JPH06285049A

JPH06285049A - センサ

Info

Publication number: JPH06285049A
Application number: JP34910991A
Authority: JP
Inventors: F Glay Damien; ダミエン・エフ・グレイ; R Mose Ganapati; ガナパティ・アール・モーゼ; Kiang Teddy; テディー・キァング
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1991-11-11
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1994-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】１以上の検体（血液中のｐＨ、酸素、亜酸化窒
素等）を検出可能とする光ファイバを備えたセンサ。【構成】本発明はイオン種を検出する第１の光ファイバ
・センサ・セルとガス種を検出する第２のセルを備え
る。各セルはサンプル中のあるイオンまたはあるガスを
透過させる膜を備え、光ファイバ中に透過したイオンま
たはガス濃度を検出する。本実施例においては、ｐＨ感
応性染料とカリウム感応性けい光染料を固着させる親水
性ポリマーからなるポリマーを備え、サンプル中のｐＨ
とカリウムイオン濃度を検出する。また、カルシウム及
びナトリウムイオンに反応するけい光染料を用いてｐＨ
と組み合わせて検出することができる。また、酸素に反
応するけい光染料を用いてｐＯ₂測定することもでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、生体内生理学的センサ
に関し、特に、光ファイバを使用し、複数の血清検体
（ａｎａｌｙｔｅｓ）を測定することのできる生体内生
理学的センサに関するものである。

【０００２】

【従来技術とその問題点】血流におけるｐＨ、Ｏ₂、Ｃ
Ｏ₂、Ｎａ⁺、Ｋ⁺の濃度等のあるパラメータを測定す
ることは従来よりよく知られている。患者を監視すると
きに、これらの検体を何回も測定することが必要であ
り、したがってこれらの検体の測定は生体内で行なわれ
ることが多い。

【０００３】各検体に対して一個のセンサを患者の血流
中に配置して被測定検体の相対濃度を示す電気信号を検
出する複数個のセンサを使用することは従来より知られ
ている。しかしながら、複数の検体の測定が望まれる
と、複数のセンサの使用が必要で、患者の不快感を伴な
い電子監視装置が複雑化される。

【０００４】欧州特許出願０２５３５５９Ａ１には患者
の血流中でＣＯ₂濃度を生体内で測定するための装置と
方法が記載されている。この構造は光ファイバを使用し
ており、光ファイバはその末端部まで赤外線信号を伝達
し、信号は、そこで反射される。光ファイバはＣＯ₂を
透過させ、戻ってくる信号の強さは光ファイバ中のＣＯ
₂の濃度に比例して減衰する。したがって、赤外光の強
さの変化は患者の血液中のＣＯ₂濃度を示す。

【０００５】１９８６年２月の生体臨床医学工学に関す
るＩＥＥＥ会報（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ
ｏｎＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ）のＢＭＥ−３３巻、Ｎｏ．２、１１７〜１３２頁に
記載される論文には（「ＯｐｔｉｃａｌＦｌｕｏｒｅ
ｓｃｅｎｃｅａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏ
ｎｔｏａｎＩｎｔｒａｖａｓｃｕｌａｒＢｌｏ
ｏｄＧａｓＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅ
ｍ」）、適切な染料を使用してｐＨ、ｐＣＯ₂（炭酸ガ
ス分圧）およびｐＯ₂（酸素分圧）を測定するための光
学的けい光の使用が記載されている。単一の血管内血液
ガスプローブは、それぞれｐＨセンサ、ｐＣＯ₂センサ
およびｐＯ₂センサで終端する３本の光ファイバを含
む。各けい光染料は励起エネルギを吸収する波長と異な
る波長においてエネルギを放出し、単一の光ファイバは
染料へ励起エネルギを運ぶとともに染料によって放出さ
れるエネルギを受ける。放出されたエネルギの量を検出
することによって、吸収されたエネルギが測定され、エ
ネルギは被測定検体と関係することとなる。

【０００６】光ファイバを利用したものを含む生体内生
理学的センサを設計する際の最大の難しさは物理的な寸
法の制約である。一方、個々の光ファイバの直径は、十
分な光信号を伝達させて正確な測定が行なえるように十
分に大きくなければならない。また一方では生理学的セ
ンサ全体の直径は、監視する患者に危害を加えることを
避けるために、および患者の不快感を最小化するために
測定部において患者を開くことを最小化するのに十分小
さくなければならない。従来技術によって教えられたよ
うに生理学的センサは測定されるそれぞれの検体に対し
て一つの光ファイバを備えなければならないので、これ
らの制約のために単一の生理学的センサによって同時に
監視することのできる検体の数には限界がある。

【０００７】したがって、実質的に同時に複数の検体を
測定することができ、しかも寸法が小さい生理学的セン
サを提供する必要性が依然として残されている。

【０００８】

【発明の目的】本発明の目的は上述の問題を解消し、小
型で複数の検体を同時に測定することができるセンサを
提供することにある。

【０００９】

【発明の概要】本発明では、光ファイバを用いて、１以
上の検体（ａｎａｌｙｔｅｓ）を検出可能なセンサによ
り生理学的センサを提供する。本発明の一実施例におい
て、第１の光ファイバ・センサ・セルをイオン種の任意
の組合せを測定するために使用し、第２の光ファイバ・
センサ・セルをすべてのガス種を測定するために使用す
る。このようにして、単一のセンサを使用して監視でき
る検体の数は従来に比べ増加する。

【００１０】本発明の一実施例では、ｐＨ感応性（ｐＨ
ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）染料とカリウム感応性（ｐｏｔ
ａｓｓｉｕｍｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）けい光染料を固定
する親水性ポリマーを用いて、ドーピングされたポリマ
ーが形成され、ｐＨ感応性染料の色の変化を検出するこ
とによってｐＨが測定され、カリウム感応性染料のけい
光の強度の変化によってカリウムイオンの濃度が測定さ
れる。

【００１１】他の実施例では、ドーピングされたポリマ
ーはカルシウムまたはナトリウムイオン感応性けい光染
料を固定する親水性ポリマーより成り、結合ｐＨ／Ｃａ
センサまたは結合ｐＨ／Ｎａセンサを形成する。本発明
では、所望の検体またはｐＨ測定とともに検体の任意の
組合せを検出するために、所望の多様なけい光染料を使
用することができる。

【００１２】測定対象のガスに感応するけい光染料を固
定するドーピングされたポリマーを使用してガス・セン
サを得ることができる。一実施例では、酸素感応性けい
光染料を用い、酸素感応性染料のけい光消光を利用して
酸素分圧（ｐＯ₂）の測定が行なわれる。亜酸化窒素、
炭酸ガスおよび麻酔性のハロゲン化ガスなどの他のガス
の濃度は、ドーピングされたポリマー内での赤外線吸収
を利用して測定することができる。このようなガスをそ
れぞれが有する特徴的な吸収波長を利用して個別に検出
することができる。

【００１３】本発明では、血液ガス（ｐＨ、酸素および
炭酸ガス）、電解質（カリウムイオン、カルシウムイオ
ン、ナトリウムイオンなど）および麻酔ガス（亜酸化窒
素、ハロタン、エンフルラン（ｅｎｆｌｕｒａｎｅ）、
イソフルラン（ｉｓｏｆｌｕｒａｎｅ）など）などの臨
床的に重要なあらゆる検体に対する測定をおこなうた
め、第１図に示される僅か２個の光ファイバー・センサ
１０１ａ、１０１ｂを用いた生理学的センサ１００が提
供される。第１図に示すように、生理学的センサ１００
は、イオン種の任意の組合せを測定するための第１の光
ファイバ・センサ・セル１０１ａと、すべてのガス種を
測定するための第２の光ファイバ・センサ・セル１０１
ｂを含む。イオン種を測定するためのセンサと、ガス種
を測定するための他の光ファイバ・センサを使用するこ
とによって、単一のセンサを使用して監視する検体の数
が従来と比べて大きく増加すると共に光ファイバが２本
しか必要としないことにより径の小さい生理学的センサ
を得ることができる。

【００１４】イオン・センサ・セル１０１ａは、以下に
さらに詳述するが、その末端部（図示せず）は適切な励
起エネルギ源と適切な検出装置と接続する光ファイバ１
０２ａを含む。イオン透過膜１１３は光ファイバ１０２
ａ、リフレクタ（ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）１０５ａおよび
ポリマー１１４を収容する役割を果す。エネルギ源（図
示せず）から伝達されたエネルギはドーピングされたポ
リマー１１４を通って光ファイバ１０２ａを介してリフ
レクタ１０５ａの表面に伝達される。そしてエネルギ
は、光学センサ機構への戻り路（ｒｅｔｕｒｎｔｒｉ
ｐ）のため、ドーピングされたポリマー１１４を通って
リフレクタ１０５ａによって光ファイバ１０２ａへ反射
される。リフレクタ１０５ａはステンレス鋼や類似した
ものを使用して有益に形成することができる。ドーピン
グされたポリマー１１４は、ｐＨ感応性（ｐＨｓｅｎ
ｓｉｔｉｖｅ）染料とカリウム感応性（ｐｏｔａｓｓｉ
ｕｍｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）染料を固定する親水性ポリマ
ーよりなるものである。例えば、本発明の一実施例にお
いては、親水性ポリマーはポリアクリルアミドまたはポ
リヒドロキシエチルメタクリレートよりなり、ｐＨ感応
性染料はフェノールレッドよりなる。ｐＨは周知のよう
にｐＨ感応性染料の色の変化を検出することによって測
定される。カリウムイオン濃度は染料に結合しているキ
レート化剤（クラウンエーテル、バリノマイシンや類似
するものなど）との相互作用のためにカリウム感応性染
料はけい光の強度の変化によって測定される。

【００１５】重要なことは、ｐＨおよびカリウム濃度の
両方の測定は、それぞれにおいて可視光スペクトルの異
なる部分の検出を必要とするので、単一の光ファイバ１
０２ａを使用して行なわれる。例えば、光ファイバ１０
２ａは光ファイバ１０２ａに結合された光源の選択を交
互に行なうことによって、二つの異なる励起波長を受
け、検出手段は二つの異なる対応する発光波長を検出す
る。

【００１６】他の実施例では、ドーピングされたポリマ
ー１１４は、カルシウムまたはナトリウムイオン感応性
けい光染料を含み、これは同様に用いられ、ｐＨ／Ｃａ
センサかｐＨ／Ｎａセンサとして光ファイバセンサ１０
１ａを形成する。同様に、ドーピングされたポリマー１
１４は、光ファイバ・センサ１０１ａがｐＨ測定と組合
わせて任意の所望の血清電解質を測定できるようにする
ために、所望のけい光染料を含有することができる。例
えば、表１は様々な種のイオンを感知する可能なけい光
発色団を示す。

【００１７】

【表１】イオン透過膜１１３は、例えば、プロファン
（ｃｕｐｒｏｐｈａｎ）よりなり、対象イオンを被測定
流体とドーピングされたポリマー１１４との間で移動さ
せる。

【００１８】また、生理学的センサ１００の一部として
第１図に示されているのはガス・センサ１０１ｂであ
る。ガス・センサ１０１ｂは光ファイバ１０２ｂを有
し、その末端部（図示せず）は、適当な励起エネルギを
受信するように接続し、そしてセンサ１０１ｂからこの
ような励起エネルギに対する応答を検出する検出手段と
接続する。この励起エネルギはドーピングされたポリマ
ー１０４を通過してリフレクタ１０５ｂに到達し、ここ
でドーピングされたポリマー１０４へ向って反射し、検
出装置へ伝達するため光ファイバ１０２ｂに入る。リフ
レクタ１０５は、例えば、有益にステンレス鋼より成
る。ガス透過膜１０３はガスがドーピングされたポリマ
ーと被測定流体との間で移動可能になるように機能す
る。ガス透過膜１０３は、例えば、シリコーンゴムより
なる。

【００１９】ドーピングされたポリマー１０４は、例え
ば、酸素感応性けい光染料を固定するシリコーンゴムあ
るいはその誘導体よりなる。被測定流体中の酸素分圧は
従来より周知の固定された染料のけい光消光によって測
定することができる。酸素を検出するためのドーピング
されたポリマー１０４中に使用するのに適したけい光染
料は次の表２に示す。

【００２０】

【表１】亜酸化窒素、炭酸ガスおよび麻酔ハロゲン化ガ
スなどの臨床的に重要な他のガスは、ドーピングされた
ポリマー１０４中における赤外線吸収を利用して、光フ
ァイバ１０２ｂを介してガス・センサ・セル１０１ｂを
使用して測定される。重要なことは、各ガスは個別に測
定することのできる特徴的な吸収波長を備えることよ
り、別々に検出される。必要に応じて、一変量解解法
（ｓｉｎｇｕｌａｒｖａｌｕｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ，ＳＶＤ）または同様の方法等の多変量解析を用
いて、単一または複数のガスの濃度を定量するために多
重吸収波長を利用することができる。例えば、臨床的対
象の幾つかのガスの主要な吸収バンドを次の表３に示
す。

【００２１】

【表３】本発明によりこれらの種の主要でない吸収バン
ドが同様に使用することができる。さらに、測定対象の
他の種は適切な吸収バンドを利用して同様にして検出す
ることができる。吸収バンドは、必要に応じて検出プロ
セス時に広範囲にわたって変化する幅と形状を持つ。

【００２２】第２図は本発明に従って構成されるシステ
ムの一実施例を示すものである。システム２００は第１
図の生理学的センサ１００と光ファイバ１０２ａ、１０
２ｂを含む。第２図の実施例において、イオン・センサ
は３３０ｎｍにおいて吸収し、４１０ｎｍにおいて発光
するカリウム固有（ｐｏｔａｓｓｉｕｍｓｐｅｃｉｆ
ｉｃ）けい光染料が使用されている。ｐＨは５４７ｎｍ
におけるフェノールレッドの吸収によって測定される。
イオン・センサは６５０ｎｍで発光する赤色ＬＥＤを用
いて標準測定を行ない、光ファイバの曲り、コネクタな
どに起因する損失を決定する。

【００２３】本実施例では、ＬＥＤ２０２−１は光ファ
イバに連結する赤色／緑色ＬＥＤである。光ファイバ中
の赤色／緑色光は次にモード・スクランブラー２４１に
よってモードをスクランブルされて基準アームおよび信
号アームにおける差を低減させる。モード・スクランブ
ラー２４１からの出力信号は次にＹ字型（ｐｉｅｃｅ）
マルチプレクサ２０８によって連結され、波長分割マル
チプレクサ２０３に入力される。レーザ２０２−２は、
３３７ｎｍ近辺のＵＶエネルギを波長分割マルチプレク
サ２０３へ供給するＮ₂レーザよりなる。よって、波長
分割マルチプレクサ２０３は赤色／緑色／ＵＶ光を光フ
ァイバ１０２ａへ供給し、この光は生理学的センサ１０
０のイオン・センサ部分まで進む。ＵＶ光はカリウム固
有染料においてけい光発光まで励起させ、緑光の一部は
フェノールレッドに吸収され、赤光だけが反射される。

【００２４】けい光および反射された緑色と赤色の光
は、光ファイバ１０２ａを通って波長分割マルチプレク
サ２０３へ移動し、そこでこれらの光は短（ｓｈｏｒ
ｔ）波長成分と長（ｌｏｎｇ）波長成分に分割され、分
割は約５００ｎｍでおこなわれる。カリウム固有染料か
らのけい光によって生じた短波長の青色光は検出用シリ
コン・フォトダイオード２０４−２に連結され、これよ
りカリウム濃度が導き出される。長波長光は、Ｙ字型マ
ルチプレクサ２０８を通ってシリコン・フォトダイオー
ド２０４−１に連結される。赤色／緑色ＬＥＤ２０２−
１の赤色及び緑色部分は、赤色及び緑色の反射された光
をシリコン・フォトダイオード２０４−１に交互に供給
するために時間分割で多重使用され、したがって赤色と
緑色光が個別に検出される。反射された赤色光はコネク
タ、曲がりまたは類似するものに起因するシステムにお
ける損失を考慮に入れるために較正の目的で使用され
る。緑色光の検出は生理学的センサ１００によって被測
定流体のカリウム・イオン含有量を示す。

【００２５】第２図の実施例において、生理学的センサ
（検出器）１００のガス・センサ部は、４７０ｎｍにお
いて吸収し６２０ｎｍにおいて発光する酸素感応性のけ
い光染料を用いている。生理学的センサ１００によって
測定される流体の炭酸ガス濃度は、２μｍにおける吸収
によって測定される。本発明の一実施例では、けい光セ
ンサは、例えば、米国特許第４，７１６，３６３号に記
載される相依存（ｐｈａｓｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）方
法を利用している。この方法は本実施例のイオン・セン
サ部に使用されている赤色光などの基準波長を使用する
必要をなくす。炭酸ガスの測定は２μｍにおけるＣＯ₂
ピークに隣接しているゼロ吸収レベルを基準とする。

【００２６】第２図では、ＬＥＤ２１２−１は４７０ｎ
ｍにおいて光を供給し、ＬＥＤ２１２−２は２μｍにお
いて光を供給する。ＬＥＤ２１２−１およびＬＥＤ２１
２−２からの光はフエーズド・テーパー・カップラ２１
８内で結合され、波長分割マルチプレクサ２１３に供給
される。この光は波長分割マルチプレクサ２１３によっ
て光ファイバ１０２ｂに結合される。２μｍの光の一部
は生理学的センサ１００中でＣＯ₂に吸収され、残りの
部分は反射される。ＣＯ₂吸収バンド外の、ＬＥＤから
の光は反射され、基準として用いられる。４７０ｎｍ光
エネルギは、生理学的センサ１００内に含まれる酸素感
応性けい光染料をけい光発光のため励起させる。赤色け
い光は光ファイバ１０２ｂ中に再び連結する。光ファイ
バ１０２ｂを介して生理学的センサから戻ってくる光
は、波長分割マルチプレクサ２１３によって分割され、
生理学的センサ１００によって検出される酸素濃度を表
示するために、６２０ｎｍ赤色光と共に検出用シリコン
・アバランシェ・フォトダイオード（ｓｉｌｉｃｏｎ
ａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）２１４−
３に向けられる。約２μｍの領域内の戻り光はフューズ
ド・テーパー・カップラ２１９によって分割されて、一
方はバックグラウンド・フィルタ２１５−１（２１１０
ｎｍを透過）を通って赤外線（ＩＲ）検出器２１４−１
に導かれ、他方は信号フィルタ２１５−２（２０１９ｎ
ｍを透過）を通ってＩＲ信号検出器２１４−２に導かれ
る。信号検出器２１４−２は、生理学的センサ１００に
よって測定される炭酸ガス濃度の表示に有用で、検出器
２１４−１でバックグラウンド光の量によって調整す
る。バックグラウンド・フィルタと信号フィルタのパス
バンドは使用するポリマーによって決定される（上述の
例ではシリコーンゴム）。次の表４は第２図に示した本
発明の一実施例の構成素子を示すものである。

【００２７】

【表４】

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明では２本の光
ファイバのみを含むセンサであるが、様々な検体を組み
合わせて複数の測定を同時に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるセンサの概略図であ
る。

【図２】本発明の一実施例である図１のセンサを備えた
システムの概略図。

【符号の説明】

１００：センサ１０１ａ、１０１ｂ：光ファイバ・センサ１０２ａ、１０２ｂ：光ファイバ１０５ａ、１０５ｂ：リフレクタ１０４、１１４：ポリマー１１３：イオン透過膜１０３：ガス透過膜２００：システム２０１−１、２１２−１、２１２−２：ＬＥＤ２０３、２１３：波長分割マルチプレクサ２０４−１、２０４−２：シリコン・フォトダイオード２１８、２１９：カップラ４２：トライステート反転出力バッファ２１４−１、２１４−２：ＩＲ検出器

【表２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者テディー・キァングアメリカ合衆国カリフォルニア州サニーベール、ゴールドフィンチ・ウェイ 1587

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１またはそれ以上の検出対象の検体を有す
るサンプルを含有するサンプル領域と、前記サンプル領域に入力エネルギを連結させる手段と、前記サンプルからの入力エネルギを検出器へ連結させる
手段と、前記入力エネルギの少なくとも一部を前記検出器へ連結
させる手段への帰還エネルギとなるように、出力エネル
ギを前記サンプルの通過後連結させる手段と、前記帰還エネルギ量は前記第１の検体を表し、前記サンプル領域内の１または複数の第２の検体の関数
として、前記入力エネルギの少なくとも一部に反応して
けい光エネルギを生じさせる手段と、前記けい光エネルギを前記出力エネルギを前記検出器へ
連結させる前記手段へ連結させる手段を含むことを特徴
とするセンサ。
【請求項２】請求項第１項記載のセンサを具備するシス
テムにおいて、複数の波長を有する入力エネルギを供給する手段と、前記波長の少なくとも１つは検体が有するものに相当
し、前記入力エネルギを前記サンプル領域に連結する手段
と、前記入力エネルギに応答して前記サンプルによって供給
された検出エネルギを検出する手段と、前記サンプルを通過した前記入力エネルギの一部分にお
ける吸収損失を前記検出手段において決定可能とする手
段と、前記入力エネルギの第２の部分に応答して前記サンプル
の関数となるけい光エネルギを検出する手段を含むこと
を特徴とするセンサを備えたシステム。