コンタクトレンズにも搭載可能な感度2000倍に改善できる新しい原理の無線回路計測に成功

糖尿病網膜症や敗血症を無線で測るシステム開発へ

発表のポイント

• スマートコンタクトレンズ等にも搭載可能な、新しい原理の回線回路（パリティ時間（PT）対称性共振結合回路（並列接続））を実現した。
• 涙中糖度（0.1-0.6 mM）を無線で計測することに成功し、皮膚を介して血中乳酸を（0.0–4.0 mM）無線で計測することに成功した。
• 本成果は、糖尿病網膜症や敗血症を無線で測るシステムの開発につながると期待される。

概要

早稲田大学大学院情報生産システム研究科の高松 泰輝（たかまつ たいき）助手、三宅 丈雄（みやけ たけお）教授の研究グループは、新しい原理の無線回路（パリティ時間（PT）対称性共振結合回路（並列接続））を開発し、センサ感度が2000倍に改善することを確かめました。本システムは、検出器側に負性抵抗を搭載することで効果を得るため、従来型センサ回路をそのまま利用できる特徴を有しています。本技術によって、これまで計測が困難であった涙中糖度（0.1 – 0.6 mM）の無線計測を実現しました。すなわち、健常者（平均値0.16±0.03 mM, 0.1-0.3 mM）と糖尿病患者（（平均値0.35±0.04 mM, 0.15-0.6 mM）を数値で評価することが可能であり、世界で失明原因第１位の糖尿病網膜症の治療効果や予防に貢献し得るものとして期待されます。さらに、皮膚を介した血中乳酸の計測も本計測システムで実現したため、2.0mM以上で致死率が増加する敗血症のモニタリングへの応用も期待されます。

本研究成果は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構（AMED）、研究成果展開事業大学発新産業創出プログラム（START）大学・エコシステム推進型大学推進型、東電記念財団、カシオ科学振興財団、キヤノン財団の助成によって実施されたものであり、「Advanced Materials Technologies」に4月8日（土）にオンライン版で公開されました。

（１）これまでの研究で分かっていたこと

コンタクトレンズは、屈折異常を矯正して視力を補強するウェアラブルな高度医療機器としての利用が一般的でしたが、近年、これらレンズと電子デバイスを組み合わせた「スマートコンタクトレンズ」の開発が盛んです。その使途用途は、主に①視覚拡張機器、②生体情報計測機器、③疾病治療機器に大別され、これら新市場に向けた材料･デバイス･システム開発が進んでいます（図１）。これまでに、米国やスイス等の新興企業から幾つかのプロトタイプ（スマートコンタクトレンズ）が開発されてきました。しかし実用化が進まない主な要因は、無線システムの設計にあり、この仕様をどうするかによって性能（センサ機能、検出方式および消費電力）と価格（センサレンズ、無線計測器、レンズ素材）が大きく異なるためです。

図１：スマートコンタクトレンズにおける新産業創出

このような背景の中、三宅研究グループは、量子効果を取り入れたパリティ・時間（PT）対称性共振結合回路（Gain-Loss結合回路、並列接続）を新たに開発することで共振結合系の高Q値化^※１を実現し、共振回路型バイオセンサ（化学抵抗器：数百 Ω）における微弱な抵抗変化（数Ω，これまでは計測が困難な信号）を増幅しながら測る無線計測システムを開発しました。例えば、涙に含まれる糖度（グルコース）を計測する場合、計測対象は微弱な信号変化（0.1～0.6 mM）となるため、既存技術（Loss-Loss 結合回路）における読み取りでは、グルコース濃度に伴う共振特性の変化率（感度）を読み取ることが極めて難しいものでした。一方、Gain-Loss 結合回路を用いた場合、結合系のQ値を理想的に高くすることができるため、高感度な無線計測が実現可能です。しかしながら、既存技術の回路系（直接接続）では、センサ側に溶液抵抗を含む高抵抗な糖度センサ（化学抵抗器(R1)：数百 Ω）を直接組み込むことはできず、よって微弱な抵抗変化（r:数Ω）を共振回路特性に反映することは困難でした。

（２）今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

今回、三宅研究グループでは、Gain-Loss結合のセンサ側に2極式バイオセンサ（化学抵抗器）を並列に接続することで、共振回路の振幅変調（AM）を成し遂げました。また、並列接続共振回路におけるパリティ・時間（PT）対称性について理論的な成立を証明し、実験的に結合系Q値の増加（高感度化）、および、微弱な生体信号を無線で計測するに成功しました（図2）。

図２：従来回路および新回路による計測システム

涙に含まれる生化学成分は、夾雑物を多く含むため、一般的に、反応選択性を有する酵素電極が用いられます。しかし、涙中糖度は、濃度が極端に低いため（0～0.5 mM）、得られる信号が微弱です（抵抗値変化が小さい）。既存技術（古典的なLoss-Loss共振結合回路）では、これを無線で測ることは非常に困難であるため、センサの特性を示すのみに留まり、無線で測るまでには至っていないのが現状でした（図2左図：従来法）。そこで、三宅研究グループで開発した繊維型酵素センサを新回路に組み込むことで、無線で高感度に計測することに成功しました（感度：2000 Ω/ 0.1mM、図２右図、図３：提案手法）。その結果、0.05 mM単位の糖度を見分けることが可能となるため（健常者の糖度: 0.05-0.2 mM、糖尿病患者の糖度: 0.15-0.5 mM）、糖尿病患者（現在までに1000万人以上いる）の健康管理に利用できることに加え、国内では失明原因第2位、グローバルでは失明原因第１位の糖尿病網膜症の無線計測が実現できることを実証しました。本システムは、センサ側の抵抗値（R₁）と極性の異なる負性抵抗（-R₂、ただし|R₁ |=|R₂ |）を検出器に設置するのみで良いため、既存のセンサをそのまま利用できことが特徴です。また、センサ側に電源を設置することが不要となるため、使い捨てレンズなどの消耗品センサの単価を抑えることが可能となります。なお、本無線計測システムは、ヒトのみを対象とするものでなく、犬などのペット産業にも応用することができます。

図３：従来法と新手法による糖度の無線計測

さらに、本無線計測の仕組みは、上述した体表計測に加え、体内への応用にも技術的優位性を示します（図4）。一般的に、体内埋め込みデバイスへの無線給電および無線計測を実現する際、皮膚において交流電場のエネルギー吸収が生じるため（誘電損失）、給電効率および計測感度が著しく低下します。実際に、市販のヒト皮膚を用いてエネルギー損失を確認したところ、皮膚によって計測インピーダンスが1/4低下し、さらに、無線計測（血中乳酸濃度）の感度が低下することを確認しました。

図４：皮膚を介した無線計測への応用

一方、PT対称性の仕組みを利用すると、皮膚抵抗を加味した負性抵抗を調整（チューニング）できるため、高いセンサ感度を維持させたまま無線計測が可能となります。

（３）研究の波及効果や社会的影響

今回の研究により、高感度で高利得な無線センサおよび計測システムを構築することに成功しました。ここでは、敗血症（乳酸アシドーシス）のバイオマーカーで知られる血中乳酸を測定対象とし、敗血症が疑われる患者の乳酸濃度（0-4.0 mM）を無線で測れることを確かめました。従って、本技術は、従来技術と比較して高感度・高利得などの技術的優位性を持ち、かつ、体表および体内埋め込みなど目的とする無線計測システム（センサ・リーダ・システム）として、幅広く利用することができます。

（４）今後の課題・研究者からのコメント

今後はこの研究成果の事業化に向け、本計測レンズを用いて医学部眼科の先生と共同で臨床試験に取り組んでいきます。また、本プロジェクトにご興味のある企業からのお問い合わせをお待ちしています。

（５）用語解説

※1 共振結合系の高Q値化
共振回路における共振のピークの鋭さを表す値「Q」（Quality factor）が大きいほど、共振回路の損失が少ない回路を実現できたと言えます。

（６）論文情報

雑誌名：Advanced Materials Technologies
論文名：Wearable, Implantable, Parity-Time Symmetric Bioresonators for Extremely Small Biological Signal Monitoring
執筆者名（所属機関名）：Taiki Takamatsu, Y. Sijie, Takeo Miyake（Waseda University）
掲載日時：2023年4月8日（土）
掲載URL：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202201704
DOI：10.1002/admt.202201704

（７）研究助成

日本医療研究開発機構 官民による若手研究者発掘支援事業（Grant Number JP20he0422009j0001）、研究成果展開事業大学発新産業創出プログラム（START）大学・エコシステム推進型大学推進型、東電記念財団、カシオ科学振興財団、キヤノン財団