JPH02130471A - 血液フィルタおよび血液検査方法並びに血液検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は血液の検査に係わり、血液フィルタおよび血液
検査方法並びに血液検査装置に関する。

［従来の技術］ 従来、血液がフィルタを通過するさいの通過能を調べる
目的では、ｎｕｃｌｅｐｏｒｅフィルり、　ｎ１ｃｋｅ
ｌｎ＋ｅｓｈフイルタ等の微ｉＪｘな孔を持った膜が使
われていることが、例えば１日本バイオレオロジー学会
講演会予稿集（１９８８）第４２頁から第４３頁に記載
されているｍ　ｎｕｃｌｅｐｏｒｅフィルタはポリカー
ボネイトの簿いシートに、またｎ１ｃｋｅｌ　ｍｅｓｈ
はニッケルの薄膜にそれぞれ小孔が明いている。

膜の前後に圧力差を与えて試料の血液を小孔に通過せし
め、このときの血液の通過に要する時間から、血液の通
過能あるいは血球の変形能を測定するものである。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術では、フィルタを通過中の血球の形状を見
ることができないこと、また、フィルタの流路の長さを
自由に選べないこと、血球の大きさあるいは体積に関す
る情報が単独には得られないこと、さらにフィルタの孔
を通過する血球の変形様式が一様でないなどの問題があ
る。

本発明の目的は、下記の４点にある。

（１）フィルタの孔の直径、長さが自由に設定でき、さ
らに各流路の寸法が均質な多孔フィルタを実現すること
。

（２）フィルタの流路を通過中の血球の様態を観察でき
るようにすること。

（３）血球の大きさ、あるいは体積に関する情報を他の
情報と分離して得ること。

（４）フィルタの流路を通過する血球の変形様式を一様
にそろえることにより、変形能の評価のばらつきを低減
すること。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため、発明者らは、膜状のフィル
タに代って、微細な溝の上面を平板で封じることにより
微細な流路を形成したフィルタを発明し、これに血液を
通過せしめる方法を採用した。

特に上記（１）の目的を達成するため、半導体の微細加
工技術を応用し１寸法端度の高い多数の均質な溝を一基
板上に形成した。また、上記（２）の目的を達成するた
め、溝を封じる平板を透光性の板とした。さらに、上記
（３）の目的を達成するため、上記の平面の表面に電極
を形成し、一対の電極が一つの溝の両端の出入口の電位
差を検出するように配置した。また上記（４）の目的を
達成するため、溝の断面寸法を溝の長手方向にわたって
変化させることによって、血球がフィルタに進入する直
前に、非球形の血球をあらかじめ一定の方向に配向する
ようにした。

［作用］ 一基板上に形成する溝は、リソグラフィとエツチングに
よって作られるので１寸法の精度が高く、均質な溝を大
量に作ることができる。上記の基板と平板とを密着し接
合するので、血液成分が接合界面に侵入することなく、
均一な寸法の流路を持つフィルタができる。

溝を封じた平板の上部から溝を観察すれば、流路の中を
変形しながら通過する血液成分、例えば赤血球の様態が
見える。

個々の流路の出入口に一対の電極を配置することにより
、血漿とは異なる電気抵抗を持つ血球の大きさを測定で
きる。すなわち、一定電圧を印加した電極間に血球が侵
入した状態では、流路内の体積を占める血球の体積の比
率によって流路内の電気抵抗が変化するので、これによ
って血球の体積が計算できる。さらに、上記の電極によ
って、血球が流路を通過するのに要する時間、すなわち
変形能に関する情報も得られる。

フィルタ部に進入する血球が予め一定方向に配向するよ
うにガイドする部分を設けることにより。

フィルタの流路を通過する血球の変形様式は一様になる
。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は本発明の血液フィルタの断面を示すものであり、血
液成分の通過する流路となる小孔１は、シリコン単結晶
基板２およびガラス平板３によって形成される。この小
孔に血液を導き、排出するために、ベース板４および外
筒５がある。

ベース板には血液の導入口６および排出ロアがあり、図
中の矢印８．８’　、８’　、８”の順にしたがって血
液が流れる。小孔１の前後の圧力差を検出し、これを一
定に保つため、圧力センサ９および１０が流路内の圧力
を監視する。小孔の入口。

出口付近には血球の通過の有無、血球の大きさ。

血球通過に要する時間を検出するための一対の電極１１
．１２がガラス平板３上にパターニングされ、外部に引
出されている。

フィルタの小孔を形成するシリコン単結晶基板２の詳細
を第２図（、）に示す。基板の中央には血液を導入する
貫通孔１３があり、これを囲んでフィルタとなる土手１
４が周囲にめぐらされている。土手１４の一区間（第２
図（ｂ））の拡大図から明らかなように、土手の上面は
ガラス平板と接合できるよう平面となっており、さらに
血球を通じるための微細な溝１５が多数設けられている
。

血液導入孔から導かれた血液中の成分、例えば赤血球１
６は血漿の流れに乗ってガラス板で封じられた溝の中を
変形しながら通過する。

フィルタ主要部の製造方法を以下に述べる。シリコン単
結晶基板は、面方位が（１００）で厚さが約１ｍｍのウ
ェハから作られる。直径が約８μｍの赤血球の変形能を
測定するためのフィルタの加工例は次のとおりである。

約１５ｍｍ角のシリコンチップの領域内に、−通約１０
ｍｍの正方に＠ｌＯμｍの土手をめぐらす。加工の第１
工程として正方の・−辺に直交して＠６μｍ、深さ６μ
ｍの溝を約７００水平行に並べてエツチングする。溝の
ピッチは約１５μｍで、溝の位置は、後に土手が加工さ
れる部分に一致させ、溝の長さは土手の幅を十分にカバ
ーする長さとする。次いで、土手の内外を深くエツチン
グして約１００μｍの高さの土手を形成する。ここで正
方にめぐらす土手の一辺は、正確に結晶の＜１１０＞方
向に合わせることが重要である。この工程では、まず溝
の内面を含むウェハ全面をＳｉｏ２またはＳ　１３　Ｎ
　４の暎で覆った後、土手として残す幅１０μｍ、−辺
の長さ約１０ｍｍの領域の被膜を帯状に残してエツチン
グ時のマスクとする。これにはホトリソグラフィの手法
が使われる１次いでＫＯＨ水溶液等の異方性エツチング
液でシリコン基板をエツチングすれば、第２図（ｂ）に
示すように、土手の上面の幅を正確に保った状態で約１
００μｍの深いエツチング加工ができる。この結果、（
１１１）面が土手を形成する斜面として残る。

上記のシリコン基板の表面からＳｉＯ，、Ｓｉ３Ｎ。

などの被膜を除去した後、約１ｍｍの厚さのパイレック
スガラスを上面に載せて接合すれば、フィルタの小孔が
完成する。ガラスとシリコンの接合には、約４００℃の
雰囲気で数１００Ｖの直流電圧を接合界面に印加する陽
極接合の手法を応用するのが好適である。

以上の加工プロセスから明らかなように、リソグラフィ
とエツチングで加工するシリコン単結晶上の溝の寸法は
任意に選べるし、さらに、多数の溝を形成した時の置溝
の寸法の均一性も極めて高い、これにより９本発明の第
１の目的が達成される。さらに２本発明の第２の目的で
ある。フィルタ通過中の血球の変形の可視化も、パイレ
ックスガラス表面から観察することによって可能になる
。

次に１本発明の第３の目的である。血球の体積に関する
情報取得機能について述べる。この目的では第１図に示
したように、フィルタの小孔の前後に一対の電極１１お
よび１２を設置する。電極の設置方法と血球の体積情報
取得の原理を第３図および第４図に示す、第３図はガラ
ス平板３を上面から見た図であり、正方にめぐらした土
手の位１ｉ１７を一点鎖線で示している。土手の内側に
は。

各小孔の位置に対応してバターニングされた共通の電極
１１があり、これに対向する電極１２が各小孔について
独立に外部へ引出されている。小孔と電極との位置関係
を拡大して第４図に示す。白金をガラス平板側に蒸着し
てパターニングされた電極対１１．１２は、土手１４上
の溝１５の出入口に正しく位置を合せて固定される。

上記の電極を用いることにより、血球の体積は次の原理
で測定できる。血球の抵抗率をｒｘｇ体積をＸ、小孔内
の全体積をＶ、血漿の抵抗率をｒとすれば、血球が小孔
内に有る時の電極１１゜１２間の抵抗値Ｒは次式で表さ
れる。

ここに、Ｒｏは血球が小孔内に無い時の抵抗であり、小
孔の断面積ａおよび長さ２によってＲ，＝ｒ ・・・（２） で表される６式（１）の関係を利用すれば、血球の体積
Ｘが、電極間の抵抗値の関数として計算できる。なお、
式（１）を使って体積を求めるには、血球の体積Ｘの小
孔の体積より小さいこと、また、血球の直径が小孔の直
径より大きいことが条件になる。

電極間の抵抗値の変化を電圧信号として得るための回路
の一例を第３図に示した。第１番目の小孔に血球が入っ
たことを検知する電圧信号Ｖｚは第４図のグラフに示す
ように、時間的に変化する。

波形の高さＸからは前記のように血球の体積情報が、ま
た、波形の幅からは血球の通過時間が得られる０以上の
方法により５本発明の目的の第３は達成された。

以上に述べた諸手段を結合した血液検査装置の一実施例
を第５図に示す、この装置は、サンプル注入口１８から
注入した血液を、本発明のフィルタを経由して排出部１
９に導く、血液をそのままフィルタに導くだけでなく、
生理食塩水、あるいは生理活性物質など、他の液体と混
合してフィルタに導く目的で、複数の溶液びん３０がミ
クサーを経由して流路に連結している。フィルタ前後の
差圧は差圧制御回路によって、所定の圧力に制御される
。フィルタのガラスを通して血球の形能情報がＴＶカメ
ラでＩ！察され、画像処理回路によって病変の有無が抽
出される。電極Ｅ工ｌＥ２の間の抵抗値の変化から、信
号処理回路により、血球の数、通過に要する時間、血球
の大きさ等の情報が得られる。これらの情報を総合する
診断回路によって診断結果が得られる。

診断のアルゴリズムの一例を次に述べる。一つの血球の
体積と通過時間は、個々の血球に関して知ることができ
るから、これをヒストグラムとして表わすと第６図のよ
うな分布が得られる。正常な血液に関するヒストグラム
２１に対し、サンプル血液のヒストグラム２２が有意差
を持っているか否かを判断することにより、サンプルの
異常が検知される。三つ以上の情報の相関に関しても同
様にして数値処理を行えば、さらに精密な診断が可能で
ある。

また、健康診断の目的では、赤血球の破壊すなわち溶血
の有無が有力な情報となる。血球フィルタを通過するこ
とにより血液味が破壊するか否かは、フィルタ部をａｍ
するＴＶカメラから知ることができる他、第５図でフィ
ルタから排出部１９へ流出するサンプル８　ＪＪを透明
な管路に導き、光を通過させて吸光度を測定することに
より、血漿の色の変化として検知される。

さらに、本発明の血液フィルタの孔の大きさを血球の直
径より大きく選ぶことにより血液の粘性の大きさを測る
ことができる。血液の粘性係数をμ、フィルタの孔の代
表寸法（直径）をｄ、長さをＱ、フィルタ前後の圧力差
をΔＰ、流量をＱとすればハーゲンポアズイユの式から ｄ４ΔＰ μ公　。ユ　　の関係がある。この関係から血液の粘性
係数の異常がわかる。

なお２本発明を実施するにあたって、フィルタの小孔表
面は親水性をもたせておくことが有効であり、この目的
から、シリコンの表面は酸化膜で被覆しておくことが望
ましい、さらに、小孔表面を、血球との相互作用の認め
られる材料で被覆することにより、血球の通過速度を著
しく変化させることができるから、血球の特性を選択的
に抽出することも可能になる。この目的から、小孔表面
に予めたんばく質等の特定の高分子材料を被着させてお
くことは有効である。

一方、サンプル血液中に生理活性物質を混ぜることによ
っても、血液中の成分がフィルタを通過する速度が非常
に変化する。第５図の血液検査装置において、ミクサを
介してフィルタに流入する前のサンプル流に生理活性物
質を混入する流路を設置したことで、これが可能になる
０例えば、白血球に対して生理活性物質ＦＭＬＰが作用
すれば、白血球のフィルタを通過する速度は著しく低下
する。また、血小板はＡＤＰの添加で凝集し、フィルタ
の通過能が低下する。このような選択的な活性の変化を
利用すれば、白血球の活性度、血小板の凝集能といった
血液情報の精密な分離が可能になる。また血液の注入口
１８から排出口１９に至るまでの流路に各種センサを設
置すれば、浸透圧。

Ｐ　Ｈｔイオン濃度等を同時に検出して、さらに精密な
分析が行える。

なお、第２図に示した血液フィルタは、１段だけのフィ
ルタであったが、これを多段に構成すれば、クロマトグ
ラフを作成することができる。多段のフィルタは１枚の
シリコンチップ上に第７図のようにして形成される。図
では血液２３の流入口２４と排出口２５の間に４段にわ
たって土手２６が形成されている。変形能に依存して、
１段のフィルタを通過するに要する時間が異なるから、
多段フィルタを通過してきた血球は、出口に到達する時
間によって変形能に関して分級される。こうして分級さ
れた血球を抽出してさらにその特性を検査することがで
きる。

これまでに述べた実施例は、フィルタの構造が長手方向
に均一であったが１例えば第８図に示すように、溝の断
面形状を長手方向に変えて加工したシリコン基板の上面
をガラス平板で封じれば、次のような効果が得られる。

その第１は、フィルタ部２７に進入する血球の向きを、
上流に位置するガイド部２８において一定の方向に配向
できることにある。これにより。

特に非球形である赤血球のフィルタ部における変形様式
が均一化され、血球の変形能のデータのばらつきが少な
くなって、より正確な情報が得られる。

効果の第２は、前に述べた電極構造を用いなくても、血
球の体積およびフィルタ通過時間を光学的に測定できる
ことにある。この場合には、フィルタの構造は第８図に
示すように、真のフィルタ部２７の前後に、血球の直径
とほぼ等しいか、わずかに大きい径の溝２８および２８
′を設置する。

このような構成の溝面にレーザ光を照射して、血球が通
過するさいの反射光量を測定した結果の一例を第９図に
示す、波形のビーク２９および２９′は、血球が溝２８
および２８′を通過した時の散乱光であり、その波形の
高さＨが血球の体積に関する情報となる。一方、二つの
ピーク波形の間の時間Ｔは、血球のフィルタ通過に要す
る時間に相当する。

なお、上の実施例では、ＴＶカメラを用いた画像処理に
代って、光源とレンズ系および光センサがあれば実現す
るので、安価なシステムを構成することができる。

電極間の抵抗値や、散乱光量の変化から血球の通過を検
出する検査システムにおいて、血球がフィルタにつまっ
て使用できない状態であることは、電極間の抵抗値の異
常、あるいは光の反射量の異常によって知ることができ
る。この異常信号から、フィルタの交換を使用者に警報
するように血液検査システムを構成することは容易に行
える。また、フィルタの目詰りによる交換の頻度を低減
するため、シリコンの１チツプ上に複数のフィルタ系統
を作り込んでおき、流路系統を適宜切り換えれば、血液
検査の一層の能率化が図れる。

［発明の効果］ 本発明は、以上説明したように構成されるので、以下に
記載されるような効果を奏する。

（１）シリコン基板表面に加工する溝の寸法は容易に変
えることができ、しかも寸法精度が高いから、これによ
って形成されるフィルタの小孔の直径、長さが自由に選
べる。また、多数の小孔の加工が可能で、孔の寸法の均
一性も高い。

（２）ガラスを通して、小孔を通過する血球の形能が見
えるから、これによって血球の性状を推定することがで
きる。

（３）小孔の入口と出口の間の電気抵抗の変化を測るこ
とができるから、血球の通過個数、通過時間、体積等の
情報が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の血液フィルタの一実施例を示す断面
図、第２図（ａ）は血液フィルタを示す図、第２図（ｂ
）は第２図（ａ）のＡ部を拡大した図、第３図は電極を
形成したガーラス平板の正面図および電極から引出した
配線の結線図、第４図はフィルタ小孔前後の電極の配置
図および電極から得られる信号の一例を示す図、第５図
は本発明を用いた血液検査装置の一例を示す構成図、第
６図は診断のアルゴリズムに用いるヒストグラムの概念
を示す３次元表示グラフ図、第７図は血液クロマトグラ
フに用いるシリコンチップの概観図、第８図は他の実施
例における血液フィルタ用チップの一部を拡大した概観
図、第９図は光によって血球の通過を検出するさいの反
射光量の時間的変化を示すグラフ図である。 １・・・フィルタ小孔、２・・・シリコン基板、３・・
・ガラス平板、８．８’　、８’　、８”・・・血液の
流れ、９゜１０・・・圧力センサ、１１，１２・・・電
極、１４・・・土手、１５・・・溝、１６・・・赤血球
。 第夕目 第 ？ 目 Ｃ呻 ／２ （ｂ） 第 〕 目 第４目 ／４ ／り 第２図 第ヲ凹 所閥

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、表面に微細な溝を有して成る第１の基板と、上記溝
   を有する第１の基板の表面に接合される平面を有する第
   ２の基板とから成り、上記第１の基板と上記第２の基板
   との接合部に上記溝によって形成される空間を血液の流
   路とすることを特徴とする血液フィルタ。 ２、請求項１記載の血液フィルタにおいて、上記第１の
   基板がシリコン単結晶から成ることを特徴とする血液フ
   ィルタ。 ３、請求項１記載の血液フィルタにおいて、上記第２の
   基板が透明であることを特徴とする血液フィルタ。 ４、請求項１から請求項４のいずれかに記載の血液フィ
   ルタにおいて、上記血液流路の入口端近傍と出口端近傍
   に少なくとも一対の電極を有することを特徴とする血液
   フィルタ。 ５、請求項１から請求項４のいずれかに記載の血液フィ
   ルタにおいて、上記血液フィルタを多段構造としたこと
   を特徴とする血液フィルタ。 ６、請求項１から請求項５のいずれかに記載の血液フィ
   ルタにおいて、上記血液の流路の断面形状が、血液の流
   れ方向に変化していることを特徴とする血液フィルタ。 ７、請求項１から請求項６のいずれかに記載の血液フィ
   ルタにおいて、上記血液の流路の表面に親水性膜が形成
   されていることを特徴とする血液フィルタ。 ８、請求項１から請求項６のいずれかに記載の血液フィ
   ルタにおいて、上記血液の流路の表面を高分子材料で被
   覆したことを特徴とする血液フィルタ。 ９、血液フィルタに血液を通過させ、該血液中の成分が
   上記血液フィルタを通過する時間を検出することを特徴
   とする血液検査方法。 １０、血液フィルタの入口端近傍と出口端近傍の電極に
   電圧を印加し、血液が該血液フィルタを通過することに
   より生ずるパルス状電圧変化を計数することにより、血
   液中の粒子の数を計数することを特徴とする血液検査方
   法。 １１、請求項１０記載の血液検査方法において、上記パ
   ルス状電圧変化のパルス巾を計測することにより血液中
   の粒子の体積を算出することを特徴とする血液検査方法
   。 １２、請求項９から請求項１１のいずれかに記載の血液
   検査方法において、血液中の粒子が上記血液フィルタを
   透過するに要する時間と上記血液中の粒子の血液フィル
   タ通過中の長さまたは、該粒子の体積のいずれか一方の
   相関をとるヒストグラムにもとづいて、血液の異常を判
   別することを特徴とする血液検査方法。 １３、請求項９から請求項１１のいずれかに記載の血液
   検査方法において、上記血液フィルタの血液流路の最小
   径を該粒子の径より大きくしておき、該血液流路に血液
   を流したときの血液の粘性を測定することを特徴とする
   血液検査方法。 １４、請求項９から請求項１１のいずれかに記載の血液
   検査方法において、血液中に生理活性物質を混ぜること
   により、上記血液フィルタ中を通過する該血液の成分の
   通過能を変化させることを特徴とする血液検査方法。 １５、請求項１から請求項８のいずれかに記載の血液フ
   ィルタを血液検査のための血液フィルタとして用いるこ
   とを特徴とする血液検査装置。 １６、請求項１５に記載の血液検査装置において、前記
   血液フィルタの血液の流路中を流れる血液に光を照射し
   、該血液中の血球からの散乱光を検出することを特徴と
   する血液検査装置。 １７、請求項１から請求項８のいずれかに記載の血液フ
   ィルタを多段に結合させ、該多段血液フィルタを通過す
   る血液中の成分の通過時間差を測定して、血液中の成分
   を分級することを特徴とする分析装置。