CN101043931A - 减小孔径的生物标本收集和传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于过滤的生物样本收集和传输装置。该过滤和传输装置包括：具有两个轴向端部的管体；设置在一个轴向端部处的环形凸缘；以及附于该环形凸缘外表面的生物样本过滤器。优选地，环形凸缘在其外表面上设置环形突脊，该环形突脊具有统一高度并形成平坦边缘，过滤器置于该边缘上。可选地，环形凸缘包括两个安装部，并且过滤器结合至这些安装部中的每一个。

Description

减小孔径的生物标本收集和传输装置
技术领域
本发明通常涉及一种为制备生物标本而收集和传输微观粒子的装置。
背景技术
包括宫颈细胞抹片检查在内的很多医学试验需要医生通过利用器械在目标区域中擦拭和/或刮擦皮肤或粘膜来收集细胞。接着将细胞涂到载玻片上，并将其安装并运送到要对载玻片进行染色的实验室。接着，由细胞技术员和/或病理学家在显微镜下检查载玻片以确定细胞异常性。在评估期间，病理学家可以使用染色技术(polychrome technique)，该技术的特征在于，将细胞的核心部分染色以确定发育异常或瘤形成的存在。病理学家为了观察细胞的细胞质也可以使用复染剂(counter-stain)。因为样本可能包含碎屑、血、粘液、和其它遮蔽伪影(obscuring artifact)，该试验可能难以进行评估，并可能无法对收集到的样品提供精确的诊断评定。
以将片状脱落的细胞收集到液体防腐剂中为基础的细胞学提供了优于将细胞直接涂到载玻片上的传统方法的很多优点。如美国专利第6,572,824、6,318,190、5,772,818、5,364,597、以及5,143,627号中披露的，可以使用过滤传输(filter transfer)技术，由细胞悬液来准备载玻片。
过滤传输方法通常从收集液体中悬浮的细胞开始。这些细胞可被收集并分散到液体防腐剂中，或者它们可以自然地存在于被收集的生物液体中。在诸如PreservCytTM溶液的包含甲醇的液体防腐剂进行分散，在没有影响所关注的细胞的条件下分裂(break up)了粘液并细胞溶解了红血球和发炎细胞(inflammatory cell)。接着液体可流过具有固定直径孔的过滤器(filter)，该孔由隔膜覆盖以集中并收集细胞。碎屑(诸如细胞溶解的血细胞和分散的粘液)流过隔膜的小孔，不会被收集在隔膜上，并且通过分散和过滤的组合方法可大大减少这些碎屑。收集在隔膜上的细胞被传输至载玻片上。
现有的过滤传输方法使用具有固定直径孔的过滤器。因此，细胞样品点具有统一尺寸，即21mm，即使在对于特定试验需要更小斑点，即7mm的时候。用于收集被分散的单层细胞以及用于将它们传输至用于进行检查的显微镜载玻片上的现有装置具有带有过滤器定位边缘的管，该过滤器定位边缘具有平坦度高的几何尺寸，以便于以可靠保持被收集粒子空间分布的方式来定位用于将被收集细胞传输至显微镜载玻片的滤波器。用于制造和使用这种装置的设备是根据固定有过滤器的管的直径而被标准化的。
已经发现，在不改变管直径的条件下调整上述类型的这种公知的过滤装置的孔径会造成微观流体动力效应，这种效应会使得正在传输的被收集粒子的空间分布变形。调节孔径的方法包括在过滤器的下侧上使用MyLar以及使用具有开口和封闭区域的隔膜。因此，现有过滤传输方法使用具有统一孔的过滤器并可能导致过多的细胞被传输进而被丢弃。这些过多细胞需要使用额外的试验试剂，造成了成本增加。
在形成细胞样本的同时降低细胞损失量，不仅降低了所使用试验试剂的量，还增加了对于单次样本采集步骤中取得的细胞可以进行的试验次数。这进而又允许进行更多次的确认试验，降低了收集细胞的困难，并减少了病人经历收集过程的次数。
发明内容
根据本发明一个实施例，提供了基于过滤的生物样本的采集和传输装置。该过滤和传输装置包括具有两个轴向端的管体、设置在一个轴向端处的环形凸缘、以及附于环形凸缘外表面的生物样本过滤器。优选地，环形凸缘在其外表面上设置有环形突脊，该突脊具有统一高度并形成平坦边缘，过滤器置于该平坦边缘上。环形凸缘还优选地在其外表面上设置两个环形槽，该环形槽用于将过滤器结合至凸缘。
可选地，环形凸缘包括两个安装部，并且过滤器结合到这些安装部中的每一个。还可选地，过滤器包括过滤部以及径向位于该过滤部外侧的安装部，并且可结合至环形凸缘上的两个安装部。过滤和传输装置可选地包括盖子，该盖子流体地封闭管体的与设置有环形凸缘的轴向端相对的轴向端。而且，过滤和传输装置可选地包括空压源(pneumatic source)导管和压力监测器导管，它们分别连接至空压源和压力监测器。
根据本发明另一实施例，提供了一种收集液体中携带的微观生物粒子的方法。该方法包括：将上述过滤和传输装置定位在携带微观生物粒子的液体中；以及利用真空将液体抽到该装置中并在过滤器上收集生物粒子。
根据本发明另一实施例，提供了基于过滤的生物样本收集和传输系统。该收集和传输系统包括具有两个轴向端的管体、设置在一个轴向端处的环形凸缘、以及附于环形凸缘外表面的生物样本过滤器。该系统还包括经由空压源导管连接至管体的空压源以及经由压力监测器导管连接至管体的压力监测器。优选地，环状凸缘在其外表面上设置环形突脊，该环形突脊具有统一高度并形成平坦边缘，过滤器置于该平坦边缘上。环形凸缘优选地还在其外表面上设置两个环形槽，该环形槽用于将过滤器结合至凸缘。
可选地，环形凸缘包括两个安装部，并且过滤器结合到这些安装部中的每一个。还可选地，过滤器包括过滤部以及径向位于该过滤部外侧的安装部，并且可结合至环形凸缘上的两个安装部。过滤和传输装置可选地包括盖子，该盖子流体地封闭管体的与设置有环形凸缘的轴向端相对的轴向端。
根据本发明再一实施例，提供了一种与基于过滤的生物样本收集和传输系统一起使用的套件。该套件包括：第一管体，其具有两个轴向端；第一环形凸缘，其限定第一开口并设置在一个轴向端处；以及第一生物样本过滤器，其附于第一环形凸缘的外表面。该套件还包括：第二管体，其具有两个轴向端；第二环形凸缘，其限定第二开口并设置在一个轴向端处；以及第二生物样本过滤器，其附于第二环形凸缘的外表面。第一和第二开口具有不同孔径。
根据本发明又一实施例，提供一种制造基于过滤的生物样本收集和传输装置的方法。该方法包括将生物样本过滤器结合至设置在管体轴向端处的环形凸缘、热收缩(heat shrink)该过滤器、以及将过滤器第二次结合至环形凸缘。该结合优选地通过热或超声波的方式来进行。
附图说明
附图示出本发明实施例的设计以及效用，其中，用共用参考标号表示类似元件，附图中：
图1是根据本发明一个实施例构造的生物样本过滤和传输装置的侧截面图；
图2是图1的过滤和传输装置的透视图；
图3是图1的过滤和传输装置的详细侧截面图；
图4是邻近显微镜载玻片的图1的过滤和传输装置的侧截面图；
图5是被构造成与图1的过滤和传输装置一起使用的盖子的透视图；
图6是根据本发明一个实施例构造的生物样本过滤和传输装置的透视图；
图7是根据本发明一个实施例的生物样本过滤和传输系统的透视图；
图8是根据本发明一个实施例构造的两个生物样本过滤和传输装置的透视图；
图9是用于制造根据本发明一个实施例的生物样本过滤和传输装置的过程的示意性表示图；以及
图10是用于制造根据本发明一个实施例的生物样本过滤和传输装置的过程的示意性表示图。
具体实施方式
参照图1，现在将描述生物样本过滤装置100的一个实施例。过滤装置100可与生物样本收集和传输系统166(图7)一起使用，该系统被设计成用于利用过滤技术将生物样本从样本收集容器168传输至生物样本载玻片132(如图4所示)。为此，过滤装置100通常包括管体102、设置在管体102的一端处的环形凸缘104、以及附于环形凸缘104的生物样本过滤隔膜106。
管体102由沿纵轴110延伸的筒形壁108构成。筒形壁108终止在完全开口的近轴向端112和位于环形凸缘104中的远轴向端114。环形凸缘104包括径向向内端面101，该端面限定了与真空腔体111连通的中央孔103，该真空腔体由管体102限定。在所示实施例中，通过Dow化学公司(Styron 685D指定)投放市场的聚苯乙烯树脂，管体102和环形凸缘104被模制成单体件。因此，在过滤装置100使用过程中的压力下可能出现泄漏的这些部件之间没有接缝。但是，可替换地，管体102和环形凸缘104可能最初是由分体件构成，并在后来被结合在一起。
环形凸缘104包括外部安装表面105，过滤隔膜106安装在该安装表面上。当被安装至环形凸缘104时，过滤隔膜106包括与环形凸缘104相配合的环形周缘部136以及与中央孔103相配合并横跨该中央孔的中央孔部126，该中央孔形成在管体102的远端114。如下文将详细描述的，在含有微粒的溶液流过中央过滤孔部126的同时，微粒可被捕获在中央过滤孔部上。为此，过滤隔膜106采用经过润湿剂处理的多孔渗水聚碳酸酯的形式(该聚碳酸酯可从制造商处买到并且是吸水性的)。在所示实施例中，过滤隔膜106是大约16微米厚，并且可从Whatman Corporation，Stanford，ME 04024处获得。
过滤隔膜106可以以任何适合方式安装于环形凸缘104的安装表面105，但是在所示实施例中，它是加热结合至该安装表面的，如下文更详细地描述。可替换地，过滤隔膜106还可超声结合至环形凸缘104的安装表面105。从Rockland Mass 02370的Polyfiltronics，Inc.可获得适合的超声波结合工艺。过滤隔膜106也可溶解地结合至环形凸缘104的安装表面105。
因此，可以理解，环形凸缘104使得在管体102直径保持不变的同时能够降低中央过滤孔部126的直径。而且，生物样本过滤和传输套件200可由具有不同孔206/208的两个或更多个管体202/204组装而成，如图8所示。管体206/208被构造成由相同盖子142(见图5)封闭，并可在生物样本收集和传输系统166(见图7)中可互换使用。
现在参照图2和图3，环形凸缘104包括提高过滤装置100功效的多个特征。具体地，环形凸缘104包括环形突脊120，该突脊从安装表面116径向向内地设置。环形突脊120的特征在于具有远端定位边缘122，过滤隔膜106在整个边缘上延伸。从而中央过滤区域126具有平坦度高的几何形状，定位边缘122位于基本垂直于纵轴110的平面124中，并且环形突脊120具有统一高度。在所示实施例中，环形突脊120包括径向向内突脊端面107，该端面与环形凸缘104的径向向内的端面101对齐。可替换地，径向向内突脊端面107可从径向向内端面101径向向外地偏置。
如图3所示，安装表面105被拓扑地(topologically)分割成内环形安装表面116和外环形安装表面118，它们彼此具有同心的关系。如下文将详细描述的，使用安装表面116/118使得过滤隔膜106能够以渐升阶梯状有利地安装于环形凸缘104。环形凸缘104还包括内环形气密层128，该气密层与突脊120和内安装表面116同心并径向地介于它们之间。所示气密层128采用内环形槽130的形式，这提供了阻热层，该阻热层在过滤隔膜106热结合期间隔绝安装表面105处形成的任何热量，从而使得定位边缘122的扭曲或其它形式的几何形状的改变最小化。如果使用溶解结合的方式将过滤隔膜106安装于环形凸缘104的话，气密层128还缓解了溶剂的使得边缘122变形的这种效果。此外，气密层128提供了一种容器，用于捕获或以其它方式容纳，在过滤隔膜106结合于或以其它连接方式附于内安装表面116的期间所产生的碎屑以及其它过多的或流动的材料。因此，气密层128基本防止了定位边缘122扭曲并使得该边缘与材料碎屑隔绝，这些材料碎屑可能会以其它方式改变和降低由定位边缘122限定的所需平坦度高的表面。
因此，可以理解，由安装过滤隔膜106而造成的安装表面105的扭曲不会改变定位边缘122的精确定位几何形状。因此，中央过滤区域126可具有精确的平坦设置。从而，当诸如显微镜载玻片的生物样本载玻片132与中央过滤区域126接触时(如图4所示)，整个中央过滤区域126以齐平的方式与支撑装置132抵靠。这种基本均匀的抵靠使得位于中央过滤区域126整个表面上的被收集粒子被直接传输至支撑装置132。因此，粒子将以在过滤隔膜106上具有相同空间分布的形式被传输至样本载玻片132，同时还使得传输后保持在过滤隔膜106上的粒子量最少。
环形凸缘104的特征还在于，介于内和外安装表面116/118之间的环形气密层109。以与上述内环形气密层128相同的方式，外环形气密层109采取环形槽的形式，该环形槽提供了一种容器，用于捕获或以其它方式容纳，在过滤隔膜106结合于或以其它连接方式附于外安装表面118期间所产生的碎屑以及其它过多的或流动的材料。
如上简要所述，将过滤隔膜106安装于环形凸缘104的一个方法涉及热结合。在此过程中，首先执行第一热结合步骤，在该步骤中，通过热将过滤隔膜106焊接至凸缘104上的外安装表面118。接着，执行过滤收缩步骤，该步骤均匀地拉紧过滤隔膜106以增加凸缘104上的过滤隔膜106的平坦性和无皱设置。如上所述，可以发现，通过执行该过滤收缩步骤，提高了粒子从收集过滤隔膜106到样本载玻片132的传输，该过滤收缩步骤优选地在将过滤隔膜106热结合至凸缘104的外安装表面118的第一步骤之后。最后，为了防止液压效果干扰被过滤粒子的传输，采用热结合的第三步骤，在该步骤中，过滤隔膜106通过热焊接至凸缘104的内安装表面116。
图9示出了用于以热结合工艺方式将过滤隔膜106安装至环形凸缘104的热结合装置170。该制造装置170主要是具有加热柱塞(ram)172的冲压机(arbor press)，该加热柱塞172具有柱塞顶端174。柱塞顶端174形状像角(horn)或具有与凸缘104的外环形安装表面118大体相同的直径的中空管，被直接按压在过滤隔膜106上并被保持在能够将过滤隔膜106(优选地，过滤隔膜106的周缘区域136)焊接到凸缘104上的温度下。优选地，例如，利用数控方式控制柱塞顶端温度，以获得±1的精确度。在所示装置中，通过将管体102支撑在按压底座178上所安装的气缸176上来控制柱塞顶端174、过滤隔膜106、和凸缘104之间的接触压力。柱塞172降低直至接合止挡件。接着，位于底座178上的气缸176承担了负载。通过改变对于气缸176的压力可设置该负载。结合步骤的持续时间(即柱塞顶端174保持按压在过滤隔膜106和凸缘104上的时间)可通过以下方式来控制，即，进行定时并改变气缸176的方向，以去除作用在凸缘104和过滤隔膜106上的负载以及热量。例如，当柱塞172撞击止挡件时，限制开关(未示出)可起动计时器，以确定柱塞顶端174抵靠过滤隔膜106和凸缘104的持续时间。
装置170包括控制单元180，该控制单元提供对于柱塞顶端温度、压缩力、以及持续时间的控制。控制单元180优选地由微机驱动，该控制单元连接至位于气缸176中的压力传感单元、位于柱塞顶端174中的温度传感单元、以及由接合止挡件的柱塞172激活的微型开关。为此目的可以提供控制单元180。
一旦柱塞172下降并接合止挡件，控制单元180起动空气泵或连接至气缸176的压缩空气源。控制单元180监测并调节气缸176的压力，使得该压力与柱塞顶端174被过滤隔膜106和凸缘104接触时的所需压缩力相匹配。这种接触的持续时间的确定与止挡件被柱塞172的接触相关，或者，可替换地，可以与所设定压力值在气缸176中实现有关。在预定持续时间结束的时候，控制单元180释放气缸176中的压力，从而从柱塞顶端174去除凸缘104和过滤隔膜106。控制单元180感应并调节柱塞172和柱塞顶端174的温度，使得所需柱塞顶端温度保持在±1之内变化。
用于热结合步骤的工作条件包括确定温度、持续时间、以及结合力或压力。例如，柱塞172温度的增加通常会被持续时间和压缩力的降低所补偿，反之亦然。当凸缘熔化最小、凸缘/过滤器的界面湿度平均、并且过滤隔膜106结合至凸缘104的机械强度高时，可以认为工艺是优化的。当温度、持续时间、和负载力等参数太大时，结果会是人们不愿看到的凸缘104的变形。相反地，当这些参数太小时，得到的结合太弱，并且过滤隔膜106较容易从凸缘104上脱离。这些工艺条件的一个特别有用的试验来自于确定载玻片的质量，该载玻片是由样本材料通过过滤装置100从过滤隔膜106沉积所产生。
在过滤隔膜106附于外安装表面118之后，过滤隔膜106被修剪成近似凸缘104的直径。这消除了可能会影响粒子收集和传输过程的多余过滤材料。如上所述，过滤隔膜106包括聚碳酸酯，并且管体102和凸缘104包括聚苯乙烯。用于通过上述方式，利用图9中的装置将聚碳酸酯的过滤隔膜106机械结合至聚苯乙烯的凸缘104的过程参数如下：
柱塞顶端温度    275-350
压缩力          20-60磅
持续时间   0.75至2.0秒
柱塞顶端结构
         外径  1.0英寸
         内径  0.89英寸
聚碳酸酯的熔点高于聚苯乙烯的熔点，因此在这些条件下，通过过滤隔膜106传导的来自柱塞顶端174的热量使得外安装表面118熔化并形成与聚碳酸酯过滤隔膜106的机械结合。用于将过滤隔膜106热感应机械结合至凸缘104的参数的一组特别优选的组合是：
柱塞顶端温度        350
压缩力              40磅
持续时间            0.75秒
图10示出了可用于执行热收缩步骤的热收缩装置182。该装置182包括温度可变的热空气源184以及流向引导挡板186，该挡板将热空气流188引导到固定于凸缘104上的过滤隔膜106上。具有热结合的过滤隔膜106的管体102以受控速度以及选定的最小间隔190经过热空气源184的流向引导挡板186下方。维持热空气的温度，使得过滤隔膜106收缩并沿所有方向基本均匀地绷紧。为了改变热应用的持续时间，可以改变管体102经过热流188的速度。热暴露的持续时间与管体102经过热流188的速度成反比。
用于通过所示实施例执行的热收缩步骤的过程参数是：
空气温度                 250-400
热应用持续时间
(以圆柱体速度来表示)     0.5至2.0英寸/秒
在一个特定示例性实例中，所使用的热空气源是温度可变的热空气枪(Master Appliance，VariTemp Heat Gun VT 752C)以及外部尺寸为8英寸×0.2英寸的流向引导挡板。空气温度保持在400，并且管体102以每秒1.3英寸的速度经过热空气流326。当管体102直接定位在流向导引挡板324下方时，这些部件大约分开0.5英寸。
通过使用第一过滤结合步骤所使用的上述方法，第二过滤结合步骤将过滤隔膜106热结合至内环形结合表面116，其中具有一个不同之处。用于第二过滤结合步骤中的柱塞(未示出)具有直径基本等于凸缘104的内环形安装表面116的柱塞顶端(未示出)。
如图6所示，过滤装置100的近端112被构造成紧密地容纳可拆卸盖子142。进一步参照图5，盖子142包括：中空圆柱体144，其具有用于插入到过滤装置100中的较小的外凸端146；以及扩大的内凹端148，用于与真空源配合(如图7所示)。为了便于可拆卸盖子142与过滤装置100的液体密封地连接，盖子142包括形成在外凸盖端146内的两个环形凹槽154以及被容纳在环形凹槽154内的两个相对应的O形密封圈140。O形密封圈140包含诸如橡胶的弹性材料，从而它们可被固定于凹槽154中。如图1所示，两个凹槽在近端112处形成在管体102的内表面中，并且被构造成紧密地容纳盖子142的O形密封圈140。
为了形成与过滤装置100的机械界面，收集和传输系统166包括与过滤装置100的盖子142相配合的接合机构152。收集和传输系统166还包括两个导管156和160，该导管的远端通过接合机构152延伸，并与过滤装置100的内部液体连通。导管156和160的近端分别连接至收集和传输系统166的空压源158和压力监测器162。以这种方式，空压源158可通过导管156对过滤装置100的内部施加负压脉冲，以便从液体样本113中收集粒子。空压源158还可通过导管156对样本收集装置12的内部施加正压脉冲，以便将被收集粒子分散到载玻片132上。压力监测器162使得收集和传输系统166能够更精确地控制过滤装置100内的压力。
为了简要展示和描述的目的，仅示出了收集和传输系统166的接合机构152、导管156和160、空压源158、以及压力监测器162。在美国专利第6,318,190和6,572,824号中更详细地描述了这种类型的收集和传输系统的结构和功能。
如所提到的专利中进一步描述的，当粒子从含有粒子的液体中取出来后且位于中央过滤区域126的外表面时，过滤和传输装置100可抵靠着生物样本支撑装置132放置，诸如显微镜载玻片，如图3所示。收集在过滤隔膜106上的细胞或其它粒子被传输至支撑装置132。通过向中央过滤区域126的内侧施加升压可有利于粒子从过滤隔膜106到支撑装置132的传输。

Claims (13)

1.一种生物样本过滤装置，包括：
管体，其具有第一和第二轴向布置的端部以及形成在它们之间的真空腔体；
环形凸缘，设置在所述第一轴向端部并限定了与所述真空腔体液体连通的孔，所述环形凸缘具有安装表面；以及生物样本过滤隔膜，其被构造成用于在其上收集液体中携带的微观生物粒子，所述过滤隔膜具有附于所述安装表面的周缘区域以及横跨所述孔的中央区域。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
环形突脊，其从所述安装表面径向向内地设置在所述外环形凸缘上；以及
平坦边缘，其设置在所述环形突脊上，其中，所述过滤隔膜置于所述边缘上。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述安装表面为外表面。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述环形凸缘包括介于所述环形突脊与所述安装表面之间的环形空气边界层。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述环形凸缘包括环形空气边界层，所述环形空气边界层将所述安装表面分割成同心的内和外安装表面。
6.一种生物样本过滤组件，包括权利要求1所述的装置以及盖子，所述盖子被构造成密封地插入所述管体的第二轴向端部。
7.一种生物样本收集和传输系统，包括：
管体，其具有第一和第二轴向布置的端部以及形成在它们之间的真空腔体；
环形凸缘，设置在所述第一轴向端部并限定了与所述真空腔体液体连通的孔，所述环形凸缘具有安装表面；
生物样本过滤隔膜，其附于所述安装表面，以在其上收集液体中携带的微观生物粒子；以及
空压源，其通过所述第二轴向端部与所述管体的所述真空腔体液体连通。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述过滤隔膜具有附于所述安装表面的周缘区域以及横跨所述孔的中央区域。
9.根据权利要求7或8所述的系统，进一步包括压力监测器，所述压力监测器通过所述第二轴向端部与所述管体的所述腔体液体连通。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的系统，进一步包括：
环形突脊，其从所述安装表面径向向内地设置在所述外环形凸缘上；以及
平坦边缘，其设置在所述环形突脊上，其中，所述过滤隔膜置于所述边缘上。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中，所述安装表面是外表面。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述形环凸缘包括介于所述环形突脊与所述安装表面之间的环形空气界面层。
13.根据权利要求7所述的系统，其中，所述环形凸缘包括环形空气界面层，所述环形空气界面层将所述安装表面分割成同心的内和外安装表面。
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