平成２９年度前橋工科大学

地域活性化研究事業

研究成果報告書（概要版）

１ ． 技 術 開 発 課 題 ・ 29-ｇ 003
２．非侵襲血糖値測定における基礎計測３．研究期間

平成２９年８月１日～

平成３０年３月３１日

４．研究代表者

工学部／システム生体工学科

５．課題提案者

桐生電子開発合同会社

代表教授
木暮野村

保友一也

６．研究成果の概要
下欄には当該研究成果について，その具体的内容、意義、重要性等を、地域課題研究事業計画書に記載した「研究目的」と「研究計画・方法」に照らし、Ａ４で２～３枚程度で、できるだけ分かりやすく記載願います。文章の他に、研究成果を端的に表す図表を貼り付けても構いません。
本学ＨＰにて公表しますので、公表できる内容としてください。

１．はじめに食生活の欧米化に伴い糖尿病予備軍が年々増加しており、糖尿病治療に係る医療費の財政への負担が懸念されている。その医療負担を抑制するために糖尿病マーカである ヘ モ グ ロ ビ ン A1c の 微 量 検 出 に よ る 早 期 診 断 の 研 究 が 進 め ら れ て い る 。 一 方 、 医 療費の観点からは予防の方がより効果的であるため、糖尿病の直接の原因になる血糖値を家庭で無理なくモニターできることが求められてきた。血糖値は食事をした直後から上昇し、数時間で元の値に戻る。しかし、この血糖値が下がりにくい場合には糖尿病である可能性がある。この糖尿病の予防を目的として、食事後に血糖値がどの程度上昇したかあるいは数時間後にどの程度下降したかを家庭で手軽に測定できる健康機器の開発が望まれる。血糖は近赤外光を特異的に吸収することとその光が可視領域よりも生体を透過しやすいことから高血糖状態を無侵襲測定装置の開発が試みられてきた。これは採血の必要もなく衛生的である点は他の計測装置では望めない長所をもって い る 。 研 究 開 発 の 過 程 で （ １ ） 血 糖 値 は 食 事 の 影 響 を 受 け 不 安 定 で あ り 、（ ２ ） 光 計
測結果を血糖値へ変換することへの困難さの２点が問題点として指摘されてきた。これらを改善して身に着けられるほど小さな装置にできれば長時間に渡って連続的に測定できるので正確な血糖値変動をいつでも把握することが可能になると期待される。
２．本提案課題の特長
一般に生体光計測装置では、近赤外光に限らず照射光は生体を通過する際に吸収や散乱により大きく減衰する。また、照射光の強度は、安全上の観点から制限される。
このため、検出光の強度が微弱となり、検出信号はノイズの影響を受け易いという欠点をもつことになる。これを解決して検出光強度の微弱な変化から被験者の血糖値変化を読み取る必要がある。本提案課題では血糖値変化モニターという小型健康機器の1

開発をめざす第一歩として高精度な計測を行うために、照射光強度を特定の周波数で変調し、かつ検出された光信号をロックイン回路で同期計測するロックイン計測法を用いることとした。
３．これまでの成果
本 提 案 課 題 で は 既 存 の フ ァ ン ク シ ョ ン ジ ェ ネ レ ー タ に よ り 10 kHz で 強 度 変 調 さ せ た
光を生体組織に照射し、組織から検出された光を増幅して既存のロックインアンプで計 測 す る 装 置 を 試 作 す る 。 こ れ ま で 既 存 機 器 の 間 に 置 く べ き（ １ ）検 出 回 路 、（ ２ ） 光源回路および（３）生体組織との接点になる投光・受光ファイバ固定具を試作検討してきた。１枚の基板に検出回路と光源回路をまとめて実装した。
（１） 検出回路
オ ぺ ア ン プ で 1 段 目 17.4 倍 、 ２ 段 目 5.7 倍 の 合 計 100 倍 の ２ 段 の 増 幅 回 路 を 設 計 した 。 回 路 シ ミ ュ レ ー タ LTspice に よ り 、 本 提 案 課 題 で 用 い る 10 kHz の 変 調 周 波 数 で 期
待 さ れ た 増 幅 率（ １ 段 目 で 15.4 倍 に ２ 段 目 後 で 102.3 倍 に 増 幅 ）が 計 算 上 実 現 さ れ た 。
回路図にしたがって実装された基板を用いて実際に測定したデータはシミュレーショ
ン と よ く 合 い 、 そ れ ぞ れ 13 倍 、 99 倍 を 得 た 。 実 装 し た 検 出 回 路 は 正 常 動 作 し た 。
（２） 光源回路
検出回路よりも部品点数が多く、チップ化された集積回路を９個用いており、それら の 中 に は 詳 細 を 入 手 で き な い も の も あ る こ と か ら LTspice に よ る 回 路 シ ミ ュ レ ー ショ ン は ま だ で き て い な い 。光 源 回 路 に 接 続 し た 緑 の 発 光 ダ イ オ ー ド は 正 常 に 発 光 し た 。
実 際 に 用 い る レ ー ザ ー ダ イ オ ー ド の 発 光 波 長 は 1310, 1550 nm で あ り 目 に は 見 え な い ためゴーグルや暗幕を使った安全な環境内での作業に留意している。光源回路を使わずに安定化電源から適切な電流を供給してレーザーダイオードを発光させるとセンサー
カ ー ド 上 に 赤 い 点 が 現 れ 、 1310 nm の 発 光 が 確 認 さ れ た 。
（３） 固定具
本提案課題では測定部位として指尖、手掌、耳朶などを想定しているが、完成した計測装置を使って最適な部位を決定していく予定である。いずれの部位においても皮膚表面に照射された光の一部が真皮層に入って組織内で散乱を繰り返しながら、その領域にある間質液内のグルコースに光吸収された情報から血糖値を推定するものである。単純拡散でグルコースは移動することから定常的には血液と間質液のグルコース濃度は等しいと考える。測定に適した投光ファイバと受光ファイバの配置については生体組織の散乱・吸収特性を考慮して検討する必要がある。ここでは１０００万光子を入射させるモンテカルロシミュレーションを行った。まず２次元モデルで一様乱数の発生を確認し、その上でより現実に近い３次元モデルを構築し計算した。用いた皮膚 の 等 価 散 乱 係 数 と 吸 収 係 数 は 1310 nm で µ s ’ = 11 cm -1 , µ a = 0.46 cm -1 、1550 nm で µ s ’ =8.9 cm -1 , µ a = 3.6 cm -1 と し た 。
２次元モデルで組織内に入った光子の軌跡を検討した。１０００万光子一つ一つを追跡することは現実的でないため、ここでは２０光子の軌跡を追跡した。原点付近に2

光 子 が 多 い こ と 、 わ ず か に 1550 nm の 方 が 1310 nm よ り も 深 く ま で 到 達 し て い る ら しいことなどが分かった。設定した等価散乱係数の相違が反映されたことを示唆している。いずれにせよわずか２０光子で一様性を議論するのは不十分なので１０００万光子で検討した。ここでは軌跡のような途中経過は無視して、原点から入射させた光子が組織から、すなわち境界面より上に出てきた座標のヒストグラムを得た。ほぼ正規
分 布 に な っ て お り 一 様 な 散 乱 が 実 現 さ れ て い る こ と が 分 か っ た 。 1550 nm の 方 が 1310
nm よ り も 10000 個 ほ ど ピ ー ク の 光 子 数 が 多 か っ た 。
ここまでは平面としてとらえていた２次元モデルに対して、３次元モデルでは厚さを考慮することによってより現実に近づけた。入射点からの距離を同心円状に光子数を 整 理 し た 。1550 nm の 方 が 1310 nm よ り 原 点 近 傍 の 光 子 数 は 10000 個 ほ ど 光 子 数 が 多かっただけでなく、半値幅もやや広かった。このことは２次元モデルとの相違点であった。モンテカルロシミュレーションはほぼ合理的な結果を与えた。原点からの距離と検出された光子数のヒストグラムでは原点がピークになった。しかし投光ファイバと受光ファイバを完全に一致させることは現実には難しい。受光ファイバの配置につい て 必 要 な 情 報 は 、表 面 付 近 の ご く 浅 い 領 域 で は な く 真 皮 層 の 情 報 を 持 つ 光 子 で あ る 。
この点を詳細に検討する予定である。
モンテカルロシミュレーションの結果をもとにして、二つの固定具を設計した。第一案では光の入射点と検出点と皮膚表面で一致させた。その点で皮膚表面に対して垂直にした投光ファイバと受光ファイバの光軸を交差させて、出射端と受光端に強度上問 題 が な い よ う に 十 分 な 距 離 を 離 し た 。各 フ ァ イ バ の 光 軸 交 差 角 を 1５ 度 間 隔 の ４ 点 で調整でき、各点の穴にファイバを挿入する設計にした。第二案では投光ファイバを傾けて、垂直にした受光ファイバとの距離を４点で調整できる設計にした。３Ｄプリンタで出力する予定であるが、モンテカルロシミュレーションの結果とさらに詳細な比較検討をすすめたい。
４．まとめ
小 型 健 康 機 器 としての血 糖 値 変 化 モニターについて第 一 段 階 の設 計 方 針 を確 立 し、光 源 回 路および検 出 回 路 が完 成 した。さらにファイバ固 定 具 設 計 に用 いるモンテカルロシミュレーションもほぼ完 成 した。

５．展望
光 源 回 路 および検 出 回 路 との一 体 型 基 板 を既 存 のファンクションジェネレータとロックインアンプと接 続 し、グルコース溶 液 の濃 度 に依 存 した出 力 が得 られることを確 認 したい。さらに小 型 化 のための設 計 方 針 を確 立 したい。

謝辞
この報告書に記載された成果は研究室の学部生および大学院生の積極的な協力や努力に支えられたものである。特に困難な課題に挑戦して成果を上げた学部３年飯田達
人君の熱意と忍耐力に敬意を表したい。

3