CH694062A5

CH694062A5 - Prüfeinrichtung und Verfahren zu ihrem Betrieb.

Info

Publication number: CH694062A5
Application number: CH01368/99A
Authority: CH
Inventors: Stefan Koch; Hans Grossmann
Original assignee: Tecan Trading Ag
Priority date: 1999-07-26
Filing date: 1999-07-26
Publication date: 2004-06-30

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Prüfeinrichtung für mit chemischen Substanzen gefüllte Proberöhren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb. Prüfeinrichtungen dieser Art eignen sich vor allem zum Einsatz in biologischen und medizinischen Labors, wo sie beispielsweise zur Vorbereitung von zentrifugierten Blutproben u.Ä. für verschiedene Verarbeitungsschritte, z.B. für das Pipettieren, eingesetzt werden können. Stand der Technik

Bisher sind lediglich Prüfgeräte bekannt geworden, die auf Etiketten von Proberöhren angebrachte Balkencodes lesen. Es handelt sich dabei um Abwandlungen bekannter Lesegeräte, wie sie auf vielen Gebieten eingesetzt werden. Die besagten Prüfgeräte arbeiten daher ebenfalls mit reflektiertem Licht, was für das Lesen eines Balkencodes ausreicht, aber für eine weiter gehende Analyse nicht geeignet ist. Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemässes Prüfgerät anzugeben, das in weit über die bekannte Anwendung hinausgehender Weise auch den Inhalt der Proberöhre so weit analysiert, dass nachfolgende Verarbeitungsschritte automatisiert oder mindestens vereinfacht werden können. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schafft die Voraussetzung für eine weit gehende Analyse des Inhalts von Proberöhren. Selbst bei durch Etiketten mehr oder weniger stark verklebten Proberöhren kann der Füllstand festgestellt werden und, falls es sich um eine zentrifugierte Blutprobe handelt, auch die Grenze des Blutkuchens und gegebenenfalls die Grenze zwischen Gel und Serum. Insbesondere wenn die erfindungsgemässe Prüfeinrichtung nach dem Verfahren gemäss Anspruch 13 betrieben wird, kann die Probe sehr weit gehend automatisch analysiert werden. Die Ergebnisse können z.B. zur Berechnung der in der Proberöhre enthaltenen Menge an Serum verwendet und zur Steuerung eines Pipettiergeräts herangezogen werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, welche lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellen, näher erläutert. Es zeigen Fig. 1a eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Prüfeinrichtung mit abgenommenen Gehäuseteilen, mit der Haltevorrichtung in einer Prüfposition, Fig. 1b eine Seitenansicht entsprechend Fig. 1a, mit der Haltevorrichtung in einer Übergabeposition, Fig. 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemässe Prüfeinrichtung, Fig. 3 vergrössert eine Ansicht der Haltevorrichtung von unten und Fig. 4 einen Schnitt längs IV-IV in Fig. 1b und Fig. 3. Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Prüfeinrichtung enthält in einem Gehäuse, von welchem nur die tragende Rückwand 1 dargestellt ist, eine Lichtquelle 2 mit einer Halogenlampe, der ein faseroptischer Querschnittswandler 3 nachgeordnet ist, welcher das Licht auf eine Proberöhre 4 und ihre unmittelbare Umgebung konzentriert, wenn sich eine die Proberöhre 4, die eine Probe enthält und gewöhnlich mit einem Zapfen verschlossen ist, haltende, als Greifer 5 ausgebildete Haltevorrichtung in Prüfposition befindet (Fig. 1a). Das Durchlicht wird von einer auf der der Lichtquelle 2 und dem Querschnittswandler 3 gegenüberliegenden Seite der Proberöhre 4 angeordneten elektronischen Farbkamera 6 aufgefangen.

Der Greifer 5 weist (s. a. Fig. 3, 4) zwei in einer Führung 7 mittels eines Ritzels 8 gegeneinander verschiebbar gelagerten Backen 9a, b auf. Jeder Backen trägt zwei Rollen 10a, b; c, d, von denen die Rollen 10c, d des Backen 9b mittels eines Elektromotors 11 über einen Zahnriemen 12 antreibbar sind. Der Zahnriemen 12 wirkt direkt auf die Rolle 10c, welche über ein Ritzel 13 auf die Rolle 10d einwirkt. Die Proberöhre 4 wird durch die Rollen 10a, b, c, d gehalten, welche sie zwischen ihren Umfangsflächen klemmen. Durch Drehen der Rollen 10c, d kann die Proberöhre 4 in verschiedene Winkellagen bezüglich ihrer Längsachse gebracht werden.

Die Führung 7 des Greifers 5 ist über eine Brücke 14 mit einem Gleitstück 15 einer Hubvorrichtung 16 starr verbunden. Das Gleitstück 15 ist längs vertikaler Führungsstangen 17a, b mittels eines Elektromotors 18, der über einen geschlossenen Riemen 19 auf dasselbe einwirkt, verschiebbar. Es nimmt dabei den Greifer 5 mit, sodass derselbe ebenfalls vertikal verschiebbar ist, und zwar zwischen der Übergabeposition (Fig. 1b) und der darüber liegenden Prüfposition (Fig. 1a).

Am Gleitstück 15 greift ein weiterer Riemen 20 an, welcher abwechselnd über fest stehende Rollen 21a, b und an einem verschiebbaren Block 22 gelagerte Rollen 21c, d läuft und dessen anderes Ende bezüglich der Rückwand 1 festgelegt ist. Am Block 22 greifen zwei ebenfalls an der Rückwand 1 verankerte Federn 23a, b an, welche auf denselben eine nach unten gerichtete Zugkraft ausüben. Die flaschenzugartige Konstruktion hat den Zweck, das Gewicht des Gleitstücks 15, der Brücke 14 und des Greifers 5 weit gehend auszugleichen, sodass der Elektromotor 18 nur wenig Kraft zum Heben und Senken der besagten Teile aufzubringen braucht.

Die Prüfeinrichtung weist ausserdem eine nicht dargestellte Recheneinheit auf, die sowohl der Auswertung der von der Farbkamera 6 aufgenommenen Bilder als auch der Steuerung der Prüfeinrichtung dient. Sie kann z.B. als eingebauter Hochleistungs-Mikroprozessor mit den erforderlichen Zusatzbausteinen ausgebildet sein. Sie kann jedoch auch extern sein.

Zur Prüfung wird die Proberöhre 4, die dabei in eine Halterung eingesteckt sein kann, mittels eines geeigneten Transportmittels, z.B. eines Transportbandes, in die Übergabeposition gebracht. Anschliessend wird der Greifer 5 mittels der Hubvorrichtung 16 aus der Prüfposition (Fig. 1a) abgesenkt, indem der geschlossene Riemen 19 durch den Elektromotor 18 entsprechend angetrieben wird. Sobald der Greifer 5 die Übergabeposition erreicht hat (Fig. 1b), werden mittels des Elektromotors 11 die beiden Backen 9a, b des Greifers 5 aufeinander zu geschoben, bis die Rollen 10a, b und 10c, d die Proberöhre 4 an der Aussenseite berühren und zwischen sich festklemmen (Fig. 3). Anschliessend wird der Greifer 5 mit der Proberöhre 4 mittels der Hubvorrichtung 16 wiederum in die Prüfposition angehoben (Fig. 1a).

Die Proberöhre 4 liegt nun im Bereich des von der Lichtquelle 2 ausgehenden und vom Querschnittswandler 3 konzentrierten Lichtstrahls. Sie wird zwischen den Rollen 10a, b; c, d so gehalten, dass sie weit gehend freiliegt, insbesondere ein schmaleres Untersuchungsfeld um ihre Längsachse völlig frei ist. Nun werden mit Verschlusszeiten von z.B. 1/5000 sec, 1/500 sec und 1/50 sec mittels der Farbkamera 6 Aufnahmen gemacht, d.h. auf Grund des empfangenen Bildes ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt und digitalisiert. Durch den Einsatz verschiedener Belichtungszeiten kann der Belichtungsgrad bei gleicher Farbtemperatur verändert werden, was vor allem für die Prüfung von mit Etiketten verklebten Proberöhren wichtig ist. Das Gesamtbild enthält das Bild der ganzen Proberöhre 4.

Für jedes Pixel und jede der Farben Rot, Grün und Blau wird eine Helligkeit 1 p (x, h, ? , T, F) als 8-bit-Zahl im Speicher der Recheneinheit abgelegt. Dabei bedeuten x die Breite, d.h. den Abstand (in Pixeln) vom linken Rand des Bildes, h die Höhe, d.h. den Abstand von seinem unteren Rand, ? den Drehwinkel, T die Belichtungszeit, bei denen die Aufnahme gemacht wurde, und F die Farbe. Die erste Aufnahme wird zuerst grob ausgewertet, indem vom Bildrand her die Schatten der Wände der Proberöhre 4, die den Rand ihres Bildes kennzeichnen, gesucht werden. Aus ihrer Lage wird in der Recheneinheit der Durchmesser der Proberöhre 4 ermittelt. In dieser Phase kann auch der Typ der Proberöhre 4, z.B. indem zusätzlich zum Durchmesser der Schatten des Zapfens derselben berücksichtigt wird, festgestellt werden.

Den weiteren Untersuchungen wird lediglich ein engeres Untersuchungsfeld zu Grunde gelegt, ein rechteckiger Ausschnitt aus dem Gesamtbild, das sich zwar über die ganze Länge der Proberöhre 4 erstreckt, aber auf eine Umgebung der Längsachse beschränkt, die deutlich schmaler ist als das Bild der Proberöhre. Aus den Helligkeiten 1 p (x, h, ? , T, F) im Untersuchungsfeld, dessen Breite einige zehn und dessen Länge einge hundert Pixel betragen kann, werden nun durch Maximum-, Minimum- bzw. Durchschnittsbildung über die Breite x die Grössen

1 max (h, T, F, ? ), 1 min (h, T, F, ? ), 1 mit (h, T, F, ? ) abgeleitet und ebenfalls im Speicher abgelegt. Sie bilden die Grundlage für die weitere Auswertung. Dieser Prozess der Herstellung von je drei Aufnahmen mit drei sich jeweils um einen Faktor zwischen 8 und 12, vorzugsweise 10 unterscheidenden Belichtungszeiten wird nun bei insgesamt 16 äquidistanten Drehlagen, d.h. bei Winkeln ? = 360/n, n=0, ..., 15 ausgeführt. Die Drehung der Proberöhre 4 erfolgt dabei so, dass die Rollen 10c, d durch den Elektromotor 11 gedreht werden. In die Bemessung dieser Drehung geht natürlich der vorher ermittelte Durchmesser der Proberöhre 4 ein.

Für die weitere Auswertung werden für jede Höhenposition die mittleren Helligkeiten weiter über die Farben gemittelt und auf diese Weise Gesamthelligkeiten

EMI6.1

erzeugt. Diese Grössen werden zunächst den weiteren Auswertungsschritten zu Grunde gelegt.

Dann werden für jeden Drehwinkel und die minimale Verschlusszeit von 1/5000 sec alle lokalen Maxima der Helligkeit L(h, ? , 1/5000) über die Höhe ermittelt und Unterschiede zwischen aufeinander folgenden Maxima, die eine Schwelle überschreiten, als Übergänge gekennzeichnet, deren Lage und andere Eigenschaften in einer Liste im Speicher der Recheneinheit abgelegt wird. Die Eigenschaften umfassen die Kennzeichnung positiv oder negativ. Ein Übergang wird als positiv gekennzeichnet, wenn die Helligkeit mit steigender Höhe abnimmt und als negativ, wenn sie zunimmt. Als weitere Eigenschaften werden die mittleren Helligkeiten 1 mit (h, 1/5000, F, ? ) unterhalb und oberhalb des Überganges abgelegt. Die Liste der Übergänge wird der weiteren Auswertung zu Grunde gelegt.

Durch die Beschränkung auf Maxima werden bei der Ermittlung der Übergänge örtlich begrenzte Störungen, wie sie z.B. durch Aufdrucke wie Balkencodes auf Etiketten verursacht werden, ausgefiltert.

Ist die Probe eine zentrifugierte Blutprobe, was den am meisten interessierenden Fall darstellt, so können auch die bekannten Eigenschaften der Probe für die Auswertung mit herangezogen werden. Eine derartige Probe enthält zuunterst in der Regel einen sehr dunklen Blutkuchen, auf welchen gewöhnlich ein mehr oder weniger trübes Gel folgt, das aber auch fehlen kann. Auf dieses folgt das verhältnismässig klare Serum, das von einer dunkleren Deckschicht abgeschlossen wird. Die Bestandteile der Probe verursachen also im Allgemeinen nur negative Übergänge, da die Transparenz von unten nach oben zunimmt. Eine Besonderheit stellt die Deckschicht am oberen Ende der Probe dar, welche einen kurzen, i.a. höchstens 2,5 mm langen, aber deutlichen Einbruch der Transparenz und damit der Helligkeiten und zugleich eine Farbänderung bewirkt.

Zur Bestimmung der Grenze des Blutkuchens wird zuerst die mittlere Helligkeit bei der maximalen Belichtung 1/50 weiter über den Drehwinkel gemittelt:

EMI8.1

und von dieser Funktion das Minimum ermittelt. Ausgehend von dessen Lage wird nach der Richtung zunehmender Höhe eine Stelle gesucht, wo die Differenz des Farbortes eine vorgegebene Schwelle überschreitet:

DELTA F(h, ? ) = ! [(r 1 -r 2 )<2> + (g 1 -g 2 )<2> + (b 1 -b 2 )<2>] > S K ,

wobei r 1 , r 2 etc. die Helligkeit in den einzelnen Farben an z.B. 20 Pixel in der Höhe voneinander beabstandeten Punkten darstellt. Von den ersten, tiefsten h-Werten, bei denen diese Bedingung erfüllt ist, wird das Minimum über den Winkel ? genommen, d.h. es wird der minimale Abstand vom unteren Ende ermittelt, bei welchem die Farbortdifferenz die Schwelle überschreitet. Dieser Wert wird als obere Grenze des Blutkuchens gespeichert.

Ein positiver Übergang zeigt immer einen unteren Etikettenrand an, da die Probe selbst im Wesentlichen nur negative Übergänge verursacht. Ein nachfolgender negativer Übergang zeigt in der Regel den oberen Rand der Etikette an. Er kann jedoch auch die Grenze Gel-Serum bedeuten. Da an dieser gewöhnlich ein Farbsprung auftritt, kann er von einem Etikettenrand gewöhnlich durch Vergleich der farbspezifischen Helligkeiten oberhalb und unterhalb des Überganges unterschieden werden.

Werden Etikettenränder nur bei einem Teil der Winkellagen festgestellt, kann die Auswertung ganz oder überwiegend auf die etikettenfreien Winkellagen konzentriert werden. Erstrecken sich Etiketten über alle Winkellagen, so sind von ihnen verdeckte Grenzen, insbesondere die Grenze Gel-Serum oft bei Belichtungszeit 1/5000 sec nicht auszumachen. In diesem Fall wird auf die bei längeren Belichtungszeiten ermittelten Helligkeiten zurückgegriffen, die dann wie oben beschrieben zur Ermittlung von Übergängen herangezogen werden. Nach der Deckschicht des Serums kann speziell gesucht werden, da sie wie erwähnt durch ein spezifisches Muster gekennzeichnet ist.

Die Methode, die bei der Auswertung der Übergänge verfolgt wird, z.B. zuerst Feststellung der Lage von Etiketten und gegebenenfalls Suche nach der Gel-Serum-Grenze und der Deckschicht im etikettenfreien Bereich oder zuerst Feststellung der Deckschicht, dann Suche nach der Gel-Serum-Grenze zwischen derselben und dem Blutkuchen, kann fest vorgegeben oder auch nach den Eigenschaften der zu erwartenden Proben ausgewählt werden. Zum Abschluss werden die Lagen der Übergänge, welche die Gel-Serum-Grenze und die Deckschicht und damit den Füllstand der Proberöhre kennzeichnen, herausgehoben und ihre Lage, ebenso wie die der Grenze des Blutkuchens, mittels einer vorher ermittelten Kalibrierung von Pixeln in Millimeter umgerechnet und als Ergebnis der Prüfung ausgegeben.

Schliesslich wird der Greifer 5 wieder in die Übergabeposition (Fig. 1b) abgesenkt und die Proberöhre 4 an die Transporteinrichtung zurückgegeben. Bezugszeichenliste

1 Rückwand

2 Lichtquelle

3 Querschnittswandler

4 Proberöhre

5 Greifer

6 Farbkamera

7 Führung

8 Ritzel 9a, b Backen 10a, b, c, d Rollen

11 Elektromotor

12 Zahnriemen

13 Ritzel

14 Brücke

15 Gleitstück

16 Hubvorrichtung 17a, b Führungsstangen

18 Elektromotor

19 Riemen 20 Riemen 21a, b, c, d Rollen 22 Block 23a, b Federn

Claims

1. Prüfeinrichtung für mit chemischen Substanzen vorzugsweise biologischer Herkunft, insbesondere zentrifugierten Blutproben gefüllten Proberöhren, mit einer Halteeinrichtung zum Festhalten einer Proberöhre (4) in vertikaler Lage, einer Lichtquelle (2) und einem zu räumlicher Auflösung einfallenden Lichtes geeigneten Lichtempfänger, der ein vom empfangenen Licht abhängiges elektrisches Ausgangssignal erzeugt sowie einer Recheneinrichtung zur rechnerischen Verarbeitung des besagten Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung zwischen der Lichtquelle (2) und dem Lichtempfänger angeordnet ist, sodass der Letztere die Proberöhre (4) durchdringendes Durchlicht empfängt.

2. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) eine Halogenlampe umfasst.

3.

Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle (2) und der Halteeinrichtung ein Querschnittswandler (3) angeordnet ist, welcher das Licht auf die Proberöhre (4) konzentriert.

4. Prüfeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnittswandler (3) als faseroptischer Querschnittswandler ausgebildet ist.

5. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger geeignet ist, das empfangene Licht nach zwei Dimensionen räumlich aufzulösen.

6. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger geeignet ist, das empfangene Licht nach mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei verschiedenen Wellenlängenbereichen aufzulösen.

7.

Prüfeinrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger als elektronische Farbkamera (6) ausgebildet ist, welche geeignet ist, das empfangene Licht nach drei Wellenlängenbereichen aufzulösen.

8. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung als Greifer (5) ausgebildet ist mit zwei gegeneinander bewegbaren Backen (9a, 9b) zum Fassen der Proberöhre (4).

9. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung eine Drehvorrichtung zur Drehung der Proberöhre (4) um ihre Längsachse umfasst.

10.

Prüfeinrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Backen (9a, 9b) als Drehvorrichtung drehbare Rollen (10a, 10b; 10c, 10d) zum Klemmen der Proberöhre (4) tragen, von denen mindestens eine zum Drehen der Proberöhre (4) antreibbar ist.

11. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Verschubvorrichtung umfasst, welche geeignet ist, die Haltevorrichtung zwischen einer Prüfposition und einer Übergabeposition hin- und herzubewegen.

12. Prüfeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschubvorrichtung als Hubvorrichtung (16) ausgebildet ist und die Prüfposition oberhalb der Übergabeposition liegt.

13.

Verfahren zum Betrieb einer Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aufnahmen einer zu prüfenden Proberöhre (4) gemacht werden, indem jeweils die während einer Belichtungszeit vom Lichtempfänger ermittelten Helligkeiten in digitale Signale umgewandelt und dieselben der Recheneinrichtung zugeleitet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei sonst gleichen Parametern Aufnahmen bei mehreren verschiedenen Drehlagen der Proberöhre (4) bezüglich ihrer Längsachse gemacht werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der verschiedenen Drehlagen mindestens 10 beträgt.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehlagen gleichmässig über einen Kreis verteilt sind.

17.

Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei sonst gleichen Parametern Aufnahmen bei mehreren verschiedenen Belichtungsgraden gemacht werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Belichtungsgrade sich ausschliesslich durch verschiedene Belichtungszeiten unterscheiden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich benachbarte Belichtungszeiten jeweils um einen zwischen 8 und 12 liegenden Faktor unterscheiden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Helligkeiten nach Pixeln, die über eine zur Längsachse der Proberöhre (4) parallele Höhe und eine dazu normale Breite verteilt sind und gegebenenfalls nach weiteren Parametern abrufbar in der Recheneinheit gespeichert werden.

21.

Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Lage von Grenzen zwischen Bestandteilen der Probe oder von Rändern von auf der Proberöhre (4) angebrachten Etiketten vorzugsweise lediglich in einem schmalen die Längsachse der Proberöhre (4) umgebenden Untersuchungsfeld Änderungen von Helligkeiten oder von aus ihnen durch Verarbeitung, insbesondere Summation, Mittelung oder Extremwertbildung abgeleiteten Grössen wie z.B. einer Gesamthelligkeit, die als Summe der Helligkeiten über Farben ermittelt wird, als Funktionen der Höhe Übergänge festgestellt und deren Lage sowie weitere Eigenschaften ermittelt werden.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Übergang festgestellt wird, wenn der Unterschied zwischen den Werten zweier aufeinander folgender lokaler Maxima eine Schwelle überschreitet.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Eigenschaft eines Überganges jeweils mindestens die Tatsache der Zunahme oder Abnahme der Gesamthelligkeit ermittelt wird.