WO2000067547A2

WO2000067547A2 - Verfahren zur detektion von serum und zur erfassung seiner qualität und anordnungen hierzu

Info

Publication number: WO2000067547A2
Application number: PCT/CH2000/000431
Authority: WO
Inventors: Heinz Wagner; Martin Labhart
Original assignee: Optan AG Mess- U Analysegerate
Current assignee: Optan AG Mess- U Analysegerate
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2002-07-31
Also published as: CH695000A5; AU2000264217A1; WO2000067547A3

Abstract

Um in einem Behältnis (1), dessen Wand in einem vorgegebenen Spektralbereich mindestens teilweise transparent ist, Serum zu detektieren, wird das Behältnis Lichtbestrahlung (9) ausgesetzt und die Intensität der transmittierten Strahlung bei mindestens zwei bestimmten Wellenlängen μ gemessen. In Funktion dieser Intensitätsmessung wird auf Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein von Serum an der durchstrahlten Stelle des Behältnisses geschlossen.

Description

Verfahren zur Detektion von Serum und zur Erfassung seiner Qualität und Anordnungen hierzu

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Serum nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verfahren zur Erfassung der Qualität von Blutserum nach demjenigen von Anspruch 2 sowie Anordnungen hierfür gemass den Ansprüchen 7 bzw. 8.

Die grosse Anzahl anfallender Blutproben und die Vielfalt der Analysen pro Blutprobe verlangen einen hohen Grad der Automa- tisierung. Blutprobenröhrchen werden von den Herstellern mit einer Etikette mit Angaben über vorgegebene Inhaltsstoffe etc. gekennzeichnet und vom Anwender mit einem Patientencode - meist einem Barcode - versehen. Die Etiketten verdecken die Sicht auf den Inhalt weitestgehend, oft auch vollständig. Zur Verarbeitung der Proben benötigt eine automatische Analyse mittels Automat Angaben über die verfügbare Menge des Serums im jeweilig untersuchten Blutprobenröhrchen sowie Angaben bezüglich der Qualität des Serums, d.h. Konzentrationswerte von Fett, Blutfarbstoff und Bilirubin, um fehlerhafte Resultate bei gewissen Tests zum voraus auszuschliessen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Serum in einem Behältnis automatisch zu det-ektieren bzw. dessen Qualität. Diese Aufgabe wird bei Durchführung des eingangs erwähnten Detekti- onsverfahrens nach dem Kennzeichen von Anspruch 1 bzw. bei Durchführen des eingangs erwähnten Erfassungsverfahrens, nach dem Kennzeichen von Anspruch 2 gelöst .

Demnach wird zur Detektion von Serum in einem Behältnis letzteres Licht enthaltend mindestens Teile des Spektrum S

1000 nm < S < 1400 nm ausgesetzt. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass insbesondere die erwähnten Blutprobenröhrchen mit unterschiedlichst angebrachten Etiketten und Beschriftungen im genannten Spektrum mindestens teilweise transparent sind. Dabei bezieht sich die geforderte teilweise Transparenz insbesondere auf die im Rahmen der Erfindung und wie noch erläutert werden wird, genützten Wellenlängen bzw. -Bänder. Es wird weiter die Intensität des transmittierten oder transflektierten Lichtes bei mindestens zwei Wellenlängen gemessen, für welche gilt:

bzw. 1000 nm < λ₂ < 1150 nm.

Wir verstehen dabei unter transflektiertem Licht Licht, welches durch die Behältniswandung, dem Behältnisinhalt transmit- tiert, darnach, d.h. an der gegenüberliegenden Behältniswan- düng, oder nach Transmission auch hierdurch, reflektiert wird und durch Inhalt und Wandung zurückläuft : Jedenfalls wird die Lichtstrahlung immer mindestens einmal durch den Behältnisinhalt und mindestens zweimal durch die Behältniswand transmit- tiert .

Dabei werden die erwähnten Intensitäten an einer vorgegebenen oder vorgebbaren Stelle des Behältnisses erfasst, und es wird weiter in Funktion dieser Intensitätsmessungen auf Vorhanden- sein/Nichtvorhandensein von Serum an der untersuchten Stelle des Behältnisses geschlossen.

Es wurde mithin erkannt, dass die Intensität der transmittierten bzw. transflektierten Strahlung, in den erwähnten Spektralbändern bezüglich λi und λ₂ zentriert, Vorliegen bzw. Nicht- vorliegen von Serum an der untersuchten Behältnisstelle eindeutig identifiziert, unabhängig davon, aus welchem Material das Behältnis ist, mithin unabhängig davon, ob ein als Behältnis bevorzugt eingesetztes Blutprobenröhrchen aus Kunststoff, Glas etc. besteht, weiter etikettiert ist oder nicht bzw. beschriftet ist oder nicht, vorausgesetzt natürlich, die Wand transmittiert Licht bei λ_x und λ₂.

Für die erfindungsgemässe Qualitätserfassung von Blutserum wird wiederum Licht obgenanntes Spektrum S enthaltend eingesetzt, und es wird die Intensität des transmittierten bzw. transflektierten Lichtes bei mindestens zwei Wellenlängen λ₃ und λ₄ gemessen, welche aus den folgenden Wellenlängen selekti- oniert sind:

1350 nm ± 30 nm

1290 nm ± 30 nm

1160 nm ± 30 nm

1125 nm ± 30 nm,

dabei bevorzugt 1126 nm

1015 nm ± 30 nm,

dabei bevorzugt 101^"6 nm,

und es wird in Funktion dieser Intensitätswerte auf die Quali- tat des Serums insbesondere in bezug auf seinen Fettgehalt geschlossen. Die Konzentrationen von Blutfarbstoff und Bilirubin lassen sich nämlich im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums mit bekannten Methoden bestimmen.

Wie ersichtlich sind für die Qualitätserfassung des Blutserums und für die Detektion von Blutserum an sich im jeweiligen Behältnis teilweise die gleichen Spektralbänder bzw. Frequenzen zu untersuchen, so dass sich die beiden Verfahren ideal kombinieren lassen, insbesondere mit Blick auf die automatische Erfassung von in-line anfallenden Behältnissen bzw. Blutprobenröhrchen, wobei die Aussagekraft der Qualitätserfassung da- durch steigt, dass Intensitätswerte an mehr als zwei der angegebenen Frequenzbänder erfasst und ausgewertet werden.

Dadurch, dass man in einer bevorzugten Ausführungsform des er- findungsgemässen Detektionsverfahrens die Intensitätserfassung relativ zum Behältnis -verschiebt, dabei gegebenenfalls gleich- zeitig auch die Qualitätserfassung vornimmt, ergibt sich eine eigentliche Füllstand-^essmethode bzw. Serummengen-Messmethode bzw. eine Methode, die Qualität des Serums zu ermitteln.

Mit den gemessenen Intensitätswerten an den spezifischen Wellenlängen λ₁ λ₂ bzw. λ₃, λ₄ ergeben sich eigentliche Zustands- vektoren, je nach Anzahl ausgemessener Wellenlängen-spezifischer Intensitäten, zwei- oder mehrdimensional. Bevorzugterweise werden dabei die gemessenen Intensitatswerte gewichtet im Sinne einer Achsenskalierung in den genannten Vektorräumen.

Dabei wird durch eine solche Gewichtung auch gegebenenfalls die an den ausgemessenen Spektralbereichen unterschiedliche

Intensität des eingestrahlten Lichtes berücksichtigt bzw. Unterschiede in der Transmission der eingesetzten Filter.

Die erwähnten Verfahren werden bevorzugterweise an Serum in Blutprobenröhrchen verwendet, die bevorzugterweise in einem Strom in-line anfallen. Anordnungen zur erfindungsgemässen Se- rumdetektion bzw. Qualitätserfassung zeichnen sich nach dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 7 bzw. 8 aus, deren bevorzugte Ausführungsformen nach den Ansprüchen 9 bis 12.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Fi- guren erläutert. Es zeigen: Fig. 1: schematisch, ein Blutprobenröhrchen mit den Blutphasen;

Fig. 2: die spektralen Absorptions-Kennlinien der Blutphasen Gel (a) , Blutkuchen (b) und Blutserum (c) ;

Fig. 3: die spektralen Absorptions-Kennlinien unterschiedlicher, üblicher Blutprobenröhrchen;

Fig. 4: die spektralen Absorptions-Kennlinien von üblichen Blutprobenröhrchen, gefüllt;

Fig. 5: Spektralkennlinien von Blutserum, normal (a) und zu fetthaltig (b) ;

Fig. 6: in Form eines Signalfluss/Funktionsblockdiagrammes eine erfindungsge asse Anlage, und

Fig. 7: in Form eines Signalfluss/Funktionsblockdiagrammes eine erste Ausführungsform der Anlage nach Fig. 6 mit Strahlteiler;

Fig. 8: in Darstellung analog zu Fig. 7 eine bevorzugte Aus- führungsform mit im Strahlengang zeitvariabler, gesteuerter Bandpassfilterung, und

Fig. 9: in Darstellung analog zu Fig. 7, 8 eine einfache, heu- te bevorzugte Auε-führungsform des Prinzips nach Fig.

8.

In Fig. 1 ist ein Blutprobenröhrchen 1 dargestellt mit der für Analysen vorgenommenen Phasentrennung des Blutes in Serum 3, Gel 5 und Blutkuchen 7. Das Rδhrchen 1 besteht üblicherweise aus klarsichtigem Material wie aus Glas oder Kunststoff und ist (nicht dargestellt) mit einer Beschriftungsetikette versehen. In Fig. 2 sind über der Wellenlänge λ typische Absorpti- onskurven von Blutgel (a) , Blutkuchen (b) sowie von Blutserum (c) dargestellt.

In Fig. 3 sind die -Absorptionskurven von Blutrδhrchen- Wandungen, Beklebungsetiketten und Beschriftungen unterschied- licher, gebräuchlicher Ausführungen dargestellt. In der Praxis, d.h. bei Anfallen beliebiger Blutprobenröhrchen mit beliebig zusammengesetzten und mengenmässig verteilten Blutphasen, ergibt sich, wie ^"aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, eine grosse Variation von spektralen Überlagerungsmδglichkeiten. Für solche höchst unterschiedliche Blutprobenrδhrchen/Blut- phasen-Kombinationen ergeben sich die beispielsweise in Fig. 4 je dargestellten Spektralverläufe. Jeder der Spektralverläufe von Fig. 4 entspricht einem Blutproben-gefüllten Blutprobenröhrchen unterschiedlicher Provenienz .

Es wurde erfindungsgemäss erkannt, dass wenn die erwähnten Blutprobenröhrchen 1, als Behältnisse, mit Licht mindestens Teile des Spektralbereiches S von

1000 nm < S < 1400 nm

enthaltend in Transmission - bzw. in Transflektion - durch- leuchtet werden - wozu das Behältnis-Wandungsmaterial inkl. Accessoires wie Etiketten etc. mindestens in Teilen des erwähnten Spektralbereiches transparent sein muss, wenn auch nicht notwendigerweise mit ^"konstanter Transmission - die Intensitatswerte des transmittierten Lichtes bei zwei spezifi- sehen Wellenlängen λi und λ₂ dafür aussagekräf ig sind, ob die Transmission mit Blick auf Fig. 1 im Serumbereich 3 erfolgt oder nicht. Für die Wellenlängen λ_λ und λ₂ gilt dabei:

1250 nm < λ_x < 1400 nm

und 1000 nm < λ₂ ≤ 1150 nm. In Fig. 5 sind die Spektralverläufe von Normalserum (a) und von zu fetthaltigem Blutserum (b) dargestellt.

Es ist darauf hinzuweisen, dass alle Spektralverläufe gemass den Fig. 2 bis 5 normiert sind, d.h. dass die absoluten Trans- missionswerte um Grössenordnungen stärker variieren - je nach Art der Probe, insbesondere nach Anzahl der Etiketten.

Um so erstaunlicher ist es, dass durch die transmittierten Lichtintensitäten bei mindestens zwei der folgenden Wellenlängen

1290 nm ± 30 nm

1160 nm ± 30 nm

1125 nm ± 30 nm,

dabei bevorzugt 1126 nm

1015 nm ± 30 nm,

dabei bevorzugt 1016 nm

im Sinne eines Vektorraumes, zwei- oder mehrdimensionale Gebiete festgelegt werden können, welche die Serumqualität identifizieren, und durch Messung dieser Intensitäten die Qualität einer Serumprobe identifiziert werden kann, durch Vergleich des gemessenen Vektors mit den erwähnten Vektorraum-Gebieten. Durch Intensitätsmessungen an mehr als zwei der erwähnten Wellenlängen lassen sich entsprechend die Serumqualitäten feiner analysieren.

In Fig. 6 ist in Form eines Funktionsblock/Signalflussdia- grammes eine erfindungsgemässe Anlage dargestellt, in Minimal- konfiguration, welche sich gleichermassen eignet für die De- tektion von Serum bzw. die Detektion des Serumfüllstandes in einem Blutprobenröhrchen bzw. die Qualität des Serums.

Gemass Fig. 6 wird ein zu untersuchendes Blutprobenröhrchen 1, als Behältnis, mit Licht im nahen Infrarotbereich, nämlich mindestens Teile des Spektralbereiches von 1000 nm bis 1400 nm enthaltend, von einer schematisch dargestellten Quelle 9 bestrahlt. Die durch Rδhrchen mit Etiketten, Beschriftung etc. und den Blutphasen tränsmittierte Strahlung wird in mindestens zwei Messkänalen 10a und 10b aufgefangen. Dort wird es durch Filter, vorzugsweise ϊnterferenzfilter 12a und 12b, zur Serum- detektion mindestens genähert mit den Zentrumswellenlängen λi und λ₂, zur Serumqualitätserf ssung mit den oben definierten Zentrumswellenlängen λ₃, λ₄ gefiltert. Es werden bevorzugterweise Filter mit einer Bandbreite von höchstens 200 nm, vor- zugsweise gar von höchstens 100 nm, eingesetzt. Die Intensität des ausgangsseits der Filter 12a bzw. 12b transmittierten Lichtes wird mittels optoelektrischer Wandler 14a bzw. 14b in elektrische Signale gewandelt und je Gewichtungs- bzw. Verstärkungseinheiten 16a bzw. 16b zugeführt, wobei die Gewich- tung dadurch erreicht wird, dass entweder die Verstärkungen abgeglichen werden oder die Intensitätsmesswerte je durch Re- ferenzintensitätsmesswerte dividiert werden, welche bei leerem optischen Strahlengang, beispielsweise zwischen den Röhrchen hindurch, gemessen werdenN Die den gewichteten Intensitätswer- ten entsprechenden elektrischen Signale werden anschliessend einer Auswerteeinheit mit Recheneinheit 18 zugeführt, welche die zugeführten Eingangssignale miteinander verrechnet.

Bezeichnet I die gewichtete Strahlungsintensität bei λ und I₂ diejenigen bei λ₂, gegebenenfalls I₃ bei λ₃ etc., so ermittelt die Recheneinheit 18 den momentan an der Probe gemessenen Vektor I_ιm/l₂/l_3m- Durch Vergleich mit einem oder mehreren vorer- mittelten SOLL-Bereichen B_S0LL werden ausgangsseitig der Rechenbzw. Auswerteeinheit 18 Signale ausgegeben, welche Vorliegen von Serum anzeigen bzw. für die Qualität des vorliegenden Serums repräsentativ sind. Für die Füllstand- bzw. Serummengenmessung im Blutprobenröhrchen 1 wird letzteres in der in Fig. 6 eingetragenen Richtung y relativ zur Lichtstrahltransmission verschoben und aus dem Ausgangssignal der Recheneinheit 18, welches für Vorliegen/Nichtvorliegen von Serum aussagekräftig ist, der Füllstand bzw. die Füllstandsdifferenz und damit die Serummenge im

Blutprobenröhrchen 1 bestimmt.

Die schematisch dargestellte Anordnung eignet sich ausgezeichnet für eine automatische In-line-Untersuchung von in rascher Abfolge anfallenden gefüllten Blutprobenröhrchen. Hierzu werden die Blutprobenröhrchen 1, wie schematisch bei 20 darge- stellt, auf einem Förderer, wie beispielsweise einem Bandförderer oder Karussell, in rascher Abfolge durch die Erfassungslichtschranke bewegt. Die Zykluslänge einzelner Messzyklen ist sehr kurz, so dass selbstverständlich getaktet, aber auch kontinuierlich, die Blutprobenröhrchen durch die Messlichtschran- ke bewegt werden können. Bei entsprechend schneller Rechenkapazität ergibt sich eine Zykluslänge von ca. 1 - 5 Sekunden.

In Fig. 7 ist in Darstellung analog zu derjenigen von Fig. 6 die Anordnung dargestellt, arbeitend mit einem Strahlteiler 20. Ausgangsseitig des Strahlteilers 20 sind die Kanäle gemass Fig. 10a und 10b vorgesehen. Selbstverständlich lassen sich die Funktionen Filterung gemass den Filterelementen 12a und 12b und Strahlteilung am Strahlteiler 20 mindestens teilweise durch entsprechende Auslegung von DünnschichtSystemen mindestens teilweise kombinieren.

Gemass Fig. 8 wird in einer bevorzugten Ausführungsform der transmittierte Lichtstrahl T durch eine steuerbare Filteran- Ordnung 12_c durchgeschickt, bevor er auf die optoelektrische Wandleranordnung 14_c auftrifft. Durch die schematisch eingetragene Steuerung S wird zeitsequentiell die eine bzw. die andere Filterung gemass den Filtern 12_a und l-2_b von Fig. 6 im darge- stellten einzigen Strahlengang zum optoelektrischen Wandler 14_c aktiviert. Dies wird in heute bevorzugter Ausführungsform gemass Fig. 9 dadurch realisiert, dass mechanisch, wie mit dem Doppelpfeil F dargestellt, das eine bzw. andere der Filterelemente 12_a bzw. 12 in den Strahlengang eingeschoben wird. Auf die in den Fig. 8 und 9 dargestellte Art und Weise wird der

Konstruktionsaufwand für die erfindungsgemässe Anordnung praktisch um die Hälfte reduziert, verglichen mit einer Ausführung mit parallel betriebenen Kanälen.

Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Detektion von Serum in einem Behältnis, dessen Wandung im Spektrum S, für welches gilt

1000 nm < S < 1400 nm,

mindestens teilweise transparent ist, dadurch gekennzeichnet, dass man.

• das Behältnis Licht enthaltend mindestens Teile des Spektrums S aussetzt,

• die Intensität des transmittierten oder transflektierten Lichtes bei mindestens zwei Wellenlängen λi und λ₂ misst, für welche gilt

1250 nm < λx < 1400 nm

1000 nm < λ₂ ≤ 1150 nm,

an einer vorgegebenen oder vorgebbaren Stelle des Behältnis- ses,

• in Funktion dieser Intensitätsmessungen auf Vorhanden- sein/Nichtvorhandensein von Serum an besagter Stelle im Behältnis schliesst.

2. Verfahren zur Erfassung der Qualität von Blutserum in ei- nem Behältnis, dessen Wandung für Licht des Spektrums S, für welches gilt

1000 nm < S < 1400 nm,

mindestens teilweise transparent ist, dadurch gekennzeichnet, dass - man das Behältnis Licht, enthaltend mindestens Teile des Spektrums S, aussetzt;

- man die Intensität des transmittierten oder transflektierten Lichtes bei mindestens zwei Wellenlängen λ₃ und λ₄ misst, o- bei diese Wellenlängen λ₃ und λ₄ selektioniert sind aus folgenden Wellenlängen λ₀:

1350 nm ± 30 n

1290 nm ± 30 nm

1160 nm ± 30 nm

1125 nm ± 30 nm,

bevorzugterweise 1126 nm,

1015 nm ± 30 nm,

bevorzugt 1016 nm

und in Funktion dieser Intensitätswerte auf die Qualität des Serums in bezug auf seinen Fettgehalt schliesst.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Intensitätserf ssung bezüglich des Behältnisses verschiebt zur Detektion des Serum-Füllstandes und/oder der Qualität.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die gemessenen Intensitätswerte je ge- wichtet und aus den gewichteten Intensitätswerten auf Vorhan- densein/Nichtvorhandensein von Serum bzw. dessen Qualität schliesst.

5. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 an Serum in Blutprobenröhrchen, die vorzugsweise in einem Strom anfallen.

6. Verwendung nach Anspruch 5 für die In-line-Serie-Prüfung an Blutprobenröhrchen.

7. Anordnung zur Detektion von Serum in gefüllten Behältnissen, deren Wandung im Spektrum S mindestens teilweise transparent ist mit

l^'ÖOO nm < S < 1400 n,

dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst:

eine Halterung für mindestens ein Behältnis,

eine Beleuchtungsquelle für ein Behältnis in der Halterung enthaltend mindestens Teile des Spektrums S,

- mindestens zwei optische Messkanäle, je mit einem optischen Bandpassfilter, zentriert um die entsprechenden Wellenlängen λi und λ₂, für welche gilt:

1250 nm < λ_x < 1400 nm

1000 nm < λ₂ < 1150 nm,

mit einer dem Filter nachgeschalteten optoelektrischen Wandler-Anordnung, deren Ausgang auf eine Aus- werteeinheit geführt ist .

8. Anordnung zur Erfassung der Qualität von Blutserum in einem Behältnis, dessen Wandung für Licht im Spektrum S mindes- tens teilweise transparent ist, für welches gilt 1000 nm < S < 1400 nm,

dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen sind:

• eine Halterung für mindestens ein Behältnis,

• eine Beleuchtungsquelle für ein Behältnis in der Halterung mit mindestens Teilen des Spektrums S,

• mindestens zwei optische Kanäle, je mit einem optischen Bandpassfilter, zentriert um die entsprechenden Wellenlängen λ₃, λ₄, welche aus folgenden Wellenlängen selektioniert sind

1350 nm ± 30 nm

1290 nm ± 30 nm

1160 nm ± 30 nm

1125 nm ± 30 nm

vorzugsweise 1126 nm

1015 nm ± 3 nm

vorzugsweise 1016 nm,

mit einer dem Filter nachgeschalteten optoelektrischen Wandleranordnung, deren Ausgang auf eine Auswerteeinheit geführt ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Bandfilter eine Bandbreite von höchstens 200 nm, vorzugsweise von höchstens 100 nm, aufweisen.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung Teil einer Transportvorrichtung für mehrere der Behältnisse ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Ausgänge der optoelektrischen Wandler- Anordnung mit dem Filter zugeordneten, einstellbaren Gewichtungseinheiten wirkverbunden sind.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei optischen Messkanäle auf einen gemeinsamen optoelektrischen Wandler der Anordnung wirken und die Filter zeitsequentiell betrieben werden.

13. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12 für die In-line-Untersuchung von Blutproben in Blutprobenröhrchen.