DE19515870C1 - Vorrichtung zur Trennung von Medien in deren Bestandteile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Trennung von Medien in deren Bestandteile durch Dichtenzentrifugation in einer Trennkammer, mit einer Anordnung zum Erfassen und Einstellen der Phasengrenze zwischen mindestens zwei optisch unterscheidbaren Fraktionen des Mediums (Phasendetektor), aufweisend eine Lichtquelle, die die Trennkammer im Bereich der sich einstellenden Phasengrenzen in einem radialen Auswerteausschnitt beleuchtet, eine Lichtempfängeranordnung, die Lichtsignale entsprechend den Helligkeitswerten des von den Fraktionen zurückgestrahlten Lichtes empfängt, und eine der Lichtempfängeranordnung nachgeschaltete Auswerteschaltung, die so ausgebildet ist, daß Steuersignale abhängig von den Unterschieden in den Helligkeitswerten auslösbar sind.

Phasendetektoren dienen dem Zweck, das Trennen von Medien in der Trennkammer berührungsfrei zu erfassen und den Trennvorgang damit so zu steuern, daß die Trennung eine optimale Qualität erreicht. Als Medien kommen vor allem Körperflüssigkeiten, insbesondere Blut in Frage.

Phasendetektoren sind in zahlreichen Variationen bekannt. Der Phasendetektor nach der DE 33 01 113 A1 nutzt die unterschiedliche Lichtdurchlässigkeit der einzelnen Fraktionen des Mediums aus. Zu diesem Zweck sind die Lichtquelle und die Lichtempfängeranordnung mit der Optik so angeordnet, daß diese mit dem Licht beaufschlagt wird, welches durch die Fraktionen hindurchgeht und durch die unterschiedliche Absorption in den einzelnen Fraktionen unterschiedlich geschwächt wird. Abhängig von dem Verhältnis der Lichtsignale wird die Phasengrenze festgelegt bzw. werden andere Vorgänge ausgelöst.

Bei einer derartigen Anordnung erfolgt die Festlegung der Phasengrenze bzw. die Erzeugung anderer Steuersignale lediglich aufgrund einer Hell-Dunkelunterscheidung, so daß weder zwischen den einzelnen lichtunduchlässigen Fraktionen unterschieden werden kann, noch eine mit einem derartigen Phasendetektor versehene Trennvorrichtung bei spenderbedingt stark getrübtem Blutplasma eingesetzt werden kann.

Der eingangs bezeichnete Phasendetektor nach der DE 41 32 965 A1 weist eine Lichtquelle auf, die die Trennkammer im Bereich der sich einstellenden Phasengrenzen beleuchtet. Ein radialer Ausschnitt des beleuchteten Abtastfeldes wird über eine Optik auf eine ortsauflösende Lichtempfängeranordnung übertragen, die aus linear angeordneten Photosensoren, einem sog. Zeilensensor, gebildet wird. Die sich in radialer Richtung ausbildenden Trennschichten in der Trennkammer werden dann entsprechend ihres Reflexionsvermögens instantan erfaßt. Die Lichtempfängeranordnung empfängt daher Lichtsignale entsprechend den Helligkeitswerten des von den Bestandteilen zurückgestrahlten Lichtes, wobei eine nachgeschaltete Steuerschaltung so ausgebildet ist, daß Steuersignale abhängig von den Helligkeitsunterschieden auslösbar sind.

Dieser bekannte Phasendetektor ist daher in der Lage, die verschiedenen Helligkeitsstufen der zu trennenden Fraktionen bzw. Bestandteile zu unterscheiden und abhängig davon die Regelung von Verfahrensparametern durchzuführen.

Auf diese Weise kann die radiale Position der Phasengrenze differenziert in der Separationskammer festgelegt werden. Dadurch ist es möglich, die Phasengrenzen wesentlich genauer zu erfassen, als dies mit dem zuerst beschriebenen Phasendetektor möglich ist. Es können auch differenziert einzelne voneinander separierte Bestandteile während des Zentrifugierens erkannt werden. Eine Anwendung im Bereich zum Beispiel der Blutzellseparation ermöglicht daher die Unterscheidung sowie die Bestimmung der radialen Schichtdicke von roten und weißen Blutzellen, sedimentierten Thrombozyten und Blutplasma. Des weiteren kann aufgrund der Helligkeitsänderung des Blutplasmas auf dessen Thrombozytengehalt geschlossen werden.

Darüber hinaus kann die Trennvorrichtung mit dem Phasendetektor nach der DE 41 32 965 A1 auch bei getrübten, und damit für Licht undurchlässigen Medien eingesetzt werden. Dies erschließt gerade im klinischen Bereich neue Möglichkeiten der Behandlung.

Bei dem bekannten Phasendetektor ist jedoch die örtliche Auflösung von der optischen Abbildung und der Auflösung des Zeilensensors abhängig. Zudem muß die Zentrifugenkammer in einer genau definierten Orientierung bzw. in einem vorgegebenen Abstand in bezug auf die optischen Elemente angeordnet sein. Der Phasendetektor muß daher an die jeweiligen Trennkammerform angepaßt sein. Ferner bedingt der optische Aufbau eine relativ sperrige Bauweise des Phasendetektors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs bezeichnete Vorrichtung hinsichtlich des Phasendetektors weiterzubilden mit dem Ziel, eine kompakte Bauweise, universellere Einsetzbarkeit und höhere Auflösung des Phasendetektors zu erreichen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Lichtquelle einen scharf gebündelten Lichtstrahl erzeugt, daß in dem Strahlengang eine periodisch bewegbare Licht-Ablenkeinheit vorgesehen ist, derart, daß der Auswerteausschnitt in einem schmalen Streifen fortlaufend radial vom Lichtstrahl abtastbar ist, und daß im Strahlengang zwischen Lichtquelle und Licht-Ablenkeinheit ein Strahlenteiler vorgesehen ist und die Lichtempfängeranordnung im Wege des abgeteilten, von der Trennkammer reflektierten Lichtes angeordnet ist.

Die Auflösung und damit die Genauigkeit der Messung kann in weiten Bereichen stufenlos durch Variation der Abtastgeschwindigkeit mittels der Ablenkeinheit geändert werden, auch während des laufenden Prozesses.

Dabei ist - eine Lichtquelle mit ausreichend kleiner Strahldivergenz, z. B. einen Laser vorausgesetzt - der Meßvorgang wesentlich unabhängiger von der Orientierung beziehungsweise dem Abstand zur Trennkammer. Es gibt daher keinen vorgegebenen Schärfebereich oder anders ausgedrückt, der Phasendetektor nach der Erfindung besitzt eine größere Tiefenschärfe, d. h. die zu beobachtende Trenngrenze kann in weitgehend beliebigem Abstand vom Abtaster sein. Damit können verschieden geformte Trennkammern benutzt werden, d. h. der erfindungsgemäße Phasendetektor ist universeller einsetzbar.

Durch die gleichzeitige Verwendung eines Teiles des Strahlenganges sowohl für das einfallende als auch für das reflektierte Licht mit Hilfe eines Strahlteilers wird eine kompaktere, robustere Bauweise des Phasendetektors möglich, d. h. er kann als austauschbares Modul einfach komplett gewechselt bzw. installiert werden und nimmt ein kleineres Volumen ein.

Gemäß einem weiterbildenden Merkmal der Erfindung ist als Lichtquelle ein Laser vorgesehen. Laser geben bekanntlich einen scharf gebündelten Lichtstrahl ab, eine im vorliegenden Fall wesentliche Anforderung an das optische System des Phasendetektors.

Die Anwendung eines Lasers im Zusammenhang mit Trennvorgängen in Zentrifugen ist an sich durch die US 53 25 172 A bekanntgeworden. Die dort beschriebene Zentrifuge weist mehrere Probengefäße auf, die radial angeordnet sind. Diese Gefäße werden in Durchsicht mit Laserlicht bestrahlt, welches dann auf einen Photodetektor fällt. Über eine optische Einrichtung wird dabei das Probengefäß radial abgetastet. Obwohl auch die Absorption der Proben erfaßt werden kann, beruht die beschriebene Vorrichtung hauptsächlich auf einem Verfahren, das es gestattet, die Trennmedien auch bei gleicher Transparenz zu unterscheiden, falls diese Medien einen verschiedenen Brechungsindex aufweisen. Mittels eines Laserstrahls aus zwei monochromatischen Anteilen wird die unterschiedliche Phasengeschwindigkeit des Lichtes in der Probe und in einer Referenzsubstanz ausgenutzt, um auf den Brechungsindex in der Probe schließen zu können.

Demgegenüber ist das Meßprinzip nach der Erfindung mit der Erfassung der Phasengrenzen stark vereinfacht und damit billiger umsetzbar.

Weitere ausgestaltende Merkmale sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Anordnung (Phasendetektor) zum Erfassen und Einstellen der Phasengrenze zwischen den Fraktionen bei einer Blutzentrifuge in stark schematisierter Darstellung, und

Fig. 2 fünf Diagramme mit der Darstellung der Phasengrenze bei unterschiedlichen Zuständen.

In Fig. 1 der Zeichnung ist schematisch eine Trennkammer 1 einer Blutzentrifuge dargestellt. Derartige Blutzentrifugen sind in vielfältigen Ausführungsformen bekanntgeworden. Es genügt daher bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Phasendetektors eine schematische Darstellung der Separationskammer dieser Blutzentrifuge. Die Trennkammer 1 weist in einem vorgegebenen Bereich einen transparenten radialen Ausschnitt, das Abtastfeld 2, auf. In diesem Bereich, dem Abtastfeld 2, sind die Phasengrenzen beobachtbar. Das Abtastfeld 2 wird in seinem äußeren bzw. inneren Bereich jeweils von einem Referenzstreifen 3 bzw. 4 begrenzt. Diese beiden Referenzstreifen 3 bzw. 4 weisen einen konstnaten und bekannten Helligkeitswert auf. Im Abtastfeld 2 sind drei Phasen zu erkennen, nämlich eine äußere Phase 5, die roten Blutkörperchen (Erythrozyten), eine Mischphase (der sog. buffy coat), die mittlere Phase 6, und eine innenliegende Plasmaphase, die innere Phase 7.

Der Phasendetektor weist eine Lichtquelle 8 auf, die einen gebündelten Lichtstrahl 9 erzeugt. Als Lichtquelle 8 kann ein Laser Verwendung finden, z. B. eine Laserdiode, der heute in mannigfaltiger Ausführung der Fachwelt für Anwendungen der vorliegenden Art zur Verfügung steht. Bei Verwendung eines Lasers kann mit Hilfe eines entsprechenden Filters der Einfluß von Fremdlicht minimiert werden. Auch Modulationstechniken sind zur Verbesserung des Signal-/Rauschverhältnisses denkbar.

Der Lichtstrahl 9 wird über eine Strahlentrenneinrichtung 10 und eine periodisch bewegbare Licht-Ablenkeinheit 11 auf das Abtastfeld 2 gerichtet. Mittels der Licht-Ablenkeinheit 11 wird der Lichtstrahl 9 so abgelenkt, daß eine strichförmige Abtastung der einzelnen Phasen 5, 6 und 7 möglich ist, wie es durch den Streifen 12 im Abtastfeld 2 angedeutet ist. Der einfacheren Darstellung wegen ist die optische Anordnung in der Fig. 1 in die Zeichenebene geklappt gezeichnet. Der Lichtstrahl 9 fällt daher tatsächlich im wesentlichen senkrecht auf das Abtastfeld 2.

Auf den einzelnen Fraktionen, den Phasen 5, 6 und 7, sowie den Referenzstreifen 3 und 4 wird der Lichtstrahl 9 je nach dem Reflexionsvermögen der beleuchteten Phasen 5, 6 und 7 ganz oder teilweise mit einem bestimmten diffusen Anteil reflektiert.

Der Anteil des entlang des einfallenden Lichtstrahles 9 zurückreflektierten Lichtes wird über die Ablenkeinheit 11 und die Strahlentrenneinrichtung 10 einer photoelektrischen Licht-Empfängeranordnung 13 zugeführt, die elektrische Signale entsprechend den Helligkeitswerten des von den Phasen 5, 6 und 7 zurückgestrahlten Lichtes, d. h. entsprechend ihrem Reflexionsvermögen, erzeugt. Die Ausgangssignale dieser Empfängeranordnung 13 sind praktisch ein elektrisches Abbild der Helligkeitsunterschiede der einzelnen Fraktionen.

Der Empfängeranordnung 13 ist eine Auswerteeinrichtung, die Auswerteschaltung 14, nachgeschaltet, die so ausgebildet ist, daß Steuersignale abhängig von den Helligkeitsunterschieden auslösbar sind.

Sie enthält eine Recheneinheit, beispielsweise einen Mikroprozessor. Diese Recheneinheit steuert gemäß einem vorgegebenen Programm nachgeschaltete Stufen an, zum Beispiel ein Stellglied zur Veränderung der Lage der Phasengrenze. Dieses Stellglied kann bei einer Blutzentrifuge durch eine Plasmapumpe gebildet werden, die die Plasmafraktion aus der Trennkammer entfernt. Die nachgeschaltete Stufe kann auch beispielsweise zusätzlich ein Display sein, auf dem die Information graphisch dargestellt wird.

Die Strahlentrenneinrichtung 10 hat die Aufgabe, das hin- bzw. zurücklaufende Licht voneinander zu trennen. Ein solch bekanntes optisches Element stellt der halbdurchlässige Spiegel dar. Es können aber auch andere Strahlenteiler Anwendung finden.

Als Ablenkeinheit 11, auch Scanner genannt, kann ein Kippspiegel oder alternativ ein Drehspiegel Anwendung finden. Es können aber auch andere Bauelemente Anwendung finden, die es ermöglichen, einen Abtastlichtstrahl fortlaufend radial über das Abtastfeld 2 zu führen, wie z. B. ein im Strahlengang translatorisch verschiebbarer Planspiegel mit fest eingestelltem Reflexionswinkel.

In der photoelektrischen Empfängeranordnung 13 werden übliche photoelektrische Bauelemente verwendet, z. B. Photowiderstände, Phototransistoren oder dergleichen. Die Auswerteschaltung 14 wird durch übliche elektronische Schaltungen realisiert, beispielsweise durch einen Mikroprozessor.

Die Referenzstreifen 3 und 4 können aufgrund ihres bekannten und konstanten Helligkeitswertes zum Abgleich der Auswerteschaltung 14 herangezogen werden. Somit können Einflüsse der Toleranzen und Temperaturdriften vn Bauteilen bzw. der Verschmutzung der Optik verhindert werden. Zum anderen ermöglichen die Referenzstreifen 3 und 4 die Erfassung mechanischer Verstellungen der Trennkammer 1 in gewissen Grenzen, wobei solche Verstellungen durch die Auswerteschaltung 14 bzw. ein nachgeschaltetes Stellgliedes korrigiert werden können.

Bei der Abtastung des Abtastfeldes 2 in Fig. 1 ist es notwendig, die Bewegung der Ablenkeinheit 11 mit der Drehung der Trennkammer 1 zu synchronisieren. Denkbar ist eine Triggerung durch die Drehzahl oder abhängig von der Winkelstellung des Rotors der Trennkammer 1 oder durch eine optische und/oder magnetische bzw. elektrische Markierung.

Zur Verdeutlichung des Meßprinzips der von der Empfängeranordnung 13 aufgenommenen und in der Auswerteschaltung 14 verarbeiteten Signale sind in Fig. 2 fünf Diagramme abgebildet, deren Ordinate die Lichtintensität, d. h. die Helligkeit, und deren Abszisse den radialen Ausschnitt, den Streifen 12, im Abtastfeld 2 wiedergibt. Die schematishe Darstellung des radialen Ausschnittes ist jeweils unter das zugehörige Diagramm gesetzt. Die Bezifferung der einzelnen Abschnitte des radalen Ausschnittes folgt den Bezugszeichen in Fig. 1 im Abtastfeld 2.

Im ersten Diagramm ist das graphische Bild einer sich aufbauenden Trenngrenze gezeigt. Am äußeren Rand erscheinen schon verdichtet rote Blutzellen der äußeren Phase 5, die ohne definierte Grenze in eine helle Planungsphase, die innere Phase 7, übergehen. Das Diagramm 2 zeigt die graphische Abbildung einer Separation mit stabiler Trenngrenze. Eine dünne Mischphase, die mittlere Phase 6, sedimentiert zwischen den roten Blutzellen der äußeren Phase 5 und dem Plasma der inneren Phase 7. In dieser Fraktion befinden sich im allgemeinen auch Thrombocyten 15, die nur schwer zu detektieren und damit zu gewinnen sind.

Durch Bedienung der Regeleinheit, in vorliegendem Fallbeispiel eine Plasmapumpe, kann die Phasengrenze verschoben werden. Dies kann manuell erfolgen oder über die Auswertestufe 14 entsprechend einem Programm gesteuert sein.

Zur Gewinnung einiger separierter Blutbestandteile wird die Plasmapumpe solange betätigt, bis keine Phasengrenze mehr zu erkennen ist und sich nur noch rote Blutzellen in der Trennkammer der Blutzentrifuge befinden. Die von der Empfängeranordnung 13 dabei aufgenommenen Signale sind im Diagramm 3 dargestellt. Über die Auswerteschaltung 14 werden die Signale verarbeitet und entsprechend die Plasmapumpe gestoppt. Nach neuer Blutzufuhr kanns ich nach anfänglichen Verwirbelungen eine neue Trenngrenze aufbauen. Die vom Sensor insoweit empfangenen Signale bei der Verwirbelung sind im Diagramm 4 zu sehen, bei einer sich danach stabilisierenden Trenngrenze im Diagramm 5.

Aus den Diagrammen der Fig. 2 wird besonders deutlich, welch differenziertes Erfassungsvermögen dem erfindungsgemäßen Phasendetektor aufgrund der Erfassung der Unterschiede der Helligkeitswerte der Bestandteile, d. h. ihres unterschiedlichen Reflexionsvermögen zukommt und welch differenzierte Steuervorgänge damit auslösbar sind.

Zur Bündelung des Abtastlichtstrahles kann in allen Ausführungsformen eine optimale Hilfsoptik im Strahlengang angeordnet werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Trennung von Medien in deren Bestandteile durch Dichtezentrifugation in einer Trennkammer (1), insbesondere Blutzentrifuge, mit einer Anordnung zum Erfassen und Einstellen der Phasengrenze zwischen mindestens zwei optisch unterscheidbaren Fraktionen (äußere Phase 5, mittlere Phase 6, innere Phase 7) des Mediums (Phasendetektor), aufweisend
eine Lichtquelle (8), die die Trennkammer im Bereich der sich einstellenden Phasengrenzen in einem radialen Auswerteausschnit (Abtastfeld 2) beleuchtet,
eine Licht-Empfängeranordnung (13), die Lichtsignale entsprechend den Helligkeitswerten des von den Fraktionen zurückgestrahlten Lichtes empfängt, und
eine der Empfängeranordnung (13) nachgeschaltete Auswerteschaltung (14), die so ausgebildet ist, daß Steuersignale abhängig von den Unterschieden in den Helligkeitswerten auslösbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtquelle (8) einen scharf gebündelten Lichtstrahl (9) erzeugt,
daß in dem Strahlengang eine periodisch bewegbare Licht-Ablenkeinheit (11) vorgesehen ist, derart, daß der Auswerteausschnitt (Abtastfeld 2) in einem schmalen Streifen (12) fortlaufend radial vom Lichtstrahl (9) abtastbar ist, und
daß im Strahlengang (Lichtstrahl 9) zwischen Lichtquelle (8) und Licht-Ablenkeinheit (11) ein Strahlenteiler (Strahlentrenneinrichtung 10) vorgesehen ist und die Empfängeranordnung (13) im Wege des abgeteilten, von der Trennkammer (1) reflektierten Lichtes angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (8) ein Laser vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfängeranordnung (13) ein Filter vorgeschaltet ist, dessen Durchlaßbereich auf die Wellenlänge des Laserlichtes abgestimmt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkeinheit (11) ein Drehspiegel vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkeinheit (11) ein Kippspiegel vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkeinheit (11) ein im Reflexionswinkel fest eingestellter Planspiegel vorgesehen ist, der translatorisch im Strahlengang bewegbar angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Bewegung der Ablenkeinheit (11) mit der Drehung der Trennkammer (1) synchronisiert ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Auswerteausschnitt in seinem äußeren und inneren Bereich von jeweils einem Referenzstreifen (3, 4) begrenzt ist und daß die beiden Referenzstreifen (3, 4) einen konstanten und bekannten Helligkeitswert aufweisen.