(57)【要約】  培養器／振とう機の動的環境下で細胞の成長と濃度を検出する改良された細胞培養監視システム及び方法。消費電力を低減し、無線細胞培養監視システムを実用的にするため、いくつかの温度補償を使用して感知モジュールの温度制御方法と置き換える。さらに、適応同期光パルス検出法によって消費電力を大幅に低減することができる。
2019517244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物学的培養器／振とう機の動的環境下で消費電力を低減し、生物学的細胞培養基を無線で監視する方法であって、
液体生物学的培養基を保持して、生物学的細胞を培養する容器を利用することであって、前記容器の壁の少なくとも一部が光透過性であることと、
前記容器の前記透過性壁に対して光放出源を位置決めし、前記容器の前記壁を介して光を照射し、前記生物学的培養基と相互作用させることと、
少なくとも１つの光検出器を位置決めして照準を合わせて、前記生物学的培養基と入射光との前記相互作用部からの光を検出することと、
前記光放出源及び前記光検出器の近傍に少なくとも１つの温度センサを位置決めすることと、
前記光放出源及び前記光検出器の温度制御を行わずに測定精度を向上させる温度補償手段を設けることと、
低デューティサイクルパルス信号を生成して前記光放出源を駆動することと、
前記光検出器からの電気信号を増幅し、前記信号を処理して、前記生物学的細胞培養基の特性を提示する処理手段を設けることと、
を備える、方法。
【請求項２】
前記生物学的細胞培養基の監視が、生物学的培養基の濁度又は／及びＯＤを監視することを含み、前記特性が前記濁度とＯＤを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記生物学的細胞培養基の監視が、生物学的細胞の成長曲線と成長速度を監視することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記低デューティサイクルパルス信号を生成することが、前記光放出源の前記点灯期間と消灯期間を予め設定される定数とすることである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記低デューティサイクルパルス信号を生成することが、前記消灯期間を測定された細胞培養濁度又は濁度変化率に適合させることである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記低デューティサイクルパルス信号を生成することが、前記消灯期間を細胞培養ＯＤ又はＯＤ変化率に適合させることである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記処理することが、前記光駆動パルス信号の前記点灯期間と消灯期間に関して複数の信号に対して同期されたＡ／Ｄ変換を行うことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記培養器／振とう機の振とう速度を測定する少なくとも１つの運動センサを設けることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記処理手段が、運動センサ信号を処理することと、前記培養器／振とう機の振とう速度を提示することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記処理手段が、振とう細胞培養プロセス中に前記振とう速度が特定値未満となるとき、前記光放出源からの光放出及び前記光検出器信号のＡ／Ｄ変換を一時停止するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記温度補償手段が、前記光放出源の駆動電流を制御するステップと、次に、前記制御された光放出源と前記光検出器の重畳温度係数を予め測定し、予め算出し、予め保存するステップと、次に、前記光放出源及び前記光検出器の測定温度と前記細胞培養基の測定濁度に基づき、前記生物学的細胞培養の前記可測特性値を補正するステップと、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記駆動電流を制御することが、前記温度センサの測定温度と、特定の光放出パワーに対して予め保存された補償関数とに基づき前記光放出源の駆動電流を制御するために、前記光放出源用の駆動回路、マイクロプロセッサ、ＤＡＣ、電圧制御電流源、及び前記温度センサを使用することである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光放出源がレーザダイオードであり、前記光放出源の駆動電流を制御することが、前記レーザダイオードの指数関数的温度特性と略同一の前記サーミスタの指数関数的温度特性に基づき、前記駆動電流を自動的に調節するサーミスタを備えた回路を使用することである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
生物学的培養器／振とう機の動的環境下で生物学的細胞培養基を無線で監視する装置であって、
液体生物学的培養基を保持して、生物学的細胞を培養する容器であって、前記容器の壁の少なくとも一部が光透過性である容器と、
光を放射して、前記容器の前記透過性壁を介して前記生物学的培養基と相互作用させる少なくとも１つの光放出源手段と、
前記光放出源からの放射光が前記生物学的培養基と相互作用すると、前記容器の前記透過性壁を介して前記生物学的培養基によって散乱又は伝播された光を直接検出する少なくとも１つの光検出器手段と、
前記光放出源及び前記光検出器の温度を測定する少なくとも１つの温度センサ手段と、
前記光放出源及び前記光検出器の電力消費する温度制御を行わずに測定精度を向上させる温度補償手段と、
低デューティサイクルパルス信号を生成して前記光放出源を駆動する節電手段と、
前記光検出器からの電気信号を増幅し、次に前記信号を処理して、前記生物学的細胞培養基の特性を提示する処理手段と、
を備える、装置。
【請求項１５】
前記培養器／振とう機の振とう速度を測定する少なくとも１つの運動センサ手段をさらに備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記光放出源が、光線を生成する焦点レンズを有するレーザダイオードであり、前記光検出器がフォトダイオードである、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記生物学的細胞培養基を監視することが、生物学的培養基の濁度又は／及びＯＤを監視することを含み、前記特性が前記濁度とＯＤを含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記節電手段が、前記光放出源のパルス駆動回路、パルス及びトリガ信号生成回路、及び前記低デューティサイクルパルス信号を制御するマイクロプロセッサを含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記処理手段が、前記光駆動パルス信号の前記点灯期間と消灯期間に係る複数の信号に対して同期されたＡ／Ｄ変換を行うことをさらに含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項２０】
前記温度補償手段が、前記光放出源の駆動電流を制御することを含む、請求項１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、２０１６年４月４日に提出された米国仮特許出願第６２／３１７６４４号に対して優先権を主張し、同出願は引用により全文を本明細書に組み込む。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第７３３９６７１号の「生物学的細胞培養の監視装置及び方法」に記載されるような装置及び方法は、培養器／振とう機内の生物学的細胞培養の監視をリアルタイムかつオンラインで実行することができるシステムを提示する。上記システムは、エルレンマイヤーフラスコなどの透過性容器内の生物学的培養基の生物細胞濃度（濁度又は光学濃度の形式で）又はその他の可測特性を検出する光散乱法を採用する。無線技術、インターネットクラウド、及びスマートフォンの進展と共に、１０年前に生まれたこの細胞培養監視システムの発明に、いくつかの実行可能な新規な改良を加えることができる。米国特許第７３３９６７１号が１０年前に出願されたとき、技術とコストの点で細胞培養監視システムにとって実行可能な方法は、電線を使用して、センサヘッドの培養検出センサと温度制御回路に電力を供給することとともに、中間制御モジュールを介して、測定された信号又はデータを制御モジュ−ル又はコンピュ−タに送信することであった。センサヘッドは、培養器／振とう機内に配置して、運転時に細胞培養基容器に装着することができる感知装置である。しかしながら、温度制御用に封止された筐体であるため、センサヘッドから制御モジュ−ルまでの有線接続は、多くの既存の振とう機にとって困難な場合がある。また、振とう環境により有線接続が不安定になるため、有線の選択と配置に特別な注意が必要である。有線接続の課題を克服するため、最初の発明に記載されたような無線実施形態は、消費電力、測定精度、及び確実なＲＦ無線接続などの極めて重要ないくつかの問題に対処しなければならない。無線バッテリ駆動センサヘッドの場合、重大な課題は、バッテリの交換や充電なしに何時間も、場合によっては何日間も生物学的細胞を継続的かつ正確に監視することである。
【０００３】
米国特許第７３３９６７１号に規定されるセンサヘッド又はプローブに関しては、消費電力の大半は温度制御モジュ−ルと光感知モジュールに起因する。光感知モジュ−ルは、ＬＥＤ又はレーザダイオードなどの少なくとも１つの光源と、フォトダイオードなどの少なくとも１つの光検出器から成る。光源の放射強度と光検出器の感度は温度に依存する。通常、培養器／振とう機は、大気＋５℃〜８０℃の温度で動作することができる。上記温度範囲で正確な測定を行うには、監視システムが光源及び光検出器の温度制御又は温度補償を必要とする。ペルティエ素子を用いる温度制御は、大量の電力を逃がすため、バッテリ駆動センサヘッドに適さない。したがって、節電温度補償が、無線センサヘッドの構築にとって必要な方法となる。
【０００４】
ＬＥＤ、レーザダイオード、及び光検出器の温度補償方法は、多くの特許公開で報告されている。いくつかの公開は、ＬＥＤ及びレーザダイオードに印加される電流を自動的に調節する、又は光検出器に印加される電圧を調節するための温度感知サーミスタを備えたアナログ補償回路を提示している。この種の温度補償はアナログであり、消費電力が小さい。しかしながら、広い温度範囲にわたってサーミスタ及び各種ＬＥＤ、レーザダイオード、又は光検出器の間で温度特性を良好に合致させることは容易ではない。いくつかの公開は、光源と光検出器の組み合わせに対して予め測定及び算出された温度係数を用いたソフトウェア補償を提示している。光源と光検出器は両方とも温度との非線形な関係を有するため、重畳された温度係数が非常に複雑になり、温度補正に４次多項回帰が必要になる可能性がある。また、光検出器で検出される様々な光強度のため、多項式の係数も様々に異なる。
【０００５】
近年、多くの無線技術（Ｗｉｆｉ、ブルートゥース、Ｚｉｇｂｅｅなど）が、各種無線用途に使用されるようになってきた。無線技術の消費電力と信頼性は向上してきている。ブルートゥースローエネルギー（ＢＬＥ）は、Ｗｉｆｉや従来のブルートゥースよりもずっと消費電力が小さい技術であると思われる。ＢＬＥは、ＣＲ２０３２などのボタン電池バッテリで何か月も何年も動作するように設計される。このような無線技術において、無線細胞培養監視システムにとって最大の課題は、温度制御なしで正確な測定を行うことと、何日又は何週間かにわたる使用の中でバッテリ寿命を延長させることである。
【０００６】
本発明の目的は、低消費電力方法及び装置を用いて、米国特許第７３３９６７１号に提示される細胞培養監視システムを改良することである。刷新された方法及び装置では、無線センサヘッドを備えた細胞培養監視システムが実現可能であり実用的である。無線監視システムは、有線接続の問題を無くし、センサヘッドを培養器／振とう機に容易に搭載することができる。さらに、無線監視システムは、ＰＣだけでなくスマートフォン及びタブレットなどの現代の無線装置に容易に組み込むことができる。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、無線センサヘッドを用いて細胞培養監視システムを改良する複数の実施形態を提示する。一側面では、光感知モジュールのための温度制御を行わず、２ステップ温度補償法を使用して、細胞培養監視システムのすべての測定精度を改善する。２ステップ補償は、１）温度変化による光源の光強度の変動を低減する単独のアナログ回路又はマイクロプロセッサによって制御されるアナログ回路、及び２）予め測定、算出、及び保存された温度係数で濁度又は光学濃度（ＯＤ）などの最終的な検出信号を補正するマイクロプロセッサを備える。別の側面では、センサヘッドの消費電力は、低デューティサイクルの光駆動パルス信号によって光源を制御する方法を用いて大幅に低減することができる。この方法を用いて、光源をオンにする時間及び期間は、Ａ／Ｄコンバ−タのデータ取得のためトリガパルスと同期される。固定デューティサイクル又は固定期間で光源をオフにする代わりに、光源をオフにする期間を細胞培養の成長レベル及び成長速度に合わせることができる。一例として、オフ期間は、細胞培養濁度又は濁度変化率の変化と共に変更させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】生物学的培養用途のフラスコ用の無線センサヘッドを備えたスタンドアローンの細胞培養監視システムを示す概略図である。
【０００９】
【図２】無線センサヘッドを示す概略ブロック図である。
【００１０】
【図３】光源駆動回路を示す概略ブロック図である。
【００１１】
【図４】一定デューティサイクルの基本光駆動パルス信号を示す概略図である。
【００１２】
【図５】Ａ／Ｄ変換のための光駆動信号とパルストリガの時系列を示す概略図である。
【００１３】
【図６】生物学的培養の分散濁度に関する典型的な成長曲線及び成長速度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
無線及びＩｏＴ（モノのインタ−ネット）技術の近年の進化は、米国特許第７３３９６７１号に記載の細胞培養監視システムを改良する機会をもたらした。図１は、改良された細胞培養監視システムの一実施形態を示す。細胞培養監視システムのセンサヘッド１０５は、少なくとも１つの無線トランシ−バ、Ａ／Ｄ及びＤ／Ａコンバ−タ、マイクロプロセッサ、温度センサ、運動センサ、メモリ、及びバッテリを含む無線プローブとすることができる。一実施形態では、バッテリは、センサヘッド筐体に搭載されない別個の部分とすることができる。バッテリは外部に搭載する、又は電源線によってセンサヘッド１０５に装着することができる。センサヘッド１０５は、分散する光強度、濁度、又はＯＤなどについて細胞培養基を監視し、培養器／振とう機９００外の制御モジュ−ル２０１などのその他の装置にデータを無線送信する基本的機能を有する。一実施形態では、センサヘッド１０５とモジュ−ル２０１がスタンドアローンの細胞培養監視システムを構成する。モジュ−ル２０１は、少なくとも無線トランシ−バ、マイクロプロセッサ、メモリ、ＬＣＤディスプレイ、アラーム、及びキーパッド／ボタンを有するユーザインタフェース装置とすることができる。モジュ−ル２０１は、データ処理、データ記憶、データ表示、細胞監視システムの較正及び制御を実行することができる。一オプションでは、モジュ−ル２０１は、ＤＳＬ、Ｗｉｆｉ、又はその他の技術を介するネットワーク装置とすることもでき、その場合、モジュ−ル２０１は他のコンピュ−タ６０１又はスマートフォンなどのスマート機器７０１によって制御することができ、モジュ−ル２０１からのデータはクラウド８００に保管され、他の装置と共有することができる。いくつかの実施形態では、モジュ−ル２０１はコンピュ−タ６００又はスマート機器７００と置き換えられる。センサヘッド１０５は、ブルートゥース又はその他の無線技術を介してコンピュ−タ６００又はスマート機器７００に直接接続することができる。ソフトウェアの助けを借りて、コンピュ−タ６００又はスマート機器７００はモジュ−ル２０１と同様に、プローブ１０５からのデータを処理及び表示するだけでなく、センサヘッド１０５のデータを制御することもできる。運動センサと温度センサがセンサヘッド１０５に内蔵されているため、モジュ−ル２０１、コンピュ−タ６００、又はスマート機器７００は、培養濁度／ＯＤだけでなく、培養器／振とう機９００の軌道回転速度や細胞培養温度も表示及び記録することができる。
【００１５】
一実施形態では、図２に示すような無線センサヘッド１０５は、感知モジュ−ル１５０、光源駆動回路１３０、感知回路１４０、温度センサ１２１、運動センサ１２２、パルス回路１６１、Ａ／Ｄコンバ−タ１６２、マイクロプロセッサ１６０、無線トランシ−バ１６３、及びメモリ１６４を備える。マイクロプロセッサ１６０によって収集及び処理されるデータは、無線トランシ−バ１６３を通じてモジュ−ル２０１、コンピュ−タ６００、又はスマート機器７００に送信することができる。モジュ−ル２０１、コンピュ−タ６００、又はスマート機器７００は、トランシーバ１６３を通じてセンサヘッド１０５にコマンドを送信することもできる。図２は、明瞭化のため、複数の光源、光検出器、ＭＣＵ、Ａ／Ｄコンバ−タなどを示していない。しかしながら、いくつかの実施形態では、光源１１０、光検出器１２０、及びＡ／Ｄコンバ−タ１６２などの複数の構成装置をセンサヘッド１０５内で使用することができる。
【００１６】
感知モジュ−ル１５０は、センサヘッド１０５の主要部である。モジュ−ル１５０は少なくとも１つの光源１１０、少なくとも１つの光検出器１２０、及び少なくとも１つの温度センサ１２１を備える。光源１１０及び光検出器１２０の高速（低時定数）及び正確な温度のため、一実施形態では、モジュ−ル１５０は、光源１１０、光検出器１２０、及び温度センサ１２１用の良好な熱伝導性ハウジングを備える。温度センサ１２１は、光源１１０と光検出器１２０の正確な温度測定のため、両装置間に配置される。また、感知モジュ−ル１５０は、細胞培養基５５０の散乱光検出のため、光源１１０の放射ビームと、光検出器１２０の感知領域及び波長とを調整するように設計される。このため、モジュ−ル１５０は、コリメータ、レンズ、及び光学フィルタを備えて、フラスコなどの培養基容器５００の光反射の影響を回避又は低減することができる。
【００１７】
温度制御が行われない場合、ＬＥＤ又はレーザダイオードなどの光源１１０の光強度は温度変化と共に変化する。光源駆動回路１３０は、温度補償及び節電のために本発明の重要な部分である。図３は、電源１３１、トランジスタ１３２、及び温度補償用の電流制御回路１３３を備える光源駆動回路１３０の一実施形態を示す。入力ポート１３４はパルス供給回路１６１に接続される。ポート１３４で高電圧パルスが入力されると光源１１０がオンになり、光源１１０は「点灯」状態になる。低又は零電圧が入力されると光源１１０がオフになり、光源１１０が「消灯」状態になる。電源１３１は定ＤＣ電圧源である。バッテリの出力電圧は使用と共に低下するため、電源１３１は、出力ＤＣ電圧を一定に維持するステップアップ又はステップダウンレギュレータを有することができる。トランジスタ１３２は、ＢＪＴ、ＪＦＥＴ、及びＭＯＳＦＥＴなどの任意の種類のトランジスタとすることができる。温度補償用の電流制御回路１３３は様々な方法を利用することができる。その方法はＬＥＤとレーザダイオードで異なる。レーザダイオードの場合、発振閾値電流及び出力パワーが温度に依存する。温度が上昇すると、発振閾値は増大し、出力パワーは減少する。温度補償にはいくつかの回路方法がある。一般的な方法によると、フォトダイオードを使用してレーザダイオードの出力パワーを検出した後、レーザダイオードへの駆動電流が自動的に調節される。この方法は、レーザポインタで広く使用される。しかしながら、このＡＰＣ制御は、発振閾値電流の変化を補償することができない。もう１つの方法によると、サーミスタ回路を使用して、レーザダイオードの駆動電流が制御される。その原理は、選択されたサーミスタが、レーザダイオードの発振閾値電流と略同一の指数温度特性を有することができる点にある。このアナログ方法では、温度補償の複雑さが低減されるうえ、広い温度範囲を有することができる。
【００１８】
本発明の一実施形態では、電流制御回路１３３は、特にレーザダイオードの場合に、光源１１０の温度補償用のサーミスタ回路法を用いることができる。アナログ回路電流制御のみに加えて、別の実施形態では、電流制御回路１３３が、温度センサ１２１の測定入力に基づき、マイクロプロセッサ１６０によって制御される。一般的に、マイクロプロセッサ１６０は、回路１３３へのＤＡＣポートを介して可変電圧出力とする。この場合、回路１３３は電圧制御電流源である。マイクロプロセッサ１６０は、光源１１０の特定かつ一定の出力パワーを得るために、予め保存された、温度に対する光源１１０の駆動電流の補償機能を有する。この方法は、ＬＥＤとレーザダイオードの両方に使用することができる。図３は、パルス切替オン／オフ機能と温度補償機能の両方を有する光駆動回路１３０の一実施形態を示す。当業者にとっては、パルス切替オン／オフ機能と温度補償機能の両方を有することのできる回路設計が多数存在する。
【００１９】
光駆動回路１３０及び感知回路１４０は温度補償を行ういくつかの方法を使用しているが、細胞培養監視システムのすべての光学検出精度全体を向上させるには温度補償法の追加ステップが必要である。この温度補償の第２のステップは、マイクロプロセッサ１６０及びソフトウェアによって実現される。一実施形態では、マイクロプロセッサ１６０及びメモリ１６４を使用して、標準的培養基の一連の様々な濁度に対して予め測定及び算出された複数の温度係数を記憶する。それらの温度係数は、回路補償を行った光検出器１２０と光源１１０の重畳係数である。光源１１０は既に回路温度補償を有しているため、様々な温度での標準濁度培地の測定濁度から、４次多項回帰の代わりに２次多項回帰を用いて温度係数を取得することができる。培養基の全範囲の濁度を対象とするため、様々な濁度値を有するホルマジンなどの多数の標準培養基を、センサヘッド１０５を用いて様々な温度で測定する必要がある。予め保存された係数を用いて、マイクロプロセッサ１６０は、温度センサ１２１で測定された温度と培養基から検出された濁度とに基づき、光検出器１２０の出力信号の補正値を算出することができる。この２ステップ温度補償法は、既存の１ステップ法と異なる。
【００２０】
パルス生成回路１６１は、マイクロプロセッサ１６０によって制御される。一実施形態では、回路１６１は、マイクロプロセッサ１６０のデジタルＩ／Ｏとパルス及びトリガ同期用の水晶発振器／クロックとを備えることができる。回路１６１の基本機能は、図４に概略的に示すように、光源１１０を駆動するための低デューティサイクルパルスを生成する。その後、駆動光源１１０は、駆動信号に基づきパルス光を生成することができる。一実施形態では、光駆動信号は一定の所定期間を有する。この期間は、点灯期間ｔｏｎと消灯期間ｔｏｆｆ（期間＝ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）の１サイクルの合計に等しい。培養器／振とう機内の細胞培養プロセスは何時間もかかることがあり、培養基５５０の分散濁度の変化は低速であるため、デューティサイクルは低レベルに設定することができる。たとえば、ｔｏｎ＝１ｓ及びｔｏｆｆ＝１９ｓであれば、デューティサイクルは５％である。つまり、従来技術における光源１１０の連続駆動と比べて、節電問題なく９５％の電力を節約することができる。電力、帯域幅、及びメモリの節減のため、一実施形態では、Ａ／Ｄコンバ−タ１６２は、ジェネレータ１６１からのパルスによって外部からトリガされる。Ａ／Ｄコンバ−タ１６２は、第１のトリガの受信後、アナログ−デジタル変換を開始し、第２のトリガの受信後、変換を停止する。Ａ／Ｄコンバ−タ１６２は、光信号、温度信号、及び運動信号用の複数のＡ／Ｄコンバ−タを含むことができる。一実施形態では、パルス回路１６１は図５に示すようなシーケンスで、光駆動信号及び複数のトリガパルスを生成する。このシーケンスは、点灯及び消灯サイクルのそれぞれで発生する。パルス１６１ａは光駆動信号である。パルス１６１ｂは光検出器信号のＡ／Ｄ変換用のトリガ信号である。光源１１０がオンになると、時間ｔ４でＡ／Ｄ変換が開始され、時間ｔ５でＡ／Ｄ変換が停止する。ｔ３でオンに切り替わった後、光源１１０の出力パワーを安定させる遅延時間（ｔ４−ｔ３）が常に存在する。光源１１０がｔ６でオフに切り替わると、すぐに、時間ｔ７でＡ／Ｄ変換が開始され、時間ｔ８でＡ／Ｄ変換が停止する。光がオフになると、ｔ７−ｔ８の期間中の光検出器信号を使用して、点灯信号からの周囲の光学又は電気ノイズなどの一般的ノイズを除去することができる。パルス１６１ｃは、温度信号と運動信号の両方のＡ／Ｄ変換用のトリガ信号である。この変換は、光源がオンになる直前に行われる。時間ｔ１でＡ／Ｄ変換が開始され、時間ｔ２でＡ／Ｄ変換が停止される。期間ｔ１−ｔ２に測定される温度は、期間ｔ４−ｔ５での光信号の測定の温度補償に利用することができる。これは、低デューティサイクルパルス法にとって極めて重要である。一般的に、デューティサイクルは予め設定し、期間ｔｏｆｆを変更することによって変更することができる。期間ｔｏｎは、ｔ３及びｔ６に対してすべてのトリガ時間（ｔ１、ｔ２、ｔ４、ｔ５、ｔ７、及びｔ８）が固定されるように一定に維持される。このシーケンスは、クロックと同期化される。光信号、温度、及び運動に関して取得された全データの取得は適時に類別され、メモリ１６４又は制御モジュ−ル２０１のメモリに保存することができる。
【００２１】
感知回路１４０は、光検出器１２０、温度センサ１２１、及び運動センサ１２２用の低雑音増幅器及び信号調整回路を備える。回路１４０は、基準として第２の光検出器を使用して、出力信号内の温度起因のずれを低減する差動増幅設計をとることができる。第２の光検出器は第１の光検出器１２０の近傍に配置されるため、両光検出器は常に同じ温度を有する。光検出器１２０と同一の特徴を備えた第２の光検出器は、感知入射光から隔離される。
【００２２】
無線トランシ−バ１６３は、ブルートゥース、ＢＬＥ、Ｚｉｇｂｅｅ、又はＡＮＴなどの独自の無線技術である様々な無線技術を用いて構成することができる。一実施形態では、ＢＬＥの消費電力は細胞培養監視用途にとって小さいため、無線トランシ−バ１６３はＢＬＥ（ブルートゥースローエネルギー）を用いて構成される。また、ＢＬＥのピコネットにより、制御モジュ−ル２０１、コンピュ−タ６００、又はスマート機器７００は最大８個のセンサヘッド１０５を制御し監視することができる。
【００２３】
振とうフラスコ培養などのバッチ微生物培養に関しては、微生物などの生物学的細胞は、図６に示すような典型的な４つの相、すなわち、誘導期、対数期、静止期、及び死滅期を経る。誘導期では、微生物は緩やかに成長し、新たな生息環境に順応する。対数期では、微生物の数は指数関数的に増加する。静止期では、実現可能な微生物の数が安定する。死滅期では、実現可能な微生物の数が減少する。生物学的細胞が異なると、それらの細胞の成長速度又は成長曲線は、それぞれ振とう速度又は温度に応じて異なることがある。この事実に基づき、いくつかの実施形態では、消灯期間ｔｏｆｆは、光源１１０をオン／オフする所定の固定期間のパルスを有する代わりに、生物学的細胞の成長曲線又は成長速度に適合させることができる。つまり、パルス期間は、生物学的細胞成長レベル又は成長速度に応じて可変である。一実施形態では、ｔｏｆｆの調節は、較正分散濁度（Ｔ）の変化に基づく。別の実施形態では、ｔｏｆｆの調節は、培養基ＯＤの変化に基づくことができる。別の実施形態では、ｔｏｆｆの調節は、光検出器増幅器の電圧出力などの光検出器１２０によって検出される光強度の変化に基づくことができる。この場合、監視システムは、光検出器出力を濁度又は培養基ＯＤに変換する必要がない。以下の実施形態の説明では、濁度のみに言及する。しかしながら、光検出器信号出力又は培養基ＯＤは、消灯期間ｔｏｆｆの調節にも同様に使用することができる。
【００２４】
ｔｏｆｆの調節に関して、一実施形態では、最大消灯期間ｔｍａｘ及び最小期間ｔｍｉｎは、細胞培養プロセスの前に規定し設定する必要がある。細胞培養はｔｍａｘから開始される。１つの簡易なオプションでは、期間ｔｏｆｆは、図６に示すように、上昇する濁度値が所定の閾値濁度Ｔｔ、たとえば、細胞培養が開始される初期濁度値Ｔ０の１２０％に達すると、ｔｍａｘからｔｍｉｎに変化することができる。ｔｏｆｆがｔｍｉｎに達した後、消灯期間ｔｏｆｆは細胞培養プロセスの残りの間ｔｍｉｎの値を保つ。別のオプションでは、消灯期間ｔｏｆｆは、下記式に示すように、濁度が閾値濁度Ｔｔに達してｔｏｆｆがｔｍｉｎになるまで、濁度Ｔの線形関数とすることができる。
【数１】
2019517244.tif 000003
ただし、Ｔ０は培養基の初期濁度である。この場合、消灯期間ｔｏｆｆは、細胞培養が静止基と死滅期にあっても、最小期間ｔｍｉｎを保つ。この欠点に対処し、静止期と死滅期における消灯期間ｔｏｆｆを延長させるため、一実施形態では、消灯期間ｔｏｆｆは図６に示すように濁度変化率ｄＴ／ｄｔに応じて変化することができる。同じ簡易な（ｔｍａｘ又はＴｍｉｎ）オプションでは、濁度変化率ｄＴ／ｄｔが所定の閾値速度Ｒｔ以上であるとき、スリープ期間がｔｍａｘからｔｍｉｎに変化する。細胞成長速度が低下し、濁度変化率ｄＴ／ｄｔが閾値速度Ｒｔ又は別の速度未満に落ちると、消灯期間ｔｏｆｆは再びｔｍｉｎからｔｍａｘに切り替わる。別の実施形態では、濁度率ｄＴ／ｄｔが変化すると、消灯期間ｔｏｆｆが変化する。ｔｏｆｆ＝ｔｍａｘ−Ｃ＊ｄＴ／ｄｔ、ただし、Ｃは、Ｃ＊ｄＴ／ｄｔを常にｔｍａｘ未満にする所定の係数である。細胞培養が開始されると、ｄＴ／ｄｔ＝０、ｔｏｆｆ＝ｔｍａｘとなる。１つのオプションでは、（ｔｍａｘ−Ｃ＊ｄＴ／ｄｔ）がｔｍｉｎ以下であるとき、消灯期間ｔｏｆｆは下限ｔｍｉｎを保つ。
【００２５】
運動センサ１２２は、加速度計又は振とうセンサとすることができる。一実施形態では、加速度計は、培養器／振とう機９００の振とう速度を測定するために使用される。振とう速度情報は、センサヘッド１０５の節電のために使用することができる。振とう培養器／振とう機９００は、手動ＯＤ測定の実行、薬剤の添加、又は培養フラスコの添加などの様々な理由で停止または一時停止することができる。振とう速度が振とう細胞培養プロセス中に零になると、センサヘッド１０５内の濁度検出動作は、培養器／振とう機が再度振とうし始めるまで一時停止する。停止中には、光放出源からの光放出はなく、光検出器のためのＡ／Ｄ変換は行われない。
【００２６】
本発明は好適な実施形態、特徴、及び方法と併せて説明したが、多数の代替、新規な特徴、新規な組み合わせ、変更及び変形が当業者にとって自明であることを指摘すべきである。したがって、上述した発明の好適な実施形態及び説明は例示的であり、制限的ではない。本願の精神及び範囲を逸脱せずに様々な変更を加えることができる。
【図１】
2019517244.tif 000004
【図２】
2019517244.tif 000005
【図３】
2019517244.tif 000006
【図４】
2019517244.tif 000007
【図５】
2019517244.tif 000008
【図６】
2019517244.tif 000009
【国際調査報告】
2019517244.tif 000010
2019517244.tif 000011