МОДУЛЬНАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
MODULAR ANALYTICAL SYSTEM

Настоящее изобретение относится к модульной аналитической системе/установке.
На удаленных территориях или аналогичных местах наблюдения за пациентами анализы биологических образцов затруднены по нескольким причинам. Наиболее часто аналитические устройства, требуемые для проведения сложных анализов или обработки большого количества образцов, настолько габаритны, что не представляется возможным разместить такое устройство на месте получения образца от пациента и, следовательно, оперативно провести исследование. Образцы нужно посылать в лаборатории, имеющие площади и доступ к большим аналитическим устройствам.
Желательно иметь надежное аналитическое устройство, которое было бы портативным и обеспечивающим место наблюдения за пациентом анализом биологических образцов, и которое было бы достаточно универсальным для проведения высококачественных биологических анализов.
Согласно первой идее настоящего изобретения обеспечена система для выполнения анализа, содержащая источник питания, контроллер для управления анализом и группу аналитических блоков, оперативно соединенных друг с другом так, чтобы контроллер мог взаимодействовать с аналитическими блоками, и система была способна проводить анализ.
В одном из вариантов выполнения аналитический блок имеет средство для оперативного соединения с другим блоком.
В другом варианте выполнения средство для оперативного соединения с другим блоком содержит один элемент сопрягающейся пары. В другом варианте выполнения сопрягающаяся пара содержит вилку и розетку. Сопрягающаяся пара выполнена с возможностью соединения соседних блоков в вертикальном направлении.
В другом варианте выполнения группа аналитических блоков компонуется в сойку, в которой соседние блоки устанавливаются друг на друга.
Группа стоек может быть оперативно соединена друг с другом.
В другом варианте выполнения система может содержать контроллер в виде контрольного блока.
В другом варианте выполнения каждый аналитический блок содержит фиксирующее средство для установки данного блока в положение, состыкованное с другим аналитическим блоком. Фиксирующее средство может содержать первый элемент на первом блоке и второй элемент на втором блоке.
Как первый, так и второй элемент может содержать один из следующих компонентов: фиксирующий кронштейн и упорный выступ.
В другом варианте выполнения первый элемент содержит фиксирующий кронштейн, и второй элемент содержит упорный выступ. Каждый аналитический блок может содержать как фиксирующий кронштейн, так и упорный выступ, так чтобы он был выполнен с возможностью соединения с двумя другими отдельными блоками.
В другом варианте выполнения каждый блок содержит группу первых и вторых фиксирующих элементов.
В другом варианте выполнения система может содержать крепежное средство для скрепления блоков друг с другом. Крепежное средство может содержать первый элемент, расположенный на первом блоке, и второй элемент, расположенный на втором блоке. Первый элемент крепежного средства может содержать язычок, и второй элемент может содержать выемку сопряженной формы. Крепежное средство может дополнительно содержать резьбовой крепежный элемент, проходящий через отверстие в язычке и выемку сопряженной формы.
В другом варианте выполнения в каждом аналитическом блоке может содержаться нагревательное средство для воздействия на образец и (или) реагенты локальным нагревом. Локальный нагрев обеспечивается индукционным и (или) резистивным средством. Предпочтительно локальный нагрев осуществляется за счет возбуждения этого средства, установленного в аналитическом блоке.
Приложение тепла может проводиться с различных мест в аналитическом блоке. Оно может проводиться за счет управления поворотом аналитического устройства в каждом аналитическом блоке, так чтобы, при необходимости и по запросу, различные части аналитического устройства могли обращаться к нагревательному средству, подвергая нагреву конкретный образец.
Система может содержать несколько нагревательных средств.
Нагревательное средство может содержать беспроводную индукционную нагревательную систему или передавать тепло с использованием резистивной нагревательной фольги.
Аналитическое устройство может иметь один или несколько участков или элементов, содержащих металл. Метал может представлять собой один или несколько элементов из группы, включающей никель, железо или медь. Предпочтительно используемый металл это никель. Металл может включать индукционный нагревательный элемент.
Нагревательное средство может включать средство для приложения переменного магнитного поля с использованием электромагнита, через который пропускается высокочастотный переменный ток.
Каждый аналитический блок может содержать оптический детектор, используемый при проведении анализа. Оптический детектор может быть выполнен с возможностью распознавания цвета и направления соответствующих сигналов в контроллер.
Система может содержать средство для определения температуры. Предпочтительно, это средство выполнено с возможностью определения температуры в локальной области системы. Более предпочтительно, это средство выполнено с возможностью определения температуры в локальной области аналитического устройства.
Средство для определения температуры может содержать термохромное покрытие. Термохромное покрытие может быть нанесено на одну или несколько частей аналитического устройства. Покрытие может иметь вид метки на аналитическом устройстве.
Термохромное покрытие может определять, что температура в конкретной области достигла заданного значения (покрытие поменяет цвет в заданной температурной области). Это может быть зарегистрировано системой, и соответствующий сигнал направлен в контроллер. Затем контроллер может выключить нагревательный элемент. Центральным контрольным блоком нагревательный элемент может выборочно включаться/выключаться.
Термохромная метка может также использоваться для определения положения/установки аналитического устройства в правильной ориентации в системе.
Термохромное покрытие может включать один или несколько компонентов из группы, содержащей термохромную краску, цветную бумагу или жидкие кристаллы.
Для управления процессами, например анализом в диске, существует несколько известных возможностей остановки или подачи жидкостей в заданные точки и в регулируемое время. Один из примеров - это локальная гидрофобизация, как приведено в М. Madou et al., "Lab on a CD", Annual Review of Biomedical Engineering, Vol. 8, p. 601-628, 2006. C.T. Schembri et al., "Centrifugation and Capillarity Integrated Into A Multiple Analyte Whole-Blood Analyzer", Journal of Automatic Chemistry, Vol. 17, No. 3, p. 99-104, May 1995, где описано заполнение сифонной конструкции под воздействием дополнительного центробежного поля. При падении частоты вращения ниже определенного порога сифон заполняется капиллярно, и передний мениск может спадать радиально наружу от уровня жидкости в находящийся выше по потоку резервуар. Затем увеличенная скорость вращения переносит жидкость дальше.
Кроме упомянутых клапанов в основном многоразового использования существуют так называемые разрывные (мембранные) клапаны, которые не могут использоваться повторно после одноразового действия. Одним из примеров таких клапанов могут служить мембраны из воска или тонкие фольги, устанавливаемые в канале прохождения потока и расплавляемые лазерным лучом, обеспечивая прохождение потока (см. Y.K. Cho et al., "One-step pathogen specific DNA extraction from whole blood on a centrifugal microfluidic device", Lab on a Chip, Vol. 7, No. 5, p. 565-573, Feb. 2007).
Согласно другой идее настоящего изобретения обеспечено аналитическое устройство, содержащее в основном круглый кожух, имеющий группу камер, сообщающихся друг с другом таким образом, что текучая среда может проходить между этими камерами, а также центральную втулку, имеющую приемник образца, расположенный в ней и предназначенный для ввода образца.
В одном из вариантов выполнения аналитическое устройство имеет в основном плоский круглый кожух.
В другом варианте выполнения аналитическое устройство содержит уникальный серийный идентификатор.
Уникальный серийный идентификатор для каждого аналитического устройства может определять вид испытания или гарантировать, что устройство не используется после истечения срока годности. Что более важно, уникальный серийный идентификатор может быть выполнен так, чтобы каждый введенный в аналитическое устройство образец мог быть однозначно определен для предотвращения риска несоответствия результата и (или) данного образца.
Для обеспечения этого каждый уникальный идентификатор может быть закодирован и скреплен с аналитическим устройством.
В дополнительном варианте выполнения уникальный идентификатор содержит линейный цветной штрих-код, двухмерный штрих-код или радиочастотную метку.
Могут использоваться такие технологии, как двухмерный цветной код от компании Микрософт.
Физически уникальный серийный идентификатор может быть скреплен с аналитическим устройством или объединен с ним. Недостаток использования простого линейного штрих кода состоит в том, что длина знака становится неприемлемой. Могут быть использованы другие способы, такие как двухмерный штрих-код или радиочастотная метка. Знак двухмерного штрих-кода имеет преимущество благодаря большему количеству данных, которые могут быть занесены на квадратный участок размером 0,75ʺ×0,75ʺ. Двухмерный штрих-код может считываться двухмерным сканером, используемым в технологии обработки изображений. Существует минимальное расстояние, требуемое для считывания двухмерного штрих-кода, из-за оптического пути. Для уменьшения оптического пути требуются дополнительные зеркало и оптические компоненты.
Радиочастотная метка может быть альтернативой благодаря ее компактности и способности хранить достаточно большое количество информации. Основное преимущество над линейным и двухмерным штрих-кодами заключается в возможности изменения контента для хранения, при необходимости, дополнительной информации. Однако стоимость радиочастотных меток повышает потребительские дополнительные расходы на радиочастотные метки небольшого размера, не занимающие много пространства на диске.
Для преодоления ограничения, связанного с длиной линейного штрих-кода, экономически эффективный путь для получения системы кодирования того же уровня состоит в использовании одного и того же оптического детектора для регистрации флуоресцентного сигнала при считывании многоцветных меток, которые могут представлять собой точки или линии.
В основном цветные метки наносятся или печатаются по окружности аналитического устройства. При вращении диска каждая цветная метка сканируется последовательно оптическим датчиком, образуя линейную последовательность данных. При повороте аналитического устройства каждая цветная метка может быть просканирована оптическим датчиком, образуя линейный радиальный цветной штрих-код. При использовании группы цветных меток достигается более высокая плотность данных.
Ниже в Таблице 1 приведен перечень отдельных цветов, которые могут использоваться в качестве цветового кода с идеальными значениями RGB, измеренными оптическим датчиком.
В таблице 1 приведены идеальные величины RGB, необходимые для того, чтобы быть измеренными оптическим датчиком. В реальности цвета должны тщательно подбираться так, чтобы могло обеспечиваться минимальной цветовое разрешение, равное 128. Например, если согласно приведенной выше таблице используются цвета R, G и В, то минимальное цветовое разрешение для каждого цвета составляет 256.
Типичный сигнал считывания с оптического детектора.
В одном из вариантов выполнения код представляется следующим образом:
В таблице 2 приведены 94 читаемых символов, которые могут быть закодированы цифровыми кодами.
В одном из вариантов выполнения при использовании трех видов цветовых меток (R, G, В) требуется сочетание четырех меток для представления 94-х читаемых символов, причем для каждого читаемого символа требуется три метки.
Например, последовательность из 20 символов потребовала бы 4×20 (80) меток при использовании трехцветных меток при 3×20 (60) метках при использовании восьмицветных меток.
Для дальнейшего увеличения плотности данных каждый символ может быть преобразован в двоичную форму и затем закодирован с использованием приведенной ниже таблицы:
Например, последовательность символов "ABCD241212CODELOT###" будучи преобразованной в двоичную форму выглядит как
При кодировании с использованием трех двоичных разрядов закодированная последовательность приходит к виду:
что уменьшает число цветовых меток до 45.
Пример:
Рассматривается несколько способов размещения цветовых меток. Ниже описаны два способа такого размещения:
1. Непрерывный;
2. В чередовании с пустой меткой.
В непрерывном способе цветовые метки располагаются таким образом, чтобы разные цвета находились очень близко друг к другу, давая непрерывный оптический сигнал, измеряемый оптическим детектором. Преимущество такого формата заключается в том, что длина кодов существенно снижается. Однако длину метки необходимо выбирать таким образом, чтобы она соответствовала по меньшей мере двум минимальным углам поворота шагового двигателя. Это должно предотвращать пропуск некоторых меток при считывании. В этом режиме каждая из меток должна помещаться перед оптическим датчиком и выполнять последовательное пошаговое перемещение. В системе это может привести к потере точности считывания, если метка не совмещается с датчиком. В порядке усовершенствования вводится второй способ.
Во втором способе между двумя цветовыми метками вводится пустая метка. Пустая метка (черная) при считывании оптическим детектором вызывает низкий сигнал. Это действует как реперная отметка, обозначающая, что достоверные данные располагаются между двумя реперными отметками. Этот способ должен повысить точность считывания, так как мы знаем местоположение достоверных данных. Однако при этом длина кода удваивается.
В измерительном средстве может использоваться директивная система, применяемая для перепрограммирования устройства на выполнение различных задач. Директивы содержат информацию о совокупности параметров и условиях, которые должны быть использованы для настройки системы на выполнение конкретной задачи, а также об обстоятельствах, которые должны использоваться для конфигурации системы на выполнение конкретного испытания. Как правило, эта директивная информация может быть распечатана на бумажном носителе в виде штрих-кода, и затем просканирована и сохранена в устройстве в качестве новой директивы или замены существующей директивы. При установке параметров для нового диска такой способ снижает трудности для оператора, которому нужно только следовать основным правилам использования системы. Это устраняет ошибки при перезаписи данных, которые могут загубить результаты испытаний, если исходные данные введены неверно.
С другой стороны, если эта директивная информация может быть занесена на диск, устройство может автоматически загрузить с него директиву, и новый диск может быть незамедлительно использован, сокращая операцию, необходимую для настройки нового диска. При необходимости обновления директивы устройство может автоматически заменить старую директиву и не дать пользователю возможности случайно работать со старыми параметрами исследования.
В одном из вариантов выполнения само цветовое кодирование может иметь низкий уровень безопасности, если оно выполнено недостаточно корректно с точки зрения отклика оптического детектора, и картинка цветового кода фактически сложна для распознавания. Однако имеется возможность извлечь содержимое и без всякого кодирования. Директивная информация является ключом для работы установки (аппарата). Желательно, чтобы пользователь не имел проблем с установками, которые, возможно, сведут на нет результаты испытаний. В данной системе цветового кодирования шифрование может быть выполнено просто. Наиболее прямой способ заключается в том, чтобы зашифровать картинку цветового кода с помощью двоичных данных, используя некоторый ключ. Этот ключ будет использоваться в процессе расшифровки.
В одном из вариантов выполнения штрих-код печатается с применением чернил, чувствительных к ультрафиолету, так что этот штрих-код не виден человеческому глазу, но может быть считан соответствующими регистрирующими устройствами.
Каждый аналитический блок может содержать оптический детектор, используемый при проведении анализа. В одном из вариантов выполнения один и тот же оптический детектор может использоваться для считывания штрих-кода и, например, для последующей регистрации флуоресцентного выхода от анализа.
Нижеследующие примеры, приведенные исключительно в качестве иллюстрации, раскрывают частные варианты выполнения настоящего изобретения с использованием прилагаемых чертежей, на которых показано:
на фиг. 1а и б - система, выполненная согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 - стойка согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3а и б - кожух и соединители аналитического блока согласно настоящему изобретению;
на фиг. 4а и б - аналитические блоки, соединенные друг с другом согласно настоящему изобретению;
на фиг. 5 - крышка, используемая в системе согласно настоящему изобретению; и
на фиг. 6 - батарейный блок согласно настоящему изобретению;
на фиг. 7 - система согласно настоящему изобретению; и
на фиг. 8 - центральная втулка аналитического устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг. 1а представлена базовая система 10, включающая контрольный блок 13 и батарейный блок 16. На фиг. 1б представлена система 10, включающая стойку 12, состоящую из контрольного блока 13 и дискретного аналитического блока 14, установленного на блок 16 питания. В контрольном блоке 13 находится считыватель 15 штрих-кода и интерфейсный сенсорный экран 17, предназначенный для взаимодействия пользователя с контрольным блоком 13. Считыватель штрих-кода выполнен с возможностью распознавания находящегося на аналитическом устройстве штрих-кода для ввода его в систему.
На фиг. 2 показана стойка 21, включающая несколько отдельных аналитических блоков 14 и источник питания в виде батарейного блока 16, соединенных с аналитическим блоком.
В данном варианте выполнения контрольный блок включает сенсорный экран, установленный под углом относительно пользователя для облегчения рассмотрения и считывания с экрана в условиях высокой освещенности. В альтернативном варианте выполнения экран может быть установлен на контрольном блоке с возможностью поворота, так чтобы его можно было повернуть вокруг его оси для облегчения работы, например для устранения бликов при ярком солнечном освещении. В открытом выдвижном ящике 20 нижнего аналитического блока 14 находится аналитическое устройство 22, имеющее доскообразный кожух 24 и центральную втулку 200. Аналитическое устройство соединено с валом двигателя, выполненным с возможностью вращения аналитического устройства по сигналам, посылаемым контроллером контрольного блока.
Батарейный блок 16 содержит один коннектор 74 постоянного тока (12V DC штырек) и два "сигнальных" гнезда 70, 72, например D-типа под 9 штырьков. Может использоваться более высокое напряжение, как правило 12-15 В.
Каждый блок имеет вид в основном прямоугольника, и имеет переднюю 80 и заднюю 82 стенки и две боковые стенки 84, 86.
На каждой боковой стенке расположены пара фиксирующих кронштейнов 88, 90 и два упорных выступа 92, 94. Фиксирующие кронштейны 88, 90 находятся на верхнем краю каждой боковой стенки, и упорные выступы 92, 94 - на нижнем краю каждой боковой стенки, выдаваясь перпендикулярно относительно плоскости каждой боковой стенки, так чтобы упорные выступы не выходили за нижний край каждой боковой стенки. Напротив фиксирующие кронштейны продолжаются выше верхнего края каждой боковой стенки. Фиксирующие кронштейны имеют в основном L-образную форму, причем один край неразъемно соединен с боковой стенкой, в то время как свободный край ориентирован в направлении, параллельном верхнему краю боковой стенки.
На верхнем краю задней стенки каждого блока расположены два крепежных язычка 100, 102. На нижнем краю задней стенки 82 находятся две выемки 104, 106, имеющие форму, сопряженную с формой язычков 100, 102. При сборке крепежные язычки 100, 102 входят в выемки 104, 106 соседнего блока. Каждый язычок и выемка имеет отверстия 108, которые после совмещения образуют сквозной канал, в который может вводиться крепежный элемент, состыковывающий соседние блоки.
Для быстрого соединения соседних аналитических блоков предусмотрены стыкующиеся в горизонтальном направлении вилка 110 и розетка 112. Каждый блок имеет розетку для стыковки со вторым блоком и вилку для стыковки с третьим блоком. Как правило, вилка выполняется с возможностью взаимодействия и стыковки с блоком, расположенным под данным блоком, в то время как розетка выполняется с возможностью взаимодействия и стыковки с блоком, расположенным над рассматриваемым блоком.
Для сборки стойки один блок состыковывается с другим.
Второй блок состыковывается с первым блоком путем скользящего продвижения второго блока в положение поверх первого блока. При этом вилка 112 может прийти в сопряжение с розеткой 110. Фиксирующие кронштейны 88, 90 могут сцепиться с упорными выступами 92, 94, и крепежные язычки 100, 102 могут войти в выемки 104, 106. Для надежного закрепления блоков в состыкованном положении могут использоваться два крепежных элемента (винта), фиксирующих блоки.
Каждый блок оперативно соединяется через вилку 110 и розетку 112 с другим блоком, так что они могут взаимодействовать друг с другом и передавать сигналы.
Передняя стенка 80 каждого аналитического блока имеет проем 120, в который входит ящик 20, выполненный с возможностью размещения в нем аналитического устройства 24. Аналитическое устройство в общем по форме представляет собой плоский диск с центральной втулкой, вокруг которой располагаются аналитические камеры, соединенные друг с другом капиллярами и выполненные с возможностью введения в них реагентов.
При необходимости, каждый ящик может открываться и закрываться по-отдельности. Основной контрольный блок выполнен с возможностью посылки команд на один или несколько аналитических блоков системы, по которым открывается или закрывается данный ящик, или, при необходимости, индикации, какой из аналитических блоков или какие блоки используются. В процессе проведения анализа аналитическое устройство 24 загружается образцом и устанавливается в аналитический ящик при его открытом положении. Затем контрольный блок используется для запуска аналитической программы, и ящик перемещается в свое закрытое положение, перемещая тем самым диск внутрь аналитического блока для проведения анализа в соответствии с программным обеспечением, заложенным в контрольный блок.
Все внутренние соединения в стойке между блоками устанавливаются автоматически, когда новый блок задвигается на место. Сигналы между каждым отсеком дисковода и основным контрольным блоком, находящимся наверху первой стойки, могут сводиться в параллельную "шину", так чтобы, подключая две розетки в задней части батарейного блока, пользователь мог подсоединять одну или несколько дополнительных стоек (без контрольного блока) наиболее удобным образом. Например, две дополнительные стойки, помещенные по обе стороны от "контрольной" стойки, могут подсоединяться к ближайшей розетке на батарейном блоке. Не имеет значения, какая из розеток используется для дополнительных блоков. Если оба дополнительных блока помещены на одной стороне контрольного блока, один кабель может соединять розетку на батарейном блоке с розеткой на первом дополнительном блоке, и второй кабель может подключаться к его второй розетке и подводиться ко второму дополнительному блоку. Третья стойка может подсоединяться таким же образом, как вторая стойка.
Проводники от этой сигнальной шины и проводники подачи напряжения постоянного тока будут вводиться в аналитические блоки с использованием контактов гибкой печатной платы и соответствующих соединителей (не показаны).
На фиг. 5 показана крышка 130, используемая как верхняя часть стойки, не имеющей контрольного блока. Крышка отделяет находящийся под ней блок от окружающей среды. Каждая крышка имеет по два упорных выступа 132, 134 на каждой боковой стенке и две крепежные выемки 136, 138, которые взаимодействуют с фиксирующими кронштейнами и крепежными язычками, соответственно, находящегося ниже блока.
Контрольный блок сопрягается в верхним отсеком дисковода так же, как другие отсеки дисковода, но не требует крышки. В контрольном блоке для упрощения внутренней разводки монтируется несколько дополнительных портов, например USB или сетевых.
В альтернативном варианте выполнения контрольный блок имеет экран в фиксированном положении, эргономично расположенный относительно пользователя во время работы.
На фиг. 7 изображена группа стоек 21, соединенных с основной стойкой 12, имеющей контрольный блок. Каждая из стоек 21 соединена со стойкой с контрольным блоком или непосредственно или через стойки 21, последовательно соединенные кабелями 190.
На фиг. 8 показана центральная втулка 200 аналитического устройства согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения. Втулка устанавливается по центру дискообразного аналитического устройства (не показано). Вблизи ее периферии располагается приемник 202 образца, и рядом с ним ниппель 204. Приемник 202 содержит сквозной канал 206 с боковой стенкой 208. В первой конфигурации приемник образца 202 совмещен с приемником образца (не показан), расположенным на дисковой части аналитического устройства, и сообщается с ним, так что текучая среда может поступать из приемника 202 в дисковую часть аналитического устройства. После введения образца центральная втулка 200 может поворачиваться относительно диска и своего входа. При этом ниппель или затворное средство поворачивается до совмещения со входом диска, изолируя тем самым образец в диске от окружающей среды и предотвращая загрязнение образца и аналитических реагентов.
Приемнику образца придана такая форма, чтобы относительно упрощать для пользователя загрузку образца в аналитическое устройство. Как правило, образец представляет собой жидкость, которую можно вводить в аналитическое устройство через приемник образца 202.