｚ未満
θ波：４～８Ｈｚ未満
α波８～１３Ｈｚ
β波：１３Ｈｚより大きい（１３ふくまず）
＿◇EEG
electroencephalography
＿◇NIRS
near-infrared spectroscopy
＿◇fMRI
functional magnetic resonance imaging
＿◇MEG
magnetoencephalography
＿◇PET
positoron emission tomography
＿◇ECoG
electrocorticography
＿◇ラッセルの感情円環モデル
感情概念のモデル
◆注視点推定法
＿◇角膜イメージング法
角膜の表面の反射像をカメラで撮影、解析
＿◇赤外光照射―反射光解析
※パララックス誤差
◆血糖値計
＿◇グルコースセンサー法
血糖(血液中のグルコース)に対するグルコース酸化酵素の反応を電気化学的に定量し、血糖値に換算する。携帯用血糖測定器において最も普及している。
※問題点
①血液中のビタミンCをはじめとする還元性物質等の影響を受け、誤差を生ずる
②患者が糖尿病性の昏睡に陥る危険性の高い40mg/dl以下の低血糖領域及び600mg/dl以上の高血糖領域では、正確な血糖測定を行うことが困難
③センサー部分は使い捨てであるが、その交換部分が小さく、神経症や網膜症等の合併症を引き起こしている患者にとっては、センサー交換が負担
◆血中酸素濃度測定
①指先から光を入射
②血中の酸素の赤外線吸収を測定
◆総血液量、全血漿量計測
＿◇総血液量
スクロース（ショ糖）などの無害な物質を一定量注射し、体全体に広がって一様に希釈されたところで、血液の一部を取り出して濃度を測ることで求める。ただし、一様に広がるまでに代謝分解や排泄される量がわかっていなければならない
＿◇全血漿量計測
総血液量と同様な原理によるが、注射する物質として、血漿内のタンパクと結合する色素（エバンスブルー）を用いる
◆指紋センサ
模様の傾向は遺伝するが、細かい特徴は一卵性双生児でも異なる。大きな火傷などしないかぎり、手の皮がむけても同じ指紋が生成される
※隆線：汗腺項のある出っ張った部分。ピッチは０．１～０．５ｍｍ程度
＿◇指紋の種類
民族により現れ方の傾向がある
①渦状紋
②蹄状紋
③弓状紋
＿◇指紋の特徴点
ガルトンの点：指紋の紋様が切れたり分岐したりする点
１本の指で５０～１００個程度。終生不変。
※位置や方向など数値化しやすい
※ロカルド（司法）、特徴点が１２個一致し、紋様が鮮明であれば本人と断定できる
※各特徴点間の隆線の数を照合に加えて精度をあげる
→リレーション方式
＿◇AFIS
Automated Fingerprint Identification System
元画像→２値化→スケルトン処理→
特徴点抽出（端点、分岐点）
→近傍間のリレーションネットワーク
→隆線数の近傍相関関係（照合用登録データ）
＿◇FRR, FAR
FRR: False Reject Ratio
本人拒否率
FAR: False Accept Ratio
他人許容率
※設定スレッショルドにより相反の関係となる
※各メーカのFRR, FARの測定方法、母数、母集団の性質等については統一基準がない
＿◇センサ方式
①圧力方式：隆線の出っ張りを使う
②光学式：皮膚と保湿成分によるセンサ表面の界面の光の屈折と反射
③静電容量式：皮膚と保湿成分を誘電物質としてその距離による差をみる
※ピッチ
子供の０．１ｍｍピッチを見ようとすると０．０５ｍｍ以下となる。ピッチは DPI(Dots Per Inch) PPI (Pixel Per Inch)
0.05mm ≒ 500DPI
幼児や東洋人の女性では800DPIが必要
＿◇光学反射方式
入射光の角度が、イメージセンサの見る角度と一致
谷部。。。全反射する
隆線部。。。乱反射し、暗くなる
※谷部に空気さえあればコントラストが得られるので、乾燥や湿った指でも読み取りやすい
※反射部分をホログラムやマイクロプリズム等の集合体で行い、小形化したケースもあるが、プリズムを内蔵する場合は、小形化しにくい
※外乱光の影響を受けやすい
＿◇静電容量方式
ベル研方式をVeridicom社が1998年に実用化。隣あう電極の静電容量を信号化する。指紋の隆線部があると容量が大きくなる
※高い誘電率を持つ汗と脂に映像が影響される。汗が残ると映像がとれなくなる。
※構造的に静電気や化学物質の汚染に弱い
＿◇電界方式
Authentec社
２次元に検出電極を配置。絶縁体でコーディング。周囲の金属リングから指に高周波の電圧を加え、放射してくる電界を映像化する。
谷部で出力小
接触部で出力大
※汗や脂の影響を受けにくい。絶縁体のコーディングも厚くできる
※誘導ノイズの影響を受けやすく、後処理で補正が必要
＿◇光学透過方式
指を通過する光の光量を測定する。谷と隆線部の差をみる。空気や水の屈折率とたんぱく質や脂の屈折率は大きく違うので、乾燥、濡れでも読み取れる。直射日光下でも覆いがいらない
※光源が不可欠なのでセンサが大きくなる
＿◇スイープ式指紋センサ
１次元のセンサで指をスイープさせて読み取る。人間の指の速度を検知する仕組みが必要。
①精密ロータリーエンコーダ
②専用センサを縦置き
③２本のセンサの画像を比較して再構成
④短冊形の準１次元センサによる再構成
◆致死量
実験動物に一定量の化学物質を投与し、死亡率を調べて用いるが、近年、あまり調べられなくなった。
個体差が大きいので、死亡率を縦軸に、投与量の対数を横軸にとって用量－反応曲線を描く。通常５０％付近の傾きが大きく、わずかな量で変化するので５０％を基準とする
＿◇LD50
Lethal Dose 50%
半数致死量
用量を実験動物の体重あたりの投与量に換算した統計的数値
mg/kg
＿◇LC50
Lethal Concentration 50% kill
mg/m^3
ガスなどの場合
☆医療診断
◆X線CT
CT: Computerized Tomography
＿◇X線の発生（Ｘ線管）
タングステンなどの金属板を陽極とし、高い電圧で加速した電子を電子銃から打ち付けて発生させる。電子密度が高いと電極が高温となって溶解するので、電極を回転させたり、裏から冷却する。この電極を真空容器に封じ込める
＿◇X線の吸収の式
※連続X線、細い線束
dI/dx = -μI
⇒これをとくと
I=I0*e^(-μx)
⇒吸収率が大きいところでは通った光子数がすくなくなる
⇒像に濃度差としてあらわれる
μ：吸収係数
※吸収は原子番号に比例して起こる
＿◇X線CT装置
人体の周りに180～360°角度をかえながらX線を照射
⇒その１次元分布像から求める断層面の画素の吸収値を計算
⇒その比に応じた画像を作りだす
⇒画像を再構成画像という
＿◇Radonの定理
※すべての角度から透視したとき、得られる無限の投影データから２次元、３次元の画像を一意的に再構成することができる
Pθ(t)=∫f(x,y)dy’
-∞<t<∞
0≦θ≦π
断層面: x,y
吸収係数f(x,y)
x軸からθの傾きであるx’方向にX線を照射、透過X線量を検出
Pθ(t):透視データ
＿◇Back Projection
角度を変えながら得た透視データを、逆に角度に合わせて重ね合わせて投影していくと断面を再現できる
⇒原点付近では重ね合わせの回数が多くなり強度が強くなる
⇒補正関数使用逆投影法、フーリエ変換法
s(x,y)=ΣPθi(t)*⊿θ
⊿θiごとにとった透視データPθi(t)
再構成画像 s(x,y)
⇒再構成画像は数学的には合成積あるいは重畳積分（コンボリュージョン）
※補正関数 1/r
s(x,y) = ∫[-∞:∞]∫[-∞:∞]{f(x’,y’)/√((x-x’)^2+(y-y’)^2)}dx’dy’
※フーリエ変換法
＿◇画像の再構成法
※逐次近似法
①逆マトリックス法
②同時逐次再構成法
③代数的再構成法
④最少二乗再構成法
※解析的再構成法
①逆投影法
②フーリエ変換法
③コンボリューション法
④フィルタ補正逆投影法
◆生体の超音波診断
＿◇超音波の概要
旧：５～１０ＭＨｚの周波数
新：１ＧＨｚ範囲
※周波数が高い方が指向性が高いが、減衰率も大きい
⇒検出器の感度があがり、微弱な音波も測定できるようになった
※気体中はあまり伝わらず、固体、液体中はよく伝わる
※骨の表面ではよく反射する
＿◇超音波の音場（エネルギー）
ダランベールの波動方程式より
波の進行方向に垂直な単位面積を単位時間に流れる超音波のエネルギーI[W/m^2]
I=(1/2)*(1/(ρ*c))*p^2
p:音圧
ρ:媒質の密度
c:速度
α(dB)=10*log(I/I0)
IO=10^-12[W/m^2]
音圧pで書き直せば
I/IO=(p/p0)^2
α(dB)=20*log(p/p0)
＿◇超音波の速度
v=√(M/ρ)
v:速度[m/s]
M:弾性率（k:体積弾性率 N/m^2)
ρ:媒質の密度
＿◇超音波の減衰量
I/I0=e^(-γ*d)
体の表面(d=0)における超音波の強さをI0, 減衰係数をγとすると深さdにおける超音波の強さIは
I = I0 * e^(-γ*d)
⇒超音波をパルス的に発射し、反射波の強弱と時間差により画像化する
I=I0*e^(-μｘ）
μ：媒質の吸収係数（減衰係数）
x=0のときの音波の強さをI0とし、深さｘのときをIとする
音波の媒質中での減衰＝単位長あたりの減弱
μ0=(α1-α2)/x
⇒減弱エネルギーのほとんどは熱となる
減弱dB=減衰係数(dB/cm)*通過距離(cm)
※はじめの強さの半分になる物質の厚さを半減層または透過深度という
半減層＝3/減弱係数(dB/cm)
※水中は減衰が少ないので水を多く含む臓器には適するが、空気を多く含む肺などには向かない
＿◇超音波の発生
BaTiO3などのピエゾ振動子に高周波を印加すると垂直方向に超音波が発生する
⇒粗密波
＿◇超音波の反射
※音波の反射をとらえて画像のイメージングを行う超音波診断装置
⇒反射の性質が重要
※交流理論のインピーダンスZ
Z=E/I=電圧/電流
※固有音響インピーダンス
Z=p/v=音圧/粒子速度
Z=ρ*c
ρ:媒質密度[kg/m^3]
c：媒質中の音速[m/s]
Zが小さい⇒抵抗小⇒音圧小
⇒２つの異なる媒質の界面
一部反射（入射角 i は反射角 i’ に等しい）
一部透過（屈折角ｒ）
sin(i)/sin(r)=媒質Ⅰの音速/媒質Ⅱの音速
※音圧反射率Rp
Rp=反射音圧/入射音圧
={ρ2*C2*cos(i)-ρ1*C1*cos(r)}/{ρ2*C2*cos(i)+ρ1*C1*cos(r)}
※音圧等価率Tp
Tp=透過音圧/入射音圧
=2*ρ2*C2*cos(i)/{ρ2*C2*cos(i)+ρ1*C1*cos(r)}
⇒垂直に入射する場合cos(0)=1、また、Z=ρ*cなので上記式はZで書き直すことができる
＿◇超音波に対する生体組織の性質
音速 音響IMP 減衰係数 密度
10^6kg/m^2/s dB/cm(1MHz) kg/m^3
空気 340 0.0004 12 1.29
水 1480 1.52 0.002 1.00e3
血液 1570 1.62 0.2 1.03e3
脂肪 1445 1.38 0.8 0.97e3
軟部組織 1530 1.62 1.0 1.05e3
骨 4080 7.80 13 1.91e3
＿◇近距離音場と遠距離音場
※近距離音場
振動子から一定の距離X0まではほぼ広がらずに進む
※遠距離音場
音圧は距離の増加とともに低下し、拡散しながら伝搬する
※近距離音場限界距離X0
X0=D^2/(4*λ)
D:円形振動子の直径
※指向角φ0
中心軸上の最大音圧に対して音圧がゼロになる角度
φ0=70*λ/D
＿◇距離分解能と方位分解能
※距離分解能
超音波の進行方向
周波数3.5MHzで約1mm
⇒パルス幅で決まる
※方位分解能
進行方向に対して垂直
周波数3.5MHzで約2mm
⇒ビーム幅で決まる
＿◇超音波反射信号の表示法
c:音速
L:プローブと反射源距離
t:反射して戻るまでの時間
t=2*L/c
※モード
Bモード
反射波検出に要する距離（形態観察）
反射波の強さを輝度変調し、画面に輝点表示する
プローブはわずかに移動させて繰り返す
Mモード
反射波検出の連続記録（動態観察）
反射波の強さを輝度変調するが、プローブは同じ位置で時間変化をみる
ドップラー法
ドップラー効果による血管内血流の測定、心機能計測
⇒連続波ドプラー、パルスドプラー⇒スペクトル表示、ＦＦＴによる
⇒血流イメージング⇒カラー表示、自己相関法
＿◇超音波診断装置
＿◇超音波ドップラー
組織内の移動物体(血液など)に反射して返ってくる超音波の周波数を測ることで反射物体の移動速度を測定する
v=((f-f0)/f)*C
C:固有音速
f:反射波の周波数
f0:発信周波数
◆MRI
Magnetic Resonance Imaging
磁気共鳴画像法
＿◇NMR
Nuclear Magnetic Resonance
核磁気共鳴
※原理
原子核の核スピン
①磁場を加えない場合は安定した状態にある
②強い磁場Ｂ０を加えるとエネルギー状態が２つに分かれる⇒エネルギー差⊿Ｅは磁場の強さに比例する
⊿Ｅ＝μＢ０
③一定の磁場を加えた状態で⊿Ｅに相当する電磁波を照射すると低い準位にあった原子核も励起状態になる
ν=⊿E/h=γ*B0/2π
ν:電磁波の周波数
h:プランク定数
γ:定数
⇒特定の周波数の電磁波だけを吸収する
（共鳴周波数）
④電磁波の照射を止めると準位間の緩和により励起のときと同じ周波数の電磁波を放出して戻る
※ＮＭＲでは体内の水素に着目してこれを行う
⇒緩和時間の長さは組織の場所や状態により異なる
（０．１～１秒）
※人体構成元素でスピンを持つもの
原子番号と質量数がともに奇数の原子核
水素-1
同位体存在比 99.98
共鳴周波数 42.6MHz/T
炭素-13
同位体存在比 1.1
共鳴周波数 10.7MHz/T
ナトリウム-23
同位体存在比 100
共鳴周波数 11.3MHz/T
リン-31
同位体存在比 100
共鳴周波数 17.2MHz/T
※傾斜磁場
緩和時間の差から３Ｄ画像を得るために、傾斜のある磁界を作る
多くの周波数成分のある電磁波を加える
⇒磁場の強さにより吸収される電磁波の周波数が異なる
⇒得られた情報から位置情報を抽出できる
※磁場の強さ
１．５テスラ
＿◇PET
Positron Emission Tomography
陽電子放射断層撮影法
※ポジトロン核種
11C, 13N, 15O, 18F
⇒ポジトロンを１つ放出して安定電子となる。そのときγ線を放出する
⇒がんの診断では18Fを含んだFDG
18F-2-デオキシ-2-フルオロデオキシグルコース
半減期110分
ブドウ糖に近く、ガン細胞に取り込まれる
⇒生理的にブドウ糖があつまる脳や膀胱にはむかない
＿◇MRI装置
静地場強さ 0.5～1.5T
＿◇MRI信号の取り出し方
①反転回復法（IR）
②スピンエコー法（SE）
③飽和回復法（SR）
④カーパーセル法（CP）
⑤反転回復スピンエコー法（IR・SE）
◆心音計システム
心音の振幅、周波数、波形、発生時間と病状の心音パターンにより診断する
中期雑音⇒大・肺動脈狭窄
平坦雑音⇒僧帽弁閉鎖不全
漸滅性雑音⇒大動脈弁閉鎖不全