LU85632A1 - METHOD AND DEVICE FOR AUTOMATICALLY ANALYZING BIOLOGICAL SAMPLES - Google Patents
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Description
La présente invention concerne un procédé nouveau pour l'identification, le tri et le comptage entièrement automatiques de particules de très petites dimensions, et notamment mais non exclusivement des micro-organismes d'origine animale 5 ou végétale, ainsi que pour l'exploitation des résultats obtenus dans des domaines aussi variés que les analyses biologiques telles que celles du lait ou du sang, les contrôles automatiques de pollution bactérienne, par exemple dans le pilotage automatique des stations d'épuration d'effluents industriels ou d'eau 10 potable, ce procédé se caractérisant par sa précision, sa rapidité et son bon marché.The present invention relates to a new process for the fully automatic identification, sorting and counting of very small particles, and in particular but not exclusively of microorganisms of animal or plant origin, as well as for the exploitation of results obtained in fields as varied as biological analyzes such as those of milk or blood, automatic bacterial pollution controls, for example in the automatic control of industrial effluent treatment plants or drinking water, this process characterized by its precision, speed and low cost.
Divers procédés visant à atteindre des résultats ^ semblables sont connus. Par exemple, dans le cas de l'analyse du sang humain, le processus usuel consiste dans un premier 15 temps à préparer manuellement chaque échantillon par divers traitements mécaniques et/ou chimiques, puis à l'examiner au microscope de manière à analyser et compter les divers éléments cellulaires recherchés. Cette technique est longue et laborieuse et comporte cependant un taux d'erreur admis entre 20 et 30 %.Various methods of achieving similar results are known. For example, in the case of the analysis of human blood, the usual process consists first of all in manually preparing each sample by various mechanical and / or chemical treatments, then in examining it under the microscope so as to analyze and count the various cellular elements sought. This technique is long and laborious and nevertheless includes an admitted error rate between 20 and 30%.
20 De même, pour analyser et compter les bactéries pré sentes dans un liquide, l'opérateur doit prélever des échantillons du liquide, puis procéder sur chacun à des cultures permettant de faire apparaître les bactéries, ce qui provoque des délais de plusieurs heures, et enfin analyser et compter ces bactéries par 25 référence ä des formes connues, avec les mêmes limitations et inconvénients que ci-dessus.Likewise, to analyze and count the bacteria present in a liquid, the operator must take samples of the liquid, then carry out cultures on each one allowing the bacteria to appear, which causes delays of several hours, and finally analyze and count these bacteria by reference to known forms, with the same limitations and drawbacks as above.
Plus généralement, il n'existe pas de procédé automatique et répétitif permettant d'obtenir les résultats cherchés de manière rapide et continue, tout en évitant l'erreur humaine.More generally, there is no automatic and repetitive process allowing the desired results to be obtained quickly and continuously, while avoiding human error.
30 L'invention permet d'atteindre ce résultat par la mise en oeuvre d'une succession d'opérations dont le principe est individuellement connu pour d'autres applications, mais qui sont ici combinées et adaptées l'une à l'autre en vue de ce nouveau résultat.The invention makes it possible to achieve this result by implementing a succession of operations, the principle of which is individually known for other applications, but which are here combined and adapted to one another in view of this new result.
35 ha première opération consiste â préparer et à déposer de manière automatique et continue une succession d’échantillons sur un support continu, en les répartissant sur un trajet d'exploration d'un système d'enregistrement de tous les échantillons successifs par une caméra vidéo.35 ha first operation consists in automatically and continuously preparing and depositing a succession of samples on a continuous support, by distributing them over an exploration path of a recording system of all the successive samples by a video camera .
40 La seconde opération consiste dans ledit enregistrement 2 par la caméra vidéo de l'image donnée par un microscope, comportant des éléments optiques particuliers.The second operation consists in said recording 2 by the video camera of the image given by a microscope, comprising specific optical elements.
La troisième opération consiste dans la décomposition de l'image de chaque échantillon suivant un découpage quadrillé 5 comportant un certain nombre de lignes et colonnes, définissant pour chaque échantillon un certain nombre de zones bien identifiées ou "pixels", en vue de l'analyse de chaque échantillon conformément à des techniques classiques en elles-mêmes.The third operation consists in decomposing the image of each sample according to a grid division 5 comprising a certain number of rows and columns, defining for each sample a certain number of well identified areas or "pixels", for analysis of each sample according to conventional techniques in themselves.
La quatrième opération consiste dans ladite analyse 10 d'image en fonction du niveau d'éclairement de chaque pixel, au moyen d'un ordinateur, dont les résultats d'analyse sur tous les échantillons sont traités statistiquement puis digitalisés sur imprimante, ce qui permet, non seulement de connaître à tout moment le résultat de l'analyse, mais au surplus de suivre 15 avec le temps l'évolution de ce résultat.The fourth operation consists in said image analysis 10 as a function of the level of illumination of each pixel, by means of a computer, the analysis results of which on all the samples are processed statistically and then digitized on a printer, which allows , not only to know the result of the analysis at all times, but also to follow the evolution of this result over time.
La mise en oeuvre de ces diverses opérations appelle un certain nombre de commentaires :The implementation of these various operations calls for a certain number of comments:
Commentaires sur la première opération :Comments on the first operation:
Chaque échantillon subit une préparation physico-20 chimique, en amont de la phase de dépôt sur le support. Cette préparation est comparable aux traitements usuels pour le produit considéré, mais moyennant certaines modifications.Each sample undergoes physicochemical preparation, upstream of the deposition phase on the support. This preparation is comparable to the usual treatments for the product under consideration, but with certain modifications.
Ainsi dans les techniques antérieures, par exemple la phase de "coloration" n'avait pour but que de rendre visibles 25 toute une catégorie de cellules telles que les bactéries, sans préjuger de leur état de développement ou de mort. Selon la présente invention, la coloration a pour but d'indiquer l'état viable de certaines cellules et de les visualiser sans colorer les artefacts.Thus in the prior art, for example the "staining" phase was intended only to make visible a whole category of cells such as bacteria, without prejudging their state of development or death. According to the present invention, the purpose of staining is to indicate the viable state of certain cells and to visualize them without staining the artefacts.
30 De même, après la coloration, l'application d'un traitement d'épifluorescence (en général en rayonnement ÜV par dessus), dont la ré-êmission est filtrée permet la mise en évidence de toutes les cellules contenant un noyau, tandis qu'un traitement d'immunofluorescence permet de les extraire de façon 35 spécifique.30 Likewise, after staining, the application of an epifluorescence treatment (generally in UV radiation above), the reemission of which is filtered allows the detection of all the cells containing a nucleus, while immunofluorescence treatment makes it possible to extract them specifically.
Enfin, chaque échantillon est déposé automatiquement par pulvérisation,ou par soufflage sur le support continu, sous forme de gouttes calibrées d'épaisseur et de diamètre constants. Ces gouttes sont réparties de façon régulière et homogène sur 40 le support, pour être vues successivement par la caméra. Dans 3 une première réalisation, le support est un disque horizontal tournant autour de son axe, et les gouttes sont déposées en cercles concentriques, de manière à être explorées soit suivant lesdists cercles successifs, soit par une exploration alternative-5 ment radiale et circulaire. Selon une seconde réalisation, le support est une bande continue se déroulant depuis un rouleau d’alimentation et s’enroulant sur un rouleau récepteur, le tout étant logé dans une cassette jetable. Cela élimine la nécessité de laver le support comme dans le cas du disque. En général, 10 1 mm3 représente le nombre de gouttes dont le résultat statistique est pris comme valeur pour un échantillon, et ainsi de suite pour les suivantes. Bien entendu, après chaque mesure, le support subit un lavage, contrôlé automatiquement.Finally, each sample is deposited automatically by spraying, or by blowing on the continuous support, in the form of calibrated drops of constant thickness and diameter. These drops are distributed in a regular and homogeneous manner on the support, to be seen successively by the camera. In a first embodiment, the support is a horizontal disc rotating around its axis, and the drops are deposited in concentric circles, so as to be explored either according to the said successive circles, or by an alternative radial and circular exploration. According to a second embodiment, the support is a continuous strip unwinding from a feed roller and winding on a take-up roller, the whole being housed in a disposable cassette. This eliminates the need to wash the media as in the case of the disc. In general, 10 1 mm3 represents the number of drops whose statistical result is taken as the value for one sample, and so on for the following. Of course, after each measurement, the support undergoes a washing, automatically controlled.
Commentaires sur la seconde opération : 15 Le système utilisé comprend la combinaison d’un microscope équipé d'une optique spéciale, et d'une caméra vidéo, dont la photo est transmise à un mini-ordinateur en vue de la troisième opération. Ce microscope transmettant des informations en continu, il était donc nécessaire d’en assurer 20 une mise au point correcte en permanence. A cet effet, il est prévu entre l’objectif et le support d’échantillons une vis micromêtrique garantissant une focalisation mécanique constante.Comments on the second operation: 15 The system used includes the combination of a microscope equipped with special optics, and a video camera, the photo of which is transmitted to a mini-computer for the third operation. This microscope transmitting information continuously, it was therefore necessary to ensure correct focusing at all times. For this purpose, a micrometric screw is provided between the objective and the sample holder ensuring constant mechanical focusing.
Ce microscope est de préférence éclairé en UV directs, puisque l’observation est photographiée par la caméra, qui peut recevoir 25 davantage de lumière que l’oeil humain.This microscope is preferably illuminated in direct UV, since the observation is photographed by the camera, which can receive more light than the human eye.
Commentaires sur la troisième opération :Comments on the third operation:
La photographie de l’échantillon par la caméra est transmise à l’ordinateur qui va procéder à son analyse conformément è des techniques complexes mais bien connues. De ce fait 30 il n’est pas nécessaire de développer la description de ces techniques. On se bornera donc à rappeler que l’image étant envoyée en mémoire dans l’ordinateur ("acquisition"), on détermine d’abord la valeur minimum de l'éclairement d’un pixel correspondant a une particule è prendre en considération ("seuillage"), 35 puis, ce seuil étant fixé pour un échantillon, on détermine le contour de chaque particule. On notera toutefois que c’est en particulier par l'exploitation de cette technique que le procédé de l’invention se différencie fondamentalement des techniques manuelles classiques, qui se bornaient à une comparaison visuelle 40 avec une série de formes données. Cette différence se traduit à 4 la fois par la précision et la rapidité des opérations, par opposition à la simple commparaison visuelle, lente, imprécise et source d'erreurs.The photograph of the sample by the camera is transmitted to the computer which will analyze it according to complex but well known techniques. Therefore, it is not necessary to develop the description of these techniques. We will therefore limit ourselves to recalling that the image being sent into memory in the computer ("acquisition"), we first determine the minimum value of the illumination of a pixel corresponding to a particle to be taken into consideration (" thresholding "), 35 then, this threshold being fixed for a sample, the contour of each particle is determined. It should be noted, however, that it is in particular through the use of this technique that the method of the invention differs fundamentally from conventional manual techniques, which were limited to a visual comparison 40 with a series of given shapes. This difference translates to 4 at the same time by the precision and the speed of the operations, as opposed to the simple visual comparison, slow, imprecise and source of errors.
La phase suivante de cette opération est le tri entre 5 les particules ainsi définies par leurs dimensions et leurs formes. Ce tri s'effectuant pour chaque goutte, les résultats de toutes les gouttes sont ensuite traités statistiquement, ce qui assure la précision des informations recueillies»aussi bien en un moment déterminé que dans leur évolution dans le temps.The next phase of this operation is the sorting between 5 the particles thus defined by their dimensions and their shapes. This sorting being carried out for each drop, the results of all the drops are then treated statistically, which ensures the accuracy of the information collected ”both at a given moment and in their evolution over time.
10 Bien entendu, la technique générale de l'analyse d'image ou de forme ("pattern récognition") étant devenue classique, toutes les opérations auxiliaires également connues dans cette technique sont utilisables, telle que le prétraitement de l'image en vue de l'élimination des "bruits de fond", pour 15 bénéficier d'une image plus nette, le filtrage, la dilatation, l'érosion ou la squelettisation de l'image, ces techniques pouvant intervenir dans des cas spécifiques.10 Of course, the general technique of image or shape analysis ("recognition pattern") having become conventional, all the auxiliary operations also known in this technique can be used, such as the preprocessing of the image with a view to the elimination of "background noise", in order to benefit from a sharper image, filtering, dilation, erosion or skeletonization of the image, these techniques being able to intervene in specific cases.
On va maintenant illustrer l'invention en se référant à deux exemples d'applications pratiques de ce procédé.The invention will now be illustrated by referring to two examples of practical applications of this process.
20 Exemple 1.20 Example 1.
Dans cet exemple, le procédé selon l’invention est appliqué à la recherche des bactéries dans le lait.In this example, the method according to the invention is applied to the detection of bacteria in milk.
Dans ce cas, la première opération comporte la coloration de l'échantillon au moyen d'acridine orange ä pH 6. Dans 25 la goutte vont alors apparaître : les globules de graisses, non colorés, les leucocytes vivants, de forme semblables aux globules de graisse,mais qui en sont différenciés par leur coloration, les bacilles, en forme de bâtonnets, et les coques en forme de ronds, apparaissant avec ou sans acide ribonucléique (ARN) en cours de 30 "mort" et acide désoxyribonucléique (ADN) revivifiables. On connaît donc ainsi dès lors le nombre de germes totaux et le nombre de leucocytes, que l’on identifie par epifluorescence, par éclairage par dessus à ÜV <400 p, avec réémission d'un spectre vers 600 nano μ que l'on peut filtrer.In this case, the first operation involves staining the sample with acridine orange at pH 6. In 25 the drop will then appear: fat globules, uncoloured, living leukocytes, of a shape similar to globules of fat, but which are differentiated by their coloration, the bacilli, in the form of rods, and the shells in the form of circles, appearing with or without ribonucleic acid (RNA) in the course of 30 "death" and deoxyribonucleic acid (DNA) revivable . So we therefore know the number of total germs and the number of leukocytes, which we identify by epifluorescence, by illumination from above at ÜV <400 p, with re-emission of a spectrum around 600 nano μ that we can filter.
35 On peut alors, dans les bacilles, rechercher le clos tridium butyricum et le pseudomonas fluorescens. Pour les extraire on utilise l'immunofluorescence avec un sérum correspondant au germe cherché et un colorant spécifique.35 One can then, in the bacilli, look for the clos tridium butyricum and the pseudomonas fluorescens. To extract them, immunofluorescence is used with a serum corresponding to the germ sought and a specific dye.
On procède alors aux opérations suivantes sur l'échan-40 tillon, toujours à basse température : 5 £ On obtient les germes totaux en ajoutant à l'échantillon 1 Z de cyanure et 10 Z d'acridine orange,et en soumettant des gouttes du produit de réaction aux opérations 2 et 3.The following operations are then carried out on the 40-ton sample, always at low temperature: £ 5 The total germs are obtained by adding to the sample 1 Z of cyanide and 10 Z of acridine orange, and subjecting drops of the reaction product to operations 2 and 3.
b On obtient le pseudomonas seul en recommençant 5 l'essai a_, mais sans colorant.b The pseudomonas is obtained alone by repeating the test a_, but without dye.
£ On obtient le clostridium seul en recommençant £, mais en ajoutant à la fois l'acridine orange et le sérum spécifique coloré.£ Clostridium alone is obtained by repeating £, but adding both the acridin orange and the specific colored serum.
Quel que soit le processus a, b_ ou £ choisi, on 10 photographie alors l'image donnée par le microscope par une caméra, la photo étant transmise en mémoire d'ordinateur sous forme d'un rectangle découpé par 512 lignes et 512 colonnes, ’ soit 262144 points ou pixels. La profondeur de chaque point c'est-à-dire la quantité de lumière reçue, est représentée par 15 un chiffre ou "bit". Dans le cas présent, on utilise six bits, soit 64 niveaux, le zéro correspondant au noir et le 63 au blanc. Les images, étant des objets éclairés, se détachent sur fond noir (aux parasites pris). Au départ d'une opération d'analyse, on fixe la valeur minimum d'éclairement (seuil) à y 20 partir de laquelle un point va être décompté comme élément d'objet. Ce "seuillage" étant fixé, on passe à la phase "contour", c'est-à-dire la détermination du périmètre de chaque objet, et on répertorie tous les objets dans un tableau, dans lequel, selon les coordonnées de chaque périmètre, on en dëter-25 mine un certain nombre de paramètres, tels que la "plus grande longueur", ainsi qu' un "facteur de forme", qui, à partir du cercle, pris arbitrairement pour =1, conduit à séparer les objets "longs" des objets "ronds". On trie alors dans le tableau les seuls objets intéressants en fonction des paramètres choisis, 30 et les résultats sont enfin traités statistiquement, pour chaque goutte et pour l'ensemble des gouttes. Dans le cas présent, l'analyse d'une goutte représente une seconde et demi, avec un pourcentage admis d'erreur de 5 Z. Ces valeurs sont à rapprocher des durées, et de la marge d'erreur admise jusqu'à 35 présent, et elles résultent de l'automatisation complète des opérations.Whatever process a, b_ or £ is chosen, the image given by the microscope is then photographed by a camera, the photo being transmitted in computer memory in the form of a rectangle cut out by 512 lines and 512 columns, 'or 262,144 points or pixels. The depth of each point, ie the amount of light received, is represented by a number or "bit". In the present case, six bits are used, that is to say 64 levels, the zero corresponding to black and the 63 to white. The images, being lighted objects, stand out against a black background (with parasites caught). At the start of an analysis operation, the minimum illumination value (threshold) is set thereon from which a point will be counted as an object element. This "thresholding" being fixed, we pass to the phase "contour", that is to say the determination of the perimeter of each object, and we list all the objects in a table, in which, according to the coordinates of each perimeter , we determine-25 mine a certain number of parameters, such as the "greatest length", as well as a "form factor", which, starting from the circle, taken arbitrarily for = 1, leads to separate objects "long" objects "round". The only objects of interest are then sorted in the table according to the parameters chosen, 30 and the results are finally treated statistically, for each drop and for all the drops. In the present case, the analysis of a drop represents a second and a half, with an accepted percentage of error of 5 Z. These values are to be compared with the durations, and with the margin of error allowed up to now. , and they result from the complete automation of operations.
Exemple 2 : Analyse du sang.Example 2: Analysis of the blood.
L'application du procédé de l'invention permet dans ce cas non seulement d'évaluer avec rapidité et précision les 40 cellules proprement dites, c'est-à-dire les globules rouges et '* . 6 les globules blancs, mais également de déceler et de compter automatiquement les parasites qu’ils contiennent, et qui n'avaient jamais pu faire l'objet d'une telle opération antérieurement en raison de leur très petite taille. Ainsi par exemple, grâce à 5 l'invention, il est maintenant possible de procéder à la recher che et au comptage automatique des parasites du paludisme dont la dimension est de l'ordre de 2 microns.The application of the method of the invention makes it possible in this case not only to assess quickly and precisely the 40 cells proper, that is to say the red blood cells and '*. 6 white blood cells, but also to automatically detect and count the parasites they contain, which had never been the subject of such an operation previously because of their very small size. Thus, for example, thanks to the invention, it is now possible to carry out the search and automatic counting of malaria parasites whose dimension is of the order of 2 microns.
Plus précisément, l'analyse du sang par le procédé selon l'invention est réalisée en suivant le processus suivant : 10 En premier lieu, le dépôt sur le support est effectué de manière continue et automatique par pulvérisation ou soufflage. Cela représente un progrès par rapport aux techniques antérieures ou chaque goutte de sang était écrasée entre un support et une plaquette de verre, ce qui détruisait ou altérait les 15 cellules .More specifically, the analysis of the blood by the method according to the invention is carried out by following the following process: First, the deposition on the support is carried out continuously and automatically by spraying or blowing. This represents an improvement over previous techniques where each drop of blood was crushed between a support and a glass plate, which destroyed or damaged the cells.
La phase de coloration à l'acridine orange à pH 6 a pour résultat une différenciation entre les globules rouges qui, étant sans noyau, ne contiennent ni ARN ni ADN et demeurent donc non colorés, tandis que, au contraire, les globules blancs, étant 20 vivants, contiennent un noyau et diverses inclusions, qui pren dront des colorations différentes (ADN pour le noyau, ARN pour les inclusions).The acridine orange staining phase at pH 6 results in a differentiation between the red blood cells which, being nucleus-free, contain no RNA or DNA and therefore remain uncoloured, whereas, on the contrary, the white blood cells, being 20 living, contain a nucleus and various inclusions, which will take different colors (DNA for the nucleus, RNA for the inclusions).
Par contre, dans le cas de la présence de parasites sanguins à l'intérieur d'un globule rouge, ces parasites seront 25 mis en évidence par coloration car ils contiennent de l'ADN et de l'ARN.On the other hand, in the case of the presence of blood parasites inside a red blood cell, these parasites will be highlighted by staining because they contain DNA and RNA.
On procède à l'analyse d'image conformément aux techniques générales évoquées précédemment, mais en prenant en compte la complexité des "objets".Image analysis is carried out in accordance with the general techniques mentioned above, but taking into account the complexity of the "objects".
30 En effet, si les globules blancs, colorés, sont bien connus et faciles à identifier et à compter, à partir de leur contour, on trouve, à l'intérieur de ce contour extérieur un ou plusieurs contours intérieurs, constituant des noyaux, à l'intérieur desquels, on peut déceler encore d'autres constituants.30 Indeed, if the white, colored globules are well known and easy to identify and count, from their outline, one finds, inside this outside outline, one or more inside contours, constituting nuclei, inside of which, one can still detect other constituents.
35 II devient alors possible, en fonction du nombre d'objets ainsi décelé, d'identifier et compter différents types de constituants polynucléaire s.35 It then becomes possible, depending on the number of objects thus detected, to identify and count different types of polynuclear constituents.
Il en est de même pour les parasites des globules rouges, ce qui représente une grande originalité du présent procédé. 40 Ainsi par exemple, le parasite du paludisme se présente sous 7 forme d'un anneau ouvert (ARN) portant à ses deux extrémités des excroissances ou chatons (ADN), ce qui, malgré leur très * petites dimensions (2 microns) permet pour la première fois leur comptage automatique et continu dans le sans soumis à l'analyse.It is the same for the parasites of red blood cells, which represents a great originality of the present process. 40 Thus, for example, the malaria parasite is in the form of an open ring (RNA) carrying at its two ends growths or catkins (DNA), which, despite their very * small dimensions (2 microns) allows for the first time their automatic and continuous counting in the without subject to analysis.
5 Les applications de ce nouveau procédé, qui ont été évoquées au début,sont en fait pratiquement illimitées, et notamment dépassent le simple comptage de particules dans un liquide. Ainsi on peut en envisager l'application au tri et au comptage de défauts de surfaces dans des matériaux solides.5 The applications of this new process, which were mentioned at the beginning, are in fact practically limitless, and in particular go beyond the simple counting of particles in a liquid. Thus we can consider the application to sorting and counting surface defects in solid materials.
10 L'adaptation de ce procédé à de telles applications ainsi qu'à d'autres fera l'objet de futurs additifs au présent brevet.The adaptation of this process to such and other applications will be the subject of future additives to this patent.
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