動きながら測定できる高感度 血流量センサ -...
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動きながら測定できる高感度血流量センサ
九州大学 大学院工学研究院機械工学部門システム生命科学専攻
教授 澤田 廉士ＴＥＬ: ０９２－８０２－ ３２４０ＦＡＸ: ０９２－８０２－ ３２４１
e-mail: sawada＠mech.kyushu-u.ａｃ.ｊｐ
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研究背景（１）・生体情報のウェアラブル計測は，健康管理や予防医学，または運転中やスポーツ中の危険防止，老人の独居における健康モニタリング，テレナーシングなど日常のモニタリングどの観点から要望が高い。
・血流量センサは，レーザ光を用いて末梢組織血流量を非侵襲に測定でき，臨床医用の分野において新たな治療指標として注目されている。
・血液の粘度が心血管事故を促進するという考えはかなり確立した概念となっているものの，高血圧やコレステロールなどの一般的なリスク因子と比べ注目されることが尐なく過小評価と言わざるを得ない。
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研究背景（２）
・これまでの血流量センサにはファイバ型が広く用いられ，ファイバの振動や変形の影響によるノイズ，装置全体が非常に大型となる点から，ウェアラブルでなく通常モニタリングすることが大変困難。
・運動、埋め込み、同時複数個所モニタリングによる生体状態との相関関係に関する定量的データが不足。
・血行はマスコミなどで取り上げられることが多いが，動きながらの血行をモニタリング可能な装置がない。
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従来装置（１）
皮膚
レーザ
PD
プローブ
ファイバ
LD駆動回路
増幅回路
A/Dコンバータ
数十cm
数十cm
・光学系を個別光学部品（ He-Neレーザ，パッケージ化されたレーザダイオード（LD），パッケージ化されたフォトダイオード（PD），ファイバ、レンズ、ピンホール等）の組み立て調整（調芯）で製造。
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従来装置（２）
・大型の光学系（光源＋検出部で数十cm），高価（200万円以上）
・消費電力：10 W
・信号処理部サイズ（重量）： 1826cc（2kg 以上）
・販売台数：日本国内で年平均約 230台 （国内品150台），手術室に１台設置
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高効率のMEMSセンサの光学系
DFB-LD
エッチドミラー PD
キャビティ
穴 シリコンマイクロレンズAR (Antireflection)
コート
エッチドミラー
DFB-LD
レーザ光
シリコンレンズを形成した血流センサレーザ光
光学系部（サイズ： 2×2.7×0.9 mm）
本体（バッテリ，ディスプレイ，無線機器含む）
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消費電力 [ｗ]
67ｇ, 0.56W
１０ １ ０．１ ０．０１
１０００
１００
１０
開発した鶏用MEMS血流量センサ
１００００
開発したヒト用携帯可能MEMS血流量センサ
市販血流量計1800ｇ ,10W
重量（ｇ）
26ｇ, 0.024W
MEMS血流量センサのサイズと消費電力
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0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50
時間(分)
Warm-up
指
額
耳
運動前 運動中
血流量（m
l/分）
(a.u
.)運動中における血流量変化
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血流量センサ装着後上肢挙上試験
0 5 10
時間（s）
30252015
血流量（m
l/分）
(a.u
.)
10
0
20
50
3040
7060
挙手前 挙手後
脱水症脱水症
注目ポイント１ 注目ポイント２
上肢挙上試験
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飲酒前後における上肢挙上試験
酒に弱い被験者 酒に強い被験者
飲酒10分後飲酒10分後
飲酒前 飲酒前
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0
10
20
30
40
50
60
70
a.u
.
0
10
20
30
40
50
60
70
a.u
.
10秒
上肢挙上
コントロール群
強皮症群上肢挙上
強皮症患者に対する上肢挙上試験
血流量（m
l/分）
(a.u
.)血流量（m
l/分）
(a.u
.)
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血流
量≪ｍｌ/分）
圧力センサ（歪センサ）
血流量センサ
時 間
圧力
平均血圧
加圧実験結果
加圧式で上肢挙上試験を置き換えることを検討
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0 50 5 0 5
喫煙時における血脈スペクトルの変化
喫煙前 喫煙中 喫煙直後
周波数（Hz) 周波数（Hz) 周波数（Hz)
周波数スペクトル
足裏のつぼに軽く触れたとき
ブルーツースパソコン
血流量センサヘッド
つぼに軽く触れる
神経の影響
東洋医学への応用
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横になった場合，直立と比べ，０．３Ｈｚ付近の周波数スペクトルが大きくなる→リラックスにより副交感神経が活発化
心拍間距離の周波数スペクトル
心拍間距離の周波数
周波数スペクトル
直立仰向け
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自律神経の影響をＭＥＭＳ血流量センサで検出
直立 仰向け
直立 仰向け
被験者
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鶏生体モニタリングへの応用・鶏の健康管理・鳥インフルエンザなどの病気の早期発見
・超小型，軽量・鶏に装着し自然な状態での測定が可能
鶏用 MEMS血流量センサ
0
50
100
12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00
血流量
[a.u
.]
5日間の健常鶏の測定結果
血流量センサにより健常な状態の鶏の周期的な日内変動を観察日内変動に乱れがある場合は，異常（感染，ストレスなど）と判断！
時 刻
感染鶏のむくみ，充血
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牛の発情検知への応用
発情した雌牛の特徴として、外陰部がふくらみ、膣の粘膜は充血
血流増加
ペンギン遊泳時の血流量測定
動物への生体センシングへの応用
遊泳時は血流量大幅減か
センサ本体
センサプローブ
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新技術の特徴・従来技術との比較・光学系サイズを100分の１に小型化
本技術の適用により，光学系に従来個別光学部品を一切使用しない構造により，光学系サイズを100分の１に小型化。
・ウェアラブル性，安定した信号
ファイバの動きがなく，低消費電力，超小型，信号伝送が無線であるため，ウェアラブルで安定した信号を得る。
・高い量産効果
光学系をウエハーレベルパッケージング可能なＭＥＭＳ技術で作製可能，またモールド成形でも作製可能。
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想定される用途
・本技術の特徴を生かすためには，生体（人間，動物）に装着して，運動中における血流量の測定をモニタリング。
・複数個のセンサを装着することにより，動きながらの血圧測定も可能。
・脈波センサとは異なり，１心拍あたりの血流量[ｍｌ（/分・心拍]を求めることができるため，これまでの携帯可能なセンサでは得られなかった心臓負荷量を得ることができる。
・医療分野でのユビキタスサービス化を促進。
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想定される業界
利用者・対象
ＭＥＭＳ製造メーカー，ヘルスケア製造販売関連企業等
市場規模
ＭＥＭＳ製造，光学部品組み立て工場・研究所数：
１～２、導入費用：１億円以下
→数１０億円の市場規模（将来）
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実用化に向けた課題
・現在、光学系のＭＥＭS部分の作製を定常的に行う国内企業が明確でない。
・センサ本体で演算しないで，初段アンプで増幅した信号を計算機に直送した後，計算機で演算することによりセンサの更なる大幅な小型化と低消費電力化を実現。
・今後は，本ＭＥＭS血流量センサを用いて有益な生体情報データの取得を進める。
・究極の小型化の実用化に向け、初段の高ＳＮ比増幅回路（初段アンプＩＣ）の国産化が望ましい。
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企業への期待
・ＭＥＭＳ製造技術を持つ、企業との共同研究を希望。
・また，センサならび無線技術を開発中の企業，生体センシング分野への展開を考えている企業には，本技術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権
発明の名称 ：センサ部及び生体センサ
出願番号 ：PCT/JP2005/020122
出願人 ：九州大学，東京大学
発明者 ：澤田廉士，日暮栄治
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産学連携の経歴
1980年度-2003年 ＮＴＴ研究所勤務
2004年度-2005年度 浜松ホトニクス社と共同研究実施
2006年度-2010年度 パイオニア社と共同研究実施
2005年-2010年 産業技術総合研究所ベンチャ ー
ナノクラフトテクノロジーズ社取締役
2006年-2011年度 JST平成１８年度戦略的創造研究
推進事業ＣＲＥＳＴタイプ
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お問い合わせ先
九州大学知的財産本部
技術移転グループ
ＴＥＬ 092－642 －4361
ＦＡＸ 092－642 －4365
e-mail [email protected]