JP2005532570A - ｐＨの非侵襲的測定法 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 医療社会では、介護する際において重要な生理学的パラメータを測定する非侵襲性機器に対する必要性がある。このような技術は、患者の重要な介護管理の間に一般にモニターされた生理学的パラメータの多様性に適用可能である。本発明は、患者における組織のｐＨの測定方法に関する。この方法は、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）のような、蛍光がｐＨ感応性である種からの光信号を測定すること、ならびに、ＦＡＤのような第２の生理学的マーカーからの光信号、実質的にｐＨ非感応性である第２のマーカーからの蛍光を測定することを含む。この方法は、第１及び第２の光信号を用いて患者のｐＨを決定することを含む。

Description

本発明は、一般に医療機器を対象とし、より具体的には生理学的パラメータの非侵襲的光センサーを対象とする。

分光学的手法は、医学界における様々な用途を目的として開発されてきた。例えば、パルスオキシメトリーおよびカプノグラフィ用測定器は病院において、手術室および術後ＩＣＵで広く使用されている。これらの技術は、歴史的には吸収をベースとした分光学的手法に基づくものであり、通常は救命環境におけるトレンドモニターとして使用されている。このような環境では、患者の生命パラメータが大きな生理的変化を受けているかどうかを素早く判定することが求められている。この動作環境では、救命状況にある患者のリアルタイムでのポイントオブケアのデータについての臨床上の必要性から、これらの機器の精密さおよび正確さの要求性能がある程度において緩和されていることは許容できるものであった。

パルスオキシメトリーおよびカプノグラフィ用測定器はどちらも、測定するために外皮または組織を突き通す必要がなく、個々の患者に対して測定器を個別に校正するための患者からの血液または血清試料を必要としないという点で、非侵襲的であるというレッテルを貼ることができる。これらの測定器は、通常、大きな患者母集団での臨床試験結果から求められた、予め選択されたグローバルな校正係数を持っている。臨床試験結果は、患者の年齢、性別、人種などの変数全体の統計的な平均値を表している。

しかし、命にかかわる状況にある患者について迅速かつ正確なデータが求められる、緊急救命室、救命ＩＣＵ、および外傷センターなどの領域に使用するための非侵襲的測定器について、医学界において要望が増大している。これらの環境において必要なこうした測定の１つは、血液および／または組織のｐＨレベルである。この値は、遊離水素イオン濃度を評価する基準である。これは、細胞内物質代謝の重要な評価基準である。ヒトの身体内の生物学的プロセスは正常な機能のために狭い範囲のｐＨを必要とし、ｐＨがこの範囲から著しく変化すると命にかかわる虞がある。

ｐＨの他にも、血液ガス（Ｏ_２およびＣＯ_２）、血液電解質、心イベント酵素マーカー、およびグルコースなどのその他の血液化学パラメータなど、その他の生理学的パラメータを救命救急処置の間測定し監視することも通常行われている。これらの測定を行う技術は、５０年近くも病院の検査室にあるものである。患者の血液から採取した血液試料でこれらの測定を行った後、血液試料は検査室に送られて分析される。これらの検査室の測定は一般に電気化学的センサーで行われる。

非侵襲的光学技術の近年の進歩は、救命監視および処置を行うために、これらの測定のいくつかを、十分な精密さと正確さでポイントオブケアで行うことができる可能性を持っている。また、自然界中に存在する生物分子の吸収および蛍光特性の両方を、非侵襲的光学測定用の生理的マーカーとして利用することへの関心が増大している。これらの技術はいずれも、皮膚のテクスチャおよび化学組成が患者間で異なることによって複雑になっている。これらはいずれも、皮膚の光学特性に影響を与え、こうした機器の統括的校正を困難なものにしている。

上記の状況において、医学界においては、ポイントオブケアでの重要な生理的パラメー
タを測定する非侵襲的測定器が求められている。こうした手法は、患者の救命救急管理中に通常監視している様々な生理パラメータに適用することができる。

監視することが重要な具体的な生理パラメータの１つは患者のｐＨである。ｐＨ測定方法の一実施態様は、媒体中の、ｐＨの影響を受けやすい蛍光特性を有する蛍光生体分子からの第１の光信号を測定することを含む。媒体中の、実質的にｐＨの影響を受けない蛍光マーカーからの第２の光信号を測定する。次いで、この第１および第２の光信号を用いて、媒体のｐＨを求める。

具体的な一実施態様においては、本方法は、媒体のｐＨに左右されるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）からの蛍光信号を測定すること、ならびに、媒体のｐＨに実質的に左右されないフラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ）からの蛍光を測定することを含む。

本発明のもう１つの実施態様は、媒体中のｐＨを測定するシステムである。本システムは、媒体を光励起する光源と、その蛍光が媒体のｐＨに左右される、媒体中の蛍光生体分子からの第１の光信号を検出し、かつその蛍光が媒体のｐＨに実質的に左右されない、媒体中のマーカーからの第２の光信号を検出する検出装置とを含む。制御装置を結合して、第１および第２の光信号に関する、検出装置からの検出信号を受信し、これらの第１および第２の光信号に基づいて媒体のｐＨを求める。

上記の本発明の概要は、本発明の各実施態様の例示、またはすべての実施を説明するためのものではない。以下の図面および詳細な説明がこれらの実施態様をより具体的に例証する。

本発明は、添付の図面と関連付けて、本発明の様々な実施態様の以下の詳細な説明を加味することによって、より完全に理解することができるであろう。

本発明は様々な修正物および代替形態に適用できるが、その具体的内容は図に例示されており、以下に詳細に説明する。しかし、本発明を、説明する具体的な実施態様に限定することを目的とするものではないことを理解されたい。そうではなく、目的は、特許請求範囲に規定された本発明の精神および範囲に入るすべての修正物、等価物、および代替物をカバーすることである。

本発明は医療機器に適用できるものであり、非侵襲的な生理学的光センサーに特に有用であると思われる。一般に、本発明は、自然界中に存在する生物学的マーカーを用いて、ヒトの組織に非侵襲的な蛍光分光法を行うための測定法に関する。測定は、光検出器を用いて、ヒトの組織に直接接触させてもしくはほぼ接触させて行うことができ、あるいは、血液または他の体液もしくは組織がｅｘ−ｖｉｖｏ測定用に抽出されているｉｎ−ｖｉｔｒｏ環境において行うことができる。蛍光分光法の他に、吸光度分光法または光伝播分光法（ｐｈｏｔｏｎ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などの他の光学測定手法を、単独でまたは蛍光測定法と組み合わせて使用することもできる。外科的な処置なしに非侵襲的に部位にアクセスすることができ、同じ生理学的部位で非侵襲的に校正と分析測定の両方を行うことができる。発明者Ｖｉｃｔｏｒ Ｋｉｍｂａｌｌ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｆｕｒｌｏｎｇ、およびＩｒｖｉｎ Ｐｉｅｒｓｋａｌｌａによる、Ａｌｔｅｒａ Ｌａｗ Ｇｒｏｕｐ Ｄｏｃｋｅｔ＃１５３５．３ＵＳ０１の、「Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ Ｓｉｔｅ」と題する、本明細書と同じ日に出願された米国特許出願第１０／１９５００５号には、上皮組織の利用に基づいて、非侵襲的な光学測定を行うためのいくつかの適切な部位が記載されている。この特許出願を参照として本明細書において示す。同様に、場合によっては、主要な生理学的測定と同時に付加的な生理学的パラメータを測定することも有利であると思われるが、この手法の一例が、発明者Ｓｔｅｖｅｎ Ｆｕｒｌｏｎｇによる、「Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｄｕａｌ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ／Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ ｐＨ ａｎｄ ｐＣＯ_２」と題する米国特許第５６７２５１５号に記載されている。この特許を参照として本明細書に示す。
米国特許出願第１０／１９６００５号明細書 米国特許第５６７２５１５号

本発明の方法によれば、第１の光信号は、その蛍光がその環境のｐＨに左右される蛍光生体分子から得られる。第２の光信号は、その蛍光が環境のｐＨに実質的に左右されない蛍光マーカーから得られる。次いで、これら２つの光信号を用いて、この生体分子およびマーカーが置かれている環境のｐＨを求めることができる。

生理学的監視のために特別関心のある２つの自然界中に存在する生体分子は、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ^＋）およびフラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ）である。特に、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）の還元型は、ｐＨ依存の蛍光スペクトルをはっきり示すが、一方ＦＡＤは実質上ｐＨに依存しない蛍光スペクトルを有する。ＮＡＤＨとＦＡＤの組み合わせは、血液および／または組織のｐＨの非侵襲的光学測定に有用であると思われる。

ＮＡＤ^＋およびＮＡＤＨは、多くの異なる代謝反応で相互に変換する。身体ではＮＡＤＨを使用して脂肪、砂糖、およびアミノ酸をアデノシン三リン酸（ＡＴＰ）に酸化して、細胞のバイオエネルギーを生成している。分光法の視点からは、ＮＡＤＨはこの化学種の蛍光型であり、ＮＡＤＨをＮＡＤ^＋に変換する化学反応を、ＮＡＤＨ発光に伴う波長で消光する蛍光として光学的に観察することができる。

ＮＡＤＨをＮＡＤ^＋に変換する１つの化学反応は、細胞呼吸に関するものである。
ＮＡＤＨ＋Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋３Ｈ_３ＰＯ_４＋３ＡＤＰ→ＮＡＤ^＋＋３ＡＴＰ＋４Ｈ_２Ｏ
この式において、分子状酸素の存在下、過剰の水素イオン（Ｈ^＋）が導入されるにつれて反応は右へ進む。言い換えれば、水素イオンの添加によって溶液のｐＨが低下するにつれて、ＮＡＤＨはＮＡＤ^＋に変換され、利用できるＮＡＤＨ分子からの蛍光発光もこれに応じて低下する。ｐＨ＝−Ｌｏｇ［Ｈ^＋］であるから、水素イオンの添加はｐＨの低下を伴う。

クエン酸回路とも呼ばれることがある、いわゆるクレブス回路において、同様のＮＡＤＨからＮＡＤ^＋への変換が起こる。こうした例の１つはイソクエン酸の酸化であり、これは結局下に示す最終工程になる。
ＮＡＤＨ＋Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２→ＮＡＤ^＋＋Ｈ_２Ｏ
この式においても、分子状酸素の存在下、過剰の水素イオン（Ｈ^＋）が導入されるにつれて、言い換えれば環境のｐＨが低下すると、反応は右へ進む。

上記の化学反応はどちらも、ＮＡＤＨが、ｐＨの非侵襲的光学測定用の自然中に存在する生物学的マーカーとして有用であることを示唆している。

上記に加えて、フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ）も、下に示す中間工程で、クエン酸回路における役割を果たす。
ＮＡＤＨ＋ＦＡＤ＋Ｈ^＋→ＦＡＤＨ_２＋ＮＡＤ^＋
この式では、ＦＡＤがＮＡＤＨからＮＡＤ^＋への変換を促進する。このことから、ＦＡＤによってＮＡＤＨの蛍光が局部的なｐＨ環境の影響を受けやすくなっている可能性が研究された。この亢進は、ＮＡＤＨからＮＡＤ^＋への変換に複数の経路があるために起こっている可能性があり、これはｐＨの単位変化当りのＮＡＤＨ蛍光の変化の増大として実験的に観察されている。以下の実験結果は、この亢進作用を探る研究を概説するものである。

図１は、Ｈ_２Ｏに希釈されたＮＡＤＨ（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｏｒｐ．、Ｓｔ． Ｌｏｕｉｓ、ｐａｒｔ＃ Ｎ８１２９）の０．０６ミリモル溶液の、正規化された吸収スペクトルおよび蛍光発光スペクトルを示す。これらのスペクトルは、スペクトル解像度が１ナノメートル（ｎｍ）の蛍光光度計ＳＰＥＸ ＦｌｕｏｒｏＬｏｇ ２を用いて得たものである。この装置は、以下に述べる他のすべてのスペクトル測定にも用いられた。図１は、半値全幅（ＦＷＨＭ：ａ ｆｕｌｌ−ｗｉｄｔｈ ｈａｌｆ−ｍａｘｉｍｕｍ）が約５８ｎｍの、３３８ｎｍ近傍に吸収ピークを持つ吸収スペクトルを示している。

図１はまた、３３８ｎｍの吸収ピーク近傍で励起された場合の、同じＮＡＤＨ溶液の蛍光スペクトルも示している。得られた蛍光スペクトルは、４５４ｎｍ近傍に発光ピークを持ち、半値全幅が約８９ｎｍである。

図２は、Ｈ_２Ｏに希釈されたＦＡＤ（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｏｒｐ．、Ｓｔ． Ｌｏｕｉｓ、ｐａｒｔ＃ Ｆ６６２５）の０．１４ミリモル溶液の、正規化された吸収スペクトルおよび蛍光発光スペクトルを示す。吸収スペクトルは二頂分布（ｂｉ−ｍｏｄａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）をなしており、３７５ｎｍ近傍の短波長の局部的吸収ピークと、半値全幅が約８７ｎｍの４５０ｎｍ近傍の第２の最大吸収ピークとがある。図２はまた、４５０ｎｍの吸収ピーク近傍で励起された場合の、同じＦＡＤ溶液の蛍光スペクトルも示している。得られた蛍光スペクトルは、５２８ｎｍ近傍に発光ピークを持ち、半値全幅が約７７ｎｍである。

図３は、ｐＨ範囲６．０〜８．０におけるＮＡＤＨ蛍光のｐＨ感応性を示す、異なるｐＨ値で得られた３つの蛍光曲線を提示するものである。このｐＨ範囲は、正常なヒトの生理的ｐＨ範囲を包含している。３つのＮＡＤＨ・Ｎａ_２ＨＰＯ_４（リン酸ナトリウム）・Ｈ_２Ｏ溶液を、ＮＡＤＨとＮａ_２ＨＰＯ_４の比を変えて別々に調製し、ｐＨ＝６、ｐＨ＝７およびｐＨ＝８の所望のｐＨ値を得た。蛍光は、３６０ｎｍ近傍の励起波長を用いて各溶液について測定した。

これらの一連のデータから得られた計算の結果、５０ミリｐＨ（０．０５０）単位のｐＨレベルの変化に対して、蛍光強度が０．０８％変化する感応性が得られた。病院の緊急救命室およびＩＣＵで使用されている市販のｉｎ−ｖｉｔｒｏのｐＨセンサーの多くは、５０ミリｐＨ範囲の精密さおよび正確さの仕様を持っているので、結果をこのような形で表すことは有用である。

図４は、ｐＨ範囲６．０〜８．０におけるＦＡＤ蛍光のｐＨ感受応性実測値を示す、異なるｐＨ値で得られた３つの蛍光曲線を提示するものである。３つのＦＡＤ・Ｎａ_２ＨＰＯ_４（リン酸ナトリウム）・Ｈ_２Ｏ溶液を、ＦＡＤとＮａ_２ＨＰＯ_４の比を変えて別々に調製し、ｐＨ＝６、ｐＨ＝７およびｐＨ＝８の所望のｐＨ値を得た。蛍光は、４５０ｎｍ近傍の励起波長を用いて測定した。これらの一連のデータから得られた計算の結果、水素イオン（Ｈ^＋）濃度が１００倍変化する範囲である６．０〜８．０のｐＨ範囲で、ＦＡＤ蛍光の変化はほとんど識別できなかった。

図５は、異なるｐＨ値で得られた３つの蛍光曲線を提示するものであり、ｐＨ範囲６．０〜８．０におけるＮＡＤＨとＦＡＤの混合物の蛍光のｐＨ感応性実測値を示している。３つのＮＡＤＨ・ＦＡＤ・Ｎａ_２ＨＰＯ_４（リン酸ナトリウム）・Ｈ_２Ｏ溶液を、ＮＡＤＨ／ＦＡＤとＮａ_２ＨＰＯ_４の比を変えて別々に調製し、ｐＨ＝６、ｐＨ＝７およびｐＨ＝８の所望のｐＨ値を得た。３つの溶液すべてにおいて、ＮＡＤＨとＦＡＤはどちらも約０．０４２ミリモルであった。蛍光は、３７０ｎｍ近傍の励起波長を用いて測定された。この励起波長は、ＮＡＤＨとＦＡＤ両方の蛍光を同時に励起するために選択された。図１および図２から分かるように、ＮＡＤＨとＦＡＤはどちらも半値全幅が５０ｎｍより広い吸収帯を有しており、かなり重なり合っている。これにより、共通の励起帯で両化学種を励起するための適切な波長を選択する自由度が増す。励起波長選択のこの自由度により、３つ以上の自然界に存在する生体分子が同じ波長領域に入る吸収帯を有する、より複雑な分光系を励起させる可能性がもたらされる。一方、この自由度は、励起帯を特定の波長領域へかたよらせて、ヘモグロビン、コラーゲン、エラスチン、またはトリプトファンなどの妨害化学種からの蛍光の励起を回避することもできる。

これらの曲線は、約４２５ｎｍ〜４７５ｎｍの領域の蛍光信号の強度がｐＨ値に非常に依存していることを示している。特に、４５０ｎｍ（ＮＡＤＨ蛍光ピークのすぐそば）におけるｐＨ感応性は、ＮＡＤＨ単独の溶液より約２０倍大きい、即ち５０ミリｐＨ単位当り約１．６％である。この約４２５ｎｍ〜４７５ｎｍの波長範囲に狭帯域の帯域フィルタを戦略的に配置して、さもなければｐＨ感応性を損なう恐れのある、望まない／妨害化学種からの蛍光を避けることができる。５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長範囲の信号の蛍光は実質的にｐＨの影響を受け難く、特に約５４０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲ではｐＨの影響を受けにくい。この波長範囲は、主としてＦＡＤからの蛍光に相当している。約５６０ｎｍ以上の波長では、蛍光信号は実質的にｐＨの影響を受けない。したがって、この波長領域の信号は、安定した基準信号として用いることができる。５６０ｎｍ近くの領域の、この安定した、ｐＨの影響を受けない（ＦＡＤ蛍光からの）基準信号を用いて、光伝播または吸収分光法などの代替の光学測定手法を増強し、ｐＨを測定することもできる。ほぼ５６０ｎｍ以上の波長におけるｐＨの影響を受けない領域の広帯域性により、この領域の戦略的波長において狭帯域の帯域フィルタリングを行って、さもなければｐＨ感応性を損なう恐れのある、望まない／妨害化学種からの蛍光を避けることができる。ＮＡＤＨ／ＦＡＤからの蛍光に基づくｐＨ測定用の非侵襲的生理学的監視装置６００の具体的な一実施態様が、図６に概略図で示されている。光源６０２が、ｐＨ測定に使用される、自然中に存在する蛍光化学種の吸収スペクトルと重なり合う光放射線６０４を発光する。光源６０２は、狭帯域放射線を発光することができ、または広帯域放射線を発光することができる。放射線が広帯域の場合は、光帯域フィルタ６０６を組み込んで、所望の波長範囲にある波長だけがプローブされる媒体６１４に、確実に、最後に到達するようにできる。例えば、その蛍光がｐＨに左右される蛍光化学種がＮＡＤＨであり、その蛍光がほとんどｐＨに左右されないマーカーがＦＡＤである場合は、所望の励起波長範囲がＮＡＤＨとＦＡＤ両方の吸収ピーク下にあることが好ましい。したがって、ＮＡＤＨ／ＦＡＤについては、通常、励起波長は３４０ｎｍ〜３８０ｎｍの範囲にある。

光放射線６０８は、所定値より短い波長を通過させ、この所定値より長い波長を反射するように設計されているダイクロイックフィルタ６１０を通して伝送される。光放射線６１２は、患者のインターフェース６１５を介して、試験下の媒体６１４に入射し、入射放射線の一部がＮＡＤＨとＦＡＤによって吸収される。媒体６１４は、患者の組織、例えば上皮組織とすることができるが、他の種類の組織、例えば臓器の組織であってもよい。媒体６１４は、血液、血清または組織液などの生物流体であってもよい。媒体６１４は、ｉｎ ｖｉｖｏでもｉｎ ｖｉｔｒｏでもよい。

励起光６１２によって照射されて、ＮＡＤＨとＦＡＤはこれらに付随した発光波長で蛍光発光し、蛍光放射線６１６がＮＡＤＨとＦＡＤの蛍光の重ね合わせとして媒体６１４から出てくる。蛍光放射線６１６は、ダイクロイックフィルタ６１０で反射して、反射光線６１８として波長検出分離装置６２０に入射する。波長検出分離装置６２０は、重ね合わされたＦＡＤ蛍光信号Ｓ_ＦＡＤからＮＡＤＨ蛍光信号Ｓ_ＮＡＤＨを分離する波長分散型装置とすることもできる。検出器６２２と６２４が、信号Ｓ_ＮＡＤＨとＳ_ＦＡＤを検出するために配置され、媒体６１４のｐＨを測定する検光子／制御装置６２６に結合されている。

信号Ｓ_ＮＡＤＨとＳ_ＦＡＤの比をとって、以下の形のｐＨ依存性の代数式を形成することができる。
Ｒ_PH＝（Ｓ_ＮＡＤＨ／Ｓ_ＦＡＤ）
式中、分子項Ｓ_ＮＡＤＨはｐＨ依存性であり、分母Ｓ_ＦＡＤは、励起信号６１２の振幅を変えることになる光源の変動または同様の影響を補償する、安定な基準信号を提供することができる。組織のｐＨは、上記の式１に示したＲ_ｐｈの関係を用いて計算することができる。
この手法は、ｉｎ−ｖｉｔｒｏの測定にも適用することができる。その場合は、構成要素６１４は、全血もしくは希釈血液、血清または組織液を充填した光学セルとすることができる。

システム６００の様々な修正および改造版を使用できることが分かるであろう。例えば、光６１２を、光ファイバを介して患者のインターフェース６１５に導くことができる。さらに、媒体６１４から受ける光６１６は、励起光６１２を送り出すのと同じファイバを通ることができる。別の実施態様では、信号光６１６を、励起光を送り出すファイバとは異なるファイバを介して、分離装置６２０に伝送することができる。この場合は、フィルタ６１０を省略することができる。

これまでシステムの説明は媒体からの蛍光信号の検出を対象としてきたが、本発明は蛍光信号の利用に限られるものではない。例えば、ＮＡＤＨの吸収もまたｐＨの変化によって影響を受ける。したがって、装置６００によって検出される光信号は、ＮＡＤＨとＦＡＤの一方または両方に関連した吸収信号を利用することができる。このような場合、一般に光６０８は、それぞれＮＡＤＨとＦＡＤによる吸収に関わる２つの異なる波長の光を含む。これらの異なる波長は、例えばフィルタ６０６を調整することによって得ることができ、あるいは光源６０２自体を調整することによっても得ることができる。その他の手法を利用して２つの異なる励起波長で光を得ることもできる。一般に、励起波長は、ＮＡＤＨが吸収するための励起光はＦＡＤによって著しく吸収されず、ＦＡＤのための励起光はＮＡＤＨによって著しく吸収されないように選択される。例えば、ＮＡＤＨのための励起波長は約３００ｎｍとすることができ、一方ＦＡＤのための励起波長は４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲とすることができる。

吸光度測定の場合は、一般に患者のインターフェース７１５は、図７に示すように、励起光を媒体６１４に伝送する励起口７２０と、この励起口７２０からずれた位置にある、励起波長で散乱／吸収された光を受けるための少なくとも１つの検出口７２２とを含む。患者のインターフェース７１５は、励起口７２０から異なる距離で間隔をおいて配置された、少なくとも２つの検出口７２２および７２４を含むことが好ましい。励起口７２０から第１および第２検出口７２２および７２４へ励起光が移動した光路長の差によって、媒体における励起光の吸収のより正確な推定が可能になる。検出器６２２を使用して第１検出口７２２から受信した信号を検出することができ、一方、検出器６２４を使用して第２検出口７２４から受信した信号を検出することができる。追加の検出器を使用することもできる。検光子装置７２６は、検出器６２２および６２４で測定された信号から、１つの励起波長での吸光度を求め、次いで別の励起波長での吸光度を求める。次いで、これら２つの吸光度信号の組み合わせを用いてｐＨを求める。

ＮＡＤＨおよびＦＡＤを使用するという観点から本発明を説明してきたが、本発明を、
これらの化学種の使用に限定するつもりではないことを理解されたい。そうではなく、本発明は、その蛍光がｐＨに左右される第１の生物学的化学種、およびその蛍光が実質的にｐＨの影響を受けない第２の生物学的化学種の使用を対象として含むことを目的とするものである。「実質的に影響されない」とは、マーカーのｐＨに関連した蛍光の変化が、第１の生物学的化学種の変化より著しく小さいことを意味する。また、ｐＨの変化によってマーカーの蛍光がいかに変化してもｐＨ測定値の誤差とみなされるものであり、この誤差は、例えばノイズ、光源からの光出力の変化などに起因する計器誤差より小さいことを意味する。

本発明は、上記の具体的な実施例に限定されると見なすべきではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲に公正に記載された本発明のすべての態様を対象として含むものと理解されるべきである。本発明を適用することができる様々な修正、等価なプロセス、ならびに数多くの構造は、本明細書の評価について本発明を対象とする当分野の技術者には容易に明らかになるであろう。特許請求の範囲は、こうした修正や工夫も対象として含むものである。

ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）の０．０６ミリモル溶液の、正規化された吸収スペクトルおよび蛍光発光スペクトルを示す図である。 フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ）の０．１４ミリモル溶液の、正規化された吸収スペクトルおよび蛍光発光スペクトルを示す図である。 ｐＨ範囲６．０〜８．０における、ＮＡＤＨの蛍光発光スペクトルを示す図である。 ｐＨ範囲６．０〜８．０における、ＦＡＤの蛍光発光スペクトルを示す図である。 ｐＨ範囲６．０〜８．０における、ＮＡＤＨとＦＡＤの混合物の蛍光発光スペクトルを示す図である。 本発明の一実施態様による、ｐＨ測定システムの概略図である。 本発明の別の実施態様による、別のｐＨ測定システムの概略図である。

Claims (38)

1. 媒体中にあって、ｐＨに対して感応性である蛍光特性を有する蛍光生体分子からの第１の光信号を測定し、
   前記媒体中にあって、実質的にｐＨに対して非感応性である蛍光特性を有する蛍光マーカーからの第２の光信号を測定し、
   前記第１及び第２の光信号を用いて前記媒体のｐＨを決定する、ことを含む媒体のｐＨを測定する方法。
2. 前記蛍光生体分子がＮＡＤＨである、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の光信号が約４３５ｎｍ〜４７５ｎｍの範囲の蛍光信号である、請求項２に記載の方法。
4. 前記マーカーがＦＡＤである、請求項１に記載の方法。
5. 前記第２の光信号が約５１０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲の蛍光信号である、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１の光信号を測定することが、前記蛍光生体分子からの蛍光信号を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記第１の光信号を測定することが、前記蛍光生体分子の吸光度を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記第２の光信号を測定することが、前記マーカーからの蛍光信号を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記第２の光信号を測定することが、前記マーカーの吸光度を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
10. 第１の励起波長の光を前記媒体に照射することによって前記第１の光信号を励起することを更に含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記第１の励起波長が約３４０ｎｍ〜３８０ｎｍの範囲である、請求項１０に記載の方法。
12. 約３５５ｎｍ〜３９５ｎｍの間の範囲であって前記第１の励起波長とは異なる第２の励起波長の光を用いて、前記第２の光信号を励起することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の励起波長の光を用いて前記第２の光信号を励起することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記第１の励起波長とは異なる第２の励起波長の光を前記媒体に照射することによって前記第２の光信号を励起することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記媒体における第１の部分を励起すること、ならびに、当該媒体の第１の部分からの前記第１及び第２の光信号の測定を含む当該第１及び第２の光信号を測定することを更に含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記媒体における第１の部分を励起すること、ならびに、当該第１の部分とは異なる前記媒体における第２及び第３の部分での吸光度信号の測定を含む前記第１及び第２の光信号の一つを測定することを更に含む、請求項１に記載の方法。
17. 患者の組織からの前記第１及び第２の光信号を測定することを更に含む、請求項１に記載の方法。
18. 患者の生体液からの前記第１及び第２の光信号を測定することを更に含む、請求項１に記載の方法。
19. 前記生体液が血液、介在液及び血清の少なくとも一つを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１の光信号を測定することが、第１の光検出器で前記第１の光信号を検出することを含み、前記第２の光信号を測定することが、前記第１の光検出器で前記第２の光信号を検出することを含む、請求項１に記載の方法。
21. 前記第１の光信号を測定することが、第１の光検出器で前記第１の光信号を検出することを含み、前記第２の光信号を測定することが、前記第１の光検出器とは異なる第２の光検出器で前記第２の光信号を検出することを含む、請求項１に記載の方法。
22. 前記媒体のｐＨを決定することが、Ｒ＝Ｓ_１／Ｓ_２の比を計算すること、ならびに、当該Ｒを用いて前記媒体のｐＨを計算することを含み、ここで、Ｓ_１は前記第１の光信号を示す信号であり、Ｓ_２は前記第２の光信号を示す信号である、請求項１に記載の方法。
23. 媒体を光学的に励起する光源と、
    蛍光が前記媒体のｐＨに依存する媒体中の蛍光生体分子からの第１の光信号を検出し、かつ、蛍光が前記媒体のｐＨに実質的に依存しない媒体中のマーカーからの第２の光信号を検出する検出ユニットと、
    前記検出ユニットからの、前記第１及び第２の光信号に関する検出信号を受信し、かつ、前記第１及び第２の光信号に基づいて媒体のｐＨを決定するように結合された制御器と、を含む媒体のｐＨを測定するシステム。
24. 前記媒体に結合可能な患者のインターフェースを更に含み、当該患者のインターフェースが、前記媒体の光源からの光を直接励起する励起部と、前記媒体からの光を受信し、かつ、当該受信した光を前記検出ユニットに向ける少なくとも一つの検出部とを含む、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記検出ユニットが前記蛍光生体分子からの蛍光を検出する、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記検出ユニットが、約４３５〜４７５ｎｍの範囲における前記蛍光生体分子からの蛍光を検出する、請求項２５に記載のシステム。
27. 前記検出ユニットが前記マーカーからの蛍光を検出する、請求項２４に記載のシステム。
28. 前記検出ユニットが、約５１０〜６００ｎｍの範囲における前記マーカーからの蛍光を検出する、請求項２７に記載のシステム。
29. 前記検出ユニットが、前記蛍光生体分子によって吸収される光に対する吸光度信号を検出する、請求項２４に記載のシステム。
30. 前記検出ユニットが、約３３０〜３９０ｎｍの範囲の光に対する吸光度信号を検出する、請求項２４に記載のシステム。
31. 前記検出ユニットが、前記マーカーによって吸収される光に対する吸光度信号を検出する、請求項２４に記載のシステム。
32. 前記検出ユニットが、約３４０〜４０５ｎｍの範囲の光に対する吸光度信号を検出する、請求項２４に記載のシステム。
33. 前記検出ユニットが、前記媒体から受信した光を、前記蛍光生体分子から受信した第１の光信号と第２の光信号とに分離する波長光分離器を含み、かつ、前記第１及び第２の光信号を検出する第１及び第２の光検出器を含む、請求項２３に記載のシステム。
34. 前記検出ユニットが、スペクトル走査デバイスを通って光センサへ向かう分光依存路を含み、前記スペクトル走査デバイスが、前記蛍光生体分子からの第１の光信号と結合する第１の配置と前記マーカーからの第２の光信号と結合する第２の配置において機能する、請求項２３に記載のシステム。
35. 前記検出ユニットが、ＮＡＤＨの蛍光からの４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲にある光を検出する、請求項２３に記載のシステム。
36. 前記マーカーがＦＡＤである、請求項２３に記載のシステム。
37. 前記検出ユニットが、ＦＡＤの蛍光からの５００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲にある光を検出する、請求項３６に記載のシステム。
38. 前記制御器が、Ｓ_１を前記第１の光信号を示す信号としＳ_２を前記第２の光信号を示す信号として、Ｒ＝Ｓ_１／Ｓ_２の比を計算することによって前記媒体のｐＨを決定し、かつ、前記Ｒを用いて前記媒体のｐＨを計算する、請求項２３に記載のシステム。

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