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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur raschen Durchführung von
Messungen von zentrifugierten Materialschicht-Volumen. Das Verfahren
dieser Erfindung ist besonders nützlich
bei der Durchführung
von Blutbestandteilsmessungen in einer zentrifugierten Probe von
antikoaguliertem Gesamtblut.
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Diese
Erfindung bezieht sich außerdem
auf eine Vorrichtung zur raschen Durchführung von Messungen von zentrifugiertem
Materialschicht-Volumen. Die Vorrichtung dieser Erfindung ist besonders nützlich bei
der Durchführung
von Blutbestandteilsmessungen in einer zentrifugierten Probe von
antikoaguliertem Gesamtblut. Die Vorrichtung dieser Erfindung ist
nützlich
bei der Durchführung
des in dieser Anmeldung beschriebenen Verfahrens zur raschen Messung
von Zellschichten.
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Die
Messung von Blutzellzahlen in einer zentrifugierten Probe von antikoaguliertem
Gesamtblut wurde in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben,
und ein Verfahren zum leichten Messen bestimmter Blutzellschichten
und anderen Schichten von Bestandteilen ist beschrieben im US-Patent
Nr. 4 027 660, am 7. Juni 1997 an Stephen C. Wardlaw et al. erteilt
wurde. In dem patentierten Verfahren wird eine antikoagulierte Gesamtblut-Probe
in einer Präzisionskapillarröhre zentrifugiert,
welche einen Kunststoffschwimmer enthält. Der Kunststoffschwimmer expandiert
linear einige der Zellschichten und die Plättchenschicht.
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Beim
Durchführen
des patentierten Verfahrens wird die Blutprobe ca. 5 min bei ca.
12.000 U/min zentrifugiert, und dann wird die expandierte Länge der
Zell- und Plättchenschichten
gemessen. Eines der Probleme in dem patentierten Verfahren bezieht
sich auf die relativ hohe Zentrifugenumdrehungszahl, welche notwendig
ist, um die Schichten zuverlässig
zu kompaktieren, insbesondere die Plättchenschicht. Falls die Bestandteilsschichten
nicht vollständig
oder gleichmäßig gepackt
sind, können die
durch dieses Verfahren abgeleiteten Ergebnisse ungenau sein. Die
bereits erwähnte
hohe Zentrifugenumdrehungszahl erfor dert eine teure Zentrifuge und erhöht das Risiko
des Röhrenbruchs.
Ein weiteres Problem bezieht sich auf die erforderliche minimale Zentrifugationszeitdauer
von 5 min, welche in vielen medizinischen Situationen unerwünscht ist.
Ein weiteres Problem bezieht sich auf das Erfordernis, dass das
bedienende Personal die Röhre
von der Zentrifuge entfernen und in ein Lesegerät einführen muss. Da dieser Vorgang
innerhalb eines begrenzten Zeitintervalls nach Zentrifugation stattfinden
muss, erfordert es die genaue Aufmerksamkeit des Bedienpersonals,
was ineffizient ist und das Personal einer potenziell gefährlichen
Probe weiterhin aussetzt.
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Es
wäre wünschenswert,
die Blutbestandteilsschichten in einer kürzeren Zeitdauer und mit einer
Zentrifuge mit geringerer Umdrehungszahl messen zu können und/oder
das Ausmaß der
Handhabung der Probenröhre
zu reduzieren.
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Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1
und ein System gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 4. Ein solches Verfahren und System sind bekannt aus
DE 41 16 313 A1 .
Dieses Dokument offenbart ein Verfahren und ein System zum Messen
der Elastizität
von Sedimenten aus Suspensionen und Emulsionen, wobei das Sediment
einem zeitabhängig
veränderlichen
zentrifugalen Kraftfeld ausgesetzt wird. Messungen werden auch während der
Sedimentationsphase der Probe gemacht, aber es gibt aus aufgezeichneten
vorläufigen
Schichtdickemessungen keine Berechnungen der endgültigen Dicke der
Zielkomponentenschicht, wie sie am Ende der Sedimentationsphase
gebildet wird.
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Das
Verfahren der Erfindung it gekennzeichnet durch Berechnen der endgültigen Dicke
der Zielkomponentenschicht aus den aufgezeichneten vorläufigen Schichtdickemessungen.
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Das
System der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor
eine Einrichtung zum Berechnen des endgültigen Ausmaßes der Kompaktierung
der Zielbestandteilskomponente aus einer Mehrzahl von Zielbestandteilskomponenten-Kompaktierungsmessungen
aufweist, welche genommen werden, bevor die endgültige Kompaktierung erreicht
wird.
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Im
Dokument
EP 0 732 576
A1 sind ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der
Geschwindigkeit der Sedimentation von Blut beschrieben. Das Verfahren
und das System beziehen sich nicht auf die Bestimmung der endgültigen Dicke
einer gravimetrisch kompaktierten Schicht einer Zielkomponente in
der Blutprobe.
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum
schnellen 15 Bestimmen einzelner Materialvolumenmessungen während der
Zentrifugation einer gravimetrisch trennbaren Materialmischungsprobe,
z.B. eine antikoagulierte Gesamtblut-Probe. Außerdem bezieht sich diese Erfindung
auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche Blutbestandteil-Volumenmessungen
und Blutbestandteilzählungen
während
Zentrifugation einer antikoagulierten Gesamtblutprobe bestimmen
kann, bevor der Zentrifugationsschritt beendet ist. Ein kombiniertes
Zentrifugen- und Lesegerät
kann verwendet werden, welches die Funktionen sowohl von Zentrifugation
als auch Ablesen durchführt
und somit die Durchführung
von Materialschichtmessungen, wie in den genannten US-Patenten beschrieben,
vereinfacht. Eine kinetische Analyse der Blutzellenkompaktierung
kann bereitgestellt werden. Durch Befolgen der Prinzipien dieser
Erfindung können
die Schichten der weißen
Blutkörperchen
und Plättchen
in einer Zentrifuge mit relativ geringer Umdrehungszahl bestimmt
werden, beispielsweise einer Zentrifuge, welche bei Geschwindigkeiten
zwischen ca. 8.000 bis 10.000 U/min arbeitet, obwohl die Zentrifuge
mit höherer
Geschwindigkeit von 12.000 U/min auch verwendet werden kann.
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Während des
Prozesses der gravimetrischen Ausbildung von Zellschichten in einer
zentrifugierten antikoagulierten Gesamtblut-Probe sind zwei entgegengesetzte
Kräfte
bei der Arbeit, d.h. nach außen
gerichtete Kompaktierung der Zellen und anderer in der Probe gebildeten
Komponenten; und nach innen gerichteter Durchfluss von Plasma in
der Probe. Während
die Zellen und andere in der Blutprobe gebildete Komponentenschichten
sich während
der Zentrifugation absetzen, werden die Schichten kompaktiert, wodurch
die Länge
der Schichten abnimmt. Zur gleichen Zeit fließt die Fluid- (Plasma) Komponente
der Blutprobe durch die kompaktierenden Schichten. Damit Zellkompaktierung stattfinden kann,
muss die Fluidkomponente verdrängt
werden, aber während
die Zellschichten weiter kompaktieren, werden die Durchflusspfade
für das
Fluid zunehmend gewundener. Die Zellschichtkompaktierung findet
anfänglich
rasch statt, wird jedoch zunehmend langsamer, wenn die Kompaktierung
zunimmt und der Durchfluss schwieriger wird. Daher ist die Kompaktierungsrate
nicht-linear. Da die Kompaktierungsrate beträchtlich zwischen verschiedenen
Blutproben aufgrund von Fluidviskosität und/oder anderen Faktoren
variiert, kann eine Einzelmessung einer Zellschicht, welche vor
vollständiger
Kompaktierung der Zellschicht genommen wird, nicht extrapoliert
werden, um das Ausmaß der
endgültigen
Zellschichtkompaktierung vorherzusagen. Daher kann die Dicke (oder
Länge)
der vollständig
kompaktierten Zellschicht nicht aus einer Einzelmessung der Dicke (oder
Länge)
einer Zellschicht bestimmt werden, welche während des Zentrifugationsschritts
genommen wird. Diese Tatsache hat die Basis des traditionellen Verfahrens
zur Bestimmung der optimalen Zentrifugengeschwindigkeit und Dauer
gebildet, so dass Messungen der Zellschichtdicke nur gemacht werden,
nachdem erwartet wird, dass die Zellschichten keine weitere Kompaktierungen
aufweisen. Diese Zentrifugationsdauer zur "vollständigen Kompaktierung" wird als die Minimalzeit
angesehen, welche vor dem Messen jeglicher zentrifugierter antikoagulierter Gesamtblut-Bestandteilsschichten
notwendig ist.
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Ich
habe entdeckt, dass die inhärente
Unvorhersagbarkeit des Ausmaßes
der endgültigen
Blutzellschicht-Kompaktierung überwunden
werden kann durch Durchführen
von mehreren separaten vorläufigen
Messungen der Dicke der Zellschichten während des andauernden Zentrifugationsschritts,
und dann Anpassen der abgeleiteten Daten an einen nicht-linearen
mathematischen Algorithmus, welcher die vollständig kompaktierte Zellschichtdicke
vorhersagt. Dieses Verfahren erfordert keine endgültige Schichtkompaktierung,
und tatsächlich
kann die Dicke der vollständig
kompaktierten Zellschicht mathematisch nach nur 4 oder 5 vorläufigen Zellschichtdickemessungen
vorhergesagt werden. Außerdem
ermöglicht das
Verfahren dieser Erfindung eine akkurate Berechnung des vollständigen Ausmaßes der
Blutzellschicht-Kompaktierung und damit der Dicke einer vollständig kompaktierten
Zellschicht über
einen weiten Bereich von Zentrifugengeschwindigkeiten. Somit können eine
Mehrzahl von Zellschichtdickenmessungen, welche während der
Zentrifugation einer antikoagulierten Gesamtblutprobe mit geringer
Geschwindigkeit genommen werden, akkurat das endgültige Ausmaß der Zellschichtkompaktierung
vorhersagen, welches aus einem verlängerten Zentrifugationsschritt
resultiert, der bei einer viel höheren Zentrifugengeschwindigkeit
durchgeführt
wird, wie es im Stand der Technik notwendig war.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung können eines
oder mehrere der folgenden bevorzugten Merkmale aufweisen:
Das
Verfahren der Erfindung umfasst die Verwendung von: einer Zentrifuge;
einer fluoreszenten farbigen Excitationslichtquelle; einem Fotodetektor;
und einer Mikroprozessorsteuerung zur Steuerung des Betriebs der
Anordnung und zum Sammeln von Daten von der durch die Vorrichtung
durchgeführten Messungen.
Die Lichtquelle ist vorzugsweise eine pulsierende Lichtquelle, welche
die Blutprobe in der Probenröhre
periodisch beleuchtet, während
diese zentrifugiert wird. Beleuchten der Blutprobe in der Röhre verursacht
Fluoreszenz von bestimmten Blutzellbestandteilen, wie auch Beleuchtung
der Schicht der roten Blutkörperchen,
so dass ein Fotodetektor zwischen den verschiedenen Zellschichten
in der Röhre
unterscheiden kann, welche während
des Zentrifugationsschritts gravimetrisch kompaktiert werden. Durch
Wählen
von geeigneten Filtern an sowohl der Lichtquelle als auch dem Detektor
kann das von den Materialschichten reflektierte Licht wie auch Fluoreszenz
gemessen werden. Wenn eine Lichtquelle gegenüber dem Detektor positioniert
ist oder wenn eine reflektive Fläche
hinter der Kapillarröhre vorgesehen
ist, kann auch das durch die Kapillarröhre durchgestrahlte Licht gemessen
werden. Das Pulsieren der Lichtquelle ist synchronisiert mit der
Position der Röhre
während
Zentrifugation, so dass die Röhre
beleuchtet wird, während
sie an dem Fotodetektor vorbei kommt. Die bei Durchführung des
Verfahrens dieser Erfindung verwendeten Optik und Filter sind allgemein ähnlich den
im US-Patent Nr. 4 558 947 beschriebenen, welches S.C. Wardlaw am
17. Dezember 1985 erteilt wurde, dessen Offenbarung hiermit vollständig inkorporiert
wird.
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Die
Anordnung dieser Erfindung umfasst: eine Zentrifuge; eine fluoreszente
farbige Exitationslichtquelle; einen Fotodetektor und eine Mikroprozessorsteuerung
für Steuerung
des Betriebs der Anordnung und für
Sammeln von Daten von durch die Vorrichtung aufgenommenen Messungen.
Die Lichtquelle ist vorzugsweise eine pulsierende Lichtquelle, welche
periodisch die Blutprobe in der Probenröhre beleuchtet, während diese
zentrifugiert wird. Beleuchtung der Blutprobe in der Röhre kann
Fluoreszenz von bestimmten Blutzellenbestandteilen bewirken, wie
auch Beleuchtung der Schicht der roten Blutkörperchen, so dass der Fotodetektor
zwischen verschiedenen Zellschichten in der Röhre unterscheiden kann, welche
während
des Zentrifugationsschritts gravimetrisch kompaktiert werden. Durch
Auswahl geeigneter Filter an sowohl der Lichtquelle und dem Detektor
kann das von den Materialschichten reflektierte Licht wie auch Fluoreszenz
gemessen werden. Falls eine Lichtquelle gegenüber dem Detektor positioniert
ist oder falls eine reflektive Fläche hinter der Kapillarröhre vorgesehen
ist, kann das durch die Kapillarröhre hindurch gehende Licht
auch gemessen werden. Das Pulsieren der Lichtquelle ist synchronisiert
mit der Position der Röhre
während
der Zentrifugation, so dass die Röhre beleuchtet wird, wenn sie an
dem Fotodetektor vorbei kommt. Die in der Vorrichtung dieser Erfindung
verwendete Optik und Filter ist allgemein ähnlich zu den im US-Patent
4 558 947 beschriebenen, welches S.C. Wardlaw am 17. Dezember 1985
erteilt wurde, dessen Offenbarung hiermit vollständig inkorporiert wird.
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Falls
die Probe durch das genannte kinetische Verfahren analysiert wird,
wird das Ausmaß der Kompaktierung
von mehreren Blutproben-Bestandteilsschichten periodisch während der
Zentrifugation abgebildet, und die aufeinander folgenden Bilder
der Bestandteilsschichten werden in der Mikroprozessorsteuerung
in der Vorrichtung gespeichert. Nachdem eine ausreichende Anzahl
von Bildern erhalten und gespeichert wurde, z.B. 4 oder 5, ist die
Mikroprozessorsteuerung in der Lage, das Ausmaß an endgültiger Kompaktierung der Bestandteilsschicht
oder -schichten, welche gemessen werden, zu berechnen und 7 zeigt
den berechneten Wert an. Zu diesem Zeitpunkt wird die Zentrifugation
der Probe beendet. Die Mikroprozessorsteuerung steuert den Betrieb
der Anordnung insofern, dass sie bei Befehl: die Zentrifugation
beginnt; die Um drehungszahl der Zentrifuge überwacht; die Lichtpulse mit
der vorhandenen Zentrifugenumdrehungszahl synchronisiert; den Betrieb des
Fotodetektors steuert; Bestandteilschicht-Messungen aufnimmt und
speichert; das endgültige
Ausmaß der
Bestandteilschicht-Kompaktierung berechnet sowie die resultierenden
Bestandteil-Zellzahlen oder -Werte berechnet; und die Zentrifuge
abschaltet. Das Bedienpersonal muss daher nur die Blutprobenröhre in die
Zentrifuge einbringen und den Betrieb der Vorrichtung beginnen.
Für die
Bequemlichkeit und Sicherheit des Bedienpersonals kann die Blutprobenröhre in einer
speziellen Kassette des allgemeinen Typs enthalten sein, der in
der ebenfalls anhängigen
Anmeldung USSN 08/755 363 beschrieben ist, welche am 25. November
1996 eingereicht wurde.
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Falls
andererseits das Ziel darin besteht, das endgültige Ausmaß der Zellkompaktierung nach
einer festgelegten Zeitdauer der Zentrifugation zu messen, können die
Schichtlängen
analysiert werden durch Aufnehmen eines oder mehrerer Bilder nach der
Zentrifugation für
eine festgelegte Zeitdauer, während
die Zentrifuge sich weiter dreht. Somit wird der Vorteil realisiert,
das Ausmaß der
Zellschichtkompaktierung messen zu können, ohne die Blutprobe von
der Zentrifuge zu einem separates Lesegerät übertragen zu müssen.
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Es
ist daher ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung
zum Ableiten einer endgültigen
Materialschichtdickenmessung in einer zentrifugierten Materialmessung
zu erhalten, bevor die tatsächliche
endgültige
Schichtdicke erreicht wird.
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Ein
weiteres Verfahren und eine weitere Vorrichtung ermöglichen
das Ablesen der Materialschichtdicke nach einer festgelegten Zentrifugationsdauer,
während
die Probe immer noch in der Zentrifuge ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Materialmischung eine antikoagulierte Probe von Gesamtblut.
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Es
ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der beschriebenen Art zu schaffen, wobei eine Mehrzahl von vorläufigen aufeinan der
folgenden Stellen von Schichtgrenzflächen während der Zentrifugation der
Mischung gemessen und gespeichert werden, wobei die erhaltenen Daten
der Grenzflächen
verwendet werden, um die endgültige
Schichtdicke zu berechnen. Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung,
ein Verfahren und eine Anordnung der beschriebenen Art zu schaffen, wobei
die endgültige
Dicke einer Mehrzahl von Materialschichten in einer Probe, die zentrifugiert
wird, abgeleitet werden kann von vorläufigen Schichtdickemessungen.
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Diese
und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden besser ersichtlich
anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung im
Zusammenhang mit den angehängten
Zeichnungen:
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Röhre, welche eine Probe einer
Materialmischung enthält,
während
letztere in der Röhre
zentrifugiert wird.
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2 ist
ein Graph der Dynamik der Schichtkompaktierung während Zentrifugation der Materialmischung,
wobei die Schichtdicke aufgetragen ist gegen die abgelaufene Zentrifugationsdauer;
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3 ist
ein Graph, welcher zeigt, wie eine endgültige Plättchenschichthöhe in einem
spezifischen Fall berechnet wurde, wobei eine Blutprobe bei zwei
verschiedenen Geschwindigkeiten zentrifugiert wurde, wobei die Plättchenschicht
aufgetragen wurde gegen den Reziprokwert der abgelaufenen Zentrifugationsdauer;
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4 ist
eine schematische Perspektivansicht einer Blutprobenmessvorrichtung,
welche beim Ausführen
des Verfahrens dieser Erfindung verwendet wird;
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5 ist
eine Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Zentrifugenplatte
und eines Antriebsmechanismus, welche zur Verwendung in Verbindung
mit dieser Erfindung konstruiert sind;
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6 ist
eine fragmentartige Perspektivansicht eines Röhrenhalters und Röhrenrotationsmechanismus,
welche bei der Durchführung
des Verfahrens dieser Erfindung verwendet werden; und
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7 ist
eine Schnittansicht des Röhrenrotationsmechanismus,
welcher bei der Durchführung des
Verfahrens dieser Erfindung verwendet wird.
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Detailliertes
Beispiel der Ausführung
dieser Erfindung
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Es
wird auf 1 Bezug genommen, worin eine
schematische Ansicht einer Röhre 2 mit
einer transparenten Seitenwand 4 gezeigt ist, die am Boden
verschlossen ist. Die Röhre 2 ist
gefüllt
mit einer Mischung einer Partikelmaterial-Komponente, welche in einer Flüssigkeitskomponente 6 suspendiert ist. 1 stellt
die Dynamik der Partikelkompaktierung und des Flüssigkeitsdurchflusses dar,
wie durch die Pfeile A bzw. B dargestellt, welches beides während Zentrifugation
der Mischung aus Partikelkomponente/Flüssigkeitskomponente stattfindet.
Während die
Zentrifugation fortschreitet, trennt sich die Partikelkomponente
gravimetrisch von der Flüssigkeitskomponente 6 und
wird zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Grenzfläche 8 bilden. Die
Grenzfläche 8 entfernt
sich durch Gravitation kontinuierlich von der oberen Oberfläche 7 der
Flüssigkeitskomponente 6, während die
Zentrifugation fortschreitet. Man wird verstehen, dass sich mehr
als eine Grenzfläche 8 in der
zentrifugierten Probe bilden wird, abhängig von der Art der Probe.
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Ich
habe entdeckt, dass bei Überwachung der
Position der Grenzflächen 8 von
Partikelkomponente/Flüssigkeit
oder Komponente/Komponente die sequenziellen Positionen der Grenzflächen eine Funktionskurve 10 des
in 2 dargestellten allgemeinen Typs definieren, wobei
die anfängliche
Veränderung
der Grenzflächenposition
relativ rasch ist, jedoch merklich langsamer wird, während die
Kompaktierung der Partikelkomponente fortschreitet. Zu einem bestimmten
Zeitpunkt endet die Kompaktierung der Partikelkomponente und die
Auftrennung von Partikelkomponente/Flüssigkeit ist vollständig. Im
Kontext dieser Er findung bezeichne ich diese Beendigung der Kompaktierung
der Partikelkomponente als die endgültige Kompaktierung, welche
in 2 durch die gepunktete Linie 11 dargestellt
ist.
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Es
wird angemerkt, dass das gleiche Phänomen stattfindet, wenn eine
komplexe Mischung aus in einer Flüssigkeit suspendierten Partikelkomponenten zentrifugiert
wird, wie z.B. antikoaguliertes Gesamtblut. In diesem Fall bildet
sich gravimetrisch eine Mehrzahl von Partikelkomponentenschichten,
wobei die Flüssigkeitskomponente 6 zum
oberen Ende der Zentrifugenröhre 2 durchströmt. Blut
ist ein Beispiel einer solchen komplexen Mischung aus Partikelkomponenten,
da in der Reihenfolge abnehmender Dichte die roten Blutkörperchen
schwerer als die Granulozyten, Lymphozyten, Monozyten und Plättchen sind,
und da alle Zellen in einer Blutprobe schwerer als die Plasmakomponente
der Blutprobe sind. Wenn eine antikoagulierte Probe Gesamtblut zentrifugiert wird,
gelangen die verschiedenen Zell/Zell- und Zell/Plasma-Grenzflächen auf
die gleiche Weise wie in 2 dargestellt durch die Blutprobe.
Es wird angemerkt, dass in einer komplexen Materialmischung, z.G.
Gesamtblut, unter bestimmten Umständen mittlere Schichten tatsächlich an
Größe zunehmen
können,
anstatt zu kompaktieren. Diese kann passieren, wenn die Auftrennung
einer Zielkomponente von der Mischung die Kompaktierungsrate dieser
Schicht übersteigt.
In allen Fällen
wird die mathematische Analyse und Extrpolierung jedoch identisch
wie bei Schichten durchgeführt,
deren Dicke abnimmt, und hat den gleichen Effekt.
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Die
Kurve, welche durch die Änderungsrate der
Stelle jeglicher Partikelbestandteilgrenzfläche und somit die Bestandteilschichtdicke
in einer zentrifugierten Probe beschreibt, ist im Wesentlichen eine Hyperbel.
Diese Tatsache kann genutzt werden, um mathematisch das endgültige Ausmaß der Partikelbestandteilschicht-Kompaktierung
vorherzusagen und somit die endgültigen
Schichtdicken und Schichtvolumina von der Partikelbestandteilschicht oder
-schichten in der zentrifugierten Probe vorherzusagen.
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Es
wird angemerkt, dass die Kompaktierung der Zellschichten bei der
Startzeit null nicht sofort einer Hyperbelfunktion folgen muss.
Um festzustellen, wann die Bewegung der Grenzfläche den Punkt erreicht hat,
wo sie einer Hyperbelfunktion folgt und die endgültige Kompaktierung somit berechnet
werden kann, ist es lediglich notwendig, periodisch die Grenzflächenposition
oder Schichtdicke zu überwachen
und aufeinander folgende Messungen der Kurvensteigung als S = dP/(1/t)
zu berechnen, wobei: S die Steigung der Veränderung ist; dP die Änderung der
Grenzflächenposition
(oder Schichtdicke) ist und t die vergangene Zeit seit Beginn der
Zentrifugation ist. Wenn sich aufeinander folgende Werte von S nicht
mehr ändern,
können
die folgenden vorläufigen Datenwerte
dann erfasst werden, und die endgültige Schichtkompaktierung
kann bestimmt werden.
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3 zeigt
ein spezifisches Beispiel der gleichen antikoagulierten Gesamtblut-Probe, welche bei zwei
verschiedenen Geschwindigkeiten zentrifugiert wurde, wobei die Steigungen
der Hyperbelkurven, wie in 2 gezeigt,
linearisiert werden durch Auftragen des Reziprokwerts von aufeinander
folgenden Zentrifugationsdauern gegen aufeinander folgende gemessene
Dicken der kompaktierten Plättchenschichtgrenzflächen 8 bei
zwei verschiedenen Zentrifugengeschwindigkeiten, d.h. bei 8.000
U/min und 12.000 U/min. Die Linie 14 bezeichnet im Allgemeinen
die Änderungsrate
der Plättchenschichtdicke während Zentrifugation
der Testproben bei einer hohen Geschwindigkeit von einer Zentrifuge
mit 12.000 U/min; und die Linie 12 bezeichnet allgemein
die Änderungsrate
der Plättchenschichtdicke
während
Zentrifugation der Testproben bei einer geringeren Geschwindigkeit
in einer Zentrifuge mit 8.000 U/min, wobei die letztere nur 40%
der Zentrifugalkraft der ersteren aufbringt.
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Um
die Steigung der Änderungsrate
zu bestimmen, wird eine Reihe von vorläufigen aufeinander folgenden
Plättchenschichtendicken 16 gemessen,
und die Kurvenanpassung durch kleinste Fehlerquadrate wird berechnet,
was die beste Gerade 18 unter den Datenpunkten der vorläufigen Schichtdicke 16 ergibt.
Um die endgültig
kompaktierte Schichtdicke zu berechnen, wird die Regressionsfunktion
bis zu einer endgültigen
Zentrifugationsdauer, in diesem Fall unendlich, extrapoliert, wobei
der Reziprokwert der verstrichenen Zentrifugationsdauer null ist.
Die Schnittstelle der Kurve der Änderungsrate
der Schichtdicke an diesem Punkt an der Y-Achse identifiziert die
endgültige
kompaktierte Schichtdicke. Es wird angemerkt, dass, obwohl die Zentrifugationsgeschwindigkeiten
sich beträchtlich
unterscheiden, das Endergebnis das gleiche ist; und dass Messungen nur
für eine
relativ kurze Zeitdauer genommen werden müssen, z.B. 2 bis 3 min, verglichen
mit 5 bis 10 min, wie im Stand der Technik notwendig. Die vorläufigen Messungen
können
genommen werden, während
die Zentrifuge weiter dreht.
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Es
wird auf 4 Bezug genommen, worin eine
schematische Ansicht einer kombinierten Zentrifugen- und Lesegerätvorrichtung
gezeigt ist, welche allgemein durch das Bezugszeichen 1 gekennzeichnet
ist. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Zentrifugenplatte 3,
welche eine Ausnehmung 5 zum Halten einer transparenten
Kapillarröhre 9 aufweist.
Die Röhre 9 kann
direkt in die Ausnehmung 5 platziert werden, oder die Kapillarröhre 9 kann
in einer Kassette gehalten werden (nicht gezeigt) des Typs, welcher
in der gemeinsam anhängigen
Patentanmeldung USSN 08/755 363 offenbart ist, welche am 25. November
1996 eingereicht wurde. In jedem Fall muss mindestens eine Fläche der
Röhre 9 optisch
visualisiert werden, um die erwünschte
optische Information von dem Röhreninhalt
aufzunehmen. Die Zentrifugenplatte 3 wird rotationsmäßig durch
einen Motor 13 angetrieben, welcher durch die Ausgangsleitung 21 von
einer Vorrichtungs-Mikroprozessorsteuerung 17 gesteuert
wird. Die Rotationsgeschwindigkeit des Motors 13 wird durch
die Steuerung 17 über
die Leitung 19 überwacht,
was es der Steuerung 17 ermöglicht, die Geschwindigkeit
des Motors 13 und somit der Zentrifugenplatte 3 zu
steuern. Wenn die Zentrifugenplatte 3 ihre vorher bestimmte
Betriebsgeschwindigkeit erreicht, welche zwischen ca. 8.000 und
12.000 U/min sein kann, hängen
die Aktivitäten der
Steuerung 17 von dem gewünschten Analyse-Typ ab. Falls
es erwünscht
ist, die Materialschichtkompaktierung nach einer festgelegten Zentrifugationsdauer
abzulesen, wird die Steuerung 17 den Motor 13 für eine gewünschte festgelegte
Zeitdauer mit Energie versorgen, und die Schichtkompaktierungsmessung
wird danach genommen, während
die Zentrifuge weiter dreht.
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Falls
es andererseits erwünscht
ist die Materialschichtkompaktierung kinetisch zu messen, werden
mehrfache sequenzielle bzw. aufeinander folgende Messungen der gravitationsmäßig kompaktierenden
Blutzellschichthöhen
in der Röhre 9 gemessen.
Während
die Platte 3 rotiert, zieht eine Indexierungsvorrichtung 15 auf
der Seite der Platte 3 vorüber und interagiert mit einem
Sensor 23, welcher ein Signal durch die Leitung 20 zu
einer programmierbaren Verzögerung 22 schickt.
Die Indexierungsvorrichtung 15 kann ein Permanentmagnet
sein, und der Sensor 23 kann ein Hall-Effektsensor sein.
Alternativ kann die Indexierungsvorrichtung 15 ein Reflexionselement
am Rand der Platte 3 sein, und der Sensor 23 könnte ein
Infrarotsender/empfänger-Paar
sein. Eine weitere alternative Sensorvorrichtung umfasst einen Sensor
im Antriebsmotor 13, vorausgesetzt, dass die Platte 3 fest
mit der Welle des Antriebsmotors 13 verbunden ist.
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Nachdem
eine vorher bestimmte Zeitdauer von dem Empfang durch die Steuerung 17 eines
Signals des Umgebungssensors 23 vergangen ist, löst ein Blitztreiber
eine Blitzröhre 26 aus,
welche einen kurzen Lichtpuls liefert, vorzugsweise weniger als
ca. 50 μs
lang. Eine Filter- und Linsenanordnung 28 fokussiert das
Licht der gewünschten
Wellenlänge
von der Blitzröhre 26 auf
die Röhre 9.
Wenn die Blitzröhre 26 unter
der Platte 3 positioniert ist, umfasst diese eine Öffnung 3' zwischen der
Probenröhre 9 und
der Blitzröhre 26 und
der Filter- und Linsenanordnung 26. Aufgrund der Tatsache,
dass die exakte Rotationsgeschwindigkeit der Platte 3 durch
die Steuerung 17 über
die Leitung 19 überwacht
wird und da der Umfangsabstand zwischen der Position des Indexes 15 und
der Position der Röhre 9 festgelegt
ist, kann die erforderliche Zeitverzögerung zum rechtzeitigen Versorgen
der Blitzröhre 26 mit
Energie durch die Steuerung 17 bestimmt werden und durch
den Datenbus 30 ausgegeben werden, um den Betrieb des Blitztreibers 24 zu
steuern.
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Wenn
die Röhre 9 durch
die Blitzröhre 26 beleuchtet
wird, wird von den Zellschichten reflektiertes Licht oder fluoreszentes
Licht von den Zellschichten durch eine Linsenanordnung 32 durch
einen Lichtfiltersatz 34 auf einen Linearbildsensor 36 fokussiert, welcher
vorzugsweise eine CCD-Vorrichtung mit mindestens 256 Elementen und
vorzugsweise 5.000 Elementen ist, um eine optimale optische Auflösung zu
erreichen. Licht einer geeigneten Wellenlänge kann durch einen Aktuator 38,
z.B. ein Solenoid oder einen Schrittmotor gewählt werden und wird durch die
Steuerung 17 über
die Leitung 40 gesteuert, wodurch der Aktuator 38 den
geeigneten Filter von dem Filtersatz 34 zur Verfügung stellen
kann, abhängig von
der Lichtwellenlänge,
welche durch die Steuerung 17 gewählt wurde. Alternativ können elektrisch variable
Filter verwendet werden, um die entsprechenden Lichtwellenlängen zur
Verfügung
zu stellen, oder CCDs mit multiplen Sensoren können verwendet werden, wobei
jedes sein eigenes spezielles Filter hat. Geeignete elektrisch variable
Filter können erhalten
werden von Cambridge Research and Instrumentation, Inc. aus Cambridge,
MA. Geeignete CCDs sind erhältlich
von Sony, Hitachi und anderen und sind übliche Instrumentenkomponenten.
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Direkt
vor Empfang des Lichtblitzes von der Blitzröhre 26 wird der elektronische
Verschluss in der CCD 36 durch die Steuerung 17 über die
Leitung 42 geöffnet.
Direkt nach dem Blitz werden die Daten von dem CCD 36 in
einen Digitalwandler 44 eingelesen, welcher die analogen
Signale von jeder der CCD-Zellen zu einem digitalen Signal wandelt.
Die digitalen Daten werden dann durch die Steuerung 17 durch
einen Datenbus 46 übertragen,
so dass die Daten sofort analysiert oder für zukünftige Untersuchungen in der
Steuerung 17 gespeichert werden können. Somit kann zu jedem gewünschten
Zeitpunkt während
des Zentrifugationsverfahrens optische Information von der Probenröhre 9 gesammelt
und analysiert werden durch die Verwendung der hier beschriebenen
Vorrichtung. Die oben beschriebenen mathematischen Berechnungen,
welche zur Ableitung der "endgültigen Kompaktierung" verwendet werden,
können durch
die Steuerung 17 durchgeführt werden.
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Es
wird nun auf 5 Bezug genommen, worin eine
bevorzugte Ausführungsform
einer Zentrifugenplattenanordnung 3 gezeigt ist, welche
konstruiert ist zur Verwendung, wenn die Blitzlichtquelle 26 und
der Digitalisierer 44, welche in 4 gezeigt sind, über oder
unterhalb der Platte 3 angeordnet sind. Die Platte 3 ist
allgemein tellerförmig
und umfasst einen äußeren Rand 50 und
einen Boden 52, und die Nabe 54 ist durch einen
Deckel 56 bedeckt. Die Nabe 54 hat ein Paar diametral
entgegengesetzer Fenster 58, die darin gebildet sind. Die
Probenröhre
wird auf der Platte 3 angeordnet. Ein Ende der Röhre 9 wird
in eine Öffnung
in der Nabe 54 eingebracht, und das andere Ende der Röhre 9 wird
in einen Schlitz 60 abgesenkt, welcher in einem Block 62 gebildet
ist, der auf dem Plattenrand 50 angeordnet ist. Der Plattenboden 52 ist
mit einer Öffnung
(nicht gezeigt) ausgestattet, welche durch eine transparente Platte 64 bedeckt
ist. Ein Gegengewicht 66 ist diametral entgegengesetzt
zu der Platte 64 angeordnet, um die Platte 3 dynamisch
zu balancieren. Die Platte 64 ermöglicht, dass die Platte 3 mit
Lichtquellen und Detektoren verwendet wird, welche entweder über oder
unter dem Plattenboden 52 angeordnet sind. Sie ermöglichen
auch, dass die Anordnung entweder reflektiertes Licht, Fluoreszenz-Emissionslicht
oder Durchgangslicht in Verbindung mit der Probe verwendet, um die
gewünschten
Ergebnisse zu erzielen. Das in 5 und 6 gezeigte
spezifische Beispiel verwendet eine einzelne Röhre; multiple Röhren können jedoch
auch durch die Anordnung 1 analysiert werden durch Anordnen
einer Probenröhre,
in diametral entgegengesetzter Position auf der Platte 3 und
durch Ändern
der Zeitabstimmung von der Indexierung bis zum Blitz, um Messungen
für jede
separate Röhre
vorzusehen. Die Antriebswelle des früher beschriebenen Zentrifugenmotors 13 ist
durch das Bezugszeichen 13' gekennzeichnet.
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6 und 7 zeigen
Details bezüglich der
Verbindung von der Motorwelle 13' mit der Platte 3 und
auch Details bezüglich
der Anbringung der Röhre 9 an
der Plattennabe 54. Die Motorantriebswelle 13' ist an einer
Antriebsscheibe 68 befestigt, welche in der Nabe 54 vorgesehen
ist. Die Scheibe 68 hat ein Paar Antriebsstäbe 70,
welche daran befestigt sind, welche durch die Nabenfenster 58 reichen.
Die Antriebsstäbe 70 bieten
den einzigen antreibenden Kontakt zwischen der Motorantriebswelle 13' und der Platte 3.
Rotation der Scheibe 68 durch die Motorantriebswelle 13' bewirkt, dass
die Stäbe 70 im
Eingriff mit den Seiten der Nabenfenster 58 sind, was bewirkt,
dass die Nabe 54 und die Platte 3 mit der Scheibe 68 rotiert.
Eine Stange 72 ist rotierbar in der Nabe 54 angebracht.
Die Stange 72 umfasst eine Hülse 74 an einem ihrer
Enden, welche ein Ende der Probenröhre 9 aufnimmt. Die
Hülse 74 enthält einen elastischen
O-Ring (nicht gezeigt),
welcher das Ende der Röhre 9 greift.
Eine gezahnte Sperrvorrichtung 76 ist auf der Stange 72 angeordnet
und kann betrieben werden, um schrittweise selektive Rotation der Hülse 74 und
Probenröhre 9 auf
die folgende Weise zu bewirken. Eine in die Sperrvorrichtung eingreifende
Sperre 78 mit Federspannung ist auf der Scheibe 68 angeordnet,
und eine mit der Sperrvorrichtung im Eingriff wirkende Blattfeder 80 ist
an dem Nabendeckel befestigt.
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Wenn
die Zentrifugenmotorantriebswelle 13' durch den Motor 13 angetrieben
wird, bewegt die Rotationsscheibe 68 die Sperre 78 zum
Einwirken mit einem der Zähne
der Sperrvorrichtung 76, und die Blattfeder 80 bewegt
sich nach unten im Eingriff mit einem diametral entgegengesetzten
Zahn auf der Sperrvorrichtung 76, wie in 7 gezeigt.
Um die Sperrvorrichtung 76 und die Probenröhre 9 selektiv zu
rotieren, wird die Leistung an dem Zentrifugenmotor 13 periodisch
abgeschaltet, um kurzfristig die Rotation der Antriebswelle 13' zu verlangsamen.
Der Drehmpuls der Platte 3 bewirkt, dass sie und ihre Nabe 54 kurzfristig
bei einer schnelleren Geschwindigkeit als die Scheibe 68 rotieren,
um die Sperre 78 von der Sperrvorrichtung 76 auszukuppeln
und die Antriebsstäbe 70 von
der Plattennabe 54 zu entkoppeln. Während dieser kurzfristigen
Entkopplung wird die Sperre 78 von dem Sperrvorrichtungszahn
gelöst und
bewegt sich in eine Position, wo sie den nächsten benachbarten Zahn greift.
Der Motor 13 wird dann wieder mit voller Geschwindigkeit
angetrieben, was bewirkt, dass die Antriebsstäbe 70 wieder die Nabe 54 greifen
und bewirkt, dass die Sperre 78 einen Rotationsschritt
der Sperrvorrichtung 76 und der Probenröhre 9 im Uhrzeigersinn überträgt. Wenn
die Sperre 78 dann den nächsten benachbarten Sperrvorrichtungszahn
greift, bewirkt Rotation der Sperrvorrichtung 76, dass
die Blattfeder 80 diametral entgegengesetzt den benachbarten
Zahn auf der Sperrvorrichtung 76 greift und so die Sperrvorrichtung 76 und
die Probenröhre 9 in
der neuen Rotationsbewegung stabilisiert. Schrittweise Rotation
der Probenröhre 9 ermöglicht somit,
dass der Bildverteiler bzw. Bildsensor 36 den gesamten
Umfang der Probe in der Röhre 9 "sieht", während letztere
zentrifugiert wird. Somit werden Veränderungen im Umfang der Position
der absteigenden Probenkomponentengrenzflächen 8 durch das System
berücksichtigt.
Der genannte Röhrenrotationsmechanismus
mit Sperrvorrichtung und Sperre ist die Erfindung von Michal R.
Walters der Becton Dickinson and Company und wird in dieser Anmeldung
beschrieben, um die "Best Mode"-Anforderungen der
Patentbestimmungen zu erfüllen.
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Das
Ausmaß der
Kompaktierung von Materialschichten in der Probenröhre kann
bestimmt werden, wenn mehrfache Kompaktierungsmessungen genommen
werden, während
die Zentrifuge sich dreht und die Probenröhre rotiert wird; oder kann durch
eine Folge von Messungen bestimmt werden, welche abgelesen werden,
während
die Zentrifuge sich weiterhin dreht, während die Röhre nach einer vorherbestimmten
Rotationsdauer rotiert wird, welche ausreichend ist, um die zu messenden
Materialschichten vollständig
zu kompaktieren. In jedem Fall muss die Probe nicht von der Zentrifuge
zu einem separaten Lesegerät übertragen
werden, was Zeit erspart und den direkten Kontakt des Bedienpersonals mit
der Probe begrenzt. Eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung,
welche die gleichen Messungen durchführt, umfasst die Verwendung
einer intensiven kontinuierlichen Lichtquelle, z.B. einer Halogenlampe,
welche angeschaltet wird, wenn die Messung durchgeführt wird.
Um eine Lesegeschwindigkeit zu erreichen, welche rasch genug ist,
um das Bild der rotierenden Röhre
einzufrieren, wird der elektronische Verschluss an dem CCD nur für eine sehr
kurze Zeitdauer geöffnet,
beispielsweise ein oder zwei Tausendstel Sekunden, wenn die Röhre mit
der Optik gemeinsam ausgerichtet ist. Die beschriebenen Indexierungsvorrichtungen
können auch
verwendet werden, um das Öffnen
des CCD-Verschlusses anstatt das Blitzen der Lichtquelle zu synchronisieren.
Ein Vorteil eines solchen Systems ist, dass keine Blitzröhre und
damit verbundene Schaltungen notwendig sind. Damit diese zweite Ausführungsform
jedoch richtig funktioniert, muss die Zentrifuge auf ca. 1.000 U/min
verlangsamt werden, um ein klares Bild der Röhre zu erzeugen.
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Da
viele Änderungen
und Variationen der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung gemacht
werden können,
soll die Erfindung nicht weiter eingeschränkt werden als durch die angefügten Patentansprüche erforderlich.