JP3787634B2 - 生体内物質の濃度計測方法及び濃度計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生きたままの生体内における極微小領域での生体内物質の濃度計測方法及び濃度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の生体内物質の濃度計測方法及び濃度計測装置においては、生体から一部の組織を取り出して得た試料に対し、その試料を構成する生体内物質と結合する蛍光指示薬を負荷し、その蛍光応答をＣＣＤカメラで検出することによって、前記試料における前記生体内物質の濃度を計測していた。この場合においては、ＣＣＤカメラを用い、前記蛍光応答をイメージとして計測するので、前記試料全体の生体内物質濃度分布を得ることができる。
【０００３】
前記試料は、一般的には前記生体をスライス加工して作製するが、共焦点顕微鏡を用いる場合などは、焦点距離を調整することで任意の深度に焦点を合わせることができるので、上述のようなスライス加工を施すことなく、バルク状のものを用いることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の計測方法及び計測装置においては、目的とする生体から一部を取り出した試料に対して計測を行うので、前記試料が実際に生体内に存在していた状態と異なる場合がある。また、蛍光指示薬を試料全体に負荷するので、計測以降、前記試料内の生体組織が長期間生存することができず、慢性的な計測は困難となる。
【０００５】
このような観点から、生体の一部を切り出して試料を作製する代わりに、計測プローブなどを直接的に生体内に挿入させ、前記生体の蛍光応答を直接的に計測する試みがなされているが、光学アライメントが複雑になる。
【０００６】
本発明は、生体から生体組織の一部を試料として取り出すことなく、前記生体の生体物質濃度を直接的に計測する方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の被計測生体内に蛍光指示薬を注入する工程と、
前記被計測生体に対して励起光を照射するとともに反射させて、所定の反射光を得る工程と、
前記反射光内の、前記被計測生体内における生体内物質と前記蛍光指示薬との結合による蛍光応答を検出することにより、前記被計測生体内における生体内物質濃度を計測する工程とを具え、
前記反射光は、前記蛍光指示薬の注入口と同軸の開口を持つ導波路を通って、前記蛍光応答を検出するための検出部に導かれることを特徴とする、人体を除く生体内物質の濃度計測方法に関する。
【０００８】
本発明の計測方法によれば、被計測生体に直接的に蛍光指示薬を注入するとともに、前記蛍光指示薬が注入された計測領域に対して励起光を照射し、得られた反射光内に含まれる、前記被計測生体の生体内物質と前記蛍光指示薬との結合による蛍光応答を検出するようにしている。したがって、被計測生体から生体組織を取り出すことなく、前記生体内物質が前記被計測生体内に生存している状態における前記生体内物質の濃度をリアルタイムで計測することができる。また、被計測生体に挿入させるべき計測プローブなども必要としないので、光学アライメントも簡略化することができる。
【０００９】
また、前記反射光は、前記蛍光指示薬の注入口と同軸の開口を持つ導波路を通って、前記蛍光応答を検出するための検出部に導かれるので、前記被計測生体の計測領域からの蛍光応答を高い効率で検出することができ、生体内物質の濃度検出の精度を増大させることができる。
【００１０】
本発明のその他の特徴及び利点、並びに本発明の生体内物質の濃度計測装置については、以下の発明の実施の形態で詳述する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の生体内物質の濃度計測装置の一例を示す構成図である。図１に示す濃度計測装置１０は、蛍光指示薬Ｐを保持するための容器１１と、この容器１１の後方に設けられた励起光源１２及び検出部１３とを具えている。なお、容器１１の側壁には反射膜１４が形成されている。また、容器１１の外周上にはリング状の光導波路１５が設けられており、その先端部には光散乱器１６が設けられている。さらに、容器１１の先端部には、被計測生体Ｓと対向するようにして注入口１１Ａが形成されており、蛍光指示薬Ｐを被計測生体Ｓに対して注入できるように構成されている。なお、検出部１３は、注入口１１Ａの中心部を通る直線Ｘ上に配置されている。
【００１２】
容器１１は、ガラス容器やステンレス容器などを用いることができ、励起光源１２は、市販のハロゲンランプやレーザ光装置などから構成することができる。また、検出部１３は、ＣＣＤカメラなどの市販の撮像装置を用いることができる。
【００１３】
図１に示す装置を用いた場合、被計測生体Ｓ内の生体内物質の濃度計測は以下のようにして実施する。
【００１４】
最初に、容器１１内の蛍光指示薬Ｐを注入口１１Ａから被計測生体Ｓ内に注入し、被計測生体Ｓ内の生体内物質と結合させる。なお、蛍光指示薬Ｐは単独で用いることもできるし、溶媒などの所定の液体中に混合させておくこともできる。
【００１５】
次いで、励起光源１２から励起光Ｌを出射する。励起光Ｌは光導波路１５内を通って光散乱器１６に至って散乱され、被計測生体Ｓ内の計測領域に照射される。次いで、励起光Ｌは被計測生体Ｓ内の計測領域で反射され、その反射光Ｒは容器１１の注入口１１Ａ内に導入される。次いで、反射光Ｒは、容器１１の側壁に設けられた反射膜１４で多重反射を行って検出部１３に導入される。
【００１６】
反射光Ｒは、蛍光指示薬Ｐが注入された被計測生体Ｓの計測領域に対して励起光Ｌが照射されることに得た、前記生体内物質と蛍光指示薬Ｐとの結合に基いた蛍光応答を含んでいるので、検出部１３では反射光Ｒ内に含まれた前記蛍光応答を検出する。前記蛍光応答は、前記生体内物質と蛍光指示薬Ｐとの結合割合、すなわち十分な蛍光指示薬Ｐが注入された場合には、前記生体内物質の濃度に比例するため、前記蛍光応答を検出することにより、前記生体内物質の濃度を計測することができる。
【００１７】
なお、図１に示す計測装置においては、検出部１３が容器１１の注入口１１Ａの中心部を通る直線Ｘ上に配置されているので、被計測生体Ｓの計測領域からの蛍光応答を高い効率で検出することができ、前記生体内物質の濃度検出の精度を増大させることができる。
【００１８】
図２〜図４は、蛍光指示薬Ｐの、被計測生体Ｓ内へに注入方法を説明するための図である。図２においては、蛍光指示薬Ｐと被計測生体Ｓとの間に電位差を生ぜしめ、これによって蛍光指示薬Ｐのイオン流又は電気浸透流を生成し、蛍光指示薬Ｐを被計測生体Ｓ内に注入するようにしている。
【００１９】
図３においては、容器１１の端部にバルブ１７を介して圧力源１８を配置し、圧力源１８から容器１１内の蛍光指示薬Ｐに対して所定の圧力を負荷することにより、蛍光指示薬Ｐを注入口１１Ａから噴出させ、被計測生体Ｓ内に注入するようにしている。
【００２０】
図４においては、容器１１内で蛍光指示薬Ｐを所定の液体中に保持し、前記液体に対して電極１９を介して電圧を印加することにより、その親水性及び疎水性を制御し、親水性及び疎水性の性質変化に基く前記液体の体積変化を利用して蛍光指示薬Ｐを注入口１１Ａより噴出させ、被計測生体Ｓ内に注入するようにしている。
【００２１】
本例では、図４（ａ）に示すように、電圧を印加していない状態で親水性を呈して膨脹し、図４（ｂ）に示すように、電圧を印加した状態で疎水性を呈して収縮する液体中に蛍光指示薬Ｐを保持し、図４（ｂ）の状態にあるときに蛍光指示薬Ｐを含む前記液体を容器１１の注入口１１Ａより噴出させ、被計測生体Ｓに注入するようにしている。
【００２２】
なお、蛍光指示薬Ｐの被計測生体Ｓへの注入方法は、図２〜図４に示す方法に限定されるものではなく、いかなる方法を用いることもできる。
【００２３】
また、蛍光指示薬Ｐの被計測生体Ｓへの注入量は以下のようにして監視することができる。例えば図２に示すように、電圧印加による方法を用いた場合、被計測生体Ｓ及び蛍光指示薬Ｐ間を流れる電流量は、被計測生体Ｓへ注入される蛍光指示薬Ｐのイオン流又は電気浸透流に比例する。したがって、前記電流量を計測することにより、蛍光指示薬Ｐの被計測生体Ｓ内への注入量を間接的に定量することができ、前記注入量を監視できるようになる。
【００２４】
さらに、被計測生体Ｓ内に生体内物質と結合する上記蛍光指示薬Ｐとは別に、前記生体内物質と結合しない追加の蛍光指示薬を準備し、これを蛍光指示薬Ｐと混合させ、蛍光指示薬Ｐと一緒に被計測生体Ｓ内に注入し、前記追加の蛍光指示薬からの蛍光応答を検出する。前記追加の蛍光指示薬を蛍光指示薬Ｐと均一に混合させれば、前記追加の蛍光指示薬は蛍光指示薬Ｐに対して一定の割合で被計測生体Ｓ内に注入されるようになるので、前記追加の蛍光指示薬からの蛍光応答の強度を計測すれば、被計測生体Ｓ内へ注入された蛍光指示薬Ｐの注入量を間接的に定量し、監視できるようになる。
【００２５】
図５及び図６は、蛍光指示薬Ｐの被計測生体Ｓ内への注入量を制御する方法を説明するための図である。
【００２６】
図１に示すような装置を用いて実際に計測を行う場合、上述した被計測生体Ｓ内への蛍光指示薬Ｐの注入量の監視に加えて、前記注入量を制御することが要求される場合がある。この場合、例えば、図５に示すように、容器１１の注入口１１Ａにヒンジ２２を介してシャッター２１を設け、その開閉を操作することにより、蛍光指示薬Ｐの注入口１１Ａからの噴出量を調節し、被計測生体Ｓへの蛍光指示薬Ｐの注入量を制御できるようになる。図５では、蛍光指示薬Ｐに負荷される圧力（注入圧）を制御することによりシャッター２１の開閉度合いを調節し、蛍光指示薬Ｐの注入量を制御するようにしている。
【００２７】
また、図６に示すように、容器１１の外周上に電極２３を設け、この電極から蛍光指示薬Ｐに対して所定の電位を負荷し、それによって蛍光指示薬Ｐに生じる静電力の大きさ及び方向を制御することによって、蛍光指示薬Ｐの容器１１の注入口１１Ａからの噴出量を調節し、被計測生体Ｓ内への蛍光指示薬Ｐの注入量を制御することもできる。
【００２８】
なお、蛍光指示薬Ｐの被計測生体Ｓへの注入量の制御方法は、図５及び図６に示す方法に限定されるものではなく、いかなる方法を用いることもできる。
【００２９】
次に、検出部１３における蛍光応答の検出方法について説明する。図７は、検出部１３における蛍光応答の検出方法の一例を説明するための図である。
【００３０】
図７（ａ）に示すように、被計測生体Ｓへの蛍光指示薬Ｐの注入を行うと、その直後には計測領域における蛍光指示薬濃度は増大するが、その後は拡散してしまうため、前記計測領域における蛍光指示薬濃度は時間とともに減少する。したがって、図７（ａ）に示すように、蛍光指示薬Ｐの注入と拡散とを交互に行う場合、図７（ｂ）に示すように、被計測生体Ｓへの励起光Ｌの照射を前記注入動作と同期させ、計測領域における蛍光指示薬濃度が例えば最大となったときに照射するようにすることが好ましい。
【００３１】
この場合、図７（ｃ）に示すように、被計測生体Ｓ中での生体内物質の濃度が時間とともに変化した場合でも、得られる反射光中の蛍光応答の検出は、常に蛍光指示薬濃度が最大で一定濃度のときに実施しているため、図７（ｄ）に示すように、前記蛍光応答の強度は前記生体内物質の濃度変化を反映したものとなる。したがって、前記生体内物質濃度の計測精度を向上させることができる。
【００３２】
図８は、検出部１３における蛍光応答の検出方法の他の例を説明するための図である。本例では、図８（ａ）に示すように、被計測生体Ｓに対して蛍光指示薬Ｐを定常的に注入し、被計測生体Ｓの計測領域における蛍光指示薬Ｐの注入量と拡散量とが平衡し、前記計測領域での蛍光指示薬Ｐの濃度が一定となるようにしている。そして、図８（ｂ）に示すように、蛍光指示薬Ｐの濃度が一定となった時点で、励起光Ｌを被計測生体Ｓに照射し、図８（ｃ）に示すような被計測生体Ｓ内の生体内物質濃度の変化を、図８（ｄ）に示すような蛍光応答の強度変化として検出することができる。この場合も、前記生体内物質濃度の計測精度を向上させることができる。
【００３３】
図９は、検出部１３における蛍光応答の検出方法のその他の例を説明するための図である。本例においては、図９（ａ）に示すように、蛍光指示薬Ｐの注入量を周期Ｔで変調し、図９（ｂ）に示すように、励起光Ｌを定常的に照射するようにしている。図９（ｄ）に示すように、この場合の蛍光応答の強度は、図９（ｃ）に示す被計測生体Ｓ内での生体内物質の濃度変化を強度変化に反映するとともに、蛍光指示薬Ｐの注入周期Ｔに対応して変化するようになる。したがって、前記生体内物質濃度の計測精度を向上させることができる。
【００３４】
図１０は、図９に示す検出方法の変形例である。本例においては、図１０（ａ）に示すように、被計測生体Ｓの計測領域での蛍光指示薬Ｐの濃度を一定に保持し、図１０（ｂ）に示すように、励起光Ｌを周期Ｔで被計測生体Ｓに照射するようにしている。したがって、この場合においても、図１０（ｄ）に示すように、蛍光応答の強度は、図１０（ｃ）に示す被計測生体Ｓ内での生体内物質の濃度変化を強度変化に反映するとともに、励起光Ｌの照射周期Ｔに対応して変化するようになる。したがって、前記生体内物質濃度の計測精度を向上させることができる。
【００３５】
図１１及び図１２は、検出部１３における蛍光応答の検出方法のさらに他の例を説明するための図である。図１１においては、図９に示すような方法と同様に、図１１（ａ）で示すように蛍光指示薬Ｐを被計測生体Ｓ内へ所定周期で注入するとともに、図１１（ｃ）に示すような被計測生体Ｓ内での生体内物質濃度が変化しない状態において、蛍光応答強度を図１１（ｄ）に示すように計測する。次いで、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、蛍光指示薬Ｐの注入周期と励起光Ｌの照射条件を同一に保持した状態で、図１２（ｃ）に示すような被計測生体Ｓ内での生体内物質濃度が変化した状態において、図１２（ｄ）に示すように蛍光応答強度を計測する。
【００３６】
次いで、図１２（ｄ）の蛍光応答強度は、前記生体内物質濃度が変化しない定常状態の蛍光応答強度を必然的に含んでいるので、このような定常状態の蛍光応答強度に相当する図１１（ｄ）に示す蛍光応答強度を図１２（ｄ）に示す蛍光応答強度から差し引くことによって、前記生体内物質の濃度変化の大きさに起因した蛍光応答強度のみを得ることができる。
【００３７】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００３８】
図１３は、本発明の生体内物質の濃度計測装置の他の例を示す構成図である。図１３に示す濃度計測装置３０は、光ファイバ３１と、励起光源３２と、検出部３３とを具えている。光ファイバ３１内には、蛍光指示薬Ｐを先端部３５Ａまで導くための導入路３５が形成されており、導入路３５の他端には蛍光指示薬Ｐを保持するための貯蔵容器３６が設けられている。なお、検出部３３は導入路３５の中心部を通る直線Ｙ上に配置されている。
【００３９】
図１３に示す装置を用いた場合、蛍光指示薬Ｐは導入路３５の先端部３５Ａから図示しない被計測生体へ注入する。このとき、前記被計測生体内では、生体内物質と蛍光指示薬Ｐとが結合する。そして、前記被計測生体へ励起光源３２より所定の励起光を光ファイバ３１内を通じて照射し、反射させる。得られた反射光Ｒは光ファイバ３１の先端部から光ファイバ３１内に導入され、その後、光ファイバ３１のコア部３１Ａ及びクラッド部３１Ｂの界面３１Ｃで多重反射を繰り返しながら、検出部３３に至る。
【００４０】
検出部３３では、反射光Ｒ内に含まれた、前記生体内物質と蛍光指示薬Ｐとの結合に基いた蛍光応答を検出し、前記被計測生体内における前記生体内物質の濃度を計測する。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、生体から生体組織の一部を試料として取り出すことなく、前記生体の生体物質濃度を直接的に計測する方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の生体内物質の濃度計測装置の一例を示す構成図である。
【図２】 蛍光指示薬の、被計測生体内へに注入方法の一例を説明するための図である。
【図３】 蛍光指示薬の、被計測生体内へに注入方法の他の例を説明するための図である。
【図４】 蛍光指示薬の、被計測生体内へに注入方法のその他の例を説明するための図である。
【図５】 蛍光指示薬の被計測生体内への注入量を制御する方法の一例を説明するための図である。
【図６】 蛍光指示薬の被計測生体内への注入量を制御する方法の他の例を説明するための図である。
【図７】 本発明の生体内物質の濃度計測装置において、検出部での蛍光応答の検出方法の一例を説明するための図である。
【図８】 本発明の生体内物質の濃度計測装置において、検出部での蛍光応答の検出方法の他の例を説明するための図である。
【図９】 本発明の生体内物質の濃度計測装置において、検出部での蛍光応答の検出方法のその他の例を説明するための図である。
【図１０】 図９に示す検出方法の変形例を説明するための図である。
【図１１】 本発明の生体内物質の濃度計測装置において、検出部での蛍光応答の検出方法のさらに他の例を説明するための図である。
【図１２】 同じく、本発明の生体内物質の濃度計測装置において、検出部での蛍光応答の検出方法のさらに他の例を説明するための図である。
【図１３】 本発明の生体内物質の濃度計測装置の他の例を示す構成図である。
【符号の説明】
１０、３０ 生体内物質濃度の計測装置
１１ 容器
１１Ａ 注入口
１２、３２ 励起光源
１３、３３ 検出部
１４ 反射膜
１５ 光導波路
１６ 光分散器
１７ バルブ
１８ 圧力源
１９ 電極
２１ シャッター
２２ ヒンジ
２３ 電極
３１ 光ファイバ
３２ 励起光源
３５ 導入路
３６ 貯蔵容器
Ｐ 蛍光指示薬
Ｓ 被計測生体
Ｌ 励起光
Ｒ 反射光
【発明の属する技術分野】
本発明は、生きたままの生体内における極微小領域での生体内物質の濃度計測方法及び濃度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の生体内物質の濃度計測方法及び濃度計測装置においては、生体から一部の組織を取り出して得た試料に対し、その試料を構成する生体内物質と結合する蛍光指示薬を負荷し、その蛍光応答をＣＣＤカメラで検出することによって、前記試料における前記生体内物質の濃度を計測していた。この場合においては、ＣＣＤカメラを用い、前記蛍光応答をイメージとして計測するので、前記試料全体の生体内物質濃度分布を得ることができる。
【０００３】
前記試料は、一般的には前記生体をスライス加工して作製するが、共焦点顕微鏡を用いる場合などは、焦点距離を調整することで任意の深度に焦点を合わせることができるので、上述のようなスライス加工を施すことなく、バルク状のものを用いることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の計測方法及び計測装置においては、目的とする生体から一部を取り出した試料に対して計測を行うので、前記試料が実際に生体内に存在していた状態と異なる場合がある。また、蛍光指示薬を試料全体に負荷するので、計測以降、前記試料内の生体組織が長期間生存することができず、慢性的な計測は困難となる。
【０００５】
このような観点から、生体の一部を切り出して試料を作製する代わりに、計測プローブなどを直接的に生体内に挿入させ、前記生体の蛍光応答を直接的に計測する試みがなされているが、光学アライメントが複雑になる。
【０００６】
本発明は、生体から生体組織の一部を試料として取り出すことなく、前記生体の生体物質濃度を直接的に計測する方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の被計測生体内に蛍光指示薬を注入する工程と、
前記被計測生体に対して励起光を照射するとともに反射させて、所定の反射光を得る工程と、
前記反射光内の、前記被計測生体内における生体内物質と前記蛍光指示薬との結合による蛍光応答を検出することにより、前記被計測生体内における生体内物質濃度を計測する工程とを具え、
前記反射光は、前記蛍光指示薬の注入口と同軸の開口を持つ導波路を通って、前記蛍光応答を検出するための検出部に導かれることを特徴とする、人体を除く生体内物質の濃度計測方法に関する。
【０００８】
本発明の計測方法によれば、被計測生体に直接的に蛍光指示薬を注入するとともに、前記蛍光指示薬が注入された計測領域に対して励起光を照射し、得られた反射光内に含まれる、前記被計測生体の生体内物質と前記蛍光指示薬との結合による蛍光応答を検出するようにしている。したがって、被計測生体から生体組織を取り出すことなく、前記生体内物質が前記被計測生体内に生存している状態における前記生体内物質の濃度をリアルタイムで計測することができる。また、被計測生体に挿入させるべき計測プローブなども必要としないので、光学アライメントも簡略化することができる。
【０００９】
また、前記反射光は、前記蛍光指示薬の注入口と同軸の開口を持つ導波路を通って、前記蛍光応答を検出するための検出部に導かれるので、前記被計測生体の計測領域からの蛍光応答を高い効率で検出することができ、生体内物質の濃度検出の精度を増大させることができる。
【００１０】
本発明のその他の特徴及び利点、並びに本発明の生体内物質の濃度計測装置については、以下の発明の実施の形態で詳述する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の生体内物質の濃度計測装置の一例を示す構成図である。図１に示す濃度計測装置１０は、蛍光指示薬Ｐを保持するための容器１１と、この容器１１の後方に設けられた励起光源１２及び検出部１３とを具えている。なお、容器１１の側壁には反射膜１４が形成されている。また、容器１１の外周上にはリング状の光導波路１５が設けられており、その先端部には光散乱器１６が設けられている。さらに、容器１１の先端部には、被計測生体Ｓと対向するようにして注入口１１Ａが形成されており、蛍光指示薬Ｐを被計測生体Ｓに対して注入できるように構成されている。なお、検出部１３は、注入口１１Ａの中心部を通る直線Ｘ上に配置されている。
【００１２】
容器１１は、ガラス容器やステンレス容器などを用いることができ、励起光源１２は、市販のハロゲンランプやレーザ光装置などから構成することができる。また、検出部１３は、ＣＣＤカメラなどの市販の撮像装置を用いることができる。
【００１３】
図１に示す装置を用いた場合、被計測生体Ｓ内の生体内物質の濃度計測は以下のようにして実施する。
【００１４】
最初に、容器１１内の蛍光指示薬Ｐを注入口１１Ａから被計測生体Ｓ内に注入し、被計測生体Ｓ内の生体内物質と結合させる。なお、蛍光指示薬Ｐは単独で用いることもできるし、溶媒などの所定の液体中に混合させておくこともできる。
【００１５】
次いで、励起光源１２から励起光Ｌを出射する。励起光Ｌは光導波路１５内を通って光散乱器１６に至って散乱され、被計測生体Ｓ内の計測領域に照射される。次いで、励起光Ｌは被計測生体Ｓ内の計測領域で反射され、その反射光Ｒは容器１１の注入口１１Ａ内に導入される。次いで、反射光Ｒは、容器１１の側壁に設けられた反射膜１４で多重反射を行って検出部１３に導入される。
【００１６】
反射光Ｒは、蛍光指示薬Ｐが注入された被計測生体Ｓの計測領域に対して励起光Ｌが照射されることに得た、前記生体内物質と蛍光指示薬Ｐとの結合に基いた蛍光応答を含んでいるので、検出部１３では反射光Ｒ内に含まれた前記蛍光応答を検出する。前記蛍光応答は、前記生体内物質と蛍光指示薬Ｐとの結合割合、すなわち十分な蛍光指示薬Ｐが注入された場合には、前記生体内物質の濃度に比例するため、前記蛍光応答を検出することにより、前記生体内物質の濃度を計測することができる。
【００１７】
なお、図１に示す計測装置においては、検出部１３が容器１１の注入口１１Ａの中心部を通る直線Ｘ上に配置されているので、被計測生体Ｓの計測領域からの蛍光応答を高い効率で検出することができ、前記生体内物質の濃度検出の精度を増大させることができる。
【００１８】
図２〜図４は、蛍光指示薬Ｐの、被計測生体Ｓ内へに注入方法を説明するための図である。図２においては、蛍光指示薬Ｐと被計測生体Ｓとの間に電位差を生ぜしめ、これによって蛍光指示薬Ｐのイオン流又は電気浸透流を生成し、蛍光指示薬Ｐを被計測生体Ｓ内に注入するようにしている。
【００１９】
図３においては、容器１１の端部にバルブ１７を介して圧力源１８を配置し、圧力源１８から容器１１内の蛍光指示薬Ｐに対して所定の圧力を負荷することにより、蛍光指示薬Ｐを注入口１１Ａから噴出させ、被計測生体Ｓ内に注入するようにしている。
【００２０】
図４においては、容器１１内で蛍光指示薬Ｐを所定の液体中に保持し、前記液体に対して電極１９を介して電圧を印加することにより、その親水性及び疎水性を制御し、親水性及び疎水性の性質変化に基く前記液体の体積変化を利用して蛍光指示薬Ｐを注入口１１Ａより噴出させ、被計測生体Ｓ内に注入するようにしている。
【００２１】
本例では、図４（ａ）に示すように、電圧を印加していない状態で親水性を呈して膨脹し、図４（ｂ）に示すように、電圧を印加した状態で疎水性を呈して収縮する液体中に蛍光指示薬Ｐを保持し、図４（ｂ）の状態にあるときに蛍光指示薬Ｐを含む前記液体を容器１１の注入口１１Ａより噴出させ、被計測生体Ｓに注入するようにしている。
【００２２】
なお、蛍光指示薬Ｐの被計測生体Ｓへの注入方法は、図２〜図４に示す方法に限定されるものではなく、いかなる方法を用いることもできる。
【００２３】
また、蛍光指示薬Ｐの被計測生体Ｓへの注入量は以下のようにして監視することができる。例えば図２に示すように、電圧印加による方法を用いた場合、被計測生体Ｓ及び蛍光指示薬Ｐ間を流れる電流量は、被計測生体Ｓへ注入される蛍光指示薬Ｐのイオン流又は電気浸透流に比例する。したがって、前記電流量を計測することにより、蛍光指示薬Ｐの被計測生体Ｓ内への注入量を間接的に定量することができ、前記注入量を監視できるようになる。
【００２４】
さらに、被計測生体Ｓ内に生体内物質と結合する上記蛍光指示薬Ｐとは別に、前記生体内物質と結合しない追加の蛍光指示薬を準備し、これを蛍光指示薬Ｐと混合させ、蛍光指示薬Ｐと一緒に被計測生体Ｓ内に注入し、前記追加の蛍光指示薬からの蛍光応答を検出する。前記追加の蛍光指示薬を蛍光指示薬Ｐと均一に混合させれば、前記追加の蛍光指示薬は蛍光指示薬Ｐに対して一定の割合で被計測生体Ｓ内に注入されるようになるので、前記追加の蛍光指示薬からの蛍光応答の強度を計測すれば、被計測生体Ｓ内へ注入された蛍光指示薬Ｐの注入量を間接的に定量し、監視できるようになる。
【００２５】
図５及び図６は、蛍光指示薬Ｐの被計測生体Ｓ内への注入量を制御する方法を説明するための図である。
【００２６】
図１に示すような装置を用いて実際に計測を行う場合、上述した被計測生体Ｓ内への蛍光指示薬Ｐの注入量の監視に加えて、前記注入量を制御することが要求される場合がある。この場合、例えば、図５に示すように、容器１１の注入口１１Ａにヒンジ２２を介してシャッター２１を設け、その開閉を操作することにより、蛍光指示薬Ｐの注入口１１Ａからの噴出量を調節し、被計測生体Ｓへの蛍光指示薬Ｐの注入量を制御できるようになる。図５では、蛍光指示薬Ｐに負荷される圧力（注入圧）を制御することによりシャッター２１の開閉度合いを調節し、蛍光指示薬Ｐの注入量を制御するようにしている。
【００２７】
また、図６に示すように、容器１１の外周上に電極２３を設け、この電極から蛍光指示薬Ｐに対して所定の電位を負荷し、それによって蛍光指示薬Ｐに生じる静電力の大きさ及び方向を制御することによって、蛍光指示薬Ｐの容器１１の注入口１１Ａからの噴出量を調節し、被計測生体Ｓ内への蛍光指示薬Ｐの注入量を制御することもできる。
【００２８】
なお、蛍光指示薬Ｐの被計測生体Ｓへの注入量の制御方法は、図５及び図６に示す方法に限定されるものではなく、いかなる方法を用いることもできる。
【００２９】
次に、検出部１３における蛍光応答の検出方法について説明する。図７は、検出部１３における蛍光応答の検出方法の一例を説明するための図である。
【００３０】
図７（ａ）に示すように、被計測生体Ｓへの蛍光指示薬Ｐの注入を行うと、その直後には計測領域における蛍光指示薬濃度は増大するが、その後は拡散してしまうため、前記計測領域における蛍光指示薬濃度は時間とともに減少する。したがって、図７（ａ）に示すように、蛍光指示薬Ｐの注入と拡散とを交互に行う場合、図７（ｂ）に示すように、被計測生体Ｓへの励起光Ｌの照射を前記注入動作と同期させ、計測領域における蛍光指示薬濃度が例えば最大となったときに照射するようにすることが好ましい。
【００３１】
この場合、図７（ｃ）に示すように、被計測生体Ｓ中での生体内物質の濃度が時間とともに変化した場合でも、得られる反射光中の蛍光応答の検出は、常に蛍光指示薬濃度が最大で一定濃度のときに実施しているため、図７（ｄ）に示すように、前記蛍光応答の強度は前記生体内物質の濃度変化を反映したものとなる。したがって、前記生体内物質濃度の計測精度を向上させることができる。
【００３２】
図８は、検出部１３における蛍光応答の検出方法の他の例を説明するための図である。本例では、図８（ａ）に示すように、被計測生体Ｓに対して蛍光指示薬Ｐを定常的に注入し、被計測生体Ｓの計測領域における蛍光指示薬Ｐの注入量と拡散量とが平衡し、前記計測領域での蛍光指示薬Ｐの濃度が一定となるようにしている。そして、図８（ｂ）に示すように、蛍光指示薬Ｐの濃度が一定となった時点で、励起光Ｌを被計測生体Ｓに照射し、図８（ｃ）に示すような被計測生体Ｓ内の生体内物質濃度の変化を、図８（ｄ）に示すような蛍光応答の強度変化として検出することができる。この場合も、前記生体内物質濃度の計測精度を向上させることができる。
【００３３】
図９は、検出部１３における蛍光応答の検出方法のその他の例を説明するための図である。本例においては、図９（ａ）に示すように、蛍光指示薬Ｐの注入量を周期Ｔで変調し、図９（ｂ）に示すように、励起光Ｌを定常的に照射するようにしている。図９（ｄ）に示すように、この場合の蛍光応答の強度は、図９（ｃ）に示す被計測生体Ｓ内での生体内物質の濃度変化を強度変化に反映するとともに、蛍光指示薬Ｐの注入周期Ｔに対応して変化するようになる。したがって、前記生体内物質濃度の計測精度を向上させることができる。
【００３４】
図１０は、図９に示す検出方法の変形例である。本例においては、図１０（ａ）に示すように、被計測生体Ｓの計測領域での蛍光指示薬Ｐの濃度を一定に保持し、図１０（ｂ）に示すように、励起光Ｌを周期Ｔで被計測生体Ｓに照射するようにしている。したがって、この場合においても、図１０（ｄ）に示すように、蛍光応答の強度は、図１０（ｃ）に示す被計測生体Ｓ内での生体内物質の濃度変化を強度変化に反映するとともに、励起光Ｌの照射周期Ｔに対応して変化するようになる。したがって、前記生体内物質濃度の計測精度を向上させることができる。
【００３５】
図１１及び図１２は、検出部１３における蛍光応答の検出方法のさらに他の例を説明するための図である。図１１においては、図９に示すような方法と同様に、図１１（ａ）で示すように蛍光指示薬Ｐを被計測生体Ｓ内へ所定周期で注入するとともに、図１１（ｃ）に示すような被計測生体Ｓ内での生体内物質濃度が変化しない状態において、蛍光応答強度を図１１（ｄ）に示すように計測する。次いで、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、蛍光指示薬Ｐの注入周期と励起光Ｌの照射条件を同一に保持した状態で、図１２（ｃ）に示すような被計測生体Ｓ内での生体内物質濃度が変化した状態において、図１２（ｄ）に示すように蛍光応答強度を計測する。
【００３６】
次いで、図１２（ｄ）の蛍光応答強度は、前記生体内物質濃度が変化しない定常状態の蛍光応答強度を必然的に含んでいるので、このような定常状態の蛍光応答強度に相当する図１１（ｄ）に示す蛍光応答強度を図１２（ｄ）に示す蛍光応答強度から差し引くことによって、前記生体内物質の濃度変化の大きさに起因した蛍光応答強度のみを得ることができる。
【００３７】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００３８】
図１３は、本発明の生体内物質の濃度計測装置の他の例を示す構成図である。図１３に示す濃度計測装置３０は、光ファイバ３１と、励起光源３２と、検出部３３とを具えている。光ファイバ３１内には、蛍光指示薬Ｐを先端部３５Ａまで導くための導入路３５が形成されており、導入路３５の他端には蛍光指示薬Ｐを保持するための貯蔵容器３６が設けられている。なお、検出部３３は導入路３５の中心部を通る直線Ｙ上に配置されている。
【００３９】
図１３に示す装置を用いた場合、蛍光指示薬Ｐは導入路３５の先端部３５Ａから図示しない被計測生体へ注入する。このとき、前記被計測生体内では、生体内物質と蛍光指示薬Ｐとが結合する。そして、前記被計測生体へ励起光源３２より所定の励起光を光ファイバ３１内を通じて照射し、反射させる。得られた反射光Ｒは光ファイバ３１の先端部から光ファイバ３１内に導入され、その後、光ファイバ３１のコア部３１Ａ及びクラッド部３１Ｂの界面３１Ｃで多重反射を繰り返しながら、検出部３３に至る。
【００４０】
検出部３３では、反射光Ｒ内に含まれた、前記生体内物質と蛍光指示薬Ｐとの結合に基いた蛍光応答を検出し、前記被計測生体内における前記生体内物質の濃度を計測する。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、生体から生体組織の一部を試料として取り出すことなく、前記生体の生体物質濃度を直接的に計測する方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の生体内物質の濃度計測装置の一例を示す構成図である。
【図２】 蛍光指示薬の、被計測生体内へに注入方法の一例を説明するための図である。
【図３】 蛍光指示薬の、被計測生体内へに注入方法の他の例を説明するための図である。
【図４】 蛍光指示薬の、被計測生体内へに注入方法のその他の例を説明するための図である。
【図５】 蛍光指示薬の被計測生体内への注入量を制御する方法の一例を説明するための図である。
【図６】 蛍光指示薬の被計測生体内への注入量を制御する方法の他の例を説明するための図である。
【図７】 本発明の生体内物質の濃度計測装置において、検出部での蛍光応答の検出方法の一例を説明するための図である。
【図８】 本発明の生体内物質の濃度計測装置において、検出部での蛍光応答の検出方法の他の例を説明するための図である。
【図９】 本発明の生体内物質の濃度計測装置において、検出部での蛍光応答の検出方法のその他の例を説明するための図である。
【図１０】 図９に示す検出方法の変形例を説明するための図である。
【図１１】 本発明の生体内物質の濃度計測装置において、検出部での蛍光応答の検出方法のさらに他の例を説明するための図である。
【図１２】 同じく、本発明の生体内物質の濃度計測装置において、検出部での蛍光応答の検出方法のさらに他の例を説明するための図である。
【図１３】 本発明の生体内物質の濃度計測装置の他の例を示す構成図である。
【符号の説明】
１０、３０ 生体内物質濃度の計測装置
１１ 容器
１１Ａ 注入口
１２、３２ 励起光源
１３、３３ 検出部
１４ 反射膜
１５ 光導波路
１６ 光分散器
１７ バルブ
１８ 圧力源
１９ 電極
２１ シャッター
２２ ヒンジ
２３ 電極
３１ 光ファイバ
３２ 励起光源
３５ 導入路
３６ 貯蔵容器
Ｐ 蛍光指示薬
Ｓ 被計測生体
Ｌ 励起光
Ｒ 反射光
Claims (25)
- 所定の被計測生体内に蛍光指示薬を注入する工程と、
前記被計測生体に対して励起光を照射するとともに反射させて、所定の反射光を得る工程と、
前記反射光内の、前記被計測生体内における生体内物質と前記蛍光指示薬との結合による蛍光応答を検出することにより、前記被計測生体内における生体内物質濃度を計測する工程とを具え、
前記反射光は、前記蛍光指示薬の注入口と同軸の開口を持つ導波路を通って、前記蛍光応答を検出するための検出部に導かれることを特徴とする、人体を除く生体内物質の濃度計測方法。 - 前記蛍光指示薬は、前記被計測生体との電位差を利用して生成されたイオン流又は電気浸透流の状態で、前記被計測生体内に注入することを特徴とする、請求項１に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記蛍光指示薬は、加圧操作によって前記被計測生体内に注入することを特徴とする、請求項１に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記蛍光指示薬は所定の液体内に保持し、前記液体に対して電圧を印加することにより前記液体の親水性及び疎水性を制御し、その際の体積膨脹及び収縮を利用して、前記被計測生体内に注入することを特徴とする、請求項１に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記蛍光指示薬の、前記被計測生体への注入量を監視する工程を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記生体内物質と結合しない追加の蛍光指示薬を準備し、この追加の蛍光指示薬を前記蛍光指示薬とともに前記被計測生体内へ注入し、前記追加の蛍光指示薬からの蛍光応答を計測することにより、前記蛍光指示薬の注入量を監視することを特徴とする、請求項５に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記蛍光指示薬の前記イオン流又は前記電気浸透流に起因した電流値を計測することにより、前記蛍光指示薬の、前記被計測生体内への注入量を監視する工程を具えることを特徴とする、請求項２に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記蛍光指示薬の、前記被計測生体内への注入量を制御する工程を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記蛍光指示薬は、前記被計測生体と対向する先端部に注入口を有する所定の容器内に保持され、前記反射光は前記容器の側壁と多重反射した後に検出することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記励起光は、前記容器の外方に設けられた光導波路中を伝播した後、前記光導波路の先端部に設けられた光散乱器で散乱させて、前記被計測生体に照射することを特徴とする、請求項９に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記励起光は光ファイバ中を通って前記被計測生体に照射され、前記反射光は前記光ファイバのクラッド部とコア部との境界面で多重反射した後に検出することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記蛍光指示薬は、前記光ファイバ内を貫通するように設けられた導入路を介して、前記被計測生体内に注入することを特徴とする、請求項１１に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記被計測生体に対する、前記蛍光指示薬の注入と前記励起光の照射とを同期させることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記蛍光指示薬の、前記被計測生体内における計測領域での濃度が一定になった時点で、前記励起光を前記被計測生体に照射することを特徴とする、請求項１３に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記被計測生体に対する、前記蛍光指示薬の注入及び前記励起光の照射の少なくとも一方を所定の周波数で変調することを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 前記被計測生体内で生体内物質が活動することにより、生体内物質濃度が変化する場合において、前記生体内物質の非活動状態での蛍光応答を予め検出しておき、実測定による前記蛍光応答との差分をとることにより、前記生体内物質の活動状態での蛍光応答を検出することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一に記載の人体を除く生体内物質の濃度計測方法。
- 被計測生体と対向する先端部に注入口を有し、前記被計測生体内に注入すべき蛍光指示薬を保持するための容器と、
前記被計測生体に対して励起光を照射するための励起光源と、
前記被計測生体からの反射光を検出するための検出部とを具え、
前記反射光は、前記蛍光指示薬の注入口と同軸の開口を持つ導波路を通って、前記蛍光応答を検出するための検出部に導かれるように構成したことを特徴とする、生体内物質の濃度計測装置。 - 前記容器の外方に電極を設けたことを特徴とする、請求項１７に記載の生体内物質の濃度計測装置。
- 前記電極と前記被計測生体との間に電位差を生ぜしめ、前記蛍光指示薬のイオン流又は電気浸透流を生成して、前記被計測生体内へ前記蛍光指示薬を注入することを特徴とする、請求項１８に記載の生体内物質の濃度計測装置。
- 前記電極と前記蛍光指示薬との間に電位差を生ぜしめ、前記蛍光指示薬の、前記被計測生体内への注入量を制御することを特徴とする、請求項１８又は１９に記載の生体内物質の濃度計測装置。
- 前記蛍光指示薬は所定の液体内に保持した場合において、前記電極と前記液体との間に電位差を生ぜしめて前記液体の親水性及び疎水性を制御し、その際の体積膨脹及び収縮を利用して、前記被計測生体内へ前記蛍光指示薬を注入することを特徴とする、請求項１８に記載の生体内物質の濃度計測装置。
- 前記蛍光指示薬を加圧操作によって前記被計測生体内に注入するための圧力源を具えることを特徴とする、請求項１７〜２１のいずれか一に記載の生体内物質の濃度計測装置。
- 前記容器の前記先端部においてシャッターを有し、前記蛍光指示薬の、前記被計測生体内への注入量を制御することを特徴とする、請求項１７〜２２のいずれか一に記載の生体内物質の濃度計測装置。
- 前記容器の外方において、前記容器の前記先端部側に光散乱器を有する光導波路を具えることを特徴とする、請求項１７〜２３のいずれか一に記載の生体内物質の濃度計測装置。
- 被計測生体に対して励起光を照射するための励起光源と、
前記励起光を伝播させるための光ファイバと、
前記被計測生体からの反射光を検出するための検出部と、
前記被計測生体内に注入すべき蛍光指示薬を保持するための貯蔵容器とを具え、
前記光ファイバ内には、前記蛍光指示薬をその先端部まで導くための導入路が設けられており、前記検出部は前記導入路の中心部を通る直線上に配置され、前記反射光は、前記導入路の、前記被計測生体と対向する先端部に導入するように構成したことを特徴とする、生体内物質の濃度計測装置。
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