(57)【要約】【課題】生物および他の液体試料を試験するための小さいペレットとして構成された浸漬可能なセンサ・デバイスを提供する。【解決手段】一態様では、感知デバイスが、ハウジングと、ハウジング内に収容された１つまたは複数のセンサとを含み、ハウジングは、感知デバイスが液体検体内に完全に浸漬可能になるように、センサを密封する。この感知デバイスを使用して液体試料を分析する方法およびシステムも提供される。【選択図】図２
2020535394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感知デバイスであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に収容された１つまたは複数のセンサと、を備え、
前記ハウジングが、前記感知デバイスが液体検体内に完全に浸漬可能であるように、前記センサを密封している、感知デバイス。
【請求項２】
前記ハウジングは、平坦な頂面と、前記平坦な頂面とは反対側の平坦な底面とを備え、前記平坦な頂面および前記平坦な底面は円形であり、前記感知デバイスはペレット状である、請求項１に記載の感知デバイス。
【請求項３】
前記ペレットの直径ｄが約１０ｃｍ以下である、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記直径ｄが約２ｃｍ以下である、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記直径ｄが約０．５ｃｍ〜約１ｃｍの範囲である、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記ペレットの厚さｔが約１．２５ｍｍ〜約２５ｍｍの範囲である、請求項２に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ハウジングの少なくとも一部分が透明である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記センサが、電気センサ、電気化学センサ、光センサ、圧力センサ、温度センサ、比重センサ、音響センサ、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記センサが、少なくとも１つの光センサを備え、前記少なくとも１つの光センサが、
バッキング基板上のイムノアッセイ試験ストリップと、
光源と、
光検出器であり、前記光源および光検出器が前記イムノアッセイ試験ストリップに直交する方向に配置された、光検出器と、
前記イムノアッセイ試験ストリップと前記光源および前記光検出器との間のプリズムと
を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記光源が発光ダイオードを備え、前記光検出器がフォトダイオードを備える、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記イムノアッセイ試験ストリップが複数の試験パッドを備え、
前記少なくとも１つの光センサが、前記試験パッドのそれぞれの間にセパレータをさらに備え、前記セパレータが、濡れると膨張するポリマーを含む、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの光センサが、前記イムノアッセイ試験ストリップと前記バッキング基板との間に高吸水性ポリマーの層をさらに備える、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記センサが、少なくとも１つの光センサを備え、前記少なくとも１つの光センサが、
試薬に特有なマーカによって被覆されたマイクロ流体チャネルと、
前記マイクロ流体チャネルの第１の端部に位置する入口と、
前記入口とは反対側の前記マイクロ流体チャネルの第２の端部に位置する撮像デバイスと、
前記マイクロ流体チャネルの前記第１の端部に隣接している光源と、
前記光源からの光を前記撮像デバイスへ誘導する導波路と、
を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記撮像デバイスが、カメラ・オン・チップを備える、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記センサが、少なくとも１つの歪みゲージを備え、前記少なくとも１つの歪みゲージが、
キャビティを有するセンサ・ハウジングと、
前記キャビティの底部に位置する歪みセンサと、
前記歪みセンサに接触するように前記キャビティ内に配置されたフロートと、
を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記フロートの頂部が、前記センサ・ハウジングの頂面より下に凹んでいる、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記歪みゲージが、
前記キャビティの前記底部から、前記センサ・ハウジングの前記キャビティとは反対側の外へつながる通気管路をさらに備える、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記フロートが、前記キャビティの壁に沿った溝と相補形をなす少なくとも１つの突起を備え、前記少なくとも１つの突起は、前記フロートが前記キャビティ内で上下に自由に動くことを可能にしながら、前記フロートの回転を防止する、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１９】
液体試料を分析する方法であって、
感知デバイスを前記液体試料内に浸漬することであり、前記感知デバイスが、ハウジングおよび前記ハウジング内に収容された１つまたは複数のセンサを備え、前記感知デバイスが前記液体試料内に完全に浸漬可能であるように前記ハウジングが前記センサを密封している、前記浸漬することと、
前記センサを使用して前記液体試料からデータを収集することと、
前記感知デバイスからの前記データをデータ管理システムおよび電子記録のうちの少なくとも１つへ伝送することと、
を含む方法。
【請求項２０】
前記ハウジングが、平坦な頂面と、前記平坦な頂面とは反対側の平坦な底面とを備え、前記平坦な頂面および前記平坦な底面がどちらも円形であり、前記感知デバイスがペレット状であり、
前記液体試料が、試料カップ内に収容され、
前記感知デバイスが、前記平坦な頂面または前記平坦な底面が前記試料カップの底部に支持された状態で、前記液体試料内に少なくとも部分的に浸漬される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記センサが、電気センサ、電気化学センサ、光センサ、圧力センサ、温度センサ、比重センサ、音響センサ、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記データが、前記感知デバイスから前記クラウドを介してデータ管理システムおよび電子記録のうちの少なくとも１つへ伝送される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
液体試料を分析するシステムであって、
請求項１ないし１８のいずれかに記載の少なくとも１つの感知デバイスと、
前記少なくとも１つの感知デバイスに通信可能に接続されたデータ管理システムと、
を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体（たとえば、生物）試料の試験技法に関し、より詳細には、生物および他の液体試料を試験するための小さいペレットとして構成された浸漬可能な感知デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオアッセイは典型的に、試験ストリップを液体生物試料内に浸し、次いでベンチトップ分析器などのデバイスを使用して試験ストリップを分析することを伴う。しかし、試料収集と分析との間の時間に、試料が汚染、劣化、または他の形で損なわれる可能性がある。たとえば、患者から試料が収集されてから試料が分析されるまでの間に相当な量の時間がある可能性がある。その時間中、試料が試験箇所に到達するまでに、試料の輸送または貯蔵あるいはその両方が行われることがある。この間ずっと、試料は、その試験に対する完全性および有用性を維持するために、適切に取り扱われなければならない。適切な取扱いには、汚染、漏れを防止すること、劣化を防止するために試料を適切な温度で維持することなどが含まれうる。したがって、試験前に試料が損なわれる多くの機会が存在する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Adhikari et al., "Carbon Nanomaterials Based Electrochemical Sensors/Biosensors for the Sensitive Detection of Pharmaceutical and Biological Compounds," Sensors September2015, 15, 22490-22508
【非特許文献２】Lee et al., "Ion-Sensitive Field-Effect Transistor for Biological Sensing," Sensors September 2009,9, 7111-7131
【非特許文献３】Ahmed et al., "Biosensors for Hole-Cell Bacterial Detection," Clinical Microbiology Reviews, July 2014,27(3): 631-646
【非特許文献４】Lan et al., "Recent advances in nanomaterial-based biosensors for antibiotics detection," Biosensorsand Bioelectronics, vol. 91, May 2017, pgs. 504-514
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、収集時に試料の包括的な試験を可能にする技法が所望される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、生物および他の液体試料を試験するための小さいペレットとして構成された浸漬可能な感知デバイスを提供する。本発明の一態様では、感知デバイスが提供される。感知デバイスは、ハウジングと、ハウジング内に収容された１つまたは複数のセンサとを含み、ハウジングは、感知デバイスが液体検体内に完全に浸漬可能になるように、センサを密封する。
【０００６】
本発明の別の態様では、別の感知デバイスが提供される。感知デバイスは、ハウジングと、感知デバイスが検体内に完全に浸漬可能になるようにハウジング内に密封された１つまたは複数のセンサとを含み、ハウジングは、平坦な頂面と、平坦な頂面とは反対側の平坦な底面とを含み、平坦な頂面および平坦な底面はどちらも円形であり、したがって感知デバイスはペレットの形状を有し、その直径ｄは約１０ｃｍ以下であり、その厚さｔは約１．２５ｍｍ〜約２５ｍｍおよびそれらの間の範囲である。
【０００７】
本発明のさらに別の態様では、液体試料を分析する方法が提供される。この方法は、感知デバイスを液体試料内に浸漬することであり、感知デバイスが、ハウジングおよびハウジング内に収容された１つまたは複数のセンサを含み、感知デバイスが液体試料内に完全に浸漬可能になるようにハウジングがセンサを密封する、浸漬することと、センサを使用して液体試料からデータを収集することと、感知デバイスからのデータをデータ管理システムおよび電子記録のうちの少なくとも１つへ伝送することとを含む。
【０００８】
本発明のさらに別の態様では、液体試料を分析するシステムが提供される。システムは、ハウジングおよびハウジング内に収容された１つまたは複数のセンサを有する少なくとも１つの感知デバイスであり、感知デバイスが液体試料内に完全に浸漬可能になるようにハウジングがセンサを密封する、少なくとも１つの感知デバイスと、少なくとも１つの感知デバイスに通信可能に接続されたデータ管理システムとを含む。
【０００９】
本発明のより完全な理解、ならびに本発明のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面を参照することによって得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を実施するペレット状の感知デバイスを使用して試料を分析する例示的な方法を示す図である。
【図２】感知デバイスの例示的な構成を示す図である。
【図３】本発明を実施する例示的なイムノアッセイ光検出器を示す側面図である。
【図４】イムノアッセイ光検出器を示す上面図である。
【図５】光検出器のイムノアッセイ・ストリップの下に位置する高吸水性ポリマー（ＳＡＰ）層を示す横断面図である。
【図６】イムノアッセイ・ストリップ上の試験パッド間で用いられるセパレータを示す上面図である。
【図７】本発明を実施する例示的な顕微鏡的構成要素を示す図である。
【図８】本発明を実施する例示的な歪みゲージを示す側面図である。
【図９】歪みゲージを示す上面図である。
【図１０】歪みゲージより上の液体検体の高さＨｏを示す図である。
【図１１】感知デバイスを使用して試料を分析する例示的なシステムを示す図である。
【図１２】本発明を実施する方法のうちの１つまたは複数を実施するように構成することができる例示的な装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
浸漬可能な感知デバイスを使用する収集時試料試験のための改善された技法が、本明細書に提供される。このデバイスは、通信、電力、および識別（ＩＤ）の構成要素が組み込まれた試料分析のための複数のセンサを含む。
【００１２】
本発明の一実施形態では、デバイスはペレットの形状であり、たとえば患者から収集された液体試料内に容易に浸漬することができるように小さい寸法を有する。試験のため、デバイスは、試料を収容するカップなどの容器内へ簡単に投入される。デバイスは、主表面のいずれか（頂面または底面）が試料カップの底部に支持された状態で動作することができる。好ましくは、ペレットはまた、試験のためにペレットを浸漬するために必要とされる試料が最小体積のみになるように薄い。
【００１３】
例示のみを目的として、デバイスの直径ｄは、約１０センチメートル（ｃｍ）以下、好ましくは約２．５ｃｍ以下、より好ましくは約２ｃｍ以下であり、たとえば約０．５ｃｍ〜約１ｃｍの範囲である。デバイスの厚さｔは、好ましくは約３ｃｍ以下、より好ましくは約０．５ｃｍ以下であり、たとえば約１．２５ミリメートル（ｍｍ）〜約２５ｍｍの範囲である。デバイスのサイズは、標準的なサイズの収集容器またはカップ内に収容された試料に対して試験が実行されているときに重要である。たとえば、尿分析のためなどの生物製剤に関する試料試験は、約６０ｍｍ（直径）×７０ｍｍ（高さ）の寸法を有する試料カップ内に収容された検体を扱うことが多い。したがって、デバイスを試料カップ内に、デバイスの頂面または底面がカップの底部に完全に支持された状態で配置するには、デバイス自体の直径を、試料カップの直径より小さくしなければならない。さらに、デバイスは、その頂面または底面が試料カップの底部に支持されているいずれの向きでもうまく機能することができるため、デバイスの寸法をより小さくすることで（試料カップと比較して）、使用者がデバイスを試料／試料カップ内へ簡単に投入すると、デバイスが試料内に浸漬し、（その頂面または底面が）試料カップの底部に支持されていることが保証される。
【００１４】
上述したように、デバイスには多数の異なるセンサが装備されている。所与の１つのデバイスで用いられるセンサの組合せは、標的検体に応じて変動する可能性がある。たとえば、ある１組のセンサは、尿分析中などに生物試料からデータを収集するのに有用になる可能性がある一方で、別の異なる１組のセンサは、水試料または液体化学試料の試験により適している可能性がある。デバイスは、それに応じて構成することができる。例示のみを目的として、デバイス内で使用するのに好適なセンサには、それだけに限定されるものではないが、電気センサ、電気化学センサ、光センサ、圧力センサ、温度センサ、比重センサ、または音響センサ、あるいはその組合せが含まれる。
【００１５】
上述したように、デバイスには電力構成要素を組み込むことができる。たとえば、デバイスは、電池源が組み込まれた独立型のデバイスとして構成することができる。この独立型の構成は、外部電源が容易に利用可能でない可能性がある分野で使用するのに特に有益である。別法として、デバイスは、たとえば非接触充電を介してデバイスに給電するために使用されるシステム・ハブを含むアセンブリの一部とすることができる。そのようなアセンブリの使用は、病院または医院、研究所、診療所などの常時電源を有する環境によく適している。任意選択で、組み込まれた電力構成要素は、外部電源への直接接続を使用するシステム・ハブまたは非接触充電あるいはその両方を介して再充電可能とすることができる。しかし、デバイス自体が自立型の組み込まれた電力構成要素を有していないときは、非接触充電を使用してデバイスに給電することができる。本明細書における使用が企図される他の電源には、それだけに限定されるものではないが、照明下で発電する光起電セルなどの光起電性の電源、および光起電セルによって生成されるエネルギーを貯蔵する再充電可能電池が含まれる。
【００１６】
本発明を実施する技法の概要について、デバイスを使用して試料を分析する図１の方法１００を参照して次に提供する。ステップ１０２で、デバイスは検体内に浸漬される。好ましくは、検体は、市販の試料カップなどの器または容器内に収容された液体試料であり、カップ内に存在する検体の体積は、検体内にデバイスを完全に浸漬するのに十分である。例示のみを目的として、検体は、尿分析のためなどの生物試料、水または化学試験などのための水または液体化学試料などとすることができる。上述したように、ステップ１０２は、検体を収容する試料カップ内へデバイスを投入することによって簡単に実行することができる。デバイスは、感知デバイスが（その頂面または底面が）試料カップの底部に載って平らに支持されるように、試料内に浸漬される。本発明の実施形態では、デバイスが試料内に完全に浸漬される場合について本明細書に記載するが、ペレット自体全体が完全に浸漬されていない場合でも、センサを有するデバイスの表面（以下参照）が検体内に浸漬された場合、試料からデータを得ることも可能であることに注目すべきである。したがってたとえば、検体の体積がデバイス全体を完全に浸漬するのに十分でないが、センサを収容するデバイスの表面が浸漬されている（すなわち、デバイスの感知面が検体内に位置する）場合、読取り値を得ることができる（デバイスが部分的にのみ浸漬されている状態でも）。
【００１７】
有利には、試料の収集時点で試験を実行することができ、したがって試料およびそこから拾い集めたデータの完全性が保持される。たとえば、患者から生物試料を収集している医師、水試料を収集している研究者などは、検体試料を（たとえば、試料カップ内に）収集し、次いで試料内へデバイスをすぐに投入することができる。比較として、ほとんどの従来の試験手法は、この分野には適していないベンチトップ機器を要し、したがって多くの場合、試料が収集されてから分析されるまでの間に長い期間を要し、その間、輸送、出荷中などに試料は広い範囲で取り扱われる。
【００１８】
ステップ１０４で、ここで検体内に浸漬されているデバイスを使用して、検体からデータを集める／収集する。上述したように、デバイスは、検体からデータを収集するように構成された様々な異なるセンサ（たとえば、電気センサ、電気化学センサ、光センサ、圧力センサ、温度センサ、比重センサ、または音響センサ、あるいはその組合せ）を含むことができる。デバイス内に存在するセンサの数またはタイプあるいはその両方は、特定の応用例および試験されている検体に依存する可能性がある。たとえば、生物試料を評価する際は、特定のバイオマーカ・センサが有用になることもあるが、これらは水試料の試験には適用されないはずである。したがって、本発明の一実施形態によれば、異なる試験の応用例には、異なるデバイスが利用可能であり、それらのデバイスは、デバイスが含む特定のセンサに基づいて互いに異なる。検体からデータを集めることに加えて、試料のソースに関する情報を記録し、他の結果に関連付けることもできる。たとえば、デバイスと通信する電話または他の入力デバイスからの無線リンクを使用して、患者識別（ＩＤ）を追加することができる。
【００１９】
ステップ１０６で、デバイスは、収集したデータを伝送する。本発明の一実施形態によれば、デバイスによって収集されたデータは、ローカル・ハブを介してクラウドへ伝送され、次いでデータ管理システムへ、および／または電子医療記録すなわちＥＭＲなどの電子記録へ伝送される。たとえば、後述するシステム１１００を参照されたい。好ましくは、デバイスからのデータ伝送は、感知デバイスを独立型のユニットとして検体内へ導入することが可能になるように、無線で実行される。しかし、本発明の実施形態には、有線接続を介してデバイスからデータが得られる場合、および／またはデバイスによってデータが収集および記憶され、次にアーカイブ、分析などのためにシステムへ伝送される場合についても含まれる。
【００２０】
次いで、デバイスから伝送されるデータが分析され（ステップ１０８）、および／または記憶されて（アーカイブされて）電子記録を作成することができる（ステップ１１０）。本発明の一実施形態によれば、データは、データ管理システム（システム１１００参照）を介して処理される。以下に詳細に説明するように、データ分析に基づいて、診断レポートを生成し、適当な１人または複数の使用者へ伝送することができる。たとえば、医療診断のために、患者試料から（尿分析からなど）収集されたデータの分析を、患者を治療している医師、および／または病院、診療所などへ伝送することができる。同様に、水試料からのデータの分析を、試験を実施している研究所、研究者などへ伝送することができる。
【００２１】
デバイスの特徴のより詳細な説明について、図２に示すデバイスの例示的な構成を参照して次に提供する。図２に示すセンサの構成、配置、またはタイプ、あるいはその組合せは、デバイスについて例示するために提供される一例に過ぎないことを理解されたい。センサの異なる配置またはセンサの異なるタイプあるいはその両方、ならびにフォームファクタ／ハウジングを含む他の構成も、本明細書に予想される。
【００２２】
図２に示すように、デバイスは、好ましくはペレット状である。「ペレット状」とは、デバイスが円柱形の形状を有し、円形で平坦な頂面および底面をその両端に有することを意味する。上述したように、使用中、デバイスは、液体試料内へ簡単に投入され、たとえば（その頂面または底面が）試料を収容する容器の底部に支持される。標準的なサイズの試料カップ内の試料の試験で使用する場合、ペレットは好ましくは、小さい直径ｄおよび厚さｔを有する。ｄおよびｔに対する例示的な値は、上述したとおりである。デバイスの全体的なサイズおよび形状は、デバイスを形成するために使用されるハウジング２０２の形状によって大きく左右される。図２を参照されたい。たとえば、本発明の例示的な実施形態によれば、デバイスは、１つまたは複数のセンサを収容するペレット状のハウジング２０２（上述したサイズ、形状、および寸法）を含む。デバイスを浸漬可能にするために、ハウジング２０２は水密性であり、デバイスのセンサおよび他の電子構成要素を外側の検体から密封する。好適なハウジング材料には、それだけに限定されるものではないが、プラスチック、金属、ポリマー、および他の材料が含まれる。たとえば、ハウジング２０２は、射出成形プラスチックから形成することができる。センサがハウジング２０２から突出する場合、封止材（ポリマー接着材など）を使用して、ハウジング２０２を貫通するセンサ部分の周りを封止する。しかし、すべてのセンサがハウジング２０２を通過する必要があるわけではない。たとえば、ハウジングが透明（部分的または全体的に）である限り、ハウジングを介して光学測定を行うことができる。したがって、本発明の実施形態では、ハウジング２０２の少なくとも一部分が透明である場合についても本明細書に企図される。たとえば、ハウジング２０２全体を透明材料から作ることができ、または別法として、光センサの位置にハウジング２０２の透明部分（たとえば、透過窓）を設けることができる。
【００２３】
マイクロ流体工学を使用して、検体から感知面へ単位量の試料を収集することができる。たとえば、デバイスは、センサを覆うその少なくとも１つの表面上に、吸収パッド２０４を含むことができる（たとえば、図２参照）。好適な吸収パッド材料には、それだけに限定されるものではないが、紙、綿、布、ポリマー膜、およびヒドロゲルなどのセルロース材料が含まれる。この例では、吸収パッド２０４は、センサの上のペレットの頂面上に位置する。パッド２０４は、指定の体積の液体を吸収するように構成される。したがって、吸収パッド２０４によって収集されたその特有の体積の検体に基づいて、行われた測定を分析することができる。例示のみを目的として、吸収パッド２０４は、１回の使用を意図したものであり、試験が完了した後に交換される。加えて、センサの１つまたは複数をデバイスの表面上でチャネル２０６内に配置することで、（チャネル２０６の寸法に基づいて）単位体積の検体が感知面に接触することが確実になる。たとえば、センサの１つまたは複数が、デバイスの頂面におけるチャネル２０６内に配置された、図２を参照されたい。チャネル２０６を画定するために、吸収パッド２０４の代わりにカバー・スリップを使用することもできる。
【００２４】
この例では、デバイスは、少なくとも１つの光センサ２０８をその表面上に含む。光センサは、たとえばイムノアッセイなどの色検出を伴う応用例または検体の色を判定する必要のある応用例あるいはその両方で有用である。たとえばイムノアッセイは、試薬に基づく観察可能な色の変化を使用して読み取ることができる生化学試験である。水試料中に存在する添加物、不純物などが、その色に影響を及ぼすこともあり、光センサ２０８を使用してそれを検出することができる。本発明の実施形態で使用することができる例示的な光センサは、後述する図３に示す。
【００２５】
図２に示すデバイスはまた、少なくとも１つの電気化学センサ２１０をその表面上に含む。電気化学センサは、作用電極および基準電極を使用して、溶液中の反応物質の電気パラメータを測定する。たとえば生物製剤に関して、反応物質は、様々な症状、疾病などに対して知られているバイオマーカを含むことができる。たとえば、Adhikari et al., "Carbon Nanomaterials Based Electrochemical Sensors/Biosensors for the Sensitive Detection of Pharmaceutical and Biological Compounds," Sensors September 2015, 15, 22490-22508を参照されたい。好適な電気化学センサには、それだけに限定されるものではないが、たとえばカリフォルニア州サンディエゴのＤｅｘｃｏｍ，Ｉｎｃ．およびアイルランド、ダブリンのＭｅｄｔｒｏｎｉｃから入手可能なグルコース・センサ、ならびにニュージャージー州プリンストンのＡｂｂｏｔｔから入手可能なｉ−ＳＴＡＴ（Ｒ）センサが含まれる。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態はまた、少なくとも１つの圧力センサまたは歪みゲージ２１２をデバイスの表面上に含む。圧力センサまたは歪みゲージは、検体の密度測定値を得て、比重などの特定のパラメータを判定するために使用することができる。好適な圧力センサは、たとえば、ドイツ、ベルリンのＦｉｒｓｔ  Ｓｅｎｓｏｒから市販されている。例示的な歪みゲージおよび比重を判定する技法は、図８〜図１０の説明とともに後述する。
【００２７】
音響センサ２１４もまた、設計に組み込むことができる。後述するように、音響センサは、歪みゲージより上の液体検体の高さを評価（たとえば、音波の飛行時間に基づく）する際に使用することができる。好適な音響センサには、それだけに限定されるものではないが、たとえばオーストリアのＥＶ  Ｇｒｏｕｐから入手可能な表面弾性波（ＳＡＷ）センサが含まれる。
【００２８】
感知デバイスの表面上のイオン感応性電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）センサ２１６もまた、この例における設計の一部である。イオン感応性ＦＥＴは、検体のｐＨを判定するために使用することができる。たとえば、イオン感応性ＦＥＴは、ゲート絶縁体上に形成される界面電位に基づいて、溶液中のＨ＋またはＯＨ−イオンの濃度を測定することができる。たとえば、Lee et al., "Ion-Sensitive Field-Effect Transistor for Biological Sensing," Sensors September 2009, 9, 7111-7131を参照されたい。
【００２９】
温度、汚染物質などの試料品質を監視するために、他のセンサを含むこともできる。試料温度は、温度センサ２１８を使用して監視される。以下に詳細に説明するように、温度測定も比重計算において有用である。汚染物質に関する概念は、たとえば医薬品で見られる細菌または化学物質あるいはその両方などの汚染物質によってデータ内で起こりうるあらゆる干渉を除去し、汚染物質が検出された場合は（たとえば、可聴）警報を開始したいと考えることである。
【００３０】
汚染物質の検出方法は、分析のタイプに依存する。この方法は、検体認識の際のバイオセンサ表面の蛍光の変化、またはそれほど一般的ではないが吸収度もしくはルミネセンスを測定する光センサを伴うことができる。これはまた、検体が表面に結合した際のインピーダンスまたは電位もしくは電流の変化あるいは酸化還元反応を測定するためのインピーダンスまたは電気化学センサなどの電気センサとすることができる。細菌検出のための例示的なプロセスは、たとえば、Ahmed et al., "Biosensors for Hole-Cell Bacterial Detection," Clinical Microbiology Reviews, July 2014, 27(3): 631-646に記載されている。
【００３１】
抗生物質などの医薬品の場合、クロマトグラフィー、キャピラリー電気泳動（ＣＥ）、ダイオード・アレイ（ＤＡ）、炎イオン化（ＦＩ）、および酵素結合免疫吸着検定法（ＥＬＩＳＡ）などの従来の検出方法はすべて、複雑なプロセスを要する。しかし、ナノ粒子に基づく光および電気化学センサを代わりに用いることができる。たとえば、Lan et al., "Recent advances in nanomaterial-based biosensors for antibiotics detection," Biosensors and Bioelectronics, vol. 91, May2017, pgs. 504-514を参照されたい。
【００３２】
図２に示すように、デバイスは、様々な自立型の電子機器を含む。たとえば、小型電池２２０を使用して、デバイスおよびセンサ、ならびにデータ伝達動作に給電する。マイクロコントローラ２２２またはシステム・オン・チップは、搭載型の処理およびメモリ能力をデバイスに提供する。デバイスは、たとえばクラウドへ、次いでデータ管理システムまたは電子医療記録（ＥＭＲ）あるいはその両方へのデータの伝達を可能にするＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）２２４／ＲＦＩＤ２２６対応の接続性を有する。デバイスによって収集されるすべてのデータには、タイムスタンプおよび日付が記録される。位置情報を提供するために、全地球測位システム（ＧＰＳ）チップを組み込むことができる。位置情報はまた、スマート・フォンまたはウォッチあるいはその両方などの使用者のＧＰＳデバイスとの結合によって組み込むこともできる。
【００３３】
好ましくは、デバイスは、分析をいつ開始（または完了）するべきかが分かるように、液体試料に追加されたこと（または液体試料から除去されたこと）を検出することができる。たとえば、加速度計２２８は、ペレットが液体試料内へ投入され、次に試料から回収されることに伴う運動を検出することができる。様々な好適な加速度計および他の運動センサが、たとえばニューヨーク州デピューのＰＣＢ（Ｒ）から市販されている。分析が進行中であること、完了したことなどを示すために、図２に示すように状態発光ダイオード（ＬＥＤ）２３０もデバイス表面上に存在する。
【００３４】
デバイスにおける使用が企図される１つのタイプの光センサは、イムノアッセイ光検出器３００である。たとえば、図３（側面図）および図４（上面図）を参照されたい。上述したように、イムノアッセイとは、観察可能な色の変化を使用して読み取ることができる生化学試験である。したがってこの例では、イムノアッセイ試験ストリップ（「イムノアッセイ・ストリップ」）と、デバイスが検体内に浸漬されたときに結果として生じる色の変化を検出するように構成された光センサとが組み合わされている。
【００３５】
たとえば図３を参照すると、イムノアッセイ光センサ３００は、イムノアッセイ・ストリップ３０２と、光源３１２と、光検出器３１４および付随する電源３０４と、光を光源３１２からイムノアッセイ・ストリップ３０２の方へ誘導し、また再び検出器３１４へ誘導するプリズム３０６（または他の手段）と、バッキング基板３０８とを含む。図示の構成では、試験されている流体がイムノアッセイ・ストリップ３０２に沿って「吸い上げ」られるが表面に「溢れ」ないように、プリズム３０６の底面およびイムノアッセイ・ストリップ３０２が互いに密接に接触していることが重要である。表面に「溢れ」た場合、試薬が余分の液体によって過度に希釈、混合、または洗い流される可能性がある。プリズムの底部には、散乱光の干渉を制限するために、任意選択のアパーチャ４１０（後述する図４参照）を設置することができる。
【００３６】
図３に示すように、センサ３００は、封止された（水密性の）エンクロージャ３０９に入っており、エンクロージャ３０９は、イムノアッセイ・ストリップ３０２の挿入／除去のための開口をプリズム３０６の底部に有する。これにより、センサ３００内のイムノアッセイ・ストリップを使用後に容易に除去し、新しいストリップと交換することが可能になる。
【００３７】
概して、イムノアッセイ・ストリップは多孔質材料から形成され、毛管作用を介して検体試料がストリップを横切って横方向に輸送される。この毛管作用を使用して、流体体積を制限し、試薬の過度の希釈を防ぐ。試料は、ストリップを横切って動くにつれて、特定の試薬を収容している１つまたは複数の領域に接触し、試薬は検体と反応して複合体を形成する（または試薬が存在しない場合、対応する検体は反応しない）。複合体の蓄積は、ストリップの色を変化させる。ストリップは、複数のレーンまたは試験パッドを含むことができる。イムノアッセイ・ストリップがたとえば４つの試験パッドＡ〜Ｄを有する図４を参照されたい。図４は、たとえば視点Ａ（図３参照）から見た上面図である。上述したように、使用後、センサ３００内のイムノアッセイ・ストリップは、容易に除去して新しいストリップと交換することができる。図４に示すように、プリズム３０６の底部にアパーチャ４１０を設けて散乱光の干渉を制限することができる。例示のみを目的として、アパーチャは、プリズム３０６の底部に遮光層を取り付け、遮光層内にアパーチャ４１０が存在するようにすることによって、プリズム３０６の底部に簡単に設置することができる。
【００３８】
イムノアッセイ・ストリップを照射するために、少なくとも１つの光源３１２が設けられる。イムノアッセイ試験ストリップ３０２から反射した光を検出するために、少なくとも１つの光検出器３１４が使用される。任意選択で、光源３１２／光検出器３１４とプリズム３０６との間にレンズ３１０を用いて、光を収束させることができる。この特定の例では、光源はＬＥＤであり、光検出器はフォトダイオード（ＰＤ）などの光検出器である。ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージャを光検出器として使用することもできる。したがって、本発明の一実施形態によれば、光センサ３００内でＬＥＤが光源として使用され、フォトダイオード（ＰＤ）が光検出器として使用され、たとえば、ＬＥＤは光を生成してイムノアッセイ試験ストリップを照射し、フォトダイオードはイムノアッセイ試験ストリップから反射した光を検出する。図３に示す例示的な構成では、ＬＥＤ／フォトダイオードは、イムノアッセイ試験ストリップ３０２対して直交するように配置され、ＬＥＤ／フォトダイオードおよびイムノアッセイ・ストリップ３０２との間を行き来する光は、ＬＥＤ／フォトダイオードとイムノアッセイ試験ストリップ３０２との間に位置するプリズム３０６（または鏡などの他の好適な手段）を使用して案内される。
【００３９】
各試験パッド上の液体検体の量は、精度を確保し、試験パッド間の交差汚染を防ぐように制御および制限されるべきである。これにはいくつかの方法がある。一例は、各試験パッド間にセパレータを構築することである。図５および図６を参照されたい。別の例は、イムノアッセイ・ストリップ３０２がセンサ３００へ挿入され、濡れが検出されたとき、試験パッド間に接触して試験パッドを分離する働きをするセパレータをセンサ３００の一部（図示せず）として有することである（すなわち、セパレータは、濡れると膨張し、それによってイムノアッセイ・ストリップ３０２に係合するように構成することができる）。セパレータはまた、試験パッド上にも同様に構築することができる（たとえば、図６のセパレータ６０２参照）。一例では、セパレータは、高吸水性ポリマー（ＳＡＰ）など、濡れると膨張（すなわち、拡大）する材料から作られる。ＳＡＰの一例は、ポリアクリル酸ナトリウムである。ＳＡＰの別の例は、ヒドロゲルである。図５は、イムノアッセイ・ストリップ３０２の断面図を示し、イムノアッセイ・ストリップ３０２とバッキング基板３０８との間にＳＡＰ層５０２が存在する。図６に示すように、イムノアッセイ・ストリップ３０２の上面の試験パッド間には、イムノアッセイ・ストリップ３０２が濡れているときに分離壁として働くセパレータ６０２（たとえば、ＳＡＰストリップ）も存在する。使用中、液体はイムノアッセイ・ストリップ３０２を通って吸い上げられ、ＳＡＰ層５０２およびセパレータ６０２／ＳＡＰストリップを濡らす。ＳＡＰは膨張し、イムノアッセイ・ストリップ３０２を持ち上げてプリズム３０６の底面に接触させ、試験パッドを封止する（すなわち、上述したように、プリズム３０６の底面およびイムノアッセイ・ストリップ３０２は、試験されている流体がイムノアッセイ・ストリップ３０２に沿って「吸い上げ」られるが表面に「溢れ」ないように、互いに密接に接触しているべきである）。図６は、たとえば視点Ｂ（図５参照）から見た上面図である。
【００４０】
デバイスにおける使用が企図される別のタイプの光センサは、顕微鏡的構成要素７００である。図７を参照されたい。図７に示すように、顕微鏡的構成要素７００は、マイクロ流体チャネル７０４の一方の端部に位置する検体が顕微鏡的構成要素７００に入るための入口７０２と、マイクロ流体チャネル７０４の反対側の端部に位置する撮像デバイス７０６とを含む。液体検体は、毛管力によって、またはマイクロ流体チャネル７０４に接続されたポンプによって駆動される。光源７０８（マイクロ流体チャネル７０４の入口７０２側の端部に隣接）には、光源７０８からの光を撮像デバイス７０６へ誘導するための導波路７１０（マイクロ流体チャネル７０４の下）などの手段が設けられる。
【００４１】
本発明の一実施形態によれば、マイクロ流体チャネル７０４は、１つまたは複数の試薬に特有の染料、着色剤、および／または他のタイプのマーカによって被覆される。検体が入口７０２を通って顕微鏡的構成要素７００に入り、マイクロ流体チャネル７０４を通過するにつれて、試薬が検体内に存在する場合、マーカと反応する。次いで、この反応（またはその欠如）は、撮像デバイス７０６を介して画像内に捕捉される。たとえば、着色剤または染料が特定の試薬と反応すると、特定の色または他の兆候が画像内に現れる。本発明の一実施形態によれば、撮像デバイス７０６に近位のマイクロ流体チャネル７０４の端部には、液体を通しながら試料内の粒子沈殿物７１４を収集するように、膜７１２が設置される。顕微鏡的構成要素７００は（撮像デバイス７０６を介して）、さらなる分析のために沈殿物の画像を得ることができる。
【００４２】
本発明の一実施形態によれば、撮像デバイス７０６は、電荷結合デバイス／相補型金属酸化膜半導体ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージャである。好適なＣＣＤ／ＣＭＯＳ撮像デバイスには、それだけに限定されるものではないが、カリフォルニア州サンタクララのＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＯｍｎｉｖｉｓｉｏｎ  ＯＶ６９２２という画素サイズ２．５マイクロメートル（μｍ）のカメラ・オン・チップが含まれる。任意の好適な光源を顕微鏡的構成要素７００内で用いることができる。本発明の一実施形態によれば、光源はＬＥＤ光源である。図７を参照されたい。例示のみを目的として、ＬＥＤ光源は、広帯域の白色光ＬＥＤ、狭帯域の単一波長ＬＥＤ、または複数の狭帯域ＬＥＤの組合せを含むことができる。
【００４３】
直前に記載した例示的な撮像デバイスは、構成要素７００が沈殿物７１４中の顕微鏡的粒子の存在を検出することを可能にする高分解能の光学系である。たとえば、提出された患者試料の文脈で、たとえば尿分析のために、顕微鏡的構成要素７００は、異なる細胞型に対する色、形状、および関連する特徴を見ることによって、白血球、赤血球円柱、上皮細胞、硝子円柱、結晶などを検出および定量化するために使用することができる。
【００４４】
上述したように、デバイスは、歪みゲージを含むことができる。歪みゲージは、検体から比重などの有用な測定値を得るために用いられる。例示的な歪みゲージ８００が、図８（側面図）および図９（上面図）に示されている。図８をまず参照すると、歪みゲージ８００は、ゲージ・ハウジング８０６内のキャビティ８０４内に位置決めされたフロート８０２を含む。フロート８０２は、キャビティ８０４の底部で歪みセンサ８０８に接触している。さらに、万一感知デバイス（検体内に配置されているとき）がその主頂面を下にした状態で設置された場合に（上記参照）、たとえば試料カップの底部によってフロート８０２が物理的に押されることを防止するために、フロート８０２は、図８に示すように、好ましくはゲージ・ハウジング８０６の頂面より下に凹んでいる。
【００４５】
またデバイスがいずれの向きでも動作可能になることに関して、キャビティ８０４の底部からゲージ・ハウジング８０６の反対側（キャビティ８０４から見て）の外へつながる通気管路８１０が設けられる。そのようにして、万一デバイスが検体内に上下反対に落ちた場合でも、キャビティ８０４から通気管路８１０を通って空気を容易に追い払うことができる。好適な歪みセンサには、それだけに限定されるものではないが、たとえばコネティカット州ウォリングフォードのＡｍｐｈｅｎｏｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサが含まれる。
【００４６】
図９は、歪みゲージ８００の上面図（たとえば、図８の視点Ｃから見た図）を提供する。図９に示すように、フロート８０２は、好ましくは、ゲージ・ハウジング８０６に対するフロート８０２のねじれを防止する形状を有する。言い換えれば、フロート８０２の形状（およびキャビティ８０４の相補的な形状）は、フロートの唯一の運動がキャビティ８０４内での上下であるような形状である。図８を参照されたい。そのようにして、検体の比重に基づくより正確な歪み測定値を得ることができる。例示のみを目的として、図９に示すように、フロート８０２は、ゲージ・ハウジング８０６の壁に沿って突起９０２が垂直の溝９０４と相補形をなすように構成することができる。そのようにして、フロート８０２が上下に自由に動くことを可能にしながら、フロート８０２のあらゆるねじれまたは回転が防止される。
【００４７】
本発明の一実施形態によれば、フロート８０２は、１未満の既知の密度および既知の体積を有する。フロート８０２の密度および体積が既知であるため、歪みセンサ８００にかかる浮力から、検体の比重を計算することができる。検体の既知の温度値によって（温度センサを介する、上記参照）、流体の熱膨張に対する補正を行うことができる。感知デバイスが検体内に上下反対に位置する場合、力の符号が逆になることに注目すべきである。
【００４８】
検体の比重を計算する例示的なプロセスについて、図１０を参照して次に説明する。図１０に示すデバイスは、図８および図９の説明によって上述したように構成することができる歪みゲージを含む。歪みゲージから読み取る圧力Ｐに基づいて、以下の計算を行うことができる。
Ｐ（ｔ）＝Ｈ（ｔ）ＡＳρ（ｔ）    （１）
上式で、Ｈ（ｔ）は試料カップ内の歪みゲージより上の液体検体の高さであり（たとえば、図１０参照）、ＡＳは歪みゲージの面積であり、ρ（ｔ）は液体検体の密度である。歪みゲージより上の液体検体の高さは、音波の飛行時間によって（たとえば音響センサを使用、上記参照）、または試料カップ内へ投入されるときにデバイスが濡れると作動される加速度計およびジャイロメータによって測定することができる。デバイスが試料カップ内に上下反対に落ち、または傾斜している場合、デバイスの厚さは測定値から補正される。
【００４９】
症状がない場合、成人に対する尿分析の比重は通常、約１．０００〜約１．０３０である。しかし、脱水症、発汗過多、腎臓への血流減少などの特定の症状を伴う場合、比重は増大する。逆に、腎不全、間質性腎炎などの他の症状を伴う場合、比重は減少する。したがって、上式（１）を使用して行われる判定に基づいて、特定の検体の比重（すなわち、上式（１）によりセンサ読取り値から計算された液体検体の密度ρ（ｔ）と、基準として症状のない成人の密度読取り値との比）が症状の存在を示す（すなわち、検体が標準外の比重を有する）かどうか、および症状の存在を示す場合、それはどのタイプの症状である可能性があるか、またはどのタイプの症状でない可能性があるか（たとえば、比重が高い場合、比重を低くする症状を除外することができ、逆も同様である）を判定することができる。
【００５０】
図１１は、デバイスを使用して試料を分析する例示的なシステム１１００を示す図である。図１１に示すように、システム１１００は、データ管理システム１１０２と（クラウド１１０１を介して）通信している少なくとも１つのデバイスを含む。データ管理システム１１０２は、デバイスによって収集されたデータを受け取り、このデータを処理／分析し、たとえばデータベースＤＢ１１０４内に記憶されたＥＭＲなどの電子記録を生成するように構成される。
【００５１】
図１１に示すように、データ管理システム１１０２はまた、１つまたは複数の関係者１１０６によってアクセスすることができる。たとえば、試料検体が患者から収集されたとき、関係者には、患者を治療している医師または病院、診療所など、あるいはその両方を含むことができる。水試料試験などの研究または診断の状況では、関係者には、研究所または研究者あるいはその両方、水管理当局または試料が収集された地方自治体あるいはその両方などを含むことができる。任意選択で、システム１１００はまた、感知デバイスおよび／またはデータ管理システム１１０２と、使用者（患者および／または他の関係者など、上記参照）が感知デバイスによって収集されたデータに注釈を付けることができるスマート・フォンまたは他のモバイル・スマート・デバイスなどの１つまたは複数のローカル・デバイス１１０８との間の通信を（クラウド１１０１を介して）可能にすることができる。デバイスからデータを受け取った際、医師はたとえば、観察、診断、推奨されるさらなる試験などに関係する注記を追加することができる。患者は、自身に関する識別データ（たとえば、名前、誕生日、身長、体重などの患者データ）、または健康状態、食事、自身が感じた症状などに関する説明、あるいはその両方を提供する可能性がある。
【００５２】
図１１はまた、感知デバイスをその主頂面または底面が上向きまたは下向きの状態で試料内にどのように浸漬することができるかを示す。たとえば、上の図では、デバイスは検体内に正しい向きで浸漬されているが、下の図では、上下反対になっている。いずれの向き（正しい向きまたは上下反対）も好適である。さらに、特に上述した（たとえば、図８および図９参照）歪みゲージ８００が測定に用いられているとき、試料カップの底部にぴったり接しているデバイスの向き（正しい向きまたは上下反対）が必要とされることに注目すべきである。他方では、歪みゲージ８００が読み取られていない場合、ペレット状の感知デバイスは、流体試料において傾斜または横向きを含む任意の向きで機能することができる。
【００５３】
上述したように、デバイスは、検体内に浸漬された後、その複数のセンサを介してデータを収集し、そのデータを（たとえば、無線で）データ管理システム１１０２へ伝送する。次いで、クラウド１１０１を介してデータ管理システム１１０２によってデバイスから収集されたデータは、分析することまたはデータベース１１０４内に電子記録として記憶することあるいはその両方ができる。例示のみを目的として、尿分析のために患者試料から収集されたデータをすべてのセンサから集合的に分析して、患者が知られている症状に対するバイオマーカまたは他の指標を有するかどうかを判定することができる。複数のセンサからの測定を使用して、干渉の補正を計算することもできる。たとえば、知られているｐＨによって、グルコースに対するｐＨ作用を補正することができる。たとえば、尿分析バイオマーカには、ｐＨ、比重、白血球、硝酸塩、タンパク質、グルコース、ケトン、ウロビリノーゲン、ビリルビン、および血液を含むことができ、さらに敗血症／炎症、細菌の種分化、腫瘍マーカ、および原線維凝集に対して他のバイオマーカを含むこともできる。またたとえば、機械学習粒子認識アルゴリズムを尿分析試料に適用し、新しいデータを使用して、光センサによって捕捉された画像データの視覚分析をさらに訓練および改善することができる。関係者１１０６、たとえば医師、研究者などは、そのデータおよび／またはデータ分析にアクセスことができる。
【００５４】
図１２を次に参照すると、本明細書に提示する方法の１つまたは複数を実行するように構成することができる装置１２００のブロック図が示されている。たとえば、装置１２００は、システム１１００内でデータ処理装置１１０２として働くことができ、上述した方法１００（図１）のステップのうちの１つまたは複数を実行するように構成することができる。装置１２００は、コンピュータ・システム１２１０および取外し可能な媒体１２５０を含む。コンピュータ・システム１２１０は、プロセッサ・デバイス１２２０、ネットワーク・インターフェース１２２５、メモリ１２３０、媒体インターフェース１２３５、および任意選択のディスプレイ１２４０を含む。ネットワーク・インターフェース１２２５は、コンピュータ・システム１２１０がネットワークに接続することを可能にし、媒体インターフェース１２３５は、コンピュータ・システム１２１０がハード・ドライブまたは取外し可能な媒体１２５０などの媒体と相互作用することを可能にする。
【００５５】
プロセッサ・デバイス１２２０は、本明細書に開示する方法、ステップ、および機能を実施するように構成することができる。メモリ１２３０は、分散させてもまたはローカルでもよく、プロセッサ・デバイス１２２０は、分散させてもまたは単独でもよい。メモリ１２３０は、電気、磁気、もしくは光メモリ、またはこれらの任意の組合せ、あるいは他のタイプの記憶デバイスとして実施することができる。さらに、「メモリ」という用語は、プロセッサ・デバイス１２２０によってアクセスされるアドレス指定可能な空間内のアドレスから読み取りまたはそのアドレスへ書き込むことが可能なあらゆる情報を包含するように十分に広く解釈されるべきである。この定義では、プロセッサ・デバイス１２２０がネットワークから情報を検索することができることから、ネットワーク・インターフェース１２２５を介してアクセス可能なネットワーク上の情報は依然としてメモリ１２３０内にある。プロセッサ・デバイス１２２０を構成する分散させた各プロセッサは、全体としてその独自のアドレス指定可能なメモリ空間を収容することに留意されたい。コンピュータ・システム１２１０の一部またはすべてを、特定用途向けまたは汎用の集積回路に組み込むことができることにも留意されたい。
【００５６】
任意選択のディスプレイ１２４０は、装置１２００の人間の使用者と相互作用するのに好適な任意のタイプのディスプレイである。概して、ディスプレイ１２４０は、コンピュータ・モニタまたは他の類似のディスプレイである。
【００５７】
本発明の例示的な実施形態について本明細書に説明したが、本発明は、それらの厳密な実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な他の変更および修正を加えることもできることを理解されたい。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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