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Hintergrund der Erfindung
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Analyseautomaten
werden in klinischen Labors zur Messung verschiedener chemischer
Bestandteile von von Patienten gewonnenen Körperflüssigkeiten wie Vollblut, Blutserum,
Blutplasma, Liquor, Urin und dergleichen eingesetzt. Analyseautomaten
reduzieren die Anzahl von zur Durchführung der Analysen in einem
klinischen Labor erforderlichen geschulten Labortechnikern, erhöhen die
Testpräzision
und senken die Kosten pro Test.
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In
der Regel umfasst ein Analyseautomat ein automatisches Flüssigkeits-Bewegungssystem,
das eine Probe einer Körperflüssigkeit
aus einem eine Patientenprobe enthaltenden Behältnis ansaugt und die Probe
in eine Reaktionsküvette
abgibt. Das Flüssigkeits-Bewegungssystem
umfasst in der Regel eine Pipette oder Probensonde mit Ansaug- und
Abgabefunktion an einem Roboterarm.
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Für den durchzuführenden
Test spezifische chemische Reagenzien werden in die Probe-haltige Küvette eingebracht
und diese somit mit den chemischen Reagenzien vermischt. Der Analyseautomat bestimmt
mittels Untersuchung der durch Vermischen von Probe und Reagenzien
entstehenden Reaktionsprodukte die Konzentration des auszutestenden
spezifischen chemischen Bestandteils. Nach Beendigung des Tests
druckt der Analyseautomat für gewöhnlich die
Testergebnisse unter Angabe von Proben-Identifikator, einem numerischen
Testergebnis und einem im Test bestimmten Wertebereich für den chemischen
Bestandteil aus.
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Während des
Aspirationsvorganges positioniert ein Roboterarm unter der Führung eines
Systemreglers die Probensonde oberhalb eines Probenbehältnisses
und bewegt die Sonde in das Behältnis, bis
diese die darin enthaltene Flüssigkeit
erreicht. Eine spritzenähnliche
Pumpe wird zum Aufziehen von Probenflüssigkeit aus dem Probenbehältnis in die
Sonde aktiviert. Zur Gewährleistung
des Erhalts von präzisen
Ergebnissen bei den Tests muss ein gleichbleibendes bekanntes Probenvolumen
präzise aspiriert
und in die Reaktionsküvette
abgegeben werden. Unter Idealbedingungen können motorisierte Spritzen
das Volumen mit der erforderlichen Präzision abgeben. Allerdings
liegen nicht immer Idealbedingungen vor, weshalb ein Verfahren zum
Verifizieren des Probenvolumens vonnöten ist.
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Verfahren
aus dem Stand der Technik konzentrierten sich auf den Nachweis nichtidealer
Bedingungen. Bei einem Verfahren erfolgt nach jedem Aspirations-Inkrement
eine Druckmessung. Ein außerhalb
eines vorbestimmten Druckbereiches liegender Druckwert weist auf
eine in der Probe vorliegende Heterogenität hin. Khalil, Omar S. et al., "Abbott Prism: A Multichannel
Heterogeneous Chemiluminescence Immunoassay Analyzer," Clin. Chem., 37/9, 1540–47 (1991).
Die
europäische Patentanmeldung Nr. 341,438 beschreibt
ein System, bei dem der Druck auch während des Aspirierens überwacht
wird. Blasen, ein Klumpen oder ein Druckverlust werden auf einem
Anzeigeschirm als eine oder mehrere Spikes angezeigt. Die
europäische Patentanmeldung Nr. 215,534 beschreibt
ein System, bei dem der Druck nach einem Ansaugvorgang gemessen
und mit einem erwarteten Normwert verglichen wird.
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Die
nach dem Prioritätsdatum
der vorliegenden Anmeldung veröffentlichte
WO 99/30170 offenbart ein
Verfahren zum Verifizieren des Probenvolumens, das das aspirierte
Flüssigkeitsvolumen
quantifiziert und die Einheitlichkeit der Probe durch Nachweis des
Vorhandenseins von Schaum oder Klumpen in der Probe verifiziert.
Nach dem Aspirieren wird unter Verwendung eines Drucksensors das
zum Halten der Flüssigkeitssäule in der
Sondenspitze erforderliche Vakuum gemessen. Da die Geometrie der Sondenspitze
bekannt ist, kann auf Grundlage der Probendichten das Vakuum in
Probengewicht und -volumen umgerechnet werden. Nichtideale Bedingungen
wie Schaum an der Oberfläche
der Flüssigkeit
oder ein Klumpen in der Flüssigkeit
führen
zu einem gegenüber
dem erwarteten Probenvolumen viel geringeren Volumen bei Vorliegen
von Schaum bzw. viel größeren Volumen
bei Vorliegen eines Klumpens. Bei dem Verfahren wird auch der seit
Aspiration verstrichene Zeitraum ermittelt. Schäumende Proben weisen gegenüber der
Normzeit verkürzte
Aspirationszeiten auf. Bei verklumpten Proben sind die Aspirationszeiten
länger
als normal.
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Die
EP 0726 466 A1 offenbart
eine Pipettierungsvorrichtung zum Pipettieren einer Probe mittels einer
Düse. Neben
dem idealen Klumpungszustand der Düse kann auch der nichtideale
Klumpungszustand der Düse
festgestellt werden. Der Druck in einem mit einer Düse zum Ansaugen
einer Probe verbundenen Luftschlauch wird durch den Drucksensor nachgewiesen
und der erhobene Druckwert an einen Klumpungsfeststellungsabschnitt
weitergeleitet. Dort wird eine Vielzahl von Druckberechnungsperioden zur
Berechnung der Druckdifferenz in jeder der Berechnungsperioden festgelegt.
Wenn mindestens eine der berechneten Druckdifferenzen mindestens einen
der der Berechnungsperiode jeweils entsprechenden vorbestimmten
Schwellenwerte überschreitet,
wird ein Klumpungsalarmsignal ausgegeben. Aufgrund der Festlegung
einer Vielzahl von Druckberechnungsperioden kann neben dem idealen
Klumpungszustand auch der nichtideale Klumpungszustand nachgewiesen
und damit die Pipettierpräzision verbessert
werden.
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Die
US 4,780,833 offenbart ein
System zur Messung von Flüssigkeit,
das Mittel zum Anlegen von Sog an die zu messende Flüssigkeit,
Mittel zum Halten von Flüssigkeit
in (einem) Mikropipettenröhrchen,
das/die einen Depotabschnitt mit einem großen Innendurchmesser und einen
schlanken Röhrenabschnitt
mit geringem Durchmesser aufweist/aufweisen, und ein Druckan zeigegerät zum Messen
eines möglicherweise
vorliegenden Anstiegs in dem/den Mikropipettenröhrchen umfasst.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt gemäß Anspruch
1 ein Verfahren zum Verifizieren eines Probenvolumens durch Quantifizieren
des aspirierten Flüssigkeitsvolumens
sowie zum Verifizieren der Einheitlichkeit der Probe durch Nachweis
von Fehlfunktionen wie beispielsweise, dass in dem Behältnis für Probenflüssigkeit
während
der Aspiration im Wesentlichen keine Probenflüssigkeit vorliegt oder dass
die Probensonde nicht mehr mit der Flüssigkeit in Kontakt steht,
da die Sonde während
des Aspirierens der Flüssigkeit
nicht dem sinkenden Flüssigkeitsspiegel folgt.
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Ein
Drucksensor wird zum Messen des zum Halten einer Säule von
aspirierter Flüssigkeit
in der Sondenspitze erforderlichen Vakuums verwendet. Dieser Wert
wird durch Ermittlung der Druckdifferenz zwischen Beginn und Beendigung
der Aspiration gemessen. Der jeweils zu Beginn und bei Beendigung der
Aspiration vorliegende Druck wird mittels Suche nach einer signifikanten
Druckänderungsrate
nach oben zu Beginn bzw. nach unten bei Beendigung bestimmt. Bei
bekannter Geometrie der Sondenspitze kann die Druckdifferenz in
ein Probengewicht umgerechnet werden. Das Probengewicht kann durch
Annahme einer Probendichte in ein Probenvolumen umgerechnet werden.
Das berechnete Volumen kann dann mit dem für eine gegebene Probengeometrie
erwarteten Volumen verglichen werden. Fehlfunktionen wie ein während der
Aspiration der Probenflüssigkeit
im Wesentlichen leer bleibendes Probenflüssigkeitsbehältnis oder
eine nicht mehr mit der Flüssigkeit
in Kontakt stehende Probensonde, weil die Sonde während des
Aspirierens der Flüssigkeit nicht
dem sinkenden Flüssigkeitsspiegel
folgt, führt zu
einem zweiten Anstieg des Vakuums im Druckprofil. Dieser zweite
Anstieg kann durch Bilden einer zweiten Ableitung des Druckprofils
und Erhalt eines Nicht-Null-Ergebnisses ermit telt werden, wobei
das Nicht-Null-Ergebnis eine Fehlfunktion anzeigt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme der ausführlichen Beschreibung gemeinsam
mit den folgenden Zeichnungen leichter verständlich. Darin zeigt
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1 eine
schematische Darstellung eines Ansaug- und Abgabesystems gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ein
Blockdiagramm eines Drucksensorsystems;
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3 eine
Druck (Vakuum)-Zeit-Kurve zur Darstellung der Aspiration einer normalen
Probe (gebrochene Linie) und der Aspiration einer schäumenden
Probe (durchgezogene Linie);
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4 eine
Druck (Vakuum)-Zeit-Kurve zur Darstellung der Aspiration einer normalen
Probe (gebrochene Linie) und der Aspiration einer verklumpten Probe
(durchgezogene Linie); und
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5 eine
Druck (Vakuum)-Zeit-Kurve zur Darstellung der Aspiration, während der
das Probenbehältnis
leer wird.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Ansaug- und Abgabevorrichtung 10 mit einer Luftquelle
wie einer Luftpumpe 12, die über einen Abluftstutzen 14 mit
einem Akkumulator 16 verbunden ist. Die Luftquelle sollte
zur Bereitstellung eines konstanten Luftstroms mit zuvor festgelegter
Geschwindigkeit und zuvor festgelegtem Druck in der Lage sein. Bei
der Luftpumpe kann es sich um eine kleine Kreiselpumpe handeln.
Der Akkumulator umfasst in der Regel eine Spule aus langem, um einen
Zylinder gewickeltem Schlauchmaterial zur Dämpfung der von der Pumpe ausgehenden
Pulsationen. Auf diese Weise gibt der Akkumulator einen konstanten
Luftstrom mit geringer bzw. ohne Pulsation ab.
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Dem
Akkumulator nachgeschaltet befindet sich ein Entlüftungsventil 18.
Diesem ist ein Pumpenventil 20 nachgeschaltet. Bei dem
Pumpenventil handelt es sich um ein Dreiwegeventil mit einem normalerweise
geöffneten
Anschluss 22 nach stromabwärts und einem normalerweise
geschlossenen Anschluss 24 zu einer Abzugsöffnung.
Ein T-Verbindungsstück 26 ist
mit dem nachgeschalteten Anschluss des Pumpenventils verbunden.
Eine Abzweigung des T-Verbindungsstücks ist an eine motorisierte
Spritzenpumpe bzw. einen Verdünner 28 angeschlossen
und die andere Abzweigung des T-Verbindungsstücks an eine Probensonde 30.
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Zwischen
dem T-Verbindungsstück 26 und der
Probensonde 30 ist ein Durchflussdrucksensor bzw. Wandler 32 angeordnet.
Geeignet ist der von der Micro Switch Division von Honeywell Corporation hergestellte
Drucksensor, konkret ein Druckwandler der 26PC-Serie. Die Sensitivität des Sensors
entspricht etwa 16 mV/psi der Druckdifferenz. Es können andere
Drucksensoren mit geeigneten Strömungs-
und elektrischen Eigenschaften eingesetzt werden. Bevorzugt wird
der Drucksensor nahe an der Probensonde angeordnet, um das Signal-Rausch-Verhältnis der
Druckmessungen zu verbessern.
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Die
Probensonde ist an einem Roboterarm 34 angebracht. In der
Regel umfasst die Sonde einen Sondenkörper 36 und eine Sondenspitze 38.
Bei der Spitze handelt es sich für
gewöhlich
um eine Einwegspitze, die abnehmbar an dem Sondenkörper befestigt
ist. Ein Vorrat an Spitzen ist für
die Sonde in Reichweite des Roboterarms bereitgestellt. Es kann jedoch
bei manchen Anwendungen eine permanent an dem Sondenkörper befestigte
Spitze zum Mehrfachgebrauch angebracht sein.
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Ein
bereitgestellter Systemregler 40 kommuniziert mit der Luftpumpe 12,
dem Entlüftungsventil 18,
dem Pumpenventil 20, dem Verdünner 28 sowie dem
Roboterarm 34 zur Regelung des Systembetriebs und mit dem
Drucksensor 32 zum Erhalt von Druckmessungen. Ein Ansaug-
und Abgabesystem des vorliegenden Typs ist ebenfalls in der am 13.
Juli 1995 eingereichten eigenen Anmeldung Nr. 08/501,806 mit dem
Titel "Method and
Ap paratus for Aspirating and Dispensing Sample Fluids" beschrieben. Auf
die Offenbarung von Anmeldung Nr. 08/501,806 wird hiermit Bezug
genommen.
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Bei
Betrieb drückt
die eingeschaltete Luftpumpe 12 während des Aspirierens Luft
durch die Sonde 30. Der Roboterarm 34 positioniert
die Sonde mit einer daran befestigten Sondenspitze über einem Probenbehältnis 42 und
bewegt die Sonde in das Behältnis,
bis die Sonde die darin befindliche Flüssigkeit erreicht. Bei Inkontakttreten
der Sonde mit der Flüssigkeit
stellt der Drucksensor einen Druckanstieg fest. Die Luftpumpe wird
abgeschlatet und das Entlüftungsventil 18 wird
zur Entspannung des Systems geöffnet.
Das Pumpenventil 20 wird dann zur Isolierung der Pumpe 12 und
des Akkumulators 16 gegenüber der Sonde 30 und
des Verdünners 28 geschlossen,
und der Verdünner
wird danach zum Aufziehen eines Volumens der Probe in die Sonde
in Betrieb gesetzt.
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2 zeigt
den Drucksensor 32 mit einem Paar Flüssigkeitsanschlüsse 52, 54 und
einem Paar an einen Verstärkerschaltkreis 60 angeschlossener Terminals 56, 58 für elektrische
Signale. Der am Sensor 32 gemessene Luftdruck liefert dem
Verstärkerschaltkreis 60 ein
entsprechendes Differenzialspannungssignal und der Verstärkerschaltkreis
schickt ein einzelnes verstärktes
Ausgangssignal an ein Terminal 62. Der Verstärkerschaltkreis
ist vorzugsweise an einen Drucknormierungsschaltkreis 64 gekoppelt. Der
Drucknormierungsschaltkreis normiert unter Verwendung von in der
Technik bekannter Abtast- und Halteschaltung das verstärkte Drucksignal
auf ein Referenzniveau, in der Regel 0 Volt, infolge eines Signals
von dem Regler. Eine Relativdruckmessung ist notwendig, wenn das
System die zum Halten der Flüssigkeitssäule in der
Sonde erforderliche Vakuummenge messen soll.
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Zur
Bestimmung der zum Halten der Flüssigkeitssäule erforderlichen
Vakuummmenge wird der Druck der Aspiration im Zeitverlauf gemessen. 3 und 4 zeigen
das Druckprofil einer nor malen Probe mit einer gebrochenen Linie
und der Angabe "Aspiration
einer normalen Probe (1)".
Nach Beginn der Aspiration kommt es, ausgehend von einem Referenzniveau,
zu einem ersten Anstieg des Vakuums. Der Druckanstieg beginnt dann
abzuflachen und das Vakuum fällt
nach einer Zeit wieder ab, siehe Angabe "erster Abfall (1)" in 3 und 4.
Der Druck stabilisiert sich dann auf einem Endniveau, siehe Angabe "Endniveau (1)". Dieser Druck steht
für die
für das Halten
der Flüssigkeit
in der Sonde erforderliche Vakuummenge.
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Aus
dem gemessenen Druckprofil werden vier grundlegende Referenzwerte
bestimmt:
- 1) TAnstieg,
der Zeitpunkt, zu dem der erste Anstieg des Drucksignals auftritt;
- 2) PBeginn, der Vakuumdruck unmittelbar
vor dem ersten Anstieg des Vakuums, vorzugsweise auf 0 psi normiert;
- 3) TAbfall, der Zeitpunkt, zu dem der
erste Abfall des Drucksignals auftritt, und
- 4) PEnde, der Vakuumdruck zu einem bestimmten Zeitpunkt
nach dem ersten Abfall.
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Die
beiden zeitbezogenen Referenzwerte TAnstieg und
TAbfall werden vorzugsweise numerisch durch Überwachen
des Drucksensors auf die erste signifikante Druckänderung
nach oben bzw. nach unten bestimmt. Der Drucksensor wird zu vorbestimmten
Zeitintervallen, beispielsweise all 2 msec, abgetastet. Die Druckänderungen
werden beispielsweise durch eine innerhalb eines Zeitraums von 3–4 msec stattfindende Änderungsrate
von etwa 1 psi/sec ausgelöst.
Der Zeitpunkt des jeweiligen Einsetzens einer Änderung wird aufgezeichnet,
und die für
die Aspiration aufgewendete Zeit wird als die Differenz zwischen
diesen beiden Zeitpunkten berechnet.
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Beispielsweise
kann bei einer normalen Aspiration von etwa 100 μl PEnde etwa
0,07 psig betragen (bei Normierung von PBeginn auf
0 psi). Die verstrichene Zeit liegt bei etwa 500 msec.
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Die
durchschnittliche Druckänderung
im Verlauf der Aspiration macht etwa 0,14 psi/sec aus. TAnstieg und TEnde werden
daher durch Druckänderungen von
etwa dem Zehnfachen der erwarteten mittleren Druckänderung
im Verlauf der Aspiration ausgelöst.
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Der
Druckmesswert PBeginn wird unmittelbar vor
dem Zeitpunkt des Einsetzens des ersten Anstiegs erhoben. Der Druckmesswert
PEnde wird zu festgelegten Zeitpunkten nach
dem ersten Abfall erhoben. In der Regel wird dieser Messwert zur
Gewährleistung
der Stabilisierung des Systems 300 msec nach dem ersten
Abfall erhoben. Zur besseren Charakterisierung der Druckmesswerte
wird vorzugsweise für
jeden Messwert ein zeitgemittelter Wert bestimmt. Die zeitgemittelten
Werte werden numerisch durch Mitteln der Druckmesswerte über ein zuvor
festgelegtes Zeitintervall hinweg, etwa 50 bis 100 msec, ermittelt.
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Die
Differenz zwischen dem Druckmesswert PBeginn und
dem Druckmesswert PEnde wird als die Druckänderung
für die
Aspiration dokumentiert. Die für
die Aspiration erhobene Druckänderung
wird zur Bestimung des Flüssigkeitsvolumens
in der Probenspitze verwendet. Dies ist möglich, wenn sowohl die Dichte
der Flüssigkeit
als auch die Geometrie der Probenspitze bekannt sind. Bei bekannter
Dichte kann die Druckdifferenz PBeginn–PEnde in einen Flüssigkeitssäulenpegel umgerechnet werden.
Auf Grundlage der Geometrie der Probenspitze kann aus dem Flüssigkeitssäulenpegel
das Flüssigkeitsvolumen
errechnet werden. Die Dichten verschiedener Proben wie Blutserum
sind allgemein bekannt. Bei Proben, die in der Regel einen bekannten
Dichtebereich aufweisen können,
kann für
die Berechnung ein Mittelpunkt innerhalb des bekannten Bereichs
gewählt werden.
Nichtideale Bedingungen wie Schaum auf der Probenoberfläche oder
Klumpen in der Probe führen
bei der Berechnung zu Volumen außerhalb der erwarteten Werte.
Bei Vorliegen von Schaum ist ein Probenvolumen geringer als erwartet.
Enthält eine
Probe Klumpen, so ist das Probenvolumen größer als erwartet.
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3 stellt
ebenfalls ein Druckprofil einer schäumenden Probe mit einer durchgehenden
Linie und der Angabe "Aspiration
einer schäumenden
Probe (2)" dar,
aus dem ein geringes Aspirationsvolumen errechnet wird. In diesem
Fall tritt der erste Abfall, siehe Angabe "erster Abfall (2)", kurz nach dem ersten Anstieg ein.
Der für
die Aspiration aufgewandte Zeitraum ist daher kürzer als normal. Ebenso liegt der
Enddruckwert, siehe Angabe "Endniveau
(2)", unter dem
Enddruckwert einer normalen Probe.
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4 stellt
ebenfalls ein Druckprofil einer verklumpten Probe mit einer durchgehenden
Linie und der Angabe "Aspiration
einer verklumpten Probe (3)" dar,
aus dem ein hohes Aspirationsvolumen errechnet wird. In diesem Fall
steigt der Druckwert vor dem Abfall, siehe Angabe "erster Abfall (3)", noch auf einen
Wert an, der höher
als der von einer normalen Probe erwartete Wert ist. Der Enddruckwert,
siehe Angabe "Endniveau
(3)", liegt über dem
Enddruckwert einer normalen Probe.
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Bei
Nachweis von Abweichungen von dem erwarteten Volumen oder Zeitaufwand
für eine
spezifische Probe liefert das System ein Signal, bei dem es sich
um einen entweder visuellen oder akustischen Alarm handelt. Die
Berechnung von Probenvolumen und verstrichener Zeit kann in jeder
beliebigen entsprechenden Weise durchgeführt werden, wie etwa durch
einen programmierten Mikroprozessor oder durch eine Schaltung.
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5 stellt
ein Druckprofil bei Vorliegen einer Fehlfunktion dar. Wie aus dem
Druckprofil ersichtlich ist, zeigt sich nach dem ersten Anstieg,
aber noch vor dem ersten Abfall, ein zweiter Druckanstieg. Der zweite
Druckanstieg ist ein Hinweis darauf, dass eine Fehlfunktion vorliegt.
Die Fehlfunktion kann darin bestehen, dass die gesamte Probenflüssigkeit
im Wesentlichen aus dem Probenbehältnis vor Beendigung des Aspirationszyklus
aspiriert wurde, dass die Sonde nicht mehr mit der Flüssigkeit
in Kontakt steht, da die Sonde während
des Aspirierens der Flüssigkeit
nicht dem sinkenden Flüssigkeitsspiegel
folgt, oder andere Zustände.
Das Auftreten einer Fehlfunktion wird durch Durchführung einer
mathematischen Analyse des Druckprofils eruiert, beispielsweise durch
Bilden einer zweiten Ableitung des Druckprofils und den Erhalt eines
Nicht-Null-Ergebnisses. Bei Nachweis einer Fehlfunktion stellt das
System einen Hinweis auf diesen Zustand bereit, wobei es sich entweder
um einen visuellen oder akustischen Alarm handeln kann.
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Nach
Darlegung der bevorzugten Ausführungsform
sind für
den Fachmann die zahlreichen Variationen, die sich bieten ohne dabei
den Umfang der beanspruchten Erfindung zu verlassen, ersichtlich.
Daher ist die Einschränkung
der Erfindung einzig auf den angegebenen Umfang der Ansprüche beabsichtigt.