JP5344735B2 - 植設可能製品及びこれを備えるシステム - Google Patents

Description

本発明は、植設用の光学キャビティ、これを含むシステム及び作製方法に関する。

米国特許第6,216,022号は、進入窓部と、退出窓部と、各窓部間の基準経路と、各窓部間の測定経路とを有する植設可能な光学的測定デバイスまたはシステムを記述している。上記基準経路は既知の光学特性を備えた基準要素を含み、且つ、上記測定経路は対象者の体液と流体連通している。

米国特許第6,216,022号

植設可能な製品、特に光学的デバイスに対する優れた技術を提供することは好適であろう。
本発明は、概略的に植設可能な製品を包含する種々の技術を提供する。

本発明にか係る触接可能製品は、光学キャビティ構造を備え、該光学キャビティ構造は、各々が夫々の光学キャビティとして作用可能な第1および第2の光学キャビティ部分であって、該第1および第2の光学キャビティ部分の各々は夫々の容器を含み、上記第1部分の容器は少なくとも一個の開口を有すると共に当該植設可能製品が身体内に植設されたときに該容器の内部と外部との間で上記開口を介して体液が移行し得、上記第2部分の容器は閉じられて基準流体を収容するという第1および第2の光学キャビティ部分を含むことを特徴とする。

本発明に係るシステムは、請求項１記載の植設可能製品を備えるシステムであって、前記第1光学キャビティ部分の出力光からの感光量を、前記第2光学キャビティ部分の出力光からの感光量に基づいて調節し、上記第1光学キャビティ部分の容器内の体液に関する情報を獲得する処理回路機構を更に備えて成ることを特徴とする。

本発明に係る植設可能製品を作製する方法は、各々が夫々の光学キャビティとして作用可能な第1および第2の光学キャビティ部分を含む光学キャビティ構造を作製する段階を備え、上記光学キャビティを作製する段階は、夫々の容器を含むべく上記第1および第2の光学キャビティ部分の各々を作製する段階であって、上記第1部分の容器は少なくとも一個の開口を有すると共に当該植設可能製品が身体内に植設されたときに該容器の内部と外部との間で上記開口を介して体液が移行し得、上記第2部分の容器は閉じられて基準流体を収容するという段階を備えて成ることを特徴とする。

以下における実施形態は、体液中の検体などに関する情報を獲得すべく光を使用する上での問題に対処している。光が身体を通過するときに存在し得る種々の形式のノイズの故に、正確な情報を獲得することは困難であり得る。植設された小寸の製品によっては、光と検体との間の十分な相互作用が行われないこともある。典型的には、たとえば、グルコースに対する標準的な血液検査の如き非光学的な検査などの頻繁な検量が必要とされる。

“身体”という用語は、一切の生存身体、または、体液を含む身体の一部を指している。たとえば血液、リンパ液および間質液などの、身体内に生ずる流体は“体液”と称される。

身体内に事物を“植設する”とは、身体の外側における事物から開始し、該事物を少なくとも部分的に身体の内側として終了する一切の操作を指している。“植設可能な製品”とは、身体内に植設され得る一切の物品である。

光は“光源”により提供され得、それは、多様な種類のパルス式もしくは非パルス式のレーザおよびレーザ構造、発光ダイオード(LED)、スーパールミネッセントLED、共振キャビティLED、広帯域光源などとされ得る。

定数cは、真空中における光の速度を指している。光がcより低速で伝搬する場合には“光学距離”もしくは“光学的厚さ”が求められ、たとえば、ε≦1として速度が一定ε*cであるという任意の長さdに対し、光学距離D(ε)=d／εである。

図１におけるシステム10は、破線16に沿い接続された部材12および14を含む植設可能な製品である。製品10は長寸かつ狭幅であり、短寸の針と同様である。

部材12は検体容器20を含み、部材14は基準容器22を含む。容器20および22は壁部状構造24により分離され、且つ、容器22は構造24と逆側の壁部状構造26により完全に囲繞されると共に、各端部はたとえば構造27などの壁部状構造により囲繞される。容器20は開放されていることから、体液28は、たとえば構造24とは逆側の側壁部29における開放端部もしくは開口を通り進入かつ退出し得る。流体28は、周囲領域と連続的に交換されることで連続的な監視が許容され得る。

部材12および14は光透過性であり、矢印30により表される如く入射表面を介して入力光を受容すると共に、矢印32により表される如く出射表面を介して出力光を提供する。入力および出力光の方向を反転させること、または、複数の入射表面もしくは出射表面を配備すること、または、同一表面にて入力光を受容し且つ出力光を提供することが可能であり得、“光接合表面”という用語は、任意の入射表面および出射表面を指している。

たとえばガラスまたは他の光透過材料である部分的構造34は光反射構成要素36を含み、同様に光透過性である部分的構造40は光反射構成要素42を含む。部材12および14は各々、光反射構成要素36および42の間に夫々の光学キャビティを有する。部材12および14の光接合表面は、同一の光源からの入力光を受容すべく整列されると共に、透過モードからであるか反射モードからであるかに関わらず、同一の感光構成要素に対して同様に出力光を提供する。

製品10の如き“光学キャビティ構造”は、光学キャビティとして作用し得る部材または構成要素を含む。

“光学キャビティ”という用語は、当該光透過領域内において光の測定可能部分が該領域と交差して２回以上反射される如く、複数個の光反射構成要素により少なくとも部分的に境界付けられた光透過領域を指している。

光学キャビティは夫々の出力光エネルギの部分的レンジの各々に対して“モード”を有し得、もしキャビティが透過的であれば、該キャビティにより透過された出力光のモードは“透過モード”であり、且つ、該キャビティにより反射された出力光のモードは“反射モード”である。

検体は、該検体が光学キャビティの光透過領域の全てまたは一定部分内に在るときに、該光学キャビティ“内に存在する”。光学キャビティの出力光が、検体の光学特性の故に、検体が存在するときと検体が不在のときとでは一定様式で異なるなら、該光学キャビティは“検体により影響された出力光”を提供する。

ボックス50は、基準キャビティ22および検体容器20の３つの出力光モードの強度関数を、曲線52および曲線54により夫々示している。

光子エネルギまたは位置などに関する強度関数は、多様な形状および特徴を有し得る。“ピーク”は最大値を有し、其処から、関数が急峻に下方に傾斜する。ピークは、ピークの最大値における“中央値”もしくは強度／エネルギ関数に対する“中心エネルギ”、ピークの最大値における“最大強度”、最大強度および近傍最小値の大きさに関する“コントラスト”、および、最大値と近傍最小値との間における強度の半値全幅(FWHM)の如き“中間強度幅”などの種々の特徴を有する。情報は、種々の様式でこれらの特徴においてコード化され且つ該特徴から復元され得る。

基準容器22内の基準流体は、比較的に均一な強度関数を有するモードを提供する光学特性を有する。検体容器20内における検体は、たとえば中央値、最大強度または中間強度幅などの、強度関数の変化を引き起こす。曲線54は、たとえば屈折率変化などにより曲線52からシフトされた中央値またはエネルギを示し、２次および３次のモードの振幅およびFWHMは、吸収スペクトルの変化により曲線52から曲線54へと変化せしめられる。

製品10は、体液の光学特性が基準流体と比較されるという用途において使用され得る。製品10は身体内に植設されることで、たとえば血液、リンパ液または間質液などからの体液が容器20に出入りすることを許容し、且つ、もし流体が連続的に交換されるならば連続的な監視が可能である。

製品10の横方向の外側寸法が約0.5mmを超過しなければ、該製品の挿入は更に容易である。上記検体容器内への開口は当該用途に対して形状化、サイズ設定かつ配置され得、グルコースに対して均一流体を監視するためには、可及的に多数の方向において流体は自由に進入かつ退出し得、壁部29はその丈に沿い多くの大寸開口を有し得る。

製品10は均一な光学キャビティとして機能し得ると共に、その出力光は、光センサ・アレイにより感光される前に、LVFを通り、または、横方向に変化する他の透過構造を通過し得る。製品10はまた、変形可能なスペーサを備えることで、製造の間に波長範囲を設定し又は使用の間に調節を行う調整可能なキャビティでもあり得る。製品10は、一連のまたは順次に起動される複数の狭帯域の光源により照射される不均一キャビティとして作用し得ることから、感光された読取値は、各光源に対する屈折率および吸収値などのサンプリング点を提供する。LVFと同様の不均一キャビティであれば製品10は、所定数の出力光モードに対して適したキャビティ厚みを有し得、たとえばそれは、各位置に対して単一モードのみを透過すると共にそのスペクトル範囲に対して調節された広帯域の光源により照射されるべく十分に薄寸とされ得る。製品10は、ノイズおよび不均一性の影響を減少すべく参照技術を適用するシステム、特に基準キャビティからの測定値に基づいて検体キャビティからの測定値を調節するだけでなく自己較正および他の形式の参照も可能的に行うというシステムにおいて使用され得る。

“均一な光学キャビティ”は、当該光透過領域の反射表面同士の間に実質的に一定の光学距離Dを備える光透過領域を有する。均一な光学キャビティは、レーザ・キャビティの如き発光キャビティとして、または、ファブリーペロー干渉計の如き透過キャビティとして、出射表面にて出力光を提供し得る。

たとえば干渉計などのファブリーペロー・キャビティとして操作される光学キャビティ100に対する強度／エネルギのグラフすなわち“出力スペクトル”において、波長は水平軸に沿い左方へと増大し得ると共に、エネルギおよび周波数は右方へと増大し得る。

ピーク130、132および134の各々は、夫々の透過モードからの“強度／エネルギ・ピーク”である。曲線136は、透過スペクトルの補集合であり、すなわち、反射された光に対する強度／エネルギ曲線である。

キャビティのスペクトルにおいて、強度／エネルギ・ピークの最大値(および、反射帯域間の相補的最小値)は光子エネルギの関数として離間され、且つ、隣り合うピークの中心エネルギ同士の間の差は“自由スペクトルレンジ”または“FSR”と称される。

各ピークの波長λは、nをキャビティ屈折率とし且つkを非ゼロの整数としてλ(k)=2nD/kである。もしキャビティ屈折率が変化したなら、λ(k)も変化し、ピークの中心エネルギにおける変化は屈折率変化に関する情報を提供する。ピークの強度は吸収量に依存し、強度変化は吸収量変化に関する情報を提供する。

“不均一な光学キャビティ”は均一な光学キャビティに関する上記定義を満足せず、且つ、反射表面同士の間において、たとえば単調に、線形にまたは別様に変化するなどして横方向に変化する光学距離を有し得る。線形に変化する光学距離もしくは厚みによれば、キャビティは線形可変光学フィルタ（LVF）として動作し得る。

不均一キャビティは局所的に均一キャビティとして動作し得ることから、透過モードに該当するパラメータは不均一キャビティからの強度／エネルギ・ピークに対して有用である。

横方向に変化する光学的厚さを有する不均一な光学キャビティにより、且つ、直角の照射ではなく点光源からの角度付き照射により均一な光学キャビティによってさえも、横方向に変化するエネルギ分布を生成すべく種々の技術が使用され得る。更に概略的には、不均一な光学キャビティは、他の様式で非線形または不均一であるという関数などの、横方向に変化する任意の適切なエネルギ出力関数を有し得る。たとえば、以下に記述される実施形態の幾つかは、光学キャビティ内における検体の存在により影響される関数を包含する。均一キャビティによるのと同様に、不均一キャビティの光透過領域は完全に光反射構成要素同士の間であり且つそれらにより部分的に境界付けられるが、種々の他の形状および配置構成により部分的かつ完全に境界付けられた光透過領域が可能である。

ファブリーペロー・キャビティに対する強度／位置グラフもまたピークを有し得る。

隣り合うモード間の干渉を阻止すべく、各透過モードは十分に離間され得る。干渉を回避すべく、キャビティ厚みは、所定範囲に亙りひとつのみの出力モードが生ずるほど十分に小寸とされ得る。

入力光およびキャビティからの反射光を分離すべく、ビームスプリッタが使用され得るか、または、入力光は、直交から十分な角度であって反射光が分離されるほどに十分な角度にて入射され得る。

図２におけるシステム200は光学キャビティ構造202を含み、該構造においてキャビティ204などの少なくとも一個のキャビティは検体を収容し得る。キャビティ204内に検体が存在すると構造202により提供される出力光が影響されると共に、検体により影響された出力光すなわち矢印206は、検出器210により感光され得る。検出器210は感光表面を備えた感光構成要素を含み得、該表面においては、たとえばLVFを通過した後で光の横方向変化が検出される。検出器210からの検知結果は、システム200内における他の構成要素に対し、または、矢印212により表された如く外部構成要素に対して提供され得る。

検出器210は、感光IC、または、個別の光ダイオードを含み得る。

キャビティ204は光学キャビティであり得る。図２は、矢印222により表される如く照射を行う光源220を示している。矢印206により表される如く、検体により影響された出力光は透過光および／または反射光を含み得る。

図３はシステム200の電気的構成要素を示し、中央処理ユニット(CPU)240はバス242を介して各構成要素に接続される。

構成要素の入力／出力(I/O)244、メモリ246、集積回路の入力／出力(ICのI/O)248、および、外部I/O249はバス242に対して接続され、これらはシステム200の外部の構成要素に対しても接続され得る。

I/O244は、たとえば、照明制御器250、キャビティ制御器252および検体制御器254と通信する。I/O244は、たとえばモニタおよびキーボードなどのユーザ・インタフェースに対しても接続され得る。制御器250は光源220および制御回路機構を含み得、制御器252はキャビティ204および他のキャビティを制御する電極もしくは他の構成要素と、接続回路機構とを含み得、制御器254は、検体を移送し又は検体とアレイもしくはキャビティとの間の相対運動を引き起こす流体デバイスもしくは他の構成要素と、接続回路機構とを含み得る。

I/O248は、たとえば、光センサ・アレイ266を備えたIC(m)264を含む一連のIC(0)260〜IC(M-1)262などのICと通信する。

メモリ246は、プログラム・メモリ270およびデータ・メモリ272を含む。プログラム・メモリ270は、検体情報ルーチン274および付加的ルーチンを記憶し得る。データ・メモリ272は、較正データ276および付加的データを記憶し得る。

ルーチン274は、検体がキャビティ204内に存在する様に、制御器252および254に対して信号通知し得る。CPU240は、キャビティ204が検体により影響された出力光をIC260〜262の各々に提供して検知結果を獲得する様に、制御器250に対して信号を提供し得る。代わりにCPU240は、PSDに対して信号を提供することで、たとえば出力電流を差動増幅器に対して接続し得る。

図４におけるシステム300は、光学キャビティ構成要素302と、光源構成要素304と、検出器構成要素306とを含み、植設可能な製品は、少なくとも光学キャビティ構成要素302と、可能的には他の構成要素とを含む。構成要素302は植設可能な製品であり得、図４によれば、体液が移行し得る開口を壁部29が有する箇所にて、検体容器はたとえば、各端部における開口と、その丈に沿う任意の適切な個数の開口とを含み得る。

動作の間に、システム300の一個以上の構成要素はCPU240の如きプロセッサにより制御される。流体圧力によれば検体を含む体液が矢印308により表される如く検体キャビティ内へと移動され得るが、電力が利用可能であれば、電気化学的または電気機械的な搬送プロセスにより検体キャビティ内の体液が操作されることで代表的なサンプリングが確実とされ又は植設可能な製品の動作寿命が伸ばされ、斯かるプロセスもまたプロセッサ制御式とされ得る。電力は、たとえばバッテリ、光電セルまたは電磁的受信器から入手可能であり得、レーザ光電セルは630nmのレーザ・ダイオードにより動作し得る。領域322内への開口は選択的メンブレンにより覆われることで、一定サイズの検体のみの進入および退出が許容され得る。

構成要素302は、構成要素304から入力光を受容すると共に、出力光を構成要素306に対して提供する。構成要素302において、光反射構成要素310および312および壁部構造314および316は、該光反射構成要素310および312の間に２つの領域を画成する。構成要素310および312の反射表面と構造314および316の表面とにより境界付けられる領域320は基準流体を含み得る一方、同様に構成要素310および312の反射表面と構造316の表面とにより境界付けられるが構造316と逆側にては開放される領域322は、矢印308により表される如く進入する流体を含み得る。

たとえば人間の細胞間または他の身体からの間質液などの検体担持流体は任意の適切な物理的プロセスにより領域322に進入し得、検体はグルコースであり得る。構成要素302は、２個の平行な光学キャビティとして動作する。一方のキャビティは領域320を含むと共に、矢印330により表される如く、基準流体の光学特性に関する情報を備えた出力光を提供し、他方のキャビティは領域322を含むと共に、矢印332により表される如く、検体に関する情報を備えた出力光を提供する。検出器306は両方の形式の情報を含む検知結果を獲得すると共に、上記検知結果は、矢印334により表される如くCPUまたは他のプロセッサの如き外部構成要素に対して提供され得る。

図５におけるルーチンは、検体および基準流体に関する十分な情報が獲得されるまで、一連の照射／読取り動作であって光子エネルギ・スペクトル上の個別のサンプリング点における光学特性を各々がサンプリングするという一連の照射／読取り動作を反復的に実施し、その後、基準対比調節された検体情報は組み合わせて提供され得る。基準対比調節された検体情報は、照射／読取り動作の各々の後に、且つ／又は、一連の照射／読取り動作の後に提供され得る。個別のサンプリング手法は、主成分分析などに対して適している。

ボックス350にては、提供されるべき照度を調節することにより、各反復動作が開始される。CPU240は、適切な照度を決定してから、照明制御器250を介して光源304に対し信号を提供することで上記照度を実現し得る。

次にボックス352にては、ボックス350における調節に従う照射が提供され、適切な検知期間または一連の検知期間の間に検知読取りが実施される。検知結果は、構成要素302における基準光学キャビティおよび検体光学キャビティの両方からの出力光の各モードからのコード化情報を含む。CPU240はまた、各セルにより感光されたアナログ量が検体光学キャビティまたは基準光学キャビティのいずれから帰着したかが識別される様に、且つ、検体からのアナログ量が基準物からのアナログ量に基づいて調節される様に、IC上の周辺回路機構に対して信号を提供し得る。一切の調節の後で、アナログ量はデジタル信号へと変換され得る。ボックス352は、シリアルおよび／またはパラレルの読取りにより、CCDまたはCMOS技術を採用し得る。

モードの強度関数内にコード化された検体に関する情報は、種々の様式で検知結果に含まれ得る。構成要素306は横方向に変化する透過構造を含み得ることから、各モードの基準物およびアナログの強度／エネルギ・ピークは、検出器構成要素306における感光IC上に夫々の光スポットを有する。検知結果は、各光スポットの位置、サイズおよび強度に関する情報、故に、そのモードの強度ピークに関する情報を含み得る。各キャビティからの出力光が２つ以上のモードに対する強度ピークを含むとしても、それらの光スポットは追尾され得る。

ボックス352において読取られた感光量は、CPU240によりデジタル的に調節され得る。デジタル化された出力からはCPU240により、基準流体に関する情報が獲得されると共に、検体に対して獲得されたデジタル化値を調節すべく使用され得る。ボックス352または次続的な操作によればデータの操作もしくは調節が行われることで、“キャビティのみの吸収データ”が獲得され得、すなわち、光学キャビティにおける吸収に関する情報は保存される一方で、キャビティの外部の特徴であって照度および外部吸収量における不均一性の如き特徴に関する情報が低減された値もしくは他のデータが獲得され得る。吸収情報をコード化すると、光学キャビティの内側における吸収係数からの効果以外のノイズなどの影響であって、外部摂動、外乱または不均一性の如き影響が排除され得る。吸収量の測定値は、更に高い信号／ノイズ比を有し得る。情報は、検体によりコード化された出力光であって、キャビティの内側における吸収量変化に対して選択的に感応的であるという出力光から復元され得る。

コントラスト値の如きキャビティのみの吸収データが検体および基準流体の両方に対して獲得されるなら、差分を取るなどにより基準流体の値を用いて検体の値が調節され得、これは“自己較正”の例である。光源304および／または検出器306が構成要素302から離間されるなら、生じたノイズ状影響は自己較正により排除され得る。入力または出力光が身体の組織および体液を通過する場合、吸収量の測定はノイズに晒されるが、自己較正により高い信号／ノイズ比が提供され得る。

ボックス352はまた、検知期間における差または他の要因の故に必要な一切の調節も含み得る。

ボックス352からの結果により、ボックス354は、反復動作の回数または最小限の回数の照射の如き任意の適切な判断基準に従い、十分な情報が獲得されたか否かに基づいて分岐する。上記判断基準が満足されなければ、ボックス350により更なる反復動作が開始される。しかし、十分な情報が獲得されていれば、ボックス356にて、別のルーチンに対するデータ、または、外部I/O249を介した出力の如き、基準対比調節された検体情報が提供され得る。これは、ボックス352において獲得された感光量を組み合わせる段階、および、ボックス352においては実施されないという基準物に基づく調節などの一切の付加的な調節を含み得る。ボックス356には、グルコースに対して有用である吸収スペクトルの導関数を獲得する段階も含まれ得る。

ボックス352および356における動作を実施する上でCPU240は、メモリ246に記憶された(不図示の)データ構造を採用し得る。たとえば、各反復動作からの基準対比調節された検体情報は、先に獲得された情報と共に、読取りデータ構造内に記憶され得る。ボックス352における操作によれば、各反復動作を完了する前に上記読取りデータ構造が更新され得ると共に、その後に上記読取りデータ構造はボックス356における出力として提供され得る。もし、たとえばボックス352における操作により検体に対する吸収値が獲得されたなら、上記読取りデータ構造は吸収スペクトルを提供し得、同様に、屈折率分散が獲得かつ提供され得る。

図５における上記技術は、同一の植設可能な製品を使用すると共に上述と類似した付加的な反復動作を以て実施され得るという、ラマンスペクトル観測、固有蛍光スペクトル観測、および、蛍光寿命の測定、回転を求める偏光分析法などの他の形式の測定に対しても組み合わされ得、吸収スペクトル測定を偏光分析法の如き直交方法と組み合わせると、感度および特定性が改善され得る。ボックス356における動作は、多重信号解析を実施すべく拡張され得ると共に、グルコースの如き特定の検体の存在に関する情報が獲得され得る。

図６乃至図１０は、システム300の幾つかの代表的な実施形態の特徴を示している。但し概略的にシステム300は、多くの異なる様式で実施され得ると共に、以下に記述される例に加えて、多様な種類の光学キャビティ構造、種々の形式および組み合わせの光源、および、種々の形式の検出器を含む種々の植設可能な製品を含み得る。

図６は、植設可能な製品400は光源構成要素304も検出器構成要素306も含まないが、検体光学キャビティ402および基準光学キャビティ404を含むという構成を示している。示された如く製品400は、人間の真皮とされ得る身体部分410内に植設されると共に、身体部分410の外側表面上もしくは近傍における光源構成要素304により照射されることで、矢印412により表される如く入力光を提供する。適切な照射に応じ、光学キャビティ402および404は矢印414により表される出力光を提供すべく作用する。同様に身体部分410の外側表面上または近傍とされた検出器構成要素306は上記出力光を感光し、記述された如く検知結果を提供する。

図６における上記構成は、水および組織による吸収により、グルコースの如き一定の重要な検体の吸収量が測定され得る透過ウィンドウが許容されるという600〜1100nmまたは2.1〜2.5μmの波長範囲内に入力光および出力光が在るなら、特に適切であり得る。完全に受動的な光学的ユニットとして実施されたなら、製品400は一切の電力を必要としない。但し図６における上記構成は、照射および検出が効率的に実施されることを確実とするための各構成要素の配向の問題を伴い得る。

各構成要素の配向は、光学キャビティに対する入力光の非直交の入射に帰着し得る。全ての出力光が検出器構成要素のひとつの位置に対して入射せず、または、上記検出器構成要素が幾つかのPSDによる如く単一の大寸の領域を有するのでなければ、入力光の非直交入射を補正するために調節が為され得る。たとえば、光源構成要素が点光源から多くの異なる角度で光を発することで該光がキャビティを通る種々の角度で透過されるなら、検出器構成要素の感光表面は多くの異なる角度で出力光を受容するが、光センサ・アレイの各セルは非常に小さな角度的分布のみを受容し、故に、固定された形状寸法においては当てはまるが図６においては当てはまらない様に、角度が既知であれば、角度誘起変動は容易に補正され得る。

図７は、植設可能な製品430が光源構成要素304を含まずに、検体光学キャビティ432、基準光学キャビティ434および検出器構成要素436を含むという構成を示している。示された如く、製品430は此処でも身体部分410内に植設されると共に、図６におけるのと同様に、身体部分410の外側表面上または近傍における光源構成要素304により照射されることで、矢印440により表された入力光を提供し得る。適切な照射に応じて、光学キャビティ432および434は、任意の適切な様式で該光学キャビティ432および434に接続された検出器構成要素436に対して出力光を提供すべく作用する。検出器構成要素436は、上記出力光を感光すると共に、矢印442により表された電磁的信号または他の信号を送信するなどして検知結果を提供する。

図７における構成もまた、図６におけるのと同一の理由により、入力および出力光が600〜1100nmまたは2.1〜2.5μmの波長範囲ならば適切であり得る。この構成において、製品430は検出器構成要素436に対する電力源を有さねばならない。それはまた、照射が効率的に実施されることを確実とするために、各構成要素の配向の問題も伴い得る。測定値が基準媒体に対して参照されるならば、各構成要素の誤整列に関する問題の多くは修正され得る、と言うのも、検体測定および基準物測定は同一様式で影響されるからである。

図８は、植設可能な製品460が、検体光学キャビティ462、基準光学キャビティ464、検出器構成要素466および光源構成要素467を含むという構成を示している。示された如く製品460は此処でも身体部分410に植設されているが、図６および図７における様には、身体の外側からの照射を必要としない。代わりに、光学キャビティ462および464に対して任意の適切な様式で接続された光源構成要素468は、矢印470により表された電磁的信号または他の制御信号の受信に応じてキャビティ462および464を照射し得る。適切な照射に応じて光学キャビティ462および464は、任意の適切な様式で該光学キャビティ462および464に接続された検出器構成要素466に対して出力光を提供すべく作用する。図７におけるのと同様に、検出器構成要素466は、上記出力光を感光すると共に、矢印472により表された電磁的信号または他の信号を送信するなどして検知結果を提供する。

図８における構成は同様に、光源構成要素468および検出器構成要素466の両方に対する電力源を有さねばならない。それはまた、照射が効率的に実施されることを確実とするために各構成要素の配向の問題も伴い得るが、これらの問題はこの場合には相当に低減される、と言うのも、全ての構成要素は相互に対して固定され得るからである。

図９はデバイス500を示し、その変形例は図６乃至図８における植設可能な製品400、430および460を実施するためにも使用され得る。示される如く、デバイス500はLVF状の不均一な光学キャビティを含み得、該キャビティは、複数個の狭帯域光源によるなどの任意の適切な様式で、動作の間に照射され得る。上記キャビティは、該キャビティの出力光を感光する感光構成要素を同様に含む構造の一部とされ得る。デバイス500はまた、調整可能な光学キャビティによっても実施され得る。

光反射構成要素502および504は、示された如く一方は検体含有流体を且つ他方は基準流体を含むという２つの容器を含み得る領域506の各側上に反射表面を提供する。結果として、矢印508により表された入力光が構成要素502を通して受容されたとき、不均一な光学キャビティの動作が各容器に対して別個に行われ、各光学キャビティのひとつ以上のモードにおける出力光の透過であって感光構成要素510に対する透過に帰着し得る。領域506の夫々の部分における検体および基準流体の屈折率と、構造502および504の位置決めとにより光透過の位置が決定され、且つ、矢印512により示唆される如く、各光学キャビティからは、両キャビティの異なる光学特性の故に各キャビティに対する異なる出力光位置にてひとつの波長のみが透過される様に、単一の狭幅な波長帯域で照射が提供され得る。

図１０は、各光学キャビティが両者ともに唯一の狭幅波長帯域で照射されるときの感光構成要素510の上側表面における光のパターンの一例を示している。示された如く、感光構成要素510の検体キャビティ側上の光スポット514は、検体キャビティからは一定位置XtransAにて入射狭帯域光が透過されることを示しているが、同一の狭帯域は基準キャビティからは、検体および基準流体の屈折率間の差に依存して、XtransAから(感光構成要素510の基準キャビティ側にてXtransRにて光スポット516により示された如く)Xminに向けて、または、Xmaxに向けて変位された如く、x方向における異なる位置にて基準キャビティから透過される。もし検体吸収が変化して、検体容器からの出力光の強度関数の強度、コントラストおよびFWHMの変化が引き起こされたなら、光スポット514のサイズおよび強度は光スポット516に対して変化する。この様にして、上記の２つの光スポットの強度関数における差により、検体の屈折率および吸収量に関する情報が提供される。

検体および基準流体を含む不均一な光学キャビティは、図９および図１０に示された様式に加え、多くの様式で実施され得る。

図１１は、図６乃至図８における植設可能な製品400、430および460の如き製品を作製する代表的な操作を示している。特に、図１１における操作によれば検体容器および基準容器を含む植設可能な製品の作製が可能とされ、上記容器の各々は、ひとつ以上のモードにおける出力光であって検体および基準流体の光学特性に関する情報を備えた出力光を提供すべく作用し得る夫々の光学キャビティ内である。

図１１におけるボックス600の操作によれば、２個の部分的な光学キャビティ構造が作製される。この操作は、図１における光反射構造36および42と同様に、２枚の基板の各々上に光反射構造を作製する段階を含み得る。この操作はまた、上記光反射構造の一方もしくは両方上にSU-8もしくはポリジメチルシロキサン(PDMS)のパターン化層を作製する段階も含み得る。各パターン化層は、基準容器を囲繞する他の壁部状構造であって検体容器を部分的に囲繞するという他の壁部状構造と共に、図１における壁部状構造24および26および図４における壁部構造314および316の如き構造を含み得る。

適切であれば、上記２つの容器に表面に対しては、ポリエチレングリコール(PEG)を浸漬被覆することにより、または、パリレンCの被覆を提供しもしくはテトラグライムを蒸着することなどにより粘着防止被覆が適用され得、これらの処置は、目詰りを阻止することで植設可能製品の動作寿命を延ばす上で有用であり得る。同様に上記製品は、検体容器内への開口における適切な種類の入力フィルタを含むことでバックグラウンドを最小限とし得る。

上記２つの部分的構造はまた、種々の制約条件を満足すべく適切な寸法も有し得る。たとえば、コンパクトであり、最少侵襲的で使い捨て可能な製品に対しては、小さな寸法が必要とされる。結果的な検体キャビティの体積は、たとえば数百pl(ピコリットル)もの少なさとなり得るが、非常に小さな体積によってさえも、反射表面の反射率が十分に高ければ、光学キャビティにおいては適切な光／検体相互作用が生じ得る。同時に、利用可能な照射により所望の範囲の光子エネルギに亙り所望の光学キャビティ・モードを生成することで吸収スペクトルを獲得し又は屈折率分散を測定し得るという寸法が選択されるべきであり、たとえば、モードの個数はキャビティを境界付ける反射表面同士の間の距離に依存する。不均一キャビティを備える実施形態に対しては以下の内容が考慮されるべきである。これらの場合においては、均一キャビティの場合におけるのと同様に、キャビティ厚みではなく吸収サンプリング点を画成すべく“複数個の狭帯域光源”が用いられる。各光源は、ひとつの屈折値およびひとつの吸収値の決定を許容する。故に、不均一キャビティによる実施形態に対しては薄寸のキャビティ厚みが選択され得、これは、更に高いバックグラウンド吸収を備えたスペクトル範囲における動作も許容する。グルコース監視のための例においては、7〜11μmの間のスペクトル範囲であって、グルコースが非常に特異的なグルコース吸収ピークを示すが、残念乍ら水のバックグラウンド吸収も他の関心スペクトル範囲におけるよりも相当に高いというスペクトル範囲を使用することが好適かもしれない。たとえば、約2.2μm付近のスペクトル範囲において、水による吸収量は約1/200と低いが、グルコースは更に低くて特異性が低い吸収量を有するのである。

次に、ボックス602における操作によれば、基準流体を基準容器内として、上記２つの部分的構造が接合される。これはたとえば、上記部分的構造同士を接合する前に基準容器に充填を行うか、または代替的に、部分的構造同士を接合してからニードルなどを介して基準容器内へと流体を注入し、その後に基準容器を確実にシールすべく適切な操作が行われ得るなどの多くの異なる様式で実施され得る。上記基準流体は任意の適切な流体とされ得、たとえばグルコースに対し、それは基準グルコース濃度とされ得る。ボックス602における操作は、上記の２つの部分的構造が相互に対して堅固に接合される様にこれらの部分的構造間に適切な結合を形成する段階を含み得る。

次に、ボックス604における操作により、製品を完成するために必要な他の一切の付加的構成要素が取付けられる。たとえば、製品が図７または図８における如く実現されるなら、検出器436または検出器466はボックス604における操作において取付けられねばならない。同様に、製品が図８における如く実現されるなら、光源468はボックス604における操作により製品に対して取付けられるべきである。ボックス604における操作は、製品の動作に必要な他の一切の外部的な電気的、光学的または流体的な接続も含み得、または代替的に、斯かる接続は上記製品が植設されるときに後時に行われ得る。

検出器の選択は、幾つかの制約条件に基づいて為され得る。たとえば、少ない個数のモードの強度ピークが感光されて中心エネルギもしくは位置、振幅、コントラストおよびFWHMの変化が検出されるなら、各光学キャビティに対しては夫々の１次元の感光アレイを使用し、各アレイは比較的に少ない個数のセルを含むことで電力要件を低減し得る、と言うのも、その検出器において消散される電力は少ないからである。概略的に、感光ICを使用することでコンパクトさは促進される。

ボックス606における操作は、ボックス604からボックス606への破線により示唆される如く、製品が動作可能とされた後の任意の適切な時点で実施され得ると共に、上述された如き自己較正が満足できる結果を提供するならば必要とされないこともある。ボックス606における操作によれば較正が実施され、これは、回路機構の接続を必要とし得る適切な電気的および光学的な操作を必要とする。いずれの場合でも、ボックス606における較正は本明細書中に記述された如く検体情報を獲得する上で使用されるべき複数個のデータもしくはデータ構造を求める段階を含み得ると共に、上記データまたはデータ構造は、較正データ276の一部としてメモリ246内に記憶され得るか、または、適切な場合には、検体情報ルーチン274に組み込まれ、もしくは、別の適切な形態で記憶され得る。特にボックス606における操作は、異なる温度または他の環境条件下における如き基準流体に対するひとつ以上の較正テーブルもしくは基準曲線を生成する操作を含み得る。

最後に、ボックス608における操作により、結果的な製品は人体内などの身体内に植設されてグルコースを監視する。上記製品が十分に小寸であれば、単に上記製品を、検体容器が血液、リンパ液、間質液または他の体液で充填されるという身体の適切な部分内へと皮膚を通して押圧することにより植設が実施され得る。

概略的に、ボックス600、602、604、606および608の一切における操作は、付加的な作用を含み得る。たとえば、上記製品の製造の任意の適切な時点にて、必要に応じて信号が提供され得る様に電気的もしくは光学的な接続が行われ得る。同様に、任意の適切な時点にて、電力を提供する接続が為され得る。また、光学キャビティの寸法を厳密に調整することが可能であり得る。

図１１の技術は、本発明の有効範囲内において多くの様式で改変され得る。たとえばボックス600、602および604における操作は任意の適切な様式で組み合わされることにより、所望のシーケンスで各構成要素の取付けが促進され得る。更に図１１の技術は、非常に汎用的であり、且つ、身体内に植設されて体液内の検体に関して基準対象調節済み情報を獲得し得るという多様で異なる製品を作製すべく採用され得る。

上述の各実施形態は多くの様式で応用され得るが、特に重要な応用分野は、糖尿病の管理および合併症の低減のために必要とされる如くグルコース濃度の連続的なまたは頻繁な監視である。迅速で正確であり、一定もしくは連続的とさえされるグルコース監視によれば、高血糖症および低血糖症の症状発現の確実な検出が助力される。指に対して穿刺することで血液サンプルを入手する如き現在の技術には、コンパクトな光学デバイスにより克服されるであろう種々の困難性がある。

上述の各実施形態は、小体積の体液内のグルコース濃度の光学的測定を許容すべく植設され得るという、コンパクトであり、最少侵襲的で使い捨て可能な製品と一致している。斯かる製品は、それが交換されるまで適切な長さの期間に亙り持続すべく設計され得、更に少ない電力消費量による手法によれば少なくとも２週間の持続時間が達成可能と確信される。使い捨て可能な形態を実現可能とすべく、十分に低コストな製品を作製することも可能であると確信される。

斯かる製品を使用する上では、基準光学キャビティと対合された光学キャビティ内に、確実に特性解析し得る体積の体液が位置される。この技術は、同一の環境条件下で基準流体による連続的な自己較正と、増進された感度および特異性との可能性を提供すると共に、測定値に対する組織および皮膚の摂動を低減もしくは排除する。

上述された如く、光学キャビティの各モードの強度ピークの特徴は、エネルギ・スペクトルの個別的なサンプリング点にていずれかまたは両方が測定され得るという吸収スペクトル、屈折率分散などのグルコースの幾つかの光学特性に関する情報を提供し得る。各サンプリング点に対してはチップサイズの検出器により、強度ピークの中心エネルギ、振幅、コントラストおよびFWHMに関する如き正確な情報が獲得され得る。上記情報はデジタル形態で獲得されてデータ処理を許容することから、優れた信号／ノイズ比を以て適切な感度および特異性を備えた情報が獲得され得る。上述された如く基準流体を用いる自己較正に加え、所定のファブリーペロー・エタロンに対する吸収の尺度であるフィネスを獲得すべくピーク／谷部比率を測定するなどによるコントラスト式調節などの種々の他の様式で、感光量および検知結果が調節され得る。

十分な感度を提供するデータ処理技術によれば、約2.1〜2.5μmの間の波長における近赤外範囲において吸収スペクトルおよび屈折率分散を同時に求めればグルコース濃度の決定には十分であり得るが、本明細書中に記述された上記技術は、グルコース検知に適した殆ど任意の波長範囲において使用され得る。屈折率情報は、クラマース・クローニヒの関係式によれば他のスペクトル範囲からの吸収情報を含むことから、多重信号解析においてグルコース濃度に関する付加的情報として使用され得る。多重信号解析は、特にグルコース・レベルに関する重要情報を提供するスペクトル帯域において、複数の波長範囲において測定を行うことにより、拡張され得る。また同一の植設可能製品を用いて、光学的な偏光分析および蛍光分析の如き付加的な特性解析技術を実施し得る。情報はまた、伝導率もしくはキャパシタンスの測定の如き電気的技術からも使用され得る。

図１乃至図１１における実施形態は、体液および基準流体のための夫々の容器を備えた光学キャビティ構造を含む植設可能製品を包含するという上記技術の種々の応用を示している。上記製品は、身体内に植設されると共に、体液中のグルコースの如き検体に関する屈折率および吸収係数などの情報を獲得して調節すべく使用され得る。上記技術は、偏光および蛍光に関する情報を獲得すべく拡張されて多成分解析を許容し得る。

図１乃至図１１における実施形態により例証される如く植設可能製品を使用して検体に関する情報を獲得する技術は、コンパクトで安価な使い捨て可能製品が高度に好適であるという種々の診断および監視用途に適用され得る。屈折率および吸収量に関する情報は、たとえば、グルコース、または、疾患状態を表す別の検体の存在もしくは量を特定すべく使用され得る。たとえば上記技術は、吸収係数および導関数を測定してグルコースを検出すべく使用され得る。

上述の技術の幾つかは、横方向に勾配付けされたファブリーペロー・キャビティ・フィルタにより覆われてスライド・ガラス上とされた市販ICを含む高度に感応的な検出器であって、たとえば波長シフトを検出し得るという検出器の作製および操作を含め、好首尾に実施もしくはシミュレートされた。検体の光学特性を示すレーザおよびファブリーペロー・モード強度ピークの変化がシミュレートされた。

上述の代表的実施形態に依れば、グルコースおよび他の検体の測定の如き操作で使用されるコンパクトで安価な植設可能製品が許容される。概略的に上記技術は、既存のセンサおよび光センサおよび既存の光源を用いて実施され得る。

上述の代表的実施形態は、特定のパラメータおよびモードを備えた光学キャビティを採用するが、多様なキャビティが使用され得る。数ミクロン〜数百ミクロンの範囲の幅を有するキャビティが実現可能であると共に、紫外から遠赤外に亙る光子エネルギがサンプリングされ得る。

上述の代表的実施形態の各構成要素は、種々の形状、寸法、または、図示かつ上述された以外の数値的もしくは質的な特性を有し得る。たとえば、光学キャビティは任意の適切な寸法を有し得る。

上記の代表的実施形態の幾つかは光学キャビティ構造および感光構成要素などにおける特定材料を包含するが、本発明は、多様な材料と、下位層の種々の組み合わせを有する層構造とにより実施され得る。特に所望の速度、感度および波長範囲に対する光センサ・アレイは、ケイ素、ゲルマニウム、砒化インジウム・ガリウム、砒化ガリウム、窒化ガリウムまたは硫化鉛の如き任意の適切な材料を有し得ると共に、CCD、CMOSまたは他の技術のいずれに基づくかを問わず情報を検知して読取る任意の適切な技術により、たとえば光ダイオード、アバランシェ光ダイオード、pinダイオード、光導体などの任意の適切な種類のデバイスにより作製され得る。種々の市販の検出器アレイは10メガピクセルもの大きさのピクセル密度を有すると共に、幾つかの高密度ICは比較的に安価となっている。

同様に、光学キャビティ構造は、スパッタリング、プラズマ支援ありもしくは無しでの電子ビームもしくは熱蒸着、エピタキシャル成長、MBE、MOCVDの如き薄膜技術などの任意の適切な技術により作製され得る。ブラッグ・ミラーを作製するためには、問題となる光子エネルギに留意して、低い吸収係数と大きな屈折率差とを有する適切な材料の対が選択され得、代表的な材料としては、SiO₂／TiO₂、SiO₂／Ta₂O₅、GaAs／AlAsおよびGaAs／AlGaAsが挙げられる。光学キャビティ構造における層の厚みは、30nm〜数百ナノメータまで変化し得る。

上記の代表的実施形態の幾つかは、ブラッグ・ミラー、および、ファブリーペロー・キャビティにより分離されて対合された分布型ブラッグ反射器の如き特定形式の光学キャビティ構造を包含し得るが、更に概略的には、任意の適切な光学キャビティ構造が使用され得る。上述の技術に加え、光学キャビティ構造を作製すべく種々の技術が使用され得る。

図３および図５における代表的実施形態は、マイクロプロセッサまたは他の任意で適切な構成要素とされ得るCPUを採用する。更に、上述の如く、感光量に対する調節、組み合わせおよび他の操作は、デジタル的にまたはアナログ信号と共に行われ得ると共に、ソフトウェアもしくはハードウェアの任意の適切な組み合わせにより、光センサ・アレイと同一のIC上で、または、他の構成要素上で、または、両方の組み合わせ上で行われ得る。

上記の代表的実施形態は概略的に、IC、および、他の感光構成要素、光学キャビティ、光源、透過構造、処理回路機構、および、特定の動作に追随する制御回路機構の作製および／または使用を伴うが、本発明の有効範囲内において、異なる動作が実施され得、動作の順序が改変され得、且つ、付加的動作が加えられ得る。たとえば、ICからの調節された又は調節されない感光量の読取りは、シリアルまたはパラレルに実施され得ると共に、セル毎にまたはストリーミング動作で実施され得る。

図１は、身体内に植設され得る製品の概略的斜視図である。 図２は、システムの概略図である。 図３は、システムの概略的回路図である。 図４は、体液中の検体を監視し得るシステムの概略図である。 図５は、検体情報ルーチンを示すフローチャートである。 図６は、システムにおける構成要素の概略図である。 図７は、別のシステムにおける構成要素の概略図である。 図８は、別のシステムにおける構成要素の概略図である。 図９は、勾配型光学キャビティの概略的側面図である。 図１０は、感光構成要素の概略的平面図である。 図１１は、製品を作製して植設するためのフローチャートである。

Claims (2)

1. 光学キャビティ構造を備え、
   該光学キャビティ構造は、各々が夫々の光学キャビティとして作用可能な第1および第2の光学キャビティ部分であって、該第1および第2の光学キャビティ部分の各々は夫々の容器を含み、上記第1部分の容器は少なくとも一個の開口を有すると共に該容器の内部と外部との間で上記開口を介して体液が移行し得、上記第2部分の容器は閉じられて基準流体を収容するという第1および第2の光学キャビティ部分を含み、
   さらに、前記光学キャビティ構造に接続され、かつ、前記第1および第2の光学キャビティ部分の両方に同時に光を提供するようにされた光源と、
   前記光学キャビティ構造に接続され、かつ、前記第1および第2の光学キャビティ部分の両方から同時に光を受け取るようにされた光検出部品と、
   を含むことを特徴とする植設可能製品。
2. 請求項１記載の植設可能製品を備えるシステムであって、
   前記第1光学キャビティ部分の出力光からの感光量を、前記第2光学キャビティ部分の出力光からの感光量に基づいて調節し、上記第1光学キャビティ部分の容器内の体液に関する情報を獲得する処理回路機構を更に備えて成る、
   システム。

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