2020 Fiscal Year Annual Research Report
近赤外多波長LEDを用いた試薬レス透析液廃液多成分連続モニタシステムの開発
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18H03514
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
田中 志信 金沢大学, フロンティア工学系, 教授 (40242218)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小川 充洋 帝京大学, 理工学部, 准教授 (30322085)
野川 雅道 公立小松大学, 保健医療学部, 准教授 (40292445)
五十嵐 朗 藍野大学, 医療保健学部, 教授 (10570632)
畑中 由佳 藍野大学, 医療保健学部, 助教 (30622120)
鈴木 郁斗 公立小松大学, 保健医療学部, 助教 (10880768)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 近赤外分光法 / 血液透析 / 適正透析 / 透析液廃液成分モニタ / 近赤外多波長LED |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度は尿素:Ur、尿酸:Ua、クレアチニン:Crの各単一成分水溶液における濃度推定精度を検討したが、実際の透析液廃液では各成分が混合された状態で各濃度が時々刻々変化する。そこで今年度は上記3成分の様々な濃度の多成分混合溶液を用いて、主ターゲット成分であるUrの濃度を妨害物質（Ua、Cr）の存在下においても高精度で推定可能か検討した。具体的にはFT-IR装置により3成分混合水溶液のスペクトル計測を行い、市販の近赤外LEDで入手可能な10種類の波長の差分吸光度データを算出し「総当たり」の重回帰分析を行った。なお予測精度の評価指標には実測濃度との相関係数：γ、および標準予測誤差：SEPを用いた。その結果、使用波長数：４～７という少ない波長数にもかかわらず、光路長＞0.25mmにおいてUrの濃度推定精度はγ＞0.94、SEP＜2.3mg/dlという極めて良好な値が得られた（波長組合せについては現状非開示）。
一方、上記で用いたFT-IRのスペクトルデータは波長間隔が約1.7nmで波長幅が極めて狭く、入射光強度のプロファイルは非常に急峻である。しかし簡易化に必須となるLEDの発光強度プロファイルはブロードで数十～100nm程度の半値幅を持つとされている。従って上記結果がそのままLED光源に当てはまるとは限らない。そこで上記結果がLED使用時にも適用可能か以下の方法で検証した。すなわち上述の10波長について、FT-IRの透過光強度スペクトルに中心波長の重みを１、半値幅を50～100nmとした重み関数（ガウス関数）を乗じることでLED模擬スペクトルを得た。このデータを用いて上記と同様に「総当たり」の重回帰分析を行った結果、上記に比べると若干劣るものの、光路長：0.5mmにおいてUrの濃度推定：γ=0.843、SEP=4.51mg/dlとの結果が得られ、LED光源化の可能性が確認できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
「実績概要」欄に記載のとおり、透析廃液中の3成分（Ur, Ua, Cr）混合水溶液におけるUr濃度の高精度推定については順調に進んでいるものの、昨年度の本欄に記載した通り、当初予定していた現有の多波長マルチチップ近赤外LEDが使用できなくなったたため進捗がやや遅れ気味となっている。
この問題への対応策を探し出すのに時間を要したため今年度も「やや遅れている。」としたが、代替策の目処が立ち、来年度の研究計画はこれを反映したものとなっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究成果により以下が明らかとなった。①透析廃液を模擬したUr, Ua, Crの混合稀薄水溶液において、透析終点を決めるための重要物質であるUrの濃度が、妨害物質であるUa, Crの存在下においても高精度で推定可能。②使用する波長数は市販LEDで入手可能な近赤外領域の４～７波長で、LEDのブロードな発光特性を模擬した解析においても高精度でUr濃度を推定可能。
一方「現在までの進捗状況」に記載の「代替策」について検討してきた結果、市販の「LEDミニスペクトルメータ（以下、LMS-Rと略記）」の適用可能性が浮上してきた。そこで最終年度の来年度では「LEDを光源とした透析液廃液成分の簡易光学分析システム具現化」に向けて以下に示す課題に取り組む。
１．光路長可変反射型フロ―セルの試作開発：LMS-Rを光源とした差分吸光度計測システム構築のため、「反射型」のフロ―セルを独自に設計・試作する。光路長についてはこれまでの知見を基に0.05～0.50mmの間で調整可能とし、反射鏡には1,000～2,200nm付近の近赤外光を高率で反射するものを特注試作する。
２．LEDミニスペクトルメータを用いた透析液廃液成分の濃度推定実験：LMS-Rに上記フロ―セルを取り付け、透析液廃液成分濃度を光学的に推定可能か検証する。具体的には、これまでの検討経緯に準じた形でUr, Ua, Crの「単一成分稀薄水溶液」の濃度推定精度を検証した後、「3成分混合稀薄水溶液」におけるUr濃度推定精度を検証する。データ解析にはLMS-Rに搭載された12種類の近赤外LEDによる差分吸光度データを用い、これまで同様に「総当たり」の重回帰分析を行い、濃度推定精度が最も良好な波長数とその組み合わせを決定する。なお濃度推定精度がFT-IRの結果よりも劣る場合には光路長の見直しやLEDチップ数の増加等について検討する。
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Research Products
(4 results)
