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Breakthrough in non-invasive blood analysis using mid-infrared light

Research Project

Project/Area Number 20H00231
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

松浦 祐司  東北大学, 医工学研究科, 教授 (10241530)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 片桐 崇史  富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (90415125)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥44,200,000 (Direct Cost: ¥34,000,000、Indirect Cost: ¥10,200,000)
Fiscal Year 2022: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000)
Fiscal Year 2021: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000)
Fiscal Year 2020: ¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000)
Keywords赤外分光 / 血糖値測定 / 光熱偏向分光法 / 光音響分光法 / 赤外分光法 / 量子カスケードレーザ
Outline of Research at the Start

血糖,コレステロールなどの血中成分を,指や口唇でセンサ部を触れただけで,非侵襲で精密に分析を行う装置を開発することを目的とする.本研究では,中赤外光を生体試料に垂直に入射し,光吸収により発生する「熱」または「音響波」を検出する.これにより,光の侵入深さを従来のATR法よりはるかに大きい20ミクロン程度とすることが可能であり,生体組織液の成分を高精度に測定することが期待される.「熱」を検出する方法としては,熱による屈折率変化を近赤外のプローブレーザ光で検出する光熱偏向法を,「音響波」を検出する方法は,音波もしくは超音波をとらえる光音響法を用い,実用システムの実現を目指す.

Outline of Annual Research Achievements

外部共振器型波長可変QCLを光源として用いた光熱偏向分光システムを構築した.本装置ではプリズムの下部からプリズム上部に接したサンプル(指,口唇)表面に光を照射する.使用するプリズムは正の屈折率温度係数をもつため,温度が上昇すると屈折率も高くなる.そこで中赤外光の照射点付近において,プローブ光として用いる近赤外レーザ光が全反射するように光学系を調整することにより,中赤外光吸収による微細な温度変化により生じる屈折率変動を,反射したプローブ光の位置の変化として検出することが可能となった. 本装置を用いて濃度0.1%程度のグルコース水溶液を対象に吸収スペクトルを取得したところ,ほぼATR法と同等の形状をもつスペクトルが得られ,本装置の有効性を確認した.さらに複数の異なる種類の樹脂薄膜を積層したものをサンプルとして測定したところ,レーザ光の変調周波数を変化させることにより,測定される深さが変わることを確認し,生体組織の測定においても深さ方向の構成物質分布などの分析が可能であることを示した.
また,波長可変QCLを用いた光音響分光システムも新たに構築した.本装置では中赤外レーザ光を,チョッパによって変調した後に,光学窓と測定対象物の表面で閉じられ,光音響セル内は空気もしくは窒素ガスで満たされている光音響セルに入射した.サンプル内で生じる光吸収による組織の熱膨張から発生する音波をコンデンサマイクロフォンで検出した.変調する周波数は,熱拡散速度とマイクロフォンの周波数特性を考慮して設定し,ロックインアンプによって同期検出を行った.さまざまな形状の光音響セルを設計,製作し測定を行ったところ,セルの容積をきわめて小さくすることにより高い感度が得られた.また使用するマイクロフォンについても,音場計測用の高感度マイクロフォンの利用が有効であることがわかった.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本装置の開発対象となる,光熱偏向分光システムおよび光音響分光システムの構築が完成し,その機能確認が終了したため.

Strategy for Future Research Activity

構築した装置を用いて,生体構成物質を模擬したサンプルや,実際の生体(指,手首など)の測定を行い,これまで用いられてきたATR分光法によるものとの差異について調査する.

Report

(2 results)
  • 2020 Comments on the Screening Results   Annual Research Report

Research Products

(11 results)

All 2021 2020

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Vacuum ultraviolet absorption spectroscopy analysis of breath acetone using a hollow optical fiber gas cell2021

    • Author(s)
      Y. Kudo, S. Kino, Y. Matsuura
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: 21 Pages: 478-488

    • DOI

      10.3390/s21020478

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A Compact Mid-Infrared Spectroscopy System for Healthcare Applications Based on a Wavelength-Swept, Pulsed Quantum Cascade Laser2020

    • Author(s)
      T. Koyama, N. Shibata, S, Kino, A. Sugiyama, N. Akikusa, Y. Matsuura
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: 20 Pages: 3438-3448

    • DOI

      10.3390/s20123438

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 中赤外光イメージングのための反共振型中空マルチコアファイバ2020

    • Author(s)
      片桐崇史, 松浦祐司
    • Journal Title

      レーザー研究

      Volume: 48 Pages: 291-295

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 量子カスケードレーザーと中空光ファイバを用いた赤外分光システムのヘルスケア応用2020

    • Author(s)
      松浦祐司, 小山卓耶, 笠原亮介
    • Journal Title

      レーザー研究

      Volume: 48 Pages: 306-310

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Convolutional neural networks for classification and regression analysis of one-dimensional spectral data2020

    • Author(s)
      Ine L. Jernelv, Dag Roar Hjelme, Yuji Matsuura,, Astrid Aksnes
    • Journal Title

      arXiv

      Volume: 5

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantitative analysis of acetone in breath using vacuum-ultraviolet spectroscopy based on hollow-optical-fiber gas cell2021

    • Author(s)
      Y. Kudo, Y. Matsuura
    • Organizer
      SPIE. Photonics West 2021 Digital Forum (Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics, Treatment and Environmental Applications XXI)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Measurement and uniformization of power distribution on the prism for biomedical applications of mid-infrared, attenuated-total-reflection spectroscopy2021

    • Author(s)
      T. Koyama, S. Kino, T. Sasaki, Y. Wada, R. Kasahara, Y. Oba, Y. Matsuura
    • Organizer
      SPIE. Photonics West 2021 Digital Forum (Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics, Treatment and Environmental Applications XXI)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fabrication of 800-μm-bore hollow optical fibers based on completely non-fragile and flexible Ni-Ti tube for the infrared2021

    • Author(s)
      K. Iwai, H. Takaku, M. Miyagi, Y. Shi, X. Song Zhu, Y. Matsuura
    • Organizer
      SPIE. Photonics West 2021 Digital Forum (Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics, Treatment and Environmental Applications XXI)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 口唇の中赤外ATR分光スペクトルにもとづく非侵襲血糖値測定ー部分最小二乗回帰(PLSR)分析のための最適波長探索ー2021

    • Author(s)
      長谷川遼馬, 木野彩子, 松浦祐司
    • Organizer
      第68回応用物理学会春期学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Health-care system based on infrared spectroscopy using quantum cascade lasers and hollow optical fibers2020

    • Author(s)
      Y. Matsuura
    • Organizer
      The 9th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 生体組織分析に向けた中赤外光熱偏向分光法による深さ方向分布測定の試み2020

    • Author(s)
      三上 のどか, 林 周作, 津田 祐樹, 秋山 浩一, 松浦 祐司
    • Organizer
      日本光学会年次学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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