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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

Research Project

Project/Area Number 18H03514
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
Research InstitutionKanazawa University

Principal Investigator

田中 志信  金沢大学, フロンティア工学系, 教授 (40242218)

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)
鈴木 郁斗  公立小松大学, 保健医療学部, 助教 (10880768)
畑中 由佳  藍野大学, 医療保健学部, 助教 (30622120)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥16,510,000 (Direct Cost: ¥12,700,000、Indirect Cost: ¥3,810,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2019: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2018: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywords血液透析 / 透析液排液 / 透析終点 / 近赤外分光法 / 適正透析 / 透析液廃液成分モニタ / 近赤外多波長LED / 透析液廃液成分 / 試薬レスモニタ / 人工透析 / 透析液廃液 / 陰性吸光度
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。

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。

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。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(14 results)

All 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] NIR spectroscopic determination of urine components in spot urine: preliminary investigation towards optical point-of-care test2019

    • Author(s)
      Suzuki Ikuto、Ogawa Mitsuhiro、Seino Kimihiro、Nogawa Masamichi、Naito Hisashi、Yamakoshi Ken-ichi、Tanaka Shinobu
    • Journal Title

      Medical & Biological Engineering & Computing

      Volume: 58 Pages: 67-74

    • DOI

      10.1007/s11517-019-02063-1

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Preliminary Experiments for Realizing NIR Spectroscopic Prediction System of Multi-Components in Waste Dialysate2020

    • Author(s)
      I. Suzuki, Y. Hatanaka, T. Tsuruda, M. Nogawa, H. Naito, A. Ikarashi, M. Ogawa, K. Yamakoshi, S. Tanaka
    • Organizer
      42nd Annual International Conferences of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 近赤外光を用いた簡易光学式透析液排液成分モニタシステムの開発2020

    • Author(s)
      鶴田貴大,鈴木郁斗,野川雅道,内藤尚,畑中由佳,五十嵐朗,小川充洋,山越憲一,田中志信
    • Organizer
      第59回日本生体医工学会大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 透析液排液成分の光学式モニタリングシステムの開発 ―混合水溶液を用いた尿素濃度推定精度と至適波長組み合わせの検討―2020

    • Author(s)
      鶴田貴大,佐内佳太,鈴木郁斗,野川雅道,内藤尚,畑中由佳,五十嵐朗,小川充洋,山越憲一,田中志信
    • Organizer
      令和2年度 日本生体医工学会 北陸支部大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] NIR spectroscopic prediction of urinary components for management of protein and salt intake2019

    • Author(s)
      Suzuki I.*, Seino K., Nogawa M., Naito H., Ogawa M., Yamakoshi K., and Tanaka S.
    • Organizer
      41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in medicine and Biology Society
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 近赤外分光法を用いた光学式尿成分分析システムの開発 ―尿中成分のクレアチニン比推定の試み―2019

    • Author(s)
      鶴田 貴大, 鈴木 郁斗, 清野 公宏, 野川 雅道, 内藤 尚, 畑中 由佳, 五十嵐 朗, 小川 充洋, 山越 憲一, 高田 重男, 田中 志信
    • Organizer
      第58回日本生体医工学会大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 近赤外分光法による尿成分濃度推定と使用波長数削減の試み2019

    • Author(s)
      田中 志信, 鈴木 郁斗, 清野 公宏, 野川 雅道, 内藤 尚, 五十嵐 朗, 小川 充洋, 高田 重男, 山越 憲一
    • Organizer
      日本分光学会近赤外分光部会 第14回シンポジウム
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 透析液排液成分の光学的濃度推定に関する基礎的検討2019

    • Author(s)
      鶴田貴大,鈴木郁斗,野川雅道,内藤尚,畑中由佳,五十嵐朗,小川充洋,山越憲一,田中志信
    • Organizer
      令和元年度日本生体医工学会北陸支部大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] A reagent-less system for monitoring Urinary multi-components using near infrared spectroscopy2018

    • Author(s)
      I. Suzuki, K. Seino, M. Nogawa, H. Naito, M. Ogawa, K. Yamakoshi, S. Tanaka
    • Organizer
      40th Annual International Conference of The IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 近赤外分光法を用いた光学式尿成分分析システムの開発―総当たり解析による至適波長と組み合わせの選定―2018

    • Author(s)
      鈴木郁斗,清野公宏,野川雅道,内藤尚,五十嵐朗,小川充洋,山越憲一,高田重男,田中志信
    • Organizer
      第57回日本生体医工学会大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 光学式簡易尿成分計測システムの開発ーLED光源化を目指した最適波長組合せの検討ー2018

    • Author(s)
      清野公宏,鈴木郁斗,野川雅道,五十嵐朗,内藤尚,小川充洋,山越憲一,高田重男,田中志信
    • Organizer
      日本生体医工学会北陸支部大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Remarks] 金沢大学理工研究域 人間適応制御研究室

    • URL

      http://biomed.w3.kanazawa-u.ac.jp/

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 金沢大学理工研究域 人間適応制御研究室

    • URL

      http://www.me.se.kanazawa-u.ac.jp/biomed/

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Remarks] 金沢大学理工研究域 人間適応制御研究室 研究紹介

    • URL

      http://www.me.se.kanazawa-u.ac.jp/biomed/index.html

    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-04-23   Modified: 2021-12-27  

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