(57)【要約】  本発明は、静止した成分分離チャンバを有する血液処理システムを提供する。個々の血液成分及び他の粒子や汚染物質が、チャンバの流れの場内に投射される特定の成分を操作するように構成されている光学トラップにより、分離チャンバを介して流れる血液から分離される。さらに、光学トラップにより操作される選択された成分の細胞又は粒子は、流れの場から個々の容器に導かれ、選択された成分量を収集する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
血液経路と、
血液経路光学トラップ要素と連通する分離チャンバを有する処理システムと、当該光学トラップ要素が、当該分離チャンバ内に光を投射し、そこを通過する血液から少なくとも１つの成分の分離を達成するように構成され、前記分離チャンバが、そこを介して進む血液の流量特性を生成し、光学トラップをもたらすように構成され、
前記血液経路と連通し、分離された成分を収集する成分容器と連通する少なくとも１つの出口と、
経路の入口から、前記処理システムの分離チャンバへ血液を押し出す、前記処理システムの上流にあるドローポンプと、
前記処理システムの下流で血液経路と連通する返血容器と、前記入口に分離されず残された成分とともに血液を押し戻すための、当該返血容器の下流の返血ポンプとからなる血液成分分離システム。
【請求項２】
前記血液経路と連通して全血を収容するように構成されているとともに、前記ドローポンプから押し出された血液を受容する入口及び、移送ポンプにより前記処理システムの分離チャンバに直接引き出される血液を受容する出口を有する緩衝容器をさらに含む請求項１記載の血液成分分離システム。
【請求項３】
前記システムの入口で導管継手を介して前記血液経路と連通する抗凝固剤容器と、所定の速度で、前記血液経路内に前記導管を介して抗凝固剤を選択的に押し出すよう構成されている抗凝固剤ポンプとをさらに含む請求項１記載の血液成分分離システム。
【請求項４】
前記分離チャンバ内に投射された光学トラップにより分離され、検出された独特の細胞を受容するための、前記分離チャンバに連通する付加的な容器と、
前記チャンバを監視して、所定の独特の細胞の存在を検出するように構成され、オペレータ警報に接続されている光学センサをさらに含む請求項１記載の血液成分分離システム。
【請求項５】
前記血液経路及び成分容器と連通し、血液成分を分離する遠心分離ボウルをさらに含む請求項１記載の血液成分分離システム。
【請求項６】
前記血液経路と連通する血液フィルタをさらに含む請求項１記載の血液成分分離システム。
【請求項７】
前記血液成分容器が、患者の血流と選択的に連通し、当該患者の血流に分離された成分を戻す出口を含む請求項１記載の血液成分分離システム。
【請求項８】
血液経路と、
前記血液経路と連通する静止した分離チャンバと、
前記血液経路との連通を維持したまま、前記静止した分離チャンバに収容されている血液の成分を能動的に分離するように構成されている成分分離手段とからなる高速血液分離システム。
【請求項９】
血液から個々の成分を分離する血液処理方法であって、
血液経路及び処理システムを含む血液成分分離システムを設け、該処理システムが、該血液経路と連通する分離チャンバと、該分離チャンバに光学トラップを投射する光学素子を有し、
ヒトの血流に前記血液経路を接続し、
前記経路と前記分離チャンバを介する血液の流れを生じさせ、
前記分離チャンバを介して流れる血液に光学トラップを投射するように前記光学素子を操作し、
前記血液から少なくとも１つの形式の成分を分離し、前記血液経路と連通する成分容器に当該成分を導くことからなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は血液処理装置に関する。詳細には、本発明は、静止した分離チャンバを介して投射される光学トラップを利用して、血液から１つ又は複数の構成要素の成分を分離するためのシステム及び方法に関係する。
【背景技術】
【０００２】
その構成要素の成分へ血液を分離するためのシステム及びプロセスは公知である。連続した流れ工程において大量の血液を迅速に処理するための市販のシステムが、マサチューセッツ、ブレーントリーのHaemonetics Corporationから入手可能である。詳細には、Haemoneticsから入手可能なCell Saver（登録商標）5システム及び装置のMCS（登録商標）ラインのような装置は、患者又はドナーから直接血液を受容し、血液処理チャンバーにその血液を移送し、血液から成分を分離し、後に患者に戻し又は利用するために分離された成分を個々の成分容器に導き、同時に連続したプロセスにおいて、未分離の成分とともに残った血液流を患者又はドナーに戻すように構成されている。
【０００３】
上記のシステムのような高速血液処理装置の設計は、幾つかの要素により制限される。処理システムに異なるドナーからの血液が存在することにより示される内在する生物学的有害物質は、システムが複数のドナー又は患者に対して商業的に使用可能であるために、血液が接触する全ての表面及び構成要素、血液経路が経済的かつ使い捨てであることを要求する。その結果として、分離チャンバ、成分収集容器、それらを接続しドナーと接続する管類のような血液処理器の血液経路からなる構成要素は、プラスチックのような安価な材料から製造され、それにより、各収集手順の後装置から取り外され、殺菌された新しい血液経路の構成要素と置き換えることが可能である。
【０００４】
連続した流れ工程と両立する高速での血液からの成分分離は、分離チャンバを機械的に操作し動作させ、液体血液から所望の細胞又は粒子を積極的に分離する必要がある。概して、遠心分離法がそのような分離を達成するために使用されている。上記の従来技術のシステムでは、ドナーからの血液により満たされた分離チャンバが回転し、血液内の種々の細胞及び成分に遠心力を作用させる。異なる成分の種々の質量が、それらを分離させ、同様の成分構造の層を形成する。層は、回転する分離チャンバ内で同心状の環として現れる。さらに、分離された成分の層は、ボウルから分離容器に引き出される。血液の効果的な遠心分離を達成するために、遠心ボウルとして構成されている分離チャンバが開発された。しかしながら、動く遠心ボウルとともに殺菌された流体経路を確実かつ経済的に維持することに依然として問題がある。
【０００５】
回転する分離チャンバと血液経路の他の構成要素との間の殺菌された接続を維持するためのやり方には、Haemonetics Corporationにより製造されているレーサムボウルで採用されているような、経路を含むチャンバと管類の間の接合部に回転シールを組み込むことを含む。他のやり方は、スキップロープ技術を利用して、回転する分離チャンバに接続される経路管類のからみを回避することを必要とする。しかしながら、どちらのやり方も、市販可能であることを維持するために低価格設定及び拡大された信頼性が求められる使い捨て血液経路にコストを付加し、使い捨て血液経路の取付を複雑にする。
【０００６】
遠心分離技術を利用しない、その構成要素の成分へ血液を分離する代替的な方法は、大規模な血液分離工程の代替として利用することができない。例えば、細胞沈殿作用を利用して、重力により種々の構成要素の成分を分離することができる。しかしながら、そのような工程は、遅く、血液の沈滞の期間を必要とし、凝固の問題を増大させる。
【０００７】
システムの殺菌された血液経路と安全に連通するとともに分離チャンバに容易に実装することができる成分分離技術を利用する高速血液成分分離システムを提供することが望まれている。さらに、連続した流れ工程に対して高効率、経済的であり、信頼性のある分離技術を使用するシステムを提供することが望まれている。そのようなシステムを提供することが本発明の目的に共通する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、光学トラップ技術を利用して、血液が殺菌された血液経路を介して流れる際に、血液の構成要素の成分を分離する血液成分分離システムを提供する。システムは、血液から単一の成分を分離するように構成され、又は複数の成分を分離して、後に使用するように個々の容器に導くように構成されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
システムは、血液経路への入口を含み、患者又はドナーの血流から血液を受容する。入口は、単一の針が接続され、ドナーの血流にアクセスできるように構成されている。血液経路は、ドナーからシステムに血液を流すことができるように寸法決めされている管類を含む。血液経路と相互作用するように構成されているドローポンプが、血液成分の分離に必要な流量で、入口から処理システムへの血液の流れを促進する。
【００１０】
処理システムは、血液経路と流体が流れるように連通する分離チャンバを含む。処理システムは、さらに、分離チャンバを介して流れる血液に投射されるホログラフ的な光学トラップのような光学トラップを生成するように構成されている。分離チャンバの血液経路に投射される光学トラップが意図された場所に成分を分離して移動させ血液経路から回収するように動作するが、分離チャンバはシステム内で静止したままである。分離チャンバは、さらに、レーザーのような光学素子により生成される光エネルギーがチャンバを介して血液流に伝達される際に、干渉しないように構成されている。また、分離チャンバは、成分の光学トラップを助長する仕方で血液の流れを案内するように構成されている。さらに、分離チャンバは、ホログラフ的な光学トラップが、血液から分離された個々の成分を導く１つ又は複数の出口を含む。各出口は、分離された成分を保持するための容器に導かれるチャネルに接続されている。
【００１１】
１つ又は複数の出口に続き、血液経路が、管類のような導管を介して分離チャンバから返血容器に連続する。今や分離された成分が取り除かれた処理された血液は、所定量が収集されてドナーに戻されるまで、返血容器に収集される。返血容器内に所定量が検出されると、血液が、返血ポンプにより管類を介して容器の出口を経て回収される。返血ポンプから、処理された血液は、返血のための所定の流量で、ドナーに向けて戻される。返血は、システムの入口を介して流れ、ドナーに挿入されている単一の針を介してドナーの血流に戻される。
【００１２】
処理システム内の光学素子は、分離チャンバの流路にホログラフ的な光学トラップのアレイを生成するように構成されなければならない。光学素子は、レーザのような光線、回折光学素子、望遠鏡として機能する一対のレンズ、ビームスプリッタ及び対物レンズとして機能するダイクロイックミラーを含む。上記した構成要素からホログラフ的な光学トラップが如何に生成されるか、特に、如何に流体の流れにホログラフ的な光学トラップが伝達されて複数の粒子を捕捉するかの詳細については、米国特許第6,055,106号、米国特許第6,416,190号、米国特許出願第2003/0047676号、米国特許出願第2003/0119177号、米国特許出願第2004/0021949号、米国特許出願第2004/0089798号に開示されており、これらの文献は、参照することにより、その内容を全て本明細書に取り入れる。
【００１３】
上記概説した基本的なシステムに加えて、付加的な構成要素を所与の手順のためにシステムに付加し、システムの性能を最適化することができる。抗凝固剤をシステムの入口に導入し、経路内の血液の凝固を防ぐばかりでなく、分離工程に対して血液の粘度を最適化することができる。抗凝固剤は、貯蔵バッグから管類のような導管を介して導入され、その流量は抗凝固剤ポンプにより制御される。代替的には、血漿又は生理食塩水のような、血液を希釈するのに適する他の剤が抗凝固剤の代わりに利用される。血漿のような血液製剤の場合には、患者又はドナー自身の血漿を利用することが好ましい。したがって、このようなシステムでは、血漿がシステムにより分離される成分の１つであり、また血漿容器が、血漿を導入するように血液経路に対して選択的に開口する導管に接続されている出口を有するように構成されている。
【００１４】
さらに、処理システムより前に配置され、血液経路と連通する全血の緩衝容器がシステムに設けられている。緩衝容器の利用は、血液の有効処理に対して必要とされる流量対ドナーからシステムへの達成可能な最大流量によって決まる。処理システムが、ドナーからシステムへの達成可能な最大流量よりも少ない流量で動作されなければならない場合、システムの入口がドナーに血液を戻すのに利用され、流入が中断されるなどのときに、緩衝容器は、過剰の血液を、一時的に保持し、後に処理するように収集することを可能とする。移送ポンプは、導管を介して緩衝容器から処理システムへ血液を駆動する。本発明の他の形態では、光学トラップ要素が、血液試料内の有害な要素の存在を識別する目的で、病原体又は他の有害な汚染物質を付加的に同定し、血液から分離するように構成されている。有害な汚染物質又は病原体は有用な生成物として容器に導かれないが、分離チャンバは、汚染物質が導かれる出口又はチャネルを備えるように構成されている。さらに、導管に接続されている容器は汚染物質を受容し、光学センサのようなセンサが容器内の汚染物質の存在を検出する。センサは、システムコントローラの部分として統合されている警報システム及びユーザインタフェースと連通し、汚染物質の存在をオペレータに知らせる。
【００１５】
本発明の他の形態では、追加の分離工程が、処理システム内で行われる主たる分離の前に、又は後にシステム内で実施される。詳細には、従来の遠心分離に基づく成分分離装置が、処理システムの前又は後のいずれかにおいて血液経路に接続され、赤血球又は血漿のような血液成分が取り除かれる。遠心分離に基づく分離装置に代えて、又は付加して、血液から汚染物質を分離するフィルタが、処理システムの前又は後のいずれかにおいて血液経路に付加される。
【００１６】
本発明の他の形態では、全システムが、自己血回収配列において使用され、医療処置の間、患者に血液成分を戻す。自己血回収用のシステムは、分離された血液成分を収集するための容器が、システムに接続されている患者に隔離された成分を直接戻す返血導管とともに構成されている点を除いて、上記のシステムと同様に構成されている。
【００１７】
本発明の目的は、光学トラップ技術を利用して、血液から構成要素の成分を分離する血液処理システム及び方法を提供することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、後に使用するために血液成分を収集し、並びに血液を分離して分離された血液が患者に戻される自己血回収のために血液成分を収集する場合のどちらにも寄与するに適した、光学トラップを利用する血液成分分離システム及び方法を提供することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、患者又はドナーから収集される血液内の病原体又は汚染物質の存在を識別するシステム又は方法を提供することである。
【００２０】
本発明の他の目的は、遠心分離及び/又は血液の濾過を含む付加的なシステム分離工程と組み合わせて光学トラップ技術を利用して、血液から個々の成分を分離するシステム及び方法を提供することである。
【００２１】
本発明の他の形態は、静止した分離チャンバを利用して、複雑さ、コスト、血液経路における殺菌状態の喪失の危険性を低減する高速の血液成分分離システムを提供することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の前述の及び他の目的及び利点を、添付の線図を参照して、以下のさらなる詳細な説明からより完全に明らかにする。
【００２３】
図１は、光学トラップ技術を利用した血液成分分離システム10の構成要素及び配置を線図で示す。システムは、当該システムを血液が通過する際に、血液から１つ又は複数の構成要素の成分を分離するように構成されている。例えば、分離された成分には、赤血球、血漿、血漿を多く含む血小板が含まれる。加えて、光学トラップは、タンパク質、プリオン、ウィルス、バクテリア、他の汚染物質、システムを介して流れる血液からの粒子を分離するように構成されている。加えて、光学トラップは、疾病細胞（例えば鎌状細胞）又は感染細胞のような特異の細胞の存在、拒否されるべき献血試料を生じさせるものの存在を検出するように構成されている。種々の成分、細胞、細胞の部分、バクテリア、汚染物質の全てを、本明細書において、概して「成分」と呼ぶ。「成分」への言及が血液において見られる前述の要素の何れか１つ、さらに、上記に記していない何らかの他の識別される成分を表すことが理解されなければならない。
【００２４】
図１に示すように、システム10は、血液が患者又はドナーから、システムの種々の構成要素へ移動する血液経路12からなる。血液経路は、経済的であり、生体適合性があり、殺菌された管類のような従来の導管を含む。血液経路及び、血液経路に沿った全ての関連するコネクタ、容器が、血液処理手順の間、殺菌状態を維持され、患者又はドナーに対する危険を排除し、後に使用することを意図して収集されて保存される成分に対する危険を排除することが重要である。経路は、経路の入口16に接続される単一の針14を介して、患者又はドナーの血流と連通するように配置されている。入口は、血液経路からの複数の管類を受容し、経路への血液の流れ及び、経路からの血液又は血液成分を患者又はドナーへ戻す流出のどちらをも取り扱うように構成されているマニホルドを含む。
【００２５】
血液の流入は、患者から経路に入り、流入矢印20により示されているように、流入管18を介して進む。流入する血液の流量は、ドローポンプ22により制御される。ドローポンプ22、その上、本明細書で議論する全てのポンプを、管類の外側に作用して管類の中の血液を押し出す蠕動ポンプとすることができる。システム内の各ポンプの動作を、各容器内の血液又は成分の量も監視する中央コントローラにより電気的に監視して制御することができる。この仕方では、ポンプの速度は、最大の分離効率及び最小の処理時間の双方に対するシステムの各部分での理想的な血液の流速を維持する。
【００２６】
基本的なシステムでは、血液は、図２に最もよく示すように、処理システム24内に先ず引き込まれる。処理システム24は、血液経路12と連通する分離チャンバ28内に、少なくとも１つの光学トラップを投射するように構成されている光学トラップ生成システム26を含む。おおよそ45ml/minの速さで移動する流れの所定の位置を通る大量の赤血球のような、血液の流れる場を通過する多数の成分の粒子を捕捉し、操作するために、ホログラフ的な光学トラップが有効である。血液が分離チャンバを介して流れるため、光学トラップ生成システムにより投射されるホログラフ的な光学トラップは、血液の流れの中の多数の同様成分の粒子を捕捉し、操作するように機能する。
【００２７】
光エネルギーを利用して光学トラップの形式で分離チャンバ内で成分を分離することの利点は、チャンバ内に投射される光が成分を分離する全ての働きを担い、分離チャンバが静止したままであることにある。その結果として、遠心分離又はスキップロープ分離装置において必要とされるような、殺菌された血液経路に対して動く分離チャンバを接続することによる複雑な機構が、必要とされない。本発明の分離チャンバは、分離の間、静止状態を保ち、したがって、分離チャンバを容易に、確実に、血液経路と連通させて取り付けることができ、これにより経済的に製造することができ、しかも、より信頼性の高い殺菌状態が維持できる。
【００２８】
図２を参照すると、血液が分離チャンバ内に投射されるホログラフ的な光学トラップを介して流れる際、光学トラップにより捕捉されるように予定されている目標成分が、操作されて、分離チャンバの１つ又は複数の出口に導かれる。図解することを目的として、３つの形式の成分を、図２において示す分離チャンバ28内の光線58によって操作されるように示す。赤血球を、出口32に導かれる円30として示す。出口は、血液収集バッグのような赤血球容器36に続くチャネル34に対して開口している。血小板を黒点38により示し、ホログラフ的な光学トラップは、血小板を操作して、赤血球の出口32から隔置されている出口40に導くように構成されている。出口40は、容器44に血小板を運ぶチャネル42に対して開口する。鎌状細胞のような疾病細胞を× 46により示し、ホログラフ的な光学トラップは、この例示では、特定の形式の疾病細胞を操作するように構成され、疾病細胞の出口48に疾病細胞46を導く。出口48は、疾病細胞容器52に疾病細胞を運ぶ疾病細胞チャネル50に対して疾病細胞を導く。
【００２９】
疾病細胞46は再利用されないので、血液からそれらの疾病細胞を分離し、識別する目的は、血液試料内にそれらの存在を識別することにある。システムに疾病細胞の存在することをオペレータに警告するために、光学センサとすることができるセンサ54が、容器52内の何らかの疾病細胞の存在を検出するように構成されている。センサは、配線によりオペレータ警報に接続される。
【００３０】
処理システムが、分離チャンバを通過する血液から１つの成分又は複数の成分を分離するように構成されていることを再度強調する。図１には、赤血球のような１つの成分を分離するように構成されている例示的なシステムを示し、そのシステムは１つの成分容器36を備えている。図２に示す処理システムの詳細な説明は、システムの他の実施形態を例証し、そのシステムでは、複数の成分が、分離チャンバを通過する血液から分離され、複数の対応する成分の容器36、44、52を必要とする。ホログラフ的な光学トラップにより分離される成分の数及び形式、処理システムの正確な構成は、適応性があり、システムの所望とされる使用目的に適合するように調整され得る。
【００３１】
光学トラップ生成システム26は、レーザのような光線、光学素子、望遠鏡を作り出すレンズ、ダイクロイックミラー、対物レンズを含むホログラフ的な光学トラップを生成するのに必要な幾つかの光学素子からなる。光学素子を、ホログラムの形式を変化させるようにコンピュータ制御される動的光学素子とすることができる。それらの要素の動作させてホログラフ的な光学トラップを生成することについては、上記した特許及び特許出願において詳細に議論されており、それらの議論は、それらの文献を参照することにより、本明細書に全て取り込む。光学トラップ生成システム26から放射され、線58により示される結果生じるホログラフ的な光学トラップは、分離チャンバ28を介する血液の流れに投射される。トラップを、成分の光学的な特性に基づいて、血液内の１つ又は複数の特定の成分を操作して捕捉するように調整することができる。動的な光学素子により、ホログラフ的なトラップを、所望の成分を出口に運ぶようにトラップの光線を動的に動かすことにより、所望の出口に捕捉された成分を移動させるように構成することができる。代替的には、静的なホログラフ的な光学トラップが、分離チャンバの血液経路にトラップの静的な場を生じる。血液がその静的な場を通過する際、各トラップは、選択された成分にのみ力を作用させ、それらの成分が選択された出口に向かう流れを生じさせる。
【００３２】
光学トラップ生成システム26の１つの可能な構成は、また光ピンセットシステムとして公知であり、このシステムでは、図５-７に示すように、動的又は任意のアレイが形成されている。このシステムの配列は米国特許第6,416,190号に開示されており、この文献を参照することにより、その内容を全て本明細書に取り込むこととし、以下の説明はこの文献から取り込む。回折光学素子140は、平面142内に実質上配置され、対物レンズ120の後部開口124と共役をなす。回折された単一の出力ビームのみを明瞭に示すが、回折光学素子140によってそのようなビームを複数生成することが可能であることが理解されなければならないことに注意されたい。回折光学素子140に入射する入力光線112は、それぞれが点Ａから放射し、回折光学素子140の性質を特徴付ける出力ビーム144のパターンに分割される。したがって出力ビーム144は、また、先に開示した後続の光学素子の作用を受け、点Ｂを通過する。
【００３３】
図５の回折光学素子140を、入力光線112に対して垂直であるように示すが、他の多様な配列が可能である。例えば、図６では、光線112が、光軸122に対して傾いた角度（β）で到達し、回折光学素子140に対して垂直ではない。この実施形態では、点Ａから放射される回折ビーム144が、イメージングボリューム132の焦点面152に光学トラップ150を形成する。光ピンセットシステム110のこの配列では、入力光線112の非回折部を、光ピンセットシステム110から取り出すことができる。したがって、この構成は、より少ない背景光で処理し、光学トラップの形成を効率及び有効性を改善する。
【００３４】
回折光学素子140に、予め選択された所望のパターンに入力光線112を分割するコンピュータ処理ホログラムを含むことができる。そのようなホログラムと図５及び６の光学素子の残りを組み合わせることにより、任意のアレイを作り出すことができ、そのアレイでは、回折光学素子140が、独立して各回折ビームの波面を形成するのに利用される。したがって、光学トラップ150を、対物レンズ120の焦点面152のみならず、焦点面152の外にも位置させることができ、光学トラップ150の三次元配列が形成される。
【００３５】
図５及び６の光ピンセットシステムでは、また、回折ビーム144を集束して光学トラップ150を形成するための、対物レンズ120（又はフレネルレンズのような機能面で同等の他の光学素子）のような集束光学素子を含む。さらに望遠鏡134、同等の他の転送光学素子が、先の後部開口124の中心点Ｂと共役の点Ａを作り出す。回折光学素子140は点Ａを含む平面内に配置されている。
【００３６】
他の実施形態では、光学トラップ150の任意のアレイが、望遠鏡134を使用することなく作り出される。そのような実施形態では、回折光学素子140を点Ｂを含む平面内に直接配置することができる。
【００３７】
光ピンセットシステム110では、静的な又は時間依存の回折光学素子140を利用することができる。動的な、すなわち時間依存する形態では、光学トラップ150の時間変化するアレイを作り出すことができ、そのアレイはそのような特徴を利用するシステムの一部分となる。加えて、それらの動的な光学素子140を利用して、粒子及びマトリックス媒体を互いに対して能動的に動かすことができる。例えば、回折光学素子140を、コンピュータ処理ホログラフパターンでつけられた変更を受ける液晶相のアレイとすることができる。
【００３８】
図７に図解する他の実施形態では、システムを、光ピンセットトラップ150の連続的な並進を実施するように構成することができる。ジンバル搭載のミラー160が、点Ａをその回転中心として配置されている。光線112は、ミラー116の表面に入射し、点Ａを通過する軸を有し、後部開口124に放出される。ミラー116が角度可変であることにより、ミラー116に対する光線112の入射角を変化させることができ、この特徴は、結果生じる光学トラップ150を並進させるのに利用することができる。第２の望遠鏡162は、レンズL3及びL4から形成され、点Ａに対して共役である点Ａ'を作り出す。さらに、点Ａ'に配置されている回折光学素子140は、それぞれが点Ａを通過し、光ピンセットシステム110における光ピンセットトラップ150の１つを形成する回折ビーム164のパターンを作り出す。
【００３９】
図７の実施形態の動作において、ミラー160は、１つの単位として、全体のピンセットアレイを移動させる。この手順は、わずかな振幅の素早い振動による変位を介して、静止した基板と光ピンセットアレイを正確に位置合わせし、光学トラップ150を動的に強化することに対して、及び任意の用途に対する一般的な移動性能の要求に対して有効である。
【００４０】
また、光学トラップ150のアレイを、試料台を移動することにより、又は望遠鏡134を調節することにより、試料台（図示せず）に対して垂直方向に移動することができる。加えて、また、光学ピンセットアレイを、試料台を移動することにより、試料に対して横方向に移動することもできる。この特徴は、対物レンズの視野の範囲を超えて大きな範囲で移動する際に特に有効である。
【００４１】
概して、細胞の操作は、複数のビームを利用することにより安全となる。複数のピンセットは、細胞のある特定の点に導入されるパワーがより小さくなることを確実とする。これにより、温点を排除することができ、損傷の危険性を低減することができる。吸収がレーザ出力の平方に比例するため、任意の破壊的な二光子過程は大いに利益をもたらす。まさに第２のピンセットを加えることにより、４倍だけ特定の点における二光子吸収が低減される。単一のトラップにパワーを投入することにより、細胞に対して迅速に損傷を与えることができる。例え単一の細胞の操作であっても、ホログラフ的な光学トラップを利用することによって能力が大いに強化される。本発明の光学トラップ生成システム26として使用可能なそのようなホログラフ的な光学トラップシステムは、米国特許出願第2004/0089798号に開示され、以下おいて、その出願の説明を記す。
【００４２】
ホログラフ的な光学トラップ装置又はシステム200として構成されている光学トラップ生成システムを図８に図解する。光はレーザシステムから入射し、下向きの矢印により示すように、システム200に入り、システム200にパワーを供給する。位相をパターン化された光学素子201は、動的な表面を備えている動的な光学素子（DOE）であることが好ましく、また、日本国のHamamatsuにより製造されている「PAL-SLM series X7665」又は、コロラド州ラファイエットのBoulder Nonlinear Systemにより製造されている「SLM 512SA7」や「SLM 512SA15」のような相-単一空間光変換器（SLM）である。これらの動的な位相をパターン化された光学素子201は、コンピュータ制御され、媒体にエンコードされたホログラムによりビームレットを生成し、ホログラムは、ビームレットを生成し、及びビームレットの形態を選択するように変化する。図８の左下に生成されている位相パターン1-2は、右下に示すトラップ203を作り出し、トラップ203は、浮遊する直径１μmのシリカの球204が水205内に満たされている。したがって、システム200は、左側下に示す動的なホログラムにより制御されている。
【００４３】
レーザビームは、レンズ206、207を介して、ダイクロイックミラー208に進む。ビームスプリッタ208は、ダイクロイックミラー、フォトニックバンドギャップミラー、無指向性ミラー、他の同様の素子から構成されている。ビームスプリッタ208は、光学トラップ203を形成するのに利用される波長の光を反射し、他の波長の光を伝達する。ビームスプリッタ208の領域から反射された光の部分は、さらに、集束（対物）レンズ209の平面的な後部開口と共役の平面に実質上配置されているエンコードされた位相のパターン化された光学素子の領域を通過する。
【００４４】
ビームスプリッタ208を、静電場により制御される、すなわちコンピュータプログラムによって制御される本質的に液晶アレイである空間光変換器として構成することができる。液晶アレイは、適用された電場の強度に依存する異なる量によって、光の位相を遅らせる性質を有する。ネマチック液晶素子は、ディスプレイ用として、又は大きな位相-単一変換深さが必要とされる（2π又はそれより大きい）用途に対して利用される。ネマチック液晶分子は、通常、素子の表面に対して平行に位置し、液晶の複屈折性により最大の遅延特性を与える。電場が適用されると、分子は電場に対して平行に傾く。電圧が異常軸に沿った屈折率を増大させるので、したがって、複屈折が効果的に減少し、素子の遅延特性の減少が生じる。
【００４５】
有用なレーザには、固体レーザ、ダイオード励起レーザ、気体レーザ、色素レーザ、アレキサンドライトレーザ、自由電子レーザ、VCSELレーザ、ダイオードレーザ、チタンサファイアレーザ、ドープYAGレーザ、ドープYLFレーザ、ダイオード励起YAGレーザ、フラッシュランプ励起YAGレーザが含まれる。10 mWと５Wの間で動作するダイオード励起Nd:YAGレーザが好ましい。生物学的材料を調査するアレイを形成するのに利用されるレーザビームの好ましい波長には、赤外、近赤外、可視赤色、緑色、可視青色波長が含まれ、約400 nmから約1060 nmの波長が最も好ましい。
【００４６】
光学トラップ生成システム26の１つの配列は、図９（イリノイ州シカゴのArryx, inc.により販売されているBioRyx systemのような）に示す光学トラップシステム500である。このシステムには、ホログラフ的な光学トラップユニット505を利用する光学トラップを形成するマウントが配置されているNixon TE 2000 series顕微鏡501が含まれる。ハウジングを取り付けられるリボルバ502は、マウントを介して顕微鏡501に直接適合されている。結像のために、照明源503が対物レンズ504の上方に設けられ、試料506を照明する。
【００４７】
光学トラップシステム200（図８及び９参照）には、光学素子に近接する第１の光チャネルの一方の端部、及び第１の光チャネルのもう一方の端部が含まれ、第１の光チャネルは、第１の光チャネルと垂直に形成されている第２の光チャネルと交差し、連通する。第２の光チャネルは、顕微鏡レンズ取付タレット又は「リボルバ」の基部内に形成されている。リボルバは、Nixon TE 2000 series顕微鏡内に適合するように適応されている。また第２の光チャネルと垂直な第３の光チャネルと、第２の光チャネルは連通する。第３の光チャネルは、リボルバの上部表面からリボルバの基部を介して、対物レンズ集束レンズ209と平行に横切る。集束レンズ209は、後部開口を形成する底部及び上部を有する。第２の光チャネルと集束レンズの後部開口の間の第３の光チャネルに、ダイクロイックミラービームスプリッタ208が介在されている。
【００４８】
光学トラップを形成する光学トラップシステム内の他の構成要素には、第１の光チャネルを介して位相のパターン化された光学素子201から放射されたビームレットを反射する第１のミラー、第１の光チャネル内に配置され、第１のミラーによって反射されたビームレットを受容するように整列されている伝達光学素子の第１の組206、第１の光チャネル内に配置され、伝達レンズの第１の組を通過するビームレットを受容するように整列されている伝達光学素子の第２の組207、第１の光チャネルと第２の光チャネルの交点に位置し、伝達光学素子の第２の組及び第３の光チャネルを通過するビームレットを反射するように整列されている第２のミラー208が含まれる。
【００４９】
図９を参照すると、光学トラップを生成するために、レーザビームが、レーザ507（図５参照）から、コリメータを介して、光ファイバの端部508を経て方向付けられ、回折光学素子509の動的な表面で反射される。光ファイバのコリメータ端部を出た光ビームは、回折光学素子の動的な表面により複数のビームレットに回折される。各ビームレットの数、形式、方向は、動的な表面媒体のエンコードされたホログラムを変化することにより、制御し、変化させることができる。さらに、ビームレットは、第１のミラーで反射し、第１の光チャネルに後続する伝達光学素子の第１の組を介して、伝達光学素子の第２の組を介し、第２のミラーへ進み、ダイクロイックミラー509において対物レンズ504の後部開口に向けられ、対物レンズ504を介して集束され、それによって光学トラップを形成するのに必要な光学的な傾斜条件が実現される。ダイクロイックミラー509介して分割され、集束される光の部分は、光学的なデータの流れ（図８参照）を形成する第３の光チャネルの下側の部分を通過する。
【００５０】
血液成分分離システムの分離チャンバ28は、ホログラフ的な光学トラップから得られるであろうトラップ力に基づき成分の効果的な光学トラップに資する仕方で血液の流れを方向付けるように構成されなければならない。さらに、分離チャンバは、光学トラップ生成システムが対向し、光学トラップが投射される少なくとも側壁29が、伝達される光の形態58に対して透明であるように構成されていなければならない。分離チャンバの配列は、使用されるホログラフ的なパターンの大きさを活用するように最適化されていなければならない。さらに、分離チャンバは、分離の効率を増大させるために、その範囲にわたって、一貫した流れを促進し、トラップの間、流速の変化を制限するように構成されていなければならない。表面に隣接した血液の速度を遅くし、流れが依然として速いチャンバの中央部と流れの速さに不均一を生じさせる、分離チャンバの内側表面への血液の凝固を防ぐように、その表面を被覆することができる。
【００５１】
図１及び２に示すように、そこから分離されない成分を含む血液は分離チャンバ28を出た後、流れる矢印62により示されるように、血液経路を介して返血容器60へ導かれる。返血ポンプ64が処理された血液を返血ライン66を介して引き出し、入口16を介して及び針14を介して患者又はドナーの血流に送り出す所定量が収集されるまで、血液は返血容器に収集される。
【００５２】
血液は、処理された後、容器60に収集されて保持され、システムの処理効率を増大させるために、患者又はドナーにバッチ式に返血される。患者又はドナーからの採血、及び患者又はドナーへの返血が単一のアクセスポイント、単一の針14のみを介して達成されるので、採血及び返血に要する時間は分担されなければならない。この時間分割は、短い時間で、大きな流速をもって、バッチ式に処理された血液を返血することによって達成される。したがって、容器60に保持される処理された血液の体積がシステムコントローラにより監視され、所定の体積が収集された場合にのみ、返血64ポンプがコントローラにより起動され、血液の流入が短時間中断される。返血ポンプがドナー又は患者に処理された血液を戻すように動作する際においても、ドローポンプ22は、システム内に血液を押し出し続けるように作動されたままである。両方のポンプの作動中、流入量から流出量を減じた量が、患者への流量又は患者からの流量を生じる。
【００５３】
図１、３、４に示すシステムの他の変形形態では、抗凝固剤70の容器が血液経路に接続され、血液がシステムに入る際、抗凝固剤が選択的に導入される。抗凝固剤70の容器を、システムの入口16のマニホルドに接続されている導管72に接続され、抗凝固剤の液体で満たされている可撓性のバッグとすることができる。抗凝固剤は、システムの性能を最適化するように、血液に対する抗凝固剤の所望の比に対応する量の抗凝固剤を導入するように選択的に作動可能な抗凝固剤ポンプ74の動作により、システム内に導入される。概して、加えられる抗凝固剤の比は、システムを介する血液の動きに依存する。システムを介する血液の流れに多くの停滞する期間がある場合には、より多くの抗凝固剤が加えられ、経路内で血液が凝固することが防止される。
【００５４】
本発明において使用される分離の光学トラップ方法では、抗凝固剤の正確な比を決定するために他の要素が意味を持つこととなる。抗凝固剤の比は、分離チャンバを通過する血液の理想的な速さが生じ、効率的な光学トラップが達成されるように加えられなければならない。血液の速さの調整は血漿又は生理食塩水を加えることによっても達成されることに注意されたい。分離の光学トラップ方法を利用するシステムは、従来の分離システムと比べて、より連続的な動きをもたらし、システムを介する血液の流量を維持するために必要とされる抗凝固剤の量を結果として減少させることができる。
【００５５】
図３に示すようなシステムの他の実施形態では、患者又はドナーから採血される全血を収容する緩衝容器80がシステムに付加されている。緩衝容器は、ドローポンプ22によりシステム内に最初に引き出される血液に対する保持部として機能する。処理システムが、システム内への血液の最大引き出し流量よりも少ない血液の流量で、血液から成分を最適に分離する場合、さらに、血液は、処理可能となるまで、緩衝容器に収集されなければならない。
【００５６】
移送ポンプ82は、移送ライン84を介して緩衝容器80を出る流量を調整する。例えば、最大達成可能流入流量が毎分80 mlであり、処理システム内で行われる血液からの成分の分離が、わずか毎分45mlの流量において最も効率的である場合、移送ポンプ82は、処理システム内への流れをわずか毎分45mlに調整するように、ある速度で作動されなければならない。システムに入る毎分80 mlのより速い流れは、緩衝容器80にバックアップされ、システム内の流量の必要とされる変動に適応される。緩衝容器80に収集された血液の体積は、光学的に又は重量により監視され、その容器が満たされると、返血ポンプ64が起動され、入口16に接続されている針14からなる単一のアクセスポイントを介して患者に処理された血液を戻す。処理された血液は入口16から流れ出るが、移送ポンプ82は、緩衝容器80内に蓄えられた血液を処理するように動作し続け、未処理の血液を消費する。返血容器60がすっかり排出されると、返血ポンプ64の動作は停止され、入口16は、患者又はドナーからシステムへの血液を再度受容する。
【００５７】
本発明の他の形態では、経路12を運ばれる血液から成分を分離する追加の機構をシステムに付加することができる。図４に示すように、遠心分離に基づく分離チャンバ12又はボウル90を血液経路12に付加し、処理システム24で行われる主たる分離工程に先立ち、予備分離工程を実施することができる。付加的な分離ステップを利用して、赤血球のような血液の成分を予備的に取り除くことができ、その第１の分離ステップの後、血液内に依然残る他の分離された成分に対して光学トラップ分離工程が予定される。実際に、遠心分離ボウル90を緩衝容器80に続く流体経路に接続することができ、血液は遠心分離器ポンプ92により遠心分離ボウル内に引き込まれる。遠心分離ボウルは、血液成分を分離するために、従来公知の処理装置により機械的に回転され、所望の成分を導き、成分容器（図示せず）に直接接続する。さらに、残る血液成分は、移送ポンプ82の作動により遠心分離ボウルから出て移動され、光学トラップにより付加的な分離のための処理システムへと導かれる。処理システムの前に配置されるように、遠心分離ボウルを図４に例示的に示すが、患者又はドナーに返血する際、血液処理システムの後のような血液経路内の何れかに配置することができる。
【００５８】
本システムに付加的な分離工程を設けるための他の機構は、血液フィルタ94の付加である。フィルタを、処理システムの前又は後の何れかの、血液経路内の任意の箇所に接続することができる。フィルタは、フィルタエレメントの細孔の寸法及び、汚染物質や粒子の寸法に基づき、汚染物質及び粒子を取り除くことができる。
【００５９】
本発明の他の形態では、システムは、医療処置の間、患者から自己血液回収を行うように構成される。この状況において、システムを、上記議論したシステムと同様に構成することができる。しかしながら、赤血球又は血漿の多く含まれる血小板を収集するような成分容器は、システムに接続され、患者に成分を戻すように経路付けられている返血ラインを有するように構成されている。返血ラインは、選択的に開放され、ポンプを備えて構成され、患者へ収集された成分を戻すことができる。
【００６０】
上記システムの動作において、容器に達した血液の体積を監視するセンサが、コントローラを含む集中制御システムに電気的に関連付けられ、利用されることに注意されたい。また、幾つかのポンプが制御システムに関連付けられ、システムの作業効率を維持するために、その動作は容器の容量に受容された情報と協調される。
【００６１】
以上より、光学トラップ技術を利用し、分離を達成する実際の効果的な血液成分分離システムを示してきた。システムは、高速で成分を分離することができ、その上、経済的に製造され、使用において信頼性のある静止した分離チャンバを利用することができる。しかしながら、本発明の上記説明は、その例証のみを意図しており、他の変更、態様、同等物が、本発明の精神から逸脱することなく、当業者には明らかであることを理解されなければならない。
【００６２】
したがって、本発明の開示は、添付の特許請求の範囲の記載により請求され、確保される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】光学トラップ技術を利用した血液分離システムを示す線図である。
【図２】処理システムの詳細を示す線図である。
【図３】処理システムの前に全血の緩衝容器を含む、光学トラップを利用する血液分離システムを示す線図である。
【図４】血液経路に沿って処理システムの前に位置する付加的な血液遠心構成要素と、経路に沿って処理システムの後に配置されている血液フィルタとを有し、光学トラップを利用する血液分離システムを示す線図である。
【図５】光学トラップ生成システムを示す線図である。
【図６】入力光線に対して傾いた光学素子を利用する光学トラップ生成システムを示す線図である。
【図７】連続的に移動可能な光学トラップ生成システムを示す線図である。
【図８】ホログラフ的な光学トラップ生成システムを示す線図である。
【図９】ホログラフ的な光学トラップ生成システムを示す線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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