JP3974527B2 - 生体内で体腔状態を決定するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体内診断の分野に関する。より具体的には、本発明は、化学物質および／または生物学的物質を生体内でかつその部位で検出するための、および、体腔の物理的状態を生体内で検出するための、システムおよび方法に関する。

体液内または体腔内の物質の非典型的な濃度または存在が、身体の生物学的状態を示す。たとえば、胃腸管内に赤血球が高濃度で存在することは、胃腸管に沿った出血の場所に依存して、異なる病理を示す。同様に、たとえば高熱等の身体の物理的状態の異常が、病理を示すこともある。異常状態を初期に検出し、特定しかつ場所を突きとめることは、正確に診断し様々な病理を治療するために重要である。

医療検出キットは通常、疑わしい物質の存在を求めて体液試料を生体外検査することに基づく。この検出方法は、異常に発生する物質の発生源を容易に突きとめたり特定したりすることはできない。多くの場合、体腔内で異常に発生する物質を突きとめることは、病理の特定に大いに寄与し、したがって、特定された病理の容易な治療に寄与する。たとえば、胃の出血は潰瘍を示すこともあり、一方、小腸の出血は腫瘍を示すこともある。

内視鏡によって胃腸管の出血を検出することは可能であるが、この可能性は、上部胃腸管または下部胃腸管に限定される。したがって、胃腸管の他の部分、たとえば小腸での出血は、内視鏡では容易には検出されない。さらに、胃腸管の出血を検出するための一般に使用される診断キットおよび方法は、出血の発生源を特定することはできず、病理の種類を決定するためには更なる検査を実施しなければならない。

本発明は、生体内状態を生体内でかつその部位で検出するためのシステムおよび方法を提供する。

本願で参照される「体腔状態」という用語は、体腔内の物質の存在および／または濃度に関し、かつ／または、体腔に主流である物理的状態、たとえば、温度、圧力または電場に関するが、これらに限定されない。

物質は、とりわけ、イオン、分子、細胞、化合物、たとえば、タンパク質、糖および血液成分であってもよい。

本発明の実施形態によるシステムは、少なくとも１つの相互作用チャンバと、少なくとも１つの光源と、少なくとも１つの光学的検出器と、を含む。本発明の実施形態によると、相互作用チャンバは、生体内（内腔）試料を含むことができ、少なくとも１つの指示薬を含んでその指示薬が試料に反応することができるようにする。内腔試料は、主流状態を有するかまたはおそらく物質を含んで、相互作用チャンバ内に含まれる指示薬が主流の状態に反応するかまたはその物質に反応するようにし、その反応は、結果として相互作用チャンバに発生する光学的変化になる。

光源は相互作用チャンバを照射し、これを照射する光の波長では透明であり、光学的検出器は、おそらく相互作用チャンバに発生する生体内光学的変化を検出する。

本発明の実施形態によると、システムは体腔内に挿入され、体腔環境からの試料が、少なくとも１つの指示薬を含む相互作用チャンバ内に引かれる。相互作用チャンバは、体腔流体および物質に浸透可能であり、それらがチャンバ内に入るのは可能であるが、指示薬がチャンバから体腔環境内に漏れることはできないように設計されることが好ましい。

指示薬は、相互作用チャンバの選択的膜内に液体または懸濁液として含まれてもよく、それによって、体腔流体の通過は許容されるが、指示薬の通過は許容されない。あるいは、指示薬は、指示薬が相互作用チャンバを離れることができないように相互作用チャンバ壁にまたは相互作用チャンバへ制限される付属物に固定化されてもよい。指示薬を含む相互作用チャンバの他の構成は可能である。

試料と指示薬との間の反応は、結果として光学的変化になることもあり、たとえば、相互作用チャンバ内の色の変化または光学的密度の変化であるが、それらに限定されない。これらの光学的変化は、光学的検出器によって検出され、おそらく画像形成される。検出された画像は、診断的情報を含むこともあり、後に検索されるように格納されてもよく、または、外部受信機へ送信されてもよい。

システムは、本発明の実施形態によると、米国特許第５，６０４，５３１号明細書に記載された嚥下可能なカプセルと利用されるものかまたは国際特許公開第０１／６５９９５号パンフレットに記載されたものとといった画像形成および送信システムを使用してもよい。米国特許第５，６０４，５３１号および国際特許公開第０１／６５９９５号は、本願の譲受人に譲渡されており、参照してここに組み込まれる。

本発明の実施形態によると、相互作用チャンバは、温度等の物理的状態に反応することができるか、または、体腔流体内に存在してもよい特定の化学物質または生物学的物質に反応することができる指示薬を含む。光学的変化は、単に体腔環境内の物質の存在を検出しこれを示す定性的であってもよく、かつ／または、体腔環境内の物質の濃度を示す定量的であってもよい。

本発明の実施形態による方法は、本発明の実施形態によりシステムを体腔内に挿入するステップと、内腔試料および／またはおそらく内腔試料内に含まれる物質が指示薬に反応することができるように相互作用チャンバに内腔試料を受け取るステップと、相互作用チャンバを照射するステップと、相互作用チャンバに発生する光学的変化を検出するステップと、を含む。

本発明の実施形態によると、本発明のシステムは、たとえば、針、ステント、内視鏡または嚥下可能なカプセル等の、体腔内に挿入されるように設計された装置に取り付けられるかまたは含まれるときに、体腔内に挿入されることができる。

本発明の１つの実施形態において、光学的検出器は、たとえば、ＣＣＤ、光ダイオードまたはＣＭＯＳ画像形成チップ等の撮像装置である。１つの実施形態において、光学的変化を画像形成することができる。

更に別の実施形態において、システムは、体腔状態をその部位で検出することができる。１つの実施形態によると、光学的検出器は、体腔と、相互作用チャンバに発生する光学的変化と、の両方を画像形成する撮像装置である。体腔を画像形成することによって、光学的変化の発生を体腔の特定の部位に突きとめることができ、かつ病理が特定され体腔の一定の領域に突きとめることができるように、所与の時間における体腔内のシステムの場所に関する情報を与える（たとえば、上述の米国特許第５，６０４，５３１号明細書に記載されるように）。

本発明の別の実施形態において、システムは、たとえば、嚥下可能なカプセル等の、胃腸管全体を自立的に画像形成し試料採取することができる装置内に含まれる。

本発明は、添付の図面に関連して取られた下記の詳細な説明からより完全に理解され認識される。

下記の記載では、本発明の様々な態様が述べられる。説明目的のために、本発明の徹底的な理解を提供するために、特定の構成および詳細が述べられる。しかし、ここに呈される特定の詳細なしでも本発明を実施することができることは、当業者には明らかである。さらに、本発明を曖昧にしないように、公知の特徴は省略されるかまたは簡略にされている場合がある。

図１を参照すると、本発明のシステムの実施形態が概略的に例示される。当該システムは、相互作用チャンバ２２と、相互作用チャンバ２２を照射する光源２４と、たとえば相互作用チャンバ２２を画像形成することによって、相互作用チャンバ２２内の光学的変化を検出するための光学的検出器２６と、を具備する。相互作用チャンバ２２は、物理的状態に対して反応するかまたは物質に反応することができる、色の変化または光密度の変化等の光学的に検出可能な結果を提供する指示薬（図示せず）を含む。

システムが体腔内に導入されると、腔環境が試料採取される。内腔試料は、たとえば相互作用チャンバの毛管作用によって、相互作用チャンバ内に受動的に引かれてもよく、または、たとえば浸透ポンプ（シリコンで利用可能）等の業界で公知のいずれの適切な機械的マイクロポンプを使用することによって、試料が能動的に吸い上げられてもよい。あるいは、試料採取は、定期的に、たとえばスイッチによって制御されてもよい。

相互作用チャンバ２２は、システムが体腔環境の新しい領域を試料採取するときにチャンバ内の試料排出および交換を可能にするように、各々が２つの開口を具備してもよい。

相互作用チャンバ２２は、体腔流体等の内腔試料を収容するように構成され、指示薬または指示薬の組み合わせを具備し、指示薬と試料またはおそらく試料に含まれる物質との間の反応が相互作用チャンバ２２で発生するようにする。

相互作用チャンバ２２は、その中で発生する光学的変化が光学的検出器２６によって検出されるように、光源２４によって照射される。これらの光学的変化は、試料内で主流である物理的状態および指示薬の作用の結果であるか、または、指示薬と試料に含まれる単数または複数の物質との間の相互作用の結果である。光学的変化を検出するかまたは画像形成するために、少なくとも相互作用チャンバ２２の一部は、照射の波長で透明であることが好ましい。

相互作用チャンバ２２は、ガラス２３のスラブへとエッチングされた毛細管として形成されてもよく、または、２つのガラススラブ２３Ａおよび２３Ｂの間に形成されてもよく、その一方（２３Ｂ）は、予め形成されたスロットまたはチャネルを含む。

相互作用チャンバは、プラスチック、ガラス等のいずれの適切な材料から作られてもよいことが認識される。材料が適切であるか否かを判断する際に考慮すべきパラメータは、たとえば、材料の透明性、体内使用のための安全性、内腔状態におけるまたはその中で起こり得る相互作用によって与えられる腐食における耐久性、などであってもよい。

システムは、１つまたはそれ以上の物理的状態、または、１つまたはそれ以上の物質の存在および／または濃度を同時に検出することができるように、１つまたはそれ以上の相互作用チャンバを具備することができる。

相互作用チャンバ２２内に含まれる指示薬は、反応性の化学成分、酵素または細胞等の生物学的に活性な因子、免疫試薬、または、物理的状態に反応するかまたは物質に反応するのに適切ないずれの指示薬または指示薬の混合物であってもよい。

特定の反応要件および特定の指示薬／物質の特性にしたがって、指示薬は、相互作用チャンバに溶液状でまたは固体形態で含まれてもよく、たとえば相互作用チャンバ壁を塗布する指示薬層、または、相互作用チャンバに制限された付属物に固定化された指示薬としてである。たとえば、指示薬が塗布されたストリップが相互作用チャンバ壁に固定されてもよく、または、指示が塗布されたビーズが相互作用チャンバ内に閉じ込められてもよい。たとえば、オルトトリジンを、相互作用チャンバ壁にまたは相互作用チャンバに固定されたストリップに、染み込ませてもよい。相互作用チャンバに入る体腔環境内に存在する赤血球は、溶血された解放する遊離ヘモグロビンであってもよく、これは、オルトトリジンの酸化に触媒作用を果たし、青い色を生成する。色変化の強度は、体腔流体の血液量に比例する。ｐＨ指示薬、糖の指示薬、特定の物質または細胞に親和性を有する抗体等の他の指示薬を使用してもよい。本発明のシステムは、体腔の異なる物理的状態及びその環境を検出するのにも使用することができる。したがって、たとえば、体腔の異なる領域の温度変化は、検知された温度にしたがって色が変化する指示薬を使用することによって検出されることができる。

指示薬と物質との間の反応は可逆的であってもよく、その場合、指示薬は複数の物質源を検出するために使用することができ、各源は、光学的変化の単一の事象として示す。また、反応速度論は、光学的変化の強度が物質の濃度に比例するようなものであってもよく、これにより物質の濃度を導き出すことができる。

相互作用チャンバ２２は、光源２４によって照射され、これは、相互作用チャンバ２２および光学的検出器２６に適合可能ないずれの照射源であってもよい。発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源を使用することもできる。光源２４から相互作用チャンバ２２へ、かつそれらを通って光学的検出器２６へ光線を集め／方向づけるために、任意に、コリメータまたはリフレクタ２５を使用してもよい。

光学的検出器２６は、相互作用チャンバ２２を通って進む光線を受け取り処理するのに適切ないずれの装置であってもよい。

システムは、相互作用チャンバ２２が、一方の側の光源２４と他方の側の光学的検出器２６の間に位置決めされるように、設定されてもよい。光源２４から発せられる光線（矢印２７’によって表される）は、コリメータまたはリフレクタ２５によって集められ、相互作用チャンバ２２を含むガラススラブ２３に方向づけられる（矢印２７によって表される）。光線（矢印２７によって表される）は、ガラススラブ２３および相互作用チャンバ２２を通って進み、光学的検出器２６によって受け取られる。光学的検出器２６は、光学的変化を検出するのに適切ないずれの検出器であってもよく、たとえば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ画像形成チップ、光ダイオード等の撮像装置であってもよい。

光学的検出器２６は、たとえば相互作用チャンバの画像を形成することによって、受け取った光線を処理する。画像は、光学的検出器２６に格納されてもよく、または、外部受信システムに更に転送されてもよい。

本発明のシステムの構成要素は、特にシステム用に設計されてもよく、または、システムは、体腔で作用する他のシステムからいくつかの構成要素を使用してもよく、したがって既存の構成要素を経済的に活用する。たとえば、本発明のシステムは、体腔内に挿入されるための医療装置に組み込まれるかまたはこれに固定されてもよく、たとえば、胃腸管を通って進むことができる針、ステント、内視鏡またはカプセルである。内視鏡は、作動中に、光源を使用し、画像形成装置を使用することもある。このようにして、本発明のシステムは、内視鏡に組み込まれることができ、物質の存在および／または濃度を検出するかまたは体腔の物理的状態を測定するために、内視鏡の光源および画像形成装置を使用する。

次に図２を参照すると、これは、本発明の実施形態により、システムを具備する装置を概略的に例示する。装置は、業界で公知のカプセルと同様に、胃腸管および血管等の体腔内に挿入され、かつこれを通って進むことができる。

たとえば、米国特許第５，６０４，５３１号明細書に記載の嚥下可能なカプセルは消化管全体を通って進むことができ、したがって、自立したビデオ内視鏡として作動することができる。本発明の実施形態により任意に使用されるカプセルは、ビデオカメラシステム等の画像形成システム、および、送信機、任意にワイヤレス送信機を含んでもよく、これは、画像形成システムのビデオ出力を送信する。カプセルの正確な位置は、所与の時間で知ることができ、特定の画像を胃腸管内のカプセルの特定の位置に関連づけることができる。他のカプセルは、Ａｌｆａｎｏ氏に付与された米国特許第６，２４０，３１２号およびＲｅｆａｅｌ氏による国際特許公開第０１／５０９４１号パンフレットに記載されており、両方とも、参照してここに組み込まれる。本発明の別の実施形態により任意に使用されるカプセルは、電気モータによって駆動されてもよいかまたは気流内の構成によって回転されてもよい機械的推進器等の動作機構を有するリモートコントロール可能なマイクロサイズの装置であってもよい。別のカプセルは、外部電磁波によって充電されることができ、かつカプセルの回転を開始することができる回転機構を含んでもよい。

図２を参照すると、装置３０は、平面的な光源３２と、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ画像形成チップ等の画像形成装置３６と、相互作用チャンバ３８とを具備し、すべてが光学窓３５の背後に位置決めされている。装置３０は、装置の要素に電力を供給するためのバッテリ３１と、画像形成装置３６から外部受信システム（図示せず）へ信号を送信するための送信機３４と、を更に具備する。別の実施形態において、装置３０は、相互作用チャンバ３８を照射するために、白色光ＬＥＤ等のＬＥＤを使用してもよい。更に別の実施形態において、装置３０は、装置の要素に電力を提供するために、外部から電力供給された機構を含んでもよい。また、画像形成装置３６は、光学システム、たとえば、マイクロレンズのアレイおよび集束素子を含んでもよい。本発明の実施形態において、装置は、複数の画像形成装置と、任意にその対応光学的システムと、任意に複数の照射源を含んでもよい。たとえば、複数の画像形成装置および任意の複数の相互作用チャンバは、複数方向の試料採取のためにかつ／または体腔を見るために、装置の両側に位置決めされてもよい。

装置３０は、胃腸管を通って進みそれから試料採取することができるカプセルとして例証されているが、他の体腔を通って進みそれから試料採取することができる他の装置も、本発明の実施形態により可能である。

たとえば嚥下によってひとたび装置３０が胃腸管に挿入され、画像形成装置３６および光源３２が作動すると、胃腸管壁３９および相互作用チャンバ３８は、光源３２によって直接照射され、画像形成装置３６によって画像形成される。画像は、たとえば米国特許第５，６０４，５３１号明細書に記載されるように、外部受信装置へ送信される。

相互作用チャンバ３８は、胃腸管流体３７が、上述のように受動的にまたは能動的に、開口３８’を通って相互作用チャンバ３８に入ることができるように、胃腸管環境に開いている。相互作用チャンバ内に含まれる指示薬（図示せず）は、相互作用チャンバに制限される。指示薬は、図２に例証され、かつ後述されるように相互作用チャンバ内の選択的なバリアのため、上述のように固定化されてもよく、または、相互作用チャンバを離れることができなくてもよい。

図２に例示された実施形態において、相互作用チャンバ３８は、選択的膜３３を具備し、これによって胃腸管流体３７が入ることは可能であるが、相互作用チャンバ３８から指示薬が漏れることはできない。

装置３０が胃腸管を下へ進行するときに、微少な量の胃腸管流体３７が相互作用チャンバ３８に徐々に入り、単一の相互作用チャンバ内で胃腸管全体から試料採取することができる。あるいは、胃腸管流体の１つの領域で相互作用チャンバに入った胃腸管流体が、胃腸管流体の新しく到達された領域からの流体によって変位されるように、システムが構成されてもよい。この場合、相互作用チャンバは、指示薬を相互作用チャンバに制限するために２つの開口と２つの膜とを有する。

装置３０は、腔のいたるところで胃腸管環境から絶えず試料採取する。このようにして、胃腸管の病理の発生源または正確な場所を検出することができる。たとえば、胃腸管の出血の発生源は、下記のように検出することができる。患者は装置３０を自分の胃腸管に挿入している。装置は、撮像装置と、血液または血液成分の指示薬を含む少なくとも１つの相互作用チャンバと、を具備する。装置は、患者の胃腸管を通って受動的に移動し、胃腸管と相互作用チャンバとの両方を画像形成する。胃腸管の出血場所で、試料採取された胃腸管流体は、血液を含む。血液は、相互作用チャンバ３８内の指示薬に反応し、結果として光学的変化になり、画像形成装置３６によって画像形成される。光学的変化の画像および胃腸管の場所の画像が、外部オペレータに送信され、そのオペレータが、画像が生成されたときに装置３０の場所を特定することができ、したがって、出血の発生源を特定することができる。胃腸管に沿った数か所の出血の発生源を特定することができ、各場所における血液の濃度によって、各発生源で出血の強さを決定することができる。

図２に概略的に示される装置３０は、米国特許第５，６０４，５３１号明細書に記載のカプセルと同様に、胃腸管内に挿入され管全体を通って進むように設計される。しかし、上述のように、装置３０は、いずれの特定の構成に限定されない。むしろ、装置は、体腔に挿入され、かつ体腔を通って進むのに適切であるか、または体腔内に挿入される装置に含まれるのに適切であるいずれの形状であってもよい。さらに、特定の撮像装置および特定のエネルギ要件により、装置要素（たとえば、照射源および送信機）は、ケーブルによって外部電力源かまたは外部受信システムに接続されてもよい。

次に図３を参照すると、これは、装置３０の撮像装置によって得られる画像視域を概略的に示す。本発明の実施形態によると、胃腸管壁と相互作用チャンバとの両方を画像形成するために、単一の画像形成装置（図２の３６）が使用される。したがって、画像形成装置から得られる画像視域４０は、胃腸管壁４９の画像と相互作用チャンバ４８の画像との両方を含む。画像視域４０の画像４８に現れる色のパターンまたは他の光学的変化が胃腸管の異なる内腔物質に対応するように、異なる相互作用チャンバ４８ＡからＤは異なる指示薬を含んでもよい。

画像視域は、複数の異なる画像形成装置または光学検出器から得られた異なる画像から得られてもよく、それらは、便宜上、画像視域４０に類似した１つの画像視域に組み合わせられることが認識される。

したがって、本発明のシステムを使用することによって、体腔のいずれの場所の物質または物理的状態の「プロファイル」を得ることが可能である。胃腸管壁４９の画像から導き出されるデータとともに画像４８から導き出される「プロファイル」は、胃腸管診断等の生体内診断に使用することができる。

本発明は、上記に特に示され述べられたものに限定されないことが、当業者によって認識される。むしろ、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定められる。

本発明の実施形態によるシステムの概略側面図である。 本発明の実施形態によるシステムを具備するカプセルの概略図である。 本発明の実施形態によるシステムによって得られる画像視域の概略図である。

Claims (10)

1. 生体内の状態を決定するための生体内画像装置であって、該画像装置が、
   嚥下可能なカプセルからなり、該カプセルが、
   光学窓と、
   内腔試料が入ることを可能にする開口を有する相互作用チャンバと、
   相互作用チャンバの画像を取得する撮像装置と、からなり、
   相互作用チャンバおよび撮像装置がカプセル内で光学窓の背後に配置されている、生体内画像装置。
2. 相互作用チャンバが、毛細管を含んでいる、請求項１に記載の生体内画像装置。
3. 相互作用チャンバが、ガラスのスラブにエッチングされている、請求項１に記載の生体内画像装置。
4. 相互作用チャンバが、内腔試料と反応する指示薬を含む、請求項１に記載の生体内画像装置。
5. 指示薬を相互作用チャンバに制限するように構成された第１および第２の膜を備える、請求項４に記載の生体内画像装置。
6. 内腔試料の通過を選択的に可能にするように構成された第１および第２の膜を備える、請求項１に記載の生体内画像装置。
7. 光学システムを備える、請求項１に記載の生体内画像装置。
8. 取り込んだ画像を外部の受信システムに送信する送信機を備える、請求項１に記載の生体内画像装置。
9. 撮像装置が相互作用チャンバと胃腸管壁の画像を取得するように構成されている、請求項１に記載の生体内画像装置。
10. 相互作用チャンバを照明するように構成された照明源を備える、請求項１に記載の生体内画像装置。

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