DE60126680T2

DE60126680T2 - Tragbares durchflusszytometer

Info

Publication number: DE60126680T2
Application number: DE60126680T
Authority: DE
Inventors: Cleopatra Cabuz; Teresa M. Marta; Aravind Padmanabhan; Ernest Allen Starten; Eugen Loan Cabuz; Ulrich Bonne; Thomas Raymond Ohnstein; James Allen Cox; David J. Zook
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2021-08-03
Also published as: WO2002010713A3; AU2001283074A1; ATE354122T1; EP1393143A2; JP4748919B2; DE60126680D1; JP2004505272A; US6597438B1; WO2002010713A2; CN1502068A; EP1393143B1; CN1302274C

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Durchflußzytometer. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere tragbare Flußzytometer, die optische Eigenschaften von mikroskopischen biologischen Teilchen in einer Strömung erfassen.
Allgemeiner Stand der Technik
Die Durchflußzytometrie ist eine Technik, mit der bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften von mikroskopischen biologischen Teilchen bestimmt werden, indem bestimmte optische Eigenschaften der Teilchen erfaßt werden. Dazu werden die Teilchen unter Verwendung hydrodynamischer Fokussierung innerhalb eines Hüllstroms in einer einzelnen Reihe angeordnet. Die Teilchen werden dann von einem Lichtstrahl individuell abgefragt. Jedes Teilchen streut den Lichtstrahl und erzeugt ein Streuprofil. Das Streuprofil wird oftmals identifiziert, indem die Lichtintensität in unterschiedlichen Streuwinkeln gemessen wird. Bestimmte physikalische und/oder chemische Eigenschaften jedes Teilchens können dann anhand des Streuprofils bestimmt werden.
Die Durchflußzytometrie wird gegenwärtig in einer großen Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, einschließlich Hämatologie, Immunologie, Genetik, Lebensmittelwissenschaft, Pharmakologie, Mikrobiologie, Parasitologie und Onkologie, um nur wenige zu nennen. Eine Beschränkung bei vielen im Handel erhältlichen Durchflußzytometersystemen besteht darin, daß sie relativ große Tischinstrumente sind, die in einem Zentrallaborumfeld bleiben müssen. Dementsprechend ist der Einsatz derartiger Durchflußzytometer oftmals an entfernten Stellen oder für die kontinuierliche hämatologische Überwachung nicht verfügbar.
WO-A-99/60397 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lagern einer teilchenhaltigen Flüssigkeit. Insbesondere wird eine Mikrofluidanalysepatrone (160) bereitgestellt mit einem gewundenen Lagerungskanal (20) darin. Die Probenanalyse kann eine optische, elektrische, druckempfindliche oder strömungsempfindliche Detektion verwenden. Mehrere Analysekanäle (24A–24B) können in einer einzelnen Patrone (160) enthalten sein. Die Analysekanäle (24A–24B) können an Reagenseinlässe für Diluentien, Indikatoren oder Lysemittel angeschlossen sein. Ein Mischkanal (80) kann zwischen dem Reagenseinlaß und dem Analysegebiet (30) positioniert sein, um Mischen und Reaktion des Reagens zu gestatten. Die Patrone (160) kann zusätzliche Ventile (V1–V5) und Pumpen (P11–P15) für das Durchflußmanagement enthalten.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet viele der Nachteile des Stands der Technik durch Bereitstellen eines portablen oder tragbaren Zytometers, das an entfernten Stellen, wie etwa zu Hause oder im Feld, verwendet werden kann. Ein derartiges Durchflußzytometer kann die Gesundheitspflege von Patienten verbessern helfen, indem es detaillierte individuelle hämatologische Auswertung bereitstellt und statistische Trends offenlegt. Durch die frühe Detektion einer Infektion läßt sich die Infektion möglicherweise leichter behandeln.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein tragbares Zytometer, wie in Anspruch 1 definiert, bereitgestellt. In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren wie in Anspruch 9 definiert bereitgestellt.
In militärischen Anwendungen kann das tragbare Zytometer der vorliegenden Erfindung Leben retten helfen durch die Bereitstellung einer frühen Detektion einer Infektion aufgrund biologischer Agenzien. Es ist bekannt, daß die erweiterte Aktivität in den biologischen Wissenschaften die Wahrscheinlichkeit einer versehentlichen Exposition gegenüber gefährlichen biologischen Agenzien erhöht hat. Die Leichtigkeit der Herstellung derartiger Agenzien verursacht auch eine ernsthafte Bedrohung hinsichtlich ihres Einsatzes durch Terroristen, Regionalmächte oder entwickelnde Dritte-Welt-Nationen. Der Mangel an Sicherungen in internationalen Übereinkommen, die den biologischen Krieg ächten, und zwingende Beweise, daß jene Übereinkommen verletzt worden sind, erhöht die Notwendigkeit nach einer starken Fähigkeit für biologische Verteidigung. Während Desert Storm waren amerikanische Streikräfte nicht darauf vorbereitet, in einem biologischen Umfeld zu operieren. Um einen effizienten Schutz während des biologischen Kriegs sicherzustellen, mußten eine Präexpositionsdetektion von pathogenen Agenzien sowie eine Nachexpositionsdetektion von einsetzenden Infektionen zusammen verwendet werden.
Als Teil der natürlichen Verteidigung des Körpers gegenüber Antigenen nimmt die Anzahl weißer Blutkörperchen beim Einsetzen einer Infektion zu. Es gibt mehrere Arten von weißen Blutkörperchen einschließlich Neutrophile, Lymphozyten, Monozyten, Eosinophilen und Basophilen. Lymphozyten erzeugen Antikörper, die die Eindringlinge angreifen und sie zur Zerstörung durch Neutrophile und Makrophage markieren. Bei einer Person ohne chronische Krankheiten (wie etwa Tuberkulose oder Krebs) ist ein Anstieg beim Prozentsatz an Lymphozyten in der Gesamtzahl weißer Blutkörperchen ein Hinweis auf eine Virusinfektion. Andererseits ist eine Zunahme beim Prozentsatz der Neutrophilen ein Hinweis auf eine entstehende Bakterieninfektion. Durch Zählen von Neutrophilen und Lymphozyten kann eine deutliche Infektionswarnung ausgesprochen werden, mit Differenzierung zwischen viralen oder bakteriellen Ursachen.
Die ersten klinischen Symptome einer Infektion von einigen bakteriellen Agenzien wie etwa dem Anthrax-Bazillus erscheinen nach einem bis sechs Tagen. In 99% der Fälle können Patienten, die Anthrax-Symptome zeigen, nicht behandelt werden, und sterben mit größter Wahrscheinlichkeit. Wenn jedoch eine Behandlung erfolgt, bevor die ersten Symptome erscheinen, können die meisten Patienten erfolgreich behandelt werden. Deshalb wäre es höchst wünschenswert, eine frühe Warnung und eine potentielle therapeutische Intervention für hämatologische Anomalitäten bereitzustellen, bevor Symptome auftreten. In vielen Fällen kann eine derartige frühe Warnung und Behandlung das Ergebnis für viele Patienten stark verbessern.
Bei einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein tragbares Zytometer bereitgestellt zum Identifizieren und/oder Zählen ausgewählter Teilchen in einer Fluidprobe wie etwa einer Blutprobe. Ein veranschaulichendes tragbares Zytometer enthält einen Fluidempfänger zum Aufnehmen der Fluidprobe. Ein oder mehrere Behälter sind vorgesehen zum Speichern unterstützender Fluide, wie etwa Lyse-Fluide und Hüllströme. Bei vielen kommerziellen Durchflußzytometersystemen wird ein Precision-Fluidantriebssystem verwendet, um den Fluiden präzise Drücke zu verleihen. Eine Begrenzung bei diesem Ansatz besteht darin, daß Precision-Fluidantriebssysteme voluminös und komplex sein und signifikante Leistung erfordern können.
Um viele dieser Begrenzungen zu vermeiden, verwendet die in den Ansprüchen 1 und 9 definierte vorliegende Erfindung einen Non-Precision-Fluidtreiber, der von einem geschlossenen Rückkopplungsregelkreis gesteuert wird. Der Non-Precision-Fluidtreiber ist an den Fluidempfänger und an die verschiedenen unterstützenden Fluidbehälter gekoppelt und legt an das Probefluid und die unterstützenden Fluide separate Drücke an. Um die Geschwindigkeit des Probefluids und der unterstützenden Fluide zu steuern, sind ein oder mehrere Ventile an den Fluidtreiber gekoppelt. Die Ventile werden dazu verwendet, die Nicht-Präzisionsdrücke, die an das Probefluid und die unterstützenden Fluide von dem Non-Precision-Fluidtreiber angelegt werden, zu regeln.
Zum Fließen der Rückkopplungsschleife sind Strömungssensoren hinter dem Fluidtreiber vorgesehen, um die Fluidgeschwindigkeit des Probefluids und der unterstützenden Fluide zu messen. Ein Controller oder Prozessor empfängt die Signale von den Strömungssensoren und justiert die entsprechenden Ventile derart, daß die gewünschten Fluidgeschwindigkeiten des Probefluids und der unterstützenden Fluide erzielt werden. Die Strömungssensoren sind bevorzugt Strömungssensoren vom Hitzedraht-Anemometertyp.
Bei einer Ausführungsform wird der Non-Precision-Fluidtreiber manuell angetrieben. Ein manuell angetriebener Fluidtreiber kann beispielsweise einen Ballon mit Rückschlagventil oder einen Kolben enthalten. In jedem Fall wird der manuell erzeugte Druck bevorzugt an eine erste Druckkammer geliefert. Ein erstes Ventil ist dann vorgesehen, um den Druck in der ersten Druckkammer steuerbar zu einer zweiten Druckkammer abzuführen. Ein zweites Ventil kann in der zweiten Druckkammer vorgesehen sein, um den Druck in der zweiten Druckkammer steuerbar abzulassen. Der Controller öffnet das erste Ventil, wenn der Fluidfluß in der nachgelagerten Fluidströmung unter einen ersten vorbestimmten Wert abfällt, und öffnet das zweite Ventil, wenn der Fluidfluß in dem nachgelagerten Fluidstrom über einen zweiten vorbestimmten Wert ansteigt. Jedes Ventil ist bevorzugt ein Array von elektrostatisch betätigten Mikroventilen, die individuell adressiert und gesteuert werden können.
Das gesteuerte Probefluid und die gesteuerten unterstützenden Fluide werden an einen Fluidkreis geliefert. Der Fluidkreis führt eine hydrodynamische Fokussierung durch, die bewirkt, daß die gewünschten Teilchen in eine einzelne Reihe entlang eines von einem Hüllstrom umgebenden Kernstroms fallen. Ein oder mehrere Lichtquellen liefern Licht durch die Strömung, und ein oder mehrere Lichtdetektoren detektieren das Streuprofil der Teilchen in der Strömung. Ein Verarbeitungsblock verwendet die Ausgangssignale von den Lichtdetektoren, um ausgewählte Teilchen in dem Kernstrom zu identifizieren und/oder zu zählen.
Das portable Zytometer kann in einem Gehäuse vorgesehen sein, das ausreichend klein ist, um „tragbar" zu sein. Bei einer Ausführungsform ist die Gehäusegröße ähnlich einer Armbanduhr. Das tragbare Gehäuse kann beispielsweise eine Basis, eine Abdeckung und ein Gelenk enthalten, das die Basis an der Abdeckung sichert. Der Non-Precision-Fluidtreiber und die regelnden Ventile können in die Abdeckung integriert sein, während die Fluidbehälter, die Strömungssensoren und der Fluidkreis in eine entfernbare Patrone integriert sein können, die in das Gehäuse eingesetzt ist. Bevorzugt verdünnt der Fluidkreis die Blutprobe, führt ein Red-Cell-Lysing durch und nimmt eine hydrodynamische Fokussierung für Fluß- und Kernstrominformation vor. Die Lichtquellen befinden sich bevorzugt entweder in der Basis oder der Abdeckung und sind auf die Strömung der entfernbaren Patrone ausgerichtet. Die Lichtdetektoren sind bevorzugt allgemein gegenüber den Lichtquellen vorgesehen. Der Prozessor und die Batterien können entweder in der Basis oder der Abdeckung des Gehäuses vorgesehen sein.
Die Lichtquellen können ein gerades Array erster Lichtquellen entlang einer ersten Lichtquellenachse enthalten. Die erste Lichtquellenachse ist bevorzugt relativ zur Mittelachse der Strömung gedreht. Eine Linse kann neben jeder Lichtquelle bereitgestellt sein, um das Licht auf die Teilchen in dem Kernstrom zu fokussieren. Ein erster Satz von Lichtdetektoren kann dann in-line mit jeder der Lichtquellen plaziert sein. Eine derartige Anordnung kann verwendet werden, um beispielsweise die Ausrichtung und Breite des Kernstroms innerhalb der Strömung zu bestimmen. Wenn sich der Kernstrom von Teilchen nicht in ordnungsgemäßer Ausrichtung befindet, kann der Controller die Fluidgeschwindigkeit des Probefluids oder eines der unterstützenden Fluide justieren, um den Kernstrom in Ausrichtung zu bringen. Der erste Satz von Lichtdetektoren kann ebenfalls verwendet werden, um die Geschwindigkeit und Größe jedes Teilchens sowie die Anzahl von Teilchen zu detektieren.
Ein zweiter Satz der Lichtquellen kann entlang einer zweiten Lichtquellenachse vorgesehen sein. Eine Linse kann neben jeder Lichtquelle vorgesehen sein, um das Licht auf die Teilchen in dem Kernstrom zu fokussieren. Ein zweiter Satz von Lichtdetektoren kann dann auf beiden Seiten der In-Line-Position jeder Lichtquelle plaziert sein, um die von ausgewählten Teilchen in der Strömung produzierte Kleinwinkelstreuung (SALS – small angle scattering) zu messen.
Der zweite Satz von Lichtquellen kann auch in Verbindung mit dem ersten Satz von Lichtquellen verwendet werden, um die Flugzeit oder Geschwindigkeit der Teilchen in der Strömung zu bestimmen. Wenn die Geschwindigkeit der Teilchen bekannt ist, können kleine Variationen bei der Strömungsrate, die durch den Fluidtreiber verursacht werden, durch den Controller auf ein Minimum reduziert oder entfernt werden.
Ein dritter Satz von Lichtquellen kann entlang einer dritten Lichtquellenachse vorgesehen sein. Eine Linse kann neben jeder Lichtquelle vorgesehen sein, um der Strömung kollimiertes Licht zu liefern. Ringförmige Lichtdetektoren werden dann bevorzugt gegenüber den Lichtquellen plaziert, um die von den ausgewählten Teilchen in der Strömung erzeugte Vorwärtswinkelstreuung (FALS – forward angle scattering) zu messen. Jeder des ersten, zweiten und dritten Satzes von Lichtquellen enthält bevorzugt ein Array von Lasern, wie etwa auf einem gemeinsamen Substrat hergestellten oberflächenemittierenden Lasern (VCSEL – vertical cavity surface emitting lasers). Jeder des ersten, zweiten und dritten Satzes von Lichtdetektoren enthalten bevorzugt ein Array von Photodetektoren wie etwa p-i-n-Photodioden, GaAs-Photodioden mit integrierten FET-Schaltungen, Resonanzhohlraum-Photodetektoren (RCPD – resonant cavity photo detectors) oder einem beliebigen anderen geeigneten Lichtdetektor.
Die ausgewählten Teilchen sind bevorzugt weiße Neutrophilen- und/oder Lymphozyten-Blutkörperchen. Durch Untersuchen des Streuprofils jedes Teilchens identifiziert und zählt das tragbare Zytometer der vorliegenden Erfindung bevorzugt die Neutrophilen und Lymphozyten in einer Blutprobe und liefern eine deutliche Infektionswarnung mit Differenzierung zwischen viralen und bakteriellen Ursachen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung und viele der damit einhergehenden Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres, wenn selbige durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen in den Figuren davon gleiche Teile bezeichnen, besser verstanden wird. Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht eines veranschaulichenden tragbaren Zytometers gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Ansicht des veranschaulichenden tragbaren Zytometers von 1;
3 ein detaillierteres Schemadiagramm, das das tragbare Zytometer von 2 mit der noch nicht gedrückten Abdeckung zeigt;
4 ein ausführlicheres Schemadiagramm, das das tragbare Zytometer von 2 mit der gedrückten Abdeckung zeigt;
5 ein Schemadiagramm, das einen veranschaulichenden manuellen Fluidtreiber mit Ballon und Rückschlagventil zeigt;
6 ein Graph, der eine Proportionaldrucksteuerung eines adressierbaren Arrays von Mikroventilen zeigt;
7 ein Schemadiagramm, das die Formation einer Strömung durch den Hydrodynamikfokussierungsblock 88 von 3 zeigt;
8 ein Schemadiagramm, das ein Array von Lichtquellen und ein Array von Lichtdetektoren zur Analyse des Kernstroms 160 von 7 zeigt;
9 ein Graph, der die entlang der Lichtquellenachse von 8 erzeugte Lichtintensität zeigt;
10 ein Schemadiagramm, das ein veranschaulichendes Lichtquellen- und -detektor-Paar von 8 zeigt;
11 ein Schemadiagramm, das drei separate Arrays von Lichtquellen und Detektoren zeigt, jeweils entlang einer anderen Lichtquellenachse positioniert, die relativ zu der Mittelflußachse der Strömung von 7 geringfügig gedreht ist;
12 ein Schemadiagramm, das ein veranschaulichendes Lichtquellen- und -detektor-Paar des in 11 gezeigten ersten Arrays zeigt;
13 ein Schemadiagramm, das ein veranschaulichendes Lichtquellen- und -detektor-Paar des in 11 gezeigten zweiten Arrays zeigt;
14 ein Schemadiagramm, das ein veranschaulichendes Lichtquellen- und -detektor-Paar des in 11 gezeigten dritten Arrays zeigt; und
15 eine Perspektivansicht einer veranschaulichenden Ausführungsform des tragbaren Zytometers der vorliegenden Erfindung, ausgelegt, um das Handgelenk herum getragen zu werden.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 ist eine Perspektivansicht eines veranschaulichenden tragbaren Zytometers gemäß der vorliegenden Erfindung. Das tragbare Zytometer ist allgemein bei 10 gezeigt und enthält ein Gehäuse 12 und eine entfernbare oder austauschbare Patrone 14. Das veranschaulichende Gehäuse 12 enthält eine Basis 16, eine Abdeckung 18 und ein Gelenk 20, das die Basis 16 an der Abdeckung 18 anbringt. Die Basis 16 enthält ein Array von Lichtquellen 22, assoziierte Optik und die erforderliche Elektronik für den Betrieb des Zytometers. Die Abdeckung 12 enthält ein manuelles Unterdrucksetzungselement, Druckkammern mit Steuermikroventilen und ein Array von Lichtdetektoren 24 mit assoziierter Optik.
Die entfernbare Patrone 14 empfängt bevorzugt ein Probefluid über einen Probesammlerport 32. Eine Kappe 38 kann verwendet werden, um den Probesammlerport 32 zu schützen, wenn sich die entfernbare Patrone 14 nicht in Gebrauch befindet. Die entfernbare Patrone 14 führt bevorzugt eine Blutverdünnung, ein Red-Cell-Lysing und hydrodynamische Fokussierung zur Kernformation durch. Die entfernbare Patrone 14 kann ähnlich den von Micronics Technologies erhältlichen Fluidkreisen konstruiert sein, von denen einige unter Verwendung einer laminierten Struktur mit geätzten Kanälen hergestellt werden.
Die entfernbare Patrone 14 wird in das Gehäuse eingesetzt, wenn sich die Abdeckung 18 in der offenen Position befindet. Die entfernbare Patrone 14 kann Durchgänge 26a und 26b zum Aufnehmen von Registrierungsstiften 28a und 28b in der Basis 16 enthalten, die beim Bereitstellen einer Ausrichtung und Kopplung zwischen den verschiedenen Teilen des Instruments helfen. Die entfernbare Patrone 14 enthält bevorzugt auch ein transparentes Strömungsfenster 30, das sich in Ausrichtung auf das Array der Lichtquellen 22 und Lichtdetektoren 24 befindet. Wenn die Abdeckung in die geschlossene Position bewegt wird und das System unter Druck gesetzt wird, liefert die Abdeckung 18 gesteuerte Drücke an Druckaufnahmeports 34a, 34b und 34c in der entfernbaren Patrone 14 über Druckbereitstellungsports 36a, 36b bzw. 36c.
Um einen Test einzuleiten, wird die Abdeckung 18 angehoben und eine neue Patrone 14 wird auf der Basis 16 plaziert und registriert. Eine Blutprobe wird in den Probensammler 32 eingeleitet. Die Abdeckung 18 wird geschlossen, und das System wird manuell unter Druck gesetzt. Das Instrument führt, nachdem es unter Druck gesetzt worden ist, eine Zytometriemessung weißer Blutkörperchen durch. Die entfernbare Patrone 14 sorgt für Blutverdünnung, Red-Cell-Lysing und Hydrodynamikfokussierung zur Kernformation. Die Lichtquellen 22, Lichtdetektoren 24 und assoziierte Steuer- und Verarbeitungselektronik führen ein Differenzieren und Zählen weißer Blutkörperchen auf der Basis von Lichtstreusignalen durch. Anstatt eine angelenkte Konstruktion für das Gehäuse 12 zu verwenden, wird in Betracht gezogen, daß ein gleitender Patronenschlitz oder eine beliebige andere geeignete Konstruktion verwendet werden kann.
2 ist eine schematische Ansicht des veranschaulichenden tragbare Zytometers von 1. Wie oben kann die Basis 16 ein Array von Lichtquellen 22, assoziierte Optik enthalten und enthält auch die erforderliche Steuerungs- und Verarbeitungselektronik 40 für den Betrieb des Zytometers. Die Basis 16 kann auch eine Batterie 42 zum Bestromen des Zytometers enthalten. Die Abdeckung 12 ist so gezeigt, daß sie ein manuelles Unterdrucksetzungselement 44, Druckkammern 46a, 46b und 46c mit Steuermikroventilen und ein Array von Lichtdetektoren 24 mit assoziierter Optik aufweist.
Die entfernbare Patrone 14 kann ein Probefluid über den Probensammlerport 32 empfangen. Bei Unter-Druck-Setzung durch die Abdeckung 18 kann die entfernbare Patrone 14 eine Blutverdünnung, Red-Cell-Lysing und Hydrodynamikfokussierung zur Kernformation in einer bevorzugten Ausführungsform durchführen. Nach dem Ausformen ist der Kern stromabwärts eines Strömungswegs 50 vorgesehen, der das Strömungsfenster 30 von 1 passiert. Das Array von Lichtquellen 22 und assoziierte Optik in der Basis liefern Licht durch den Kernstrom über das Strömungsfenster 30. Das Array von Lichtdetektoren und assoziierte Optik empfangen gestreutes und ungestreutes Licht von dem Kern, ebenfalls über das Strömungsfenster 30. Der Controller oder Prozessor 40 empfängt Ausgangssignale von dem Array von Detektoren und differenziert und zählt ausgewählte weiße Blutkörperchen, die in dem Kernstrom vorliegen.
Es wird in Betracht gezogen, daß die entfernbare Patrone 14 einen Fluidsteuerblock 48 enthält, der die Geschwindigkeit jedes der Fluide steuert. In der veranschaulichenden Ausführungsform enthält der Fluidsteuerblock 48 Strömungssensoren zum Erfassen der Geschwindigkeit der verschiedenen Fluide und meldet die Geschwindigkeiten an den Controller oder Prozessor 40. Der Controller oder Prozessor 40 kann dann die mit Druckkammern 46a, 46b und 46c assoziierten Mikroventile justieren, um die gewünschten Drücke und somit die gewünschten Fluidgeschwindigkeiten für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Zytometers zu erzielen.
Weil Blut und anderer biologischer Abfall Krankheiten verbreiten kann, weist die entfernbare Patrone 14 bevorzugt einen Abfallbehälter 52 hinter dem Strömungsfenster 30 auf. Der Abfallbehälter 52 empfängt und speichert das Fluid der Strömung in der entfernbaren Patrone 14. Wenn ein Test abgeschlossen ist, kann die entfernbare Patrone entfernt und entsorgt werden, bevorzugt in einem Behälter, der mit biologischem Abfall kompatibel ist.
3 ist ein detaillierteres Schemadiagramm, das das tragbare Zytometer von 2 mit der noch nicht heruntergedrückten Abdeckung 18 zeigt. 4 ist ein detaillierteres Schemadiagramm, das das tragbare Zytometer von 2 mit heruntergedrückter Abdeckung zeigt. Die Abdeckung 18 ist so gezeigt, daß sie ein manuelles Unterdrucksetzungselement 14, Druckkammern 46a, 46b und 46c und allgemein bei 60 gezeigte Steuermikroventile aufweist. Das Array aus Lichtquellen und Detektoren sind nicht in diesen Figuren gezeigt.
Es gibt drei Druckkammern 46a, 46b und 46c, eine für jedes unter Druck zu setzende Fluid. In der veranschaulichenden Ausführungsform liefert Druckkammer 46a Druck an einen Blutprobenbehälter 62, Druckkammer 46b liefert Druck an einen Lysebehälter 64, und Druckkammer 4bc liefert Druck an einen Mantelbehälter 66. Größe und Gestalt jeder Druckkammer 46a, 46b und 46c können darauf zugeschnitten sein, dem entsprechenden Fluid die gewünschte Druckcharakteristik zu geben.
Druckkammer 46a enthält eine erste Druckkammer 70 und eine zweite Druckkammer 72. Ein erstes Ventil 74 ist zwischen der ersten Druckkammer 70 und der zweiten Druckkammer 72 vorgesehen, um den Druck in der ersten Druckkammer 70 steuerbar an eine zweite Druckkammer 72 abzuführen. Ein zweites Ventil 76, in Fluidkommunikation mit der zweiten Druckkammer 72, läßt den Druck in der zweiten Druckkammer 72 steuerbar ab. Jedes Ventil ist bevorzugt ein Array von elektrostatisch betätigten Mikroventilen, die individuell adressiert und gesteuert werden können, wie beispielsweise in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 09/404,560, mit dem Titel „ADDRESSABLE VALVE ARRAYS FOR PROPORTIONAL PRESSURE OF FLOW CONTROL" beschrieben, und durch Bezugnahme hier aufgenommen. Die Druckkammern 46b und 46c enthalten ähnliche Ventile, um die auf den Lyse-Behälter 64 bzw. den Hüllbehälter 66 angelegten Drücke zu steuern. Alternativ kann jedes Ventil ein Array von elektrostatisch betätigten Mikroventilen sein, die mit einem steuerbaren Tastverhältnis impulsmodelliert sind, um eine gesteuerte „effektive" Fluß- oder Leckrate zu erzielen.
Die entfernbare Patrone 14 weist Druckaufnahmeports 34a, 34b und 34c zum Aufnehmen der gesteuerten Drücke von der Abdeckung 18 auf. Die gesteuerten Drücke werden an den Blutbehälter 62, den Lysebehälter 64 und den Hüllbehälter 66 geliefert, wie gezeigt. Der Lysebehälter 64 und der Hüllbehälter 66 werden bevorzugt gefüllt, bevor die entfernbare Patrone 14 für den Gebrauch versandt wird, während der Blutbehälter 62 vom Probensammlerport 32 gefüllt wird. Eine Blutprobe kann dem Probensammlerport 32 bereitgestellt werden, und durch Kapillarwirkung wird die Blutprobe in den Blutbehälter 62 gesorgt. Sobald sich die Blutprobe in dem Blutbehälter 62 befindet, kann die Abdeckung 18 gesteuert und das System unter Druck gesetzt werden.
Ein Strömungssensor ist in-line mit jedem Fluid vor der hydrodynamischen Fokussierung vorgesehen. Jeder Strömungssensor 80, 100 und 102 mißt die Geschwindigkeit des entsprechenden Fluids. Die Strömungssensoren sind bevorzugt Strömungssensoren vom Hitzedrahtanemometertyp, und besonders bevorzugt Strömungssensoren vom Mikrobrückentyp. Mikrobrückenströmungssensoren werden beispielsweise in US-Patent Nr. 4,478,076, US-Patent Nr. 4,478,077, US-Patent Nr. 4,501,144, US-Patent Nr. 4,651,564, US-Patent Nr. 4,683,159, und US-Patent Nr. 5,050,429 beschrieben, die alle durch Bezugnahme hier aufgenommen sind. Ein Ausgangssignal von jedem Strömungssensor 80, 100 und 102 wird an den Controller oder Prozessor 40 geschickt.
Der Controller oder Prozessor 40 öffnet das erste Ventil 74, wenn die Geschwindigkeit der Blutprobe unter einen ersten vorbestimmten Wert abfällt, und öffnet das zweite Ventil 76, wenn die Geschwindigkeit der Blutprobe über einen zweiten vorbestimmten Wert ansteigt. Die Ventile 84, 86, 94 und 96 arbeiten auf ähnliche Weise, um die Geschwindigkeiten der Lysefluide und Hüllströme zu steuern.
Während des Betriebs und, um das System unter Druck zu setzen, wird das manuelle Unterdrucksetzungselement 44 heruntergedrückt. Bei dem gezeigten Beispiel enthält das manuelle Unterdrucksetzungselement 44 drei Kolben, wobei jeder Kolben innerhalb einer entsprechenden einen der ersten Druckkammern aufgenommen ist. Die Kolben erzeugen einen relativ hohen Nicht-Präzisionsdruck in den ersten Druckkammern. Niedrigere, gesteuerte Drücke werden in den Sekundärkammern aufgebaut durch Öffnen der ersten Ventile 70, 84 und 94, die ein steuerbares Leck in die Sekundärkammern produzieren. Wenn sich in den Sekundärdruckkammern zuviel Druck aufbaut, werden die entsprechenden Ablaßventile 76, 86 und 96 geöffnet, um den Druck zu entlasten.
Wenn die Abdeckung 18 geschlossen wird, werden die normalerweise offenen ersten Ventile 74, 84 und 94 geschlossen, während die Ablaßventile 76, 86 und 96 offen sind. Wenn ein vorbestimmter Druck P in den ersten Druckkammern erreicht wird, werden die Ablaßventile 76, 86 und 96 geschlossen, und die ersten Ventile 74, 84 und 94 werden geöffnet, um einen niedrigeren Druck P' in den Sekundärdruckkammern aufzubauen. Den gesteuerten Druck in den Sekundärdruckkammern liefern die erforderlichen Drücke an den Fluidkreis der entfernbaren Patrone 14, um einen Fluidfluß für Blut, Lyse und Hülle zu produzieren. Die Geschwindigkeit des Fluidflusses wird dann durch die nachgeschalteten Strömungssensoren 80, 100 und 102 gemessen. Jeder Strömungssensor liefert ein Ausgangssignal, das von dem Controller oder Prozessor 40 verwendet wird, um den Betrieb des entsprechenden ersten Ventils und Ablaßventils zu steuern, um eine gewünschte und konstante Strömungsrate für jedes Fluid zu erhalten.
Allgemein bei 110 gezeigte nachgeschaltete Ventile können ebenfalls vorgesehen sein. Der Controller oder Prozessor 40 kann nachgeschaltete Ventile 110 schließen, bis das System unter Druck gesetzt ist. Dies kann verhindern helfen, daß Blut, Lyse und Hülle in den Fluidkreis fließen, bevor der Kreis unter Druck gesetzt ist. Bei einer weiteren Ausführungsform werden nachgeschaltete Ventile 110 durch mechanische Aktion geöffnet, wenn die Abdeckung geschlossen wird.
5 ist ein Schemadiagramm, das einen veranschaulichenden manuellen Fluidtreiber mit einem Ballon 100 und einem Rückschlagventil 102 zeigt. Das Rückschlagventil 102 ist bevorzugt ein Einwegeventil, das Luft in die erste Druckkammer 104 läßt, aber nicht heraus. Wenn der Ballon 100 heruntergedrückt wird, wird die Luft in dem Inneren 106 des Ballons 100 durch das Rückschlagventil 102 und in die erste Druckkammer 104 gedrückt. Bevorzugt ist ein weiteres Einwegeablaßventil 105 vorgesehen, das Luft aus der Atmosphäre hereinläßt, aber nicht aus dem Inneren 106 des Ballons 100. wenn der Ballon freigegeben wird, kann somit das Einwegeablaßventil 105 gestatten, daß Austauschluft in den Ballon 100 strömt.
Anstatt einen manuell betriebenen Fluidtreiber zu verwenden, wird in Betracht gezogen, daß eine beliebige relativ kleine Druckquelle verwendet werden kann, einschließlich beispielsweise einer elektrostatisch betätigten Meso-Pumpe. Eine derartige Meso-Pumpe wird beispielsweise in dem US-Patent Nr. 5,836,750 an Cabuz beschrieben, das durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
6 ist ein Graph, der eine von einem 8 × 7-adressierbaren Array von Mikroventilen erzeugte Proportionaldrucksteuerung zeigt. Zum Anlegen des in 7 gezeigten Graphen wurden 6,5 psi an eine erste Druckkammer 120 angelegt. Eine kleine Öffnung wurde zu einer zweiten Druckkammer 122 bereitgestellt. Die Mikroventile sind bei 124 gezeigt, und lassen den Druck in der zweiten Druckkammer 122 ab. Durch Ändern der Anzahl adressierbarer Mikroventile, die geschlossen werden, kann der Druck in der zweiten Druckkammer geändert und gesteuert werden. In dem gezeigten Graphen könnte der Druck in der zweiten Druckkammer 122 von etwa 0,6 psi, wenn keines des 8 × 7-Arrays von Mikroventilen geschlossen ist, auf etwa 6,5 psi geändert werden, wenn alle des 8 × 7-Arrays von Mikroventilen geschlossen sind. Mit diesen mikromaschinell hergestellten Siliciummikroventilen geringer Leistung können Drücke von bis zu 10 psi und darüber hinaus gesteuert werden.
7 ist ein Schemadiagramm, das die Formation einer Strömung und Kern durch den Hydrodynamikfokussierungsblock 88 von 3 zeigt. Der Hydrodynamikfokussierungsblock 88 empfängt Blut, Lyse und Hülle bei gesteuerten Geschwindigkeiten von dem Fluidtreiber. Das Blut wird mit der Lyse gemischt, was bewirkt, daß die roten Blutkörperchen entfernt werden. Dies wird oftmals als Red-Cell-Lysing bezeichnet. Die zurückbleibenden weißen Blutkörperchen werden herunter an ein zentrales Lumen 150 geschickt, das von einem Hüllstrom umgeben ist, um eine Strömung 50 zu erzeugen. Die Strömung 50 enthält einen Kernstrom 160, der von dem Hüllstrom 152 umgeben ist. Die Abmessungen des Kanals sind wie gezeigt reduziert, so daß die weißen Blutkörperchen 154 und 156 sich in einer einzelnen Reihe befinden. Die Geschwindigkeit des Hüllstroms beträgt bevorzugt das etwa 9-fache dessen des Kernstroms 160. Die Geschwindigkeiten des Hüllstroms und des Kernstroms 160 bleiben jedoch ausreichend niedrig, um einen laminaren Fluß in dem Flußkanal aufrechtzuerhalten.
Licht-Emitter 22 und assoziierte Optiken sind bevorzugt neben einer Seite der Strömung 50 vorgesehen. Lichtdetektoren 24 und assoziierte Optiken sind auf einer anderen Seite der Strömung 50 vorgesehen zum Emfangen des Lichts von den Licht-Emittern 22 über die Strömung 50. Die Ausgangssignale von den Lichtdetektoren 24 werden an den Controller oder Prozessor 40 geliefert, in dem sie analysiert werden, um ausgewählte weiße Blutkörperchen in dem Kernstroms 160 zu identifizieren und/oder zu zählen.
8 ist ein Schemadiagramm, das ein Array von Lichtquellen und ein Array von Lichtdetektoren zur Analyse des Kernstroms 160 von 7 zeigt. Die Lichtquellen sind als „+"-Zeichen gezeigt, und die Detektoren sind als Kästchen gezeigt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Array von Lichtquellen neben einer Seite der Strömung 50 vorgesehen, und das Array von Lichtdetektoren ist neben der gegenüberliegenden Seite der Strömung vorgesehen. Jeder der Lichtdetektoren ist bevorzugt auf eine entsprechende der Lichtquellen ausgerichtet. Das Array von Lichtquellen und das Array von Lichtdetektoren sind entlang einer Lichtquellenachse 200 angeordnet gezeigt, die relativ zu der Achse 202 der Strömung 50 geringfügig gedreht ist.
Bei dem Array von Lichtquellen handelt es sich bevorzugt um ein Array von Lasern wie etwa oberflächenemittierenden Lasern (VCSEL – Vertical Cavity Surface Emitting Lasers), die auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt sind. Wegen ihrer vertikalen Emission sind VCSELs ideal zur Verkapselung in kompakten Instrumenten, wie etwa einem tragbaren Zytometer, geeignet. Bevorzugt sind die VCSELs „rote" VCSELs, die bei Wellenlängen arbeiten, die unter den herkömmlichen 850 nm liegen, und besonders bevorzugt in dem Bereich 670 n bis 780 nm. Rote VCSELs können eine Wellenlängen-, Leistungs- und Polarisationscharakteristik aufweisen, die für Streumessungen ideal geeignet ist.
Einige Zytometer-Tischmodelle nach dem Stand der Technik verwenden einen einzelnen kantenemittierenden 9 mW-Laser mit einer Wellenlänge von 650 nm. Der Strahl wird auf eine 10 × 100-Mikrometer-längliche-Gestalt fokussiert, um die Umbestimmtheit bei der Teilchenposition aufgrund einer Fehlausrichtung und Breite des Kernstroms abzudecken. Im Gegensatz dazu liegt die Ausgangsleistung der roten VCSELs der vorliegenden Erfindung, die bei 670 nm arbeiten, in der Regel bei 1 mW für einen 10 × 10-Mikrometer-Emitter und eine Beabstandung von 100 Mikrometer. Somit kann die Gesamtintensität des Lichts von einem geraden Array aus 10 roten VCSELs im wesentlichen gleich der einiger Tischmodelle nach dem Stand der Technik sein.
Die Verwendung eines geraden Arrays von Lasern, unter einem Winkel bezüglich der Fluflachse 202 orientiert, bietet eine Reihe wichtiger Vorteile gegenüber der Konfiguration des Stands der Technik mit einzelner Lichtquelle. Beispielsweise kann ein gerades Array von Lasern dazu verwendet werden, die seitliche Ausrichtung des Wegs der Teilchen in den Kernstrom zu bestimmen. Eine Quelle der Ungewißheit bei der Ausrichtung des Teilchenstroms ist die Breite des Kernflusses, was zu statistischen Fluktuationen bei der Teilchenwegposition führt. Diese Fluktuationen können anhand einer Analyse der Detektordaten bestimmt und von dem Controller oder Prozessor 40 zum Justieren der Ventile des Fluidtreibers verwendet werden, um die relativen Drücke zu ändern, die auf das Probefluid und die unterstützenden Fluide ausgeübt werden, um die Ausrichtung der ausgewählten Teilchen in der Strömung zu ändern.
Zur Bestimmung der seitlichen Ausrichtung der Zellen in der Strömung 50 durchlaufen die Zellen mehrere von dem geraden Array aus VCSELs erzeugten fokussierten Flecken. Die Zellen erzeugen einen Abfall in dem Signal der entsprechenden In-line-Referenzdetektoren. Anhand der relativen Stärken der Signale bestimmt der Controller oder Prozessor 40 die Mitte des Teilchenwegs und ein Maß der Teilchenbreite.
Zum Bestimmen von Teilchenweg und -größe werden die Laser bevorzugt auf eine Reihe von Gausschen Flecken (Intensität in der Größenordnung von 1000 W/cm²) in der Ebene des Kernflusses fokussiert. Die Flecken weisen bevorzugt etwa die gleiche Größe wie ein weißes Blutkörperchen auf (10–12 μm). Veranschaulichende Gaussche Flecken sind in 9 gezeigt. Arrays von Detektoren und ihre Fokussierungsoptiken sind auf der entgegengesetzten Seite der Strömung vorgesehen. Linsen mit recht großen F-Zahlen werden verwendet, um einen Arbeitsraum von mehreren hundert Mikrometern für die Zytometersektion der entfernbaren Patrone bereitzustellen.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung eines geraden Arrays von Lasern anstatt einer Konfiguration mit einem einzelnen Laser besteht darin, daß die Geschwindigkeit jeder Zelle bestimmt werden kann. Die Teilchengeschwindigkeit kann ein wichtiger Parameter beim Schätzen der Teilchengröße aus Lichtstreusignalen sein. Bei der herkömmlichen Zytometrie wird die Teilchengeschwindigkeit aus den Pumpflußraten extrapoliert. Eine Einschränkung bei diesem Ansatz besteht darin, daß die Pumpen sehr präzise sein müssen, die Toleranz der Zytometerflußkammern streng gesteuert sein muß, keine Fluidausfälle wie etwa Lecks auftreten können, und keine Hindernisse wie etwa Mikroblasen eingeführt werden können, um die Fluß- oder Kernformation zu stören.
Zum Bestimmen der Geschwindigkeit jeder Zelle kann das System die Zeit messen, die jede Zelle erfordert, um zwischen zwei benachbarten oder aufeinanderfolgenden Flecken zu passieren. Beispielsweise und unter Bezugnahme auf 8 kann eine Zelle Detektor 208 und dann Detektor 210 passieren. Indem die Zeit gemessen wird, die die Zelle benötigt, um sich von Detektor 208 zu Detektor 210 zu bewegen, und bei Kenntnis der Entfernung von Detektor 208 zu Detektor 210 kann der Controller oder Prozessor 40 die Geschwindigkeit der Zelle berechnen. Dies wäre eine ungefähre Geschwindigkeitsmessung. Dies wird oftmals als eine Flugzeitmessung bezeichnet. Nachdem die Geschwindigkeit bekannt ist, kann die Laufzeit durch den Fleck, auf dem das Teilchen zentriert ist (einige wenige Mikrosekunden) ein Maß für Teilchenlänge und -größe liefern.
Es wird in Betracht gezogen, daß die Teilchengeschwindigkeit auch dazu verwendet werden kann, den Fluidtreiber steuern zu helfen. Um die Größe, Kosten und Komplexität der vorliegenden Erfindung zu reduzieren, kann die austauschbare Patrone von 1 aus einem Kunststofflaminat oder Formteilen hergestellt werden. Wenngleich solche Herstellungstechniken preiswerte Teile liefern können, sind sie in der Regel weniger formstabil und wiederholbar, mit asymmetrischen Abmessungen und Querschnitten mit breiterer Toleranz. Diese breiteren Toleranzen können Variationen bei der Teilchengeschwindigkeit erzeugen, insbesondere von Patrone zu Patrone. Um diese breiteren Toleranzen kompensieren zu helfen, kann der Controller oder Prozessor 40 anhand der oben erörterten Flugzeitmessung die auf dem Blut-, Lyse- und Hüllfluidstrom ausgeübten gesteuerten Drücke derart justieren, daß die Teilchen in dem Kernstrom eine relativ konstante Geschwindigkeit aufweisen.
Zur weiteren Auswertung der Zellgröße wird in Betracht gezogen, daß Laserstrahlen sowohl entlang des Zellwegs als auch über den Zellweg hinweg fokussiert werden können. Außerdem können mehrere Proben über die Zelle auf Texturmerkmale analysiert werden, um morphologische Merkmale zu anderen Zelltypen zu korrelieren. Dadurch kann man mehrere Parameter über Zellgröße erhalten, die das Trennen von Zelltypen voneinander unterstützen helfen können.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines geraden Arrays von Lasern anstatt einer Konfiguration mit einer einzelnen Schicht besteht darin, daß über den Flußkanal hinweg eine relativ konstante Lichtbeleuchtung bereitgestellt werden kann. Bewerkstelligt wird dies durch Überlappen der Gausschen Strahlung von benachbarten VCSELs, wie in 9 gezeigt. Bei Einlasersystemen nach dem Stand der Technik variiert die Lichtbeleuchtung über den Flußkanal hinweg über den Kanal hinweg. Wenn sich ein Teilchen nicht in der Mitte des Flußkanals befindet, kann die Genauigkeit nachfolgender Messungen somit verringert sein.
Zur Durchführung der oben beschriebenen Messungen kann jeder Detektor in 8 ein einzelner In-Line-Detektor sein. Zum Messen der FALS- und SALS-Streuung jedoch kann jeder Detektor weiterhin zwei, wie in 10 gezeigt, um den In-Line-Detektor herum angeordnete Ringdetektoren enthalten. Unter Bezugnahme auf 10 ist gezeigt, daß ein VCSEL 218 Licht in einer Aufwärtsrichtung liefert. Das Licht wird durch eine Linse 220 geliefert, die das Licht zu einem Gausschen Fleck in der Ebene des Kernflusses fokussiert. Die Linse 220 kann eine Mikrolinse oder dergleichen sein, die entweder von dem VCSEL 218 getrennt oder in diesen integriert ist. Das Licht tritt durch den Kernfluß hindurch und wird von einer anderen Linse 222 wie etwa einem beugenden optischen Element empfangen. Linse 222 liefert das Licht an den In-Line-Detektor 226 und Ringdetektoren 228 und 230. Der In-Line-Detektor 226 detektiert das Licht, das von den Teilchen in dem Kernstrom nicht signifikant gestreut wird. Der Ringdetektor 228 detektiert das Vorwärtsstreulicht (FALS – forward scatter), und der Ringdetektor 230 detektiert das Kleinwinkelstreulicht (SALS – small angle scatter).
11 zeigt eine weitere veranschaulichende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die drei separate Arrays von Lichtquellen und Lichtdetektoren enthält. Jedes Array von Lichtquellen und Lichtdetektoren sind entlang einer anderen Lichtquellenachse positioniert, die relativ zu der mittleren Flußachse der Strömung geringfügig gedreht ist. Indem drei Arrays verwendet werden, kann die mit jedem Array assoziierte Optik für eine bestimmte Anwendung oder Funktion optimiert werden. Für das Detektieren der Kleinwinkelstreuung (SALS) ist Laserlicht wünschenswert, das gut auf der Ebene des Kernflusses fokussiert ist. Zum Detektieren einer Vorwärtsstreuung (FALS) ist kollimiertes Licht wünschenswert.
Spezifisch unter Bezugnahme auf 11 ist bei 300 ein erstes Array von Lichtquellen und Lichtdetektoren gezeigt. Die Lichtquellen und Lichtdetektoren sind in einem geraden Array entlang einer ersten Lichtquellenachse angeordnet. Die erste Lichtquellenachse ist relativ zur Flußachse der Strömung gedreht. Die Lichtquellen und Lichtdetektoren können ähnlich den oben bezüglich 8 beschriebenen sein, und werden bevorzugt beispielsweise zum Messen der seitlichen Ausrichtung der Zellen in der Strömung, der Teilchengröße und der Geschwindigkeit der Teilchen verwendet.
12 ist ein Schemadiagramm, das ein in 11 gezeigtes veranschaulichendes Lichtquellen- und -detektor-Paar des ersten Arrays 300 zeigt. Ein VCSEL 302 ist so gezeigt, daß er Licht in einer Aufwärtsrichtung liefert. Das Licht wird durch eine Linse 304 geschickt, die das Licht auf einen Gausschen Fleck in der Ebene des Kernflusses fokussiert. Das Licht tritt durch den Kernfluß hindurch, und wird von einer anderen Linse 306 aufgenommen. Die Linse 306 liefert das Licht an den In-Line-Detektor 308. Der In-Line-Detektor 308 detektiert das Licht, das von den Teilchen in dem Kernstrom nicht signifikant gestreut wird.
Ein zweites Array von Lichtquellen und Lichtdetektoren ist bei 310 gezeigt. Die Lichtquellen sind in einem geraden Array entlang einer zweiten Lichtquellenachse angeordnet, die relativ zu der Flußachse der Strömung gedreht ist. Die Lichtdetektoren enthalten drei gerade Arrays aus Lichtdetektoren, Ein Array von Lichtdetektoren ist in einer Linie mit dem geraden Array von Lichtquellen positioniert. Die anderen beiden geraden Arrays von Lichtdetektoren sind auf beiden Seiten des In-Line-Arrays von Lichtdetektoren plaziert und werden zum Messen der durch ausgewählte Teilchen in der Strömung produzierten Kleinwinkelstreuung (SALS) verwendet.
13 ist ein Schemadiagramm, das eine veranschaulichende Lichtquelle und entsprechende Detektoren des in 11 gezeigten zweiten Arrays zeigt, Ein VCSEL 320 ist so gezeigt, daß er Licht in einer Aufwärtsrichtung liefert. Das Licht wird durch eine Linse 322 geliefert, die das Licht auf einen Gausschen Fleck in der Ebene des Kernflusses fokussiert. Das Licht tritt durch den Kernfluß hindurch, und wird von einer anderen Linse 324, wie etwa einem beugenden optischen Element (DOE – diffractive optical element) 324 aufgenommen. Die Linse 324 liefert das Licht an den In-Line-Detektor 326 und die beiden entsprechenden Lichtdetektoren 328 und 330, die auf beiden Seiten des In-Line-Lichtdetektors 326 plaziert sind.
Der In-Line-Detektor 326 kann zum Detektieren des Lichts verwendet werden, das von den Teilchen in dem Kernstrom nicht signifikant gestreut wird. Somit kann das gerade In-Line-Array aus Lichtdetektoren des zweiten Arrays 302 dazu verwendet werden, die gleichen Messungen wie das In-Line-Array von Detektoren des ersten Arrays 300 bereitzustellen. Die Messungen beider In-Line-Arrays von Detektoren können verglichen oder kombiniert werden, um ein genaueres Ergebnis zu erhalten. Alternativ oder zusätzlich können die In-Line-Detektoren des zweiten Arrays 302 als ein redundanter Satz von Detektoren verwendet werden, um die Zuverlässigkeit des Zytometers zu verbessern.
Es wird in Betracht gezogen, daß die In-Line-Detektoren des zweiten Arrays 302 auch in Verbindung mit den In-Line-Detektoren des ersten Arrays 300 verwendet werden können, um die Flugzeit oder Geschwindigkeit der Teilchen in der Strömung genauer zu bestimmen. Die Messung kann genauer sein, weil der Abstand zwischen Detektoren größer sein kann. Wie oben angedeutet können bei Kenntnis der Geschwindigkeit der Teilchen kleine Variationen in der Flußrate, die durch den Fluidtreiber verursacht werden, durch den Controller auf ein Minimum reduziert oder entfernt werden.
Lichtdetektoren 328 und 330 von 13 werden zum Messen der von ausgewählten Teilchen in der Strömung erzeugten Kleinwinkelstreuung (SALS) verwendet. Die Lichtdetektoren 328 und 330 sind deshalb bevorzugt ausreichend von dem In-Line-Detektor 326 beabstandet, um die durch ausgewählte Teilchen in der Strömung erzeugte Kleinwinkelstreuung (SALS) abzufangen.
Wieder unter Bezugnahme auf 11 ist ein drittes Array von Lichtquellen und Lichtdetektoren 350 bevorzugt bereitgestellt, um die durch ausgewählte Teilchen in der Strömung erzeugte Vorwärtswinkelstreuung (FALS) zu messen. Die Lichtquellen sind in einem geraden Array entlang einer dritten Lichtquellenachse angeordnet, die relativ zu der Flußachse der Strömung gedreht ist. Jede Lichtquelle weist bevorzugt einen entsprechenden Lichtdetektor auf, und jeder Lichtdetektor ist bevorzugt ringförmig mit einem unempfindlichen Gebiet oder einem separaten In-Line-Detektor in der Mitte. Die ringförmigen Lichtdetektoren sind bevorzugt so bemessen, daß sie die durch ausgewählte Teilchen in der Strömung erzeugte Vorwärtswinkelstreuung (FALS) abfangen und detektieren.
14 ist ein Schemadiagramm, das ein veranschaulichendes Lichtquellen- und -detektor-Paar des dritten Arrays von Lichtquellen und Lichtdetektoren 350 zeigt, in 11 gezeigt. Ein VCSEL 360 ist so gezeigt, daß er Licht in einer Aufwärtsrichtung liefert. Das Licht wird durch eine Linse 362 wie etwa eine kollimierende Linse geliefert, die im wesentlichen kollimiertes Licht an den Kernfluß liefert. Wie oben angedeutet, ist kollimiertes Licht für das Detektieren von Vorwärtsstreulicht (FALS) wünschenswert. Das Licht tritt durch den Kernfluß hindurch und wird von einer anderen Linse 364 aufgenommen. Die Linse 364 liefert das aufgenommene Licht an den ringförmigen Detektor 368.
Der ringförmige Detektor 378 ist bevorzugt so bemessen, die durch ausgewählte Teilchen in der Strömung erzeugte Vorwärtswinkelstreuung (FALS) abzufangen und zu detektieren. Ein unempfindliches Gebiet oder ein separater In-Line-Detektor 370 kann in der Mitte des ringförmigen Detektors 368 vorgesehen sein. Wenn ein separater In-Line-Detektor 370 vorgesehen ist, kann er dazu verwendet werden, die gleiche Messung wie die In-Line-Detektoren des ersten Arrays 300 und/oder zweiten Arrays 302 zu liefern. Die Messungen von allen drei In-Line-Arrays von Detektoren aus erstem Array 300, zweitem Array 302 und drittem Array 350 können, wenn sie so geliefert werden, verglichen oder kombiniert werden, damit man ein noch genaueres Ergebnis erhält.
Die In-Line-Detektoren des dritten Arrays 302 können auch als andere Ebene oder Redundanz verwendet werden, um die Zuverlässigkeit des Zytometers zu verbessern.
Es wird in Betracht gezogen, daß die In-Line-Detektoren des dritten Arrays 350 auch in Verbindung mit den In-Line-Detektoren des ersten Arrays 300 und/oder zweiten Arrays 302 verwendet werden können, um die Flugzeit oder Geschwindigkeit der Teilchen in der Strömung genauer zu bestimmen. Die Messung kann genauer sein, weil der Abstand zwischen Detektoren größer sein kann. Wie oben angedeutet, können bei Kenntnis der Geschwindigkeit der Teilchen durch den Fluidtreiber verursachte kleine Variationen bei der Flußrate von dem Controller auf ein Minimum reduziert oder entfernt werden.
Indem drei separate Arrays von Lichtquellen und Detektoren verwendet werden, kann die mit jedem Array assoziierte Optik für die gewünschte Anwendung optimiert werden. Wie zu sehen ist, ist die mit dem ersten Array 300 assoziierte Optik so ausgelegt, daß sie gut fokussiertes Laserlicht auf die Ebene des Kernflusses liefert. Dies hilft, eine Auflösung hinsichtlich Ausrichtungs-, Größen- und Teilchengeschwindigkeitsmessungen bereitzustellen, die von dem ersten Array 300 vorgenommen werden. Gleichermaßen ist die mit dem zweiten Array 302 assoziierte Optik so ausgelegt, daß sie gut fokussiertes Laserlicht auf die Ebene des Kernflusses liefert. Gut fokussiertes Licht ist wünschenswert, wenn die von ausgewählten Teilchen in der Strömung produzierte Kleinwinkelstreuung (SALS) gemessen wird. Schließlich ist die mit dem dritten Array 350 assoziierte Optik so ausgelegt, daß sie kollimiertes Licht an den Kernfluß liefert. Wie oben angegeben, ist kollimiertes Licht wünschenswert, wenn eine von ausgewählten Teilchen in der Strömung produzierte Vorwärtswinkelstreuung (FALS) gemessen wird.
15 ist eine Perspektivansicht einer veranschaulichenden Ausführungsform des tragbaren Zytometers der vorliegenden Erfindung, ausgelegt dafür, um das Handgelenk herum getragen zu werden. Das tragbare Zytometer ist bei 400 gezeigt, und kann ähnlich dem in 1 gezeigten sein. Ein Band 402 sichert das tragbare Zytometer 400 am Handgelenk eines Benutzers.
Wie oben angegeben, kann der Benutzer eine entfernbare Patrone erhalten und eine Blutprobe an den Probensammlerport 32 (siehe 1) der entfernbaren Patrone liefern. Die Blutprobe kann beispielsweise durch einen Stich in den Finger gesammelt werden. Der Benutzer kann dann die entfernbare Patrone in das Gehäuse einsetzen, und das System manuell unter Druck setzen. Das tragbare Zytometer kann dann einen Meßwert liefern, der angibt, ob sich der Benutzer medizinisch behandeln lassen sollte. Der Meßwert kann ein visueller Meßwert, ein hörbarer Ton oder ein beliebiger anderer geeigneter Indikator sein.
Anstatt die Blutprobe durch einen Stich in einen Finger oder dergleichen zu erhalten, wird in Betracht gezogen, daß ein Katheder 404 oder dergleichen in eine Vene des Benutzers eingeführt werden und an dem Probensammlerport 32 angebracht werden kann. Dies kann dem System gestatten, eine Blutprobe automatisch immer dann von dem Benutzer zu sammeln, wenn ein Meßwert erwünscht ist. Alternativ wird in Betracht gezogen, daß das tragbare Zytometer in den Benutzer implantiert werden kann, wobei der Probensammlerport 32 an eine geeignete Blutversorgung angeschlossen ist.
Nachdem somit die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, versteht der Fachmann ohne weiteres, daß die hierin angetroffenen Lehren auf noch weitere Ausführungsformem innerhalb des Schutzbereichs der hier beigefügten Ansprüche angewendet werden können.

Claims

Tragbares Zytometer (10) zum Identifizieren und/oder Zählen ausgewählter Teilchen in einem Probefluid, umfassend: einen Fluidempfänger (32) zum Aufnehmen des Probefluids; mindestens einen Behälter (64) zum Speichern eines oder mehrerer unterstützender Fluide; einen Fluidkreis (88) zum Aufnehmen des Probefluids und des einen oder der mehreren unterstützenden Fluide von dem Fluidtreiber und zum Ausbilden einer Strömung (50); Lichtbereitstellungsmittel (22) zum Bereitstellen eines Lichts durch die Strömung (50); Lichtempfangsmittel (24) zum Empfangen des Lichts von der Strömung (50) und zum Bereitstellen mindestens eines Signals als Reaktion darauf und Verarbeitungsmittel (40) zum Empfangen des mindestens einen Signals von den Lichtempfangsmitteln (24) und zum Identifizieren und/oder Zählen ausgewählter Teilchen darin, einen Non-Precision-Fluidtreiber, der an den Fluidempfänger (32) und den mindestens einen Behälter (64) gekoppelt ist, dadurch gekenn zeichnet, daß der Non-Precision-Fluidtreiber in der Lage ist, getrennte Drücke an das Probefluid und an das eine oder die mehreren unterstützenden Fluide anzulegen, um eine Fluidgeschwindigkeit an jedes des Probefluids und des einen oder der mehreren unterstützenden Fluide bereitzustellen; an den Fluidtreiber gekoppelte Ventilmittel (74) zum Regeln der getrennten Drücke, die an das Probefluid und das eine oder die mehreren unterstützenden Fluide angelegt werden; mindestens einen Durchflußsensor (80) zum Messen der Fluidgeschwindigkeit des Probefluids und des einen oder der mehreren von dem Fluidtreiber bereitgestellten unterstützenden Fluide; an die Ventilmittel (74) und an den mindestens einen Durchflußsensor (80) gekoppelte Steuermittel (40) zur Regelung der Ventilmittel (74) im geschlossenen Kreislauf derart, daß die Fluidgeschwindigkeiten des Probefluids und jedes des einen oder der mehreren unterstützenden Fluide sich auf gewünschten Niveaus befinden.
Tragbares Zytometer (10) nach Anspruch 1, wobei das Verarbeitungsmittel (40) die Geschwindigkeit ausgewählter Teilchen in der Strömung (50) identifiziert.
Tragbares Zytometer (10) nach Anspruch 1, wobei das Verarbeitungsmittel (40) die Größe ausgewählter Teilchen in der Strömung (50) identifiziert.
Tragbares Zytometer (10) nach Anspruch 1, wobei das Verarbeitungsmittel (40) die Ausrichtung ausgewählter Teilchen in der Strömung (50) identifiziert.
Tragbares Zytometer nach Anspruch 1, umfassend: eine entfernbare Patrone (14) zum Aufnehmen des Probefluids und zum Vorbereiten des Probefluids zur Analyse einschließlich Durchführen einer hydrodynamischen Fokussierung zum Ausbilden einer Strömung (50) mit einem Kernstrom (160) von Teilchen, wobei die Patrone (14) den Fluidempfänger (32) und einen oder mehrere Druckaufnahmeports (34) zum Aufnehmen eines oder mehrerer gesteuerter Drücke aufweist; ein Gehäuse (12), das dafür ausgelegt ist, die entfernbare Patrone (14) aufzunehmen, wobei das Gehäuse (12) folgendes aufweist den Non-Precision-Fluidtreiber zum Anlegen eines gesteuerten Drucks an den einen oder die mehreren Druckaufnahmeports (34) der entfernbaren Patrone (14), die neben der Strömung der entfernbaren Patrone (14) positionierten Lichtbereitstellungsmittel (22). zwei oder mehr neben der Strömung der entfernbaren Patrone (14) vorgesehene Lichtaufnahmemittel (24) zum Aufnehmen des Lichts von der Strömung (50) und zum Bereitstellen mindestens eines Signals als Reaktion darauf.
Tragbares Zytometer nach Anspruch 5, wobei die entfernbare Patrone (14) folgendes enthält den mindestens einen Behälter (64) zum Speichern eines oder mehrerer unterstützender Fluide.
Tragbares Zytometer nach Anspruch 5, wobei: das Lichtbereitstellungsmittel (22) eine erste Menge von Lichtquellen (302) enthält, die entlang einer Lichtquellenachse (200) positioniert sind, die relativ zu der Flußmittelachse (202) der Strömung (50) versetzt ist, Licht von der ersten Menge von Lichtquellen auf eine Mittelebene fokussiert wird, die die Mittelachse der Strömung (50) enthält; und das Lichtaufnahmemittel (24) eine erste Menge von Lichtdetektoren (308) enthält, um Licht von der ersten Menge von Lichtquellen (302) aufzunehmen, nachdem das Licht durch die Strömung (50) hindurchtritt.
Tragbares Zytometer nach Anspruch 7, wobei die erste Menge von Lichtquellen (302) und die erste Menge von Lichtdetektoren (308) dazu verwendet werden, die Ausrichtung des Flusses von ausgewählten Teilchen relativ zu der Breite der Strömung (50), die Geschwindigkeit von ausgewählten Teilchen in der Strömung (50) und/oder die Größe von ausgewählten Teilchen in der Strömung (50) zu detektieren.
Verfahren zum Analysieren ausgewählter Teilchen in einem Fluidstrom, wobei das Verfahren folgendes umfaßt manuelles Erzeugen eines unpräzisen Drucks, gekennzeichnet durch das Erzeugen eines gesteuerten Drucks von dem manuell erzeugten unpräzisen Druck, Bereitstellen eines Flusses zu einem Fluidstrom unter Verwendung des gesteuerten Drucks, Einstellen des gesteuerten Drucks entsprechend einer Geschwindigkeit des Flusses des Fluidstroms und Analysieren der ausgewählten Teilchen in dem Fluidstrom.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Analysierungsschritt das Bestimmen der von den ausgewählten Teilchen in der Strömung (50) erzeugten Kleinwinkelstreuung (SALS – small angle scattering) und der von den ausgewählten Teilchen in der Strömung (50) erzeugten Vorwärtswinkelstreuung (FALS – forward angle scattering) umfaßt.