(57)【要約】限定された空間内の低い動圧を監視するシステムであって、このシステムは、カテーテルと、上記カテーテル内に取り付けられた反射中間層を備えた直径２ｍｍ未満の多層波形膜と、上記カテーテル内に収容され、かつ端部が膜から異なった距離で置かれる、１つ以上の照射ファイバ（Ｆｓ）および２つ以上の検出ファイバ（Ｆ１、Ｆ２）を備える、一式の光ファイバとを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
限定された空間内の低い動圧を監視するシステムであって、
カテーテルと、
前記カテーテル内に取り付けられた反射中間層を有する直径２ｍｍ未満の多層波形膜と、
前記カテーテル内に収容され端部が膜から異なる距離に置かれる、１つ以上の照射ファイバと、２つ以上の検出ファイバとを備える、一式の光ファイバと、
前記照射ファイバに結合された照射システムと、
前記照射ファイバに結合された検出システムと、を備える、システム。
【請求項２】
波形膜は５μｍ以下の波形深さで、最小で３０の波形間隔を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
波形膜は０．１ｍｍＨ２Ｏの分解能で０から１０ｃｍＨ２Ｏの圧力範囲を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
波形膜の露出表面はポリマーからなる、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
波形膜は３層である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
波形膜の中間層は、光の可視波長で良好な反射光学特性を備える材料で構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
照射システムは１つ以上の発光ダイオードを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
検出システムは１つ以上のＰＩＮダイオードを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
検出システムは、高いコモンモード除去比を有する高利得の線形差動増幅器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
システムは測定領域からの磁気的および電気的干渉を受けない、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に診断システムに関し、詳細には、生きている動物の生理機能の測定に関する。
【０００２】
（政府支援）
本発明は、国立研究資源センターの国立衛生研究所からの米国政府の支援により、認可番号ＲＲ１５１５０に基づいてなされた。米国政府は本発明における一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
圧力測定は多くの生理機能の状態を監視し、これにより、多くの病気の進行を監視するために最も重要なことである。動脈および静脈圧、頭蓋内流体圧力、または経肺気道圧のような圧力測定は、すべて４ｃｍＨ２Ｏよりも大きい範囲の圧力を測定する装置を用いる。このような装置は一般に、細孔チューブを使用して、対象の領域から人体外部の圧力センサまで圧力を導入するか、または光ファイバを使用して、先端に位置するダイヤフラムなどの感圧デバイスから反射した光を伝達および受光する。特に、測定信号の周波数が高い場合、および圧力が測定される「空洞」の容積が小さい場合には、細孔チューブを用いると測定値に多くのアーティファクトが混入する。検出先端が変位ダイヤフラムから単一の固定距離に設定される、単一の検出ファイバかファイバの束のいずれかを利用した、現在の光ファイバに基づいたシステムは、本発明の目標とする、（２ｃｍＨ２Ｏ未満の）小さい高速変化の圧力を検出するのに十分なほど高感度ではない。現在利用可能なシステムまたは方法では、小さい限定された体内空間、例えばラットの気管の大きさの空間で、１０ｃｍＨ２Ｏ未満の範囲で、高分解能でアーティファクトのない動圧を高精度で測定できない。例えば小動物の生理機能を詳細に分析するには、０から１０ｃｍＨ２Ｏの範囲で、０．１ｍｍＨ２Ｏの分解能で圧力を監視する必要がある。ラットのような小さい実験用動物だと、プローブの直径は３ｍｍ未満でなければならない。システムも、環境の電気的および磁気的干渉から電気的に絶縁されて影響を受けず、大きな信号対雑音比と、正常および異常状態の両方に適合する広いダイナミックレンジとを有する必要がある。
【０００４】
従って、０から１０ｃｍＨ２Ｏの範囲で、０．１ｍｍＨ２Ｏの分解能で、直径が３ｍｍ未満の限定された空間で、超低圧を動的に監視する改良されたシステムおよび方法が必要である。本発明はこれらの基準のすべてに適合する。
【０００５】
本明細書に組み込まれ、その一部を成す添付の図面は、詳細な説明と合わせて本発明の実施形態を示し、本発明の原理を説明するのに役立つ。添付図面は本発明の範囲を記載された実施形態に限定する意図を持つものではない。添付の特許請求の範囲で定義される本発明の精神および範囲を逸脱することなく、さまざまな変更および修正を実施できることは理解されるところである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ラットのような実験用小動物体内の限定された空間内の動圧を、０から１０ｃｍＨ２Ｏの範囲で、０．１ｍｍＨ２Ｏの分解能で測定するシステムおよび方法に関する。このシステムは、現在のシステムよりも高感度で大きな測定範囲を可能にすることで、最新技術をさらに進歩させる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
システムの好ましい実施形態は３つの光ファイバを利用する。１つは照射ファイバで、２つは波形ポリマー膜から異なった固定距離に置かれた検出ファイバである。３つの光ファイバは、波形ポリマー膜が取り付けられるカテーテル内に含まれる。膜は直径が１．０ｍｍ、厚さが１μｍ、反射中心の直径範囲が１００から２００μｍである。照射ファイバは、光ファイバ結合レンズと共に発光ダイオード（ＬＥＤ）光源に結合される。検出ファイバは、差動増幅器に接続されたＰＩＮ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ−Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−Ｎｅｇａｔｉｖｅ）フォトダイオードに結合されて、２つの検出ファイバからの光信号の差を高精度で測定する。差動増幅器からの出力はコンピュータに送られて、処理および表示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、添付図面に例を示す、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。本発明を好ましい実施形態に関連して説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではないことは理解されよう。本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義する本発明の範囲に含まれる代替方法、修正および等価物を包含するものとする。
【０００９】
図１は光ファイバ接続圧力検知システムの図である。好ましい実施形態においては、従来の材料で構成された３つの光ファイバが、外径１．５ｍｍのカテーテル内に収容される。直径１ｍｍの波形ポリマー膜がチューブのプローブ端に取り付けられる。光ファイバの１つである照射ファイバは、光ファイバ結合レンズを通して発光ダイオード（ＬＥＤ）システムに結合される。残りの２つの検出ファイバは、それぞれＰＩＮフォトダイオードダイオードに結合される。２つのＰＩＮダイオードは高いコモンモード除去比で差動増幅器に接続され、差動増幅器の出力が表示システムに送られる。
【００１０】
図２ａはカテーテルの端部に取り付けられる波形膜の図である。好ましい構成においては、膜の直径は１ｍｍ、厚みは１μｍ、波形の高さが５μｍ、波形の間隔が３０μｍである。膜はまた、直径１００から２００μｍの範囲で、０．１ｍｍＨ２Ｏの分解能で０から１０ｃｍＨ２Ｏの圧力範囲の反射中心を有する。波形膜の露出面は、例としては、パリレンなどのスピンコーティング可能なポリマーなどの任意の適切なポリマーを備える。好ましい構成において、膜は、パリレン−白金−パリレンからなる３層膜であり、膜の極めて平坦な中心部だけに反射表面を設けて、光学測定における膜の反射特性を最適化する。パリレン−白金−パリレン膜は、以下の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）製造手順を用いて製造される。清浄な３インチのシリコン基板が用いられる。厚みが５μｍのポジのフォトレジストが５００ｒｐｍで４５秒間、その後４０００ｒｐｍで５秒間、スピンコート（Ｓｈｉｐｌｅｙ１８１８）することによって基板として堆積される。サンプルを５分間９０℃焼結することによって硬化が達成される。次に、クロム波形膜マスクがフォトレジストの上面に重ねられる。１８秒間２０ｍＷで４０５ｎｍのＵＶ照射を基板に与えることによってパターンが生成される。膜パターンは２０％のＳｈｉｐｌｅｙ３５１で攪拌することによって生成される。０．５μｍのパリレン膜がフォトレジストの上面に再び堆積される。０．１μｍの白金膜がパリレンの上面に堆積される。その後、０．５μｍのパリレンである第２層が堆積される。アセトンで３時間から４時間ゆっくり攪拌することによって膜がはずされる。このように製造された波形膜の一例が図２ａに示されている。
【００１１】
図３ａは光ファイバ束における３つのファイバの図である。好ましい構成においては、ファイバは２００ミクロンのコア径を有し、低屈折率の外装は２２５ミクロンの厚みを有する。
【００１２】
図３ｂは、最適な信号対雑音比をもたらすファイバの好ましい配置を示す。ファイバは、照射ファイバの端部が波形膜から８００から９００ミクロンの位置にあるように配置され、２つの検出ファイバはそれぞれ、波形膜から４００ミクロンと１０００ミクロンの位置にある。反射膜の位置ずれは、２つの検出ファイバが受光する光信号間の差から生じる。
【００１３】
図４は、カテーテルの先端が変化する深さの水圧を測定した実験の一例である。図４ａおよび図４ｂは異なる圧力範囲におけるセンサの感度を示す。図４ａは１から８ｃｍＨ２Ｏの範囲での感度の百分率変化を示す。図４ｂは１から１１ｍｍＨ２Ｏの範囲での感度の百分率変化を示す。微分解析器からの正規化信号は、圧力が増加する（水を加える）かまたは減る（水を取り出す）とき水の深さに対して表されている。図４ｂから、デバイスの平均感度は、圧力が増加した場合も、減少した場合も両方とも１ｍｍＨ２Ｏの圧力変化につき１．２％の変化であった。
【００１４】
図５ａは本発明を用いた実験の写真である。ラットにＩＭケタミン（４４ｍｇ／ｋｇ）を用いて麻酔をかけ、気管内チューブを挿管した。光ファイバプローブは気管内チューブを通って気管の管腔内に挿入した。光源は、ＰＩＮ検出器のダイナミックレンジと一致したレベルに調節された光度を備えた５９０ｎｍのＬＥＤであった。ベースラインの圧力を最初に記録した。ネオスチグミンである抗コリンエステラーゼ剤を腹膜内で投入し、圧力を数分間監視した。実験の最後に、気管切開術を実施し、図５ｂで示すように気管圧を個々に測定した。
【００１５】
図６は、図５に示され、上述された実験によって得られた、圧力測定のグラフを含む。ベースラインでは、麻酔をかけられたラットは１分間に１２０呼吸で呼吸した。ネオスチグミンの投入後２分経つと、ラットは周期倍増呼吸パターンを呈した。およそ５分後、無呼吸が生じ、ラットの呼吸は徐々に正常に戻った。
【００１６】
本発明のシステムおよび方法は、実験用小動物における圧力を生理学的に監視する特定の用途を見出す。特に、呼吸数、吸気回数、呼気回数、１回換気量およびピーク吸気圧力などの肺内圧力、ならびに、それらが環境発作、薬物または病理学的条件に応じてどのように変化するかを、詳細に監視するのに役立つ。
【００１７】
本発明のシステムおよび方法は、実験用動物の生理学的反応を研究するための新しいツールを提供し、さらに患者の臨床監視に利用できることを見出した。
【００１８】
したがって、限定された空間において高分解能で超低圧を動的に監視する、新しい画期的なシステムおよび方法が提供されたことが理解できよう。本明細書の教示を与えられると、当業者には、開示された発明を組み込む多くの代替および等価物が存在することを見出すことができることは理解されよう。結果的に、本発明は上述の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲だけに限定される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による光ファイバ接続圧力検知システムの図である。
【図２ａ】本発明による、中心反射面を含む、作製された超小型の波形膜の一例である。
【図２ｂ】付記した寸法を有する写真３ｂにおける膜の図である。
【図３ａ】本発明による、光ファイバ束の図である。
【図３ｂ】本発明による、波形膜に対するファイバの先端部分の図である。
【図４ａ】圧力（単位ｍｍＨ２Ｏ）に対する膜のたわみ（百分率）におけるデバイス感度のグラフである。
【図４ｂ】圧力（単位ｍｍＨ２Ｏ）に対する膜のたわみ（百分率）におけるデバイス感度のグラフである。
【図５ａ】実験用ラットの気管圧の測定に使用する、本発明の方法の写真である。
【図５ｂ】実験用ラットの気管圧の測定に使用する、本発明の方法の写真である。
【図６】図５で示された実験で得られた動圧のグラフである。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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