CN1636141A - 用于生物驱动器的分段区域检测器及其相关方法 - Google Patents

Abstract

依据一个或多个实施例，本发明涉及生物驱动器中使用的、并且和各种不同的光分析盘或光生物盘组合的检测器的多种实现。依据本发明的一实施例，该检测器是多段检测器。依据本发明的另一实施例，该检测器是径向长剖分检测器。检测器分成段以实现噪声抵消机理从而提高总信噪比。这些检测器实施例产生清楚和可辨别的信号，从而允许在硬件中进行有效的细胞计数。另一实施例是一种称为生物光盘(BCD^TM)分析仪的价格经济的分析仪，其包括一个光盘驱动器以及一个其中设置用于完成所有数字逻辑的现场可编程门阵列(FPGA)的控制器。该分析仪利用来自分段检测器的增强信号以便有效地分析生物样本。

Description

用于生物驱动器的分段区域 检测器及其相关方法

相关申请的相互参照

本申请要求下述申请的优先权：2001年10月24日申请的题目为“Segmented Area Detector For Biodrive And Methods RelatingThereto”、序号为60/335,123的美国临时专利申请；2002年1月28日申请的题目为“Segmented Area Detector For Biodrive And MethodsRelating Thereto”、序号为60/352,649的美国临时专利申请；2002年1月30日申请的题目为“Segmented Area Detector For Biodrive AndMethods Relating Thereto”、序号为60/353,739的美国临时专利申请；2002年2月7日申请的题目为“Segmented Area Detector For BiodriveAnd Methods Relating Thereto”、序号为60/355,090的美国专时专利申请；2002年2月14日申请的题目为“Segmented Area Detector ForBiodrive And Methods Relating Thereto”、序号为60/357,235的美国临时专利申请。所有上述注明的申请全文收录在此作为参考。

技术领域

本发明总地来说涉及生物驱动器，尤其涉及适于接收光生物盘(biodisc)的生物驱动器(bio-drive)中所使用的检测器。更具体地，但不受下面根据最佳实现方式说明的各具体实施例的限制，本发明涉及用于生物驱动器的分段区域检测器(segemented area detector)及其相关方法。本发明还涉及一种模式识别方法，用于对在采用本发明的检测器的生物驱动器中进行分析的生物盘上的细胞计数。

背景技术

作为进行细胞计数和生物样本分析的低廉和有效替代，已经实现光生物驱动器。图1中示出一种示例性光生物驱动器配置。在光盘驱动器112中插入带有安放生物样本的流体槽的光生物盘110。光盘驱动器112内的光特性执行对光生物盘110内安放的样本的生物化验。光盘驱动器112的光学机构把激光束引向光生物盘110并且利用一个检测器检测反射和/或散射光。检测到的光转换成信号，信号再转换成可由计算机114分析的数据。计算机114的监视显示器显示化验结果。

利用扫描点光读出器(例如光生物驱动器112或扫描式光学显微镜(SOM))对液体中部分反射表面上的或其附近的细胞的成象造成低反差图象。在这样的图象中，有时难以相对于其它表面结构识别出细胞。其主要原因是，细胞的折射率和周围水或基片的折射率非常相似，从而来自界面的反射水平低。这造成难以对细胞明确识别和计数并且提高出错率。

为改进在光生物驱动器中进行化验的机制已经做出许多努力。诸如图1所描述的现有技术遇到几个困难。例如，因低信噪比从光盘驱动器112的四分检测器(quad detector)产生的噪声图象会影响计数精度。建议对更传统的四分检测器采用顶检测器的确在与电路板连接时改进信噪比。在一些实例中，信噪比改善大于10倍。

有时，由于计数过程需要分析来自整个化验的大的数据文件，需要大量的计算机存储器。这些大的数据文件还使整个化验处理变慢。改进计算机资源使用效率和处理速度是一项挑战。

改进生物驱动器的另一项挑战是细胞识别。由于生物样本通常包括几种细胞例如白血细胞、红血细胞、淋巴细胞等等，所以细胞识别是困难的。在分析混合生物样本时，需要生成阈值从而只对特定类型的细胞计数。

由于许多应用要求准确的细胞计数，需要在可靠的设备中解决该问题。需要一种能从背景信号噪声中唯一地区分细胞的方法。在一些实例中，最好还具有一种有效的实时细胞识别方法。

发明内容

本发明涉及在光盘驱动器中使用的、并和各种不同的光学分析盘或光生物盘配合的检测器的许多实现方式。依据一实施例，本发明涉及一种用于对光生物驱动器中的细胞计数的模式和细胞识别。依据本发明的一实施例，该检测器是多组分检测器。依据本发明的另一实施例，该检测器是径向长剖分检测器(split dector)。其它实施例包括相对于盘径向地并且切向地定位的检测器，检测器是分段的以便实现可提高总信噪比的噪声消除机制。这些检测器实施例产生清楚的和可区分的信号，从而能在硬件中进行有效的细胞计数。

本发明的另一实施例涉及一种称为生物光盘(BCD^TM)分析仪的光生物盘分析仪。该分析仪利用本发明的检测器实施例来分析生物盘上的生物样本。该分析仪包括一个控制器，在该控制器中设置一个完成所有数字逻辑的现场可编程门阵列(FPGA)。

该控制器硬件体系结构包括以下部分：检测器规格(format)，前置放大器设计，直流电平控制，检测器通道组合，增益控制，细胞计数电路，模数转换，样本区触发检测和控制，用于驱动器控制的IDE接口，使用户具有控制和状态的以太网接口，数字逻辑部件，微控制器。

该分析仪的基本体系结构提供了一个大大改进从底检测器得到的HF信号的信噪比的顶检测器。此外，前置放大器电路在检测器附近，从而比起检测器输出要经过明显距离才迂回到达前置放大器的情形保证了更高的信噪比。包括有直流电平控制可提供校准过的输出。对于准确的光强测量这是需要的。还包括有增益控制以对细胞检测提供一致的电压电平并且优化光强测量的分辨率。

此外，在该分析仪中包括高精准的样本区触发检测系统。触发基于指示样本区相对于检测器的位置的信号。为了在正确时间分析检测器输出信号需要该信号。除非进行复杂的解交错(de-staggering)，为了从一个循环到下一个循环数据准确的关联必须准确到小于1微米。还包括有用户接口，它允许用户控制分析仪并且接收测试结果以及其它和测试相关的有用信息。

为在光盘驱动器中协调，还提供样本分析电子电路和用户接口。盘必须按正确速度转动，激光位置必须得到控制，必须完成对检测器信号的处理，而且用户必须能控制系统和接收结果及状态信息。

本发明的一个实施例涉及用于对光生物驱动器中的细胞进行计数的模式和细胞识别。本发明组合与分段检测器实施例相耦合的电路部分。在一实施例中，检测器信号分析器是在带有控制器的现场可编程门阵列(FPGA)中实现的。该FPGA配置成包含细胞模式识别算法以帮助分析生物盘的样本。存储器、I/O总线接口以及其它计算部分是该与分段检测器耦合的电路部分中的一部分。

本发明的一个目的是提供不需要大的微处理器能力和大的存储器存储空间的准确、有效的细胞计数。本发明的各实施例从检测器提取增强信号并且在这些提取的信号上应用用户可调的细胞计数和模式识别算法以便实时地产生结果。

长剖分检测器与硬件细胞检测算法相耦合的实现方式使得不必采用与高速模数转换器耦合的昂贵奔腾型高功能微处理器。这使得能实现基于一个简单的8位微控制器和一个数字逻辑部件的新的而且显著便宜的体系结构。许多复杂任务传统上是在软件中通过存储大文件并且然后一旦收集好这些文件后进行处理来完成的。硬件能够不仅以快得多的速度而且能不需要昂贵的处理器来完成这些任务。在本发明中，简单的8位微控制器60能够控制光生物盘分析器系统。它只需要向光盘驱动器发送一些简单的控制，设定处理检测器信号的数字和模拟电路，以及报告结果并把控制交给用户。

2002年4月11日申请的题目为“包含相关方法的生物盘和生物驱动器分析仪系统(Bio-Disc And Bio-Drive Analyzer System IncludingMethods Relating Thereto)”、序号为60/372,007的美国临时专利申请全文收录作为本发明的参考文献。该临时申请总地涉及光生物盘和光驱动器，并且尤其涉及适用于在光生物盘上进行诊断分析的集成式分析仪系统。更具体地，该发明涉及包含着细胞计数硬件实现的分析仪系统的硬件体系结构。

本发明涉及生物盘、生物驱动器，并尤其涉及包含着细胞计数方法的硬件实现的生物分析仪系统的硬件体系结构。采纳或者组合地采用下述共同转让和共同未决专利申请中公开的盘、分析法和系统容易实现本发明或其各个不同方面：1999年8月23日申请的题目为“用于分析从光盘获取的运算和非运算数据的方法和设备(Methods and Apparatus forAnalyzing Operational and Non-operational Data Acquired from OpticalDiscs)”的美国09/378,878序号专利申请；1999年8月23日申请的题目为“利用物理同步标记的光盘数据采集方法和设备(Mthhods andApparatus for Optical Disc Data Acquisition Using PhysicalSynchronization Markers)”的美国60/150,288序号临时专利申请；1999年10月26日申请的题目为“带有可并行读的分析物材料的可跟踪光盘(Trackable Optical Discs with Concurrently Readable AnalyteMaterial)”的美国09/421,870序号专利申请；2000年8月21日申请的题目为“利用物理同步标记的光盘数据采集方法和设备(Methods andApparatus for Optical Disc Data Acquisition Using PhysicalSynchronization Markers)”的美国09/643,106序列专利申请；2001年11月15日申请的题目为“带有反射层的光生物盘(Optical Bio-discs withReflective Layers)”的美国09/999,274序号专利申请；2001年11月20日申请的题目为“利用光生物盘检测并量化淋巴细胞的方法和设备(Methods And Apparatus For Detecting And Quantifying LymphocytesWith Optical Biodiscs)”的美国09/988,728序号专利申请；2001年11月9日申请的题目为“利用光生物盘的血型测定方法和设备(Methods andApparatus for Blood Typing with Optical Bio-discs)”的美国09/988,850序号专利申请；2001年11月20日申请的题目为“用于分离凝集剂和分散颗粒的设备和方法(Apparatus and Methods for Separating Agglutinantsand Disperse Particles)”的美国09/989,684序号专利申请；2001年11月27日申请的题目为“包括光生物盘的双珠分析法以及相关方法(DualBead Assays Ineluding Optical Biodiscs and Methods Relating Thereto)”的美国09/997,741序号专利申请；2001年11月30日申请的题目为“分离颗粒悬浊液的成分的设备和方法(Apparatus and Methods for SeparatingComponents of Particulate Suspension)”美国09/997,895序号专利申请；2001年12月7日申请的题目为“用于测量分析物的光盘(Optical Discs forMeasuring Analytes)”的美国10/005,313序号专利申请；2001年12月10日申请的题目为“利用光盘和光盘读出器检测分析物的方法(Methodsfor Detecting Analytes Using Optical Discs and Optical Disc Readers)”的美国10/006,371序号专利申请；2001年12月10日申请的题目为“用来检测分析物的多数据层光盘(Multiple Data Layer Optical Discs forDetecting Analytes)”的美国10/006,620序号专利申请；2001年12月10日申请的题目为“进行分析的光盘组件(Optical Disc Assemblies forPerforming Assays)”的美国10/006,619序号专利申请；2001年12月14日申请的题目为“用于基于盘的实验室的检测系统以及包含其的改进型光生物盘(Detection System For Disk-Based Laboratory AndImproved Optical Bio-Disc Including Same)”的美国10/020,140序号专利申请；2001年12月21日申请的题目为“用于固定DNA捕集探子的表面组件、包含着光生物盘的基于珠的分析法以及相关方法(SurfaceAssembly For Immobilizing DNA Capture Probes And Bead-Based AssayIncluding Optical Bio-Discs And Methods Relating Thereto)”的美国10/035,836序号专利申请；2002年1月4日申请的题目为“用于改进专一性的包含着共价链的双珠分析法以及相关的光分析盘(Dual Bead AssaysIncluding Covalent Linkages For Improved Specificity And RelatedOptical Analysis Discs)”的美国10/038,297序号专利申请；2002年1月10日申请的题目为“包括相关生物方法和医学成像的光盘分析系统(Optical Disc Analysis System Including Related Methods ForBiological and Medical Imaging)”的美国10/043,688序号专利申请；以及，2002年1月14日申请的题目为“包括相关信号处理方法和软件的光盘分析系统(Optical Disc Analysis System Including Related SignalProcessing Methods and Software)”的美国60/348,767序号临时申请。所有这些申请全文收录为本文的参考文献。从而就象它们全部在本文中重复那样，提供它们所支持的背景和有关公开。

附图说明

从下面对在各附图中示出的本发明的各优选实施例的说明，本发明的其它目的、影响其的其它特征以及其产生的优点将会清楚，各附图中类似的数字表示类似的部分，附图中：

图1是生物盘系统的图解表示；

图2示出本发明的体系结构；

图3是和本发明一起使用的反射生物盘的分解透视图；

图4是图3中示出的盘的顶视图；

图5是图3示出的盘的透视图，其中剖开部分示出该盘的不同层；

图6示出和本发明一起使用的透射生物盘的分解透视图；

图7是表示图6所示盘的透视图，其中带有示出盘的半反射层的功能状况的剖面；

图8的曲线示出Au层厚度和入射激光的透射/反射之间的关系；

图9是图6中示出的盘的顶视图；

图10是图6所示盘的透视图，其中带有示出包括图7所示半反射层类型的盘的各不同层的剖面；

图11是和本发明一起使用的周缘储存盘(以下称为“储存盘”)的分解透视图；

图12A、12B和12C是依据本发明的储存盘的基片部件的三种不同实施例的透视图；

图13是按照本发明的另一个方面在储存盘的盖部件中实现的一对同心周缘储槽的透视图；

图14是利用图12A的基片部件透射规格下的储存盘组件的顶视图，其中包含定位在外储槽内的缓冲垫；

图15是图14所示盘的透视图，其中带有示出包括图7所示半反射层类型的盘的各不同层的剖面；

图16类似图15，其中带有示出储存盘的一替代实施例的各不同层的剖面，该盘采用分散捕集区而不采用活性层；

图17是详细示出光生物盘系统的透视图和方块图表示；

图18是盘的平面图，示出各目标区和硬件触发器；

图19A是沿垂直于图3、4和5示出的反射光生物盘或者按反射规格实现的图10-14的储存盘的半径截取的部分剖面图；

图19B是沿垂直于反射规格的生物盘的半径截取的部分剖面图，示出附着在盘的流道(flow channel)内的捕获抗体；

图20A是沿垂直于图6、9和10的透视光生物盘或者按透射规格实现的图11-15的储存盘的半径截取的部分剖面图；

图20B是沿垂直于透射规格的生物盘的半径截取的部分剖面图，示出附着在盘的流道内的捕获抗体；

图21是表示本发明的反射规格生物盘的部分纵向剖面图，示出盘上形成的摆动槽；

图22是表示本发明的透射规格生物盘的部分纵向剖面图，示出盘上形成的摆动槽以及一个顶检测器；

图23类似图19A，示出反射盘的整个厚度以及它的原始折射特性；

图24类似图20A，示出透射盘的整个厚度以及它的原始折射特性；

图25是一块电路板的顶视图，其中包括一个依据本发明的另一方面的触发检测组件；

图26是图25中示出的触发电路的电原理图；

图27是部分图解、部分方块图，示出按照本发明的一些方面实现的盘和读出系统；

图28A示出不带有球的入射光束的光径；

图28B示出通过球聚焦的入射光束的光径；

图28C图示描述经球向右偏转的入射光束的光径；

图28D示出经球向左偏转的入射光束的光径；

图28E比较具有和不具有球的折射的入射光束的光径。

图28F是经球偏转的入射光束光径的近视图；

图29A示出通过小方块检测器检测的球的图象；

图29B示出通过长检测器检测的球的图象；

图30A示出一个示例的四分检测器；

图30B示出由图30A中示出的四分检测器检测的球的图象；

图30C图示描述由图30A示出的四分检测器检测的球的推挽电压曲线结果；

图30D示出图30A示出的四分检测器检测的球的另一变型的电压曲线；

图31A示出依据本发明的一实施例的带有二个长检测器的一种示例检测器配置；

图31B图示描述由图31A的右检测器检测的球的图象；

图31C示出由图31A的左检测器检测的球的图象；

图31D示出由图31A中的检测器检测的球的电压曲线；

图32A示出依据本发明的一实施例带有三个长检测器(一个宽中央检测器和二个侧检测器)的示例检测器配置；

图32B示出依据本发明的一实施例带有三个长检测器(一个窄中央检测器和二个侧检测器)的示例检测器配置；

图32C示出依据本发明的一实施例带有四个长检测器(二个中央检测器和二个侧检测器)的示例检测器配置；

图32D示出依据本发明的一实施例带有五个长检测器(三个中央检测器和二个侧检测器)的示例检测器配置；

图33A示出依据本发明的一实施例带有五个沿径向取向的段(segment)的示例检测器配置；

图33B示出依据本发明的一实施例带有四个沿斜向方向取向的段的示例检测器配置；

图33C示出通过图33B中示出的检测器的四个检测器段检测的图象；

图34示出依据本发明的一实施例的多组分检测器；

图35A是双分段(bi-segmented)(剖分)检测器的顶视图；

图35B是双分段(剖分)检测器的三维视图；

图35C是由图35A和35B的双分段检测器检测的信号的结果电压曲线；

图36A是检测器宽度小于透镜的数值孔径的一个双分段检测器；

图36B是由图36A的双分段检测器检测的信号的结果电压曲线；

图37A示出依据本发明的一实施例的带有三个长检测器(一个中央检测器和二个侧检测器)的示例检测器配置；

图37B示出依据本发明的一实施例的带有构成二个长检测器的四个段的示例检测器配置；

图38示出依据本发明的一实施例的一个剖分检测器；

图39A示出通过本发明检测的白血细胞；

图39B示出10个微米珠的图象，它们是通过本发明检测的球形聚苯乙烯；

图40示出通过本发明检测的红血细胞的图象；

图41示出通过本发明检测的红血细胞的图象以及沿一条水平线的密度曲线；

图42示出通过本发明检测白血细胞和血小板的图象，以及几条水平线上的密度曲线；

图43A示出依据本发明的一实施例的不对称检测器；

图43B是电压图，其示出由不对称检测器和对称检测器检测的结果信号之间的比较；

图43C示出可以在不对称检测器中实现的三种不同类型的偏置；

图43D示出不带有不对称检测器的球的图象；

图43E示出带有图43C中示出的三种不同类型的偏置的球的图象；

图44示出BCD^TM分析仪；

图45是依据本发明的一实施例的BCD^TM分析仪的方块图；

图46示出BCD^TM分析仪控制器；

图47A是依据本发明的一实施例的图46控制器的方块图；

图47B是一个方块图，示出依据本发明的一实施例如何用光生物驱动器的其余光学部分实现该控制器；

图47C为该控制器的图解，示出依据本发明的一实施例如何用光生物驱动器的其余光学部分实现该控制器；

图48示出本发明中使用的盘；

图49A图解描述把检测到的模拟信号转换成对细胞计数的脉冲的过程；

图49B示出把检测到的模拟信号转换成对细胞计数的脉冲的另一个过程；

图50A示出进入球的入射光束的偏转角度；

图50B图解描述使用缝隙如何过滤入射光束的不同偏转射线；

图50C示出不使用图50B示出的缝隙时检测器上检测到的图象；

图50D示出使用图50D示出的缝隙时检测器上检测到的图象；

图51A是一个细胞图象、它的伴生S弯曲电压曲线以及得到的脉冲序列；

图51B示出在检测期间七个时间点上入射光束光径偏转；

图52A示出根据图51A中看到的计时信息的脉冲序列曲线；

图52B示出根据图51A中看到的计时信息检测有效S弯曲的状态机；

图53示出由1和0组成的网格，其是一个示例的S弯曲事件，可以根据上面图52B的状态机把它存储到RAM中；

图54示出每次循环的非采样时间期间在图53的网格上逐道运算的相关矩阵；

图55A是指出二个S弯曲特征的结果电压曲线；

图55B是一个示例散点图，示出和图55A中示出的二个S弯曲特征相关联的不同细胞类型的聚集；

图56A示出利用本发明和一组给定阈值捕获的细胞图象；

图56B示出利用本发明以及一组给定的阈值在图56A中看到的细胞图象捕获期间识别的S弯曲的位置；以及

图56C示出利用本发明以及给定的矩阵尺寸，通过对图56B中识别的S弯曲进行相关矩阵处理而识别的细胞的位置。

具体实施方式

本发明总地涉及光生物驱动器，尤其涉及适于接收光生物盘的光生物驱动器中所使用的检测器。更具体地，但不受下面根据最佳实现方式说明的各具体实施例的限制，本发明涉及用于生物驱动器的分段的区域检测器以及相关方法。本发明还涉及一种模式识别方法，用于对在采用本发明的检测器的生物驱动器中进行分析的生物盘上的细胞或者其它调查特征计数。

分析仪单元

图2示出本发明的一个实施例。分析仪12是本发明的一种配置的结果式样。和例如图1所示的现有技术实施例相比，分析仪12把计算及处理部分和光盘驱动器组合到单个单元中。本领域技术人员理解图2仅仅是本发明的许多可能的不同配置中的一种。根据该配置，分析仪12可以具有一个紧凑的PC兼容系统，该系统例如包括一个300MHz处理器、128MB的RAM、PC/104模数(A/D)转换器和一个VxWork^操作系统。一块带有这些部件的简单PC板还可以持有一个为从光盘驱动器10中的光生物盘提取信号所需的检测器及放大器电路。

光生物盘

本发明的各实施例设计成接受各种各样的光生物盘。图3至16示出光生物盘的各种示例类型，可以在本发明中进行生物分析时使用它们。简要地，图3至5的目的是示出本发明的反射式光生物盘实施例的各组成部分。图6至10的目的是示出本发明的透射式光生物盘实施例的各组成部分，以及如何比较反射式和透射式实施例。最后，图11至16示出光生物盘的周缘储存器实施例的各组成部分。

光生物盘：反射式实施例

图3是光生物盘110的主要结构件的分解透视图。依据本发明的一实施例，光生物盘是反射式光生物盘(以下称为“反射盘”或“反射规格盘”)。主要结构件包括盖部分116、粘附件或沟道层118以及基片120。盖部分116包括一个或多个注入口122以及一个或多个排出口124。盖部分116可用聚碳酸酯构成并且最好在从图3透视看到的底部上涂覆一层反射表面146(在图5中更好地示出)。在一优选实施例中，在反射层的表面上包含触发标志或标记126。触发标记126可以包括在生物盘的所有三层中的透明窗口、不透明区或者反射或半反射区，通过向处理器166发送数据的信息来编码，如图17中所示，这进而和图17中的询问或入射光束152的操作功能进行交互。

图3中示出的第二部件是其上形成流体管路128或U型沟道的粘附件118。流体管路128是通过冲压或切割膜片从而去掉塑料薄膜并且形成指定形状而做成的。每条流体管路128包括流动沟道130和返回沟道132。图3中示出的一些流体管路128包括混合腔134。示出二种不同类型的混合腔134。第一种是相对于流动沟道130对称形成的对称混合腔136。第二种是偏置混合腔138。如图所示，偏置混合腔138是在流动沟道130的一侧形成的。

图3中示出的第三部件是含有目标区或捕获区140的基片120。基片120最好由聚碳酸酯做成并且在顶面上沉积一层反射金属层142，如还在图5中示出那样。目标区140是通过按所示形状或者可替代地，按所需形状去掉反射层142形成的。可替代地，可以通过遮掩技术形成目标区140，该技术包括在施加反射层142之前遮掩目标区140。可以用诸如铝、金、银、镍的金属或者反射金属合金形成反射层142。

图4是图3中示出的光生物盘110的顶视图，其带有盖部分116上的反射层142，该反射层示出是透明的以便展现位于盘内的流体管路128、目标区140和触发标记。

图5是依据本发明的一实施例的反射区型光生物盘110的放大透视图。该图包括一个含有各层的部分，其被剖开以示出每个主要层、基片、涂层或薄膜的部分剖面。图5示出涂有反射层142的基片120。在反射层142上可施加活性层144。在该优选实施例中，活性层144可由聚苯乙烯构成。替代地，可以采用聚碳酸酯、金、活性玻璃、改性玻璃或改性聚苯乙烯，例如，聚苯乙烯-共-顺丁烯二酸酐。最好还通过反射层142的衍生利用自组合(self assembling)单层，例如，功能上活性的巯基化合物在金上的配价键联以及功能化后的硅酮化合物在铝上的键联来形成活性层144。另外，可以使用水凝胶。替代地，如该实施例中所示，在活性层144上施加塑料粘附件118。如果不存在活性层，把粘附件118直接施加在反射金属层142上。塑料粘附件118的暴露部分示出形成流体管路128的切割出或冲压出的U形形状。该生物盘的反射区实施例的最后一个主要结构层是盖部分116。盖部分116包括在其底部上的反射表面146。可以用例如铝或金的金属做成反射表面146。

光生物盘：透射实施例

图6是光生物盘110的主要结构件的分解透视图。依据本发明的另一实施例，该光生物盘是透射式光生物盘。透射式光生物盘110的主要结构件类似地包括盖部分116、粘附件118和基片120。盖部分116包括一个或多个注入口122和一个或多个排出口124。盖部分116可用聚碳酸酯层做成。可以在薄半反射金属层143的表面上包括光触发标记126，如从图7和10中最佳示出那样。触发标记126可以包括在生物盘的所有三层中的透明窗口、不透明区或者反射或半反射区，通过向处理器166发送数据的信息来编码(图17)，这进而和图17中的询问光束152的操作功能进行交互。

图6中示的第二部件是其上形成流体管路128或U型沟道的粘附件或沟道层118。流体管路128是通过冲压或切割膜片从而去掉塑料薄膜并且形成指定形状而做成的。每条流体管路128包括流动沟道130和返回沟道132。图6中示出的一些流体管路128包括混合腔134。示出二种不同类型的混合腔134。第一种是相对于流动沟道130对称形成的对称混合腔136。第二种是偏置混合腔138。如图所示，偏置混合腔138是在流动沟道130的一侧形成的。

图6中示出的第三部件是可含有目标区或捕获区140的基片120。基片120最好由聚碳酸酯做成并且具有沉积在其顶上的半反射金属层143。和图6和7中示出的盘110的基片120关联的半反射层143比图3、4和5中示出的反射盘110的基片120上的反射层142略薄。这种较薄的半反射层143允许询问光束152穿过该透射盘的各结构层的一定程度的透射，如图7中所示。可以用诸如铝或金的金属形成该薄的半反射层143。

图7是图6示出的光生物盘110的透射实施例的基片120和半反射层的放大透视图。可以用诸如铝或金的金属形成半反射层143。在该优选实施例中，图6和7中示出的透射盘的薄半反射层143约为100-300厚并且不超过400。该较薄的半反射层143允许一部分入射或询问光束152穿入并通过该半反射层143以由顶检测器158检测(图17)，同时一部分光沿着入射光径反射或返回。如下面指出那样，表1给出金薄膜相对于薄膜厚度的反射和透射特性。在厚度大于800时金薄膜层是全反射的。而穿过金薄膜的光透射的阈密度(threshold density)约为400。

                      表1

Au薄膜反射和透射(绝对值)
				厚度()	厚度(nm)	反射	透射
0	0	0.0505	0.9495
				50	5	0.1683	0.7709
100	10	0.3981	0.5169
				150	15	0.5873	0.3264
200	20	0.7142	0.2057
				250	25	0.7959	0.1314
300	30	0.8488	0.0851
				350	35	0.8836	0.0557
400	40	0.9067	0.0368
				450	45	0.9222	0.0244
500	50	0.9328	0.0163
				550	55	0.9399	0.0109
600	60	0.9448	0.0073
				650	65	0.9482	0.0049
700	70	0.9505	0.0033
				750	75	0.9520	0.0022
800	80	0.9531	0.0015

除表1外，图8给出基于金的厚度的薄半反射层143的反射和透射特性的反比例的图形表示。图8中所示曲线中的反射值和透射值是绝对值。

图9是图6和7中示出的透射式光生物盘110的顶视图，其中透明的盖部分116暴露出位于盘内的流体沟道、触发标记126和目标区140。

图10是依据本发明的透射盘实施例的光生物盘110的放大透视图。盘110示出带有其各层部分，该部分被剖开以示出各主要层、基片、涂层或薄膜的部分剖面。图10示出带有透明盖部分116、基片120上的薄半反射层143以及触发标记126的透射盘规格。触发标记126包括设置在盖的顶部上的不透明材料。替代地，触发标记126可以用在盘的薄反射层143上蚀刻的透明、不反射窗口形成，或者用任何用于吸收或不反射来自图17中的触发检测器160的信号的标志形成。

图10还示出通过按所示形状或者替代地按任何希望的形状来标志指定区域而形成各目标区140。可以在基片120的薄半反射层143上或者在基片120的底部上(盘的下面)做出指示目标区140的标记。替代地，可以通过遮掩技术形成目标区140，该技术包括除了各目标区140之外遮掩全部薄半反射层143。在本实施例中，可以通过把油墨丝网印刷在薄半反射层143上建立目标区140。可以在薄半反射层143上施加活性层144。在该优选实施例中，活性层144是40到200μm厚的2％的聚苯乙烯层。替代地，可以使用聚碳酸酯、金、活性玻璃、改性玻璃或者改性聚苯乙烯，例如，聚苯乙烯-共-顺丁烯二酸酐。最好还通过反射层142的衍生利用自组合单层，例如，功能上活性的巯基化合物在金上的配价键联以及功能化后的硅酮化合物在铝上的键联来形成活性层144。另外，可以使用水凝胶。如该实施例中所示，在活性层144上施加塑料粘附件118。如果不存在活性层144，把粘附件118直接施加在半反射金属层142上。塑料粘附件118的暴露部分示出形成流体管路128的切割出或冲压出的U形形状。本生物盘110的该透射实施例的最后一个主要结构层是包括各注入口122和各排出口124的透明、不反射盖部分116。

光生物盘：周缘储存器实施例

图11是本发明的光生物盘110的又一实施例的主要结构件的分解透视图。在本文中把该实施例通称为“储存器盘”。可以在上面说明的反射式或透射式规格之一中实现该实施例。替代地，依据本发明的该光生物盘可按一种混合盘实现，其具有透射和反射二种规格并且还具有任何期望的流体沟道和周缘储存器组合。

该储存器实施例的主要结构件类似地包括盖部分116、粘附件或沟道层118以及基片120。盖部分116包括一个或多个注入口122和一个或多个排出口124。盖部分116最好是用聚碳酸酯做成，并且可以是透明的或者当按图5中那样的反射规格实现时涂上反射表面146。在该优选实施例反射储存器盘中，在反射层142的表面上包括各触发标记126。触发标记126可以包括在生物盘的所有三层中的透明窗口、不透明区或者反射或半反射区，通过向处理器166发送数据的信息来编码(图17)，这进而和图17中的询问或入射光束152的操作功能进行交互。依据本发明的一个方面，触发标记126和各个流体管路128一样宽。

图11中示出的第二部件是粘附件或沟道层118，其带有在其上形成的流体管路或直线沟道128。依据本发明的一实施例，如图所示，这些流体管路128沿着盘的半径。通过冲压或切割薄膜以去掉塑料薄膜并且形成所示形状形成流体管路128。

图11中示出的第三部件是基片120。基片120最好用聚碳酸酯做成，并且取决于期望是反射规格还是透射规格在其顶部上沉积反射金属层142或者薄半反射金属层143。如前面指出那样，层142或143可以用诸如铝、金、银、镍的金属以及反射金属合金做成。基片120带有沿着外周边的储存器129，其最好如图所示实现成周缘储存器129。

图12A、12B和12C是基片120的、包含本发明的各种不同储存器实现方式的不同实施例。更具体地，图12A示出的基片120包括二个由突起部分或陆地段(land segment)135隔开的同心储存器。如所示，该实施例包括一个内储存器131和一个外储存器133。这些突起部或陆地段形状上是尖锐的并且被排列成最好按有规律的间隔形成开口或通过端口137，从而使内储存器131和外储存器133彼此流体流通。

现参照图12B，其中示出基片120的另一实施例，其包括分段的或分开的周缘储存器139。如图所示，通过基片120的升高部分，各个独立的拱状储存器139流体上是隔离的或者彼此是分开的。出于示意目的图12B示出4个独立的拱状储存器139。但是，如本领域技术人员会理解那样，可以实现任何希望数量的储存器和结构。

接着参照图12C，其中示出图12A基片120的一种修改实施例。在该实施例中，基片120具有一个或多个混合井141(well)。如所示，井141可以是圆形的或者径向地。

图13示出盖部分116的一种替代实施例。在该实施例中，如所示在盖部分116中而不是在基片120中形成图12A中示出的储存器系统。根据本公开本领域技术人员容易理解，可以类似地在盖部分116中形成图12B和12C示出的储存器系统。

图14是包含图11A和12示出的按透射规格实现的周缘储存器系统的光生物盘110的储存器盘实施例的顶视图。如所示，装配三个主要机构部件，其中盖部分116为顶层，粘附部分118为中部层，而基片120为底部层。依据图14所示盘组件的一种或多种修改实施例，储存器系统可以是图12A、12B和12C任一中示出的在盖部分116或基片120中形成的类型。

如一般在图14、15和16中示出那样，流体沟道128配置成和储存器129或131流体相通。在这种方式下，注入口122中的流体在盘驱动器的分析处理期间流过沟道128并且接着进入储存器129或131。在图14中示出的实施例中，废液还通过端  137进入外储存器133并且接着可选择地进入吸收垫145。可选择地对吸收垫145填充干燥剂或除湿剂，以便使放在光生物盘110中的试剂不会潮湿从而保持试剂的功能活性并且提高生物盘110的使用寿命。

依据本发明的一更具体的实施例，该储存器可以包括一个或多个吸收垫145，如图14中所示。这些吸收垫最好用诸如纤维素玻璃纤维做成，或者用任何其它类型的适当吸收材料做成。最好围绕储存器均匀地分布这些吸收垫145，从而促进并且保持使用时驱动转动期间盘的平衡。

现在特别转到图15，图中给出依据本发明的储存器盘实施例的光生物盘110的放大透视图。盘110示出带有其各层的部分，该部分被剖开以便示出各主要层、基片、涂层或薄膜的部分剖面图。图15示出透射规格的、带有透明盖部分116、基片120上的薄半反射层143和触发标记126的储存器盘。触发标记包括设置在盖的顶部上不透明材料。替代地，可以通过在盘的薄反射层143上蚀刻出的透明不反射窗口形成触发标记126，或者是任何吸收或不反射来自图17中的触发检测器160的信号的标志。

图15还示出可施加到薄半反射层143上的活性层144。在该优选实施例中，活性层144是40到200μm厚的2％的聚苯乙烯层。替代地，可以使用聚碳酸酯、金、活性玻璃、改性玻璃或者改性聚苯乙烯，例如，聚苯乙烯-共-顺丁烯二酸酐。最好还通过反射层142的衍生利用自组合单层，例如，功能上活性的巯基化合物在金上的配价键联以及功能化后的硅酮化合物在铝上的键联来形成活性层144。另外，还可以使用水凝胶。如该实施例中所示，在活性层144上施加塑料粘附件118。如果不存在活性层114，如后面更详细讨论的图16中所示，在半反射金属层143上直接施加粘附件118。塑料粘附件118的暴露部分示出形成流体管路128的切割出或冲压出的直线形状。基片120的暴露部分示出周缘储存器129。本生物盘110的该实施例的最后一个主要结构层是包含着注入口122和排出口124的透明、不反射盖部分116。根据给出的本公开本领域技术人员容易清楚，可以把图12A、12B和12C中示出的基片120的各种实施例用作为图15中示出的盘的基片。

图16类似图15，其示出利用离散捕获区140而不利用活性层144的透射式储存器盘一种替代的实施例。如图所示，这些离散捕获区140可位于金属层143的任何预定位置上并且分布在流体管路128中。图16还示出带有数个按微阵列形式147排列的离散捕获区140的宽规格直线沟道128。依据本发明的一实施例，图16的流体管路128足够宽，以便容纳最小尺寸为2×2个捕获区到超过1,000×1,000个捕获区的多组微阵列147。根据给出的本公开本领域技术人员容易清楚，还可以把图12A、12B和12C中示出的基片120的各种实施例用作为图16中示出的盘的基片。

控制驱动器功能

本发明的光盘系统部分(图2的10)是一个复杂的系统，它必须精确地操作以便正确地分析上述各光生物盘实施例或者等同实施例。为使该光盘系统正确工作，它必须：(1)在该光盘组件的操作面上准确聚焦；(2)准确跟随螺旋盘道或者在盘表面采用某种形式的均匀径向移动；(3)恢复足够信息以促进某种形式的速度控制(CAV，CLV或VBR)；(4)通过从盘收集的逻辑信息或者通过从盘的操作面检测的信号电平保持适当的功率控制；以及(5)响应用来控制目标组件位置的逻辑信息、转动速度或者负责提供操作要求的激光的聚焦位置。

一个光盘驱动器控制器组件通过利用电伺服和逻辑伺服完成三种主要操作要求。从而，光盘驱动器控制器组件控制：(1)聚焦伺服电路，(2)跟踪伺服电路，以及(3)信息处理电路。在可记录式光盘系统情况下，第四项要求是必须提供功率控制。在这样的系统中，光盘驱动器控制器组件还对激光功率控制电路(“信号监视”)提供电信号。

光生物驱动器组成部分

图17是示出光盘驱动器10的内部成分的透射和方块图表示。图中示出光学器件148、产生入射或询问光束152的光源150、返回光束154以及透射光束156。在图5中示出的反射式光盘情况下，从光生物盘110的盖部分116的反射表面146反射返回光束154。在本光生物盘110的该反射式实施例中，通过底检测器(例如四分检测器)检测返回光束154并分析信号媒介物的存在。另一方面，在透射光盘规格下，通过顶检测器158检测透射光束156，并且也分析信号媒介物的存在。在该透射式实施例中，可以把光电检测器用作为顶检测器158。在一实施例中，顶检测器158是多组分检测器或是剖分检测器。在标题为“检测器和光生物盘类型”的下一节中更详细说明在不同的盘实施例中如何进行检测处理。

图17还示出一个硬件触发机构，其包括盘上的触发标记126和触发检测器160。该硬件触发机构用于反射式生物盘、透射式生物盘、周缘储存器生物盘以及任何其它等同实施例。该触发机构允许处理器166仅在询问光束152位于相应目标区140时才收集数据。另外，在透射式生物盘系统中，还可以使用软件触发器。一旦询问光束152击中各个目标区140的边缘，该软件触发器利用底检测器发信号给处理器166以收集数据。图17还示出驱动器电机162以及控制光生物盘110的转动的控制器164。图17还示出以一种替代方式实现的处理器166和分析仪168，用于处理和透射式光生物盘关联的返回光束154和透射光束156。

如图17中所示，为了控制分析的开始和结束需要触发机制。图18示出带有目标区140和触发标志126的盘110的平面图。硬件触发标志126最好位于盘的外缘，并且最好和目标区140一起在半径线上。捕获触发器卡170(图17)提供指示何时触发标志126相对于感兴趣的调查特征到达预定位置的信号。该信号在处理器166中处理以使处理器166中进行的处理和触发标志126的位置同步化。例如，触发标志126就布置在生物盘110中含有调查结构的扇区之前。

按如下方式使用触发标志126。当处理器166检测到触发标志126时，处理器166等待短的预定延迟(t_d)，接着开始按照表示是否存在调查特征的数据来从处理四分检测器157或顶检测器158检测到的信号。

检测器和光生物盘类型

图19A至图24的目的是对各种检测器和生物盘实施例中的光径提供更详细的说明。

图19A是依据本发明的光生物盘110的反射式盘实施例的部分剖面图。图19A示出基片120和反射层142。如前面指出那样，反射层142可以用例如铝、金或其它适当反射材料的材料做成。在本实施例中，基片120的顶表面是平滑的。图19A还示出施加在反射层142上的活性层144。如图19A中所示，通过在期望位置处去掉反射层142的一个区域或一部分，或者替代地通过在施加反射层142之前遮掩该期望的区域来形成目标区140。如图19A中还示出那样，在活性层144上施加塑料粘附件118。图19A还示出盖部分116以及关联的反射表面146。从而当把盖部分116施加到包含期望的切去形状的塑料粘附件118时，则形成流动沟道130。如图19A中的箭头指示那样，入射光束152的光径最初是从盘110的下方指向基片120的。接着该入射光束聚焦在一个靠近反射层142的点上。由于该聚焦发生其中缺少反射层142的一部分的目标区140中，入射沿着穿过活性层144的路径继续并且进入流动沟道130。入射光束152接着继续向上行进穿过流动沟道并且最终入射到反射表面146上。在此点，入射光束152沿着入射路径返回或反射并且由此形成返回光束154。

图19B是和图19A相类似的图，其示出图19A中说明的反射式光生物盘的所有组成部分。图19B还示出捕获区140内的附着在基片120上的捕获抗体204。

图20A是依据本发明的生物盘110的透射式实施例的部分剖面图。图20A示出带有透明盖部分116以及基片120上的薄半反射层143的透射盘形式。图20A还示出施加在薄半反射层143上的活性层144。在该优选实施例中，透射盘带有用厚度约为100-300并且不超过400的诸如铝或金的金属做成的薄半反射层143。该薄半反射层143允许来自图17的光源150的一部分入射或询问光束152穿入并且向上通过该盘以便由顶检测器158检测，同时一些光沿着和入射光束相同的路径但方向相反地向回反射。在此结构下，返回或反射光束154从半反射层143反射。这样，在这种方式下返回光束154不进入流动沟道130。可以利用该反射光或返回光束154在半反射层143上或之中形成的预记录的信息道上跟踪入射光束152，如后面随着同图21和22更详细说明那样。

在图20A中示出的盘实施例中，可能存在或不存在定义的目标区140。可以通过在基片120的薄半反射层143上直接做标记来形成目标区140。可以利用丝网印刷或者任何等效方法完成这些标记。在其中不利用物理标记定义目标区的替代实施例中，实际上把流动沟道130用作为在其中进行调查特征检查的封闭目标区。

图20B是和图20A相类似的图，其示出图20A中说明的透射光生物盘的所有组成部分。图20B还示出捕获区140内的附着在基片120上的捕获抗体204。

图21是沿本发明的反射式盘实施例生物盘110的各道(track)取的剖面图。该图是沿着该盘的半径和流动沟道纵向截取的。图21包括基片120和反射层142。在该实施例中，基片120包括一组槽170。槽170以从盘的中心附近向外边缘延伸的螺线为形式。实现各个槽170，以便询问光束152可以追踪盘上的螺旋槽170。这种类型的槽170称为“摆动槽”。带有波形或起伏侧壁的底部形成槽170，同时升起或突起部螺旋地分隔相邻的各槽。该实施例中施加在槽170上的反射层142如图所示本质上是保形的。图21还示出施加在反射层142上的活性层144。如图21中所示，通过在期望位置去掉反射层142的一个区域或一部分，或者替代地通过在施加反射层142之前遮掩该期望的区域形成目标区140。如图21中还示出那样，在活性层144上施加塑料粘附件118。图21还示出盖部件116以及关联的反射表面146。从而，当对包含着期望切去形状的塑料粘附件118施加盖部分116时，会形成流通沟道130。

图22是沿图20A所说明的本发明的透射式盘实施例生物盘110的各道截取的剖面图。该图是沿着该盘的半径和流动沟道纵向截取的。图22示出基片120和薄半反射层143。该薄半反射层143允许来自光源150的入射或询问光束152穿入并通过该盘以便由顶检测器158检测，同时一些光以返回光束154的形式向回反射。薄半反射层143的厚度由盘读出器保持跟踪能力所需的最小反射光量来确定。该实施例中的基片120和图23中讨论的基片类似包括一组槽170。该实施例中的这些槽170最好也以从盘的中心附近向外边缘延伸的螺线的形式。实现槽170从而询问光束152能跟踪该螺线。图22还示出施加在薄半反射层143上的活性层144。如图22中还示出那样，在活性层144上施加塑料粘附件118。图22还示出不带有反射表面146的盖部分116。从而，当向包含着期望切去形状的塑料粘附件118施加该盖时，会形成流通沟道130并且允许部分入射光束152在实质上不反射情况下穿过。

图23类似于图19A，示出反射式盘的整个厚度以及它的原始折射特性。图24类似于20A，示出透射式盘的整个厚度以及它的原始折射特性。由于剖面是沿着槽170切的，在图23和24中看不到槽170。图23和24示出存在窄的流动沟道130，在这些实施例中它们垂直于槽170。

图21、22、23和24示出各个反射盘和透射盘的整个厚度。在这些图中，入射光束152最初和具有折射特性的基片120交互作用，这改变入射光束的路径，从而如图所示提供光束152在反射层142上或在薄半反射层143上的聚焦。

顶检测器

试验表明，顶检测器可以在光生物驱动器中提供改进的信噪比。从而，如图17中所示，光生物驱动器的各实施例可包括一个顶检测器以及它的相关检测电路，由于在目前市场上可买到的普通光驱动器(例如CD-R，DVD)中顶检测器不是一个常见的部件，最好在对普通驱动器造成最小程度破坏的方式下实现顶检测器。出于这个原因，希望使用透射式生物盘实施例，在透射式情况下，生物盘对于使有源电子电路察看操作数据和对于产生常规驱动工作是有足够反射性的。但是，部分透射性仍允许一些入射光穿过盘到达顶检测器。在这种方式下，通过对普通驱动器添加顶检测器可以检测调查特征。该调查特征可以是细胞、珠(bead)或者任何其它分析中感兴趣的生物材料。不必修改反射光的检测电路(四分检测器)。仍旧可以利用反射光读出编码数据以及提供操作功能，例如象以前那样的跟踪和聚焦。

在一实施例中，通过添加触发器、放大器、检测器(TAD)卡180(图25)实现对普通驱动器的修改。最好按可以把它们安装在普通光盘驱动器内的方式构建触发器、放大器、检测器(TAD)卡180。一种尤其用于开发用途的适用驱动器是Plextor型号8220CD-R驱动器。尽管可以采用CD或DVD，但CD-R驱动器具有几个有用的方面。由于CD-R驱动器允许读和写功能，激光可以在较高的功率水平范围内工作。对于一些类型的调查特征，采用较高功率的功能性是有用的。CD-R的另一个有用方面是具有在盘上写的能力，从而可以用于把结果回写到盘上。这允许把结果保存在盘上供以后使用并且保持在该盘上。

图25是TAD 180的顶视图，TAD 180包括依据本发明的另一方面的触发检测组件。该电路板包括一个开口或通过口182，当利用透射式盘实现顶检测器方案时需要该开口，例如在题目为“用于进行样本分析的设备和方法(Apparatus and Method for Carrying Out Analysis of Samples)”的共同转让美国5,892,577号专利以及在题目为“用于光生物盘的盘驱动器(Disc Drive for Optical Bio-Disc)”的临时申请60/247,465号中公开那样，这二份文献收录作为参考。当和采用反射式生物盘以及一个典型地邻近定位的底检测器的普通驱动器一起使用时，不需要该通过口182。如连带图17讨论那样，TAD 180包括触发传感器160和检测器158。

图26是图25中示出的触发电路的原理图。为了获取涉及调查特征的信息，依据本发明的光生物驱动器带有一个适当的被实现成当感兴趣的分析区位于入射激光束中时下触发的触发电路。

图27是一个更详细地示出TAD 180和盘驱动机构之间的相互关系的方块图。如图中示出那样，光学器件188安装在由托架电机184驱动的托架组件190上，并且该盘由盘电机186驱动。托架组件190包括一个光拾取单元(OPU)。接收来自CPU 196的控制器164驱动这二个电机。来自光学器件组188的信号数据198、触发检测器信号192以及来自顶检测器(或检测器阵列)158的信号194都提供到ADC(模数转换器)150或S弯曲识别电路，如后面说明那样。图27再次示出TAD 180包括顶检测器(或检测器阵列)158和触发检测器160。TAD安装在光驱动器目标组件上。

本领域技术人员理解，图27中示出的配置只是一种示例配置。类似的配置可以具有不同的检测器位置。用来处理来自透射或反射光束的信号的检测器可以是单个检测器件或者是径向或者圆周上布置的多元件阵列，并且可以相对于激光安装在盘的反面，而且可以直接安装在TAD上或者是分开安装的。可以选择性地把ADC 150安装在允许甚高速转换的采样卡上。一种适用的卡是Ultrad AD 1280 DX，其具有二个12位的A/D转换器，采样速度可高达每秒4千万个采样，ADC 150由CPU 196控制。

分段检测器基本原理

本发明的一个实施例是利用一些重要光学特性从来改进细胞和其它调查特性的成象的分段检测器。本发明的申请人观察到，球形物体主要不是通过它造成的反射水平的变化成象，而是通过使激光光束折射离开它的行程的法线来成像的。工作中存在二个主要机理：

(1)球形物体充当微透镜，使按锥角入射到其上的光聚焦成更窄的锥。对于几微米尺寸范围的球或细胞，该聚焦可以把锥角约减小大约三倍。从而，数值孔径为0.45的入射光会在大部分光在约0.2数值孔径内的情况下离开。在图28A和28B中示出比较。在图28E中给出光径的上方近视图。

(2)当光不以球为中心而向一侧聚焦时，球使光偏转(图28C和图28D)。该角偏转可以超过30度。在图28F中给出光径的上方近视图。如果如常规那样检测系统以成像点为中心，光会错过检测器并且图象中球的侧边显暗。

如果检测器布置在盘的后面(例如检测透射光的顶检测器)，则它的尺寸和形状明显影响信号。如果沿盘的径向(从中心到边缘)检测器是长的，图象丧失球对称性并且呈二个“香焦”形暗斑点形状，如图29B中所示(并参见附录A-“Imaging of a Bio-Compact Disc，pt l”，section 6.2)。其原因是，任何径向偏转的光仍落在检测器上，从而不造成反差，而切向偏转的光由于未击中检测器造成较低的信号。比较图29B和29A检测到的图象的形状。图29A是在不存在细胞或球体的情况下由比额定激光束直径小的方形检测器检测到的图象。

类似地，如果径向长的检测器切向地偏置量大于光的透射的但未偏转的锥的宽度，则图象的一侧变亮而剩下部分变暗。这给出来自球的非常明显的信号。放在另一侧的检测器给出和该球的相反侧对应的明亮图象。从而例如，进入球的右半部的入射光会显示在放在球的左侧的检测器上。

同样的原理应用于反射情况下的检测器，其中细胞后面的镜面把透射光引回到物镜。在这种情况下，除了检测只通过物镜孔径的光之外，检测器还会检测永不捕获光的区域之外的光。

从而，为了有效地区分例如细胞的球体和其它可能在光生物盘上的物体，需要沿切向分段的检测器。当光由球聚焦并且侧向偏转时，光会首先落在一侧的各段上并且接着落在另一侧的各段上。通过单独地或者组合地取这些段可以产生对球体醒目的信号。

分段检测器的实现

对于反射式系统，所有的光必须通过返回路径上的物镜的孔径，从而检测器不能检测由大于透镜的NA检测的光。但是，由于球的聚焦作用，主要检测出射孔左侧或右侧上的光的各段会在四分检测器左段或右段对上产生较高的信号。如果可以独立地访问它们并且适当组合，可以利用它们产生显出细胞的图象。具体地，利用白“香焦”接着利用黑“香蕉”，切向推挽信号会给出可识别形式的信息。图30A示出带有四个象限A、B、C和D的在没有球情况下检测入射光束的四分检测器。在图30B中，检测器组合(A+D)-(B+C)给出光经过球产生的香蕉状信号。在图30C中，示出通过(A+D)-(B+C)产生的推挽信号。该曲线是信号电压-时间图。这种独特的弯曲形状可以用于识别信号级的细胞。这种弯曲形状称为S弯曲。

如果该检测器随着光点(或光头)移动，则使用四分检测器并且利用如图30D中示出的径向和切向“推挽”信号会给出一对醒目的可用于细胞/珠识别的信号。该四分检测器同样为了增强信号可以比光点小，并且可选地由其它检测区包围以便检测所有未偏转的光。

对于带有顶检测器的透射式系统，不存在限制其上可以布置检测器段的区域的物镜孔径。使用沿径向延伸的检测器具有三个好处：(1)它去掉对读出的径向位置的敏感性；(2)它去掉起源于盘上的槽的影响；(3)它产生来自球的容易识别出的醒目图象。

透射中的能区分光向读出点左侧和右侧偏转的任何分段配置可用来辨别球。本发明包括数种特别有用的配置：

(1)在物镜数值孔径(NA)之外的左、右段，从而只检测偏转大于该角度的光(图31A)。图31A中间的圆圈表示NA的大小。这导致大大减小未散射光造成的背景信号。从首先在一个检测器段上产生的信号以及接着在另一个段上产生信号可以辨别出由球偏转的光(图31B和31C)。在图31D中示出这种检测器配置的信号。有各种检测该现象的方法。包括同时获得图象的图象识别，以及实时电子对策例如相位延迟后信号添加和数字信号选通方法。

(2)除了在左、右具有段外，还可以存在用于常规成像用途的中央检测器，如果该检测器段要比系统的切向数值孔径细，则由于球对光的聚焦，当光点位于球的中心时存在信号增加。这里，任何其中中央段窄于物镜NA的检测器配置可以用来辨别细胞。图32A、32B、32C和32D示出各种配置以及它们各自的信号。图32A和32B示出二种实施例(220和230)。检测器220包括左检测器段(222)、右检测器段(226)以及中央检测器段(224)。检测器230也包括左检测器段(232)、右检测器段(236)和中央检测器段(234)。二个实施例的不同之处仅在中央检测器的宽度。如果把中央检测器段分成二个窄段(244和246)，如图32C中的检测器240那样，它们会显示彼此的高信号蜂值偏移，这类似于反射式系统中检测到的信号。最后，图32D示出5段检测器。检测器段252和260检测偏转光，而段254、256和258检测球的聚焦效应。物镜NA之外的段可以和其内部的段组合以便进一步增强细胞识别。

当球位于其中的区域沿径向被狭窄地限定时，则具有长检测器不是有利的。于是在径向上也可以应用本文中对切向说明的分段，检测器段位于内、外径。在图33A中示出该检测器实施例(272)。此外，还可能组合这二者并且具有沿着斜线的段，如图33B的检测器270中所示。检测器270包括各位于斜线设置的一个角处的段262、264、266和268。图33C给出用图33B的分段检测器270的检测器段262、264、266和268检测的光区域的图示。关键点在于，沿着被测球的任何直径，光首先偏转到一侧并接着到另一侧，如果存在检测该偏转光的检测器段，则可识别该球。

作为对使用带有径向分段的检测的补遗，如果检测器随着聚焦的光点沿径向移动，则该检测器不必是“长”的，并且任何检测器分段是可能的。作为一种进一步的可能，可以把诸如在数码相机里使用的CCD阵列用作为检测器，从而对散射光的完整图象分析变为可能。(但是，CCD相对慢和贵)。

不必一定把检测器物理地设置在各图中示出的光聚集区。还可能具有其它光聚集装置，例如把光引导到位于别处的检测器上的反射镜或透镜；必须要做的只是使光按相关的立体角行进以便被聚集和被检测。

图34示出依据本发明的一实施例的多组分(分段)检测器278。它含有5个标记成A(280)、B(282)、C(284)、D(286)和E(288)的分离的检测器段。如上面讨论那样，利用这样的检测器检测聚焦和偏转的光导致明显改善信噪比。来自分段(多组分)检测器的组合信号产生一个大检测器的效果而且使盘摆动对信号电平的影响为最小-这对于利用比色法进行工作的化验尤为重要。利用该多组分检测器进行的试验的结果显示利用C-(A+B+D+E)得到的较强的结果信号。该强信号使背景噪声的影响为最小。

剖分(双分段)检测器

上面说明的检测器的一种特殊实施例是使用沿着径向一分为二的检测器。该检测器的切向尺寸可以小于或者大于透镜的数值孔径，但是通常它比NA大。划分线理想地以透射光点为中心，即，光轴落在该划分线上。图35A提供该配置(292)的顶视图而35B提供三维图。存在二个段，段A 292和段B 294。

这种检测器的优点是，它结合了简单性(从而低成本)和提供能清楚辨别细胞的差分信号的能力。在图35C中示出(A-B)的结果信号曲线(电压对时间)。通过从一个检测器输出减去另一个检测器输出产生的信号的差分性质减小噪声电平并且去掉物体的任何干扰，从而只造成光的幅度变化。

当该检测器的尺寸(宽度)大于NA时，可以相加二个检测器的输出以供其它类型的化验例如吸光率变化使用。但是，使这些段比NA窄存在的一个好处。图36A示出这样的检测器实施例296。该好处是来自细胞的信号比来自不具有透镜功能的物体的可能信号大。图36B是A-B曲线图，其示出细胞的较高信号(实线)以及来自其它物体的信号(虚线)。

作为延伸，如图37A中所示，采用一对小的内部段以及一对覆盖整个NA的外部段允许适当信号相加以覆盖二者的偶然性。检测器298包括左段300、光学上可剖分的中央段302以及右段304。

在另一实施例中，如图37B所示把一特殊剖分检测器划分成四个段。检测器306具有四个段A、B、C和D。它用于长检测器(～30μm)的频率响应对于成像可能过慢但仍适用于比色法的情况。例如，普通CD4/CD8分析中完成的成像只利用有限的半径测量范围。

检测器306适用于在该较短的半径测量范围内提供高的频率响率。它的较短的段A和B产生适用于某些细胞成像类型中需要的S弯曲的信号A-B。在该实施例中A和B约为10μm。另一方面，信号(A+C)+(B+D)覆盖盘的整个半径并且适用于其它不需要高频响应的分析。该长检测器的较长段的速度足够高。最后把所有段一起相加以产生适用于比色法的信号。

可以对长剖分检测器广义化该概念，其中径向上的多个段可做成覆盖不同分析类型所需的不同高频要求。可以相加来自不同段的信号以便恢复沿着该长剖分检测器的原始长度检测的信号。

图38示出依据本发明的一实施例安装在PCB 290上的一个剖分检测器。它具有二个分开的检测器A(292)和B(294)。根据该实施例，每个检测器为2.5mm宽、31mm长，二者之间的间隔为50μm。试验结果表明，这种剖分检测器产生在多种多组分检测器中所看到的最低背景噪声。其结果是，在模拟信号中，当入射光束通过球形调查特征时会产生清楚和可辨别的S弯曲。图39至42是利用上面讨论的剖分检测器捕获的图象的各种幻灯片。

图39A和39B示出二种这样的图象，图39A是白血细胞的图象。图39B是10微米珠的图象，这些珠是球形聚苯乙烯。附着有生物物质的玻璃(或金属球)同样是潜在的可检测物体。图40是在剖分检测器下面通过的红血细胞的图象。注意每个细胞的明、暗“半球状”图象。图41示出图上半部中的红血细胞信号的图象，并且示出对应的指示红血细胞信号的A/D强度的曲线。从该曲线可以看出，任何时候检测器遇到红血细胞就看到S弯曲信号强度。由于红血细胞是中间凹陷的形状(或环形形状)，任何时候遇到一个红血细胞就存在一对信号尖峰(例如A₁和A₂)。该对中的S弯曲的第一部分表示激光从左到右直到细胞中央的凹点检测红血细胞。曲线上A₁和A₂之间的部分是该凹陷的距离。在该曲线中，用A、B和C标志的区域表示遇到红血细胞的地方。

图42顶部示出白血细胞和血小板的一半图象。图42的下部示出任何时候检测器遇到白血细胞或血小板时的一系列的S弯曲波形。如果把该图竖直地划分成5列以表示5个报告S弯曲的区域，并且如果从左向右把它们标记成C1到C5，则C1、C3和C5具有的S弯曲显著多于C2和C4中的弯曲。更显著的S弯曲表示存在白血细胞，而较不显著的S弯曲指示血小板。可以根据该图中的数据用硬件设定阈值，以便能检测白血细胞的位置。类似地，用硬件设定的一个不同的阈值可以检验血小板。

不对称检测器

所说明的检测器配置的目标是能辨别细胞、珠、其它报告颗粒和系统。由于细胞的成像机理和其它颗粒很不同，相对于光轴不对称地设置检测器产生的效果也导致可辨别的信号。例如，如果垂直于检测器的长轴(即，沿着盘的切向)移动方检测器，则信号变成不对称的，这在附录A-“Imaging of a Bio-Compact Disc，pt 1”，Section 6.3中计算。通过图象分析容易把该不对称图案和别的物体分开。利用长检测器的成像产生完全相同的不对称图案。把方检测器沿径向放置也产生不对称信号，只是此时对称轴是半径。图43A示出一个光轴偏心的检测器。该检测器是径向定向的。在图43B中示出对应的信号。图43B的曲线示出不对称和对称信号之间的信号形状差别。图43C示出可以建立的三种不同类型的不对称性。它们是径向偏置、切向偏置和斜向偏置。图43D示出无偏置情况下的细胞图象。图43E示出三种不同类型的不对称性情况下的细胞图象。

通常，检测器的不对称定位会在图象中产生对应的不对称，可以把它和不具有球形颗粒的透镜/偏转特性的物体上的效应相区分。

BCD分析仪

通过利用各种分段的组分检测器实施例产生清楚、可辨别S弯曲使得能在硬件中进行细胞计数。现有技术中的基于软件的细胞计数方法的一个主要缺点是这些方法产生大的数据文件。常常大百分比的存储的数据文件并不含有细胞数据。此外，不能在完成数据收集之前进行做为第二步骤的对这些数据文件的处理导致从开始分析到结束分析的时间非常长。

一种硬件式细胞计数和分析处理的实施例是所谓的生物光盘(BCD^TM)分析仪。图44中示出的BCD^TM分析仪是一个硬件实施例，它把硬件分析处理电路和光驱动器部分组合到单个单元中。BCD^TM分析仪在硬件中进行细胞计数并且只保存对于目前的检查或实验必要的结果。当细胞经过激光光束完成细胞计数，这立即产生结果。BCD^TM分析仪接受本发明中说明的各种各样的光生物盘实施例。

当和需要类似于台式计算机的硬件的实施例(例如，图27中所示的实施例)相比时，图44中所见的BCD^TM分析仪具有数个节约成本的特征。BCD^TM分析仪只需要8位微处理器、FPGA、512K RAM、一个便宜的A/D转换器和支持电路。BCD^TM分析仪可以采用简化的硬件组成部分的主要原因是现在可容易地辨别S弯曲并将其转换成数字脉冲序列。可以通过数字逻辑电路实时地分析这些脉冲序列。

图45是示出图44中所示BCD^TM分析仪的体系结构的方块图。机壳310容纳电源311，后者支持安放在光驱动器机壳314内的BTI控制器312和光盘驱动器313。BTI控制器312和光盘驱动器313之间存在一个IDE/ATAPI接口319。BTI控制器312还具有对I/O印制电路板(PCB)315的串行接口316、以太网连接317以及其它连接，例如电源、蜂鸣器、模拟输出、触发输出、数字输出等。I/O PCB 315具有数个端口或控制器，例如，用于外部以太网连接的320、用于RS-232连接的321以及用于模拟输出、数字输出以及触发输出连接的322。以太网是对作为标准用户接口的Web浏览器的标准连接方法。模拟输入用于分析进展工作和单元的调试问题。图46示出容纳在图31中所示的光驱动器机壳314内的BTI控制器312。以太网连接允许用户从远程计算机控制BTI控制器的工作并且看到结果。

BTI控制器

图47A是图46中示出的控制器的方块图。除了其它部件外，它包括现场可编程门阵列(FPGA)330。除了和其它部分外，FPGA 330和微控制器311、IDE连接器338以及增益控制器335接口。在一实施例中，BTI控制器可以作为一块附加板使用，可把该板装入标准光盘驱动器以便提供分析生物化验盘的能力(参见图47C)。

信号的处理顺序如下。来自剖分检测器290的检测器A和检测器B的信号数据首先通过前置放大器333。前置放大器333向通道选择器334输出前置放大A和B信号，这是由FPGA 330中的接口及控制逻辑345控制的。该通道选择器允许控制对检测器信号组合的选择(例如，A，B，-A，-B，A+B，A-B，B-A)。增益控制335得到来自通道选择器334的输入信号。增益控制335由FPGA 330中的AGC控制逻辑348控制。信号接着通过电平检测器336并转换成数字脉冲序列以供由细胞逻辑344处理。增益控制电路输出还到达A/D转换器，用于诸如其中需要测量电压电平的比色测定之类的应用。还在标定阶段期间使用该ADC以便能自动地设定偏置和增益。

下面说明的各种控制部件的功能是利用VHDL(VHIC硬件描述语言)实现的。

在该控制器的其它部分中，微控制器331，除了其它部分之外，还和RS-232 338(见图45)以及以太网控制器339(见图45)接口。反射触发器340和透射触发器347检测嵌在光生物盘上的触发并且和FPGA 330内的触发逻辑342接口。透射触发器347接收前置放大A和前置放大B信号，而反射触发器340是一个检测光盘上的触发标记的存在的发射器/检测器。触发逻辑342从选定的触发输入信号中提取触发0以便能使微控制器来确定每个盘上的可能化验的数量。它接着对要在化验盘上进行的总化验次数计数并且相应地设定计时。

IDE控制器逻辑341控制和IDE连接器338相连的IDE总线343。IDE控制器338连接到IDE/ATAPI光生物驱动器。IDE控制器逻辑模块341使该微控制器与光盘读出器接口。利用另外10个控制来译码并且选通该微控制器的地址总线A以便提供各种IDE控制信号。

AGC控制逻辑模块348读检测器信号的数字化数据以便确定检测器放大器的最优增益。这确保对于进一步的处理信号保持在最优范围内。AGC 348用于使差分信号(例如来自剖分检测器A-B)对于不同的驱动器以及对于不同的盘为一致的峰-峰电压。通过扫描盘上某个光折射性质为已知的区域来使用它。在扫描该区时，AGC电路调整增益从而峰-峰电压为预定值。这会允许阈值穿过电路每次利用电平相同的信号工作，阈值穿过(threshold crossing)机构是在电平检测器336中实现的，并且将连同图51A进一步说明。

还利用自动偏置控制(从接口和控制逻辑345到前置放大器333)以确保在没有光的情况下来自每个检测器的电压电平相同。这允许随后的电路在不放大共同的直流偏置的情况下放大信号。

FPGA 330控制以下不同功能：微控制器接口及控制逻辑345，IDE控制器逻辑341，触发逻辑342、AGC控制逻辑348，细胞计数逻辑344以及ADC/RAM控制逻辑346。

所有数字逻辑在FPGA 330中实现，通电时它由该微控制器按缺省配置来配置。在把化验盘插入到BCD^TM分析仪中后，接着把专用于化验的FPGA配置装入到该FPGA中。然后该FPGA可以进行插入盘上的化验所要求的各种操作，包括：触发数字逻辑(342)，和IDE、微控制器接口并管理专用RAM(346)，执行细胞计数逻辑(344)以及控制A/D转换器。ADC/RAM控制逻辑模块346产生地址线和控制线以允许该微控制器访问板上RAM。

在本发明中采用FPGA是一个巨大的优点。为了完成光生物盘分析中所涉及的许多必要功能，可以利用一个数字逻辑部件完成许多以前通过软件完成的任务。FPGA就是这样的一种逻件部件。FPGA允许系统内配置并且可以利用运行非常快的特别复杂的数字电路来配置。在完成对盘的跟踪时立即可得到结果并且不增加微控制器额外开销的情况下，可以实时完成诸如细胞计数的任务。

FPGA的可再配置特性允许巨大的灵活性。每种盘/化验组合可以利用不同的数字控制和处理电路设计。通过需要时可由该微控制器装载的简单二进制文件来完成配置。可以利用该用户接口装载更新的FPGA配置文件。甚至可以在光盘中掌握配置文件，从而各种不同类型的化验可以具有它自己的数字电路设计。

这种再配置性还使得非常容易改进系统设计以便在现场部署。通过分发带有最新设计配置文件的盘可以自动地产生产品升级，从而一旦由该微控制器第一次使用这些新盘则其自动升级。

微控制器模块331使该微控制器和各种控制逻辑块接口。利用其它10种控制信号译码并且选通该微控制器的地址总线A以对该FPGA中的一些寄存器读或写。这些寄存器用于控制BTI控制器312的其它逻辑块或者用于从这些逻辑块向该微控制器回送数据和/或状态。

比较图25和27的原理图，可以看出BTI控制器312起TAD(触发器、放大器、检测器)卡180和CPU 196二者的作用，其完成信号数据处理以及驱动控制。就象TAD 180包括顶检测器158和触发检测器160那样，BTI控制器312包括剖分检测器290和反射触发器340。类似TAD180，BTI控制器312，也靠近地位于盘的上方并且带有直接安装在物体组件上方的检测器。

图47B示出把BTI控制器312插入到图20中得到的结果原理图。BTI控制器312安装在托架组件190的上方。IDE控制器逻辑341控制驱动控制器164。来自光学组件188的四分检测器信号198可以光学地抽出并馈入BTI控制器312。光学组件188安装在由托架电机184驱动的托架组件190上，而盘由盘电机186驱动。托架组件190包括一个光拾取单元(OPU)。由IDE控制器逻辑341控制的驱动控制器驱动这二个电机。和把放大的检测器信号馈入其它非TAD部件(off-TAD component)例如ADC的TAD 180不同，来自剖分检测器332以及反射触发器340的信号由BTI控制器312内的各部件管理(参见图47A)。至FPGA 330的虚线表示在处理来自反射触发器340和剖分检测器332的信号中涉及其它部件。从而BTI控制器312包含/组合触发器、放大器和检测器功能以及通常由CPU完成的信号数据处理和光驱动器控制器功能。

图47C进一步示出BTI控制器312如何和光盘组件进行交互。同样BTI控制器312包括剖分检测器290和反射触发检测器340。该图中还示出光学组件148、产生入射或询问光束152的光源150、返回光束154以及透射光束156。透射光束156由剖分检测器290检测并分析其中是否存在信号媒介物。可光学地抽出来自底(四分)检测器157的信号并馈入BTI控制器312。

如图47C中所示，为了控制光束分析的开始和结束需要触发机构。最好在盘的外缘设置硬件触发标志126，反射式触发检测器340和触发逻辑342提供一个表示何时触发标志126相对于感兴趣的调查特征已到达预定位置的信号。如前面提到的那样，另一实施例利用剖分检测器检测到的并经前置放大器馈入透射触发器347的信号。不管如何获得该信号，通过触发逻辑342处理它以便同步在FPGA 330中进行的信号数据处理。在一示例情况中，通过把触发标志126恰好放在生物盘110中含有调查结构的扇区之前实现同步。

图48是在本发明中使用的盘的一种实施例，其中盘350具有6个样本沟道(351)。由于每个沟道具有10捕获点/触发标志(352)，故盘上有60个触发标志。这些捕获区位于盘的同一半径上以便于同时分析。

对来自检测器的信号的信号处理

来自检测器各段的信号给出不同的模式。存在二种处理它们的方法：首先模拟处理(例如使各段彼此相加或相减)然后进行数字信号处理，或者在各段输出上直接进行数字处理。在所需的模数转换中可能使用自动增益控制、阈值电平等。图47A中示出的BTI控制器312负责进行信号的所有这些处理。

图49A示出对来自图32A中所示的检测器配置的信号的简单处理。首先在步骤360，得到来自段1至3的信号。接着在步骤362，段1和3彼此相减。这具有这样的优点，即会从该差分信号中减掉从细胞之外的物体(对称)散射所产生的光。接着可在步骤364施加阈值电平以给出可在数字域中识别的脉冲序列。

在图49B，直接在步骤370中在各段上完成模数转换。接着在步骤372完成对多个数字脉冲序列的数字处理。在步骤374中完成细胞识别。

数字域处理的关键在于，脉冲按特定次序到达各检测器段，对含有这种次序的脉冲序列的检测会给出出色的识别方法。为完成此存在许多数字方法。

和处理关联的问题

当大细胞(～10μm)位于盘上时，光点多次经过它。接着可以利用图象识别来辨别这种细胞。如果要回避图象存储和处理中所涉及的电子电路，并且采用例如前面说明的事件计数方法在光束经过细胞时识别细胞，则必须区分多次通过以避免多次计数。为达到此的方法可以是：

1.数字上。通过事件计数识别的细胞用它们出现的时间标记或者用表示它们的位置的其它方法标记，并且存储数据。由于单次通过期间遇到的细胞相对少-100以下-所需的数据存储规模是有限的。接着在连续通过期间，可以忽略在相同位置上计数的事件。

2.物理上。偏心通过球的光在径向上以及在切向上偏转。图50A提供顶视图和侧视图。从而光线具有径向上的角分量，并且可以通过例如图50B中示出的“缝隙”376之类的障板物理地过滤。各缝隙的尺寸是可变的，从而仅当聚焦的光点准确地通过细胞中心时才检测信号。这种障板376存在许多物理配置(例如管子)，但物理原则是它阻塞带有径向分量的光以便相对于垂线比临界角要大。图50C示出图32A示出的检测器实施例在不带有缝隙时产生的图象。图50D示出图32A中示出的检测器实施例在带有缝隙时产生的图象。

控制器中的信号处理

BTI控制器312含有用来识别输入信号数据中的细胞的编程方法。图51A和52B提示这些方法的图示解释。图51A是细胞图象以及其伴随的S弯曲电压曲线和利用剖分检测器290得到的前面讨论的脉冲序列。回想图29，其中剖分检测器290具有二个检测器，检测器A 292和检测器B 294。曲线图382是A减B的结果电压(y轴)-时间(x轴)的曲线。顶部的曲线图380示出细胞390的图象数据，其时间轴和曲线图382对齐。虚线386示出A-B电压曲线388的物理读出位置。

提供图51B以解释曲线388的S弯曲形状。图51B提供一个时间线图，用来描述剖分检测器290、入射光束392以及一个示例调查特征394例如一个细胞之间的交互作用。在时刻“A”，入射光束392不受调查特征394的影响。图51A的曲线388中的“A”标记对应于该情况。在时刻“B”，入射光束392直接在调查特征394的引导边缘下面聚焦。由调查特征394的边阻塞-小部分的朝向检测器A 292的光。这对应曲线388中用“B”标记的轻微下降，因为曲线388代表A-B并且检测器A 292上的信号现在较低。在时刻“C”，光生物盘转到其上调查特征394位于入射光束392的直接路径中但特征394的中心不在光束上的点。发生透镜效应，其中调查特征394充当对入射光束392聚焦并且将其直接折射到检测器A 292上的透镜。检测器A 292接收该聚焦的(和弯曲的)入射光束392并且并生非常高的信号电压。检测器B 294不检测任何入射光束392。从而在图51A中，“C”标志曲线388上的超过正阈值的高峰。在图51B的时刻“D”，光盘进一步转动从而入射光束392在检测器A 292和B 294之间均匀聚焦-特征394位于入射光束392的中央。曲线388在“D”处为0，因为二个信号彼此抵消。在时刻“E”，调查特征394把入射光束392聚焦和弯曲到检测器B 294上。检测器A 292是暗的。从而在曲线388中，“E”处的曲线下降到负阈值，因为B的电压信号高而A的低。在时间“F”，出现时刻“B”情景的颠倒并且检测A-B差分信号中的拐点。最后，在时刻“G”，调查特征394穿过入射光并且信号回到0，因为二个检测器具有相同的信号。

定阈值

电平检测器336(图47A)包括帮助信号从模拟到数字的转换的阈值穿过电路。通过把A-B模拟电压转换成数字脉冲完成该转换。该阈值穿过电路包括二个可编程的电压源和二个阈值比较器。可独立地控制各个电压电平。由于AGC电路保证至阈值穿过电路的一致的峰-峰输入信号，可把阈值设定成给出最优识别结果的已知值。

在一实施例中，可以在开始识别之前于控制器硬件中设定曲线382中的正、负阈值。阈值的设定的取决于需要检测的调查特征的种类和类型。可以独立地设定正、负阈值。存在通过电平检测器336馈入FPGA 330的脉冲序列或TTL信号。存在二个脉冲序列，一个用于正阈值以及一个用于负阈值。如图51A的曲线384中所示，任何时候曲线(A-B)388越过正阈值时，产生正阈值脉冲序列中的一个脉冲。对于负脉冲序列情况类似。任何时候曲线(A-B)388越过负阈值，产生负阈值脉冲序列中的一个脉冲。信号A-B的使用过滤掉任何不弯曲的背景光。

S弯曲事件

根据例如在正阈值脉冲序列的高“t1”(沿1和2)以及负阈值脉冲序列的高“t3”(沿3和4)之间的滞后时间“t2”的计时信息，控制器可以认定是否产生S弯曲。由于每种类型的调查特征产生不同的“t”时间”“t”时间的长度提供一种用于检测特定类型的调查特征的有用工具。例如，红血细胞因为细胞中间的凹陷而具有长的“t2”，它们的“t1”和“t3”要比白血细胞的短。

图52B示出利用这种计时信息来识别调查特征的状态机方法。利用沿1、2、3和4控制在FPGA 330内的基于状态机的识别方法。在一实施例中，在细胞计数逻辑344中实现该识别方法。

该状态机按如下工作。对于每种状态，存在一个通过最小和最大时间边界(最小边沿和最大边沿)定义的时间窗口，在该窗口内对于该状态机应出现各沿以从一个状态移动到另一个状态。由于各沿的到来取决于产生检测信号的物体的尺寸和形状，设定最小和最大时间边界可区分调查特征和无关的物体例如盘上的灰尘颗粒和划痕。这些时间边界的限定还可以在化验中区分特定类型的调查特征(例如红血细胞)和生物物质中的其它特征。

在图52A和52B中示出的例子中，该状态机从状态0开始并且寻找沿1。若未检测到沿1则状态机不离开状态0。若检测到沿1，该状态机转到状态1。当在状态1时，该状态机寻找沿2。若在t1的有效时间窗口内出现沿2，则该状态机从状态1移动到状态2，并且按此下移到其它状态。若沿2尚未到来并且尚未通过对t1的最大的时间边界，该状态机保持在状态1。若该对t1的最大时间边界出现或者在最小t1时间边界之前出现沿2，则该状态机返回到初始状态(状态0)。换言之，如果各沿出现在各自的基于阈值的时间窗口内，则该状态机前进。在状态2，只要沿3尚未到来并且尚未达到对t2的最大时间边界，状态机保持在状态2。若该对t2的最大时间边界出现或者在最小t2时间边界之前出现沿3，则该状态机返回到初始状态(状态0)。对于t3间隔也是类似的。最后，当通过出现有效的沿4该状态机离开状态3时，在存储器中设置一个S弯曲事件位。

除了基于图51A的计时信息之外，上述S弯曲事件的触发还可以基于其它现象。例如，S弯曲事件的检测可以基于另一种机器状态，检测物质密度或其它参数。

图52B中示出的状态机只是许多能采用本发明的配置中的一种。如果对生物物质检查其中是否存在多于一种成分，则在满足一些条件事后存在多于一个的分支，从而得到更复杂的状态机树。例如，考虑需要检测白血细胞和红血细胞两者的化验。可以添加分支阶段，从而该状态机根据对各沿的计时进入某分支中。换言之，用户可以根据给定生物物质中要检测的成分的数量输入不同的阈值。

图53示出一个由“1”和“0”构成的网格，其是根据图52B的状态机方法的结果存储在RAM中的示例S弯曲事件。图53中的存储器图的各列对应S弯曲识别期间的100ns间隔，而该存储器图的各行对应于存储在循环缓冲器中的盘道。换言之，行1对应道0、8、16等。类似地，行6对应道5、13、21等。这样，在任何给定时间，RAM存储最近的八个被读道的状态机检测结果。从而，1代表特定时间点在特定道上检测到的S弯曲识别事件。

本领域技术人员理解，把100ns的计时间隔作为列指示符以及把盘道作为行指示符只是许多可用来作为列指示符和行指示符的参数之中的一种。在该特定实施例中，RAM的存储消耗是2mm长的盘道或3846位，并且在循环缓冲器中存储8个最近的道。从而对于每圈十六个2mm捕获区，存在(3846×8×16)/8＝61536字节＝64K，和现有方法所需的几百兆字节相比它是一个微不足道的量。这些方法通常把图象数据或者其它表示整个目标区的数据存储在光盘上。

图53中的网格具有“1”和“0”，因为图52B和状态机只检测单种S弯曲事件，即白血细胞的存在。如前面解释那样，用户可以输入多于一个的阈值以产生S弯曲事件。在此情况下网格可能具有多于2个的值。例如，如果“0”表示RAM中的清除状态，“1”表示当检测到白血细胞时的S弯曲事件，“2”表示当检测到红血细胞时的S弯曲事件，而且“3”表示当检测到血小板时的S弯曲事件，则RAM存储器图看起来可能象：

0010000002220000000000010000

0110000002000333000000011000

0010000002000330000000010000

1000000333033000000000333000

1000000303033000000000303000

1000000300033000000000300000

0000000022200030000200000011

0000000022200030300200000011等等。上面的RAM存储器图对应3种并发事件。

由于一个调查特征可能跨越光盘上的几个道并且触发多个S弯曲事件，需要进一步的逻辑以便确定如何解读类似于图53的存储器图。例如，单个白血细胞可以三到五次地触发S弯曲事件。在一实施例中，使用一种称为道对道(track-to-track)相关矩阵的方法以把多个S弯曲事件关联到一个调查特征例如白血细胞的单次检测。

图54示出在每个循环的不采样时间期间运算的道对道相关矩阵。相关矩阵的尺寸例如可以在从2行到7行以及4列到8列变化，其取决于样本种类、阈值以及其它参数。在该图中作为例子采用4×4的相关矩阵。该相关矩阵沿着各行移动并且检查该矩阵内的各值之间是否存在相关。可以由用户设定正相关的准则。在该例中，正相关的准则是：在矩阵的四列中都发现1。这样，对于图54的例子，矩阵E发现矩阵中存在4个1的正相关。对于矩阵B也是这样。正相关增加适当的调查特征的计数器。一旦出现此情况时，使该矩阵中的所有值都反转成0，从而不会成倍计数。在其它情况下，准则可以是4行中3行带有1。该策略在对红血细胞计数中证明是有用的，其具有一个特征性的凹陷，这趋于在其中心显示0(非S弯曲事件)。

回到图54，该4×4相关矩阵从左上角开始并且沿着该图水平移动。例如，相关矩阵B遇到四个1(第二行第四列，第三行第五列，第四行第五列以及第五行第六列)。当相关矩阵沿着该图移动并且移到下一行时，会遇到相同的1。清除相关矩阵B中的1可防止此情况。一旦考虑了上面提到的四个1并且相关矩阵移到下一行时，图54中所示的存储器图实际上会如下面所示：

0000000000000000000000000

0000000000000000000000010

0000000000000000000000010

0000000000000100000000000

0000000000000100000000000

0000100000000100000000000，等等。

S弯曲计数的参数化

从上面的说明可以理解，用户可以为了对不同类型的细胞计数生成不同的要求。设定：(1)模数转换中的阈值(图39A)和(2)状态机中的计时窗口(例如t1，t2，t3)可以影响事件计数器的性能。这是有好处的，因为可对计数器编程以便应对各种细胞类型。

为了引导对这些参数的设定，本发明提供一种更广义化的模型。图55A提供A-BS弯曲曲线。示出二个重要参数ΔV和ΔS。ΔV是检测信号的峰-峰电压并且可以用ADC(图47A中的337)测量。另一方面，ΔS是峰-峰时间间隔并且可以由FPGA计时器在观察到电压的最大和最小峰值时测量。通常ΔV随细胞的聚焦能力增加(即，取决于细胞的折射率和大小)。如果细胞吸收光则ΔV减小。另一方面，ΔS随细胞半径增加。容易实现一个基于这二个参数的状态机。

图55B示出ΔV对ΔS的散点图(scatter plot)。各数据点表明在该图的不同部分附近不同细胞类型的聚集。在化验中当以某些细胞为目标时散点图充当确定应如何设定参数的基本工具。另外，该散点图可给出某些参数是否正确的参考检查。如果产生的结果不和该散点图匹配。则可进行重新分析以改正误差。这样，散点图越准确，输入的参数就越准确。

可以使用更多的参数以便进一步鉴别细胞类型，并且可以完成不同的或者多维的分析。此外，多段检测(如图32D中那样)情景自然地产生更多的可以用来辨别细胞类型的参数，并且对于显示和分析目的可以使用等效的散点图。

可以进行的进一步的扩充是特定地添加可附着到特定细胞类型上的染料，从而使参数之一，例如信号强度充分改变以便能更容地辨别细胞。

结果

申请人利用本发明和一组给定阈值对珠进行了试验，结果看起来不仅是准确的而且是可再现的。对所有尺寸以及光学外观相同的珠计数，和额定珠不同的珠被正确辨别。在参数正确设定情况下，不同时刻得到相同计数，并且在许多场合下，对于给定的珠群产生相同的计数。

通过以下技术能检查和验证计数的准确性。利用BCD分析仪控制器(图45中的322)的模拟和数字输出提供可以由一个外部、独立A/D转换器系统捕获的信号。模拟信号输出把输入信号带到电平检测器(图47A中的336)。第一数字输出携带指示二个不同时间窗口的触发脉冲。产生的第一触发脉冲指示其中正在识别S弯曲的阶段。产生的第二触发脉冲指示其中正发生相关矩阵处理的阶段。第二数字输出携带指示二个独立事件的数字脉冲。在第一触发脉冲期间，第二数字输出脉冲指示何时识别S弯曲。在第二触发脉冲期间，第二数字输出脉冲指示何时通过相关矩阵处理对细胞计数。在图56A-56C中可以看到白血细胞计数的一个示例分析。图56A是示出被计数的区域的图象的模拟输出。图56B是示出在何处识别S弯曲的数字输出。图56C是示出在何处识别细胞的数字输出。

结论

于是，已结合一个或多个特定实施例说明了用于生物驱动器以及和这种生物驱动器相关的组成电路的分段区域检测器的方法和设备。尽管参照一些优选实施例详细地说明了本发明，应理解本发明不受这些明确实施例的限制。相反，根据说明实现本发明的目前最佳方式的本公开，本领域技术人员会在不背离本发明的范围和精神的情况下提出许多修改和改变。本发明是由权利要求书以及其完整范围的等同物定义的。

Claims (24)

1.一种光生物盘分析仪，包括：

一个光生物驱动器；

一个设置在所述光生物盘分析仪内的、用于控制所述光生物驱动器的控制器；以及

一个设置在所述控制器内的现场可编程门阵列。

2.如权利要求1的光生物盘分析仪，其中，所述控制器还包括一个剖分检测器。

3.如权利要求1的光生物盘分析仪，其中，所述控制器还包括：

一个前置放大部分；

一个通道选择器；

一个自动增益控制；以及

一个电平检测器。

4.如权利要求3的光生物盘分析仪，其中，所述现场可编程门阵列还包括：

一个细胞计数逻辑部分；

一个接口及控制逻辑；以及

一个用于控制所述光生物驱动器的IDE控制器逻辑。

5.如权利要求4的光生物盘分析仪，其中，所述控制器还包括：

一个透射触发部分；

一个反射触发部分；以及

一个触发逻辑，用于利用从所述透射触发部分或反射触发部分接收的信号来同步所述细胞计数逻辑和所述接口及控制逻辑中的细胞计数处理。

6.如权利要求1的光生物盘分析仪，其中，所述控制器还包括：

一个微控制器；

一个以太网控制器；

一个打印机端口；以及

多个存储器部分。

7.一种对光生物盘分析仪中的细胞计数的方法，包括步骤：

用一个多段检测器检测多个信号；

把所述多个信号组合到一个结果信号中；

设定多个阈值以把所述结果信号转换成多个脉冲序列；以及

利用一个状态机计数进程以检测指示所述多个脉冲序列中一个调查特征的信号数据的存在。

8.如权利要求7的方法，其中所述多段检测器具有二个段。

9.如权利要求8的方法，其中，所述组合步骤还包括取来自所述二个段的信号的差。

10.如权利要求9的方法，其中，所述多个阈值包括一个正的和一个负的阈值。

11.如权利要求10的方法，其中，所述正和负阈值是用户定义的。

12.如权利要求7的方法，其中，所述状态机是用户定义的。

13.一种在光生物驱动器中使用的检测器，包括：

多个段。

14.如权利要求13的检测器，其中，所述段的数量为5。

15.如权利要求13的检测器，其中，所述段的数量为3，所述段包括：

左段；

右段；以及

中央段。

16.如权利要求15的检测器，其中，所述中央段还包括二个段。

17.如权利要求13的检测器，其中，所述段是径向取向的。

18.如权利要求13的检测器，其中，所述段是切向取向的。

19.如权利要求13的检测器，其中，所述段是斜向取向的。

20.如权利要求13的检测器，其中，所述多个段包括：

左段；以及

左段。

21.如权利要求20的检测器，其中，所述右段还包括：

一个短段；以及

一个长段。

22.如权利要求20的检测器，其中，所述左段还包括：

一个短段；以及

一个长段。

23.如权利要求13的检测器，其中，所述检测器比所述光生物驱动器中的物镜组件的数值孔径宽。

24.如权利要求13的检测器，其中，所述检测器比所述光生物驱动器中的物镜组件的数值孔径窄。

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