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2020 年度 実績報告書

呼気癌診断を実現する嗅覚センサシグナルの「マーカー特徴量」の網羅的探索と最適化

研究課題

研究課題/領域番号 18H04168
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

吉川 元起  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (70401172)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード嗅覚センサ / 呼気診断 / 膜型表面応力センサ(MSS) / 機械学習 / マーカー特徴量
研究実績の概要

本研究では、呼気によるがん診断の可能性を検証するため、NIMSで独自に開発された嗅覚センサ「MSS(膜型表面応力センサ、Membrane-type Surface stress Sensor)」を用いた実証実験を進めた。多成分混合ガスである呼気は、疾患によって数十種類のガス濃度比が微妙に変化すると考えられている。そのため、疾患の状態を反映する「マーカー分子」の特定が難しいだけでなく、それらをピンポイントに測定するだけでは情報不足となる可能性が示唆されている。そこで本研究では、物理化学的特性の異なる複数の感応膜を塗布したMSSアレイを用いて呼気全体をパターン化し、疾患に起因する複雑なガス濃度比の変化全体を捉えることを目指した。このMSSセンサシグナルのうち、がん関連の医療データと相関を示す特徴を「マーカー特徴量」と定義し、その網羅的な探索を行った。
2020年度は、共同研究を行っている医療機関において、これまでに得られた大量の呼気測定データを詳細に解析することにより、温度や湿度などの外乱を排した測定および解析方法を確立することに成功した。これにより、測定日時が一年以上異なるサンプル間でもMSSのシグナルが再現可能であることが確認された。これらの成果に基づいて、特にセンサシグナルに大きな影響を与える要因に対して耐性を有する感応膜材料の開発を行い、実環境条件でも高いシグナル強度が得られる材料の開発に成功した。また実際の現場での実証試験として、肺がんに関して同一患者の手術前と手術後の呼気のセンサシグナルを、機械学習を用いて解析することにより、高い精度で判別できる可能性を示す結果が得られた。このなかで、マーカー特徴量となり得るシグナル要素も確認された。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 3件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 2件、 招待講演 11件) 図書 (2件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Discrimination of Methanol from Ethanol in Gasoline Using Membrane-Type Surface Stress Sensor Coated with Copper(I) Complex2021

    • 著者名/発表者名
      M. Nishikawa T. Murata S. Ishihara K. Shiba L. K. Shrestha G. Yoshikawa K. Minami K. Ariga
    • 雑誌名

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      巻: 94 ページ: 648-654

    • DOI

      10.1246/bcsj.20200347

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effects of partial attachment at the interface between receptor and substrate on nanomechanical cantilever sensing2021

    • 著者名/発表者名
      K. Minami G. Yoshikawa
    • 雑誌名

      Sensors and Actuators A: Physical

      巻: 319 ページ: 112533

    • DOI

      10.1016/j.sna.2020.112533

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 嗅覚のAI2021

    • 著者名/発表者名
      G. Yoshikawa
    • 雑誌名

      Clinical Neuroscience

      巻: 39 ページ: 186-187

  • [雑誌論文] 計測指向機械学習と嗅覚センシングの新展開2021

    • 著者名/発表者名
      T. Washio G. Imamura G. Yoshikawa
    • 雑誌名

      電子情報通信学会誌

      巻: 104 ページ: 43-48

  • [雑誌論文] Strain-based chemical sensing using metal-organic framework nanoparticles2020

    • 著者名/発表者名
      H. H. M. Yeung G. Yoshikawa K. Minami K. Shiba
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 8 ページ: 18007-18014

    • DOI

      10.1039/D0TA07248F

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Nanomechanical Gas Sensing with Laser Treated 2D Nanomaterials2020

    • 著者名/発表者名
      K. Mistry K. H. Ibrahim I. Novodchuk H. T. Ngo G. Imamura J. Sanderson M. Yavuz G. Yoshikawa K. P. Musselman
    • 雑誌名

      Advanced Materials Technologies

      巻: 5 ページ: 2000704

    • DOI

      10.1002/admt.202000704

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Finite Element Analysis of Interface Dependence on Nanomechanical Sensing2020

    • 著者名/発表者名
      K. Minami G. Yoshikawa
    • 雑誌名

      Sensors (Basel Switzerland)

      巻: 20 ページ: 1518

    • DOI

      10.3390/s20051518

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Development of a Mobile Device for Odor Identification and Optimization of Its Measurement Protocol Based on the Free-Hand Measurement2020

    • 著者名/発表者名
      G. Imamura G. Yoshikawa
    • 雑誌名

      Sensors

      巻: 20 ページ: 6190

    • DOI

      10.3390/s20216190

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Graphene Oxide as a Sensing Material for Gas Detection Based on Nanomechanical Sensors in the Static Mode2020

    • 著者名/発表者名
      G. Imamura K. Minami K. Shiba K. Mistry K. P. Musselman M. Yavuz G. Yoshikawa K. Saiki S. Obata
    • 雑誌名

      Chemosensors

      巻: 8 ページ: 82

    • DOI

      10.3390/chemosensors8030082

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 嗅覚センサ「MSS」の総合的研究開発2021

    • 著者名/発表者名
      G. Yoshikawa
    • 学会等名
      日本金属学会 2021年春期 第168回講演大会 企画シンポジウム 基調講演
    • 招待講演
  • [学会発表] 嗅覚IoTセンサの実現に向けた総合的研究開発2021

    • 著者名/発表者名
      G. Yoshikawa
    • 学会等名
      第1回 センサ&IoTセミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工嗅覚に向けた嗅覚センサMSSと機械学習の融合2020

    • 著者名/発表者名
      G. Yoshikawa
    • 学会等名
      第61回 バイオ・マイクロ・ナノテク研究会 ―2020 特別講演会―
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工嗅覚に向けた嗅覚センサMSSと機械学習との融合2020

    • 著者名/発表者名
      G. Yoshikawa
    • 学会等名
      nano tech 2021 特別シンポジウム
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 嗅覚IoTセンサ「MSS」 ― 基礎・要素技術・応用展開 ―2020

    • 著者名/発表者名
      G. Yoshikawa
    • 学会等名
      情報機構セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] The Final Frontier "Olfactory Sensor" - MSS with AI Towards Practical Olfactory Sensors2020

    • 著者名/発表者名
      G. Yoshikawa
    • 学会等名
      Initiation Seminar 2020
    • 招待講演
  • [学会発表] 嗅覚IoTシステムの要素技術開発2020

    • 著者名/発表者名
      G. Yoshikawa
    • 学会等名
      技術情報協会セミナー「においセンサの開発、定量化・可視化技術と、その応用事例」
    • 招待講演
  • [学会発表] 五感センサ最後の砦「嗅覚センサ」~高性能センサ素子「MSS」と人工知能による高度化~2020

    • 著者名/発表者名
      G. Yoshikawa
    • 学会等名
      CSJ化学フェスタ
    • 招待講演
  • [学会発表] 嗅覚センサ開発における先端計測とインフォマティクス ― 技術的な「落とし穴」とその回避策2020

    • 著者名/発表者名
      G. Yoshikawa
    • 学会等名
      技術情報協会セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] 嗅覚センサの歴史・現状・課題2020

    • 著者名/発表者名
      G. Yoshikawa
    • 学会等名
      令和2年度 電気学会センサ・マイクロマシン部門 総合研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 嗅覚センサの現状・課題・展望2020

    • 著者名/発表者名
      G. Yoshikawa
    • 学会等名
      Smart Sensing 2020 [Keynote Speech]
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] 匂いのセンシング技術2020

    • 著者名/発表者名
      吉川元起
    • 総ページ数
      93-101
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • ISBN
      978-4-7813-1515-7
  • [図書] においのセンシング、分析とその可視化、数値化2020

    • 著者名/発表者名
      吉川元起
    • 総ページ数
      165-174
    • 出版者
      技術情報協会
    • ISBN
      978-4-86104-810-4
  • [備考] Olfactory Sensors Group

    • URL

      http://y-genki.net/

  • [備考] mss forum

    • URL

      https://mss-forum.com/

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公開日: 2023-12-25  

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