JP2002515786A

JP2002515786A - 経皮輸送の超音波増強

Info

Publication number: JP2002515786A
Application number: JP50444398A
Authority: JP
Inventors: ロウ，スティーブン; コスト，ジョセフ; ミトラゴトリ，サミール; ピソコ，マイケル; デイビス，マシュウ
Original assignee: ソントラメディカル，エル．ピー．
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 2002-05-28
Also published as: WO1998000194A3; EP0925088A2; US6491657B2; US6234990B1; WO1998000194A2; US20020045850A1

Abstract

(57)【要約】経皮輸送を高めるために皮膚の小さな領域に超音波を適用するための方法およびデバイスである。第１の焦点直径を有する超音波ビームがチャネリングされて、実質的にエネルギーを損失させることなく、第２のより小さな直径を有するビームになる。生じる痛みをより少なくしながら、より高エネルギーの超音波を用いることができる。あるいは、超音波エネルギーが、皮膚に丁度接触するように、皮膚の上方にあるように、または皮膚の中に延びるように位置決めされた振動部材を通して適用される。この部材の使用は、分析物の抽出を容易にし、薬物送達を増強させ得る。２工程の非侵襲方法は、皮膚の透過性を増大させるための超音波の適用と、超音波の除去の後の物理的エンハンサ(physical enhancer)を用いてさらに増強され得る経皮輸送とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】経皮輸送の超音波増強本願は、1996年６月28日付け出願の米国仮特許出願第60/020,953号、1996年８月１日付け出願の第60/022,925号、1996年８月１日付け出願の第60/022,923号、 1996年８月９日付け出願の第60/023,636号、1997年１月８日付け出願の第60/034 ,657号、1996年８月22日付け出願の第60/024,639号、Express Mail No.EH446654 019USとして1996年12月11日付けで出願された「Transdermal Extraction and Me asurement of Blood or Interstitial Fluid Analytes Using a Vibrating Elem ent With an Integrated Sensing System」の名称を有する米国仮特許出願、およびExpress Mail No.EH618852288USとして1997年１月３日付けで出願された「A Device for Painless Extraction of Blood or Interstitial Fluid for Blood Analyte Measurement」の名称を有する米国仮特許出願に基づき、優先権を主張する。発明の背景本発明は一般に、超音波を用いた経皮輸送のための改善された方法およびデバイスに関する。より詳細には、皮膚の小さな領域に適用されて薬物送達および分析物の収集を増強するように超音波ビームをチャネリング(channel)または集束( focus)する方法およびデバイスを提供する。超音波エネルギーを皮膚の小さな領域に適用するための振動部材上に、超音波エネルギーを局在化するための方法およびデバイスを提供する。薬物は通常、経口的にあるいは注射により投与される。大部分の薬物の効果は、血流中に所定の濃度を達成することに依存する。多くの薬物は、特定の投与経路に特異的に関連する望ましくない挙動を示す。例えば、薬物は胃腸(gastroint es tinal:GI)管中において、胃の低pH、局在性の酵素、または胃の中の飲食物との相互作用によって分解され得る。薬物または疾患そのものが、嘔吐または下痢のために薬物吸収を妨げあるいは損ない得る。薬物全体が胃腸管中の移動に耐えて残ったとしても、肝臓による薬学的に不活性な形態への急速な代謝に曝され得る。初回通過効果である。経皮薬物送達（transdermal drug delivery:TDD）は、注射および経口送達を含む旧来の送達方法に対していくつかの利点を提供する。EliasのPercutaneous Absorption:Mechanisms-Methodology-Drug Delivery、Bronaugh、R.L．Maibach 、H.I.(編)、pp1-12、Marcel Dekker、New York、1989に報告されているように、経口送達に比較して、TDDは胃腸薬物代謝を回避し、初回通過効果を減少し、薬物の放出が最高で７日間まで維持される。皮膚は複雑な構造体である。少なくとも４つの異なる組織層が存在する。すなわち、生育不能な表皮（角質層(stratum corneum:SC)）、生育可能な表皮、生育可能な真皮、および皮下結合組織である。これらの層内に、皮膚の循環系、動脈叢、および付属器（毛包、皮脂腺、および汗腺を含む）が位置している。循環系は、真皮および真皮下の組織中に存在する。毛細血管は表皮組織には実際には入っていかず、皮膚の外表面の150から200ミクロン以内に入る。本明細書において「経皮」の用語は、包括的用語として用いられる。しかし実際には、薬物の輸送は、表皮のうち薬物が毛細血管中に吸収される部分を通してのみ起こる。注射と比較して、TDDは関連する痛みおよび感染の可能性を減少または解消し得る。理論的には、薬物投与の経皮経路は、タンパク質を含む多くの治療用薬物の送達において有利であり得る。なぜなら、タンパク質を含む多くの薬物は、胃腸分解を受けて胃腸での取り込みが悪くなり、インターフェロンなどのタンパク質は血液から急速に除去され、血中濃度を高い値に保つためにはある持続された速度で送達されなければならず、また経皮デバイスは注射よりも使用が容易であるからである。これらの利点にも関わらず、薬物の皮膚透過性が低いため、臨床的適用において現在経皮投与されている薬物は非常に少なく、タンパク質またはペプチドにいたっては皆無である。この低い透過性は、脂質二重層で囲まれたケラチン繊維（ケラチノサイト）で満たされた平坦な死滅細胞からなる最外部皮膚層である、角質層（SC）に帰せられる。脂質二重層の高度に秩序立った構造は、SCに不透過性を付与する（Flynn，G.L.のPercutaneous Absorption:Mechanisms-Methodolo gy-Drug Delivery.；Bronaugh，R.L.、Maibach，H.I.(編)、27-53頁、Marcel De kker、New York、1989）。化学的増強剤の使用、すなわち皮膚構造を変化させるかあるいは経皮パッチ中の薬物濃度を増加させるための化学物質の使用（Burnet te、R.R.のDevelopmental Issues and Research Initiatives．Hadgraft J.,G,R .H.,編、Marcel Dekker:1989、pp.247-288；JungingerらのDrug Permeation Enh ancement、Hsieh，D.S.、編、pp.59-90、Marcel Dekker，Inc．New York 1994）および、過渡的な輸送経路を創出するため[エレクトロポレーション]または帯電した薬物の皮膚を通る移動度を増加する[イオン泳動（iontophoresis）]の電場印加の使用（Prausnitz Proc Natl．Acad．Sci．USA90、10504-10508(1993)；Wa lters，K.A.のTransdermal Drug Delivery:Developmental Issues and Research Initiatives、編Hadgraft J.、Guy，R.H.、Marcel Dekker、1989）を含む、経皮薬物輸送を増強するためのいくつかの方法が提案されている。別の探求されているアプローチは、超音波の適用である（音伝達(sonophoresis)）。超音波は、低分子量（分子量500未満）薬物のヒト皮膚における経皮輸送を増強することが示されており、この現象は音伝達と呼ばれている（Levy、J．Clin ．Invest．1989、83、2974-2078；KostおよびLangerの「Topical Drug Bioavail abillty，Bioequivalence，and Penetration」、pp.91-103、Shah V．P.、M.H.I ．編（Plenum:New York、1993）；Frideman，R.M.、「Interferons:A Primer」、Academeic Press、New York、1981）。様々な超音波条件が音伝達に用いられているが、最も普通に用いられる条件は、治療用超音波（１MHzから３MHzの範囲の周波数、および約ゼロから２Ｗ／ｃｍ²の範囲の強度）に対応する（Kostらの米国特許第4,767,402号）。治療用超音波によって誘導される典型的な増強は、１０倍未満であることと、通常見なされている。多くの場合、超音波の適用の際に経皮薬物輸送の増強は観察されていない。従って、音伝達により経皮薬物輸送のさらに高い増強を誘導するためには、超音波技術のよりよい選択が必要である。 Massachusetts Institute of TechnologyのPCT/US96/12244に記載されているように、低周波数（約２０から２００kHz）超音波の適用は、薬物の経皮輸送を劇的に増強し得る。低周波数超音波によって誘導される経皮輸送の増強は、治療用超音波によって誘導される増強の１０００倍にもなることが見いだされた。低周波数音伝達の治療用超音波に対するもう１つの利点は、受動的に皮膚をわたっては浸透しない薬物の経皮輸送を前者は誘導し得ることである。例えば糖尿病患者においてインスリン処置を最適化するために血中グルコースを一日に数回測定し、そしてそれによってこの疾患の重篤な長期合併症を減少ことが望ましい場合、皮膚を通して分析物を抽出することの医療上の必要性が大きく存在する。現在糖尿病患者はこれを、高度に脈管化している指先をランセットでつつくことにより皮膚を穿孔し、指圧で皮膚を搾ることにより血液滴を作り、次にこれを使い捨て診断片およびこの片が納まるメータを用いてグルコースアッ七イに供することにより、行っている。このグルコース測定法は、痛みという大きな欠点を有しており、糖尿病患者は医学的に言われるほど頻繁にグルコース測定を得ることを好まない。従って、多くのグループが、非常に直径が小さく、非常に鋭く、間質までしか貫通しない（真皮の血管までではなく）ミクロランセットのような、グルコースを測定する非侵襲的かつ侵襲度の低い手段を研究している。グルコース測定のために、約０．１から２μｌの組織液の小さなサンプルを毛管力により得る。他のグループは、レーザを用いて角質の一体性を破ることにより、気圧力（吸引）またはその他の技術を用いて、血液または組織液がそのような穴から出て拡散するかあるいは穴を通して得ることを可能にしている。そのようなレーザ型サンプリングデバイスの一例が、Tankovichの米国特許第5,165,418号および、BudnikのWP I ACC No:94-167045/20（Venisect，Inc.に譲渡）に開示されている。皮膚を貫通して組織液を得る方法の有する問題は、組織液が身体内において遊離流体の少ないゲル様形態で発生することであり、実際、得られ得る遊離組織液の量を制限する負の圧力さえ存在する。組織液が得られるほどの深さまで貫通して皮膚に非常に小さな穴を空けたとき、グルコースメータに用いられる血液の量を得るためには多量の機械的力（搾出、真空、またはその他の力）が必要となる。より容易な手順を用いて非侵襲的に血液または組織液のサンプルをより素早く得ることができれば、大きな用途を有するであろう。発明の要旨本明細書に記載した方法およびデバイスは、超音波ビームを皮膚の小さな領域上にチャネリングまたは集束する。いくつかの実施態様において、本明細書に開示するチャンバおよび超音波プローブを用いた方法およびデバイスは、分析物および送達薬物を非侵襲的に抽出するために用られ得る。これにより、大きな痛みをともなわずに、小さな穿孔(puncture)または皮膚組織の局所的な浸食を創出する能力を含む、多くの利点が提供される。超音波適用部位内の痛覚受容器の数は、適用面積が減少するにつれて減少する。従って、超音波を非常に小さな領域に適用することにより、発生する感覚が少なくなり、超音波および／またはその局所的効果を、ほとんど痛みや不快感なしに、より高い強度で投与することが可能になる。超音波を幾何学的にチャネリングすることが、超音波を小さい領域に適用するための一法である。小部材を皮膚表面の近傍あるいは皮膚表面に接触して発振させることは、超音波を小さい領域に適用するための別法である。大きな力を居所的に発生することができ、結果としてキャビテーション、皮膚自体の機械的発振、および大きな局在的な剪断力が、皮膚表面の近傍で起こる。部材はまた、音響流動(acoustic streaming)（超音波によって生成される大きな対流を指す）を生成することができる。これは、血液または組織液のサンプルを、穿孔部位を「搾る」必要なしに得ることの助けとなるようである。超音波トランスデューサは、連続運転下において急速に加熱して、皮膚損傷を起こし得る温度に達することが知られている。皮膚に対する熱損傷は、皮膚近傍で小部材を発振させるために皮膚から離れて位置されたトランスデューサを用いることによって最小にすることができる。分析物抽出の場合、皮膚表面上および／または皮膚内に存在する化合物が、抽出されたサンプルを汚染し得る。汚染のレベルは、皮膚表面積が増大するにつれて増加する。超音波適用を行う表面積を最小にすることにより、表面汚染は最小にされ得る。このように、本明細書に記載する方法およびデバイスを用いることにより、薬物送達または分析物測定のいずれかに際して皮膚透過性を局所的および過渡的に増加することができる。図面の簡単な説明図１は、超音波チャネリングチャンバを有する超音波集束デバイスの概略図である。図２は、円錐形状のチャネリング壁を有する超音波チャネリングチャンバの１つの実施態様の側面図である。図３は、角(horn)形状のチャネリング壁を有する超音波チャネリングチャンバの第２の実施態様の側面図である。図４は、電場を印加するための電極を有する図３の超音波チャネリングチャンバの側面図である。図５は、半球状のトランスデューサを有する超音波チャネリングチャンバの第３の実施態様の側面図である。図６は、半球状に配置されたトランスデューサのアレイを有する超音波チャネリングチャンバの第４の実施態様の側面図である。図７は、振動部材を通して超音波を適用するためのデバイスの側面図である。図８は、分析物を感知するためのセンサが設けられた振動部材を通して超音波を適用するためのデバイスの側面図である。図９は、振動部材を通して超音波を適用するための他のデバイスの側面図である。図１０は、複数の振動部材を通して超音波を適用するためのデバイスの側面図である。図１１は、非侵襲性超音波適用デバイスの斜視図である。発明の詳細な説明超音波は、約２０ｋＨｚおよび１０ＭＨｚよりも高い周波数で、ＯＷ／ｃｍ² と３Ｗ／ｃｍ²との間の強度の音として定義される。超音波は、好ましくは、約２．５ＭＨｚ以下の周波数で与えられ、皮膚のキャビテーションを誘導し、輸送を高める。超音波は、通常、２０秒と１０分との間連続して与えられるが、これより短くおよび／またはパルスになっていてもよい。超音波の通常の低い範囲は２０ｋＨｚであるが、周波数を２０ｋＨｚ未満、即ち、約１ｋＨｚまでの音領域に変更しても匹敵する結果を得ることができることを理解されたい。強度は、皮膚温度を約１から２℃より高い温度に上げるほど高くなってはならない。本明細書で用いる音伝達は、超音波を皮膚に与えることを指す。「低周波数」音伝達は、１ＭＨｚ未満、より典型的には２０から１００ｋＨｚの範囲の周波数の超音波が、連続してまたは好ましくはパルスで、例えば、０Ｗ／ｃｍ²と１Ｗ／ｃｍ²との間の範囲、より典型的には、１２．５ｍＷ／ｃｍ²と２２５ｍＷ／ｃｍ²との間の範囲の強度で、１秒毎に１００から５００ミリ秒のパルスで与えられることを指す。化学的エンハンサは、脂質二重層破壊剤および溶解度エンハンサを含む。化学的エンハンサは、異なる機構によって薬剤の輸送を増加させることが見いだされている。脂質を介した浸透性を向上させる化学物質は、公知であり、商業上入手可能である。例えば、エタノールは、薬剤の溶解度を１０，０００倍まで引き上げ、エストラジオールのフラックスを１４０倍増加することが見いだされており、一方、不飽和脂肪酸は、脂質二重層の流動性を増加することが示されている。脂質二重層を破壊する脂肪酸の例としては、リノール酸、カプリン酸、ラウリン酸、およびネオデカン酸が挙げられ、これらは、エタノールまたはプロピレングリコールなどの溶媒中に存在し得る。適切な溶媒としては、水、プロピレングリコールおよびグリセロールなどのジオール類、エタノール、プロパノールおよび高級アルコール類などのモノアルコール類、ＤＭＳＯ、ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、2-ピロリドン、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）ピロリドン、Ｎ−メチルピロリドン、１−ドデシルアザシクロヘプタン−２−オンおよび他のｎ−置換アルキル−アザシクロアルキル−２−オンおよび他のｎ− 置換アルキル−アザシクロアルキル−２−オン（アゾン）が挙げられる。２成分系とは必ずしも関連していない他の化学的エンハンサとしては、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、またはＨｅｒｓｃｈｌｅｒの米国特許第３，５５１，５５４号、Ｈｅｒｓｃｈｌｅｒの米国特許第３，７１１，６０２号、およびＨｅｒｓｃｈｌｅｒの米国特許第３，７１１，６０６号に記載されているようなＤＭＳＯの水溶液、ならびにＣｏｏｐｅの米国特許第４，５５７，９４３号に記載されているようなアゾン（ｎ置換アルキル−アザシクロアルキル−２−オン）が挙げられる。本明細書で用いる物理的エンハンサとしては、吸引、浸透圧勾配、イオン泳動、エレクトロポレーション、磁場、および機械圧が挙げられる。投与される薬剤は、タンパク質およびペプチドを含む様々な生体活性薬剤を含む。具体的な例としては、インスリン、赤血球生成促進因子、およびインターフェロンが挙げられる。アンチセンスおよび治療タンパク質をコードする遺伝子などの核酸分子、抗炎症剤、抗ウイルス薬、抗菌物質、抗生物質、局部麻酔薬、糖類、および多糖類を含む合成の有機および無機分子を含む他の物質もまた投与され得る。薬物は、通常、水性ゲル、軟膏、ローションまたは懸濁液などの水と同様の吸収係数を有する適切な薬学的に受容可能な担体で投与される。あるいは、経皮絆創膏が担体として使用され得る。様々な分析物は、通常、血液、組織液および／またはリンパ液中で測定される。測定可能な典型的な分析物の例としては、血糖（グルコース）、コレステロール、ビリルビン、クレアチン、ビタミンＫまたは他の凝固因子、尿酸、癌胚抗原、または他の腫瘍抗原、および排卵または妊娠に関連するような様々な再生ホルモンが挙げられる。本明細書で開示する方法およびデバイスは、皮膚の内部または外部のいずれかでキャビテーションを誘導することによって、より大きな経皮輸送を成し遂げ得る。キャビテーションは、流体に存在する空気の泡およびＳＣのケラチン生成細胞に存在する空気ポケットの成長および振動である。低周波数超音波を与えると、皮膚の内部および外部においてキャビテーションが誘導され、ＳＣ脂質二重層を破壊し、それによって、経皮輸送を向上するようである。さらに、キャビテーションの泡の振動によって、無秩序になった脂質領域に水がかなり浸透し、ＳＣの細胞間脂質を通して水性チャネルが形成され得る。これによって、無秩序な脂質ドメイン、ケラチン生成細胞およびＳＣ全体にわたる浸透物の輸送が可能になる。この輸送路は、受動的な輸送と比較して、経皮輸送を向上し得る。なぜなら、超音波によって生成されるチャネルを主として占有する傾向にある水を介した浸透物の分散係数は、秩序のある脂質二重層を介したときの１０００倍まで高く、これらの水性チャネルの輸送路長は、受動的な輸送の場合、曲がりくねった細胞間脂質を通したときよりもはるかに短く（２５分の１まで）なり得る。超音波チャネリングまたは超音波集束超音波によって誘導される経皮輸送の向上は、超音波圧力振幅が増加するにつれて増加する。しかし、高い超音波圧力振幅の適用は、それに伴う不快感のため禁止されている。超音波によって誘導される不快感の程度は、適用面積が増加するにつれて増加し、これは恐らく、より多くの痛み受容体が超音波に曝されるためである。小さな領域に高エネルギー超音波を適用すると、過剰な痛みが避けられ、経皮分析物の抽出または薬物送達の最適な条件が提供され得る。幾何学的チャネリング超音波ビームを小さな領域に幾何学的に制限することによって、皮膚表面の小さな領域に対して高いエネルギーの超音波が与えられ得る。経皮分析物抽出または薬物送達の目的で、狭い領域に超音波ビームを幾何学的に制限することによって、超音波エネルギーをチャネリングするための方法およびデバイスが本明細書に開示される。超音波ビームは、凹面トランスデューサまたはトランスデューサの位相を合わせたアレイなどの適切に設計されたトランスデューサを用いてチャネリングまたは集束され得る。あるいは、ビームをチャネリングする壁を有するチャンバを用いて小さな面積に集束され得る。これらの方法は、皮膚の一体性を分断するために、皮膚を局部的に浸食する。図１は、集束またはチャネリングされた超音波を用いて、音伝達分析物抽出または薬物送達のためのデバイス１０の概略図を示す。デバイスは、超音波トランスデューサおよびチャネリング手段を備え、トランスデューサのための駆動および制御機構を提供する電気信号発生器および増幅器１４に接続された超音波送達チャンバ１２を有する。デバイスは、以下の目的で、真空ポンプ１６および電流発生器１８を有し得る。図２は、チャンバ１２の第１の実施態様を示す。チャンバ内の超音波トランスデューサ２０は、電気信号発生器および増幅器（図示せず）に電気接触部２２を介して接続されている。チャンバ１２は、ポリマーまたは金属で形成される外壁２４を有する。プレキシガラス(plexiglass)または金属のような他の非変形材料などの音響エネルギーを反射せず、吸収する材料で形成されている内壁２６は、大きな開口部および小さな開口部を有する円錐台の形状をしたキャビティ２８を規定するような形状を有する。キャビティは、超音波を伝送する、好ましくは、空気と同等または空気よりも良好に音を伝送する、結合媒体３０で満たされている。キャビティに面する壁の内面は、金属、ポリマーまたはセラミック材料などの超音波反射媒体で裏打ちされ得る。アルミニウムなどの金属は、超音波を与えたときに温度増加が最小であり得る高熱伝導率のために好適であり得る。チャンバの底にある接着層３２は、皮膚３４にチャンバを取り付けるために使用される。図３は、チャンバの第２の実施態様を示す。この実施態様において、内壁４０は、角形のキャビティ４２を規定し、大きい方の開口部は、トランスデューサ４４に面し、小さい方の開口部は、皮膚４６に面している。チャンバは、必要に応じて、結合機構５０に開口するポート４８を通して真空ポンプに接続される。図４は、チャンバの他の選択的な局面を示し、チャンバは、必要に応じて、搬送を向上させるためのさらなる機構として、電流を皮膚に適用するための一対の電極５２を有する。必要な電流は、電流発生器（図１を参照）によって提供される。トランスデューサ超音波トランスデューサは、円錐形または角の大きい方の端部に設けられている。トランスデューサは、圧電（piezo）ブロック、セラミックブロックまたはポリマーブロックであり得る。トランスデューサは、適切な材料の単一なブロックから機械で作成され得るか、または対応する材料の多数のシートを接着することによって構築され得る。チャネリングされる前の超音波ビームの焦点直径は、数ミリメータから数センチメータの間であり得る。超音波エネルギーは、超音波ビームをチャネリングするために、チャンバの小さな開口部に位置する。ビームの第２の直径は、約１μｍから２ｃｍ、好ましくは、約０．１ｍｍから１ｃｍの間である。音響エネルギーは、それがチャネリングされるとき、５０％、好ましくは１０％を超えて減少してはならない。勿論、減少は、内壁の材料および構造によって制限される。トランスデューサは、適切な電気信号発生器および増幅器を使用して、20kHz と2MHzとの間の範囲の周波数で動作し得る。トランスデューサは、好ましくは、 20kHzと200kHzとの間の周波数で動作する。経皮輸送の十分な増大を達成するために、振幅、デューティサイクル、皮膚からの距離、適用時間などを含むがこれらに限定されない他の超音波パラメータを変動させてもよい。圧力振幅は、約ゼロ〜50kPaで変動し得る。デューティサイクルは、1%と100%との間で変動し得る。トランスデューサは、皮膚から0.5mmと10mmとの間の範囲だけ離れた場所に配置され得る。適用時間は、20秒と２分との間の範囲であり得る。チャネリングまたは集束チャンバの第３の実施形態は、図５に示されており、トランスデューサ53は、半球状の形状にされ、キャビティ55を規定する。裏当て材料（backing material）54は、トランスデューサ53に支持および絶縁を与える。トランスデューサは、図５に示されるような半球状のシェルであってもよく、または、半球状の窪みを有する中実片であってもよい。即ち、トランスデューサは、（図５に示されるように）トランスデューサと裏当て材料とを合わせた形状にされ得る。トランスデューサの曲率半径は、皮膚表面上の直径約0.1mm〜約1cm の領域にビームを集束するように設計される。キャビティ55は、好ましくは、結合媒体を含むべきである。集束された超音波はまた、図６に示されるようなトランスデューサの位相を合わせた(phased)ドアレイを使用することによって達成され得る。このアレイは、半球状の壁を形成するように配列された多数の個々のトランスデューサ56からなる。位相を合わせたアレイの各トランスデューサは、信号発生器および増幅器を使用して個々に作動される。この実施形態はまた、裏当て材料57および結合媒体 58を含む。トランスデューサのパラメータは、図１〜図４の実施形態について上で説明した通りである。図５および図６によって示される実施形態はまた、真空手段と、電流を与えるための手段または他の物理的エンハンサとを含み得る。結合媒体キャビティは、水性または非水性結合媒体で満たされ得る。水性または非水性結合媒体としては、水、生理食塩水、エタノールおよびイソプロパノールなどのアルコール（水溶液中10%〜100%の濃度範囲）、Triton X-100またはドデシル硫酸ナトリウム（好ましくは、水溶液中0.001%と10%との間の濃度範囲）、DMSO（好ましくは、水溶液中10%と100%との間の濃度範囲）、リノール酸などの脂肪酸（好ましくは、エタノール−水（50:50）混合物中0.1%と2%との間の濃度範囲）、アゾン（好ましくは、エタノール−水（50:50）混合物中0.1%と10%との間の濃度範囲）、好ましくは水溶液中0.1%と50%との間の濃度範囲のポリエチレングリコール、好ましくは水溶液中0.1mg/mlと100mg/mlとの間の濃度範囲のヒスタミン、好ましくは1mMと100mMとの間の濃度範囲のEDTA、好ましくは1mMと100mMとの間の濃度範囲の水酸化ナトリウム、およびその組み合わせなどがあるが、これに限定されない。薬物送達の場合、結合媒体はまた、拡散によって、または、対流およびイオン泳動などの他の駆動力によって、皮膚を通して輸送される薬物を含む。結合媒体は、トランスデューサから皮膚への超音波エネルギーの効率的な輸送を増大させる。これらの結合媒体の適切な混合物はまた、皮膚付近または皮膚内部のキャビテーション活性を高め得、皮膚を通した分子の輸送の効率を増大する。実験により、キャビテーションが、結合媒体による影響を受け得ることが分かっている。蒸気圧および表面張力などの媒体の物理化学属性は、媒体のキャビテーションの程度に影響を及ぼす。キャビテーションはまた、気泡、裂け目、または、二酸化チタン粒子もしくはポリマー粒子などの微粒子の形態で核を与えることによって増大され得る。皮膚表面上でのキャビテーションの発生はまた、皮膚表面の、スポット（spot ）以外の超音波の適用領域全体を湿潤剤でコーティングすることによって高められ得る。皮膚とコーティングとの濡れ特性の差のため、キャビテーションは、スポットにおいて優先的に起こり得る。コーティングは、ポリ（メチルメタクリレート）などのポリマーからなっていてもよく、または、例えばポリ（ビニルジフルオライド）からなる膜であってもよい。輸送の増大は、結合媒体に、例えばヒスタミンなどの毛管血管透過性エンハンサを添加することによって得られ得る。結合媒体中のヒスタミンの濃度は、0.1m g/mlと100mg/mlとの間の範囲であり得る。これらの薬剤は、超音波の適用中に表皮を通して送達され得、局部的な浮腫を引き起こし得る。この局部的な浮肺は、局部的な流体圧を増加し、さらに、皮膚を通した分析物の輸送を増大し得る。さらに、浮腫による自由流体の発生は、局部的にキャビテーションを引き起こし得、皮膚を通した分析物および薬物の輸送を高め得る。超音波振動部材ここでは、経皮的な分析物抽出または薬物送達の目的のために、針またはワイヤなどの振動部材を使用するデバイスおよび方法を説明する。１つの実施形態では、部材は、横モード（transverse mode）であり、部材は、その長軸に対して垂直な方向に振動している。様々な実施形態では、部材は、皮膚の上方、皮膚にちょうど触れる位置、または皮膚に侵入した状態で配置され得る。１つの実施形態では、部材は、皮膚上で発振して、皮膚に孔または擦傷領域を作ることが可能にされ、発振が継続すると、組織液または血液の体外へのポンプ輸送を促進する。あるいは、部材は、薬物送達を増大するために使用され得る。振動部材は、結合媒体と一緒に、または、結合媒体を使用せずに、使用され得る。結合媒体を使用しない場合の、特に分析物の抽出およびアッセイに関する利点は、希釈の面倒さが防止されることである。即ち、抽出された血液または組織液中の分析物濃度を決定する際に、体積の変化を計算しなくてもよいことである。部材が皮膚にちょうど触れる位置にあるか、または皮膚に侵入している場合、結合媒体は必要でない。結合媒体を使用する場合の別の利点は、音響流動が起こり得ることである。流体中に超音波を適用すると、対流の流れ、即ち、音響流動と呼ばれる状態を生成することが知られている。流動速度は、超音波源付近が最も速い。この流動は、生物組織を変化させ得、細胞の破壊および溶解を引き起こし得るか、または、組織および細胞の内部に対流パターンを生成し得る。皮膚に存在する孔の上で音響流動が起こると、対流により薬物含有流体が孔の中に流入することにより薬物送達が促進され得るか、または、対流により組織液または血液が孔から流出することにより臨床的に関連のある分析物の抽出が促進され得る。さらに、キャビテーション、皮膚の機械的発振、および局部的な剪断力は、適切な結合媒体を使用して増加され得、また、経皮輸送をさらに増大し得る。皮膚の痛みレセプターは、真皮には存在するが、皮膚の最も外側の層である表皮および角質層には存在しない。従って、表皮および角質層には侵入することができ、または、小さい領域を、ほとんどもしくは全く知覚することなく、除去することができる。振動部材の使用により、皮膚の最も外側の層は擦傷され得、皮膚の一体性に破損を生じる。あるいは、皮膚の最も外側の層だけに侵入する針は、非常に小さい孔（直径約50μm〜約1mm）を作ることができ、この孔を通して、痛みを感じることなく、血液または組織液が真皮から収集され得る。この部材はまた、孔からの流体の流れを増大し得る音響流動を生成し得、その結果、分析に役立つ流体体積の収集が得られる。増大された流体の流れは、例えば手首または前腕などの、指先よりも血管形成化されておらず且つ神経が分布されていない部位からの血液の抽出を可能にする。従って、痛みが起こる可能性がはるかに低い部位で測定値を取ることができるとともに、指先から、痛みを感じることなく測定値を取ることができる。振動部材を使用して皮膚の孔の中または孔から外に流体をポンプ輸送する場合、少なくとも３つの異なる利点が与えられる。より多くの流体が皮膚を通って流れ、分析物が孔から流出する、または、薬物が孔に流入する。超音波の効果は局部化されるため、痛みまたは不快感をあまり感じることなく、超音波が高い強度で送達されることが可能となる。さらに、部材の侵入の深さを、角質層および表皮だけに制限することができるため、真皮中の痛みレセプターをほとんど刺激することなく、血液または組織液が収集されることが可能となる。超音波トランスデューサは、連続的な動作の下では、急速に熱くなり、皮膚に損傷を引き起こし得る温度に達することが知られている。熱による皮膚の損傷は、皮膚から離れて配置されるトランスデューサを使用して小型の部材を皮膚付近で発振させることにより、解消され得る。さらに、この部材は小型で、且つ、熱くならないため、部材は、孔付近に配置され得る。従って、孔は、最も速い流体速度の領域に曝露され、より大きいポンプ輸送効率が得られる。振動部材は、連続的に、または、超音波振動のため断続的に、皮膚に侵入し得（約150μmまで）、その領域の表皮を腐食し得る。あるいは、振動部材は、皮膚に侵入しなくてもよく、皮膚をより透過性にすることにより、輸送を増大し得る。その後、穿刺または腐食領域の組織液または血液は、真空の使用、拡散、または毛管作用によって、部材または結合媒体に収集され得る。振動部材が、皮膚に触れていないまたは侵入していない場合、結合媒体は、超音波の適用中に使用されなければならない。希釈を防ぐために、結合媒体は、分析物の収集前に除去され得る。図７は、皮膚表面の上方に配置される振動部材を使用する、分析物抽出または薬物送達のためのデバイス60の１つの実施形態を示す。このデバイスは、幾何学的構造の（geometric）超音波集束デバイスについて上で説明したような、振動部材64と結合媒体66とを含むチャンバ62を含む。この部材は、その一方端が、圧電トランスデューサ、磁気歪みトランスデューサ、または他の振動生成デバイス 68に固定される。バイモルフ（Bimorph）トランスデューサおよびスタック型（s tacked）圧電トランスデューサなどの、大きな変位を生成する圧電トランスデューサが好ましい。トランスデューサ68によって生成された振動は、好ましくは横モードで発振する部材に伝えられる。発振は、電力増幅器に結合される交流電圧発生器を使用して生成される。電圧波形は、好ましくは、正弦波である。部材、トランスデューサ、電圧発生器および電力増幅器からなる超音波生成システムは、標準の家庭用電源または電池によって電力供給され得る。超音波トランスデューサ68は、電気接続部72を介して電気信号発生器および増幅器70に接続される。振動部材は、血液もしくは組織液の収集、または薬物の送達のための手段を与えるために、その中心にチャネルを有するように製造され得る。あるいは、分析物または薬物は、チャンバから収集または送達されてもよい。図９は、皮膚表面にちょうど触れる状態で配置されるかまたは皮膚に侵入する振動部材を通して超音波を適用するためのデバイス110の実施形態を示す。シャフト112は、囲い114に配置される振動生成手段（図示せず）に連結される。振動生成手段は、機械的、電気的、電気機械的、または超音波手段によって動作し得る。部材の振動は、横方向、即ち、皮膚に対して垂直な方向であっても、皮膚に対して平行であっても、所定の角度であってもよい。デバイス110は、充電式電池で動作し、且つ、スイッチ116により動作する。部材に与えられる振動周波数は、約1kHz〜約100kHzの範囲で変動する。シャフトの振動の大きさは、約１μm 〜5mmの範囲で変動する。シャフト１１２は、部材１２０を保持し部材１２０を定位置にロックし得る、部材ホルダ１１８に接続される。部材１２０は針であり得る。キャップ１２２は、必要に応じて毛細管１２４を含み、部材１２０が貫通する孔を有する。孔の直径は約１０μｍから５ｍｍの間であり、これが部材先端の振動の大きさを決定する。突出している部材の長さは、ネジコントロール１２６を用いて約０から５００μｍに制御され得る。デバイスを指先に配置して用いるときは、皮膚のこの領域の表皮は、例えば手首に比べて厚いため、突出部分を長くする必要がある。さらに、デバイスを、部材が皮膚に貫入しないように用いることもできる。使用においては、使用者はデバイスを皮膚の所望の領域に配置し、５秒から２分の間デバイスをオンにする。デバイスの貼付けにより生じる表面血液は、採取ストリップに絞り入れられるか、または毛細管１２４を通して吸引され、アッセイ用に採取される。図１０に示すデバイスは、複数の振動部材の使用を示す。デバイスは、送達される薬剤または採取される分析物を保管するためのレザバー１３０を含む。キャビティのマイクロ針であり得る１つ以上の部材１３２がレザバーから延び、デバイスが皮膚に対して配置されるとＳＣまで延びるが表皮を超えないような長さを有する。もしくは、部材はちょうど皮膚に触れるように配置され得る。デバイスには、部材に超音波を適用するトランスデューサ１３４を備えている。もしくは、これに加えて、デバイスは電流または他の物理的なエンハンサを部材を横断して適用する手段を備え得る。部材部材は、後述する各実施形態においては円筒形状であり得る。円錐形先端、半円球状先端、または皮膚を穿孔することなく、または皮膚に小さな穴を開けることなく、皮膚に接触するのに適した他の任意の形状を有し得る。部材はステンレススチール、タングステンまたは十分な引っ張りまたは疲労強さを有する他の任意の材料により製造され得る。部材は高い引っ張り強さ（１５０ｋｓｉより高い）を有する材料により製造されるのが好適である。このような材料の例としては、音楽用ワイヤ（高カーボンスチール合金）、硬い引き延ばしＭＢスチール、オイル焼き戻しＭＢスチール、クロム−バナジウムスチール、およびスプリング真鍮が挙げられる。部材は任意の実用的な長さであり得、直径約１０μｍから２ｃｍの間、好ましくは約１００μｍから５００μｍの間であり得る。結合媒体を用いない場合は、振動部材の皮膚へのまたは皮膚からの距離は、皮膚に小さな穴または剥離を形成して十分な音響流動を生成するためには重要である。ユニットは、部材の皮膚からの距離を約０．１から５ｍｍの間に、または振動部材の皮膚内への深さを約１５０μｍまでの範囲に制御するサブユニットを備え得る。もしくは、サブユニットは、部材が皮膚に接触して皮膚に穴を開けずに皮膚を押さえつける位置に部材を配置し得る。部材は、振動を始めた後に皮膚に穴を開ける。ユニットはまた、針が皮膚に与える下向きの力を制御するサブユニットを備え得る。これは上記と同じサブユニットであり得る。この深さおよび／または力制御サブユニットは片持ち梁であり得、この上にトランスデューサおよび振動部材が固定される。部材の先端での振動を最大にするために、超音波波長の奇数倍を４で割った値に等しい部材長を有することが好適である。先端部のふれもまた、部材の剛直性を、タングステンまたは３０４ステンレススチールなどのもっと剛直な材料に変えることによって改変され得、これにより銅または音楽用ワイヤなどの可撓性がより大きな材料に比べてふれを小さくすることができる。部材の先端の形状は、皮膚の表面近くに様々な異なる力および流れパターンを生成するように改変され得る。先端が尖っている場合はその近くに非常に局所的な剪断力および音響流動が得られ、一方先端が鈍い場合はもっと分散した力が生成される。これらの力、従って経皮輸送の向上性もまた、部材アレイをトランスデューサ上に搭載することによって分配され得る。振動部材は、音響流動の吸引作用を最大にするために、皮膚の穴近くに配置される。部材は、１ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲、好ましくは５ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲の周波数で、適切な圧電性または磁歪性トランスデューサまたは均等の手段、電気信号発生器、および増幅器を用いて駆動され得る。トランスデューサの変位振幅、デューティサイクル、皮膚からのまたは皮膚への距離、および皮膚への付着時間を含む他のパラメータを変えて、皮膚貫通および経皮流体抽出の十分な向上を実現させてもよい。トランスデューサの変位振幅は約５から１００ μｍの範囲であり得る。デューティサイクルは約１０から１００％の範囲であり得る。皮膚への距離は、約１から１５０μｍの範囲であり得る。付着時間は約２０から１２０秒の範囲であり得る。部材の物理的な寸法および機械特性もまた、経皮流体輸送の向上のために変動させ得る。部材が皮膚に接触することも皮膚内に入ることもない実施形態では、部材は好ましくは皮膚から約０．１から５ｍｍの間である。センサ振動部材は、化学センサ、バイオセンサ、または他の測定システムなどのセンサと一体形成され、これにより図８に示すような完成抽出／測定システム７４が形成され得る。流体移送のための内部チャネルを有する部材がセンサ７８と一体に形成され、コネクタ８４によってトランスデューサ８２に接続される使い捨てユニット８０を形成する。必要であれば、コネクタもまたセンサと電気接触を確立し得る。トランスデューサは、部材が皮膚８８に与える力および貫入の深さを制御する２つの片持ち梁８６に取り付けられる。電気リードが梁上に形成されて、トランスデューサ８２とそのコントローラ９０との間の、およびセンサ７８と測定電子器具との間の電気接触を確立する。コントローラ９０は電気関数発生器およびパワー増幅器を含み得る。ディスプレイ９２は、測定された分析物濃度をユーザに示す。システム全体は、バッテリ９４によって電力供給され、バッテリは、電気リード９６によってすべての電子器具に接続される。システムはハウジング９８内に収められ、電子器具が保護される。ハウジングはまた、デバイスが皮膚に配置されるとき針が皮膚に深く貫入し過ぎないようにするための止めとしても働く。振動部材７６は、その中心にチャネルを有するように製造され、血液または間質流体の採取のためのスペースを提供する。チャネルは、流体の毛管流動を促進するための、ホウ珪酸ガラスまたは二酸化珪素などのコーティングで裏張りされ得る。一体化されたチャネルを有する振動部材は、珪素の微細加工によって製造され得る。システムは、使い捨てユニット８０をトランスデューサ８２に取り付け、ハウジング９８を皮膚８８に対して配置することによって作動する。次にシステムを始動させ、抽出された流体を部材のチャネルを通ってセンサに輸送させる。対象分析物が測定され、示数がユーザに表示される。システムは自動的に停止し、ユーザは使い捨てユニットを捨てる。感知システムは結合媒体と直接接触してもよいし、または結合媒体をセンサに移送してもよい。移送は、吸収材料によって運ばれることによって、毛管作用によって、電気浸透による流れによって、または超音波吸引を含む吸引によって行われ得る。ユニットは、薬剤送達手段、分析物回復手段、分析物を測定する感知手段、および薬剤送達手段に信号を供給する制御手段を含む閉鎖ループ薬剤送達ユニットとして機能するように構成され得る。好適な実施形態では、ユニットは、流体を回収して、内部のグルコースの濃度を計算し、必要なインスリン量を決定し、そしてそのインスリン量を送達するサブユニットを含み得る。分析物の抽出のためには、図１１に示されるような別の非侵襲的な方法がある。この方法について例示的な実施形態として示すが、本明細書で述べるパラメータおよびデバイスから多くの変更がなされ得ることは理解されよう。この方法は、チャンバー１４０と超音波プローブ１４２とを用いる。チャンバーは様々な形状を取り得るが、この例示的な実施形態では円柱形状であり、約１．５ｃｍ²の面積の両開口端を有する。チャンバーの一方の開口端は、所望の位置で皮膚１４４に対して配置される。生理食塩水（約１ｍｌ）を、ゼロ分を超え約１時間までの時間にわたってチャンバー内に入れて、皮膚を水和する。次に生理食塩水を結合媒体に置き換える。結合媒体は、上述の媒体のうちの１つであり得、浸透エンハンサを含み得る。この例示的な実施形態では、結合媒体は生理食塩水中の１％のラウリル硫酸ナトリウム（ＳＬＳ）である。直径１ｃｍの円筒状超音波トランスデューサプローブを、チャンバーに挿入し、針を皮膚から約１ｃｍのところに配置する。トランスデューサは、最大圧力振幅３０ｋＰａ（強度３００ｍＷ／ｃｍ² ）、デューティサイクル５０％（５秒オン／５秒オフ）で５分間、約２０ｋＨｚで作動させた。経皮伝導性を２つの周波数、１０Ｈｚおよび１ｋＨｚで測定するためには、生理食塩水で満たされた第２のチャンバーを被検体の腕に配置し得る。１０Ｈｚおよび１ｋＨｚでの皮膚のコンダクタンスが匹敵し得るほどになると（２０％以内）超音波の適用を停止した。この後、溶液をチャンバーから除去して、５００μ ｌの生理食塩水に置き換えた。チャンバーを５分間真空（水銀柱で約１０）状態にして流体を抽出した。これで溶液がアッセイされ得る。この方法はヒトからのグリコールをアッセイするのに用いられた。第１のステップでは、トランスデューサを１１％の振幅、５秒オン／５秒オフで１分間作動させた。第２の分析物抽出ステップでは、５分間、水銀柱１０で真空状態にした。約１００から３５０ナノモル／ｃｍ²／時間のグルコース流束を得た。血液中のグルコースレベルを同時に測定し、本明細書で延べた方法でのレベルに匹敵した。さらに、苦痛または不快感は報告されず、超音波に曝された部位への損傷または赤斑もなかった。上記の非侵襲的な方法を、同様の条件でラットにも行った。同様の結果が得られた。分析物抽出ステップでは、トランスデューサは、１％の振幅、５秒オン／５秒オフで１５分間作動させた。１５０ナノモル／ｃｍ²／時間のグルコース流束、および１００ｍｇ／ｄｌの血液グルコースレベルを得た。これらの流束は、反対のイオン導入法を用いて得られた流束より７０倍高い。真空の代わりにまたはこれに加えて、他の輸送向上方法も用いられ得る。例えば、他の経皮輸送駆動力としては、浸透圧勾配、電流、様々な異なる条件下での超音波、エレクトロポレーション、磁場、および機械圧が挙げられる。この２ステップ方法は同様に薬剤送達にも用いられ得る。皮膚は、超音波を適用によって浸透可能にされ得、これに続いて薬剤が皮膚に付着され、拡散または物理的なエンハンサの補助によって薬剤が輸送される。実用的適用音伝達分析物モニタリングデバイスの実際の動作は、以下のように考えられる。患者が使い捨てユニットを開封してポータブルまたはベンチトップ型超音波発生器に挿入する。超音波発生器はさらに、皮膚抵抗またはヘモグロビン測定、分析物濃度測定、および測定された分析物濃度の表示用の回路を含み得る。システム全体（超音波処理器および使い捨てユニット）が皮膚に接して置かれ、超音波が単独で又は、化学物質、電場、真空、および圧力界を含む他の物理化学界と共に一定期間アクティベートされる。皮膚から抽出された分析物は、使い捨てユニットから収集されて適切なアッセイを用いて測定される。同様の動作が、患者が薬物を含む使い捨てユニットを開封して超音波発生デバイスに装填する薬物送達にも用いられ得る。アセンブリ全体が皮膚に接して置かれ、デバイスがアクティベートされる。あるいは、他の位置に感知部材が位置づけられ得、皮膚に接し且つ超音波に曝されたチャンバの内容物が、機械的力、毛細管力、超音波、真空、または電気浸透力を用いて、感知チャンバにポンプにより入れられ興味の対象である分析物に対して分析され得る。チャンバはさらに、皮膚コンダクタンス測定用の２つまたは４つの電極を含み得る。皮膚コンダクタンスの測定は、患者間、および同一の患者の部位間の、分析物フラックスの変動を最小にするために必要であり得る。これらの測定は、小さいＡＣまたはＤＣ電位を、皮膚に接し且つ電気的に分離された２つの電極に印加することにより行われる。これらの電極を流れる電流が電流計を用いて測定され、皮膚抵抗が電位および電流の値を用いて測定される。分析物のアッセイ超音波は、サンプルが収集される部位において、皮膚に適用される。リザーバまたは収集容器が、サンプル収集のために部位に当てられ、その後サンプルが標準的技術を用いて測定される。超音波条件は、薬物送達の場合同様、分析物回収を最大にしながら、サンプルの他の成分に対する分析物の相対的レベルを維持するように最適化される。超音波をフォーカスする上記手段を用いた分析物抽出の場合、結合媒体内の抽出された分析物の量は、適切なアッセイ方法を用いて測定される。例えば、色変化という結果になるアッセイ方法が用いられ得る。色の変化は、上部の窓を介して使い捨てチャンバに入る光ビームを用いて検出され得る。分析物はさらに、酵素電極またはバイオセンサを用いてチャンバ内で検出され得る。グルコース用酵素電極の例は、表面にグルコースオキシダーゼとフェロセンまたはその誘導体などの電子媒介物とが固定化された、スクリーン印刷された電極である。グルコースの酸化により生成された電子は、グルコースオキシダーゼから媒介物を介して電極に移送される。従って、分析物溶液中のグルコース濃度は、生成される電流に比例する。近赤外線分光法に基づくさらに別の検出メカニズムもまた用いられ得る。この方法によると、ゲル中の抽出されたグルコースの濃度が、２つの窓を介してチャンバを通過する近赤外光の吸収によって検出される。光が通過する窓は、超音波トランスデューサから分離され得るか、またはビームがトランスデューサを介して直接通過し得る。換言すると、分析物感知システムは、興味の対象である分析物と反応する酵素と、反応物の内容を測定する電子化学的または光学的トランスデューサとからなり得る。このような酵素は、グルコースオキシダーゼおよびグルコースデヒドロゲナーゼを含むが、これらには限定されない。グルコースオキシダーゼを例として用いると、グルコースが以下の反応のいずれかを用いて測定される：グルコース＋Ｏ₂→グルコノラクトン＋Ｈ₂Ｏ₂；グルコース＋２Ｍ_O→グルコノラクトン＋２Ｍ_R。上記において、Ｍは酸化状態（Ｏ）または還元状態（Ｒ）における媒介物である。電子化学的トランスデューサはその後、Ｏ₂、Ｍ_Oの消費、またはＨ₂ Ｏ₂またはＭ_Rの生成のいずれかを測定する。媒介物（Ｍ）の例は、フェロセンおよびその誘導体またはＯ_S（ビス−ビピリジン）₂Ｃｌを含むポリマーを含むが、これらには限られない。電子化学的トランスデューサは、２つまたは３つの電極を有するシステムからなり得、電極の材料は、金、銀、銀／塩化銀、プラチナ、パラジウムまたは炭素である。電極電位は、ポテンショスタット（ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔ）により制御され、電子化学的反応もこれによりモニタされる。光学的トランスデューサは、Ｍ_Oの消失またはＭ_Rの出現をモニタする。光学的トランスデューサは、単色または多色であり得る光源からなり、発光ダイオードまたは光ファイバであり得る。光学的トランスデューサは、光源に加えて、酵素反応によって起こる透過率または吸収率の変化を測定するデバイスを含む。このデバイスは、フォトダイオードであり得るが、これに限定されない。チャンバはさらに、抽出された分析物のフラックスの変動を最小にすることを目的として、１を越える分析物の濃度を測定するメカニズムを含み得る。例えば、音伝達中に抽出されたイオンの量の測定は、同一期間中に抽出されたグルコースの量の変化に対する正規化ファクタとして用いられ得る。これは、抽出流体の伝導率を測定すること、またはイオン選択性電極を用いて個々のイオンを測定することにより達成され得る。イオン濃度もまた、超音波の適用を制御するために用いられ得る。イオン濃度が所定のレベルに達すると、超音波はオフにされる。血液が抜き取られた場合、正規化は抽出溶液中のヘモグロビンの量を測定することにより達成され得る。ヘモグロビンは、比較的一定の血中濃度を有し、抽出された血液の容量の測定値を提供する。ヘモグロビンは、波長５４０ｎｍで分光学的に測定され得る。ヘモグロビン濃度もまた、超音波の適用の制御に用いられ得る。ヘモグロビン濃度が所定のレベルに達すると、超音波はオフにされる。１次分析物に加えて、２次分析物もまた抽出される。１次分析物の濃度が、２次分析物の濃度によって正規化され、抽出間および部位間の変動を低減させる。２次分析物の例は、塩、クレアチニン、コレステロール、およびトリグリセリドを含むが、これらに限定されない。塩の測定は、Ｎａ⁺またはＣａ²⁺などの特定のイオン測定、または溶液伝導率を用いた全体的イオン測定を含む。薬物の投与薬物は好適には、患者の都合および最大薬物浸透に基づいて選択された部位において皮膚に投与される。例えば、腕、太股、または胃は比較的皮膚が薄いエリアを代表し、手および脚は不均一で硬い。好適な実施形態において、薬物が部位に適用され、続いてすぐに超音波が適用される。あるいは、超音波がまず適用されて皮膚の浸透性を増加させ、その後薬物が適用されるということもあり得る。薬物は皮膚を介して拡散するか、または皮膚を介して移送される。これらの計算および以下の実施例におけるデータに基づき、以下のように、患者の処置のために、必要な用量および適用レジーム（ｒｅｇｉｍｅ）を計算し得る。典型的な糖尿病患者（体重７０ｋｇ）は約１２ユニットのインスリンを１日３回（総用量：１日約３６ユニット、'World Book of Diabetes in Practice' K rall、L.P．(Ed)、Elsvier、1988に引用）服用する。各インスリン用量が１時間で音伝達により送達されるすると、必要な経皮フラックスは１２Ｕ／時間である。インスリン１ユニット（１Ｕ）はインスリン約４０ｍｇに相当することに留意されたい。これらの計算に用いられる経皮パッチ領域は、４０ｃｍ²（経皮Ｆｅｎｔａｎｙｌ^TMパッチ[ＡＬＺＡＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ]）である。これらの計算に用いられるドナーの濃度は、インスリン（市販のインスリン溶液［Ｈｕｍｕｌｉｎ^TM］の場合１００Ｕ／ｍｌであり、γ−インターフェロンの場合３×１０⁷（ＧｅｎｚｙｍｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより推薦されているインターフェロン溶液の典型的濃度）であり、エリトロポイエチンの場合３×１０⁵Ｕ／ｍｌである[Davis J.、Arakawa T.、Strickland T.、Yphantis D,、Biochemistr y、2633〜2638、1987]。癌またはウイルス性感染症に苦しむ患者に毎回与えられる典型的γ−インターフェロン用量は、約５×１０⁶Ｕ（Grups J．W.、Frohmuller H．G.、Br ．J．Med . 、1989、64(3)218〜220；Parkin J．M.、Eales L.、Galazka A.、Pinching A. 、Br ．Med．J.、1987、294:1185〜1186）である。α−インターフェロンおよび β−インターフェロンの同様の用量もまた、ウイルス性感染症および癌に苦しむ患者の免疫応答を向上させることが示されている（'Clinlcal Applications of interferons and their inducers'、El．Stringfellow D.、Marcel Dekker、New York、1986に引用）。このインターフェロン用量が音伝達により１時間で与えられるとすると、必要な経皮フラックスは５×１０⁶Ｕ／時間である。γ−インターフェロンの１ユニットは、γ−インターフェロン約１ｐｇに相当することに留意されたい。貧血症の患者に皮下的に与えられる典型的な１日のエリトロポイエチン用量は、約４００Ｕ（'Subcutaneous Erythropoeitin、Bommer J.、Ritz E.、Weinreic h T.、Bommer G.、Ziegler T.、Lancet、406、1988に引用）である。この用量が３工程で送達され、各工程が１時間の音伝達を含むとすると、必要な経皮フラックスは約１４０Ｕ／時間である。エリトロポイエチンの１ユニットは、エリトロポイエチン約７．６ナノグラムに相当することに留意されたい。物理的および化学的エンハンサ本明細書に記載の超音波デバイスおよび方法と組み合わせて、物理的および化学的エンハンサが用いられ得る。本明細書において、物理的エンハンサは、吸引（図４を参照のこと）、浸透圧グラジエント、イオン泳動、電気穿孔、磁界および機械圧を含む。超音波は、皮膚を浸透性にするために用いられ、それに続いて様々な力界が適用されることにより、分子の経皮移送のための追加の駆動力を提供する。吸引の適用は、皮膚を介した対流的移送を誘導し得、それにより経皮移送に対する超音波の影響を向上させる。浸透グラジエントまたは電流の適用もまた、同様のメカニズムにより、経皮移送を向上させ得る。必要な浸透グラジエントは、塩（例えば、２ＭＮａＣｌ）またはマンニトール（１Ｍ生理食塩水溶液）およびデキストランなどの糖を用いて提供され得る。物理的エンハンサの使用は、他に記載されている。上記した化学的エンハンサもまた用いられ得る。実施例１：血液の抽出およびグルコースの測定図７に示すデバイスを以下のように構築した。ＶＣＸ−４００超音波角（Ｓｏｎｉｃｓ＆Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、ＣＴ）のチタン先端を、振動する針を用いて、先端内にトランスデューサ変位方向に直交して孔をあけ、長さ２４ｍｍ×直径１ｍｍの針をエポキシ樹脂を用いて固定することにより改変した。直径１．４ｍｍのオリフィスを有するチャンバを、皮膚に接して置き、結合媒体として作用する１００ｍＭＮａＯＨの等張性生理食塩水溶液５０μｌを充填した。用いられた部位は、手の甲上にあった。針の先端が皮膚から約０．２ｍｍの位置にある状態で、針を結合媒体に浸漬した。角は結合媒体ともチャンバとも接していなかった。その後超音波を１分間連続的に適用した。露出期間の終了時に、結合媒体を収集して、パルス性電流検出による高圧液体クロマトグラフィーを用いて、グルコース濃度を決定した。抽出手順を、４人のヒトボランティアに対して行い、同一部位に対して５回反復した。結果を表１にまとめる。表１ヒトボランティアからの経皮グルコース抽出：抽出流体中のグルコース濃度（μｇ／ｍｌ）回収されたグルコースの量および同一被検体間の標準偏差は、逆イオン泳動を用いて得られた結果に匹敵する。しかし、ここに開示した方法は、時間を１／１５に短縮した。実施例２：振動針部材を用いたグルコースの抽出この例の場合、同じ一般的アプローチを用いたが、他の場合に得られ得るよりも多くのグルコースを汲み出す(pump out)ように、それに加えて、超音波部材を用いて皮膚を穿刺するメカニズムを使用し、その後、これを除去して横モードで振動させた。この概念を実証するために、横発振部材として縫合針を使用した。図７に示すチャンバを皮膚に当てた。チャンバから独立して発振針を下げ得るように、システムをセットアップした。マイクロメータを用いて、針が角質層を貫通して表皮に入るまで、またはさらに貫通して真皮に達するまで針を進め、これにより、それぞれ組織液または血液を抽出した。次いで、マイクロメータを用いて、針が皮膚に触れないで皮膚の直上に位置するように針を引き出した。次いで、針を発振させ、流体を収集し、これをアッセイした。結果は実施例１と匹敵した。実施例３：振動横針(Vibrating Transverse Needle)を用いたグルコースの抽出この例の場合、発振部材は皮膚を貫通した。この発振部材は、トランスデューサに横モードで取り付けられた鍼治療用の針(acupuncture needle)であった。第２の実施例同様、マイクロメータを用いて鍼治療用の針をある固定深さまで皮膚に挿入した。その後、鍼治療用の針を上記のように発振させて、組織液がそのゲル様稠度から溶解するのを助長し、これにより、組織液は生体から汲み出されてアッセイが可能になる。鍼治療用の針をより深く貫通させれば、この技術によって血液サンプルを得ることが可能になる。このシステムは、得られる組織液または血液を最大化するように改変され得る。このような改変例は、鍼治療用の針が、針の長さ方向に延びるフランジであって、毛管力を大きくして流体の抽出を助長するフランジを有するようにすることである。別の改変例の１つは、このような発振部材が、その動きが最小となるようなノード(nodes)を有するという事実を利用して、痛みが生じる深さでは発振が最小となり、流体の抽出を促進する深さでは発振が最大となるような発振周波数、鍼治療タイプ針の長さ、および皮膚内に入れる深さを用いることである。結果は実施例１に匹敵した。実施例４：発振針を用いた抽出本実施例では、丁度皮膚に触れるように部材を位置決めした。超音波ユニット（VSX 400 Sonics and Materials）の端部に横方向に(transversely)搭載される鍼治療用の針（Black Dragon 38 Gauge）を用いて、横発振器(transverse oscil lator)を構成した。鍼治療用の針は、角の側から１．８３１ｃｍ突出していた。おおよそ半分に切断したＨＰＬＣ挿入バイアル(insert vial)からサンプルウェルを構成した。ウェルの底部の直径は、約２．４５ｍｍであった。指をウェルの下で動かして針の動きをみることを指標として、サンプルウェルの底部まで発振針を下げた。サンプルウェルを保持するラボクランプ(lab clamp )を調節することによって、サンプルウェルの底部の下で指先を動かしたときに針が動かなくなるまで、ウェルを最低限の量だけ下げた。左手の甲をウェルの底部に触れるように位置決めして、流体が漏れないようにした。２０マイクロリットルの蒸留水をウェルに入れて、約３５％〜３６％の振幅の連続出力でサンプルを一分間超音波処理した。さらに４０マイクロリットルを使用して、サンプルを回収して、サンプルウェルを洗い流し、そして、標準的なＨＰＬＣ手順を用いてサンプルをアッセイした。その結果は、実施例１で得られたものに匹敵する濃度のグルコースが得られたことを示した。５人の志願者から得られた平均濃度は１．６５μｇ／ｍｌであった。平均標準偏差は１．１６であった。別の局面の１つにおいて、本願に開示されるデバイスおよび方法は、１８世紀のイタリア人作曲家であるGiuseppe Tartiniによって初めて記載され、1996年12 月２日発行のBusiness Week、108-109頁のLarry Armstrongによる論文にも記載されている「タルティニ音(Tartini tones)」として知られる現象によって生じる音または超音波を利用することができた。大幅に小さなトランスデューサを用いて、より低い周波数（１０ｋＨｚ未満）を生成することができる。この方法は、周波数の異なる２つの音または超音波が相互作用すると、その２つの中間の周波数を持つ第３の波が形成されるという現象を利用している。この第３の波に焦点を合わせることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号６０／０２２，９２５ (32)優先日平成８年８月１日(1996．8．1) (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号６０／０２３，６３６ (32)優先日平成８年８月９日(1996．8．9) (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号６０／０２４，６３９ (32)優先日平成８年８月22日(1996．8．22) (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号６０／０３３，０４７ (32)優先日平成８年12月11日(1996．12．11) (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号６０／０３３，９９６ (32)優先日平成９年１月３日(1997．1．3) (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号６０／０３４，６５７ (32)優先日平成９年１月８日(1997．1．8) (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ (72)発明者ミトラゴトリ，サミールアメリカ合衆国マサチューセッツ 02139，ケンブリッジ，メインストリート 790，アパートメント 11 (72)発明者ピソコ，マイケルアメリカ合衆国テキサス 77803，ブライアン，カータークリークパークウェイ 3400 (72)発明者デイビス，マシュウアメリカ合衆国デラウエア 19807，グリーンビル，スワロウヒル７

Claims

【特許請求の範囲】１．経皮輸送を増強するためのデバイスであって、第１の直径およびエネルギーを有する超音波ビームを提供する超音波トランスデューサと、該ビームが該第１の直径より小さい第２の直径を有し且つ該ビームが該エネルギーの少なくとも５０％を維持するように、該超音波ビームを幾何学的にチャネリングするように構成および調節された壁を有するチャンバと、を備え、より小さい直径を有する該超音波ビームが皮膚に適用される、デバイス。２．前記デバイスが、分析物回収を高めるために使用される、請求項１に記載のデバイス。３．前記チャンバが、大開口部および小開口部を有する円錐台の形状を有し、前記トランスデューサが、該チャンバの該大開口部に配置される、請求項１に記載のデバイス。４．前記チャンバが、大開口部および小開口部を持つ角の形状を有し、前記トランスデューサが、該チャンバの該大開口部に配置される、請求項１に記載のデバイス。５．前記ビームの前記第２の直径が、約１００μｍ〜１ｃｍである、請求項１に記載のデバイス。６．前記チャンバが結合媒体を収容し、前記超音波ビームが、皮膚の透過性を増大させるのに十分なキャビテーションをもたらす、請求項１に記載のデバイス。７．吸引、浸透圧勾配、イオン泳動、エレクトロポレーション、磁界および機械圧よりなる群から選択されるさらなる経皮輸送駆動力を適用する手段をさらに備えた、請求項１に記載のデバイス。８．前記チャネリングされた超音波ビームを皮膚に適用することによって、該皮膚上に直径約１００μｍ〜１ｃｍの擦過領域が形成される、請求項１に記載のデバイス。９．前記トランスデューサが、前記チャンバ壁の一部を形成する、請求項１に記載のデバイス。１０．経皮輸送を増強するために皮膚に適用するデバイスであって、直径約１００μｍ〜１ｃｍの皮膚上の領域に約２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの超音波ビームを指向するように幾何学的に構成された超音波トランスデューサと、結合媒体を収容する、該トランスデューサと皮膚との間のキャビティと、を備えた、デバイス。１１．前記トランスデューサの形状が半球状である、請求項１０に記載のデバイス。１２．前記トランスデューサが半球に構成された複数のトランスデューサを含む、請求項１０に記載のデバイス。１３．経皮輸送を増強する方法であって、約２０ｋＨｚ〜２ＭＨｚの周波数および第１の直径を有する超音波ビームを提供する工程、該第１の直径より小さい約１００μｍ〜１ｃｍの間の第２の直径となるように、該超音波ビームを幾何学的にチャネリングする工程であって、該ビームのエネルギーが約５０％よりも大きくは減少しない工程、および該チャネリングされたビームを皮膚の領域に適用する工程、を包含する、方法。１４．経皮輸送を増強するためのデバイスであって、約１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの間の周波数でエネルギーを生成するトランスデューサと、該トランスデューサからエネルギーを受容し、振動を皮膚に伝達するように構成された少なくとも１つの部材と、を備えた、デバイス。１５．前記部材を収容するハウジングをさらに備え、該ハウジングを皮膚に当てたときに、前記少なくとも１つの部材が皮膚内に最大約１５０μｍ延びる、請求項１４に記載のデバイス。１６．前記部材を収容するハウジングをさらに備え、該ハウジングを皮膚に当てたときに、前記少なくとも１つの部材が丁度皮膚に触れる、請求項１４に記載のデバイス。１７．前記少なくとも１つの部材は、約１０μｍ〜２ｃｍの直径を有する、請求項１４に記載のデバイス。１８．前記少なくとも１つの部材は、約１００μｍ〜５００μｍの直径を有する、請求項１４に記載のデバイス。１９．前記少なくとも１つの部材および結合媒体を収容するチャンバをさらに備えた、請求項１４に記載のデバイス。２０．前記少なくとも１つの部材は中空であり、これにより、分析物を該部材の該中空部内に収集できる、請求項１４に記載のデバイス。２１．皮膚から引き出される分析物の測定を提供するセンサユニットをさらに備えた、請求項１４に記載のデバイス。２２．ハウジングをさらに備え、該ハウジングが、前記トランスデューサと、トランスデューサコントローラと、該トランスデューサコントローラに電力供給するバッテリと、ディスプレイと、前記少なくとも１つの部材および前記センサユニットを含む使捨てユニットを取り付ける手段と、前記デバイスを皮膚に当てたときに該部材が皮膚内に突出し得る距離を調節する手段と、を収容する、請求項２１に記載のデバイス。２３．複数の部材をさらに備えた、請求項１４に記載のデバイス。２４．経皮輸送を増強する方法であって、１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲の周波数で超音波エネルギーを送達するトランスデューサを提供する工程、該超音波エネルギーを部材に伝送し、該部材を振動させる工程、および該部材によって生成された該振動を皮膚に適用する工程、を包含する、方法。２５．前記部材を直接前記皮膚に適用する工程をさらに包含する、請求項２４に記載の方法。２６．少なくとも１つの前記部材を前記皮膚から約０．１〜５ｍｍ上方に位置決めする工程をさらに包含する、請求項２４に記載の方法。２７．前記部材および前記皮膚に接触する結合媒体を提供する工程であって、該部材が該皮膚に接触しないように該部材を位置決めし、該部材は該皮膚の透過性を増大させるのに十分なキャビテーションをもたらす工程をさらに包含する、請求項２４に記載の方法。２８．分析物が抽出され得る穴を前記皮膚に形成する工程をさらに包含する、請求項２４に記載の方法。２９．前記穴が前記部材によって形成される、請求項２８に記載の方法。３０．前記部材が横モードで振動する、請求項２４に記載の方法。３１．経皮輸送を行う方法であって、超音波を皮膚のある領域に適用して該皮膚をより透過性にする工程、該超音波を除去する工程、およびさらなる超音波、吸引、浸透圧勾配、イオン泳動、エレクトロポレーション、磁界および機械圧よりなる群から選択される経皮輸送駆動力を適用する工程、を包含する、方法。