JP5351163B2 - 読取方法および読取装置 - Google Patents

Description

本発明は、分析物に対する反応として得られた色である試験部材の上の有色区域により表される複合信号からの、確実な読取りを実現する方法に関する。

多数の診断用途について、色または変色が、血液（血清、血漿、全血）、唾液、涙液、尿、脳脊髄液、汗、等々の生物学的試験サンプル中に、分析物が存在するか、または存在しないかを示すものとして使用される。

試験の迅速な読取りを実現することが望ましいポイント・オブ・ケア用のアプリケーションについては、読取りが明確であり、不明瞭でないことが重要である。サンプルが上に塗布され、それと同時にサンプルのストリップ中への移動によって、分析物が試薬と接触状態になされ、その反応が、陽性反応の場合には、すなわち該当する分析物が存在する場合には、色である、簡単な試験ストリップを基材とする多数のアプリケーションが市販されている。

言うまでもないが、この反応は、より確実であるほど、すなわちより明確であり、より不明瞭でないほど、さらに良好なものとなる。しばしば、試験は、妊娠試験などについては、陽性結果または陰性結果のいずれかのみしかあり得ない、二元的な性質のものである。他方において、アレルギー試験などの試験については、患者の血清中に存在する抗体の濃度の高さに応じて、反応レベルに幅があることがある。

例えばアレルギー試験または自己免疫試験などにおいて使用するための一般的なマーカが、いわゆる金コンジュゲートであり、これは、ナノメートルの寸法規模のコロイド金粒子を備え、これらの粒子にタンパク（抗体または抗原）が結合されて（「コンジュゲートされて（ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ）」）いる。このコンジュゲートは、所望の分析物がこのアッセイ中でコンジュゲートに結合されると、ある検出可能な信号を生じさせる。

陽性反応があると通常は明確な色彩表示が得られるいくつかのサンプルについて、ピンクのラインから区別することが困難となる可能性のあるグレーのラインを生じさせる、他の種（多くの場合、アレルゲン自体である）が存在することが、しばしば起こり得る。これは、正確な信号を「曖昧なものにする」。したがって、誤った陽性結果または誤った陰性結果が得られるおそれがあり、これは、当然ながら、この試験が治療方式の土台を形成するためのものである場合には、重大なものとなる可能性がある。

本発明の目的は、プリアンブルにおいて述べられる種類の試験システムから確実な読取りを実現するための、すなわち読取エラーの問題を解消することとなる、方法およびデバイスを提供することである。

この目的は、請求項１に記載の方法、すなわち診断用ポイント・オブ・ケア・アッセイ・デバイスのための読取方法を用いる第１の態様において達成される。このデバイスは、反応の有色表示を生成することが可能な少なくとも１つの反応区域を有する読取基材を備え、この反応区域は、少なくとも１つのマーカを備え、この少なくとも１つのマーカは、それ自体への分析物の結合に反応して変色し、反応を表示するために使用される。この方法は、前記反応区域の画像を記録するステップと、少なくとも２つの波長範囲（色）を用いて、前記画像についての色の彩度値Ｓを算出するステップと、アッセイの結果を決定するためにＳ値を利用するステップとを含む。適切には、Ｓ値は、選択されたしきい値Ｇと比較される。さらに、Ｓ値（または複数のＳ値）が、物理量に適切に相関されることにより、前記物理量についての値が求められる。この波長は、好ましい実施形態においては、一方の波長が、アッセイにおいて使用されるマーカについて極大吸収を有し、他方の波長が、このマーカについて著しく一層低い吸収を有するように、選択される。最も好ましくは、２つの波長が使用される。このマーカは、好ましくは金コンジュゲートである。

第２の態様において、本発明は、請求項１０に記載の読取システムを提供し、この読取システムは、少なくとも２つのそれぞれ異なる波長の光を供給することが可能な照明デバイスと、カラー画像取得デバイスと、このカラー画像取得デバイスにより記録された画像にもとづいて色の彩度値（Ｓ）を算出するための制御ユニットとを備える。

本発明による主要な利点は、アッセイの読取りを行うために、熟練のまたは訓練を受けた人員が不要である点である。
以下に述べられる詳細な説明と、もっぱら例示として提示される、したがって本発明に対する限定と見なされるべきではない添付の図面とにより、本発明のさらなる適用可能範囲が明らかになろう。

本発明による読取構成体の第１の実施形態の概略図である。 本発明による読取構成体の第２の実施形態の概略図である。 ２人の熟練の「視覚的読取者」間における比較のグラフである。 視覚的読取者と本発明による自動式リーダとの比較のグラフである。

初めに、種々の表色系（色空間）の簡単な概説を述べる。
ＲＧＢカラーモデルは、レッド、グリーン、およびブルー（しばしば加法光モデルにおいて使用される）が他の色を再現するために様々な様式で組み合わされる、加法モデルである。このモデルの名称および略称「ＲＧＢ」は、３つの基本的色素であるレッド、グリーン、およびブルーに由来する。これら３つの色は、当技術において「原色」として知られているレッド、ブルー、およびイエローの基本的色素と混同されるべきではない。

ＲＧＢカラーモデル自体は、「レッド」、「グリーン」、および「ブルー」が意味するものを定義せず、それらを混合した結果は、レッド、グリーン、およびブルーの基本色の正確なスペクトル構造が定義されない限り、正確なものではない。

ＨＳＶ（色相（Ｈｕｅ）、彩度（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）、明度（Ｖａｌｕｅ））モデルは、ＨＳＢ（色相（Ｈｕｅ）、彩度（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）、明るさ（Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ））としても知られており、以下のように、３つの構成要素の観点から色空間を定義する。

色相、すなわち色のタイプ（レッド、ブルー、またはイエローなど）。これは、０〜３６０°の範囲に及ぶ（しかし、いくつかの適用例においては０〜１００％に正規化される）。

彩度、すなわち色の「振動」。これは、０〜１００％の範囲に及ぶ。さらに、時として、比色量励起純度および測色純度との類似から「純度」と呼ばれることがある。色の彩度がより低いほど、より多くの「グレー」が現れ、その色の現れがより弱まり、したがって、無彩度を彩度の質的対逆として定義するのに有効となる。

明度、すなわち色の明るさ。これは、０〜１００％の範囲に及ぶ。
ＨＳＶモデルは、ＲＧＢ色空間の非線形変換であり、カラープログレッションにおいて使用され得る。ＨＳＶおよびＨＳＢは同じであるが、ＨＳＬは別のものである。

ＨＳＶ色空間は、ＨＬＳまたはＨＳＩとも呼ばれ、色相、彩度、明度（Ｌｉｇｈｔｎｅｓｓ）（さらには輝度（Ｌｕｍｉｎａｎｃｅ）もしくは光度（Ｌｕｍｉｎｏｓｉｔｙ））／強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を表す。ＨＳＶ（色相、彩度、明度（Ｖａｌｕｅ））が、カラー円錐または六角錐として図式的に視覚化され得るのに対して、ＨＳＬは、重円錐または重六角錐、ならびに球として描くことが可能である。両系は、ＲＧＢカラーキューブの非線形変形である。

ＨＳＶカラーモデルの定義は、装置非依存的なものではない。ＨＳＶは、それらの色度および白色点の物理的定義を伴わずに、ＲＧＢ強度に対して定義されるにすぎない。正確かつ装置非依存的に表現するためには、ＣＩＥ Ｌ＊ａ＊ｂ、または別のＣＩＥベースのカラーモデルを使用する。

ソフトウェアにおいては、色相ベースのカラーモデル（ＨＳＶまたはＨＳＬ）は、通常は、線形のまたは円形の色相チューザと、選択された色相について彩度および明度（ｖａｌｕｅ）／明度（ｌｉｇｈｔｎｅｓｓ）を選択することが可能な二次元区域（通常は正方形または三角形）との形態で、ユーザに提示される。この提示法に関して、ＨＳＶかＨＳＬかの違いは、無関係である。しかし、さらに、多数のプログラムにより、線形スライダまたは数字入力フィールドを介した色の選択が可能であり、これらの制御のために、通常は、ＨＳＬまたはＨＳＶのいずれか（両方ではない）が使用される。ＨＳＶは、従来的に見てより一般的である。

本発明は、色の彩度の概念を活用し、画像の分析のためにＨＳＶモデルを使用する。本発明は、例えばアッセイ・ストリップなどの上の有色「スポット」の分析に対して広く適用可能であり、以下において、２つの実施形態により例示し、説明する。

本発明は、アレルギーを検出するためのいわゆるポイント・オブ・ケア（ＰｏＣ）アッセイ・デバイスに対して特定の有用性を有する。このようなアッセイ・デバイスは、典型的には、中に吸水性（多孔性）ストリップを備えるプラスチックケースから構成され、このストリップは、ケース中の窓から露出される。液体サンプル（例えば、血液、血漿、または任意の他の適切な液体など）が、サンプルウェル中に置かれ、毛細管力によってストリップに沿って移動され、通常はストリップを横断する細い横断ラインである予め規定された箇所において、アレルゲンに逢着し、アレルゲンと反応する。さらに、変色を生じさせる試薬が、反応を可視化するために配置される。

窓の位置を決定するために、窓について固定座標を使用することが可能である。しかし、これは、読取デバイスに対して、およびアッセイ・デバイスに対して、機械的精度上における非常に高い要件を課すこととなる。

代替的には、および好ましくは、画像処理方法を利用して、窓の位置を特定することが可能である。
図面においては、両実施形態において共通する要素は、同一の参照番号を振られている。

本発明による、アッセイ・デバイスからの読取りを実現するための検出構成体または検出装置が、図１および図２に開示され、これらの図はそれぞれ、検出構成体または検出装置の別々の実施形態を示す。

図１に図示される、本発明の第１の実施形態による、全体的に１０で示される読取システムは、白色光の１つまたは複数の（２つが図示される）供給源１２と、適切にはデジタルカメラである画像センサ１４（しかし当然ながら他の種類の画像センサも可能である）と、それぞれ異なる波長について少なくとも２つの選択可能なフィルタを備えるフィルタユニット１６とを備える。フィルタユニットは、画像センサ（カメラ）内に組み込むことが可能であり、または別個に設けられる。さらに、図１には、検出区域１８を有するアッセイ・ストリップ１７が示される。

この第１の実施形態においては、アッセイ・ストリップの検出区域１８が、矢印によって示されるように照明され、やはり矢印によって図示されるこの検出区域から反射される光が、フィルタを通過し、結果的に得られる画像が、記録される。それぞれ異なる色の彩度を有する２つの画像を取得するために使用される各フィルタに対して、１つの画像が記録される。

図２に図示される、本発明による読取システム１０の第２の実施形態には、フィルタユニットが存在しない。代わりに、それぞれ異なる波長の２つの光源２１、２２が使用され、各波長について１つの画像が記録される。

波長の選択は、使用されるマーカにより決定され、使用されるマーカについて一方の波長λ_１が極大吸収を有するように、選択されるべきである。他方の波長λ_２（２つのマーカの場合）は、このマーカについて低吸収を有するべきであるが、第１の波長に比較的近いものであるべきであり、適切には第１の波長から３００ｎｍを超えず、すなわちλ_２はλ_１±３００ｎｍの範囲内となり、好ましくは第１の波長から１００ｎｍを超えず、すなわちλ_２はλ_１±１００ｎｍの範囲内となる。

記録された画像の処理および評価のために、例えば、マイクロプロセッサ１９の形態のパーソナルコンピュータまたは専用制御ユニットなどの、制御ユニットが設けられる。この制御ユニットは、記録された画像についての彩度（Ｓ）値の算出を行うようにプログラムされる。

一般的には、本発明による方法は、アッセイ・デバイス１７の上の反応区域１８の１つまたは複数の画像を記録することを含む。次いで、前記画像についての色の彩度値（Ｓ）が、少なくとも２つの別個の色（波長）を用いて算出される。最後に、このＳ値は、アッセイの結果を決定するために使用される。

記録された画像の評価のために、上述のＨＳＶ表色系にもとづく方法を使用することが可能である。
とりわけ、Ｓ値は、ＨＳＶ系を使用して、

から求められ、ここで、ＭＡＸは、これら２つの記録された波長の強度についての最大値であり、ＭＩＮは、最小値である。
読取システムの特定の一実施形態においては、Ｓを算出するための公式は、
Ｓ＝１−グリーン／レッド
と簡略化することが可能である。

これは、金コンジュゲートを備える反応ラインがどの色相範囲内に含まれるかが判明している場合に、さらには、バックグラウンドの色がどの色相範囲および彩度範囲内に含まれるかが判明している場合に、可能となる。

この公式において、「グリーン」は、あるＲＧＢ表色系におけるグリーンチャネルの値であり、レッドは、このＲＧＢ表色系におけるレッドチャネルの値である。
とりわけ、この簡易性を維持するために、色相は、以下の要件に、すなわち
３００°＜色相＜６０°
に適合するべきである。

本発明が関係するタイプのアッセイについては、複数のエラー原因があり得る。３つの主要なエラー原因があり、これらはすなわち、
１）ストリップにわたる血漿の不十分な流れ−比較的低いピーク値、
２）コンジュゲートの不十分な流れ−比較的低いピーク値、
３）不十分な洗浄−比較的高いバックグラウンド、
である。

とりわけ、これらの現象は、ストリップ全体にわたる数的規模の違いから生ずるものである場合があり、すなわち、アレルゲン区域における反応の度合いに違いを生じさせることになり、したがって、ストリップ全体にわたり色強度に違いを生じさせることになる。

さらに、干渉色のストリップが、ストリップ上の流れに沿って生じる可能性があり、これにより、バックグラウンドが過剰に高くなる。このようなストリップの原因は、不十分な洗浄により基材中に残留するコンジュゲートである可能性がある。

しかし、これらの起こり得るエラーは全て、実際のアッセイ・ラインの色値において低下を生じさせることとなり、これは、有利に利用することが可能である。
すなわち、上述の起こり得るエラーに対処するために、ストリップ窓の正確な位置が決定されており、画像が色の彩度の画像に変換されている場合に、反応区域におけるストリップの画像が、複数の下位ストリップに細分化される。下位ストリップの個数は、２〜３個から最大で例えば２０個または３０個くらいまでと様々であってよい。適切には、ストリップの個数は、５〜２５個であり、さらに好ましくは８〜２０個であり、最も好ましくは１０〜１５個である。特定の一実施形態においては、１３個のストリップが使用されている。

各下位ストリップについて、ピーク値が、バックグラウンド値と共に、アッセイ上の全てのアレルゲンラインについて決定される。ピークとバックグラウンドとの差が、各ラインおよびストリップについて算出される。全ての下位ストリップが、比較され、各ラインについての最高値が、当該のラインについての「真」値として選択される。

本発明は、視認可能な（有色の）反応を生じさせる任意のタイプのアッセイ・デバイスに対して適用可能である。好ましくは、アッセイ・デバイスは、試験ストリップを備えるものであって、このストリップの上において、サンプルが、サンプルの塗布点から、反応区域を通り、検出区域まで移動することが可能であり、この検出区域において、有色反応をスポットまたはバンドとして視認することが可能なものである。画像として記録され得る有色物をもたらす、または、アッセイ自体の色の彩度を測定することが可能な、他の種類のアッセイが可能である。

とりわけ、これは、血液（血清、血漿、全血）、唾液、涙液、尿、脳脊髄液、汗、等々の生物学的試験サンプル中に、分析物が存在するか、または存在しないかを評価するために使用することが可能である。

さらに、本発明は、当然ながら、発酵溶液、反応混合物、等々の、他のタイプのサンプルにも適用可能である。しかし、特に、サンプルは、非希釈血清または全血のサンプルである。

アッセイにおいて使用されるマーカは、原則的には、色の反応を生じさせる任意の種類のマーカが可能である。好ましくは、マーカは、金コンジュゲートである。マーカは、試験ストリップ上の検出区域に固定されており、分析物が、ストリップに沿って移動し、このマーカに接触すると、変色が引き起こされる。
（実施例）
以下の実施例においては、構成体は、画像センサとしてのＣａｎｏｎ ＥＯＳ ３５０Ｄカメラから構成される。白色光を発するＬｕｘｅｏｎ Ｓｔａｒ ＬＸＨＬ−ＬＷ３Ｃ ＬＥＤ−ｌａｍｐにより照明を与えた。２つのフィルタを使用し、一方は、５３０ｎｍにて作用し、他方は６１０ｎｍにて作用するものであった（Ｃａｎｏｎ ３５０Ｄ画像センサのグリーンフィルタおよびレッドフィルタ）。

試験デバイスは、アレルギーＰＯＣアッセイであった（ＩｍｍｕｎｏＣＡＰ Ｒａｐｉｄ Ｗｈｅｅｚｅ／Ｒｈｉｎｉｔｉｓ Ｃｈｉｌｄ）。

カバ花粉アレルギーの保有が疑われるそれぞれ異なる患者からの複数のサンプルを、ＰＯＣアッセイ・ストリップの上に配置し、可視的な読取対象を生成した。
試験者集団（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に、視覚的評価のためにこれらの読取対象を提示した。その結果が、以下の表１に示される。

本発明による構成体を用いて、同一のアッセイ・ストリップを分析した。その結果は、不明瞭でない読取値となった。この結果が、視覚的評価との比較において表に示される。

図３は、同一の試験デバイスを評価する２人の熟練の「視覚的読取者」間の比較を示すグラフであり、０〜１２のスケールにおいて読取りが行われ、各デバイスは１２個のスポットを有する。視覚的読取者１の読取りが、視覚的読取者２による同一の試験デバイスの読取りに対して図表化される。可視的な（整数の）値を与えるために、ノイズを追加して、図表の様々な区域において読取密度が示されるように、これらの値を分散させた。この図は、視覚的読取者の不確実性の度合いを明確に示し、誤った解釈を回避するためにさらに一貫性のある読取りを実現するための様式および手段が必要であることを示す。

図４は、熟練の視覚的読取者により行われた読取りに対して図表化された、本発明によるデバイスによる読取りを示すグラフである。
以下の表は、視覚的読取者についての、および、本発明による自動式リーダについての、約１０００個の読取値（図３からのもの）の平均を示す。この表は、整数値０〜１１からなる視覚的読取値（ＶＲ）のそれぞれに対する、本発明による自動式リーダ（ＡＲ）による平均値を示す。

これは、本発明による方法およびデバイスが、熟練の視覚的読取者に匹敵するものであることを示す。

Claims (7)

1. アレルギー・ポイント・オブ・ケア・アッセイ・デバイス（１７、１８）のための読取システム（１０）における方法であって、
   少なくとも２つのそれぞれ異なる波長の光を供給することが可能な照明デバイス（１２；２１、２２）と、
   カラー画像取得デバイス（１４）と、
   前記カラー画像取得デバイスにより記録された画像にもとづいて色の彩度値（Ｓ）を算出するための制御ユニット（１９）と
   を備える、読取システムにおける方法であって、
   前記照明デバイスは、白色光の供給源と、画像から選択された波長を濾波するための少なくとも２つのフィルタとを備え、
   前記方法が、診断用ポイント・オブ・ケア・アッセイ・デバイスのための読取方法であって、前記デバイスは、反応の有色表示を生成することが可能な少なくとも１つの反応区域を有する読取基材を備え、前記反応区域は、少なくとも１つのマーカを備え、前記少なくとも１つのマーカは、それ自体への分析物の結合に反応して変色し、反応を表示するために使用される、方法において、
   前記反応区域の画像を記録するステップと、
   前記反応区域を白色光で照明するステップと、
   前記反応区域から反射された光をフィルタリングして、少なくとも２つの異なった波長範囲を提供するステップと、
   少なくとも２つの波長範囲を用いて、前記画像についての色の彩度値Ｓを算出するステップと、
   前記アッセイの結果を決定するために前記色の彩度値Ｓを利用するステップと、
   を含み、
   前記Ｓ値は、ＨＳＶ系を利用して、
   S＝（MAX−MIN）／MAX＝１−（MIN／MAX）
   として算出され、ここで、ＭＡＸは、前記少なくとも２つの記録された波長の強度についての最大値であり、ＭＩＮは、最小値であり、
   前記反応区域の前記画像は、複数の下位ストリップに分割され、
   ピーク値が、バックグラウンド値と共に、各下位ストリップについて、および全てのアレルゲンラインについて決定され、ピークとバックグラウンドとの差が、各ラインおよびストリップについて算出され、全ての下位ストリップが、比較され、各ラインについての最高値が、当該のラインについての「真」値として選択される、
   方法。
2. Ｓ値が、選択されたしきい値Ｇと比較される、請求項１に記載の方法。
3. Ｓ値（または複数のＳ値）が、物理量に相関されることにより、前記物理量についての値が求められる、請求項１に記載の方法。
4. 前記波長は、一方の波長が、前記アッセイにおいて使用される前記マーカについて極大吸収を有し、他方の波長が、前記マーカについて著しく一層低い吸収を有するように、選択される、請求項１に記載の方法。
5. ２つの波長が使用される、請求項２に記載の方法。
6. 前記マーカは、金コンジュゲートである、請求項１に記載の方法。
7. 下位ストリップの個数は２０から３０個の間であり、適切には、ストリップの個数は５〜２５個であり、より好ましくは８〜２０個であり、最も好ましくは１０〜１５個である、請求項１に記載の方法。

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