特表 2022-551518 生体外で組織特性を決定するための基準キャンセリングシステム、デバイス、および方法。

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-12-09

(54)【発明の名称】生体外で組織特性を決定するための基準キャンセリングシステム、デバイス、および方法。

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/72 20060101AFI20221202BHJP

   G01L 7/00 20060101ALI20221202BHJP

   G01L 9/14 20060101ALI20221202BHJP

【ＦＩ】

G01N27/72

G01L7/00 C

G01L9/14

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022521517

(86)(22)【出願日】2020-10-07

(85)【翻訳文提出日】2022-06-01

(86)【国際出願番号】 US2020054587

(87)【国際公開番号】W WO2021071954

(87)【国際公開日】2021-04-15

(31)【優先権主張番号】62/913,116

(32)【優先日】2019-10-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ＭＡＴＬＡＢ

(71)【出願人】

【識別番号】517075883

【氏名又は名称】ユニバーシティ オブ ワシントン

【氏名又は名称原語表記】Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ

【住所又は居所原語表記】４５４５ Ｒｏｏｓｅｖｅｌｔ Ｗａｙ ＮＥ， Ｓｕｉｔｅ ４００， Ｓｅａｔｔｌｅ， Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ ９８１０５ ＵＳ

(74)【代理人】

【識別番号】110001139

【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100130328

【弁理士】

【氏名又は名称】奥野 彰彦

(74)【代理人】

【識別番号】100130672

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 寛之

(72)【発明者】

【氏名】スニアデッキ，ネイサン，ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】ヒガシ，タイ

(72)【発明者】

【氏名】モスコウィッツ，ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】ミチャウ－カニンガム，ジェブニ

(72)【発明者】

【氏名】ダーリング，ロバート，ブルース

【テーマコード（参考）】

2F055

2G053

【Ｆターム（参考）】

2F055AA05

2F055BB20

2F055CC60

2F055DD20

2F055EE29

2F055FF49

2F055GG49

2G053AA16

2G053AB01

2G053BA08

2G053BB02

2G053BB18

2G053CA05

2G053CA06

2G053CB05

2G053CB07

2G053CB12

2G053CB21

(57)【要約】

組織標本の特性を決定するように構成されたデバイスおよび方法が提供される。代表的な組織分析デバイスは、感知モジュールと基準モジュールとを含む。感知モジュールは、第１のポスト上に貼り付けられた組織標本を有するように構成された第１のポストおよび第２のポストと、第１のポストの変位に対応する変位信号を出力するように構成された変位センサとを含む。基準モジュールは、周囲磁場のような基準入力に対応する基準信号を出力するように構成された基準センサを含む。デバイスは、変位信号に基づく変位値、基準信号に基づく基準値、変位値および基準値に基づく基準キャンセルされた変位値、ならびに基準キャンセルされた変位値に基づく組織標本の特徴を決定する命令をさらに含む。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

組織標本の特性を決定するための組織分析デバイスであって、
感知モジュール、
基準モジュール、および
非一時的な機械可読記憶媒体を備え、
前記感知モジュールは、
ベース上に配置され、第１のポスト中に配置された磁性材料を有し、第１のポストに取り付けられた前記組織標本を有するように構成された第１のポスト、
前記ベース上に配置され、第２のポストに取り付けられた前記組織標本を有するように構成された前記第２のポスト、および
前記第１のポストの変位に対応する変位信号を出力するように構成された変位センサを備え、
前記基準モジュールは、基準入力に対応する基準信号を出力するように構成され、
前記非一時的な機械可読記憶媒体は、プロセッサによって実行されると当該プロセッサに動作を実行させる論理を記憶し、
前記動作は、
前記変位信号に基づいて変位値を決定するステップ、
前記基準信号に基づいて基準値を決定するステップ、
前記変位値および前記基準値に基づいて、基準キャンセルされた変位値を決定するステップ、ならびに
前記基準キャンセルされた変位値に基づいて前記特性を決定するステップを含む、デバイス。

【請求項2】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記感知モジュールは、第３のポストをさらに備え、
前記第１のポスト、前記第２のポスト、および前記第３のポストは、三角形の構成で配置される、デバイス。

【請求項3】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記感知モジュールは、第３のポストおよび第４のポストをさらに備え、
前記第１のポスト、前記第２のポスト、前記第３のポストおよび前記第４のポストは、長方形の構成で配置される、デバイス。

【請求項4】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記感知モジュールは、第３のポスト、第４のポスト、および第５のポストをさらに備え、
前記第１のポスト、前記第２のポスト、前記第３のポスト、前記第４のポスト、および前記第５のポストは、五角形の構成で配置される、デバイス。

【請求項5】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記基準キャンセルされた変位値を決定するステップは、前記変位値から前記基準値を減算するステップに基づく、デバイス。

【請求項6】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記変位値を決定するステップは、前記変位信号に線形係数を乗算するステップおよび非線形係数を乗算するステップを含む、デバイス。

【請求項7】

請求項６に記載の組織分析デバイスであって、
前記変位値を決定するステップは、前記変位信号に前記線形係数を乗算するステップの前に前記変位信号を周波数フィルタリングするステップを含まない、デバイス。

【請求項8】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記基準値を決定するステップは、前記基準信号に線形係数を乗算するステップを含む、デバイス。

【請求項9】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記特性を決定するステップは、前記基準キャンセルされた変位値に線形係数を乗算するステップを含む、デバイス。

【請求項10】

請求項９に記載の組織分析デバイスであって、
前記線形係数は、前記第１のポストの前記変位と前記組織標本によって及ぼされる力との間の相関係数である、デバイス。

【請求項11】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって
前記変位値を決定するステップが、前記変位信号に第１の線形係数を乗算するステップ、および非線形係数を乗算するステップを含み、
前記基準値を決定するステップが、前記基準信号に、前記第１の線形係数とは異なる第２の線形係数を乗算するステップを含み、ならびに
前記特性を決定するステップは、前記基準キャンセルされた変位値に、前記第１の線形係数および前記第２の線形係数とは異なる第３の線形係数を乗算するステップを含む、デバイス。

【請求項12】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記変位センサは、前記第１のポストから、第１の距離離れて配置され、
前記基準センサは、前記第１のポストから、より大きい第２の距離離れて配置される、デバイス。

【請求項13】

請求項１２に記載の組織分析デバイスであって、
前記第２の距離は、前記基準センサが前記組織標本から任意の信号振幅を感知しないように十分に大きい、デバイス。

【請求項14】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記感知モジュールは、
第２の組織標本に付着されるように構成され、第３のポスト中に配置された第２の磁性材料を有する前記第３のポスト、
前記第２の組織標本に付着されるように構成された第４のポスト、および
前記第３のポストの変位に対応する第２の変位信号を出力するように構成された第２の変位センサをさらに備える、デバイス。

【請求項15】

請求項１４に記載の組織分析デバイスであって、
前記基準センサは、前記変位センサおよび前記第２の変位センサから等距離に配置される、デバイス。

【請求項16】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記第１のポストと前記第２のポストが培養皿のウェル内に配置され、前記変位センサがプリント回路基板上の前記第１のポストの真下に配置されている、デバイス。

【請求項17】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記変位信号は、前記第１のポストの前記変位によって生じる局所磁場の変化に対応し、前記基準信号は、周囲磁場に対応する、デバイス。

【請求項18】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記変位センサと前記基準センサは、共通の向きを有する、デバイス。

【請求項19】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記変位センサと前記基準センサは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、フラックスゲート、ホールセンサ、および異方性磁気抵抗磁力計からなる群から選択される同一のセンサタイプである、デバイス。

【請求項20】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記特性は、純粋な力である、デバイス。

【請求項21】

請求項１に記載の組織分析デバイスであって、
前記変位値が、複数の軸における感知磁場に対応する複数の変位値成分を含み、
前記基準値が、前記複数の軸における基準磁場に対応する複数の基準値成分を含み、
前記基準キャンセルされた変位値を決定するステップは、前記複数の変位値成分のうちの少なくとも１つを、前記複数の基準値成分のうちの対応する１つから減算するステップに基づく、デバイス。

【請求項22】

方法であって、
組織標本を第１のポストおよび第２のポストに貼り付けるステップ、
前記第２のポストに対する前記第１のポストの変位を感知するステップ、
前記第２のポストに対する前記第１のポストの前記変位を感知しながら、基準入力を感知するステップ、
前記第２のポストに対する前記第１のポストの前記変位に基づいて変位信号を出力するステップ、
前記基準入力に基づいて基準信号を出力するステップ、
前記変位信号に基づいて変位値を決定するステップ、
前記基準信号に基づいて基準値を決定するステップ、
前記基準値および前記変位値に基づいて、基準キャンセルされた変位値を決定するステップ、ならびに
前記基準キャンセルされた変位値に基づいて前記組織標本の特性を決定するステップを含む、方法。

【請求項23】

請求項２２に記載の方法であって、
前記変位値を決定するステップは、前記変位信号に線形係数を乗算するステップ、および非線形係数を乗算するステップを含む、方法。

【請求項24】

請求項２３に記載の方法であって、
前記変位値を決定するステップが、前記変位信号に前記線形係数を乗算するステップの前に前記変位信号を周波数フィルタリングするステップを含まない、方法。

【請求項25】

請求項２２記載の方法であって、
前記基準値を決定するステップは、前記基準信号に線形係数を乗算するステップを含む、方法。

【請求項26】

請求項２２に記載の方法であって、
前記特性を決定するステップは、前記基準キャンセルされた変位値に線形係数を乗算するステップを含む、方法。

【請求項27】

請求項２６に記載の方法であって、
前記線形係数は、前記第１のポストの変位と前記組織標本の前記特性との間の相関である、方法。

【請求項28】

請求項２２に記載の方法であって、
前記変位値を決定するステップが、前記変位信号に第１の線形係数を乗算するステップ、および非線形係数を乗算するステップを含み、
前記基準値を決定するステップが、前記基準信号に第２の線形係数を乗算するステップを含み、ならびに
前記特性を決定するステップは、前記基準キャンセルされた変位値に第３の線形係数を乗算するステップを含む、方法。

【請求項29】

請求項２２記載の方法であって、
前記特性は純粋な力である、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照

【0002】

本出願は、２０１９年１０月９日に出願された米国仮出願第６２／９１３，１１６号の利益を主張するものであり、この全体は、あらゆる目的のために参照により本明細書に援用される。

【0003】

政府ライセンス権の記載
この発明は、米国国立科学財団から授与された政府補助金番号６６１７３０の下、政府の支援を受けて行われたものである。政府は、本発明について一定の権利を有する。

【背景技術】

【0004】

収縮中の組織（例えば、心筋細胞だけでなく、他の組織も）のベースライン強度、および、この収縮の強度に関して組織に既知の効果、未知の効果、および／または期待される効果を有する適用処理後のこれらの同じ組織、ならびに、収縮の機能に関する他の特性を測定することが望ましい。収縮の機能に関する他の特性とは、純粋な定常力、相対力、ストレイン、周波数、所与の刺激に対する収縮の持続時間、所与の刺激に対する組織の時間応答などを含むがこれらに限定されない。このような測定により、医師や研究者は組織の成熟や生存率を評価することができ、これによって修復の成功の可能性を高めることができる。

【発明の概要】

【0005】

本開示は、生体組織および／または細胞を培養および分析するためのデバイスおよび方法に関する。このような組織および細胞には、筋肉組織（例えば、人工心臓組織、平滑筋肉組織、および骨格筋肉組織）ならびに非筋肉組織（例えば、靱帯組織および縫合組織）が含まれるが、これらに限定されない。

【0006】

一態様では、本開示は少なくとも１つの生体組織標本の特性（例えば、力、ストレイン）を決定するための組織分析デバイスを提供する。組織分析デバイスは、感知モジュールと基準モジュールを含む。感知モジュールは、ベース上に配置され、第１のポスト中に配置された磁性材料を有し、第１のポストに取り付けられた前記組織標本を有するように構成された第１のポスト、前記ベース上に配置され、第２のポストに取り付けられた前記組織標本を有するように構成された第２のポスト、および前記第１のポストの変位に対応する変位信号を出力するように構成された変位センサを備える。基準モジュールは、基準入力に対応する基準信号を出力するように構成された基準センサを備える。さらに、組織分析デバイスは、プロセッサによって実行されるとき、前記プロセッサに動作を実行させる論理を記憶する非一時的な機械可読記憶媒体を備える。前記動作は、前記変位信号に基づいて変位値を決定するステップ、前記基準信号に基づいて基準値を決定するステップ、前記変位値および前記基準値に基づいて、基準キャンセルされた変位値を決定するステップ、ならびに前記基準キャンセルされた変位値に基づいて前記特性を決定するステップを含む。

【0007】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記感知モジュールは、第３のポストをさらに備え、前記第１のポスト、前記第２のポスト、および前記第３のポストは、三角形の構成で配置される。本明細書に開示された任意の実施形態では、前記感知モジュールは、第３のポストおよび第４のポストをさらに備え、前記第１のポスト、前記第２のポスト、前記第３のポストおよび前記第４のポストは、長方形の構成で配置される。本明細書に開示された任意の実施形態では、前記感知モジュールは、第３のポスト、第４のポスト、および第５のポストをさらに備え、前記第１のポスト、前記第２のポスト、前記第３のポスト、前記第４のポスト、および前記第５のポストは、五角形の構成で配置される。

【0008】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記基準キャンセルされた変位値を決定するステップは、前記変位値から前記基準値を減算するステップに基づく。

【0009】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記変位値を決定するステップは、前記変位信号に線形係数を乗算するステップおよび非線形係数を乗算するステップを含む。

【0010】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記変位値を決定するステップは、前記変位信号に前記線形係数を乗算するステップの前に変位信号を周波数フィルタリングするステップを含まない。

【0011】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記基準値を決定するステップは、前記基準信号に線形係数を乗算するステップを含む。

【0012】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記特性を決定するステップは、前記基準キャンセルされた変位値に線形係数を乗算するステップを含む。

【0013】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記線形係数は、前記第１のポストの前記変位と前記組織標本によって及ぼされる力との間の相関係数である。

【0014】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記変位値を決定するステップが、前記変位信号に第１の線形係数を乗算するステップ、および非線形係数を乗算するステップを含み、前記基準値を決定するステップが、前記基準信号に、前記第１の線形係数とは異なる第２の線形係数を乗算するステップを含み、ならびに、前記特性を決定するステップは、前記基準キャンセルされた変位値に、前記第１の線形係数および前記第２の線形係数とは異なる第３の線形係数を乗算するステップを含む。

【0015】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記変位センサは、前記第１のポストから、第１の距離離れて配置され、前記基準センサは、前記第１のポストから、より大きい第２の距離離れて配置される。本明細書に開示された任意の実施形態では、前記第２の距離は、前記基準センサが前記組織標本から任意の信号振幅を感知しないように十分に大きい。

【0016】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記感知モジュールは、第２の組織標本に付着されるように構成され、第３のポスト中に配置された第２の磁性材料を有する前記第３のポスト、前記第２の組織標本に付着されるように構成された第４のポスト、および前記第３のポストの変位に対応する第２の変位信号を出力するように構成された第２の変位センサをさらに備える。本明細書に開示された任意の実施形態では、前記基準センサは、前記変位センサおよび前記第２の変位センサから等距離に配置される。

【0017】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記第１のポストと前記第２のポストが培養皿のウェル内に配置され、前記変位センサがプリント回路基板上の前記第１のポストの真下に配置されている。

【0018】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記変位信号は、前記第１のポストの前記変位によって生じる局所磁場の変化に対応し、前記基準信号は、周囲磁場に対応する。

【0019】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記変位センサと前記基準センサは、共通の向きを有する。

【0020】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記変位センサと前記基準センサは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、フラックスゲート、ホールセンサ、および異方性磁気抵抗磁力計からなる群から選択される同一のセンサタイプである。

【0021】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記特性は、純粋な力である。

【0022】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記変位値が、複数の軸における感知磁場に対応する複数の変位値成分を含み、前記基準値が、前記複数の軸における基準磁場に対応する複数の基準値成分を含み、前記基準キャンセルされた変位値を決定するステップは、前記複数の変位値成分のうちの少なくとも１つを、前記複数の基準値成分のうちの対応する１つから減算するステップに基づく。

【0023】

別の態様では、本開示は方法、例えば、組織標本の特性を決定する方法を提供する。方法は、組織標本を第１のポストおよび第２のポストに貼り付けるステップ、前記第２のポストに対する前記第１のポストの変位を感知するステップ、前記第２のポストに対する前記第１のポストの前記変位を感知しながら、基準入力を感知するステップ、前記第２のポストに対する前記第１のポストの変位に基づいて変位信号を出力するステップ、前記基準入力に基づいて基準信号を出力するステップ、前記変位信号に基づいて変位値を決定するステップ、前記基準信号に基づいて基準値を決定するステップ、前記基準値および前記変位値に基づいて、基準キャンセルされた変位値を決定するステップ、ならびに前記基準キャンセルされた変位値に基づいて前記組織標本の特性を決定するステップを含む。

【0024】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記変位値を決定するステップは、前記変位信号に線形係数を乗算するステップ、および非線形係数を乗算するステップを含む。

【0025】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記変位値を決定するステップが、前記変位信号に前記線形係数を乗算するステップの前に前記変位信号を周波数フィルタリングするステップを含まない。

【0026】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記基準値を決定するステップは、前記基準信号に線形係数を乗算するステップを含む。

【0027】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記特性を決定するステップは、前記基準キャンセルされた変位値に線形係数を乗算するステップを含む。

【0028】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記線形係数は、前記第１のポストの変位と前記組織標本の前記特性との間の相関である。

【0029】

本明細書に開示された任意の実施形態では、前記変位値を決定するステップが、前記変位信号に第１の線形係数を乗算するステップ、および非線形係数を乗算するステップを含み、前記基準値を決定するステップが、前記基準信号に第２の線形係数を乗算するステップを含み、ならびに前記特性を決定するステップは、前記基準キャンセルされた変位値に第３の線形係数を乗算するステップを含む。

【0030】

本概要は、以下の「発明を実施するための形態」でさらに記載される概念の選択を簡略化して紹介するために提供される。本概要は、クレームされた主題の主要な特徴を特定することを意図したものではなく、また、クレームされた主題の範囲を決定する際の補助として使用することを意図したものでもない。

【図面の簡単な説明】

【0031】

本発明の上述の態様および付随する利点の多くは、添付の図面と併せ、以下の発明を実施するための形態を参照することにより、よりよく理解できるようになり、また、より容易に理解されるであろう。

【0032】

【図1】図１は、組織標本の特性を磁気的に検出するように構成された組織分析デバイスの側面図を示す。

【0033】

【図2】図２は、組織標本の変位に伴う磁場の変化を検出するための回路を示す。

【0034】

【図3】図３は、組織標本の前負荷と後負荷をシミュレートするために使用される外部磁石を含む、図１の例示的なデバイスを示す。

【0035】

【図4】図４Ａは、外部磁石で前負荷の力と後負荷の力を経時的に変化させたグラフを示す。図４Ｂは、組織標本の長さ－力のグラフを示す。図４Ｃは、心臓組織における前負荷時および／または後負荷時の圧力の変化を表す心臓の圧力－容積（ＰＶ）ループを示すグラフである。

【0036】

【図5】図５は、本開示に記載の様々なデバイスにおける心臓組織の拍動に起因する、変化するポスト位置とこの結果生じる電圧を示すグラフである。

【0037】

【図6】図６は、組織標本によって及ぼされる力を磁気的に決定する代表的な方法を示す。

【0038】

【図7】図７は、本明細書に記載された様々な方法を行うように構成された例示的なコンピューティングデバイスを示す。

【0039】

【図8】図８は、本開示の一実施形態に係る基準キャンセリング組織分析デバイスを示す。

【0040】

【図9】図９Ａ～９Ｅは、本開示の組織分析デバイスの一態様の種々の構成を示す。

【0041】

【図10】図１０は、本開示の組織分析デバイスの別の態様の１つの代表的な構成を示す。

【0042】

【図11】図１１は、本開示に係る組織分析デバイス用の代表的な回路を示す。

【0043】

【図12】図１２は、本開示に係る組織分析デバイスのプリント回路基板の代表的なレイアウトを示す。

【0044】

【図13A】

【図13B】図１３Ａおよび図１３Ｂは、本開示に係る組織分析デバイスの態様を示す。

【0045】

【図14】図１４は、本開示に係る組織標本の特性を決定するための方法を示す。

【発明を実施するための形態】

【0046】

以下の説明において、本開示のいくつかの実施形態を図示する添付の図面を参照する。本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用されてもよく、システムまたはプロセスの変更がなされてもよいことが理解されよう。以下の発明を実施するための形態は、限定的な意味で解釈されるものではなく、本発明の実施形態の範囲は、特許請求の範囲によってのみ定義される。

【0047】

本開示の様々な実施形態は、筋肉組織標本および非筋肉組織標本を含む生体組織標本（以下、「組織標本」という）の力および他の特性（例えば、ストレインおよび負荷）を磁気的に検出し決定するための改良されたシステムおよび方法を提供する。代表的な筋肉組織としては、心臓細胞（心筋細胞など）、骨格筋、平滑筋などがある。代表的な非筋肉組織としては、靭帯組織、縫合組織（ｓｕｔｕｒｅ ｔｉｓｓｕｅ）などがある。理解を容易にするために、本開示では、時折、心筋細胞の文脈でデバイスおよび方法を説明するが、当業者は、本明細書に記載のデバイスおよび方法が心筋細胞に限定されず、少なくとも上記の他の組織に適用できることを理解するであろう。

【0048】

本開示の実施形態は、組織標本の特性の決定および分析におけるＳＮ比を改善する。さらに、これらの実施形態は、例えば、組織標本を分析する光学的方法と比較して、組織特性の決定のためのデータストレージ要件を低減する。本明細書に記載される技術は、再現可能で、正確で、かつ精密な結果をもたらすことができる。本明細書で使用される場合、「心臓組織」および／または「心筋組織」は、単一の心筋細胞および／または複数の心筋細胞が融着して１つの組織を形成しているものを指す場合がある。以下の発明を実施するための形態において、これらの用語は、時に互換的に使用されることがある。

【0049】

本開示の実施形態は、組織標本を培養し、高分子マイクロポスト（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｍｉｃｒｏｐｏｓｔｓ）（本明細書では「ポスト」と呼ぶ）に貼り付けることができるように構成されている。組織標本の特性（例えば、力応答）を分析することにより、組織標本が曝される様々な試薬および治療の影響に関する情報、ならびに組織標本の発生および成熟に関する情報を提供することができる。いくつかの実施形態では、心筋細胞からなる小組織を培養し、マイクロポスト間に（例えば、接着剤で）貼り付けることができる。組織標本は、繊維マトリックス内に播種されてもよい。いくつかの実施形態では、繊維マトリックスは、コラーゲン、フィブリン、マトリゲル、シリコーン、および／または他の高分子物質を含んでもよい。心臓組織が貼り付けられるマイクロポストの少なくともいくつかは、可撓性を有するように設計されてもよい。様々な実施形態において、マイクロポストに所望の可撓性または剛性を与えるために、マイクロポストの直径、長さ、または材料を選択することができる。心臓組織は、心筋組織の収縮時に可撓性マイクロポストを曲げるのに有効となり得る。

【0050】

本開示では、マイクロポストは、「ポスト」と呼ばれることがある。さらに、場合によっては、本明細書に記載されるポストは、多種多様な寸法を有することができる。このため、用語「ポスト」と共に使用される接頭辞「マイクロ」は、本開示によって企図されるすべての可能なポストおよび意図されたポストを説明するものではない。以下でさらに詳細に説明するように、組織標本によって発生する力は、ポストが変位する（例えば、曲がるかまたは偏る）量に基づいて決定されることができる。

【0051】

組織標本を播種し、このような組織標本（例えば、人工心臓組織）から特性を決定する以前の試みは、様々な障害に遭遇してきた。例えば、心臓組織が貼り付けられたマイクロポストの動きをモニタリングするために、高度な画像分析が使用される場合がある。心臓組織が及ぼす力を、この動きに基づいて決定することができる。しかし、心臓組織の力を経時的にモニタリングするためには、専用の顕微鏡と非常に複雑なコンピュータビジョン技術が必要である。光学データを処理し格納するためのコンピュータ処理要件およびデータストレージ要件は、特に本明細書に記載の技術と比較して、比較的高い。さらに、単一の２４ウェルプレートを超える拡張は、追加の顕微鏡ならびに／または力測定の各ポイントのためのかなりのセットアップおよびティアダウンタイムを必要とする。このため、このような技術を用いた大規模な並行研究は、法外に高価であり、および／または時間がかかる可能性がある。人工心筋細胞組織の力発生をモニタリングする他のいくつかの方法は、破壊的な方法を必要とするか、または単に電気生理的にモニタリングするにすぎず心臓組織の実際の力が発生しないものである。

【0052】

図１は、本開示の様々な実施形態にしたがって、組織の力および他の特性を磁気的に検出するために用いることができる組織分析デバイス１００の側面図を示している。デバイス１００は、ベース１０２と複数のポスト（例えばポスト１０４およびポスト１０６）とを含むことができる。いくつかの実施形態では、ポスト１０４および／またはポスト１０６は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）ポリマーを含んでもよい。様々な実施形態において、ＰＤＭＳポリマーは、４部品アクリルモールドまたは別のモールドから形成されてもよい。様々な実施形態では、ベース１０２は生体適合性マトリックス材料（コラーゲン、フィブリン、マトリゲル、および／またはマイクロポストを結合および／または貼り付けるための他の任意の適当な材料など）で構成されてもよい。図１には２つのポスト１０４および１０６が描かれているが、本開示の様々な実施形態にしたがって、任意の数のポストを使用することができる。例えば、いくつかの実施形態は、第３のポストを含み、第１のポスト、第２のポスト、および第３のポストは、三角形の構成で配置される。いくつかの実施形態は、第３のポストおよび第４のポストを含み、第１のポスト、第２のポスト、第３のポスト、および第４のポストは、長方形の構成で配置される。いくつかの実施形態は、第３のポスト、第４のポスト、および第５のポストを含み、第１のポスト、第２のポスト、第３のポスト、第４のポスト、および第５のポストは、五角形の構成で配置される。このような実施形態は代表的なものであり、限定的なものではない。

【0053】

いくつかの実施形態では、ポスト１０４とポスト１０６などの隣接するポストの間には４ｍｍ～２０ｍｍのギャップがある。いくつかのさらなる実施形態では、ポスト１０４とポスト１０６は、約５ｍｍ～２４ｍｍの長さ、および０．５ｍｍ～３ｍｍの直径とできる。

【0054】

他の実施形態では、ポストは、所望の実装によって、先に述べた範囲に対して、より長くてもより短くてもよく、および、より大きなまたはより小さな直径を有してもよい。同様に、ポスト間のギャップは、所望の実装に応じて、場合によっては、４ミリメートルより小さくてもよい。以下でさらに詳細に説明するように、ポストの寸法は、ポストに剛性および／または可撓性を与えるために選択されてもよい。いくつかの実施形態では、アレイ状に配置されたポストは、例えば２４ウェルプレートなどのマルチウェルプレートに挿入するために間隔を空けて配置されてもよい。様々な実施形態において、ポストのアレイにおけるポストの各対（ポスト１０４およびポスト１０６など）は、ポストの各対がマルチウェルプレートの各ウェルと対応し、かつウェルの中に適合できるように、適切に間隔を空けて配置されてもよい。

【0055】

ベース１０２は、剛性または可撓性とできる。また、ベース１０２は、ベース１０２の対のポスト（例えば、ポスト１０４およびポスト１０６）の先端部１１０がベース１０２を反転させることによってプレートの個々のウェルに適合するように、２４ウェルプレートまたは他の数のウェルプレートとインターフェースで接続されるように設計されてもよい。組織標本１１６を培養し、心臓組織が２つのポストの「間」で成長するように、当該組織標本１１６をポスト１０４、１０６の先端部１１０に（例えば、接着剤で）貼り付けることができる。例えば、図１に描かれた組織標本１１６を、ポスト１０４および１０６に付着させ、２つのポストの間で成長させることができる。いくつかの実施形態では、組織標本１１６を、個々のウェル内で培養することができる。様々な他の実施形態では、以下にさらに詳細に説明するように、ポスト１０４、１０６の先端部１１０が挿入されるマルチウェルプレートのウェルは、栄養素および／または治療剤を含む溶液を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ポスト１０４、１０６に付着した心臓組織は、薬剤に対する心臓組織の応答を測定することによって治療剤の有効性を試験するために、治療剤にさらされてもよい。

【0056】

ポスト１０４および１０６の第１の端（近位端）は、ベース１０２に結合され、ポスト１０４および１０６の第２の端（遠位端）は、先端部１１０を備えることができる。いくつかの実施形態では、先端部１１０は、組織付着を促進するためにポストの残りの部分に対して不均一であってもよいが、他の様々な実施形態では、先端部１１０は、所望の実装によって、ポストに対して比較的均一であってもよい。様々な実施形態において、ポストは、高分子材料を含み、直径が約２ミリメートル未満とできる。ポスト１０４は、ポスト１０４に貼り付けられた心臓組織の収縮に応じて、ポスト１０４の先端部１１０を静止位置から離れて偏らせ得るように、十分に可撓性があってよい。例えば、組織標本１１６は、ポスト１０４の先端部１１０またはこの近傍でポスト１０４に貼り付けされることができる。また、組織標本１１６は、ポスト１０６、もしくは別のポストおよび／または物体に貼り付けされることができる。心臓組織の自発的な拍動により組織標本１１６が収縮すると、この収縮の力により、ポスト１０４が静止位置から第２の位置（偏った位置）まで曲がるか、または偏向する。図１において、ポスト１０４は、垂直な静止位置から離れて曲げられた偏った位置に示されている。

【0057】

ポスト１０６は、組織標本１１６の収縮に応答して、垂直な静止位置からポスト１０６の偏りまたは他の動きを防止および／または制限するために、ポスト１０６に剛性を付与する剛性インサート１０８を含んでもよい。剛性インサート１０８は、組織標本１１６の収縮中のポスト１０６の偏りを防止および／または低減するのに十分な剛性を有するシリコーンガラス、金属、プラスチックおよび／または任意の他の材料を含んでもよい。

【0058】

いくつかの他の実施形態では、ポスト１０６は、剛性インサートを含まない場合があり、したがって、ベース１０２に貼り付けられる他のポストと同様の可撓性を示す場合がある。さらに他の実施形態では、様々なポストに所望の水準の可撓性を付与するために、ポストの直径および／または長さを変更することができる。例えば、あるポストはより可撓性があり、他のポストはより可撓性がないことが望まれる場合、ポストの長さに沿ってより大きな可撓性を付与するために、いくつかのポストは、より小さな直径および／またはより大きな長さで形成されてもよい。同様に、他のポストは、剛性を付与／可撓性を制限するために、より大きな直径および／またはより短い長さで形成されてもよい。さらに、本明細書の記載では、円筒形状のポストについて言及しているが、代わりに、ポストは、他の形状で形成されてもよい。例えば、ポストは、平行六面体形状または他の多角形状に形成されることができる。

【0059】

図１に描かれているように、ポスト１０４は、ポスト内に埋め込むかまたは他の方法でポストに結合したネオジム磁石および／または別の磁石のような磁性材料１１２を備えることができる。いくつかの実施形態では、ポスト１０４の先端部１１０を、磁性材料１１２の埋め込みによるポスト１０４の引き裂きを防止するように構成することができる。様々なさらなる実施形態では、磁性材料は、２ｍｍ^３より小さくてもよい。様々な実施形態において、ポスト１０４が偏ったときに、ポスト１０４の偏りによって磁石が第１の位置から第２の位置に適宜変位するように、磁性材料１１２はポスト１０４の先端部またはこの近傍に配置されることができる。

【0060】

磁性材料１１２は、磁場１１４を発生させる。ポスト１０４の偏りは、磁性材料１１２を、磁性材料１１２の元の位置に対して変位させ、および／または回転させることができる。したがって、磁性材料１１２に関連する磁場１１４は、同様に、磁性材料１１２の並進および／または回転に起因して並進および／または回転することができる。

【0061】

ポスト１０４に近接して配置された変位センサ１２０（例えば、磁力計）は、組織標本１１６の拍動に伴って磁性材料１１２および磁場１１４が変位センサ１２０に近づいたり遠ざかったりすることによって、検出磁場の強度の変化を検出することができる。変位センサ１２０は、ポスト１０４およびポスト１０６の位置に対して様々な位置に配置されることができる。変位センサ１２０は、磁性材料１１２の第１の位置から第２の位置への偏りによる磁場の変化を検出できるように位置付けられてもよい。様々な実施形態において、変位センサ１２０は、ポスト１０４から０．１ｍｍ～１０ｍｍ以内に位置してもよい。いくつかの他の実施形態では、変位センサ１２０は、ポスト１０４から１１～３０ミリメートルに位置していてもよい。様々な他の実施形態では、変位センサ１２０は、磁力計の種類および／または使用される磁性材料の種類に応じて、ポスト１０４により近くにまたはポスト１０４からさらに遠くに位置していてもよい。

【0062】

いくつかの実施形態では、変位センサ１２０によって検出される磁場強度の変化は、マイクロテスラのオーダーとでき、ポスト１０４および１０６が配置されるウェル内の局所領域のみに影響を及ぼすことができる。したがって、組織標本１１６の拍動に関連する磁場変化は、他のポストに付着した、および／またはマルチウェルプレートの他のウェル内に配置された心臓組織の拍動に関連する磁場変化と区別することができる。

【0063】

様々な実施形態において、変位センサ１２０は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、フラックスゲート、ホールセンサ、異方性磁気抵抗磁力計、または類似の磁力計である。実施形態は、本明細書では一般にＧＭＲセンサの文脈で記載されるが、これは代表的なものであり、限定的なものではない。いくつかの実施形態では、変位センサ１２０のアレイは、１つ１つの磁力計がマルチウェルプレートの各ウェルに関連付けられるように配置されてもよい。したがって、マルチウェルプレートの各ウェルに配置された心臓組織に関連する磁場強度の変化を検出し、他のウェルと区別することができる。磁場強度の変化は、出力変位信号１２２をもたらす。変位信号１２２は、変位センサ１２０からの出力電圧を含むことができる。

【0064】

様々な実施形態において、磁力計および／または磁力計のアレイは、変位信号１２２をフィルタリング、増幅、および／または基準キャンセリングするための他の回路と共にプリント回路基板上に配置されることができる。変位センサ１２０がＧＭＲベースの磁気センサであるいくつかの実施形態では、変位センサ１２０は、ＧＭＲセンサによって検出される磁場が増加するときに変位信号１２２の電圧の減少をもたらすホイートストーンブリッジ構成に配置された抵抗を含んでもよい。ＧＭＲセンサのホイートストーンブリッジからの各測定値は、ＧＭＲセンサに対するポスト１０４の変位に対応する変位信号１２２として出力されることができる。変位信号は、電圧、電流、デジタル信号、または他の信号とできる。本明細書では、変位信号を電圧信号として説明するが、これは代表的なものであり、限定的なものではない。

【0065】

いくつかの実施形態では、変位信号１２２は、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、および／または基準キャンセリング回路に出力され、１つまたは複数の演算増幅器および／または計装増幅器を用いて増幅される。例えば、変位センサ１２０、フィルタ１３０（図２ではハイパスフィルタ）、および計装増幅器２２０を含む回路の一例を描いた図２を参照されたい。本明細書に記載されるいくつかの実施形態、例えば、いくつかの基準キャンセリングの実施形態は、このような周波数フィルトレーションを含まない。

【0066】

フィルタ１３０からの出力電圧を、データ取得システムによって検出することができ、以下でさらに詳細に議論するように、組織標本１１６の拍動に関連する力を決定するために使用することができる。図２に示される例示的な回路ではハイパスフィルタが描かれているが、いくつかの他の実施形態では、本明細書に記載される様々な実施形態にしたがって、取り込まれてデータ取得システムに渡される所望の周波数に応じて、ローパスフィルタおよび／またはバンドパスフィルタが使用されてもよい。本明細書に記載されるさらに他の実施形態では、変位信号１２２に表されるすべての周波数を保持するために、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、および／またはハイパスフィルタの代わりに、基準キャンセリング回路が利用される。さらに他の実施形態では、基準キャンセリング回路は、１つまたは複数のローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、および／またはハイパスフィルタに加えて利用される。

【0067】

変位センサ１２０は、調整回路を含むプリント回路基板にはんだ付けされてもよい。いくつかの実施形態では、変位センサ１２０は、ホイートストーンブリッジ構成を備えてもよく、システムの長期ドリフトを低減するためにハイパスフィルタにルーティングされてもよい。図２に描かれたハイパスフィルタ１３０のようなフィルタは、低周波周囲ノイズを排除しながら心臓組織収縮周波数を通過させるカットオフ周波数を有するように設計されてもよい。いくつかの実施形態では、ハイパスフィルタ１３０は、約０．０１～０．３Ｈｚのカットオフ周波数を有していてもよい。様々な他の実施形態では、ハイパスフィルタ１３０は、約０．１～０．２５Ｈｚのカットオフ周波数を有してもよい。さらに他の実施形態では、ハイパスフィルタ１３０は、約０．１６Ｈｚ～０．５Ｈｚのカットオフ周波数を有していてもよい。様々な周波数範囲が例示の目的で提供されているが、本開示にしたがって、他の範囲のカットオフ周波数が使用されてもよい。心臓組織の律動的な拍動の周波数の識別は、いくつかの実施形態では、ハイパスフィルタのカットオフ周波数の上限として役立つが、心臓組織の平均よりも遅い拍動からのデータ損失を回避するために、しばしば、より低いカットオフ周波数が使用される。さらに、心臓組織の拍動に関連する周波数より、低いおよび／または高い周波数をフィルタリングするために、様々な実装においてバンドパスフィルタおよび／またはローパスフィルタが使用されてもよい。フィルタ１３０は、温度変動に起因する、および／またはデバイス１００が位置する環境の周囲磁場に起因する、検出信号のドリフトを相殺するのに有効であり得る。本開示の実施形態、例えば以下に説明するいくつかの基準キャンセリングの実施形態は、組織標本の特性に相関する周波数を保持する利点のために、このようなローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、および／またはバンドパスフィルタを除外する。

【0068】

フィルタ１３０からの信号は、データ取得システムを通る前に、図２に描かれた計装増幅器２２０などの計装増幅器を通してルーティングされてもよい。データ取得システムは、心臓組織の収縮および力の周波数をモニタリングおよび記録するのに有効であり得る。さらに、データ取得システムは、治療剤および／または栄養素などの流体の添加のタイミングを記録することができる。データ取得システムは、図１に描かれたフィルタ１３０から受信したデータを格納するのに有効な１つまたは複数の処理要素および／または１つまたは複数のメモリを含んでもよい。

【0069】

本開示の実施形態は、上述した回路の一部または全部を利用して、すなわち、追加の実施形態を形成することができる。

【0070】

磁気モデル
以下の実施形態は、心筋力を磁気的に検出するためのシステムを検証するために使用される実験方法を説明する。特定のデータおよび器具が以下の議論において説明されるが、他の器具（例えば、磁石、フィルタ、材料）が本開示にしたがって使用されてもよく、このような他の器具は、例示の目的で、以下で議論される値とは異なる値をもたらす可能性がある。

【0071】

システムのモデルは、埋め込まれた磁性材料１１２を点双極子として扱うことによって、Ｍａｔｌａｂ（任意の適当なプログラミング言語を使用してもよい）で開発された。磁性材料１１２と変位センサ１２０との間の距離が磁性材料１１２のサイズよりもはるかに大きいため、点双極子は磁性材料１１２の公正な近似とできる。いくつかの実施形態では、１ｍｍ^３のネオジム磁石の双極子強度は、Ｍ＝７．５ｅ_ｘ＋１．５ｅ_γ＋１．５ｅ^ｚｍＡｍ^２の双極子強度を有することができる。センサの最適な位置および隣接するポストの影響を判断するために、センサの平面上のアレイについて漂遊磁場のｘ成分を決定した。投影は、点双極子の磁場に基づいて決定された。ここで、ｍは上述の磁気モーメント、Ｂは磁場変化、およびｒは磁石の現在の位置からセンサの平面上の位置までの距離である。いくつかの実施形態では、センサは、垂直方向において磁石から少なくとも１０ｍｍ離れている。様々な実施形態において、ポスト１０４に対する変位センサ１２０の最適な位置は、変位センサ１２０をポスト１０４の１～５ｍｍ前方に位置づけること含む場合がある。

【0072】

システム上でキャリブレーションが行われた後、組織の力を決定するために磁場変化Ｂを使用することができる。心臓組織が可撓性ポスト１０４に及ぼす力は、可撓性ポスト１０４の硬さおよび寸法によって決定される、可撓性ポスト１０４の先端部１１０が移動する距離に比例する。可撓性ポスト１０４の先端部１１０が動く距離は、変位センサ１２０におけるＢに変化を生じさせ、次いで、変位センサ１２０はコンピューティングデバイスで読み取られる変位信号（すなわち、電圧）に差異を生じさせる。キャリブレーションを、ポストの先端部を手動で指定距離動かし（したがって、既知の力を発生させ）、システム内の対応する電圧変化をモニタリングすることによって実行することができる。電圧の変化はＢ（磁場変化）に起因する。

【0073】

変位センサ１２０は、ポストが３００μｍまで偏ったときに、隣接する変位センサ１２０が測定可能な信号を有しないように、アレイ状に間隔を空けて配置されてもよい。地球に対する向きは、センサの応答をわずかに変えることがわかったが、これは、地球の磁場がポストの漂遊磁場に対して配向している間のセンサの線形範囲から離れる動きによると思われる。センサは複数の方向で電圧－位置の線形応答を示したが、感度はわずかに異なっていた。

【0074】

周波数と力のプロット
代表的なシステムのテストでは、６つのセンサからの電圧出力により、２４ウェルプレートの１列目のポストの活動力の発生を同時に追跡した。データはＬａｂＶｉｅｗを使用して記録され、実験中にリアルタイムで画面に表示された。すべての実験でポストホック解析を行い、時間経過に伴うパルスの周波数と振幅を評価した。データは、カットオフ周波数７Ｈｚの８次バターワースフィルタを用いて、測定ノイズを除去するためにローパスフィルタでフィルタリングされた。ピーク間振幅を記録し、データから平均値を除去した。α＝０．０００１の指数移動平均フィルタを用いて、データの平均を除去し、アナログハイパスフィルタで除去できなかったシステムの任意の低周波ドリフトを考慮した。

【0075】

データをフィルタリングした後、カスタムピーク発見プログラムにより、最小振幅が７ｍＶ、または典型的なベースライン動作が約５～１０％のデータの最大値と最小値を発見した。周波数は、最大値間の時間に基づいて決定された。瞬間的な振幅は、最大値と最小値が２秒以内である限り、隣接する最小値から最大値を減算することによって決定された。次いで、解析のためにデータをグループ化（３０秒ずつグループ化）した。周波数と振幅の平均は、実験終了の１８０秒まで、３０秒ごとに平均化された。流体添加中のポストのわずかな調整によるエラーを減らすため、各流体添加時点の前後４秒のウィンドウを、周波数と振幅の両方の測定値の平均から除去した。

【0076】

薬理学的阻害剤
本開示の実施形態では、ポストに貼り付けされ、マルチウェルプレートのウェル内に配置された組織標本は、治療剤にさらされてもよい。例えば、ベラパミル塩酸塩（ＣＡＳ １５２－１１－４、Ｔｏｃｒｉｓ Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅ、Ｂｒｉｓｔｏｌ、ＵＫ）およびイソプロテレノール塩酸塩（ＣＡＳ ５９８４－９５－２、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ、ＭＯ）を使用して阻害実験を行うことができる。心臓組織は、関連する薬剤と脱イオン水との混合物で処理されてもよい。治療剤は、最終濃度に基づいて、適切な希釈に濾過され、分配されてもよい。いくつかの実験例では、いくつかのウェルは、治療剤を含まないコントロールとして機能してもよい。

【0077】

図３は、本開示の実施形態にしたがって、心臓組織における前負荷および後負荷をシミュレートするために使用される外部磁石３３０を含む、図１の例示的なデバイスを示す図である。外部磁場は、外部磁石３３０を介してデバイス１００のポスト１０４および１０６に加えられてもよい。いくつかの実施形態では、外部磁石３３０は永久磁石を含むことができ、一方、他の実施形態では、外部磁石３３０は、磁性材料１１２に作用してポスト１０４および／または１０６に貼り付けされた組織標本１１６に対して引っ張る磁力を付与するために電磁コイル３４０を含んでもよい。いくつかの実施形態では、外部磁石３３０は、ポスト１０４および／またはポスト１０６に隣接して配置されてもよい。外部磁石３３０は、磁性材料１１２を第１の力で引き付け、これによってポスト１０４の遠位端部を変位させるのに有効であり得る。

【0078】

拡張期中に組織標本１１６が弛緩すると、ポスト（例えば、可撓性ポスト１０４）の復元力によって、心筋の弾性反跳（ｅｌａｓｔｉｃ ｒｅｃｏｉｌ）のように組織標本１１６が伸張する。しかし、磁力が加えられると、組織標本１１６は、拡張期充満時の心室拡張と同様に、さらに伸張する（「前負荷」と称することもある）。したがって、前負荷をシミュレートするために、組織標本１１６を、心周期の拡張期中および／または拡張期直後に第１の量だけ伸ばして組織標本１１６に負荷を与えてもよい。例えば、組織標本１１６が付着した可撓性ポスト１０４は、磁性材料１１２を引きつける外部磁石３３０の磁力によって、静止位置３５０から位置３５２に引っ張ることができる。

【0079】

組織標本１１６が電気刺激で強制的に収縮を開始し、同時に外部磁石３３０からの磁力の増加が加わると、収縮期の血圧による抵抗に類似した収縮に対する抵抗が増加する（「後負荷」と呼ばれることもある）。前負荷と後負荷の増加は、例えば、組織標本１１６の心周期中の様々な時点で電磁コイル３４０を流れる電流を制御したり、外部磁石３３０と磁性材料１１２との間の距離を変化させたりすることにより、独立的かつ複雑なパターンで行われることができる（例えば、図４Ａ）。

【0080】

このパターンを用いて、心臓組織の長さ－力（例えば、図４Ｂ）を、前負荷および／または後負荷の増加に対する心臓の圧力－容積（ＰＶ）ループ（例えば、図４Ｃ）と比較することが可能である。したがって、静脈還流の増加を模倣して前負荷を徐々に増加させ、発生中の血圧の上昇を模倣して後負荷を徐々に増加させ、これらの負荷条件を変化させて心不全または高血圧のＰＶループを模倣することができる。様々な実施形態において、電磁コイル３４０に供給する電流の量を変化させることによって、磁性材料１１２に加えられる磁力の量を調節することができる。

【0081】

磁気センサ
様々な実施形態では、ポストの偏りを追跡するために高速光学顕微鏡法を使用できるが、このようなアプローチは、一度に１つのサンプル／１つのウェルというように、スループットが低い場合がある。さらに、光学技術は、大量の処理リソースおよびデータストレージならびに高価な光学機器を必要とする場合がある。さらに、画像解析アルゴリズムは煩雑であり、結果の正確性を確保するためにユーザ入力を必要とする。

【0082】

したがって、本明細書に記載される磁気的アプローチは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサおよび／または他の磁力計（例えば、図１に描かれる変位センサ１２０）を用いてポストの偏りを記録するために使用されることができる。ＧＭＲセンサおよび／または他の磁力計のアレイを、信号処理のための基準キャンセリング回路および計装増幅器と共に使用することで、複数のマルチウェルプレートの並列処理が可能になる。組織標本１１６が可撓性ポスト（例えば、図１のポスト１０４）を引っ張ると、この動きによってネオジム磁石または他の磁性材料１１２が回転および並進し、これによってＧＭＲセンサにおける磁場の強度が変化する。磁場の変化は非常に小さく（マイクロテスラ）、このウェル内の局所領域のみに影響を与え、他のウェルには影響を与えない。

【0083】

磁場変化は、センサからの電圧出力の変化をもたらし、これを、光学顕微鏡法を用いて検出されたポストの偏り、および対応する収縮力（図５参照）に対応するようにキャリブレーションすることができる。電圧信号を使用して、組織標本１１６によって及ぼされる力を決定することができる。したがって、強力な処理と大量のデータストレージを必要とせずに、心筋組織の収縮のリアルタイム分析が可能である。様々な実施形態において、ＰＩＯコントローラを、組織標本１１６の収縮力に応答して前負荷および後負荷を調節するために電磁コイル３４０（図３）と共に使用することができる。

【0084】

組織標本の成熟に対する前負荷の影響
以下の記述は、本明細書に記載された心筋力を磁気的に検出するためのシステムにおいて、培養された心臓組織への前負荷の影響をシミュレートする実験を説明する。以下に記載する数値は、心臓組織に導入する所望のストレインに応じて、異なる実装では変更することができる。

【0085】

人工心臓組織は、先に述べたように培養することができるが、可撓性ポストにネオジム磁石を組み込むために若干の変更を加えている。簡単に言えば、４ｘ１０^５個のｈｉＰＳＣ－ＣＭ（心筋細胞）を、フィブリン足場（ｆｉｂｒｉｎ ｓｃａｆｆｏｌｄ）中で２ｘ１０^５個の正常ヒト皮膚線維芽細胞（前もって最適化された比率）と混合してもよい。コンストラクトを、組織を形成するために７日間、または自発的な拍動が観察されるまで、平衡化することができる。この時点から、組織は２Ｈｚでペーシングすることができる。この例では、前負荷（周方向）伸張の目標は、妊娠中のヒトＬＶ室の寸法の過去の測定値に基づいている。電気刺激（２Ｈｚ）とともに、心臓組織には２週間にわたり１日あたり連続的に２％増加する磁場を加えることができる。これにより、約３０％のストレインが生じ、さらに１週間保持することができる。ストレインは、先に説明したように、電磁コイル３４０（図３）を通して駆動される電流によって生成される印加磁場によって達成され、ＧＭＲセンサ（図１に描かれた変位センサ１２０など）でモニタリングされる。２４ウェルフォーマットを用いて、２週間後に０％～４０％の範囲の前負荷の伸張を調べるために、前負荷実験を並行して実行することができる。

【0086】

心臓組織を前負荷でコンディショニングした後、コンストラクトを固定し、免疫組織化学的検査用に凍結切片を作製して、この生存と成熟を評価することができる。コンストラクトは、増殖レベルおよびアポトーシスレベル、細胞のサイズおよび伸長、筋原繊維構造（ａ－アクチニンによるサルコメアスペーシングおよびＺバンド幅）、接合部の結合性（ｊｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）（Ｎ－カドヘリン、コネキシン４３）、Ｔ管形成（カベオリン３）、ミオシン９スイッチング、ｃＴｎｌおよびｓｓＴｎｌの発現（目的１ｃ．２に記載）、電気成熟（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍａｔｕｒａｔｉｏｎ）（ＫＣＮＪ２）ならびに心室表現型（ｖｅｎｔｒｉｃｕｌａｒ ｐｈｅｎｏｔｙｐｅ）（ＭＬＣ２Ｖ）により評価することも可能である。レポーター細胞株がアレン脳科学研究所から入手可能になると、前負荷による成熟についてテストすることができる。

【0087】

収縮性能を生体力学的に評価し、伝導速度をＣａ２イメージング（ＧＣａＭＰ６またはＦｌｕｏ－４を発現するｈｉＰＳＣ－ＣＭｓ）により評価することができる。力、速度、およびパワーの動態を、記載されるようにコンストラクトについて評価することができる。力－長さ解析は、フランクスターリング曲線（収縮末期エラスタンス）および受動的な硬さ（拡張末期エラスタンス）を得るために力を測定しながら磁気的に誘発されたストレインをコンストラクトに適用して原位置で実施することができる。また、０．５Ｈｚ～３Ｈｚの電気ペーシング（力－Ｈｚ応答）を使用して、収縮性とキネティクスの周波数依存利得を評価することもできる。

【0088】

組織標本の成熟に対する後負荷の影響
以下の説明は、本明細書に記載された心筋力を磁気的に検出するためのシステムにおいて、培養された心臓組織への後負荷の影響をシミュレートする実験を説明する。以下に説明する値は、心臓組織に導入する所望のストレインに応じて、異なる実装では変更することができる。

【0089】

収縮期の周方向の張力（後負荷）を、妊娠中のＬＶ寸法と収縮期血圧の公表データを用い、Ｌａｍｅの式を用いた解析により、ヒト胎児の左室壁筋繊維で推定することが可能である。このような解析により、後負荷は１０週～４０週の間に２．３ｋＰａ～８．２ｋＰａまで直線的に増加することが明らかとなる。したがって、初期の実験では、このダイナミックレンジを再現するように後負荷をチューニングすることができる。ＰｌＤ制御を使用して、後負荷が過剰に駆動されないようにし、心臓組織の収縮を防止することができる。

【0090】

前負荷や後負荷をかけずにポスト上で培養した心臓組織は、３週間後には最大５００μＮの活動力で収縮することができる。これは、２．５ｋＰａの縦応力（０．２ｍｍ^２の平均組織断面値を使用）に変換され、１０週間後の後負荷による張力と同等の大きさである。この手順は、ゼロ後負荷で開始し、２週間かけて１日当たり１２０μＮの割合で徐々に増加させることができる。この結果、約１６５０μＮになり、さらに１週間保持することができる。２４ウェルフォーマットを使用して、目標値である１６５０μＮの７０％未満の力と２０％超の力の範囲を調べるために、後負荷実験を並行して行うことができる。コンストラクトの生存および成熟を、上記のように評価することができる。また、機能評価を、伝導速度、単収縮力、速度、パワー、力－長さ応答、力－周波数応答、組織弾性についても実施することができる。

【0091】

前負荷と後負荷を組み合わせたクリープ（ｃｒｅｅｐ）のためのバイオリアクター
前負荷と後負荷のいずれも胎児の発育中に絶えず変化するので（すなわちクリープ）、心肥大を促進する圧力－容積ループに似た力－長さループを生み出す前負荷と後負荷を組み合わせて適用することができる（図４Ｃ）。２４ウェルプレートを用いて、２つのマイクロポスト間に配置された各心臓組織に、異なる比率の前負荷および後負荷を与えることができる。前負荷の伸張は２％ずつ徐々に増加させ、後負荷の張力は２週間かけて１日あたり１２０μＮずつ増加させることができる。この後、コンストラクトを、上記のように成熟の特徴および収縮機能の改善について評価することができる。さらに、甲状腺ホルモン、トリヨードサイロニン、またはＬｅｔ－７トランスジーンを用いて、生体力学的負荷の組み合わせをｈｉＰＳＣ－ＣＭの成熟と収縮性能について評価できる。

【0092】

上記の説明では、デバイス１００のポスト間で培養されるものとして心臓組織が一般的に説明されているが（図１）、様々な他の実施形態では、本開示にしたがって異なる組織が使用されてもよい。例えば、律動的な収縮を示す他の組織を、本明細書に記載される力を磁気的に検出するためのシステムを用いて研究してもよい。代表的な組織としては、筋肉組織（例えば、人工心臓組織、平滑筋肉組織、および骨格筋肉組織）ならびに非筋肉組織（例えば、靭帯組織および縫合組織）がある。いくつかの実施形態では、心臓組織は比較的安定した周波数で収縮するため、本開示に記載のシステムは、心臓組織の律動的な拍動に関連する力を検出および決定するのに最適なシステムである。

【0093】

図６は、本開示の様々な態様にしたがって、組織標本によって及ぼされる力を磁気的に決定するための例示的な方法を示す。図示された方法は、心臓組織の文脈で説明されるが、以下の方法は、筋肉組織と非筋肉組織の両方を含む他の組織標本に適用可能であることが理解されるものとする。図１～５に関して先に説明した図６のこれらの部分は、明確性と簡潔さの目的のために、再度説明しない場合がある。

【0094】

図６のプロセスは、動作６１０で、「心臓組織が第１のポストおよび第２のポストに付着するように心臓組織を培養する（第１のポストは第１のポリマーおよび磁性部分を含み、第２のポストは第２のポリマーを含む）」ことから始めることができる。動作６１０において、心臓組織を、組織が第１のポストと第２のポストに付着するように培養することができる。上述したように、場合によっては、第１のポストは、心臓組織の収縮中に当該心臓組織によって及ぼされる力で曲がるように、比較的可撓性があってよい。さらに、いくつかの場合では、第２のポストは、偏らないように、または心臓組織の収縮中の偏りを最小化するように、比較的剛性があってよい。いくつかのさらなる実施形態では、剛性のインサートを第２のポスト内に挿入することによって、第２のポストに剛性を付与してもよい。例えば、シリカインサート、ガラスインサート、プラスチックインサート、高分子インサートまたは他の非磁性活性インサートが、剛性を付与するために第２のポストの内部に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、第１のポストおよび／または第２のポストは、ポストを備える材料内に埋め込まれた希土類磁石（ｅａｒｔｈ ｍａｇｎｅｔ）のような磁性材料を含んでいてもよい。例えば、１ｍｍ^３のネオジム磁石が、第１のポストの先端部内に埋め込まれてもよい。ポストは、ＰＤＭＳポリマーなどのポリマーを有することができる。

【0095】

図６のプロセスは、動作６１０から動作６２０、「第１のポストに近接して位置する磁力計によって、第１のポストが第１の位置から第２の位置まで第１の方向に偏ることによって生じる磁場の変化を検出する」に進むことができる。動作６２０において、磁力計（図１に描かれた変位センサ１２０など）を、第１のポスト（可撓性ポスト）に近接して位置付けることができる。本明細書に記載されるように第１のポストは磁性材料を含むことができるので、磁力計は第１のポストの偏りに起因する磁場の変化を検出するのに有効であり得る。様々な実施形態では、第１のポストは、可撓性とでき、第１のポストに付着し、第１のポストと第２のポストとの間に配置された心臓組織の収縮によって偏ってもよい。

【0096】

図６のプロセスは、動作６２０から動作６３０、「磁場の変化に対応する信号を生成する」に進むことができる。動作６３０では、磁場の変化に応じて、磁力計によって信号を生成することができる。例えば、磁力計がＧＭＲセンサである場合、ＧＭＲセンサによって生成される信号の電圧を、ＧＭＲセンサによって検出される磁場の変化によって調節することができる。ＧＭＲセンサによって検出される磁場の変化は、第１ポストおよび第２ポストに付着した心臓組織の収縮によって、可撓性の第１ポスト内に埋め込まれた磁石の動きによって生じてもよい。

【0097】

図６のプロセスは、動作６３０から動作６４０、「フィルタリングされた信号を生成するために、第１の周波数範囲の外側にある信号の周波数をフィルタで除去して信号をフィルタリングする（第１の周波数範囲は心臓組織の拍動に関連付けられた周波数を含む）」に進むことができる。動作６４０では、磁力計（例えば、ＧＭＲセンサまたは他の磁気センサ）によって生成された信号を、第１の周波数範囲の外側の信号の周波数をフィルタで除去することによってフィルタリングすることができる。第１の周波数範囲は、第１および第２のポストに付着した心臓組織の拍動に関連付けられた周波数または周波数範囲とできる。

【0098】

したがって、温度変動および／または局所環境における周囲磁場に起因する磁場ノイズをフィルタで除去し、心臓組織の拍動に起因する磁場変化を検出することができる。使用されるフィルタのカットオフ周波数は、観察中の心臓組織の予想される周波数範囲を反映してもよい。さらに、いくつかの実施形態では、フィルタを、特定の環境から生じるノイズをフィルタで除去するように設計することができる。例えば、機械および／または他の周囲条件によって、様々な周波数の不要なノイズが局所的な環境において生成される可能性がある。使用される特定のフィルタを、特定の環境および条件に対してＳＮ比を最大化するように設計してもよい。

【0099】

図６のプロセスは、動作６４０から動作６５０、「フィルタリングされた信号に少なくとも部分的に基づいて心臓組織によって及ぼされる力を決定する」に進むことができる。動作６５０において、心臓組織によって及ぼされる力を、磁力計によって出力し、電子周波数フィルタによってフィルタリングされた信号に少なくとも部分的に基づいて決定することができる。心臓組織によって及ぼされる力を決定するために使用される計算を、図１で上述したようなデータ取得デバイスによって実行してもよい。さらに、磁力計によって生成され、データ取得デバイスによって計算されたデータを、メモリに格納することができる。したがって、本明細書に記載の実施形態は、心臓組織をモニタリングするための光学技術と比較して、最小限のデータストレージおよび処理要件で、心臓組織のリアルタイムモニタリングおよび超並列モニタリングを可能にすることができる。

【0100】

図７を参照すると、いくつかの実施形態に係るコンピューティングデバイス７００の構成要素がブロック図に示されている。これは、非一時的な機械可読記憶媒体（例えば、ハードドライブ記憶システム）から命令７２４を読み取り、本明細書で議論される方法論のいずれか１つまたは複数を全体的にまたは部分的に実行するように構成されている。特に、図７は、コンピューティングデバイス７００に本明細書で議論される方法論のいずれか１つまたは複数を実行させるための命令７２４（例えば、ソフトウェア、プログラム、アプリケーション、アプレット、アプリ、または他の実行可能コード）が、全体的にまたは部分的に実行され得るコンピュータシステムの例示的な形態のコンピューティングデバイス７００を示す。例えば、コンピューティングデバイス７００は、図６を参照して上述した方法の全部または一部を実行するのに有効であり得る。さらに、いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイスは、図１に関して上述したデータ取得システムの機能を実行してもよい。

【0101】

いくつかの実施形態において、コンピューティングデバイス７００は、スタンドアロンデバイスとして動作し、または他のコンピューティングデバイスに接続（例えば、ネットワーク化）されてもよい。ネットワーク化された展開において、コンピューティングデバイス７００は、サーバ－クライアントネットワーク環境においてサーバコンピューティングデバイスもしくはクライアントコンピューティングデバイスとして、または分散ネットワーク環境（例えば、ピアツーピア）におけるピアコンピューティングデバイスとして動作してもよい。コンピューティングデバイス７００は、ハードウェア、ソフトウェア、またはこれらの組み合わせを含んでもよい。例として、サーバコンピュータ、クライアントコンピュータ、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ネットブック、携帯電話、スマートフォン、セットトップボックス（ＳＴＢ）、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、Ｗｅｂアプライアンス、ネットワークルータ、ネットワークスイッチ、ネットワークブリッジ、またはこのコンピューティングデバイスによって行われる動作を指定する命令７２４を、順次または他の方法で実行することができる任意のコンピューティングデバイスとできる。さらに、単一のコンピューティングデバイス７００のみが図示されているが、用語「コンピューティングデバイス」は、本明細書で議論される方法論のいずれか１つまたは複数のすべてまたは一部を実行するために、個別にまたは連帯的に命令７２４を実行するコンピューティングデバイスの任意のコレクションも含むものと見なされるものとする。

【0102】

コンピューティングデバイス７００は、プロセッサ７０２（例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、無線周波数集積回路（ＲＦＩＣ）、またはこれらの任意の適当な組み合わせ）、メインメモリ７０４、およびスタティックメモリ７０６を含み、これらはバス７０８を介して互いに通信するよう構成される。プロセッサ７０２は、プロセッサ７０２が本明細書に記載される方法論のいずれか１つまたは複数を全体的にまたは部分的に実行するように構成可能であるように、命令７２４の一部または全部によって、一時的または持続的に構成可能なマイクロ回路を含んでもよい。例えば、プロセッサ７０２の１つまたは複数のマイクロ回路のセットは、本明細書に記載される１つまたは複数のモジュール（例えば、ソフトウェアモジュール）を実行するように構成可能とできる。

【0103】

コンピューティングデバイス７００は、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイスクリーン、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）スクリーン、ガスプラズマベースのフラットパネルディスプレイ、ＬＣＤプロジェクタ、または他のタイプのディスプレイデバイスなどの１つまたは複数のデバイスなどのディスプレイ構成要素７１０をさらに含むことができる。

【0104】

コンピューティングデバイス７００は、ユーザから入力を受信するように動作可能な１つまたは複数の入力デバイス７１２を含むことができる。入力デバイス７１２は、例えば、押しボタン、タッチパッド、タッチスクリーン、ホイール、ジョイスティック、キーボード、マウス、トラックボール、キーパッド、加速度計、ライトガン、ゲームコントローラ、またはユーザがコンピューティングデバイス７００に入力することができる他の任意のこのようなデバイスまたは要素を含むことができる。これらの入力デバイス７１２は、コンピューティングデバイス７００に物理的に組み込まれてもよいし、有線インターフェースまたは無線インターフェースを介してコンピューティングデバイス７００に動作可能に結合されてもよい。タッチスクリーンディスプレイを有するコンピューティングデバイスの場合、入力デバイス７１２は、ディスプレイ構成要素７１０と連動して動作し、ユーザがタッチ入力（例えば、指またはスタイラス）を使用してディスプレイ構成要素７１０によって表示される画像と対話することを可能にするタッチセンサを含むことができる。いくつかの実施形態では、図１に関して上述した変位センサ１２０および／またはフィルタ１３０は、コンピューティングデバイス７００に入力を与えるために動作可能な入力デバイス７１２の実施形態とできる。

【0105】

また、コンピューティングデバイス７００は、特定の無線プロトコルの通信範囲内にある１つまたは複数の別個のデバイスと通信するように動作可能な１つまたは複数の無線構成要素を含む、少なくとも１つの通信インターフェース７２０も含むことができる。無線プロトコルは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、セルラー、ＩＥＥＥ ８０２．１１、または赤外線通信プロトコル（ｌｒＤＡ対応のプロトコルなど）など、デバイスが無線で通信できるようにするために使用される任意の適切なプロトコルとできる。通信インターフェース７２０は、他のデバイスと結合し通信するための１つまたは複数の有線通信インターフェースも含んでもよく、または代替的に含むことができることを理解されたい。

【0106】

また、コンピューティングデバイス７００は、例えば、従来のプラグインアプローチを通じて、または他のアプローチ（容量性充電など）を通じて再充電されるように動作可能な充電式電池などの電源７２８を含んでもよい。あるいは、電源７２８は、電力網からのＡＣ電力をデバイス７００の内部構成要素用に調節されたＤＣ電力に変換する電源ユニットを備えることができる。

【0107】

また、コンピューティングデバイス７００は、記憶素子７１６を含むこともできる。記憶素子７１６は、本明細書に記載された方法論または機能のうち任意の１つまたは複数を具体化する命令７２４（論理）が格納された機械可読媒体を含む。また、命令７２４は、コンピューティングデバイス７００によるこの実行前または実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、メインメモリ７０４内、プロセッサ７０２内（例えば、プロセッサのキャッシュメモリ内）、またはこの両方に存在することができる。命令７２４はまた、スタティックメモリ７０６にも存在することができる。

【0108】

したがって、メインメモリ７０４およびプロセッサ７０２も、機械可読媒体（例えば、有形の非一時的な機械可読媒体）とみなすことができる。命令７２４は、通信インターフェース７２０を介してネットワーク２０２上で送信または受信されてもよい。例えば、通信インターフェース７２０は、任意の１つまたは複数の転送プロトコル（例えば、ＨＴＴＰ）を用いて、命令７２４を通信してもよい。

【0109】

コンピューティングデバイス７００は、サーバ、タブレットコンピューティングデバイス、スマートフォン、メディアプレーヤー、携帯型ゲームデバイス、携帯型デジタルアシスタント、ラップトップコンピュータ、またはデスクトップコンピュータなどのいくつかの電子デバイスのうちの任意の１つまたは複数として実装され得る。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス７００は、分散コンピューティングデバイス、例えば、複数の異種サーバにまたがって分散されたクラウドコンピューティングデバイスである。いくつかの例示的実施形態では、コンピューティングデバイス７００は、１つまたは複数の追加の入力構成要素（例えば、センサまたはゲージ）を有することができる（図示せず）。このような入力構成要素の実施形態は、画像入力構成要素（例えば、１つまたは複数のカメラ）、音声入力構成要素（例えば、マイクロフォン）、方位入力構成要素（例えば、コンパス）、位置入力構成要素（例えば、ＧＰＳ受信機）、方向入力構成要素（例えば、ジャイロスコープ）、動き検出構成要素（例えば、１つまたは複数の加速度計）、高度検出構成要素（例えば、高度計）、およびガス検出構成要素（例えば、ガスセンサ）である。これらの入力構成要素のうちの任意の１つまたは複数によって得られた入力は、本明細書に記載される任意のモジュールによって使用するためにアクセス可能であり、利用可能であってもよい。

【0110】

本明細書で使用される場合、用語「メモリ」は、データを一時的または永久的に格納することができる非一時的な機械可読媒体を指し、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、バッファメモリ、フラッシュメモリ、およびキャッシュメモリが含まれるが、これらに限定されないものとみなすことができる。機械可読媒体は、伝搬信号を具現化しない点で非一時的なものである。機械可読媒体は、例示的実施形態では単一の媒体として説明されているが、用語「機械可読媒体」は、命令７２４を格納できる単一の媒体または複数の媒体（例えば、集中型データベースもしくは分散データベース、または関連するキャッシュおよびサーバ）を含むと解されたい。また、「機械可読媒体」という用語は、任意の媒体、または複数の媒体の組み合わせが含まれると解されるものとする。これは、命令７２４が、コンピューティングデバイス７００の１つまたは複数のプロセッサ（例えば、プロセッサ７０２）によって実行されると、コンピューティングデバイス７００に、本明細書に記載される方法論のいずれか１つまたは複数を全体的または部分的に実行させるように、コンピューティングデバイス７００による実行のために命令７２４を記憶することができる。したがって、「機械可読媒体」は、単一のストレージ装置またはデバイス、および複数のストレージ装置またはデバイスを含むクラウドベースのストレージシステムまたはストレージネットワークを指す。「機械可読媒体」という用語は、固体メモリ、光学媒体、磁気媒体、またはこれらの任意の適当な組み合わせの形態の１つまたは複数の有形（例えば、非一時的）データレポジトリを含むが、これらに限定されないものと見なされるものとする。

【0111】

基準キャンセリングアーキテクチャ
本明細書に記載される組織分析デバイスおよび方法のいずれかは、ポストの変位に対応する第１の部分の変位信号を、デバイスが配置される周囲環境に対応する第２の部分の変位信号から分離する、基準キャンセリングアーキテクチャを利用することができる。したがって、基準キャンセリングアーキテクチャによって、本開示の組織分析デバイスが組織標本の特性をより正確に決定することが可能になる。

【0112】

以下に説明する一例として、組織分析デバイスは、周波数フィルタリングアーキテクチャの代わりに（すなわち、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、および／またはバンドパスフィルタの代わりに）基準キャンセリングアーキテクチャを採用する。よって、信号処理動作の少なくとも一部における変位信号（例えば、電圧）に表される周波数範囲全体が保存される。したがって、組織標本の特性に相関する周波数は、これらの周波数が周囲環境からのノイズを反映する可能性があるとしても、保存される。したがって、組織標本の特性決定（例えば、力の決定）には、このような保存された周波数が含まれる。このような周波数をフィルタリングして周囲ノイズを除去するのではなく、デバイスは、決定された特性のうち、周囲環境に対応する部分をキャンセルする。

【0113】

有利には、本明細書に記載された基準キャンセリングアーキテクチャは、組織標本によって及ぼされる純粋な力を決定することを可能にする。これに比べて、周波数フィルタリングアーキテクチャを利用する組織分析デバイスは、「ノイズの多い」周波数が組織標本によって及ぼされる力に相関しているにもかかわらず、「ノイズの多い」周波数をフィルタで除去するため、組織標本によって及ぼされる純粋な力を決定することはできない。

【0114】

図８～図１４は、基準キャンセリングアーキテクチャを利用する代表的な組織分析デバイスおよび方法を示す。

【0115】

図８は、本開示の代表的な実施形態に係る組織分析デバイス８００を示す。組織分析デバイス８００は、本明細書に明示的に記載されている場合を除き、上述した実施形態の任意の特徴を組み込むことができる。

【0116】

組織分析デバイス８００は、少なくとも１つの感知モジュール８０２と、少なくとも１つの基準モジュール８０４と、少なくとも１つのコンピューティングデバイス８０６とを含む。後述するように、感知モジュール８０２および基準モジュール８０４は、組織標本が感知モジュール８０２の要素に貼り付けられ（例えば、付着し）、操作される（例えば、電流によって刺激される）と、組織分析デバイス８００が周囲環境によって生じる信号をキャンセルした（すなわち、調整した）組織標本の特性を決定するように、コンピューティングデバイス８０６に通信可能に結合される。代表的な一例として、組織分析デバイス８００は、このような方法で組織標本によって及ぼされる純粋な力を決定する。

【0117】

理解を容易にするために図８では別個のモジュールとして示されているが、感知モジュール８０２、基準モジュール８０４、およびコンピューティングデバイス８０６の物理的要素は、互いの間に点在していてもよい。一実施形態では、組織分析デバイス８００は、永久ベース部分と、１つまたは複数の培養ウェルを有する使い捨て培養皿とを含むマルチピースアセンブリで具現化される。図１３Ａ～Ｂを参照されたい。このような実施形態では、感知モジュール８０２の要素は、培養皿上およびベース部分上に配置されたプリント回路基板上に配置され、基準モジュール８０４およびコンピューティングデバイス８０６の要素は、プリント回路基板上に配置され、３つすべての要素がプリント回路基板上の互いの間に点在している。

【0118】

感知モジュール８０２は、以下に説明するような少なくとも１つの感知回路と、ベース（培養皿のウェルのベースなど）上に配置された複数のポストとを含む。各ポストは、図１および図３に関して上述したように、ポストに貼り付けられた組織標本を有するように構成される。図１のベース１０２およびポスト１０４、１０６を参照されたい。この実施形態では、感知モジュール８０２は、２つのポスト８０８ａ～ｂを含む。したがって、感知モジュール８０２は、ポスト８０８ａおよびポスト８０８ｂに貼り付けられた単一の組織標本で動作するように構成される。しかしながら、このポストの数は代表的なものであり、限定的なものではない。いくつかの実施形態は、ｎ個のポスト、すなわち、３個、４個、５個、またはより多くのポストを含む。

【0119】

上述したように、ポストのうち少なくとも１つは、ポストに貼り付けられた組織標本の収縮または伸張に応じて、曲げまたは偏りなどを通じて変位するように構成される。「変位するポスト」、「偏るポスト」、および「曲がるポスト」という用語は、本明細書において互換的に使用される。本実施形態では、ポスト８０８ａは、変位するように構成され、上述したように、この先端部に配置された磁性材料を有する。同様に、上述したように、少なくとも１つのポストは、剛性を有していてもよい。すなわち、ポストに貼り付けられた組織標本が収縮したり伸長されたりしても変位しない（すなわち、曲がったり偏ったりしない）ように構成される。本実施形態では、ポスト８０８ｂは剛性を有している。

【0120】

図９Ａ～９Ｅを簡単に参照すると、本明細書に記載の感知モジュールのポストは、提供されるポストの数に応じて、ベース上に配置されたときに任意の数の構成を有することができる。例えば、少なくとも３つのポスト９０８を有する一実施形態は、図９Ａに示されるように、三角形の配置を有することができる。同様に、少なくとも４つのポスト９０８を有する一実施形態は、図９Ｂに示されるように長方形の配置を有することができる。同様に、少なくとも５つのポスト９０８を有する一実施形態は、図９Ｃに示されるように五角形の配置を有することができる。同様に、少なくとも６つのポスト９０８を有する一実施形態は、図９Ｄに示されるように六角形の配置を有することができる。同様に、少なくとも８つのポスト９０８を有する一実施形態は、図９Ｅに示されるように、八角形の配置を有することができる。このようなポスト配置は、例えば、少なくとも複数のポストが中央に位置する基準センサ９１２から等距離に配置される場合、（以下に説明するように）複数のポストが共通の基準センサを共有することが有利に可能になる。明確にするために、基準センサ９１２は、ポスト９０８から等距離である必要はない。前述のポスト配置のいずれかにおいて、ポストのうちの１つまたは複数は、可撓性を有するように構成されてもよく、ポストのうちの１つまたは複数は、剛性を有するように構成されてもよい。

【0121】

図８に戻ると、感知モジュール８０２は、少なくとも１つの変位センサを含む。変位センサは、変位したポストの先端部に配置された磁性材料の移動によって引き起こされる局所磁場の変化を感知することなどによって、ポストのうちの１つの変位に対応する変位信号を出力するように構成される。図８の実施形態は、１つの変位センサ８１０ａを含み、これはポスト８０８ａに対応する。すなわち、変位センサ８１０ａは、ポスト８０８ａの変位に対応する変位信号を出力するように構成される。

【0122】

ポストに対する変位センサの位置決めについては後述する。いくつかの実施形態では、組織分析デバイス８００は、変位する（すなわち、曲がるまたは偏る）ように構成されたポストの数と同数の変位センサを含む。図８では、ポスト８０８ａは曲がる／偏るように構成されているが、ポスト８０８ｂは剛性を有するため、感知モジュール８０２は、単一の変位センサ８１０ａを含む。いくつかの実施形態では、感知モジュール８０２は、ｎ個のポスト、ならびにｎ－１、ｎ／２、および／またはｎ－ｒ個の変位センサ（ここで、ｒは、剛性のポストの数に対応する）を有する。例えば、いくつかの実施形態は、ｎ－１、ｎ－２、ｎ－３、またはｎ／２の変位センサを有する。

【0123】

代表的な変位センサは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、フラックスゲート、ホールセンサ、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ、または同様の磁力計を含む、上述したこれらのうちのいずれかを含む。例えば、図１の変位センサ１２０を参照されたい。上述したように、各変位センサは、変位信号（アナログ信号またはデジタル信号とできる）を出力するように構成される。本明細書で説明する実施形態は、一般的に変位信号を電圧として説明するが、これは限定的なものではない。

【0124】

基準モジュール８０４は、少なくとも１つの基準回路を含む。基準回路は、基準入力（例えば周囲磁場）に対応する基準信号を出力するように構成された少なくとも１つの基準センサ８１２ａを含む。基準入力は、環境要因に起因して変化するが、任意のポストの変位には起因しないことが予想される。したがって、１つまたは複数の基準センサは、基準入力が任意のポストの変位によって妨害されないように、ポストから十分に離れて位置する。言い直すと、基準センサ８１２ａは、この配置および感度のために、ポスト８０８ａ～ｂのいずれかの変位からのいかなる信号振幅も感知しない。一般に、基準センサ８１２ａは、変位ポスト８０８ａおよび任意の他の変位ポストから少なくとも５～１０ｍｍ離れて位置する。

【0125】

基準キャンセリングアーキテクチャの一部として、基準入力に基づく基準値は、１つまたは複数のポストの変位に基づく変位値からキャンセルされる。したがって、基準センサは、変位センサと同様に、磁力計である。いくつかの実施形態では、基準センサは、ＧＭＲセンサ、フラックスゲート、ホールセンサ、またはＡＭＲセンサなど、変位センサのいずれか１つまたはすべてと同じタイプのセンサである。基準センサ８１２ａは、ポスト８０８ａ～ｂのいずれかと同じタイプのセンサとできるが、感度または他の仕様が同じである必要はない。

【0126】

図８の基準モジュール８０４は、単一の偏りポスト８０８ａに対応する単一の基準センサ８１２ａを含む。しかしながら、いくつかの実施形態は、複数の基準センサ、例えば、センサモジュール内のｎ個のポストに対応するｎ個の基準センサを含む。さらに、いくつかの実施形態は、偏りポストの数と同数の基準センサを含む。いくつかの実施形態において、単一の基準センサは、共有の基準センサである。言い換えれば、単一の基準センサの基準出力は、複数の組織標本の基準キャンセルされた特性を決定するために利用される。これにより、決定された組織特性がすべて共通の基準信号に依存するため、組織分析デバイス８００の構築および動作の効率化が図られ、より高い精度に寄与する。基準センサ８１２ａの代表的な配置については、後述する。

【0127】

一旦、図１０に目を向けると、２つの感知モジュールを有する組織分析デバイスの１つの代表的な配置が示されている。図１０は、２つのウェル１０３０ａ、ｂの断面立面図である。各ウェルは、この上に配置された２つのポスト１００８ａ、ｂを有するベース１０３２を含む。ポスト１００８ａは、偏りポストである。組織標本１０３４ａ、ｂは、ウェル１０３０ａ、ｂの２つのポストにそれぞれ貼り付けられている。変位センサ１０１０ａ、ｂは、ウェル１０３０ａ、ｂの偏りポスト１００８ａの真下に、そこからＤ１の距離（例えば、３ｍｍ～７ｍｍ）に配置される。距離Ｄ１は、変位センサ１０１０ａが（ウェル１０３０ａの）ポスト１００８ａの変位による局所磁場の変化を感知し、変位センサ１０１０ｂが（ウェル１０３０ｂの）ポスト１００８ａの変位による局所磁場の変化を感知するように十分に小さい。Ｄ１は、３次元空間におけるベクトルの長さに相当する。

【0128】

本明細書で使用される「真下」とは、図示されるように直交するｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸によって表される３次元ユークリッド空間の文脈において、変位センサ１０１０ａおよび（ウェル１０３０ａの）偏りポスト１００８ａの両方が共通のｘ座標およびｚ座標（１～２ｍｍ以内）を有するが、変位センサ１０１０ａはポスト１００８ａよりもｙ座標の値が小さいということを意味している。同様に、変位センサ１０１０ｂおよび（ウェル１０３０ｂの）ポスト１００８ａは、共通のｘ座標およびｚ座標（１～２ｍｍ以内）を有するが、変位センサ１０１０ｂは、ポスト１００８ａよりもｙ座標が小さい（例えば、５～１０ｍｍ小さい）。この配置は、変位センサ１０１０ａが、組織標本１０３４ａの収縮または伸張による（ウェル１０３０ａの）ポスト１００８ａの変位を感知することを可能にするが、組織標本１０３４ｂの変位は感知しない。同様に、この配置は、変位センサ１０１０ｂが、組織標本１０３４ｂの収縮または伸張による（ウェル１０３０ｂの）ポスト１００８ａの変位を感知することを可能にするが、組織標本１０３４ａの変位は感知しない。いくつかの実施形態では、変位センサは、ポストの真下に配置されるのではなく、ポストの真上またはポストの真横に配置される。

【0129】

基準センサ１０１２は、ウェル１０３０ａ、ｂの間に配置され、基準入力（本実施形態では、周囲磁場）を感知するように構成される。基準センサ１０１２は、ウェル１０３０ａのポスト１００８ａ（特に、この先端部に配置された磁性材料）から第２の距離Ｄ２離れて配置され、ウェル１０３０ｂのポスト１００８ａ（特に、この先端部に配置された磁性材料）から第３の距離Ｄ３離れて配置される。Ｄ２およびＤ３は、いずれも、Ｄ１と同様に、３次元ベクトルの長さを意味する。基準センサ１０１２の特定の感度を考えると、Ｄ２およびＤ３はいずれも、基準センサ１０１２がポスト１００８ａの変位によるどの信号振幅も感知しないように十分に大きく、例えば、１０ｍｍ～２０ｍｍである。したがって、Ｄ２およびＤ３は、いずれもＤ１よりも大きい。

【0130】

図１０において、Ｄ２およびＤ３は等しい。すなわち、基準センサ１０１２は、両方の変位センサ１０１０ａ、ｂおよび両方の組織標本１０３４ａ、ｂから等距離に配置されている。しかしながら、いくつかの実施形態では、Ｄ２とＤ３は等しくない。例えば、いくつかの実施形態では、Ｄ２およびＤ３は等しくないが、Ｄ２およびＤ３の両方は、ポスト１００８ａのいずれかが偏ったときに基準センサ１０１２がいかなる信号振幅も感知しないように十分に大きい。例えば、一実施形態では、Ｄ２＝１７ｍｍおよびＤ３＝１１ｍｍである。本開示において、「等距離」とは、「３次元空間において等距離である」ことを意味する（すなわち、基準センサ１０１２からポスト１００８ａまでの第１の３次元ベクトルの長さがＤ２を有し、基準センサ１０１２からポスト１００８ｂまでの第２の３次元ベクトルの長さＤ３とＤ２とが同じである）。

【0131】

図９Ａ～９Ｅを再び簡単に参照すると、図９Ａの感知モジュールは、３つのポスト９０８を含む。このうちの上側２つは可撓性を有するように構成され、このうちの下側の１つは剛性を有するように構成される。したがって、上側２つのポスト９０８はそれぞれ、真下に配置された対応する変位センサ９１０を有する。これは、２つの組織標本が剛性の下側のポストに「Ｖ」字構成で貼り付けられることを企図している。本明細書に記載される任意の実施形態において、剛性ポストは、これに貼り付けられた２つ以上の組織標本を有するように構成されてもよい。図９Ｂにおいて、上側２つのポスト９０８は、可撓性を有するように構成される。したがって、それぞれが、真下に配置された変位センサ９１０を有する。下側の２つのポストは剛性を有し、したがって、組織分析デバイスは、これらのポストに貼り付けられた、各可撓性ポスト９０８と各剛性のポスト９０８との間に１つの組織標本という２つの平行な組織標本を有するように構成される。同様に、図９Ｃの組織分析デバイスは、３つの変位センサ９１０を含み、各変位センサ９１０は、可撓性を有するように構成されるポスト９０８に１つずつ配置され、変位センサ９１０を有しない２つのポスト９０８は、剛性を有するように構成される。同様に、図９Ｄの組織分析デバイスは、４つの変位センサ９１０を含み、それぞれが、可撓性を有するように構成されたポスト９０８の真下に１つずつ配置され、変位センサ９１０を有しない２つのポスト９０８は、剛性を有するように構成される。同様に、図９Ｅの組織分析デバイスは、５つの変位センサ９１０を含み、それぞれが、可撓性を有するように構成されたポスト９０８の真下に１つずつ配置され、変位センサ９１０を有しない３つのポスト９０８は、剛性を有するように構成される。前述の実施形態は代表的なものであり、限定的なものではない。例えば、図９Ｂのポストが４つの実施形態は、基準センサ９１２の対角線上の向かい側に配置された２つの可撓性ポスト９０８を有してもよい。別の例として、図９Ｄのポストが６つの実施形態は、４つではなく、３つの可撓性ポスト９０８と３つの変位センサ９１０を有していてもよい。

【0132】

図８に戻り、コンピューティングデバイス８０６は、図７のコンピューティングデバイス７００の任意の特徴を有することができる。理解を容易にするために、この実施形態では、コンピューティングデバイス８０６は、プロセッサ８１４（例えば、一般処理ユニット、グラフィック処理ユニット、および／または特定用途向け集積回路）、メモリ８１６（有形機械可読記憶媒体）、ならびにソフトウェア論理（例えば、実行可能ソフトウェアコード）、ファームウェア論理、ハードウェア論理、またはこれらの様々な組み合わせとして実装され得る複数の命令モジュールを含む。

【0133】

組織分析デバイス８００のいくつかの実施形態は、図８に示されるコンピューティングデバイス８０６の特定の要素を除外している。例えば、組織分析デバイス８００のいくつかの実施形態は、既存のコンピューティングデバイス上で動作するように構成された、以下に説明するような命令モジュールを含むが、組織分析デバイス８００は、それ自体がコンピューティングデバイスを含まなくてもよい。すなわち、組織分析デバイス８００はプロセッサ８１４および／またはメモリ８１６を含まなくてもよい。したがって、組織分析デバイス８００のいくつかの実施形態は、少なくとも１つの感知モジュール８０２、および少なくとも１つの基準モジュール８０４、ならびに以下に説明する１つまたは複数の命令モジュールを含み、これらはソフトウェアまたはハードウェア（例えば、プリント回路基板上またはＡＳＩＣ上）として具現化されてもよい。

【0134】

コンピューティングデバイス８０６は、インターネット、セルラーネットワーク、ＲＦネットワーク、パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）、ローカルエリアネットワーク、広域ネットワーク、または他のネットワークを介して、感知モジュール８０２（特に、変位センサ８１０ａ）および基準モジュール８０４（特に、基準センサ８１２ａ）、遠隔サーバ、基地局、または他のネットワーク要素と通信できるよう構成された回路を有する通信インターフェースを含んでいる。したがって、通信インターフェースは、無線プロトコル（例えば、ＷＩＦＩ（登録商標）、ＷＩＭＡＸ（登録商標）、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）、ＺＩＧＢＥＥ（登録商標）、セルラー、赤外線、近距離無線通信など）および／または有線プロトコル（ユニバーサルシリアルバスもしくはＲＳ－２３４、ＲＪ－４５などの他のシリアル通信、パラレル通信バスなど）を用いて通信するように構成され得る。いくつかの実施形態では、通信インターフェースは、コンピューティングデバイス８０６および他のネットワーク要素（例えば、任意の変位センサおよび基準センサ）が互いを識別し、制御情報を交換することを可能にする発見プロトコルを開始するように構成された回路を含む。一実施形態では、通信インターフェースは、発見プロトコルに構成され、１つまたは複数の事前共有鍵（ＰＳＫ）をネゴシエートするように構成された回路を有する。

【0135】

本明細書で使用されるように、メモリ８１６は、機械（例えば、コンピュータ、ネットワークデバイス、パーソナルデジタルアシスタント、製造ツール、１つまたは複数のプロセッサのセットを有する任意のデバイスなど）によってアクセス可能な非一時的な形態で情報を提供（すなわち、格納）する任意のメカニズムを含む有形機械可読記憶媒体である。例えば、機械可読記憶媒体は、記録可能媒体／非記録可能媒体（例えば、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク記憶媒体、光学記憶媒体、フラッシュメモリデバイスなど）を含む。いくつかの実施形態では、メモリ８１６は、複数のネットワーク要素（例えば、リモートサーバ、ローカルコンピューティングデバイスなど）にわたって分散される。

【0136】

上記のように、コンピューティングデバイス８０６は、複数の命令モジュールを含む。各モジュールは論理（命令）を含む。プロセッサ８１４によって命令が実行されると、組織分析デバイス８００に、ポストに貼り付けされた少なくとも１つの組織標本の１つまたは複数の特性の感知、検出、測定、および／または決定に関する１つまたは複数の動作を実行させる。理解を容易にするために本明細書では個別の命令モジュールとして記載されているが、いくつかの実施形態では、論理は単一のモジュールまたは図示とは異なる数のモジュールで具現化される。さらに、特定のモジュールに関して以下に説明する論理は、他の実施形態では、ここで説明するものとは異なるモジュールに存在する可能性がある。

【0137】

さらに、命令モジュールは、単一のネットワーク要素において具現化される必要はなく、いくつかの実施形態において、命令モジュールは、複数のネットワーク要素（例えば、リモートサーバ、ローカルコンピューティングデバイスなど）にわたって格納および／または実行される。さらに、本明細書では、論理がソフトウェアの文脈で説明されているが、本明細書に記載される任意の命令モジュールは、ファームウェアとして、例えば、プリント回路基板上の回路として実装することができる。さらに、本明細書に記載される任意の命令モジュールの実施形態は、命令の一部または全部を連続的、定期的（例えば、０．５秒ごと、毎秒、毎分、毎時間、もしくは他の期間ごと）、および／またはオンデマンドで実行する命令を含む。

【0138】

理解を容易にするために、以下に提供される実施形態は、単一の偏りポスト８０８ａおよび剛性ポスト８０８ｂに対応する単一の組織標本という文脈における命令を記述する。しかしながら、これは限定的なものではない。本明細書に記載される組織分析デバイスの実施形態は、複数の感知モジュール、および／または複数のポストを有する感知モジュールを有し、したがって、複数の組織標本の特性を決定するように構成される。したがって、以下の任意の命令が、（例えば並列または直列の）複数の組織標本に関連して実行されてもよい。

【0139】

変位命令８１８は、変位センサ８１０ａが出力する変位信号に基づいて、１つまたは複数の変位値を決定する。ｎ個の変位センサを有する組織分析デバイスでは、変位命令８１８は、ｎ個の変位値を決定する。ここで、単一の変位センサに対して変位値を決定するように構成された例示的な命令が説明されるが、このような命令は、組織分析デバイスのすべての変位センサに対して、例えば、並行して実行されてもよいことが理解されるものとする。いくつかの実施形態では、変位値は、物理的な移動の単位（例えば、ｍｍ）で表記される。しかしながら、いくつかの実施形態では、変位値は、他の単位（例えば、マイクロテスラ）で表記される。変位命令８１８は、変位値を連続的に、定期的に（例えば、０．５秒ごと、毎秒、毎分、毎時間、または他の期間ごとに）、またはオンデマンドで決定する。

【0140】

いくつかの実施形態では、変位命令８１８は、ポスト８０８ａ、ｂ間に貼り付けられた組織標本の収縮によって引き起こされるような、ポスト８０８ａの変位によって引き起こされる局所磁場の変化に対応する変位値（例えば、マイクロテスラ）を決定する。このような実施形態では、変位センサ８１０ａの変位信号に、第１の線形係数α_１を乗算するステップによって、変位値が決定される。α_１は、変位センサ８１０ａの出力（例えば、電圧）と感知磁場における対応する変化（例えば、マイクロテスラ）との間の既知の関係に基づいている。第１の線形係数α_１は、特定の変位センサ８１０ａの線形挙動の限られた範囲内で有効とできる。

【0141】

いくつかの実施形態では、変位命令８１８は、変位センサ８１０ａが出力した変位信号に第１の線形係数α_１を乗算するステップによって、および第１の非線形係数β_１を乗算するステップによって、ポスト８０８ａの物理的変位（この場合も、ポスト８０８ａ、ｂ間に貼り付けられた組織標本の収縮によって生じるなど）に対応する変位値（例えば、ｍｍ）を決定する。いくつかの実施形態において、第１の非線形係数β_１は、磁場の変化とポストの変位（例えば、ｍｍ）との間の経験的に検証された、または数学的にモデル化された相関係数に基づく。いくつかの実施形態において、第１の非線形係数β_１は、磁性材料の磁場強度、ポスト８０８ａにおける磁性材料の位置または向き、および／または変位センサ８１０ａに対するポスト８０８ａの位置の関数である。２つ以上の変位センサを有する実施形態では、第１の線形係数α_１および第１の非線形係数β_１は、変位センサ間で異なっていてもよいことが理解されるものとする。したがって、ｎ個の変位センサを有する組織分析デバイスは、ｎ個の第１の線形係数（例えば、α_１，１・・・α_１，ｎ）およびｎ個の第１の非線形係数（β_１，１・・・β_１，ｎ）を有し得る。もちろん、いくつかの実施形態では、第１の線形係数および第１の非線形係数は、すべての変位センサについて同じである。

【0142】

いくつかの実施形態において、変位値を決定するステップは、変位信号に第１の線形係数α_１および／または第１の非線形係数β_１を乗算する前に、１つまたは複数の変位信号を周波数フィルタリングするステップまたは同様の処理ステップを含まない。例えば、いくつかの実施形態では、変位値は、変位信号に第１の線形係数α_１および／または第１の非線形係数β_１を乗算する前に、変位信号を任意のハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、もしくはバンドパスフィルタを通して、または任意の同様の信号処理技術を通して処理することなく、上述したように決定される。変位信号を周波数フィルタリングすると、信号ノイズを減らすことはできるが、組織標本の特性に相関する周波数をフィルタリングしてしまうという結果になる。したがって、変位信号を周波数フィルタリングすると、特定の組織特性（例えば、純粋な力）の決定が妨げられる。したがって、変位信号に第１の線形係数α_１および／または第１の非線形係数β_１を乗算する前に、変位信号を周波数フィルタリングせずに変位値を決定することによって、変位信号全体が保持される。有利には、これは、本明細書に記載されるように、組織標本の特定の純粋な特性（例えば、純粋な力）を決定する能力を保持する。いくつかの実施形態において、変位値を決定するステップは、複数の変位値成分を決定するステップを含み、各成分は、複数の軸における感知磁場または物理的変位に対応する。このような実施形態において、１つまたは複数の変位センサは、１つまたは複数の基準センサと共通の向きを有する。

【0143】

基準命令８２０は、基準センサ８１２ａによって出力される基準信号に基づいて基準値を決定する。基準センサ８１２ａは、ポスト８０８ａの変位からのいかなる信号振幅もなく周囲磁場を感知する。ここで、単一の変位センサに対して基準値を決定する代表的な命令について説明する。しかし、このような命令は、組織分析デバイスのｎ個の基準センサに対して、例えば、並行して実行されてもよいことが理解されるものとする。

【0144】

基準キャンセリングアーキテクチャの一部として、基準値は、１つもしくは複数の変位値、またはこれらの中間値からキャンセルされる。したがって、任意の実施形態において、１つまたは複数の変位値は、１つまたは複数の基準値に対して時間インデックスを付けられる。いくつかの実施形態では、基準値は、１つまたは複数の変位値と同じ単位を有する。例えば、いくつかの実施形態では、基準値は、周囲磁場の変化（例えば、マイクロテスラ）に対応する単位を有する。このような一実施形態では、基準値を決定するステップは、基準信号に第２の線形係数α_２を乗算するステップを含む。これは、変位命令８１８によって利用される第１の線形係数α_１と同じであっても異なっていてもよい。例えば、基準センサ８１２ａが変位センサ８１０ａとは異なるセンサタイプである、および／または異なる仕様を有する場合、第１の線形係数α_１および第２の線形係数α_２は異なっていてよい。例えば、いくつかの実施形態では、第２の線形係数α_２は、基準センサ８１２ａによって出力される電圧と、感知された周囲磁場における対応する変化（例えば、マイクロテスラ）との間の既知の関係に基づいている。第２の線形係数α_２は、特定の基準センサ８１２ａの線形挙動の限定された範囲内で有効とできる。

【0145】

いくつかの実施形態において、基準値は、変位センサ８１０ａの物理的変位に対応する単位、例えば、ｍｍを有する。このような実施形態では、基準値を決定するステップは、基準信号に第２の線形係数α_２を乗算するステップ、および第２の非線形係数β_２を乗算するステップを含み、β_２は、周囲磁場強度の関数および／または基準センサ８１２ａの位置である。いくつかの実施形態では、基準値を決定するステップは、複数の基準値成分を決定するステップを含む。各成分は、複数の軸における周囲磁場に対応する。このような実施形態では、１つまたは複数の基準センサは、１つまたは複数の変位センサと共通の向きを有する。

【0146】

基準キャンセリング命令８２２は、変位命令８１８によって決定された１つまたは複数の変位値に基づき、および、基準命令８２０によって決定された１つまたは複数の基準値に基づいて、１つまたは複数基準キャンセルされた１つまたは複数の変位値を決定する。いくつかの実施形態において、ポスト８０８ａの変位に対応する基準キャンセルされた変位値は、変位値から基準値を減算するステップに基づいている。一例として、
Δ_ＲＣ＝Δ_ＳＭ－Δ_ＲＭ
ここで、Δ_ＳＭ＝α_１β_１ γ（γは、変位センサ８１０ａの変位信号）、およびΔ_ＲＭ＝α_２β_２ε（εは、基準センサ８１２ａの基準信号）である。

【0147】

いくつかの実施形態において、基準キャンセルされた変位値を決定するステップは、複数の基準値成分の対応する１つから複数の変位値成分の少なくとも１つを減算するステップに基づいている。

【0148】

いくつかの実施形態では、基準命令８２０によって決定された１つまたは複数の基準値は、共有される。すなわち、基準キャンセリング命令８２２によって利用され、複数のポストに対応する基準キャンセルされた変位値を決定する。

【0149】

特性決定命令８２４は、基準キャンセリング命令８２２によって決定され、この組織標本に対応する基準キャンセルされた１つまたは複数の変位値に基づいて、１つまたは複数の組織標本の１つまたは複数の特性を決定する。一例として、特性決定命令８２４は、電流によって刺激されたときに、ポスト８０８ａ、ｂに貼り付けされた組織標本によって及ぼされる力を決定する。特性決定命令８２４は、基準キャンセルされた変位値に、第３の線形係数α_３を乗算するステップによって力を決定する。第３の線形係数α_３は、ポストの変位と組織の力（例えば、組織標本によって及ぼされる力）との間の経験的に検証されたまたは数学的にモデル化された相関係数とできる。心臓組織の場合、このような力の決定は収縮期または拡張期に対応することができる。変位信号が周波数フィルタリングされない（例えば、α_１およびβ_１による乗算の前の）いくつかの実施形態では、決定された力は、純粋な力（例えば、純粋な心筋力）である。有利には、組織標本によって及ぼされる純粋な力を決定する能力によって、医師および研究者がこのような組織標本の成熟および生存率をより良く評価することが可能になる。

【0150】

力は１つの方式である。しかしながら、いくつかの実施形態では、特性決定命令８２４は、組織標本のストレイン、負荷、および／または他の特性を決定する。例えば、いくつかの実施形態では、特性決定命令８２４は、基準キャンセルされた変位値（例えば、ｍｍ）を組織標本の断面寸法の減少（これは、光学的に決定されても、他の測定手段を通じて決定されてもよい）で割ることによって、組織標本のストレインを決定する。別の例として、いくつかの実施形態では、特性決定命令８２４は、まず組織標本によって及ぼされる、または組織標本上に及ぼされる純粋な力を決定し、次に、純粋な力を組織標本の断面積（これは、光学的に決定されても、他の測定手段を通じて決定されてもよい）で割ることによって、組織標本の負荷を決定する。これらの方式は代表的なものであり、限定的なものではない。

【0151】

前述の命令モジュールは代表的なものであり、限定的なものではない。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス８０６は、付加的な命令モジュール、例えば、実行されると、コンピューティングデバイス８０６に、決定された組織特性をリモートネットワーク要素に送信させる命令を有する通信モジュールを含む。

【0152】

図１１は、本開示の組織分析デバイスの一実施形態の代表的な回路を示す。これは、プリント回路基板、およびＡＳＩＣ、または同様のデバイス上に少なくとも部分的に具現化されている。感知回路１１３６は、少なくとも１つの変位センサ（図８の変位センサ８１０ａなど）を含む。これは、１つまたは複数のフィルタおよび増幅器に動作可能に接続されている。感知回路１１３６は、図１１において単一の変位センサを含むが、いくつかの実施形態は、上述したように、複数の変位センサを含むことが理解されるものとする。いくつかの実施形態は、上述したように、周波数フィルタリング回路を含まない。感知回路１１３６は、上述したような感知モジュール（例えば、図８の感知モジュール８０２）の一部を形成する。

【0153】

基準回路１１３８は、少なくとも１つの基準センサ（図８の基準センサ８１２ａなど）を含む。これは、１つまたは複数のフィルタおよび増幅器に動作可能に接続される。基準回路１１３８は、図１１において単一の基準センサを含むが、いくつかの実施形態は、上述したように、複数の基準センサを含むことが理解されるものとする。いくつかの実施形態は、上述したように、周波数フィルタリング回路を含まない。基準回路１１３８は、上述したように、基準モジュールの一部を形成する。

【0154】

感知回路１１３６および基準回路１１３８はそれぞれ、それぞれ独自の変位値および基準値を提供する。基準キャンセル回路１１４０は、上述の基準キャンセリング命令に加えて、または代替的に、変位値から基準値をキャンセルし、これによって基準キャンセルされた値（例えば基準キャンセルされた変位値）を取得する。いくつかの実施形態において、基準キャンセル回路１１４０は、感知モジュール、基準モジュール、これらの両方、または別個のモジュールの一部である。

【0155】

図１２は、本明細書に記載される組織分析デバイスの回路を有する１つの代表的なプリント回路基板１２４２を示す。特に、プリント回路基板１２４２は、４つの感知回路１２３６ａ～ｄおよび１つの基準回路１２３８を有するセンサアレイを含む。各感知回路１２３６ａ～ｄは、図１１の感知回路１１３６と同様である。この実施形態では、感知回路１２３６ａ～ｄは、長方形アレイに配置される。各感知回路１２３６ａ～ｄは、各感知回路が、この真上に配置されたポスト（例えば、ポスト８０８ａ）の変位によって生じる局所磁場の変化を感知するように、上述のように感知モジュールの複数のポストの真下に配置されるように構成される。いくつかの実施形態は、より多いまたはより少ない感知回路、例えば、１つ、２つ、３つ、５つ、６つ、などを有する。このような実施形態では、感知回路は、三角形、五角形、六角形、八角形、または他の配置を含む、本明細書に記載される任意の１つまたは複数の構成に配置されてもよい。

【0156】

また、プリント回路基板１２４２は、図１１に関して上述したものと同様の単一の基準回路１２３８を含む。基準回路１２３８は、感知回路１２３６ａ～ｄの間の中央に位置し、感知回路１２３６ａ～ｄから等距離にある。特に、基準回路１２３８は、３次元的に感知回路１２３６ａ～ｄから等距離にある。つまり、感知回路１２３６ａ～ｄおよび基準回路１２３８は、プリント回路基板１２４２の共通の平面上に配置され、基準回路１２３８は、図１２の平面図において、各感知回路１２３６ａ～ｄから等距離である。このような等距離配置を、本明細書で説明する任意の実施形態において利用することができる。

【0157】

有利には、基準回路１２３８の等距離配置によって、感知回路１２３６ａ～ｄの間で基準回路１２３８を共有することが可能になる。すなわち、基準回路１２３８によって決定された基準値は、各感知回路１２３６ａ～ｄにおいて基準キャンセルされた変位値を決定するために利用される。したがって、図示された実施形態は、感知回路と基準回路との比が４：１である。また、図示された実施形態は、変位センサと基準センサの比が４：１である。この比は代表的なものであり、いくつかの実施形態は、より小さいまたはより大きい比、例えば、２：１、３：１、５：１、６：１、７：１、または８：１を有する。重要なのは、基準回路１２３８（特に基準センサ）は、この基準信号が各感知回路１２３６ａ～ｄ上に配置された任意のポストの変位によって乱されないように、各感知回路１２３６ａ～ｄから十分に離れて配置されることである。一実施形態では、基準センサは、各変位センサから少なくとも５ｍｍ離れて配置される（例えば、５ｍｍ～２０ｍｍ）。使用中、基準回路１２３８は、どのポストの真下にも配置されない。

【0158】

プリント回路基板１２４２は、複数のウェルを有する培養皿と共に使用するように構成される。各ウェルは、上述したように複数のポストを有する。例えば、各感知回路１２３６ａ～ｄは、培養皿の１つのウェルの真下に配置されるように構成されている。有利には、プリント回路基板１２４２はモジュール式である。例えば、組織標本の高スループット分析を可能にするために、６つのプリント回路基板１２４２をコンピューティングデバイス（上述のように）に並列に動作可能に接続し、同時に２４ウェルの培養皿の下に配置することができる。同様に、単一のプリント回路基板を、図１２に示される複数の４：１アレイ、例えば、６つのこのようなアレイで形成することができ、２４個の感知回路を提供する。もちろん、この例は代表的なものであり、限定的なものではない。他の実施形態は、異なる数の感知回路および／もしくは基準回路、ならびに／または、異なる感知回路と基準回路の比を有する。

【0159】

図１３Ａ～Ｂは、本開示の代表的な組織分析デバイス１３００の態様を示す。組織分析デバイス１３００は、繰り返し利用されるように構成されている、すなわち、消耗型アセンブリではない、永久ベース部１３４４を含む。組織分析デバイス１３００は、１つまたは複数の消耗型培養皿１３４６と関連して利用されるように構成される。各消耗型培養皿は、複数のウェル１３４８を有し、各ウェル１３４８は、上述したように、組織標本がポストに貼り付けされた状態で、この中に配置された複数のポストを有する。図１３Ｂを参照されたい。いくつかの実施形態では、組織分析デバイス１３００は、培養皿１３５４ａを含む。

【0160】

ベース部分１３４４は、ポリマー、金属（例えば、１つまたは複数の強磁性金属）、および／またはこれらの組み合わせから構成されてもよい。ベース部１３４４は、上述したような回路を有するプリント回路基板１３４２のための安定した土台を提供する。図１３Ａを参照すると、図示された実施形態のプリント回路基板１３４２は、６つの４：１センサアレイ１３５０～ｆを備え、それぞれ図１２に関して上述した通りである。すなわち、各センサアレイ１３５０ａ～ｆは、４つの変位センサと、アレイの各変位センサから等距離に配置された（すなわち、上述のように３次元的に等距離）単一の中央に位置する共有基準センサを含む。図示されたセンサアレイの構成は代表的なものであり、限定的なものではない。図示の実施形態のプリント回路基板１３４２は、プロセッサおよびメモリを有するコントローラ（例えば、リモートコンピューティングデバイス）と通信するように構成される。これは、組織分析デバイス１３００の一部を形成し得る。

【0161】

センサアレイ１３５０ａ～ｆの上に形成されたベース部分１３４４の開口部は、各ウェルが１つの変位センサの上に直接配置されるが、任意の基準センサの上には配置されないように、培養皿１３４６を可逆的に保持するように構成されたクレードル１３５２と共に整列される。したがって、培養皿１３４６がクレードル１３５２に配置されると、変位センサは、各ウェル内のポストの変位（例えば、対応する組織標本の収縮による変位）を感知するように構成され、基準センサは、周囲磁場を感知するように構成される。

【0162】

図１４は、組織標本の特性を決定するための代表的な方法１４００を提供する。この方法は、本開示の組織分析デバイスによって、またはこれに関連して実施され得る。したがって、方法に関して以下で使用される用語は、組織分析デバイスに関連して上で使用される同様の用語と同様の意味を有する。

【0163】

ブロック１４０２において、組織標本を第１のポストおよび第２のポストに貼り付け、これを、培養皿のウェル内のベース上に配置してもよい。

【0164】

ブロック１４０４において、例えば、電流による組織標本の刺激に応答して、第２のポストに対する第１のポストの変位を感知する。変位を、図８の組織分析デバイス８００に関して上述したように感知することができる。

【0165】

ブロック１４０６において、第２のポストに対する第１のポストの変位を感知しながら、基準入力を感知する。基準入力を、図８の組織分析デバイス８００に関して上述したように感知することができる。

【0166】

ブロック１４０８において、第２のポストに対する第１のポストの変位に基づく変位信号を出力する。変位信号を、図８の組織分析デバイス８００に関して上述したように出力することができる。

【0167】

ブロック１４１０において、基準入力に基づく基準信号を出力する。基準信号を、図８の組織分析デバイス８００に関して上述したように出力することができる。

【0168】

ブロック１４１２において、変位信号に基づいて変位値を決定する。変位値を、図８の組織分析デバイス８００に関して上述したように決定することができる。

【0169】

ブロック１４１４において、基準値を、基準信号に基づいて決定する。基準値は、図８の組織分析デバイス８００に関して上述したように決定することができる。

【0170】

ブロック１４１６において、基準値および変位値に基づく基準キャンセルされた変位値を決定する。基準キャンセルされた変位値を、図８の組織分析デバイス８００に関して上述したように決定することができる。

【0171】

ブロック１４１８において、基準キャンセルされた変位値に基づく組織標本の特性を決定する。一実施形態では、特性は、力（例えば、純粋な力）、ストレイン、または負荷である。特性を、図８の組織分析デバイス８００に関して上述したように決定することができる。

【0172】

したがって、本開示は、組織標本の特性を決定するように構成された高スループット組織分析デバイスを提供する。特に、本開示の組織分析デバイスおよび方法によって、他の組織特性と共に、組織標本によって及ぼされる純粋な力を決定することが可能となる。

【0173】

本発明を特定の実施形態および例示的な図の観点から説明してきたが、当業者であれば、本発明が説明された実施形態または図に限定されないことを認識するであろう。例えば、上述した様々な実施形態では、組織標本が培養される間の傍ら１対の高分子ポストが記載されている。しかし、他の実施形態では、１つまたは複数の共通のベース上にポスト対のアレイが配置されてもよく、各ポスト対は、ポスト対間で培養され、ポスト対に貼り付けされた組織標本を有する。

【0174】

同様の数字が同様の要素を指す添付図面に関連して上述された発明を実施するための形態は、本開示の代表的な実施形態の説明として意図されており、唯一の実施形態を示すことを意図していない。本開示で説明される各実施形態は、例または説明として提供され、他の実施形態よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。本明細書で提供される例示的実施形態は、網羅的であること、または開示された正確な形態に本開示を限定することを意図していない。同様に、本明細書に記載した任意のステップは、同じまたは実質的に同様の結果を達成するために、他のステップ、またはステップの組み合わせと交換可能であってもよい。さらに、任意の実施形態の１つまたは複数の特徴を、１つまたは複数の実施形態の１つまたは複数の特徴と組み合わせて、追加の実施形態を形成してもよく、これらは本開示の範囲内である。

【0175】

一般に、本明細書に開示された実施形態は非限定的であり、本発明者らは、本開示の範囲内の他の実施形態が、図に示され明細書に記載された２つ以上の特定の実施形態からの構造および機能を含み得ることを企図する。本開示の趣旨から逸脱することなく、他の者によって変形および変更がなされ、等価物が採用され得ることが理解されよう。したがって、すべてのこのような変形、変更、および等価物が、請求された本開示の趣旨および範囲内に入ることが明示的に意図される。例えば、本開示は、代表的な実施形態に関して上述した任意の１つまたは複数の特徴の組み合わせを有する追加の実施形態を含む。

【0176】

前述の説明では、本開示の代表的な実施形態の完全な理解を提供するために、具体的な詳細が示されている。しかしながら、当業者には、本明細書に開示された実施形態は、すべての具体的な詳細を具現化しなくても実施され得ることが明らかであろう。いくつかの例では、本開示の様々な態様を不必要に不明瞭にしないために、周知の処理ステップは詳細に説明されていない。

【0177】

本願は、「第１」、「第２」、「垂直」、「水平」、「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、および「下」などの方向への参照を含むことができる。これらの参照、および本願における他の同様の参照は、特定の実施形態（実施形態が使用のために配置される場合など）の説明および理解を助けることを意図しており、本開示をこれらの方向または位置に限定することを意図するものではない。

【0178】

また、本願は、数量および数を参照することができる。特に明記しない限り、このような数量および数は、制限的なものではなく、本願に関連する可能な数量または数の例示的なものであると考えられる。また、この点で、本願は、数量または数を参照するために、「複数」という用語を使用することができる。この点で、用語「複数」は、例えば、２、３、４、５など、１より多い任意の数であることを意味する。用語「約」、「およそ」などは、記載された値のプラスマイナス５％を意味する。用語「基づく」は、「少なくとも部分的に基づく」を意味する。用語「間」は、これに関連して記載された値を含む。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図14】

【国際調査報告】