JPS6311135A - 蛍光崩壊測定に使用するセンサ装置 - 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 本発明はフォトルミネッセント指示装置に関するもので
、特に器官又は木に配置されるファイバー光学素子を０
；口えたカテーテルの先端で酸素の分圧、ｐＨ、ＣＯ□
又は温度を測定するためのパルス蛍光センサ装置に関す
る。

発明の背景 多くのフォトルミネッセント材が、その材料の温度が増
加するとそのルミネッセント強度又はルミネッセント崩
壊寿命が実質的に減少するものであることが以前から知
られていた。この特徴はいろいろなファイバー光学素子
温度センサプローブに利用されてきた（米国特許第２，
５５１，６５０号、第４゜４３７．７２２号、第４，２
４５，５０７号、第４，２２３，２２６号、光学素子温
度測定の今年の進展（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａ！　１ｌｅｓ
ｅａｒｃｂ　＆　Ｄｅｖｅｌｏｐ−ｍｅｎｔ、　１９７
９年１２月）、生物に応用した蛍光崩壊温度計（Ｒｅｖ
、　Ｓｃｉ、　ＩｎｓＬｒｕｍ、　５１．１９８０年７
月７日）、第４．３７４．３２８号を参照）。

いくつかのルミネッセンス材に対して、酸素分子の圧力
による゛クエンチング゛　（すなわち、ルミネッセンス
強度の減少）が蛍光プローブの構成のために利用されて
きた（蛍光クエンチングに基づく急速応答式の大気中の
酸素モニター（Ｎａｔｕｒｅ２１８．３９６）　、米国
特許第３，６１２，８６６号、再発行特許第３１，８７
９号、特許第４，４７６．８７０号、“蛍光クエンチン
グによる０２の検出″　（応用光学、２４．１４．１９
８５年を参照）。

更に、水素イオンの圧力はあるルミネッセント材を感度
よく抑制できる（米国再発行第３１，８７９号、゛′固
定化されたフルオレスセインアミン（Ｉｌｕｏｒｅｓｅ
ｃｉｎａｍｉｎｅ　）に基づいたｐＨセンサ”＾ｎａｌ
。

Ｃｈｅｍ、　１９８２年、５４．８２１−３）　。

″°蛍光センサ”によりクエンチング物τＴの濃度を測
定できるいろいろな他の光学的なりエンチング物質を利
用できる（米国特許第３，９９２．［３３１号）。

−ａ的に、蛍光クエンチング（すなわち、クエンチング
物質の濃度を測定するため）オ１−ルミネッセント材の
放射強度の減少を利用すること）は分析化学において確
立した方法であると言うことができる。

しかし、酸素分子、水素イオン又は池の血液ガスの分析
に適した、あるいは有用なこれらの材料のフォトルミネ
ッセンスの寿命の直接測定の研究は、−ａ的に行われて
いた６そして、そのような技術は、離れたところに配置
されるファイバー光学索子センサの分野には使用されて
いなかった。

その理由は次の通りである。（１）適切な材料のフォト
ルミネッセンス寿命は一般的に非常に短い。

例えば、ルッパーズ（Ｌｕｂｂｅｒｓ　）はパリレン・
ジブデル酸及びベータ・メチル・アンベリフェロンの使
用を、コックス（Ｃｏに）は９．１０ジフェニル・アン
トラセンの使用を教示した。他の例は、前記の文献に示
されている。このような物質のフォトルミネッセンスの
寿命は１０ナノ秒のオーダで、−最的に必要な励起波長
は紫外線である。このような物質の寿命の測定を行うた
めに、励起光源として、ナノ秒（ギガヘルツ〉の範囲で
内部又は外部で変調できる大きく高価なガスイオンレー
ザーのようなものが必要である。（２）このような高速
ルミネッセント崩壊を検知し、分析するフォトセンサ装
置は、直接パルス輪郭分析によっても、あるいは変調励
起源に応答する放射ルミネッセントの分析によっても高
価で、規模が大きく、光源のパルスの形あるいは変調特
性の僅かな変化によって著しい検出誤差が生ずる。直接
パルス輪郭分析については、Ｌａｃｋｏｗｉｃｚによる
゛蛍光スペクトルスコピーの原理”　（［’ｌｅｎｕｍ
　ｒ’ｒｅｓｓ　３章、ＮｅｗＹｏｕｒｋ　１９８３）
、°゛ラプラス変換よる蛍光崩壊曲線の分析”　　（Ｉ
］１ｏｐｌ＋ｙｓｉｃａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　１５．１
９７５年）を参照、変調励起源に応答する放射ルミネッ
セントの分析については“蛍光スペクトルスコピーの原
理１の第３及び４章、ＧｒａｔＬｏｎ等による゛ピコ秒
の分解能の連続可能な周波数相互相関位相蛍光測定器”
　　（１３ｉｏｐｈｙｓｉｅａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ、　
４４．１９８３年１２月）、ＬｙＬＩｃ等による“可変
な変調周波数及び形状を有するスペクトルスコピー励起
源”　（Ａｎａ　ｌ　、Ｃｂｅｍ　。

４７、３．１９７３年）　、ｌ１ｎｕｓｅｒ等による゛
連続可能な周波数を有する位相傾向測定器”　（ｎｅｖ
　、　Ｓｃ　ｉ、Ｉｎ５ｔｒｕ＋ｅ、、　４６．４　、
１９７５年）、及びＤｉｒｋｓ等による゛位相及び変調
蛍光測定器”　　（Ｊ、　Ｓｃｉ。

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、　３８．１９６１年６月）を
参照。

研究所のある寿命測定装置の大きさ、精密度及び高価な
点から、体内の酸素及び他の流体要素の検出用のカテー
テルファイバー光学素子センナ装置の分野における前記
研究者達は、クエンヂング測定、すなわち、正確に規制
化された連続光源の励起光を適用したときに、クエンチ
ング流木要素の存在のため蛍光センサの平均ルミネッセ
ンス強度が減少したという測定を信頼していた。しかし
、カテーテルファイバー光学素子センサの分野における
クエンチ強度とは対照的にルミネッセンス９？命の測定
には明確な利点がある。

（１）カテーテルを利用する際に通学生ずるカテーテル
及びファイバー光学素子の撓みは、使用者がカテーテル
の先端におけるクエンチャ−濃度における変化として判
断するクエンチ／強度の減少を生じさせる。ファイバー
光学素子光パイプを通って送られるルミネッセンスの絶
対強度に依存しない寿命の測定には、このような欠点は
生じない。

（２）寿命測定を利用したファイバ光学センサプローブ
は、介在ファイバ光学コネクタ減衰変化のための装置の
再測定を考慮せずに寿命測定装置に容易に着脱できる。

このことは、多くの検査や処置を受ける危篤状態の患者
にとって非常に重大な利点となる。

（：（）動作中、蛍光センサは、入射光源による蛍光材
のファト破壊のため、ルミネッセンスの強度出力にある
程度の減少をもたらず１強度測定装置におけるこの光源
の°゛ドリフトは、カテーテルの先端におけるクエンチ
ャ−の濃度の増加として使用者に解釈され得る。寿命測
定装置は、それらがクエンチ強度の変化に敏感でないの
で、ルミネッセント材料の緩やかなフォト破壊又は漂白
のため、°“ドリフト”の影響を受けない。

°“可変デューティザイクル電気リン光計を用いた位相
蛍光測定法°゛（グラニーズ等による）と題する文献に
、同期され、電気的にゲート動作されるフォトセンサと
一緒に利用した、機械的にチョッパされる光源が開示さ
れている。そのフォトセンサは、ルミネッセント材の比
較的長寿命のリン光成分の崩壊曲線を分離して測定する
一方で、光源及びその材料からの付随する蛍光放出成分
から強く短い期間の干渉を除去するものである。残った
長時間の崩壊曲線の下の領域は、リン光の寿命を直接評
価するために積分され、単一指数（ｓｉｎｇｌｅ−ｅｘ
ｐｏｎｅｎｔ　）数字モデルとともに使用される。

フィシャーとワインフォードナー（“パルス化された光
源一時間分解リン光計”、＾ｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅ
ｍｉｓＬｏｒｙ、　４４．６．１９７２年）は、時間遅
延され、ゲート動作を受ける検出器が、有機リン光体の
寿命の示度（１ｎｄｉｃａＬｉｏｎ　）を得るためにパ
ルス１ヒされた光源に対するリン光応答を積分するリン
光計を開示した。

ジェームズ等（推進力を制御するための光学センサの分
析及び予備設計、ＮＴｌ５　ｌ１ｅｐｏｒｔ　＃Ｎ７９
−２７９７５、　Ｕ、Ｓ、　Ｄｅｐｔ、　Ｃｏｍｍｅｒ
ｃｅ、日本１９７９年）は、センサのルミネッセンスが
規格化された初期の強度からその特定量に崩壊するため
に要する時間が測定され、温度と関連付けられる、パル
ス化されたルミネッセントファイバー光学温度センサの
構造を開示した。

ショルダ（生物応用の蛍光崩壊温度計、Ｒｅｖ　。

Ｓｃｉ、　ＩｎｓＬｒｕｍ、　５１（７）、　１９８０
年）は、短期間のパルス光で、蛍光が長考命のルビーを
励起し、センナの温度と関連付ける計算を発達させるた
めに、所定のしきい点の後の崩壊曲線の正確に時間合せ
された部分を積分した。ショルダは、特に、増幅器／検
知器のＯ，Ｃ，シフトや雑音、及び光源強度の変化の問
題のため崩壊曲線のサンプリングに反対していた。

サマルスキー（米国特許第４，２４５，５０７）は、人
体内の温度を検知するファイバー光学プローブを提案し
、更にセンサの蛍光出力がパルス崩壊又は位相シフト技
術で分析され得ることを認めていたが、しかし、どのよ
うに分析装置が構成されるかは説明しなかった。

係属中の英国特許出願第２１３２３４８八号（デマス等
による）には、有機金属化合物が、ポリマーマトリック
スに埋め込まれたときに蛍光酸素センサとして使用する
のに適することが開示されている。

デマスは、これら材料が体内で使用するファイバー光学
酸素センサ装置の構成のため、強度又は寿命分析技術と
ともに使用できることを開示した。

デマスはまた、２つの崩壊時間分析装置を開示した（ル
ミネッセンス分光計及び二分子りエンチング、Ｊ、　Ｃ
Ｉ＋ｅｍ、　Ｅｄ、、　５２．１０．１９７５年；ルミ
ネッセンス崩壊時間及び二分子りエンチング、Ｊ、　Ｃ
ｈｅｗ。

Ｅｄ、、５３．１０．１９７６年、安価なレーザールミ
ネッセンス崩壊時間装置、＾ｎａｌ、　Ｃｈｅｗ、、　
４８．２．１９７６年）、その装置は、開示の有機金属
又は他のルミネッセント材料の寿命を測定する安価な手
段といわれている。励起光のパルスをルミネッセント材
料に加えるために、第１の装置はフラッシュランプを使
用し、第２の装置はパルス化された窒素レーザを使用す
るものである。そのため、生じたルミネッセンス崩壊は
、ストレージオシロスコープを使用して、グラフにより
検知され分析される。

前述の従来技術の各々は、体内で及び体内の、流体につ
いての使用のため、並びに補助的な寿命測定装置のため
の構成に関して欠点があった。

グルーニス等やフィッシャー等の装置は今日の時間分解
リン光測定器で、その装置ではサンプル区画に配置され
たリン光体材料のリン光崩壊曲線の下方領域が励起ラン
プの消光につづく所定の時間間隔にわたって積分される
。これにより、その積分はリン光体の寿命と関連付けら
れる。

これら研究室の装置は、リン光崩壊よりも１０００倍あ
るいはそれ以上速い蛍光崩壊を測定できない。

実際に上記文献の著者は、これら装置が速い蛍光崩壊に
無反応であることが利点であることを述べている。更に
、このような装置は離れた所にあるファイバー光学セン
サを利用しておらず、またその利用の提唱も行っていな
い。

ファイバー光学温度センサ装置による、ジェームズ等や
クイックの信号分析技術（米国特許第４．２２３，２２
６号）は、リン光体の崩壊曲線が予めセットされたしき
い値に向って傾むくことを要求する。すると、タイマー
が始動し、崩壊が更に第２の予めセットされたしきい値
へと傾むく時に停止する。しかし、蛍光崩壊が非常に速
く雑音の多い現象であることから、このようなしきい値
を正確に測定することが不可能ならば、その技術は困難
なものである。ショルダの温度センサ装置は同様に、曲
線の積分が始まることができる前に予めセットされたし
きい値のオンライン検知に依存する。

ファイバー光学温度センサの分野で研究する者の誰−人
として、従来のパルス崩壊曲線分析技術が酸素又はｐＨ
センサプローブの発展に適し、有用であると提案しなか
った。

デマスにより報告された第１の装置は、比較的長く、予
想不可能な崩壊特性をもつフラッシュランプを利用する
。この装置の結果は、がなり実験誤差が生ずる長々とし
た曲線の追跡及びデコンボルーシジン技術に依存する。

デマスの第２の装置は、高価で保守の困難な窒素レーザ
ーを利用する。

その結果も依然として、手動の曲線追跡、グラフ分析及
びオフラインコンピュータの手助けに依存する。

ル朋ぷり１」 従って、本発明の目的は従来技術の問題点を解決するこ
とを目的とする０本発明の他の目的は、蛍光寿命の測定
に基づき、ファイバを有するカテーテルを利用して温度
、酸素又は他の体の構成物を分析する蛍光センサ装置を
提供することである。

更に、本発明の目的は、調査研究室の外で蛍光寿命の測
定を行う比較的安価な装置を提供することである。更に
、本発明の他の目的は、蛍光センナを利用する温度補償
流体要素センサ装置を提供することである。

本発明は、複数の時間関連出力パルスを発生するパルス
発生器がパルス化された光源を励起する第１の出力パル
スを有する、パルス化された蛍光センサ装置から成る。

光源は、短い光パルスを放出し、少なくともその一部は
可視又は長紫外線−スベクトルの上部にあるものである
。光パルスは第１の光路を経てカップラを通り、そして
ファイバーを備えたカテーテルに伝えられる。カテーテ
ルは、その末端に、励起光のパルスに応答する蛍光出力
を放出する蛍光センサを有する。蛍光出力はカテーテル
、カップラ及び第２の光路を経てフォトセンサに伝えら
れる。蛍光の時間依存出力は、蛍光センナの崩壊のが命
を決定するために使用し得る信号を得るために、サンプ
ル及び保持並びに／又は曲線積分技術により分析される
。その崩壊はクエンチャ一又はセンサの周囲の温度に敏
感に応答する。ノ、？命信号の付加的処理が、カテーテ
ルの先端における流体成分又は温度に関数的に関連付け
られるディスプレーで行われる。

本発明の構成又は動作はその他の目的及び利点とともに
、以下のいくつかの実施例及び添付図面により理解され
るだろう。

及−に凱 第１図に蛍光センサ装置１０の動作を制御する時間関連
出力パルスを発生するための、４つの出力１５．１９．
２０．２１を有するパルス発生器１１が示されている。

このパルス発生器の一実施例のより詳細なものが第１０
図に示されている。ここで発信器１２、カウンタ１３及
びワンショット１４（デジタルロジック成分）が装置の
動作のサイクル率を決定するタイミング（トリガー）パ
ルス１５を与える。タイミングパルス１５の発生毎に、
３つの精密パルス遅延タイマー１６．１７、及び１８の
セットが時間遅延パルス１９．２０及び２１を与える。

この遅延パルスは正確なものではあるがトリガーパルス
１５に対し任息に予め決定された時間遅延及びパルス幅
を有するものである。

第１図において、タイミングパルス１５の出力はパルス
化された光源２６の動作を決定する。この光源２６は、
その少なくても一部が可視又は長い紫外線スペクトルの
上部にあるものを有する。光の出力パルスの少なくても
一部が第１の光路２７を経て二方向カップラ／コネクタ
２８に、したがってファイバー光学光パイプから成る、
又は含むカテーテル２９を通って蛍光センサ３０に伝え
られる。

蛍光センサ３０はフォトルミネッセンス体材料である。

その材料はファイバー光学光パイプ２９の端部に付設さ
れ、蛍光の光放出を放射することにより、パルス化され
た光源２６からのパルス光に応答する。その応答放出は
冷却流体成分又は蛍光センサの周囲の温度により微妙に
変わる崩壊率及び平均野分をもってなされる。平均寿命
は、センサの蛍光が初期の励起強度の１／ｅの値に減衰
するのに要する時間と定義される。

前記蛍光放射の一部が、カテーテル２９、カップラ／コ
ネクタ手段２８及び第２の光路３１により光センサ３２
に伝えられる。フォトセンサの出力信゛号は蛍光センナ
の蛍光崩壊を忠実に追尾する。前期時間変化する出力は
ゲート（Ｂａｔｅｄ　）インテグレータ３３、並びにサ
ンプル及び保持回路３４によって分析される。インテグ
レータ３３及び回路３４は、パルス発生器１１からの時
間関連出力パルス１９．２０及び２１によってスイッチ
が入れられ又は切られる。

サンフ゛ル及び保持口ｉ￥８３４からの出力信号は、第
１のサイクル期間の間、パルス化された光源２６に対し
て予め定められた時間ウィンドウ（ｗｉｎｄｏｗ）の間
の蛍光崩壊曲線の一部を積分したものを表わす、第２の
サイクル期間の間、サンプル保持回路３４は、第２の予
め定められた時間ウィンドウの間の光センサの基準線の
雑音及びオフセットの積分を表わす。

寿命変換回路３５の積分が、蛍光センサ３０の封合を示
す信号で得るために崩壊曲線の積分から基準線の積分を
減する。寿命信号は、回路３６において流体濃度又は温
度へと変換する。その回路３６は、蛍光センサ３０の二
分子゛クエンチング現象及び温度補償の非線形効果を考
慮に入れている。流体濃度又は温度の表示はディスプレ
ーユニット３７によってなされる。

第２図において、本発明の一実施例の詳細図が示されて
いる。パルス発生器１１は、時間し。のときに短い出力
パルスを生成する。出力パルス１５は、後述する蛍光セ
ンサの励起に適した野色光を放出する。シーメンス社製
の＃　ＬＤＢ−５４１０のような発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）　２６をトリガーする。レーザーダイオード又はレ
ーザーダイオードでポンプされる固体レーザーが、本発
明の思想から逸脱することなく使用し得る。　ＬＥＤ　
（光源）２６の生じた光出力は、第３図に示されている
ようにＬｏで開始し、ｔｌの前で終る斜線の矩形部分で
ある。　ＬＥＤからの出力の一部がレンズ４０を通って
ファイバー光学光パイプ２７の中に集束され、したがっ
てカップラ／コネクタ２８へと伝えられる。カップラは
融合ターイブのものを選択してもよい、このようなもの
を遷択すると、全ての要素は固定される。一方、収りは
ずし可能なタイプのものにすると、カテーテル２９を取
りはずしたり交換したりすることができる。

ほかの手段としては、第９図に図示しであるように、カ
ップラは融合タイプのものであるが、カテーテル２９を
交換できるように個別になったインラインファイバーコ
ネクタである。

カッアラ／コネクタ２８の動作は第８図に最良に示され
ている。ここで、ＬＥＤからの光励起パルスはカテーテ
ル２９の中に伝えられ、したがって、光パイプの先端又
はその近傍に設けられた蛍光センサ３０に伝えられる。

蛍光センサ３０はカテーテルの先端に付設された蛍光材
料を有する。このことは従来技術文献（米国再特許第３
Ｌ８７９号、米国特許第３，８１２，８６６号、同第４
，２２３，２２６号参照）に記載され、最適なタイプの
１つは、デマス等による″°酸素測定方法及び装置”と
題する英国特許第２１３２３４８＾号に記載された蛍光
／ポリマーセンサである。

１つの適切な蛍光酸素センサ３０は、重量比で約１％の
溶液内のフルオフオー（ｒ　Ｉｕｏｐｈｏｒ　）　トリ
ス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン
）ルテニウｌ＼（■）錯体イオンから成る。その溶液は
、重量比で約４５％のシリコン及び約５５％のポリカー
ボネイトを含むシリコンカーボネイトコポリマー（ペト
ラーチ・システムズ社の’　Ｐｅｔｒａｒｃｂ　ＭＤ”
（Ｎｏ、　ＰＳ２５４）、ペンシルベニア州ブリストル
）を存するものである。シリコン−アルファメチルスチ
レンコポリマー（同社のＰＳ０９Ｂ　）もまた、良い結
果となるポリマー成分として利用できる。

フルオフオー及びポリマーは一般的に塩化スチレンに可
溶で、所望の割合をもって分離した形で混合する。した
がって、用意した混合物はブロック、シート又はフィル
ムに形成することができる。

塩化メチレンは塩化メチレン蒸気を含むペルジャーでマ
トリックスから蒸発した。ペルジャーの溶剤蒸気圧力は
、そのマトリックスからの溶剤の漏れを制御することに
より数時間かかつてゆっくりとゼロに減る。この工程は
、フルオフオー及びポリマーの清澄で一様な固液体の形
成と確実なものとする。

励起パルス１５により、蛍光センサ３０は、第３図の第
１の曲線４２で図示されているようにほぼ指数曲線とな
り、励起パルス１５の終息の範囲を越えてよく持続する
崩壊応答をなす蛍光出力を生成する。

蛍光崩壊応答及び寿命は、そのセンサの周囲の流体要素
（クエンチャ−）の濃度又は温度における変化により敏
感に変化する。例えば、蛍光センサ３０の周囲のクエン
チャ−の濃度又は温度がその後減少するならば、蛍光の
平均崩壊寿命は、第３図の第２の蛍光崩壊応答曲線４４
で図示されているように増加することになる。温度又は
流体要素の濃度の増加は、蛍光崩壊曲線に似てはいるが
反対の効果を与える。励起光パルスからの散乱光ととも
に蛍光応答の一部がカテーテル２９を通り、二方向カッ
プラ／コネクタ２８を通りファイバー光学光パイプ３１
を経て、光電子増倍管検出器３２へと戻る。

通釈的に、カテーテル及びセンサは光源の励起及び蛍光
放射の伝達のために個々の光パイプ２９ａ、２９ｂ（第
７図）を使用して構成してもよく、第９図の個々のファ
イバー光学コネクタはカテーテルを装置の残部に接続す
るために使用してもよい。

上記ファイバー光学相互接続の構成を使用しているにも
かかわらず、光電子増倍管検出器３２は第３図に示した
ような曲線４２となる、時間と共に変化する出力信号を
生成する。蛍光崩壊がし、で終了した後に、曲線４２が
ゼロに戻らず、光電子増倍管の暗電流及びインライン信
号増幅器のオフセットを示す正の基準線Ｓ３に戻ること
に通口すべきである。

この基準線Ｓ、は時間及び器具の動作温度とともに変化
するであろう。光電子増倍管の動作特性に依存しない装
置を作るために、これら基準線の変化は、以下記載する
信号処理技術において説明される。

ゲートインテグレータ３３は、゛ゼロ”状邪にｔ（［持
され、時間ｔ１まで光電子増倍管１２の出力を無視し、
したがってパルス化された光源２６により生成される散
乱光からの光電子増倍管出力を無視する。

時間ｔ、のときに、インデグレータ３３は、パルス発生
器１から出力パルス２０によりオンラインに切り替えら
れると積分を開始する。インテグレータは、その積分が
パルス２０の終りで中止するときの時間ｔ２まで続く。

本発明に使用するインテグレータ３３は、ＲＣ（抵抗−
コンデンサ）回路で単純に構成されたものでよく、ここ
で、パルス発生器のパルスに応答するＦＥＴｌ−ランジ
スタはｌＩＣ回路を切り替え、サイクルの適当な時にコ
ンデンサを短絡するために使用される。光電子増倍管３
２が線形領域での動作や理想的な回路源として作動する
ので、抵抗を通過して流れる電流により生じたコンデン
サに印加される電圧は積分の間にＰＭＴ電流の積分値と
なる。

また、時間ｔｉ（第３図）のとき、パルス発生器１１か
らの短いパルスＺ１は、インテグレータ３３に蓄わえら
れる値を得るためにサンプル及び保持回路３４を指示す
る。積分寿命変換回路３５は、新しい積分値がサンプル
及び保持回路３４で利用できるようにパルスＺ１による
指示を受ける。インテグレータ３３から回路３５に積分
を伝えるためにサンプル及び保持回路３４を使用するこ
との利点は、インテグレータ３３が上記のＲＣタイプの
ものとすると、コンデンサに印加される電圧の降下が生
ずる前に積分が素速く得られ、固定されること、及びイ
ンテグレータが新しい積分のための準備をなすためにリ
セットし得ることである。したがって、サンプル及び保
持回路３４は、第３図に図示されているように、積分酷
を表わす時間ｔ２とｔｓの間で回路３５へ一定の出力を
与える。

時間ｔ、のときに、ゲートインテグレータ３３は、パル
ス発生器１１からのパルス１９によりリセットされ、時
間Ｌ４とｔｓの間で第２の積分が生ずる。第３図の＾、
により表わされる第２の積分は、時間し、のときにサン
プル及び保持回路３４の中にロックされ、インテグレー
タは新しいサイクルのための準備をなるべく時間ｔ６で
リセットされる。

積分寿命変換回路３５に、サンプル及び保持回路３４か
らの２つの信号、すなわち時間ｔ１とｔ２の間の基準線
オフセットが加えられた蛍光崩壊の積分（これを＾、で
示す）、及び同様の時間の間の基準線オフセットのみの
積分（これを八２で示す）が交互に与えられる。説明し
た実施例は発生器のプラスのサイクルの間、基準線オフ
セットを測定するけれども、装置の安定性が要求される
ので、オフセット成分をより長い時間の間で又はランダ
ムにのみ測定することが便利であり、効果的である。蛍
光センナの寿命に（たとえば以下の関係を利用して）変
換され得る信号を得るために、＾１から＾、が減算され
る。

ここで、 ＾１　　／ｈ＝Ｌｌからし、の積分から基準線の積分を
引いたもの に＝比例定数 Ｔ＝センサの寿命 Ｃ＝自然対数 り、＝光パルスの終了からし、までの時間り、＝　Ｌ、
からｔ２までの時間 Ｌｅ”Ｌｏの間のサイクル時間 上記方程式は指数崩壊を仮定しており、逐次近似コンピ
ュータプログラムによりＴを求めることができる。真の
指数曲線からの僅かな偏差はこの計算方法を使用したと
きに精度を著しく悪化させることはなく、その崩壊が指
数的でないとしても、流体濃度又は温度を示す有用な信
号が得られる。

カテーテルの先端におけるクエンチャ−の濃度の減少は
、第３図の崩壊曲線４４でよく示されているように、セ
ンサ３０の寿命を対応して増加さぜる。

時間ｔ、とｔ２の間で得られる積分は＾１と＾、の合計
となり、従ってより大きくなる。この積分信号の増加は
、前に記載した式に従い寿命の増加として解釈される。

次に、寿命信号は寿命液体濃縮変換回路３６に送信され
る。その寿命は、５ｔｅｒｎとＶｏｌＩＩｌｅｒにより
表わされた二分子りエンチングのための理論式（ただし
、本発明の目的に従い以下のように修正しである）に従
ってカテーテルの先端でのクエンチャ−濃度に関連付け
られる。

ここで、 Ｔｏ”クエンチャ−がないときの寿命 ■＝クエンチャ−のある濃度［Ｑ］が存在するときの寿
命 ｋｇ＝二分子クエりチング定数 ［Ｑコニクエンチャ−濃度 Ｎ＝線形化定数 しかし、水素イオン又は酸素分子のような流体要素によ
って感よく冷却される（したがって流体要素の測定に対
して有用な）全ての蛍光センサが実際上、二分子りエン
チング工程の固有の物理的特性や、流体媒体内の化学物
質の可溶性の変化のため、温度変化にも応答する場合に
おける分析の段階で、特定の問題が生ずる。

この“二重”の感度に対するｈｌｉ償方法が、流体や温
度が変化する状況の下で装置を有用なものにしていた従
来技術において何ら開示されていなかった。

寿命流体濃度変換回路３６は、上記“定数′°であるＴ
ｏ、ｋ、及びＮを、蛍光センサの温度が変化するときに
、予め定ｙ）られ予想可能な仕方で変１ヒする変数とし
て取り扱うことにより上記問題を解決する。センサ温度
は、蛍光センサのＦりに配置された個々のセンサ装置５
０によって測定される。このような測定装置５０は、サ
ーミスタ、熱電対から、又は別個の蛍光センサ装置から
構成されてもよい。

−また、温度は温度計で測定してもよく、これから蛍光
センサの温度が推定され、その値が手動で装置に入力さ
れることになる０次に、寿命流体濃度変換回路３６は、
修正５ｔｅｒｎ　Ｖｏｌｍｅｒの方程式がセンサの電流
動ｆヤ温度に対して適当な定数を有するように、内部に
記憶されたデータに基づいたＴ。、　ｋｇ及びＨの正し
い値を用いる。

しかし、蛍光センサ装置が温度変化にのみ応答するなら
ば、寿命流体濃度変換回路３６は次のよく知られた式を
利用して、カテーテルの先端での温度とセンサの寿命と
を関連付ける。

Ｔ＝　− ここで、 Ｔ＝寿命 ａ、ｂ＝材料の定数 ｅ＝自然対数 に＝ボルツマン定数 Ｔ＝絶対温度（ケルビン温度） 回路３６からの流体濃度又は温度信号はディスプレー３
７上に表示される。

第４図に、本発明の他の実施例が図示されている。パル
ス発生器１１は時間１゜のときに短い出力パルス１５を
発生する。そのパルスはキセノンフラッシュランプ装置
５２で電気放電をトリガーするために利用される。第５
図に示されているようにフラッシュランプ装置５２から
の光パルス５４は、蛍光センサ３０を励起するために適
した青色及び紫外線が豊富である。出力光は、レンズ５
６により平行にされ、部分反射をなすビームスプリッタ
５８を横切り、光路６０を通り、集束レンズ６２に入り
、光パイプロ４の端部の点に集束し、第９図に示されて
いるようにファイバー光学コネクタ６６を通り、カテー
テル６６に入り、そして蛍光センサ３０に衝突する。こ
れによって生じた蛍光放射崩壊は第５図の曲線６８のよ
うになる。光パルスからの散乱光とともに蛍光崩壊の一
部がカテーテル２９、コネクタ６６、相互連結光パイプ
ロ４、レンズ６２及び光路６０を通ってビームスプリッ
タ５日に伝えられる。そのため、前記蛍光放射の一部が
光路７０を通ってフォトセンサ７２に反射される。

この実施例において、フォトセンサ７２はシリコンフォ
トダイオード及び増幅器からなる０時間ｔ０とし、との
間（第５図参照）でのフォトセンサ７２からの出力電流
は、光パルス２２からの散乱光及び初期の蛍光崩壊曲線
６８の両方の強度の和を表わす。

散乱光の強度がこの時間の間非常に強いと、この増幅器
に過負荷を与えてしまうことになる。この問題点は、フ
ォトセンサがＬｏからＬｌの間、散乱光の強度を正確に
再生する必要がないので、たとえばシリコンダイオード
でフォト検出器の出力を限定することにより避けること
ができる。しかし、時間Ｌ１で、散乱光のパルスは蛍光
強度の一部分に放散してしまい、崩壊曲線の分析を始め
ることができる、サンプル及び保持回路７４がパルス発
生器１１からのパルス１９によりトリガされ、サンプル
１（第５図のＳ＋）を捕える。他の２つのサンプル及び
保持回路７８．７８は同様に、Ｌ、の後の所定の時間間
隔し２、ｔ、での蛍光崩壊のサンプルＳ２及びＳ、を捕
える０時間ｔ、は、蛍光崩壊曲線が、蛍光センサの寿命
にかかわらず、崩壊してその初期の強度の代かな一部分
となるように、Ｌ、から十分量される。

次に、Ｓ、は前述したように７オトセンサの正の基準出
力を示しているが、Ｓ、及びＳ２は蛍光崩壊曲線と所定
の時間関係を有する２つのサンプル点である。

キセノンフラッシュランプ５２が可動なターンホン遅延
のある量又は゛ジッタ”を呈するときに、第２のフォト
センサがフラッシュランプの光出力を直接見るために使
用されてもよく、それにより、時間ｔ０を重要な光出力
がフラッシュランプから放出し始めた瞬間とする。第２
のフォトセンサの出力は時間関連パルス１９．２０．２
１の発生のための゛トリガー”信号としてパルス発生器
の中にフィードバックされる。　時間り、で、比率対す
〒命変換回路８０がパルス２１を受信し、上述のサンプ
ル保持回路７４．７６．７８からのそれぞれのサンプル
Ｓ１、Ｓ２及びＳ、を捕える９次に回路８０は、蛍光セ
ンサの寿命に関数関係を有する信号を発展させるために
次の式を計算する。

Ｓ、　−Ｓ２ ｔ　　Ｓｊ これにより、その解析は、温度や老化効果のためフォト
センサ及び増幅器の基準線の“ふらつき°°を考慮に入
れている。

蛍光崩壊曲線が非常にノイズを含むものである場合、上
記式の値はサイクルからサイクルまでに著しく変化する
０回路８０が寿命信号の時間加重平均を行うと（その信
号は次に寿命流体濃度又は温度変換回路８２に伝えられ
る）、その曖昧さを解決することができる。

第３及び第５図に、基準線すなわち不変の状形の測定が
得られ、そしてセンナの出力の崩壊部分の間で得られた
信号から減算されたことが図示されている。しかし、蛍
光寿命を特徴付けるために曲線の基準線部分が得られる
まで待つ必要はない。

第３図において、例えば時間ｔ、からり、までの積分＾
、を決定することができる。この積分は＾、は、第１の
積分＾１が終了する前に始めることができる。

２つの積分の比＾Ｊ八＋のみがプローブの蛍光寿命を特
徴付ける。上述したように、指数的崩壊の仮定をしなく
ても、今や正確で有用な寿命の情報が得られる。

上記の実施例及び図面は説明のためのもので、当業者で
あれば、特許請求の範囲の発明から逸脱することなくい
ろいろに変更、変形をなし得ることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施した蛍光センサ装置のブロック
図である。 第２図は、本発明の一実施の略示図である。 第３図は、第２図の実施例の蛍光崩壊の分析のための時
間経過図である。 第４図は、本発明の他の実施例の略示図である。 第５図は、第４図の実施例の蛍光崩壊の分析のための時
間経過図である。 第６図は、本発明を実施したカテーテルの先端及び蛍光
センサの一実施例の拡大図である。 第７図は、本発明を実施したカテーテルの先端及び蛍光
センサの他の実施例の拡大図である。 第８図は、本発明を実施した二元方向カップラ／コネク
タ手段の一実施の拡大図である。 第９図は、本発明を実施したファイバー光学カップラ手
段の他の実施例の拡大図である。 第１０図は、本発明を実施したパルス発生器の一実施例
の詳細ブロック図である。 ［主要符号の説明］ １１・・・パルス発生器 ２６・・・光源（ＬＥＤ、フラッシュランプ）２７．３
１・・・光路 ２８・・・カップラ／コネクタ ２９・・・カテーテル ３０・・・蛍光センサ ３７・・・ディスプレー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、体内の流体要素を分析する測定装置であって、 ａ）複数の時間関連パルスを発生するパルス発生手段と
   、 ｂ）流体要素の濃度が測定される器官又は体内に少なく
   とも末端が配置されるファイバ ー光学カテーテルであって、 前記カテーテルがそのカテーテル内の一 又はそれ以上のファイバー光学光パイプと 連通した流体の濃度を検知するために配置 された少なくとも一つの蛍光センサを有し、該蛍光セン
   サが光入力に応答する蛍光出 力を生成し、 該蛍光出力が前記蛍光センサの周囲にお ける前記流体濃度を示す寿命を有する、 ところのカテーテルと、 ｃ）出力光のパルスを発生するため前記パルスの一又は
   それ以上に応答し、前記ファイ バー光学光パイプを備えたカテーテルに前 記光の一部を方向付けるための光源手段と、ｄ）前記フ
   ァイバー光学光パイプの一つにより伝えられる前記蛍光
   センサの蛍光出力を 検知するための、体外に配置されたフォト センサと、 ｅ）蛍光センサの寿命と関連付けられる寿命信号を得る
   ために、前記蛍光出力を時間に 関連して分析する分析手段と、 から成る装置。 ２、特許請求の範囲第１項に記載された装置であって、 前記寿命信号を流体濃度に変換し、該濃度 の可視表示を行う処理手段を更に有する、 ところの装置。 ３、特許請求の範囲第１項に記載された装置であって、 前記蛍光出力を分析する分析手段が、蛍光 崩壊曲線の少なくとも一部を蛍光センサの寿命に関数的
   に関連付けられた崩壊曲線の積分を与えるために時間に
   ついて積分する分析技術を実行する、 ところの装置。 ４、特許請求の範囲第３項に記載された装置であって、 前記崩壊曲線が予め定められた時間間隔に わたって積分される、 ところの装置。 ５、特許請求の範囲第３項に記載された装置であって、 分析手段が、光源手段からの光出力が開始 された後、予め定められた時間に崩壊曲線の積分を開始
   する、 ところの装置。 ６、特許請求の範囲第３項に記載された装置であって、 蛍光センサの基準線出力もまた積分され、 蛍光センサの寿命に関数的に関連付けられる信号を発展
   させるために前記崩壊曲線の積分から引かれる、 ところの装置。 ７、特許請求の範囲第１項に記載された装置であって、 前記蛍光出力を分析する分析手段が、前記 光源からの光出力の開始後の予め定められた時にサンプ
   ルを与えるために、蛍光崩壊曲線を測定する分析技術を
   実行し、 前記サンプルが蛍光センサの寿命を示す信 号を発生させるために比較される、 ところの装置。 ８、特許請求の範囲第７項に記載された装置であって、 サンプルの少なくとも一つが、光信号の存 在しないときにフォトセンサの基準出力を表わす、 ところの装置。 ９、特許請求の範囲第２項に記載された装置であって、 前記処理手段が、蛍光センサの周囲の温度 又は変化を示す温度信号で前記寿命信号を修正する、 ところの装置。 １０、特許請求の範囲第９項に記載された装置であって
   、 前記処理手段が、ステルン−ボルマー関係 に従って寿命信号を分析する、 ところの装置。 １１、特許請求の範囲第１０項に記載された装置であっ
   て、 蛍光センサのパラメータのグールプの１つ 又はそれ以上が前記温度信号の変化に従って修正され、 前記グループは拡散係数、線形化係数及び 非クエンチ寿命から成る、 ところの装置。 １２、特許請求の範囲第１項に記載された装置であって
   、 前記流体要素が酸素又は水素イオンである、ところの装
   置。 １３、特許請求の範囲第１２項に記載された装置であっ
   て、 前記蛍光センサがフルオフォ／ポリマーマ トリックスである、 ところの装置。 １４、特許請求の範囲第１３項に記載された装置であっ
   て、 前記マトリックスが、ポリマープラスチッ ク又はポリマープラスチックの混合物の中に共重合され
   、溶解され、又は散乱されるルミネッセント有機金属化
   合物から成る、 ところの装置。 １５、特許請求の範囲第１４項に記載された装置であっ
   て、 前記ルミネッセント有機金属化合物が、ト リス（４．７ジフェニル１、１０フェンスロリン）ルテ
   ニウムII錯イオン、又はフルオレセインアミンである、 ところの装置。 １６、特許請求の範囲第１５項に記載された装置であっ
   て、 前記ポリマーが、シリコンラバー、シリコ ン及びポリカーボネイトのコーポリマー、シリコン及び
   ポリマチレンのコーポリマー、又はイオン交換樹脂のグ
   ループから選択される、ところの装置。 １７、特許請求の範囲第１項に記載された装置であって
   、 前記寿命信号が崩壊曲線から分析された寿 命信号の時間加重平均から成る、 ところの装置。 １８、体内の温度を分析するための測定装置であって、 ａ）複数の時間関連パルスを発生するパルス発生手段と
   、 ｂ）前記パルスの１つ又はそれ以上に応答し、出力光の
   パルスを発生することができ、前 記光の一部を、カテーテルを備えたファイ バー光学光パイプの中に向けることができ る光源と、 ｃ）温度が測定される器官又は体の中に少なくとも一部
   が配置され、温度の検知のため の少なくとも１つの蛍光センサを有するフ ァイバー光学カテーテルであって、 前記蛍光センサが前記カテーテル内のフ ァイバー光学光パイプの１つ又はそれ以上 と連通し、前記光源からの前記パルスに応 答して時間とともに崩壊する蛍光出力を生 成し、 前記蛍光出力崩壊の平均寿命が前記蛍光 センサの周囲の温度を示す、 ところのカテーテルと、 ｄ）前記蛍光出力崩壊を示す出力を生成する、前記カテ
   ーテルと連通するフォトセンサ手 段と、 ｅ）崩壊曲線の少なくとも一部を時間にわたって積分す
   る、蛍光崩壊曲線を分析及び表 示する手段であって、 前記積分が光源からの光出力が開始した 後の予め定められた時間で始まり、 積分がセンサの周囲の温度に関数的に関 連する、 ところの分析及び表示手段と、 から成る装置。 １９、特許請求の範囲第１７項に記載された装置であっ
   て、 前記崩壊曲線が予め定められた時間間隔に わたって積分される、 ところの装置。 ２０、特許請求の範囲第１７項に記載された装置であっ
   て、 センサの基準線出力もまた積分され、その 基準線の積分は蛍光センサの寿命に関数的に関連した信
   号を発展させるためのものである、ところの装置。 ２１、体内の温度を分析するための測定装置であって、 ａ）複数の時間関連パルスを発生するパルス発生手段と
   、 ｂ）前記パルスの１つ又はそれ以上に応答し、出力光の
   パルスを発生することができ、前 記光の一部をカテーテルを備えたファイバ ー光学光パイプの中に向けることができる 光源と、 ｃ）温度を測定されるべき器官又は体の中に少なくとも
   一部が配置され、温度の検知の ための少なくとも１つの蛍光センサを有す るファイバー光学カテーテルであって、 前記蛍光センサが前記カテーテル内の前 記ファイバー光学光パイプの１つ又はそれ 以上と連通し、前記光源からの前記パルス に応答する蛍光崩壊曲線を形成し、 前記蛍光崩壊曲線の平均寿命が前記蛍光 センサの周囲の前記温度を示し、 前記蛍光崩壊の一部がフォトセンサ装置 に向けられ、 前記フォトセンサの出力が前記蛍光崩壊 曲線を示す、 ところのカテーテルと、 ｄ）蛍光崩壊曲線を、前記光源から光出力が開始された
   後予め定められた回数だけサン プル化し、蛍光センサの周囲の温度に関数 的に関連する信号を発展させるために前記 サンプルを比較する、前記蛍光崩壊曲線出 力を分析し、表示するための手段と、 から成る装置。 ２２、特許請求の範囲第２０項に記載された装置であっ
   て、 サンプルの少なくとも１つが出力光の存在 しないフォトセンサ装置の基準線出力を示す、ところの
   装置。 ２３、特許請求の範囲第２０項に記載された装置であっ
   て、 前記蛍光センサが天然又は合成ルビーであ る、 ところの装置。 ２４、特許請求の範囲第２０項に記載された装置であっ
   て、 前記蛍光センサがフルオフォ／ポリマーマ トリックスである、 ところの装置。 ２５、特許請求の範囲第１７項に記載された装置であっ
   て、 ２つの積分の比が寿命に関数的に関連する、ところの装
   置。 ２６、特許請求の範囲第２０項に記載された装置であっ
   て、 ２つのサンプルの比が温度に関数的に関連 する、 ところの装置。 ２７、特許請求の範囲第１７項に記載された装置であっ
   て、 光源が発光ダイオード、レーザーダイオー ド、ダイオードポンプ式固体レーザー、又はフラッシュ
   ランプのグループから選択される、ところの装置。 ２８、体内の流体要素のレベルを分析する方法であって
   、 ａ）ファイバー光学光パイプを備えたカテーテルの末端
   部近くでの入射光に応答して蛍 光を発生し、流体要素が存在するときに減 少蛍光信号を放出するプローブを配置する 工程と、 ｂ）カテーテルを体内に挿入し、プローブを体の対象領
   域に配置する工程と、 ｃ）プローブを励起するためにパルス光をカテーテルを
   通して送る工程と、 ｄ）プローブの蛍光寿命を決定するためにプローブから
   戻る光をモニターする工程と、 ｅ）蛍光寿命と流体要素の濃度とを関連付ける工程と、 から成る方法。 ２９、特許請求の範囲第２８項に記載された方法であっ
   て、 前記モニター工程が、カテーテルの光出力 を電気信号に変換し、蛍光寿命を決定するために電気信
   号を等間にわたって積分することである、 ところの方法。 ３０、特許請求の範囲第２８項に記載された方法であっ
   て、 前記モニター工程が、プローブの励起に続 いて複数回光出力をサンプル化、指数的崩壊を前記光出
   力によるものとし、前記複数のサンプルから蛍光寿命を
   決定することである、ところの方法。 ３１、特許請求の範囲第２８項に記載された方法であっ
   て、 蛍光寿命が、その寿命を流体濃度に関連付 ける前に、プローブの温度に依存して調整される、 ところの方法。