CN102985181B - 使用阵列成像系统成像和分析离心分析管来执行血液学分析的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于分析在毛细管内离心的血液样本的方法和装置。所述装置包括管支架、样本成像装置、处理器和样本数据显示器。所述样本成像装置可操作以产生所述管的一区域内的样本的数字图像。所述区域由在离心后飘浮物所处的区域中的、位于所述管的内腔中的样本的基本上全部径向宽度和轴向长度所限定。所述样本成像装置可操作以产生代表该图像的信号。所述处理器适于基于来自所述样本成像装置的信号产生与所述图像内的感兴趣的带相关的信息。所述样本数据显示器适于显示来自所述样本处理器的结果和/或所述区域内的所述样本的数字图像。

Description

使用阵列成像系统成像和分析离心分析管来执行血液学分析的方法和设备

本申请要求2011年1月28日递交的第13/016,347号美国专利申请、2010年2月17日递交的第61/305,449号美国临时专利申请和2010年6月3日递交的第61/351,138号美国临时专利申请的权益，所述专利申请中的每一专利申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

第4,027,660号美国专利、第4,091,659号美国专利、第4,137,755号美国专利、第4,209,226号美国专利、第4,558,947号美国专利、第4,683,579号美国专利、第5,132,087号美国专利、第5,888,184号美国专利以及第6,441,890号美国专利描述了用于使用毛细管和占位性插入物进行血液学分析的方法和设备，该占位性插入物漂浮在离心的红血细胞上，从而扩展了周围的血沉棕黄层且允许测量和量化血液层。该方法允许确定全血计数（CBC），该全血计数由血细胞比容、血红蛋白确定、白细胞总数（表现为总粒细胞数和粒细胞百分数、总淋巴细胞数和淋巴细胞百分数以及总单核细胞数和单核细胞百分数）以及血小板计数和平均红细胞血红蛋白浓度组成。该方法在世界范围内已经被广泛用于在人类医学和兽医学中执行床旁检测CBC。先前由美国新泽西的BectonDickinson公司制造并销售该设备，如今由美国宾夕法尼亚州的QBCDiagnostics公司制造并销售该设备。该设备以血液学的商标进行销售。该毛细管在行业中被称为管。

血液学系统包括用于读取管的多个不同的复杂仪器，每个复杂仪器具有照明系统、电源、成像和光学系统、微处理器和显示器。这些装置无论在何处都可耗费数百美元至成千上万美元。独立的读取器和整合的读取器-离心机（STAR读取器）的当前形式提供了管的线性扫描，不论在独立的读取器的情况下该管为静止时，还是当离心机运动时（读取器为这种情况）。在这两种情况下，线性扫描受限于扫描管的单一的轴向延伸的线扫描，这仅评估管内的感兴趣的区域的狭条。因为该扫描方法在给定的时间仅可扫描感兴趣的狭条区域，因此有必要在管的不同圆周位置进行多个轴向延伸的扫描，以确定哪些扫描可用于分析的目的。通过检查各在不同的圆周位置进行的数个不同的扫描，可确定任何特定的扫描是否代表所述样本或该扫描是否包含非代表性的异常。此外，由于窄扫描，仪器的机械校准和光学校准必须保持极高的容差，这也增加了设备的成本。

对于读取器而言更是如此，这是因为在离心机运转时同时读取管，这迫使需要精确的定时系统以确保当管位于线性扫描装置（例如CCD（电荷耦合器件）扫描仪）下的适当位置时，精确地进行照明。另一相关的问题是需要提供精确的振动阻尼以便在该过程中维持管和读取器的相对位置。

这些考虑迫使分析管读取器具有相对高的价格，这限制了血液学系统的市场规模，这是因为当设备每天仅用于几个测试时，医疗服务提供者不愿意和/或不能够进行必要的设备投资。在旁床检测人员没有分析设备的情况下，患者遭受极大的麻烦、伤害和以及不得不花费相当大的开支去私人实验室和不得不等待数天以得到结果。由于在护理点不能得到即时结果，因此缺乏分析装置还使医生的工作更加困难。此外，美国的管理机构需要该测试的提供者必须服从CLIA（clinicallaboratoryimprovementact，临床实验室改进法案）法律的监管。

因此，需要一种简单的、廉价的、稳健的方法来在护理点读取离心的血液样本，同时可在医疗服务提供者仍然和患者在一起时得到即时的结果。此外，需要这样的一种方法和装置：该方法和装置可提供精确的结果和在方法上对合适的分析技术的符合以及质量控制措施，尤其是那些允许CLIA免除的方法和装置，该CLIA受到不太烦扰的监管。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于分析在毛细管内离心的血液样本的装置。所述毛细管包含具有径向宽度和轴向长度的内室以及置于所述管内的漂浮物。所述装置包括管支架、样本成像装置、处理器和样本数据显示器。所述样本成像装置可操作以形成所述管的一区域内的样本的数字图像。所述区域由在离心后飘浮物所处的区域中的、位于所述管的内腔内的样本的基本上全部的径向宽度和轴向长度所限定。所述样本成像装置可操作以产生代表该图像的信号。所述处理器适于基于源自所述样本成像装置的信号产生与图像内的感兴趣的带相关的信息。所述样本数据显示器适于显示来自所述处理器的结果和/或所述区域内的样本的数字图像。

根据本发明的另一方面，提供一种分析布置在毛细管内的血液样本的方法。所述管包含具有径向宽度和轴向长度的内腔以及置于所述管内的漂浮物。所述方法包括以下步骤：a)用离心机分离所述样本以在置于所述管中的样本内形成组分带；b)形成所离心的样本的一区域的图像，所述区域由在离心后飘浮物所处的区域中的、位于所述管的内腔内的样本的基本上全部的径向宽度和轴向长度所限定；c)利用所述图像确定一个带边界或多个带边界的位置；和d)基于所确定的带边界产生分析结果。

与本发明的分析装置相关的优点包括提供了一种较便宜的、易于制造的分析装置。位于毛细管内的离心样本的基本上全部的径向宽度和大部分的轴向长度的成像消除了与窄线性阵列感测相关的许多问题。例如，现有技术中的线性阵列感测对周向定位的带宽异常非常敏感，例如，如果在特定周向位置的带宽不规则地过小或过大，则基于该带宽的数据将会不精确。出于该原因，现有技术的装置在非连续的周向位置进行多个线性阵列感测且使那些线性阵列感测平均化，或者为了精确而使它们相互比较。因此，现有技术的装置需要可以转动线性感测阵列和/或样本的硬件。该硬件必须还能够提供仪器相对于样本的非常精确的机械和光学校准，且在如读取器的动态感测装置的情况下，该硬件还提供精细的成像控制和振动阻尼。本发明装置还提供了重要的质量控制机构。

另一方面，现有技术的线性成像具有最小的几何失真的优点。由于所有的现有技术的成像数据都为垂直于被扫描的管获取的窄线性段的形式，因此每一带位置准确地与其数字表示相关。在本发明的装置中使用的图像阵列的情况下，在该装置中，该管距离成像透镜和相机一定距离定位，则管中的带与其距光学轴线中心的距离成比例地透视缩短，且管的侧面尤其受到这种作用的影响，有时管侧面呈现新月形形状。为了提高结果的精度，除了来自透镜的任何其他失真外，优选地还解决该几何失真。例如，可通过使用解释图像中的每一像素或多个区域的校正表来解决该几何失真。该校正表可用于再绘制该图像以便使该图像的位置准确地对应于管表面上的实际位置。这种类型的校正表可通过成像并分析已知的“校准”标准而自动产生，或者如果只涉及几何失真，则可仅基于已知的涉及的距离计算校正。可替选地，可通过在带长度的初步测量之后校正带长度来解决该几何失真。

根据以下附图和本发明的详细描述，本发明的前述的和其他的目的、特征和优点将变得更加明显。

附图说明

图1为本发明的血液学分析装置的示意图；

图2为毛细管的示意图；

图3为如图2所示的管的局部放大视图。

具体实施方式

参照图1至图3，用于在血液学系统内分析的血液样本通常从静脉样本或毛细管样本获得，在电池供电或交流（AC）供电的简单、小型专用离心机中离心。第4,027,660号美国专利、第4,683,579号美国专利和第6,441,890号美国专利（其全部内容分别通过引用并入本文）描述了用于使用毛细管和占位性插入物进行血液学分析的方法和设备，该占位性插入物漂浮在离心后的红血细胞上，从而扩展了周围的血沉棕黄层并且允许测量和量化血液层。毛细管10包括主体，该主体在封闭的底部12和开放的顶部14之间延伸。在一些实施方式中，“封闭的底部”可为透气的以允许气体逸出。开放的顶部14提供到达内腔16的通道，该内腔16具有径向宽度18和轴向延伸的长度20。在管10为圆柱形的那些实施方式中，径向宽度18为管10的内径。本发明不限于使用任何特定类型的毛细管。例如，第4,027,660号美国专利描述了可操作以包括流体样本和占位块22（下文称为“漂浮物”）的型毛细管，借助漂浮物22在离心之后的样本内的相对定位可得到信息。第6,444,436号美国专利描述了可用在本发明中的不同类型的毛细管；例如一种具有多边（例如直线的）横断面几何形状的毛细管。本发明的图2和图3以图表示出了具有布置在管10的内腔16中的样本和漂浮物22的毛细管10。布置在管10中的离心后的样本示出组分带24（24a、24b、24c、24d、24e）和位于所述带之间的带边界25（25a、25b、25c、25d）。第4,683,579号美国专利和第6,441,890号美国专利描述了用于通过对布置在管中的样本的限定部分进行轴向延伸的线性扫描来读取离心的样本的自动化装置，限定的线性部分设置在管10的特定圆周位置处。

本发明的分析装置与毛细管10一起操作，例如在血液学系统内提供的毛细管，即填充有已经被离心以在样本内产生分离的组分层（即“带”）24的管10。本发明的分析装置28的一个实施方式包括壳体30，所述壳体30包含管支架32、样本成像装置34、适用于基于来自样本成像装置34的信号而产生与图像内的感兴趣的带24相关的信息的处理器36、样本数据显示器38，并且分析装置28还可包括使操作者输入相关的患者信息的操作者输入装置40。

在一些实施方式中，分析装置28还包括具有台板44的离心机42，该台板44被构造成将一个或多个毛细管10固定在一个位置，在该位置中，管10从中心轴线沿径向向外延伸。在这些实施方式中，分析装置28既可进行离心，又可进行图像分析。离心机42可操作以使含有样本的管10围绕中心轴线、以足以在布置在管10中的样本内形成组分层分离的速度离心旋转。在这些实施方式中，台板44为管支架32的示例。在另外的实施方式中，管支架32可独立于离心机42。

样本成像装置34包括数码相机，所述数码相机可操作以在单一图像中使在离心后所述漂浮物22所处的区域46（参见图3）中的、位于管10的内腔16内的样本的基本上全部的径向宽度18和轴向长度20成像并产生代表该图像的信号。在优选的实施方式中，样本成像装置34可操作以在单个图像中成像包括管10内的样本的基本上全部的径向宽度18和轴向长度20的区域48，以产生代表该图像的信号。可替选地，两个相机或更多个相机可用于成像管10的分离的部分，这些分离的部分彼此相连。相连区域的图像可随后被组合并且分析或单独分析。数码相机自身或样本成像装置34内的独立的光源提供了充足的照明，使得离心后的样本内感兴趣的带24可在样本图像内被区分。相机的光学分辨率必须足以在即将用于分析的图像内提供足够的清晰度，例如以区分感兴趣的带24。如上文所指示，样本成像装置34可被并入管类型读取器中，或可以是被配置成与这类读取器一起使用的独立的装置（例如，便携式数码相机、手机相机等）。可接受的数码相机的示例为Bayer-类型的矩阵彩色相机。例如，如果使用帧宽度为2592像素的标准万像素的彩色相机芯片，则其可产生理论上的0.02mm的图像分辨率，这对于大多数分析是可接受的。如果使用彩色相机，则可能不需要彩色滤光片和不同的照明类型。由于分离的血沉棕黄层具有不同的光散射特性，因此也可使用灰阶相机，且因此可使用黑白相机进行检测，尽管该测量的稳健性较小并且需要更受控的照明。由于样本成像装置34成像内腔16内的样本的基本上全部径向宽度18和轴向长度20，因此该样本成像装置34可被描述为“面阵成像装置”。如果在本发明的样本成像装置34内使用多个相机，则所述多个相机产生的图像彼此相连，从而允许多个图像组合成单个的代表性的图像。相反，现有技术中的线性扫描装置局限于产生不能够延伸至全径向宽度18的窄线性段，且周向的线性段彼此不相连。结果，周向定位的线性段不能够组合成单个的代表性图像。可接受的独立的光源的示例包括白色LED和/或蓝色LED，其可以以稳态模式操作，或在STAR型读取器的情况下以脉冲模式操作。白色LED的相对蓝色光谱或独立的蓝色LED的包含物可激发管10中的诸如吖啶橙的染料的荧光。

处理器36适于（例如，程序化）执行数个任务，包括：a）基于要处理的分析控制样本成像装置34；b）对于那些包括离心机的实施方式控制离心机42；c）接收通过操作者输入装置40进行的操作者输入且根据所述操作者输入做出行动；以及d）基于来自样本成像装置34的信号而产生与图像内的感兴趣的带24相关的信息。与带24相关的信息的范围可根据装置28的实施方式而变化。例如，处理器36可适于提供与样本图像的合适性相关的信息和/或算法性能，该算法性能可操作以分析代表样本图像的信号并且基于离心后的样本内的不同的带24的特性产生与样本图像相关的数据（例如CBC（全血细胞计数）、血细胞比容、WBC（白细胞）计数等）。在一些应用中，处理器36可适于产生基于样本分析的图形标记，当显示时这些图形标记可叠加在样本图像上，以相对于样本图像示出计算出的带边界25。使用血液样本的分析作为示例，可使用图形标记以确定如下特征：a）管10的底部；b）漂浮物22的底部；c）红血细胞/粒细胞界面；d）粒细胞/淋巴细胞和单核细胞界面；e）淋巴细胞和单核细胞/血小板界面；f）血小板/血浆界面；g）漂浮物22的顶部；h）血浆/空气界面等。

样本数据显示器38与处理器36通信，且包括显示屏。该显示屏为电子屏（例如平面屏幕LED、LCD等），该电子屏可操作以显示计算出的结果和/或以足够的光学分辨率显示位于离心的样本内的样本的数字图像，从而可通过技术人员评估该图像以提供与离心的样本内的感兴趣的带24相关的信息。在那些包括操作者输入装置40（例如键盘、触摸屏等）的实施方式中，如果需要，则操作者输入装置40允许操作者输入相关患者信息或其他信息。样本显示器38可与罩30形成一体，或其可以为与处理器36通信的独立的装置。例如，各种各样的监控器经常用在医疗设施中，该监控器具有显示来自超过一个分析装置的数据的能力。在这样的应用中，可在与处理器36通信的一体显示屏和/或远程布置的显示装置上观看所要显示的数据。

在一些实施方式中，分析装置28包括用于将代表样本图像的信号发送至远程地点的通信端口50。该通信端口50可为用于通过硬接线连接而向远程位点通信的硬接线端口，或者，其可为无线通信连接（例如，类似于在无线电话中使用无线通信连接）。

在一些实施方式中，可将基准标标记52（即校准标记、测量标记等）设置在毛细管10上或毛细管10中、或管支架32上、或与管10邻近定位的测量装置（例如标尺）上以有利于几何学校准和/或光学校准，并且从而解决由相机带来的任何图像失真。在将基准标标记设置在管上或管中的情况下，特别有利的实施方式为这样一个实施方式：其中，该标记相对于内腔而定位，以允许对内腔中的样本进行几何学评估。在将基准标标记52设置在与管10邻近定位的测量装置上的情况下，该测量装置可沿着与管10的纵轴线（例如轴向方向）保持平行的轴线进行测量。在这类实施方式中，测量装置优选地极为邻近（例如在相同焦平面中）样本管10。可选地，可通过工厂校准提供查阅表以有助于该功能。在图像处理和分析阶段期间，校准信息可用于确保管10特征的正确的长度测量，而不用考虑管10在图像帧中的位置或距离相机的距离，并且校准信息可补偿仪器与仪器之间的差异。

操作

从患者采集流体样本（例如全血），且将其放入诸如使用在血液学系统中的毛细管10中以用于后续的离心。如上文所示，离心机可独立于分析装置28或并入分析装置28中。将样本离心一时间段，该时间段足以在布置在管10中的样本内产生组分层分离以及与此相关的代表性带24。接着，采用样本成像装置34对离心后的样本进行成像。图像包括在离心后漂浮物22所处的区域中的、位于管10的内腔16内的样本的基本上全部的径向宽度18和轴向长度20。由于毛细管10并不总是填充有完全相同体积的流体样本，因此优选地，该样本成像装置34对管10的从顶部弯液面到红血细胞层的底部的区域48进行成像。理想地但不是必须的，也对管10的底部进行成像。例如，如果正被成像的样本设置在STAR型管内，则管底部到管顶部填充位置之间的总长度为大约53毫米。在多数情况下，从管顶部填充位置到漂浮物22的底部之间的距离为约37毫米。在包括离心机的装置28的那些实施方式中，可将样本离心且随后在成像之前使离心机停止或降低至非常低的转速（RPM）。样本成像装置34产生代表每一图像的信号，并且将这些信号传递给处理器36。

随后，使用图像处理算法在处理器36中对图像信号进行分析，以分离并分析样本中的感兴趣的带24以及（在一些情况下）带24相关的部分。在分析图像信号之前或在分析图像信号之后，可将图像信号发送给样本数据显示器38以用于操作者评估。使操作者可视地评估包括管10内的样本的基本上全部的径向宽度18以及样本的轴向长度20的相关部分的图像的能力为该技术的实质性改进。本领域技术人员将认识到，没有自动化系统可解释样本图像内所有可能的变化。例如，在离心过程期间，样本将有机会从毛细管10中出来且进入离心机的固定管中。在这种情况下，释放出的样本可污染毛细管10的外部，且妨碍了精确的分析。相似地，在处理期间错置的管标签或沉积在毛细管10的外部上的残渣也可妨碍或防止精确的分析。在这些情况下，本发明的装置28产生离心样本的单一的基本上完整的图像的能力将使操作者能够辨别这类潜在的问题并采取合适的动作。作为另一示例，可利用本发明的装置28得到的图像还将使操作者能够针对潜在的问题评估样本图像的其他方面，例如图像整体质量、样本色彩的准确度、血液样本可能为脂血或黄疸的程度等。在操作者在处理后评估图像且通过处理器36指定边界标记的这些应用中，操作者可评估所指定的边界标记相对于样本图像是否精确定位。因此，利用本发明的装置28使操作者可视地评估图像的能力对分析过程提供了相当重要的质量控制。应当强调，在本文中所描述的本发明的仪器可用在存在受训的操作者的场所，并且也可以用在不存在受训的操作者的场所（例如，免除CLIA-的环境）。在后一种类型的场所中，可将通过本发明的装置28捕获到的样本图像发送给远程定位的受训的操作者用于分析。如果样本图像具有任何可检测到的异常，假如受训的操作者不可能在预定的时间段内查看图像和/或结果，则本发明的装置28可被程序化以防止任何数据的泄露。可视化的图像分析为优选的，这是因为排除分析的标准可被放松，但是对于不分析而言，纯粹自动化的分析（例如检查异常）为优选的。

本发明的装置28对管10内的离心样本进行成像的程度实现另一种可能的质量控制机制。如上文所述，本发明的装置28对离心的样本的基本上全部径向宽度18和轴向长度的很大部分进行成像。在一些情况下，图像的径向部分可被扩展至毛细管10外的一点以包括例如校准标记或校准区域的其他可成像的特征。与毛细管10的外部的区域相关的图像特征可与管10的内部的区域的特征相比较。通过比较所述特征（例如明亮度）而识别的不一致性可用于评估图像的精度。使用现有技术中的利用线性扫描装置（其本质上只具有一个像素宽度）的读取装置，不可能进行这种类型的质量控制。

尽管已经关于本发明的示例性的实施方式对本发明进行了描述和阐明，但是在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明进行前述的和各种其他的添加和省略。

Claims (17)

1.一种用于分析在毛细管内离心的血液样本的装置，所述毛细管包含具有径向宽度和轴向长度的内室以及置于所述管内的漂浮物，所述装置包括：

管支架，所述管支架可操作以支撑所述管用以成像；

样本成像装置，所述样本成像装置可操作以产生置于所述管内的所述样本的一区域的单个数字图像并且产生代表该图像的信号，该样本区域延伸横跨所述管的所述内室在离心后所述漂浮物所处的所述管的区域中的全部的径向宽度和轴向长度；

处理器，所述处理器适于控制所述样本成像装置选择性地捕获位于所述区域中的所述样本的全部的径向宽度和轴向长度的图像，并且适于基于来自所述样本成像装置的所述信号产生与所述图像相关的信息；

样本数据显示器，所述样本数据显示器适于显示与所述样本区域的数字图像相关的信息。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述样本数据显示器还适于显示来自所述处理器的信息。

3.根据权利要求1所述的装置，其还包括通信端口，所述通信端口适于将代表所述图像的信号发送至远离所述装置的地点。

4.根据权利要求1所述的装置，其还包括具有台板的离心机，所述台板被构造成将至少一个毛细管保持在合适的位置，在该位置中，所述管从中心轴线朝外径向延伸，并且所述离心机可操作以使包含所述样本的所述管围绕所述中心轴线以足以在布置在所述管中的样本内形成组分层分离的速度离心旋转。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述样本成像装置包括一个数码相机或多个数码相机。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述数码相机可操作以产生所述管的所述区域的单一图像，其中，所述区域由所述管内的所述样本的全部的径向宽度和轴向长度限定。

7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述数码相机为Bayer-型矩阵彩色相机。

8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述数码相机为灰阶黑白相机。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，将所述管支架、所述样本成像装置、所述处理器和所述样本数据显示器安装在壳体中或安装在壳体上。

10.一种分析血液样本的方法，包括：

将所述血液样本置于毛细管的内室中，所述内室具有径向宽度和轴向长度以及置于所述管内的漂浮物；

用离心机充分地分离所述样本以在置于所述管中的所述血液样本内产生组分带；

提供处理器，所述处理器可操作以选择性地控制样本成像装置，所述样本成像装置可操作以产生置于所述管内的所述样本的一区域的单个数字图像，该样本区域延伸横跨所述管的所述内室在离心后所述漂浮物所处的所述管的区域中的全部的径向宽度和轴向长度；

使用所述处理器选择性地控制所述样本成像装置产生所述样本区域的所述单个数字图像并且产生代表该图像的信号，以及基于来自所述样本成像装置的所述信号产生与所述图像相关的信息；以及

显示与所述样本区域的数字图像相关的信息。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括显示所述图像的步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：在所确定的带边界的位置处，使图形标记叠加在所述显示的图像中。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，利用数码相机形成所述图像。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述图像的步骤包括使用所述数码相机形成所述管的所述区域的单一图像，其中，所述区域由所述管内的所述样本的全部的径向宽度和轴向长度所限定。

15.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：将所离心的样本管的所述区域的图像传输到远离形成所述图像的图像地点的位置。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：在所述远离的位置处分析所述图像并产生与所述分析相关的数据，以及将分析数据传输回所述图像地点。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：在所述远离的位置针对质量控制分析所述图像并产生质量控制数据，并且将所述质量控制数据传输回所述图像地点。