СИСТЕМА И СПОСОБ ОБРАБОТКИ МАТРИЦЫ МОДУЛЕЙ ОБРАБОТКИ ПРОБ
SYSTEM AND METHOD FOR PROCESSING MATRIX OF SAMPLE PROCESSING MODULES

Перекрестные ссылки на родственные заявки
Данная обычная заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 62/424 313, поданной 18 ноября 2016 г., полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
Настоящая заявка, как правило, относится к заявке на патент США № 15/217202, озаглавленной «Система молекулярно-диагностического анализа», поданной 22 июля 2016 г., которая полностью включена в настоящее описание посредством ссылки для всех целей.
Уровень техники
Настоящее изобретение относится к области струйных элементов для проведения множественных химических или биохимических реакций и для проведения множественных химических и/или биохимических анализов. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системе обработки для устройств, выполненных с возможностью проведения множественных химических и/или биохимических реакций и обнаружения множества химических и/или биохимических соединений.
Современные методики диагностики заболеваний, обнаружения патогенных микроорганизмов, обнаружения генов, разработки лекарственных средств и различные генетические технологии и исследования все в большей степени основываются на обработке большого количества биологических проб. Традиционные способы обработки проб становились все более неадекватными, и одновременно постоянно возрастала потребность в проведении анализов большого объема проб, особенно в последние годы. Следовательно, существует потребность в химических/биохимических реакционных системах и устройствах, которые выполняют анализы с высокой пропускной способностью.
Обычные высокопроизводительные способы могут включать в себя использование микроматриц, таких как DNA микроматрица, которая обычно представляет собой двумерную матрицу DNA молекул, зафиксированных на твердой панели на его поверхности. DNA микроматрица может служить полезной платформой в качестве устройства обнаружения мультиплексирования. Например, каждый элемент матрицы имеет уникальную DNA последовательность, которую используют для распознавания или обнаружения уникальной комплементарной DNA последовательности в подготовленной пробе флюида. Данные DNA микроматрицы в корне изменили традиционные подходы наблюдения одного или нескольких генов, или молекул во время наблюдений путей, структур и забора большого объема генов и пулов молекул. Такие чипы DNA микроматрицы, доступные в настоящее время, обычно работают на основе гибридизации целевых DNA или RNA молекул из пробы флюида в фазе раствора с DNA-зондом (например, олигонуклеотиды или сDNA) молекул, иммобилизованными на твердых панелях матрицы. Однако, данные матрицы не обеспечивают быстрого экономически эффективного способа обнаружения низкокопийных мишеней, которые могут указывать на наличие инфекционного заболевания или другого патогенного состояния, которое чаще всего выявляется с использованием способов определения чувствительности, таких как PCR в реальном времени. PCR система в реальном времени обнаруживает PCR продукты по мере их накопления в PCR процессе и позволяет повысить скорость и эффективность проведения анализа, но этим системам обычно требуется подготовка проб в виде «партии», что приводит к задержке обработки некоторых проб до тех пор, пока не будет собрано их достаточное количество, чтобы сделать весь процесс более экономичным, но это приводит к увеличению длительности цикла обработки. Такие задержки и увеличение затрат приводят к снижению эффективности и общему увеличению расходов на медицинское обслуживание.
Процесс подготовки проб представляет собой еще одну стандартную операцию, которая снижает скорость обработки больших объемов диагностических исследований. Хотя во многих таких системах требуется отдельная обработка пробы флюида перед ее введением в анализатор PCR в реальном времени, в последние годы были достигнуты успехи в обеспечении автоматической подготовки проб, которая координируется с PCR-анализом в реальном времени в рамках одного анализатора или системы. Одним из таких устройств является устройство GeneXpert, разработанное Cepheid, как описано, например, в патентах США 8 048 386; 6 374 684 и заявках на патент США 13/843 739 и 15/217 920, каждая из которых включена в настоящий документ посредством ссылки.
Существующие Cepheid системы предоставляются конечному пользователю в виде отдельных модулей или небольшой системы сгруппированных модулей или крупномасштабных систем. Доступные в настоящее время небольшие системы обеспечивают замкнутую полость, которая включает в себя небольшое количество модулей, например, 2, 4, 8 или 16 модулей, в то время как крупномасштабные системы могут обеспечить 48 или 80 модулей. Небольшие системы хорошо подходят для небольших операций, но не могут обеспечить высокую пропускную способность крупномасштабных операций, таких как лаборатория или испытательная установка.
Хотя коммерчески доступные большие системы, включающие в себя Cepheid Infinity 48 и 80 системы, обеспечивают более высокую пропускную способность диагностического тестирования, такие системы являются чрезвычайно большими и, как правило, требуют больших помещений, имеющие дверные проемы негабаритных размеров, которые позволяют устанавливать такие системы в таких помещениях. Данные типы помещений обычно находятся в чистом помещении больницы или лаборатории и, как правило, должны быть специально построены или изменены для обеспечения возможности доставки и установки системы. Это может потребовать значительных капитальных затрат, в дополнение к существенным затратам на покупку системы, что может препятствовать установке высокопроизводительных аналитических систем в некоторых диагностических центрах тестирования и лабораториях. Такие системы также имеют чрезвычайно большие габаритные размеры и, поскольку предоставление площади помещения в таких объектах может вызвать затруднения и являться дорогостоящим мероприятием без замены существующего оборудования или персонала, некоторые медицинские учреждения используют малоразмерные системы или несколько небольших систем, которые часто не могут удовлетворить требования по высокой пропускной способности. Упомянутые недостатки могут привести к задержкам или чрезмерно увеличенному времени ожидания аналитических результатов. Например, таким учреждениям может потребоваться от одного до трех дней (или более), чтобы сообщить о запрашиваемом диагностическом тесте пациенту или врачу с момента первого забора пробы, даже если соответствующий диагностический анализ может занять всего несколько часов. Аналогичные недостатки, вызванными задержками, имеют системы, использующие обработку «партий». Такие задержки являются не приемлемыми, особенно, при попытке диагностировать угрожающие жизни заболевания или обследовать лиц, подвергающихся воздействию вспышки патогена или заболевания, когда неоправданные задержки или изоляция могут привести к летальному исходу и увеличивать общие расходы на медицинское обслуживание.
Таким образом, существует потребность в высокопроизводительной системе обработки, которая позволяет обрабатывать большой объем проб более эффективным и целесообразным способом. Кроме того, в настоящее время необходимо использовать такие высокопроизводительные системы обработки, которые можно было бы применять совместно с существующими средствами тестирования, в случаях, когда наличие доступа, пространства и затрат представляют особую значимость.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к системам, устройствам и способам высокопроизводительной обработки для обработки больших объемов биологических проб и, в частности, к системам для проведения диагностических анализов, как подробно описано в различных вариантах осуществления, представленных в данном документе.
В некоторых вариантах осуществления изобретение предоставляет высокопроизводительную систему обработки множества биологических проб, причем каждая проба находится в соответствующем картридже множества картриджей для диагностического анализа. Система может включать в себя опорный узел матрицы, выполненный с возможностью поддерживать множество модулей диагностического анализа в матрице, имеющей, по меньшей мере, два измерения, обычно цилиндрическую матрицу. В некоторых вариантах осуществления матрица имеет форму, отличную от цилиндрической, например, матрица может иметь эллиптическую, шестиугольную, восьмиугольную или другие геометрические конфигурации, подходящие для использования с изобретением. Каждый модуль диагностического анализа включает в себя систему для диагностического анализа, выполненную с возможностью принимать картридж для диагностического анализа и выполнять диагностический анализ на биологической пробе внутри картриджа. Система может дополнительно включать в себя загрузчик, выполненный с возможностью загружать каждый из множества картриджей для диагностического анализа в модуле диагностического анализа в матрице. Опорный узел матрицы выполнен с возможностью перемещаться относительно загрузчика, так что картридж можно загружать в любой из модулей в матрице путем перемещения загрузчика относительно матрицы. В некоторых вариантах осуществления матрица представляет собой цилиндрическую матрицу, которая вращается вдоль своей продольной оси, и механизм загрузчика перемещается вертикально в подъемнике, смежном с цилиндрической матрицей.
В некоторых вариантах осуществления изобретение обеспечивает способы обработки множества биологических проб с помощью высокопроизводительной системы обработки. Такие способы могут включать в себя: прием множества картриджей для диагностического анализа в высокопроизводительной системе обработки; и загрузку загрузчиком каждого из множества картриджей для диагностического анализа в соответствующий модуль диагностического анализа из множества модулей диагностического анализа в опорном узле матрицы, определяющей матрицу, имеющий, по меньшей мере, два измерения. Каждый модуль включает в себя систему для диагностического анализа, выполненную с возможностью принимать картридж для диагностического анализа из множества и выполнять диагностический анализ биологической пробы в соответствующем картридже. Загрузка может включать в себя перемещение опорного узла матрицы относительно загрузчика таким образом, чтобы картридж для диагностического анализа загружался в любой из модулей диагностического анализа в пределах матрицы путем перемещения матрицы совместно с загрузчиком. В некоторых вариантах осуществления матрица представляет собой цилиндрическую матрицу, ограниченную внешней оболочкой, и способы могут дополнительно включать в себя охлаждение микросреды матрицы путем нагнетания воздуха вверх через открытый центральный столбец и направления охлаждающего воздуха через каждый ряд матрицы с одной или больше перегородками между рядами матрицы внутри внешней оболочки.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1А представляет общий вид высокопроизводительной системы обработки для выполнения обработки и диагностических анализов большого объема потока проб в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
Фиг. 1B показывает схему, иллюстрирующую модуль диагностического анализа и картридж (картриджи) для диагностического анализа в высокопроизводительной системе обработки по фиг.1А, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 1C показывает в разобранном виде высокопроизводительную систему обработки, показанную на фиг. 1А, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 1D показывает сборку модулей диагностического анализа, вставляемую в круговой уровень матрицы высокопроизводительной системы обработки по фиг. 1А, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 1Е показывает опорный узел и исполнительные механизмы вращения, чтобы облегчить вращение уровня матрицы высокопроизводительной системы обработки по фиг. 1А, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 1F показывает в разобранном виде опорный узел по фиг. 1Е, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.1G показывает вид в разобранном виде узла подъемника высокопроизводительной системы обработки по фиг. 1А, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.1H показывает в разобранном виде основания и дорожки для загрузки высокопроизводительной системы обработки по фиг. 1А, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.2А-2В изображает лаборанта, помещающего картриджи для диагностического анализа в очередь для обработки в высокопроизводительной системе обработки, имеющей матрицу модулей диагностического анализа, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.2С показывает пару картриджей для диагностического анализа, удерживаемых внутри зажима, поднимаемого в подъемнике системы, для облегчения размещения одного из картриджей в модуле диагностического анализа матрицы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.2D показывает пару картриджей для диагностического анализа, удерживаемых внутри зажима, опускаемого в подъемнике для удаления использованного картриджа в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.2E изображает сотрудника, помещающего картридж для диагностического анализа в очередь на дорожке для загрузки и удаляющий приемник для отходов с основания системы, заполненной отработанными картриджами, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.3А-3С показывают виды сверху и сбоку, иллюстрирующие относительные размеры матрицы в сборе и основания, которые позволяют транспортировать матрицу в сборе с демонтированной рабочей поверхностью через дверной проем стандартного размера в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.3D показывает вид сверху матрицы в сборе с удаленным счетчиком в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.3Е и 3F показывают вид сверху и вид сбоку, соответственно, высокопроизводительной системы обработки с устройством подготовки картриджей, которое подготавливает и автоматически загружает подготовленные картриджи для диагностического анализа на дорожку для загрузки в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 4 иллюстрирует высокопроизводительную систему обработки с транспортной тележкой с регулируемой высотой, поддерживающей съемную матрицу в сборе, от основания системы, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 5-6 иллюстрируют подробный вид подъемника и загрузчика для зажима пары картриджей для диагностического анализа, чтобы облегчить загрузку и/или выгрузку из модулей диагностического анализа матрицы, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.7 иллюстрирует специализированный приемник для отходов, приспособленный для использования с высокопроизводительной системой обработки для сбора отработанных картриджей, которая включает в себя дополнительную крышку и дивертер, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.8А иллюстрирует вид в поперечном разрезе высокопроизводительной системы обработки для иллюстрации встроенной системы охлаждения для управления теплопередачей через матрицу модулей диагностического анализа во время работы, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.8B иллюстрирует вид в поперечном разрезе высокопроизводительной системы обработки с системой охлаждения, в которой приточные вентиляторы встроены в основание, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.8C показывает высокопроизводительную систему обработки с внешним воздухоохладителем, соединенным с воздухозаборником основания, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.9 иллюстрирует вид в поперечном разрезе высокопроизводительной системы обработки для иллюстрации модульной конструкции каждого уровня матрицы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.10 иллюстрирует высокопроизводительную систему обработки с матрицей модулей диагностического анализа в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.11-12 иллюстрируют способы выполнения подготовки проб с использованием высокопроизводительной системы обработки в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.13 показывает сравнение времени обработки систем в соответствии с вариантами осуществления изобретения по сравнению с коммерчески доступными системами.
Фиг.14А-14D показывают альтернативные варианты осуществления модульных матриц и дорожек для загрузки, используемых в высокопроизводительных системах обработки, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Подробное описание
Настоящее изобретение в целом относится к системам, устройствам и способам для обеспечения высокой производительности при анализе/тестировании биологических проб, как подробно описано в различных вариантах осуществления, описанных в данном документе. В системе используют матрицу модулей диагностического анализа, которые могут перемещаться относительно загрузчика, чтобы обеспечить одновременную обработку большого объема биологических проб флюида, принятых в картриджи для диагностического анализа в пределах матрицы модулей. В некоторых вариантах осуществления каждый модуль диагностического анализа способен выполнять подготовку пробы, а также диагностический анализ пробы флюида внутри расположенного в нем картриджа для диагностического анализа. Как правило, модули диагностического анализа могут работать независимо, так что обработка в каждом модуле выполняется отдельно друг от друга. Хотя в некоторых вариантах осуществления модули являются идентичными, понятно, что матрица также может включать в себя модули разных типов. Такая конфигурация является преимущественной, поскольку отдельные модули можно удалять/заменять и обслуживать по мере необходимости, не оказывая неблагоприятного воздействия или не требуя разборки других модулей или механизмов.
Эти и другие аспекты могут быть дополнительно поняты со ссылкой на различные варианты осуществления, показанные на следующих чертежах и описанные в тексте.
На фиг. 1А изображена высокопроизводительная система 100 обработки, имеющая опорный узел 130 матрицы, который поддерживает матрицу модулей 30 диагностического анализа. В этом варианте осуществления каждый модуль сконфигурирован с одинаковыми функциями и возможностями для обработки пробы флюида внутри вставленного и принятого картриджа 10 для диагностического анализа. В этом варианте осуществления матрица представляет собой цилиндрическую матрицу, имеющую четыре круговых ряда, причем каждый ряд поддерживает 25 модулей 30 диагностического анализа, так что вся система 100 включает в себя 100 независимых модулей. Могут быть использованы различные другие конфигурации, имеющие больше или меньше рядов, или больше или меньше модулей на ряд. Система 100 включает в себя два подъемника 120 для облегчения загрузки и выгрузки картриджей 10 из модулей 30 матрицы. Каждый подъемник включает в себя загрузчик 20, выполненный с возможностью разъемного удержания картриджа для диагностического анализа и размещения картриджа в любом из доступных модулей 30 и/или для удаления отработанного картриджа 10 из любого из модулей 30 после обработки, подлежащего удалению. Хотя этот вариант осуществления включает в себя два таких подъёмника, можно использовать больше или меньше подъёмников. Преимущественно, вся матрица из 100 картриджей может быть загружена в течение около 10 минут одним подъёмником и может быть загружена менее чем за семь минут с использованием двух подъёмников. Вышеописанная конфигурация обеспечивает пропускную способность и скорость обработки, которые значительно улучшены по сравнению с традиционными системами обработки. Каждый цилиндрический ряд может вращаться вдоль продольной оси матрицы, и подъёмник перемещается между рядами матрицы, обычно путем вертикального перемещения. В некоторых вариантах осуществления каждый цилиндрический ряд вращается ступенчато, так что отсек для гнезда для картриджа для диагностического анализа каждого модуля диагностического анализа располагается рядом с подъёмником в течение времени, достаточного для облегчения загрузки и/или выгрузки картриджа, по меньшей мере, в течение секунды или более, обычно несколько секунд (например, 3-5 секунд), в некоторых вариантах осуществления около 10 секунд или более. Такая конфигурация обеспечивает свободный доступ к любому из модулей путем комбинированного перемещения подъёмника и матрицы, так что картриджи для диагностического анализа могут загружаться и выгружаться из модулей 30 значительно быстрее, чем система, имеющая плоскую прямоугольную матрицу приемников для приема таких картриджей. В некоторых вариантах ряды матрицы вращаются отдельно друг от друга, например, смежные ряды могут перемещаться в противоположных направлениях, а в некоторых вариантах каждый ряд может перемещаться в одном и том же направлении, или вся цилиндрическая матрица может фиксироваться и вращаться как единое целое. В некоторых вариантах осуществления не все ряды матрицы вращаются. Например, один ряд матрицы может оставаться неподвижным, в то время как остальные ряды матрицы вращаются (либо вместе, либо в противоположных направлениях).
В некоторых вариантах осуществления модули матрицы работают независимо и электрически и коммуникативно связаны с центральным источником питания и коммуникационной платформой, которые могут быть размещены в основании 160 системы. Основание 160 включает в себя две двери, в которых размещается один или несколько приемников для отходов, в которые после обработки автоматически выгружаются отработанные картриджи для диагностического анализа. Индикатор 162 приемника отходов (например, светодиод) указывает пользователю, что приемник заполнен. Индикатор 162 может гореть в ответ на определение наполнения приемника на основании количества картриджей для диагностического анализа или веса приемника. В некоторых вариантах осуществления индикатор 162 приемника для отходов может указывать различные состояния при заполнении приемника для отходов, например, зеленый/желтый/красный, что соответствует частично пустому/почти полному/полностью заполненному. В некоторых вариантах осуществления индикатор 162 расположен на центральной стойке внутри основания, и ручки дверей являются полупрозрачными, чтобы пользователь мог видеть светодиодный индикатор через ручки. Основание 160 также может включать в себя датчик 163 приближения, который обнаруживает приближение персонала и инициирует вращение погрузочной дорожки для приема картриджей, которые должны быть загружены для анализа. Основание 160 может дополнительно содержать различные органы управления, питания и признаки связи или концентраторы для облегчения скоординированного управления компонентами системы и автоматизации системы. Как показано на фиг.1H, основание может включать в себя контроллер 180, компьютер 181 автоматизации, распределитель 182 питания и концентратор 183 связи (например, концентратор Ethernet). Понятно, что контроллер, компьютер автоматизации и концентратор связи могут включать в себя проводную связь и/или беспроводную связь. Кроме того, такие признаки могут быть централизованы или разделены между несколькими блоками. Например, контроллер 180 может инициировать различные аспекты управления всей системой и осуществлять связь с отдельными контроллерами, ассоциированными с каждым из модулей матрицы.
В некоторых вариантах осуществления каждый модуль 30 диагностического анализа выполнен с возможностью принимать картридж для диагностического анализа, имеющего реакционный сосуд или пробирку, выходящую из картриджа, выполненный с возможностью обнаруживать мишени для нуклеиновой кислоты в тесте амплификации нуклеиновой кислоты (NAAT), например, анализ полимеразной цепной реакции (PCR). Подготовка биологической пробы флюида в таком картридже обычно включает в себя ряд этапов обработки, которые могут включать в себя этапы химической, электрической, механической, термической, оптической или акустической обработки в соответствии с конкретным протоколом. Такие этапы могут использоваться для выполнения различных функций подготовки пробы, таких как захват клеток, лизис клеток, очистка, связывание аналита и/или связывание нежелательного материала. В некоторых вариантах осуществления картридж для диагностического анализа может включать в себя одну или несколько камер, подходящих для выполнения этапов подготовки пробы. Картридж для диагностического анализа, пригодный для использования с изобретением, показан и описан в патенте США № 6374684, озаглавленном «Система контроля и обработки флюида», поданном 25 августа 2000 г., и патенте США № 8048386, озаглавленном «Обработка и контроль флюида». поданной 25 февраля 2002 г., все содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки во всей их полноте для любых целей. Матрицы модулей, описанных в данном документе, могут включать в себя модули в соответствии с тем, что подробно описано в заявке на патент США № 15/217202, озаглавленной «Система молекулярно-диагностического анализа», поданной 22 июля 2016 г. Однако следует понимать, что системы, описанные в данном документе, могут включать в себя различные другие типы модулей и картриджей, а также, как будут известны специалистам в данной области техники.
Неограничивающие примерные способы амплификации нуклеиновых кислот, подходящие для использования с изобретением, включают в себя полимеразную цепную реакцию (PCR), обратную транскриптазу PCR (RT-PCR), лигазную цепную реакцию (LCR), транскрипционно-опосредованную амплификацию (ТМА), амплификацию на основе последовательности нуклеиновых кислот (NASBA) и изотермическую амплификацию. Дополнительные тесты на нуклеиновую кислоту, подходящие для использования с настоящим изобретением, хорошо известны специалистам в данной области. Анализ пробы флюида обычно включает в себя ряд этапов, которые могут включать в себя любой из: оптическое обнаружение, электрическое обнаружение или химическое обнаружение, в соответствии с конкретным протоколом.
На фиг.1В показан такой картридж 10 для диагностического анализа, предназначенный для использования с модулем 30 диагностического анализа в матрице модулей, поддерживаемых опорным узлом 130 матрицы. При использовании модуля 30 отдельно от матрицы в системе 100 пользователь вставляет картридж 10 непосредственно в приемный отсек за дверцей 31. Модуль 30 может быть выполнен с возможностью открывать дверцу 31, когда отсек пуст и модуль 30 готов к выполнению обработки пробы или, когда обработка пробы завершена, для облегчения удаления использованного картриджа. В системе 100 картриджи для диагностического анализа помещают в очередь в пределах дорожки 110 для загрузки, которая вращается вокруг цилиндрической матрицы для транспортировки каждого картриджа 10 в подъемник 120. Затем загрузчик 20 подбирает каждый картридж, подлежащий обработке, и загрузчик переводит вертикально вдоль подъемника к соответствующему ряду модуля, в который загружен картридж. Основные элементы системы 100 показаны в разобранном виде на фиг.1C, на котором проиллюстрированы четыре уровня опорного узла 130 матрицы, каждый из которых имеет несколько диагностических модулей 30, установленных в нем, прозрачную оболочку 135, которая окружает матрицу, чтобы поддерживать чистую среду с контролируемой температурой, два подъемника 120, счетчик 114 и основание 160 с дорожкой 110 для загрузки картриджа. Подъемника 120 могут быть дополнительно поняты, как показаны в разобранном виде на фиг. 1E. В некоторых вариантах осуществления дорожка 110 для загрузки является цилиндрической, но следует понимать, что дорожка 110 для загрузки может иметь любую геометрическую форму, пока дорожка имеет непрерывную поверхность, так что дорожка является непрерывной и рециркулирует.
На фиг.1D показывают отдельный вращающийся уровень опорного узла 130 матрицы, который поддерживает в ней несколько модулей 30 диагностического анализа. Каждый модуль 30 диагностического анализа содержится в направляющей 141, имеющей крышку 142 направляющей с передним отверстием, чтобы обеспечить доступ к загрузочному отсеку соответствующего модуля 30. Направляющая 141 надежно прикреплена к соответствующим опорам в опорном узле 130 матрицы, который показан со ссылкой на фиг.1Е и в разобранном виде опорного узла матрицы, показанного на фиг.1F. Опора включает в себя контактное кольцо, которое включает в себя неподвижный участок 131 контактного кольца в его центре, которая передает энергию и данные через вращающееся соединение, и вращающуюся втулку 137, которая взаимодействует с верхней рамкой 136, которая включает в себя специальные вырезы для сопряжения и надежного соединения прикрепление множества направляющих 141 модулей для поддержки модулей в пределах уровня. Печатная плата 139 (например, PCB) расположена рядом с нижним электрическим интерфейсом с каждым из модулей, когда она установлена в нем. Верхняя рамка 136 соединена с зубчатым колесом 132, который управляется двигателем 134 через приводной механизм 133 с возможностью вращения для обеспечения возможности постепенного вращения каждого уровня, как описано в данном документе. Двигатель 134 может быть серверным двигателем, шаговым двигателем или любым подходящим двигателем. Приводной механизм 133 может быть приводным ремнем, тросом, винтом, зубчатым колесом или любым подходящим приводным механизмом. Движением уровня матрицы можно управлять с помощью контроллера 138. В некоторых вариантах осуществления контроллер 138 может включать в себя управление мощностью и управление частотой вращений двигателя. Ассоциированные компоненты могут включать в себя силовой трансформатор, распределитель электроэнергии и различные компоненты распределения энергии. Перегородка 52 взаимодействует с нижней частью опоры и облегчает контролируемому потоку воздуха проходить через каждый уровень. В некоторых вариантах осуществления перегородка вдоль нижней части каждого уровня отличается между каждым уровнем, чтобы обеспечить постепенное уменьшение потока воздуха между уровнями, обеспечивая больший поток воздуха, где это необходимо.
Система 100 может включать в себя контроллер, который координирует перемещения между различными компонентами системы, описанной в настоящем документе. Например, каждый модуль 30 может взаимодействовать либо напрямую, либо по беспроводной связи с центральным контроллером, так что контроллер может идентифицировать, какие модули 30 пусты, и может направлять подъемник в соответствующий ряд для достижения идентифицированного модуля 30. В некоторых вариантах осуществления каждый модуль взаимодействует с картриджем 10 для диагностического анализа, вставленным в него, посредством ближней радиосвязи (NFC), посредством которой модуль 30 получает идентификатор картриджа, содержащего биологическую пробу флюида, и соответствующий протокол анализа. Аналогично, модуль 30 взаимодействует, когда обработка пробы завершена и картридж готов к извлечению, так что контроллер отправляет загрузчику команду переместиться вдоль подъемника в соответствующее место для удаления отработанного картриджа. Хотя подъемник перемещается по команде в определенное вертикальное положение, опоры ряда матрицы перемещаются с регулярными приращениями (как правило, вращением, достаточным для перемещения следующего смежного столбца диагностического модуля матрицы к подъемнику) через регулярные интервалы (обычно не менее одной секунды или более, чтобы можно было загружать/выгружать диагностический картридж для анализа в модуль или извлекать израсходованные картриджи из модуля). В некоторых вариантах осуществления поддержка матрицы управляется так, чтобы вращаться с большими приращениями, пропуская один или несколько соседних столбцов, что может способствовать более равномерному распределению загруженных модулей. Время загрузки/выгрузки картриджей короткое, учитывая большое количество модулей (обычно 4 ряда x 25 модулей/ряд), модуль с пустым отсеком для загрузки или модуль с отработанным картриджем для выгрузки прибудет в один из подъемников в короткие сроки. Действительно, вся матрица из 100 модулей может быть загружена примерно за 10 минут.
В некоторых вариантах осуществления модули диагностического анализа имеют подсистему связи, которая может включать в себя диагностический компонент. Процессор может быть коммуникативно связан с подсистемой связи и диагностическим компонентом. Процессор может быть сконфигурирован так, чтобы модуль диагностического анализа мог принимать по беспроводной связи, используя подсистему связи, команду от мобильного устройства. Процессор также может быть выполнен с возможностью отправлять по беспроводной связи, используя подсистему связи, команды ответа модуля на мобильное устройство. Процессор также может быть выполнен с возможностью выполнять тест с использованием диагностического модуля. Процессор также может быть выполнен с возможностью отправлять по беспроводной связи, используя подсистему связи, зашифрованную диагностическую информацию (например, медицинскую информацию), указывающую результат теста, на удаленный сервер.
На фиг.2А-2Е показан процесс загрузки картриджей 10 для диагностического анализа в высокопроизводительную систему 100 обработки для обработки в модулях 30 диагностического анализа матрицы и удаления израсходованных картриджей из системы 100.
На фиг. 2А, техник помещает отдельные картриджи 10 для обработки в углубления дорожки 110 для загрузки системы 100, в то время как дорожка для загрузки постепенно поворачивается к подъемнику 120. Загрузчик 20 опускается вдоль вертикального подъемника 120 и зажимает проверяемый картридж 10а. В некоторых вариантах осуществления подъемник включает в себя датчик, который определяет, когда картридж готов к извлечению, так что центральный контроллер может направлять загрузчик 20 для зажима и удержания картриджа 10a на дорожке 110 для загрузки. Если какой-либо из модулей 30 в любом из рядов 130a, 130b, 130c, 130d матрицы пуст, то контроллер подает команду загрузчику 20 выполнить перемещение по подъемнику в любой ряд, имеющий пустой модуль 30. Загрузчик 20 затем загружает картридж 10а диагностического анализа в соответствующий модуль. В этом варианте осуществления загрузчик выполнен с возможностью переворачиваться или поворачиваться таким образом, что загрузчик может одновременно удерживать пару картриджей. Такая конфигурация дополнительно повышает скорость и эффективность, поскольку после загрузки картриджа 10а загрузчик может перевернуться для загрузки другого картриджа или может быть использован для удаления использованного картриджа 10b перед загрузкой картриджа 10а. Чтобы выбросить отработанный картридж 10b, загрузчик 20 опускает и высвобождает отработанный картридж 10b над желобом 116 для отходов, подлежащие сбору, в приемник для отходов в основании 160. Если нет отработанных картриджей для удаления, можно использовать двухсторонний загрузчик 20 для сбора двух картриджей 10а, предназначенные для последовательной загрузки в пустые модули 30, и/или двухсторонний загрузчик можно использовать для сбора двух отработанных картриджей из двух модулей 30 для утилизации.
В некоторых вариантах осуществления контроллер дает команду загрузчику выполнить перемещение в ближайший пустой модуль, хотя в других вариантах осуществления контроллер дает команду загрузчику выполнить перемещение в модуль для более равномерного распределения картриджей в соответствующих модулях матрицы. В некоторых вариантах осуществления контроллер дает загрузчику команду забрать картриджи только для определенного анализа. В некоторых вариантах осуществления все картриджи для определенного типа анализа загружают в конкретный ряд матрицы. В некоторых вариантах осуществления контроллер подает команду загрузчику в соответствии с рядом факторов, которые могут быть объединены или взвешены в соответствии с различными условиями или их комбинациями. Такие условия включают в себя, но не ограничиваются ими: близость, температуру, баланс нагрузки, тепловой баланс, распределение по уровням или в пределах соответствующего уровня, продолжительность анализа или любую их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления система может определять предпочтительный модуль, предпочтительный уровень конкретной матрицы или предпочтительную матрицу для загрузки картриджа на основании одного или нескольких условий или факторов, включающие в себя, но не ограничиваясь этим, любой из описанных в настоящем документе.
На фиг.2В показан другой вид, на котором техник загружает картриджи 10а для диагностического анализа на дорожку 110 для загрузки. Дополнительно, на рабочей поверхности 114 установлена пара кнопок 114е аварийного останова. Понятно, что одна или несколько признаков аварийного останова могут быть размещены в различных других частях системы в качестве альтернативы или в дополнение. Как можно видеть, дорожка 110 для загрузки может включать в себя выемки 111, выполненные с возможностью принимать картриджи. В любом из вариантов осуществления настоящего изобретения дорожка для загрузки может быть непрерывной и/или рециркулирующей. Дорожка для загрузки может быть выполнена с множеством компонентов, которые входят в зацепление с вращающимся кольцом 112 основного корпуса 113, что можно видеть в разобранном виде основания, показанного на фиг.1H. Некоторые варианты осуществления могут использовать рециркуляционную дорожку любого типа, выполненную с возможностью принимать нескольких картриджей. Такие дорожки могут включать в себя нелинейную дорожку, как показано, или линейную дорожку, имеющую рециркулирующую поверхность (например, конвейерную ленту). Такие дорожки могут включать в себя поверхность приема картриджа, которая может включать в себя любое из углубление, выступ, соединительный элемент, крючок, магнит или любой элемент, подходящий для приема картриджа и, при необходимости, для удержания картриджа в определенной ориентации. В качестве альтернативы, дорожка может принимать множество картриджей в любой ориентации, и ориентации впоследствии регулируются с помощью элемента регулировки (например, захват, ориентирующие элементы, поверхности сопряжения или любой подходящий механизм). В некоторых вариантах осуществления дорожка для загрузки может включать в себя независимые подвижные тележки, каждая из которых выполнена с возможностью поддерживать один или нескольких картриджей. В некоторых вариантах осуществления система включает в себя, по меньшей мере, одну кнопку аварийного останова, расположенную на счетчике, которая отключает электропитание на пути загрузки и на подъемнике. В варианте осуществления, показанном на фиг.1H, дорожка для загрузки включает в себя выемки 111, каждая выемка рассчитана на прием соответствующего картриджа. Выемки 111 имеют особые контуры для размещения картриджей в правильном положении и ориентации для облегчения зажима картриджа для диагностического анализа загрузчиком 20. В некоторых вариантах осуществления это может быть достигнуто путем использования сопрягающих признаков (например, отверстия/колышки) или выступ или выступы, которые удерживают картриджи в правильном положении и ориентации. В некоторых вариантах дорожка представляет собой непрерывную формованную структуру. В некоторых вариантах осуществления держатели для картриджей не соединены и индивидуально разделены, где каждый держатель содержит только один картридж. В некоторых вариантах осуществления держатели расположены небольшими группами для удержания поднабора картриджей (например, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 или более картриджей). В некоторых вариантах осуществления держатели картриджей могут быть удалены от дорожки для заполнения картриджами от системы, и заполненная стойка затем может быть размещена на дорожке для загрузки на матрице. В некоторых вариантах осуществления система выполнена с возможностью выбирать определенные картриджи из рециркуляционной дорожки для загрузки в матрицу, в то же время позволяя другим картриджам рециркулировать для одного или нескольких проходов загрузчиком для последующей загрузки в матрицу. Такой выбор может быть определен на основании данных, полученных из картриджа, с тем чтобы установить приоритет загрузки, основываясь на одном или нескольких факторах, включая, помимо прочего, любой из: статус поступления, идентификатор пробы, тип пробы, тип анализа и продолжительность анализа.
На фиг.2С показан другой вид загрузчика 20, удерживающего картриджи 10а, 10b. Как можно видеть, загрузчик 20 может перемещаться вдоль подъемника 120 в любой ряд матрицы 130 и может выбрасывать картридж 10b путем опускания и выпуска картриджа в желоб 116, как показано на фиг.2D. Фиг.2E показывает техника, загружающего картриджи 10 в дорожку 110 для загрузки, и в процессе удаления в приемник 60 для отходов, открывая дверцы основания 161, приемник 60 для отходов расположен под желобом 116 для отходов внутри основания 160 для сбора отработанных картриджей. Приемник 60 легко снимается для очистки. В некоторых вариантах осуществления основание 160 включает в себя заслонку 164 для приемника для отходов, предназначенную для предотвращения вставки приемника 60 для емкости, если соответствующая заслонка не открыта и зафиксирована на месте.
Один особенно выгодный аспект вышеописанной конфигурации цилиндрической матрицы состоит в том, что опорный узел 130 матрицы может иметь размеры, подходящие для перемещения матрицы через дверной проем стандартного размера. Это позволяет устанавливать систему 100 практически в любом подходящем месте и не требует увеличенных размеров дверного проема, как необходимое условие для перемещения многих традиционных крупномасштабных систем для анализа. Дополнительно, конфигурация цилиндрической матрицы позволяет существенно уменьшить занимаемую площадь, что позволяет использовать систему в различных местах, поскольку она не требует чрезмерного пространства, как требуется для установки многих традиционных систем. В некоторых вариантах осуществления система 100 (без счетчика) имеет ширину около 34 дюймов или менее и высоту около 74 дюймов или менее. Эти размеры в значительной степени максимизируют вместимость матрицы в сборе, в то же время позволяя легко транспортировать систему через стандартный дверной проем, обычно шириной 80 дюймов и шириной 36 дюймов, даже когда она приподнята от поверхности пола на 1-2 дюйма, например, с помощью транспортной тележки. Размеры основания 160 находятся в приемлемых пределах для транспортировки через стандартный дверной проем. Круглый счетчик 114, который расположен между основанием 160 и матрицей 130, может быть демонтирован и может перемещаться вертикально, если необходимо, например, чтобы уменьшить общую ширину, что позволит перемещать через стандартный дверной проем. В некоторых вариантах осуществления ящик и упаковка, используемые для поддержки инструмента во время транспортировки, могут использоваться в качестве транспортной тележки для перемещения инструмента к его конечному месту назначения в лабораторных или больничных условиях. В некоторых вариантах осуществления ящик и упаковка, которая также используется в качестве транспортной тележки, изготовлена из дерева. Примерные размеры могут быть более понятны со ссылкой на фиг. 3А-3D ниже.
На фиг. 3А-3С показаны виды сверху и сбоку, иллюстрирующие относительные размеры матрицы в сборе. Как видно на фиг.3А система 100 с прикрепленным счетчиком имеет минимальную ширину w. В этом примерном варианте осуществления w составляет около 45,5 дюймов. Как видно на фиг.3B, максимальная ширина W измерена вдоль счетчика 114. В этом варианте осуществления W составляет около 51 дюйма. Как видно на фиг.3С система 100 имеет общую высоту h. В этом варианте осуществления h составляет около 74 дюймов. Как описано ранее, счетчик может быть демонтирован для облегчения доставки и транспортировки системы 100 через дверной проем стандартного размера. Как видно на фиг.3D, в этом варианте осуществления система 100 со снятым счетчиком имеет уменьшенную ширину w'. В этом варианте осуществления w' составляет приблизительно 34 дюйма, что позволяет системе 100 легко проходить через дверной проем стандартного размера. Хотя здесь описаны преимущества определенных размеров, понятно, что другие варианты осуществления могут включать в себя аналогичную систему или компоненты с различными другими размерами в соответствии с любой из концепций, описанных в данном документе. Преимущественно счетчик 114 и дорожка для загрузки таковы, что доступ к системе возможен со всех сторон (например, на 360 градусов), так что картриджи могут быть загружены одним или несколькими сотрудниками с разных направлений. Понятно, что в других вариантах осуществления счетчик 114 и дорожка для загрузки могут быть выполнены с возможностью обеспечивать доступ с менее, чем 360 градусов (например, 270 градусов, 180 градусов или меньше). Как показано на фиг.3А и 3D, рабочая поверхность 114 и система 100 могут быть выполнены в целом круглой формы с одной сплющенной стороной. Это позволяет при необходимости разместить систему у стены. Понятно, что система и рабочая поверхность, однако, могут быть выполнены в любой форме с плоской стороной или без нее, включающую в себя круглую, многоугольную (например, квадратную, шестиугольную и т.д.) или любую желаемую правильную или неправильную форму.
В некоторых вариантах осуществления система может дополнительно включать в себя автоматическое устройство для подготовки картриджа, которое может быть выполнено с возможностью выполнять одно или нескольких предварительных аналитических этапов, которые могут включать в себя такие процессы, как добавление биологической пробы, подлежащей тестированию, в картридж, закрытие крышки картриджа и подготовка картриджа для загрузки в матрицу. За счет использования устройства для подготовки картриджей износ модулей, установленных в матрице, может быть дополнительно уменьшен, как и время работы технического персонала, которое обычно используется для предварительной аналитической обработки картриджа. Устройство для подготовки картриджа может быть дополнительно выполнено с возможностью размещать картридж для диагностического анализа в пределах дорожки для загрузки системы после выполнения предварительной аналитической обработки. На фиг.3Е показан примерный вариант осуществления, в котором система 100 включает в себя устройство 115 для подготовки картриджа, расположенное рядом с дорожкой 110 для загрузки. Как можно видеть на фиг.3F, устройство 115 для подготовки картриджей может включать в себя загрузчик картриджей для размещения подготовленного картриджа 10 на дорожке 110 для загрузки. Понятно, что загрузчик проб устройства 115 для подготовки картриджей может включать в себя механизмы, аналогичные описанным в подъемниках матрицы, или любые подходящие механизмы, как известно специалисту в данной области техники.
В некоторых вариантах осуществления система 100 может включать в себя транспортную тележку 170 для облегчения транспортировки и сборки системы 100 в желаемом месте. Как показано на фиг.4, транспортная тележка 170 может включать в себя подъемник 171, управляемый кривошипом 172, несколько кривошипов или другие подобные механизмы управления пользователем, которые могут включать в себя гидравлические, электрические, пневматические, управляющие или подъемные механизмы, позволяющие поднимать систему 100 с земли и вкатывать в помещение. Транспортная тележка 170 обеспечивает более устойчивый способ перемещения системы 100, что может быть предпочтительным, учитывая малую площадь основания и относительную высоту системы. Этот подход является предпочтительным, поскольку он позволяет доставлять матрицу в сборе 130 и транспортировать ее к месту назначения в виде практически собранного узла, несмотря на его значительный вес и размеры. Съемный счетчик может быть установлен на систему после доставки в пункт назначения. Как правило, основание и матрица в сборе надежно и жестко соединены друг с другом. В некоторых вариантах осуществления матрица в сборе может быть демонтирована с основания для облегчения транспортировки или перемещения и может быть собрана на месте. В некоторых вариантах осуществления основание может включать в себя колеса, позволяющие перемещать или транспортировать систему без какой-либо транспортной тележки.
На фиг. 5-6 изображают подробные виды загрузчика 20 картриджа в подъемнике 120. Как показано на фиг.5, подъемник 120 включает в себя направляющую 121, которая направляет вертикальную каретку 122 перемещаться вертикально, которая приводится в действие и управляется центральным контроллером в ответ на сигнал датчика и/или определение пустых модулей 30 или отработанных картриджей на основании связи с модулями 30. В этом варианте осуществления загрузчик 20 включает в себя два зажима 22, каждый из которых имеет пару контурных губок, которые разнесены друг от друга, чтобы зажать внешние края вдоль передней поверхности под фланцем автоматизации каждого картриджа 10, как показано на чертеже. Два зажима 22 простираются от центрального элемента или вала 21, который вращательно или шарнирно соединен с горизонтальной кареткой 23, которая перемещается вдоль пары стержней 123, проходящих от вертикальной каретки 122 в направлении матрицы 130. Перемещение горизонтальной каретки в сочетании с движением зажимных губок позволяет погрузчику подбирать каждый загружаемый картридж для диагностического анализа, а также помещать картридж 10 в приемный отсек соответствующего модуля 30. Перемещение горизонтальной каретки 23 в направлении направляющей 121 также позволяет погрузчику 20 выравнивать любые отработанные картриджи над желобом 116 для отходов для их удаления, как показано на фиг.6. Эти компоненты могут быть дополнительно поняты со ссылкой на изображение в разобранном виде на фиг.1G.
Подъемник 120 может дополнительно включать в себя один или несколько датчиков для определения близости приближающегося картриджа для диагностического анализа на дорожке для загрузки и получения данных из картриджа перед загрузкой. Например, как показано на фиг.6, датчик 125 приближения, расположенный внутри входа в подъемник 120, обнаруживает приближающийся картридж, который сигнализирует подъемнику забрать картридж. Дополнительно, датчик данных (например, датчик NFC) обнаруживает идентификатор картриджа для диагностического анализа и протокол диагностического анализа для картриджа, который в некоторых вариантах осуществления может использоваться для определения, где картридж должен быть загружен в матрицу. В некоторых вариантах осуществления датчик NFC используется для идентификации данного картриджа. В некоторых вариантах осуществления датчик, используемый для обнаружения картриджа для диагностического анализа, может использовать технологию оптического распознавания (штрихкоды, QR-коды), RFID-метки и инфракрасное (ИК) обнаружение. Дополнительные способы обнаружения датчиков будут хорошо известны специалистам в данной области.
Фиг.7 изображает примерный приемник 60 для отходов, приспособленный для использования с вышеописанной системой. Приемник 60 для отходов имеет специальную форму для размещения в основании 160, так что суженный участок проходит под желобом 116. В некоторых вариантах осуществления приемник 60 для отходов включает в себя основной корпус 61 приемника, который может быть сформирован в различных других формах, например, квадрат, круг, овал и т.д. Приемник 60 для отходов обычно изготавливают из жесткого полимера и может быть выполнен с возможностью повторного использования или для одноразового использования. В некоторых вариантах осуществления приемник 60 для отходов дополнительно включает в себя крышку 63, которая включает в себя концевые клапаны 63a, которые выполнены с возможностью сгибаться вверх относительно основного участка 63b. Концевые клапаны 63а могут дополнительно включать в себя соединительный признак 64а, который взаимодействует с соответствующим соединительным признаком на 64b, чтобы удерживать соответствующий концевой клапан в сложенном вверх положении, что обеспечивает достаточное отверстие для направления отработанных картриджей в приемник для отходов, в то время как крышка остается сверху приемника 60 для отходов. В некоторых вариантах осуществления приемник для отходов может включать в себя заслонку, которая предотвращает вставку контейнера для отходов в основание 160, в случае нахождения заслонки в ненадлежащем положении. Такая крышка особенно полезна, поскольку некоторые диагностические анализы проводятся на биологических пробах флюида, которые могут содержать биологически опасный материал (например, инфекционные отходы или опасные химические вещества), так что следует избегать или сводить к минимуму контакт с отработанными картриджами.
После того, как приемник 60 для отходов достаточно заполнен, его можно извлечь из основания 160, и концевой клапан 63а можно сложить вниз, и всю крышку закрепить и/или закрыть на отверстии внешнего края приемника для отходов, чтобы содержимое могут быть выброшены в запечатанную емкость без необходимости опорожнения приемника для отходов или переноса содержимого. В некоторых вариантах осуществления приемник для отходов может включать в себя дивертер 62, который может включать в себя наклонные части 62a, 62b, чтобы направлять любые выброшенные картриджи в приемник для отходов. В некоторых вариантах осуществления приемник для отходов может включать в себя разделители или может использовать один или несколько одноразовых пакетов, так что дивертер может обеспечить хранение отработанных картриджей, осажденных через первое отверстие, отдельно от отработавших картриджей, осажденные через второе отверстие на противоположном конце. Дивертер 62 может дополнительно включать в себя выступ или гребень 62с вдоль одной или нескольких сторон, чтобы предотвратить предотвращение любой утечки или остатка отработанных картриджей.
При проведении анализов желательно и часто необходимо поддерживать температуру окружающей среды в подходящем диапазоне, чтобы поддерживать функциональные возможности аппаратного обеспечения, целостность анализа и повышать эффективность тестирования. В некоторых вариантах осуществления диапазон рабочих температур окружающей среды для модулей составляет от примерно 10°С до примерно 40°С. При выполнении подготовки проб и диагностических анализов одновременно с большим количеством модулей (например, 100 или более) может выделяться значительное количество тепла. Дополнительно, во многих таких диагностических анализах используют термоциклирование для амплификации целевого аналита в пробе флюида, что может дополнительно способствовать общей выработке тепла. Поскольку повышение температуры может привести к существенному перепаду температур между самым верхним рядом матрицы 130 по сравнению с самым нижним рядом. Таким образом, для поддержания подходящей температуры окружающей среды для каждого модуля матрицы 130 система 100 может включать в себя интегрированную систему охлаждения.
На фиг.8А показано поперечное сечение системы 100, которое показывает конструкцию внутренней системы 150 охлаждения, встроенной в конструкцию матрицы в сборе 130, что подробно описано на фиг.9. Матрица в сборе 130 состоит из четырех уровней, каждый из которых имеет основную круглую рамку 130a, 130b, 130c, 130d. Каждая рама включает в себя признаки для крепления и фиксации модуля 30 к соответствующей раме. Каждый уровень дополнительно спроектирован таким образом, что каждый уровень изолирован или отстранен от другого уровня в отношении потока воздуха. Рамы могут ограничивать открытую центральную колонну, через которую продольная вертикальная ось рамки проходит с отверстиями, смежными с каждым из модулей 30, прикрепленных к раме. Система 150 охлаждения использует эту открытый центральный столбец и отверстия рядом с модулями для нагнетания воздуха через опорный узел 130 матрицы. Опорный узел 130 матрицы заключен в наружную цилиндрическую прозрачную внешнюю оболочку 135, которая защищает модули 30 от грязи и мусора, и позволяет установить параметры микросреды и обеспечивает положительное давление, необходимое для поддержки вокруг опорного узла матрицы. В некоторых вариантах осуществления каждый из подъемников 120 может быть заключен во внешнюю оболочку, которая сливается с внешней цилиндрической оболочкой 135, так что внутренняя часть каждого подъемника открыта для внутренней части цилиндрической оболочки 135. В некоторых вариантах осуществления подъемники открыты для потока воздушного потока на каждом уровне и действуют как «дымоходы» для удаления горячего воздуха из матрицы в сборе.
Один или несколько охлаждающих вентиляторов подают холодный воздух из нижней части матрицы в сборе через открытый центральный столбец и наружу через каждый из модулей 30, до выхода воздуха вверх вдоль внутренней части наружной оболочки 135 и внутри колонн подъемника и наружу через верхнюю часть матрицы в сборе 135. В некоторых вариантах осуществления положительное давление поддерживается внутри матрицы в сборе, по сравнению с окружающей средой. В некоторых вариантах осуществления скорость воздушного потока через открытый центральный столбец составляет около 250 кубических футов в минуту. На фиг.8А показан тракт воздушного потока пунктирными стрелками. Как видно на фиг.8B, единственный вентилятор 50a расположен под открытым центральным столбцом, и один или несколько вспомогательных вентиляторов 50b могут использоваться для обеспечения дополнительного воздушного потока через нижний уровень. В некоторых вариантах осуществления первый уровень 130a не принимает воздух из открытого центрального столбца, поскольку первые отверстия для выхода воздуха в колонне находятся над первой перегородкой 52, таким образом, вспомогательные вентиляторы 50b могут использоваться для направления воздуха через первый уровень 130a. В некоторых вариантах осуществления первые выпускные отверстия для воздуха в колонне расположены ниже первой перегородки 52, что позволяет первому уровню 130а принимать воздух из открытого столбца (не показано). Система 100 может включать в себя впуск 50c холодного воздуха, который питает вентилятор 50a охлаждения столбца, и вспомогательные вентиляторы 50b с подачей воздуха при контролируемой температуре (не показана). Впуск 50c холодного воздуха может включать в себя один или несколько вентиляторов, таких как впускные вентиляторы 50d, 50e и воздушный фильтр 50f. В некоторых вариантах осуществления, например, в системах, имеющих от 50 до 200 модулей, эта конфигурация позволяет поддерживать оптимальный температурный диапазон в микросреде матрицы, пока температура воздуха в воздухозаборнике составляет около 70°F или менее. Таким образом, в помещении с температурой окружающей среды около 70°F, воздухозаборник, открытый для окружающей атмосферы помещения, может быть достаточным для поддержания подходящей среды с регулируемой температурой для матрицы, при условии, что в помещении обеспечен достаточный уровень контроля температуры (например, кондиционер) для поддержания подачи воздуха постоянной температуры. В других вариантах, таких как показанный на фиг.8C, внешний источник 50g холодного воздуха может быть подключен к впускному каналу 50c холодного воздуха, чтобы обеспечить поступление достаточно холодного воздуха независимо от температуры окружающей среды. Такая конфигурация может быть особенно полезна в условиях высокой температуры или неконтролируемой среды.
Поскольку нагретый воздух имеет тенденцию накапливаться в самой верхней части матрицы в сборе, система 150 охлаждения может дополнительно включать в себя перегородки 51, 52, 53, 54, 55 между уровнями рядов, которые выполнены с возможностью направлять и управлять потоком 56 воздуха через сборку. Самая нижняя перегородка 51 простирается внутрь внешней оболочки, так что воздушный поток направляется через открытый центральный столбец и через модули первого ряда. Перегородки 52, 53, 54 отделяют каждый из четырех рядов над первым уровнем так, чтобы холодный воздух, подаваемый через открытый центральный элемент, подавался непосредственно в каждый ряд через открытый центральный столбец. В некоторых вариантах осуществления перегородки 52, 53, 54 имеют меньшие размеры и не проходят полностью до внешней оболочки 135, чтобы позволить потоку нагретого воздуха, проходящего через нижние ряды, перемещаться вверх вдоль внутренней части внешней оболочки 135 в направлении самого верхнего отверстия. Любая из перегородок 51-55 может включать в себя одно или несколько отверстий для облегчения прохождения воздушного потока через перегородку по мере необходимости. В некоторых вариантах осуществления перегородки могут быть выполнены с возможностью стратифицировать уровни и управлять потоком воздуха между уровнями. Самая верхняя перегородка 55 блокирует открытый центральный столбец, но позволяет потоку воздуха проходить через внутреннюю часть внешней оболочки и направлять поток воздуха для выхода из системы из одного или нескольких отверстий вдоль верхней части системы 100. Верхний вентиляционный канал 151 может пропускать воздух вокруг краев и верхних вентиляционных отверстий 152 на подъемниках 120, что позволяет каждому подъемнику действовать как дымоход, вытягивая нагретый воздух с каждого из уровней матрицы.
0
В некоторых вариантах осуществления система включает в себя контроллер температуры, выполненный с возможностью поддерживать температуру окружающей среды матрицы в сборе в диапазоне температур, подходящих для подготовки проб в модулях матрицы. В некоторых вариантах осуществления контроллер температуры выполнен с возможностью поддерживать температуру окружающей среды от примерно 10°С до примерно 40°С, чтобы обеспечивать проведения PCR с модулями диагностического анализа. Предпочтительно, контроллер температуры поддерживает температуру ниже 40C. В некоторых вариантах осуществления диапазон подходящих температур составляет от около 65 до 95 градусов по Фаренгейту. В некоторых вариантах осуществления контроллер температуры поддерживает температуру в пределах предварительно определенной дельты (например, 2 градуса) от целевой температуры. В некоторых вариантах осуществления контроллер температуры поддерживает температуру в пределах 1°С от целевой температуры. Это повышает эффективность анализа, а также согласованность и предсказуемость времени анализа. В некоторых вариантах осуществления контроллер температуры выполнен с возможностью регулировать температуру внешнего воздухоохладителя, который подает воздух к воздухозаборнику. В некоторых вариантах осуществления контроллер температуры выполнен с возможностью регулировать воздушный поток через систему путем регулировки скорости вентилятора (например, ускорения воздушного потока/регулировки воздушного потока между уровнями), при необходимости, для облегчения охлаждения, особенно когда система приближается к уровню производительности. В некоторых вариантах осуществления воздушный поток через систему можно регулировать между уровнями так, чтобы больше воздуха направлялось на уровни, где температура превышает оптимальные уровни. В некоторых вариантах осуществления система дополнительно включает в себя дивертеры, которые могут направлять воздух из открытой центральной колонны в каждый из разных рядов матрицы. Например, дивертеры могут быть сконфигурированы так, чтобы каждый из четырех рядов матрицы каждый принимал около 25% воздушного потока из открытой центральной колонны. В некоторых вариантах осуществления дивертеры могут быть сконфигурированы так, что весь воздушный поток в открытой центральной колонне направляется в конкретный ряд в матрице. В некоторых вариантах осуществления каждый ряд матрицы может принимать в любом месте от, по существу, ни одного (0%) процента объема воздушного потока в открытом центральном столбце до получения, по существу, всего (100%) объема воздушного потока из открытого центрального столбца или где-либо между ними. В некоторых вариантах осуществления процент объема воздушного потока, назначенный конкретному уровню, увеличивается с каждым уровнем в направлении вверх. Это позволяет охлаждать уровни пропорционально количеству тепла, которое накапливается. Например, в примерной конфигурации с четырьмя уровнями самый низкий уровень может принимать от 0 до 10%, следующий более высокий уровень может получать от 10 до 20%, следующий более высокий уровень принимается от 20 до 50%, а самый высокий уровень принимается от 40 до 80% объема воздушного потока. Понятно, что могут быть реализованы различные другие распределения объема воздушного потока между уровнями. Контроллеры температуры могут быть коммуникативно соединены с одним или несколькими датчиками температуры (например, термопарами), расположенными в одном или нескольких местах внутри матрицы, чтобы облегчить улучшенный контроль температуры.
На фиг.9 показан вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий четыре круглые рамки, ограничивающие матрицу в сборе. Каждая из круглых рамок соединена с возможностью вращения внутри сборки и функционально соединена с приводом или приводным механизмом, управляемым контроллером, так что каждая рамка может вращаться, так что каждый ряд матрицы вращается с приращением. Как правило, структура конфигурируется и управляется так, что соседние рамки постепенно вращаются в противоположных направлениях (например, 130а вращается по часовой стрелке, 130b вращается против часовой стрелки, 130с вращается по часовой стрелке, 130d вращается против часовой стрелки или наоборот). Однако следует понимать, что различные другие конфигурации и схемы перемещения находятся в пределах объема изобретения. Питание и связь подается к каждому из модулей 30 в каждой рамке через силовые и коммуникационные кабели, которые проходят через центральную колонну и между каждой вращающейся рамкой через контактные кольца, которые позволяют пропускать энергию и данные через вращающееся соединение. В некоторых вариантах осуществления контактные кольца содержат отверстия для дополнительного облегчения прохождения воздуха из центральной колонны на каждый из уровней матрицы в сборе. Таким образом, модули 30 матрицы 130 остаются электрически и коммуникативно соединенными с общим источником питания и блоком связи центрального управления во время дифференциального вращательного перемещения матрицы.
На фиг.10 иллюстрирует вариант осуществления, показывающий сверхвысокопроизводительную систему 200 обработки, которая включает в себя две системы 100', по существу, аналогичные описанным в настоящем документе, которые интегрированы в единую систему. Система может быть определена теми же или подобными структурами, что и ранее описанные варианты осуществления с незначительной модификацией, такой как модифицированная рабочая поверхность 114, которая простирается между двумя столбчатыми матрицами. В некоторых вариантах осуществления две матрицы совместно используют одну дорожку для загрузки, которая может иметь форму овала, циркулирующего вокруг обоих матриц. Такая конфигурация обеспечивает дополнительное повышение скорости и эффективности обработки чрезвычайно больших объемов потоков картриджей для диагностического анализа.
На фиг.11 и 12 показаны способы загрузки и выгрузки картриджей для диагностического анализа из высокопроизводительной системы в соответствии с изобретением. Фиг.11 показывает способ автоматической загрузки картриджа для диагностического анализа в доступный модуль диагностического анализа в круговой матрице высокопроизводительной системы обработки. На фиг.12 показаны способы выгрузки и утилизации отработанного картриджа для диагностического анализа из модуля диагностического анализа в виде круговой матрицы после завершения обработки.
Как показано на фиг. 11, такой способ может включать в себя этап обнаружения картриджа для диагностического анализа, подлежащего анализу, в дорожке для загрузки высокопроизводительной системы обработки, имеющей матрицу модулей диагностического анализа. Определение может включать в себя обнаружение близости картриджа и/или считывание информации с картриджа (например, идентификационный номер, тип анализа и т.д.). Далее система может облегчить загрузку картриджа в матрицу. Как правило, загрузка включает в себя зажим картриджа с помощью загрузчика и загрузку в доступный модуль. Способ может дополнительно включать в себя идентификацию модуля диагностического анализа в матрице, который пуст и доступен для выполнения подготовки пробы на основании связи с модулем. Возможно, способ может включать в себя определение предпочтительного диагностического модуля, в который следует загружать пробу из нескольких доступных модулей. Определение предпочтительного модуля может быть основано на любом из: близости, температуры, баланса нагрузки, теплового баланса, распределения по уровням или в пределах соответствующего уровня, продолжительности анализа или любого их сочетания или любого желаемого фактора. Затем загрузчик перемещает картридж в матрицу до тех пор, пока загрузчик не окажется рядом с идентифицированным модулем в матрице, и загружает картридж в пустой отсек идентифицированного или предпочтительного модуля.
Как показано на фиг.12, такие способы могут включать в себя этап приема сообщения от модуля диагностического анализа в матрице высокопроизводительной системы обработки, когда подготовка пробы завершена. Далее, способ может повлечь за собой идентификацию в месте расположения модуля в матрице, и затем переместить загрузчик/разгрузчик относительно матрицы до смежного с идентифицированным модулем. Это может включать в себя ожидание перемещения матрицы в соответствующую позицию, чтобы загрузчик мог перехватить модуль идентификации, когда соответствующий столбец перемещается рядом с загрузчиком. Затем отработанный картридж извлекается из модуля и удаляется от идентифицированного модуля и высвобождается или выбрасывается в приемник для отходов.
Фиг. 13 иллюстрирует производительность обработки в системе из 100 модулей по фиг.1А (Омега 100) и 200-модульная система по фиг.10 (Omega 200) по сравнению с обычными высокопроизводительными системами (Cepheid Infinity-80, Roche Cobas 4800, BD Viper XTR, Hologic Panther и Abbott M2000). Данные производительности для системы Omega были смоделированы на основании имитационных моделей систем Omega 100 и Omega 200 и с использованием имеющихся данных из каждой упомянутой коммерческой системы. Данные для коммерческих систем были получены из исследования Jang et al. (заболевание, передающееся половым путем (июнь 2016 г.), том 43 (6): 377-381. Эти данные также представлены в таблице 1 ниже. Как видно, время, необходимое для обработки большого количества проб с помощью системы Omega, значительно меньше), чем любой из других коммерчески доступных систем, как показано, например, анализ 192 пробы в системе Omega 200 может быть выполнен менее чем за половину времени, требуемого другими коммерчески доступными системами.
Таблица 1. Сравнение времени обработки различных высокопроизводительных систем
На фиг. 14А-14D иллюстрируют альтернативные варианты осуществления высокопроизводительных систем обработки в соответствии с аспектами изобретения. Фиг. 14А показывает систему 300, которая включает в себя круговую матрицу модулей 301 и дорожку 310 для загрузки. Подобно другим вариантам осуществления, дорожка 310 для загрузки является рециркулирующей дорожкой, которая транспортирует картриджи для диагностического анализа в загрузчик, однако дорожка 310 включает в себя подвижные держатели 311 картриджей (например, каретки или «лодки»), которые циркулируют по дорожке. В некоторых вариантах осуществления каждая опора картриджа может независимо перемещаться в пределах дорожки для загрузки и при необходимости может быть удалена и заменена. Каждый держатель 311 может включать в себя опорную деталь, такую как контурное углубление или другую подходящий признак для разъемной поддержки картриджа в держателе. На фиг.14В показана система 400, которая включает в себя гексагональную матрицу модулей 401 и дорожку 410 для загрузки аналогичной формы. Дорожка 410 для загрузки включает в себя держатели 411 картриджей, подобные тем, которые описаны в системе 300, которые транспортируют картриджи в загрузчик для загрузки в гексагональную матрицу. На фиг.14C показывают систему 500, которая включает в себя круговую матрицу модулей 501 и пару линейных дорожек 510 для загрузки, которые транспортируют картриджи непосредственно к паре загрузчиков на каждой стороне матрицы. Такие линейные дорожки могут включать в себя любые признаки дорожек для загрузки, описанных в настоящем документе, или любой подходящий транспортный механизм, который известен специалисту в данной области техники. Фиг.14D показывает систему 600, которая включает в себя две круглых матрицы модулей и дорожку 610 для загрузки в форме гантели, которая транспортирует картриджи к любой из матриц модулей. Как можно видеть, дорожка 610 для загрузки может транспортировать картридж к любому из загрузчиков, связанных с любой из матриц модулей. Такой подход позволяет распределять картриджи между множеством матриц независимо от того, помещен ли картридж на дорожку 610 для загрузки. В качестве альтернативы, картриджи могут быть распределены по конкретной матрице, как желательно. В этом варианте осуществления дорожка 610 для загрузки использует держатели 611, так что те, которые описаны выше в системе 300. Понятно, что дорожка для загрузки может включать в себя любой признак дорожки для загрузки, описанный в настоящем документе, или может использовать любой подходящий альтернативный транспортный механизм. Хотя были описаны определенные формы матриц модулей и дорожек для загрузки, понятно, что различные другие формы и расположения могут быть использованы в соответствии с принципами, описанными в данном документе.
В вышеприведенном описании изобретение описано со ссылкой на его конкретные варианты осуществления, но специалисты в данной области техники поймут, что изобретение не ограничено ими. Различные признаки, варианты осуществления и аспекты вышеописанного изобретения могут использоваться по отдельности или совместно. Кроме того, изобретение может использоваться в любом количестве сред и способах применения, помимо описанных в настоящем документе, без отклонения от сущности и объема описания. Спецификация и чертежи, соответственно, должны рассматриваться как иллюстративные, а не ограничивающие. Следует отметить, что термины «содержащий», «включающий в себя» и «имеющий», используемые в данном документе, специально предназначены для использования в качестве открытых терминов, применяемых в данной области техники.