JP3635045B2 - 自動分注装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動分注装置に関し、特に分注先容器に付与される陰圧により分注元容器から試料を採取する分注装置における分注量制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、臨床検査分野で行われる血液検査では、被検者の血液が密閉式採血管（以下、採血管と呼ぶ）に採取され、それを遠心分離して得られる血清が検体として用いられるのが一般的である。この採血管から血清を採取する作業は、衛生管理上、当該採血管の封止栓を取らずに行われることがある。採血管から封止栓を取らずに内部の血液試料を抜取るために、従来から各種の装置が提案されている。
【０００３】
図６は、遠心分離後の採血管内の血清を定量採取可能な血液試料採取装置の模式的な基本構成図である。この図に示す構成では、倒立された採血管２は中央部がゴム部材で形成された封止栓４で封止されており、その封止栓４にカプラー６の単管型の採取針８が穿刺される。カプラー６の下にはカプラー台１０を介して採取容器１２が配置される。この採取容器１２はカプラー台１０に設けられるパッキング材に圧接され、その内部の気密を保つことができる。この気密空間は、採取針８によって採血管２に連通されるとともに、カプラー台１０に接続されたエアチューブ１６によって当該気密空間に対する減圧及び大気開放を周期的に行う減圧・大気開放手段につながる。減圧・大気開放手段は、例えば、エアチューブ１６に接続される三方弁１８と、この三方弁１８の一つの方向に接続された減圧ポンプ２０と、三方弁１８の残りの一方向が大気に開放されている開放端２２とによって構成される。減圧ポンプ２０によって採取容器１２の気密空間に陰圧を付与すると、採取針８を介して採血管２から血清２４が採取容器１２へ吸引・採取される。
【０００４】
このような採取容器１２に付与した陰圧により採血管２から血液試料を吸引・採取する装置において、採取容器１２への血液試料の採取量を定量制御する第１の従来技術は、減圧・大気開放手段を制御し、一回の減圧及び大気開放を併せて基本ステップとして、それを繰り返し実行させるというものである。この技術では、一回の減圧時間が、採取針８を通過する血液試料の流速が一定とみなせる短い時間に設定され、減圧回数に基づいて採取容器１２への血液試料の採取量が制御される。
【０００５】
この技術では、採血管から採取容器へ流れる血液試料の流速は血液試料の粘性、採血管内の気体層２６の体積、採取針８の管径のばらつきによって違うので高精度の分注が難しいという問題があった。
【０００６】
第２の従来技術は、採取容器１２内の気体の圧力を検知する圧力センサを設け、採取容器１２内の圧力上昇をモニタするものである。この技術では、圧力が目標採取量に対応した値に到達すると、採取容器１２を大気開放して、採取容器１２への血液試料の流入が停止される。
【０００７】
この技術では、制御系の応答時間が問題となる。すなわち、所定圧力に到達したことが検知されてから大気開放され流入が停止されるまでに遅れが生じる。この遅れ時間に採取容器１２に流入する血液試料の量は、上述のように流速が種々の要因で異なることの影響を受け、ばらつきを有する。そのため、この技術でも採取量の十分な精度を得ることが難しいという問題があった。
【０００８】
これら従来の技術の問題点を解決する採取量制御方式として、採血管２内の気体層２６と採取容器１２内の気体との圧力平衡を利用する技術が提案されている。この技術では、所望の採取量に応じた陰圧が採取容器１２内に付与され、血液試料の流入により採血管２の気体層２６と採取容器１２の気体との圧力が平衡すると自律的に血液試料の流入が停止する。ここで、所望の採取量に応じた陰圧は、採血管２の気体層２６及び採取容器１２の気体それぞれについての気体状態方程式を連立させ、これを解くことにより求められる。そのため、採血管２の気体層２６の気体状態量（圧力、体積）を知ることが必要となる。
【０００９】
この方式を採用した第３の従来技術は、血液試料を分注する前に採血管２の気体層２６を大気開放してその圧力を既知とすると共に、気体層２６の体積を測定するセンサを設け、得られた気体層２６の圧力及び体積から採取容器に付与する上記陰圧を決定するものである。気体層２６の体積を測定するセンサは、例えば、採血管２の外側から非接触で採血管２内の液面・界面の位置を検知する界面センサである。内径が既知の採血管２を用いれば、界面センサから得られる気体層２６の高さからその体積を求めることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記第３の従来技術は、採血管の気体層の体積を検知する界面センサ等を必要とし、機構が複雑になるという問題があった。また、気体層の境界を規定する血清液面や分離剤の表面が平らでない場合は、界面センサを用いた気体層体積の測定の精度が低下し、高精度な分注ができないという問題があった。
【００１１】
本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、分注元容器内の気体層の気体状態量を検知するための特段のセンサを設けることなく、分注元容器内の気体層と分注先容器の気体との圧力平衡に基づく試料採取量の高精度な制御が可能な自動分注装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る自動分注装置は、分注先容器に所定陰圧を付与して分注先気体を初期状態に設定する分注先初期設定手段と、前記初期状態の設定後に分注元容器から前記分注先容器へ未知量の試料が予備採取されて前記分注先気体が前記分注元容器内の分注元気体と圧力平衡状態となった時点にて、前記分注先気体の平衡時気体状態量を検知する平衡時分注先状態量検知手段と、前記初期状態にて設定された前記分注先気体の初期気体状態量及び前記平衡時気体状態量に基づいて、前記予備採取前又は前記圧力平衡状態での前記分注元気体の分注元気体状態量を推定する分注元状態量推定手段と、前記分注元気体状態量及び前記試料の目標採取量とに応じて、前記予備採取後に行われる本採取にて前記分注先容器に付与すべき目標陰圧を求める本採取条件決定手段と、前記分注先容器に前記目標陰圧を付与する分注先目標陰圧付与手段とを有するものである。
【００１３】
分注元容器から分注先容器へ採取される試料の量は、分注先容器に付与される陰圧に応じて変化する。しかし、この陰圧が同じであっても、分注元容器内の分注元気体の圧力、体積等の気体状態量が相違すると、分注先容器に採取される試料の量に差異が生じる。本発明によれば、この試料の採取量に影響を与える分注元容器の気体状態量が、予備採取動作により推定される。分注先気体及び分注元気体は予備採取前後にてそれらの気体状態量を変化させるが、この予備採取は分注先気体及び分注元気体それぞれの気密状態を保ったままで行われる。そこで、予備採取の前後の分注元気体の気体状態量に関して気体状態方程式を立てることができ、また予備採取の前後の分注先気体の気体状態量に関しても気体状態方程式を立てることができる。また、分注先気体の気体状態量（初期気体状態量）のうち圧力は既知の陰圧に設定され、また体積は所定の分注先容器等を用いることにより既知とすることができる。予備採取後は、分注元気体と分注先気体とは圧力平衡状態となるので、それら両者の圧力は等しいという関係が成立する。また予備採取量をΔＶとすると、予備採取により分注元気体の体積はΔＶだけ増加し、一方、分注先気体の体積はΔＶだけ減少する。さらに分注先気体の予備採取後の気体状態量（平衡時気体状態量）が平衡時分注先状態量検知手段により検知される。これらの条件に基づいて、分注元気体の気体状態量を予備採取の前後のいずれについても推定することができる。分注元気体の気体状態量が分かれば、所望の試料採取量を得るために分注先気体に付与すべき陰圧を算出することが可能となる。
【００１４】
他の本発明に係る自動分注装置では、前記予備採取開始前の前記分注元気体を所定圧力に設定する分注元初期圧力設定手段を有する。その好適な態様は、前記分注元初期圧力設定手段が、前記分注元容器を大気開放することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明によれば、分注元気体の気体状態量のうち予備採取前の圧力が既知となる。これにより、平衡時分注先状態量検知手段が検知すべき気体状態量の数が一つ減る。例えば、予備採取後の分注先気体の圧力及び体積のうちいずれか一方を検知しなくてよくなる。
【００１６】
別の本発明に係る自動分注装置では、前記平衡時分注先状態量検知手段が、前記圧力平衡状態での前記分注先気体の圧力を検知する圧力センサを有する。
【００１７】
上述のように、分注元気体の気体状態量のうち予備採取前の圧力が既知である場合には、平衡時分注先状態量検知手段は、基本的に予備採取後の分注先気体の圧力及び体積のうちいずれか一方を検知できればよい。本発明によれば、平衡時分注先状態量検知手段は圧力を検知でき、体積を検知できる必要はない。通常は、予備採取後の分注先気体の体積を検知する構成よりも圧力を検知する構成の方が容易である。
【００１８】
また別の本発明に係る自動分注装置では、前記分注元状態量推定手段が、前記試料の予備採取量を算出し、前記本採取条件決定手段が、前記目標採取量から前記予備採取量を減算した差分値だけ前記試料が追加採取されるように前記目標陰圧を定める。
【００１９】
本発明によれば、予備採取された試料が入った分注先容器に引き続いて本採取を実行し、予備採取及び本採取それぞれにて採取された試料の合計が目標採取量となるようにすることができる。つまり、分注先容器から予備採取された試料を排除したり、分注先容器を空の新たなものに交換する必要がない。
【００２０】
また他の本発明に係る自動分注装置においては、前記分注先初期設定手段及び前記分注先目標陰圧付与手段が、前記分注先容器に接続される陰圧源と、前記分注先容器と前記陰圧源との接続を制御する制御弁と、前記予備採取又は前記本採取の開始に際して前記陰圧源を一時的に前記分注先容器に接続させ、採取動作中は前記陰圧源を前記分注先容器から遮断するように前記制御弁を制御する弁制御手段とを共通に有し、前記本採取条件決定手段が、前記制御弁が開放された時に前記分注先気体の圧力を前記目標陰圧とするような前記陰圧源の本採取前気体状態量を求める陰圧源状態量決定手段を有し、前記分注先目標陰圧付与手段は、さらに、前記制御弁の開放前に、前記陰圧源を前記本採取前気体状態量に設定する陰圧源制御手段を有する。
【００２１】
分注先容器に陰圧を付与するために陰圧源が用いられる。陰圧源にはシリンジポンプ等の機械的動作を伴うポンプが用いられる。陰圧源の容積は、その機械的動作や、分注元気体層の気体状態に応じた目標陰圧の相違に起因して変動し得る。本発明によれば、予備採取動作又は本採取動作の間は、陰圧源が制御弁によって分注先容器から遮断され、所定の容積を有する分注先容器の気体と分注元気体との間の圧力平衡が達成されるように採取動作が進行する。つまり、分注元気体の気体状態量を推定する処理・手段や本採取における目標陰圧を決定する処理・手段において、陰圧源の容積の上記変動を考慮する必要がなくなり、それら処理・手段が簡素化される。本発明では、この条件を満たすために、分注先容器への陰圧の付与は次のように行われる。陰圧源制御手段は陰圧源を、分注先容器に設定すべき陰圧より低い圧力とし、次いで短時間だけ制御弁が開かれる。制御弁を開くことにより、陰圧源と分注先容器との気体状態が平均化され、分注先容器内に、予備採取前の初期状態として設定される所定陰圧や本採取前に設定される目標陰圧が実現される。その後、制御弁は閉じられ、予備採取又は本採取の期間中、陰圧源は分注先容器から遮断される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
［原理］
図１、図２は、本発明の原理を説明する模式図である。図１は、分注先容器に付与された陰圧による試料の採取動作の原理を示すものである。液状試料を収容した分注元容器３０は分注先容器３２と連通管３４を介して気密接続される。
【００２４】
本発明では、目標量の試料を採取するために、予備採取及び本採取の２段階の採取動作が行われる。予備採取は、分注元容器３０内の空気層３６の体積を推定するために行われる。一方、本採取により、分注先容器３２に採取される試料は目標量に達する。図１（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、試料の予備採取前、予備採取後、本採取後の状態を示すものである。予備採取、本採取のいずれにおいても、分注元容器３０内の試料は、分注先容器３２に付与した陰圧によって吸い出され、分注先容器３２に採取される。これら採取動作は、分注元容器３０内の空気層３６と分注先容器３２内の空気とが圧力平衡に達することにより終了する。以下、分注元容器３０内の空気層３６の圧力、体積は予備採取前においてＰ０Ｓ，Ｖ０Ｓ、予備採取後においてＰ０Ｅ，Ｖ０Ｅ、本採取前においてＰ０Ｓ’，Ｖ０Ｓ’、本採取後においてＰ０Ｅ’，Ｖ０Ｅ’で表し、また分注先容器３２内の空気で満たされた密閉空間の圧力、体積は予備採取前においてＰ１Ｓ，Ｖ１Ｓ、予備採取後においてＰ１Ｅ，Ｖ１Ｅ、本採取前においてＰ１Ｓ’，Ｖ１Ｓ’、本採取後においてＰ１Ｅ’，Ｖ１Ｅ’で表す。
【００２５】
まず、予備採取における状態変化を説明する。予備採取により分注元容器３０から分注先容器３２に移動する試料の体積をΔＶとすると、
【数１】
Ｖ０Ｅ＝Ｖ０Ｓ＋ΔＶ ………（１）
Ｖ１Ｅ＝Ｖ１Ｓ−ΔＶ ………（２）
である。予備採取前後における分注元容器３０の空気層３６及び分注先容器３２の空気それぞれに関する気体状態方程式、及び（１），（２）式から次式が得られる。
【００２６】
【数２】
Ｐ０ＳＶ０Ｓ＝Ｐ０ＥＶ０Ｅ＝Ｐ０Ｅ（Ｖ０Ｓ＋ΔＶ） ………（３）
Ｐ１ＳＶ１Ｓ＝Ｐ１ＥＶ１Ｅ＝Ｐ１Ｅ（Ｖ１Ｓ−ΔＶ） ………（４）
ここで、採取後においては圧力平衡が達成されることから、
【数３】
Ｐ０Ｅ＝Ｐ１Ｅ ………（５）
が成り立つ。
【００２７】
ここで、分注先容器及び、図示しないポンプとの配管部に所定容積のものを用いることにより、Ｖ１Ｓを既知として取り扱うことができる。また、予備採取前に分注元容器３０を大気開放することにより、Ｐ０Ｓは大気圧ＰＡＴに設定される。さらに、Ｐ１Ｓは後述する方法により所定陰圧に設定され、Ｐ１Ｅは圧力センサを用いて測定される。よって、これら既知のパラメータ及び（３）〜（５）式から、
【数４】
ΔＶ＝Ｖ１Ｓ｛１−（Ｐ１Ｓ／Ｐ１Ｅ）｝ ………（６）
Ｖ０Ｓ＝Ｖ１Ｓ（Ｐ１Ｅ−Ｐ１Ｓ）／（ＰＡＴ−Ｐ１Ｅ） ………（７）
が得られる。
【００２８】
すなわち、分注先容器３２に予備採取前には所定陰圧Ｐ１Ｓを付与し、予備採取後において平衡状態の圧力Ｐ１Ｅを測定することにより、分注元容器の予備採取前の空気層３６の体積Ｖ０Ｓ、及び予備採取量ΔＶを推定することができる。また、予備採取後の空気層３６の体積Ｖ０Ｅの推定値を得ることもできる。
【００２９】
次に、本採取における状態変化を説明する。本採取は、分注元容器３０の空気層３６の気体状態が既知の状態から始められることを前提とし、予備採取に引き続いて行うことができる。また、本採取に引き続いてさらに本採取を行うこともできる。
【００３０】
ここでは、予備採取に引き続いて本採取を行う場合を説明する。この場合、図１（ｂ）にて括弧書きで示すように、本採取開始時の分注元容器３０の空気層３６の圧力Ｐ０Ｓ’、体積Ｖ０Ｓ’はそれぞれＰ０Ｅ、Ｖ０Ｅに等しく、分注先容器３２の空気の体積Ｖ１Ｓ’はＶ１Ｅに等しい。またＰ１Ｓ’が本採取開始に際して分注先容器３２に付与すべき陰圧を表し、本採取により分注元容器３０から分注先容器３２に移動する試料の体積をΔＶ’と表す。本採取も分注元容器３０の空気層３６及び分注先容器３２の空気が圧力平衡に達すること、すなわちＰ０Ｅ’とＰ１Ｅ’とが等しくなることにより終了する。本採取前後における分注元容器３０の空気層３６及び分注先容器３２の空気それぞれに関する気体状態方程式は採取前後において分注元容器３０の空気層３６と分注先容器３２の空気とに温度の変化がないとみなし次式で表される。
【００３１】
【数５】
Ｐ０ＥＶ０Ｅ＝Ｐ０Ｅ’（Ｖ０Ｅ＋ΔＶ’） ………（８）
Ｐ１Ｓ’Ｖ１Ｅ＝Ｐ０Ｅ’（Ｖ１Ｅ−ΔＶ’） ………（９）
所望のΔＶ’を得るために分注先容器３２に付与すべき陰圧Ｐ１Ｓ’は（８），（９）式から、既知のパラメータを用いた次式で与えられる。
【００３２】
【数６】
Ｐ１Ｓ’＝Ｐ０ＥＶ０Ｅ（Ｖ１Ｅ−ΔＶ’）／［Ｖ１Ｅ（Ｖ０Ｅ＋ΔＶ’）］ ………（１０）
なお、ここでは、予備採取の終了状態に引き続いて本採取を行うこととしたが、例えば、一旦、分注元容器３０の空気層３６を大気開放としてもよく、その場合、（８）式中のＰ０Ｅが大気圧ＰＡＴで置き換えられ、（１０）に代えて、次式で本採取時の陰圧Ｐ１Ｓ’が定められる。
【００３３】
【数７】
Ｐ１Ｓ’＝ＰＡＴＶ０Ｅ（Ｖ１Ｅ−ΔＶ’）／［Ｖ１Ｅ（Ｖ０Ｅ＋ΔＶ’）］ ………（１１）
予備採取されたΔＶの試料に、本採取によりΔＶ’を追加採取して、目標分注量ΔＶＴを得る場合には、
【数８】
ΔＶ’＝ΔＶＴ−ΔＶ ………（１２）
として、陰圧Ｐ１Ｓ’を算出する。また、本採取を繰り返す場合のように、分注先容器３２を取り替えて本採取を行う場合には、分注先容器３２内には予備採取された試料は存在せず、目標分注量を１回の本採取だけで得ることになる。この場合には、
【数９】
ΔＶ’＝ΔＶＴ ………（１３）
として陰圧Ｐ１Ｓ’を算出し設定する。
【００３４】
図２は、予備採取に際して分注先容器に所定の陰圧Ｐ１Ｓを付与する原理を示すものである。分注先容器３２には、配管３８を介して減圧ポンプ等の陰圧源４０が接続される。配管３８には弁４２が設けられ、この弁４２を開くことにより、陰圧源４０から分注先容器３２に陰圧が付与される。ここで、弁４２を閉じた状態での陰圧源４０の圧力，体積をＰ２，Ｖ２で表す。また、分注先容器の体積Ｖ１Ｓとともに陰圧源４０の体積Ｖ２は既知とする。弁４２を開く前の分注先容器３２内の空気圧力はこの場合、分注元容器３０の空気層３６の圧力と同じく大気圧ＰＡＴである。弁４２開放後に所定陰圧Ｐ１Ｓを実現するＰ２は次の関係式から求めることができる。
【００３５】
【数１０】
Ｐ１Ｓ（Ｖ１Ｓ＋Ｖ２）＝ＰＡＴＶ１Ｓ＋Ｐ２Ｖ２ ………（１４）
また、本採取に際して分注先容器に付与すべき目標陰圧Ｐ１Ｓ’を実現する陰圧源の圧力Ｐ２’は、予備採取と本採取との合計で目標分注量を得る場合には、次式から求まる。
【００３６】
【数１１】
Ｐ１Ｓ’（Ｖ１Ｅ＋Ｖ２）＝Ｐ１ＥＶ１Ｅ＋Ｐ２’Ｖ２ ………（１５）
また、分注先容器を交換して本採取のみで目標分注量を得る場合には、分注先容器３２は空であり、また大気圧ＰＡＴに開放されることから、次式からＰ２’が求まる。
【００３７】
【数１２】
Ｐ１Ｓ’（Ｖ１Ｓ＋Ｖ２）＝ＰＡＴＶ１Ｓ＋Ｐ２’Ｖ２ ………（１６）
［装置構成及び動作］
図３は、本発明の実施形態である血清自動分注装置の構成を示す模式図である。分注元容器となる採血管５０には血液試料が採取されている。この試料は遠心分離により血餅５２と血清５４とが分離材５６を介して異なる層に分離されている。また、血清５４の上には空気層５８が存在する。採血管５０は開口端を封止栓６０で封止され、分注容器７０に気密接続される。この気密接続は次に述べるようにカプラー７２を用いて行われる。採血管５０の封止栓６０にカプラー７２の単管型の採取針７４が穿刺される。カプラー７２の下にはカプラー台７６を介して分注容器７０が配置される。この分注容器７０はカプラー台７６のパッキング材に圧接され、その内部の気密を保つことができるとともに、採取針７４により採血管５０と連通される。
【００３８】
カプラー台７６の側部に設けられ分注容器７０内部と連通する空気孔８０には、チューブ８２、ポンプ弁８４及びチューブ８６を介してシリンジポンプ８８が接続される。チューブ８２の途中には分岐管９０が接続され、この分岐管９０には大気開放弁９２が設けられる。またチューブ８２には圧力センサ１００が接続される。後述するように、分注容器７０に陰圧を付与して採血管５０から血清５４を採取する動作においては、大気開放弁９２とポンプ弁８４と双方が閉じられる。この状態で、圧力センサ１００は分注容器７０の空気の圧力を測定するために用いられる。圧力センサ出力回路１０２は圧力センサ１００にて圧力に応じて生じる機械的歪み等を電気信号として検知し、この電気信号は演算部１０４に入力される。
【００３９】
演算部１０４は、後述するように本装置各部の制御に必要な演算を行う。ポンプ・電磁弁制御部１０６は、演算部１０４からの指示に基づいて、大気開放弁９２の開閉、ポンプ弁８４の開閉、及びシリンジポンプ８８の駆動機構１１０の制御を行う。
【００４０】
次に本装置の動作について図４のフロー図を用いて説明する。採血管５０と分注容器７０とを気密接続して図３に示す構成とするために、まず採血管５０にカプラー７２が取り付けられる。取り付け時にカプラー７２の採取針７４からの血清の飛散を防止するため、採血管が正立の状態でのカプラー７２の取り付けが望ましい。これにより、採血管５０の内部は採取針７４を介して大気開放される。採血管５０の内部は一般に陰圧状態で封止栓６０により閉止されるので、採取針７４を通して外部から採血管５０内部へ空気が流入することにより、空気層５８の圧力（血清採取前の圧力Ｐ０Ｓ）は大気圧ＰＡＴに設定される（Ｓ２００）。カプラー７２を取り付けられた採血管５０を倒立され、分注容器７０とはカプラー台７６を介して圧接される（Ｓ２０５）。分注容器７０は圧接前に大気開放状態にあり、よって圧接された時点での分注容器７０内の空気の圧力は大気圧に設定されるが、さらにポンプ弁８４及び大気開放弁９２を開放してシリンジポンプ８８の内部も大気圧に設定する（Ｓ２１０）。
【００４１】
分注容器７０に予備採取のための陰圧を付与する過程を説明する。予備採取に際して分注容器７０に付与される陰圧値Ｐ１Ｓは演算部１０４に設定されている。まず、ポンプ・電磁弁制御部１０６により、ポンプ弁８４及び大気開放弁９２が閉じられる（Ｓ２１５）。ポンプ弁８４を閉じることにより、分注容器７０とシリンジポンプ８８とが遮断される。この時点でのシリンジポンプ８８のシリンジ室の圧力はポンプ弁８４閉止前の圧力である大気圧ＰＡＴであり、またシリンジ室の体積Ｖ２は、駆動機構１１０が検知するピストンの位置に基づいて決定される。演算部１０４は、陰圧Ｐ１Ｓを得るために必要とされるピストンの移動量、又は位置を算出する。
【００４２】
この計算を説明する。ポンプ弁８４により閉止された状態でのピストンの移動前後におけるシリンジ室の気体状態方程式、
【数１３】
ＰＡＴＶ２＝Ｐ２Ｖ２Ｅ ………（１７）
である。ここで、Ｖ２Ｅはピストンを移動後のシリンジ室の体積である。ポンプ弁８４を一瞬だけ開き再び閉める操作により、シリンジ室、分注容器７０及び配管系全体の圧力が平均化されたときの気体状態方程式は、
【数１４】
Ｐ１Ｓ（Ｖ１Ｓ＋Ｖ２Ｅ）＝ＰＡＴＶ１Ｓ＋Ｐ２Ｖ２Ｅ ………（１８）
が得られる。Ｖ２はポンプ・電磁弁制御部１０６にて検知されたピストンの位置及び所与のシリンジポンプ８８の内径から求められる。そして、与えられたＰ１Ｓ及びＶ２に応じたＶ２Ｅが（１７）及び（１８）式を用いて（１９）式のとおり算出される。
【００４３】
【数１５】
Ｖ２Ｅ＝Ｖ２（ＰＡＴ／Ｐ１Ｓ）＋Ｖ１｛（ＰＡＴ／Ｐ１Ｓ）−１｝ ………（１９）
なお、この計算では、あらかじめ演算部１０４に設定される分注容器７０の容積と、分注容器７０から各弁８４，９２までの配管系の容積との合計値がＶ１Ｓとして用いられる。演算部１０４は（Ｖ２Ｅ−Ｖ２）及びシリンジポンプ８８の内径からピストンの移動量を算定する。ポンプ・電磁弁制御部１０６は駆動機構１１０を制御して、演算部１０４にて算出された位置にピストンを移動し、シリンジ室に陰圧Ｐ２を形成する（Ｓ２２０）。その後、ポンプ・電磁弁制御部１０６は、ポンプ弁８４を一瞬だけ開き、再び閉じる（Ｓ２２２）。このポンプ弁８４の開放により分注容器７０側に瞬時に陰圧Ｐ１Ｓが付与される。
【００４４】
図５は、予備採取動作における分注容器７０内の空気の圧力変化を示す模式的なグラフである。分注容器７０に陰圧が付与されることにより、採血管５０から分注容器７０への血清５４の予備採取が開始される（Ｓ２２５）。予備採取は、空気層５８と分注容器７０内の空気の圧力とが平衡に達することにより自然に停止する。演算部１０４は、圧力センサ出力回路１０２の出力信号をモニタし、分注容器７０内の空気の圧力上昇が終わったことに基づいて、予備採取の終了を判定する。例えば、圧力センサ出力回路１０２は、圧力センサ１００が検知する圧力状態を一定時間毎にサンプリングした圧力信号を出力し、演算部１０４は例えば、連続する二時刻での圧力信号値を比較するといった処理を行って、圧力の上昇が止まったかどうかをリアルタイムに判定する。そして、演算部１０４は、圧力平衡に達したと判定すると、その平衡状態での圧力信号値を予備採取完了時の圧力Ｐ１Ｅとして保持する（Ｓ２３０）。
【００４５】
平衡に達したことを演算部１０４から通知されると、ポンプ・電磁弁制御部１０６は大気開放弁９２を開放する。これにより、分注容器７０の空気及び採血管５０の空気層５８が大気圧とされる。さらにポンプ弁８４が開放され、シリンジポンプ８８内も大気圧とされる（Ｓ２３５）。
【００４６】
一方、演算部１０４は平衡を判定すると、あらかじめ与えられたＰ１Ｓと、保持しているＰ１Ｅとを用い、（６）、（７）式から採血管５０の空気層５８の体積Ｖ０Ｓと予備採取された血清量ΔＶとを算出する（Ｓ２４０）。
【００４７】
続いて、本採取動作が行われる。演算部１０４は、目標分注量ΔＶＴを得るための本採取の目標陰圧Ｐ１ＳをＶ０Ｓ、ΔＶを用いて定め、その陰圧を実現するためのシリンジポンプ８８のピストンの移動量を算出する（Ｓ２４５）。目標陰圧Ｐ１Ｓを実現するシリンジ室の陰圧Ｐ２は、（１７）、（１８）式を用いた予備採取時の計算と同様にして求められる。そのためのピストンの移動量も同様に計算される。
【００４８】
ポンプ・電磁弁制御部１０６により再び、ポンプ弁８４及び大気開放弁９２が閉じられ（Ｓ２５０）、分注容器７０とシリンジポンプ８８とが遮断される。さらに、ポンプ・電磁弁制御部１０６は駆動機構１１０を制御して、演算部１０４にて算出された位置にピストンを移動し、シリンジ室に陰圧Ｐ２’を形成する（Ｓ２５５）。その後、ポンプ・電磁弁制御部１０６は、ポンプ弁８４を一瞬だけ開き、再び閉じる（Ｓ２５７）。このポンプ弁８４の開放により分注容器７０側に瞬時に陰圧Ｐ１Ｓ’が付与される。
【００４９】
分注容器７０に陰圧Ｐ１Ｓ’が付与されることにより、採血管５０から分注容器７０への血清５４の本採取が開始される（Ｓ２６０）。本採取も予備採取と同様、空気層５８と分注容器７０内の空気の圧力とが平衡に達することにより自然に停止する。演算部１０４は、予備採取時と同様にして、圧力平衡を検知し、本採取の終了を判定する（Ｓ２６５）。
【００５０】
平衡に達したことを演算部１０４から通知されると、ポンプ・電磁弁制御部１０６は大気開放弁９２とポンプ弁８４とを順次開放し、分注容器７０の空気、採血管５０の空気層５８、及びシリンジポンプ８８内が大気圧とされる（Ｓ２７０）。これにより本採取が完了し、分注容器７０がカプラー台７６から取り外される（Ｓ２７５）。
【００５１】
同じ採血管５０から引き続いて別の分注容器７０への血清５４の採取を行う場合には（Ｓ２８０）、新たな分注容器７０をカプラー台７６に当接して採血管５０に気密接続し、処理Ｓ２４５からの本採取動作が繰り返される。なお、２回目以降の本採取では、それまでの分注量の総和を（ΣΔＶＴ）と表すと、
【数１６】
Ｖ０Ｓ’＝Ｖ０Ｓ＋ΣΔＶＴ ………（２０）
であり、また分注容器７０には予備採取による血清は存在しないので、
【数１７】
Ｖ１Ｓ’＝Ｖ１Ｓ ………（２１）
ΔＶ’＝ΔＶＴ ………（２２）
である。２回目の本採取動作は、これらの初回の本採取との相違を考慮した上で、原理的には初回と同様に行われる。
【００５２】
同一の採血管５０からの分注が完了すると、採血管５０をカプラー７６から外して（Ｓ２８５）、当該採血管５０についての分注処理を終了する（Ｓ２９０）。
【００５３】
ちなみに、ポンプ弁８４は以下の意義を有する。一つには、ピストンを移動させてシリンジ室に所定の陰圧を形成する過渡的な過程において分注容器７０へ血清５４が流入することによる処理の複雑化、精度良い制御の困難化を回避することができる。
【００５４】
また、上述の実施形態では予備採取から本採取に移る際に、処理Ｓ２１０にてポンプ弁８４及び大気開放弁９２を開放して、各空気層を大気圧とした。しかし、この大気開放を行わず、予備採取が完了した際の圧力平衡状態のまま本採取を行うように構成することもできる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の自動分注装置によれば、本採取に先だって、予備採取を行い、それに基づいて分注元容器内の空気層の気体状態量を推定するので、分注元容器内の空気の体積を測定するための界面センサ等のセンサが不要であり、構成が簡単になる。また、気体の状態方程式に基づいて分注元容器の空気層の体積を求めるので、界面センサなどを用いた場合と異なり、空気層の形状が複雑であっても精度良くその体積を求めることができ、分注精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における分注先容器に付与された陰圧による試料の採取動作の原理を示す模式図である。
【図２】本発明における分注先容器に目標陰圧を付与する原理を説明するための模式図である。
【図３】本発明の実施形態である血清自動分注装置の構成を示す模式図である。
【図４】本発明の実施形態である血清自動分注装置の動作の概略のフロー図である。
【図５】予備採取動作における分注容器内の空気の圧力変化を示す模式的なグラフである。
【図６】従来の定量抜取り可能な血液試料採取装置の模式的な構成図である。
【符号の説明】
３０ 分注元容器、３２ 分注先容器、３４ 連通管、４０ 陰圧源、５０ 採血管、５４ 血清、５８ 空気層、６０ 封止栓、７０ 分注容器、７２ カプラー、７４ 採取針、７６ カプラー台、８２，８６ チューブ、８４ ポンプ弁、８８ シリンジポンプ、９２ 大気開放弁、１００ 圧力センサ、１０２圧力センサ出力回路、１０４ 演算部、１０６ ポンプ・電磁弁制御部、１１０ 駆動機構。
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動分注装置に関し、特に分注先容器に付与される陰圧により分注元容器から試料を採取する分注装置における分注量制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、臨床検査分野で行われる血液検査では、被検者の血液が密閉式採血管（以下、採血管と呼ぶ）に採取され、それを遠心分離して得られる血清が検体として用いられるのが一般的である。この採血管から血清を採取する作業は、衛生管理上、当該採血管の封止栓を取らずに行われることがある。採血管から封止栓を取らずに内部の血液試料を抜取るために、従来から各種の装置が提案されている。
【０００３】
図６は、遠心分離後の採血管内の血清を定量採取可能な血液試料採取装置の模式的な基本構成図である。この図に示す構成では、倒立された採血管２は中央部がゴム部材で形成された封止栓４で封止されており、その封止栓４にカプラー６の単管型の採取針８が穿刺される。カプラー６の下にはカプラー台１０を介して採取容器１２が配置される。この採取容器１２はカプラー台１０に設けられるパッキング材に圧接され、その内部の気密を保つことができる。この気密空間は、採取針８によって採血管２に連通されるとともに、カプラー台１０に接続されたエアチューブ１６によって当該気密空間に対する減圧及び大気開放を周期的に行う減圧・大気開放手段につながる。減圧・大気開放手段は、例えば、エアチューブ１６に接続される三方弁１８と、この三方弁１８の一つの方向に接続された減圧ポンプ２０と、三方弁１８の残りの一方向が大気に開放されている開放端２２とによって構成される。減圧ポンプ２０によって採取容器１２の気密空間に陰圧を付与すると、採取針８を介して採血管２から血清２４が採取容器１２へ吸引・採取される。
【０００４】
このような採取容器１２に付与した陰圧により採血管２から血液試料を吸引・採取する装置において、採取容器１２への血液試料の採取量を定量制御する第１の従来技術は、減圧・大気開放手段を制御し、一回の減圧及び大気開放を併せて基本ステップとして、それを繰り返し実行させるというものである。この技術では、一回の減圧時間が、採取針８を通過する血液試料の流速が一定とみなせる短い時間に設定され、減圧回数に基づいて採取容器１２への血液試料の採取量が制御される。
【０００５】
この技術では、採血管から採取容器へ流れる血液試料の流速は血液試料の粘性、採血管内の気体層２６の体積、採取針８の管径のばらつきによって違うので高精度の分注が難しいという問題があった。
【０００６】
第２の従来技術は、採取容器１２内の気体の圧力を検知する圧力センサを設け、採取容器１２内の圧力上昇をモニタするものである。この技術では、圧力が目標採取量に対応した値に到達すると、採取容器１２を大気開放して、採取容器１２への血液試料の流入が停止される。
【０００７】
この技術では、制御系の応答時間が問題となる。すなわち、所定圧力に到達したことが検知されてから大気開放され流入が停止されるまでに遅れが生じる。この遅れ時間に採取容器１２に流入する血液試料の量は、上述のように流速が種々の要因で異なることの影響を受け、ばらつきを有する。そのため、この技術でも採取量の十分な精度を得ることが難しいという問題があった。
【０００８】
これら従来の技術の問題点を解決する採取量制御方式として、採血管２内の気体層２６と採取容器１２内の気体との圧力平衡を利用する技術が提案されている。この技術では、所望の採取量に応じた陰圧が採取容器１２内に付与され、血液試料の流入により採血管２の気体層２６と採取容器１２の気体との圧力が平衡すると自律的に血液試料の流入が停止する。ここで、所望の採取量に応じた陰圧は、採血管２の気体層２６及び採取容器１２の気体それぞれについての気体状態方程式を連立させ、これを解くことにより求められる。そのため、採血管２の気体層２６の気体状態量（圧力、体積）を知ることが必要となる。
【０００９】
この方式を採用した第３の従来技術は、血液試料を分注する前に採血管２の気体層２６を大気開放してその圧力を既知とすると共に、気体層２６の体積を測定するセンサを設け、得られた気体層２６の圧力及び体積から採取容器に付与する上記陰圧を決定するものである。気体層２６の体積を測定するセンサは、例えば、採血管２の外側から非接触で採血管２内の液面・界面の位置を検知する界面センサである。内径が既知の採血管２を用いれば、界面センサから得られる気体層２６の高さからその体積を求めることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記第３の従来技術は、採血管の気体層の体積を検知する界面センサ等を必要とし、機構が複雑になるという問題があった。また、気体層の境界を規定する血清液面や分離剤の表面が平らでない場合は、界面センサを用いた気体層体積の測定の精度が低下し、高精度な分注ができないという問題があった。
【００１１】
本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、分注元容器内の気体層の気体状態量を検知するための特段のセンサを設けることなく、分注元容器内の気体層と分注先容器の気体との圧力平衡に基づく試料採取量の高精度な制御が可能な自動分注装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る自動分注装置は、分注先容器に所定陰圧を付与して分注先気体を初期状態に設定する分注先初期設定手段と、前記初期状態の設定後に分注元容器から前記分注先容器へ未知量の試料が予備採取されて前記分注先気体が前記分注元容器内の分注元気体と圧力平衡状態となった時点にて、前記分注先気体の平衡時気体状態量を検知する平衡時分注先状態量検知手段と、前記初期状態にて設定された前記分注先気体の初期気体状態量及び前記平衡時気体状態量に基づいて、前記予備採取前又は前記圧力平衡状態での前記分注元気体の分注元気体状態量を推定する分注元状態量推定手段と、前記分注元気体状態量及び前記試料の目標採取量とに応じて、前記予備採取後に行われる本採取にて前記分注先容器に付与すべき目標陰圧を求める本採取条件決定手段と、前記分注先容器に前記目標陰圧を付与する分注先目標陰圧付与手段とを有するものである。
【００１３】
分注元容器から分注先容器へ採取される試料の量は、分注先容器に付与される陰圧に応じて変化する。しかし、この陰圧が同じであっても、分注元容器内の分注元気体の圧力、体積等の気体状態量が相違すると、分注先容器に採取される試料の量に差異が生じる。本発明によれば、この試料の採取量に影響を与える分注元容器の気体状態量が、予備採取動作により推定される。分注先気体及び分注元気体は予備採取前後にてそれらの気体状態量を変化させるが、この予備採取は分注先気体及び分注元気体それぞれの気密状態を保ったままで行われる。そこで、予備採取の前後の分注元気体の気体状態量に関して気体状態方程式を立てることができ、また予備採取の前後の分注先気体の気体状態量に関しても気体状態方程式を立てることができる。また、分注先気体の気体状態量（初期気体状態量）のうち圧力は既知の陰圧に設定され、また体積は所定の分注先容器等を用いることにより既知とすることができる。予備採取後は、分注元気体と分注先気体とは圧力平衡状態となるので、それら両者の圧力は等しいという関係が成立する。また予備採取量をΔＶとすると、予備採取により分注元気体の体積はΔＶだけ増加し、一方、分注先気体の体積はΔＶだけ減少する。さらに分注先気体の予備採取後の気体状態量（平衡時気体状態量）が平衡時分注先状態量検知手段により検知される。これらの条件に基づいて、分注元気体の気体状態量を予備採取の前後のいずれについても推定することができる。分注元気体の気体状態量が分かれば、所望の試料採取量を得るために分注先気体に付与すべき陰圧を算出することが可能となる。
【００１４】
他の本発明に係る自動分注装置では、前記予備採取開始前の前記分注元気体を所定圧力に設定する分注元初期圧力設定手段を有する。その好適な態様は、前記分注元初期圧力設定手段が、前記分注元容器を大気開放することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明によれば、分注元気体の気体状態量のうち予備採取前の圧力が既知となる。これにより、平衡時分注先状態量検知手段が検知すべき気体状態量の数が一つ減る。例えば、予備採取後の分注先気体の圧力及び体積のうちいずれか一方を検知しなくてよくなる。
【００１６】
別の本発明に係る自動分注装置では、前記平衡時分注先状態量検知手段が、前記圧力平衡状態での前記分注先気体の圧力を検知する圧力センサを有する。
【００１７】
上述のように、分注元気体の気体状態量のうち予備採取前の圧力が既知である場合には、平衡時分注先状態量検知手段は、基本的に予備採取後の分注先気体の圧力及び体積のうちいずれか一方を検知できればよい。本発明によれば、平衡時分注先状態量検知手段は圧力を検知でき、体積を検知できる必要はない。通常は、予備採取後の分注先気体の体積を検知する構成よりも圧力を検知する構成の方が容易である。
【００１８】
また別の本発明に係る自動分注装置では、前記分注元状態量推定手段が、前記試料の予備採取量を算出し、前記本採取条件決定手段が、前記目標採取量から前記予備採取量を減算した差分値だけ前記試料が追加採取されるように前記目標陰圧を定める。
【００１９】
本発明によれば、予備採取された試料が入った分注先容器に引き続いて本採取を実行し、予備採取及び本採取それぞれにて採取された試料の合計が目標採取量となるようにすることができる。つまり、分注先容器から予備採取された試料を排除したり、分注先容器を空の新たなものに交換する必要がない。
【００２０】
また他の本発明に係る自動分注装置においては、前記分注先初期設定手段及び前記分注先目標陰圧付与手段が、前記分注先容器に接続される陰圧源と、前記分注先容器と前記陰圧源との接続を制御する制御弁と、前記予備採取又は前記本採取の開始に際して前記陰圧源を一時的に前記分注先容器に接続させ、採取動作中は前記陰圧源を前記分注先容器から遮断するように前記制御弁を制御する弁制御手段とを共通に有し、前記本採取条件決定手段が、前記制御弁が開放された時に前記分注先気体の圧力を前記目標陰圧とするような前記陰圧源の本採取前気体状態量を求める陰圧源状態量決定手段を有し、前記分注先目標陰圧付与手段は、さらに、前記制御弁の開放前に、前記陰圧源を前記本採取前気体状態量に設定する陰圧源制御手段を有する。
【００２１】
分注先容器に陰圧を付与するために陰圧源が用いられる。陰圧源にはシリンジポンプ等の機械的動作を伴うポンプが用いられる。陰圧源の容積は、その機械的動作や、分注元気体層の気体状態に応じた目標陰圧の相違に起因して変動し得る。本発明によれば、予備採取動作又は本採取動作の間は、陰圧源が制御弁によって分注先容器から遮断され、所定の容積を有する分注先容器の気体と分注元気体との間の圧力平衡が達成されるように採取動作が進行する。つまり、分注元気体の気体状態量を推定する処理・手段や本採取における目標陰圧を決定する処理・手段において、陰圧源の容積の上記変動を考慮する必要がなくなり、それら処理・手段が簡素化される。本発明では、この条件を満たすために、分注先容器への陰圧の付与は次のように行われる。陰圧源制御手段は陰圧源を、分注先容器に設定すべき陰圧より低い圧力とし、次いで短時間だけ制御弁が開かれる。制御弁を開くことにより、陰圧源と分注先容器との気体状態が平均化され、分注先容器内に、予備採取前の初期状態として設定される所定陰圧や本採取前に設定される目標陰圧が実現される。その後、制御弁は閉じられ、予備採取又は本採取の期間中、陰圧源は分注先容器から遮断される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
［原理］
図１、図２は、本発明の原理を説明する模式図である。図１は、分注先容器に付与された陰圧による試料の採取動作の原理を示すものである。液状試料を収容した分注元容器３０は分注先容器３２と連通管３４を介して気密接続される。
【００２４】
本発明では、目標量の試料を採取するために、予備採取及び本採取の２段階の採取動作が行われる。予備採取は、分注元容器３０内の空気層３６の体積を推定するために行われる。一方、本採取により、分注先容器３２に採取される試料は目標量に達する。図１（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、試料の予備採取前、予備採取後、本採取後の状態を示すものである。予備採取、本採取のいずれにおいても、分注元容器３０内の試料は、分注先容器３２に付与した陰圧によって吸い出され、分注先容器３２に採取される。これら採取動作は、分注元容器３０内の空気層３６と分注先容器３２内の空気とが圧力平衡に達することにより終了する。以下、分注元容器３０内の空気層３６の圧力、体積は予備採取前においてＰ０Ｓ，Ｖ０Ｓ、予備採取後においてＰ０Ｅ，Ｖ０Ｅ、本採取前においてＰ０Ｓ’，Ｖ０Ｓ’、本採取後においてＰ０Ｅ’，Ｖ０Ｅ’で表し、また分注先容器３２内の空気で満たされた密閉空間の圧力、体積は予備採取前においてＰ１Ｓ，Ｖ１Ｓ、予備採取後においてＰ１Ｅ，Ｖ１Ｅ、本採取前においてＰ１Ｓ’，Ｖ１Ｓ’、本採取後においてＰ１Ｅ’，Ｖ１Ｅ’で表す。
【００２５】
まず、予備採取における状態変化を説明する。予備採取により分注元容器３０から分注先容器３２に移動する試料の体積をΔＶとすると、
【数１】
Ｖ０Ｅ＝Ｖ０Ｓ＋ΔＶ ………（１）
Ｖ１Ｅ＝Ｖ１Ｓ−ΔＶ ………（２）
である。予備採取前後における分注元容器３０の空気層３６及び分注先容器３２の空気それぞれに関する気体状態方程式、及び（１），（２）式から次式が得られる。
【００２６】
【数２】
Ｐ０ＳＶ０Ｓ＝Ｐ０ＥＶ０Ｅ＝Ｐ０Ｅ（Ｖ０Ｓ＋ΔＶ） ………（３）
Ｐ１ＳＶ１Ｓ＝Ｐ１ＥＶ１Ｅ＝Ｐ１Ｅ（Ｖ１Ｓ−ΔＶ） ………（４）
ここで、採取後においては圧力平衡が達成されることから、
【数３】
Ｐ０Ｅ＝Ｐ１Ｅ ………（５）
が成り立つ。
【００２７】
ここで、分注先容器及び、図示しないポンプとの配管部に所定容積のものを用いることにより、Ｖ１Ｓを既知として取り扱うことができる。また、予備採取前に分注元容器３０を大気開放することにより、Ｐ０Ｓは大気圧ＰＡＴに設定される。さらに、Ｐ１Ｓは後述する方法により所定陰圧に設定され、Ｐ１Ｅは圧力センサを用いて測定される。よって、これら既知のパラメータ及び（３）〜（５）式から、
【数４】
ΔＶ＝Ｖ１Ｓ｛１−（Ｐ１Ｓ／Ｐ１Ｅ）｝ ………（６）
Ｖ０Ｓ＝Ｖ１Ｓ（Ｐ１Ｅ−Ｐ１Ｓ）／（ＰＡＴ−Ｐ１Ｅ） ………（７）
が得られる。
【００２８】
すなわち、分注先容器３２に予備採取前には所定陰圧Ｐ１Ｓを付与し、予備採取後において平衡状態の圧力Ｐ１Ｅを測定することにより、分注元容器の予備採取前の空気層３６の体積Ｖ０Ｓ、及び予備採取量ΔＶを推定することができる。また、予備採取後の空気層３６の体積Ｖ０Ｅの推定値を得ることもできる。
【００２９】
次に、本採取における状態変化を説明する。本採取は、分注元容器３０の空気層３６の気体状態が既知の状態から始められることを前提とし、予備採取に引き続いて行うことができる。また、本採取に引き続いてさらに本採取を行うこともできる。
【００３０】
ここでは、予備採取に引き続いて本採取を行う場合を説明する。この場合、図１（ｂ）にて括弧書きで示すように、本採取開始時の分注元容器３０の空気層３６の圧力Ｐ０Ｓ’、体積Ｖ０Ｓ’はそれぞれＰ０Ｅ、Ｖ０Ｅに等しく、分注先容器３２の空気の体積Ｖ１Ｓ’はＶ１Ｅに等しい。またＰ１Ｓ’が本採取開始に際して分注先容器３２に付与すべき陰圧を表し、本採取により分注元容器３０から分注先容器３２に移動する試料の体積をΔＶ’と表す。本採取も分注元容器３０の空気層３６及び分注先容器３２の空気が圧力平衡に達すること、すなわちＰ０Ｅ’とＰ１Ｅ’とが等しくなることにより終了する。本採取前後における分注元容器３０の空気層３６及び分注先容器３２の空気それぞれに関する気体状態方程式は採取前後において分注元容器３０の空気層３６と分注先容器３２の空気とに温度の変化がないとみなし次式で表される。
【００３１】
【数５】
Ｐ０ＥＶ０Ｅ＝Ｐ０Ｅ’（Ｖ０Ｅ＋ΔＶ’） ………（８）
Ｐ１Ｓ’Ｖ１Ｅ＝Ｐ０Ｅ’（Ｖ１Ｅ−ΔＶ’） ………（９）
所望のΔＶ’を得るために分注先容器３２に付与すべき陰圧Ｐ１Ｓ’は（８），（９）式から、既知のパラメータを用いた次式で与えられる。
【００３２】
【数６】
Ｐ１Ｓ’＝Ｐ０ＥＶ０Ｅ（Ｖ１Ｅ−ΔＶ’）／［Ｖ１Ｅ（Ｖ０Ｅ＋ΔＶ’）］ ………（１０）
なお、ここでは、予備採取の終了状態に引き続いて本採取を行うこととしたが、例えば、一旦、分注元容器３０の空気層３６を大気開放としてもよく、その場合、（８）式中のＰ０Ｅが大気圧ＰＡＴで置き換えられ、（１０）に代えて、次式で本採取時の陰圧Ｐ１Ｓ’が定められる。
【００３３】
【数７】
Ｐ１Ｓ’＝ＰＡＴＶ０Ｅ（Ｖ１Ｅ−ΔＶ’）／［Ｖ１Ｅ（Ｖ０Ｅ＋ΔＶ’）］ ………（１１）
予備採取されたΔＶの試料に、本採取によりΔＶ’を追加採取して、目標分注量ΔＶＴを得る場合には、
【数８】
ΔＶ’＝ΔＶＴ−ΔＶ ………（１２）
として、陰圧Ｐ１Ｓ’を算出する。また、本採取を繰り返す場合のように、分注先容器３２を取り替えて本採取を行う場合には、分注先容器３２内には予備採取された試料は存在せず、目標分注量を１回の本採取だけで得ることになる。この場合には、
【数９】
ΔＶ’＝ΔＶＴ ………（１３）
として陰圧Ｐ１Ｓ’を算出し設定する。
【００３４】
図２は、予備採取に際して分注先容器に所定の陰圧Ｐ１Ｓを付与する原理を示すものである。分注先容器３２には、配管３８を介して減圧ポンプ等の陰圧源４０が接続される。配管３８には弁４２が設けられ、この弁４２を開くことにより、陰圧源４０から分注先容器３２に陰圧が付与される。ここで、弁４２を閉じた状態での陰圧源４０の圧力，体積をＰ２，Ｖ２で表す。また、分注先容器の体積Ｖ１Ｓとともに陰圧源４０の体積Ｖ２は既知とする。弁４２を開く前の分注先容器３２内の空気圧力はこの場合、分注元容器３０の空気層３６の圧力と同じく大気圧ＰＡＴである。弁４２開放後に所定陰圧Ｐ１Ｓを実現するＰ２は次の関係式から求めることができる。
【００３５】
【数１０】
Ｐ１Ｓ（Ｖ１Ｓ＋Ｖ２）＝ＰＡＴＶ１Ｓ＋Ｐ２Ｖ２ ………（１４）
また、本採取に際して分注先容器に付与すべき目標陰圧Ｐ１Ｓ’を実現する陰圧源の圧力Ｐ２’は、予備採取と本採取との合計で目標分注量を得る場合には、次式から求まる。
【００３６】
【数１１】
Ｐ１Ｓ’（Ｖ１Ｅ＋Ｖ２）＝Ｐ１ＥＶ１Ｅ＋Ｐ２’Ｖ２ ………（１５）
また、分注先容器を交換して本採取のみで目標分注量を得る場合には、分注先容器３２は空であり、また大気圧ＰＡＴに開放されることから、次式からＰ２’が求まる。
【００３７】
【数１２】
Ｐ１Ｓ’（Ｖ１Ｓ＋Ｖ２）＝ＰＡＴＶ１Ｓ＋Ｐ２’Ｖ２ ………（１６）
［装置構成及び動作］
図３は、本発明の実施形態である血清自動分注装置の構成を示す模式図である。分注元容器となる採血管５０には血液試料が採取されている。この試料は遠心分離により血餅５２と血清５４とが分離材５６を介して異なる層に分離されている。また、血清５４の上には空気層５８が存在する。採血管５０は開口端を封止栓６０で封止され、分注容器７０に気密接続される。この気密接続は次に述べるようにカプラー７２を用いて行われる。採血管５０の封止栓６０にカプラー７２の単管型の採取針７４が穿刺される。カプラー７２の下にはカプラー台７６を介して分注容器７０が配置される。この分注容器７０はカプラー台７６のパッキング材に圧接され、その内部の気密を保つことができるとともに、採取針７４により採血管５０と連通される。
【００３８】
カプラー台７６の側部に設けられ分注容器７０内部と連通する空気孔８０には、チューブ８２、ポンプ弁８４及びチューブ８６を介してシリンジポンプ８８が接続される。チューブ８２の途中には分岐管９０が接続され、この分岐管９０には大気開放弁９２が設けられる。またチューブ８２には圧力センサ１００が接続される。後述するように、分注容器７０に陰圧を付与して採血管５０から血清５４を採取する動作においては、大気開放弁９２とポンプ弁８４と双方が閉じられる。この状態で、圧力センサ１００は分注容器７０の空気の圧力を測定するために用いられる。圧力センサ出力回路１０２は圧力センサ１００にて圧力に応じて生じる機械的歪み等を電気信号として検知し、この電気信号は演算部１０４に入力される。
【００３９】
演算部１０４は、後述するように本装置各部の制御に必要な演算を行う。ポンプ・電磁弁制御部１０６は、演算部１０４からの指示に基づいて、大気開放弁９２の開閉、ポンプ弁８４の開閉、及びシリンジポンプ８８の駆動機構１１０の制御を行う。
【００４０】
次に本装置の動作について図４のフロー図を用いて説明する。採血管５０と分注容器７０とを気密接続して図３に示す構成とするために、まず採血管５０にカプラー７２が取り付けられる。取り付け時にカプラー７２の採取針７４からの血清の飛散を防止するため、採血管が正立の状態でのカプラー７２の取り付けが望ましい。これにより、採血管５０の内部は採取針７４を介して大気開放される。採血管５０の内部は一般に陰圧状態で封止栓６０により閉止されるので、採取針７４を通して外部から採血管５０内部へ空気が流入することにより、空気層５８の圧力（血清採取前の圧力Ｐ０Ｓ）は大気圧ＰＡＴに設定される（Ｓ２００）。カプラー７２を取り付けられた採血管５０を倒立され、分注容器７０とはカプラー台７６を介して圧接される（Ｓ２０５）。分注容器７０は圧接前に大気開放状態にあり、よって圧接された時点での分注容器７０内の空気の圧力は大気圧に設定されるが、さらにポンプ弁８４及び大気開放弁９２を開放してシリンジポンプ８８の内部も大気圧に設定する（Ｓ２１０）。
【００４１】
分注容器７０に予備採取のための陰圧を付与する過程を説明する。予備採取に際して分注容器７０に付与される陰圧値Ｐ１Ｓは演算部１０４に設定されている。まず、ポンプ・電磁弁制御部１０６により、ポンプ弁８４及び大気開放弁９２が閉じられる（Ｓ２１５）。ポンプ弁８４を閉じることにより、分注容器７０とシリンジポンプ８８とが遮断される。この時点でのシリンジポンプ８８のシリンジ室の圧力はポンプ弁８４閉止前の圧力である大気圧ＰＡＴであり、またシリンジ室の体積Ｖ２は、駆動機構１１０が検知するピストンの位置に基づいて決定される。演算部１０４は、陰圧Ｐ１Ｓを得るために必要とされるピストンの移動量、又は位置を算出する。
【００４２】
この計算を説明する。ポンプ弁８４により閉止された状態でのピストンの移動前後におけるシリンジ室の気体状態方程式、
【数１３】
ＰＡＴＶ２＝Ｐ２Ｖ２Ｅ ………（１７）
である。ここで、Ｖ２Ｅはピストンを移動後のシリンジ室の体積である。ポンプ弁８４を一瞬だけ開き再び閉める操作により、シリンジ室、分注容器７０及び配管系全体の圧力が平均化されたときの気体状態方程式は、
【数１４】
Ｐ１Ｓ（Ｖ１Ｓ＋Ｖ２Ｅ）＝ＰＡＴＶ１Ｓ＋Ｐ２Ｖ２Ｅ ………（１８）
が得られる。Ｖ２はポンプ・電磁弁制御部１０６にて検知されたピストンの位置及び所与のシリンジポンプ８８の内径から求められる。そして、与えられたＰ１Ｓ及びＶ２に応じたＶ２Ｅが（１７）及び（１８）式を用いて（１９）式のとおり算出される。
【００４３】
【数１５】
Ｖ２Ｅ＝Ｖ２（ＰＡＴ／Ｐ１Ｓ）＋Ｖ１｛（ＰＡＴ／Ｐ１Ｓ）−１｝ ………（１９）
なお、この計算では、あらかじめ演算部１０４に設定される分注容器７０の容積と、分注容器７０から各弁８４，９２までの配管系の容積との合計値がＶ１Ｓとして用いられる。演算部１０４は（Ｖ２Ｅ−Ｖ２）及びシリンジポンプ８８の内径からピストンの移動量を算定する。ポンプ・電磁弁制御部１０６は駆動機構１１０を制御して、演算部１０４にて算出された位置にピストンを移動し、シリンジ室に陰圧Ｐ２を形成する（Ｓ２２０）。その後、ポンプ・電磁弁制御部１０６は、ポンプ弁８４を一瞬だけ開き、再び閉じる（Ｓ２２２）。このポンプ弁８４の開放により分注容器７０側に瞬時に陰圧Ｐ１Ｓが付与される。
【００４４】
図５は、予備採取動作における分注容器７０内の空気の圧力変化を示す模式的なグラフである。分注容器７０に陰圧が付与されることにより、採血管５０から分注容器７０への血清５４の予備採取が開始される（Ｓ２２５）。予備採取は、空気層５８と分注容器７０内の空気の圧力とが平衡に達することにより自然に停止する。演算部１０４は、圧力センサ出力回路１０２の出力信号をモニタし、分注容器７０内の空気の圧力上昇が終わったことに基づいて、予備採取の終了を判定する。例えば、圧力センサ出力回路１０２は、圧力センサ１００が検知する圧力状態を一定時間毎にサンプリングした圧力信号を出力し、演算部１０４は例えば、連続する二時刻での圧力信号値を比較するといった処理を行って、圧力の上昇が止まったかどうかをリアルタイムに判定する。そして、演算部１０４は、圧力平衡に達したと判定すると、その平衡状態での圧力信号値を予備採取完了時の圧力Ｐ１Ｅとして保持する（Ｓ２３０）。
【００４５】
平衡に達したことを演算部１０４から通知されると、ポンプ・電磁弁制御部１０６は大気開放弁９２を開放する。これにより、分注容器７０の空気及び採血管５０の空気層５８が大気圧とされる。さらにポンプ弁８４が開放され、シリンジポンプ８８内も大気圧とされる（Ｓ２３５）。
【００４６】
一方、演算部１０４は平衡を判定すると、あらかじめ与えられたＰ１Ｓと、保持しているＰ１Ｅとを用い、（６）、（７）式から採血管５０の空気層５８の体積Ｖ０Ｓと予備採取された血清量ΔＶとを算出する（Ｓ２４０）。
【００４７】
続いて、本採取動作が行われる。演算部１０４は、目標分注量ΔＶＴを得るための本採取の目標陰圧Ｐ１ＳをＶ０Ｓ、ΔＶを用いて定め、その陰圧を実現するためのシリンジポンプ８８のピストンの移動量を算出する（Ｓ２４５）。目標陰圧Ｐ１Ｓを実現するシリンジ室の陰圧Ｐ２は、（１７）、（１８）式を用いた予備採取時の計算と同様にして求められる。そのためのピストンの移動量も同様に計算される。
【００４８】
ポンプ・電磁弁制御部１０６により再び、ポンプ弁８４及び大気開放弁９２が閉じられ（Ｓ２５０）、分注容器７０とシリンジポンプ８８とが遮断される。さらに、ポンプ・電磁弁制御部１０６は駆動機構１１０を制御して、演算部１０４にて算出された位置にピストンを移動し、シリンジ室に陰圧Ｐ２’を形成する（Ｓ２５５）。その後、ポンプ・電磁弁制御部１０６は、ポンプ弁８４を一瞬だけ開き、再び閉じる（Ｓ２５７）。このポンプ弁８４の開放により分注容器７０側に瞬時に陰圧Ｐ１Ｓ’が付与される。
【００４９】
分注容器７０に陰圧Ｐ１Ｓ’が付与されることにより、採血管５０から分注容器７０への血清５４の本採取が開始される（Ｓ２６０）。本採取も予備採取と同様、空気層５８と分注容器７０内の空気の圧力とが平衡に達することにより自然に停止する。演算部１０４は、予備採取時と同様にして、圧力平衡を検知し、本採取の終了を判定する（Ｓ２６５）。
【００５０】
平衡に達したことを演算部１０４から通知されると、ポンプ・電磁弁制御部１０６は大気開放弁９２とポンプ弁８４とを順次開放し、分注容器７０の空気、採血管５０の空気層５８、及びシリンジポンプ８８内が大気圧とされる（Ｓ２７０）。これにより本採取が完了し、分注容器７０がカプラー台７６から取り外される（Ｓ２７５）。
【００５１】
同じ採血管５０から引き続いて別の分注容器７０への血清５４の採取を行う場合には（Ｓ２８０）、新たな分注容器７０をカプラー台７６に当接して採血管５０に気密接続し、処理Ｓ２４５からの本採取動作が繰り返される。なお、２回目以降の本採取では、それまでの分注量の総和を（ΣΔＶＴ）と表すと、
【数１６】
Ｖ０Ｓ’＝Ｖ０Ｓ＋ΣΔＶＴ ………（２０）
であり、また分注容器７０には予備採取による血清は存在しないので、
【数１７】
Ｖ１Ｓ’＝Ｖ１Ｓ ………（２１）
ΔＶ’＝ΔＶＴ ………（２２）
である。２回目の本採取動作は、これらの初回の本採取との相違を考慮した上で、原理的には初回と同様に行われる。
【００５２】
同一の採血管５０からの分注が完了すると、採血管５０をカプラー７６から外して（Ｓ２８５）、当該採血管５０についての分注処理を終了する（Ｓ２９０）。
【００５３】
ちなみに、ポンプ弁８４は以下の意義を有する。一つには、ピストンを移動させてシリンジ室に所定の陰圧を形成する過渡的な過程において分注容器７０へ血清５４が流入することによる処理の複雑化、精度良い制御の困難化を回避することができる。
【００５４】
また、上述の実施形態では予備採取から本採取に移る際に、処理Ｓ２１０にてポンプ弁８４及び大気開放弁９２を開放して、各空気層を大気圧とした。しかし、この大気開放を行わず、予備採取が完了した際の圧力平衡状態のまま本採取を行うように構成することもできる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の自動分注装置によれば、本採取に先だって、予備採取を行い、それに基づいて分注元容器内の空気層の気体状態量を推定するので、分注元容器内の空気の体積を測定するための界面センサ等のセンサが不要であり、構成が簡単になる。また、気体の状態方程式に基づいて分注元容器の空気層の体積を求めるので、界面センサなどを用いた場合と異なり、空気層の形状が複雑であっても精度良くその体積を求めることができ、分注精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における分注先容器に付与された陰圧による試料の採取動作の原理を示す模式図である。
【図２】本発明における分注先容器に目標陰圧を付与する原理を説明するための模式図である。
【図３】本発明の実施形態である血清自動分注装置の構成を示す模式図である。
【図４】本発明の実施形態である血清自動分注装置の動作の概略のフロー図である。
【図５】予備採取動作における分注容器内の空気の圧力変化を示す模式的なグラフである。
【図６】従来の定量抜取り可能な血液試料採取装置の模式的な構成図である。
【符号の説明】
３０ 分注元容器、３２ 分注先容器、３４ 連通管、４０ 陰圧源、５０ 採血管、５４ 血清、５８ 空気層、６０ 封止栓、７０ 分注容器、７２ カプラー、７４ 採取針、７６ カプラー台、８２，８６ チューブ、８４ ポンプ弁、８８ シリンジポンプ、９２ 大気開放弁、１００ 圧力センサ、１０２圧力センサ出力回路、１０４ 演算部、１０６ ポンプ・電磁弁制御部、１１０ 駆動機構。
Claims (6)
- 連通路を介して分注元容器と分注先容器とを気密接続し、前記分注先容器に陰圧を付与して前記分注元容器内の試料を前記分注先容器へ目標採取量だけ定量採取する自動分注装置において、
前記分注先容器に所定陰圧を付与して分注先気体を初期状態に設定する分注先初期設定手段と、
前記初期状態の設定後に前記分注元容器から前記分注先容器へ未知量の試料が予備採取されて前記分注先気体が前記分注元容器内の分注元気体と圧力平衡状態となった時点にて、前記分注先気体の平衡時気体状態量を検知する平衡時分注先状態量検知手段と、
前記初期状態にて設定された前記分注先気体の初期気体状態量及び前記平衡時気体状態量に基づいて、前記予備採取前又は前記圧力平衡状態での前記分注元気体の分注元気体状態量を推定する分注元状態量推定手段と、
前記分注元気体状態量及び前記試料の目標採取量とに応じて、前記予備採取後に行われる本採取にて前記分注先容器に付与すべき目標陰圧を求める本採取条件決定手段と、
前記分注先容器に前記目標陰圧を付与する分注先目標陰圧付与手段と、
を有することを特徴とする自動分注装置。 - 請求項１記載の自動分注装置において、
前記予備採取開始前の前記分注元気体を所定圧力に設定する分注元初期圧力設定手段を有すること、
を特徴とする自動分注装置。 - 請求項２記載の自動分注装置において、
前記分注元初期圧力設定手段は、前記分注元容器を大気開放することを特徴とする自動分注装置。 - 請求項１から請求項３のいずれかに記載の自動分注装置において、
前記平衡時分注先状態量検知手段は、前記圧力平衡状態での前記分注先気体の圧力を検知する圧力センサを有すること、
を特徴とする自動分注装置。 - 請求項１から請求項４のいずれかに記載の自動分注装置において、
前記分注元状態量推定手段は、前記試料の予備採取量を算出し、
前記本採取条件決定手段は、前記目標採取量から前記予備採取量を減算した差分値だけ前記試料が追加採取されるように前記目標陰圧を定めること、
を特徴とする自動分注装置。 - 請求項１から請求項５のいずれかに記載の自動分注装置において、
前記分注先初期設定手段及び前記分注先目標陰圧付与手段は、
前記分注先容器に接続される陰圧源と、
前記分注先容器と前記陰圧源との接続を制御する制御弁と、
前記予備採取又は前記本採取の開始に際して前記陰圧源を一時的に前記分注先容器に接続させ、採取動作中は前記陰圧源を前記分注先容器から遮断するように前記制御弁を制御する弁制御手段と、
を共通に有し、
前記本採取条件決定手段は、
前記制御弁が開放された時に前記分注先気体の圧力を前記目標陰圧とするような前記陰圧源の本採取前気体状態量を求める陰圧源状態量決定手段を有し、
前記分注先目標陰圧付与手段は、さらに、
前記制御弁の開放前に、前記陰圧源を前記本採取前気体状態量に設定する陰圧源制御手段を有すること、
を特徴とする自動分注装置。
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