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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-09
(45)【発行日】2024-08-20
(54)【発明の名称】医療装置用の検出システム及び方法
(51)【国際特許分類】
G01N 21/64 20060101AFI20240813BHJP
A61B 5/1459 20060101ALI20240813BHJP
【ＦＩ】
G01N21/64 F
A61B5/1459
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2021528859
(86)(22)【出願日】2019-11-15
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-18
(86)【国際出願番号】 US2019061609
(87)【国際公開番号】W WO2020106555
(87)【国際公開日】2020-05-28
【審査請求日】2022-08-22
(31)【優先権主張番号】62/770,676
(32)【優先日】2018-11-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】521217884
【氏名又は名称】エイシーズ メディカル エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】シップル、ダニエル
(72)【発明者】
【氏名】ノーリン、ブライアン エル．
【審査官】伊藤 裕美
(56)【参考文献】
【文献】特表２００８－５１７２９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０９７９８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５２３５７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０２７８６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１５５８１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－０００３７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０８６９４０６９（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】特表２００３－５１５３８３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／８３
Ｇ０１Ｎ ３３／４８ － Ｇ０１Ｎ ３３／９８
Ａ６１Ｂ ５／１４５ － Ａ６１Ｂ ５／１５７
Ａ６１Ｂ １／００ － Ａ６１Ｂ １／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ニードルと、流体コネクタと、液体送達装置と、さらに、光学系と、を具備するバイオマーカー検出システムであって、前記ニードルは、前記流体コネクタに接続されることにより、液体を前記液体送達装置から前記ニードルの管腔を通って前記ニードルの先端へ送達することができ、
少なくとも一つの流体チャネルが、前記流体コネクタのコネクタ側液体チャネルと前記ニードルの前記先端との間を流体的に連通するように構造化・構成され、
前記ニードルは、該ニードルの先端が標的生体物質に接触するまで進むことができ、
前記光学系は、光受信器と光検出器と光源と光ファイバーと、を含み、
前記光受信器は、その少なくとも一部分まで、光が前記ニードルまたは前記流体コネクタ内で戻ってくることができ、
前記光検出器は、前記光受信器と結合し、
前記光源は、前記ニードルまたは前記流体コネクタの外部に位置し、該光源からの光は前記ニードルの前記管腔の下方まで送達され、
前記光ファイバーは、前記管腔または前記流体チャネル内に配置される
バイオマーカー検出システム。
【請求項2】
臨床医に、前記標的生体物質が、検出されたことを知らせる、通知システムをさらに含む、請求項１に記載のバイオマーカー検出システム。
【請求項3】
前記光ファイバーは、前記ニードルの前記管腔内に配置され、薬用流体が、前記流体チャネルを通過して、生物学的システムに流れるように収縮可能である、請求項１に記載のバイオマーカー検出システム。
【請求項4】
前記光学系は、レンズをさらに含む、請求項１に記載のバイオマーカー検出システム。
【請求項5】
前記光検出器は、１つ以上の無線インターフェースを含む回路基板をさらに具備する、請求項１に記載のバイオマーカー検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年１１月２１日出願の米国仮特許出願第６２／７７０，６７６号（発明の名称「ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＭＥＤＩＣＡＬ ＤＥＶＩＣＥＳ（医療装置用の検出システム及び方法）」）及び上記の出願から派生する他の任意の米国国際又は国内段階の特許出願の利点を主張する。上記の出願は、完全な形で本明細書に引用することで組み込まれ、本明細書の明白な開示に反する発明の対象が組み込まれないように限定される。
本出願は、２０１８年１１月２１日出願の米国仮特許出願第６２／７７０，６７６号（発明の名称「ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＭＥＤＩＣＡＬ ＤＥＶＩＣＥＳ（医療装置用の検出システム及び方法）」）及び上記の出願から派生する他の任意の米国国際又は国内段階の特許出願の利点を主張する。上記の出願は、完全な形で本明細書に引用することで組み込まれ、本明細書の明白な開示に反する発明の対象が組み込まれないように限定される。
【0002】
本開示は、生物学的物質を検出し、身体媒体を区別するためのシステム及び方法に関する。本開示は、より詳しくは、患者体内に進められる医療装置と連携して、生物学的物質を検出し、身体媒体を区別するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【0003】
特に脊髄手術に関する、外科的結果及び費用構造の改善に尽力した結果、低侵襲外科手法の活用が増加した。これらの手法では、Ｘ線透視、ＣＴ、神経刺激装置、より最近では、ドップラー超音波等の画像誘導治療が頻繁に使用されている。低侵襲脊髄手法、疼痛管理手法、神経ブロック、超音波ガイド下介入、生検、及び経皮配置又は開放術中配置は、手術よりも低リスクを伴うことが多い一方、感染症、脳卒中、麻痺、及び器官、軟組織、血管構造体、さらに最悪のケースとして、脊髄等の神経組織を含むが、これらに限定されない、様々な構造体の穿通による死亡等の効果がない結果と医原性損傷のリスクを抱え続ける。損傷は、開業医の経験に関わらず生じ得るが、これは、手術器具が、数層の身体組織と流体を通過して、脊柱管内の所望の空間に達せざるをえないためである。
【0004】
例示目的で、多くの薬剤を投与する、脊椎領域の髄腔内（又はくも膜下）腔は、神経根と髄液（ＣＳＦ：cerebrospinal fluid）を収容し、中枢神経系を覆う３つの膜のうち２つの間に存在する。
【0005】
中枢神経系の最外膜は、硬膜で、２番目に外側の膜は、くも膜、さらに３番目に外側の膜で最内膜は、軟膜である。髄腔内腔は、くも膜と軟膜との間に存在する。手術器具がこの領域に到達するには、皮膚層、脂肪層、棘間靱帯、黄色靱帯、硬膜外腔、硬膜、硬膜下腔、及び髄腔内腔を最初に通過する必要があり得る。さらに、薬剤投与に使用するニードルの場合、ニードルの開口部全体は、くも膜下腔内になければならない。
【0006】
手術器具を髄腔内腔に挿入するのに要する複雑度のために、脊髄と神経組織の穿通は、低侵襲脊髄手法と脊髄手術の公知の複雑な組み合わせである。さらに、いくつかの手法には、より大型の手術器具を使うことが要求される。例えば、小さいリード線が、脊髄硬膜外腔に挿入可能な、低侵襲脊髄手法の形態としての脊髄の刺激は、１４ゲージのニードルを硬膜外腔に導入して、刺激物質のリード線に糸を通す必要があり得る。このゲージのニードルは、制御するのが技術的により困難であり得、疾病率のリスクを高める。合併症には、硬膜破砕、脳脊髄液の漏出、硬膜外静脈の破裂とその後の血種、及び脊髄又は神経の直接穿通とそれによって起こる麻痺が含まれ得る。これら及び脊髄介入と高周波アブレーション等の他の高リスク状況は、開業医が、重大な解剖学的構造体におけるニードル又は手術機器の先端の配置を検出不能である場合に生じ得る。
【0007】
現在、このような構造体の検出は、オペレータ依存で、オペレータは、手触り、造影剤、解剖学的ランドマーク触診及び画像誘導治療による明視化を利用する。患者の安全は、手触りと心像の解釈における開業医の訓練や経験に依存し得る。追加の訓練や経験が、開業医の手助けになることはあっても、医原性損傷は、自然に、又は瘢痕組織の形態で反復手法により発生し得る、解剖学的な変動性を理由として、開業医の経験やスキルに関係なく生じ得る。高周波アブレーション等のいくつかの手法における共同訓練は、能力を保証するほど十分厳格とはいえず、たとえ訓練を受けたとしても、手法による結果は、大幅に変わり得る。硬膜外注射や脊髄手術の場合、黄色靱帯の厚さ、硬膜外腔の幅、硬膜拡張、硬膜外脂肪腫症、硬膜中隔、及び瘢痕組織の変化はすべて、高度な経験を持つオペレータにとっても、従来の検証方法への課題となり得る。さらに、神経が再生する場合に実行される反復高周波手法は、多くは１年後以降には効果がなくなり、より困難な場合が多いが、これは、再生後の神経の分布により、追加の解剖学的な変動性が生じるためである。
【発明の概要】
【0008】
これらの検討事項を考慮すると、リアルタイムのフィードバックを提供して、手術器具を患者の組織に正確に配置する一助とするシステム及び方法を提供することは、所望であろう。
【0009】
１つの態様において、バイオマーカー検出システムは、生物学的システム内の標的バイオマーカーを検出することが開示されている。開示されたバイオマーカー検出システムは、流体分注システムを具備し、流体分注システムは、遠位端を有する送達装置を含む。流体分注システムは、標的バイオマーカーに接し、管腔と流体チャネルとを具備する。バイオマーカー発光材料は、送達装置の遠位端に接する。開示されたバイオマーカー検出システムはまた、バイオマーカー発光材料と光通信する光学系を含み、光学系は、光受信器と、光検出器と、を具備する。いくつかの実施形態において、光学系は、光ファイバー、光結合器、又はその両方を具備し得る。
【0010】
別の態様において、バイオマーカー検出システムは、物学的システム内の標的バイオマーカーを検出し、流体分注システムを含むことが開示される。流体分注システムは、送達装置を具備し、送達装置は、遠位端を有する。流体分注システムは、標的バイオマーカーに接し、送達装置は、管腔と流体チャネルとを具備する。開示されたバイオマーカー検出システムは、標的バイオマーカーと通信する。検出システムは、電気伝導度、屈折率、又は音の特性に依存する方法を使用して、標的バイオマーカーの存在を検出する。
【0011】
さらに別の態様において、薬用流体を患者に送達する方法は、患者内に標的バイオマーカーの存在を発見するためのバイオマーカー検出システムを使用することを含むように開示される。バイオマーカー検出システムは、送達装置を具備する流体分注システムを含み、送達装置は、遠位端を有する。流体分注システムは、標的バイオマーカーに接し、送達装置は、管腔と、流体チャネルと、送達装置の遠位端に接するバイオマーカー発光材料と、を具備する。バイオマーカー検出システムはまた、バイオマーカー発光材料と光通信する光学系を含む。光学系は、光受信器と光検出器とを具備する。該方法は、薬用流体を患者に送達すること、及び臨床医に、標的バイオマーカーが、検出されたことを通知することをさらに含む。
【0012】
本開示において、以下の用語について記載する。
「光受信器」は、生物発光装置から光検出器までの光路に沿って、戻る光を検出するように構造化・構成された光検出装置を指す。
「光検出器」は、その光路内の光の量を感知し、且つ測定可能な装置を指す。
「光結合器」は、流体チャネルと少なくとも１つの光ファイバーとの間で光を結合するように構造化・構成された装置を指す。
「光学フィルタ」は、光を受信して、波長、両極性、強度等の具体的な特性、又は他の選択特性を備えた光のみに、それを通過させる装置を指す。
「光受信器」は、生物発光装置から光検出器までの光路に沿って、戻る光を検出するように構造化・構成された光検出装置を指す。
「光検出器」は、その光路内の光の量を感知し、且つ測定可能な装置を指す。
「光結合器」は、流体チャネルと少なくとも１つの光ファイバーとの間で光を結合するように構造化・構成された装置を指す。
「光学フィルタ」は、光を受信して、波長、両極性、強度等の具体的な特性、又は他の選択特性を備えた光のみに、それを通過させる装置を指す。
【図面の簡単な説明】
【0013】
以下の説明は、図面を参照して理解されたい。図面は、必ずしも決まった縮尺表示ではないが、実施例を示し、本開示の範囲を限定する意図を有さない。本開示は、添付図面に関連して、様々な実施例に関して、以下の説明を考慮してより完全に理解可能である。
【0014】
【0015】
開示されたバイオマーカー検出システムは、現在の技術の不具合のいくつかを改善可能である。それを使用することで、特に、脊髄や他の低侵襲脊髄手法により、外科的結果や費用構造の改善が可能である。開示されたバイオマーカー検出装置は、手触り、造影剤、解剖学的ランドマーク触診及び画像誘導治療による明視化に依存する代わりに、標的バイオマーカー材料を見出すことで、オペレータへの依存から脱却可能で、それによって、バイオマーカー識別を要する手法の安全性や効力を改善する。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本開示は、血液を含む、体液や組織等の生物学的物質を検出するために使用され、液体や空気等の身体媒体間を区別するためのシステム及び方法に関する。システム及び方法の様々な実施形態は、図面に準拠して詳細に記載され、同一の参照番号は、いくつかの図にわたって、同一の部品と組立品を表し得る。様々な実施形態に言及しても、本明細書で開示されたシステム及び方法の範囲を限定するものではない。さらに、本明細書記載のいかなる実施例は、限定を意図するものではなく、システム及び方法用の多くの可能な実施形態のいくつかを説明するのみである。状況次第で提案又は適切にさせ得るように、均等物の様々な省略や置換が検討されているが、これらは、本開示の意図や範囲から逸脱することなく、用途又は実施形態を網羅すると意図されることを理解されたい。さらに、本明細書で使用する言い回しや専門用語は、説明目的であって、限定とみなすべきではないことを理解されたい。
【0017】
本開示は、１つ以上の検出材料とバイオマーカーの相互作用により、１つ以上のバイオマーカーを検出するように構造化され、構成され、及び／又は機能化されたシステム及び方法と、該相互作用の光検出を提供する。いくつかの実施例において、検出材料を備えたバイオマーカーの相互作用は、感知可能な光のルミネセンス発光を生じ得、ルミネセンス光の該感知が、相互作用の確証、したがって、バイオマーカーの存在を提供する。これらの実施例のいくつかにおいて、発光は、バイオマーカーと検出材料との間の相互作用の固有の化学発光生成物であり得る。これらの実施例の他のいくつかにおいて、検出材料の外部光源による照射により、バイオマーカーが存在する場合、結果として、蛍光性又はリン光性発光が感知可能となり得る。本開示は、化学発光、蛍光発光、及び／又はリン光発光の感知により、バイオマーカーの検出を提供可能なシステム及び方法を提供する。
【0018】
本開示で例示・記載されたバイオマーカー検出システムの複数の実施例が、ニードルと流体送達システムを含む又はそれとともに使用可能である一方、開示されたバイオマーカー検出システム及び方法の適用は、流体送達用途に限定されない。本開示において、薬用流体は、開示された流体送達システムを通過して送達可能である。本開示の検出技術を組み込む流体送達システムは、ワイヤ／リード線、ナノ粒子、再生薬剤と化学療法薬を含む、任意の適切な薬剤又はそれ以外では治療薬を送達するために使用可能である。
【0019】
図１は、本開示のバイオマーカー検出システム１００の例示的な実施例を概略的に示す。システム１００は、シリンジ１０４から流体を送達可能な管腔１０３を有するニードル１０２、又は流体チャネル１０８（該流体チャネルは、管腔１０３を具備する）経由でニードルの先端１０６までの他の適切な流体分注システムを具備可能である。バイオマーカー発光材料１１０は、被覆プロセスによる等、先端１０６に、又はニードル１０２の先端１０６の内部でそれに隣接して配置可能である。
【0020】
システム１００は、流体チャネル１０８と光ファイバー１１４との間で光を結合するように構造化・構成可能な光結合器１１２を具備可能である。本開示の光結合器１１２と他の任意の光結合器は、例えば、検出器に到達する光のスペクトルをフィルタリングすることにより、信号対ノイズ比を改善可能な波長分割マルチプレクサとして実行するように構造化・構成可能である。光ファイバー１１４は、流体チャネル１０８内の流体の屈折率に略近似又は本質的に等しい屈折率を有するコア材料で選択可能で、そのため、光が、光の不一致から生じ得る反射損失や他の光学的問題を最小限にする間、該２つの間で容易に結合可能である。その代わりとして、又は追加的に、チャネル１０８内の流体の屈折率は、例えば、グルコース、アルコール、サッカリド塩、及び／又は他の任意の生体適合性流体等の流体の様々な構成要素の濃度を選択することで、光ファイバー１１４のコアの屈折率に実質的に又は本質的に正確に適合するように調整可能である。流体チャネル１０８は、存在する流体により、光導波路として機能できるように構造化・構成可能である。
【0021】
ダイオードレーザー等の光源１１６又は他の適切な光源は、光源からの光が、光ファイバーと流体チャネル１０８により提供される光導波路経由でニードル１０２の先端１０６まで、より詳しくは、該先端でのバイオマーカー発光材料１１０まで送達可能なように、光ファイバー１１４に光学的に結合可能である。バイオマーカー発光材料１１０から放射される、又はそれ以外では散乱する光は、流体チャネル１０８と光ファイバー１１４により、ニードル１０２の先端１０６から光路に沿って戻る光を検出するように構造化・構成された光検出器又は他の任意の適切な光検出装置であり得る、光受信器１１８まで提供される光路により戻ることができる。光結合器１１２は、光源１１６の１つ以上の放射周波数とバイオマーカー発光材料１１０のルミネセンスの周波数を含む、任意の関連する光周波数に対して、流体チャネル１０８と光ファイバー１１４との間で光を効果的に結合可能であるように構造化、構成、及び調整可能である。
【0022】
様々な機構により、光源１１６からの光は、組織と他の後方散乱手段からの後方反射等により、光受信器１１８に好ましくなく到達可能であり得、バイオマーカー発光材料１１０からのルミネセンス発光の信号を測定する際に、受信器１１８が表示するノイズを増加させる。この測定ノイズ源は、様々な方法で、無効化できる。上述の通り、光結合器１１２は、バイオマーカー発光材料１１０から放射される周波数まで、光受信器１１８に入射する光の周波数を選択的にフィルタリング可能な、波長分割マルチプレクサとして実行するように構造化・構成可能である。その代わりとして、又は追加的に、光受信器１１８は、光源１１６からの照射光や周囲の室内照明等の環境に存在し得る他の光等のバイオマーカー発光材料１１０の周波数以外の周波数が、光受信器に到達するのを選択的に防ぐためのフィルタを具備可能である。信号対ノイズ特性を改善するために、光受信器１１８の感度の周波数で放射を弱めるための室内照明をフィルタリングする等の他の測定を実施可能である。このような波長と周波数ろ過／感度の検討は、本開示の任意の関連するシステムに適用可能である。
【0023】
バイオマーカー発光材料１１０から放射される光の光受信器１１８で、検出用の信号対ノイズ特性を改善するために使用可能な別の手法は、時分割多重化である。光源１１６によるバイオマーカー発光材料１１０の照射と、材料からのルミネセンス発光の検出を一時的に分離することで、このノイズ源は、回避可能である。ある例示的な実施例において、光源１１６は、完全オン、完全オフの矩形波で駆動可能である。十分に迅速に（すなわち、バイオマーカー発光材料１１０からのルミネセンス発光に対する減衰時定数と比較して、速く）オフに切り替え可能な光源１１６により、光受信器１１８からのデータ収集は、光受信器１１８で記録される光源１１６由来の後方反射／散乱された光がないように、光源１１６がオフの場合のみ、実行されるようにゲート制御可能である。潜在的に、光受信器１１８に好ましくなく到着し得る（例えば、手術着に使用され得るような）他の光源は、光源１１６と同じ波形で駆動可能で、それらの検出を防止する。十分に高い周波数により、このような脈動は、人間の目にはほとんど知覚不能であり得る。これらの時分割多重化方法は、本開示の任意の互換性のあるシステム及び方法と有利に使用可能である。
【0024】
システム１００を使用する典型的な方法において、ニードル１０２は、臨床医により患者体内に進められ、光源１１６を起動して、バイオマーカー発光材料１１０を照射する。光学的に適切な屈折率を有する流体は、流体チャネル１０８（管腔１０３を含む）内に存在し得る。ニードル１０２は、ニードルの先端１０６が、標的生体物質（例えば、他の標的生体物質も可能であるが、血液）に遭遇するまで、進められ、該材料に遭遇すると同時に、標的生体物質（例：血液）のバイオマーカー発光材料１１０との相互作用により、光源１１６からの照射光と組み合わせて、光受信器１１８により検出可能である、バイオマーカー発光材料から発光が生じ得る。光受器１１８に操作可能に結合された通知システム（図示せず）は、臨床医に、標的生体物質が検出されたことを知らせることが可能である。その後、臨床医は、標的生体物質の検出と患者の組織の認識にしたがって、ニードル１０２の先端１０６を位置決め可能である（例えば、さらに前進、前進の停止、又はニードルの後退）。適切に配置されたニードル１０２の先端１０６により、流体送達システムから流体チャネル１０８を通過する治療液の送達は、実行可能である。
【0025】
図２は、本開示の別のバイオマーカー検出システム２００の別の例示的な実施例を概略的に示す。システム２００は、シリンジ２０４、又は他の適切な流体分注システムから、流体チャネル２０８経由でニードルの先端２０６まで流体を送達可能なニードル２０２を具備可能である。ニードル２０２とシリンジ２０４は、ＬＵＥＲ繋止付属品等の（しかし、これに限定されない）任意の適切なコネクタであり得る、１つ以上の流体コネクタ２０９により、流体的に結合可能である。流体チャネル２０８は、ニードル２０２の管腔２１０を具備可能である。図２に示すシステム２００の構成において、ニードル２０２の管腔２１０は、光ファイバー２１２により少なくとも部分的に占有可能である。光ファイバー２１２は、被覆プロセス等により、その遠位端に付加されたバイオマーカー発光材料２１４を具備可能である。図２に示す通り、その遠位端に付加されたバイオマーカー発光材料２１４を有する光ファイバー２１２は、バイオマーカー発光材料が、ニードル２０２の先端２０６に又はその近傍に配置されるように、ニードル２０２の管腔２１０内に位置決め可能である。
【0026】
このような構成のいくつかの実施形態において、光ファイバー２１２は、流体の通路までニードル２０２の管腔２１０を略閉塞可能である。いくつかの他の実施形態において、管腔２１０内に存在する光ファイバーは、少なくとも部分的な流体の通過を許容可能である。システム２００において、光ファイバー２１２は、ファイバーの遠位端が、位置２１６等の位置に又はその近傍に配置可能で、シリンジ２０４から管腔２１０経由でニードル２０２の先端２０６までの流体の流れを略遮断しない場合があるように、管腔２１０内に選択的に後退可能である。
【0027】
システム２００は、光源からの光が、光ファイバーの遠位端、より詳しくは、該先端でのバイオマーカー発光材料２１４まで送達可能であるように、光ファイバー２１２に光学的に結合可能なダイオードレーザー又は他の適切な光源等の光源２１８を具備可能である。バイオマーカー発光材料２１４から放射される又はそれ以外で散乱する光は、光ファイバー２１２により、ファイバーの遠位端から光ファイバー２１２により戻られる光を検出するように構造化・構成された光検出器又は他の任意の適切な光検出装置であり得る、光受信器２２０に戻ることができる。
【0028】
システム２００は、光ファイバー２１２の遠位端で光源２１８からバイオマーカー発光材料２１４まで光を通過し、バイオマーカー発光材料２１４から光受信器２２０まで放射される光を送信するように構造化・構成可能な光結合器２２２を具備可能である。光結合器２２２は、例えば、波長分割マルチプレクサとして調整可能で、バイオマーカー発光材料２１４から光受信器２２０まで放射される光の送信を選択的に最大化し、光源２１８に再度向かうそのような放射光の送信を最小化する。第２の光受信器２２４は、光検出器又は他の任意の適切な光検出装置であり得、光ファイバースプリッタ２２２によりシステム２００の光学系に結合可能である。第２の光受信器２２４は、光受信器２２０で信号を解釈する場合、光源２１８の強度の変動（例えば、温度変動によるドリフト）を補償する目的で、差動信号を作成するために使用可能である、光源２１８からの発光の駆動信号レベルを感知するために使用可能である。この配列はまた、いくつかの場合において、バイオマーカー発光材料２１４から光受信器２２０で受信された信号の位相敏感検出を実施するように使用され得る。
【0029】
システム２００は、システム１００用に記載される通り、多くの態様において、同様に使用可能である。システム２００のニードル２０２は、操作中、ファイバーの遠位端でのバイオマーカー発光材料２１４が、ニードル２０２の先端２０６に又はその近傍に配設されるように管腔２１０内に位置決めされた光ファイバー２１２により、患者体内に進められる。バイオマーカー発光材料２１４が一度、標的生体物質（例：血液）に接すると、そのような接触により生じる光は、ファイバー上方へ光受信器２２０まで送信可能で、検出は、システムのユーザに示される。ニードルが一度、適切に（例：血流中に）位置決めされると、光ファイバー２１２は、後退可能で（例えば、２１６まで）、シリンジ２０４からニードル２０２の先端２０６での送達までの流体の流れのために管腔２１０を開ける。
【0030】
図３Ａは、本開示の別のバイオマーカー検出システム３００の構成要素の別の例示的な実施例を概略的に示し、図３Ｂは、図３Ａに示す構成要素のいくつかの詳細を示す拡大図を提供する。システム３００は、バイオマーカー検出と治療的送達用のシステム１００用に記載される多くの態様で同様に使用可能である。図３Ａ及び図３Ｂのシステムは、流体ライン３０６の流体チャネル３０４経由で、流体送達システム（全部は図示せず）から流体を送達可能なニードル３０２を具備可能である。図３Ａ及び図３Ｂのシステム３００は、ニードル３０２を流体送達システムと光学系（全部は図示せず）に結合可能な結合器３０８を具備可能である。図３Ａ及び図３Ｂのシステム３００は、結合器３０８を含め、ＬＵＥＲ繋止付属品等の（しかし、これに限定されない）、任意の適切な流体コネクタ（必ずしも図示せず）を使用可能である。光学系は、光ファイバー３１０と、光学取付具３１４により光学的アラインメントで保持されるレンズを具備する、結合レンズ３１２と、を具備可能である。光学取付具３１４は、支持ウェブ３１８により結合器ハウジング３１６に対する位置関係で保持可能である。光学取付具３１４、結合器ハウジング３１６、及び支持ウェブ３１８の及びそれらの間の図示された物理的配列は、単なる実施例であって、限定的と考慮すべきではない。
【0031】
結合レンズ３１２は、光ファイバー３１０に対して適切に位置決めされ、アラインされる場合、光ファイバーから放射する照射光を結合又はニードル３０２の管腔３２０に焦点を合わせことができる。ニードル３０２の管腔３２０を囲う内壁３２２は、そのように結合された照射光用の導波路として機能できるように、電気化学又は他の適切なプロセス等により、研磨又はそれ以外では平滑化可能である。いくつかの実施例において、ニードル３０２の管腔３２０を囲う内壁３２２は、光ファイバーと類似の全内部反射導波路が、「コア」として機能する管腔内の高屈折率の流体と、「クラッディング」として機能する管腔の壁を被覆する低屈折率の薄い誘電層とともに生じるように、管腔内の流体の屈折率よりも低い屈折率を有するガラス又は高分子等の薄い層の誘電材料で被覆又は並べられることができる。（この導波路構成は、光が、システム１００、４００、５００、及び６００のニードル１０２、４０２、５０２、及び６０２をそれぞれ含む、流体チャネルを通過して伝播する、本開示の任意のシステムで潜在的に使用可能である）。
【0032】
照射光は、ダイオードレーザー等の任意の適切な光源（図示せず）により提供され、ニードル３０２の管腔３２０の下方からその先端３２４までの伝播により送達可能で、バイオマーカー発光材料３２６は、被覆プロセス等により、配置可能である。バイオマーカー発光材料３２６から放射される又はそれ以外では散乱する光は、逆光路により（ニードル管腔３２０の導波路、その後、レンズ３１２により光ファイバー３１０に結合される）、ニードル３０２の先端３２４から光ファイバー３１０により戻る光を検出するように構造化・構成された光検出器又は他の任意の適切な光検出装置であり得る、光受信器（図示せず）まで戻ることが可能である。
【0033】
結合器３０８は、流体ライン３０６の流体チャネル３０４とニードル３０２の管腔３２０との間を流体的に連通可能な１つ以上の流体チャネル３２８を具備可能である。光学取付具３１４は、流体送達システムの流体通路（３０４、３２８、３２０）から流体的に封止可能な空隙３３０を画成又は提供可能で、該取付具において、光結合への屈折率の変動の影響が、低減又は消去可能であるように、安定的な屈折率の真空又はガス雰囲気は維持可能である。同じ理由で、レンズ３１２の流体に面する側面は、平面であり得る。
【0034】
図４は、本開示の別のバイオマーカー検出システム４００の構成要素の別の例示的な実施例を概略的に示す。図４のシステム４００は、流体送達システム（図示せず）から管腔４０４を通過して、ニードル４０２先端４０６まで流体を送達可能なニードル４０２を具備可能である。図４のシステム４００は、ニードル４０２を、ＬＵＥＲ繋止付属品等の（しかし、それに限定されない）任意の適切な流体コネクタであり得る、流体コネクタ４１０により流体送達システムに結合可能な流体結合器４０８を具備可能である。結合器４０８及び／又はニードル４０２は、コネクタ－側の流体チャネル４１３とニードル４０２の管腔４０４との間を流体的に連通可能な１つ以上の流体チャネル４１１を具備又は画成可能である。
【0035】
バイオマーカー発光材料４１２は、被覆プロセス等により、ニードル４０２の先端４０６で配設可能である。ニードル４０２の管腔４０４を囲う内壁は、バイオマーカー発光材料４１２から、バイオマーカー発光材料から放射される光を検出するように構造化・構成された光検出器又は他の任意の適切な光検出装置であり得る、光受信器４１４まで放射される光を効率的に送信するための導波路を形成可能なように、電気化学又は他の適切なプロセス等により、研磨又はそれ以外では平滑化可能である。バイオマーカー発光材料４１２により放射される光の１つ以上の波長に対し調整される波長識別光学フィルタ４１６は、迷光を拒絶し、信号対ノイズを改善する一助となり得る。光受信器４１４は、連結部４１８により、検出用電子機器に電気的に接続可能である。
【0036】
図４のシステム４００は、外部光源による照射なしに、標的生体物質（例：血液）に接すると、光を生成可能なバイオマーカー発光材料４１２での使用に適する。照射光源の省略は、比較的簡便なバイオマーカー検出装置及びシステムに有用となり得る。図４のシステムで使用可能な、外部照射を必ずしも要さないバイオマーカー発光材料の１つの実施例は、ルミノールである。
【0037】
外部光源によるバイオマーカー発光材料４１２の照射の省略を除いて、システム４００は、バイオマーカー検出と治療的送達用のシステム１００用に記載される多くの態様において、同様に使用可能である。
【0038】
図５Ａは、本開示の「内臓型」バイオマーカー検出ニードルシステム５００の例示的な実施例を概略的に示し、図５Ｂは、システム５００の構成要素のいくつかの詳細を示す拡大図を提供する。システム５００は、管腔５０４と先端５０６とを有するニードル５０２を具備可能で、そこでは、バイオマーカー発光材料５０８は、被覆プロセス等により、配置可能である。システム５００は、取付具５１０を具備可能で、それに対し、ニードル５０２は、ＬＵＥＲ繋止付属品等の（しかし、それに限定されない）任意の適切な流体コネクタであり得る、流体コネクタ５１２により流体送達システム（図示せず）に取付・接続可能である。
【0039】
取付具５１０は、レンズと電子機器を収容可能で、バイオマーカー発光材料５０８により生物学的検出が可能である。取付具５１０では、システム５００は、ダイオードレーザー又は他の適切な光源等の光源５１４と、光検出器又は他の任意の適切な光検出装置であり得る、光受信器５１６と、を具備可能である。取付具５１０の光学系は、ビームスプリッタ５１８とミラー５２０とを具備可能である。このような光学的配置により、光源５１４からの照射光は、図５Ｂの破線矢印で表され、ニードル５０２の管腔５０４の下方にニードルの先端５０６に向けて向けられることができ、バイオマーカー発光材料５０８を照射可能である。バイオマーカー発光材料５０８から放射される又はそれ以外では散乱する光は、光受信器５１６まで、実線矢印で表される通り、逆光路により戻ることができる。ニードル５０２の管腔５０４を囲う内壁５２２は、ニードル５０２内に伝播する光のための導波路として機能できるように、電気化学又は他の適切なプロセス等により、研磨又はそれ以外では平滑化可能である。取付具５１０の光学系はまた、ニードル５０２の管腔５０４内の流体が、取付具５１０の光学／電子空間５２６に入らない障壁を提供可能な光学窓５２４を具備可能である。光学窓５２４は、波長を選択的にフィルタリングするために作製可能である（例：所望でない波長を閉塞する間、光源５１４からの照射光とバイオマーカー発光材料５０８から放射される光を選択的に通過させる）。選択的フィルタリングはまた、ビームスプリッタ５１８の１つ以上の表面で実行可能である。
【0040】
取付具５１０及び／又はニードル５０２は、コネクタ側の流体チャネル５３０とニードル５０２の管腔５０４との間を流体的に連通可能な１つ以上の流体チャネル５２８を具備又は画成可能で、ミラー５２０の周りに流体バイパスを提供する。
【0041】
光源５１４と光受信器５１６は、電力と制御信号を該装置に提供し、信号又は装置からの他の情報を受信・処理可能である、回路基板５３２に電気的に結合可能である。図５Ｂにおいて、光源５１４と光受信器５１６の両方は、ワイヤボンディングにより回路基板５３２に電気的に接続されるように図示されるが、これは、限定的ではなく、装置と回路基板との間に任意の適切な機能的結合具（表面取付技術等）を使用可能である。システム５００の要素５３２に関して使用する用語「回路基板」は、総称的に使用され、限定的に考慮されるべきではない。回路基板５３２は、複数の個別の構成要素を備えたプリント基板、単一チッププロセッサ又は「システムオンチップ」、複数のサブボード、ハイブリッドシステム、又は電源供給し、システム５００の要素を備えたバイオマーカー検出システムの機能を実行可能な他の任意の適切な配列を具備し得る。取付具５１０は、ボタン、発光ダイオード等の可視的表示器、及びオーディオ信号表示機器／スピーカを具備可能である（しかし、これらに限定されない）任意の適切なユーザインターフェース要素５３４を提供又は支持可能である。回路基板５３２は、検出信号、セルフテスト、電池状態等の操作に必要又は望ましい任意のＢＬＵＥＴＯＯＴＨ機能を組み込み可能である、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨインターフェース等の１つ以上の無線インターフェースを具備可能である。取付具５１０は、光源５１４、光受信器５１６、回路基板５３２及び取付具５１０により提供される他の適切な構成要素用の操作用電源を提供可能である、電池又は他の任意の適切な装置であり得る、エネルギー蓄積装置５３６を収容可能である。システム５００は、バイオマーカー検出と治療的送達用のシステム１００のために記載される多くの態様において、同様に使用可能である。
【0042】
図６Ａ及び図６Ｂは、本開示の別のバイオマーカー検出システム６００の構成要素の別の例示的な実施例を概略的に示す。図６Ａは、システム６００の検出構成を一般的に示し、図６Ｂは、検出後の流体送達構成を一般的に示す。システム６００は、管腔６０４を有するニードル６０２を具備可能である。図６Ａの構成において、ニードル６０２の先端６０８に又はその近傍に配設される半透過性障壁６０６は、管腔６０４内に存在するバイオマーカー発光材料の流体が、その先端でのニードルに入り、患者の体に潜在的に入るのを防止可能である。システム６００内で半透過性障壁６０６を使用することで、ニードル６０２の管腔６０４内にバイオマーカー発光材料の流体の大きいリザーバを提供し、このようなリザーバがない他の装置と比較すると、照射が増加し、感度の持続時間の延長が可能になる。
【0043】
半透過性障壁６０６は、標的生体適合材料生体物質が、管腔６０４内に存在するバイオマーカー発光材料の流体に接する又はそれと反応可能であるように、標的生体物質６１０に少なくとも半透過性であり得る。いくつかの実施例において、半透過性障壁６０６は、例えば、血液の構成要素として見られるように、鉄イオン又は鉄を含む化合物の通過を選択的に可能にするように構造化・構成可能である。管腔６０４内に存在するバイオマーカー発光材料の流体は、このような鉄イオン又は鉄を含む化合物と反応性がある材料であり得る。いくつかの実施形態において、血液は、無制限に活性があるままである。血液中に存在するいかなる形態の鉄分が一度、バイオマーカー発光材料に接し、放射線を放射すると、鉄分は、典型的に、この反応では消費されない。
【0044】
いくつかの実施形態において、標的生体物質とバイオマーカー発光材料の流体は、光子６１２が該反応で生成されるように、反応可能である。図示の通り、このような光子６１２は、標的生体物質が、障壁６０６を通過して管腔の容量まで穿通することに依存して、管腔６０４内の様々な位置で生成可能である。いくつかの実施形態において、半透過性障壁６０６は、半透明又は少なくとも部分的に透明であり得、障壁内の反応により生成された光子６１２が、検出のために障壁を出ることができる。
【0045】
標的生体物質６１０とバイオマーカー発光材料の流体との間の接触の結果生成される光子６１２は、光検出器、又はこのような光を検出するように構造化・構成された他の任意の適切な光検出装置であり得る、光受信器６１４までニードル６０２の管腔６０４内へ伝播可能である。ニードル６０２の管腔６０４を囲う内壁６１６は、ニードル内を伝播する光のための導波路として機能可能なように、電気化学又は他の適切なプロセス等により、研磨又はそれ以外では平滑化可能である。
【0046】
図６Ａにおいて、バイオマーカー検出システム６００が、検出構成において示される一方、図６Ｂでは、システムは、流体送達構成で示される。システム６００は、標的生体物質の検出成功後、図６Ａの検出構成から図６Ｂの流体送達構成まで再構成可能であるが、これは限定的ではなく、このような再構成は、成功した生体物質の検出に必ずしも依存しない。
【0047】
図６Ｂを参照すると、再構成は、抽出孔６２０経由で、ニードルの管腔と流体連通な流体抽出ポート６１８経由で、ニードル６０２の管腔６０４からバイオマーカー発光材料の流体を引き抜くことで、成立させることができる。抽出孔６２０は、任意の適切なプロセス（従来の機械加工、レーザー穴開け、エッチング等）により形成可能である。バイオマーカー発光材料の流体の引き抜きは、引き抜き中のバイオマーカー発光材料の流体の流れの方向を示す、矢印６２２により示される。半透過性障壁６０６は、ニードル６０２の管腔６０４内で摺動可能に構成可能である。バイオマーカー発光材料の流体が、管腔６０４から引き抜かれる際に、摺動可能な半透過性障壁６０６は、その前の遠位位置から（ニードル６０２の先端６０８で）近位方向に（図６Ａ及び図６Ｂの右側に向かって）引かれることができる。バイオマーカー発光材料の流体を管腔から略完全に引き抜いた後、腔６０４の近位端での半透過性障壁６０６を示す。いくつかの代替の実施例において、半透過性障壁６０６は、非摺動可能なバースト障壁の形態をとり得る。このようなバースト障壁が、バースト時に微粒子を生成しないことは、一般的に所望である場合がある。
【0048】
バイオマーカー発光材料の流体をニードル６０２の管腔６０４から引き抜くことで、システム６００は、送達孔６２６経由で、ニードルの管腔と流体連通可能である、流体入力ポート６２４経由で、流体送達システム（図示せず）からの流体の送達に使用可能である。送達孔６２６は、任意の適切なプロセス（従来の機械加工、レーザー穴開け、エッチング等）により形成可能である。流体送達システムからの流体の送達は、矢印６２８により示される。
【0049】
図６Ａ及び図６Ｂの断面図中の空間６３０は、例えば、ニードル６０２を囲う環状空間経由で、流体入力ポート６２４と流体連通可能であることに注記願う。同様に、空間６３２は、流体抽出ポート６１８と流体連通可能である。
【0050】
他のニードル構成も、バイオマーカー発光材料と標的生体物質との間の接触の結果として作成される感知ルミネセンス発光により、バイオマーカー検出が可能である。図７Ａは、バイオマーカー検出ニードル７００の概略断面図であり、図７Ｂは、図７Ａ中のニードルの左側から見たニードル７００の概略平面図である。ニードル７００は、その先端７０２で、バイオマーカー発光材料７０４を含み得る。ニードル７００は、１つ以上の光ファイバー７０６、７０８を具備可能である。光ファイバー７０６、７０８の１つは、ダイオードレーザー又は他の適切な光源等の光源（図示せず）からバイオマーカー発光材料７０４まで、照射光を送達するために使用可能で、２つの光ファイバーのうちもう１つは、バイオマーカー発光材料から、光検出器又は他の任意の適切な光検出装置であり得る光受信器（図示せず）まで放射される光を送信するために使用可能である。ニードル７００は、シリンジ又は他の適切な流体分注システム（図示せず）からの流体送達に適した管腔７１０を具備可能である。
【0051】
ニードル７００の構成は、照射光及びバイオマーカー発光材料により放射される光の高効率送信用の非後退式光ファイバー７０６、７０８を使用し、ニードルの先端７０２への流体送達用に常時開である管腔を同時に提供する。比較すると、図２のシステム２００において、先端２０６から位置２１６までの光ファイバー２１２の後退は、流体送達用に管腔２１０を開けるために必要となり得る。図１のシステム１００等の本開示のいくつかの他の実施形態において、ニードルの開いた管腔は、該ニードルの遠位端まで延伸する光ファイバーがなくても、光送信用の光導波路を提供するために使用可能である。多くの事例において、光ファイバーは、ニードルの管腔よりも高効率な光送信を提供可能である。
【0052】
図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、及び８Ｄは、図７Ａ及び図７Ｂのニードル７００に類似する、ニードルの先端までの長さに沿って、光ファイバーと管腔を提供するニードルの孔下方からの概略断面図である。図８Ａのニードル８０２は、５つの光ファイバーを具備可能で、外部ファイバー８０４は、光源からバイオマーカー発光材料まで照射光を送達する照射ファイバーで、内部ファイバー８０６は、バイオマーカー発光材料から光受信器まで放射される光を送信するために使用される感知又は検出ファイバーである。４つの外部照射ファイバーと１つの内部検出ファイバーのこの配列は、ある実施例にすぎず、限定的と考慮されるべきではない。他のファイバー配列も検討される。ニードル８０２は、流体送達用に適切な１つ以上の管腔８０８を具備可能である。いくつかの実施例において、複数の管腔は、共通の流体リザーバからの流体送達用のより高い流体透過性を提供するために使用可能である。いくつかの他の実施例において、複数の管腔は、異なる流体に対し独立した送達経路を提供するために使用可能である。
【0053】
図８Ｂのニードル８１０は、流体送達に適した３つの光ファイバー８１２と３つの管腔８１４を具備可能である。図８Ｃのニードル８１６は、２つの光ファイバー８１８と２つの管腔８２０を具備可能である。図８Ｄのニードル８２２は、単一の光ファイバー８２４と単一の管腔８２６を具備可能である。これらは、実施例にすぎず、他の数量の光ファイバーと管腔は、本開示で検討されるバイオマーカー検出ニードルで提供・使用可能である。単一の光ファイバーを有するニードル内の光ファイバーは、例えば、単一のファイバーによる照射光と検出光の結合を処理するための光ファイバースプリッタ（図２のシステム２００のスプリッタ２２２に類似）を使用することで、照射と検出の両方に使用可能である。その代わりとして、単一の光ファイバーを有するニードル内の光ファイバーは、照射光を必要としない検出装置内でバイオマーカー発光材料から光受信器まで検出光を送信するためにのみ使用可能である。
【0054】
本開示で検討されるいくつかの実施例において、図７Ａ、７Ｂ、８Ａ、８Ｂ、及び８Ｃで示すニードルに類似（しかし、これらに限定されない）する、複数の光ファイバーを備えた器具は、複数のバイオマーカー及び／又は他の検出可能な物質の検出用に構成された装置用に使用可能である。複数のファイバーの各々は、独立した検出及び／又は照射チャネル用に使用可能である。例えば、異なるバイオマーカー発光材料は、異なる発光検出信号が、独立して感知可能なように、ニードルの先端で異なる検出ファイバーの端部で被覆可能である。異なるバイオマーカー発光材料は、複数の照射ファイバーにより提供可能な異なる照射要件を有し得る。本明細書中で検討される通り、別個のファイバーは、空気／ガス検出用に使用可能である。
【0055】
本開示のシステム及び方法内でバイオマーカー検出に使用されるバイオマーカー発光材料は、様々な異なる発光現象を利用可能である。いくつかのバイオマーカー発光材料は、化学発光に依存し得、バイオマーカー発光材料と標的バイオマーカーとの間の接触時に生じ得る化学反応は、追加のエネルギー入力なしに、バイオマーカーの検出の信号として感知可能な発光を生じ得る。システム４００と６００は、光源を必ずしも具備しないが、光源を含むシステムよりも（少なくとも光学的な複雑さにおいて）、複雑ではない場合があることを考慮すると、化学発光のバイオマーカー発光材料での使用に特に適し得る。しかしながら、潜在的に任意のシステム１００、２００、３００、４００、５００、及び６００、及び任意のニードル７００、８０２、８１０、８１６、及び８２２は、該システムのいくつかに光源を含めることが、化学発光により生成された光の検出に関連がない場合があるものの、化学発光検出とともに使用され得る。
【0056】
いくつかの他のバイオマーカー発光材料は、バイオマーカー発光材料と標的生体物質との間の接触により起動される光ルミネセンス（例：蛍光発光及び／又はリン光発光）を使用可能である。光ルミネセンス用の照射光は、例示的に典型的なシステム１００、２００、３００、及び５００の光源により提供可能で、システム１００、２００、３００、５００、及びニードル７００、８０２、８１０、８１６、及び８２２の少なくともいくつかの光ファイバー（及び／又はいくつかの場合において、他の導波路）により送信可能である。
【0057】
いくつかのバイオマーカー発光材料は、標的バイオマーカーがない状態で光ルミネセンスを表示可能で、標的バイオマーカーへの曝露時に、光ルミネセンスは、停止又は低減可能である。
【0058】
バイオマーカー発光材料の被覆の物理的特性は、競合要因間のバランスを反映し得る。薄いコーティングは、照射光が中に浸透して、放射物が検出用に逃避するのに十分に半透明であり得る一方、厚いコーティングは、より大きいバイオマーカー検出材料と強いエミッション信号を提供可能である。コーティングは、架橋親水性コーティングを具備可能である。架橋親水性コーティングは、コーティングの部分として、バイオマーカー発光材料を具備可能で、又はそれを送達装置に封入又は封止可能である。バイオマーカー発光材料の多孔性は、バイオマーカーと該材料との間の相互作用を容易にするのに所望である場合がある。
【0059】
本開示は、患者の組織内のガス（「空気」と称し得る）と液体とを区別するためのリアルタイムのシステム及び方法をさらに検討し、手術器具をその中に正確に配置する一助とする。このようなシステムは、光学、音波、及び／又は電気式検出を含み得、光学、音波、及び／又は電気インピーダンスの差に基づき得る。
【0060】
図９は、（本明細書で「光ファイバー空気センサ」と称し得る）空気と液体を区別するための光ファイバーセンサ９００の概略断面図である。センサ９００は、クラッディング９０４により囲まれ得、次にバッファ９０６により囲まれ得る、光ファイバーコア９０２を具備可能である。バッファ９０６は、一次バッファ層と二次バッファ層等の１つ以上のバッファ層を具備可能である。光ファイバー空気センサ９００は、力、保護等のための他の任意の適切な層（図示せず）を具備可能である。
【0061】
光ファイバー空気センサ９００は、検出端（すなわち、図９の左から右へ）に向かうファイバー内で伝播する光源（図示せず）からの光が、検出端でファイバーコア９０２の面９０９上の入射時に全内部反射を経験するかどうかに基づいて、検出端９０８で液体と空気とを区別するように構造化・構成可能である。典型的な光線の束は、検出端９０８に向かって（９１０で）コア９０２内で伝播し、その後、面９０９で反射後に、検出端から（９１２で）離れて伝播するように図示される。
【0062】
全内部反射の場合、全内部反射用の臨界角よりも浅い入射角で面９０９に入射する光線は、本質的に完全に反射される。光線が臨界角よりも急な角度で入射すれば、一般的に、光線９１４用に概略的に示す通り、コア９０２内で部分的に反射され（９１２でのように）、ファイバー外部に部分的に反射可能である。
【0063】
面９０９は、検出端９０８に向かってコア９０２内で伝播する逆反射光線に構造化可能である。該面は、例えば、コア９０２の縦軸に対して４５度で配向可能である。いくつかの実施形態において、該面は、立方体の角の構成で配列可能である。コア９０２の（本質的に光伝播軸である）縦軸に対して４５度で配向された面は、空気と液体との識別用に適切に配向可能である。溶融石英ファイバーに対し、空気の外部媒体に対する全内部反射用の臨界角は、約４３度で、水の外部媒体に対する全内部反射用の臨界角は、約６７度である。したがって、コア９０２の縦軸に沿って伝播し、縦軸に対して４５度で配向される面９０９に入射する光は、空気への臨界角より浅く、水の臨界角より急に該面に入射可能である。
【0064】
検出構成は、操作中、検出端９０８から逆反射した光源からの光を検出するように適切に構成可能な光受信器（図示せず）を具備可能である。この逆反射信号は、一般的に、検出端９０８の面９０９が、空気の外部媒体に曝露される場合、より明るくなり得、面が液体に曝露される場合（したがって、全内部反射を生じない）と異なるように、全内部反射を生じる。面９０９は、検出の有用性を高めるために、コーティングを具備可能である。コア内の光が入射する面の部分を含む、面９０９の内部９１６は、疎水性コーティングを有し得、検出端９０８が空気中にある場合、面上の残りの液体をはじく。面９０９の外部９１８は、親水性コーティングを具備可能で、内部９１６から液体を離す。
【0065】
図１０は、光ファイバー空気センサ１００２を組み込み可能なニードルシステム１０００の例示的な実施例の孔の下方からの概略断面図である。センサ１００２は、図９の光ファイバー空気センサ９００に類似して、型１００８内の皮下注入ニードル１００４内に配設可能である。皮下注入ニードル１００４は、薬用流体の送達用の流体チャネル１００６を囲うことができるが、これは限定的ではなく、他の実施形態において、ニードルは、他の治療的ペイロード及び／又は装置を送達又は収容可能である。光ファイバー空気センサは、本明細書に記載のバイオマーカー検出システムとの組み合わせを含め、医療装置の他の構成に組み込み可能であることを考慮されたい。
【0066】
図１１は、（本明細書で「音波空気センサ」と称し得る）空気と液体を区別するための音波プローブを組み込み可能なニードルシステム１１００の概略断面図である。感知ロッド１１０２は、１つ以上のエラストマー取付具１１０６により、皮下注入ニードル１１０４内に取り付け可能である。感知ロッド１１０２は、適切な周波数で反応質量１１１０に対する圧電アクチュエータ１１０８により、（それに重ね合わされる矢印により表示されるように）縦方向に駆動可能である。ニードルシステム１１００の遠位端での感知ロッド１１０２の先端１１１２は、その位置で存在し得る媒体が、組織、液体、又はガスによらずいずれと機械的接触状態であり得る。これらの媒体の各々は、感知ロッド１１０２の動作に対する異なる機械インピーダンスを提示可能で、インピーダンスは、一般的に、（組織＞液体＞ガス）の順に減少する。音波／機械インピーダンスは、（ａ）一定の駆動力を加え、振幅を測定する、（ｂ）一定の振幅に駆動し、駆動力を測定する、及び／又は（ｃ）駆動力と動作との間の位相シフトを測定することを含むが、これらに限定されない、様々な方法で測定可能である。ニードルシステム１１００は、薬用流体の送達用の流体チャネル１１１４を囲うことができるが、これは限定的ではなく、他の実施形態において、ニードルは、他の治療的ペイロード及び／又は装置を送達又は収容可能である。音波空気センサは、本明細書に記載のバイオマーカー検出システムとの組み合わせを含め、医療装置の他の構成に組み込み可能であることを考慮されたい。
【0067】
図１２Ａ、１２Ｂ、及び１２Ｃは、それぞれ、概略平面図、概略側方断面図、及び（本明細書で「電気式空気センサ」と称し得る）空気と液体を区別するための電気式センサを組み込み可能なニードルシステム１２００の例示的実施例の孔下方から見た概略断面図である。導体１２０４ａ、１２０４ｂは、皮下注入ニードル１２０２内に存在する絶縁体１２０６内に成型可能である。皮下注入ニードル１２０２は、接地可能で、導体１２０４ａ、１２０４ｂは、電気駆動できる感知機器（図示せず）に接続可能である。導体１２０４ａ、１２０４ｂの端部は、その面１２０８ａ、１２０８ｂが、ニードルの先端で遭遇するいかなる媒体と導電接触できるように、ニードル１２０２の遠位端で研磨可能である。一般的に、導体１２０４ａ、１２０４ｂの面１２０８ａと１２０８ｂとの間の電気伝導度は、該媒体に依存し得る。例えば、ヒトの血漿（１３．５×１０－３）の伝導率［（Ωｃｍ）－１で測定］は、胃液（２４×１０３）及び尿（４０×１０－３）のものと大幅に異なる。空気の伝導率は、一般的に非常に低いであろう。疎水性コーティングは、ニードルの端部に設置可能で、空気の間隙に遭遇する際に、導体１２０４ａ、１２０４ｂの面１２０８ａと１２０８ｂからの液体を拒絶する一助となる。導体１２０４ａ、１２０４ｂの面１２０８ａと１２０８ｂとの間の伝導率を監視することで、ニードルシステム１２００の先端に存在する媒体の差は、検出、またいくつかの場合では、識別可能である。ニードルシステム１２００は、薬用流体の送達用の流体チャネル１２１０を囲うことができるが、これは限定的ではなく、他の実施形態において、ニードルは、他の治療的ペイロード及び／又は装置を送達又は収容可能である。電気式空気センサは、本明細書に記載のバイオマーカー検出システムとの組み合わせを含め、医療装置の他の構成に組み込み可能であることを考慮されたい。
【0068】
図１２Ａ、１２Ｂ、及び１２Ｃのシステム１２００に類似するニードルシステムは、図１３Ａ、１３Ｂ、及び１３Ｃに示され、それぞれ、電気式空気センサを組み込み可能なニードルシステム１３００の例示的な実施例の概略側方断面図と、ニードルシステム１３００の２つの代替構成の孔の下方からの概略断面図である。図１３Ａ、１３Ｂ、及び１３Ｃの構成において、ワイヤは、ニードルシステム１２００と比較した通り、皮下注入ニードル１３０２の管腔内に接合可能で、導体１２０４ａ、１２０４ｂは、ニードル１２０２の管腔内の絶縁体１２０６に成型される。図１３Ａ、１３Ｂ、及び１３Ｃの構成のワイヤは、各々、導体１３０４ａ、１３０４ｂ、又は１３０４ｃを具備し、各導体は、絶縁体１３１２により囲われている。ワイヤは、接着剤１３１４にてニードルの管腔内に接合可能である。
【0069】
図１３Ｂの構成において、導体１３０４ａを備えた単一ワイヤは、ニードル１３０２内に接合可能である。この構成において、導体１３０４ａは、１つの導体として機能し、ニードル１３０２は、電気式空気感知用のもう１つの導体として機能する。図１３Ｃの構成において、導体１３０４ｂ、１３０４ｃを備えた２つのワイヤは、ニードル１３０２内に接合可能で、空気感知回路を完成させるのに要する２つの導体として機能する。疎水性コーティングは、ニードルの端部に設置可能で、空気の間隙に遭遇する際に、導体１３０４ａ、１３０４ｂ、１３０４ｃの面１３０８ａ、１３０８ｂ、１３０８ｃ、及びニードル１３０２の端部１３１６からの液体を拒絶する一助となる。ニードルシステム１３００は、薬用流体の送達用の流体チャネル１３１０を囲うことができるが、これは限定的ではなく、他の実施形態において、ニードルは、他の治療的ペイロード及び／又は装置を送達又は収容可能である。
【0070】
システム１０００、１１００、１２００、又は１３００の１つ等の、光学、音波、又は電気式空気検出システムを有するニードルシステムを使用する典型的な方法において、ニードルは、臨床医により患者体内に進められ、空気検出システムは、起動されて、臨床医にフィードバックを提供する。ニードルの先端が対象の媒体に進む際に、空気検出システムに操作可能に結合される通知システム（図示せず）は、臨床医に、標的媒体が検出されたことを通知可能である。臨床医は、その後、標的媒体の検出と患者の組織の認識にしたがって、ニードルの先端を位置決め可能である（例えば、さらにニードルを前進、前進を停止、又は後退）。ニードルの先端を適切に配置すると、流体送達システム（又は他の治療的操作）からの治療的流体の送達は、実行可能である。
【0071】
本開示の当業者とその発明の対象は、実施形態が、実施例により記載又はそれ以外では本明細書で検討された任意の個々の実施形態に示すものよりも少ない特徴を含み得ることを認識されるであろう。本明細書に記載の実施形態は、様々な特徴を組み合わせ及び／又は配列可能である方法の包括的な提示を意図するものではない。したがって、実施形態は、特徴の相互排他的な組み合わせではなく、むしろ、実施形態は、当該分野の当業者が理解する通り、異なる個々の実施形態から選択された異なる個々の特徴の組み合わせを含み得る。さらに、１つの実施形態に関して記載される要素は、他の実施形態において、特段の記載がない限り、このような実施形態で記載のない場合でさえ実装可能である。従属請求項が、請求の範囲において、１つ以上の他の請求項との特定の組み合わせを指し得るものの、他の実施形態はまた、従属請求項と互いの従属請求項の発明の対象との組み合わせ又は１つ以上の特徴と他の従属又は独立請求項との組み合わせを含み得る。このような組み合わせは、特定の組み合わせを意図しないとの記載がなければ、本明細書で提案される。さらに、請求項の特徴を、本請求項が独立請求項に直接従属されていなくても、他の任意の従属請求項に含めることも意図される。
【0072】
上記の文献の引用による任意の組み込みは、本明細書中の明白な開示に反する発明の対象を組み込まないように、限定される。上記の文献の引用による任意の組み込みは、文献に含まれる請求項が、本明細書で引用により組み込まれないように、さらに限定される。上記の文献の引用による任意の組み込みは、文献に記載される任意の定義が、本明細書に明示的に含まれない限り、本明細書で引用により組み込まれないように、さらに限定される。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図13A】
【図13B】
【図13C】