JP2014235168A - 時分割多重位相検波方式の手持ち式試験測定器 - Google Patents
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Abstract
【課題】分析試験ストリップと共に用いられるポータブル試験測定器は、マイクロコントローラブロック、及び位相シフト測定ブロック算出された位相シフトに基づいて液状試料のヘマトクリット値を提供する。【解決手段】測定ブロックは、励起電圧信号を供給する信号発生サブブロック、分析試験ストリップTSを受支し、試験ストリップTSに電圧励起信号を印加して合成電流信号を供給することが可能なインターフェースサブブロック、合成電流信号を受け取り、合成電圧信号を供給するトランスインピーダンス変換サブブロック、及び合成電圧信号及び基準信号に応動する位相検波器、を含む。マイクロコントローラブロックは、同相成分及び直交成分を測定し、受支された分析試験ストリップ中の液状試料に対応する位相シフトを測定し、位相シフトに基づいて液状試料のヘマトクリット値を計算するよう更に構成されている。【選択図】図1
Description
本発明は、広くは、医療デバイスに関し、具体的には、試験計測器及び関連方法に関する。
液状試料中の分析物の定量(例えば、検出又は濃度測定)は、医療分野において特に関心が持たれる。例えば、尿、血液、血漿又は間質液のような体液試料中のブドウ糖、ケトン体、コレステロール、リポタンパク質、トリグリセリド、アセトアミノフェン又はHbA1c濃度を定量することは望ましいことであり得る。そのような定量は、手持ち式試験計測器を分析試験ストリップ(例えば、試験ストリップ)と組み合わせて使用して達成することがきる。
手持ち式及びその他のポータブル試験測定器、例えば、血糖を測定するための機器は、一日を通して繰り返し使用することを意図している。従って、このような測定器は、ユーザーが携帯する際に負担であると感じないように、小形及び軽量であることが望ましい。手持ち式の試験測定器は、一般に可搬性のためにバッテリー電源で動作し、それ故、このような測定器は電池寿命が長いことが望まれる。試験測定器は、病状に関係する治療上の決定を下すために使用されるので、それらの測定器による測定はできるだけ高い精度と精密度で行われることが望ましい。
本発明の種々の新規な特徴は、本願の特許請求の範囲に詳細に記載する。本発明の特徴及び長所については、本発明の原理を利用する具体的実施形態を記載した以下の発明を実施するための形態、及び同様の構成要素は同様の符号によって指示される添付図面を参照することによってよりよく理解されると思われる。
本発明の一実施形態による手持ち式試験測定器の概略図である。
図1の手持ち式試験測定器の様々な構成部分を示す概略ブロック図である。
本発明による実施形態で使用することが可能である位相シフト測定ブロック及び関連構成部分の概略ブロック図である。
本発明の実施形態で使用することが可能であるデュアルローパスフィルタサブブロックの注釈付き概略ブロック図である。
本発明の実施形態で使用することが可能であるトランスインピーダンス増幅器(TIA)を含むトランスインピーダンス変換サブブロックの注釈付き概略ブロック図である。
本発明の実施形態の位相シフト測定ブロックで使用することが可能であるデュアルローパスフィルタサブブロック、較正負荷サブブロック、分析試験ストリップ試料セルインターフェースサブブロック、トランスインピーダンス変換サブブロック、XOR位相検波器及び直角位相DEMUX位相検波器を示す注釈付き概略ブロック図である。
本発明の実施形態の位相シフト測定ブロックで使用することが可能であるデュアルローパスフィルタサブブロック、較正負荷サブブロック、分析試験ストリップ試料セルインターフェースサブブロック、トランスインピーダンス変換サブブロック、XOR位相検波器及び直角位相DEMUX位相検波器を示す注釈付き概略ブロック図である。
本発明の実施形態の位相シフト測定ブロックで使用することが可能であるデュアルローパスフィルタサブブロック、較正負荷サブブロック、分析試験ストリップ試料セルインターフェースサブブロック、トランスインピーダンス変換サブブロック、XOR位相検波器及び直角位相DEMUX位相検波器を示す注釈付き概略ブロック図である。
本発明の様々な実施形態による手持ち式試験測定器の使用方法のステップを示すフローチャートである。
本発明の様々な実施形態による手持ち式試験測定器の使用方法のステップを示すフローチャートである。
本発明の様々な実施形態による手持ち式試験測定器の使用方法のステップを示すフローチャートである。
本発明による実施形態で使用することが可能である同期復調方式のデータフローチャートである。
以下の詳細な説明は、図面を参照しつつ読まれるべきもので、異なる図面中、同様の要素は同様の符号にて示してある。図面は、必ずしも実寸ではなく、あくまで説明を目的とした例示的な実施形態を図示したものであり、本発明の範囲を限定することを目的とするものではない。詳細な説明は、本発明の原理を限定するものではなく、あくまでも例として説明するものである。この説明文は、当業者による発明の製造及び使用を明確に可能ならしめるものであり、出願時における発明を実施するための最良の形態と考えられるものを含む、発明の複数の実施形態、適応例、変形例、代替例及び使用例を述べるものである。本明細書で任意の数値や数値の範囲について用いる「約」又は「およそ」という用語は、構成要素の部分又は構成要素の集合が、本明細書で述べるその所望の目的に沿って機能することを可能とするような適当な寸法の許容範囲を示すものである。
一般に、本発明の実施形態による体液試料(すなわち、全血試料)の分析物(ブドウ糖のような)の定量において、分析試験ストリップと共に用いられる手持ち式試験測定器のようなポータブル試験測定器は、筐体、筐体内に配設されるマイクロコントローラブロック、及び位相シフト測定ブロック(更に位相シフト測定回路とも呼ばれる)を含む。
このような手持ち式試験測定器において、位相シフト測定ブロックは、励起電圧信号を発生するよう構成された信号発生サブブロックを含む。また、位相シフト測定ブロックは、例えば、分析試験ストリップ中の試料セル(本願では「分析物室」とも称する)とのインターフェース接続のためのインターフェースサブブロックを含む。インターフェースブロックは、分析試験ストリップを受支するよう構成されており、受支された分析試験ストリップに電圧励起信号を印加して合成電流信号を発生させるように、電気的に信号発生部に接続されているまた、位相シフト測定ブロックは、合成電流信号を受け取って合成電圧信号を発生するトランスインピーダンス変換サブブロックを含む。また、位相シフト測定ブロックは、合成電圧信号及び基準信号に応動する位相検波器を含む。
加えて、マイクロコントローラブロックは、0°基準信号及び90°基準信号を基準信号として位相検波器に連続的に供給し(どちらの順序でも)、例えば、手持ち式試験測定器に挿入された分析試験ストリップの試料セルにおけるように、インターフェース部に受支された分析試験ストリップ中の液状試料に相当する位相シフトを測定するよう構成されている。位相シフト測定ブロックは、0°位相基準信号及び90°位相基準信号に対応する同相成分及び直交成分を連続的に供給し、マイクロコントローラブロックは、それらの同相成分及び直行成分を用いて位相シフトを算出する。種々の実施形態において、液状試料は全血試料であり、マイクロコントローラブロックは、算出された位相シフトに基づいて液状試料のヘマトクリット値を計算するよう更に構成されている。
本発明の実施形態による手持ち式試験測定器は、より簡単なハードウェア構成を用いて、全血試料における分析物(ブドウ糖又はヘマトクリット測定のような)の測定精度が改善されるという点で有益である。様々な実施形態において、全血試料のヘマトクリットを測定した後、このヘマトクリット測定値を分析物定量(例えば、ブドウ糖定量)時に使用することができる。
様々な実施形態によって解決される1つの課題は、連続的に0°及び90°基準信号を供給することにより、液状試料の相を正確に測定するというものである。様々な実施形態においては、これらの基準信号を使用し、単一の位相検出器を用いて合成電圧信号の同相成分及び直交成分を連続的に測定する。これとは異なり、従来の一部の試験測定器は、2つ以上の位相検出器を使用する。そのような従来の測定器は有用であり得るが、同じ位相検出器で両方の信号成分を測定すると、複数の位相検出器間の電気的不整合により発生し得る誤差をなくすことが可能である。また、単一の位相検出器の使用は、複数の位相検出器を使用する従来の一部の試験測定器と比較して、試験測定器中の電子回路パッケージの物理的大きさ及び重量を低減することが可能である。また、位相検出器の単一使用は、電子部品の電力消費量を低減して、電池寿命を改善することにつながる。本発明は、これらの課題を解決することに限定されるものではない。
いったん当業者が本開示を鑑定すれば、当業者は、本発明による手持ち式試験計測器として容易に修正することができる手持ち式試験計測器の例が、LifeScan Inc.(Milpitas,California)から市販されているOneTouch(登録商標)Ultra(登録商標)2グルコース計測器であるということを認識するであろう。修正することができる手持ち式試験測定器の更なる例として、米国特許出願公開公報第2007/0084734号(2007年4月19日公開)及び同第2007/0087397号(2007年4月19日公開)、及び国際出願公開公報第2010/049669号(2010年5月6日公開)に記載されている技術があり、これらの公報はそれぞれ参照によってその全体を本願に援用する。
図1は、本発明の一実施形態による手持ち式試験測定器100の概略図である。図2は、図1の手持ち式試験測定器100の様々な構成部分を示す概略ブロック図である。図3は、手持ち式試験測定器100の位相シフト測定ブロック及び関連構成部分の概略統合ブロック図である。図4は、手持ち式試験測定器100のデュアルローパスフィルタサブブロックの注釈付き概略ブロック図である。図5は、手持ち式試験測定器100のトランスインピーダンス変換サブブロックの注釈付き概略ブロック図である。図6A〜6Cは、手持ち式試験測定器100の位相シフト測定ブロックの各部の注釈付き概略ブロック図である。
図1〜6Cを参照して、手持ち式試験測定器100は、ディスプレイ102、複数のユーザーインターフェースボタン104、ストリップポートコネクタ106、USBインターフェース108、及び筐体110を含む(図1参照)。特に図2を参照して、手持ち式試験測定器100はまた、マイクロコントローラ(「μC」)ブロック112、位相シフト測定ブロック114、ディスプレイ制御ブロック116、メモリブロック118及び分析試験ストリップ(図1に記号TSで示す)に試験電圧を印加するため、及び更に電気化学的応答(例えば、複数の試験電流値)の測定及び電気化学的応答に基づいて分析物を定量するためのその他の電子部品(図示省略)を含む。記載を簡略化するために、図面には、そのような電子回路のすべては図示されていない。
ディスプレイ102は、例えば、画像を表示するように構成された液晶ディスプレイ又は双安定したディスプレイを用いることができる。画像の例としては、ブドウ糖濃度、日付及び時間、エラーメッセージ、及び試験を行なう方法をエンドユーザーに教示するためのユーザーインターフェースを含めることができる。
ストリップポートコネクタ106は、全血試料中のブドウ糖定量のために構成された電気化学系分析試験ストリップのような分析試験ストリップTSと作用関係をもってインターフェース接続するよう構成されている。従って、分析試験ストリップは、ストリップポートコネクタ106に作用関係下に挿入されるよう、及び例えば、適切な電気接点を介して位相シフト測定ブロック114と作用関係をもってインターフェース接続するよう構成されている。
USBインターフェース108は、当業者にとって既知である任意の適切なインターフェースを用いることができる。USBインターフェース108は、手持ち式試験測定器100に電源を供給し、これにデータ回線を設けるように構成されている。
分析試験ストリップを手持ち式試験測定器100とインターフェース接続したならば、又はその前に、体液試料(例えば、全血試料)が分析試験ストリップの試料セルに導入される。分析試験ストリップは、分析物を選択的かつ定量的に別の所定の化学形に転換する酵素試薬を含むことができる。例えば、分析試験ストリップは、全血試料中のブドウ糖定量のために構成された電気化学系分析試験ストリップであってもよい。このような試験ストリップは、ブドウ糖が物理的に酸化形に転換することができるように、フェリシアン化物及びグルコースオキシダーゼを含有する酵素試薬を含むことができる。
手持ち式試験測定器100のメモリブロック118は、1つ以上の記憶装置、例えば、コードメモリ218(ランダムアクセスメモリ、RAMのような)又はディスク219(ハードドライブのような)を含む。これらのデバイスのうちの1つに、適切なアルゴリズムを実行するコンピュータプログラム命令が保存される。また、メモリブロック118は、マイクロコントローラブロック112に組み入れることもできる。メモリブロック118又はマイクロコントローラブロック112は、プログラムファームウェアを含有するフラッシュメモリ又は一時的変数保存用のRAMを含むことができる。また、メモリブロック118は、マイクロコントローラブロック112とは別に、例えば、ディスプレイ102上に表示されるグラフィックス、又はユーザーに向けて表示されるテキストメッセージのデータを含有するフラッシュメモリを含むことができる。メモリブロック118又はマイクロコントローラブロック112は、較正データ、ユーザー設定及びアルゴリズムパラメータを含有するEEPROM又はその他の不揮発性メモリを含むことができる。
メモリブロック118は、マイクロコントローラブロック112と共に、分析試験ストリップの電気化学的応答及び導入された試料のヘマトクリットに基づいて分析物を定量するように構成することができる。例えば、分析物の血糖定量においては、ヘマトクリットを、電気化学的に定量された血糖濃度に対するヘマトクリットの影響を補償するために使用することができる。
マイクロコントローラブロック112は、筐体110内に配設され、当業者にとって既知の任意の適切なマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサを含むことができる。このような適切な1つのマイクロコントローラとしては、Texas Instruments(Dallas,TX USA)から商業ベースで入手可能な部品番号MSP430F5138のマイクロコントローラがある。このマイクロコントローラは、25〜250kHzの矩形波及び同じ周波数の90°位相偏移波(位相シフト波)を発生することができ、従って以下に更に説明するような信号発生サブブロックとして機能することができる。また、MSP430F5138は、本発明の実施形態で用いられる位相検波器が発生する電圧を測定するのに適したアナログ−デジタル(A/D)処理機能を有する。
この明細書を通して、いくつかの実施形態は、通常ソフトウエアプログラムとして実施されるという関連で説明される。当業者であれば、このようなソフトウェアの等価物を、ハードウェア(ハードワイヤード又はプログラム可能な)、ファームウェア、又はマイクロコードの形で構築することができることは容易に理解されよう。本願に記載するシステム及び方法を前提とするならば、本願に明確に示され、示唆され、又は記載されてはおらずに本発明のいずれかの実施形態の実施に役立つソフトウェア又はファームウェアは、従来のものであり当業者の通常の技術的知識の範囲内にある。マイクロコントローラブロック112は、例えば、ALTERA CYCLONE FPGAのようなフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、Texas InstrumentsのTMS320C6747 DSPのようなデジタル信号プロセッサ(DSP)、又は本願記載のアルゴリズムを実行するのに適した他の処理装置を含むことができる。
図3を特に参照して、位相シフト測定ブロック114は、信号発生サブブロック120、オプションのローパスフィルタサブブロック122、インターフェースサブブロック124、任意形態としての較正負荷サブブロック126(図3の点線内)、トランスインピーダンス変換サブブロック128、及び位相検波器130を含んでいる。
以下に更に説明するように、位相シフト測定ブロック114及びマイクロコントローラブロック112は、手持ち式試験測定器100に挿入された分析試験ストリップの試料セルの液状試料に対応する位相シフトを測定するように構成されている。一例として、位相シフト測定ブロック114及びマイクロコントローラブロック112は、液状試料(例えば、体液試料)を通して駆動される1つ以上の高周波電気信号の位相シフトを測定するように構成される。様々な実施形態において、マイクロコントローラブロック112は、測定された位相シフトに基づいて体液の値を計算するように更に構成されている。マイクロコントローラブロック112は、例えば、A/D変換器を用いて位相検波器から供給される電圧を測定し、その電圧を位相シフトに変換し、次に、適切なアルゴリズム又はルックアップテーブルを用いて位相シフトをヘマトクリット値に変換することにより、ヘマトクリット値を計算することができる。本開示を知るに至った場合、当業者ならば、そのようなアルゴリズム又はルックアップテーブルを、分析試験ストリップの幾何学的形状(電極エリア及び試料セル容積を含む)並びに信号周波数のような様々な要素を考慮に入れるように構成することになるということは理解されよう。
全血試料のリアクタンスとその試料のヘマトクリットとの間には、ある関係が存在するということが明らかにされている。体液試料(すなわち、全血試料)の並列接続の抵抗性要素及び容量性要素としての電気的モデリングによると、体液試料に強制的に交流(AC)信号を通したとき、交流信号の位相シフトは交流電圧の周波数及び試料のヘマトクリットの両方に依存するということが示される。更に、信号周波数が約10kHz〜25kHzの範囲にある場合、ヘマトクリットの位相シフトに対する影響は比較的小さく、信号周波数が250kHz〜500kHzの範囲にある場合、位相シフトに対して比較的大きな影響があるということがモデリングによって示されている。従って、体液試料のヘマトクリットは、例えば、体液試料を通して既知周波数の交流信号を駆動して流し、それらの信号の位相シフトを検出することよって測定することができる。例えば、位相シフト測定ブロック114及びマイクロコントローラブロック112を、第1の周波数の励起電圧信号及び第2の周波数の励起電圧信号を用いて位相シフトを測定するように構成することができる。10kHz〜25kHzの範囲の周波数の信号の位相シフトをそのようなヘマトクリット測定(例えば、全血試料の)の基準測定値として用いる一方、250kHz〜500kHzの範囲の周波数の信号の位相シフトを本来の主測定値として用いることができる。また、周波数が約75kHz以上、又は約75kHz〜約500kHzの信号の位相シフトを主測定値として使用することも可能である。
特に図3〜6Cを参照して、信号発生サブブロック120は任意の適切な信号発生部を用いることができ、励起電圧信号(F−DRV)を発生するように構成される。励起電圧信号は、例えば、矩形波(例えば、0Vと基準電圧Vrefとの間で振動する)、又は所望の周波数の正弦波とすることができる。このような信号発生サブブロックは、それが望ましい場合、マイクロコントローラブロック112に組み込むことができる。
信号発生サブブロック120より発生した励起電圧信号は、インターフェースサブブロック124に直接、又は任意形態としての矩形波励起電圧信号を所定周波数の正弦波信号に変換するように構成されたデュアルローパスフィルタ(LPF)サブブロック122に送ることができる。ローパスフィルタサブブロック122は、矩形波中の基本波を残して、奇数高調波をフィルタして除去することができる。ローパスフィルタサブブロック122は、望ましい場合、信号発生サブブロック120に組み込んでもよい。
図4は、第1の周波数(10kHz〜25kHzの範囲の周波数のような)の信号、及び第2の周波数(250kHz〜500kHzの範囲の周波数のような)の信号の両方を分析試験ストリップ試料セルインターフェースサブブロック及び分析試験ストリップの試料セル(HCT測定セルとも称する)に供給するように構成された一例のデュアルローパスフィルタサブブロック122を示す。第1及び第2の周波数の選択は、図4のスイッチIC7を用いて行われる。図4のデュアルLPFは、Texas Instruments(Dallas,Texas,USA)から電圧帰還形高速CMOS演算増幅器、部品番号OPA354として入手可能な演算増幅器のような2つの適切な演算増幅器(IC4及びIC5)を使用している。
図4を参照して、F−DRVは、低周波又は高周波(例えば、25kHz又は250kHz)のいずれかの矩形波入力を表わし、IC4とIC5との両方に供給される。信号FI−HIGH/LOW(マイクロコントローラブロック112からの)は、スイッチIC7を介してデュアルローパスフィルタサブブロック122の出力を選択する。図4のC5は、HCT測定セルからのデュアルローパスフィルタサブブロック122の動作電圧を阻止するように構成されている。また、これらの信号は、図6Aに示すローパスフィルタを制御するために使用することができる。
図4には、特定のデュアルLPFを示したが、デュアルローパスフィルタサブブロック122は、例えば、任意の適切な多重帰還形ローパスフィルタ又はサレンキー(Sallen and Key)ローパスフィルタを含め、当業者に既知の任意の適切なローパスフィルタサブブロックであり得る。
再度図3を参照して、ローパスフィルタサブブロック122より発生した正弦波(又は信号発生サブブロック120より発生した他の励起電圧信号)は、信号発生サブブロック120に電気的に接続されたインターフェースサブブロック124に送られる。インターフェースサブブロック124においては、励起電圧信号はインターフェース部に受支された分析試験ストリップに供給され、例えば、分析試験ストリップの試料セル(HCT測定セルとも称する)の両端間に駆動印加される。合成電流信号が、以下に説明するようにして発生する。
また、図6Aには、スイッチ(IC16)、疑似負荷R7及びC6を含む較正負荷サブブロック126が示されている。較正負荷サブブロック126は、抵抗器R7によって生じる0度の既知の位相シフトに対する位相オフセットの動的測定用に構成され、これによって較正で使用する位相オフセットが得られる。C6は例えば、試料セルへの信号トレース中の寄生容量によって生じた位相遅延を補償するために、所定のわずかな位相シフトを生じさせるように構成される。マイクロコントローラブロック112は、制御入力626(「DUMMY」)の値を設定することにより、励起電圧を分析試験ストリップ又は較正負荷サブブロック126のどちらに印加するかを決定する。
インターフェースサブブロック124は、例えば、少なくとも一部分析試験ストリップの試料セル中に置かれた分析試験ストリップの第1電極及び第2電極を介して、分析試験ストリップの試料セルと作用関係をもってインターフェース接続するように構成されたストリップポートコネクタ(SPC)を含む、任意の適切なインターフェース部とすることができる。そのような構成においては、信号は、(ローパスフィルタサブブロック122又は信号発生サブブロック120から)第1電極601を介して試料セルに送り込むことができ、試料セルから図6Aに示すように(「HCT測定セルに」で)第2電極602を介して(トランスインピーダンス変換サブブロック128により)取り出すことができる。
試料セルの両端間に信号を駆動印加することにより発生した合成電流は、トランスインピーダンス変換サブブロック128によって取り出され、合成電圧信号に変換されて位相検波器130へ送られる。位相検波器130は、合成電圧信号及び基準信号に応動する。
トランスインピーダンス変換サブブロック128は、当業者に既知の任意の適切なトランスインピーダンスサブブロックとすることができる。図5は、トランスインピーダンス増幅器(TIA)を含むトランスインピーダンス変換サブブロック128の注釈付き概略ブロック図である。図示例は、2つのOPA354演算増幅器IC3及びIC9に基づいている。入力(「TIA入力」)は合成電流信号である。TIAサブブロック128の一段は、例えば、400mVで動作し、これが出力交流振幅を+/−400mVに制限する。TIAサブブロック128の二段は、Vref/2で動作し、これはマイクロコントローラのA/D入力のフルスパン出力発生を可能にする構成である。TIAサブブロック128のC9は、交流信号(例えば、正弦波)の通過だけを許容するブロック要素として機能する。トランスインピーダンス変換サブブロック128の出力は、信号TIA−OUTであり、これは合成電圧信号である。
位相検波器130は、キャプチャ機能を用いてマイクロコントローラブロック112によりリードバックすることができるデジタル周波数か、又はアナログデジタル変換器を用いてマイクロコントローラブロック112によりリードバックすることができるアナログ電圧を発生する、任意の適切な位相検波器とすることができる。図6A〜6Cは、そのような2つの位相検波器、すなわちXOR位相検波器631(図6Cの上半部に示し、IC22及びIC23を含む)、及び直角位相DEMUX位相検波器632(図6Cの下半部に示し、IC12及びIC13を含む)を含む概略図を図示する。再度図3を参照して、位相検波器130は、トランスインピーダンス変換サブブロック128からの合成電圧信号TIA−OUT及びマイクロコントローラブロック112からの基準信号REFに応動する。
位相検波器130は、REFを基準にしてTIA−OUTの位相に対応する電圧出力信号VOUTを発生する。一例として、マイクロコントローラブロック112は、REF上に2つの連続信号として矩形波を供給するように構成される:0°位相基準信号及び90°位相基準信号。位相検波器130は、0°位相基準信号及び90°位相基準信号に対応する連続的に発生するVOUT信号を保持するバッファ回路又はサンプルホールドユニットを含むこと、又は後段に接続して備えること、ができる。位相検波器130の一例を図6Cに示す。
図6Cには、スイッチ(IC121)、フィルタ(R13及びC10)、及びバッファ回路(IC131)を含む直角位相DEMUX位相検波器632を示す。これらの構成要素は、トランスインピーダンス変換サブブロック128からの交流信号の抵抗性成分及びリアクタンス性成分を連続的に測定するために使用される。抵抗性及びリアクタンス性の両成分を測定することは、0度〜360度までカバーする位相測定範囲が得られるという利点につながる。図6Cの直角位相DEMUX位相検波器632は、TIA−OUT(合成電圧信号)とREF(基準信号)との間の位相差に対応する出力電圧を発生する。
「直角位相」という用語は、直角位相DEMUX位相検波器632が信号を2つの直交基準周波数、例えば、0°と90°に基づいて復調することができるということを示す。この例においては、両方の基準周波数に対して1つの信号処理パスが順繰りに用いられる。また、直角位相DEMUX回路は「同期復調器」又は「ロックイン増幅器」とも呼ばれる。ロックイン増幅器についての更なる詳細は、Bentham Instruments Ltd.により文書225.02(2010)として刊行された「ロックイン増幅器」に記載されており、その記載事実は参照によって本願に援用する。この文書の7ページ及び8ページには、直角位相DEMUUX(ロックイン増幅器)の例及びこの回路が乗算器としてどのように動作するかが示されている。直角位相DEMUX位相検波器632は、同期復調位相検出器の一例である。
F−DRVは電圧励起信号であり、図6Aに示されている。REFが実質的F−DRVと同相である、すなわちREFとして0°位相基準信号が供給されるときは、出力電圧VOUTは「同相測定」を表わし、交流信号の「抵抗性」成分に比例する。REFが実質的にF−DRVと90°位相が異なる場合は、出力電圧VOUTは「直角位相測定」を表わし、信号の「リアクタンス性」成分に比例する。位相シフトは次式により計算される:
Φ=tan−1(VQUAD−PHASE/VIN−PHASE)
又は
Φ=atan2(VIN−PHASE,VQUAD−PHASE)
式中、atan2(x,y)は、y/xの4象限アークタンジェントである。ここで留意しなければならないのは、90°位相信号は0°信号より進むこともあれば、遅れることもあり、また0°信号は電圧励起信号と位相が180°異なり得るということである。以下に説明するが、図10は、直角位相復調(DEMUX)の例示的データフローを示す。
Φ=tan−1(VQUAD−PHASE/VIN−PHASE)
又は
Φ=atan2(VIN−PHASE,VQUAD−PHASE)
式中、atan2(x,y)は、y/xの4象限アークタンジェントである。ここで留意しなければならないのは、90°位相信号は0°信号より進むこともあれば、遅れることもあり、また0°信号は電圧励起信号と位相が180°異なり得るということである。以下に説明するが、図10は、直角位相復調(DEMUX)の例示的データフローを示す。
このような直角位相DEMUX位相検波器回路も、試料セル中の体液試料のインピーダンスを測定するために使用することができる。ここで、この仮定に拘束されるものではないが、インピーダンスを位相シフトと共に、又は位相シフトとは独立に利用して、身体試料のヘマトクリットを定量することができることが仮定される。試料セルに通される信号の振幅(大きさ)は、直角位相DEMUX回路の2つの電圧出力を用いて次式により計算することができる:
振幅=((VQUAD−PHASE)2+(VIN−PHASE)2)0.5
次に、この振幅を較正負荷サブブロック126の既知の抵抗器について測定した振幅と比較して、インピーダンスを測定することができる。
振幅=((VQUAD−PHASE)2+(VIN−PHASE)2)0.5
次に、この振幅を較正負荷サブブロック126の既知の抵抗器について測定した振幅と比較して、インピーダンスを測定することができる。
XOR位相検波器631は、マイクロコントローラブロック112からのREF入力、例えば、矩形波がF−DRV正弦波と同相であるか、又は90°位相シフトに設定されているかによって、0°〜180°、又は−90°〜+90°の測定範囲を有する。XOR位相検波器は、デューティサイクルは変わるが、常に入力周波数の2倍である出力周波数を発生する。両入力が完全に同相である場合、出力はLOWとなり、両入力が180°位相が異なる場合、出力は常にHIGHである。出力信号を積分する(例えば、簡単なRC回路素子を介して)ことによって、両入力間の位相シフトに正比例する電圧を発生させることができる。
マイクロコントローラブロック112と位相シフト測定ブロック114は、連携して入力信号の実(同相)成分及び虚(直角位相)成分の順次測定を行なうように構成される。様々な実施形態においては、マイクロコントローラブロック112は、0°位相基準信号REF及び90°位相基準信号REFを位相検波器130(例えば、位相検波器631又は位相検波器632)に基準信号として連続的に供給するように構成される。このようにして、位相シフト測定ブロック114は、合成電圧信号の同相成分及び直交成分を連続的に測定する。マイクロコントローラブロック112は、位相検波器のうちの1つから、例えば、マイクロコントローラブロック112により制御されるマルチプレクサ639を介して対応する出力電圧VOUTを受け取る。マイクロコントローラブロック112は、更に、測定されたVQUAD−PHASE及びVIN−PHASE信号を用いて、前述したように(例えば、atan2を用いて)、インターフェース部に受支された分析試験ストリップ中の液状試料の位相シフトを測定するように構成することができ、これらの信号を用いて、前述したように、液状試料の合成電圧信号の大きさを求めるように構成することができる。
マイクロコントローラブロック112は、各基準信号を供給し始めた後、マイクロコントローラブロック112が、VOUTを読み取るまでに選択された長さの時間、その基準信号を供給し続けるように構成することができる。これによって、位相検波器130の構成要素が安定する時間を与えることができる。例えば、この基準信号を10ミリ秒供給し、10KΩ/100nFローパスフィルタ(時定数〜1ms)を安定させることができる。様々な実施形態おいては、A/D変換器が、VOUTを読み取って、対応するデジタル信号を供給するのに1〜10μsかかる。マイクロコントローラブロック112は、その時間の間適切な基準信号を供給し続ける。
手持ち式試験測定器100は、位相検波器130、例えば、直角位相DEMUX位相検波器632を1つしか備えなくてもよい。様々な実施形態において、位相検波器130は、基準信号(REF)に対する合成電圧信号(TIA−OUT)の位相を検知するように構成された単一の位相検出器640を含む。位相検出器を2つではなく1つしか用いないことは、より小形で軽量な手持ち式試験測定器100を作ることができ、手持ち式試験測定器100の電池寿命を伸ばすことができるという利点につながる。直角位相DEMUX位相検波器632において、位相検出器640はスイッチである。また、位相検出器640は、切り替え機能を行なうためのバイアスを与えた電界効果トランジスター(FET)であってもよい。位相検波器631において、位相検出器はXORゲートIC23である。また、位相検出器は、信号エッジ検出器であってもよい。
図6Cを参照して、様々な実施形態において、位相検出器640は、制御入力(IN)、共通端子(COM)、常閉端子(NC)、及び常開端子(NO)を備えたスイッチである。TIA−OUTはNC端子に接続され、COM端子にはローパスフィルタ(R13及びC10)が接続されている。もう1つの例においては、COMはR99に接続され、NOはR13に接続されている。R13は、0オーム分路であってもよい。一例において、R99は0オーム分路であり、R13及びC10はローパスフィルタを形成する。別の例において、R13は0オームの短絡である。また、R99及びC10はローパスフィルタを形成する。
様々な実施形態において、導体641は、R13とC10との間のノードにNC端子を接続する。他の実施形態においては、導体641は、COM端子にNC端子を接続する。導体641は、バッファ回路IC131の入力、及び従って直角位相DEMUX位相検波器632の出力にNC端子の寄生容量を取り込む。従って、スイッチ(位相検出器640)が開いているか閉じているかにかかわらず、COM端子(スイッチ出力)に見られるキャパシタンスは比較的一定のままである。導体641がないと、TIA−OUTは、スイッチが開いているか閉じているかによって、異なるキャパシタンスに充電しなければならない。このことは、特にTIA−OUTが交流結合される(例えば、阻止コンデンサーが図6BのIC9と図6CのR99との間に直列に入っている)場合に、誤差が導入され得る。導体641は、この誤差による不正確測定の可能性又は重大度を低減することができる。
本発明の様々な実施形態において、位相検出器640は、共通端子、パススルー端子(例えば、図6CにおけるNO)、及び開路端子(例えば、NC)を有するスイッチである。このスイッチは、共通端子に取り付けられた電子部品に付けられた(例えば、R13又はC10)とパススルー端子に取り付けられた電子部品(例えば、R99)との間で選択的に信号を伝える。導体641は、開路端子と共通端子とを電気的に接続する。本願明細書において「開回路の」という用語は、もっぱら、電子部品間の信号伝送に関与しない端子であることを明確に示すために使用する。導体641又は寄生容量要素は、「開路端子」を手持ち式試験測定器中の他のすべての電子部品から電気的に切り離されていない状態にすることがある。
本開示の発明を知るに至った場合、当業者ならば、本発明の実施形態で使用される位相検波器サブブロックは、例えば、立ち上がりエッジ検出技術、両エッジ検出技術、XOR技術、及び同期復調技術を用いた形を含めて、任意の適切な形をとることができるということは理解されよう。
ローパスフィルタサブブロック122は、トランスインピーダンス変換サブブロック128及び位相検波器130が、位相シフト測定ブロック114に残留位相シフトを導入することがあるので、任意形態として、較正負荷サブブロック126を位相シフト測定ブロックに組み入れることができる。較正負荷サブブロック126は、実質的に、抵抗性(例えば、33kΩ負荷)となるように構成され、従って、励起電圧と発生電流との間に位相シフトは引き起こされない。較正負荷サブブロック126は、スイッチ切り替えにより回路両端間に接続して、ゼロ較正値を得るよう構成されている。較正された後、手持ち式試験測定器は体液試料の位相シフトを測定し、「ゼロ較正」値を差し引いて補正位相シフトを計算し、次いでその補正位相シフトに基づいて身体試料のヘマトクリット値を計算することができる。
図7は、手持ち式試験測定器及び分析試験ストリップ(例えば、電気化学系分析試験ストリップ)を使用する方法700のステージ図示するフローチャートである。ここでは、例示説明のために、上に記載した種々の構成部分に言及する。本願記載の方法は、具体的に記載した構成部分によってのみ実施することに限定されるものではない。
方法700は、液状試料(例えば、全血試料)を分析試験ストリップ(例えば、分析試験ストリップの試料セル)に導入するステップ710を含む。
ステップ720で、試験ストリップの両端間(例えば、試料セルの両端間)に電圧信号を印加する。合成電流信号を測定する。
ステップ730で、測定された合成電流信号を用いて同相及び直角位相信号を連続的に発生させる。これらの信号は、手持ち式試験測定器の位相シフト測定ブロックによって発生させることができる。このステップは以下のようにして行なうことができる。一例においては、マイクロコントローラブロック112が0°基準信号でREFを駆動し、次にVOUT(VIN−PHASE)を測定し、次に90°基準信号でREFを駆動し、次いで再びVOUT(VQUAD−PHASE)を測定する。直角位相信号は、同相信号の前でも後でも発生させることができる。このステップの一例のデータフローを、図10を参照して説明する。
ステップ740で、試験ストリップに塗布された液状試料に対応する位相シフトを、手持ち式試験測定器のマイクロコントローラブロックを用いて自動的に測定する。これは、上述のようにatan2関数を使用して行うことができる。様々な実施形態において、試験ストリップに塗布した液状試料のインピーダンスの大きさも、ステップ740で同相及び直角位相信号に基づき手持ち式試験測定器の位相シフト測定ブロックを用いて、自動的に測定される。これは、上述の振幅計算を用いて行うことができる。
ステップ740では、液状試料が全血試料である実施形態において、方法700は、マイクロコントローラブロックを用いて測定位相シフトに基づき全血試料のヘマトクリット値を計算するステップを更に含むことができる。
本開示の発明を知るに至った場合、当業者ならば、本発明の実施形態により、並びに本願に記載する手持ち式試験測定器のいずれかの技術、有益性及び特徴を組み込むために、方法700を含む本発明の実施形態による方法を容易に修正することができるということは理解されよう。例えば、望ましい場合、導入された体液試料中の分析物は、分析試験ストリップ、手持ち式試験測定器及びヘマトクリット計算値を用いて決定することができる。例えば、ステップ760では、ヘマトクリット測定値に応じてマイクロコントローラブロックを使用することにより、ブドウ糖が自動的に定量される。ステップ760は、推定グルコース値を求めた後、ヘマトクリット計算値を用いて推定グルコース値を調整し、より正確なグルコース値を得るステップを含むことが可能である。この例においては、分析試験ストリップは、全血試料中のブドウ糖を定量するために構成された電気化学系分析試験ストリップである。
図8は、方法700のステップ、特に同相及び直角位相信号を発生するステップ730の各ステップを示すフローチャートである。ステップ810では、合成電流信号に対応する合成電圧信号が、手持ち式試験測定器の位相検波器、例えば、図3の位相検波器130に供給される。位相検波器は、供給された基準信号に対する合成電圧信号の位相を検出するように構成された、単一の位相検出器を含むことができる。位相検出器は、例えば、立ち上がりエッジ検出位相検出器、同期復調位相検出器、両エッジ検出位相検出器、又はXORベース位相検出器とすることができる。
ステップ820では、第1の位相を有する第1の基準信号が位相検波器に供給される。例えば、第1の位相は0°であってもよい。
ステップ820の後に続くステップ830では、第2の基準信号が位相検波器に供給される。第2の信号は、第1の位相と90°離れた第2の位相を有する。例えば、第2の位相は90°であってもよい。第1の位相が90°ならば、第2の位相は0°であり得る。第1及び第2の基準信号は、矩形波であってもよく、マイクロコントローラブロックを使用して供給することができる。
図9は、方法700のステージ、特に電圧信号を印加するステップ720の具体的なステップを示すフローチャートである。ステップ910では、電圧信号が第1の周波数で印加される。ステップ920では、第2の電圧信号が第1の周波数と異なる第2の周波数で試験ストリップの両端間に印加され、第2の合成電流信号が測定される。ステップ930では、測定された第2の合成電流信号を用いて、第2の同相信号及び第2の直角位相信号を連続的に発生させる。これらの実施形態では、位相シフト測定ステップ740(図7)は、同相信号、直角位相信号、第2の同相信号、及び第2の直角位相信号に基づいて位相シフトを測定することを含む。第1の周波数は、約10kHz〜約25kHzの範囲、第2の周波数は、約250kHz〜約500kHzの範囲とすることができる。
図10は、同期復調の一例、例えば、図6Cの直角位相DEMUX位相検波器632で使用するような同期復調のデータフローチャートを示す。励起電圧信号1020(F−DRV)は、sin(ωt)の形の信号である。位相シフト1030(ΔΦ)は、較正負荷サブブロック126又は分析試験ストリップの試料セルを通した位相シフトを表わす。合成電圧信号1040(TIA−OUT)は、乗算ステップ1060の1つの演算数で、sin(ωt+Φ)の形式を持つ。マルチプレクサ1050に示ように、0°位相信号1000(REF0)又は90°位相信号1090(REF90)が乗算ステップ1060のもう1つの演算数である。
REF0にTIA−OUTを掛ける例においては、乗算ステップ1060からの積は中間信号
0.5cos(Φ)−0.5cos(2ωt+Φ)である。
0.5cos(Φ)−0.5cos(2ωt+Φ)である。
この信号はローパスフィルタ1070によってフィルタされて、実質的に直流成分のみが保持される。すなわち、cos(2ωt+Φ)項は、中間信号から取り除かれて、値
0.5cos(Φ)の直流信号(VOUT)のみを残す。
0.5cos(Φ)の直流信号(VOUT)のみを残す。
これは、tの値に従属しないので、直流(実質的に非時間依存)値である。この直流成分は、同相(すなわち「実」)成分Iである。同様に、REF90にTIA−OUTを掛ける例においては、ローパスフィルタリング後に結果として生じる直流成分は直角位相(すなわち「虚」)成分Qである。どちらの例においても、TIA−OUTは、好ましくは、実質的に1つの正弦波周波数成分だけの信号である。これによって、他の周波数が直流成分へ入り込む可能性が低くなる。
以上、本発明の好ましい実施形態を示し、説明したが、このような実施形態は、あくまで一例として与えられたものである点は当業者には明らかであろう。当業者であれば、本発明から逸脱することなく、多くの変形、変更、及び置換が想到されるであろう。本発明を実施するに際しては、当然のことながら、本願記載の本発明の実施形態の様々な代替形態を用いることができる。「特別の実施形態」などへの言及は、少なくとも本発明の一実施形態に存在する特徴を指すものである。「一実施形態」又は「特定実施形態」などへの個々の言及は、必ずしも同じ実施形態を指すものではない。しかしながら、そのような実施形態は、その旨記載されているかあるいは当業者にとって自明である場合を除き、相互に排他性を有するものではない。本願において、「又は」という言葉は、別途明示がある場合を除き、非排他的意味で使用する。以下の「特許請求の範囲」は、本発明の範囲を定義するとともに特許請求の範囲に含まれる装置及び方法、並びにそれらの均等物をこれによって網羅することを目的としたものである。
Claims (23)
- 体液試料の分析物の定量において、分析試験ストリップと共に用いられる手持ち式試験測定器であって、前記試験測定器は、
筐体と、
前記筐体内に配設されたマイクロコントローラブロックと、
位相シフト測定ブロックであって、
励起電圧信号を供給するように構成された信号発生サブブロックと、
前記分析試験ストリップを受支するよう構成されており、受支された前記分析試験ストリップに電圧励起信号を印加して合成電流信号を発生させるように電気的に前記信号発生サブブロックに接続されているインターフェースサブブロックと、
前記合成電流信号を受け取り、合成電圧信号を供給するトランスインピーダンス変換サブブロックと、
前記合成電圧信号及び基準信号に応動する位相検波器と、
を含む、位相シフト測定ブロックと、
を備え、
前記マイクロコントローラブロックが、前記位相シフト測定ブロックが連続的に前記合成電圧信号の同相成分及び直交成分を測定するよう、連続的に0°位相基準信号及び90°位相基準信号を基準信号として位相検波器に供給するように構成されており、前記マイクロコントローラブロックが、測定された前記同相成分及び直交成分を用いて、受支された前記分析試験ストリップ中の液状試料に対応する位相シフトを測定する、手持ち式試験測定器。 - 前記液状試料が全血試料であり、前記マイクロコントローラブロックが、測定した前記位相シフトに基づいて液状試料のヘマトクリット値を計算するように更に構成されている、請求項1に記載の試験測定器。
- 前記位相検波器が、前記基準信号に対する前記合成電圧信号の位相を検出するように構成された単一の位相検出器を含む、請求項1に記載の試験測定器。
- 前記位相検出器がスイッチである、請求項3に記載の試験測定器。
- 前記位相検波器が、前記スイッチの共通端子を前記スイッチの開路端子に接続する導体を更に含む、請求項4に記載の試験測定器。
- 前記位相検出器が、排他的ORゲート及び信号エッジ検出器のうちの1つである、請求項4に記載の試験測定器。
- 前記マイクロコントローラブロックが、前記0°位相基準信号及び90°位相基準信号として矩形波を供給するように構成されている、請求項1に記載の試験測定器。
- 前記位相シフト測定ブロック及び前記マイクロコントローラブロックが、第1の周波数の励起電圧信号及び第2の周波数の第2の励起電圧信号を用いて前記位相シフトを測定するように構成されている、請求項1に記載の試験測定器。
- 前記液状試料が全血試料であり、前記第1の周波数が約10kHz〜約25kHzの範囲であり、前記第2の周波数が約75kHz〜約500kHzの範囲である、請求項8に記載の試験測定器。
- 前記インターフェースサブブロックが、受支された前記分析試験ストリップの第1の電極及び第2の電極を介して受支された前記分析試験ストリップに作用関係をもってインターフェース接続されるように構成されており、前記第1の電極及び第2の電極が、受支された前記分析試験ストリップの試料セル中に少なくとも部分的に置かれる、請求項1に記載の試験測定器。
- 前記分析試験ストリップが、全血試料中のブドウ糖定量のために構成された電気化学系分析試験ストリップである、請求項1に記載の試験測定器。
- 手持ち式試験測定器及び分析試験ストリップを使用する方法であって、前記方法は、
液状試料を前記分析試験ストリップに導入することと、
前記試験ストリップの両端間に電圧信号を印加し、合成電流信号を測定することと、
測定した前記合成電流信号を用いて同相及び直角位相信号を連続的に発生させることと、
前記同相及び直角位相信号に基づき前記手持ち式試験測定器の位相シフト測定ブロックを用いて、前記試験ストリップに塗布された前記液状試料に対応する位相シフトを自動的に測定することと、
を含む、方法。 - 前記液状試料が全血試料であり、前記試験測定器のマイクロコントローラブロックを使用して、測定した前記位相シフトに基づき前記全血試料のヘマトクリット値を自動的に計算することを更に含む、請求項12に記載の方法。
- 前記分析試験ストリップが、全血試料中のブドウ糖定量のために構成された電気化学系分析試験ストリップである、請求項12に記載の方法。
- 同相及び直角位相信号を発生させる工程が、
前記合成電流信号に対応する合成電圧信号を前記手持ち式試験測定器の位相検波器に供給することと、
第1の位相を有する第1の基準信号を前記位相検波器に供給することと、
次いで、前記第1の位相とは90°異なる第2の位相を有する第2の基準信号を前記位相検波器に供給することと、
を含む、請求項12に記載の方法。 - 基準信号を供給する工程が、前記手持ち式試験測定器のマイクロコントローラブロックを用いて、0°位相基準信号及び90°位相基準信号としてそれぞれ矩形波を供給することを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記位相検波器が、供給される前記基準信号に対して前記合成電圧信号の位相を検知するように構成された単一の位相検出器を含む、請求項15に記載の方法。
- 前記位相検出器が、立ち上がりエッジ検出形位相検出器である、請求項17に記載の方法。
- 前記位相検出器が、同期復調位相検出器である、請求項17に記載の方法。
- 前記位相検出器が、両エッジ検出位相検出器及びXORベース位相検出器のうちの1つである、請求項17に記載の方法。
- 電圧を印加する工程が、第1の周波数の前記電圧信号を印加することを含み、更に、前記第1の周波数と異なる第2の周波数で前記試験ストリップの両端間に第2の電圧信号を印加し、第2の合成電流信号を測定すること、及びその測定された第2の合成電流信号を用いて第2の同相信号及び第2の直角位相信号を連続的に発生させることを含み、前記位相シフトを測定することが、前記同相信号、前記直角位相信号、前記第2の同相信号、及び前記第2の直角位相信号に基づいて位相シフトを測定することを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記第1の周波数は約10kHz〜約25kHzの範囲にあり、前記第2の周波数は約75kHz〜約500kHzの範囲にある、請求項21に記載の方法。
- 更に、前記同相及び直角位相信号に基づき前記手持ち式試験測定器の前記位相シフト測定ブロックを用いて、前記試験ストリップに塗布された前記液状試料のインピーダンスの大きさを自動的に測定することを含む、請求項12に記載の方法。
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