2017 Fiscal Year Annual Research Report
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17H02109
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
和田森 直 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (60303179)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中川 匡弘 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (60155687)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 医療・福祉 / 光音響分光法 / 内因性ガス / 内視鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
最近、人が病気ごとに固有のニオイを発する性質を診断に役立てようとする試みが注目されている。ニオイの診断的価値を明確にするためには、試料の採取方法の改良と分析時間の短縮とが必要と指摘されている。そこで、研究初期より超微量ガス分析に対する超高感度性が提唱されている光音響分光法(Photoacoustic Spectroscopy; PAS)を応用して、内因性ガスが排出される部位付近で採取、分析するために、内視鏡の鉗子管路を挿通可能な寸法のPA式嗅覚センサを開発する。
内因性ガスには、数百、数千種類ともいわれる気体成分が含まれており、測定対象とする気体に似た特性や分子構造を有する場合、濃度測定に誤差を生じさせる。そのため、測定精度に影響を及ぼす干渉ガス成分を分離する機構や感度特性が異なる複数のセンサが用いられるが、これが装置の大型化の主な要因となる。光学的手法においては、複数の波長を用いることにより、それらの吸収強度の関係から干渉ガス成分の影響を低減することができる。PASの光源としては、測定対象の吸収波長の選択性、狭帯域性、波長の安定性、高出力が求められ、光ファイバによる光通信網の広がりとともに、小形、低価格、高効率、高速応答な半導体レーザが重用されている。しかし、各々の半導体レーザの可変波長帯域は35 nm 程度と内在性化合物の種類と比較すると、一つの可変波長半導体レーザでの波長可変幅は十分ではない。
そこで、複数台の半導体レーザ装置とファイバ合波器を用いて広い波長帯域の光源を実現した。具体的には、各波長の半導体レーザ装置ごとに光出力、変調、波長を調整する光源制御装置を開発した。現在、各光出力をファイバ合波器によって1本に束ね、現有のPA式嗅覚センサに取り付けて、測定精度の定量化や装置の校正などを開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
仕様を満たす半導体レーザ素子が国内になかったため、海外から製品を入手することとなり、仕様の確認や手続きなどに時間を要した。
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| Strategy for Future Research Activity |
【内視鏡の鉗子管路を挿通可能な寸法のPA式嗅覚センサの開発】PA現象の原理は、光と熱と音との相互作用を伴う現象であり、この現象を解析的に求めることは困難である。我々は、高感度なセルの設計を目的として、複雑なPA現象を模擬できる有限要素法を用いた数値解析ツールを開発した。PA式嗅覚センサを鉗子管路を通じて胃内腔ガスが排出される部位付近まで挿入するためには、センサなどの寸法が制限されるため、本数値解析ツールを用いて、その制約において最適なセル形状を設計し、試作する。
ここで、申請時に広い吸収波長帯域を実現するための光源制御装置の開発を本年度に予定していたが、半導体レーザ素子の選定、入手に日数を要する可能性があったため、前年度に実施し、内視鏡の鉗子管路を挿通可能な寸法のPA式嗅覚センサの開発を本年度に変更した。
【混合ガス制御装置の構築】PA式嗅覚センサの測定精度の定量化や装置の校正などを行うためには、ガス濃度を正確に制御する装置が必要となる。現在、最大4台のマスフローコントローラを制御できるマスフロー/圧力プログラマと2台のマスフローコントローラ、圧力計から構成される混合ガス制御装置を有し、任意の2種類の混合ガスを生成することが可能である。さらに、取り扱えるガス種、濃度を増やすために、2台マスフローコントローラを追加し、4種の混合ガスを自動生成、連続、自動測定できるように改良する。
【畳み込みニューラルネットワークによるニオイと原因物質の構成を対応付けるパターン認識】数百、数千種類ともいわれる干渉ガス成分の影響を低減するために、種々の発振波長の半導体レーザ装置とそれらの光出力、変調、波長を調整する光源制御装置を開発した。この光源装置を用いて、既知濃度で調整した混合ガスに対する各波長、各変調周波数におけるPA信号の感度特性から、原因物質の構成とニオイを対応付けるパターン認識を行う。
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