JP2013541321A - 比色センサを有する血液培養ボトル用検出装置 - Google Patents

Abstract

比色センサが組み込まれた血液培養ボトル用の検出装置である。比色センサは、血液培養ボトル内の試料媒体のｐＨ又はＣＯ_２の変化に起因する色の変化の影響を受ける。本発明の検出装置は、比色センサを照らすセンサＬＥＤ、比色センサを照らす基準ＬＥＤ、センサＬＥＤ及び基準ＬＥＤを選択的且つ交互に作動させる制御回路、及び光検出器を含む。光検出器は、センサＬＥＤ及び基準ＬＥＤが比色センサを選択的且つ交互に照らす間に、比色センサからの反射率を測定して、輝度信号を生成する。基準ＬＥＤの照射のピーク波長は、基準ＬＥＤの照射による光検出器の輝度信号が比色センサの色の変化により実質的に影響されないように選択される。
【選択図】図７

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１０年７月２０日出願の、発明の名称が「比色センサを有する血液培養ボトル用検出装置（Detector Arrangement for Blood Culture Bottles With Colorimetric Sensors）」である、米国仮特許出願第６１/４００，００１号の優先権の利益を主張し、参照によりその開示全体を本明細書に援用する。

微生物の存在確認のための血液培養用のボトルや、そのようなボトルを非侵襲的に分析するための関連機器は、本技術分野において知られており、特許文献に記載されている。例えば、特許文献１（米国特許第５，８５８，７６９号）、特許文献２（米国特許第５，７９５，７７３号）、特許文献３（米国特許第４，９４５，０６０号）、特許文献４（米国特許第５，０９４，９５５号）、特許文献５（米国特許第５, １６４，７９６号）、特許文献６（米国特許第５，２１７，８７６号）、特許文献７（米国特許第５，８５６，１７５号）がある。これらの特許文献に開示のボトル及び機器は、ＢａｃＴ／ＡＬＥＲＴという登録商標の下、本出願人により市販され、商業的な成功を収めている。

これらの血液培養機器において記載されたボトルは、ボトル底部において試料媒体と接触するように配置された比色センサを用いて、細菌の増殖の有無を判定する。臨床／工業試料がボトル内の液体培養培地に添加されると、培養が行われ、増加した微生物の数に応じて二酸化炭素濃度が上昇する。なお、二酸化炭素は細菌増殖の呼吸副産物である。あるいは、微生物の増殖に関連して培地のｐＨが変化することも、センサによってモニタリングすることができる。ＢａｃＴ／ＡＬＥＲＴセンサの基本的な操作及びモニタリング用の電気系統は、特許文献３（米国特許第４，９４５，０６０号）や、非特許文献１（Ｔｈｏｒｐｅら、「ＢａｃＴ／ＡＬＥＲＴ：自動比色微生物検出システム（BacT/Alert: an Automated Colorimetric Microbial Detection System）」、Journal of Clinical Microbiology、１９９０年７月、１６０８〜１６１２頁）に記載されている。特許文献３及び非特許文献１は、参照により本明細書に援用する。

特許文献３に記載されている基本的な比色センサシステムを添付の図１に示す。赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）（４）は、ＢａｃＴボトル（１）の底部に向けて発光している。比色センサ（２）は、ボトル（１）の底部に被着されている。ＬＥＤ光は、ボトル（１）の底面に対して４５°の角度で入射する。光の大部分はボトル本体を透過し、比色センサ（２）上に入射する。光の一部は、プラスチックのボトル材質及びセンサ（２）でボトル底面に対して４５°で、入射光とは反対方向に反射する（例えば、反射角は入射角に等しい）。残りの光の大部分は、センサの表面及び内部で散乱する。センサ（２）は、ボトル内のＣＯ_２の濃度が０％から１００％の間で変化することに従って、青から黄色にその色を変える。シリコン光検出器（５）は、ＬＥＤからの光がセンサと作用する、センサ（２）内の領域を継続的に監視する（即ち、散乱輝度信号を継続的にモニタリングする）。光検出器によって検出される散乱光の輝度は、ボトル（１）内のＣＯ_２レベルに比例する。また、図１は、電源（６）、電圧電流変換器（７）、及びローパスフィルタ（８）を含む関連電気系統も示す。

図２は、図１の光検出器（５）が受け取った信号のプロットである。データは、図１の光検出器（５）の位置において、光ファイバープローブを用いて収集された。光ファイバープローブは、可視光分光計に接続され、可視光分光計は、輝度（反射単位）及び波長の関数として、散乱光を表示する。各曲線の形状は、特定のＣＯ_２レベルにおける比色センサ（２）の反射率でＬＥＤ輝度分布を畳み込んだものである。

図１のシリコン光検出器（５）を光ファイバープローブと置き変えた場合、光検出器によって光電流が生成されるが、かかる光電流は図２に示される、集積波長信号に比例する。言い換えると、シリコン光検出器（５）は、スペクトル応答を光電流に集積する。同様に、この光電流は、相互インピーダンス増幅器を用いて電圧信号に変換される。

図１のＢａｃＴ／ＡＬＥＲＴセンサシステムは、ロバストであり、長年にわたり血液培養システムに用いられてきたが、かかるセンサシステムには改善の余地があった。まず、血液培養ボトル（１）がセル内で動いてしまうと（例えば、ｚ軸方向に移動して光検出器の位置から 遠ざかってしまうと）、システムは、（これまで実施されてきたように）この移動を輝度の低下として検出してしまう。しかし、このような輝度の低下は、機器によってボトル内におけるＣＯ_２レベルの低下として解釈されてしまうが、実際に起きている事実ではないことがある。このような影響は、二酸化炭素含有量が増加することに従ってボトルの反射率が増加する影響（細菌の増殖を意味する）とは逆であり、システムは、その分析対象のボトルにおいて増殖が生じていないものとして扱う可能性がある（即ち、偽陰性状態となる）。

同様に、臨床検査室において機器が老朽化すると、光学システムに塵が集積し、あるいは、時間と共に光学材料の透過性が劣化する。例えば、プラスチックは老朽化すると、光、微粒子の集積（塵）、及びクリーナの繰り返し使用したことの影響により、透過性が減少する。これらの影響は、読取値には影響しないが、システム応答のドリフトとして現れうる。定期的に較正試験を実施すれば、このようなドリフトを補償することは可能である。従って、特に、ボトルが完全に凹部に入っていない状態（光学検出器装置からｚ軸方向に幾らかずれている状態）であって、基準位置、又は定位置にない状態の場合に、光学システムの透過率をリアルタイムでモニタリングし、誤差原因の幾つかを調節・補償することができるようにすることに関して、長い間要望され、且つ満足されてこなかったニーズがあった。

本発明に関連する他の従来技術としては、以下のものが挙げられる。それらは、特許文献８（米国特許第７，１９３，７１７号）；特許文献９（米国特許第５，４８２，８４２号）；特許文献１０（米国特許第５，４８０，８０４号）；特許文献１１（米国特許第５，０６４，２８２号）；特許文献１２（米国特許第５，０１３，１５５号）；特許文献１３（米国特許第６,０９６，２７２６号）；特許文献１４（米国特許第６，６６５，０６１号）；特許文献１５（米国特許第４，２４８，５３６号）、及び、特許文献１６（１９９４年１１月２４日に公開された国際公開第９４／２６８７４号）である。

米国特許第５，８５８，７６９号 米国特許第５，７９５，７７３号 米国特許第４，９４５，０６０号 米国特許第５，０９４，９５５号 米国特許第５, １６４，７９６号 米国特許第５，２１７，８７６号 米国特許第５，８５６，１７５号 米国特許第７，１９３，７１７号 米国特許第５，４８２，８４２号 米国特許第５，４８０，８０４号 米国特許第５，０６４，２８２号 米国特許第５，０１３，１５５号 米国特許第６,０９６，２７２６号 米国特許第６，６６５，０６１号 米国特許第４，２４８，５３６号 国際公開第９４／２６８７４号

Ｔｈｏｒｐｅら、「ＢａｃＴ／ＡＬＥＲＴ：自動比色微生物検出システム（BacT/Alert: an Automated Colorimetric Microbial Detection System）」、Journal of Clinical Microbiology、１９９０年７月、１６０８〜１６１２頁

本明細書は、改良された、比色センサが組み込まれた血液培養ボトル用の検出装置を開示する。

本明細書において開示される検出装置は、光検出器、センサＬＥＤ及び基準ＬＥＤ、並びに、当該センサＬＥＤ及び基準ＬＥＤを選択的且つ交互に作動させて比色センサを照らす制御回路を備える。センサＬＥＤは、図１に示すＬＥＤと同様に機能して、比色センサの色の変化を測定するために用いられる。光検出器は輝度の変化を監視することによって、センサＬＥＤによって照らされたときの比色センサからの反射率をモニタリングする。基準ＬＥＤは、照射のピーク波長が、基準ＬＥＤの照射による光検出器の輝度読取値が比色センサの色の変化により実質的に影響されないように選択される。そのため、基準ＬＥＤにより照射されている間の光検出器の読取値がボトル内のＣＯ_２濃度の変化により影響されないので、基準ＬＥＤを基準として用いることができる。本発明者らにより、近赤外波長（ＬＥＤのピーク波長（λ）は、７５０ｎｍ〜９５０ｎｍ）が、基準ＬＥＤに適していることが明らかになった。

基準ＬＥＤは、ボトルと検出装置の部分との間の距離の変化、周辺光条件の変化、又は、センサＬＥＤ、ボトル、及び光検出器の間の物理的光路内の何かの変化の有無を判別するために有利である。基準ＬＥＤにおける変化は、比色センサの状態に依存するものではないが、基準ＬＥＤは、微生物の増殖に無関係の光学システム内における変化についての情報を提供することができ、そのような増殖に無関係のシステムの変化を、増殖に関係のある変化から区別することができる。このような特徴は、システムにおける偽陽性率を低減して、検知精度及び信頼性を改善することに寄与する。

使用に際して、センサＬＥＤ及び基準ＬＥＤは、交互且つ反復的に（例えば、時分割多重方式で）点灯される。そのような連続照射による光検出器信号は、コンピュータに提供される。コンピュータは、基準ＬＥＤが照明した際の光検出器信号の変化をモニタリングする。この変化は、ボトルの位置の変化又は光学システムにおける変化を示唆する。コンピュータは、例えば、検出システム内においてボトル位置が定位置又は基準位置からずれた場合に、得られたセンサＬＥＤ及び基準ＬＥＤ信号の間の較正関係に従ってセンサＬＥＤ信号を補償することができる。

米国特許第４，９４５，０６０号に記載の血液収集ボトル用の、既知のセンサ及び検出装置を示す図である。 図１の光検出器の位置での分光計による比色センサの反射率を、波長及びＣＯ_２濃度の関数として示したプロットである。 本発明による血液収集ボトル用のセンサ及び検出装置を示す図である。 ボトル内のＣＯ_２範囲が１〜１００％で、センサＬＥＤ及び基準ＬＥＤで比色センサを照明した場合の、図３に示す光検出器からの輝度信号のプロットを示すグラフである。 ボトルが図３に示す検出システムに最も近い指定位置に配置された状態である基準位置又は定位置からのボトルの移動の関数として、センサＬＥＤ及び基準ＬＥＤについての光検出器輝度信号を示すグラフである。 ボトルで微生物が増殖状態にある間のセンサＬＥＤ及び基準ＬＥＤについての光検出器輝度信号を、時間の関数として示すグラフである。 図３のセンサ装置を操作する電気系統のブロック図である。 図３の基準ＬＥＤ及センサＬＥＤの負荷サイクルを示すグラフであり、時分割多重方式の操作を示すグラフである。パルス幅は、負荷サイクルを示すが、正確な縮尺ではない。１つの可能性がある実施形態では、パルス占有率は３３％であり、１／３の時間は基準ＬＥＤが点灯されており、１／３の時間はセンサＬＥＤが点灯されており、１／３の時間は、いずれのＬＥＤも点灯されておらず、「暗」測定が実施可能となっている。

本発明は、非液体エマルジョンセンサ（non-Liquid Emulsion Sensor：ＬＥＳ）の変化を補償するための光源として、光学システムにおいて第２のＬＥＤを使用することを伴う。図３に、光学構成のブロック図を示す。この構成は、ボトル１内に組み込まれた比色ＬＥＳ２を有する試験ボトル１のための構成である。この構成は、センサＬＥＤ４、ＩＲ基準ＬＥＤ１０、及び、輝度信号を生成する光検出器５を含む。ＬＥＤ４及び１０は、図３に示すように、ボトル底面に対して共に４５度で配置されている。ボトル底部及びＬＥＳ２の反射率は、制御回路（図７の４２）によって、連続して測定される。制御回路は、センサＬＥＤ及び基準ＬＥＤを選択的且つ交互に作動させる。例えば、センサ（赤色）ＬＥＤ４が作動され、反射信号が光検出器５によって測定される。そして、センサＬＥＤ４は消灯する。そして、基準ＬＥＤ１０が点灯し、同じ光検出器５が反射光を測定する。そして、基準ＬＥＤ１０が消灯し、プロセスが繰り返される。このような方法は、時分割多重方式とも称され、図８を参照して後述する。

上述のように、ＬＥＤ４及び１０は、ボトルの底に対して角度４５度で傾斜されている。これは、ボトルの底面からの反射光が光検出器５に強く入射しないようにするためである。入射角＝反射角であるため、ボトル底部に当った光は４５度で出射し、光検出の読取値に強く影響しない（ＬＥＳからの散乱光のみが必要な光である）。ＬＥＤは、空間放射角が１５〜１７度である。すなわち、ＬＥＤはピーク放射及び半値全幅（半値出力での全幅角度）で定義される円錐状に光を放射する。この円錐の角度は、１５〜２４度である。

様々な色のＬＥＤについて試験を実施した結果、近赤外（ＩＲ）ＬＥＤ（ピーク波長７５０〜９５０ｎｍ）反射率は、ＬＥＤの色の変化によって僅かにしか影響を受けなかった。他の波長光は、ＣＯ_２レベルが０％から１００％に変化すると、反射率に正又は負の変動があった。表１に示すように、このような影響は、約７５０ｎｍ（近赤外ＬＥＤ）を超える波長で最小化した。

表１：センサ（赤色）ＬＥＤ及び基準（近赤外）ＬＥＤによる、ＣＯ_２濃度を上昇させたボトルの光検出器出力値（ボルト）

図４は、表１に対応するグラフである。基準センサの光検出器読取値は、ライン２０としてプロットし、センサＬＥＤの光検出読取値はライン２２としてプロットした。グラフを参照すると、ボトル中の二酸化炭素レベルをＣＯ_２０％からＣＯ_２１００％に上昇させたことに従って、赤色ＬＥＤ信号２２について大幅な増加が見られた（約０．６ボルトから約２ボルトに変化した）。このとき、基準ＬＥＤ信号２０は、２．３２ボルトから２．２９ボルトへ変化した（３０ｍＶの変化があった）。従って、基準ＬＥＤ信号２０は、ＬＥＳに色変化が生じても、非常に安定していた。

光学信号の変化を、光学システムに対するボトル位置の関数として解析するために、ＢａｃＴ／ＡＬＥＲＴボトルに取り付けたディジタルマイクロメータによって、較正／試験固定具を構成した。このボトルを、ＢａｃＴ／ＡＬＥＲＴラックアセンブリ内の基準位置（定位置）に配置させて、可能な限り光学システムに近づけた。反射率の読取値を取得し、マイクロメータを調整することによってボトルを移動させた。マイクロメータは、ｚ軸方向の移動を正確に微調整して（即ち、マイクロメータによって光学システムから遠ざける方向にボトルを移動させて）、移動による影響を定量化することができる。移動量の関数として正規化した光学系における変化を、ライン２０としてプロットした基準ＬＥＤで照らして得た光検出器信号及びライン２２としてプロットしたセンサＬＥＤの光検出器信号と共に、図５に示す。移動によって光検出器によって受信された信号が線形変化することがわかる。センサＬＥＤ信号２２及び基準ＬＥＤ信号２０は変化の傾斜が異なるが、それぞれ線形であるため、例えば、ボトルが定位置（基準位置）から移動したことに起因する信号ＬＥＤの変化を補償するための関係を、基準ＬＥＤ検出器出力の変化の関数として得ることができる。図５に示すグラフに関して式を算出し、算出した式を以下の表２に適合度変数（Ｒ２）と共に示す。

［表２］
検出器出力（信号）＝０．２６５２−０．２５５４ｘ Ｒ２＝０．９９６３
検出器出力（基準）= ０．５６２１−０．２３８４ｘ Ｒ２＝０．９９９９
但し、ｘ＝線形移動距離（インチ）

従って、基準ＬＥＤの出力輝度の変化をマッピングすることによって、移動量の値を決定することができる。信号ＬＥＤの出力に移動量の値を適用することで、輝度減少量を定量化して補償することができる。

出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）を接種材料として、血液培養ボトルに接種して、ボトル内で出芽酵母が増殖する間にセンサＬＥＤ及び基準ＬＥＤを用いて比色センサをモニタリングすることにより、図３に示す検出装置の性能試験を実施した。図６に、酵母の増殖の増殖曲線を示す。図６において、誘導期、対数期、及び静止期を示す。増殖する間（ＬＥＳセンサの応答が変化する間）、基準ＬＥＤ信号２０には変化がないが、微生物増殖の結果としてＣＯ_２濃度が変化したことに起因して、センサＬＥＤ信号２２は変化した。曲線２０が平坦であるということは、基準ＬＥＤが照明している間の光検出器読取値がＬＥＳの色の変化に対して不感受性であることを証明している。さらに、このことは、微生物増殖によって影響を受けていない場合の光学システムにおける変化をモニタリングする能力を証明するものである。

図７は、図３に示す実施形態における電気系統３０のブロック図である。電気系統３０は、「光学ネスト（nest）」を含み、該光学ネストは、センサＬＥＤ４、基準ＬＥＤ１０、及び光検出器５を含む。光検出器の出力は、Ａ／Ｄコンバーター３４にてディジタル信号に変換され、データ取得システム３６に供給される。データ取得システムは、制御回路及びＬＥＤドライバを含むＬＥＤ制御盤４２に信号を送り、ＬＥＤ制御盤４２は、導体４４及び４６を介して信号を送出して、ＬＥＤ４及び１０が時分割多重方式で点灯するように制御する。データ取得システムからの光検出器信号は、コンピュータ３８に送られる。なお、コンピュータ３８は、図３及び７の光学ネスト３２が組み込まれた機器の一部であり得る。なお、フィルタや電流−電圧変換器のような付随的な電子機器は図示しないが、上述の電気系統内に存在しても良い。

メモリ４０は、図５に示すような曲線に基づいて得られる、表２を参照して説明したような、較正定数、並びに、基準ＬＥＤ及び信号ＬＥＤ出力値の間の関係を保存する。例えば、メモリ４０は、センサＬＥＤについての輝度信号の間の較正関係を、定位置からのボトルの距離の関数として（図５のプロット２２）保存する。そして、コンピュータ３８は、定位置から遠ざかった距離にボトルが配置されたことに起因するセンサＬＥＤからの輝度信号の低下を、センサＬＥＤ及び基準ＬＥＤの較正関係に従って補償する。

図８は、図３に示す基準ＬＥＤ１０及びセンサＬＥＤ４の負荷サイクルのグラフであり、時分割多重方式の駆動を示す。センサＬＥＤのオンオフ状態をライン５０として、基準ＬＥＤのオンオフ状態をライン５２として示す。パルス幅は負荷サイクルを示すが、正確な縮尺ではなく、可変である。１つの可能性のある実施形態では、パルス占有率は３３％であり、１／３の時間は基準ＬＥＤが点灯されており、１／３の時間はセンサＬＥＤが点灯されており、１／３の時間は、いずれのＬＥＤも点灯されておらず、「暗」測定が実施可能となっている。

図３に示す装置によって、塵、ドリフト、光学システムにおける変化、及びビームパス中の光学材料の老朽化も補償することができる。これらは、長期間（数ヶ月単位）にわたって発生するため、非常にゆっくりとした変化でありうる。初期較正からデータ点を保存し（例えば、図５から導き）、光検出器信号を近赤外ＬＥＤ１０の出射レベルを初期値と比較して、光学システムにおける劣化メカニズムを補償することによって、補償を実施する。この変化は、センサＬＥＤ４にも適用することができる。比較的短期間のドリフトについては、近赤外ＬＥＤ１０について変化をモニタリングして（細菌増殖サイクルにわたって非常に安定しているべきである）、近赤外ＬＥＤの性能におけるあらゆる変化に応じて、例えば、保存された較正関係を用いて、センサＬＥＤの光検出器読取値を調整することができる。

添付の請求項に、本開示に係る発明をさらに記載する。

Claims (10)

1. 血液培養ボトル内の試料媒体のｐＨ又はＣＯ_２の変化に起因する色の変化の影響を受ける比色センサが組み込まれた血液培養ボトル用の検出装置であって、該検出装置は、
   前記比色センサを照らすセンサＬＥＤと、
   前記比色センサを照らす基準ＬＥＤと、
   前記センサＬＥＤ及び前記基準ＬＥＤを選択的且つ交互に作動させる制御回路と、
   前記センサＬＥＤ及び前記基準ＬＥＤが前記比色センサが選択的且つ交互に照らす間に、前記比色センサからの反射率を測定して、輝度信号を生成する、光検出器と、を備え、
   前記基準ＬＥＤは、照射のピーク波長が、前記基準ＬＥＤの照射による前記光検出器の前記輝度信号が前記比色センサの前記色の変化により実質的に影響されないように選択される、ことを特徴とする、検出装置。
2. 前記基準ＬＥＤは、照射のピーク波長が７５０ｎｍ及び９００ｎｍの間であることを特徴とする、請求項１に記載の検出装置。
3. 前記輝度信号を受信するコンピュータを更に備え、該コンピュータは、前記検出装置に関して、前記基準ＬＥＤについての輝度信号間の較正関係を、定位置からの前記ボトルの距離の関数として保存することを特徴とするメモリを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の検出装置。
4. 前記メモリは、前記センサＬＥＤについての輝度信号間の較正関係を、前記定位置からの距離の関数として更に保存し、
   前記コンピュータは、前記ボトルが前記定位置から遠ざかった位置に配置されたことに起因する前記センサＬＥＤからの信号の輝度の低下を、前記センサＬＥＤと前記基準ＬＥＤとの較正関係に従って補償することを特徴とする、
   請求項４に記載の検出装置。
5. 血液培養ボトル内の試料媒体のｐＨ又はＣＯ_２の変化に起因する色の変化の影響を受ける、血液培養ボトルに組み込まれた比色センサの検出方法であって、該検出方法は、
   センサＬＥＤ及び基準ＬＥＤによって、前記比色センサを交互且つ反復的に照らすステップと、
   前記センサＬＥＤ及び前記基準ＬＥＤによって前記比色センサを照らしたことによる前記比色センサからの反射率を、応答して輝度信号を生成する光検出器で測定するステップと、を含み、
   前記基準ＬＥＤは、照射のピーク波長が、前記基準ＬＥＤの照射による前記光検出器の前記輝度信号が前記比色センサの前記色の変化により実質的に影響されないように選択される、ことを特徴とする、方法。
6. 前記基準ＬＥＤは、照射のピーク波長が７５０ｎｍ及び９００ｎｍの間であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記センサＬＥＤ、前記基準ＬＥＤ、及び前記光検出装置に関して、前記基準ＬＥＤについての輝度信号間の較正関係を、定位置からの前記ボトルの距離の関数として、コンピュータメモリに保存するステップを更に含むことを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記センサＬＥＤ、前記基準ＬＥＤ、及び前記光検出装置に関して、前記センサＬＥＤについての輝度信号間の較正関係を、前記定位置からの距離の関数として、前記コンピュータメモリに保存するステップを更に含むことを特徴とする、請求項５、６、又は７に記載の方法。
9. 前記ボトルが前記定位置から遠ざかった位置に配置されたことに起因する前記センサＬＥＤからの信号の輝度の低下を、前記センサＬＥＤと前記基準ＬＥＤとの較正関係に従って補償するステップを更に含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記補償するステップは、前記基準ＬＥＤについての前記較正関係を用いて前記ボトルの移動量を算出し、前記光検出器からの前記輝度信号を調整して、前記移動量によって前記ボトルの前記移動を修正するステップを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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