Fabrication of portable/wearable retinal imaging systems for ocular health monitoringࣉࣟࢪ࢙ࢡࢺࢢ࣮ࣝࣉྡ㸸║ࡢ೺ᗣࢭࣥࢧẶྡ㸸⩚᰿ ୍༤ࠊ୰⃝ ᚭࠊబࠎᮌᩗࠊ.DXVKLN1HHODPPGLྡ㸸⩚᰿୍༤ᡤᒓ㸸ᮾ໭኱Ꮫ ᕤᏛ◊✲⛉ࠊ་Ꮫ◊✲⛉Introduction

Portable fundus camera

More than 30% of human population suffers from vision related diseases.

A model eye , enucleated swine eye and human eye were imaged using fabricated portable fundus
camera. White light LED and Infrared LED (λ= 850 nm) were used for illumination of retina .

Image of retina (model eye )( Illumination = white LED)
Various eye diseases

As world population is ageing and costs of healthcare is increasing, there is a need to monitor patient’s healthstatus in his/her personal environment and provide access to healthcare for as many people as possible. Eyerelated diseases and defects have an enormous adverse effects on human health, efficiency and social welfare.
Long term monitoring can help in early detection of vital signs and timely prevention of some vision problems .
One method of early detection of eye diseases is regular monitoring of eyes by use of wearable smart glasses or
self-usable portable camera to collect images of retina/fundus. Therefore, it is necessary to develop
wearable/portable retinal imaging devices that can provide regular monitoring of eyes.

Enucleated Pig eye

Sample-1

Sample-2

Images of pig retina taken by fundus camera.

Human eye

Fabricated Eye Health Sensors

Person-1

Person-2

Images of human retina taken by fundus camera.

The aim is to develop simple and easy to use portable imaging devices that can be used byoneself without help of other person.

Such devices can be helpful for large screening of patients outside of hospitals or clinics fordetection of various eye diseases such as Cataract and Glaucoma.

║ࡢ೺ᗣࢭࣥࢧWide- field fundus Images ( enucleated swine eye)Portable IR fundus camera for
Cataract detection using retroillumination

Wearable smart glass
type imaging device

Dissected pig eye

Images taken with varying size of aperture

There are lot of accessible and affordable products in the market, but they require alignment of the device inright position and direction and can’t be used by oneself alone.

Portable fundus
cameraImage of retina ( model eye)
( Illumination = IR LED)

Japan is third largest producer of medical devices in the world.

Narrow- field fundus Images ( enucleated swine eye) Oblique /off-axis illumination is simple and cost effective way to improve the contrast and toget quasi 3D image.
 Oblique illumination in our fabricated fundus camera was created by using an IR- LED withnarrow beam angle placed at an angled position.
 The depth of optic disc of swine eye was calculated by using the shadow created by obliqueillumination.

Fundus camera with slit-illumination
 Cataract is leading cause of blindness in the world.
 Slit-lamp ophthalmoscope are big in size and can’t be
used outside of hospital/clinics .
Photograph of fabricatedportable fundus camera

Photograph of prototype
of wearable smart glass

 A portable fundus camera with slit illumination ishighly desirable for mass screening and personal use.

Schematic of portable camera withscanning mirror and slit illumination

Wearable smart glass
Metal sample, two types of model eyes and enucleated swine eye were imaged using the wearable smart
glass type retinal imaging system. Red laser (λ = 633nm) and IR laser (λ = 830 nm) were used to illuminate
the samples.
Schematic off por
pportabletable camera with slit-illumination
slitt illumination

Slit-light obtained by using cylindrical lens for Green and IR-lights

Cataract was induced by injecting formaldehyde solution (formalin) into the lens of the pig eye, Images
were obtained using slit light and compared with normal swine eye images.
Reflectance image

Normal Pig eyes

Model eyeEyes with cataract Removed pig eye lensNormal Pig eyePig eye with cataract

Choroidal vessels arevisible through eye lens.

Choroidal vessels are notvisible due to scattering
caused by the eye lens.

Enucleated pig eye
Reflectance image

Retina of pig eye
Reflectance image

Reflectance image

Reflectance image

The measured resolution of wearable smart glass typesystem is 22μm which is enough resolution for imaging
retinal arteries and optics disc for the detection of eyerelated disorders.

The wearable glass type retinal imaging system
is lightweight measuring 150 grams.

2D-MEMS scanner helped to reduce system size
and weight with advantage of fast scanning.

The proposed wearable eyeglass type system canbe applied an easy to use screening and regularmonitoring tool for imaging of eye.

The fabricated system has enough resolution forearly detection and diagnosis of eye diseases
such as glaucoma.

Ref. : N. Kaushik, T. Sasaki, Y. Takahashi, T. Nakazawa and K. Hane, “MEMS-based wearable eyeglasses for eye healthmonitoring”, Biomedical Physics & Engineering Express,6,015006 (2020).

Summary and Future Work
Simple and easy to use portable retinal imaging system and wearable smart glass type imaging system werefabricated. Portable fundus imaging device or camera can be used by oneself to take image of the retina without
help of other person. Images from enucleated swine eye and human eye were successfully taken by using ourfabricated simple fundus cameras. For our all fabricated devices the measured light intensity on cornea and retina
is much smaller than the maximum permissible beam power recommended by ANSI .

Future work Fabrication of newly designed portable fundus camera for Cataract detection.
 Application of AI for our fabricated devices for better disease diagnosis.
 Combining Cataract and Glaucoma imaging devices into one portable imaging device.

背景： 皮膚センサ・パッチによるpoint-of-care
社会的課題： 医療費の増大による国民の負担増▶ 医療費の年次推移▶ 2015年の医療費内訳

医療費（兆円）対GDP比（%）

501040830620410201990

2000

皮膚： デバイスと生体を繋ぐインターフェイス
ウェアラブル
デバイス

デバイス

組織液のセンシング
表皮

入院医療費
16.4兆円/年

02010

投薬や電気刺激

真皮生体年度

皮下組織

皮膚

皮膚を介した診断・治療
・ 微量な体液に含まれる生化学的情報の取得
・ 薬剤投与COI東北の「はかる」の基盤技術への貢献

Point-of-care (POC)デバイスの開発による健康増進や予防医療，医療費抑制への期待

微小流体を操作するウェアラブル材料の開発と応用

マイクロニードル

水滴収集フィルム
外部資金： 中谷医工計測技術振興財団，花王科学奨励賞，
科研費 若手（2019-2020）

開放型流路（open microfluidics）

外部資金： 科研費 若手(B) (2017-2018)

空間充填木（space-filling tree）

超疎水性の表面に、幅に勾配のある超親水性の帯状の部分を作成

モノマーとクロスリンカー
OOOO

世代数 1

世代数 2

世代数 3

帯の狭い方の端に水滴を置く

マイクロニードルの写真
O

O

計算機科学において考案されたフラクタル構造

OOO

Glycidyl methacrylate Trimethylolpropane(GMA)
trimethacrylate (TRIM)OOOOO5 mmO

ラプラス圧の不均衡

Triethylene glycol
dimethacrylate (TEGDMA)

ポロジェン（空孔作成の物質）

幅の広い方向に水滴が輸送

A. Ghosh et al., Lab Chip, 14, 1538 (2014).

https://en.wikipedia.org/wiki/Space-filling_tree繰り返し分岐を有する➡ 空間充填木を用いた「フラクタル開放型流路」
で水滴収集機構を設計し，フィルム上に実装(1) 世代数を増加させると，流路の密度が指数関数的に増大
フィルム表面の水滴が高い確率で流路に取り込まれる

HOOH
nPoly(ethylene glycol)(PEG)(2) 充填する領域および少数の形状パラメータ（焦点P，世代数G、開き角α）
から一意に定まる構造
・コンピュータ（再帰的アルゴリズム）
で形状の自動生成・形状パラメータの網羅的探索が可能

HO

混合して鋳型中で光重合

表面O

2-Methoxyethanol

1 µm

Liu et al., RSC Advances (2016). / 特願2016-055428.

・ 皮膚に浅く刺さるマイクロニードル
・ 連続的細孔（~1 µm）による物質透過性Superhydrophobic

G60.500.25

10秒間噴霧H. Kai* et al., RSC Advances 2018
特願2018-224402
水滴噴霧後の状態様々な形状を作成可能
焦点

パターンした部分

第1世代第2世代

5 mm

第1世代
第2世代

0

マイクロニードル電極
外部資金： 田中貴金属記念財団 2018年度「貴金属に関わる研究助成金」萌芽賞

中央（半径2 mmの円）への水滴収集量Collected volume [μL]

Intake ofwater droplet

・ 現在，高耐久性・生体適合性の新規材料を検討中

G8

Height [mm]中央への輸送・水滴の融合

第1世代 第2世代

G4

Top

Perspective

Transportand merge

G2
写真

超親水性流路への取り込み

500 μm5 mm

世代数変化による水滴収集の変化

表面に噴霧された微小な水滴

表面形状 Side

Superhydrophilic
Waterdroplets

パターン無し（超疎水性）の部分

15

応用展開（計画 or 実行中）

Į = 5°

5 s (5 μL) sprayed
10 s (10 μL) sprayed
15 s (15 μL) sprayed10(1) 皮膚組織液の成分センサ
・グルコース
（基礎検討中）・コルチゾール・各種タンパク質など

50234

5 6 7
世代数

世代数8で，水滴の74%899%が中央に収集

1. Pd核形成
2. 無電解ニッケルめっき
3. 無電解金めっき

材料科学としての今後の展開
・OpenFOAMによる自由表面流解析（volume-of-fluid法）
による，水滴輸送挙動の調査
・フラクタル数学の観点からの理解（AIMR所内における数学者との共同研究）
・マイクロ流路による物質合成のプラットフォームとしての検討(2) ATP応答性「分子糊」
による皮膚がんの検出および選択的薬剤放出（2017-2018年若手連携研究ファンド）

微量の汗を収集する皮膚貼付センサ
デバイス設計（計画）

測定対象の成分（計画）

乳酸センサ電極
汗の液滴

皮膚センサ部への液滴収集

PDMSの微小支柱（gecko tape）（2019COI若手連携研究ファンド 分担者）

・乳酸→ 圧迫性虚血の検出

コンピュータ制御による溶液操作・反応プロセスの自動化を検討中（2019年COI若手デジタルFS）→ ・ マイクロニードル作製の効率向上
・ 将来的には，在宅でも実験ができるようになる

2015-2020年度の成果（at 東北大学）

今後の計画
2020年度

均一性の高い金めっきを形成

・ナトリウム・カリウム・重炭酸イオン→ 運動状態モニタリング

2021年度

2022年度以降

査読付き論文“Organic electrochromic timer for enzymatic skin patches.”
Hiroyuki Kai, Wataru Suda, Shotaro Yoshida, Matsuhiko Nishizawa*
Biosensors and Bioelectronics, 2019, 123, 108-123.

微小流体材料を利用した生体分子測定の実証（in vitro）
・ウェアラブル汗センサ
・小型タンパク分析キット への展開
（2019-2020年度COI若手連携ファンド）
生体適合性の新規
マイクロニードル電極
構築“Fluid-permeable enzymatic lactate sensors for micro-volume specimen.”
Hiroyuki Kai*, Yuto Kato, Ryoma Toyosato, Matsuhiko Nishizawa*
Analyst, 2018, 143, 5545-5551.
“Space-filling open microfluidics designed to collect water droplets.”
Hiroyuki Kai*, Ryoma Toyosato, Matsuhiko Nishizawa*
RSC Advances, 2018, 8, 15985-15990.
“Accelerated wound healing on skin by electrical stimulation with a bioelectric plaster.”Hiroyuki Kai, Takeshi Yamauchi, Yudai Ogawa, Ayaka Tsubota, et al.
Advanced Healthcare Materials, 2017, 6, 1700465.

生体でのマイクロニードルセンサの実証

ポストCOIへの参画 or准教授としてイグジット“An Array of Porous Microneedles for Transdermal Monitoring of Intercellular Swelling.”
Kuniaki Nagamine, Jun Kubota, Hiroyuki Kai, Yoshinobu Ono, Matsuhiko Nishizawa*
Biomedical Microdevices, 2017, 19, 68.

“Intrinsically Stretchable Electrochromic Display by a Composite Film of Poly(3,4ethylenedioxythiophene) and Polyurethane.”
Hiroyuki Kai*, Wataru Suda, Yudai Ogawa, Kuniaki Nagamine, Matsuhiko Nishizawa*
ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9, 19513.
“Porous polymer microneedles with interconnecting microchannels for rapid fluid transport.”
Liming Liu, Hiroyuki Kai*, Kuniaki Nagamine, Yudai Ogawa, Matsuhiko Nishizawa*
RSC Advances, 2016, 6, 48630-48635.

特許出願
特願2018-224402
US16/699316
特願2017-166153
PCT/JP2018/32167
特願2017-044376
特願2016-190946
特願2016-055428

その他
受賞 7件
招待・依頼講演 7件
研究費
COI若手連携研究ファンド 課題代表8件，分担2件
科研費・民間寄附金 代表5件
学内グラント 代表1件，分担5件

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Fukudo S. Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 2013.

Enck P, et al. Nat Rev Dis Primers, 2016.

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Ait-Belgnaoui A, et al. Pain. 2005.
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০৏峘੒৒

Healthy control
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medianmin-max

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30.146

0.124-0.151

0mmHg

20.1310.114-0.148

30.1620.132-0.191

20mmHg20.1290.117-0.140

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