JPH06319524A - 培養容器内生物学的活性を測定する装置 - Google Patents

培養容器内生物学的活性を測定する装置

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JPH06319524A
JPH06319524A JP6081702A JP8170294A JPH06319524A JP H06319524 A JPH06319524 A JP H06319524A JP 6081702 A JP6081702 A JP 6081702A JP 8170294 A JP8170294 A JP 8170294A JP H06319524 A JPH06319524 A JP H06319524A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 単一の光源を使用して複数のバイアル内の生
物学的活性を検知する装置の提供。 【構成】 微生物の成長を維持するようになされた複数
の密封可能な容器内の微生物を検知するための装置20
は、レーザのような単一の光源36を含み、光源36
は、光源からの出力ビームを各容器22へと連続的に導
く二次元レーザ偏向器48を備えている。容器22の内
面に沿ってセンサ28が塗布されている。センサ28の
選択的な放射が監視されて容器22内に生物学的活性が
存在するか否かが測定される。装置20は、高周波変調
器と減衰時間センサとを使用している。センサ28の減
衰時間を測定することによって生物学的活性が測定され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、血液又は唾液のような
体液標本サンプル内の生物学的活性を容器内に侵入せず
に検知する方法及び装置に関する。標本サンプル及び培
養基はバイアルのような密封可能な容器の中に導入さ
れ、次いでサンプル内の微生物の存在下で種々の代謝変
化、物理的変化及び化学的変化を起こさせる状態にさら
される。
【0002】
【従来の技術】患者の体液特に血液中のバクテリアのよ
うな生物学的活性物質の存在は、一般的に培養バイアル
を使用して測定される。少量の体液がバイアルを包囲す
るゴム製の膜を介して培養基を含む殺菌されたバイアル
内に注入される。バイアルは、37°Cで培養されて微
生物の成長が監視される。
【0003】微生物の存在を検知するのに使用される技
術としては目視による検査がある。一般的に、目視検査
としては体液及び培養基の懸濁液の濁り度若しくは結果
的な色の変化を監視する方法がある。公知のセンサは、
反射率、不透明度、色が変化することによって又は蛍光
強度が変化することによって、pH、酸素濃度若しくは
二酸化炭素濃度の変化に応答する。これらのセンサから
の出力は、一般的に、光強度の測定に基づく。センサを
励起するのに使用される光源若しくは強度を監視するの
に使用される光検知器は長時間に時間と共にエージング
(劣化)作用を示す。このことは誤差が生じるかもしれ
ないことを意味する。更に、強度測定が必要なときに
は、バイアルの位置決めが極めて重要である。ほんの微
妙なバイアルの位置決めの誤りが検知測定に影響を及ぼ
す。更に、培養基を完全に光が漏れないようにすること
は常に可能なわけではない。
【0004】強度に基づく方法の不利な点は、pH、酸
素濃度、二酸化炭素濃度の変化に応答して又は他の生物
学的活性に応答して蛍光の減衰時間が変化するセンサと
組み合わせた変調された励起光を使用することによって
解決することができる。この方法を使用すると、強度測
定を時間測定に置き換えることができ、従って、強度変
化が測定結果に影響することがない。しかしながら、蛍
光の減衰時間センサは、極めて高い周波数(典型的には
100MHz以上)で強度変調した高輝度の短波長(5
50nm以下)の光源を必要とする。このような光源と
変調器との組み合わせは高価なので、各バイアル毎に光
源を備える代わりにバイアルを光源の所へ移動しなけれ
ばならない。部品を移動しなければならないこと及び各
バイアルのための連続する測定時間に比較的長時間の時
間間隔が必要となることは更に付加される問題点であ
る。低廉で高輝度で短波長の半導体ダイオードレーザが
間もなく開発されるということもあり得ない。
【0005】公知の自動化された非侵入型の培養装置に
おいては、互いに独立した光源、スペクトル励起/放射
フィルタ及び光検知器が各バイアルに対して配列されて
いる。これによって、1つのバイアルから次のバイアル
へ移るとステーション感度の変動が生じる。従って、こ
のような装置を作動させるためには、多数の時間のかか
る調整工程が必要とされる。更に、独立した光源及び検
知器を装置に接続するのに可撓性の電気ケーブルが必要
とされる。極めて多数の光源、典型的には装置当たり2
40以上の光源を備えている場合、個々の光源が故障し
始めると、メンテナンスは極めて煩雑で費用がかかる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の方法及び装置
は、多数のバイアル内の生物学的活性を検知するための
光ビーム偏向器と組合わされた単一の高エネルギの光源
を使用する従来技術の装置に固有の問題点を解決するこ
とを目的とする。本発明によれば、製造効率及び生物学
的活性を検知する能力が増加すると共にコストが減じら
れる。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、血液、唾液若
しくはその他の体液の液体標本サンプル内の生物学的活
性を自動的に検知する装置に関する。
【0008】本発明に従って作られた装置は、微生物の
成長を維持するようになされた複数の密封可能な容器又
はバイアルを含む。バイアル内に入れられた標本サンプ
ルは次いでチッピング(傾き可能な)ラック上に並べら
れる。チッピングラックはバイアルを撹拌して微生物の
成長を促進する。単一のラックは大きくて望ましくない
のでこのようなラックが複数使用されている。
【0009】開示された実施例においては、生物学的活
性に応答するようになされたセンサが各バイアルの内側
表面に塗布されてサンプルと反応する。高エネルギの光
源が出力ビームを発生し、この出力ビームは、二次元偏
向器によって、バイアルと組み合わされた予め選択され
たセンサの方向へと導かれる。このセンサは、微生物の
成長の存在下で選択的な放射を発する。蛍光を選択的に
放射するセンサが好ましいが、その他の使用可能な選択
的放射センサとしては、生物学的活性に応答して反射
率、不透明度若しくは色が変わるセンサがあり、又はサ
ンプル自体が照射されてもよい。後者の場合には、バイ
アルの内側表面上にセンサ材料を塗布する必要がない。
【0010】このような装置は、各バイアル毎に独立し
た光源、励起用フィルタ、放射用フィルタ又は光検知器
を備えていない。このことにより、製造効率が増すと共
にコストが低下する。好ましくは、現在利用できる検知
技術を利用した場合、光源は、出力が約1.5mVでビ
ーム直径が約2mm以下の緑色のヘリウムネオンレーザ
である。短波長の出力が蛍光センサと良好に反応する。
好ましい二次元偏向器は、高分解能と良好な再現性を有
する検流計式のレーザ偏向器である。
【0011】本発明の第1の実施例は強度センサを使用
している。現在の好ましいセンサは蛍光センサである。
レーザのような高エネルギ光源は、ビームスプリッタに
よって基準ビーム成分と出力ビーム成分とに分けられる
出力ビームを発する。レーザ偏向器は、出力ビーム成分
をミラーからバイアルのうちの一つと組み合わせられた
予め選択されたセンサへと導く。生物学的活性が存在す
ると、センサは放射を発するであろう。少なくとも1つ
の検出器モジュールがこの放射を監視する。開示された
検知器モジュールは、短波長光すなわち励起光を遮断す
るスペクトルフィルタ、センサからの放射を集光するフ
レネルレンズ及び光検知器を含む。光検知器によって発
生された光電流は検知器DCメータに送られる。基準光
検知器は、基準ビーム成分を監視し基準DCメータに送
られる基準光電流を発生する。2つのメータからの出力
は、コンピュータのような制御装置内に送られて微生物
成長に関する測定を行うことができる。更に、この制御
装置は、レーザスキャナの位置決めを制御して出力ビー
ム部分がセンサからセンサへと連続して導かれるように
する。
【0012】本発明の第2の実施例においては、強度検
知が時分割検知に置き換えられている。高周波数強度変
調器がレーザの前方に配設されている。この変調器は、
増幅器と組み合わせたコンピュータによって制御され
る。出力ビームはレーザから出て変調器の中を通過す
る。この出力ビームは、次いでビームスプリッタによっ
て出力ビーム成分と基準ビーム成分とに分割される。出
力ビーム成分はレーザスキャナ及びミラーを使用して導
かれる。減衰時間センサが各バイアルと組み合わせられ
ている。このタイプの好ましいセンサは蛍光減衰時間セ
ンサである。このようなセンサの利点は、構成要素のエ
ージング(経年変化)、バイアルの若干の誤配置及び培
養器の遮光性の欠如によって生じる強度変化が測定結果
に影響しないという点である。変調された出力ビーム成
分はセンサと反応して変調された放射を生じる。検出器
モジュールは放射を監視し且つ光電流を生じる。同様
に、基準光検知器は、変調された基準ビーム成分を監視
し且つ基準光電流を発生する。この2つの光電流が入力
同士の位相のずれを測定するベクトル電圧計に導かれ
る。ベクトル電圧計からの出力は、制御装置によって使
用され生物学的活性が存在するか否かが決定される。第
1の実施例におけるように、制御装置はまたレーザ偏向
器の調整も行う。
【0013】第3の実施例においてはミラーが使用され
ていない。その代わりに、レーザ偏向器が出力ビーム成
分を各センサ上に選択的に且つ直接集光させる。更に、
より小さなバイアルが図示されている。本発明は、極め
て限られたスペース内で多数のバイアルにおいて同じよ
うに良好に作動する。
【0014】
【実施例】本発明による強度に基づく微生物検知装置の
第1の好ましい実施例が図1に示されている。この装置
20は、各々隔膜24によって密封され且つ培基/体液
混合物26を含むガラス製のバイアル22のような複数
の容器を備えている。バイアル22は、内側底面30上
に塗布された強度に基づく化学センサ28を含む。蛍光
強度センサが図示されているけれども、選択的な放射を
発するか又は生物学的活性の存在下で反射率、不透明度
又は色が変化する他のセンサを使用してもよい。いくつ
かの場合には、サンプル自体がバイアルと組み合わされ
た別個のセンサを使用することなく走査される。
【0015】バイアル22はラック32上に配列され、
ラック32の各々に対して2列のバイアルが設けられて
いる。ラック32は揺動可能であってバイアル22内の
微生物を撹拌して微生物の成長を促進する。ラック32
を図1に示されたような保持位置に配置して生物学的活
性を測定してもよい。好ましくは、ラック32は、微生
物検知がなされる毎に同じ保持位置を占める。240個
ものバイアルのためのラックはかなり大きくて望ましく
ないので、主として複数のラック32が使用される。従
来技術とは異なり、装置20は各バイアルに対して独立
した光源、励起フィルタ、放射フィルタ及び光検知器を
必要としない。従って、ラック32は、バイアル22の
みを含み電子部品は含まず、結果的に電気導線も含まな
い。このことにより、製造効率が増す一方でコストが低
下する。バイアル22とラック32とは微生物の成長を
促進するために使用される培養器34の内側に配列され
る。
【0016】レーザ36のような単一の高エネルギ光源
から発生される出力が多数のバイアル22のセンサ28
と反応するので、ラック32は電子部品を備えていな
い。ビームスプリッタ38は、レーザ36からの出力ビ
ーム40を成分42と44とに分ける。基準ビーム成分
42は基準光検知器46へと導かれる。光検知器46
は、基準ビーム成分42を測定し且つ測定された強度に
対応する基準光電流を発生する。出力ビーム成分44
は、プリズム50によって二次元光ビーム偏向器48へ
と導かれる。図示した実施例においては、90°プリズ
ムが使用されている。偏向器48は、出力ビーム成分4
4をミラー54へと導くように調整されている。出力ビ
ーム成分44は、偏向器48によって決定されるように
ミラー54から反射されて選択されたバイアル22のセ
ンサに接触してこのセンサを励起させる。出力ビーム成
分44によって励起されると、センサ28は選択的に放
射を発して生物学的活性が存在することを指示する。図
示の実施例においては、蛍光放射は、センサによって発
せられて増加した生物学的活性に比例して増加するであ
ろう。pH、酸素濃度、二酸化炭素濃度または他の生物
学的活性に応答して反応する蛍光強度化学センサ28は
よく知られている。
【0017】ミラー54は、少なくとも偏向器48とミ
ラー54との間の距離によって培養器34の深さを浅く
する。これによって、よりコンパクトでエネルギ効率の
良い培養器を使用することができる。
【0018】特定のセンサ28からの放射58は、少な
くとも1つの検知器モジュール60によって監視され
る。限られた数のこのようなモジュールが多くのバイア
ル22に必要とされる。図示の実施例においては、この
ようなモジュール60が2つだけ図示されている。好ま
しくは、検知器モジュール60は培養器34内に配列さ
れる。検知器モジュール60は、集光レンズ64、放射
スペクトルフィルタ及び高感度光検知器66を含んでい
る。フィルタ62は、読み取り値に影響を与える望まし
くない短波長光すなわち励起放射線を遮るために使用さ
れる。光検知器66は、放射58の強度を測定し且つ測
定された強度を表すセンサ光電流を発生する。
【0019】レーザ36、偏向器48及び限られた数の
検知器モジュール60を使用して多数のバイアル22の
各々の中の微生物の成長の存在を測定することは特に有
利である。特に、機械的な部品を移動する必要がない。
従って、極めて長期間に亙る装置の信頼性が可能とな
る。更に、各バイアル毎に強度測定装置を使用する代わ
りに多くのバイアルに対して単一の調整された装置を使
用することによって精度がより高くなる。経済的な費用
でより高価で且つ正確な装置を使用することもできる。
実際には、本発明によって調整が不要とならない場合で
も装置の調整の必要性が大きく減じられる。
【0020】典型的には、バイアル22は、生物学的活
性が生じるまで又は所定の期間(典型的には5日間)が
経過するまで1つずつ連続的に走査される。特定のバイ
アル内に生物学的活性が存在すると、既に述べたような
測定されたセンサによる放射58の変化によって指示さ
れる。基準光検知器46の目的は、レーザ強度の望まし
くない変化を補償することである。
【0021】一つの好ましい実施例においては、レーザ
36は、約543.5nmの波長を有し且つ出力が約
1.5mVの緑色のヘリウムネオン(HeNe)レーザ
である。出力ビーム40の直径は約2mm以下であるべ
きである。短波長光及び出力は好ましくは生物学的活性
の存在下で蛍光センサ28と反応する。バイアル22内
の微生物の成長によって生じる好ましい蛍光強度によ
り、光電子増倍管のような遠隔高強度光検知器60を多
数のバイアル22からのセンサによる放射58を監視す
るのに使用してもよい。遠隔光検知器66でさえ十分に
高い信号/ノイズ比率を有する光電流を発し、その結
果、多数の培養バイアルを監視するには1又は2個の増
倍管で十分である。
【0022】合計240個のバイアル(12列で20
行)を含むラック32が使用される場合には、偏向器4
8は一方向に最大20個のバイアルを処理することがで
きなければならない。極めて高い角度分解能と良好な再
現性とを備えた標準的な二次元電流計レーザが容易に入
手可能である。このような偏向器は、いずれのバイアル
22にも到達し且つ依然として良好な再現性を有すべく
所望の約45%の範囲に亙って出力ビーム成分44を配
置するのに適している。
【0023】出来るだけ多数のセンサ放射58を集光す
るために大きいフレネルレンズが使用される。このよう
なレンズは種々のサイズで且つ低コストで市販されてい
る。
【0024】図2に図示されているように、レーザ36
は出力ビーム40を発する。ビームスプリッタ38は出
力ビーム40を基準ビーム成分42と出力ビーム成分4
4とに分割する。偏向器48は、出力ビーム成分44を
バイアル22と組み合わされた予め選択されたセンサ2
8へと導く。センサ28は次いで放射58を発する。光
検知器66は放射58を監視し且つセンサ光電流68を
発生する。図示の実施例においては、これは蛍光光電流
である。光電流68は検出器DCメータ70に送られ
る。次いで、メータ70からの出力72はコンピュータ
74のような制御装置に送られる。基準ビーム成分42
は、基準ビーム成分42を監視し且つ基準電流76を生
じる基準光検知器46へと導かれる。光電流76は基準
DCメータ78に送られる。メータ78からの出力80
もまたコンピュータ74に送られる。ライン82によっ
て示されるように、コンピュータ74は、出力72,8
0を蓄える他にレーザ偏向器48の位置決めを制御して
偏向器48が出力ビーム成分44をセンサからセンサへ
と連続的に導く。このようにして、各バイアル毎の微生
物の成長を測定することができる。
【0025】微生物の減衰時間検知のための装置100
の実施例が図3に示されている。装置100は図1に示
された装置20と類似している。しかしながら、別のタ
イプの光学センサである減衰時間センサ102がバイア
ル22の各々の内側底面上に配設されている。他のセン
サを使用してもよいが、好ましいセンサは蛍光減衰時間
センサである。pH、酸素濃度、二酸化炭素濃度に応答
して又は他の生物学的活性に応答して減衰時間が変化す
る蛍光減衰時間センサはよく知られている。この方法を
使用し、強度測定を時間測定と置き換えても強度変化が
測定結果に影響を及ぼすことはない。センサ102が正
しく作動するためには、変調光の光源103は、レーザ
36とビームスプリッタ38との間に配列された高周波
強度変調器104によって構成される。レーザは、図1
の実施例に開示されたものと同じものであってもよい。
変調器104は、音響光学によるものであっても、電子
光学によるものであっても又は光弾性によるものであっ
てもよい。
【0026】変調光の光源103からの出力106は成
分108と110とに分割される。基準ビーム成分10
8は基準光検知器46へと導かれ、一方、出力ビーム成
分110はプリズム50によって二次元レーザ偏向器4
8へと導かれる。偏向器48は、出力ビーム成分110
をミラー54へと導くように調整されている。成分11
0は、偏向器48によって決定されたようにミラー54
によって反射されて選択されたバイアル22のセンサ1
02と接する。
【0027】特定のセンサ102によって選択的に発生
された変調された放射112は、増加する生物学的活性
に応答して時間変調される。少なくとも1つの検知器モ
ジュール60によって主として監視されるのは強度より
もむしろ変調である。変調を測定することができる限り
生物学的活性の測定を行うことができる。従って、微妙
なバイアルの位置決め誤差、光源又は検知器モジュール
の経年変化及び外部光が培養器34内へ漏れることによ
って生じるような暗電流変化は、強度センサと比較する
とはるかに少なくなる。
【0028】現在入手可能な蛍光減衰時間センサは、典
型的には100MHzを越える高い光変調周波数を必要
とする。各バイアルにおいて個々の光源を備えた公知の
装置においては、緑色の光を発するダイオード(LE
D)が使用される。しかしながら、装置100において
は、レーザ36によって高周波強度変調が容易に達成で
きる。
【0029】図4に図示したように、コンピュータ74
は、増幅器114を使用した変調器104を制御してい
る。コンピュータ74は信号116を増幅器114に送
り、増幅器114からの出力信号118は変調器104
に送られる。ビームスプリッタ38は、変調器104か
らの出力ビーム106を基準ビーム成分108と出力ビ
ーム成分110とに分割する。出力ビーム成分110
は、偏向器48によって予め選択されたバイアル22の
センサ102に導かれる。センサ102は変調されたセ
ンサ放射112を選択的に発生する。光検知器66は、
センサ放射112を監視し且つ変調された光電流120
を発生し、光電流120はベクトル電圧計122に送ら
れる。基準光検知器46は、基準ビーム成分108を監
視し且つ変調された基準光電流124を発生し、基準光
電流124もまたベクトル電圧計122へと送られる。
ベクトル電圧計122は、光電流120と124とを比
較してセンサの位相のずれを測定し、必要に応じてセン
サ強度も測定する。この情報は電圧計出力126及び1
28を介してコンピュータ74に送られ、各バイアルの
微生物の成長に関する測定をすることができる。図2の
実施例におけるように、コンピュータ74はライン82
を介して偏向器48の位置決めを制御して出力ビーム成
分110がバイアルからバイアルへと導かれる。
【0030】別な方法として、図3において、単一の変
調光源103と検知器モジュール60とを適当なセンサ
102を備えた多くのバイアルと共に使用してもよく、
図3に示した実施例においては2個の検知器モジュール
60が示されている。
【0031】特定のバイアル内の微生物の存在は、既に
述べた基準信号の位相108に対する測定されたセンサ
放射112の位相のずれの変化によって示される。
【0032】減衰時間による微生物検知装置の第2の実
施例が図5に示されている。変調された光源103はレ
ーザ36と変調器104とを含む。ビームスプリッタ3
8が出力ビーム106を分割して基準ビーム成分108
を基準光検知器46へと導き、出力ビーム成分110を
二次元レーザ偏向器48へと導く。図1及び3に示され
ているように、プリズム50若しくはミラー54は不要
である。その代わりに、レーザ偏向器48は、出力ビー
ム成分110を各バイアル142のセンサ102上へ選
択的に且つ直接に集光させる。本発明によるレーザ偏向
器に基づく装置は、典型的な血液培養容器と比較して大
きさが小さいので、結核(“TB”)容器に対して特に
有利である。TBバイアルの直径が約20mmであると
仮定すると、このようなバイアルが625個収容でき且
つほんの50cm×50cmの二次元アレイによって監
視することができる。
【0033】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明の範囲から逸脱することなく種々の変更及び変形を施
してもよいことは理解されるべきである。上記したよう
に、例えば、生物学的活性の検知のために標本サンプル
を直接使用することも可能である。別な方法として、標
本サンプルと反応する特定のセンサを使用することが望
ましいかもしれない。従って、本発明の真の範囲を理解
するためには特許請求の範囲が参照されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による強度に基づく微生物の検知装置を
示す概略構成図である。
【図2】図1の実施例における主要な光学及び電子構成
要素を示すブロック図である。
【図3】本発明による減衰時間に基づく微生物検知装置
を示す概略構成図である。
【図4】図3の実施例における主要な光学及び電子構成
要素を示すブロック図である。
【図5】本発明による減衰時間に基づく微生物検知装置
の第2の実施例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
20 検知装置、 22 バイアル、 28 セン
サ、32 ラック、34 培養器、 36 レーザ光
源、38 ビームスプリッタ、 46 光検知器、
48 偏向器、50 プリズム、 54 ミラー、
60 検知器モジュール、62 フィルタ、 6
4 集光レンズ、 66 光検知器

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 液体標本サンプル中の微生物を検知する
    ための装置であって、 微生物の成長を維持するようになされた複数の密封可能
    な容器と、 選択的な放射を発することによって生物学的活性に応答
    するようになされたセンサであって、前記容器の各々の
    内側面に沿って塗布されたセンサと、 レーザを含む光源であって、前記選択的放射を発生する
    センサを励起するために出力ビームを発する光源と、 前記出力ビームを前記センサのうちの予め選択された1
    つに向けて偏向するための光ビーム偏向器と、 前記選択的放射を監視するための検知器と、からなる装
    置。
  2. 【請求項2】 前記光源が400〜600nmの波長範
    囲で放射を発する緑色のヘリウムネオンレーザである、
    請求項1に記載の装置。
  3. 【請求項3】 前記偏向器が二次元電流計レーザ偏向器
    である、請求項2に記載の装置。
  4. 【請求項4】 前記センサが標本サンプルと反応するよ
    うになされた、請求項3に記載の装置。
  5. 【請求項5】 前記センサが蛍光センサである、請求項
    4に記載の装置。
  6. 【請求項6】 前記センサが標本サンプルと反応するよ
    うになされている、請求項1に記載の装置。
  7. 【請求項7】 前記光源が高周波強度変調器を含む、請
    求項1に記載の装置。
  8. 【請求項8】 前記センサの選択的な放射が減衰時間を
    測定し、前記減衰時間が前記生物学的活性に応答して変
    化する、請求項7に記載の装置。
  9. 【請求項9】 前記検知器が集光レンズと光検知器とを
    含む、請求項1に記載の装置。
  10. 【請求項10】 前記集光レンズがフレネルレンズであ
    る、請求項9に記載の装置。
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