JP7814965B2 - Detection device and blood processing system - Google Patents
Detection device and blood processing systemInfo
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Description
本発明は、検出装置及び血液処理システムに関する。 The present invention relates to a detection device and a blood processing system.
腎不全患者の治療法である血液透析、および血液透析濾過は、現在広く普及している治療法である。この治療法では、ダイアライザ(フィルタ)に流入した血液から、老廃物が透析膜を介して、同じくダイアライザに流入した新鮮な透析液に拡散し濾過されることにより排出される。 Hemodialysis and hemodiafiltration, which are used to treat patients with kidney failure, are currently widely used treatments. In these treatments, waste products from the blood that flows into the dialyzer (filter) are filtered and removed by diffusing through the dialysis membrane into fresh dialysate that also flows into the dialyzer.
腎不全患者の中には、掻痒症、イライラ感、骨関節痛などの諸症状を訴えるケースが少なくない。そのような症状を改善するため、指標物質としてのα1-ミクログロブリン(MG)の積極的な除去が行われている。しかし、α1-MGの積極的な除去により、生体に必要なアルブミンも、α1-MGとの大きさが近いため、透析排液中に漏出することが避けられない。週3回透析治療を行うのに対して、アルブミンを管理する方法は、患者の血清アルブミン濃度を月1~2回測定して、アルブミンレベルを把握するのが現状の一般的な方法である。 Many patients with renal failure complain of symptoms such as itching, irritability, and bone and joint pain. To alleviate these symptoms, the indicator substance α1-microglobulin (MG) is actively removed. However, the active removal of α1-MG inevitably results in albumin, which is essential for the body, leaking into the dialysis effluent, as albumin is similar in size to α1-MG. While dialysis treatment is performed three times a week, the current common method for managing albumin is to measure the patient's serum albumin concentration once or twice a month to monitor albumin levels.
上記のような状況から、透析排液中のアルブミンの濃度を実時間で把握する手段が透析治療の現場で求められている。 In light of the above situation, there is a need in dialysis treatment settings for a means to monitor the albumin concentration in dialysis effluent in real time.
透析排液中のアルブミンなどの対象物質の濃度を測定する方法として、特許文献1、2、3では、紫外線を照射して、蛍光強度から、対象物質の濃度を測定する方法が開示されている。 Patent documents 1, 2, and 3 disclose methods for measuring the concentration of target substances such as albumin in dialysis effluent, in which ultraviolet light is irradiated and the concentration of the target substance is measured from the fluorescence intensity.
特許文献4には、透析排液中の対象物質の濃度を算出する方法として、紫外線を照射して、蛍光強度から、夾雑物(インドキシル硫酸など)の影響を除外して、対象物質の濃度を算出する方法が開示されている。 Patent Document 4 discloses a method for calculating the concentration of a target substance in dialysis effluent by irradiating the sample with ultraviolet light and calculating the concentration of the target substance from the fluorescence intensity while eliminating the influence of contaminants (such as indoxyl sulfate).
また、対象物質の濃度を算出する方法として、特許文献5には、直線偏光された光を照射し、放出される蛍光の第一偏光面における強度の検出を行ない、第一偏光面とは異なる第二偏光面における強度の検出を行ない、これらの蛍光の異方性を特定し、異方性と強度の双方に基づいて、濃度を算出する方法が開示されている。 Patent Document 5 also discloses a method for calculating the concentration of a target substance, which involves irradiating the substance with linearly polarized light, detecting the intensity of the emitted fluorescence in a first polarization plane, detecting the intensity in a second polarization plane different from the first polarization plane, identifying the anisotropy of the fluorescence, and calculating the concentration based on both the anisotropy and the intensity.
さらに、アルブミンの濃度を算出する方法として、特許文献6には、透析排液の吸光度を測定後、透析排液をアルブミン分離部であるフィルタでアルブミンを分離し、さらに透析排液の吸光度を測定して、フィルタ通過前後の吸光度の変化から、アルブミンの濃度を算出する方法が開示されている。 Furthermore, Patent Document 6 discloses a method for calculating albumin concentration in which the absorbance of dialysis effluent is measured, albumin is separated from the dialysis effluent using a filter that serves as an albumin separator, the absorbance of the dialysis effluent is measured, and the albumin concentration is calculated from the change in absorbance before and after passing through the filter.
ところで、励起光を照射して得られる蛍光の強度を計測する蛍光分光光度計などの検出装置は、蛍光に比べて強度が高い励起光の影響を避けるため、照射部が照射する励起光の光軸と、検出部が検出する蛍光の光軸が互いに直角になるように照射部と検出部を配置するとよい。 In detection devices such as fluorescence spectrophotometers that measure the intensity of fluorescence obtained by irradiating excitation light, it is advisable to position the irradiation unit and detection unit so that the optical axis of the excitation light irradiated by the irradiation unit and the optical axis of the fluorescence detected by the detection unit are perpendicular to each other, in order to avoid the influence of excitation light, which is more intense than fluorescence.
また、チューブ内の流れる透析排液中のアルブミン濃度を計測するような場合は、仮に、計測部位における流路の断面が四角いと、流路の断面が円形の場合に比べて、断面が円形の他の透析用チューブとの接続部位の構造が複雑化する。また、流路の断面が四角いと、透析排液のように様々な物質が含まれる液体が長期にわたり流れてくる環境下では、液体の速度が遅い隅領域が汚れ易く、計測結果に影響を与える可能性がある。さらに、流路の断面が四角いと、何らかの理由で内部の圧力が上昇した場合に、強度の弱い隅部分が破壊し易く、透析排液のような医療廃棄物が漏れ出すことは感染防止の観点でも好ましくない。 Furthermore, when measuring the albumin concentration in dialysis effluent flowing through a tube, if the cross-section of the flow path at the measurement site is square, the structure of the connection site with other dialysis tubing with a circular cross-section becomes more complex than if the cross-section of the flow path is circular. Furthermore, if the cross-section of the flow path is square, in an environment where a liquid containing various substances, such as dialysis effluent, flows over a long period of time, the corner areas where the liquid flows slowly are more likely to become dirty, which could affect the measurement results. Furthermore, if the cross-section of the flow path is square, the weak corners are more likely to break if the internal pressure increases for some reason, and the leakage of medical waste such as dialysis effluent is undesirable from the perspective of infection prevention.
よって、透析排液中のアルブミン濃度を計測するような場合には、断面が円形のチューブを用いることが望ましい。しかしながら、上述のように照射部の励起光の光軸と検出部の蛍光の光軸を互いに直角させ、さらに断面が円形のチューブを用いると、励起光がチューブの表面や内面等で反射し、励起光が、検出部で検出する蛍光に入り込む可能性がある。蛍光に比べて強度が高い励起光が蛍光に入り込むと、検出部において蛍光を高い精度で検出することは難しくなる。 Therefore, when measuring the albumin concentration in dialysis effluent, it is desirable to use a tube with a circular cross section. However, as mentioned above, if the optical axis of the excitation light from the irradiation unit and the optical axis of the fluorescence from the detection unit are perpendicular to each other and a tube with a circular cross section is used, the excitation light may be reflected from the surface or inner surface of the tube, and may enter the fluorescence detected by the detection unit. If the excitation light, which is stronger than the fluorescence, enters the fluorescence, it becomes difficult to detect the fluorescence with high accuracy in the detection unit.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、装置が煩雑化することなく、チューブ内の透析排液などの照射対象物に励起光を照射して発生する蛍光を高い精度で検出することができる検出装置及び血液処理システムを提供することをその目的の一つとする。 The present invention was made in consideration of these points, and one of its objectives is to provide a detection device and blood processing system that can detect fluorescence generated by irradiating an irradiation target, such as dialysis effluent in a tube, with excitation light with high accuracy without increasing the complexity of the device.
本発明者らは、鋭意検討した結果、断面が円形のチューブを用いて、照射部の励起光の光軸をチューブの中心から所定方向にずらすことで、上記問題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 After extensive research, the inventors discovered that the above problem could be solved by using a tube with a circular cross section and shifting the optical axis of the excitation light from the irradiation unit in a specified direction from the center of the tube, leading to the completion of the present invention.
すなわち、本発明は以下の態様を含む。
(1)チューブ内にある、被検出物質を含む照射対象物に励起光を照射する照射部と、前記チューブ内にある前記照射対象物から発生する蛍光を検出する検出部と、を備え、前記チューブは、断面が円形になる形状を有し、前記照射部と前記検出部は、前記照射部が照射する励起光の光軸と前記検出部が検出する蛍光の光軸が互いに直角になるように配置され、前記照射部は、前記励起光の光軸が前記チューブの表面に接触する位置が、前記チューブにおける前記蛍光の光軸の方向の中心に対し、前記検出部が配置された第1の側と反対の第2の側にずれるように配置されている、検出装置。
(2)前記励起光の光軸が前記チューブの表面に接触する位置は、前記チューブの内部に形成される前記励起光の光路の長さと前記チューブの内径の比が0.90≦L/D<1となるように設定されている、(1)に記載の検出装置。
(3)前記検出部は、前記蛍光の光軸がチューブの中心を通過するように配置されている、(1)及び(2)のいずれかに記載の検出装置。
(4)前記照射部は、前記励起光を前記チューブの下方から前記照射対象物に照射するように構成されている、(1)から(3)のいずれか一項に記載の検出装置。
(5)前記検出部は分光器である、(1)から(4)のいずれか一項に記載の検出装置。
(6)前記照射部はLEDである、(1)から(5)のいずれか一項に記載の検出装置。
(7)前記検出部による蛍光の検出に基づいて前記被検出物質の濃度を算出する濃度算出部を備え、前記濃度算出部は、検量モデルを用いて前記被検出物質の濃度を算出し、前記検量モデルは、前記蛍光が有するスペクトルを用いて多変量解析によって作成されたものである、(1)から(6)のいずれか一項に記載の検出装置。
(8)前記照射対象物は、前記チューブ内を連続的に流れるものである、(1)から(7)のいずれか一項に記載の検出装置
(9)前記被検出物質は、透析排液に含まれるアルブミンである、(1)から(8)のいずれか一項に記載の検出装置。
(10)(1)から(9)のいずれかに記載の検出装置を備えた、血液処理システム。
That is, the present invention includes the following aspects.
(1) A detection device comprising an irradiation unit that irradiates an irradiation object containing a substance to be detected, which is located within a tube, with excitation light, and a detection unit that detects fluorescence generated from the irradiation object located within the tube, wherein the tube has a shape with a circular cross section, the irradiation unit and the detection unit are arranged so that the optical axis of the excitation light irradiated by the irradiation unit and the optical axis of the fluorescence detected by the detection unit are perpendicular to each other, and the irradiation unit is arranged so that the position where the optical axis of the excitation light contacts the surface of the tube is shifted to a second side opposite to the first side on which the detection unit is arranged, with respect to the center of the direction of the optical axis of the fluorescence in the tube.
(2) A detection device as described in (1), wherein the position at which the optical axis of the excitation light contacts the surface of the tube is set so that the ratio of the length of the optical path of the excitation light formed inside the tube to the inner diameter of the tube is 0.90≦L/D<1.
(3) The detection device according to either (1) or (2), wherein the detection unit is arranged so that the optical axis of the fluorescence passes through the center of the tube.
(4) A detection device described in any one of (1) to (3), wherein the irradiation unit is configured to irradiate the excitation light onto the irradiation object from below the tube.
(5) The detection device according to any one of (1) to (4), wherein the detection unit is a spectroscope.
(6) The detection device according to any one of (1) to (5), wherein the irradiation unit is an LED.
(7) A detection device described in any one of (1) to (6), further comprising a concentration calculation unit that calculates the concentration of the target substance based on the detection of fluorescence by the detection unit, wherein the concentration calculation unit calculates the concentration of the target substance using a calibration model, and the calibration model is created by multivariate analysis using the spectrum of the fluorescence.
(8) A detection device described in any one of (1) to (7), in which the object to be irradiated flows continuously within the tube. (9) A detection device described in any one of (1) to (8), in which the substance to be detected is albumin contained in dialysis effluent.
(10) A blood processing system comprising the detection device according to any one of (1) to (9).
本発明によれば、装置が煩雑化することなく、チューブ内の照射対象物に励起光を照射して発生する蛍光を高い精度で検出することができる検出装置及び血液処理システムを提供することができる。 The present invention provides a detection device and blood processing system that can detect fluorescence generated by irradiating an object inside a tube with excitation light with high accuracy without increasing the complexity of the device.
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態の一例について説明する。なお、図面の上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。 An example of a preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that, unless otherwise specified, the positional relationships, such as up, down, left, and right, of the drawings, are based on the positional relationships shown in the drawings. The dimensional ratios of the drawings are not limited to the ratios shown. Furthermore, the following embodiment is an example for explaining the present invention, and is not intended to limit the present invention to only this embodiment. Furthermore, the present invention can be modified in various ways without departing from the spirit of the invention.
<透析システム>
図1は、本実施の形態に係る検出装置が搭載された血液処理システムとしての透析システム1の構成の概略を示す説明図である。
<Dialysis system>
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the outline of the configuration of a dialysis system 1 as a blood processing system equipped with a detection device according to this embodiment.
透析システム1は、例えば透析器10と、血液回路11と、透析液回路12と、排液回路13と、補液回路14と、制御装置15及び検出装置16等を備えている。 The dialysis system 1 includes, for example, a dialyzer 10, a blood circuit 11, a dialysate circuit 12, a drainage circuit 13, a replacement fluid circuit 14, a control device 15, and a detection device 16.
透析器10は、例えば中空糸膜を内蔵した中空糸モジュールであり、血液から不要成分を分離できる。透析器10は、筒状容器20を有し、筒状容器20の内部には、その長手方向に沿って多数本の中空糸膜21が配置されている。中空糸膜21は、血液から不要成分を分離することができる。筒状容器20の上部及び下部には、中空糸膜21の管内空間(血液側)に通じる入口22、出口23が設けられ、筒状容器20の側面部には、中空糸膜21の管外空間(透析液側)に通じる2つの出入口24、25が設けられている。 The dialyzer 10 is, for example, a hollow fiber module incorporating hollow fiber membranes, and is capable of separating unwanted components from blood. The dialyzer 10 has a cylindrical container 20, inside which numerous hollow fiber membranes 21 are arranged along the longitudinal direction. The hollow fiber membranes 21 are capable of separating unwanted components from blood. The top and bottom of the cylindrical container 20 are provided with an inlet 22 and an outlet 23 that lead to the intraluminal space (blood side) of the hollow fiber membranes 21, and the side of the cylindrical container 20 is provided with two inlets 24 and 25 that lead to the extraluminal space (dialysis fluid side) of the hollow fiber membranes 21.
血液回路11は、例えば脱血部30と透析器10とを接続する脱血ライン31と、透析器10と返血部32とを接続する返血ライン33を備えている。脱血ライン31と返血ライン33は、主に軟質チューブにより構成されている。脱血ライン31は、透析器10の入口22に接続され、返血ライン33は、透析器10の出口23に接続されている。 The blood circuit 11 includes, for example, a blood removal line 31 connecting the blood removal section 30 and the dialyzer 10, and a blood return line 33 connecting the dialyzer 10 and the blood return section 32. The blood removal line 31 and the blood return line 33 are mainly composed of flexible tubing. The blood removal line 31 is connected to the inlet 22 of the dialyzer 10, and the blood return line 33 is connected to the outlet 23 of the dialyzer 10.
脱血ライン31には、例えば血液ポンプ40が設けられている。また、脱血ライン31には、ドリップチャンバー41が接続されている。ドリップチャンバー41がない場合もある。 The blood removal line 31 is provided with, for example, a blood pump 40. A drip chamber 41 is also connected to the blood removal line 31. In some cases, the drip chamber 41 is not provided.
透析液回路12は、透析液の供給源(図示せず)から透析器10の出入口25に接続されている。排液回路13は、透析器10の出入口24から排液部(図示せず)に接続されている。透析液回路12や排液回路13には、透析液回路12を通じた透析器10への透析液の供給や排液回路13を通じた透析器10からの透析液の排液を行う図示しない給排液ポンプが設けられている。 The dialysate circuit 12 is connected from a dialysate supply source (not shown) to the inlet/outlet 25 of the dialyzer 10. The drainage circuit 13 is connected from the inlet/outlet 24 of the dialyzer 10 to a drainage section (not shown). The dialysate circuit 12 and the drainage circuit 13 are provided with a supply/drainage pump (not shown) that supplies dialysate to the dialyzer 10 via the dialysate circuit 12 and drains dialysate from the dialyzer 10 via the drainage circuit 13.
補液回路14は、例えば透析液回路12からドリップチャンバー41(血液回路11)に接続されている。ドリップチャンバー41がない場合には、補液回路14は、脱血ライン31に直接接続されている。補液回路14には、補液ポンプ50が設けられている。 The fluid replacement circuit 14 is connected, for example, from the dialysis fluid circuit 12 to the drip chamber 41 (blood circuit 11). If there is no drip chamber 41, the fluid replacement circuit 14 is connected directly to the blood removal line 31. The fluid replacement circuit 14 is provided with a fluid replacement pump 50.
血液回路11、透析液回路12及び補液回路14の流路は、主に、断面が円形のチューブにより構成されている。 The flow paths of the blood circuit 11, dialysis fluid circuit 12, and replacement fluid circuit 14 are mainly composed of tubes with circular cross sections.
制御装置15は、例えばコンピュータであり、例えば記憶部に記憶されたプログラムをCPUで実行することによって、血液ポンプ40や補液ポンプ50の動作を制御して、透析治療のための透析処理を実行することができる。なお、制御装置15と各種機器(血液ポンプ40や補液ポンプ50、検出装置16)との間の通信は、通信ケーブルなどの有線で行われてもよいし、Bluetooth(登録商標)などの無線でも行われてもよい。 The control device 15 is, for example, a computer, and can control the operation of the blood pump 40 and the fluid replacement pump 50 and perform dialysis treatment for dialysis therapy by, for example, executing a program stored in the memory unit using a CPU. Communication between the control device 15 and various devices (blood pump 40, fluid replacement pump 50, detection device 16) can be wired, such as via a communication cable, or wirelessly, such as via Bluetooth (registered trademark).
透析治療では、血液回路11において、患者の血液が脱血部30から透析器10の中空糸膜21の管内空間に送られ、透析器10を通過後、返血部32から患者に戻される。このとき、透析液が透析液回路12を通じて透析器10の中空糸膜21の管外空間に送られ、その後排液回路13を通じて排液される。透析器10では、中空糸膜21の管内空間を流れる血液中の主に不要成分が中空糸膜21を通って管外空間(透析液側)に流出し、透析液とともに排出される。透析液回路12の補液(透析液)が補液回路14を通じて血液回路11に供給され、血液中に所定の成分が補充される。なお、補液の補充が行われる血液透析濾過と、補液の補充が行われない血液透析がある。 During dialysis treatment, the patient's blood is sent from the blood removal section 30 to the intraluminal space of the hollow fiber membrane 21 of the dialyzer 10 in the blood circuit 11. After passing through the dialyzer 10, the blood is returned to the patient through the blood return section 32. At this time, dialysate is sent to the extraluminal space of the hollow fiber membrane 21 of the dialyzer 10 through the dialysate circuit 12 and then drained through the drainage circuit 13. In the dialyzer 10, primarily unwanted components in the blood flowing through the intraluminal space of the hollow fiber membrane 21 pass through the hollow fiber membrane 21 into the extraluminal space (dialysate side) and are discharged along with the dialysate. Replacement fluid (dialysate) from the dialysate circuit 12 is supplied to the blood circuit 11 through the replacement fluid circuit 14, replenishing the blood with specific components. There is hemodiafiltration, in which replacement fluid is replenished, and hemodialysis, in which replacement fluid is not replenished.
<検出装置>
検出装置16は、被検出物質としてのアルブミンを含む照射対象物(タンパク質溶液)としての透析排液に励起光を照射し、その透析排液から発生する蛍光を検出する光学モニタ70と、光学モニタ70により取得した蛍光のスペクトルの予め定められた波長範囲における複数波長の蛍光強度と予め設けられた検量モデルとに基づいて、透析排液に含まれるアルブミンの濃度を算出する濃度算出部71と、表示部72を備えている。なお、光学モニタ70、濃度算出部71及び表示部72の間の通信は、通信ケーブルなどの有線で行われてもよいし、Bluetooth(登録商標)などの無線でも行われてもよい。検出装置16は、制御装置15を含むものであってもよい。
<Detection device>
The detection device 16 includes an optical monitor 70 that irradiates a dialysis effluent, which is an irradiation target (protein solution) containing albumin as a detection target substance, with excitation light and detects fluorescence emitted from the dialysis effluent, a concentration calculation unit 71 that calculates the concentration of albumin contained in the dialysis effluent based on the fluorescence intensities of multiple wavelengths in a predetermined wavelength range of the fluorescence spectrum acquired by the optical monitor 70 and a predetermined calibration model, and a display unit 72. Note that communication between the optical monitor 70, the concentration calculation unit 71, and the display unit 72 may be performed via a wired connection such as a communication cable, or wirelessly via Bluetooth (registered trademark). The detection device 16 may include a control device 15.
光学モニタ70は、排液回路13に設けられている。図2は、光学モニタ70のチューブ60の流路方向Xに垂直な面で切断した断面を示す模式図であり、図3は、光学モニタ70のチューブ60の中心を通り流路方向Xに沿った面で切断した断面を示す模式図である。 The optical monitor 70 is provided in the drainage circuit 13. Figure 2 is a schematic diagram showing a cross section of the tube 60 of the optical monitor 70 taken along a plane perpendicular to the flow direction X, and Figure 3 is a schematic diagram showing a cross section of the tube 60 of the optical monitor 70 taken along a plane passing through the center of the tube 60 and along the flow direction X.
光学モニタ70は、例えば図2及び図3に示すように排液回路13のチューブ60内を流れる透析排液に対し励起光を照射する照射部80と、チューブ60内の透析排液から発生する蛍光を検出する検出部81と、モニタ本体部82を備えている。透析排液は、照射対象物の一例であり、透析排液中のアルブミンが被検出物質の一例である。 As shown in Figures 2 and 3, the optical monitor 70 includes an irradiation unit 80 that irradiates excitation light onto the dialysis effluent flowing through the tube 60 of the drainage circuit 13, a detection unit 81 that detects fluorescence emitted from the dialysis effluent in the tube 60, and a monitor main body 82. The dialysis effluent is an example of an object to be irradiated, and albumin in the dialysis effluent is an example of a substance to be detected.
チューブ60は、流路方向Xに垂直の断面が円形となる円筒形状を有する。チューブ60は、例えば10mm~40mm程度の外径を有し、5mm~35mm程度の内径を有する。チューブ60は、例えば透光性のある石英で形成されている。チューブ60は、排液回路13の上流側及び下流側の別体のチューブに接続されたものであってもよい。この場合、チューブ60は、別体のチューブよりも硬質のものであってもよい。また、チューブ60は、排液回路13の上流側及び下流側のチューブと一体化したものであってもよい。チューブ60は、光学モニタ70に含まれるものであってもよいし、光学モニタ70に含まれないものであってもよい。 The tube 60 has a cylindrical shape with a circular cross section perpendicular to the flow path direction X. The tube 60 has an outer diameter of, for example, approximately 10 mm to 40 mm and an inner diameter of, for example, approximately 5 mm to 35 mm. The tube 60 is made of, for example, translucent quartz. The tube 60 may be connected to separate tubes on the upstream and downstream sides of the drainage circuit 13. In this case, the tube 60 may be harder than the separate tubes. The tube 60 may also be integrated with the tubes on the upstream and downstream sides of the drainage circuit 13. The tube 60 may or may not be included in the optical monitor 70.
照射部80は、チューブ60内の透析排液に対し、アルブミンの蛍光を励起する波長の光を照射することができる。照射部80の光源は、特に限定されるものではないが、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ、重水素ランプ、LEDなどであり、LEDが好ましい。なお、照射部80から照射される励起光は、連続する波長を有するものであってもよいし、ある一つの値(例えば340nm)の波長を有するものであってもよい。 The irradiation unit 80 can irradiate the dialysis effluent in the tube 60 with light of a wavelength that excites the fluorescence of albumin. The light source of the irradiation unit 80 is not particularly limited, but may be, for example, a halogen lamp, xenon lamp, deuterium lamp, or LED, with LED being preferred. The excitation light irradiated from the irradiation unit 80 may have a continuous wavelength range, or may have a wavelength of a specific value (e.g., 340 nm).
検出部81は、例えば分光器である。検出部81は、チューブ60内の透析排液から発生する蛍光を検出して蛍光スペクトルを得る。照射部80と検出部81は、例えば排液回路13のチューブ60に対し互いに直角をなす方向に配置され、検出部81は、励起光と直角の角度で蛍光を取得している。 The detection unit 81 is, for example, a spectroscope. The detection unit 81 detects the fluorescence emitted from the dialysis effluent in the tube 60 to obtain a fluorescence spectrum. The irradiation unit 80 and detection unit 81 are, for example, arranged perpendicular to each other with respect to the tube 60 of the drainage circuit 13, and the detection unit 81 acquires the fluorescence at an angle perpendicular to the excitation light.
例えばモニタ本体部82は、チューブ60を保持する第1の保持部85と、照射部80を保持する第2の保持部86と、チューブ60の透析排液から生じる蛍光を集光し検出部81に誘導する導管部87等を備えている。 For example, the monitor main body 82 includes a first holder 85 that holds the tube 60, a second holder 86 that holds the irradiation unit 80, and a conduit 87 that collects fluorescence emitted from the dialysis effluent in the tube 60 and guides it to the detection unit 81.
第1の保持部85は、円形のチューブ60を複数個所、例えば3か所で保持する。例えば第1の保持部85は、チューブ60の一カ所を保持する第1の部分85aと、チューブ60の二カ所を保持する第2の部分85bを有している。第1の部分85aは、チューブ60の検出部81の反対側の下部を保持する。第2の部分85bは、チューブ60の検出部81側の下部と上部を保持する。第1の部分85aと第2の部分85bとの間には、チューブ60が外部に露出する開口部85cが形成されている。第2の保持部86は、第1の保持部85上で照射部80を保持し固定している。照射部80は、チューブ60の上方に位置し、励起光の光軸L1が鉛直方向の下に向くように固定されている。なお、励起光(照射部80)とチューブ60との上下関係等は任意に選択が可能である。一方、チューブ60内を泡が通過する場合、励起光が散乱され検出に悪影響を及ぼす可能性があるが、照射部80が励起光をチューブ60の下方から照射する構成とすることで泡が励起光(照射部80)と反対側のチューブ60の壁面付近を移動することとなり、この影響を抑制することができる。 The first holding unit 85 holds the circular tube 60 at multiple locations, for example, three locations. For example, the first holding unit 85 has a first portion 85a that holds the tube 60 at one location and a second portion 85b that holds the tube 60 at two locations. The first portion 85a holds the lower portion of the tube 60 on the side opposite the detection unit 81. The second portion 85b holds the lower and upper portions of the tube 60 on the detection unit 81 side. An opening 85c is formed between the first portion 85a and the second portion 85b, exposing the tube 60 to the outside. The second holding unit 86 holds and fixes the irradiation unit 80 on the first holding unit 85. The irradiation unit 80 is located above the tube 60 and is fixed so that the optical axis L1 of the excitation light faces vertically downward. The vertical relationship between the excitation light (irradiation unit 80) and the tube 60 can be selected as desired. On the other hand, when bubbles pass through the tube 60, the excitation light may be scattered, which may have a negative effect on detection. However, by configuring the irradiation unit 80 to irradiate the tube 60 with excitation light from below, the bubbles move near the wall of the tube 60 on the side opposite the excitation light (irradiation unit 80), which can mitigate this effect.
導管部87は、例えば円筒形状を有する。導管部87の先端には、第1の保持部85が固定されている。導管部87の中心軸は、励起光の光軸L1に直角であり、チューブ60の中心Oを通りチューブ60の流路方向Xに対し直角の水平方向Yの外方に向けられている。導管部87の内部には、チューブ60内の透析排液から生じた蛍光を集光する集光レンズ88が配置されている。導管部87の後端の中心軸上には、検出部81が固定されている。検出部81は、検出する蛍光の光軸L2が導管部87の中心軸と一致するように固定されている。 The conduit section 87 has, for example, a cylindrical shape. A first holding section 85 is fixed to the tip of the conduit section 87. The central axis of the conduit section 87 is perpendicular to the optical axis L1 of the excitation light, passes through the center O of the tube 60, and is directed outward in the horizontal direction Y perpendicular to the flow direction X of the tube 60. A focusing lens 88 is disposed inside the conduit section 87, which focuses fluorescence generated from the dialysis effluent in the tube 60. A detection section 81 is fixed on the central axis of the rear end of the conduit section 87. The detection section 81 is fixed so that the optical axis L2 of the fluorescence to be detected coincides with the central axis of the conduit section 87.
図2に示すように照射部80と検出部81は、照射部80が照射する励起光の光軸L1と検出部81が検出する蛍光の光軸L2が互いに直角になるように配置されている。励起光の光軸L1と蛍光の光軸L2は、チューブ60の流路方向Xに対して直角となる。 As shown in Figure 2, the irradiation unit 80 and the detection unit 81 are arranged so that the optical axis L1 of the excitation light emitted by the irradiation unit 80 and the optical axis L2 of the fluorescence detected by the detection unit 81 are perpendicular to each other. The optical axis L1 of the excitation light and the optical axis L2 of the fluorescence are perpendicular to the flow direction X of the tube 60.
図4は、照射部80の励起光の光軸L1、チューブ60及び検出部81の蛍光の光軸L2の位置関係を示す説明図である。図4に示すようにチューブ60を流路方向Xから見た断面(チューブ60を流路方向Xに垂直な面で切断した縦断面)において、照射部80は、励起光を鉛直方向の下方向に向けて照射する。照射部80は、励起光の光軸L1がチューブ60の表面に接触する位置(励起光照射位置)P1が、チューブ60の水平方向Yの中心O(中心Oを通り光軸L1に平行な中心軸C)に対し、検出部81が配置された第1の側(図4の検出側S1)と反対の第2の側(図4の非検出側S2)にずれるように配置されている。例えば励起光照射位置P1は、チューブ60の中心Oから非検出側S2に所定の距離Y1ずれている。所定のずれ量Y1は、例えば、チューブ外径が14mm、内径が11mmとした場合、0.5mm以上3mm以下が好ましく、1mm以上2mm以下がさらに好ましい。 Figure 4 is an explanatory diagram showing the positional relationship between the optical axis L1 of the excitation light from the irradiation unit 80 and the optical axis L2 of the fluorescence from the tube 60 and the detection unit 81. As shown in Figure 4 , in a cross section of the tube 60 viewed from the flow path direction X (a longitudinal cross section of the tube 60 cut along a plane perpendicular to the flow path direction X), the irradiation unit 80 irradiates the excitation light vertically downward. The irradiation unit 80 is positioned so that the position P1 (excitation light irradiation position) where the optical axis L1 of the excitation light contacts the surface of the tube 60 is offset from the center O of the tube 60 in the horizontal direction Y (the central axis C passing through the center O and parallel to the optical axis L1) to the second side (non-detection side S2 in Figure 4 ) opposite the first side (detection side S1 in Figure 4 ) where the detection unit 81 is located. For example, the excitation light irradiation position P1 is offset a predetermined distance Y1 from the center O of the tube 60 toward the non-detection side S2. For example, if the tube outer diameter is 14 mm and the inner diameter is 11 mm, the predetermined deviation amount Y1 is preferably 0.5 mm or more and 3 mm or less, and more preferably 1 mm or more and 2 mm or less.
また、励起光照射位置P1は、チューブ60の内部に形成される励起光の光路Eの長さLとチューブ60の内径Dの比が0.90≦L/D<1となるように設定されている。チューブ60の内部の励起光の光路Eの長さLとチューブ60の内径Dとの比は、好ましくは0.950≦L/D≦0.995である。チューブ60に入射する励起光は、チューブ60の表面と内面等で屈折する。このため、チューブ60内の励起光の光路Eは、励起光の光軸L1に対し傾斜していてもよい。 Furthermore, the excitation light irradiation position P1 is set so that the ratio of the length L of the optical path E of the excitation light formed inside the tube 60 to the inner diameter D of the tube 60 is 0.90≦L/D<1. The ratio of the length L of the optical path E of the excitation light inside the tube 60 to the inner diameter D of the tube 60 is preferably 0.950≦L/D≦0.995. The excitation light incident on the tube 60 is refracted at the surface and inner surfaces of the tube 60. For this reason, the optical path E of the excitation light inside the tube 60 may be inclined with respect to the optical axis L1 of the excitation light.
検出部81は、チューブ60に対し水平方向Yで励起光の光軸L1と直角をなす方向から蛍光を受光する。検出部81は、蛍光の光軸L2が励起光の光軸L1と直角をなしチューブ60の中心Oを通るように配置されている。 The detection unit 81 receives fluorescence from a direction horizontal to the tube 60, Y, perpendicular to the optical axis L1 of the excitation light. The detection unit 81 is positioned so that the optical axis L2 of the fluorescence is perpendicular to the optical axis L1 of the excitation light and passes through the center O of the tube 60.
濃度算出部71は、コンピュータである。図5に示すように濃度算出部71は、光学モニタ70で取得された蛍光スペクトルの予め定められた波長範囲における複数波長の蛍光強度の情報と、多変量解析により得られた検量モデルとを用いて、透析排液中のアルブミンの濃度を算出する濃度計算部90と、濃度計算部90で得られたアルブミン濃度を記憶する記憶部91と、予め検量モデルを作成する検量モデル作成部92を有している。 The concentration calculation unit 71 is a computer. As shown in FIG. 5, the concentration calculation unit 71 includes a concentration calculation unit 90 that calculates the concentration of albumin in the dialysis effluent using information on the fluorescence intensity of multiple wavelengths in a predetermined wavelength range of the fluorescence spectrum acquired by the optical monitor 70 and a calibration model obtained by multivariate analysis; a memory unit 91 that stores the albumin concentration obtained by the concentration calculation unit 90; and a calibration model creation unit 92 that creates a calibration model in advance.
検量モデル作成部92は、例えば光学モニタ70から、アルブミン濃度が既知でアルブミン濃度の異なる疑似透析排液の蛍光スペクトルを取得し、多変量解析により検量モデルMを事前に作成する。検量モデルMを作成するための多変量解析は、部分最小二乗(PLS)回帰分析、主成分回帰分析、重回帰分析、サポートベクターマシーン回帰分析、又は機械学習解析のいずれかであってもよい。作成された検量モデルMは、例えば記憶部91に記憶され、濃度計算部90における計算プロセスにおいてパラメータとして用いられる。なお、あらかじめ求められた検量モデルMを記憶部91に記憶させておき、それを用いても構わない。 The calibration model creation unit 92 acquires, for example, from the optical monitor 70, fluorescence spectra of simulated dialysis effluents with known albumin concentrations and different albumin concentrations, and creates a calibration model M in advance by multivariate analysis. The multivariate analysis used to create the calibration model M may be partial least squares (PLS) regression analysis, principal component regression analysis, multiple regression analysis, support vector machine regression analysis, or machine learning analysis. The created calibration model M is stored, for example, in the memory unit 91, and used as a parameter in the calculation process in the concentration calculation unit 90. Note that a previously calculated calibration model M may also be stored in the memory unit 91 and used.
検量モデルMの一例を以下に示す。検量モデルMは、得られた蛍光スペクトルの各波長の蛍光強度ごとに係数を掛け合わせ、それらの和をとることで、アルブミンの算出濃度Cを求める式として表すことができる。検量モデルMは、具体的には(1)式のように表される。
C=a1×I1+a2×I2+・・・+an×In+K・・・(1)
C:アルブミンの算出濃度、an:係数、In:蛍光強度、K:定数、添え字n:蛍光のスペクトルを取得した各波長を短い方から番号付けした自然数(例:波長300nm、310nm、320nm、・・・、400nmならば、添え字は1、2、3、・・・、11となる)
An example of the calibration model M is shown below. The calibration model M can be expressed as an equation for determining the calculated albumin concentration C by multiplying the fluorescence intensity at each wavelength of the obtained fluorescence spectrum by a coefficient and then summing them. Specifically, the calibration model M is expressed as in equation (1).
C=a 1 ×I 1 +a 2 ×I 2 +...+a n ×I n +K... (1)
C: calculated albumin concentration, a n : coefficient, I n : fluorescence intensity, K: constant, subscript n: natural number representing each wavelength at which the fluorescence spectrum was acquired, starting from the shortest (e.g., for wavelengths of 300 nm, 310 nm, 320 nm, ..., 400 nm, the subscripts would be 1, 2, 3, ..., 11).
濃度計算部90は、透析治療の実時間で光学モニタ70から透析排液の蛍光スペクトルを取得し、当該蛍光スペクトルの予め定められた波長範囲における複数波長の蛍光強度と事前に作成された検量モデルMからアルブミン濃度を計算する。 The concentration calculation unit 90 acquires the fluorescence spectrum of the dialysis effluent from the optical monitor 70 in real time during dialysis treatment, and calculates the albumin concentration from the fluorescence intensity of multiple wavelengths in a predetermined wavelength range of the fluorescence spectrum and a pre-created calibration model M.
表示部72は、例えばパネルディスプレイであり、濃度計算部90で算出されたアルブミン濃度等を表示する。なお、以上の制御装置15、濃度算出部71及び表示部72は、同じコンピュータで実現される手段、機能であってもよい。 The display unit 72 is, for example, a panel display, and displays the albumin concentration calculated by the concentration calculation unit 90. Note that the control device 15, concentration calculation unit 71, and display unit 72 may be implemented as means and functions on the same computer.
次に、以上のように構成された検出装置16の動作の一例を説明する。 Next, we will explain an example of the operation of the detection device 16 configured as described above.
検出装置16は、透析治療中に排液回路13の透析排液中のアルブミン濃度を実時間で連続的或いは断続的に算出する。透析排液は、流量が10mL/min以上1000mL/min以下の連続流となっている。 The detection device 16 continuously or intermittently calculates the albumin concentration in the dialysis effluent in the drainage circuit 13 in real time during dialysis treatment. The dialysis effluent flows continuously at a flow rate of 10 mL/min or more and 1000 mL/min or less.
具体的には、光学モニタ70の照射部80が、励起光を発光し、チューブ60内の透析排液に照射される。検出部81が、チューブ60内の透析排液から発生する蛍光を検出する。 Specifically, the irradiation unit 80 of the optical monitor 70 emits excitation light, which is irradiated onto the dialysis effluent in the tube 60. The detection unit 81 detects the fluorescence emitted from the dialysis effluent in the tube 60.
このとき、照射部80のチューブ60に対する励起光照射位置P1は、チューブ60の中心Oに対し、検出部81と反対の非検出側S2に所定のずれ量Y1だけずれている。検出部81は、励起光の光軸L1と直角をなす方向から蛍光を受光する。 At this time, the excitation light irradiation position P1 of the irradiation unit 80 on the tube 60 is shifted by a predetermined amount Y1 from the center O of the tube 60 to the non-detection side S2 opposite the detection unit 81. The detection unit 81 receives fluorescence from a direction perpendicular to the optical axis L1 of the excitation light.
照射部80から照射される励起光は、アルブミンのサブピークとなる蛍光を励起する300nm以上400nm以下の間の波長の光を含んでいる。なお、励起光は、310nm以上380nm以下の間の波長の光、320nm以上350nm以下の間の波長の光、330nm以上350nm以下の間の波長の光、340nm以上350nm以下の間の波長の光を含んでいてもよい。 The excitation light emitted from the irradiation unit 80 includes light with a wavelength between 300 nm and 400 nm, which excites the fluorescence that forms the sub-peak of albumin. The excitation light may also include light with a wavelength between 310 nm and 380 nm, light with a wavelength between 320 nm and 350 nm, light with a wavelength between 330 nm and 350 nm, and light with a wavelength between 340 nm and 350 nm.
検出部81は、図6に示すような蛍光スペクトルを検出する。検出部81で検出される蛍光スペクトルは、励起光の波長下限に10nmを加算した波長以上、励起光の波長上限に450nmを加算した波長以下の範囲であってもよいし、また、励起光の波長下限に10nmを加算した波長以上、励起光の波長上限に400nmを加算した波長以下の範囲であってもよい。検出部81で検出される蛍光の波長範囲は、例えば310nm以上850nm以下である。検出部81では、得られた蛍光スペクトルの波長範囲の380nm以上480nm以下にある強度最大値の数値に基づいて計測に関わるパラメータを調節し、検出部81のセンサの計測上限内で計測されるようにする。 The detection unit 81 detects a fluorescence spectrum as shown in FIG. 6. The fluorescence spectrum detected by the detection unit 81 may be in a range from the wavelength obtained by adding 10 nm to the lower wavelength limit of the excitation light to the wavelength obtained by adding 450 nm to the upper wavelength limit of the excitation light, or may be in a range from the wavelength obtained by adding 10 nm to the lower wavelength limit of the excitation light to the wavelength obtained by adding 400 nm to the upper wavelength limit of the excitation light. The wavelength range of the fluorescence detected by the detection unit 81 is, for example, from 310 nm to 850 nm. The detection unit 81 adjusts measurement-related parameters based on the maximum intensity value in the wavelength range of 380 nm to 480 nm of the obtained fluorescence spectrum, so that the measurement is within the upper measurement limit of the sensor of the detection unit 81.
濃度算出部71の濃度計算部90は、検出部81で検出された蛍光スペクトルの予め定められた波長範囲における複数波長の蛍光強度と検量モデルMに基づいて透析排液に含まれるアルブミン濃度を算出する。濃度計算部90は、透析治療の実時間で連続的或いは断続的に透析排液中のアルブミン濃度を算出する。濃度計算部90で算出されたアルブミン濃度は、その都度記憶部91に記憶される。このアルブミン濃度は、例えばリアルタイムで表示部72に表示される。 The concentration calculation unit 90 of the concentration calculation unit 71 calculates the albumin concentration contained in the dialysis effluent based on the fluorescence intensity of multiple wavelengths in a predetermined wavelength range of the fluorescence spectrum detected by the detection unit 81 and the calibration model M. The concentration calculation unit 90 calculates the albumin concentration in the dialysis effluent continuously or intermittently in real time during dialysis treatment. The albumin concentration calculated by the concentration calculation unit 90 is stored in the memory unit 91 each time. This albumin concentration is displayed on the display unit 72, for example, in real time.
なお、検量モデルMは、検量モデル作成部92において透析治療開始前に予め作成され、記憶部91に記憶されている。検量モデルMは、例えば光学モニタ70からアルブミン濃度の異なる疑似透析排液の蛍光スペクトルを取得し、多変量解析により作成される。多変量解析には、例えば部分最小二乗(PLS)回帰分析、主成分回帰分析、重回帰分析、サポートベクターマシーン回帰分析、又は機械学習解析が用いられる。 The calibration model M is created in advance by the calibration model creation unit 92 before the start of dialysis treatment and stored in the memory unit 91. The calibration model M is created, for example, by acquiring fluorescence spectra of simulated dialysis effluents with different albumin concentrations from the optical monitor 70 and performing multivariate analysis. Multivariate analysis may use, for example, partial least squares (PLS) regression analysis, principal component regression analysis, multiple regression analysis, support vector machine regression analysis, or machine learning analysis.
本実施の形態によれば、検出装置16が、チューブ60内にある、アルブミンを含む透析排液に励起光を照射する照射部80と、チューブ60内にある透析排液から発生する蛍光を検出する検出部81と、を備え、チューブ60は、断面が円形になる形状を有し、照射部80と検出部81は、励起光の光軸L1と蛍光の光軸L2が互いに直角になるように配置され、照射部80は、励起光の光軸L1がチューブ60の表面に接触する位置P1が、チューブ60における蛍光の光軸L2の方向の中心Oに対し、検出部81が配置された第1の側と反対の第2の側にずれるように配置されている。かかる検出装置16によれば、断面が円形のチューブ60を用いて、例えば他のチューブとの接続が簡単になるので、装置の構造を簡略化することができる。そして、励起光の光軸L1がチューブ60の表面に接触する位置P1が、チューブ60の中心Oに対し、検出部81と反対の非検出側S2にずれているので、励起光がチューブ60の表面や内面等で反射して蛍光に漏れ込み検出部81で検出されることが抑制される。この結果、蛍光を高い精度で検出することができる。 According to this embodiment, the detection device 16 includes an irradiation unit 80 that irradiates excitation light onto the dialysis effluent containing albumin within the tube 60, and a detection unit 81 that detects fluorescence emitted from the dialysis effluent within the tube 60. The tube 60 has a circular cross-section, and the irradiation unit 80 and detection unit 81 are arranged so that the optical axis L1 of the excitation light and the optical axis L2 of the fluorescence are perpendicular to each other. The irradiation unit 80 is arranged so that the position P1 at which the optical axis L1 of the excitation light contacts the surface of the tube 60 is shifted to a second side opposite the first side on which the detection unit 81 is arranged, with respect to the center O of the tube 60 in the direction of the optical axis L2 of the fluorescence. With this detection device 16, the use of a tube 60 with a circular cross-section simplifies connection to, for example, other tubes, thereby simplifying the device structure. Furthermore, because the position P1 where the optical axis L1 of the excitation light contacts the surface of the tube 60 is shifted toward the non-detection side S2 opposite the detection unit 81 with respect to the center O of the tube 60, the excitation light is prevented from reflecting off the surface or inner surface of the tube 60, leaking into the fluorescence, and being detected by the detection unit 81. As a result, the fluorescence can be detected with high accuracy.
励起光の光軸L1がチューブ60の表面に接触する位置P1は、チューブ60の内部に形成される励起光の光路Eの長さLとチューブ60の内径Dとの比が0.90≦L/D<1となるように設定されている。これにより、チューブ60の内部の励起光の光路Eが十分に確保され、透析排液に対する励起光の照射領域が十分に確保される。この結果、透析排液から生じる蛍光の強度が確保され、検出部81が強度の高い蛍光を検出することができる。 The position P1 where the optical axis L1 of the excitation light contacts the surface of the tube 60 is set so that the ratio of the length L of the optical path E of the excitation light formed inside the tube 60 to the inner diameter D of the tube 60 is 0.90≦L/D<1. This ensures that the optical path E of the excitation light inside the tube 60 is sufficiently secured, and the area irradiated with the excitation light on the dialysis effluent is sufficiently secured. As a result, the intensity of the fluorescence generated from the dialysis effluent is secured, allowing the detection unit 81 to detect high-intensity fluorescence.
検出部81は、蛍光の光軸L2がチューブ60の中心Oを通過するように配置されている。これにより、検出部81が強度の高い蛍光を検出することができる。なお、蛍光の光軸L2は、チューブ60の中心Oからずれていてもよい。 The detection unit 81 is positioned so that the optical axis L2 of the fluorescence passes through the center O of the tube 60. This allows the detection unit 81 to detect high-intensity fluorescence. Note that the optical axis L2 of the fluorescence may be offset from the center O of the tube 60.
透析システム1は、検出部81による蛍光の検出に基づいて被検出物質の濃度を算出する濃度算出部71を備え、濃度算出部71は、検量モデルMを用いてアルブミンの濃度を算出している。これにより、精度の高いアルブミンの濃度を算出することができる。 The dialysis system 1 is equipped with a concentration calculation unit 71 that calculates the concentration of the target substance based on the fluorescence detected by the detection unit 81, and the concentration calculation unit 71 calculates the albumin concentration using a calibration model M. This allows for highly accurate calculation of the albumin concentration.
照射対象物は、透析排液であり、チューブ60内を連続的に流れるものである。この場合、蛍光の強度が透析排液の流動により影響を受けるが、励起光の蛍光への漏れ込みを抑制することで、蛍光を高い精度で検出することができる。この結果、例えばアルブミンの濃度の算出も高い精度で行うことができる。 The object to be irradiated is the dialysis effluent, which flows continuously within the tube 60. In this case, the intensity of the fluorescence is affected by the flow of the dialysis effluent, but by suppressing leakage of the excitation light into the fluorescence, the fluorescence can be detected with high accuracy. As a result, for example, the concentration of albumin can also be calculated with high accuracy.
医療現場で使用される場合、透析システム1に搭載される検出装置16は小型であることが望まれる。このため、照射部80の光源としてLEDを用いることは望ましい。しかし、その一方で、LEDが発する光の波長は単一では無く、ピーク波長の周辺波長も含む。そのため、励起光の波長に近い波長域を含むことになり得る蛍光を検出部81で検出する場合、蛍光に比べて光強度が高い励起光の蛍光への漏れ込みは、検出部81の検出精度を悪化させ得る。本実施の形態によれば、励起光の蛍光への漏れ込みが抑制されるため、照射部80の光源にLEDを使用して検出装置16の小型化を図りつつ、蛍光を高い精度で検出することができる。 When used in a medical setting, the detection device 16 installed in the dialysis system 1 is desirably small. For this reason, it is desirable to use an LED as the light source of the irradiation unit 80. However, the wavelength of light emitted by an LED is not single, but also includes wavelengths surrounding the peak wavelength. Therefore, when the detection unit 81 detects fluorescence that may include a wavelength range close to the wavelength of the excitation light, leakage of excitation light, which has a higher light intensity than fluorescence, into the fluorescence can deteriorate the detection accuracy of the detection unit 81. According to this embodiment, leakage of excitation light into fluorescence is suppressed, so by using an LED as the light source of the irradiation unit 80, the detection device 16 can be miniaturized while still allowing for highly accurate detection of fluorescence.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The above describes preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is clear that those skilled in the art will be able to conceive of various modifications and alterations within the scope of the ideas set forth in the claims, and it is understood that these also naturally fall within the technical scope of the present invention.
例えば以上の実施の形態では、励起光を照射する照射対象物が、排液回路13の透析排液であったが、透析システム1の他の回路を流れる液体であってもよい。被検出物質がアルブミンであったが、他の物質であってもよい。検出装置16は、透析排液に含まれるアルブミンの濃度を算出するものであったが、本発明に係る検出装置は、透析排液に含まれるアルブミン以外の他の物質の濃度を算出するものであってもよいし、透析排液以外の照射対象物に含まれるアルブミンや、その他の物質の濃度を算出するものであってもよい。なお、物質によっては好適な励起光の波長が異なる場合もあるので適宜選択するのが望ましい。 For example, in the above embodiment, the object to be irradiated with excitation light was the dialysis effluent in the drainage circuit 13, but it may also be a liquid flowing through another circuit in the dialysis system 1. The substance to be detected was albumin, but it may also be another substance. While the detection device 16 calculates the concentration of albumin contained in the dialysis effluent, the detection device of the present invention may calculate the concentration of a substance other than albumin contained in the dialysis effluent, or may calculate the concentration of albumin or another substance contained in an object to be irradiated other than the dialysis effluent. Note that the wavelength of the excitation light that is most suitable may vary depending on the substance, so it is desirable to select an appropriate wavelength.
また透析システム1の構成は上記実施の形態のように血液透析濾過を行うものに限られない。例えば透析システム1において血液透析を行う場合に、補液ポンプ50や補液回路14は使用しなくてもよい。補液回路14は、脱血ライン31でなく返血ライン33に接続されていてもよい。また、透析システムに限らず他の血液処理を行う血液処理システムにも本発明は適用できる。例えば血漿交換療法、白血球除去療法、持続緩徐式血液濾過療法などを行う血液処理システムにも本発明は適用できる。血液処理システム以外で蛍光の検出が必要なシステムにも本発明は適用できる。 Furthermore, the configuration of the dialysis system 1 is not limited to that of performing hemodiafiltration as in the above embodiment. For example, when performing hemodialysis in the dialysis system 1, the fluid replacement pump 50 and fluid replacement circuit 14 do not need to be used. The fluid replacement circuit 14 may be connected to the blood return line 33 instead of the blood removal line 31. Furthermore, the present invention is not limited to dialysis systems and can be applied to blood processing systems that perform other blood processes. For example, the present invention can be applied to blood processing systems that perform plasma exchange therapy, leukocyte removal therapy, continuous slow hemofiltration therapy, etc. The present invention can also be applied to systems other than blood processing systems that require fluorescence detection.
(実験1)
チューブに照射される励起光の光軸の位置による、励起光の検出部への漏れ込み量の違いを計測した。
(Experiment 1)
The difference in the amount of excitation light leaking into the detection unit depending on the position of the optical axis of the excitation light irradiating the tube was measured.
図7は、本実験に用いた光学モニタ(蛍光分光光度計)の実験機である。図7の実験機は、上記光学モニタ70と基本構造は同じであるが、さらに、照射部80の励起光の光軸L1を、チューブ60の流路方向Xに直角の水平方向Yに移動させることができる。照射部80の励起光の光源には、LEDを用いた。蛍光を取得する検出部81には、CA12880MA(浜松ホトニクス社製)を用いた。ここで、照射部80の励起光の光軸L1の位置、すなわち励起光の光軸L1がチューブ60に当たる位置(励起光照射位置P1)が、チューブ60の頂点(中心O)に対し検出部81から遠ざかる方向をプラス方向、逆に検出部81に近づく方向をマイナス方向とする。 Figure 7 shows the experimental optical monitor (fluorescence spectrophotometer) used in this experiment. The experimental device in Figure 7 has the same basic structure as the optical monitor 70 described above, but it can also move the optical axis L1 of the excitation light from the irradiation unit 80 in the horizontal direction Y, perpendicular to the flow direction X of the tube 60. An LED was used as the light source of the excitation light for the irradiation unit 80. A CA12880MA (manufactured by Hamamatsu Photonics KK) was used as the detection unit 81, which acquires the fluorescence. Here, the direction in which the position of the optical axis L1 of the excitation light from the irradiation unit 80, i.e., the position where the optical axis L1 of the excitation light strikes the tube 60 (excitation light irradiation position P1), moves away from the detection unit 81 relative to the apex (center O) of the tube 60, is defined as a positive direction, and the direction in which it moves closer to the detection unit 81 is defined as a negative direction.
また、図7の実験機は、検出部81の蛍光の光軸L2に絞り130を着脱自在である。絞り130は、検出部81への励起光の漏れ込みを抑制するものである。この絞り130が有る場合の受光量と、絞り130が無い場合の受光量との差が、検出部81への励起光の漏れ込み量に相当する。チューブ内の照射対象物となる試料は励起光の漏れ込みを計測するために蛍光をほとんど発しないリン酸緩衝液を用いた。380nm~480nmの蛍光スペクトルの極大値が検出部のセンサの計測上限内になるように、LEDの駆動電流を200mA、検出器の積分時間を0.5sとした。 The experimental device in Figure 7 also has a detachable diaphragm 130 attached to the optical axis L2 of the fluorescence from the detection unit 81. The diaphragm 130 prevents excitation light from leaking into the detection unit 81. The difference between the amount of light received with the diaphragm 130 and the amount of light received without the diaphragm 130 corresponds to the amount of excitation light leaking into the detection unit 81. A phosphate buffer solution that emits almost no fluorescence was used as the sample to be irradiated inside the tube in order to measure the leakage of excitation light. The LED drive current was set to 200 mA and the detector integration time to 0.5 seconds so that the maximum value of the fluorescence spectrum from 380 nm to 480 nm was within the measurement limit of the detection unit sensor.
図8は、励起光照射位置P1を-2mm、すなわち検出部81に近づく方向にずらした時の検出部81による検出結果である。絞り130の有無で大きく受光量が変化しており励起光由来の光が多く検出部81で検出されていることがわかる。 Figure 8 shows the detection results by the detection unit 81 when the excitation light irradiation position P1 is shifted by -2 mm, i.e., in the direction closer to the detection unit 81. It can be seen that the amount of light received changes significantly depending on whether or not the diaphragm 130 is present, and that a large amount of light originating from the excitation light is detected by the detection unit 81.
図9は、励起光照射位置P1を+2mm、すなわち検出部81から遠ざかる方向にずらした時の検出部81による検出結果である。絞り130の有無で受光量は変化せず励起光由来の光はほとんど検出部81で検出されていないことがわかる。 Figure 9 shows the detection results by the detection unit 81 when the excitation light irradiation position P1 is shifted by +2 mm, i.e., in the direction away from the detection unit 81. It can be seen that the amount of light received does not change with or without the diaphragm 130, and that almost no light originating from the excitation light is detected by the detection unit 81.
蛍光は励起光に比べて微弱であるため、励起光が多く漏れ込むことは蛍光の検出に影響を与えることになる。特に励起光の光源にLEDを用いる場合、LED光はその性質上発光波長に幅を持ち、励起光と蛍光の波長差が大きくないため、その検出部への漏れ込みは、蛍光の検出に大きく影響する。これらの結果より励起光の検出部への影響を抑制するためには、励起光の励起光照射位置を検出部側から遠ざかる側にずらして設定することが有効である。 Since fluorescence is weaker than excitation light, leakage of a large amount of excitation light will affect fluorescence detection. In particular, when an LED is used as the light source for excitation light, LED light has a range of emission wavelengths by nature, and the wavelength difference between excitation light and fluorescence is not large, so leakage of this light into the detection unit will have a significant impact on fluorescence detection. Based on these results, in order to reduce the impact of excitation light on the detection unit, it is effective to shift the irradiation position of the excitation light away from the detection unit.
(実験2)
検出装置を用いて、複数の励起光照射位置P1でアルブミン濃度を算出した例を示す。光学モニタには図7に示した実験機を用いた。
(Experiment 2)
An example is shown in which the albumin concentration was calculated at a plurality of excitation light irradiation positions P1 using a detection device. The experimental device shown in Figure 7 was used as the optical monitor.
実験に用いた疑似透析液の成分を以下の表1に示す。溶媒はリン酸緩衝液(pH7.4)を使用した。 The components of the simulated dialysis fluid used in the experiment are shown in Table 1 below. The solvent used was phosphate buffer (pH 7.4).
作製した疑似透析排液を流量600mL/minでチューブに流し、光学モニタにおいてピーク波長340nm(半値幅10nm)の励起光としてのLED光を疑似透析排液に照射して、蛍光スペクトルを取得した。380nm~480nmの蛍光スペクトルの極大値が検出部のセンサの計測上限内になるように、LEDの駆動電流を200mA、検出器の積分時間を0.5sとした。得られた蛍光スペクトルから検量モデルを多変量解析を用いて事前に作成した。検量モデルから、既知の複数のアルブミン濃度の疑似透析排液を用いて、本発明の検出装置によりアルブミン濃度を算出し、その推定濃度と実濃度の適合性を検証するとともに、検量モデルの精度を検証した。 The prepared simulated dialysis effluent was passed through a tube at a flow rate of 600 mL/min, and the simulated dialysis effluent was irradiated with LED light as excitation light with a peak wavelength of 340 nm (half-width 10 nm) in an optical monitor to obtain a fluorescence spectrum. The LED drive current was set to 200 mA and the detector integration time to 0.5 s so that the maximum value of the fluorescence spectrum from 380 nm to 480 nm was within the upper measurement limit of the detection sensor. A calibration model was created in advance from the obtained fluorescence spectrum using multivariate analysis. From the calibration model, albumin concentrations were calculated using the detection device of the present invention using simulated dialysis effluents with multiple known albumin concentrations, and the compatibility of the estimated concentrations with the actual concentrations was verified, as well as the accuracy of the calibration model.
検出部に用いたチューブは、内径が11mm、外径が14mmの石英チューブである。 The tube used in the detection section is a quartz tube with an inner diameter of 11 mm and an outer diameter of 14 mm.
推定濃度と実濃度の適合性及び検量モデルの精度の指標として実濃度と推定濃度の差から得られる二乗平均平方根誤差(RMSE)を以下の式(2)から求め使用した。
RMSE ={[Σ((Cei-Cki)^2)]/n}^0.5 ・・・(2)
RMSE:二乗平均平方根誤差、Ce:推定濃度、Ck:実濃度、添え字i:i番目のサンプル、n:サンプル数。
As an index of the compatibility between the estimated concentration and the actual concentration and the accuracy of the calibration model, the root mean square error (RMSE) obtained from the difference between the actual concentration and the estimated concentration was calculated using the following formula (2) and used.
RMSE = {[Σ((Ce i - Ck i )^2)]/n}^0.5 ... (2)
RMSE: root mean square error, Ce: estimated concentration, Ck: actual concentration, subscript i: ith sample, n: number of samples.
図10は、励起光照射位置P1を0mm、すなわちチューブの頂点(中心O)と一致させた時のアルブミンの実濃度と推定濃度の結果を示すグラフである。図11は、励起光照射位置P1を-2mm、すなわち検出部に近づく方向にずらした時のアルブミンの実濃度と推定濃度の結果を示すグラフである。図10、図11から、励起光照射位置P1が0mmの場合と励起光照射位置P1が-2mmの場合はほぼ同等の結果であったが、両者のRMSEの値は1mg/dlより大きな値となった。図10乃至図13において、グラフ中の実線は、実濃度と、モデルから計算で得た推定濃度とが完全に一致する線である。グラフ中のプロットは、実験に用いられた種々のアルブミンにおける、実濃度と、モデルから計算で得た推定濃度との関係を示すものである。なお、アルブミンの濃度が同じでも他に含まれる物質の濃度が違う影響で推定濃度が若干変化する。 Figure 10 is a graph showing the actual and estimated albumin concentrations when the excitation light irradiation position P1 was set to 0 mm, i.e., aligned with the apex (center O) of the tube. Figure 11 is a graph showing the actual and estimated albumin concentrations when the excitation light irradiation position P1 was shifted to -2 mm, i.e., toward the detection unit. Figures 10 and 11 show that the results were nearly identical when the excitation light irradiation position P1 was set to 0 mm and -2 mm, but the RMSE values for both were greater than 1 mg/dl. In Figures 10 to 13, the solid lines in the graphs are the lines where the actual concentration and the estimated concentration calculated from the model are in perfect agreement. The plots in the graphs show the relationship between the actual concentration and the estimated concentration calculated from the model for various albumins used in the experiments. Note that even when the albumin concentration is the same, the estimated concentration varies slightly due to the influence of different concentrations of other substances contained.
図12、13は、励起光照射位置P1をそれぞれ+1mm、+2mm、すなわち検出部から遠ざかる方向にずらした時のアルブミンの実濃度と推定濃度の結果を示すグラフである。RMSEの値は1mg/dlより小さい値となり、励起光照射位置P1がゼロあるいはマイナスの値の場合に比べて、優れた値が得られた。相関係数Rについても励起光照射位置P1がプラスの値の場合、すなわち検出部から遠ざかる方向にずらした場合の方が、励起光照射位置P1がゼロあるいはマイナスの値の場合よりも良い数値を示した。 Figures 12 and 13 are graphs showing the actual and estimated albumin concentrations when the excitation light irradiation position P1 was shifted +1 mm and +2 mm, respectively, i.e., away from the detection unit. The RMSE value was less than 1 mg/dl, a better value than when the excitation light irradiation position P1 was zero or a negative value. The correlation coefficient R also showed a better value when the excitation light irradiation position P1 was a positive value, i.e., when shifted away from the detection unit, than when the excitation light irradiation position P1 was zero or a negative value.
(実験3)
励起光照射位置P1による影響をより詳しく調べるため、精密に光学部品の位置を定めることができる光学ステージを用いて、実験2と同様に励起光照射位置P1がアルブミンの検出精度に与える影響を調べた。また同時に検出部81のチューブ60に対する位置がアルブミンの検出精度に与える影響も調べた。使用した疑似透析排液は表1のものであるが、アルブミン濃度の算出に用いられる検量モデルの作成にあたり、用いる疑似透析排液のアルブミン濃度の組合せの影響を考慮し、表2に示すA,Bの2つの濃度の組合せを用いた。
(Experiment 3)
To investigate the effect of excitation light irradiation position P1 in more detail, an optical stage capable of precisely determining the position of optical components was used to investigate the effect of excitation light irradiation position P1 on the accuracy of albumin detection, as in Experiment 2. At the same time, the effect of the position of detection unit 81 relative to tube 60 on the accuracy of albumin detection was also investigated. The simulated dialysis effluent used was that shown in Table 1, but in creating the calibration model used to calculate the albumin concentration, the two concentration combinations A and B shown in Table 2 were used, taking into account the effect of the combination of albumin concentrations in the simulated dialysis effluent used.
実験でのチューブ60に対する励起光照射位置P1、検出部81の位置を示す正負の関係は図14に示す通りである。励起光照射位置P1のチューブ60の中心(O)に対するずれ量は、Y1で表し、検出部81のチューブ60の中心(O)に対するずれ量は、Z1で表す。 The positive and negative relationship indicating the excitation light irradiation position P1 and the position of the detection unit 81 relative to the tube 60 in the experiment is as shown in Figure 14. The amount of deviation of the excitation light irradiation position P1 from the center (O) of the tube 60 is represented by Y1, and the amount of deviation of the detection unit 81 from the center (O) of the tube 60 is represented by Z1.
図15は、実験結果から作成された、励起光照射位置P1のずれ量Y1とRMSEとの関係を示すグラフである。このときの検出部81の位置のずれ量Z1は、0mmに設定した。この結果、励起光照射位置P1が+1mmの場合にRMSEが最も小さいことがわかった。図10~図13に示した上記実験2の結果によれば、励起光照射位置P1が+2mmの場合にRMSEが最も小さくなっており、多変量解析に当たり検量モデル作成の際に選択される試料の違いなどを考慮すると、励起光照射位置P1が+1mm~+2mm付近がRMSEが最も小さくなり好ましいことが分かった。図16は、実験結果から作成された、検出部81の位置のずれ量Z1とRMSEとの関係を示すグラフである。このときの励起光照射位置P1のずれ量Y1は、+1mmに設定した。検出部81の位置が0mm、すなわち検出部81の受光の光軸L2がチューブ60の中心を通るように位置した場合にRMSEが最も小さくなることがわかった。 Figure 15 is a graph created from experimental results showing the relationship between the deviation Y1 of the excitation light irradiation position P1 and RMSE. The deviation Z1 of the position of the detection unit 81 was set to 0 mm. As a result, it was found that the RMSE was smallest when the excitation light irradiation position P1 was +1 mm. According to the results of Experiment 2 shown in Figures 10 to 13, the RMSE was smallest when the excitation light irradiation position P1 was +2 mm. Taking into account differences in the samples selected when creating the calibration model for multivariate analysis, it was found that the RMSE was smallest when the excitation light irradiation position P1 was around +1 mm to +2 mm, which is preferable. Figure 16 is a graph created from experimental results showing the relationship between the deviation Z1 of the position of the detection unit 81 and RMSE. The deviation Y1 of the excitation light irradiation position P1 was set to +1 mm. It was found that the RMSE was smallest when the detection unit 81 was positioned at 0 mm, that is, when the optical axis L2 of the light receiving unit 81 was positioned so that it passed through the center of the tube 60.
励起光照射位置P1を変化させたときの、励起光がチューブの内部に形成する光路の長さ(チューブ内光路長)を求めた。チューブ内光路長は、チューブの内径及び外径、空気の屈折率、チューブの屈折率及びチューブ内の液体の屈折率により求めた。 The length of the optical path formed by the excitation light inside the tube (intratube optical path length) was determined when the excitation light irradiation position P1 was changed. The intratube optical path length was determined from the inner and outer diameters of the tube, the refractive index of air, the refractive index of the tube, and the refractive index of the liquid inside the tube.
表3は、励起光照射位置P1のずれ量Y1を変化させたときのチューブ内光路長Lとチューブ内径Dの比をまとめた表である。 Table 3 summarizes the ratio of the optical path length L within the tube to the tube inner diameter D when the deviation Y1 of the excitation light irradiation position P1 is changed.
表3の数値と、実験3で得た結果、さらに被検出物質の屈折率等のばらつき、組立由来の誤差などを考慮すると、励起光照射位置P1は、チューブ内光路長Lとチューブ内径Dの比が0.90≦L/D<1となるように設定されているとよく、さらに0.950≦L/D≦0.995が望ましい。 Taking into account the values in Table 3, the results obtained in Experiment 3, variations in the refractive index of the substance to be detected, and assembly-related errors, it is recommended that the excitation light irradiation position P1 be set so that the ratio of the optical path length L within the tube to the tube inner diameter D is 0.90≦L/D<1, and more preferably 0.950≦L/D≦0.995.
本発明は、装置が煩雑化することなく、チューブ内の照射対象物に励起光を照射して発生する蛍光を高い精度で検出することができる検出装置及び血液処理システムを提供する際に有用である。 The present invention is useful in providing a detection device and blood processing system that can detect fluorescence generated by irradiating an object inside a tube with excitation light with high accuracy without increasing the complexity of the device.
1 透析システム
16 検出装置
60 チューブ
70 光学モニタ
71 濃度算出部
80 照射部
81 検出部
L1 励起光の光軸
L2 蛍光の光軸
P1 励起光照射位置
O 中心
S1 検出側
S2 非検出側
1 Dialysis system 16 Detector 60 Tube 70 Optical monitor 71 Concentration calculation unit 80 Irradiation unit 81 Detection unit L1 Optical axis of excitation light L2 Optical axis of fluorescence P1 Excitation light irradiation position O Center S1 Detection side S2 Non-detection side
Claims (10)
前記チューブ内にある前記照射対象物から発生する蛍光を検出する検出部と、を備え、
前記チューブは、断面が円形になる形状を有し、
前記照射部と前記検出部は、前記照射部が照射する励起光の光軸と前記検出部が検出する蛍光の光軸が互いに直角になるように配置され、
前記照射部は、前記励起光の光軸が前記チューブの表面に接触する位置が、前記チューブにおける前記蛍光の光軸の方向の中心に対し、前記検出部が配置された第1の側と反対の第2の側にずれるように配置されている、検出装置。 an irradiation unit that irradiates an irradiation object containing a detection target substance with excitation light, the irradiation unit being located within the tube;
a detection unit that detects fluorescence generated from the irradiation object located within the tube,
The tube has a circular cross section,
the irradiation unit and the detection unit are arranged such that an optical axis of the excitation light irradiated by the irradiation unit and an optical axis of the fluorescence detected by the detection unit are perpendicular to each other;
A detection device in which the irradiation unit is positioned so that the position where the optical axis of the excitation light contacts the surface of the tube is shifted to a second side opposite to the first side on which the detection unit is positioned, with respect to the center of the direction of the optical axis of the fluorescence in the tube.
前記濃度算出部は、検量モデルを用いて前記被検出物質の濃度を算出し、
前記検量モデルは、前記蛍光が有するスペクトルを用いて多変量解析によって作成されたものである、請求項1から6のいずれか一項に記載の検出装置。 a concentration calculation unit that calculates the concentration of the target substance based on the detection of fluorescence by the detection unit;
the concentration calculation unit calculates the concentration of the target substance using a calibration model;
The detection device according to claim 1 , wherein the calibration model is created by multivariate analysis using a spectrum of the fluorescence.
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