JP2019517244A - 低消費電力の細胞培養監視システム - Google Patents
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Abstract
培養器/振とう機の動的環境下で細胞の成長と濃度を検出する改良された細胞培養監視システム及び方法。消費電力を低減し、無線細胞培養監視システムを実用的にするため、いくつかの温度補償を使用して感知モジュールの温度制御方法と置き換える。さらに、適応同期光パルス検出法によって消費電力を大幅に低減することができる。
Description
関連出願の相互参照
本特許出願は、2016年4月4日に提出された米国仮特許出願第62/317644号に対して優先権を主張し、同出願は引用により全文を本明細書に組み込む。
本特許出願は、2016年4月4日に提出された米国仮特許出願第62/317644号に対して優先権を主張し、同出願は引用により全文を本明細書に組み込む。
米国特許第7339671号の「生物学的細胞培養の監視装置及び方法」に記載されるような装置及び方法は、培養器/振とう機内の生物学的細胞培養の監視をリアルタイムかつオンラインで実行することができるシステムを提示する。上記システムは、エルレンマイヤーフラスコなどの透過性容器内の生物学的培養基の生物細胞濃度(濁度又は光学濃度の形式で)又はその他の可測特性を検出する光散乱法を採用する。無線技術、インターネットクラウド、及びスマートフォンの進展と共に、10年前に生まれたこの細胞培養監視システムの発明に、いくつかの実行可能な新規な改良を加えることができる。米国特許第7339671号が10年前に出願されたとき、技術とコストの点で細胞培養監視システムにとって実行可能な方法は、電線を使用して、センサヘッドの培養検出センサと温度制御回路に電力を供給することとともに、中間制御モジュールを介して、測定された信号又はデータを制御モジュ−ル又はコンピュ−タに送信することであった。センサヘッドは、培養器/振とう機内に配置して、運転時に細胞培養基容器に装着することができる感知装置である。しかしながら、温度制御用に封止された筐体であるため、センサヘッドから制御モジュ−ルまでの有線接続は、多くの既存の振とう機にとって困難な場合がある。また、振とう環境により有線接続が不安定になるため、有線の選択と配置に特別な注意が必要である。有線接続の課題を克服するため、最初の発明に記載されたような無線実施形態は、消費電力、測定精度、及び確実なRF無線接続などの極めて重要ないくつかの問題に対処しなければならない。無線バッテリ駆動センサヘッドの場合、重大な課題は、バッテリの交換や充電なしに何時間も、場合によっては何日間も生物学的細胞を継続的かつ正確に監視することである。
米国特許第7339671号に規定されるセンサヘッド又はプローブに関しては、消費電力の大半は温度制御モジュ−ルと光感知モジュールに起因する。光感知モジュ−ルは、LED又はレーザダイオードなどの少なくとも1つの光源と、フォトダイオードなどの少なくとも1つの光検出器から成る。光源の放射強度と光検出器の感度は温度に依存する。通常、培養器/振とう機は、大気+5℃〜80℃の温度で動作することができる。上記温度範囲で正確な測定を行うには、監視システムが光源及び光検出器の温度制御又は温度補償を必要とする。ペルティエ素子を用いる温度制御は、大量の電力を逃がすため、バッテリ駆動センサヘッドに適さない。したがって、節電温度補償が、無線センサヘッドの構築にとって必要な方法となる。
LED、レーザダイオード、及び光検出器の温度補償方法は、多くの特許公開で報告されている。いくつかの公開は、LED及びレーザダイオードに印加される電流を自動的に調節する、又は光検出器に印加される電圧を調節するための温度感知サーミスタを備えたアナログ補償回路を提示している。この種の温度補償はアナログであり、消費電力が小さい。しかしながら、広い温度範囲にわたってサーミスタ及び各種LED、レーザダイオード、又は光検出器の間で温度特性を良好に合致させることは容易ではない。いくつかの公開は、光源と光検出器の組み合わせに対して予め測定及び算出された温度係数を用いたソフトウェア補償を提示している。光源と光検出器は両方とも温度との非線形な関係を有するため、重畳された温度係数が非常に複雑になり、温度補正に4次多項回帰が必要になる可能性がある。また、光検出器で検出される様々な光強度のため、多項式の係数も様々に異なる。
近年、多くの無線技術(Wifi、ブルートゥース、Zigbeeなど)が、各種無線用途に使用されるようになってきた。無線技術の消費電力と信頼性は向上してきている。ブルートゥースローエネルギー(BLE)は、Wifiや従来のブルートゥースよりもずっと消費電力が小さい技術であると思われる。BLEは、CR2032などのボタン電池バッテリで何か月も何年も動作するように設計される。このような無線技術において、無線細胞培養監視システムにとって最大の課題は、温度制御なしで正確な測定を行うことと、何日又は何週間かにわたる使用の中でバッテリ寿命を延長させることである。
本発明の目的は、低消費電力方法及び装置を用いて、米国特許第7339671号に提示される細胞培養監視システムを改良することである。刷新された方法及び装置では、無線センサヘッドを備えた細胞培養監視システムが実現可能であり実用的である。無線監視システムは、有線接続の問題を無くし、センサヘッドを培養器/振とう機に容易に搭載することができる。さらに、無線監視システムは、PCだけでなくスマートフォン及びタブレットなどの現代の無線装置に容易に組み込むことができる。
本発明は、無線センサヘッドを用いて細胞培養監視システムを改良する複数の実施形態を提示する。一側面では、光感知モジュールのための温度制御を行わず、2ステップ温度補償法を使用して、細胞培養監視システムのすべての測定精度を改善する。2ステップ補償は、1)温度変化による光源の光強度の変動を低減する単独のアナログ回路又はマイクロプロセッサによって制御されるアナログ回路、及び2)予め測定、算出、及び保存された温度係数で濁度又は光学濃度(OD)などの最終的な検出信号を補正するマイクロプロセッサを備える。別の側面では、センサヘッドの消費電力は、低デューティサイクルの光駆動パルス信号によって光源を制御する方法を用いて大幅に低減することができる。この方法を用いて、光源をオンにする時間及び期間は、A/Dコンバ−タのデータ取得のためトリガパルスと同期される。固定デューティサイクル又は固定期間で光源をオフにする代わりに、光源をオフにする期間を細胞培養の成長レベル及び成長速度に合わせることができる。一例として、オフ期間は、細胞培養濁度又は濁度変化率の変化と共に変更させることができる。
無線及びIoT(モノのインタ−ネット)技術の近年の進化は、米国特許第7339671号に記載の細胞培養監視システムを改良する機会をもたらした。図1は、改良された細胞培養監視システムの一実施形態を示す。細胞培養監視システムのセンサヘッド105は、少なくとも1つの無線トランシ−バ、A/D及びD/Aコンバ−タ、マイクロプロセッサ、温度センサ、運動センサ、メモリ、及びバッテリを含む無線プローブとすることができる。一実施形態では、バッテリは、センサヘッド筐体に搭載されない別個の部分とすることができる。バッテリは外部に搭載する、又は電源線によってセンサヘッド105に装着することができる。センサヘッド105は、分散する光強度、濁度、又はODなどについて細胞培養基を監視し、培養器/振とう機900外の制御モジュ−ル201などのその他の装置にデータを無線送信する基本的機能を有する。一実施形態では、センサヘッド105とモジュ−ル201がスタンドアローンの細胞培養監視システムを構成する。モジュ−ル201は、少なくとも無線トランシ−バ、マイクロプロセッサ、メモリ、LCDディスプレイ、アラーム、及びキーパッド/ボタンを有するユーザインタフェース装置とすることができる。モジュ−ル201は、データ処理、データ記憶、データ表示、細胞監視システムの較正及び制御を実行することができる。一オプションでは、モジュ−ル201は、DSL、Wifi、又はその他の技術を介するネットワーク装置とすることもでき、その場合、モジュ−ル201は他のコンピュ−タ601又はスマートフォンなどのスマート機器701によって制御することができ、モジュ−ル201からのデータはクラウド800に保管され、他の装置と共有することができる。いくつかの実施形態では、モジュ−ル201はコンピュ−タ600又はスマート機器700と置き換えられる。センサヘッド105は、ブルートゥース又はその他の無線技術を介してコンピュ−タ600又はスマート機器700に直接接続することができる。ソフトウェアの助けを借りて、コンピュ−タ600又はスマート機器700はモジュ−ル201と同様に、プローブ105からのデータを処理及び表示するだけでなく、センサヘッド105のデータを制御することもできる。運動センサと温度センサがセンサヘッド105に内蔵されているため、モジュ−ル201、コンピュ−タ600、又はスマート機器700は、培養濁度/ODだけでなく、培養器/振とう機900の軌道回転速度や細胞培養温度も表示及び記録することができる。
一実施形態では、図2に示すような無線センサヘッド105は、感知モジュ−ル150、光源駆動回路130、感知回路140、温度センサ121、運動センサ122、パルス回路161、A/Dコンバ−タ162、マイクロプロセッサ160、無線トランシ−バ163、及びメモリ164を備える。マイクロプロセッサ160によって収集及び処理されるデータは、無線トランシ−バ163を通じてモジュ−ル201、コンピュ−タ600、又はスマート機器700に送信することができる。モジュ−ル201、コンピュ−タ600、又はスマート機器700は、トランシーバ163を通じてセンサヘッド105にコマンドを送信することもできる。図2は、明瞭化のため、複数の光源、光検出器、MCU、A/Dコンバ−タなどを示していない。しかしながら、いくつかの実施形態では、光源110、光検出器120、及びA/Dコンバ−タ162などの複数の構成装置をセンサヘッド105内で使用することができる。
感知モジュ−ル150は、センサヘッド105の主要部である。モジュ−ル150は少なくとも1つの光源110、少なくとも1つの光検出器120、及び少なくとも1つの温度センサ121を備える。光源110及び光検出器120の高速(低時定数)及び正確な温度のため、一実施形態では、モジュ−ル150は、光源110、光検出器120、及び温度センサ121用の良好な熱伝導性ハウジングを備える。温度センサ121は、光源110と光検出器120の正確な温度測定のため、両装置間に配置される。また、感知モジュ−ル150は、細胞培養基550の散乱光検出のため、光源110の放射ビームと、光検出器120の感知領域及び波長とを調整するように設計される。このため、モジュ−ル150は、コリメータ、レンズ、及び光学フィルタを備えて、フラスコなどの培養基容器500の光反射の影響を回避又は低減することができる。
温度制御が行われない場合、LED又はレーザダイオードなどの光源110の光強度は温度変化と共に変化する。光源駆動回路130は、温度補償及び節電のために本発明の重要な部分である。図3は、電源131、トランジスタ132、及び温度補償用の電流制御回路133を備える光源駆動回路130の一実施形態を示す。入力ポート134はパルス供給回路161に接続される。ポート134で高電圧パルスが入力されると光源110がオンになり、光源110は「点灯」状態になる。低又は零電圧が入力されると光源110がオフになり、光源110が「消灯」状態になる。電源131は定DC電圧源である。バッテリの出力電圧は使用と共に低下するため、電源131は、出力DC電圧を一定に維持するステップアップ又はステップダウンレギュレータを有することができる。トランジスタ132は、BJT、JFET、及びMOSFETなどの任意の種類のトランジスタとすることができる。温度補償用の電流制御回路133は様々な方法を利用することができる。その方法はLEDとレーザダイオードで異なる。レーザダイオードの場合、発振閾値電流及び出力パワーが温度に依存する。温度が上昇すると、発振閾値は増大し、出力パワーは減少する。温度補償にはいくつかの回路方法がある。一般的な方法によると、フォトダイオードを使用してレーザダイオードの出力パワーを検出した後、レーザダイオードへの駆動電流が自動的に調節される。この方法は、レーザポインタで広く使用される。しかしながら、このAPC制御は、発振閾値電流の変化を補償することができない。もう1つの方法によると、サーミスタ回路を使用して、レーザダイオードの駆動電流が制御される。その原理は、選択されたサーミスタが、レーザダイオードの発振閾値電流と略同一の指数温度特性を有することができる点にある。このアナログ方法では、温度補償の複雑さが低減されるうえ、広い温度範囲を有することができる。
本発明の一実施形態では、電流制御回路133は、特にレーザダイオードの場合に、光源110の温度補償用のサーミスタ回路法を用いることができる。アナログ回路電流制御のみに加えて、別の実施形態では、電流制御回路133が、温度センサ121の測定入力に基づき、マイクロプロセッサ160によって制御される。一般的に、マイクロプロセッサ160は、回路133へのDACポートを介して可変電圧出力とする。この場合、回路133は電圧制御電流源である。マイクロプロセッサ160は、光源110の特定かつ一定の出力パワーを得るために、予め保存された、温度に対する光源110の駆動電流の補償機能を有する。この方法は、LEDとレーザダイオードの両方に使用することができる。図3は、パルス切替オン/オフ機能と温度補償機能の両方を有する光駆動回路130の一実施形態を示す。当業者にとっては、パルス切替オン/オフ機能と温度補償機能の両方を有することのできる回路設計が多数存在する。
光駆動回路130及び感知回路140は温度補償を行ういくつかの方法を使用しているが、細胞培養監視システムのすべての光学検出精度全体を向上させるには温度補償法の追加ステップが必要である。この温度補償の第2のステップは、マイクロプロセッサ160及びソフトウェアによって実現される。一実施形態では、マイクロプロセッサ160及びメモリ164を使用して、標準的培養基の一連の様々な濁度に対して予め測定及び算出された複数の温度係数を記憶する。それらの温度係数は、回路補償を行った光検出器120と光源110の重畳係数である。光源110は既に回路温度補償を有しているため、様々な温度での標準濁度培地の測定濁度から、4次多項回帰の代わりに2次多項回帰を用いて温度係数を取得することができる。培養基の全範囲の濁度を対象とするため、様々な濁度値を有するホルマジンなどの多数の標準培養基を、センサヘッド105を用いて様々な温度で測定する必要がある。予め保存された係数を用いて、マイクロプロセッサ160は、温度センサ121で測定された温度と培養基から検出された濁度とに基づき、光検出器120の出力信号の補正値を算出することができる。この2ステップ温度補償法は、既存の1ステップ法と異なる。
パルス生成回路161は、マイクロプロセッサ160によって制御される。一実施形態では、回路161は、マイクロプロセッサ160のデジタルI/Oとパルス及びトリガ同期用の水晶発振器/クロックとを備えることができる。回路161の基本機能は、図4に概略的に示すように、光源110を駆動するための低デューティサイクルパルスを生成する。その後、駆動光源110は、駆動信号に基づきパルス光を生成することができる。一実施形態では、光駆動信号は一定の所定期間を有する。この期間は、点灯期間tonと消灯期間toff(期間=ton+toff)の1サイクルの合計に等しい。培養器/振とう機内の細胞培養プロセスは何時間もかかることがあり、培養基550の分散濁度の変化は低速であるため、デューティサイクルは低レベルに設定することができる。たとえば、ton=1s及びtoff=19sであれば、デューティサイクルは5%である。つまり、従来技術における光源110の連続駆動と比べて、節電問題なく95%の電力を節約することができる。電力、帯域幅、及びメモリの節減のため、一実施形態では、A/Dコンバ−タ162は、ジェネレータ161からのパルスによって外部からトリガされる。A/Dコンバ−タ162は、第1のトリガの受信後、アナログ−デジタル変換を開始し、第2のトリガの受信後、変換を停止する。A/Dコンバ−タ162は、光信号、温度信号、及び運動信号用の複数のA/Dコンバ−タを含むことができる。一実施形態では、パルス回路161は図5に示すようなシーケンスで、光駆動信号及び複数のトリガパルスを生成する。このシーケンスは、点灯及び消灯サイクルのそれぞれで発生する。パルス161aは光駆動信号である。パルス161bは光検出器信号のA/D変換用のトリガ信号である。光源110がオンになると、時間t4でA/D変換が開始され、時間t5でA/D変換が停止する。t3でオンに切り替わった後、光源110の出力パワーを安定させる遅延時間(t4−t3)が常に存在する。光源110がt6でオフに切り替わると、すぐに、時間t7でA/D変換が開始され、時間t8でA/D変換が停止する。光がオフになると、t7−t8の期間中の光検出器信号を使用して、点灯信号からの周囲の光学又は電気ノイズなどの一般的ノイズを除去することができる。パルス161cは、温度信号と運動信号の両方のA/D変換用のトリガ信号である。この変換は、光源がオンになる直前に行われる。時間t1でA/D変換が開始され、時間t2でA/D変換が停止される。期間t1−t2に測定される温度は、期間t4−t5での光信号の測定の温度補償に利用することができる。これは、低デューティサイクルパルス法にとって極めて重要である。一般的に、デューティサイクルは予め設定し、期間toffを変更することによって変更することができる。期間tonは、t3及びt6に対してすべてのトリガ時間(t1、t2、t4、t5、t7、及びt8)が固定されるように一定に維持される。このシーケンスは、クロックと同期化される。光信号、温度、及び運動に関して取得された全データの取得は適時に類別され、メモリ164又は制御モジュ−ル201のメモリに保存することができる。
感知回路140は、光検出器120、温度センサ121、及び運動センサ122用の低雑音増幅器及び信号調整回路を備える。回路140は、基準として第2の光検出器を使用して、出力信号内の温度起因のずれを低減する差動増幅設計をとることができる。第2の光検出器は第1の光検出器120の近傍に配置されるため、両光検出器は常に同じ温度を有する。光検出器120と同一の特徴を備えた第2の光検出器は、感知入射光から隔離される。
無線トランシ−バ163は、ブルートゥース、BLE、Zigbee、又はANTなどの独自の無線技術である様々な無線技術を用いて構成することができる。一実施形態では、BLEの消費電力は細胞培養監視用途にとって小さいため、無線トランシ−バ163はBLE(ブルートゥースローエネルギー)を用いて構成される。また、BLEのピコネットにより、制御モジュ−ル201、コンピュ−タ600、又はスマート機器700は最大8個のセンサヘッド105を制御し監視することができる。
振とうフラスコ培養などのバッチ微生物培養に関しては、微生物などの生物学的細胞は、図6に示すような典型的な4つの相、すなわち、誘導期、対数期、静止期、及び死滅期を経る。誘導期では、微生物は緩やかに成長し、新たな生息環境に順応する。対数期では、微生物の数は指数関数的に増加する。静止期では、実現可能な微生物の数が安定する。死滅期では、実現可能な微生物の数が減少する。生物学的細胞が異なると、それらの細胞の成長速度又は成長曲線は、それぞれ振とう速度又は温度に応じて異なることがある。この事実に基づき、いくつかの実施形態では、消灯期間toffは、光源110をオン/オフする所定の固定期間のパルスを有する代わりに、生物学的細胞の成長曲線又は成長速度に適合させることができる。つまり、パルス期間は、生物学的細胞成長レベル又は成長速度に応じて可変である。一実施形態では、toffの調節は、較正分散濁度(T)の変化に基づく。別の実施形態では、toffの調節は、培養基ODの変化に基づくことができる。別の実施形態では、toffの調節は、光検出器増幅器の電圧出力などの光検出器120によって検出される光強度の変化に基づくことができる。この場合、監視システムは、光検出器出力を濁度又は培養基ODに変換する必要がない。以下の実施形態の説明では、濁度のみに言及する。しかしながら、光検出器信号出力又は培養基ODは、消灯期間toffの調節にも同様に使用することができる。
toffの調節に関して、一実施形態では、最大消灯期間tmax及び最小期間tminは、細胞培養プロセスの前に規定し設定する必要がある。細胞培養はtmaxから開始される。1つの簡易なオプションでは、期間toffは、図6に示すように、上昇する濁度値が所定の閾値濁度Tt、たとえば、細胞培養が開始される初期濁度値T0の120%に達すると、tmaxからtminに変化することができる。toffがtminに達した後、消灯期間toffは細胞培養プロセスの残りの間tminの値を保つ。別のオプションでは、消灯期間toffは、下記式に示すように、濁度が閾値濁度Ttに達してtoffがtminになるまで、濁度Tの線形関数とすることができる。
ただし、T0は培養基の初期濁度である。この場合、消灯期間toffは、細胞培養が静止基と死滅期にあっても、最小期間tminを保つ。この欠点に対処し、静止期と死滅期における消灯期間toffを延長させるため、一実施形態では、消灯期間toffは図6に示すように濁度変化率dT/dtに応じて変化することができる。同じ簡易な(tmax又はTmin)オプションでは、濁度変化率dT/dtが所定の閾値速度Rt以上であるとき、スリープ期間がtmaxからtminに変化する。細胞成長速度が低下し、濁度変化率dT/dtが閾値速度Rt又は別の速度未満に落ちると、消灯期間toffは再びtminからtmaxに切り替わる。別の実施形態では、濁度率dT/dtが変化すると、消灯期間toffが変化する。toff=tmax−C*dT/dt、ただし、Cは、C*dT/dtを常にtmax未満にする所定の係数である。細胞培養が開始されると、dT/dt=0、toff=tmaxとなる。1つのオプションでは、(tmax−C*dT/dt)がtmin以下であるとき、消灯期間toffは下限tminを保つ。
運動センサ122は、加速度計又は振とうセンサとすることができる。一実施形態では、加速度計は、培養器/振とう機900の振とう速度を測定するために使用される。振とう速度情報は、センサヘッド105の節電のために使用することができる。振とう培養器/振とう機900は、手動OD測定の実行、薬剤の添加、又は培養フラスコの添加などの様々な理由で停止または一時停止することができる。振とう速度が振とう細胞培養プロセス中に零になると、センサヘッド105内の濁度検出動作は、培養器/振とう機が再度振とうし始めるまで一時停止する。停止中には、光放出源からの光放出はなく、光検出器のためのA/D変換は行われない。
本発明は好適な実施形態、特徴、及び方法と併せて説明したが、多数の代替、新規な特徴、新規な組み合わせ、変更及び変形が当業者にとって自明であることを指摘すべきである。したがって、上述した発明の好適な実施形態及び説明は例示的であり、制限的ではない。本願の精神及び範囲を逸脱せずに様々な変更を加えることができる。
Claims (20)
- 生物学的培養器/振とう機の動的環境下で消費電力を低減し、生物学的細胞培養基を無線で監視する方法であって、
液体生物学的培養基を保持して、生物学的細胞を培養する容器を利用することであって、前記容器の壁の少なくとも一部が光透過性であることと、
前記容器の前記透過性壁に対して光放出源を位置決めし、前記容器の前記壁を介して光を照射し、前記生物学的培養基と相互作用させることと、
少なくとも1つの光検出器を位置決めして照準を合わせて、前記生物学的培養基と入射光との前記相互作用部からの光を検出することと、
前記光放出源及び前記光検出器の近傍に少なくとも1つの温度センサを位置決めすることと、
前記光放出源及び前記光検出器の温度制御を行わずに測定精度を向上させる温度補償手段を設けることと、
低デューティサイクルパルス信号を生成して前記光放出源を駆動することと、
前記光検出器からの電気信号を増幅し、前記信号を処理して、前記生物学的細胞培養基の特性を提示する処理手段を設けることと、
を備える、方法。 - 前記生物学的細胞培養基の監視が、生物学的培養基の濁度又は/及びODを監視することを含み、前記特性が前記濁度とODを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記生物学的細胞培養基の監視が、生物学的細胞の成長曲線と成長速度を監視することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記低デューティサイクルパルス信号を生成することが、前記光放出源の前記点灯期間と消灯期間を予め設定される定数とすることである、請求項1に記載の方法。
- 前記低デューティサイクルパルス信号を生成することが、前記消灯期間を測定された細胞培養濁度又は濁度変化率に適合させることである、請求項1に記載の方法。
- 前記低デューティサイクルパルス信号を生成することが、前記消灯期間を細胞培養OD又はOD変化率に適合させることである、請求項1に記載の方法。
- 前記処理することが、前記光駆動パルス信号の前記点灯期間と消灯期間に関して複数の信号に対して同期されたA/D変換を行うことをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記培養器/振とう機の振とう速度を測定する少なくとも1つの運動センサを設けることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記処理手段が、運動センサ信号を処理することと、前記培養器/振とう機の振とう速度を提示することと、をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記処理手段が、振とう細胞培養プロセス中に前記振とう速度が特定値未満となるとき、前記光放出源からの光放出及び前記光検出器信号のA/D変換を一時停止するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記温度補償手段が、前記光放出源の駆動電流を制御するステップと、次に、前記制御された光放出源と前記光検出器の重畳温度係数を予め測定し、予め算出し、予め保存するステップと、次に、前記光放出源及び前記光検出器の測定温度と前記細胞培養基の測定濁度に基づき、前記生物学的細胞培養の前記可測特性値を補正するステップと、を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記駆動電流を制御することが、前記温度センサの測定温度と、特定の光放出パワーに対して予め保存された補償関数とに基づき前記光放出源の駆動電流を制御するために、前記光放出源用の駆動回路、マイクロプロセッサ、DAC、電圧制御電流源、及び前記温度センサを使用することである、請求項11に記載の方法。
- 前記光放出源がレーザダイオードであり、前記光放出源の駆動電流を制御することが、前記レーザダイオードの指数関数的温度特性と略同一の前記サーミスタの指数関数的温度特性に基づき、前記駆動電流を自動的に調節するサーミスタを備えた回路を使用することである、請求項11に記載の方法。
- 生物学的培養器/振とう機の動的環境下で生物学的細胞培養基を無線で監視する装置であって、
液体生物学的培養基を保持して、生物学的細胞を培養する容器であって、前記容器の壁の少なくとも一部が光透過性である容器と、
光を放射して、前記容器の前記透過性壁を介して前記生物学的培養基と相互作用させる少なくとも1つの光放出源手段と、
前記光放出源からの放射光が前記生物学的培養基と相互作用すると、前記容器の前記透過性壁を介して前記生物学的培養基によって散乱又は伝播された光を直接検出する少なくとも1つの光検出器手段と、
前記光放出源及び前記光検出器の温度を測定する少なくとも1つの温度センサ手段と、
前記光放出源及び前記光検出器の電力消費する温度制御を行わずに測定精度を向上させる温度補償手段と、
低デューティサイクルパルス信号を生成して前記光放出源を駆動する節電手段と、
前記光検出器からの電気信号を増幅し、次に前記信号を処理して、前記生物学的細胞培養基の特性を提示する処理手段と、
を備える、装置。 - 前記培養器/振とう機の振とう速度を測定する少なくとも1つの運動センサ手段をさらに備える、請求項14に記載の装置。
- 前記光放出源が、光線を生成する焦点レンズを有するレーザダイオードであり、前記光検出器がフォトダイオードである、請求項14に記載の装置。
- 前記生物学的細胞培養基を監視することが、生物学的培養基の濁度又は/及びODを監視することを含み、前記特性が前記濁度とODを含む、請求項14に記載の装置。
- 前記節電手段が、前記光放出源のパルス駆動回路、パルス及びトリガ信号生成回路、及び前記低デューティサイクルパルス信号を制御するマイクロプロセッサを含む、請求項14に記載の装置。
- 前記処理手段が、前記光駆動パルス信号の前記点灯期間と消灯期間に係る複数の信号に対して同期されたA/D変換を行うことをさらに含む、請求項14に記載の装置。
- 前記温度補償手段が、前記光放出源の駆動電流を制御することを含む、請求項14に記載の装置。
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JP7029532B2 (ja) * | 2018-06-27 | 2022-03-03 | オリンパス株式会社 | 内視鏡システム、内視鏡用光源装置及び内視鏡 |
US20200157479A1 (en) * | 2018-11-20 | 2020-05-21 | Watgrid, S.A. | Monitoring system for winemaking |
CN113278521A (zh) * | 2020-02-20 | 2021-08-20 | 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 | 细胞用太赫兹波生物暴露*** |
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CN114426919A (zh) * | 2020-10-29 | 2022-05-03 | 南京理工大学 | 连续监测细胞生长速率的装置和方法 |
CN114235685B (zh) * | 2021-11-03 | 2023-08-08 | 广州先进技术研究所 | 一种摇瓶培养的生物量在线检测装置 |
CN116407562A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-07-11 | 安徽科门生物科技有限公司 | 脐带或胎盘或脐血来源间充质干细胞治疗慢阻肺应用 |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6447936A (en) * | 1987-08-18 | 1989-02-22 | Ricoh Kk | Physical value measuring apparatus for liquid |
JP2002098637A (ja) * | 2000-09-22 | 2002-04-05 | Tokyoto Gesuido Service Kk | 濃度測定装置 |
JP2003240716A (ja) * | 2002-02-15 | 2003-08-27 | Denso Corp | 光学式計測装置 |
US20050219526A1 (en) * | 2003-01-17 | 2005-10-06 | Hong Peng | Method and apparatus for monitoring biological substance |
US20050254055A1 (en) * | 2004-01-20 | 2005-11-17 | Hong Peng | Apparatus and method for monitoring biological cell culture |
JP2007024575A (ja) * | 2005-07-13 | 2007-02-01 | Sharp Corp | 色情報測定装置 |
WO2016007216A1 (en) * | 2014-07-11 | 2016-01-14 | Lanzatech New Zealand Limited | Control of bioreactor processes |
WO2016013392A1 (ja) * | 2014-07-22 | 2016-01-28 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | 細胞分散装置およびそれを用いた自動継代培養システム |
JP2016530546A (ja) * | 2013-09-24 | 2016-09-29 | ジーイー・ヘルスケア・バイオサイエンス・アクチボラグ | 光吸収モニタシステム |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5150837B2 (ja) * | 2006-04-11 | 2013-02-27 | ウイリアム エー.クック オーストラリア ピティワイ、リミティド. | 培養状態監視装置 |
CN102128814B (zh) * | 2010-12-09 | 2012-09-05 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 大动态范围液体浊度检测光路结构及检测方法 |
JP5829816B2 (ja) * | 2011-02-18 | 2015-12-09 | 日本光電工業株式会社 | 細胞培養器および培養状態監視システム |
CN102914519B (zh) * | 2012-10-19 | 2015-04-15 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种光纤式激光液体浊度测量装置及测量方法 |
CN104596990B (zh) * | 2015-01-23 | 2018-04-03 | 中国农业大学 | 双通道光纤浊度测量方法及传感器 |
CN105044038A (zh) * | 2015-08-31 | 2015-11-11 | 广州中国科学院先进技术研究所 | 一种用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置 |
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Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6447936A (en) * | 1987-08-18 | 1989-02-22 | Ricoh Kk | Physical value measuring apparatus for liquid |
JP2002098637A (ja) * | 2000-09-22 | 2002-04-05 | Tokyoto Gesuido Service Kk | 濃度測定装置 |
JP2003240716A (ja) * | 2002-02-15 | 2003-08-27 | Denso Corp | 光学式計測装置 |
US20050219526A1 (en) * | 2003-01-17 | 2005-10-06 | Hong Peng | Method and apparatus for monitoring biological substance |
US20050254055A1 (en) * | 2004-01-20 | 2005-11-17 | Hong Peng | Apparatus and method for monitoring biological cell culture |
JP2007024575A (ja) * | 2005-07-13 | 2007-02-01 | Sharp Corp | 色情報測定装置 |
JP2016530546A (ja) * | 2013-09-24 | 2016-09-29 | ジーイー・ヘルスケア・バイオサイエンス・アクチボラグ | 光吸収モニタシステム |
WO2016007216A1 (en) * | 2014-07-11 | 2016-01-14 | Lanzatech New Zealand Limited | Control of bioreactor processes |
WO2016013392A1 (ja) * | 2014-07-22 | 2016-01-28 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | 細胞分散装置およびそれを用いた自動継代培養システム |
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Publication number | Publication date |
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