CN104520436A - 微生物评价系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于分析流体流内微生物的微生物评价系统包括：微生物刺激部段，所述微生物刺激部段包括用于诱导经过微生物刺激部段的流体流内活体微生物的运动响应的装置；和观察部段，所述观察部段与微生物刺激部段流体连通，所述观察部段包括其中形成有主体空腔的主体，所述主体空腔限定观察口，通过形成在主体中以与主体空腔连通的空腔第一开口可见观察口，观察部段进一步包括光学系统，所述光学系统相对于主体安装用于通过空腔第一开口观察观察口内的流体流，因而涉及流体流和其中微生物的图象数据经由光学系统获得以用于分析。

Description

微生物评价系统
相关申请
本申请要求且享有2012年6月18日提交且题为“微生物评价系统(Microorganism Evaluation System.)”的序列号为61/661011的美国临时申请的申请日的优先权。上述申请的内容通过参考并入本文中。
通过参考并入
申请人据此通过参考将本申请中引用或提到的任何和所有专利及公开专利申请并入本文中。
技术领域
本发明的各方面通常涉及测试系统，且更具体地涉及用于测定微生物是否存活的评价系统。
背景技术
在此背景技术下，许多行业都受到涉及水处理法规的影响，如对船舶等的压载水处理系统(“BWTS”)。此类法规要求，在此类水返回到海洋或其它水体之前，通过BWTS有效地处理(杀死)微生物。一般而言，尺寸范围为约10至50微米的浮游动物是用于确定处理效果的“指示”微生物。迄今为止，对此类BWTS的效果的监测主要通过提交到实验室的样本来处理，很多时候涉及显微镜下的人工检查。此类达标评估的方法在精度、速度和成本方面具有许多缺陷。类似地，流式细胞仪系统虽然能提供相对较高的通量，但也缺乏生存能力测定(关于生物是否存活的测定)和用于现场或部署使用的便携性。
以下技术将定义本领域的现状：
2008年3月21日申请的号为JP WO2005106454S的国际公开涉及的主题讲授，能在抗原中存活的物质通过特异性标记能在短时间内迅速检测到能存活的微生物，也可保证检验和检测方法的可靠性。通过记号材料13在抗原(靶细菌12)酶分解中检查到的能存活的例如抗原大肠杆菌在生成标记抗原14后开始特异性地受稳定期内通过修复抗体形成的特异结合的影响，因此标记抗原14被捕获。
Kaduchak等人2009年6月25日申请的公开号为US 2009/0162887的美国专利申请涉及声学操纵一个或多个微粒的方法和装置。
Ragsdale2010年2月18日申请的公开号为US 2010/0041122的美国专利申请涉及膜包裹的结构，例如生物细胞、脂质体和囊泡，所述膜包裹结构通过旋转盘中的一个或多个通道输送从而个体暴露于光学元件或电极以便进行转染或流式细胞术。盘的旋转用于提供离心力以促使细胞靠着通道的一个壁，且在某些实施例中使细胞移动通过通道，或在预选时刻或间隔将细胞抽入到曝露区，或对细胞进行上述三种操作。
Kornmuller等人2010年5月13日申请的公开号为US 2010/0116647的美国专利申请涉及用于去除沉积物和/或去除和/或破坏活体生物的水处理厂，具体地，涉及压载水处理厂，所述水处理厂具有至少一个过滤单元(B)和至少一个消毒单元(C)，其中工厂具有检测单元(D)，借助于所述检测单元可确定每单位水体积可预置尺寸的活体生物的数量，且由于工厂具有控制单元，因此可借助于所述控制单元根据已确定的活体生物的数量控制消毒单元(C)。
Kiesel等人2010年6月24日申请的公开号为US 2010/0157291的美国专利申请涉及其中传感器可用于从具有不均匀相对运动的物体获得编码的感测结果的方法。光传感器或基于阻抗的传感器例如可从在相对于传感器的感测区域内具有相对运动的物体获得感测结果，其中所述相对运动为例如周期性变化、随机变化、啁啾变化或完成感测区域内至少一个调制周期的调制相对运动。相对运动可由变化物体的速度和/或方向或由携带物体的流体的控制流、通道的移动、支撑结构的移动、传感器的移动和/或模式移动引起。射流流体实施方式可包括成形的通道壁部件和/或引起时变的横向位移的位移部件。支撑结构实施方式可包括分别控制可运动支撑结构或传感器的扫描和旋转运动的扫描仪装置和旋转装置。
2012年2月2日申请的公开号为JP 2012020218的日本专利申请涉及一种系统，其中将液体供给到压载水舱103对消毒装置101和1进行微生物水生植物消毒，压载水舱103中的压载水用于消毒装置102和2，首先液体1消毒处理装置101用于从压载水舱103，105补给压载装置的容器104且连接到供水管线，2消毒处理装置102包括含有氯化钠的第一液体，通过在产生压载水处理系统的电解槽中进行电解提供次氯酸钠。
Kiesel等人2012年4月10日申请号为8153950的美国专利涉及：编码器/传感器可从编码/感测区域中的物体获得感测结果；触发检测器可响应于触发检测区域中的物体提供各自的触发信号；和相对运动部件可使得物体相对运动到触发检测区域，在编码/感测区域内从原地到编码/感测区域。响应于物体的触发信号，控制电路可使编码器/传感器和/或相对运动部件操作，以使编码器/传感器获得指示时变波形的感测结果且处理电路可从指示时变波形的感测结果获得数据。时变波形可包括从编码/感测区域内的相对运动产生的信息。编码器/传感器和触发检测器可例如通过离散部件实施或在集成电路上以光敏阵列实施为电池组。
Stimson等人2012年5月10日申请的公开号为US 2012/0115723的美国专利申请涉及用于处理水以原位杀死水生入侵物种的组合物，例如用于油回收的压载水或注射水，所述组合物包括能够杀死动物微生物和植物微生物的至少一种生物杀伤剂。至少一种生物杀伤剂优选包括亮绿、龙胆紫、和/或赤藓红、以及润湿剂或去污剂样化合物，如CTAB或CTAC。本发明还涉及用于原位处理压载水的系统，其包括用于注射用于处理压载水的组合物的装置；用于测量待处理压载水的流速或量的装置；用于控制组合物剂量的装置；和用于存储或接收组合物的装置。本发明还涉及原位检测能在压载水中存活的水生生物的方法，其包括检测能在压载水中存活的微生物的新陈代谢，及因此测量所有处理的效率。
上述现有技术讲授能存活特异性标记抗原检测和用于检测方法的检测装置，声血细胞计数器的微粒分析，用于检测/处理膜包裹结构的离心力基系统，具有过滤，、消毒、仪表和控制单元的压载水处理厂，致使相对运动的系统，压载水处理系统和压载水处理方法，用于获得响应于物体检测的感测结果和/或数据的系统和方法，以及压载水处理系统，但并没有讲授用于将至少惯性刺激施予流体流内的生物用以基于检测到的生物的各自移动和/或运动测定生物是否存活。本发明的各方面满足这些需求，且提供以下公开内容中所述的进一步相关优点。
发明内容
本发明的各方面讲授构建和使用中的某些益处，所述益处产生以下所述的示例性优点。
本发明通过提供用于测定微生物是否存活的评价系统解决了上述问题。在示例性实施例中，所述系统提供用于分析流体流内微生物的微生物评价系统，其包括微生物刺激部段，所述微生物刺激部段包括用于诱导能够穿过微生物刺激部段的流体流内活体微生物的运动响应的装置，和观察部段，所述观察部段与微生物刺激部段流体连通，所述观察部段包括其中形成有主体空腔的主体，所述主体空腔限定观察口，通过在主体中形成以与主体空腔连通的空腔第一开口可见观察口，所述观察部段进一步包括光学系统，所述光学系统相对于主体安装用于通过空腔第一开口观察在观察口内的流体流，因而涉及流体流及其中微生物的图像数据经由光学系统获得以用于分析。
上述系统和使用方法中固有的主要目的是提供现有技术未讲授的优点。
另一个目的是提供此一系统，其中流正常化部段在微生物刺激部段和观察部段之间流体连通，所述流正常化部段包括具有锥形入口滑槽内孔的入口滑槽。
另一个目的是提供此一系统，其中样本预调节部段在微生物刺激部段上游并与微生物刺激部段流体连通。
根据以下更加详细的说明，结合通过实例示出的本发明各方面原理的附图，本发明各方面的其它方面和优点将变得显而易见。
附图说明
附图示出本发明的各方面。在这些附图中：
图1是示出根据至少一个实施例的示例性微生物评价系统的方框图；
图2是示出根据至少一个实施例的示意性；
图3是根据至少一个实施例沿图2的线3-3截取的微生物评价系统的放大局部示意图；
图4是根据至少一个实施例沿图2的线4-4截取的微生物评价系统的放大局部示意图；
图5是根据至少一个实施例的微生物评价系统的局部透视图；
图6是根据至少一个实施例的微生物评价系统的分解透视图；
图7是根据至少一个实施例从与图5和图6大体相反的方向截取的微生物评价系统的分解透视图；
图8是根据至少一个实施例的生物评价系统的放大局部透视图；
图9是根据至少一个实施例沿图6的线9-9截取的生物评价系统的放大局部俯视横截面视图；
图10是根据至少一个实施例沿图6的线10-10截取的生物评价系统的放大局部侧视横截面视图；
图11是根据至少一个实施例沿图6的线11-11截取的生物评价系统的放大局部俯视横截面视图；
图12是根据至少一个实施例沿图6的线12-12截取的生物评价系统的放大局部侧视横截面视图；
图13是根据至少一个实施例的生物评价系统的放大局部仰视图；
图14是根据至少一个实施例沿图5的线14-14截取的生物评价系统的的放大局部横截面视图；
图15是根据至少一个实施例表示生物评价系统用途的流程图。
图16A是微生物移动方向上的自诱导变化的示意图；
图16B是微生物取向上的自诱导变化的示意图；
图16C是微生物长宽比上的自诱导变化的示意图；
图17A是根据至少一个实施例描绘随着时间的推移微生物遭受的惯性刺激的曲线图；
图17B是根据至少一个实施例描绘响应于图17A所图解描绘的惯性刺激随着时间的推移的微生物响应的曲线图；
图18是根据至少一个实施例的可替代示例性微生物评价系统的局部示意图；
图19是根据至少一个实施例的进一步可替代示例性微生物评价系统的局部示意图；和
图20是根据至少一个实施例的进一步可替代示例性微生物评价系统的局部示意图。
上述附图示出在至少一个示例性实施例中本发明的各方面，所述是实力在以下描述中被进一步详细地限定。根据一个或多个实施例，不同附图中相同标号所提及的本发明的特征、元件和方面表示相同、等效或类似的特征、元件或方面。
具体实施方式
上述附图示出在至少一个示例性实施例中本发明的各方面，所述实施例在以下描述中被进一步详细地限定。
一般来说，根据本发明的各方面，批次或连续实时监测可在压载水处理系统等内部署，且提供比现有技术测试系统和方法更进一步的优点，支持连续实时监测对于多个应用特别有利。虽然还是在BWTS达标测试的背景中，但主题发明可在宽泛的背景中实施且因此不限于示例性BWTS上背景(例如，淡水体和海水体中监测入侵物种迁移、生物威胁等)。因此，虽然通篇讨论将“水”作为采样流体，但应当理解，本发明不限于此，且根据上下文其它流体也可被采样。
概览之，参考图1，示例性微生物评价系统20具有四个主要硬件部件或部段，依次在下文中讨论：(1)样本预调节部段30；(2)微生物刺激部段80；(3)流正常化部段100；和(4)观察部段120。设有促进收集和水样处理的相关容器、管、流动控制装置和其它方面，其在具体情况下可能是必要的，但尽管如此仍然是可由其它等效结构(例如泵等)取代的辅助部件，因此并不是本发明的重点。本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范畴的前提下，所述系统及其四个主要部段的确切配置可采取若干形式以适应具体应用。因此，将进一步理解，显示和描述的系统配置是示例性的，且本发明不限于此。此外，同样，虽然通篇讨论将“水”作为采样流体，但应当理解，本发明不限于此，且同样根据上下文其它流体也可被采样。与此相关地，出于这些目的，假定无论流体被采样，其均它包含微生物、某些活体和某些死亡生物，举例来说如尺寸范围为约10至50微米内的浮游动物，例如。还应注意阈值问题，首先主题发明当前的重点是测定某些微生物是否为活体，此仍由某种运动响应证明，而不一定需要测定此一生物是否存在一段时间、繁殖等意义上的“能存活”，应当理解，所有能存活的生物都是活体，但不一定所有活体生物都能存活，但应当理解，本发明本质上将能存活的生物视为活体生物。
继续参考图1，方框图显示根据本发明的各方面的微生物评价系统20的示例性实施例，所述微生物评价系统通常包括：样本预调节部段30，其配置为与样本源S流体连通以接收和处理流体样本并且将此样本传送到微生物刺激部段80，所述微生物刺激部段配置为搅动、激发、或以其它方式刺激流体样本中所有活体微生物的一种或多种感官。样本预调节部段30显示为包括外部样本罐32，其接收来自样本源S的流体流，且然后在流动到微生物刺激部段80之前将此一类流体传送到主要样本罐52，但应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可采用用于获得和传送流体样本的各种静态或动态的现在已知或以后将开发的装置，因此串联的两个罐应当理解为仅为本发明的示例性方面。流正常化部段100在微生物刺激部段80下游并与微生物刺激部段80流体连通，以在离开刺激部段80之后减缓和/或呈现更多层状的流体流，所述流体流不仅可涉及生物的搅动而且可涉及流体本身的搅动。观察部段120在流正常化部段100下游并与流正常化部段100流体连通，所述观察部段120配置为用于传送从中经过并获得其图像数据。更具体地，在示例性实施例中，观察部段120包括：照明器150，其用于给观察部段120提供照明；光学系统160，其实际上用于作为获得图像数据的相机或类似于相机的装置；和成像器170，其用于处理和操作来自光学系统160的图像数据。应当理解，虽然通篇讨论将“相机”作为“光学系统160”或设备，但无论“商用现有的”还是私有的任何此类装置均可进一步包括成像能力，即，以足够的帧速率和分辨率捕获和操作图象数据的能力，因此实际上“光学系统160和成像器170可以是以“相机”等形式的单个装置。流体流从观察部段120前进到样本返回装置R。另外关于微生物评价系统20，具体来说观察部段120，显示与观察部段120连通的单独图像捕获和处理装置210(硬件和软件)，所述装置210配置为用于从成像器170取得图像数据，并进一步处理数据以用于分析。图像捕获和处理装置210可以是现在已知或以后将开发的任何计算机或处理器或计算或处理装置，并且可有线或无线地连接到观察部段120，或可并入到观察部段120中，具体来说成像器170，其用于获取和处理由光学系统160获得的图像数据。此外，整个观察部段120可以是专有和/或统一的装置，或可由一个或多个“商业现有的”部件组成，所述部件根据本发明的各方面可操作地连接及配置，诸如，举例来说，采用数码相机作为光学系统160并使用其高速接口(诸如USB 2、HDMI)或其它适当接口将图像数据从此相机输出到计算机所述数码相机经配置起成像器170和图像捕获及处理装置210的作用，或者观察部段120可以是其的某一组合。所述计算机可进一步安装并运行运动学分析算法212，或所述算法212可配置为在单独的计算机或计算装置上操作。最后，本领域的技术人员应当理解，观察部段120的部件，即照明器150、光学系统160和成像器170，相关的图像捕获和处理装置210和运动学分析算法212在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以多种方式配置在一个多个装置中，因此应当理解，图1及本文中其它位置所示的具体布置仅为本发明的图示性特征和方面并不具有限制性。具体地，应当理解，图像捕获和处理装置210和运动学分析算法212可物理地配置在微生物评价系统20内，而图1的方框图内所表示的部件并非整个系统20的全部部件。此外，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，系统20的任何部件可以或不可整体或以单一方式包装。
现在转到图2，图2显示根据图1的方框图中所示的本发明的各方面的微生物评价系统20的示例性实施例不按比例的示意图。按照顺序通过系统20处理水样，从刺激部段80的上游开始，接着首先通过第一样本预调节部段30。此预调节部段30可以不同的方式实施。例如，在实时连续采样应用程序中，预调节功能可通过利用采样流体中所含的微粒的不同惯性特征来实现。或者，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可用现在已知或以后将开发的从连续流采样的等速或其它技术代替示例性实施例的一个或多个罐32，52。回到离散或静态样本应用，提供可移动的外部样本罐32作容器，最初测试样本收集到所述容器中。虽然在图2中，初始外部样本罐32显示为在系统的物理外部，然而其仍然是系统20的部分，或具体来说，如图1的方框图中所示的样本预调节部段30。此外部样本罐32可包括：盖和通气口36，其可拆卸地定位在入口34中；和外部样本罐浮力引入口40，其配置有过滤开口和浊度检测装置(未示出)，样本流体在进程中通过所述浊度检测装置传送外部样本罐32的出口38。采用浮力样本引入口40，所述引入口配置为降到罐32中足够低的位置，产生抵抗力以吸入沉淀到罐32底部的泥浆和其它微粒。外部样本罐32因此配置为初始样本流体收集罐，在所述罐中样本具体地就浊度被有效预调节，之后传送到微生物评价系统20的其它部分上。因此，外部样本罐32可移动地促进处置不需要的微粒，如来自混浊水的泥浆沉积物和其它无机或“死亡”材料。罐管42将外部样本罐32的出口38连接到安装在系统20内的主要样本罐52的入口54，管42穿过盒子或箱体或其它此类密封装置22中的第一开口24，其中整个微生物评价系统20通过速断耦合装置44和流动控制装置46安装并耦合到主要样本罐52，所述流动控制装置与其它方面的控制子系统的配合以使流体从中运动。在主要样本罐52内，示例性实施例中限定入口54的下管与管42流体连通，以有效地将流体从外部样本罐32输送到主要样本罐52的底部部分，出于浊度原因，且更一般地说，出于采样事件期间一致样本密度的原因。与外部样本罐32一样，主要样本罐52也配置有通气口56并且配置有主要样本罐浮力引入口62，所述主要样本罐浮力引入口62配置有过滤开口的主要样本罐浮力引入口62，通过其样本流体在其进程中通过所述过滤开口传送到上部主要样本罐第一出口58。主要样本罐52进一步配置有下部主要样本罐第二出口60，所述下部主要样本罐第二出口具有主要样本罐过滤引入口64以允许流体从中经过，所述主要样本罐过滤引入口作为实质上调节向外流动(out-flow)的装置与下文讨论的比例流量阀70配合，因此较高的主要样本罐52中的流体柱高度越高，流体流出下部出口60的趋势越大，反之亦然。换言之，在采样事件的早期，当样本处于罐52中的最高水平时，相对较少样本将从浮力引入口62流动而相对较多样本从下部固定引入口64流动，且在采样事件的后期，当样本处于容器52中的最低水平时，相对较多样本将流经浮力引入口62而相对较少样本将流经下部固定引入口64。此外，由于已知在水样本内指示生物如浮游动物一般在水表面或接近水表面处密度相对较大而在水体底部或接近水体底部处密度相对较低，通过采用两个出口--一个在罐中随着容器中的水位漂浮、上升和下降，而另一个固定在罐的底部或大体最低点处--再次实现浮游动物或其它生物在样本内密度的更大一致性的目的。此外，上部出口管66与上部出口58流体连通并且下部出口管68与下部出口60流体连通，上部出口管66和下部出口管68都与比例流量阀70流体连通，所述比例流量阀进一步与上部出口58和下部出口60配合，以调节并正常化来自主要样本罐52的流体流，比例流量阀70还将来自双引入口62，64的流体混合，目的是为了再次在采样事件期间从主要样本罐52产生相对一致的样本密度。预调节部段30下游操作地设置有与比例流量阀70流体连通的第二流动控制74，观察管72与其它方面的系统控制子系统配合以使流体从中运动并且使其流动到微生物刺激部段80和微生物评价系统20的其余部段中，如下文进一步描述所述。流控制子系统或任何其它装置如泵按连续性原理有效地操作，旨在提供相对干净、光滑且一致的采样流体流。本领域技术人员应当再次理解，虽然结合示例性微生物评价系统20显示并描述示例性多样本容器设置时，每个容器具有各自的入口、出口、通风口、过滤器和浮力样本引入口，且流体结合一个或多个流控制装置的控制或在其控制下从中流动，但本发明不限于此，例如，如文中所述，此采样可替代地包括连续实时监测方案。因此，在不脱离其精神和范围的情况下，可结合本发明实践现在已知或以后将开发的任何此类样本收集、保持和输送硬件和相关控制装置，这样所公开的罐设置被明确地理解为说明性和非限制性。更一般地说，所公开的罐子系统或其它等效结构通过下列操作促进改进的系统性能：(i)从死亡或无机材料分离活体生物；(ii)在进入主要样本罐52和微生物评价系统20的其余部段之前，去除外部样本罐32内大量的非活体材料；(iii)由于减小了无机摄取而降低维护要求；(iv)减轻相对浑浊水样本的效果；和/或(v)由于样本中死亡或无机物质相对较少而提供相对不凌乱的样本。
关于微生物评价系统20内上述罐子系统或预调节部段30之后的的微生物刺激部段80，在进一步背景技术中，一般想法是，采样/测试的水中的微生物如果活着将物理地响应刺激，如果死亡则不能响应刺激。事实上，这就是技术人员“戳动”生物，如果能观察到运动，在实验室的显微镜下观察能够观察到的生物活动。因此重要的是，以将使得能够更清晰地检测到活体微生物的反应的方式提供足够的微生物刺激；活体微生物将通过产生其自身的移动来响应该部段80的刺激，所述自生运动接着从流正常化部段100中的流体样本的移动分离，且接着在观察部段120中检测到，下文将对其进行更详细的描述。因此还应当进一步理解，预调节通过预调节部段30内的沉降或其他方式移除死亡或无机物质从而有助于下游系统的效率，其中重点是刺激和检测有运动响应能力的活微生物。但本领域技术人员还应当理解，在某些情况下，甚至将不需要样本预调节部段30，如以下情况，其中水样本具有低浊度或其中获得样本的装置自身可视为足以允许对样本内生物做出有意义的下游评价的另一类型的样本预调节装置。
继续参考图2，接着，在第一示例性实施例中，惯性非定向部段(“搅拌器”)或微生物刺激部段80设置在样本预调节部段30下游，以便使微生物经受运动刺激(搅拌器#1)。这里，刺激部段80配置为具有不只一个环路的螺旋管或非定向螺旋82，但应当理解，根据需要可添加各种尺寸和配置的额外环路，任何此类几何结构至少部分地通过用于微生物的适当惯性刺激所确定的输入决定。原理是非定向螺旋82的螺旋几何结构将诱导管中流体围绕管状轴线旋转，其将刺激(搅动)在微生物中发现的惯性感觉机制，下文将结合图15和图16对其进行更详细的描述。
仍然结合图2，在样本水离开微生物刺激部段80之后，其中流发生扭曲且诱导惯性效应，接着需要提供流正常化部段100，或其中样本流体具有大于这一距离样本流体能够变为相对层流的足够距离或其中径向或螺旋流在进程中被缓冲到观察部段120的系统导管部段。然而，应当理解，此类缓冲或相对层流可简单地在非定向螺旋82的出口中实现(这取决于螺旋孔92(图8)的长度、直径和表面特征(光滑或粗糙))，和/或可简单地在在观察部段体入口124或观察口144自身(图3和图4)中实现，因此在一些实施例中，可不采用流正常化部段100。还应当理解，在其中采用PSD直接或间接液压刺激的系统实施例中，可完全不需要或某种程度上不需要此正常化部段100，举例来说，例如在图17和图18的可替代实施例中。并且，当采用流正常化部段100时，主要目的是要有效地将微生物自生运动与流体样本的运动隔离开。以这种方式，一旦流体流返回到大体“直线的”状态，如在观察部段120中检测到的微生物的任何继续运动将被视为与流动产生的运动截然不同的自生运动。因此，微生物评价系统20的刺激部段80和观察部段120之间的正常化入口滑槽102(图3、图5-7、图9和图10)显示为相对较长的大体线性滑槽，所述滑槽支持一段行程时间的正常化微生物运动，所述行程时间小于微生物的“非定向响应衰减时间”或小于超过其生物的诱导响应预期将停止的对刺激事件反应的时间，所述对刺激事件反应的时间对于浮游动物和其它此类生物来说认为是大约5-10秒。换言之，示例性实施例中的正常化滑槽102要足够长以允许流“形成直线”，而如果不够长，以系统的特征流速率，流体样本从刺激部段80到达观察部段120的时间超过将超过微生物的非定向响应衰减时间，这样某种自生移动将可能地不会在观察部段120中看到，即使活体或能存活的生物也是如此。具体来说，流正常化部段100和入口滑槽102的这一“尺寸”可通过利用CFD(“计算流体动力学”)分析来实现以确定在观察部段120之前需要的正常化微生物运动的滑槽102的长度，下文将结合图5-7、图9和图10显示和描述一个此类示例性入口滑槽102几何结构，但本领域技术人员应当理解，取决于包括微生物类型和流体类型等各种因素，若干其它几何变型和测定方法是可能的。还应当理解，如下文将进一步讨论，在流正常化部段100如图2中示意性描绘的大体垂直布置的情况下，正常化滑槽102的长度系统20内水的整体柱高度的主要因素，或系统20内的高度从主要样本罐52内的水位到样本返回管200的整个系统出口或排放点的变化的主要因素，所述柱高度不仅对系统流速率有影响，而且将产生微生物也可响应的压力变化。
下面转到图2中示意性显示的观察部段120，根据本发明的各方面的微生物评价系统20的第四主要硬件部件或部段设置有若干单独包括物理、几何设置的特征，所述特征具体设计为完成必要的数据采集且在本文中依次被编址。基本想法是，一旦已在样本预调节部段30中预调节流体样本，则样本中的微生物便已在刺激部段80中受到刺激且系统20内的流已在流动正常化部分100中被调节，接着在观察部段120中获得支持运动学分析的微生物可视数据，从而确定有任何生物为活体。首先，当流入土3中示意性所示进入入口滑槽102时，所述流通过导致减速(负加速或“-a”)的膨胀基本上平缓并减速。减速滑槽102的轮廓或横截面积为从微生物刺激部段80的非定向螺旋82的圆形横截面过渡到观察部段120的相对较大的矩形横截面，下文将对其进行更加详细的描述。减速滑槽因此通过速度变化用来减小且正常化微生物速度，同时不破坏任何活体生物的自诱导相对运动。事实上，此类减速或流速变化是对活体微生物的感官知觉的另一种有效刺激(搅拌器#2)，易于在生物进入观察部段120之前甚至流自身减速并进一步正常化时诱导其进一步的自移动。本领域技术人员应当理解，在某种程度上也期望此正常化，以说明穿过管壁形成的轮廓时速度上的相对差异，在任何管道中心处的流及因此微生物速度大于剪切力作用于流体处的壁处的流及微生物速度。应理解，在进入实际观察部段120之前，对减速及正常化的流或生物速度的期望将根据观察部段120自身的操作的考量。
一般而言，且参考图2和图3以及图4，观察部段120包括基本上平坦的或矩形的翼型流路，光学设备如数码相机通过其“观看”。可以设想，对于每种生物期望二十(20)或更多帧作为数据组，以便得出关于生物相对移动的结论。因此应当理解，获得帧的期望数量实质上是通过观察部段120的流动速率和光学设备的成像能力(光学系统160和成像器170)的函数。换言之，有关于观察部段120的两个主要方面：(i)视野深度；和(ii)渡越时间--即，光学设备每次可通过什么聚焦横截面，且观察者内流体的有关部分多长，以便获得用于数据组的快照。因此，关于视野深度，观察部段120优选变平为基本上矩形的轮廓，其限定观察部段120的观察口144，其与光学系统160的视角或视野大致对应(使用相机或其它光学传感器/设备)，且其具有光学系统160的焦距范围内的深度。假设当前可用的成像部件(透镜视野和焦距、分辨率(大约二十四(24)百万像素)，以及全像素阵列帧速率)，决定观察部段120的功能和性能的本发明系统的各方面主要是几何学的。例如，如目前已知的，能够以已处理的“分辨率”或至少2百万像素(“mp”)的图像质量或已处理的“1080P高清晰度视频”拍摄至少十(10)帧每秒(“fps”)的相机，将足够用于本发明的目的。明显地，随着技术进步，甚至可采用更快或更高分辨率的数码相机，其然后可允许用于较高采样或流速和/或较小的观察部段120。更具体地，本发明中采用的任何此类数码相机的特征可在于基于CCD(电荷耦合装置)和/或CMOS(互补金属氧化物半导体)的传感器或成像器，但再次应当理解，现在已知的或以后将开发的任何此类数字成像技术可根据本发明的各方面采用。不考虑所采用的数字成像技术，通过观察部段120维持相对层状或正常化的流动和适当的微生物速度轮廓，以便不损害采集的数据(检测到的相对移动是由于微生物自身产生，而不是流动湍流)，是本发明的相关且首要的考虑因素。进一步关于观察部段120，其也是如图2-4中所示的组件的组成部分，该组件是基于LED的照明器150或光源，其基本上相邻于观察部段120，有可能在光学系统150对面，如图2中所示。或如图4中所示，照明器150可包括在光学系统160对面的背景照明器152和相邻光学系统150的一个或多个前照明器154，以结合图5且接下来下文进一步示出且描述的对照明器150的进一步变型。不仅照明器150通过流体样本内微生物的成像器170促进图像采集，但应当理解，这种在光中的“阶跃变化”还提供另一种对观察部段120本身(搅拌器#3)内的生物本身的刺激，本领域中已知的是，此类生物常常具有光感受器或检测并响应于光的其它能力。最后，为了完成观察部段120，在示例性实施例中，通过示出且描述为加速(“+a”)滑槽或出口滑槽182的各种各样收缩或漏斗的方式，通过其的流排出。很像观察部段120入口处的减速滑槽102，加速滑槽182轮廓或横截面积是这样的，从观察部段120的矩形横截面过渡到现在出口管196的相对较小的圆形横截面。观察部段和出口管196的下游，有效地定位第三流动控制198(流动控制46和压力/流动控制74是上游)，在移动通过其的流体的过程中，其再次与系统的控制子系统的其它方面配合。此外，如上所述，存在有效的系统20内水的柱高度，或系统20内高度差异，从主样本容器52内的水位到有效靠近第三流动控制198的全部系统出口或排放点，其柱高度产生压力变化，其是另一个微生物可对其响应(搅拌器#4)的刺激。更详细地，浮游动物具体地倾向于产生垂直运动以调节其深度，这就是为什么此类生物的较高浓度通常存在于流体表面处或附近，而不是流体内更深处。因此，此类压力差或变化作为如本文示出和描述的示例性微生物评价系统20的物理设置和空间定向的天然副产物，其再次用作激发微生物中自生运动的另一个刺激物或手段。因此应当理解，随着流体向下流动通过系统，特别是到达观察部段120的途中的流正常化部段100的入口滑槽102，活体生物将具有试图“逆流往上游”探寻相对较低压力区域的倾向。然后通过活体微生物经过观察部段120检测任何和所有此类运动，将是系统20的目的，以便由此评价或文档证明测试样本中的生物有效生存能力。因此，为了进一步促进系统内此类压力差的控制和使用，在示例性实施例中，第三流动控制198也配置有压力变化或控制，其可用于操纵系统20中的压力，以及间接地操纵流速。再次，本领域技术人员应当理解，此类结构和功能可由现在已知或以后将开发的其它技术取代，而不脱离本发明的精神和范围。例如，当系统20的基本垂直装置结合图2的示例性图解示出且描述时，应当理解，部件中的此类空间定向或关系仅是说明性的。更具体地，当“水的柱高度”已讨论为采用压力变化作为对流经系统20的流体样本内生物感觉的另一个“搅拌器”或刺激的一个手段时，应当理解，压力差可以采用泵、阀、限制条件等以各种其它方式产生，或在某些情况下，如果完全采用，此类搅拌器可以是标称的。在示例性实施例中，然后，预观察部段区域或减速或入口滑槽102配置为流路内的膨胀，以减速或减慢流动，且因此微生物在到达与成像系统相邻的主观察部段120之前达到期望的观察速度。然后，观察部段120直接在光学系统160(相机)下方的部分有效地平坦化，使得从侧面看它甚至可薄于管道，而从上方看它是相对较宽的。再次在示例性实施例中，结果是大于流道横截面积的观察部段120内的横截面积，当生物流经该区域时，再次有助于生物的较慢，相对层状的流动和“正常化”运动，同时还提供用于观察部段120的较薄垂直部段或“视野深度”，使得当微生物通过观察部段120时，成像系统(光学系统160和成像器170)能够在流内的任何深度处获得关于微生物的可视数据。因此，观察部段120的宽度和深度都通过所采用的相机或其它成像设备的物理和光学性质在很大程度上被决定。当前技术支持在大约一至五(1-5)秒的观察部段120中的停留时间。正如所指出的，停留时间可通过调节用于实例的系统流速来操纵。使用约二十四帧每秒(～24fps)数字视频成像器170，这将有可能产生约二十四至一百二十(24-120)数据帧。因此，本领域技术人员应当理解，通过使用各种或甚至多个透镜，整个系统和方法是可扩展的，以获得横跨观察部段120的期望可视数据。当流离开观察部段120，后观察部段区域或加速或出口滑槽182配置为流路内的收缩，以在观察部段120之后加速或加快流回到系统的速度。再次，本领域技术人员应当理解，各种其它此类部件和配置可能超出示出且描述的那些部件和配置，而不脱离本发明的精神和范围。
进一步结合图2说明，在示例性实施例中，微生物评价系统20的整体尺寸是大约3ft×2ft×1.5ft，显然是便携式尺寸，使得系统20可有利地在船只和其它领域用途中采用。相对小的包装也有利于实时连续监视应用，因为系统20可安装在相对紧密的包装限制中。通过使用重力、流体动力学效果作为使通过系统20的样本流体从样本位置到出口点流动或循环的手段来进一步实现设计的便携性和简单性。反过来，设计的此类几何学方面连同管道尺寸创造条件，由此系统速度的决定因素是系统的采样位置和流体排出点之间的高度，下文将就此予以进一步说明。然而，再次，根据需要，也可有泵增大的某种形式，以促进系统功能。本领域技术人员应当理解，系统20的其它尺寸和包装以及相关配置是可能的，而不脱离本发明的精神和范围，因此上述讨论应理解为仅是说明性的。
继续参考图1和图2，通过相对高带宽连接，或足够用于所采用数字成像器170的数据采集能力的连接，图像捕获和处理硬件/软件210连接到成像器170；关于图像捕获和处理装置210的软件进行操作，以促进此类图像采集和操作。因此捕获的数据随后通过运动学分析软件212决定是否同图像捕获和处理装置210一样停留在相同硬件上或相同的硬件中，或不同的硬件上或不同的硬件中，或计算装置上或计算装置中。此类软件212配置为识别如由观察部段120成像的每个微生物，并基本上以一帧一帧或同样方式绘制生物移动，以便因此确定表明生命的相对角度(定向)或转动运动或生理变化，更多相关信息将结合图15和图16在下文中叙述。例如，运动学分析软件212可考察导数，如作为表明生物自诱导运动的路径或转动中的变化速率，和/或在单独纵横比中的变化速率或作为表明生物的自诱导体移动的相对于路径(角运动)或生物取向(转动运动)中的变化速率。可以预期，再次由于系统20中流体流的标准速度场将在管中心处行进的生物和管壁附近行进的生物之间产生不同的速度，观察部段120和运动检测软件212都配置为说明此类。
现在转到图5，根据本发明的各方面示出了示例性微生物评价系统20的局部透视图，该图基本上与图1的框图表示图和图2-4的示意图一致。作为阈值物质，应当理解，示出的硬件组件--这里基本上微生物刺激部段80，流正常化部段100，和观察部段120，以及偏离观察部段120的出口滑槽182--仅是本发明的代表性的或说明性的方面，且不是限制性的。以此类观点，应当注意，为简单起见，预调节部段30和其它管道，流动控制等未示出。此外，照明器150，光学系统160和成像器170也都未示出，但至少照明口148--在示例性实施例中示出四个，其中可安装LED等，以便照明观察部段120和观察口144的内部空腔126，具体地--示出为与观察部段主体122为一体。关于光学系统160和成像器170，如上所解释，这些可以是单独或整体的部件且是“现成的”或专有的，但在示例性实施例中，相机(未示出)可以预期，其中透镜将安装或可拆卸地直接安装到观察部段主体122的光学系统安装130或在其上，使得透镜基本上直线“看”到空腔第一开口128，第一开口128示出为与光学系统安装130相交，且最好参见图14的横截面视图所示，与主体空腔126连通。此外，许多其它硬件部件和配置(几何结构，组件装配等)是可能的，而不脱离本发明的精神和范围。
继续参考图5，微生物刺激部段80在示例性硬件实施例中示出为包括非定向螺旋82或螺旋形管状件。非定向螺旋82本身由两个匝组成--第一环路84和第二环路88，每个环路基本上包括一个旋转或三百六十度(360°)的扭曲，但再次，本领域技术人员应当理解，在本发明的范围中，只要提供流的足够转动、扭曲或翻转，以便刺激或激发流经刺激部段80的样本内任何活体微生物的惯性感觉机制，任何数量和构造的环路均是可能的。第一环路84示出为具有近端第一环路耦合86，第一环路耦合86配置用于流体连接将到刺激部段80上游的管76，通过刺激部段80样本从预调节部段30(图1和图2)进行输送。最好参见如图8所示，第一环路耦合86可形成，其具有内螺纹孔87，用于螺纹接合在管76端部上形成的配合耦合(未示出)的外螺纹，但再一次应当理解，可采用现在已知或以后将开发的任何此类耦合或可移动接合装置。类似地，形成第二环路84，其具有远端第二环路耦合90，远端第二环路耦合90配置为流体连接到流正常化部段100且具体地连接到入口滑槽第一耦合106。这里，如图8所示，第二环路耦合90形成为锥形嵌合91，锥形嵌合91配置为接合入口滑槽第一耦合106内形成的锥形孔107(图9)，以便向外打开。还可参见如图8所示，有轴向或纵向地沿整个非定向螺旋82形成的螺旋内孔92，样本通过螺旋内孔92流动。在示例性实施例中，非定向螺旋82(第一和第二环路84，88)的壁厚度约为3mm，且螺旋孔92的内径约为1.2mm，相关更多信息将结合示例性系统20的其它部件的尺寸和它们的操作在下文中叙述。
再次参考图5且进一步参考图6和图7的分解透视图，按顺序下一个再次为流正常化部段100，其本身通常包括入口滑槽102。应当注意，虽然管94的部段示于图2，与刺激部段80和流正常化部段100互相连接，在示于图5和以下的实施例中，系统20反而具有直接连接到入口滑槽102的非定向螺旋82--应当理解，在本发明中不脱离其精神和范围，系统20的各个部分的任何此类连接是可能的。滑槽102也具有在其近端的入口滑槽第一耦合106，入口滑槽第一耦合106配置为连接到螺旋第二环路耦合90，并进一步具有在其远端的入口滑槽第二耦合108，入口滑槽第二耦合108配置将入口滑槽102连接到观察部段主体122。再次，虽然示出了入口滑槽第二耦合108的具体形式和几何结构，这里以基本上垂直于入口滑槽102的轴116且具有形成用于如通过螺栓或螺丝将其组件装配到观察部段120的各个部分的孔的板的形式，但本发明不限于此。更值得注意地，现在进一步参考示于图9和图10中的横截面视图，可以看出，示例性入口滑槽102具有入口滑槽主体104，入口滑槽主体104中，沿其整个长度形成入口滑槽内孔110。首先取图9，通过基本上水平或入口滑槽第一平面112取的部段，可以看出，孔110从邻近入口滑槽第一耦合106端部处的入口滑槽102的入口到远离邻近入口滑槽第二耦合108的入口滑槽102的出口，显著向外逐渐变细或扩大，在示例性实施例中，入口滑槽内孔110的远端，锥形孔107的近端或下游直接限定入口滑槽第一内径基本上等同于用于在其间平稳过渡的螺旋内孔92。流体流路径的这种基本上环形的内表面然后逐渐扩大向下到入口滑槽内孔110，在示例性实施例中，约20mm的最后宽度基本上对应于观察部段120内观察口144的宽度，导致该平面扩大约8倍(8×)。此外，参考图10，通过基本上垂直于入口滑槽第二平面114截取的部段，或基本上垂直于如图9所示沿其部件被剖开的平面，入口滑槽第一和第二平面112，114的交叉点，事实上，沿着或限定入口滑槽中心轴线116，显示在这个方向上入口滑槽内孔110有更均匀的尺寸。更具体地，在示例性实施例中，在邻近入口滑槽第一耦合106的入口滑槽102的入口处，穿过孔110的尺寸再次为约1.2mm，其中，所述第二平面114然后实际上逐渐略微变细至约1mm，以对应于通过观察部段120的视野深度D，更多相关信息在下文中叙述。同样地，通过入口滑槽102的流动路径或内孔110的横截面积在其入口处(πd2/4＝π(1.2mm)2/4)约为1.1mm2，同时在其出口处，约为20mm2(20mm×1mm)。因而断定，有沿入口滑槽内孔110的体积膨胀约20倍(20×)，且应当理解，然后，随着样本流动从非定向螺旋82进入并通过入口滑槽102，它将具有正常化的倾向，并随着流径扩大减缓或减速，导致相对较多的层状流动先于样本，然后离开入口滑槽102或流正常化部段100并进入观察部段120，将从以下关于微生物评价系统20使用的讨论以及具体地图16和图17获得此益处的完整理解。
暂时转到图11和图12，显示了就入口滑槽102而言类似于图9和图10的视图的出口滑槽182的横截面视图，当入口滑槽102将样本流输送到观察部段120时，出口滑槽182有效地以非常相同的方式但以相反的方向使样本流动远离观察部段100(图5-7)。具体地，首先参考图11(示出在基本水平或出口滑槽第一平面192中或贯穿其截取的部段，可以看出，出口滑槽内孔190明显地向内逐渐变细或从邻近出口滑槽第一耦合部186端部处的出口滑槽182的入口收缩到邻近出口滑槽第二耦合部188的出口滑槽182的出口，所述第一耦合部186连接到观察部段主体122，所述第二耦合部188配置成连接到最终从后方通出系统20的管道196(图2)。然而，如图12所示，通过基本垂直或入口滑槽第二平面194截取的部段，或基本垂直于如图11所示沿部件被剖开平面的平面，出口滑槽第一平面192和第二平面194的交叉部(一旦再次沿着或限定出口滑槽中心轴线195)，显示在这个方向上出口滑槽内孔190的尺寸更均匀，在这里略微扩大，原因在于流通过出口滑槽182远离观察部段120。再次，与入口滑槽102相反，出口滑槽182在这里具有流动方向上沿其长度尺寸整体收缩或减少的内孔190，本领域技术人员应当理解，当流离开微生物评价系统20时将倾向于再次对其进行逐渐提速或加速。在示例性实施例中，入口滑槽102的长度大约为出口滑槽182的两倍，或分别相比于三英寸(3in)的六英寸(6in)，但应当再次理解，所有此类尺寸和几何结构仅对本发明的特征和方面进行说明，并非是限制性的。
再次参考图5-图7，并且现在还参考图13和图14，在流正常化部段100的下游或入口滑槽102和出口滑槽182之间，同样当然是观察部段120。在图13的局部分解图(有效地为与为清楚起见未示出的与背板138上下颠倒的观察部段主体122)中，可以看出，在示例性实施例中，主体122有效地具有与在入口滑槽102的第二耦合部108处与入口滑槽102的远端重合的观察部段主体入口124，以及与在出口滑槽182的第一耦合186处与出口滑槽182的近端重合的观察部段主体出口146，主体122的入口124和出口146每个都与观察部段120的中空内部或观察部段主体空腔126流体连通。在图14中，示出观察部段120的局部横截面视图，为清楚起见在这里未示出观察板136。如从图6和图14最好的理解到，实际观察端口144或贯穿观察部段主体空腔126的真流动路径的三个侧面由形成在背板138中的通道140形成，背板138安装在基本上在邻近如上所述的观察部段光学系统160的空腔第一开口128对面的相对较大的空腔第二开口132上以基本包围空腔126，背板通道140具有通道底部141和基本上垂直的通道侧壁142。将偏离空腔第一开口128的透明或基本透明的观察板136定位在通道底部141的相对侧并且基本上与通道底部141平行，观察板136位于形成在观察部段主体122中的空腔架134对面，以便通向空腔126且因此形成观察端口144的第四侧面。在示例性实施例中，观察板136也位于通道侧壁142的顶部，或夹在通道侧壁142和空腔架134之间，使得应当理解，通道140的深度或通道壁142的高度有效地限定贯穿观察部段120的流动路径的高度或光学系统160的视野深度D，光学系统通过空腔第一开口128、开口空腔126的部分和下方通过流的观察板136“观看”样本流。应当进一步理解，观察板136的尺寸基本上设置观察端口144的“足迹”尺寸，这在示例性实施例中为11.25mm长乘以20mm宽，然后设置观察端口体积(L×W×H)成约225mm3(11.25mm×20mm×1mm)。再次，在整个系统20的处理量和运行方面，下文中进一步讨论这种通常几何结构，具体地在图16和图17的情况下讨论。继续参考图5-图7、图13和图14，还示出与观察部段主体122交叉的多个照明端口148，在每个照明端口148中可安装LED或类似物以便照明观察部段120的内部空腔126和具体地说照亮观察端口144。再次，现在已知或以后将开发的此类照明端口148和任何照明单元的任何数量和配置可结合到观察部段120中，而不脱离本发明的精神和范围。
接下来参考图15，图15显示了根据本发明的各方面描绘微生物评价系统20的基本操作或使用的流程图。在如图1-图14所示此类示例性系统20的使用过程中，第一步骤220是获得待测试的样本，这超出本发明的范围，但在图1和图2中示出每个实施例，有一个示例性实施例有效地在这里标识成由一个或多个容器组成的样本预调节部段30的容器系统，在这里是外部样本容器32和主样本容器52(图1和图2)，两者一起容纳用于在系统20内或通过系统20评价的流体样本的有限体积。应当理解，在其他情况下，可采用不同类型和数量的容器，或可采用更多连续的系统，其中从水或其他流体的较大主体或流在更实时的基础获得流体样本。一旦获得样本，则在步骤222中可对样本进行预调节，这表示如通过沉淀、过滤或现在已知或以后将开发的其他适当技术将无机物质或死亡有机物质从流体样本除去的通常提议，以便在水样本中主要留下的是可存活或可不存活的有机材料，这样测定是本发明的主要目的。在步骤224处，流体样本流到微生物刺激部段80(图1和图2)，并且在步骤226处，其中的任何微生物受到刺激，相比于在本领域中确定生物生命或生存能力的已知并且采用的化学染色或响应和其他此类技术，这又可以是根据图2和图5中所示的非定向环路82的惯性刺激，可以是结合图18和图19的可替代示例性实施例示出且在下文中描述的液压或机械刺激，或可以是现在已知或以后将开发的任何其他此类刺激装置或方法，再次刺激或激发微生物感觉的任何此类装置或方法，但在某些情况下，可串联使用此类评价技术(运动的和化学的)。在步骤228处，通过流过示例性流正常化部段100(图1和图2)将流正常化，并且之后在步骤230处，样本通入观察部段120(图1和图2)。在步骤232处，通过照明器150(图1和图2)可将观察部段120内的样本照明，并且之后将成像器170(图1和图2)与光学系统160(图1和图2)结合可在步骤234处获得样本的视觉图像。最后，在使用系统20的通常过程或方法方面，在步骤236处分析视觉图像数据以确定样本内的任何微生物是否存活。
结合所述最后步骤236(图15)，以及分析在刺激部段80中激发之后图像数据捕获在观察部段120中的微生物，现在参考图16A-图16C，示出了微生物M的基本上三个不同运动响应的示意图，可诱导且因此在观察部段120内观察到三种不同的运动响应。理论再次是，非定向螺旋82(图2和图5)的螺旋几何结构将诱导管中流体围绕管状轴线旋转，这将刺激(搅动)微生物内发现的惯性感觉机制。在刺激事件之后有限的时间量已结束，存活的微生物将通过自生运动作出反应，原因在于它们的惯性测量系统稳定，同时它们漂浮在观察部段120的“平静水”中。例如，在它们感到被翻转之后，它们可尝试使自己本身挺直。描述本发明的该方面中实施的想法的另一种方式是，微生物将对“感觉晕眩”作出反应。因此，在图2和图5中所示的微生物刺激部段80支持活体生物的惯性感官知觉的瞬间刺激。通过尝试使本身“恢复平稳”的“翻转”微生物诱导此类响应作为自生运动所需的刺激的幅度和持续时间，可通过频谱和旋转时间历史记录表征。频谱可具体地通过刺激的幅度和频率表征，并且可表达为功率谱密度(“PSD”)，然而旋转时间历史记录可具体地通过生物对刺激的运动响应的速率和持续时间表征，并且可表达为能量谱密度(“ESD”)，或非定向事件的能量。某些微生物会尤其敏感于某些频率和幅度(“PSD”)，将通过螺旋环路搅拌器或其他此类刺激物(“ESD”)的适当几何结构激发这些微生物，如上结合图1-图14的示例性系统的其他方面以及结合尤其在图18和图19中所示的可替代实施例所述的一样。因此，螺旋的几何结构或其他性能由需要适当刺激微生物M的PSD分布图、ESD分布图和加速度分布图确定。更详细地，再次PSD描述刺激事件的频率和幅度。然而，ESD描述刺激事件的旋转分布图的时间-历史记录，使得该时间-历史记录的积分或“曲线下面积”是刺激事件期间在微生物M上诱导的能量。因此，旋转分布图描绘事件的“斜率”，斜率是在微生物M上诱导的旋转力的变化率。当在局部水动力环境中或更普遍地在加速度或运动方面足够讯速地变化时，观察到微生物会以所需旋转的一定加速度或变化率适应于相对平缓的运动并且不一定产生反作用的自诱导运动，这将倾向于引起微生物M的自诱导运动。所需刺激的最佳量由幅度和持续时间两者限定，因为两种参数需要超过最小阈值，并且不能达到的最大值。因此应当再次理解，微生物刺激部段80的各种几何结构和特征可能在图2和图5中描绘的双环路螺旋搅拌器82之外，这再次取决于要评价生物的类型、流体类型和流动特征以及其他此类背景因素。一般说来，优选刺激部段80的垂直取向，原因在于从局部纵摇运动或横摇运动(例如当在船上时)的去耦合以及浮游动物的倾向，以便产生支持通常喂养方式的多种垂直运动。再次然后，本领域技术人员应当理解，本发明不限于结合图2和图5示出并且描述的具体刺激部段，但可替代地采取许多其他形式以适应具体环境，而不脱离本发明的精神和范围。例如，在可选的实施例中，可替代地采用直接液压激发或间接液压(机械)激发例如通过横向水流或振动诱导，如图18和图19中示意性地表示的那样。任何此类方法将再次采用功率谱密度(“PSD”)发生器以定量刺激(振动的幅度和频率或水脉冲的强度/压力和频率)，在下文中叙述更多关于这方面的内容。结合图2和图5中所示的“双环路”非定向螺旋82，这会倾向于当生物M从螺旋82“释放”时，使微生物M的惯性感觉机制(“ISM”)“饱和”以便产生相对更一致的结果。在示例性实施例中，非定向螺旋82的几何结构和通过其的预期流产生约6弧度每秒(6rad/sec)的旋转惯性刺激。在流正常化部段100以及样本进入观察部段120之后，观察部段120在示例性实施例中具有相对高的宽高比--二十比一(20：1)的数量级，观察室体积(L×W×H)再次是11.25mm×20mm×1mm，已确定例如，利用具有2.1百万像素标称输出分辨率的当前视频相机技术可向下分辨至约十(10)微米并且将仍然允许观察端口144内的一至五秒(1-5sec)停留时间和每生物M二十(20)或更多离散帧的采集--足够且甚至大量的数据组，根据数据组确定关于相对运动并且因此确定生物生命。
首先参考图16A，然后，示意性示出了从初始流速矢量v递增地以角度α改变其方向的微生物M，表明它在从沿非活体生物会行进的路线或方向偏离是存活的。这是微生物M的运动响应的一个实例，在使其ISM在螺旋刺激部段80中饱和之后，微生物M基本上“漂浮”在观察部段80的“平静水”。如图16B所示，另一个示例性运动响应是当生物M沿法向流速矢量v移动的生物M的同时旋转，这又不是将通过观察部段120的层状基本直线流诱导的运动，但将表明活体生物的自生运动。最后，如图16C所示，可在已刺激的微生物M中观察到的另一个示例性运动响应是宽高比的变化，这种变化基本上引起生物扭曲或扭动或以其他情况下弯曲或移动自身，其中任何一种运动又将是自身生成，并且不是样本流动的结果，尤其在观察部段120内。应当理解，尽管离散生物响应在图16A、图16B和图16C中示出，但同一时间单一生物可存在多种此类响应，如偏离法向流速路径并且同时翻转或旋转的生物(结合图16A和图16B)或保持相同流速路径而且扭动和卷曲同时翻转的生物(图16B和图16C的组合)。此类运动响应和其他运动响应的任何组合都是可能的，并且当生物经过观察部段120时，对一种或多种此类运动的检测将足以表明生命。
在生物图像数据汇总和分析--微生物运动响应的检测和解释方面--现将注意力转向描绘分别提供给生物和生物测量的响应的刺激能量的图17A和图17B。通过进一步的背景技术，该讨论部分有效地涉及光学系统160和成像器170以及图像捕获和处理硬件/软件210的功能和运动学分析算法212，当然除了如上所述的组件的几何结构和通过其的流速，在某些条件下，“伪像”将由数字成像器170创建，这将或可使定量解释不正确。也就是说，观察到的帧到帧明显“运动”的量会有一定水平的不准确性，这取决于许多因素。在实际意义上，当应用导函数时，它会倾向于放大空间内容的任何不准确性，并且因此，使更严格定量分析存在问题。然而，关于法向偏离而不是离法向“多远”的识别的当前方法具有相对稳健性；数据的定性分析--如“微生物M从正常化路径v移动吗？”--是在这种情况下的适当测定。换言之，不需要知道“多少”微生物M移动以便知道它是否存活；对从归一化路径的某些移动(例如线性或翻转或宽高比的)或起始取向或身体形状的检测会定性地确定生物生命，同时仍开放用于定量评估的选项，选项包括基于技术进步以便减少或消除可使定量结果偏斜的图像数据中的“伪像”。正在持续改进在光学(分辨率)和处理(数据传送和编译)方面的技术，所以产生的伪像将随时间变得不那么显著。并且在本申请中很小百分比的像素会从帧变化到帧，这将明显减少已生成的伪像量。为了进一步协助，在示例性实施例中1毫米(1mm)数量级的相对小的视野深度D(图4)，能够扩大相机光圈并且使更多光进入图像传感器160，从而运行较大的实用快门速度值，并且在捕获图像中产生较大的清晰度。
接着，回到图17A，图17A显示了描绘微生物M受到的在时间t(横轴)上的代表性惯性刺激i(纵轴)的曲线图。可以看出，在一段持续时间内，有确定的惯性事件，如对应于生物在刺激部段80或非定向螺旋82(具体地，其能量然后随时间衰减接着从刺激部段80排出中消耗时间)，基本上对应于生物在流正常化部段100和之后观察部段120中消耗的时间，在观察部段120中流体样本的流速是最慢的(在观察部段的“平静水”中生物将具有最长的“停留时间”)。然后参考图17B，示出了现在绘制在时间t(横轴)上代表性运动响应值r(纵轴)的类似曲线图，图17A和图17B的纵轴对齐以便容易地看出运动响应值r，如所预期的，运动响应值r在时间上滞后惯性刺激i。此外，在横轴下方绘制响应值r，或“负值”，简单地表示，响应值r反应于并且“相等且相反”或“正比”于惯性刺激i。值得注意地，再次，通过图17A和图17B的比较可以看出，直到惯性刺激事件已结束之后，惯性刺激i才开始减缓生物响应值r然后急剧回升，基于系统20内的几何结构和流速的再次主动响应的这段时期，要与生物经过观察部段120的时间一致，这在示例性实施例中大约是一到五(1-5)秒的数量级。本领域技术人员应当理解，图17A和图17B所示的曲线图，虽然基于实际观测值，不是基于经验数据或数据点的绘图，所以在某种意义上讲是理论上的，并且因此不能严格地或从字面上获取，因此曲线图轴上没有数值或刻度。因此，还应当理解，在本发明中惯性刺激i和运动响应值r的各种其他情况是可能的，而不脱离本发明的精神和范围。
现在转到图18，图18显示了根据本发明各方面的微生物评价系统20的可替代示例性实施例的示意图。这里，表明可在观察部段120上游一定距离的流中或相邻处采用液压和/或机械激发装置96，搅拌器将再次耦合到PSD发生器98。通常，将力液压地耦合到样本中的生物，原因在于它们悬浮在流体中。在直接液压激发或刺激中，与流动路径交叉的一系列较小管(未示出)可用来当生物经过该激发部段80时搅动它们，如通过横向于流体流主轴的流体的稳定横流或突发或脉冲。任何引起湍流和倾向于非定向生物的此类干扰，将因些通过如上讨论的活体生物响应诱导自生运动。反应延迟或“搅拌响应衰减时间”的概念，其中给予生物以开始运动，但不是很多时间以便开始并且之后在观察部段120之前停止，同时正常化部段100或类似物的长度仍然足够的长以使流正常化，如上具体结合图2所讨论的那样，将再次在液压和/或机械激发的情况下在这里适用。以机械(间接液压)激发，如在图19的系统示意图中，刺激物机制是有效地机械机制到液压机制到惯性机制，使得这种方法将是相对不太直接的，因为可以相信最后生物响应于惯性刺激。任一方法将再次采用功率谱密度(“PSD”)发生器96，以定量刺激(在机械激发情况下振动的幅度和频率，或液压激发中水脉冲的强度/压力和/或频率)，且虽然将机械方法与观察部段120中或观察部段120同时的刺激以及观察部段120上游的液压方法结合示出，但其他此类变化是可能的。再次，本领域技术人员应当理解，虽然对各种实施例和相关操作由此进行示出且描述时，且具体地，本发明不限于激发、搅动或以其他方式刺激微生物的各种装置，但可代替地包括赋予流体流内生物至少惯性刺激以便基于检测到的响应移动和/或运动确定是否有任何生物存活的现在已知或以后将开发的任何装置。此外，在一些实施例中，可甚至不采用惯性刺激，反而依赖一些其他搅拌器，如相对速度、相对压力或光以刺激测试样本中的生物。因此，应当清楚地理解，如本文所公开的本发明的特征或方面可以各种方式组合，以实现进一步替代微生物评价系统，而不脱离本发明的精神和范围。
最后，在图20中，显示了具有第一或主要的、相对列大的微生物刺激部段80’的可替代双微生物评价系统20，所述微生物刺激部段80’在其他方面相当类似于图1-14的系统20的微生物刺激部段，可替代双微生物评价系统20的刺激部段80’本身由次级微生物刺激部段80采样，次级微生物刺激部段80在大多数方面相同于图1-14的第一示例性实施例的微生物刺激部段，例如通过等动态样本的此类采样。为了说明，较大的非定向螺旋82’可具有送入标称100mm宽乘以6mm高的观察部段120’的约13mm内径，相比于第一示例性实施例的非定向螺旋，其中图20的双系统20中的次级螺旋82具有1.2mm的标称内径和标称20mm宽乘以1mm高的观察部段120。所得双系统20使得更大的处理量用在多种情况下能够使用，所述多种情况需要更大的体积或实时采样以及可能通过在具有标称1mm视野深度的观察部段120内的次级线采样和评价实现较高的精度，同时通过采用具有标称6mm视野深度的初级线或600mm2对20mm2的横截面积的次级线仍允许可接受的总处理量，根据本发明的各方面所得双系统20更类似于示例性实施例系统20。应当再次理解，此类特征可以各种方式组合且采用现在已知或以后将开发的各种技术，而不脱离本发明的精神和范围。
概括地说，关于本发明的如本文示出且描述的示例性实施例，应当理解，公开微生物评价系统并且将其配置用于赋予流体流中的生物至少惯性刺激以便于基于检测的生物的响应移动和/或运动确定是否有任何生物存活。因为本发明的原理可在那些示出且描述配置之外的许多配置中实施，应当理解，本发明不以任何方式受示例性实施例限制，但通常涉及用于分析流体流内微生物的微生物评价系统，所述系统包括微生物刺激部段和与其流体连通的观察部段，并且观察部段具有相对于观察部段主体安装的光学系统以用于观察其观察端口内流体流，由此涉及流体流和其中任何微生物的图像数据经由光学系统获得以用于分析，所以能够采取许多形式以这样进行，而不脱离本发明的精神和范围。本领域技术人员还应当理解，本发明不限于所公开的具体几何结构和组成材料，但可代替地需要现在已知或以后将开发的其他功能上可比的结构或材料，而不脱离本发明的精神和范围。此外，每个上述实施例的各种特征可以任何合理的方式组合，且旨在包括在本发明的范围之内。
虽然已参考至少一个示例性实施例对本发明的各方面进行了描述，但本领域技术人员应当清楚地理解，本发明不限于此。相反，本发明的范围仅要结合所附权利要求书解释，且这里清楚地解释，发明人认为所要求保护的主题是本发明。

Claims (23)

1.一种用于分析流体流内的微生物的微生物评价系统，其包括：
微生物刺激部段，所述微生物刺激部段包括用于诱导经过所述微生物刺激部段的流体流内活体微生物的运动响应的装置；和
观察部段，所述观察部段与所述微生物刺激部段流体连通，所述观察部段包括其中形成有主体空腔的主体，所述主体空腔限定观察口，通过形成在所述主体中以与所述主体空腔连通的空腔第一开口可见所述观察口，所述观察部段进一步包括光学系统，所述光学系统相对于所述主体安装用于通过所述空腔第一开口观察所述观察口内的流体流，因而涉及所述流体流和其中微生物的图象数据经由所述光学系统获得以用于分析。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述诱导装置包括非定向螺旋。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述非定向螺旋具有第一环路和共同延伸的第二环路。
4.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述非定向螺旋具有螺旋内孔，其限定第一横截面积，且从而允许所述流体流以第一流速从中经过；并且
所述观察口限定第二横截面积，所述第二横截面积大于所述第一横截面积，且从而使得所述流体流以小于所述第一流速的第二流速从中经过。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述诱导装置包括液压/机械激发装置。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述液压/机械激发装置是所述观察部段的上游。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述液压/机械激发装置与所述观察部段协同定位。
8.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括流体连通在所述微生物刺激部段和观察部段之间的流正常化部段，所述流正常化部段包括具有锥形入口滑槽内孔的入口滑槽。
9.根据权利要求8所述的系统，其中：
所述入口滑槽形成有入口滑槽第一耦合装置，所述入口滑槽第一耦合装置配置为用于连接到所述微生物刺激部段，且限定所述入口滑槽内孔的第一横截面积且因此允许所述流体流以第一流速从中经过；并且
所述入口滑槽形成有入口滑槽第二耦合装置，所述入口滑槽第二耦合装置配置为用于连接到所述观察部段，且限定所述入口滑槽内孔的第二横截面积，所述第二横截面积大于第一横截面积，且因此使得所述流体流以小于所述第一流速的第二流速从中经过。
10.根据权利要求9所述的系统，其中：
所述诱导装置包括具有螺旋内孔的非定向螺旋，所述非定向螺旋进一步大体限定所述第一横截面积；并且
所述观察口进一步大体限定所述第二横截面积，因而所述流正常化部段的入口滑槽接收所述微生物刺激部段的非定向螺旋所输送的以第一流速的流体流，且以所述第二流速将所述流体流输送到观察部段。
11.根据权利要求8所述的系统，其中：
所述入口滑槽形成在入口滑槽第一平面和垂直入口滑槽第二平面中，所述入口滑槽第一平面和第二平面沿入口滑槽中心轴线交叉；并且
所述入口滑槽内孔仅在所述入口滑槽第一平面中逐渐变细，因而所述入口滑槽第二平面中的入口滑槽内孔基本上等于所述螺旋内孔。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述观察部段的观察口限定视野深度，所述视野基本上等于所述螺旋内孔和所述入口滑槽第二平面中的所述入口滑槽内孔两者。
13.根据权利要求1所述的系统，其中：
入口滑槽连接在所述微生物刺激部段和所述观察部段之间，所述入口滑槽具有入口滑槽内孔；
所述观察部段主体形成有流体连通在所述入口滑槽内孔和所述主体空腔之间流体的主体入口；
所述主体空腔形成有空腔架；
配置为基本上透明的观察板安装在基本上平行于所述空腔第一开口的架子上；
背板安装在大体与所述空腔第一开口相对的空腔第二开口上，所述背板与所述观察板配合以限定所述观察口，根据所述观察板和所述背板之间的距离设置所述观察口和从中通过的流体流的视野深度。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述背板形成有朝向所述观察板的背板通道开口，所述背板通道侧壁连同所述背板和所述观察板进一步界定所述观察口。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述主体形成有安装在其上的光学系统，所述光学系统大体相邻于所述空腔第一开口安装。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述观察部段进一步包括照明器。
17.根据权利要求16所述的系统，其中：
所述主体形成有大体与所述主体空腔连通的至少一个照明口；和
所述照明器包括位于所述至少一个照明口内的至少一个光源。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述观察部段进一步包括成像器。
19.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括所述微生物刺激部段上游的样本预调节部段和与所述微生物刺激部段流体连通的样本预调节部段。
20.根据权利要求1所述的系统，其中所述样本预调节部段包括：
外部样本罐；以及
主要样本罐，其与所述外部样本罐和所述微生物刺激部段流体连通。
21.根据权利要求1所述的系统，其中初级微生物刺激部段和观察部段配置为便于通过次级微生物刺激部段和观察部段采样，所述初级微生物刺激部段是所述次级微生物刺激部段尺寸的至少两倍，且所述初级观察部段是所述次级观察部段宽度的约五倍且是其横截面积的约三十倍。
22.一种用于分析流体流内微生物的微生物评价系统，其包括：
微生物刺激部段，所述微生物刺激部段包括用于诱导经过所述微生物刺激部段的流体流内活体微生物的运动响应的装置；
流正常化部段，其与所述微生物刺激部段流体连通，所述流正常化部段包括具有锥形入口滑槽内孔的入口滑槽；和
观察部段，其与所述流正常化部段流体连通，所述观察部段包括其中形成有主体空腔的主体，所述主体空腔限定观察口，通过形成在所述主体中以与所述主体空腔连通的空腔第一开口可见所述观察口，所述观察部段进一步包括光学系统，所述光学系统相对于所述主体安装用于通过所述空腔第一开口观察所述观察口内的流体流，因而涉及所述流体流和其中微生物的图象数据经由所述光学系统获得以用于分析。
23.一种用于分析流体流内微生物的微生物评价系统，其包括：
样本预调节部段；
微生物刺激部段，其与所述样本预调节部段流体连通，所述微生物刺激部段包括用于诱导经过非定向螺旋的流体流内活体微生物的运动响应的非定向螺旋；
流正常化部段，其与所述微生物刺激部段流体连通，所述流正常化部段包括具有锥形入口滑槽内孔的入口滑槽；和
观察部段，其与所述流正常化部段流体连通，所述观察部段包括其中形成有主体空腔的主体，所述主体空腔限定观察口，通过形成在所述主体中以与所述主体空腔连通的空腔第一开口可见所述观察口，所述观察部段进一步包括光学系统，所述光学系统相对于所述主体安装用于通过所述空腔第一开口观察所述观察口内的流体流，因而涉及所述流体流和其中微生物的图象数据经由光学系统获得以用于分析。
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