JP2013167627A - 液体の生化学的機能を測定する装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の生化学的機能を確実に僅かな費用で測定できる液体の生化学的機能を測定する装置を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの磁気弾性毛細管（２）を有し、該磁気弾性毛細管（２）を通して液体（Ｆ）が案内される、液体（Ｆ）の少なくとも１つの生化学的機能を測定するセンサ装置（１）において、その案内される液体（Ｆ）による磁気弾性毛細管（２）の内壁の表面負荷に関係する磁気弾性毛細管（２）の共振周波数（ｆ_R）が、液体（Ｆ）の生化学的機能を測定すべく無接触で読取可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体、特に体液の生化学的機能を測定する装置および方法、具体的には液体の少なくとも１つの生化学的機能を測定するセンサ装置、採血管および液体の少なくとも１つの生化学的機能を測定する方法に関する。

多くの用途において、液体の生化学的機能を測定することが必要である。この種の生化学的機能の一例は血液の血小板機能であり、血小板は心臓疾患および循環器疾患に関与する。血栓閉塞性の血管閉塞は、傷ついた血管からの出血の際に血管を再び閉鎖するのと同じ仕組みで発生する。血小板機能を検出するための種々の測定法が知られている。例えば測定源を有するＰＦＡ−１００（登録商標）システムによる血小板機能分析器では、傷ついた血管の体内状態がシミュレートされる。付加的にＡＤＰ又はエピネフリンで被覆され得る膜が非常に小さい開口を有し、その開口を通して導入血液が高い剪断力により吸い込まれる。その際に血小板が膜に付着し、その開口を閉鎖する。その閉鎖形成は圧力測定によって特徴づけられる。その際に、発生した血小板血栓による膜開口の閉鎖までの時間が血小板機能の尺度として用いられる。生体の血液凝固の仕組みは非常に複雑であり、多数の生化学的反応を含む。従来システム、特に従来の血小板機能分析器の欠点は、複数の異なった生化学的反応の並行測定による多重化ができないか、又は著しい費用をかけないとできないことにある。更に、その血小板機能分析器の場合、採取された血液をピペットで移すことが必要である。これは、当然のことながらかなり面倒であり、しかも熟練者によってしか実施することができない。

本発明の課題は、液体の生化学的機能を確実に僅かな費用で測定することができる液体の少なくとも１つの生化学的機能を測定する装置および方法を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、少なくとも１つの磁気弾性毛細管を有し、該磁気弾性毛細管を通して液体が案内される、液体の少なくとも１つの生化学的機能を測定するセンサ装置であって、その案内される液体による磁気弾性毛細管の内壁の表面負荷に関係する磁気弾性毛細管の共振周波数が、液体の生化学的機能を測定すべく無接触で読取可能であるセンサ装置によって解決される（請求項１）。
このセンサ装置に関する本発明の有利な実施態様は次の通りである。
・磁気弾性毛細管に無接触で機械的振動を励起させる磁化コイルと、磁気弾性毛細管において発生した磁化変化を誘導的に検出する検出コイルとが設けられている（請求項２）。
・磁化コイルと検出コイルとが同軸に巻回され、磁気弾性毛細管が両コイルによって囲まれた面を貫通している（請求項３）。
・磁化コイルおよび検出コイルのコイル平面が直角をなしている（請求項４）。
・検出コイルは、該検出コイルを貫通する磁界が最小となるように構成されるか又は向けられている（請求項５）。
・それぞれ互いに異なる弾性率を有する複数の磁気弾性毛細管が設けられている（請求項６）。
・複数の磁気弾性毛細管が、互いに異なる長さ（Ｌ）および／又は互いに異なる直径を有する（請求項７）。
・複数の磁気弾性毛細管が、前記液体の互いに異なる生化学機能を検出するための互いに異なる付加試薬を有する互いに異なる表面被覆を持つ（請求項８）。
・磁気弾性毛細管の弾性率がバイアス磁化により調整可能である（請求項９）。
・磁気弾性毛細管が、高磁歪定数を有する材料、特に高磁歪ＣｏＦｅ合金、高磁歪アモルファスＣｏＦｅ合金、高磁歪希土類−鉄合金、又は高磁歪Ｇａ−Ｆｅ合金から成る（請求項１０）。
・生化学的機能として、センサ装置によって血液の血小板機能が測定される（請求項１１）。

本発明は、少なくとも１つの磁気弾性毛細管を有し、該磁気弾性毛細管を通して液体が案内される、液体の少なくとも１つの生化学的機能を測定するセンサ装置であって、その案内される液体による磁気弾性毛細管の内壁の表面負荷に関係する磁気弾性毛細管の共振周波数が、液体の生化学的機能を測定すべく無接触で読取可能であるセンサ装置を提供する。

本発明によるセンサ装置の可能な実施形態では、センサ装置が、磁気弾性毛細管に無接触で機械的振動を励起させる送信コイルを有する。

本発明によるセンサ装置の他の可能な実施形態では、センサ装置が、付加的に、磁気弾性毛細管によって発生させられた磁界を、その毛細管の共振周波数を求めるために検出する検出コイルを有する。

本発明によるセンサ装置の可能な実施形態では、送信コイルおよび検出コイルは磁気弾性毛細管の周りに巻回されている。

本発明によるセンサ装置の可能な実施形態では、送信コイルは磁気弾性毛細管の周りに巻回され、検出コイルは送信コイルの周りに巻回されている。

本発明によるセンサ装置の他の可能な実施形態では、それぞれ互いに異なる弾性率を有する複数の磁気弾性毛細管が設けられている。

本発明によるセンサ装置の他の可能な実施形態では、複数の磁気弾性毛細管が互いに異なる長さを有する。

本発明によるセンサ装置の他の可能な実施形態では、複数の磁気弾性毛細管が互いに異なる直径を有する。

本発明によるセンサ装置の他の可能な実施形態では、複数の磁気弾性毛細管が、それぞれ、液体の互いに異なる生化学的機能を検出するための互いに異なる付加試薬を有する互いに異なる表面被覆を持つ。

本発明によるセンサ装置の可能な実施形態では、磁気弾性毛細管が、透明な材料、例えばガラス又は透明プラスチックから成る。

本発明によるセンサ装置の可能な実施形態では、磁気弾性毛細管の弾性率がバイアス磁化により調整可能である。

本発明によるセンサ装置の他の可能な実施形態では、磁気弾性毛細管が高磁歪定数を有する材料から成る。

本発明によるセンサ装置の可能な実施形態では、磁気弾性毛細管が高磁歪ＣｏＦｅ合金から成る。

本発明によるセンサ装置の別の可能な実施形態では、磁気弾性毛細管が高磁歪希土類−鉄合金から成る。

他の可能な実施形態では、センサ装置の磁気弾性毛細管が高磁歪アモルファス合金から成る。

本発明によるセンサ装置の他の可能な実施形態では、生化学的機能として、センサ装置によって血液の血小板機能が測定される。

更に、本発明は、液体の少なくとも１つの生化学的機能を測定するセンサ装置が組み込まれている採血管を提供し、その採血管内に組み込まれたセンサ装置は、少なくとも１つの磁気弾性毛細管を有し、その磁気弾性毛細管を通して液体が案内され、その案内される液体による磁気弾性毛細管の内壁の表面負荷に関係する磁気弾性毛細管の共振周波数が、その液体の生化学的機能を測定すべく無接触で読取可能である。

本発明による採血管の可能な実施形態では、採血管に注射針が取り付けられており、その注射針によって静脈血が生体から採取可能であり、その静脈血が採血管の第１の血液収容室に達する。

組み込まれたセンサ装置を有する本発明による採血管の他の可能な実施形態では、組み込まれたセンサ装置が第１の破裂板又は弁によって第１の血液収容室から隔離されている。

本発明による採血管の他の可能な実施形態では、センサ装置の磁気弾性毛細管を通して貫通案内される血液が採血管の第２の血液収容室内に達し、この第２の血液収容室には負圧が供給可能である。

本発明による採血管の他の可能な実施形態では、センサ装置と第２の血液収容室との間に第２の破裂板又は弁が設けられている。

更に、本発明は、請求項１６に記載の特徴を有する方法に関する。

従って、本発明は、液体を案内する磁気弾性毛細管の共振周波数が液体の生化学的機能を測定すべく無接触で読み取られ、磁気弾性毛細管の共振周波数がその案内される液体による磁気弾性毛細管の内壁の表面負荷に関係する、液体の少なくとも１つの生化学的機能を測定する方法を提供する。

以下において、添付図面を参照して、液体の生化学的機能を測定するための本発明による方法および本発明による装置の実現可能な実施形態を更に詳細に説明する。

図１は液体の生化学的機能を測定するための本発明による方法および本発明による装置の原理的な動作態様の説明図である。 図２は液体の生化学的機能を測定するための本発明によるセンサ装置の実施例を示すブロック図である。

図１から分かるように、本発明によるセンサ装置１では、液体Ｆが磁気弾性毛細管２を通して案内される。液体Ｆは、体液、例えば尿又は静脈血であってよい。磁気弾性毛細管２は曲げ振動子を形成しており、この曲げ振動子の機械的な共振周波数は、その磁気弾性毛細管２の長さＬおよびその毛細管２の直径Ｄに関係する。更に、共振周波数には、なおも弾性特性が材料の弾性率（引張り弾性率、弾性定数又はヤング率）として関係する。弾性率又は弾性係数Ｅは毛細管周辺に関係し、特に毛細管２の内壁に付着もしくはそこに堆積する物質による毛細管２の内壁表面負荷ＯＦＢに関係する。更に、毛細管２つまり曲げ振動子の弾性率Ｅは、貫流する液体Ｆの粘性に関係し得る。更に、毛細管の弾性率Ｅは、毛細管２を構成する材料の磁歪特性を介して、毛細管２の磁化状態に関係する。従って、磁気弾性毛細管２の弾性率は、例えば磁歪材料のバイアス磁化により調整可能である。本発明によるセンサ装置１の可能な実施形態では、磁気弾性毛細管２は高い磁歪定数を有する材料からなる。例えば、磁気弾性毛細管２は高磁歪のＣｏＦｅ合金からなる。他の可能な実施形態では、磁気弾性毛細管２が高磁歪の希土類−鉄合金を有するとよい（例えば、テルフェノール(Terfenol（登録商標）（＝ＴｂＤｙＦｅ））。更に別の可能な実施形態では、磁気弾性毛細管２が高磁歪のＦｅ−Ｇａ合金（ガルフェノール（Garfenol（登録商標））から成る。毛細管２の形成に格別に好適な材料グループは、急速固化法によって融解物からアモルファス状態に急冷される高磁歪アモルファスＣｏＦｅ合金である。まさにアモルファス（ガラス状の）材料においては、大きな弾性率（機械的な硬さ）と、これと同時に高い高磁歪性および容易な磁化性（軟磁性）とによって、磁気機械的な結合係数が、即ち材料の機械的振動と磁気歪を介してその機械的振動に結び付いた材料磁化変化との間の結合が格別に高い。

可能な実施形態では毛細管２の横断面が円形であるとよい。別の実施形態では、他の横断面を有する毛細管、例えば矩形の横断面を有する毛細管も使用できる。

図１において認識できるように、磁気弾性毛細管２の周りに磁化コイル３が巻回されており、その磁化コイル３が磁気弾性毛細管２に無接触で周波数ｆの交流磁界を供給する。毛細管材料の磁気歪を介して伝達されるその交流磁界によって、毛細管２は機械的振動を励起させられる。磁化コイル３の周りに検出コイル４が巻回されており、その検出コイル４は、機械的振動によって磁気弾性毛細管２において生じた磁化変化を誘導的に検出する。その励磁磁界の周波数ｆを特定の周波数範囲ｆ_min＜ｆ_R＜ｆ_maxに同調させるならば、振動振幅が最大になる毛細管２の共振周波数ｆ_Rを決定することができる。図１に示す実施形態では、検出コイル４が磁化コイル３の周りに巻回されている。他の可能な実施形態では、磁化コイル３と検出コイル４とが毛細管２に沿ってずらして設けられている。磁化コイル３および検出コイル４は一緒に信号取出し装置５を構成し、この信号取出し装置５は毛細管２の共振周波数ｆ_Rを評価ユニット６に伝送する。図１に示すように、毛細管２の内壁に表面負荷ＯＦＢが発生する場合には、毛細管２の弾性率Ｅが変化し、従って毛細管２の共振周波数ｆ_Rが変化する。表面負荷ＯＦＢは、貫流する液体Ｆの生化学的反応によって生じさせられる。毛細管２つまり曲げ棒もしくは曲げ振動子は、磁化コイル３による磁界により、無接触で振動を励起させられる。磁気弾性毛細管２の励起させられた振動はパルス終了後に特徴的に減衰し、その際に、検出コイル４によって検出することができる磁界（漂遊磁界）を発生する。周波数変調によって、走査磁界内に配置された全ての毛細管つまり磁気弾性毛細管２の共振周波数ｆ_Rを読み取ることができる。

他の可能な実施形態では、曲げ振動子が磁化コイル３による磁界を介して無接触で振動を励起させられる。毛細管における磁化変化は検出コイル４によって検出され、この検出コイル４は、磁化コイル３の磁界が検出コイルを貫通しないように構成されているか、又は自身で補償するように構成されている。非貫通は、両コイル３，４の平面をほぼ垂直にすることによって実現することができる。補償は、検出コイル４が直列接続されかつ逆方向に巻回された２つのほぼ同一の部分コイルから成ることによって実現することができる。その際に、毛細管２は両部分コイルのうちの一方だけを貫通するのに対して、他方の部分コイルは空気流だけを包囲するのが適切である。

これは次の結果をもたらす。即ち、磁化コイル３によって生じさせられる磁束変化が、そのように構成された検出コイル４の両部分コイルにおいてちょうど相殺されるのに対して、両部分コイルの一方のみを貫通する毛細管２において磁化変化が検出される。

可能な実施形態では、生化学的機能として、センサ装置１によって貫流血液の血小板機能を測定することができる。可能な実施形態では、血小板活性化のために毛細管が（例えばコラーゲンで）被覆されている。代替として、血液検体に可溶性活性剤（例えばＡＤＰ）を添加するとよい。磁気弾性振動子つまり磁気弾性毛細管２としては、高い磁歪定数を有する材料から成り同時に大きな弾性率Ｅを有する毛細管を使用することが好ましい。何故ならば、これらの毛細管は高い磁気機械的な結合係数を有するからである。それによって、減衰信号において比較的大きい時定数を有する高い振動振幅がもたらされる。その共振周波数ｆ_Rの読み取りは、貫流する液体Ｆ、例えば血液の生化学的機能を無接触で測定することを可能にする。毛細管２を貫流する液体Ｆの流速は、磁気弾性毛細管２の両端間の圧力落差ΔＰに関係し、この圧力落差は本発明による方法の可能な実施形態では調整可能である。更に、分析すべき液体Ｆ、例えば血液は、磁気弾性毛細管２の前に配置された培養装置によって、液体Ｆと生化学的反応をする試薬を供給される。それによって、例えば図１に示す表面負荷ＯＦＢが生じ、その表面負荷ＯＦＢは磁気弾性毛細管２の共振周波数ｆ_Rを変化させる。

可能な実施形態では、センサユニットとして互いに異なる長さＬ、直径Ｄおよび表面被覆、例えば血液凝固のための活性剤を有する複数の磁気弾性毛細管２が使用される。可能な実施形態では、毛細管２がキロヘルツ範囲にある共振周波数ｆ_Rを有する。更に、１つの採血管内に複数の毛細管が、もしくは毛細管２のアレイが組み込まれていてよい。

図２は、センサ装置１が第１の液体収容室７と第２の液体収容室８との間に配置された複数の磁気弾性毛細管２−１，２−２，２−３を有する一実施例を示す。この図２に示す実施例では、異なる毛細管が異なる長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３を有し、従って異なる弾性率Ｅを有する。異なる毛細管２の直径Ｄおよび材料も異なっていてよい。図２に示すセンサ装置１は採血管内に組み込まれており、第１の液体収容室７には液体、例えば体液が注射針を介して供給される。第１の液体収容室７と第２の液体収容室８との間に適切な圧力落差を与えることによって、並列配置された毛細管２−１，２−２，２−３を通して第１の液体収容室７から第２の液体収容室８へ液体が流れる。可能な実施形態では、第２の液体収容室８に負圧が加えられ、従って第１の液体収容室７と第２の液体収容室８との間に圧力落差が生じる。異なる信号取出し装置５−ｉによって検出された共振周波数ｆ_Riは、図２に示すように、更なる評価をすべく外部の評価ユニット６に供給するとよい。可能な実施形態において、測定された共振周波数ｆ_Riを評価（解析）するための評価ユニット（解析ユニット）６は、同様に採血管内に組み込むことができる。採血管には注射針が取り付けられ、この注射針を通して静脈血が生体から採取可能であり、採血が採血管の第１の血液収容室７に達する。可能な実施形態では、組み込まれているセンサ装置、即ち並列配置された毛細管２−ｉが破裂板によって第１の液体収容室７から隔離されている。第２の液体収容室８は、毛細管２−ｉを通して貫通案内される血液が外に達することなく収容される廃棄物区画を形成している。第２の液体収容室８と組み込まれたセンサ装置との間には、同様に破裂板が設けられており、これらの破裂板は相応の負圧を加えた際に破裂し、それによって液体Ｆが毛細管２−ｉを通して流れ得る。図２から分かるように、それぞれ異なる弾性率を持ち異なる培養装置もしくは被覆も持つ異なる磁気弾性毛細管２−ｉの並列配置によって、液体Ｆの複数の生化学的機能を同時に検出することができる。並列配置された複数の毛細管２−ｉを有するセンサアレイもしくはセンサパネルを、簡単な方法にて省スペースで１つの装置、特に１つの採血管の中に組み込むことができる。検出された共振周波数ｆ_Riは、データインターフェースを介して無線又は有線で外部の評価ユニット６に伝送することができる。本発明によるセンサ装置１は１つの交換可能なカセット等の中に組み込むこともできる。更に、異なる毛細管２の直径Ｄの変更もしくは変化によって、液体Ｆに、例えば血液凝固の測定に関与する異なる剪断力を作用させることができる。並列に組み込まれた多数の毛細管２−ｉに基づいて、本発明によるセンサ装置１は、いわば、検出すべき液体Ｆの多数の異なる生化学的機能を同時もしくは並列に測定するための多重機能を提供する。その際に、異なる毛細管２は、簡単に僅かな占有スペースで装置内に組み込むことができる。異なる試薬で被覆された異なる毛細管２は、貫流する液体Ｆの種々の生化学的機能の検出を可能にする。更に、直径Ｄの変化によって、検査すべき液体Ｆに異なる剪断力を作用させることができる。送信コイルおよび受信コイルは簡単な方法にて省スペースで毛細管２−ｉの周りに巻回可能であり、それによって１つの装置、例えば１つの採血管の中への組み込みが付加的に容易にされる。被検査液体Ｆは、他の追加測定のための検査を行なった後に、簡単に、本発明によるセンサ装置１が組み込まれた採血管内に貯蔵することができる。

１ センサ装置
２ 磁気弾性毛細管
３ 磁化コイル
４ 検出コイル
５ 信号取出し装置
６ 評価ユニット
７ 液体収容室
８ 液体収容室
Ｄ 直径
Ｆ 液体
Ｌ 長さ
ＯＦＢ 表面負荷
ｆ_R 共振周波数

Claims (17)

1. 少なくとも１つの磁気弾性毛細管（２）を有し、該磁気弾性毛細管（２）を通して液体（Ｆ）が案内される、液体（Ｆ）の少なくとも１つの生化学的機能を測定するセンサ装置（１）であって、
   その案内される液体（Ｆ）による磁気弾性毛細管（２）の内壁の表面負荷に関係する磁気弾性毛細管（２）の共振周波数（ｆ_R）が、液体（Ｆ）の生化学的機能を測定すべく無接触で読取可能である、液体の少なくとも１つの生化学的機能を測定するセンサ装置。
2. 磁気弾性毛細管（２）に無接触で機械的振動を励起させる磁化コイル（３）と、磁気弾性毛細管（２）において発生した磁化変化を誘導的に検出する検出コイル（４）とが設けられている請求項１記載のセンサ装置。
3. 磁化コイル（３）と検出コイル（４）とが同軸に巻回され、磁気弾性毛細管（２）が両コイル（３，４）によって囲まれた面を貫通している請求項１又は２記載のセンサ装置。
4. 磁化コイル（３）および検出コイル（４）のコイル平面が直角をなしている請求項１又は２記載のセンサ装置。
5. 検出コイル（４）は、該検出コイル（４）を貫通する磁界が最小となるように構成されるか又は向けられている請求項１乃至４の１つに記載のセンサ装置。
6. それぞれ異なる弾性率を有する複数の磁気弾性毛細管（２）が設けられている請求項１乃至５の１つに記載のセンサ装置。
7. 複数の磁気弾性毛細管（２）が、異なる長さ（Ｌ）および／又は異なる直径（Ｄ）を有する請求項６記載のセンサ装置。
8. 複数の磁気弾性毛細管（２）が、液体（Ｆ）の異なる生化学機能を検出するための異なる付加試薬を有する異なる表面被覆を持つ請求項６又は７記載のセンサ装置。
9. 磁気弾性毛細管（２）の弾性率がバイアス磁化により調整可能である請求項６記載のセンサ装置。
10. 磁気弾性毛細管（２）が、高磁歪定数を有する材料から成る請求項９記載のセンサ装置。
11. 生化学的機能として、センサ装置（１）によって血液の血小板機能が測定される請求項１乃至１０の１つに記載のセンサ装置。
12. 請求項１乃至１１の１つに記載のセンサ装置（１）が組み込まれている採血管。
13. 採血管に注射針が取り付けられており、その注射針によって静脈血が生体から採取可能であり、その静脈血が採血管の第１の血液収容室に達する請求項１２記載の採血管。
14. 組み込まれているセンサ装置（１）が、第１の破裂板又は弁によって第１の血液収容室（７）から隔離されている請求項１２又は１３記載の採血管。
15. センサ装置（１）の磁気弾性毛細管（２）を貫通案内される血液が採血管の第２の血液収容室（８）に達し、その第２の血液収容室（８）には負圧が供給可能である請求項１２乃至１４の１つに記載の採血管。
16. センサ装置（１）と第２の血液収容室（８）との間に第２の破裂板又は弁が設けられている請求項１５記載の採血管。
17. 液体（Ｆ）を案内する磁気弾性毛細管（２）の共振周波数（ｆ_R）が液体（Ｆ）の生化学的機能を測定するために無接触で読み取られ、磁気弾性毛細管（２）の共振周波数（ｆ_R）がその案内される液体（Ｆ）による磁気弾性毛細管（２）の内壁の表面負荷に関係する、液体の少なくとも１つの生化学的機能を測定する方法。

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