JP2010117355A

JP2010117355A - 溶血器

Info

Publication number: JP2010117355A
Application number: JP2009258544A
Authority: JP
Inventors: Herfried Huemer; ヒューマーヘルフリード
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: CN101738336B; EP2187209A1; US8279433B2; CN101738336A; JP5601823B2; EP2187209B1; CA2683030C; US20100151512A1; HK1144963A1; CA2683030A1

Abstract

【課題】小型で静かであり、消費エネルギーが低く、内部品質チェックが出来、キュベット交換はシステム動作可能なまま行え、分光分析器のオキシメータモジュール用の溶血器を提供する。
【解決手段】ソノトロードプレート３と、それに作用する、AC電気信号発生器１０によって機械的に振動するように設定することができる振動発生素子２とを含み、また、ソノトロードプレート３によって機械的振動が伝達されるサンプル室６を含み、好ましくは２０〜５０ｋＨｚの広い周波数帯で機械的に振動するように励振可能である振動発生素子２を有する、溶血器１を提供すること。好ましくは、振動発生素子２は圧電多層アクチュエータとして設計される。一実施形態では、振動発生素子２は第１及び第２の導体１３，１４の間に圧締めされ、導電性マット１５が少なくとも一つの振動発生素子２と導体との間の界面に配置され、マットが導電性材料の、特に炭素の粒子を含有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルによる溶血器(haemolysator)に関する。

更に、本発明は、サンプル、特に血液サンプルを受け入れるキュベット(測定室)と組み合わせた溶血器に関する。

本発明はまた、溶血器を含む分光分析器に関する。

更に、本発明は、多層アクチュエータを含む溶血器に、特に多層アクチュエータを含む振動システムに関する。

本発明は更に、圧電多層アクチュエータを備えた溶血器の動作状態の機能試験及び監視の方法（プロセス）に関する。

冒頭に言及したような溶血器は、分光分析器に使用され、特に、ヘモグロビン誘導体、例えば、O₂Hb、HHb、COHb、MetHb、並びにそれらから得られる量を分光的に決定する(それぞれ、オキシメトリ及びCOオキシメトリ)のに使用される。しかしながら、溶血器は、複合型の分光化学分析器に使用するのにも適している。前記分析器は、とりわけ、全血サンプル中の血液ガス(O₂、CO₂、pH)、電解質(K⁺、Na⁺、Ca⁺⁺、Cl^-)、代謝物質(グルコース及び乳酸塩)、ヘマトクリット、ヘモグロビンパラメータ(tHb、SO₂など)、並びにビリルビンの分散型決定に役立つ。それを行う際、それらの物質の特徴的な測光吸収特性が利用され、測定値は数学的アルゴリズムによって評価される。

求められる測定精度を達成できるために、光学測定に先立って、溶血器によって行われる全血の溶血が必要である。それを行う際、血球は、光散乱効果に干渉することなく測定を行うことができるように、主に超音波エネルギーによって破壊される。

図１では、従来技術により知られている、分光分析器のオキシメータモジュール200の概略図が示される。前記オキシメータモジュールは、レンズ203によって集光され、光学測定室204上に向けられる光線202を発生させる測定光源201を含む。「キュベット」とも称される前記光学測定室204は、透明なケース壁を有し、そこを光線202が通り抜けることができる。サンプル205、特に全血サンプルは、サンプルを通り抜ける光線202の分光組成を変える特徴的な光度吸収特性を有し、測定室204内に置かれる。測定室204を出た後、光線202は光導波路206に導入され、分光センサ207に案内される。サンプル205の分光分析は、サンプルが光線202を実質的に拡散しない液体に転換されるように全血サンプル中の血球が超音波によって破壊されるところの溶血を必要とする。溶血は、超音波振動子として設計され、逆圧電効果(即ち、電気信号を圧電素子に加えることによって機械的変形が引き起こされる物理的現象)により、交流電気信号による励振を通じて機械的振動を発生させ、その機械的振動が共振器212に伝達され増幅される(図２も参照)圧電セラミック素子211を含む、溶血器210によって行われる。共振器212は、次には、その前面上に形成された連結面213を通じて、機械的振動を測定室204のケース壁に伝達し、それによって、振動はサンプル205内へと伝搬し、キャビテーション効果によってその中で血球を破裂させる。更に、溶血器210は、共振器212から離れる方向に面する、圧電セラミック素子211の横に配置されたカウンタウェイト214を有する。測定室204が機械的振動によって破壊されず、また機械的振動がサンプル205中へと適切に伝搬することを確実にするため、測定室は弾性的に取り付けなければならない。これは、溶血器210に面する測定室204の側面にアンビル216を予め押し付けるばね座金215によってもたらされる。

従来技術によれば、超音波振動子タイプの溶血器210は、これまでは、溶血器に固有の共振周波数の正弦波電気信号によって振動するようにされる共振発振器として構成されてきた。図２に示される超音波振動子溶血器210は、共振発振器原理に基づいたそのような従来技術の溶血器210である。

共振発振器原理による溶血器を含む分光分析器は、例えば、米国特許第3,972,614号により知られている。

共振発振器超音波振動子タイプの既知の溶血器の不利な点は、最大振動振幅がサンプル位置で達成されるように寸法決めしなければならない、それらの相当な全長である。共振発振器超音波振動子は、数cm(一般的に、約10cm)の全長を必要とするλ/2発振器である。これによって分析器は嵩高となる。

更に、共振発振器は、共振周波数における励振の作用原理のため、非常に高い品質を有さなければならず、そのことが、非常に狭い周波数範囲内でしか動作できないことに結び付く。第一に、このことは、超音波周波数に応じて血液サンプル中にサイズ及び密度が異なるキャビテーション気泡が発生するために、溶血方法（プロセス）の制御可能性を制限する。第二に、溶血が行われる測定室(キュベット)が交換可能である場合、様々な材料特性及び振動特性が寿命全体を通して変動し得るという問題が生じる。機械的振動が共振発振器超音波振動子によって伝達される場合、これは、その原理によって固定周波数に調節されているが、結果的に周波数挙動の調節不良が生じることがあり、そのことにより、キュベット内の血液サンプルの溶血が不十分になる。第三に、動作中に品質管理及びシステム試験を行うことができることも有益であるが、有用な周波数範囲が非常に狭い共振発振器は同じくこれには適さない。

最後に、既知の共振発振器超音波振動子の消費エネルギーが比較的高いことも問題である。

したがって、要約すると、小型で静かであり、消費エネルギーが連続電力15W以下と低く、内部品質チェックを行うことができ、システムの振動特性が変わるキュベットの交換時であってもシステムを動作可能なままにすることができ、且つ、血液サンプルの完全な溶血を行う、分光分析器のオキシメータモジュール用の溶血器を提供できることが望ましい。

本発明は、請求項１の特性を有する溶血器を提供することにより、提起された問題を解決する。本発明の有利な実施形態は下位請求項に記載される。

本発明による溶血器は、ソノトロードプレートと、それに作用する、AC電気信号発生器によって機械的に振動するように設定することができる振動発生素子と、ソノトロードプレートによって機械的振動が伝達されるサンプル室とを含む。本発明によれば、振動発生素子は、広い周波数帯で、好ましくは変動可能な形で機械的に振動するように励振可能である。「広い周波数帯で励振可能」という用語は、一方では、信号波形によって広帯域の振動を発生させることができることを、他方では、広い周波数帯内の狭帯域である振動、例えば離散的周波数の正弦振動も発生させることができることを意味することを理解すべきである。本発明の高度な実施形態では、(狭帯域)振動は広帯域周波数帯を通じて調整されることが想定される。

本発明における適切な周波数範囲は、一般に、超音波によって引き起こされる溶血が生じ得るすべての周波数範囲である。特に、これらは、超音波に起因する媒質中のキャビテーション気泡の形成を引き起こすことがあり、次には、媒質中に含有される血球の破壊をもたらすことがある周波数範囲である。

特に好ましい周波数範囲は20〜50kHzである。より低い周波数範囲も可能であるが、可聴周波数スペクトルとのクロスオーバによる知覚可能なノイズ現象が生じることがあるという欠点を伴う。より高い周波数範囲も同様に可能であるが、例えば溶血器が加熱される結果として、エネルギー損失が高くなり、効率が低くなることがあるという欠点を伴う。

したがって、本発明の基本的概念は、その原理により、発生する機械的振動が非常に狭帯域であって非可変である共振発振器原理(圧電素子によって励振されるλ/2共振器)に基づかず、その代わりに、交流電気信号による機械的振動に向かって励振することができる、広い周波数帯内で可変である機械的振動発生素子を呈する超音波振動子を含む、溶血器を提供することである。そのような広帯域の機械的振動発生素子を用いて、(例えば、キュベットなどのアセンブリ群の交換後に)システムの内部振動特性が変わったとしても溶血器が動作可能なままであるようなストローク振幅及びストローク周波数で、その励振を規制することが可能である。これは、本発明が特に適しており、また、キュベットが消費材料を構成するか、又は以下に「消耗品」とも称する消費財の構成要素であって、そのような消耗品が定期的に交換されることが特性である、新規な概念にとって特に重要である。そのような消耗品の交換において、消耗品の異なるバッチ間の材料特性が不可避的に変動することにより、それに組み込まれた交換キュベットの機械的特性及び材料特性が常にまったく同じわけではないということを容認しなければならない。

理想的には、本発明による溶血器を含む分析器は、「訓練を積んでいない」ユーザにとっても、容易且つ直感的に操作可能であるべきである。そのようなデバイスに対する更に重要な要求は、ユーザの観点から「ほとんど保守点検なしで」操作可能であるべきということである。「ほとんど保守点検なしで」とは、一般に、(技術的に)訓練を積んでいないユーザも、連続動作用のカセット及び/又はモジュールの形態で存在するにすぎない消費材料を交換することを意味すると理解される。消費材料(消耗品)はすべて、例えば、特定の使用期間の満了後に、又は特定数の測定値を取得した後に、又は中に供給された資源を消費した後に、単純な直感的操作によってユーザが定期的に交換可能であるべきである。

例えば、米国特許第3,972,614号に記載されているような従来技術のシステムでは、光学測定室(キュベット)は、デバイス内に恒久的に留まるオキシメータの一体構成要素として設計された。例えばヘモグロビンなど、血液サンプル中のパラメータの分光的測定用の米国特許第3,972,614号に記載されている分析器は、血液サンプルを可能な限り拡散物体を含まない状態にするため、血液サンプルの超音波溶血、即ち赤血球の破壊のための手段も含む。これによってのみ、サンプルの正確な分光分析が可能になる。

しかし、予定の使用期間中に目詰まりを起こすリスクが高いことが既知のシステムの不利な点であり、特に、流体連結地点、並びにサンプルチャネルの層厚が薄いことが解決の難しい問題を象徴する。汚染又は目詰まりが、キュベットの領域内でそのようなオキシメータシステムに現れた場合、それらは、費用をかけてキュベットを交換することによってしか排除できない場合が多い。ほとんどの場合、この目的のため、適当な訓練、又は修理技術者を要求することが必要なので、結果として、分析器の予定外の休止時間が比較的長くなる場合が多い。更に、そのようなシステムにおけるキュベットの手作業での交換は、再現可能な測定結果を取得するために、後に続く手作業での調節及び校正工程を必要とする場合が多い。

既に上述したように、本発明による溶血器は、電気的なトリガにおけるその柔軟性に起因して、ストローク振幅及びストローク周波数が可変であり、交換可能なキュベット内で溶血が直接行われる分析器システムに、特に、例えばキュベットが定期的に交換できる消耗品の一部であることにより、「訓練を積んでいない」ユーザも容易且つ直感的に交換できるキュベットが使用される分析器システムに非常に良く適している。本発明による溶血器のそのような実施形態は、交換可能なキュベットをサンプル室に挿入することができ、そのキュベットが血液サンプルを受け入れるサンプルチャネルを呈し、そのチャネルが少なくとも一つの振動伝達壁によって区切られ、キュベットの振動伝達壁が挿入された状態のソノトロードプレートに接していることを特徴とする。

本発明はまた、本発明による溶血器とキュベットとの組合せに関し、キュベットは少なくとも一つの密閉要素及び二つの透明要素を含み、二つの透明要素は、互いに離間しているとともにサンプルチャネルの二つの向かい合った境界面を画定し、少なくとも一つの密閉要素はサンプルチャネルの側壁を画定し、それによって、サンプルチャネルは、長手方向で閉じており入口及び出口を含むチャネルとして設計される。透明要素を互いから離して保つ少なくとも一つのスペーサが設けられる。二つの透明要素の少なくとも一方は、他方の透明要素に向かう方向で延びるとともに、サンプルチャネルの高さが少なくとも一つのスペーサの高さよりも低いようにしてサンプルチャネルの境界面を形成する肩部を有する。

二つの透明要素の少なくとも一方の上に肩部を設けることによって、例えば0.1又は1mmの高さを有するスペーサの高さよりも低いサンプルチャネルの高さを良好に画定することができる。但し、求められる優れた機械的安定性及び寸法精度を示すことができるように、また、超音波溶血に適するように、二つの透明要素及びスペーサは両方とも十分な厚さの固体要素として設計される。

スペーサが、超音波用途においてもその寿命を通じて十分な寸法精度を維持するように、好ましくは2500MPa超、より好ましくは5000MPa超の高い弾性係数値を有する射出成形可能な合成材料から製造することが好ましい。

優れた機械的強度及び寸法精度を備えたキュベットの一実施形態では、透明要素は、規定の層厚を呈する寸法的に安定した接着剤を用いてスペーサに接着される。サンプルチャネルの正確な高さは、接着剤の硬化前に透明要素の位置を調節することによって設定することができる。

代替実施形態では、キュベットの透明要素は、成形されるか、積層されるか、又はクランプによってスペーサに接続される。また、この実施形態では、個々の部品が、求められる狭い嵌合許容差(fitting tolerances)が観察されるような正確さで組み立てられる前に、機械的に加工される場合に、高い形状精度が達成される。

密閉素子は透明要素の肩部の壁に接して平らに位置する。ある量のサンプルが、界面の毛管作用によって透明要素と密閉要素との間に存在し得る小さな隙間に入り込むのを防ぐため、透明要素間の密閉要素がサンプルチャネル内に突出できるようにすることが考えられる。これは、好ましくは50〜80のショアーD硬度を、より好ましくは60〜70のショアーD硬度を有する弾性材料で作られた密閉要素を使用し、前記密閉要素を透明要素に押し付けることによって達成される。密閉要素の材料の柔軟性により、前記要素は、透明要素間のギャップに押し込まれ、ギャップ内の漏れ止めビードを形成する。漏れ止めビードの形成は、ギャップに面する透明要素の縁部に丸み又は食付き部を設けることによって促進することができる。いわゆる「サンプルのキャリーオーバ」、即ち、キュベット内に以前にあったサンプルの残りによるサンプルの汚染、並びに対照測定の曲解が、それぞれこのようにして回避される。

好ましくは、密閉要素及びスペーサは、組合せ要素を、例えば二成分射出成形部品又は複合プレス部品を形成する。そのような組合せ要素により、キュベットの組立ては大幅に単純化され、それでもなお優れた強度及び気密性が達成される。

キュベットの一実施形態は、ガラス、好ましくは押型ガラスで作られた透明要素を含む。この実施形態は、生産性が良く寸法精度が高いことを特徴とする。

ガラスの代替として、歪み複屈折が低いこと、クリープ挙動が小さいこと、ガス透過性がない又は低いこと、耐薬品性であること、耐熱性であること、可視(VIS)及び近赤外(NIR)波長範囲内で光学的に透明であること、といった特性を有する合成材料を透明要素に使用することができる。可視範囲(VIS)は380〜780nmの波長範囲として定義され、近赤外線範囲(NIR)は780〜1400nmである。好ましくは、透明要素は、熱可塑性のオレフィンポリマー群からの合成材料から成る。

上記に列挙した材料から透明要素の材料を選択することにより、キュベット内のサンプルをサーモスタットで調温することも可能になる。特に、スペクトルは温度依存性なので、血液サンプルは、分光分析の間、可能な限り正確に37℃で保たなければならない。

キュベットが、分光分析器の消耗品(消費財)に、特に機能性液体(例えば、校正液体、対照液体、洗浄若しくは予備液体、又は更に試薬液体)を含む流体パック(fluid pack)及び/又は廃棄物容器に組み込まれる場合、キュベットの交換は、消耗品の交換と一つの動作で行われるので、「訓練を積んでいない」ユーザにとっても容易且つ直感的となる。

驚くべきことに、本発明者は、本発明による溶血器に、圧電多層アクチュエータが機械的振動発生素子として非常に適していることを見出した。それらの多層アクチュエータは、交流電気信号によって広い周波数帯で可変に励振できるという条件を満たす。多層アクチュエータは、自動車分野において噴射システムとして既に使用されてきたが、その場合、本発明による溶血器のものとはまったく異なる動作条件下で使用されている。溶血のための医療デバイスに多層アクチュエータを使用することは知られていない。圧電多層アクチュエータによって、共振器原理を用いることなく、本発明による溶血器において大きな振動振幅を達成することができ、溶血器の外形寸法を劇的に低減することができる。

本発明による溶血器では、圧電多層アクチュエータは、その寸法決めをそれぞれの条件に適応させることができるばね質量系に組み込まれる。多層アクチュエータを使用するには、特定の動作条件(プレテンショニング力、トリガのパルス波形)が求められる。それらの寿命を最適化するため、材料に対する損傷を引き起こさない「優しい」動作モード、及び/又は適切な材料を選択しなければならない。例えば、振幅、動作周波数、共振周波数、又は更には使用されるセラミック組成を、この目的のために適当に選ぶことができる。共振原理とは対照的に、周波数が任意に可変である非正弦パルス波形も血液の溶血のために選択されてもよく、それによってシステムの溶血及び浄化を最適化することができる。適用可能な信号波形の例としては、正弦信号の他に、方形信号、三角形信号、鋸歯形信号、及びパルス信号も含まれるが、波形を自由に定義可能な駆動信号も同様に許容できる。

要約すると、圧電多層アクチュエータを含む本発明による溶血器は、既知の共振発振器を超える次の特徴及び利点を有する。

1.ストローク振幅及びストローク周波数の可変システム
2.非正弦パルスを用いた溶血及び浄化の改善、並びにパルス形状、周波数、及び振幅の変動可能性
3.求められる駆動電圧がより低いこと
4.電気的パラメータを監視することによる、多層アクチュエータの、したがって溶血器の動作状態の機能試験及び監視
5.構造が大幅に小型になったこと
6.多層アクチュエータを、特に交換可能なキュベットと組み合わせてセンサ(力測定、最適動作条件の恒久的な検出)として使用すること
多層アクチュエータに関連する課題は、電気信号発生器への電気的接続部に対するそれらの接触によって起きる。多層アクチュエータの電気容量が比較的高く、電気信号によるそれらのトリガがkHz範囲内であることにより、接触部間を流れる電流が高い(10A以下)こと。接触部において克服しなければならない別の困難な点は、多層アクチュエータが振動するときにそれらの厚さが変わることである。しかし、本発明は、多層アクチュエータを含む振動システムに、特に多層アクチュエータを含む溶血器に一般に適用可能な、この課題に対する解決策をも提供する。少なくとも一つの圧電多層アクチュエータを含む本発明による一般的な振動システムは、少なくとも一つの圧電多層アクチュエータが第１及び第２の導体の間に圧締めされ、導電性マットが多層アクチュエータと導体との間の界面に配置され、マットが導電性材料の、特に炭素の粒子を含有することを特徴とする。

炭素粒子を含む導電性マットは、好ましくは、負温度係数の抵抗を呈し、そのため、特に、溶血器の動作中にその加熱によって引き起こされる温度上昇時に、電流伝導を改善する。炭素粒子は、導体及び多層アクチュエータの表面上に密に位置し、それによって、例えば電流伝導が活発な領域が二倍に拡大される。別の利点は、導電性マットが非常に柔軟であるため、はんだ接合部などの堅い接続部とは対照的に、多層アクチュエータの厚さが変化した場合であっても優れた導電性が維持されることである。

本発明に従って接触させた圧電多層アクチュエータを備えた振動システムを含む、本発明による溶血器の好ましい一実施形態は、圧電多層アクチュエータが第１及び第２の導体の間に圧締めされ、導電性マットが少なくとも一つの多層アクチュエータと導体との間の界面に配置され、マットが導電性材料の、特に炭素の粒子を含有することを特徴とする。

本発明はまた、多層アクチュエータの電気的パラメータを監視することにより、圧電多層アクチュエータを備えた溶血器の動作状態の機能試験及び監視の方法（プロセス）を提供する。そのような機能試験及び監視は、特に、交換可能なキュベットを備えた溶血器に有利である。前記方法（プロセス）の別の非常に本質的な利点は、変動する振動特性(例えば、キュベットを定期的に交換することによる)に応じて、最適な動作点又は領域、例えば、キュベットと組み合わせた溶血器の最適な周波数範囲及び/又は最適なストローク振幅をそれによって見出すことができることである。本発明の前記方法（プロセス）は、圧電多層アクチュエータとして設計された振動発生素子を備えた本発明による溶血器を動作させる方法であるが、これは、圧電効果(即ち、圧電素子に機械的圧力負荷を加えることによって電気信号が誘発される物理的現象)を利用することにより、多層アクチュエータの物理的パラメータを検出し評価することにより、圧電多層アクチュエータがセンサとして使用されることでサポートされている。

本発明による方法（プロセス）の一実施形態では、検出された物理的パラメータは、電気信号供給が切られた後のソノトロードプレートのフェードアウトであり、このフェードアウト自体は多層アクチュエータによる電圧信号の発生として現れる。振動システムの中心周波数及び任意にその質は、好ましくは高速フーリエ変換を使用して、多層アクチュエータによって発生する電圧信号から決定することができる。

あるいは、検出された物理的パラメータは、多層アクチュエータに作用し、且つ多層アクチュエータによって発生した電圧を測定することによって決定される機械力である。

また、多層アクチュエータの電気容量を物理的パラメータとして検出し評価することも考えられる。

圧電多層アクチュエータの検出された物理的パラメータの評価が、予め定められた動作範囲外にあることを示す場合、エラー修正の手段及び/又は警告が開始されてもよい。

以下、図面を参照して、代表的実施形態に基づいて本発明を更に詳細に説明する。

分光分析器のオキシメータモジュール200を示す概略図である。共振発振器原理に基づく既知の超音波振動子溶血器を示す斜視図である。分光分析器の一部としての本発明による溶血器を示す斜視図である。導電性炭素マットと接触している立方体の圧電多層アクチュエータと共に設計された本発明による溶血器を示す平面図である。三つの異なる励振周波数での時間ドメイン及び周波数ドメインにおける本発明による溶血器の動的応答を示す図である。本発明による溶血器と組み合わせて使用されるキュベットの好ましい一実施形態を示す等角図である。図６Ａの線６Ｂに沿った断面図である。図６Ａの線６Ｃに沿った断面図である。本発明による溶血器が組み入れられて、モジュールに設計された分光分析器を示す概略図である。

本発明による溶血器1の好ましい一実施形態は、図３及び図４に示される。溶血器1は、後で更に詳細に記述する分光分析器に組み込まれる。溶血器1は、広い周波数帯(例えば、20〜50kHz)でAC電気信号発生器(図示なし)によって、これを可変に活性化することができる、振動発生素子2を呈する超音波振動発生器と、円板ばね4によって支持されるソノトロードプレート3とを含み、そのソノトロードプレート上に振動発生素子2が光学軸5の方向の機械的振動を発生する。ソノトロードプレート3はそれらの機械的振動をサンプル室6に伝達する。交換可能なキュベット20はサンプル室6に挿入することができ、そのキュベットは、振動伝達壁21(ガラス壁、等)がソノトロードプレート3の面に接した状態で置かれるので、ソノトロードプレート3の振動を吸収し、それをキュベットの内部に存在する液体血液サンプル28に伝え、それによって、キャビテーション効果により、血液サンプル28中に気泡が発生して破裂し、血液の溶血が生じる結果となる。

キュベット20への振動伝播をもたらすように、ソノトロードプレート3に面するサンプル室6の側面上にカウンタウェイト7が配置される。このカウンタウェイトは、キュベット20がサンプル室6に挿入された後、図示されない機構を介して、キュベット20のところまで動かされ、測定が実施された後、キュベットを解放するために戻される(両方向矢印9を参照)。カウンタウェイト7は、キュベット20がソノトロードプレート3に対して圧接された状態となるように圧力をかける。カウンタウェイト7は、コイルばね8によって機械的にプリストレスをかけられる。コイルばね8によって生じるプリテンショニング力（プリストレス）は、一方では、キュベット20が圧縮され、それによりそのサンプルチャネル25が圧搾され、そして光学特性を故に測定精度を変えることがないように、小さなものでなければならない。他方、プレテンショニング力は、振動時にソノトロードプレート3がキュベット20から持ち上がるのを防ぐ最小の力よりも小さくなってはならない。

振動発生素子2は、上に積み重ねられた圧電材料の約180のセラミック層を含むところの立方体形状の圧電多層アクチュエータ(図４を参照)として設計される。各立方体は約350〜500nFの電気容量を有する。上記の層は、機械的に直列に接続され、また電気的に並列に接続され、それによって、向かい合った縁部で横方向に接触し、光学軸5の方向で長さが変化し、AC信号発生器10からのAC電気信号によって励振されると、結局は全長が変化する。溶血を実施するにあたって、約1μm〜約30μm、好ましくは約5μmの長さの変更で、殆どの場合十分である。多層アクチュエータは、第１の面が溶血器の支持体に接し、反対側の面がソノトロードプレート3に接した状態で、光学軸の方向で見て上向きに支えられる。多層アクチュエータは、好ましくは、光学軸5の周りに放射方向で配置される。あるいは、光学軸に対して同軸で配置されたリング状の多層アクチュエータを提供することが考えられる。

多層アクチュエータ一つ当たり約350〜500nFの容量は、それをトリガするのに数アンペアを必要とする。それらの電流を信頼性高く多層アクチュエータに導入できるようにするため、特別の接触部が開発されており、それを次に図４を参照して説明する。

溶血器1は、銅で作られ、導線11及び12を通してAC電気信号発生器10に接続された、外側のリング状導体13及び内側の三角形又は放射状の導体14を含む。二つの導体13及び14の少なくとも一方は圧締めばねとして設計される。多層アクチュエータとして設計された振動発生素子2は、光学軸5の放射方向周囲でグループ化された状態で、二つの導体13及び14の間に圧締めされ、導電性接点マット(conductive contact mat)15、特に炭素/グラファイトを含有する接点マット15が、それぞれ、各多層アクチュエータの第１の側壁と外側の導体13の内側横方向領域との間に、並びに各多層アクチュエータの第２の側壁と内側の導体14の外側横方向領域との間に配置される。機械的圧締め力の結果、それらの接点マット15は、外側及び/又は内側の導体13、14によって多層アクチュエータの側壁に押し付けられ、その際、多層アクチュエータの壁の凹凸(孔)に侵入し、それによって接触面が数倍にも拡大する。金属箔、例えば銀箔はこの効果を示さない。

図４に示される振動システムは、少なくとも一つの圧電多層アクチュエータを振動発生素子2として有し、その少なくとも一つの圧電多層アクチュエータが第１及び第２の導体13及び14の間に圧締めされ、導電性マット15が多層アクチュエータと導体13及び14との間の界面に配置され、マットが導電性材料の、特に炭素の粒子を含有するものであるが、その用途は溶血器における使用に限定されず、他の技術分野でも用いられてもよいという利点がある。

溶血器1は、異なる動作モードで動作してもよい。主な動作モードは溶血であり、溶血の開始時、電気信号発生器10は、好ましくは、振動発生素子2(多層アクチュエータ)に対して急な電圧ランプを加える。電気信号の周波数が、例えば中心周波数の周り200Hzの範囲で揺らぐことが有益であることも判明しており、それによって溶血の結果を改善することができる。

システムの浄化のため、周波数が大きく変動する信号を振動発生素子2に加え、それによって、直径及び密度が大きく異なる気泡を液体サンプル中に作り出し(特別の洗浄液体もサンプルとして供給してもよい)、それによって、異なる汚染に関して洗浄効率を大幅に改善することができる。

キュベット20のサンプルチャネル25内の望ましくない気泡を除去するため、中心周波数の約2/3の電気信号を加えることによって、気泡を動かし、サンプルチャネル25から運ぶことができる。更に、この目的のため、それらの気泡ができるだけ信頼性高く光学測定範囲の外に運ばれるように、キュベットの光学測定窓は、適当な幾何学形状を有してもよい。

更に、検査及び品質チェックを実施するため、圧電多層アクチュエータの形態で設計された振動発生素子2は、圧電効果を利用して多層アクチュエータの物理的パラメータを検出し評価することによって、センサとして使用することができる。このようにして、溶血器1、及び溶血器内の振動システム全体それぞれの動的応答を、同様に検出できる。この目的のため、多層アクチュエータへの電気信号の供給を切った後のソノトロードプレート2のフェードアウト方法（プロセス）が例えば検出され、フェードアウト自体は多層アクチュエータによる電圧信号の発生として現れる。振動システムの中心周波数及び任意にその質は、高速フーリエ変換を使用して、多層アクチュエータによって発生する電圧信号から決定される。図５は、三つの異なる励振周波数F1、F2、F3における時間ドメイン(右側、x軸の単位は時間の相対単位、y軸の単位はmV)及び周波数ドメイン(左側、x軸の単位はHz、y軸の単位は相対単位)の動的応答を示す。上側の曲線の経過(励振周波数F1)は電気信号発生器10の周波数の調節不良を示し、真中の曲線の経過(励振周波数F2)は電気信号発生器10の周波数のほぼ正確な調節を示し、下側の曲線の経過(励振周波数F3)は電気信号発生器10の周波数の最適な調節を示す。

図７は、上述の溶血器1がキュベット20と組み合わせて使用される分光分析器100のモジュールの概念を概略的に示す。分析器100は、「ほとんど保守点検なしで」あるように設計されるので、連続動作に必要なすべての消費材料は、カセット及び/又はモジュール(いわゆる「消耗品」)の形態で存在しており、したがって(技術的に)訓練を積んでいない作業者にも交換することができる。この代表的実施形態では、使用される消費材料は次の消耗品に要約される。

・分析物の判定に必要なセンサを少なくとも一部、好ましくはすべて含むセンサカセット101。

・液体容器を含む流体パック102、分析器100の動作に必要な機能性流体(例えば、校正溶液、洗浄溶液、対照液体、動作に必要な特定の試薬溶液など)を含む試薬パック及び廃棄物容器。任意に、流体システム全体若しくはその部分など、更なる要素又は機能性、サンプル入力デバイス又は更なる知覚構成要素も、同様に流体パック102に含めてもよい。流体経路を供給し放出する関連液体を含むキュベット20が、更に詳細に後述するように、流体パック102に組み込まれる。これは、流体パック102を交換するごとに(例えば、数週間の間隔で)キュベット20が定期的に交換されることを意味する。

・内部プリンタ用のプリンタ用紙カセット103。

・オプションとして、作業員自身が単純で直感的な操作によって交換することができるところの自動品質チェックを実施するための、アンプル状の対照溶液を含む品質管理カセット104。

本明細書に記載されるような消耗品の分類は単なる例示である。また、いくつかの消耗品の(部分的な)機能性又は(部分的な)要素を、例えば、より少ない若しくは更に一つのみの消耗品が必要であるように要約していることも想定される。他方では、個々の消耗品の(部分的な)機能性又は(部分的な)要素を複数にわたって(例えば、複数のセンサカセット若しくはモジュールにわたって)分散させていることも想定される。しかし、キュベットを使用される消耗品の一つに組み入れて、それをこの消耗品とともに交換可能にすることが本質的な基本概念である。

消耗品は、例えば流体結合具(fluidic docking fittings)105の形態で、界面を互いに整列させて、互いに且つそれぞれ分析器に連結される。それぞれの対応物に対する消耗品の機械的接続は、ユーザによる直接の単純な一連の手作業によって、又は、ユーザが単にカセットを「定位置」に入れた後に連結を自動的に行う、デバイス内にある駆動部によって生じてもよい。

血液ガス分析器100はオキシメータモジュールを含み、そこで、分光測定方法（プロセス）を使用して、キュベット20内にあるサンプルのヘモグロビン誘導体O₂Hb、HHb、COHb、MetHb、並びに血液パラメータtHb(総ヘモグロビン)、SO₂(酸素飽和度)、及びビリルビンが測定される。それを行う際、それらの物質の特徴的な吸収特性が利用され、測定量は数学的アルゴリズムによって評価される。求められる測定精度を達成できるためには、光学測定に先立って、溶血器によって行われる全血の溶血が必要である。溶血を行うため、概略的に示した溶血器1はオキシメータモジュールに組み込まれる。更に、オキシメータモジュールは、図１に示されるものと同様に、光源(一つ若しくは複数)を含むランプユニット、流体供給及び放出ライン、ランプユニットで発生させた光をキュベット20に供給する導光体、キュベット20内のサンプルを通り抜けた光を収集し、受光のスペクトル分離を行うポリクロメータにそれを伝える導光体、並びに受光のスペクトル範囲を評価する検出器を含む。溶血器1は、消耗品102が分析器100に導入されるとき、消耗品102の一部としてのキュベット20が溶血器1に挿入され、消耗品102が分析器100から引き抜かれるとき、溶血器1から除去されるように設計される。この構造によって、光学測定室(キュベット)が、デバイス内に恒久的に留まる分析器の一体構成要素として設計されている、既知の分析器のオキシメータモジュールにおける目詰まりの問題は回避される。

次に、図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃを参照することにより、キュベット20の設計について説明する。キュベット20は、スペーサ23、第１及び第２の透明要素21及び22、並びに密閉要素26を含む。二つの透明要素21及び22はそれぞれ肩部21a及び22aを有し、二つの肩部21a及び22aが互いに面し、且つチャネル状の陥凹部24内に延びるようにして、スペーサ23上で互いに向かい合って配置される。それにより、肩部21a及び22aの面は互いの間に、肩部21a及び22aの面の間に形成されたサンプルチャネル25の画定された高さに相当する距離を有する。サンプルチャネル25は、その周囲の周りで密閉要素26によって密閉され、密閉要素26は、肩部21a及び22aの横方向領域に接するとともに、それらの間のギャップに押し込まれる。スペーサ23を含む密閉要素26は、組合せ要素29、例えば二成分射出成形部品又は複合プレス部品として形成される。これにより、キュベット20の組立てのための本質的な利点がもたらされる。キュベット20が超音波用途に適した強度を呈するように、スペーサ23は、好ましくは2500MPa超、より好ましくは5000MPa超の高い弾性係数値を有する射出成形可能な合成材料から製造される。

透明要素21及び22は、容易に加工することができるガラス、好ましくは押型ガラスで作られる。あるいは、歪み複屈折が低いこと、クリープ挙動が小さいこと、ガス透過性がない又は低いこと、耐薬品性であること、耐熱性であること、可視(VIS)及び近赤外(NIR)波長範囲内で光学的に透明であること、といった特性を呈する合成材料から製造される。可視範囲(VIS)は380〜780nmの波長範囲として定義され、近赤外線範囲(NIR)は780〜1400nmである。好ましくは、透明要素は、熱可塑性のオレフィンポリマー群からの合成材料から成る。

密閉要素26は、好ましくは50〜80のショアーD硬度を、より好ましくは60〜70のショアーD硬度を有するエラストマーから成る。

サンプルチャネル25は、透明要素21及び22が平行な平面であるように配置される光学測定範囲25aを呈する。端部効果を回避するため、光学測定範囲25aはサンプルチャネル25の縁部からは離間している。光導体LL1は、測定範囲25a近くに至り、光路LPに沿って測定範囲25aを通して光を放射し、その光は、測定範囲25を通り抜けた後に分光的に分析される。あるいは、反射光学測定システムが同様に提供される。

サンプルチャネル25はアーチ形の設計を有するので、サンプル28の入口20a及び出口20bは同じ側にあり、構造の体積が低減されるという利点を伴う。それに加えて、その結果、すべての流体接続が一方の側にあるので、キュベットの交換可能な適用可能性を促進することができる。更に、サンプルチャネル25の幅は、測定範囲25aを含む中央区域から入口20aに向かって、且つ出口20bに向かって先細になっている一方、サンプルチャネル25の断面積がその長さにわたって本質的に一定のままであるように、サンプルチャネルの高さは増加していることに留意すべきである。このようにして、サンプル28中の渦の形成がサンプルチャネル25内では防止される。同じ目的のため、サンプルチャネル25はチャネルの一定の変化のみを呈する。

キュベット20を組み立てるため、二つの透明要素21及び22をスペーサ23に接着することができる。代替例として、加圧又は差込みもこの実施形態において推奨することができる。

サンプルチャネル25の長手方向断面を示す図６Ｃでは、サンプルチャネル25が、測定範囲25aに向かって円錐状に先細になっている流入ベベル(inflow bevels)を有し、測定範囲25内では、サンプルチャネルを画定する透明要素21及び22の表面の平行な平面進路を示すことを最もよく見ることができる。更に、スペーサ23が二つの透明要素21及び22に接着される接着剤層27も、図６Ｃに示されている。接着剤は、接着剤層27が定めれた厚さを呈するように、硬化後は寸法的に安定する接着剤である。

Claims

ソノトロードプレート(3)と、それに作用する、AC電気信号発生器(10)によって機械的に振動するように設定することができる振動発生素子(2)とを含み、また、前記ソノトロードプレート(3)によって機械的振動が伝達されるサンプル室(6)を含む溶血器(1)であって、前記振動発生素子(2)が広い周波数帯で機械的に振動するように励振可能であることを特徴とする溶血器(1)。
前記振動発生素子(2)が、広い周波数帯で機械的に振動するように調整可能に励振可能であることを特徴とする請求項１に記載の溶血器。
前記振動発生素子(2)が、機械的に振動するように励振可能であるとともにそれらのストローク振幅で調節可能であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の溶血器。
交換可能なキュベット(20)を前記サンプル室(6)に挿入することができ、前記キュベットが血液サンプル(28)を受け入れるサンプルチャネル(25)を呈し、前記チャネルが少なくとも一つの振動伝達壁によって区切られ、前記キュベット(20)の前記振動伝達壁が挿入された状態の前記ソノトロードプレート(3)に接していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の溶血器。
前記溶血器(1)と、少なくとも一つの密閉要素(26)及び二つの透明要素(21、22)を含む前記キュベット(20)との組合せを特徴とし、前記二つの透明要素(21、22)が、互いに離間しているとともに前記サンプルチャネル(25)の二つの向かい合った境界面を画定し、前記少なくとも一つの密閉要素(26)が前記サンプルチャネル(25)の側壁を画定し、それによって前記サンプルチャネル(25)が、長手方向で閉じており入口(20a)及び出口(20b)を含むチャネルとして設計され、前記透明要素(21、22)を互いに離間して保つ少なくとも一つのスペーサ(23)が設けられ、前記二つの透明要素(21、22)の少なくとも一方が、他方の透明要素に向かう方向で延びるとともに、前記サンプルチャネルの高さ(h5)が前記少なくとも一つのスペーサ(23)の高さ(h6)よりも低いようにして前記サンプルチャネル(25)の境界面を形成する肩部(21a、22a)を有する請求項４に記載の溶血器。
前記キュベット(20)が分光分析器(100)の消耗品(102)に、特に機能性液体及び/又は廃棄物容器を含む流体パックに組み込まれることを特徴とする請求項５に記載のキュベットと組み合わせた溶血器。
前記振動発生素子(2)が圧電多層アクチュエータであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の溶血器。
AC電気信号発生器(10)が非正弦信号を、例えば波形を自由に定義可能な信号及び/又は周波数調整可能な信号を発生させることを特徴とする、前記振動発生素子(2)を励振するAC電気信号発生器(10)と組み合わせた請求項７に記載の溶血器。
前記振動発生素子(2)が第１及び第２の導体(13、14)の間に圧締めされ、導電性マット(15)が前記少なくとも一つの振動発生要素(2)と前記導体との間の界面に配置され、前記マットが導電性材料の、特に炭素の粒子を含有することを特徴とする請求項７又は８に記載の溶血器。
前記周波数帯が20から50kHzの周波数を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の溶血器。
少なくとも部分的に透明なキュベット(20)内にあるサンプル(28)、例えば全血サンプルを、前記サンプルに光線を照射し、前記光線が前記サンプルを通り抜けた後にそのスペクトルを検出することによって分光分析するための、前記サンプルに光線を照射する前に前記サンプルの溶血を行う分光分析器(100)であって、前記溶血を行う分析器が請求項1から10のいずれか一項に記載の溶血器(1)を含むことを特徴とする分析器。
圧電多層アクチュエータとして設計された少なくとも一つの振動発生素子(2)を含む振動システムであって、前記少なくとも一つの圧電多層アクチュエータが第１及び第２の導体の間に圧締めされ、導電性マット(15)が前記多層アクチュエータと前記導体との間の界面に配置され、前記マットが導電性材料の、特に炭素の粒子を含有することを特徴とする振動システム。
前記導電性マット(15)が負温度係数の抵抗を呈することを特徴とする、請求項１２に記載の振動システム。
前記溶血器(1)が、前記ソノトロードプレート(3)と、それに作用する、前記AC電気信号発生器(10)によって好ましくは20から50kHzの広い周波数帯で調整可能であり、任意に機械的に振動するように励振可能であるとともにそれらのストローク振幅で調節可能である、前記圧電多層アクチュエータとして設計された前記振動発生素子(2)とを含む、溶血器(1)を動作させる方法（プロセス）であって、前記圧電多層アクチュエータが、圧電効果を利用して前記多層アクチュエータの物理的パラメータを検出し評価することによって、センサとして使用することができることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の溶血器(1)を動作させる方法。
検出された前記物理的パラメータが、電気信号供給が切られた後の前記ソノトロードプレート(3)のフェードアウトであり、前記フェードアウト自体が前記多層アクチュエータによる電圧信号の発生として現れることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記振動システムの中心周波数及び任意にその質が、好ましくは高速フーリエ変換を使用して、前記多層アクチュエータによって発生する前記電圧信号から決定されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記検出された物理的パラメータが、前記多層アクチュエータに作用し、且つ前記多層アクチュエータによって発生した電圧を測定することによって決定される機械力であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記検出された物理的パラメータが前記多層アクチュエータの電気容量であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記圧電多層アクチュエータの前記検出された物理的パラメータが予め定められた動作範囲外にある場合、エラー修正の手段及び/又は警告が開始されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。