JP3787194B2 - 拡散光反射読取りヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般に、臨床化学に使用される医療用診断器具の分野に関する。より詳細には、本発明は、他の物質中に存在する分析対象物、例えば血液中のグルコースを試薬試験ストリップ上で検出するための視覚的イメージングシステムの一部として使用される改良された拡散光反射読取りヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
試薬試験ストリップは臨床化学で広く利用されている。試薬試験ストリップは普通、１個以上の試験区域（パッド）を有し、各パッドが、液体試料中の分析対象物との接触に応答して変色を起こすことができる。液状試料は、液状試料中の１種以上の分析対象物、すなわち問題の成分または特性の存在を確認するため、試薬ストリップ上のパッドと反応する。試料中のそのような分析対象物の存在および濃度は、試験ストリップが分析対象物と反応したときのパッドの変色によって示される。反応した試薬試験ストリップから反射した拡散光が解析されて、変色の量が測定される。普通、この解析は、反応した試験パッドと、色標準もしくはスケールとの間での色の比較を含む。このようにして、試薬試験ストリップは、疾病もしくは他の健康上の問題の存在を診断する際に医療関係者を支援する。
【０００３】
本発明に使用するのに適した試薬試験ストリップの例は、Bayer 社の診断（Diagnostics ）部門（米インディアナ州エルクハート４６５１５）によって販売されているGlucometer Encore （登録商標）血中グルコース試験ストリップである。
【０００４】
裸眼によって実施される反射光の比較は不正確な測定を招くおそれがある。今日、反射測光を利用して試薬ストリップの変化を読み取る試薬ストリップ読取り計器が存在する。試薬ストリップ読取り計器には、試薬パッドを照射するための発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む読取りヘッドを有するものもある。ＬＥＤからの光は、一部が各パッドから反射されるが、一部が、問題の物質、例えばグルコースとのその反応により、パッドの変色を示すような方法で吸収される。拡散反射光、すなわち変色した光は、その光を処理のために電気信号に変換するセンサによって検出される。
【０００５】
現在の発光ダイオード（ＬＥＤ）が発する光束は平行性が不十分であるため、発光ダイオードは、読取りヘッドに使用するには理想的とはいえないことがわかった。現在のＬＥＤによって発される拡散光の有意な割合が、ろ過しなければならない迷光になる傾向を示す。
【０００６】
従来技術の発明には、ＬＥＤから発される迷光の問題に対処しようとしたものもある。一つの方法は、ＬＥＤの側面を吸光材料で包み込む方法であった。そのような包み込みを用いた装置の一例は、Pughによる米国特許第５，１２２，９４３号である。この方法は、それが発する光の一部を包み込み材料に吸収するＬＥＤをもたらす結果となった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ろ過を要する迷光の発生が少なくなるような、読取りヘッドへの使用に適合したＬＥＤを入手することが望ましいであろう。そのうえ、読取りヘッドの信号および効率を増すため、他の方法では迷光になるであろう光のより多くを平行化することがさらに望ましいであろう。
【０００８】
しかし、光が十分に平行化しているとしても、困ったことに正反射が、センサによって受信される光信号中の「雑音」のレベルを実質的に高める。光の正反射は、反射光の全体の色が有意には変化しない、鏡から跳ね返る光に類似している。したがって、正反射は、試薬ストリップ上のパッドの変色の感知を妨げるように作用する。よりよい信号対雑音比を提供するためには、光センサによって受信される光の正反射を減らすことが望ましいであろう。
【０００９】
迷光がパッドの変色の感知をより困難かつ不正確にするため、種々の光学式バッフルを用いて、迷光のいくらかをろ過してきた。例えば、らせんねじを切った開口を使用して迷光を減らしてきた。狭い視野から出る光だけがねじ付き開口を通過してセンサに達することができ、こうして迷光が減る。しかし、ねじ付き開口は、余分な製造工程を要するため、形成するのに費用がかかるおそれがある。ねじ付き開口を形成する一つの方法は、成形時にねじ様の要素をプラスチックに埋め込むことによる。プラスチックが冷えたのち、ねじ様の要素を抜くと、相当するねじの形状が付いた開口が残る。ねじ付き開口のもう一つの欠点は、ねじ付き開口は、直径が小さめになる傾向があり、それがセンサによって受信される光の総量を減らし、それが逆にセンサの精度に影響するということである。したがって、迷光を減らすが、より廉価かつ容易に製造することができる光学式バッフルを有することが好ましい。さらには、センサによって受信される望ましい光の量を増す光学式バッフルを有することが望ましい。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試薬試験パッドと反応した分析対象物の改良された検出を提供するための装置および方法である。本発明の一つの実施態様は、血液試料中のグルコースを検出するために使用される視覚的イメージングシステムの一部として新生児室で使用される改良された拡散光反射読取りヘッドを提供する。視覚的イメージングシステムは、試薬試験ストリップが液体試料、例えば血液または尿と接触したのち、その試薬試験ストリップ上の一つ以上の試験パッド区域に関する色の変化を解析して、分析対象物、例えばグルコース、タンパク質、血液、ケトン類、ビリルビン、ウロビリノーゲン、亜硝酸塩、コレステロールなどを検出する。試薬ストリップから反射した光は、診断計器によって分析することができる電気信号に変換される。より具体的には、本発明の一つの実施態様は、読取りヘッドに使用するのに最適化された新規な発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる。このＬＥＤの寸法形状は、平行化された光の発生を増すように設計し直されている。発光半導体とＬＥＤの湾曲した外面との間の距離は、発光半導体をＬＥＤの湾曲した外面の焦点により近づけるように増大されている。発光半導体をこのように配置し直すことは、発された光をより強力に平行化し、それにより、所与の試薬試験パッドの望ましい照射を増しながらも不要な迷光を減らす効果を有している。本ＬＥＤの設計は、センサによって受信される光の信号対雑音比を改良する効果を示す。
【００１１】
試薬試験ストリップそのものは支持面に対して配置される。支持面は、平行化された光線の軸に対して垂直な面およびセンサから５°傾いている。このわずか５°の傾きが、センサへの正反射を約１／３に減らして、センサに対する信号対雑音比を劇的に増すという、予想外に大きな効果を示す。
【００１２】
拡散反射した（変色した）光のセンサによる受信をさらに高めるため、階段型の光学式バッフルを作り出す一連の段（ステップ）を、開口の片側だけに用いて、反射光がセンサに到達できるようにした。望ましくない光の大部分は、ＬＥＤに近い方の、段が設けられている側からバッフル開口に入るため、望ましくない光の大部分が除かれることが見いだされた。階段型バッフルは、迷光を減らしながらも、開口の残り部分をより大きくし、それにより、より多くの拡散反射光がセンサに到達できるようにした。それに応じて、階段型光学式バッフルの反対側にはあまり変更を加えず、この方法でもバッフルをより製造しやすくしている。したがって、階段型バッフルは、より容易かつ廉価に製造することができる。
【００１３】
センサによって受信された反射光は、処理のために電気信号に変更される。この電気信号の解析が実行されて、血中グルコースの存在が測定される。本発明は、現在のシステムよりも改善された費用、製造および性能の利点を提供する。
【００１４】
本発明は、種々の変形および代替形態を加えられることができるが、その具体的な実施態様のいくつかを添付の図面によって示し、本明細書に詳細に説明する。ただし、これは、本発明を、開示する特定の形態に限定しようとするものではない。それどころか、これは、請求の範囲によって定義される本発明の真髄および範囲に該当するすべての変更、同等物および代替を包含するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの実施態様は、分析対象物を含有する試料、例えばグルコースを含有する血液と反応した試薬紙から反射した拡散光を測定するための新生児医療診断計器に使用される。
【００１６】
図１〜４では、拡散光反射読取りヘッド１０は、分析対象物１４と反応した試薬試験パッドから光１３を反射させるための１個以上の改良された発光ダイオード（ＬＥＤ）１２を有する設計である。ＬＥＤ１２は、定電流パルス化直流（ＤＣ）電源（図示せず）を用いてオンおよびオフにパルス駆動される。ＬＥＤ１２をパルス駆動させると、加熱、ならびに関連した光１３の強さおよび波長の変動が最小限になる。
【００１７】
分析目的には平行化した光が望ましく、非平行な光は、迷光を生じさせる傾向があるため、望ましくないことが見いだされた。さらに、ＬＥＤ１２の湾曲した外面がそのエポキシ樹脂ケース中である程度レンズとして作用することが見いだされた。本発明は、発光半導体ダイ１５（一般に「チップ」としても知られる）を、ＬＥＤ１２内で、湾曲した外面の焦点にほぼあたる位置に配置し直すことによるレンズ効果を利用する。コンピュータモデリングおよび実験結果を使用して、この配置の場合に最適な０．１７０±０．０１インチ（０．４３２±０．０２５cm）の先端・ダイ間の距離（λ）を得た。λについて他の距離を使用することもできるが、最適とはみなされないことに注意すること。
【００１８】
本発明は、光１３の、試薬ストリップ１４上の照射スポットサイズを減らす。スポットサイズの有意部分は、読取りヘッド面を０．１５０インチ（０．３８cm）越えた距離で直径０．１００インチ（０．２５４cm）未満である。スポットサイズが減るため、集束レンズの必要がなくなり、よってその費用が節約される。
【００１９】
本ＬＥＤ１２の設計のもう一つの利点は、機械的振動およびダイ１５の心合せ誤差に対する読取りヘッドの感度を下げることにある。例えば標準のＴ１ＬＥＤは、約０．１００インチ（０．２５４cm）のダイ・先端間の距離（λ）を有している。λが増して標準のＴ１ＬＥＤの焦点に近づくにつれ、標準ＬＥＤから出る光１３はより平行になる。これは、同等な開口サイズについて、より小さなスポットを生じさせる傾向を示す。より小さなスポットサイズおよび増大した平行化は、ＬＥＤ１２内のダイ１５の位置付けに対する読取りヘッドの感度を下げる利点を有している。したがって、ＬＥＤ１２のダイ１５がＬＥＤ１２の中心に配置されていないとしても、出力されたスポットの位置は、ダイ１５の心合せ誤差に比例して、小さめの量しか移動しない。
【００２０】
ＬＥＤ１２の設計には他の要因が考慮された。各ＬＥＤ１２およびそのＬＥＤ１２に関連する各照射口１６は、適切な大きさおよび強さのスポットを照射しなければならない。迷光の発生を減らすために、スポットサイズの有意部分はパッドサイズよりも小さいべきである。一般に、信号強度が増すため、より大きな強さが望ましい。さらには、当該技術に公知であるように、ＬＥＤ１２は、それらの側面が吸光材料で被覆されて迷光をさらに減らす。全体的な効果は、読取りヘッドに使用される従来のＬＥＤに対して約２００〜３００％の信号の改善である。
【００２１】
ＬＥＤ１２からの光１３は照射口１６を通過して試薬試験ストリップガイド１８上の試薬パッド１４に達する。ストリップガイド１８を用いて、試薬ストリップ１４を、ＬＥＤ１２から発される平行化した光１３の軸に対して垂直に保持することが公知である。図１では、αは、平行化した光線の軸に対して垂直である垂直面２０と、ストリップガイド１８の向きに対して平行であるガイド面２２との間の、従来技術では０°である角度を定義することに注目すること。ストリップガイド１８を関連の試薬パッド１４とともに光センサ２４から離れる方向に５°だけ傾けると、すなわち、αが５°に等しいと、センサ２４によって受信される正反射が１／３に減る予想外の利点が得られることが見いだされた。角度αにおけるそのような小さな変化が正反射におけるこのような大きな減少を生じさせるということは予想外であった。さらには、正反射の大きな減少は、ＬＥＤ１２および光センサ２４を、現在可能であるよりも互いに近づけて配置し、それにより、反射光度計のサイズを減らすことを可能にした。ある実施態様では、試料と検出器との距離は約０．４インチ（１．０cm）であり、これは現在のいくつかの読取りヘッドの場合の半分であり、したがって、信号における約４倍の増大を提供する。そのうえ、正反射の減少は、光センサ２４の視野区域を広げることができ、試薬ストリップ１４の高さの変動に対する読取りヘッド１０の感度を有意に改善させる。
【００２２】
角度αの最適範囲は、グルコースを含有する血液と反応した試薬試験ストリップ１４の場合でおよそ３°〜８°の範囲であることが見いだされた。しかし、この範囲は、他の分析対象物の場合でも同様なはずである。角度αが３°未満になると、正反射の減少が比較的小さくなる。逆に、角度αが８°を超えると、望ましくない正反射とともに、望ましい拡散色反射までもが、有意な信号損失が起こり始める点まで減少する。ただし、αが３°未満になるか、８°を超えるとしても、読取りヘッド１０は、最適とはいえないものの、機能はすることに注意すること。
【００２３】
図１において、ＬＥＤ１２から出た光１３は、試薬パッド１４から反射して、垂直面２０に対して約４５°の角度βで階段型バッフル２６を通過したのち、センサ２４に達する。図１、２および４に示すように、階段型バッフル２６は、主に片側に一連の段２８を有している。一つの実施態様では、各段の上辺３０と垂直辺３２（段２８および辺３０、３２はいずれも代表として印した）とはほぼ等しい長さであり、互いに対して９０°で配置されている。各辺３０、３２は、０．０１０インチ（０．０２５cm）〜０．０３０インチ（０．０７６cm）の大きさであるときに、迷光を除き、望ましい拡散反射光１３を通すのにもっとも効果的に作用するということが見いだされた。さらには、段２８のサイズは、実際には、ＬＥＤ１２または照射口１６の中に延びるよりもいくらか小さく制限される。一つの実施態様においては、各辺３０、３２の長さを０．０２０インチ（０．０５１cm）に選択した。段２８の数は決まっていないが、階段型バッフル２６の全長に及ぶのに十分な数の段２８を設けることが望ましい。階段型バッフル２６の全長は、形状寸法の関数である。製造の制限が、ＬＥＤ１２と光センサ２４との間の最小限の距離間隔を設定した。最小限の距離間隔およびＬＥＤ１２から試薬試験パッド１４までの距離を、段２８が４５°の角度βにあるという事実とともに知っていると、段２８がカバーしなければならない距離を簡単に計算することができる。したがって、一つの実施態様では、図１、２および４に示すように、７個の段２８が設けられる。
【００２４】
段２８は、階段型バッフル２６の開口の中でＬＥＤ１２に近い側に設けられる。理由は、迷光の大部分は、その近い側でセンサ２４に通じる開口に入り、そこに段を有することが迷光の大部分をろ過することになることが見いだされたからである。
【００２５】
段２８を階段型バッフル２６に使用する主な利点は、従来技術を上回る製造しやすさである。段２８は、型から容易に成形することができるが、従来技術のねじは、読取りヘッド１０の材料中にそれほど容易に形成することはできない。
【００２６】
反射光１３は、ひとたび階段型バッフル２６を通過したならば、光センサ２４に達する。本発明の設計上の利点のため、試薬パッド１４とセンサ２４との間に伝達用光学部品は不要である。
【００２７】
センサ２４として用いることができる装置には、電荷結合素子（ＣＣＤ）、フォトセルおよびフォトダイオードがある。本発明の一つの実施態様では、Burr-Brown社（International Airport Industrial Park, 6730 South Tucson Blvd., Tucson, Arizona 85706 ）のOPT101W-R センサを光センサ２４として用いる。センサ２４は、受信された反射光１３に比例する電気的応答を示す。この電気的応答が処理用の電子部品（図示せず）によって解釈される。処理用の電子部品は、センサ２４のアナログの電気的応答をデジタルデータに変換する。処理用電子部品はまた、デジタルデータを記憶し、利用して、センサ２４が示すコントラストの変化を計算するマイクロプロセッサ（図示せず）を含む。一つの実施態様では、色の変化を利用して、血液試料中のグルコースの濃度が測定される。
【００２８】
上記のとおり、本明細書中に、拡散光反射読取りヘッド１０を開示した。
【００２９】
本発明の真髄および範囲を逸することなく、前述のような多くの変更を本発明に加えることができ、したがって、請求の範囲によって示されるような限定だけが課されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施態様による拡散光反射読取りヘッドの全体図である。
【図２】本発明の一つの実施態様による拡散光反射読取りヘッドの平面図である。
【図３】本発明の一つの実施態様による拡散光反射読取りヘッドの底面図である。
【図４】本発明の一つの実施態様による拡散光反射読取りヘッドの斜視図である。
【符号の説明】
１０ 拡散光反射読取りヘッド
１２ ＬＥＤ
１４ 分析対象物
１６ 照射口
１８ ストリップガイド
２２ ガイド面
２４ センサ
２６ バッフル
２８ 段

Claims (4)

1. 分析対象物と反応した試薬試験パッドから反射した拡散光を検出するための拡散光反射読取りヘッドにおいて、
   該試薬試験パッドを照射するため、平行化した光線を発する照射手段と、
   該試薬試験パッドを該照射手段から発せられた平行化した光線の軸の垂直面に対して３〜８°の角度αで支持するための支持手段と、
   該試薬試験パッドから拡散反射した該光を受け、検出し、該光を相当する電気信号に変換するための光検出器手段と、
   該相当する電気信号を解釈して、分析対象物中の対象物質の存在を検出するための解釈手段と、を含むことを特徴とする拡散光反射読取りヘッド。
2. 該支持手段が該試薬試験パッドを該照射手段から発せられた平行化した光線の軸の垂直面に対して５°の角度αで支持する請求項１記載の拡散光反射読取りヘッド。
3. 該光検出手段が、該照射手段から発せられた平行化した光線の軸の垂直面に対して４５°の角度βで配置された光センサをさらに含む請求項１記載の拡散光反射読取りヘッド。
4. 試験試薬パッドが体液の試料と反応したとき、分析対象物の存在する検出する請求項１記載の拡散光反射読取りヘッド。

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