JP4887319B2 - 自動分析装置、及び光電子増倍管を用いた分析システム - Google Patents

Description

本発明は光学的特性の変化に基づいて化学成分の定性・定量分析を行う自動分析装置に係り、特に光電子増倍管を検出器として用いる自動分析装置、及び分析システムに関する。

血液等に含まれるホルモン等の極めて微量な化学成分を測定する方法として、ヘテロジニアス免疫分析法がある。この方法では、特許文献１に示されるような化学発光法や、特許文献２に示される電気化学発光酵素イムノアッセイといった発光反応を、光電子増倍管によって検出する。光電子増倍管について、複数の検出感度について、複数のキャリブレーションカーブをもつ方法が、分光蛍光光度計において特許文献３に開示されている。また、前記化学発光法における光電子増倍管を用いた検出系について、信号処理の方法として、特許文献４に開示されている。

血液や尿などの体液成分に含まれる、タンパク，脂質，糖，イオンおよびそれらを構成する各種成分などの化学物質の濃度について、定量的に測定する方法が、臨床検査として行われている。このうち、体液等の検体試料の定量分取，試薬との混合、および試薬との反応の結果、試薬に含まれる物質の変化を測定する方法を自動化した自動分析装置がある。自動分析装置では、分析に必要な、試料と試薬との混合，一定温度での反応、といったプロセスを所定の時間で次々とこなすように構成される。これらの自動分析装置では、最終的な検出手段として、光学的なセンサーを用いていることが多い。例えば、透過性の容器に収められた反応液に対して、光を入射し、反応液によってどの程度減衰したかを検出する分光光度法がある。この場合、従来用いられてきた光源は、ハロゲンランプやキセノンランプであり、一方検出器としては、フォトダイオードが一般的である。検出器の内部には、回折格子などの分光器や光学フィルタ，光路となる光ファイバが含まれる。また、より高感度な分析には、化学発光法があり、この場合、化学的な反応により対象測定物質量に応じて得られる発光量を、例えば光電子増倍管といった素子により検出される。

検出系の設計にあたっては、化学反応により得られる信号の変化の度合いを考慮し、さらに反応容器の形状すなわち光路長等を勘案して決定される。一般的な傾向として、より小さな反応容器を用い、微量の検出をすることが指向されている。

測定システムの設計にあたっては、臨床検査として必要な分解能と、測定範囲をカバーすることが必要である。これは、正常値の範囲と、想定される疾患で生じる病的な範囲のそれぞれによって決定される。健常者の検診では、正常値の範囲に入っているか否かがまず重要な診断基準となる。範囲外であれば、その濃度範囲によって、疾病の原因を追究し、処置を選択する。

一般的に、血中濃度の高い成分、例えば、ナトリウム，カリウムおよび塩素イオンといった電解質成分においては、モル濃度も高く、かつその濃度範囲は極めて狭く保たれている傾向にある。例えば、ナトリウムでは、１３５−１４９ｍＥｑ／ｌという範囲が正常値とされ、＋／−５％の範囲の変動しかない。血清中に含まれるたんぱく質においては、正常値範囲が６.３〜７.８ｇ／ｄｌとされ、＋／−１０％程度の変動範囲である。これらの物質は、血清中の浸透圧の調整等を担っているため、大幅な変動が生じれば生命活動自体が維持できなくなるためである。この場合、集団における濃度データは、正規分布や対数席分布などの一峰性の分布となり、平均値に対して、どの程度の範囲まで測定可能とするかによって感度が選定される。正常値および標準偏差に対して、例えば＋／−５ＳＤの範囲を測定可能に検出感度および化学反応系の濃度を設定する。

一方、ホルモン等の濃度が極めて小さい物質の場合、その濃度自体は、恒常性に影響する程度は少ない。従って、濃度の範囲は著しく広くなる。高感度な免疫反応を用いた分析法では、例えば血中における甲状腺刺激ホルモンが検出される。検出濃度は０.００１μＩＵ／ｍｌから１００μＩＵ／ｍｌと１００,０００倍の濃度範囲について検量できることが要求される。同時に、それぞれの濃度領域において、得られるデータの目的が異なることから、極微量の範囲，正常な範囲，高濃度の範囲とそれぞれで、所定の分解能が要求される。このような測定対象に対して、場合によっては、同一の測定対象に対して、異なる感度の試薬を提供することもある。しかし、頻度の極めて小さい測定対象に対して、それぞれ専用の試薬を提供することは、経済的に許容されない。そのため、高感度側に検出器や反応系を準備しておき、濃度が高いケースに対しては、数倍から数百倍の希釈を行うことにより、実質的な検出感度の増大を図ることが一般的であった。しかし、極めて濃度の低い物質であって、かつ、血清中のほかの成分の存在下で、濃度平衡に到達している物質に対して、例えば生理食塩水によって希釈をすると、希釈倍率にしたがって信号量が変化しない場合がある。このため、希釈に用いる資材について、ＢＳＡ（ウシ血清アルブミン）を含む溶液を用いる場合がある。

かかる課題を解決するためには、実質的に検出側の感度を拡大することが必要である。

特開２００３−５０２０４号公報 特表平１１−５０７７２６号公報 特開昭５９−１２５０４３号公報 特開２００７−８５８０４号公報

一般に、このような高感度分析に用いられる光電子増倍管は、一種の真空管であり、真空管の内部において陰極と陽極の間に１０００Ｖ程度の高電圧を印加し、このポテンシャル差を利用して光電子増倍管の陰極面に照射された光を増倍し、数千倍から数万倍の増幅効果により、最終的に電流ないしは電圧へと変換される。この光電子増倍管は、低光量側では、熱電子によるノイズの影響を受け、高光量側では、飽和して、出力が不安定になるという欠点がある。したがって、測定のための試薬濃度を決定するにあたっては、この熱電子によるノイズの影響を受ける範囲より高い光量の範囲に、信号量の下限を設定し、飽和しない範囲を上限とすることが求められる。特に、飽和した場合には、再現性が低下するという課題がある。本発明の目的は、測定対象物が異なった場合でも安定して測定結果が得られる自動分析装置、及び分析システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、検出に用いられる検出器に、あらかじめ感度を調整する機能を有し、システムが測定可能な複数の測定項目について、それぞれで要求される濃度領域に対して最適な感度を選択し、当該感度領域に対してあらかじめ用意された校正曲線もしくは、補正式に基づいて、演算し、濃度を得る。また、一測定のうちに、少なくとも２つの感度でバックグラウンド測定と信号測定を行い、適切な検出感度の範囲で信号取得を行う。

同一の測定システム，測定用試薬により、広い濃度範囲を、再現性良く、より高い信頼性により、測定できる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

第一に、光電子増倍管を検出部として用いた検出システムにおける実施例を図１に示す。本実施例では、例えば甲状腺刺激ホルモン（ＴＳＨ）においては主に、（１）疾患に由来する極低濃度の範囲、（２）正常値の範囲、（３）疾患に由来する高濃度の範囲といった３つの濃度範囲がある。

分析システムの構成を、図１に示す。分析システムは、分析部１０２を統括する上位システム１０１より依頼情報を測定依頼情報入力部１１１において受け付ける。測定は、ひとつの検体に対して複数の項目が依頼されるものとする。項目検出感度選択部１１２により、当該検体の当該項目に対する検出感度は、項目対検出感度選択テーブル１２１によって検出感度を選択する。この場合、上位システム１０１にアクセスして、過去のデータにおける測定データの範囲や、他の項目における過去データ、推定される疾患から推測される濃度範囲等を用いてロジックを組むことも可能である。この結果得られた検出感度に従い、感度を決定する高電圧指示装置１１３により、所定の指示電圧を高電圧発生装置１１４に出力し、当該指示電圧に従って、高電圧発生装置１１４は、検出部１１５である光電子増倍管に１０００Ｖ程度の高電圧を印加する。高電圧は、例えば６００Ｖから１１００Ｖといった範囲である。ここに、測定依頼情報入力部１１１と関連づけられて調製，反応された試料が、例えば特開２００３−５０２０４号公報に示されるような化学発光方式によって、試料中の測定対象物の濃度に応じて発光し、電流に変換され、電流電圧変換増幅器１１７に出力される。電流電圧変換増幅器１１７によって電圧信号に変換された信号は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１１８により、デジタル信号に変換され、例えば特開２００７−８５８０４号公報に示すような積分法によって、特徴量演算部１１９により特徴量が演算される。この特徴量は、濃度演算部１２３によって、あらかじめ用意された感度別校正曲線テーブル１２２によって、濃度に変換され、濃度出力部１２４より上位システム１０１に報告する。

ここで、感度と特徴量の関係について図２を用いて詳細に説明する。横軸にある測定項目における濃度２０１、縦軸に特徴量として出力信号２０２を取る。ここで、異なる３つの検出感度における、濃度２０１と出力信号２０２の関係、すなわち校正曲線をそれぞれ、高感度モード２１１，中間感度モード２２１および低感度モード２３１とする。例えば光電子増倍管に対する印加電圧として、６００Ｖから１１００Ｖにおいて、高感度モード２１１では、１０００Ｖを与え、中間感度モード２２１では８５０Ｖ、低感度モードでは７００Ｖを与える。上限下限に、１００Ｖの裕度があるのは、光電子増倍管による個体差を吸収するために、±１００Ｖの範囲を考慮したためである。ここで例えば、甲状腺刺激ホルモン（ＴＳＨ）における高感度測定が必要な場合は、高感度モード２１１の検量線に従う条件を用い、正常範囲を確認するためには中間感度モード２２１を用いる。さらに、血中濃度が高い疾患に対しては、低感度モード２３１を用いる。実施例では、直線性を重視し、それぞれの感度モードにおいて、直線の領域のみを使用している。一般に、光電子増倍管においては、光量が小さい側ではノイズの影響により、直線より、やや高めの信号が出る傾向があり、光量が大きい側では、飽和により、直線よりやや低い信号が出、かつ再現性が悪くなる傾向がある。このため、それぞれの感度領域における中央部付近の直線の領域を使うことで、良好な直線性，濃度の変換および補正を容易なものとすることができる。

次に、図１の項目対検出感度選択１２１における項目と検出感度の考え方について、分析の流れを図３に示す。分析は、検体を採取し、３５１にて検査項目を測定をシステムに対して登録する。次いで、３５２にて感度を選択する。感度の選択にあたっては、当該検体の状態、例えば問診において推定された基礎疾患や、病歴および前回測定値といった情報に従って、あらかじめ定められたルールを集めた項目−疾患−感度対応テーブル３６０に従って、自動的に感度を決定する方法が考えられる。次いで３５３により測定を実施し、信号量もあるいは信号から演算された特徴量を得る。本明細書では、以下物理的な測定によって得られた情報を特徴量と称する。３５４にてあらかじめ得られた特徴量とその特徴量を得た時点の感度に対応した検量線を用いて、濃度の演算を行い、３５５にて、検体に含まれる濃度を報告する。

次に、単一の測定において、測定可能な濃度範囲を調整する方法を示す。先ずこの測定を行うシステムの、検出部分を図Ｆに示す。４０１に示す主制御装置によって、検出部が制御される。反応容器４３１は、化学発光を行うための容器であって、当該容器中に磁性粒子に結合された、発光体が収められている。かかる化学発光方式については、特許参考文献に示されている。発光体に対し、ポンプＡ４１１が試薬タンクＴＡ４１２をノズル４１３により添加し、しかるのち、ポンプＢ４２１がタンクＴＢ４２２からノズル４２３より添加することにより発光を行う。これらの液体の添加と化学反応により発光部４３２が発光する。これを光電子増倍管４４１により検出する。光電子増倍管に対する入射光を、フィルタ４４０によって選択しても良い。ここに、複数のフィルタが交換可能とすることもできる。光電子増倍管４４１は、主制御装置４０１から与えられたデジタルな感度指示に従い、変換器４４２にて高電圧発生装置４４３のアナログ入力電圧に変換され、光電子増倍管４４１の感度を調整する。光電子増倍管より得られた微弱な電流信号は、対数増幅器４４４において電圧信号に変換され、さらにアナログデジタル変換器４４５にて、あらかじめ設定された時間単位の信号量として主制御装置４０１に送られる。

次に時系列のデータ処理について、図５に説明する。時刻軸５１８に対し、感度を示す光電子増倍管に対する印加電圧５１１を時系列に示す５１２同時に得られる信号５２１を時系列に示す。ここでは、検出部が、バックグラウンド測定を開始するタイミング（ｔ０）５３０から、特徴量取得のためのデータ取得を完了するタイミング（ｔ７）５３７までを示す。まず、バックグランド測定は、時刻（ｔ０）５３０から時刻（ｔ１）５３１までの区間で取得され、平均値５４１を得る。この間、印加電圧５１２は高感度側５１５となっている。次いで、時刻（ｔ１）５３１において、光電子増倍管の印加電圧は、低感度側５１５となる。安定するまでの時刻（ｔ２）５３２をまって、第二のバックグラウンド５４２を得る。次いで、時刻（ｔ３）５３３において、前記ノズル４２３からの発光のための試薬の注入により、発光が開始される。発光が平坦になる時刻（ｔ４）５３４は、あらかじめ裕度を含めて求められており、時刻（ｔ４）５３４から時刻（ｔ５）５３５までの区間において、同一の印加電圧で得られたバックグラウンド５４２を除いた、実効的な信号の時間に対する積分値５４３が特徴量として報告される。さらに時刻（ｔ５）５３５において、先に述べた高感度側５１４と同一のレベルの印加電圧とし、バックグラウンド５４１を用いて、実効的な信号の時間に対する積分値５４４が特徴量として報告される。このうち、それぞれの感度に対する検量線において、直線部分により近い特徴量を利用し、濃度を演算する。これまでは、検出感度の調整をもっぱら光電子増倍管４４１における印加高電圧によって説明してきた。しかし、フィルタ４５０による波長の選択的取得や、低感度側に赤色フィルタ、高感度側に青色フィルタといったように、測定する対象を時系列的に切り替えて、順次測定を行って言っても良い。また、光電子増倍管４４１の感度とフィルタ４５０による特性を組み合わせて設定し、フィルタ交換装置４５１により自動的にフィルタを交換して組み合わせることも可能である。

次に、発光プロセスがスパイク状になるケースについて図６を用いて説明する。図の主な構成は、図５と同じである。ここでは信号におけるスパイク６９１が発生することがもっとも重要である。スパイクがもたらす主要な問題は、短時間のスパイク状の発光６９１が信号飽和レベル６７１に到達することにより、スパイク後の信号が乱れることである。これが再現性不良の原因となる。そこで、スパイク形状を示す発光をするシステムにおいて、発光開始直後のスパイク部分については、検出感度を低い印加電圧（６１５）にて測定し、最大発光量においても、信号飽和レベル６７１まで到達させない。このときのスパイク頂点のスパイクレベル６９２を取得し、かかるスパイクからあらかじめ与えられた式に従って、平坦レベルの信号量を推定し、測定感度６５５のレベルを決定する。この感度で得られた信号による特徴量６４４を用いて、該当する検量線により濃度を算出する。

光電子増倍管を持つ検出システムのブロック図。 濃度に対する出力信号の関係を示す感度の異なる複数の校正曲線。 測定の依頼から、検出感度の選択の説明図。 化学発光方式における光電子増倍管を用いた検出部。 平坦な発光をもつケースにおける感度自動制御方法。 スパイク状の発光をもつケースにおける感度自動制御方法。

符号の説明

１０１ 上位システム
１０２ 分析部
１１１ 測定依頼情報入力部
１１２ 項目検出感度選択部
１１３ 高電圧指示装置
１１４ 高電圧発生装置
１１５ 検出部
１１６ 発光部
１１７ 電流電圧変換増幅器
１１８ アナログデジタル変換器
１１９ 特徴量演算部

Claims (1)

1. 光電子増倍管を用いた検出器と、
   前記光電子増倍管の感度を調整する感度調整手段と、
   当該感度調整手段の感度調整値を予め複数記憶する記憶手段と、
   を備えた自動分析装置であって、
   測定対象の濃度範囲に対応して前記複数の感度調整値が前記記憶手段に記憶されており、
   測定対象に応じて、前記記憶手段に記憶された複数の感度調整値を切り替える切り替え手段を備え、
   前記感度調整手段の感度を、発光の最大値が前記光電子増倍管の飽和値より低いレベルに設定し、
   当該感度での発光の最大値に基づいて前記感度調整手段の感度を決定し、
   当該感度で測定された特徴量に基づいて、測定対象の濃度を決定することを特徴とする自動分析装置。

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