JP6687938B2 - 送信回路、生体分子検出装置、検出データ収集方法、検出データ収集システム - Google Patents
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Description
本発明は、送信回路と、生体分子検出装置と、検出データ収集方法と、検出データ収集システムとに関する。
生体の状態の観察や、研究に有用なデータの取得等をするため、生体において生体情報を計測しつつ、得られた検出データを送信する装置が提案されている。特許文献１では、コンタクトレンズの着用者に関するそれぞれの特徴を検出するよう構成された複数のセンサと、検出した特徴を示す情報を、ポータブル高周波装置（以下、ＲＦ装置と呼ぶ）に伝送するように構成された通信用要素と、を具備する回路を備えるコンタクトレンズが記載されている。
しかしながら、特許文献１のコンタクトレンズは、コンタクトレンズの外部にあるＲＦ装置により電源供給されるよう構成されている。そのため、コンタクトレンズは、ＲＦ装置からの電磁波を受信するためのアンテナを備える必要があり、また、電源供給の必要上、ＲＦ装置とコンタクトレンズとの距離に大きな制約を受ける場合があり、日常的な使用に向かない場合があった。
本発明の第１の態様によると、送信回路は、カソードと基板によって囲まれたアノードに備えられた固体触媒による生体分子の分解反応を利用して発電を行う発電部と、前記発電による発電量に基づいて発振周波数が決まる発振部が生成し、低オン・オフ比でパルス列化された信号に基づいてマイクロ波を送信する送信部と、を備える集積回路を備える。
本発明の第２の態様によると、生体分子検出装置は、本発明の第１の態様の送信回路と、生体の一部と接触する接触部と、を備え、前記生体分子は、前記生体が生産する生体分子である。
本発明の第３の態様によると、検出データ収集方法は、受信装置と、生体分子の検出信号を送信する生体分子検出装置とにより検出データを収集する検出データ収集方法であって、前記生体分子検出装置は、発電部と送信部とを備える集積回路を備え、前記発電部が、カソードと基板によって囲まれたアノードに備えられた固体触媒による生体分子の分解反応を利用した発電を行うことと、前記送信部が、前記発電による発電量に基づいて発振周波数が決まる発振部が生成し、低オン・オフ比でパルス列化された信号に基づいてマイクロ波を送信することと、前記受信装置が前記マイクロ波を受信することと、を含む。
本発明の第４の態様によると、検出データ収集システムは、受信装置と、生体分子の検出信号を送信する生体分子検出装置とにより検出データを収集する検出データ収集システムであって、前記生体分子検出装置は、カソードと基板によって囲まれたアノードに備えられた固体触媒による生体分子の分解反応を利用して発電を行う発電部と、前記発電による発電量に基づいて発振周波数が決まる発振部が生成し、低オン・オフ比でパルス列化された信号に基づいてマイクロ波を送信する送信部と、を備える集積回路を備え、前記受信装置は、前記マイクロ波を受信する。
本発明の第２の態様によると、生体分子検出装置は、本発明の第１の態様の送信回路と、生体の一部と接触する接触部と、を備え、前記生体分子は、前記生体が生産する生体分子である。
本発明の第３の態様によると、検出データ収集方法は、受信装置と、生体分子の検出信号を送信する生体分子検出装置とにより検出データを収集する検出データ収集方法であって、前記生体分子検出装置は、発電部と送信部とを備える集積回路を備え、前記発電部が、カソードと基板によって囲まれたアノードに備えられた固体触媒による生体分子の分解反応を利用した発電を行うことと、前記送信部が、前記発電による発電量に基づいて発振周波数が決まる発振部が生成し、低オン・オフ比でパルス列化された信号に基づいてマイクロ波を送信することと、前記受信装置が前記マイクロ波を受信することと、を含む。
本発明の第４の態様によると、検出データ収集システムは、受信装置と、生体分子の検出信号を送信する生体分子検出装置とにより検出データを収集する検出データ収集システムであって、前記生体分子検出装置は、カソードと基板によって囲まれたアノードに備えられた固体触媒による生体分子の分解反応を利用して発電を行う発電部と、前記発電による発電量に基づいて発振周波数が決まる発振部が生成し、低オン・オフ比でパルス列化された信号に基づいてマイクロ波を送信する送信部と、を備える集積回路を備え、前記受信装置は、前記マイクロ波を受信する。
本発明によれば、生体分子をエネルギー源にして、効率よくなおかつ低製造コストで生体分子に関する情報を送信することができる。
以下では、適宜図面を参照しながら、一実施形態の生体分子検出装置について説明する。本実施形態の生体分子検出装置は、コンタクトレンズ型のグルコースセンサであり、装着者の涙液中のグルコース濃度を携帯端末等の外部の装置に送信するものである。涙液中のグルコース濃度と血液中のグルコース濃度（血糖値）とは相関があるので、涙液中のグルコース濃度をモニタすることにより、血糖値をモニタすることができる。
なお、生体分子の分解反応を利用して生体分子検出装置から発信可能な電力が得られれば、酵素反応の基質はグルコースに限定されない。
なお、生体分子の分解反応を利用して生体分子検出装置から発信可能な電力が得られれば、酵素反応の基質はグルコースに限定されない。
図１は、本実施形態の生体分子検出装置１００と、生体分子検出装置１００からの検出データを収集する検出データ収集システム１０および集団検出データ収集システム１との構成を概念的に示した図である。集団検出データ収集システム１は、複数の検出データ収集システム１０と、サーバ５２とを備える。検出データ収集システム１０は、生体分子検出装置１００と、携帯端末５０とを備える。生体分子検出装置１００は、送信回路１１と、レンズ部１２と、レンズ部の裏面に相当する接触面１３とを備える。
送信回路１１は、レンズ部１２の表面に形成された不図示の微小な凹部等に埋め込まれて固定されている。これにより、送信回路１１がレンズ部１２から容易に取り外れないよう支持されるとともに、生体分子検出装置１００の装着者の涙液が（凹部を通って）感知される。レンズ部１２は、送信回路１１を固定する構造を備える他は、生体分子検出装置１００の装着者がレンズ部１２を通して見たときに適当な視力を得ることができれば、その形状、材質等は特に限定されない。接触面１３は、生体分子検出装置１００の装着者の眼球と生体分子検出装置１００とが接触する面であり、接触面１３と装着者の眼球の角膜とのベースカーブが適合すること等によって、生体分子検出装置１００を安定的に保持するものであれば、その形状等は特に限定されない。
送信回路１１は、涙液のグルコース濃度をパルス信号１６の頻度にコード化して携帯端末５０に送信する。図１の例では、パルス列１５ａ、パルス列１５ｂ、パルス列１５ｃは、涙液のグルコース濃度がそれぞれ１２ｍｇ／ｄＬ、２４ｍｇ／ｄＬ、６ｍｇ／ｄＬの場合のパルス列の例である。パルス列１５ａ、１５ｂ、１５ｃを構成するパルスは、マイクロ波を含んで構成される。送信回路１１は、検出可能なグルコース濃度の範囲、または関心のあるグルコース濃度の範囲内で、グルコース濃度に応じてパルス信号１６の頻度が変化するように構成される。図１のように、涙液のグルコース濃度が高い場合は、低い場合と比べて、より高い頻度でパルス信号を送信する。
なお、パルス列１５を構成するパルスは、マイクロ波以外の、ミリ波等の電磁波を含んでもよい。また、涙液のグルコース濃度に応じてパルス信号の頻度が変化するものであれば、パルス列に生体情報をコード化する方法は特に限定されない。さらに、パルス信号の形状や無線送信信号の周波数等に生体情報をコード化してもよい。
なお、パルス列１５を構成するパルスは、マイクロ波以外の、ミリ波等の電磁波を含んでもよい。また、涙液のグルコース濃度に応じてパルス信号の頻度が変化するものであれば、パルス列に生体情報をコード化する方法は特に限定されない。さらに、パルス信号の形状や無線送信信号の周波数等に生体情報をコード化してもよい。
携帯端末５０は、生体分子検出装置１００が送信したパルス状の送信信号を受信する。携帯端末５０は、生体分子検出装置１００の装着者に検出データ等を提示する表示部５１を備える。表示部５１は、液晶モニタ等の表示モニタで構成される。携帯端末５０は、受信した送信信号を少なくとも一時的に保存可能であれば、その構造、機能は特に限定されない。さらに、携帯端末５０は、検出データや検出データを解析するアプリケーションを記憶する不図示の端末記憶部と、該アプリケーションの処理等を行う不図示の端末制御部と、サーバ５２に検出データを送信する不図示の端末送信部とを備える。端末記憶部はフラッシュメモリ等の不揮発性のメモリで構成され、端末制御部はＣＰＵにより構成され、端末送信部は、アンテナと公知の発振回路等により構成される。
サーバ５２は、得られた複数の生体分子検出装置１００のそれぞれの装着者のデータを解析し、解析結果に基づいて適宜携帯端末５０に測定した情報や生活上のアドバイス等を送信する。携帯端末５０の表示部５１は、サーバ５２から送信された生活上のアドバイス等を表示部５１に表示する。
図２は、送信回路１１の機能ブロックを示した図である。送信回路１１は、糖発電部２０と、無線制御部３０と、無線送信部４０とを備える。糖発電部２０での発電で生じた電荷は、無線制御部３０に蓄積され、出力電圧が電源線ＶＤＤとＶＳＳとの間に印加される。電源線ＶＤＤとＶＳＳとの間に印加された電圧により、無線送信部４０が動作する。無線制御部３０は、電源管理回路として動作し、糖発電により電子伝達された電荷を蓄積するための不図示の蓄電用コンデンサを備える。無線制御部３０は、チャージポンプ回路等の昇圧回路を含むことが好ましい。生体分子検出装置１００の装着者の涙液中のグルコースの濃度が低い場合には、糖発電部２０での発電側の電子伝達は遅いため、無線制御部３０への電荷の蓄積速度は遅い。その結果、無線送信部４０の動作頻度は低いので、無線送信部４０から送信されるマイクロ波がパルス出力される頻度は低い。一方、生体分子検出装置１００の装着者の涙液中のグルコースの濃度が高い場合には、糖発電部２０での発電側の電子伝達は速いため、無線制御部３０への電荷の蓄積速度は速い。その結果、無線送信部４０の動作頻度は高いので、無線送信部４０から送信されるマイクロ波がパルス出力される頻度は高い。すなわち、無線送信部４０から送信されるマイクロ波のパルスの出力頻度に、糖発電量、および生体分子検出装置１００の装着者の涙液中のグルコースの濃度がコードされる（パルス間隔変調）。
図３は、電源線ＶＤＤとＶＳＳとの間に印加する電圧をグラフで概念的に示したものである。無線制御部３０は、糖発電の発電量に応じて電源線ＶＤＤおよびＶＳＳに印加する電圧を変化させる。具体的には、無線制御部３０では、糖発電部２０での糖発電により伝達された電荷が蓄積され、ＶＤＤとＶＳＳとの間に印加する電圧が一定以上の電圧（例えば、図中ＶＨ）になると、無線送信部４０のＬＣ回路からマイクロ波による送信信号１６が送信される。マイクロ波が一定時間発振すると、糖発電により無線制御部３０に蓄積された電荷は減少し出力電圧が小さくなる（例えば、図中のＶＬに戻る）ため、無線送信部４０のＬＣ回路における発振は止まる。ＶＤＤとＶＳＳとの間に印加する電圧がＶＬの場合には、ＬＣ回路４２からマイクロ波は発振されないか、または、携帯端末５０が、無線送信部４０のＬＣ回路においてマイクロ波が発振しているとは識別できない程度に弱い。上記の通り、無線制御部３０に電荷が蓄積する速度と糖発電部２０におけるグルコースの濃度との間には正の相関があるため、無線制御部３０において一定以上の出力電圧となるために必要な電荷蓄積時間とグルコースの濃度との間には負の相関がある。従って、マイクロ波のパルスの発振間隔により、グルコース濃度を定量することができる。
図４は、糖発電部２０の物理的構成を例示した図である。本実施形態の糖発電部２０は、ラポポートらの報告（Rapoport BI, Kedzierski JT, Sarpeshkar R (2012) A Glucose Fuel Cell for Implantable Brain-Machine Interfaces. PLoS ONE 7(6): e38436. Doi:10.1371/journal.pone.0038436）において開示された内容に基づく糖発電素子を含んで構成される。糖発電部２０は、アノード２１と、陽イオン選択性透過膜２２と、カソード２３と、基板２４とを備える。本実施形態の糖発電部２０、および送信回路１１は、ＣＭＯＳ集積回路またはその他の集積回路により物理的に構成され、フォトリソグラフィ技術を用いてクリーンルーム内で製造可能である。
本実施形態の糖発電部２０では、アノード２１が備える白金触媒による、以下のグルコース分解反応が起こり、それにより発電が行われる。
アノード２１：C6H12O6+ 2OH− → C6H12O7+ H2O + 2e−
カソード２３：(1/2) O2 + H2O + 2e− → 2OH−
全体：C6H12O6+ (1/2) O2 → C6H12O7
グルコース濃度により、白金触媒が接するグルコースの量が変化するため、糖発電の発電量は、糖発電部２０の接するグルコース濃度に応じて変化する。すなわち、グルコース濃度が高い程、電子伝達効率が高く、発電量も多くなる。また、１分子のグルコースが二酸化炭素と水に分解される過程のそれぞれの分解反応を利用することもできる。
アノード２１：C6H12O6+ 2OH− → C6H12O7+ H2O + 2e−
カソード２３：(1/2) O2 + H2O + 2e− → 2OH−
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グルコース濃度により、白金触媒が接するグルコースの量が変化するため、糖発電の発電量は、糖発電部２０の接するグルコース濃度に応じて変化する。すなわち、グルコース濃度が高い程、電子伝達効率が高く、発電量も多くなる。また、１分子のグルコースが二酸化炭素と水に分解される過程のそれぞれの分解反応を利用することもできる。
アノード２１は、白金と、アルミニウム等の他の金属との合金から、当該他の金属を溶解して表面に凹凸を備えて構成された白金触媒を備えることが好ましい。このような白金触媒では、１分子のグルコースから１７個以上の電子を生成する電子伝達能を得ることができ、グルコース１分子からの発電量を上げることができる。その結果、生体分子検出装置は、より正確にグルコース濃度を定量することができる。
陽イオン選択性透過膜２２は、ナフィオン（登録商標）等のイオン交換膜を用いて構成され、アノード２１とカソード２３との間の短絡的な電子の移動を制限する。カソード２３は、カーボンナノチューブ等の炭素電極等により構成される。上記のグルコース分解反応において酸素を分解するカソード２３と、ＳｉＯ２等により構成される基板２４とがアノード２１を囲んで構成することにより、アノード２１の付近において涙液中の酸素濃度が低くなり、酸素による短絡的な反応が起きにくくなる構成となっている。アノード２１およびカソード２３が接するグルコース濃度と酸素濃度とが最適化されるように、アノード２１およびカソード２３の大きさは適宜調整される。このとき、測定の可能範囲（ダイナミックレンジ）は糖発電素子と送信回路１１が含む回路のインピーダンスによって決定されるため、回路のインピーダンスを考慮して適宜調整する。
図５は、無線送信部４０の回路構成を例示する、送信回路１１の概略図である。無線送信部４０は、コイル４０１と、コンデンサ４０２と、ＭＯＳＦＥＴ４０３とを備えるＬＣ回路４１を含んで構成される。ＬＣ回路４１は、パワーアンプ、またはパワーオシレータ等の増幅回路、発振回路として動作する。無線制御部３０が、一定以上の出力電圧を電源線ＶＤＤおよびＶＳＳに印加すると、ＬＣ回路４１は、一定時間マイクロ波を発振する。ＬＣ回路４１は、近距離無線で汎用されている、２．４ＧＨｚ帯〜数十ＧＨｚ周波数帯のマイクロ波を発振することが好ましい。
なお、ＬＣ回路４１は、携帯端末５０で受信可能なマイクロ波が発振可能であれば、特に回路構成は限定されない。また、ＬＣ回路４１は、コイル４０１のインダクタンスやコンデンサ４０２のキャパシタンスを調節するか、またはその他回路構成を適宜調節し、ミリ波等のマイクロ波以外の位相周波数の電磁波を発振する構成としてもよい。
なお、ＬＣ回路４１は、携帯端末５０で受信可能なマイクロ波が発振可能であれば、特に回路構成は限定されない。また、ＬＣ回路４１は、コイル４０１のインダクタンスやコンデンサ４０２のキャパシタンスを調節するか、またはその他回路構成を適宜調節し、ミリ波等のマイクロ波以外の位相周波数の電磁波を発振する構成としてもよい。
図６は、本実施形態の生体分子検出装置１００を利用して、生体分子検出装置１００の装着者の血糖値の情報を収集する流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１００１において、糖発電部２０は、生体分子検出装置１００であるコンタクトレンズの装着者の涙液中のグルコースを、白金触媒により分解して発電を行う。発電が開始されたら、ステップＳ１００３に進む。ステップＳ１００３において、糖発電の出力電圧が一定の値を超えると、電源線に出力電圧が印加され、ＬＣ回路４１からマイクロ波がパルス出力される。マイクロ波のパルス出力による送信信号１６が出力されたら、ステップＳ１００５に進む。
ステップＳ１００５において、携帯端末５０が、ＬＣ回路４１からのマイクロ波を含む送信信号１６を受信する。送信信号１６を受信したら、ステップＳ１００７に進む。ステップＳ１００７において、携帯端末５０のアプリケーションにおいて送信信号１６のパルス出力頻度を測定し、生体分子検出装置１００の装着者の涙液中のグルコース濃度および血糖値を算出する。血糖値が算出されたら、ステップＳ１００９に進む。なお、血糖値は、携帯端末５０のアプリケーションに保持された、涙液中のグルコース濃度と血糖値との相関のデータに基づいて算出される。
ステップＳ１００９において、携帯端末５０の端末制御部は、ステップＳ１００７において算出した血糖値が緊急的な値か否かを判定する。ここで、血糖値が緊急的な値か否かは、予め携帯端末５０のアプリケーションにおいて設定された基準値に基づいて判断する。基準値は、例えば、一般的な血糖値の高低によるリスクに基づいた値を用いてもよいし、生体分子検出装置１００の装着者のデータに基づいて適宜調節した値を用いてもよい。血糖値が緊急的な値の場合、ステップＳ１００９を肯定判定してステップＳ１０２０に進む。血糖値が緊急的な値でない場合、ステップＳ１００９を否定判定してステップＳ１０１１に進む。ステップＳ１０２０において、携帯端末５０は、血糖値が緊急的な値であることを受けて警報を鳴らし、また、表示部５１に現在の状態を示すメッセージを表示する。これにより、生体分子検出装置１００の装着者が、例えば低血糖で意識障害に陥っていることを、周囲の人間に伝えることができる。
なお、警報の態様は、周囲に注意を喚起したり、血糖の状態を伝えるものであれば、特に限定されない。また、異常血糖値を検出する機能を送信回路１１に組み込むこともできる。
なお、警報の態様は、周囲に注意を喚起したり、血糖の状態を伝えるものであれば、特に限定されない。また、異常血糖値を検出する機能を送信回路１１に組み込むこともできる。
ステップＳ１０１１において、携帯端末５０の端末送信部は、算出した血糖値のデータを、サーバ５２に送信する。血糖値のデータが送信されたら、ステップＳ１０１７に進む。ステップＳ１０１３において、サーバ５２は、生体分子検出装置１００の装着者からのデータを受信し、サーバ５２の記憶装置に保存する。
上述の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）本実施形態の送信回路１１は、固体触媒による生体分子の分解反応を利用して発電を行う糖発電部２０と、糖発電による発電量に基づいた送信信号１６を送信する無線送信部４０と、を備える。これにより、生体分子をエネルギー源として無線信号を送信可能な送信回路を、フォトリソグラフィ技術により安価に量産することができ、このような送信回路は、タンパク質を用いた酵素電極より長寿命である。
（１）本実施形態の送信回路１１は、固体触媒による生体分子の分解反応を利用して発電を行う糖発電部２０と、糖発電による発電量に基づいた送信信号１６を送信する無線送信部４０と、を備える。これにより、生体分子をエネルギー源として無線信号を送信可能な送信回路を、フォトリソグラフィ技術により安価に量産することができ、このような送信回路は、タンパク質を用いた酵素電極より長寿命である。
（２）本実施形態の送信回路１１において、無線送信部４０は、糖発電の発電量に基づいた頻度で送信信号１６を送信する。これにより、糖発電の発電量に関する情報を、送信信号１６にコード化することができる。
（３）本実施形態の送信回路１１において、糖発電の発電量は、涙液中のグルコースの濃度により変化する。これにより、涙液中のグルコースの濃度により、送信信号１６を変化させる構成にすることができる。
（４）本実施形態の送信回路１１において、送信回路１１は、集積回路である。これにより、小型化し、生体に埋め込んだり、コンタクトレンズ等の生体に接する物に設置することができる。
（５）本実施形態の送信回路１１において、送信信号１６は、マイクロ波またはミリ波を含む信号である。これにより、携帯端末等の汎用されている受信装置により好適に受信される。
（６）本実施形態の送信回路１１において、送信回路１１は、糖発電部２０により発電されて得られた電気エネルギーのみにより送信信号１６を送信する。これにより、ＲＦ装置からの信号受信アンテナ等のエネルギーを受け取る機構を省略したよりコンパクトな構成で、自律的に発電し発振する送信回路を構成することができる。
（７）本実施形態の生体分子検出装置１００は、着用者の眼球と接触する接触面１３を備え、その着用者が生産するグルコースの分解反応を利用して発電を行う。これにより、生体分子検出装置１００は、生体の周囲環境からエネルギーを得つつ、接触する生体についての情報を取得し送信することができる。
（８）本実施形態の生体分子検出装置１００は、少なくとも一種類の、生体で生産される糖類であるグルコースを利用して発電を行う。これにより、糖類のエネルギーを利用して効率的に発電することができる。
（９）本実施形態の生体分子検出装置１００において、固体触媒は、白金を含む。これにより、グルコースの分解反応を促進し、一定の発電効率が得られるとともに、フォトリソグラフィ技術により量産化が可能である。
（１０）本実施形態の生体分子検出装置１００は、コンタクトレンズであり、コンタクトレンズの装着者の涙液に含まれるグルコースを利用して発電を行う。これにより、日常的に使用されるコンタクトレンズを利用して、ランセット等を用いることなく非侵襲的に涙液から装着者の情報を取得することができる。
（１１）本実施形態の検出データ収集方法は、携帯端末５０と、涙液中のグルコースの検出信号を送信する生体分子検出装置１００とにより血糖値に関する検出データを収集する検出データ収集方法であって、生体分子検出装置１００が涙液中のグルコースを利用した発電を行うことと、生体分子検出装置１００が糖発電による発電量に基づいた送信信号１６を送信することと、携帯端末５０が送信信号１６を受信することと、を含む。これにより、生体分子による発電量に応じた送信信号１６を収集することができる。
（１２）本実施形態の検出データ収集システム１０は、携帯端末５０と、涙液中のグルコースの検出信号１６を送信する生体分子検出装置１００とにより血糖値に関する検出データを収集する検出データ収集システムであって、生体分子検出装置１００は、涙液中のグルコースを利用して発電を行う発電部と、糖発電による発電量に基づいた送信信号１６を送信する無線送信部４０と、を備え、携帯端末５０は、送信信号１６を受信する。これにより、生体分子による発電量に応じた送信信号１６を収集することができる。
次のような変形も本発明の範囲内であり、上述の実施形態と組み合わせることが可能である。
（変形例１）
上述の実施形態において、生体分子検出装置１００は、コンタクトレンズとして構成したが、生体分子検出装置１００は、生体の口内に固定され、生体の唾液に含まれるグルコース等の糖類の分解反応により発電を行う構成にしてもよい。これにより、コンタクトレンズを着用しない場合でも、唾液を利用して日常的かつ非侵襲的に血糖値に関するデータを得ることができる。
（変形例１）
上述の実施形態において、生体分子検出装置１００は、コンタクトレンズとして構成したが、生体分子検出装置１００は、生体の口内に固定され、生体の唾液に含まれるグルコース等の糖類の分解反応により発電を行う構成にしてもよい。これにより、コンタクトレンズを着用しない場合でも、唾液を利用して日常的かつ非侵襲的に血糖値に関するデータを得ることができる。
図７は、生体の歯に生体分子検出装置１００が固定される点を示す図である。歯６２は、歯茎６１に支持されており、セラミック等で構成される詰め物６３が被せられている。生体分子検出装置１００は、送信回路１１と保護層１４とを含んで構成され、詰め物６３に一部または全部が覆われ固定されている。保護層１４は、送信回路１１を保護しつつ、唾液が送信回路１１に接触可能に構成されている。
なお、生体分子検出装置１００は、日常的に食される糖類の分解反応を利用して発電する構成としてもよい。これにより、食事している時間を検出し、血糖値との関係を算出することができる。
なお、生体分子検出装置１００は、日常的に食される糖類の分解反応を利用して発電する構成としてもよい。これにより、食事している時間を検出し、血糖値との関係を算出することができる。
（変形例２）
また、生体分子検出装置１００は、生体の皮膚と接する腕時計や眼鏡の鼻パッドとして構成し、汗等の生体からの分泌液中に含まれるグルコース等の糖類の分解反応を利用して発電する構成とすることができる。これにより、皮膚から日常的かつ非侵襲的に血糖値に関するデータを得ることができる。
また、生体分子検出装置１００は、生体の皮膚と接する腕時計や眼鏡の鼻パッドとして構成し、汗等の生体からの分泌液中に含まれるグルコース等の糖類の分解反応を利用して発電する構成とすることができる。これにより、皮膚から日常的かつ非侵襲的に血糖値に関するデータを得ることができる。
図８は、生体分子検出装置１００を眼鏡の鼻パッドとして構成した図である。眼鏡７０は、鼻パッド７１と、レンズ７２とを備える。鼻パッド７１は、生体分子検出装置１００として動作し、送信回路１１を備える。鼻パッド７１は、送信回路１１を保護しつつ、生体の汗を送信回路１１に接触可能に構成されている。
（変形例３）
また、生体分子検出装置１００は、生体への埋め込み型の装置として構成することができる。好ましくは、生体分子検出装置１００は、生体の真皮または皮下組織に埋め込まれ、少なくとも一種類の、生体の真皮または皮下組織に含まれる糖類の分解反応を利用して発電する構成にすることができる。これにより、コンタクトレンズや眼鏡等を着用しないときでも、生体分子の情報を送信することができる。
また、生体分子検出装置１００は、生体への埋め込み型の装置として構成することができる。好ましくは、生体分子検出装置１００は、生体の真皮または皮下組織に埋め込まれ、少なくとも一種類の、生体の真皮または皮下組織に含まれる糖類の分解反応を利用して発電する構成にすることができる。これにより、コンタクトレンズや眼鏡等を着用しないときでも、生体分子の情報を送信することができる。
図９は、生体の皮膚の断面図を示した図である。生体の内部構造は、皮膚表面から順に、表皮８１と、真皮８２と、皮下組織８３とを含んで構成される。このうち、真皮８２および皮下組織８３は、血管が通っており、間質液中のグルコース濃度は、血糖値と相関することが知られている。図１２中では、真皮８２の内部に保護層１４に覆われた送信回路１１が埋め込まれている。保護層１４と送信回路１１とが、生体分子検出装置１００を構成する。保護層１４は、送信回路１１を保護しつつ、間質液等の真皮８２に存在する液体成分を送信回路１１に接触可能に構成されている。
なお、本変形例において、生体分子検出装置１００は、不図示の細胞外電位記録電極を備え、筋電位や皮膚の感覚神経の電気信号を計測する構成としてもよい。これにより、神経活動の変化に関する情報を送信する構成とすることができる。
なお、本変形例において、生体分子検出装置１００は、不図示の細胞外電位記録電極を備え、筋電位や皮膚の感覚神経の電気信号を計測する構成としてもよい。これにより、神経活動の変化に関する情報を送信する構成とすることができる。
（変形例４）
上述の実施形態においては、無線制御部３０が、無線送信部４０の電源線ＶＤＤおよびＶＳＳに出力電圧を印加することにより、ＬＣ回路４１からの送信信号１６を制御する構成とした。しかし、無線制御部３０からの制御信号３４により、送信信号１６のパルス頻度を制御する構成としてもよい。
上述の実施形態においては、無線制御部３０が、無線送信部４０の電源線ＶＤＤおよびＶＳＳに出力電圧を印加することにより、ＬＣ回路４１からの送信信号１６を制御する構成とした。しかし、無線制御部３０からの制御信号３４により、送信信号１６のパルス頻度を制御する構成としてもよい。
図１０は、本変形例の送信回路１１の機能ブロックを示した図である。糖発電部２０での発電で生じた電圧は、電源線ＶＤＤとＶＳＳとの間に印加される。電源線ＶＤＤとＶＳＳとにより、無線制御部３０および無線送信部４０が動作する。無線制御部３０は、無線送信部４０がオン状態か、またはオフ状態かを制御する制御信号３４を無線送信部４０の制御端子に出力する。無線送信部４０は、オン状態にマイクロ波を発振し、オフ状態には、マイクロ波を発振しないか、オン状態とは識別可能な微弱なマイクロ波を発振する。
図１１は、無線送信部４０からの送信信号１６が発振するタイミングを説明するための概念図である。無線制御部３０は、糖発電の発電量に応じて制御信号３４のパルスの出力頻度を変化させる。言い換えると、無線制御部３０は、糖発電の発電量に応じて制御信号３４のパルスの出力間隔Δｔ１を変化させる。図１１下部には、送信信号１６を、マイクロ波の波形の包絡線を模した形式で概念的に示した。無線送信部４０は、制御信号３４の電圧のＶＬからＶＨの立ち上がりをトリガーとして、一定時間（Δｔ２）マイクロ波を発振する。
図１２は、本変形例の無線制御部３０の機能ブロックの構成を例示した図である。無線制御部３０は、リング発振部３１と、パルス生成部３２とを備える。リング発振部３１で生成された信号が、パルス生成部３２に出力される。パルス生成部３２から無線送信部４０に制御信号３４が出力される。
図１３は、リング発振部３１の主要な回路を示す図である。リング発振部３１は、奇数個のＮＯＴゲート３０１を含んで構成される。各ＮＯＴゲート３０１を構成するインバータ素子は、糖発電部２０の出力電圧を電源電圧として動作する。リング発振部３１は、一定の時間間隔で、その時の糖発電による出力電圧に基づいた周波数で発振する。インバータ素子は、電源電圧が高ければ高い程高速に動作するため、糖発電量が大きい、つまり糖発電部２０が接するグルコース濃度が高ければ、一定の時間間隔で検出される糖発電部２０からの出力電圧が高くなるため、リング発振部３１の出力信号の発振周波数は高くなる。リング発振部３１の出力信号はパルス生成器３２に出力される。
なお、糖発電部２０の出力電圧に基づいた発振周波数で発振可能であれば、リング発振部３１の構成は特に限定されない。
なお、糖発電部２０の出力電圧に基づいた発振周波数で発振可能であれば、リング発振部３１の構成は特に限定されない。
図１４は、パルス生成部３２の主要な回路を示す図である。パルス生成部３２は、複数のＮＯＴゲート３０１と、ＡＮＤゲート３０２とを含んで構成される。パルス生成部３２は、ＮＯＴゲート３０１から出力され、ＡＮＤゲート３０２に入力される信号に対する、ＮＯＴゲート３０１を通過せずにＡＮＤゲート３０２に入力される信号に対する遅延時間を利用して、低オン・オフ比のパルス列を生成する。生成されたパルス列は、制御信号３４として無線送信部４０に出力される。低オン・オフ比のパルス列により、送信回路１１での消費電力量を節約でき、糖発電からの出力電圧のみを電気エネルギーとした信号の送信が実現される。
なお、送信回路１１の消費電力を節約することができれば、パルス生成部３２の具体的な構成は特に限定されない。
なお、送信回路１１の消費電力を節約することができれば、パルス生成部３２の具体的な構成は特に限定されない。
図１５は、本変形例の無線送信部４０の回路構成を例示する、送信回路１１の概略図である。無線送信部４０は、コイル４０１と、コンデンサ４０２と、ＭＯＳＦＥＴ４０３とを備えるＬＣ回路４２を含んで構成される。制御信号３４は、ＬＣ回路４２の制御端子４０４に入力される。ＬＣ回路４２は、単安定のクロスカップル回路として動作し、制御信号３４の立ち上がりに応じて一定時間マイクロ波を発振する。
なお、ＬＣ回路４２は、携帯端末５０で受信可能なマイクロ波が発振可能であれば、特に回路構成は限定されない。また、マイクロ波以外の位相周波数の電磁波を発振する構成としてもよい。
なお、ＬＣ回路４２は、携帯端末５０で受信可能なマイクロ波が発振可能であれば、特に回路構成は限定されない。また、マイクロ波以外の位相周波数の電磁波を発振する構成としてもよい。
図１６は、本変形例の生体分子検出装置１００を利用して、生体分子検出装置１００の装着者の血糖値の情報を収集する流れを示すフローチャートである。なお、ステップＳ２００９からステップＳ２０１７まで、およびステップＳ２０２０は、電源線ＶＤＤの電圧を直接調節する上述の実施形態のフローチャート（図６）のステップＳ１００５からステップＳ１０１３まで、およびステップＳ１０２０と同様なので、説明を省略する。
ステップＳ２００１において、糖発電部２０は、生体分子検出装置１００であるコンタクトレンズの装着者の涙液中のグルコースを、白金触媒により分解して発電を行う。発電が開始されたら、ステップＳ２００３に進む。ステップＳ２００３において、一定時間ごとに、その時の糖発電の出力電圧に基づいた周波数でリング発振器３１が発振信号をパルス生成器３２に出力する。リング発振器３１から発振信号が出力されたら、ステップＳ２００５に進む。
ステップＳ２００５において、パルス生成器３２がリング発振器３１からの発振信号を低オン・オフ比の信号になるよう切り分けて、制御信号３４を生成し、ＬＣ回路４２に出力する。制御信号３４が出力されたら、ステップＳ２００７に進む。ステップＳ２００７において、ＬＣ回路４２は、制御信号３４のそれぞれのパルスに合わせた所定のタイミングでマイクロ波を発振する。マイクロ波が発振されたら、ステップＳ２００９に進む。
本変形例の送信回路１１の構成によっても、上述の実施形態と同様に、糖発電部２０を電源として、生体分子の情報をコードした情報を送信することができる。また、制御信号３４とＬＣ回路４２の構成を適宜調節することにより、様々な形式で情報をパルス列にコードし送信することができる。
本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
１…集団検出データ収集システム、１０…検出データ収集システム、１１…送信回路、１２…レンズ部、１３…接触面、１６…送信信号、２０…糖発電部、２１…アノード、２３…カソード、３０…無線制御部、３４…制御信号、４０…無線送信部、４１、４２…ＬＣ回路、５０…携帯端末、５２…サーバ。
Claims (12)
- カソードと基板によって囲まれたアノードに備えられた固体触媒による生体分子の分解反応を利用して発電を行う発電部と、
前記発電による発電量に基づいて発振周波数が決まる発振部が生成し、低オン・オフ比でパルス列化された信号に基づいてマイクロ波を送信する送信部と、を備える集積回路を備える送信回路。 - 請求項１に記載の送信回路において、
前記発電量は、前記生体分子の濃度により変化する送信回路。 - 請求項１または２に記載の送信回路において、
前記送信回路は、前記発電部により発電されて得られた電気エネルギーのみにより前記マイクロ波を送信する送信回路。 - 請求項１から３までのいずれか一項に記載の送信回路を備える生体分子検出装置であって、
前記生体分子検出装置は、生体の一部と接触する接触部を備え、
前記生体分子は、前記生体が生産する生体分子である生体分子検出装置。 - 請求項４に記載の生体分子検出装置において、
前記生体分子は、少なくとも一種類の、前記生体で生産される糖類である生体分子検出装置。 - 請求項５に記載の生体分子検出装置において、
前記固体触媒は、白金を含む生体分子検出装置。 - 請求項５または６に記載の生体分子検出装置において、
前記生体分子検出装置は、コンタクトレンズであり、
前記糖類は、前記コンタクトレンズの装着者の涙液に含まれる糖類である生体分子検出装置。 - 請求項５または６に記載の生体分子検出装置において、
前記生体分子は、少なくとも一種類の、前記生体の真皮または皮下組織に含まれる糖類である生体分子検出装置。 - 請求項５または６に記載の生体分子検出装置において、
前記生体分子検出装置は、前記生体の内部への埋め込み型装置である生体分子検出装置。 - 請求項５または６に記載の生体分子検出装置において、
前記生体分子検出装置は、前記生体の口内に固定され、
前記糖類は、前記生体の唾液に含まれる糖類である生体分子検出装置。 - 受信装置と、生体分子の検出信号を送信する生体分子検出装置とにより検出データを収集する検出データ収集方法であって、
前記生体分子検出装置は、発電部と送信部とを備える集積回路を備え、
前記発電部が、カソードと基板によって囲まれたアノードに備えられた固体触媒による生体分子の分解反応を利用した発電を行うことと、
前記送信部が、前記発電による発電量に基づいて発振周波数が決まる発振部が生成し、低オン・オフ比でパルス列化された信号に基づいてマイクロ波を送信することと、
前記受信装置が前記マイクロ波を受信することと、
を含む検出データ収集方法。 - 受信装置と、生体分子の検出信号を送信する生体分子検出装置とにより検出データを収集する検出データ収集システムであって、
前記生体分子検出装置は、
カソードと基板によって囲まれたアノードに備えられた固体触媒による生体分子の分解反応を利用して発電を行う発電部と、
前記発電による発電量に基づいて発振周波数が決まる発振部が生成し、低オン・オフ比でパルス列化された信号に基づいてマイクロ波を送信する送信部と、を備える集積回路を備え、
前記受信装置は、前記マイクロ波を受信する検出データ収集システム。
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