CN103384821A - 用于检查多孔基底的光学系统 - Google Patents

Abstract

一种用于使用试样检查多孔基底（26）的自动系统（10），包括传送装置（20），被放置成沿试样轴（30）将试样施加于多孔基底上的目标点；成像装置（12）和一个或多个透镜（16），被放置使得成像装置和透镜各自具有偏离试样轴的聚焦轴，并且所述成像装置和透镜具有实质上与目标点相同的检视焦点（34）；光源（18），偏离传送装置以便照射表面目标；以及处理器（36），包括协调传送装置和成像装置的自动化和计时并且确定多孔基底的一个或多个特征的数据采集和控制系统。

Description

用于检查多孔基底的光学系统

技术领域

本发明通常涉及用于检查多孔基底（porous substrates）的系统。

背景技术

例如纤维素和棉基质（如从Whatman可得到的31 ETF、FTA（RTM）和FTA洗脱卡）的多孔基底经常用来存储生物试样，例如血液。除了法医学用途之外，这些卡的新应用领域是在制药行业，制药行业使用它们来存储来自药物代谢动力学研究和毒代动力学研究的干燥的血液试样。灵敏度、精确度以及一致性已经变得更重要。为了达到这些应用所必需的质量要求，多孔基底的质量和一致性是必不可少的。

多孔基底材料通常被制造成卷，然后被切割成片。如图1所示出的，当前，纸的质量由人来检查，其手动地用移液管将试样液体滴到纸上，然后手动地量化纸吸收液体的速度。用来量化吸收速度的测量由人进行，当给定的液体斑点扩张时，其在一段时间内手动地用卡尺多次测量该斑点。这种方法缓慢、冗长乏味并且在贯穿于纸上染上斑点、斑点扩张时使用秒表随着时间用卡尺测量斑点、然后基于随着时间的测量来计算扩张的速度的手动过程中易发生误差。扩张的速度通常由技术人员手工计算，然后输入到记录中，或者将测量数据手动输入系统中并且通过该系统来计算测量数据。

因此，在制造过程期间存在有对用于检查多孔基底的自动方法和系统的需求。更具体地，存在有对能够一贯地量化多孔基底的特征和质量的方法和系统的需求。

发明内容

用于使用试样检查多孔基底的本发明的自动系统的一个实施例通常包括：传送装置，被放置成沿试样轴将例如血液或其他液体试样的试样施加于多孔基底上的目标点；成像装置和一个或多个透镜，被放置成使得成像装置和透镜各自具有偏离试样轴的聚焦轴，并且所述成像装置和透镜具有实质上与目标点相同的检视焦点；光源，偏离传送装置以便照射基底和表面目标；以及处理器，包括协调传送装置和成像装置的自动化和计时并且确定多孔基底的一个或多个特征的数据采集和控制系统。在至少一个实施例中，传送装置、照明源、成像装置和处理器相对于彼此处于固定位置。

在一个或多个实施例中，传送装置是注射泵。传送装置可包括具有纵轴的针，所述纵轴与试样轴成一直线或者所述纵轴偏离所述试样轴。然而，也可使用其他的传送装置，例如但不限于自动移液管或滴管。

光源可以是但不限于例如白色LED或频闪LED的发光二极管（LED）。灯可以具有各种形状，例如但不限于环形灯、条形灯以及架空平板灯（overhead flat panel lights）。在一个或多个实施例中，成像装置是CCD照相机。在一个或多个实施例中，成像装置具有偏离试样轴50到75毫米范围的聚焦轴，并且透镜具有偏离所述成像装置的聚焦轴10到15毫米范围的聚焦轴。

在一个或多个实施例中，数据采集和控制系统被配置成自动启动传送装置以便将试样施加于基底并且启动成像装置以便在试样被基底吸收时在与目标点对应的区域内获取基底的一个或多个图像，其中数据采集和控制系统在所述图像当中的一个或多个中识别试样斑点并且在一个或多个时间间隔上确定试样斑点的一个或多个参数。数据采集和控制系统可以基于在一个或多个时间间隔上确定的所述参数中的一个或多个来确定吸收速度。通过数据采集和控制系统确定的多孔基底的所述特征中的任何一个可基于所述参数中的一个或多个。多孔基底的所述特征中的一个或多个也可至少部分基于吸收速度来确定。通过数据采集和控制系统确定的多孔基底的所述特征中的一个或多个可以包括但不限于重量、厚度、密度、多孔性、均一性、拓扑、粗糙度、方向性、化学成分和曲率。

数据采集和控制系统被配置成自动启动传送装置以便将试样施加于基底，启动成像装置以便在试样被基底吸收时在与目标点对应的区域内获取基底的一个或多个图像，并且在图像中识别和映射试样。在一个或多个实施例中，数据采集和控制系统被配置成识别试样的一个或多个主要尺寸和次要尺寸。系统可获取该试样的一个或多个静态测量以及一个或多个动态测量，其中所述静态测量中的一个或多个可包括但不限于大直径、半大直径、小直径、半小直径、斑点边缘规整性和总面积中的一个或多个；其中所述动态测量中的一个或多个可包括但不限于吸收速度、主要尺寸和次要尺寸的变化、颜色强度、灰度强度和反射率中的一个或多个。

附图说明

当参考附图阅读下面详细的描述时，将会更好地理解本发明的这些或其他特征、方面、以及优势，其中在整个附图中相同的字符代表相同的部分，其中：

图1是现有技术的典型的工作流程的示例。

图2是本发明的系统的实施例的示意图。

图3是成像装置和透镜的偏移位置的两个示例，以及一个是传送装置偏离试样轴的位置和一个是传送装置与试样轴成一直线的位置的两个示例的示意图。

图4是本发明的系统的实施例的工作流程的示意图。

图5是示出覆盖在图像上的映射的示例的显示的示例。

图6示出了系统设置的两个示例，其中一个使用暗场和反射，另一个使用透射光。

图7示出了可使用本发明的系统分析的数据类型的四个示例。这四个示例基于能量、对比度、同质性和相关性。

图8是图像与数据获取的显示的示例。

图9是图像与数据获取的显示的另一个示例。

图10是示出多孔基底材料的卷曲的照片。

具体实施方式

用于使用试样检查多孔基底的本发明的自动系统的一个实施例通常被示出并且在图2中被称为系统10。系统10通常包括：传送装置20，被放置成沿试样轴30（图3中示出的）将诸如血液或其他液体试样的试样施加于多孔基底26上的目标点；成像装置12和一个或多个透镜16，利用透镜支撑14定位，使得成像装置12和透镜16各自具有聚焦轴或光学轴，例如分别为轴33和35，所述轴33和35偏离试样轴30（或另外被称为平移），成像装置12和一个或多个透镜16具有实质上与目标点36相同的检视焦点34；光源18，所述光源18偏离传送装置20以便照射基底26和表面目标；以及处理器36，所述处理器36包括协调传送装置和成像装置的自动化及计时并且确定多孔基底26的一个或多个特征的数据采集和控制系统。轴32是与试样轴或多孔基底成一定角度并且与检视焦点34相关联的检视轴。基部（base）28用来支撑基底26。术语试样轴指的是当试样滴从传送装置的滴管或针尖滴落时试样滴遵循的重力路径，该重力路径在不易遭受外部物理影响的封闭壳体（housing）中将遵循与水平放置的基底垂直或正交的直的、垂直的路径。

在至少一个实施例中，传送装置、照明源、成像装置和处理器相对于彼此处于固定位置。虽然各种元件（例如针、照明源、成像装置和透镜）可被配置成移动并被处理器控制，但是当成像装置和/或针偏移并且处在固定位置时，数据采集和分析更一致和精确。移动元件可将异常引入系统中。

包括所有元件的系统10可以被包含在单一壳体中，或者元件中的一个或多个可以是独立装置或者是通过硬连线或无线连接到系统的外围装置。取决于给定的实施例，或者整个壳体或者包含用来捕获图像的元件的子壳体（sub-housing）可能需要是阻光壳体以避免外来光或背散射的干涉。传送装置也可以是外围元件用来容纳和抽吸系统单元外部的试样或其他液体材料，例如附加化学药品或化合物，据此所述材料通过管道最终被传送到主系统壳体中的注射器或针22。取决于系统的布置，传送装置的泵可被封装到主系统壳体内或者外部。系统可包括显示装置38来显示图像以及数据采集和分析的结果。如图4所示，系统可包括用户交互装置40用于将数据输入系统中，例如键盘或无线装置。

在一个或多个实施例中，传送装置是与针液体连通的自动注射泵。如图2和图3所示，传送装置可包括具有纵轴的针，所述纵轴与试样轴成一直线或者所述纵轴偏离试样轴。传送装置23具有嵌入的针，所述嵌入的针直接从基底上的目标点上方滴下试样。传送装置20偏离目标点，并且只有针尖24被直接放置在目标点上方。如果偏移，系统可被配置以便只有针22的末梢尖端24在试样轴上、邻近或以其他方式接近试样轴。通过从目标点偏离传送装置（包括针），得到了具有光源、成像装置和透镜的配置的更大灵活性。也可使用其他的传送装置，例如但不限于自动移液管或滴管。

光源可以是但不限于例如白色LED或频闪LED的发光二极管。灯可以具有各种形状，例如但不限于环形灯、条形灯以及架空平板灯。在一个或多个实施例中，成像装置是CCD照相机。照相机的速度可以从标准速度（例如，每秒30张图像）到更高速度之间变动，取决于应用以及所期望的每秒的帧数。光源也可以如图3中的位置D、E和F所示地被偏移以避免图像中的渐晕。

在一个实施例中，透镜或多个透镜是平面场，但是也可以使用其他类型的透镜，例如但不限于单色的、人像的（portrait）、校正的、大透镜。在包括具有45度的透镜视场角度的平面场透镜的一个或多个实施例中，成像装置（照相机）具有偏离（或另外地平移）试样轴大约50到75毫米范围的聚焦轴，透镜具有偏离（或另外地平移）照相机的聚焦轴10到15毫米范围（或试样轴轴外40到60毫米）的光学轴。图3示出了两个示例。对于一个示例，成像装置位于位置A，其中照相机轴33偏离试样轴大约75毫米，且透镜偏离照相机轴大约15毫米（或试样轴轴外60毫米）。对于图3示出的另一个示例，成像装置处于位置B，其中照相机轴35偏离试样轴大约50毫米，且透镜偏离照相机轴大约10毫米（或试样轴轴外40毫米）。其他位置也是可能的，例如取决于传送装置、光源和成像装置的位置和类型。

也可以将反射镜并入系统中以改变系统的配置和/或捕获血液斑点的变化视图。

虽然可以定位传送装置的针的尖端使得试样可以从例如10毫米到170毫米之间的高度滴下，但是通常最好从更接近基底的针的尖端释放试样滴，例如从基底上方大约10-15毫米释放试样滴，以实现更大的一致性和精确度。在更高处释放，精确度会下降。然而，针尖也不应该离基底太近以致引起针干涉试样的自然重力下落。液滴应该从针的尖端落下而不会碰到基底。

在一个或多个实施例中，数据采集和控制系统被配置成自动启动传送装置以将试样施加于基底并启动成像装置以便在试样被基底吸收时在与目标点对应的区域内获取基底的一个或多个图像，其中数据采集和控制系统在图像当中的一个或多个中识别试样斑点并在一个或多个时间间隔上确定试样斑点的一个或多个参数。数据采集和控制系统可基于在一个或多个时间间隔上确定的参数中的一个或多个来确定吸收速度。通过数据采集和控制系统确定的多孔基底的特征中的任何一个可至少部分地基于所述参数中的一个或多个。所述多孔基底的特征中的一个或多个也可至少部分基于吸收速度来确定。通过数据采集和控制系统确定的多孔基底的特征中的一个或多个可包括但不限于重量、厚度、密度、多孔性、均一性、拓扑、粗糙度、方向性、化学成分和曲率。图10示出了曲率说明。

如图6所示，诸如拓扑、粗糙度和方向性的特征可以通过使用暗场和反射光来确定。而诸如厚度、密度和均一性的特征可使用透射光来确定。一种光学设置不排除另外一种，取决于给定系统的配置。图7示出了如何使用获取的数据来分析基底的四个示例。示出的这四个示例是能量、对比度、同质性和相关性。

如图4所示，数据采集和控制系统被配置成自动启动传送装置以便将试样施加于基底并启动成像装置以便在试样被基底吸收时在与目标点对应的区域内获取基底的一个或多个图像以及在图像中识别和映射试样。图5示出了未校准图像以及经过处理的图像50的显示，经过处理的图像50示出了包括试样的多个主要尺寸和次要尺寸的斑点的映像。该系统能够生成图像而不会使针在图像中可见。该系统可获取试样的一个或多个静态测量和一个或多个动态测量。例如，静态测量可包括但不限于以下的一个或多个：大直径、半大直径、小直径、半小直径、斑点边缘规整性和总面积。动态测量可包括但不限于以下的一个或多个：吸收速度、主要尺寸和次要尺寸的变化、颜色强度、灰度强度和反射率。

如图2和4所示，系统可包括显示装置，用于显示例如图像和数据采集和分析的结果。显示的图像和数据的两个非限制性示例在图8和9中示出。

本发明的系统可用来在纸的制造过程期间或之后或者在线或者离线检查各种多孔基底。这些系统的一个应用是检查将被用于血液分析系统的多孔基底，所述血液分析系统通常用于法医学和药物毒物学测试。检查与数据分析可用于纸制造过程中的质量控制或质量保证和/或馈送入实际的法医学或药物测试的分析。

通常由棉或纤维素制成的多孔纸被制造成卷，然后被切割成适合于用来测试血液试样的分析系统的片。可以在纸卷制造期间施加、在卷被切成片以后施加、或在血液斑点的实际分析期间在线施加在这样的测试中有用的化合物。因为所述化合物影响多孔基底的性质，本发明的系统适于捕获和分析例如在下面的表中示出的、施加于纸的这样的化合物的含量、化学组成和浓度。

原纸	化学组成	浓度
			31 ETF	无	0
903	FTA	25
			非酸性的31ETF	FTA洗脱	50
		66
					75
		100

纸测量可基于所有类型的多孔基底的透射和反射表面数据进行收集。可将这个数据存储到处理器中并且集成到系统的算法中，以便随后在检查期间与血液斑点或试样斑点吸收的速度相关。如图7所示，在纸测量和血液斑点度量（metrics）之间建立各种相关。

为了测试血液斑点纸的性能，例如多孔棉的基底，自动系统滴下测量水准面的血液或其他试样材料到多孔基底上。然后，系统捕获多个连续的图像以便测量例如随时间的液滴直径。处理器中的软件接着分析获取的图像和数据。例如，血液一接触多孔基底，系统就开始血液斑点尺寸进展（progression）分析。在没有任何数据丢失的情况下，结果提供了斑点尺寸进展和斑点形状的详细映像。自动血液斑点映射系统提供了可重复的和一致的数据、以及随时间的血液斑点进展的数字记录，所述数字记录可用来控制纸制造过程的质量并且用来提供基于给定的纸批次可被馈送进法医学或药物测试系统的附加的背景数据。

为了在血液斑点进展（吸收和扩散)上获得最好的结果和数据，血液一旦首次接触纸，就最好开始追踪斑点的尺寸和完整形状。不久，血液被纸吸收，然后随时间将继续在纸上向外扩散。吸收时间（例如，在很短时间内）和随时间的扩散可用作特定使用类型的（例如血液测试）的纸的性能的测量。非常快扩散或不良吸收将稀释血液并且很可能使试样不能用。本发明的系统提供一种手段来在分配时立即开始使用数字手段连续观察血液斑点，而没有任何区域被传送单元和/或成像装置遮掩。

虽然本文只示出和描述了本发明的某些特征，本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应该理解，所附的权利要求书打算覆盖属于本发明的真正精神的所有这样的修改和变化。

Claims (21)

1. 一种用于使用试样检查多孔基底的自动系统，包括：

传送装置，被放置成沿试样轴将所述试样施加于所述多孔基底上的目标点；

成像装置和一个或多个透镜，被放置使得所述成像装置和透镜各自具有偏离所述试样轴的聚焦轴，并且所述成像装置和透镜具有实质上与所述目标点相同的检视焦点；

光源，偏离所述传送装置以便照射表面目标；以及

处理器，包括协调所述传送装置和成像装置的自动化和计时以及确定所述多孔基底的一个或多个特征的数据采集和控制系统。

2. 如权利要求1所述的系统，其中所述成像装置具有偏离所述试样轴50到75毫米范围的聚焦轴，并且所述透镜具有偏离所述成像装置的聚焦轴10到15毫米范围的聚焦轴。

3. 如权利要求1所述的系统，其中所述光源是发光二极管。

4. 如权利要求1所述的系统，其中所述光源是环形光或条形光。

5. 如权利要求1所述的系统，其中所述传送装置是注射泵。

6. 如权利要求5所述的系统，其中所述传送装置包括具有偏离所述试样轴的纵轴的针。

7. 如权利要求1所述的系统，其中所述成像装置是CCD照相机。

8. 如权利要求1所述的系统，其中通过所述数据采集和控制系统确定的所述多孔基底的所述特征中的一个或多个包括重量、厚度、密度、多孔性、均一性、拓扑、粗糙度、方向性、化学成分和曲率中的一个或多个。

9. 如权利要求1所述的系统，其中所述数据采集和控制系统被配置成自动启动所述传送装置以将试样施加于基底并且启动所述成像装置以在所述试样被基底吸收时在与所述目标点对应的区域内获取所述基底的一个或多个图像。

10. 如权利要求9所述的系统，其中所述数据采集和控制系统在所述图像当中的一个或多个中识别试样斑点并且在一个或多个时间间隔上确定所述试样斑点的一个或多个参数。

11. 如权利要求9所述的系统，其中所述数据采集和控制系统基于在一个或多个时间间隔上确定的所述参数中的一个或多个来确定吸收速度。

12. 如权利要求9所述的系统，其中通过所述数据采集和控制系统确定的所述多孔基底的所述特征中的一个或多个基于所述参数中的一个或多个。

13. 如权利要求12所述的系统，其中所述特征中的一个或多个包括重量、厚度、密度、多孔性、均一性、拓扑、粗糙度、方向性、化学成分和曲率中的一个或多个。

14. 如权利要求9所述的系统，其中所述数据采集和控制系统基于在一个或多个时间间隔上确定的所述参数中的一个或多个来确定吸收速度，并且其中所述多孔基底的所述特征中的一个或多个至少部分基于吸收速度来确定。

15. 如权利要求1所述的系统，其中所述传送装置、照明源、成像装置和处理器相对于彼此处于固定位置。

16. 如权利要求1所述的系统，其中所述数据采集和控制系统被配置成自动启动所述传送装置以将试样施加于基底并且启动所述成像装置以在所述试样被基底吸收时在与所述目标点对应的区域内获取所述基底的一个或多个图像以及在所述图像中识别和映射所述试样。

17. 如权利要求16所述的系统，其中所述数据采集和控制系统被配置成识别所述试样的一个或多个主要尺寸和次要尺寸。

18. 如权利要求16所述的系统，其中所述数据采集和控制系统被配置成获取所述试样的一个或多个静态测量和一个或多个动态测量。

19. 如权利要求18所述的系统，其中所述静态测量中的一个或多个包括大直径、半大直径、小直径、半小直径、斑点边缘规整度和总面积中的一个或多个。

20. 如权利要求18所述的系统，其中所述动态测量中的一个或多个包括吸收速度、主要尺寸和次要尺寸的变化、颜色强度、灰度强度和反射率中的一个或多个。

21. 如权利要求1所述的系统，其中所述光源是频闪灯。

Images