JP2019505762A - 流体被覆検知システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

分析（３）のために標本を担持する基板（１）に流体を注液するシステムは、基板のそれぞれのエリアと接触する流体の存在を検知するように位置付けられたセンサ・プレート（１９ａ、１９ｂ）のアレイを有する。特定実施形態では、基板の異なるエリアにおける流体の存在が、アレイ内のセンサ・プレート間に形成されるキャパシタのインピーダンスに対する流体の効果およびその識別情報によって検知される。更なる特定実施形態では、流体を基板に注液する間センサ・アレイを連続的にポーリングすることによって、被覆マップを決定し、最小量の流体で基板全体を効率的に被覆するように、流体分与メカニズムを制御することによって、無駄を減らすことができる。
【選択図】図５

Description

関連出願のデータ
本願は、２０１５年１２月３日に出願された米国仮特許出願第６２／２６２８５５号の権利を主張する。この出願をここで引用したことにより、その内容が本願にも含まれるものとする。

分野
本開示は、研究および分析のために標本を処置するときに液体が注液される(apply)、一般的なシステムの分野に関し、更に特定すれば、標本をスライド上に載せ、次いでその分析において補助する液体で覆うシステムおよび方法に関する。

背景
医療診断に使用されるシステム、および生体標本（例えば、細胞の組織または塗抹の薄い標本）を検査または研究するために使用されるその他の生物学的技術では、その多数において、標本はガラス製のスライドまたはその他の基板上に載せられ、その上に流体が注液される。この流体は、通例、標本と相互作用する、例えば、組織標本を染色する、または標本における特定の検体に結合する１つ以上の化学物質を含有する。次いで、処置される標本は、人間の観察者によって評価され、または自動化センサを使用して、この標本が、流体との相互作用の後、１つ以上の特性を呈するか否か判定することも可能である。

標本の適正な分析のためには、通常、標本の少なくとも十分な部分、または標本全体、あるいは場合によってはスライドの表面全体を流体が覆うように、流体を注液する必要がある。標本またはスライドを覆うのは、流体−ガラス間境界における表面力の変動(variability)のために、そして標本への流体の自動分与において起こる可能性がある誤りのために、信頼性高く行うことが困難な場合がある。その結果、標本またはスライドが流体によって部分的にしか覆われないおそれがあり、あるいは気泡が形成されて標本を流体から分離させるおそれがある。そのいずれも、標本の分析精度低下を招くおそれがある。

最も一般的なのは、計器内部において流体をスライドに自動的に注液する装置によって、流体の注液が行われることである。これは、技術者(human technician)によるたまりの被覆(puddle coverage)や気泡不在の検査または監視を困難にし、人によるこのような常時監視は、自動化の趣旨にそぐわない。

人間の視覚的検査を行わずに、標本またはスライド全体の被覆を確保するために、多数の手法が採用されている。これらの手法には、スライドを流体に漬ける(flood)、大量の分析流体の大きなたまりを分与する、または繰り返し流体をスライドに供給することが含まれる。しかしながら、このような手法の全ては、分析において使用される流体を無駄にし、その結果、組織の処理に一層費用がかかることになる。

基板の流体被覆を検出するシステムを開示する。このシステムは、基板を保持する基板ホルダと、基板ホルダに近接する容量性プレートのアレイと、基板ホルダ上に保持されている基板に流体を送達する(deliver)ように構成された流体源と、容量性プレートのアレイに電気的に接続された検知電子回路とを含み、検知電子回路が、周期的に、電流の２つの極を少なくとも１対のプレートに接続し、少なくとも１対のプレート間における電気的特性を示す出力信号を検出する。特定実施形態では、開示するシステムは、流体による分析または処置において、標本または基板の十分な被覆を自動的に検出および確認する。他の特定実施形態では、開示するシステムは、自動化被覆検証システムによって、または埋め込みフィードバック・ループと接続された一体化センサ・アレイを使用して、使用計器内部においてスライド上にある流体たまり(fluid puddle)の被覆の定量的評価を行う(provide)。埋め込みフィードバック・ループは、基板上に保持された生体標本の染色のためというような、基板に対する流体注液の間、基板上への流体の分与および／または混合を制御する。更に他の特定実施形態では、開示するシステムは、スライド上に分与された流体の体積の能動的、非侵襲的、リアル・タイム検出に対応し、例えば、システムの開発または技術支援サービスにおけるトラブルシューティング・システムとして使用することができる。更に他の特定実施形態では、開示するシステムは、基板に分与される流体のタイプ（エオシンのような染料溶液(dye solution)、緩衝溶液、非極性溶媒のような）の識別および／または検証に対応することができる。

また、方法も開示する。この方法は、試薬流体によって処置される標本を有する標本支持体を設けるステップと、試薬流体を標本支持体に注液するステップと、標本支持体上における試薬流体の存在を検知するステップとを含み、この検知は、複数のセンサ・エレメントの内少なくとも１対について、それぞれのインピーダンスの検出を含み、複数のセンサ・エレメントは、標本支持体のそれぞれのサブエリアにおける試薬流体の存在が、複数のセンサ・エレメントの内少なくとも１対間に形成されたキャパシタのインピーダンスを変化させるように、標本支持体に近接して位置付けられる。特定実施形態では、標本は生体標本、例えば、組織切片である。他の特定実施形態では、前記検知から流体被覆度を判定する。更に他の実施形態では、試薬流体を注液するステップは、試薬流体を流体供給メカニズムから注液するステップを含み、この流体供給メカニズムが、標本支持体上において所定の流体被覆度に達するように、検知するステップによってフィードバック制御され、試薬流体を分与する、混合する、またそうでなければ消散させる(disperse)。

開示するシステムおよび方法の更に他の特徴ならびに利点は、以下に続く詳細な説明を検討し、添付図面を参照することによって明白になるであろう。

図１は、開示するスライド処置システムの実施形態の斜視図である。 図２は、例示的な標本、およびその上に広がった流体の部分的なたまり(puddle)の平面図である。 図３は、基板上における液体の性質および分布を検出する容量性センサ・アレイを含む、本開示によるスライド処置システムの分解斜視図である。 図４は、透過性スライドを通して、下にある容量性プレートのアレイの特定実施形態までの詳細な縦断面図である。 図５は、開示する基板処置システムの基板ホルダの平面図であり、容量性センサ・アレイの実施形態を下に示し、容量性アレイから電界がどのように基板を貫通して生体標本および液体に達するかを上に示す。 図６は、本開示による例示的な容量性センサ・アレイの実施形態の模式図である。 図７は、開示する実施形態によるシステムのコンポーネントの模式図である。 図８は、本開示による基板処置用コンピュータ化制御システムの例示的な論理動作を示すフロー・チャートである。 図９は、容量性センサ・アレイがホルダではなく基板自体の中にある代替実施形態の斜視模式図である。 図１０は、種々のタイプの流体について、ＡＣ周波数の関数として電圧変化を示すグラフである。

基板の流体被覆を検出するシステムを開示する。このシステムは、基板を保持する基板ホルダと、基板ホルダに近接する容量性プレートのアレイと、基板ホルダ上に保持された基板に流体を送達するように構成された流体源と、容量性プレートのアレイと電気的に接続された検知用電子回路とを含む。一実施形態によれば、検知用電子回路は、周期的に、電流の２極を少なくとも１対のプレートに接続し、少なくとも１対のプレート間における電気的特性を示す出力信号を検出する。容量性プレートのアレイは、基板ホルダ内に一体化する、基板内に一体化し基板の基板ホルダとは逆側の位置に保持する内、１つ以上とすることができる。例えば、特定実施形態では、基板は顕微鏡側にあり、容量性プレートのアレイは、スライド上の流体のたまりのような、スライド上の流体を直接検知するように、スライドを支持する構造に内蔵される、スライド自体に内蔵される、またはスライドの上方に支持される。

特定実施形態では、検知電子回路は、流体被覆がない基板を示す基準線出力信号(baseline output signal)を判定するように構成される。他の特定実施形態では、検知電子回路は、流体被覆がない基板を示す基準線出力信号と比較して、複数対の容量性プレートの近傍における流体の存在による電界の相違を検出することによって、基板上において流体が分与される、混合される、移動される、または基板から除去されるというような、基板上における流体の被覆マップ(coverage map)を形成する(develop)ように構成される。更に他の特定実施形態では、被覆マップは、流体源を制御するコントローラに供給され、これによって、基板の所定の被覆に達するまで追加の流体を基板に注液するように流体源に指令するフィードバック・ループを形成する。同様にして、被覆マップは、特定のプロセス・ステップに必要とされるに応じて、システムに流体を混合、分配、または除去させるために使用することができる。

開示するシステムの検知電子回路において、任意の電流源を使用することができるが、特定実施形態では、電流はＡＣ電流であり、基板に注液された流体の識別情報(identity)の検出を補助するために、複数の周波数にわたってＡＣ電流をスキャンすることができる。基板に注液された流体を検出および／または識別するために、容量性プレート間において種々の電気および物理的特性を検出することができ、これらの電気および物理的特性には、例えば、電圧、電流、容量、電界強度、誘電係数、およびインピーダンスの内１つ以上が含まれる。

他の特定実施形態では、容量性プレートのアレイを含むセンサ・エリアは、複数のセンサを含み、各センサがスライドのそれぞれのエリアに向けられる。各センサは、離間された導体を有するキャパシタ構造を含み、これらの導体間において、電流が離間導体の両端に印加されるときまたは導体の一方が電流によって充電されるときに、電界が形成される。流体がスライド上の特定のエリア内に存在するとき、電界はスライドを貫通するので、キャパシタ構造の電気的特性に影響を及ぼす。

他の特定実施形態によれば、開示するシステムは、処置または分析のための材料の標本が載っているスライドまたはその他の標本支持体を含む。処置または分析は、標本への流体の注液を含む。この実施形態によるシステムは、更に、スライドを受けるクレードルと、流体をスライド上に供給するように支持された流体源とを有する。流体源は、制御回路によって制御される。センサ集合体が含まれ、このセンサ集合体は、複数のセンサを含み、各センサ集合体がスライドのそれぞれのエリアに向けられ、各センサ集合体は、離間された導体を有するキャパシタ構造を表し、電流が離間導体に供給されると、離間導体間には電界が形成される。各センサ集合体によって生成された電界は、スライド内、標本内、更に流体がスライド上のエリアにあるときには流体内にも達することができ、キャパシタ構造の電気的特性に影響を及ぼす。特定実施形態では、導体は、平面状正方形プレートとして製造され、配線されて直線的な行および列のアレイとなり、空間的にアドレス可能な検知エリアを形成する(create)。他の実施形態では、導体が対角線方向に一緒に配線され、空間的に選択可能な検知エリアに異なる形状を形成する(create)。更に他の実施形態では、１つの格子が、個々にアドレス可能なセンサ集合体に対する基準信号となる。更に他の実施形態では、直線的アレイの二次元アドレシングによって空間的選択検知信号を形成するか、または個々の検知プレートが１つのバックプレーン(single backplane)を基準とする(referenced)ことによって、支持構造内の異なる深さにプレート(plates)を位置付けることもできる。

以上の実施形態におけるように、センサ集合体（１つまたは複数）は、スライドまたは標本支持体を支持する構造の内部にあり、スライドまたは標本支持体に内蔵することができ、あるいはスライド上における流体の存在を検知できるように位置付けられるのであれば、標本の上方、または標本とスライドとの間というように、装置のどこかに支持されていればよい。スライド上の標本が装置内に入れられると、１回のポーリングあるいは連続的または周期的ポーリングにおいて、質問回路が電流を各センサの電極に供給し、スライド、標本、および／または流体標本（あるいは、流体がない場合には空気）を貫通する電界の生成(establishment)によって形成されるキャパシタの１つ以上の電気的特性を検出する。

他の特定実施形態によれば、電気回路は、質問信号または電流の各センサへの印加に応答して、それぞれの出力信号から、スライドについての被覆評価データを導き出すように構成され、被覆評価データは、センサ近傍におけるそれぞれの流体被覆度を反映し、これによって被覆マップを生成する。更に別の特定実施形態では、制御ループが流体源（またはスライド上において流体を拡散させるメカニズム、または振動支持体のような、スライド上において流体を再分配する何らかのその他のメカニズム）を制御し、スライド全体またはその所定の所望被覆エリアを流体で被覆するように、あるいは標本の適した被覆を確保するように、被覆マップに応答する。
更に別の特定実施形態では、電気回路は、電気的変化に基づいて、流体の識別情報の判定を行う。センサに印加される電流は、複数の電流を含み、各々が異なるそれぞれの周波数を有し、流体の識別情報の判定は、この電気回路によって補助される訓練済みロジスティック回帰アルゴリズム(trained logistic regression algorithm)を拠り所とする。また、この電気回路は、被覆評価および流体の識別に基づいて、スライド上における流体量に対応する体積評価も判定することができる。他の実施形態では、流体による処置のために標本を支持する標本支持構造を含むシステムを開示する。

他の特定実施形態では、標本支持構造が、処置または分析のために材料の標本を載せたスライドであるシステムを開示する。処置または分析には、標本への流体の注液を伴う。この実施形態では、このシステムは、更に、スライドを受けるクレードルと、流体をスライド上に供給するように支持された流体源と、一旦スライド上に供給された流体を攪乱する、あるいは言い換えると拡散(spread)または移動(move)させる混合または分与装置（対向可能な表面(opposable surface)、エア・ナイフ(air knife)、スライドと拡散デバイスとの間に毛管間隙を形成する可動拡散デバイス(moveable spreading device)、混合を行わせる振動エネルギまたは音響エネルギ源等）も含む。流体源および混合または分与装置は、所定のプロトコルにしたがって標本の処置を確実に実行するために、流体の位置を確認する(located)、配置する(placed)、除去する、またはそれ以外の操作が確実に行われるように、例えば、フィードバック・ループにおいて流体被覆マップを伝達して、制御回路によって制御される。

また、方法も開示する。この方法は、試薬流体によって処置される標本（例えば、組織切片のような生体標本）を有する標本支持体を設けるステップと、試薬流体を標本支持体に注液するステップと、標本支持体上における試薬流体の存在を検知するステップとを含む。検知するステップは、複数のセンサ・エレメントの内少なくとも１対についてそれぞれのインピーダスを検出するステップを含むことができる。複数のセンサ・エレメントは、標本支持体のそれぞれのサブエリアにおける試薬流体の存在が、複数のセンサ・エレメントの内少なくとも１対の間に形成されたキャパシタのインピーダンスを変化させるように位置付けられる。更なる特定実施形態では、前記検知から流体被覆度を判定する。更に一層の特定実施形態では、流体被覆度は、流体供給メカニズムから試薬流体を注液することによって、試薬流体の注液を制御するために使用される。流体供給メカニズムは、標本支持体上において所定の流体被覆度を達成するように、検知するステップによってフィードバック制御され、試薬流体を分与する、混合する、またそうでなければ消散させる。

他の実施形態では、開示する方法は、試薬流体によって処置される標本を有する標本支持体（顕微鏡スライドのような）を設けるステップと、試薬流体を標本支持体に注液するステップと、スライド上における試薬流体の存在を検知するステップとを含む。この実施形態によれば、検知するステップは、複数のセンサ・エレメントの各々について、それぞれのインピーダンス（容量、抵抗、誘電強度、および導電性を含むインピーダンスを構成する特性を含むと理解する）を検出するステップを含む。複数のセンサ・エレメントは、スライドのそれぞれのサブエリアにおける試薬流体の存在が、センサ・エレメント内に形成されたキャパシタのインピーダンスを変化させるように位置付けられる。特定実施形態では、この方法は、更に、例えば、被覆マップを提供するために、検知から流体被覆度を判定するステップを含む。この方法は、更に、電気回路によって動作させる流体供給メカニズムを使用して試薬流体を注液するステップ、電気回路によって動作させるメカニズムを使用して、一旦スライド上に注液された流体を混合するまたは消散させるステップ、および／またはセンサ・エレメントのインピーダンスの検出から導き出されたデータを使用して、スライドの所定の被覆エリアを試薬流体で被覆するように流体供給メカニズム、混合メカニズム、または消散メカニズムを制御するステップを含んでもよい。更に一層の特定実施形態では、試薬流体の識別が、検出するステップに基づいて行われ、更に、気泡形成の検出および／または試薬流体の蒸発の検出もインピーダンスの検出によって行うことができる。

更に他の実施形態によれば、開示する方法は、試薬流体によって処置される標本を有する標本支持体（顕微鏡のスライドのような）を設けるステップと、試薬流体を標本支持体に注液するステップと、スライド上において試薬流体の存在を検知するステップとを含む。この実施形態における検知するステップは、複数のセンサ・エレメントの各々についてそれぞれのインピーダンスを検出するステップを含む。複数のセンサ・エレメントは、スライドのそれぞれのサブエリアにおける試薬流体の存在が、センサ・エレメントによって形成されたキャパシタのインピーダンスを変化させるように位置付けられる。インピーダンスを検出するステップは、センサ・エレメントのプレートによって形成されるキャパシタのプレートの内１つに電流を印加し、プレートの他方において信号を受け取ることによって行うことができる。この信号は、他方のプレートからの出力電流の形態であってもよく、この信号から、電圧降下またはアンペア数(amperage)低下によって、インピーダンスを判定することができる。また、検知するステップから被覆度を判定することもできる。次いで、電気回路によって動作させる流体供給メカニズムを使用して、試薬を注液するステップを実行することができ、この方法は、更に、スライドの所定の被覆エリアを試薬流体によって被覆するように、センサ・エレメントのインピーダスの検出から導き出されるデータを使用して、流体供給メカニズム（またはその他の被覆に影響を及ぼす手段）を制御するステップを含むことができる。更なる特定実施形態では、この方法は、更に、インピーダンスを検出することによって、試薬流体における気泡の形成を検出するステップを含む。

本明細書において使用する場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈe」は、文脈が明らかにそうでないことを示すのでなければ、複数の引用物(referent)を含むものとする。同様に、「または」(or)という単語は、文脈が明らかにそうでないことを示すのでなければ、「および」(and)を含むことを意図している。

「備えている」(comprising)、「含んでいる」(including)、「有している」(having)等の用語は、相互交換可能に使用され、同じ意味を有するものとする。同様に、「備える」(comprises)、「含む」(includes)、「有する」(has)等も、相互交換可能に使用され、同じ意味を有するものとする。具体的には、これらの用語の各々は、共通の米国特許法における「備えている」(comprising)の法的な定義に倣って定義されるものとし、したがって「少なくとも以下の」を意味する開放用語(open term)であると解釈され、更に追加の特徴、限定、態様等を除外しないと解釈されるものとする。つまり、例えば、「コンポーネントａ、ｂ、およびｃを有するデバイス」とは、このデバイスが少なくともコンポーネントａ、ｂ、およびｃを含むことを意味する。同様に、「ステップａ、ｂ、およびｃを伴う方法」という語句は、この方法が少なくともステップａ、ｂ、およびｃを含むことを意味する。更に、本明細書において、ステップおよびプロセスの概要が特定の順序で説明される場合があるが、文脈によって特定の順序が明らかに示されるのではない限り、順番に現れるステップおよびプロセスは変化してもよいことは、当業者には認められよう。

本明細書において使用する場合、「約」(about)という用語は、引用される数値の±１〜１０％、例えば、引用される数値の±１〜２％というような、引用される数値の±１〜５％を意味するものとする。

本明細書において使用する場合、「実質的に」(substantially)という用語は、少なくとも９０％、例えば、この用語によって引用される目的語の少なくとも９９％というような、少なくとも９５％を意味するものとする。

本明細書において使用する場合、「生体標本」(biological sample)という用語は、有機体から得られた標本、それ以外では、有機体の組織から誘導された(derived)標本、あるいは有機体に存在する流体または有機体から放出された流体から誘導された標本を意味するものとする。

これより図１を参照すると、一実施形態のシステムにおいて、ガラス製の顕微鏡スライド１が、分析すべき組織またはその他の材料の薄い標本３が、本システムに装填されている(apply)。スライド自体は、ガラスで作られるのが一般的であるが、種々の材料および構成であってもよく、種々の被膜を有してもよい。スライドの長さおよび幅は、大いに異なることもあるが、最も一般的に使用されるスライド１は、約１インチ×約３インチ（または約２５ｍｍ×約７５ｍｍ）の寸法を有する。ガラス・スライドの厚さは、大抵の場合、約０．９から約１．２ｍｍの範囲内である。通常、組織標本は、約１ミクロンから約２０ミクロンの範囲の厚さを有するというように、極端に薄い。プレートまたは検査ストリップ(test-strip)またはペトリ皿のような、スライド以外の他のタイプの標本支持構造も、本開示にしたがって採用することができる。

装置およびホルダ構造
スライド１は、全体的に５で示す装置に置かれまたは運ばれ、ホルダ構造７によって支持される。ホルダ構造７は、スライド１が静止する上面を有し、必要に応じて、スライド１を定位置に保持するクレードルまたはトレイ構造を有してもよい。加えて、ホルダ構造７は、スライド１および標本３の温度を、それが受けるプロセスに適した温度にするために、ヒータのような温度制御手段(temperature controls)も含んでもよい。

流体供給メカニズム９が、スライド１の上面、および標本３上全域に流体を供給する。この流体供給メカニズム９は、流体の供給を制御してスライド１を被覆するように、装置５のコンピュータまたはプロセッサのような電子回路によって制御される。

図２を参照すると、図示する好ましい実施形態において、流体がスライド１に注液されるにつれて、流体はたまり(puddle)１１を形成する。望まれるたまりのサイズは、用途に応じて変化してもよい。通常では、たまりは少なくとも標本を被覆しなければならないが、標本の一部のみを構成する所定の被覆エリアだけが所与の流体によって被覆されればよい用途もあるであろう。他のシナリオでは、標本全体が被覆されることを確保するように、スライド全体を被覆することが望ましい。これらの用途では、本明細書において説明するように、たまり１１がスライド全体を被覆しないとき、更に多くの流体を供給し（または再分配し）、スライドの上面全体を被覆するまで流体が供給され、それに連れてたまり１１が広がっていく。

他の実施形態では、標本およびスライドにわたって２つ以上の異なる流体を、全体的に平行な縞模様、帯(swath)、またはレーン(lane)状に注液するために、異なるタイプの流体供給メカニズム９を使用することもでき、各流体がそれぞれの望ましい被覆エリアを有する。また、本明細書におけるプロセスは、このような流体供給システムと共に使用すると、種々の流体のスライドへの適正な注液を確保するという利点を得ることができる。
図３を参照すると、ホルダ７は、上位受入エリア１５がある基礎構造１３を有し、上位受入エリア１５上にセンサ・アレイ・プレート１７が取り付けられ、この取り付けられた位置から、プレート１７が電気的に装置の電子回路（図示せず）に接続される。

センサ・アレイ
図４を参照すると、センサ・アレイ・プレート１７は、表面が上を向いた、概略的に平面状の容量パッドまたはプレート１９の行列を有する。好ましい実施形態では、プレート１９は、各々、約３mm×３mmの正方形であるが、異なるサイズのプレートを使用してもよい。例えば、約２mmから約４mmまでの正方形、矩形形状のような異なる形状であってもよい。更に、基板内およびその上に注がれた(placed)流体内において異なるレベルの検出を行うために、プレート間の間隔を、例えば、約０．０５mmから約０．２mmまで、例えば、約０．１mmまで変化させることができる。加えて、図示する好ましい実施形態のセンサ行列は、各々１６枚のプレートを有する８本の行であるが、行および列の数を変更してもよく、更に配列の構成(configuration of the arrangement)も、矩形行列以外のいずれかにしてもよい。

プレートは、図６に示すプレート間の配線を除いて、互いに隣接するが、電気的に分離する。センサ・プレート１７は、底面３内に嵌合するか、または底面３上に取り付けられ、電気接続または接点が、センサ・プレート１７のプレート１９を、底面３内にある電気回路に接続する。この電気回路は、装置の電子回路が、スライド上における液体またはその他の材料の存在を判定するために、センサ・プレート１７にアクセスすることを可能にする。センサ・プレート１７は、図３および図４に示す垂直壁１８間のリセスのような、上位リセス内に嵌合してもよい。垂直壁１８は、センサ・プレート１７を適所に保持する一種のクレードルを定める。壁１８は、センサ・プレート１７に関してスライド１を予測可能に整列し位置決めするように、スライド１をセンサ・プレート１７上の適所に保持するためには、センサ・プレート１７よりも上まで延在するとよい。尚、スライドおよびセンサ・プレート１７の整列を遂行するためには、種々の構造的配列(structural arrangement)を採用できることは理解されよう。

スライド１がセンサ・プレート１７上に静止しているとき、図１の流体供給メカニズム９によってスライドに注液された流体を検出するために、センサ・プレート１７を使用することができる。

必要に応じて、プレート１９の上に、保護材料層または薄い材料プレート(thin plate of material)を使用してもよいが、この保護層がスライド上における流体の検知を妨害しないことが条件となる。

センサの動作
センサ・プレート１７は、図５の詳細図に示すように、携帯電話(cell phone)上の容量性タッチ・スクリーンと同様に動作する。

検知電子回路２１がセンサ・プレート１７と接続され、各プレート１９の容量性特性を走査するために、電力をプレート１９に選択的に供給する。所与のプレート１９ａを走査するには、検知電子回路２１が周期的に電流の２極、好しくは、１から１０ボルトまでの電圧のＡC電流を、プレート１９ａおよび１つ以上の隣接するプレート１９ｂに接続する。このように接続されると、プレート１９ａおよび隣接するプレート１９ｂはキャパシタとして作用し、プレート１９ａおよび１９ｂ間に電界２３を形成する。

流体がスライド１に注液されるに連れて、たまり１１がセンサ・プレート１７におけるキャパシタ・プレート１９ａの電界の有効エリア内に広がっていく。この電界は、破線２５で表されており、一方のプレート１９ａから出て、スライド１を貫通し、標本３およびたまり１１がスライド１上においてプレート１９ａ付近のエリアにあるときに、これらを貫通し、次いで他方のプレート１９bまで達し、キャパシタ回路が完成する。

プレートの行列上に誘電体層があってもよいが、たまり１１および標本３は双方共ある程度誘電特性を有する。たまり流体(puddle fluid)は水溶性でよいが、ある組織分析では、有機性または他のタイプの流体でもよく、そして標本３の材料は、非常に薄いが、任意の種類の有機組織または材料でもよい。結果的に、たまり１１の存在、そしてこれよりも程度は低いが、標本３の存在が、プレート１９ａおよび１９b間のインピーダンスを変化させ、更に入力電流または信号の印加によってたまりを貫通して生成された(establish)電界に応答して生成される出力信号の特性を変化させる。

以下で説明するように、検知電子回路２１は、キャパシタ１９ａ／１９bを通して生成された(establish)電界の電気的特性を検出し、これらの特性、またはこれらの検出値から導き出されるなんらかの比較データを示すデータを、本装置の他の回路に送る。プレート１９ａおよび１９bが電流源に接続されているときの出力信号の特性を、スライド１だけでその上には標本も流体もなく空気だけがあるときの基準線インピーダンスと比較することによって、たまりおよび／または標本によって生ずるインピーダンスの判定が可能になり、この判定から、以下で説明するように、多数の結論を引き出すことができる。

尚、本発明によるシステムは、単に電流をそれぞれのプレートに流すだけでなく、センサのインピーダンスまたは容量あるいは関連特性を判定するために、種々の設計の中から１つ以上を採用してもよいことは理解されよう。

センサ・プレート
図６は、センサ・プレート１７内のプレート１９と、補助電気回路(supporting electric circuit)２１と接続されたリードとの間における電気接続の模式図を示す。

この一実施形態によれば、プレート１９の全てが同一平面上にあり、８列および１６行に編成されている。１６行の各々には、それぞれの駆動線２２が関連付けられており、各列には、それぞれの検知線２４が関連付けられている。駆動線２２および検知線２４は、検知電子回路２１（図５および図７）と接続されている。検知電子回路２１は、空間エンコード方式で(spatial encoding scheme)プレート１９の各々に関して電界を生成する(establish)ために、選択的に入力電流を印加する。

図６に見られるように、アレイにおけるプレート１９の内部接続は、各行におけるプレート１９１（白い正方形）がそれぞれの駆動線２２に直列に接続され、列のプレート１９２（陰影付きの正方形）と交互するようになっている。各列のプレート１９２は、それぞれの検知線２４に直列に接続されている。これらの接続によって、入力電流を供給し、その特定のプレートの行および列の線２２および２４間において出力信号を検出することによって、各プレート１９をポーリングする(poll)ことが可能になる。

システム動作
図７を参照すると、センサ・プレート１７を使用する装置の回路および機能が示されている。

センサ・アレイ１７は、誘電体層２５と、アレイの特定のセンサ２７とを含む。特定のセンサ２７とは、一般的には、それぞれのプレート１９を指す(refer to)。先に説明したように、センサ・アレイ１７は、大まかにスライド１、標本３、およびたまり１１を含む目標標本流体界面２９と共に、１組のキャパシタを一緒に形成する。

一実施形態による装置は、コンピュータ化システムであり、１つ以上のマイクロプロセッサと、このマイクロプロセッサと接続された電子データ・ストレージとを含む。電子データ・ストレージは、１つまたは複数のマイクロプロセッサによって実行され装置の動作を制御するためのソフトウェア命令を構成するデータを格納する。これは、当技術分野では周知であり一般的なことである。

センサ・アレイ１７の個々のプレート１９は、検知ハードウェア３１によってアクセスされる。検知ハードウェア３１は、図５における電子回路２１に対応する。検知ハードウェア３１は、１から１０ボルト以上の範囲の電圧を有する電流、好しくは、ＡC電流を生成する励起回路３３を含む。ある実施形態において生成される電流は、１つ以上のＡC電流を含み、以下で論ずるように、スライド上における流体の識別のために、各々がそれぞれ所定の交流周波数を有する。

励起回路３３は、電流を信号多重化コンポーネント３５に供給する。信号多重化コンポーネント３５は、本質的に、制御および同期コンポーネント３７によって制御されるスイッチング・コンポである。制御コンポーネント３７は、コンピュータ化装置によって、好しくは、コンピュータ・アクセス可能なメモリに格納されている制御ソフトウェア・データにしたがって動作する装置におけるマイクロプロセッサによって制御される。信号多重化コンポーネント３５は、励起回路３３からの電流を、センサ・アレイ１７の種々のセンサ２７の各々に直列に伝達するように、スイッチを制御する。種々のセンサ２７は全て、ポーリング・サイクル毎にポーリングされる。ポーリングは、装置の動作に適したデューティ・サイクルで、例えば、１から２０秒毎に、周期的にまたは連続的に行われる。

図示したシステムおよび方法において、センサ・アレイ１７の１２８個の個々のプレートまたはセンサは、各々、ポーリング・サイクル毎に制御コンポーネント３７によって個々にポーリングされ、信号多重化コンポーネント３５に、所与のプレート１９毎の該当する線２２または２４にＡC電流を接続させ、更に、各プレート１９がポーリングされるときに形成される(created)キャパシタ構造の他方側にある該当する線２２または２４からの出力信号を測定させる。

信号多重化コンポーネント３５は、ポーリングされた個々のセンサ２７からの出力信号を受け取り、この信号をセンサ検出回路３９に供給する。センサ検出回路３９は、信号多重化コンポーネント３５からの出力電流を受け取り、更に励起回路３３からの基準入力信号も受け取り、これら２つを比較して、相対的な電気的特性の判定を行う。相対的な電気的特性とは、例えば、所与のキャパシタによって伝えられるＡ／C信号の振幅またはアンペア数(amperage)、電圧、位相ずれを含むことができる。

主要な装置プロセッサ・システムを４０で示す。検知ハードウェア３１の検出回路３９からのデータは、電子的にアクセス可能となるように、格納されているソフトウェアを実行するプロセッサによって動作させる信号処理コンポーネント４１に送られる。プロセッサは、以前の読み取り値からの少なくとも一部のデータを格納し、センサ・アレイに関する現在のポーリング・データだけでなく、格納されているデータも使用して、流体によるスライドの被覆を判定し、更にスライドに注液された流体の種類を判定し、スライド上にある流体の体積を判定することもできる(possibly)。

信号処理プロセス・ステップは、センサのポーリングのデータを処理して、スライドおよびその上にある流体または標本についての情報を導き出すステップを伴い、この情報は、例えば、以下で論ずるように、流体によるスライドの被覆というような、１つ以上の様々な種類の情報であってもよい。どのような情報を導き出すことができても、信号処理の結果は、回答または出力４３として供給される。

装置５のプロセッサまたは内部コンピュータは、格納されているソフトウェアを実行する。このソフトウェアは、図８のフロー・チャートに示す方法にしたがって、プロセッサまたは内部コンピュータを機能させる。

最初に、このプロセスを開始するために、システムを始動させ、ステップ４９において、センサ・プレートまたはアレイを装置５またはステイナ(stainer)に位置付け、その上にスライドを載せる。スライドおよび標本を有するが未だ流体は注液されていないセンサ・アレイの初期ポーリングを、ステップ５１において実行する。あるいは、スライドの電気的特性のみを測定する電界を形成する(create)周波数で、初期ポーリングを実行することができる。キャパシタ・プレート１９は、各々、それぞれの出力電流を有し、この出力電流を分析して、特定のプレート１９のエリアにおけるスライドに対する流体の注液によるインピーダンス変化を示す電気的特性を求める。これによって、センサ・アレイのプレート毎の基準線値として機能を果たすデータが得られる。好ましい実施形態では、所与のプレートのエリアにおけるスライドの被覆を判定するために使用される電気的特性は、駆動電流がプレート１７に供給されたときの隣接するプレート１７に関する電圧降下である。

判断５３において、プレート１９毎の電流センサ値を導き出すために、センサ・プレートをポーリングする。電流センサ値は、各センサ・プレート１９両端(across)の入力および出力信号について検出された１つ以上の電気的特性、例えば、出力電圧または出力電圧に対する入力電圧の比率等から導き出される。判断５３において、プレート毎のこの電流センサ・データを、ステップ５１において判定した所与のプレートの基準線閾値レベルと比較する。電流センサ・データが、プレート１７に対するインピーダンスのレベルが一定のままであること、即ち、インピーダンス変化を起こす程十分な流体がスライドに添加されていないことを示す場合、判断５３から元に戻って(loop)次のデューティ・サイクルに移り、現在ポーリングしているセンサ・アレイ・データが、プレート１８の一部において流体が存在することを示すまで、元に戻りセンサ・アレイをポーリングすることを繰り返す。これは、たまり１１がスライド１上で形成され始めていることを示す。

被覆マップ
一旦たまり１１が形成され始めたなら、本システムはセンサまたはアレイ１７を走査し、電流センサ・データの基準線データとの比較に基づいて、センサ・アレイ１７の内、部分的にまたは完全に流体が覆い被さっているプレート１９を識別する。

センサ・アレイ１７の個々のキャパシタ１９に印加される出力および入力信号間の具体的な差は、流体がスライドに注液されるまで、通常一定値である。流体が最初にスライドに注液されるとき、プレートの所与のエリアの部分的な被覆しかない場合、プレート間における媒体の有効誘電強度の変化が断片的であることにより、入力信号と比較して、出力信号にはわずかな増大しか起こらない。被覆が完全であると判定するには、この出力信号値は、何らかの所定の閾値レベルを超えて、プレート１９のエリアが流体によって完全に被覆されていることを確認し、更に、スライドおよび標本に対してたまり１１が完全に注液された状態において、油滴が水性のたまりの下に取り込まれた場合のような泡も、その他の中断(interruption)もないことを確認しなければならない。油滴が水性のたまりの下に取り込まれた場合、油滴の非極性(non-polar nature)のために、異常に低い出力信号となる。

被覆マップの準備のために、プロセッサおよび関連する電気回路は、連続的にそして繰り返し、センサ行列１７上のパッド１９の各々のインピーダンスまたはその他の関連する電気的特性をチェックする。プレート１９毎に結果的に得られた電気的データは、本システムにおいて格納された電子的アクセス可能格納データ値のアレイのそれぞれのエレメントに記録および格納される。いずれかの特定のパッドまたはプレート１９についてのインピーダンス変化が、直前のインピーダンス値に関して所定の閾値差または比率を超える場合、データ値またはフラグのアレイにおける対応するエレメントの値は、その特定のプレート１９に対して、それがたまりによって被覆されたことを示す値に設定された値を有する。この被覆マップ値のアレイは、プレート１９の各々のインピーダンスの値が変化するに連れて、リアル・タイムで修正される。この被覆マップの各エレメント、および対応する表示は、それぞれのエリアが流体によって被覆されたことの単なるデータ・フラグまたは指示であってもよい。あるいは、アレイのエレメントは、流体が存在しない状態から流体によって完全に被覆された状態までの被覆度を示すデータ値であってもよい。

アレイのエレメントの全てが、スライドが完全に被覆されたことを示すまで、または所望の被覆エリア、例えば、標本の形状に対応するアレイの１組のエレメントが、このエリアが流体によって被覆されており気泡がないことを示すときに、このアレイの値は、流体供給メカニズム９にもっと多くの流体をスライドに供給することを指令するか、流体の供給を中断するか、あるいは本システムにおける分配デバイスによってスライド上で流体を更に混合するまたは消散させるか否か決定するために、制御システムによって使用される。センサ読み取り値のアレイのデータは、被覆マップを準備するために使用され、被覆マップは、例えば、技師によってたまり変化として目視することができるように、ステップ５７において出力される。

また、被覆マップを走査した結果５５は、所定の所望被覆エリアまたはスライド全体が完全に被覆されるまで流体を供給し続けるように、スライド上でたまり１１を形成する流体を供給する流体供給メカニズムを自動的に制御するためのソフトウェア実装制御ループにおいて使用することもできる。これによって、完全な自動プロセスによって、スライド全体に対する流体の効率的な注液が可能になる。

流体の識別
スライドの表面上においてたまりの存在を純粋に検知することに加えて、標本を検査または染色するときに使用される異なるタイプの流体が、異なる誘電係数または特性を有し、様々な周波数を有する交流電流に応答して流体が呈する誘電体またはインピーダンス・特性に基づいて、センサ・アレイ１７がたまりの中に存在する具体的な１つまたは複数の流体を識別できることが発見されている。したがって、スライド１に流体をかける(loading)間またはその後において、スライド上にある流体における具体的な流体成分を判定し、スライドに注液されているのは何か正確に分類するために、センサ・アレイ１７を使用することができる。好ましい実施形態では、これを行うには、プレート１９をポーリングし、所与の流体に印加するために生成された(developed)１組の、例えば、５つの離散指紋周波数(discrete fingerprint frequencies)で、１から１０ボルトまでの電圧を有するＡC電流に応答する個々のキャパシタ・プレート１９のインピーダンスまたはその他の関連する電気的特性を測定する。

異なる周波数における測定により、本システムは、単体であってもまたは他の流体と一緒に混合されていても、注液された異なるタイプの流体間で区別することが可能になる。この測定は、ステップ５７において行われる。ステップ５９において、流体の識別を分類するためにロジスティック回帰を適用し、ステップ６１において、試薬の識別を示す出力報告が行われる。

一般に、水性流体では、溶液の極性およびある程度その導電能力によって、キャパシタ・プレート１９を通過する電圧が増大する。対照的に、油およびその他の有機溶剤または試薬は、それらを通過する電流に対する抵抗が大きいことにより、インピーダンスが大きくなる傾向がある。加えて、異なる溶液は、印加される異なる周波数に応じて、異なるレベルの誘電性(dielectric)を有する。一般に、印加されるＡC電流の周波数は、約１２ｋＨｚにおいて開始し、そのレベルから上昇する。例えば、１組の周波数、１６．３ｋＨｚ、２２．３ｋＨｚ、１．０２ＭＨｚ、２．５９ＭＨｚ、および３．９５ＭＨｚを本システムにおいて有利に採用することができる。

図１０を参照すると、１から１０，０００キロヘルツ、即ち、ｋＨｚの周波数入力の範囲にわたって、入力対出力電圧比に対する異なる流体組成の効果は可変であり、例示的な流体、即ち、青色発色溶液、ヘマトキシリン溶液、エオシン、差別化溶液、洗浄溶液、および空気の各々について、区別できる程度であることが見てわかる。入力電圧の出力電圧に対する比率は、約０．５から開始し、約１０ｋＨｚまで上昇し続け、そこで、異なる流体組成毎に異なるレベルにおいてプラトーに達し、次いでその後、所与の流体のインピーダンスから、ある範囲の周波数にわたって、異なるレベルの出力電圧が得られる。

約１２ｋＨｚから開始する５つの全く異なる(different distinct)周波数において、変動するインピーダンスまたは誘電品質をチェックすることによって、具体的な流体を識別することができる。これらの周波数値、ならび入力電圧対出力電圧比を使用するニューラル・ネットを使用してシステムを訓練すると、スライドに注液される具体的な流体組成を識別することに関して、非常に高い信頼性が得られる(develop)。
この判定の用法の１つに、間違った流体が使用されたか否か判定し、このような判定に応答して装置のユーザ(human user)に警告することがあげられる。

体積推定
図８を参照すると、一旦被覆マップが完成したなら、ソフトウェアはステップ６３において更に体積推定値を計算することができる。体積の判定は、体積を投影することによって、スライドの面積を示すデータ、およびスライドの被覆、即ち、完全な被覆またはそれよりも少ない量に基づいて、定義されている流体組成データと組み合わせて、スライド上に存在する流体の量について行われる。このデータから、たまりの厚さおよびその概略的な寸法を決定することができ、これらから、存在する流体の体積の推定値を計算することができる。

スライド１に注液された流体の体積を示すために、この体積推定データ値を６５において出力する。

一旦これらの判定および／または出力が行われたなら、分析を続けるか、または実験を終了するかについての判定を、ステップ６７において行い、最初の初期設定(original initial setup)、即ち、ステップ５１に制御を戻し、新たな標本を有する新たなスライドを装置に装填し、標本だけを有するスライドについて、基準線閾値インピーダンスを検出する。

これより図９を参照すると、代替実施形態では、スライド７１自体に埋め込みセンサ・アレイが設けられている。この実施形態のスライド７１は、プレート７５のセンサ・アレイを覆う(overlie)上位プレートまたは膜７３を有する。プレート７５は、以前の実施形態のプレート１９と同様に、電気的に接続されている。スライド７１は、スライドの一方の長辺および一方の短辺上に接点７７の行を有し、これらの接点７７が、以前の実施形態の線２２および２４と同様の内部線の接点となって機能し(provide for)、プレート７５を検知ハードウェアの電子質問回路と接続するので、スライドが装置５の基準構造(base structure)３のトレイに挿入されると、電気的な接触がなされ、センサの全てを覆う流体たまりによるスライドおよびその標本の被覆動作が可能になる。

本明細書における用語は、限定ではなく、説明の用語として読解されてしかるべきである。何故なら、本開示によるそれらは、それらの前に(before them)、本開示の主旨や範囲から逸脱することなく、変更や修正を行うことができるからである。

Claims (15)

1. 基板の流体被覆を検出するシステムであって、
   ａ．前記基板を保持する基板ホルダと、
   ｂ．前記基板ホルダに近接する容量性プレートのアレイと、
   ｃ．前記基板ホルダ上に保持された前記基板に流体を送達するように構成された流体源と、
   ｄ．前記容量性プレートのアレイに電気的に接続された検知電子回路であって、前記検知電子回路が周期的に電流の２極を少なくとも１対のプレートに接続し、前記少なくとも１対のプレート間における電気的特性を示す出力信号を検出する、検知電子回路と、
   を含む、システム。
2. 請求項１記載のシステムにおいて、前記容量性プレートのアレイが前記基板ホルダに一体化される、システム。
3. 請求項１記載のシステムにおいて、前記容量性プレートのアレイが前記基板に一体化される、システム。
4. 請求項１記載のシステムにおいて、前記容量性プレートのアレイが、前記基板の前記基板ホルダに対向する側における位置に保持されるように構成される、システム。
5. 請求項１から４記載のシステムにおいて、前記検知電子回路が、流体被覆を有さない基板を示す基準線出力信号を判定するように構成される、システム。
6. 請求項１から５記載のシステムにおいて、前記検知電子回路が、流体被覆を有さない前記基板を示す前記基準線出力信号と比較して、複数の対の容量性プレートの近傍における前記流体の存在による電界差を検出することによって、前記流体が前記基板に分与されるに連れて、前記流体の被覆マップを形成する(develop)ように構成される、システム。
7. 請求項６記載のシステムにおいて、前記被覆マップが、前記流体源を制御するコントローラに供給されて、前記基板の所定の被覆に達するまで、追加の流体を前記基板に供給するように前記流体源に指令するフィードバック・ループを形成する、システム。
8. 請求項６記載のシステムにおいて、前記基準線出力信号を、前記流体が除去された後の第２出力信号と比較して、流体が前記基板上に残っているか否か判定することによって、流体が前記基板から除去されたことを判定するために前記被覆マップが使用される、システム。
9. 請求項１から８記載のシステムにおいて、前記検知電子回路の電流がＡＣ電流である、システム。
10. 請求項９記載のシステムにおいて、前記検知電子回路のＡＣ電流が、前記流体の識別情報の検出のために、複数の周波数にわたって走査される、システム。
11. 請求項１から１０記載のシステムにおいて、前記少なくとも１対の容量性プレート間において検出される前記電気的特性が、電圧、電流、容量、およびインピーダンスの内１つ以上である、システム。
12. 方法であって、
    ａ．試薬流体によって処置される標本を有する標本支持体を設けるステップと、
    ｂ．前記試薬流体を前記標本支持体に注液するステップと、
    ｃ．前記標本支持体上における前記試薬流体の存在を検知するステップであって、前記検知が、複数のセンサ・エレメントの内少なくとも１対について、それぞれのインピーダンスの検出を含み、前記標本支持体のそれぞれのサブエリアにおける前記試薬流体の存在が、複数のセンサ・エレメントの内少なくとも１つの対間に形成されたキャパシタのインピーダンスを変化させるように、前記複数のセンサ・エレメントが前記標本支持体に近接して位置付けられる、ステップと、
    を含む、方法。
13. 請求項５記載の方法において、前記標本支持体が、生体標本が接着されたスライドである、方法。
14. 請求項１２または１３記載の方法において、前記検知から、流体被覆度が判定される、方法。
15. 請求項１４記載の方法において、前記試薬流体を注液するステップが、前記試薬流体を流体供給メカニズムから注液するステップを含み、前記流体供給メカニズムが、前記標本支持体上において所定の流体被覆度に達するように、前記検知するステップによってフィードバック制御されて、前記試薬流体が分与、混合、またそうでなければ消散される、方法。

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