,.,, 1. LED, 1450nm 1450nm 2mm 2mm LED 1mm 1mm

平成

25

年度 学士論文

国士舘大学理工学部機械工学系

SpO

₂

_{と脈拍モニターに加える}

非侵襲血糖値計測の試み

2014

年

3

月

19

日

指導

岸本 健 教授

10-3A257

松本 康光

摘要

糖尿病患者の急速な増加に伴い, 血糖値測定の重要性が増している. 糖尿病の予 防，治療には血糖値を管理，コントロールする目的で在宅での自己血糖値測定が 必要不可欠となっている．現在血糖値は指先などから微量の血液を採取して, 電気 化学的な手法で測定されている．しかし採血に伴う疼痛やコスト, 血液採取の侵襲 性および 1 日数回が限度といった問題がある．現在は患者の負担を有する侵襲測定 に限定されるため，非侵襲で頻繁な測定が可能な血糖値測定技術が望まれている. 本研究では，水溶液中のグルコースの濃度を測定することが出来れば血液でもグ ルコース濃度を測定できる可能性があることから，近赤外 LED を用いてグルコー ス水溶液の濃度の違いを計測できるセンサの製作にむけた実験を行った．非侵襲 血糖値計測センサを製作するにあたり, 血糖値を計測するために必要な波長を調べ た．そして人の体温変化範囲で吸光度の変化が少ないこと，人の皮膚に透過しやす いこと，ヘモグロビンの吸光スペクトルと離れていることを考慮して 1450nm 波長 を用いることに決めた．そして 1450nm 波長が水にどの程度吸収されるか調べた． その結果からセンサ間距離が 2mm までなら測定できると考え，装置を製作した． 実験を行った結果からセンサ間距離 2mm の場合わずかではあるが，グルコース水 溶液濃度の違いによるフォトダイオードの出力電圧の変化を見ることができた．し かし数値変化が微小だったため，確実性を出すために LED とフォトダイオードの 距離を 1mm に変更して装置を作り直す必要があるとわかった．よってセンサ間距 離を 1mm に近づけて再度実験を行うために装置を修正中である．

目 次

第 1 章 はじめに 1 1.1 研究背景 . . . . 1 1.2 研究目的 . . . . 1 第 2 章 実験装置 2 2.1 センサ選定 . . . . 2 2.2 センサの仕様 . . . . 6 2.3 回路図 . . . . 6 2.3.1 修正前 . . . . 6 2.3.2 修正後 . . . . 7 2.3.3 実態配線図 . . . . 7 2.4 水の吸収波長 . . . . 9 2.5 グルコース測定装置 . . . . 9 第 3 章 フォトダイオードの動作確認 11 3.1 実験方法 . . . 11 3.2 実験結果 . . . 12 第 4 章 本実験 13 4.1 外部からの影響確認 . . . . 13 4.2 実験方法 . . . 14 4.3 実験結果 . . . 14 第 5 章 考察 16 第 6 章 まとめ 17 第 7 章 課題 18 付 録 A グルコースの吸光係数 A-19 付 録 B 水の吸収波長 B-20 付 録 C 水の距離と透過光強度 C-21

付 録 D 部品図 D-22

D.1 LEDセンサケース . . . .D-22

D.2 ケースのフタ . . . .D-23

付 録 E センサの仕様書 E-24

E.1 赤色 LED . . . .E-24

E.2 赤外線 LED1 . . . .E-26

E.3 赤外線 LED2 . . . .E-28

E.4 シリコンフォトダイオード . . . .E-30

第

1

章

はじめに

1.1

研究背景

糖尿病患者の急速な増加に伴い, 血糖値測定の重要性が増している. 糖尿病の予 防，治療のためには，血糖値を管理，コントロールする目的で在宅での自己血糖 値測定が必要不可欠となっている．現在血糖値は指先などから微量の血液を採取 して, 電気化学的な手法で測定されている．しかし採血に伴う疼痛やコスト, 血液 採取の侵襲性および 1 日数回が限度ということなど患者の負担を有する侵襲測定 に限定されるため，非侵襲で頻繁な測定が可能な血糖値測定技術が望まれている.

1.2

研究目的

バイオセンサとして体調管理を常時行うには，脈拍，脈波，SpO2，血糖値を測 定できれば現状では一歩進んだセンサになる．常時データを測定するためには非 侵襲であることが望ましい．従来の血糖値測定器は侵襲型がほとんどであるが，非 侵襲型の測定器が出来れば血液を採取する手間がなくなる．さらに長時間、連続 での血糖値を計測することも可能になる．脈拍，脈波，SpO2はすでに非侵襲で測 定できるものが存在する．そこで非侵襲で血糖値を測定できるセンサを開発する ため，まずはグルコース水溶液の濃度の違いを測定できるセンサを製作する．

第

2

章

実験装置

2.1

センサ選定

血糖値を測定するのに必要なセンサを決めた．血糖値は動脈容積とグルコース 容積の差で求めることができる．ヘモグロビン (Hb) と酸化ヘモグロビン (HbO2) の吸光度が異なるため、脈動する動脈血の部分を発見できる．それを利用して動 脈容積を求めることができる．図 2.1 より Hb は 660nm で吸光度が高いため測定で き，HbO2は 950nm で吸光度が高いため測定できる．血糖値については近赤外線 吸収のピークが 920nm および 988nm にある．しかし赤血球吸光度が 920nm およ び 988nm に接近している．したがってヘモグロビンの変化に影響を受ける．よっ て図 A.1 よりヘモグロビンの変化を受けずに，血糖値を反映する 1450nm を用い ることにする．また図 2.2 と図 2.3 より温度変化によって吸光度のピークが変化す るが，人の体温変化範囲でほぼ同等の吸光度値を示す 1450nm 波長を使用するこ とが妥当と考えた．また図 2.4 より人の皮膚に浸透しやすい波長であることがわか る．以上の条件を考慮して，波長 660nm，950nm および 1450nm の 3 波長の LED を用いたセンサーを開発する．

図

2.2

図 2.3 温度変化によるピークシフト

2.2

センサの仕様

使用する三種類の LED すべてを検出できるフォトダイオードが見つからなかっ たため，二種類のフォトダイオードを組み合わせることにした．使用するフォト ダイオードと LED は次の表 2.1 に示す． 表 2.1 センサの仕様 名称 型番 波長 λ nm 測定物 LED(A) KED351RKD 660 Hb

LED(B) KED501H 950 HbO2

LED(C) KEDE1454H 1450 GUL

PD(a) KPD1201C 400∼1000 Hb,HbO2 PD(b) KPDE030DL 950∼1600 GUL

2.3

回路図

2.3.1

修正前

R01:200 Ω

PD(

a

),

(b

)

LED( A ), (B ), (C) R03:510 Ω R02:10kΩ R04: 10kΩ R05:1MΩ C01:0.1 μF C02:10 μF OP C03:0.47μF R06:46kΩ R07: 10kΩ R08:1MΩ OP 1 2 4 3 8 5 6 7 C04:0.47μF 5V _5V 図 2.5 回路図 1

フォトダイオードの信号を増幅させるためにローノイズ 2 回路入り入出力フルスイ ングオペアンプを組み込んだ．増幅率 A1=R05/R04=100，増幅率 A2=R08/R07=100 にし，全体の増幅率を 100×100=10000 倍とした． 1201Cの場合 OP 増幅前は約 30mV であったが増幅後は約 4∼5V となったため， OPは機能していると分かった．030DL の場合 OP 増幅前は約 10mV であったが増 幅後は約 400∼600mV となったため，OP は機能していると分かった．しかし設定 した増幅率より増幅されないとわかった．また 1201C より増幅されてないことも わかった. 出力電圧は LED を付けない状態で約 30∼60mV あった. そのためコン デンサを装着し約 50mV で安定させた. ノイズが出ていたため図 2.6 の回路に変更 して周波数をカットすることにした.

2.3.2

修正後

R1 PD( a ), (b ) LED( A ), (B ), (C) R3 R2 R4 R5 C1 C2 OP1 C3 R6 OP1 1 2 4 3 8 5 6 7 C4 R7 C6 R8 R9 C5 5V 5V 図 2.6 回路図 2 電源を安定させるためにコンデンサを追加し，ノイズをカットするためにローパ スフィルタも組み込んだ．増幅率 A1=R05/R04=100，増幅率 A2=R09/R08=100 にし，全体の増幅率を 100×100=10000 倍とした．

2.3.3

実態配線図

ブレッドボードではノイズが多いため図 2.7 の実態配線図をユニバーサル基板で 製作した．この基板を用いた実験を行った後に，その結果から抵抗値を変更でき るようにソケットを付けた．またジャンパはノイズの原因になるため使用しない ようにした．

図 2.7 回路図 3 表 2.2 部品表 記号 品名 値・型番 数量 R1 抵抗 200Ω 1/4W 1 R2,R4,R8 抵抗 1kΩ 1/4W 3 R3 抵抗 510Ω 1/4W 1 R5,R9 抵抗 100kΩ 1/4W 2 R6,R7 抵抗 27kΩ 1/4W 2 C1 セラミックコンデンサ 0.1μ F 1 C2,C4 電解コンデンサ 10μ F 50V 2 C3 セラミックコンデンサ 0.47μ F 1 C56 セラミックコンデンサ 8200pF 1 C6 セラミックコンデンサ 3900pF 1

2.4

水の吸収波長

1450nm波長が水の距離によって吸収量がどの程度変化するか求めた．ランベル ト・ベールの法則から透過光強度 I は以下の式 2.1 で求められる． I = I0e−αx (2.1) I . . .透過光強度 [W/m2] I0. . .入射光強度 [W/m2] α . . .吸収係数 [cm−1] x . . .媒質の距離 [cm] 図 B.1 より 1450nm のとき，α = 32.7 である．この値を用いて水の距離と透過光強 度の関係を求め，表 C.1 を作成し，それをグラフにしたものを下の図 2.8 に示す． 今回は透過光強度をフォトダイオードの出力電圧として考えた．またオペアンプ で増幅したあとの値も求めた． 図 2.8 水の距離と透過光強度

2.5

グルコース測定装置

660nmと 950nm を用いて Hb,HbO2を測定する技術は市販品で存在しているた め，この実験では 1450nm を用いてグルコースの変化を測定することに集中する． したがって水溶液中のグルコースの濃度の違いを測定できるセンサを製作し，確 認のために図 2.7 の装置を製作した．先ず今回の実験で使用する LED の波長が水

にどの程度吸収されるか調べた．図 2.8 から LED の波長は水の距離が長くなると ほとんど吸収されてしまうことが分かった．水の距離 2mm が計測限界だと考え， 実験装置の LED とフォトダイオード間の距離を 2mm に決めた．また外部からの 光がなるべく侵入しないようにすることと，グルコース水溶液が漏れないように しなければならない．よってアクリル板を溶剤で溶かして隙間ができないように 接着させて LED センサケースを製作した． フタ LED フォトダイオード ケース 注入口 図 2.9 装置図

第

3

章

フォトダイオードの動作確認

作成した図 2.6 の回路が動作するか確認すること，フォトダイオードが検出範 囲内の波長を検知できるか確認すること，それぞれの波長の出力電圧に違いがあ るのか確認するために実験を行った．その際フォトダイオードが計測対象 LED 以 外の蛍光灯などの光の影響を受けると正しい計測結果が得られない．蛍光灯を消 した薄暗い部屋の中でフォトダイオードの出力を見ても，出力電圧に変化が見ら れなかった．よって蛍光灯を消した部屋で実験を行えば，結果に影響はないと考 えた．そのため暗い部屋で実験を行った．今回はフォトダイオードの検出範囲内 の波長を計測できるか確かめるために LED とフォトダイオードの距離を 1mm に した．

3.1

実験方法

1. ブレッドボードに図 2.6 の回路を組む． 2. オペアンプの出力とグラウンドを AD 変換器を介して PC に接続し，計測プ ログラムを起動する． 3. メモリを見るために下に方眼紙を敷いて，フォトダイオードと LED の距離 を 1mm に固定する． 4. 部屋の電気を消してフォトダイオードの出力電圧を計測する． 5. 同様にして各 LED の時の二種類のフォトダイオードの出力電圧を計測する．

3.2

実験結果

二種類のフォトダイオードで各々の LED の場合の出力電圧を計測した．下の表 3.1にはフォトダイオードの平均出力電圧を示す． 表 3.1 動作確認の実験結果 単位 V

フォトダイオード

LED

種類

ピーク

λ

PD(a)

PD(b)

nm

400

∼1000 950∼1600

LED(A)

660

4.408

0.244

LED(B)

950

4.580

2.816

LED(C)

1450

0.236

1.878

LED

なし

―

0.124

0.230

実験結果より検出範囲内の波長は計測できているため，回路は問題なく動作して いるわかった．出力電圧も LED(B) の時の結果から PD(a) より PD(b) の方が受光 感度がいいことが分かった．また PD(b) の LED(B) と LED(C) の数値を比べると LED(C)の値の方が低いため長い波長は検出しにくいことが分かる．よって PD(b) の回路の増幅率を上げる必要があると考える．

第

4

章

本実験

4.1

外部からの影響確認

装置内のフォトダイオードが外部からの光の影響を受けていると計測結果に誤 差が出るので，影響がないか調べた． 1. 図 2.7 のように装置を組む．そして LED を基盤から外し，フォトダイオード のみをつけた状態にする． 2. ケースにフタをし，部屋の電気を消してフォトダイオードの出力電圧を記録 する． 3. ケースの上側，前側，後側，左側，右側からフォトダイオードの検出範囲内 の 1450nm 波長を当て出力電圧を記録する． 表 4.1 実験結果 単位 V

外部光

出力電圧

LED

なし    

 

0.326

上側 

 

0.326

前側 

 

0.327

後側 

 

0.325

左側 

 

0.326

右側 

 

0.326

実験を行った結果，部屋の電気を消した時とケースの外から 1450nm 波長を当 てた時ではフォトダイオードの出力に変化はなかった．よってケース内は外部か ら影響を受けていないとわかった．

4.2

実験方法

この装置で水やグルコース水溶液に波長をある程度吸収されてもフォトダイオー ドが LED の波長を検出できるか確認する． 1. LEDとフォトダイオードを基盤につけ，ケースにフタをして中身が空気の時 のフォトダイオードの出力電圧を記録する． 2. ケースのフタを外して中に水を入れる．この時ケースの注入口が 2mm しか ないため注射針を用いて水を入れる． 3. フタを閉めてフォトダイオードの出力電圧を記録する． 4. 質量パーセント濃度で 10%，25%砂糖水を作る． 5. 注射器，ケースを実験に用いる濃度の砂糖水で洗う． 6. ケースの中に砂糖水を入れる． 7. フタを閉めてフォトダイオードの出力電圧を記録する．

4.3

実験結果

下の表 4.2 に各々の測定物の時のフォトダイオードの平均出力電圧を示す． 表 4.2 実験結果 その 1 単位 V

測定物

出力電圧

空気      

 

3.307

水 

 

0.289

10%

砂糖水 

 

0.281

25%

砂糖水 

 

0.291

表 4.2 から測定物が空気の場合は増幅された値が出ているとわかる．しかし水 の値を見ると外部からの影響確認実験の時の値より小さいことがわかる．このこ とからフォトダイオードが何も検知していない時と水を測定した時の値が近いこ とがわかる．よってフォトダイオードが 1450nm 波長を測定できていないと考え られる．そこで LED の光の強さを上げればフォトダイオードが光を感じることが できると考えた．これらのことから LED の出力をあげることにした．そのために

流 100mA，順電圧 0.8V とわかる．その値から LED につなげる抵抗 R の限界を式 4.1から求める． R = (Vcc− VF)/IF (4.1) R . . .抵抗値 [Ω] Vcc. . .電源電圧 [V] VF. . .順電圧 [V] IF . . .順電流 [A] 電源電圧 5V，余裕を持たせるために順電流の 8 割で計算すると抵抗値 R=52 Ωと なった．E24 系列で一番近い 56 Ωを用いることに決めた．そして溶質を粉砂糖か らグルコース粉末に変更した．LED とフォトダイオードの距離を変えずに，LED につなぐ抵抗を 200 Ωから 56 Ωに変更して再度実験を行った．その結果を表 4.3 に示す． 表 4.3 実験結果 その 2 単位 V

測定物

出力電圧

空気      

 

4.360

水 

 

0.288

10%

グルコース 

 

0.280

25%

グルコース 

 

0.279

LED

なし 

 

0.194

抵抗値変更前より測定物が空気の時のフォトダイオードの出力電圧が上がった． よって LED の出力が変更前より上がっているとわかる．また測定物が水，10%グ ルコース，25%グルコースの値を比べると微小に変化が見られる．その変化は水 の値と 10%グルコースの値を比べるとわずかだが下がっていることがわかる．同 様に 10%グルコースの値と 25%グルコースの値を比べてもわずかに下がっている ことがわかる．また LED なしの値とそれぞれを比べると，LED なしより大きいこ とがわかる．よって LED の出力を上げると厚さ 2mm の水がセンサの間にあって も 1450nm 波長を測定できるとわかった．

第

5

章

考察

表 4.2 の空気と水の電圧から水に波長を吸収されても 1/10 になるがフォトダイ オードは検知できると考えた．しかしケース外部からの影響確認の時，この基板 から LED をはずしてフォトダイオードの出力電圧を見たところ約 0.3V あった. つ まりこの装置において何も検知していなくても, 約 0.3V の出力があることになる. このことから厚さ 2mm の水が LED とフォトダイオードの間にあっても, 出力電 圧が 1/10 になるがフォトダイオードは検知できるという考え方は間違いであった と考えられる. フォトダイオードが検知するためには LED の出力を最大まで上げ る, 水の厚さを 1mm に下げるなどの修正を行えば検知できる可能性があると考え た. まずは LED の出力を上げることを行った．その結果を示す表 4.3 から水の値 と 10%グルコースの値を比べるとわずかだが下がっている．これはグルコースに よる波長吸収の影響が出ていると考えられる．しかし変化したのは偶然かもしれ ないので複数回実験行い，電圧変化が確実なものであると確かめる必要があると 考える．またフォトダイオードの出力電圧をより大きくするために LED とフォト ダイオードの距離を 1mm に変更する必要があると考える．

第

6

章

まとめ

表 3.1 から今回作成した回路はしっかり動作していることがわかった. また PD(a) より PD(b) の方が受光感度が良く,PD(b) は波長が長いと感度が低くなるとわかっ た. 表 4.2 から製作した装置と回路では 1450nm 波長は水の厚さが 2mm の場合， 増幅回路を通しても LED の波長をフォトダイオードで検知できない. 同様に砂糖 水での出力から，この装置ではグルコース濃度の違いを測定できないとわかった． よってフォトダイオードが間に水があっても LED の波長を検知するためには,LED の出力を上げ, 水の厚さを 1mm に下げれば検知できる可能性があると考えた. そこ でまず LED の出力をあげて再度実験を行った結果，わずかではあるがグルコース 水溶液濃度の違いによるフォトダイオードの出力電圧の変化を見ることができた． しかし数値の変化がわずかなため，確実性を出すために LED とフォトダイオード の距離を 1mm に変更して装置を作り直す必要があるとわかった．

第

7

章

課題

1. 装置を作りなおし，フォトダイオードの出力電圧変化を測定する．

付 録

A

グルコースの吸光係数

(c

m

-1 )

付 録

B

水の吸収波長

付 録

C

水の距離と透過光強度

表 C.1 水の距離と透過光強度 水の距離cm 透過光強度V 透過光強度(増幅後) V 0 1.0000 5.0000 0.01 0.7261 3.6307 0.02 0.5273 2.6365 0.03 0.3829 1.9145 0.04 0.2780 1.3902 0.05 0.2019 1.0095 0.06 0.1466 0.7330 0.07 0.1065 0.5323 0.08 0.0773 0.3865 0.09 0.0561 0.2807 0.10 0.0408 0.2038 0.11 0.0296 0.1480 0.12 0.0215 0.1075 0.13 0.0156 0.0780 0.14 0.0113 0.0567 0.15 0.0082 0.0411 0.16 0.0060 0.0299 0.17 0.0043 0.0217 0.18 0.0032 0.0158 0.19 0.0023 0.0114 0.20 0.0017 0.0083 0.21 0.0012 0.0060 0.22 0.0009 0.0044 0.23 0.0006 0.0032 0.24 0.0005 0.0023 0.25 0.0003 0.0017 0.26 0.0002 0.0012 0.27 0.0002 0.0009 0.28 0.0001 0.0006 0.29 0.0001 0.0005 0.30 0.0001 0.0003

付 録

D

部品図

D.1

LED

センサケース

20.0 Φ4.6 4.0 Φ4.6 3.0 2.0 1 2.0 4.0 3.0 1 0.0 10.0 図 D.1 ケース

D.2

ケースのフタ

20.0 6.0 2.0 3.0 1 2.0 2.0 8.0 図 D.2 フタ

付 録

E

センサの仕様書

E.1

赤色

LED

E.2

赤外線

LED1

E.3

赤外線

LED2

E.4

シリコンフォトダイオード

E.5

InGaAs

フォトダイオード

参 考 文 献

[1] 宮内祐樹ほか, 近赤外レーザー共焦点光学系による非侵襲血糖値計測システム の構築, 第 8 回日本生体医工学会甲信越支部長野地区シンポジウム [2] 渡邉剛, 光学的非侵襲型血糖値計の開発, 私信, (2013-01) [3] 横井与次郎, リニア IC 実用回路マニュアル 第 5 版, ラジオ技術社株式会社, (1977-12)217–223