DE69425158T2

DE69425158T2 - Optisches probe-analysesystem und verfahren

Info

Publication number: DE69425158T2
Application number: DE69425158T
Authority: DE
Inventors: E. Chu; Lian Tao
Original assignee: E-Y Laboratories Inc
Current assignee: E-Y Laboratories Inc
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1994-02-24
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2014-02-25
Also published as: JPH08504950A; US5717778A; US6249593B1; ATE194431T1; WO1994019767A1; EP0731951A4; DE69425158D1; EP0731951B1; JP3093270B2; EP0731951A1; ES2150985T3; HK1014598A1; DK0731951T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Systeme und Verfahren zum Analysieren von Proben, vorzugsweise Proben biologischen Ursprungs, und insbesondere auf ein computerisiertes Verfahren und System zur optischen Analyse solcher Proben.

Hintergrund der Erfindung

Viele gegenwärtig übliche Labortests werden dadurch bestimmt, wie eine bestimmte Probe mit einem bestimmten Reagenz reagiert. Oft werden diese Tests qualitativ durch Inaugenscheinnahme bestimmt. Zum Beispiel können bei gegenwärtig üblichen Heim-Schwangerschaftstests im Urin einer Frau bestimmte Hormone durch Färben des Testsubstrats festgestellt werden, wodurch eine potentielle Schwangerschaft angezeigt wird. Für solche Tests kann ein Techniker die Ergebnisse auf einen Blick feststellen. Mit steigendem Bedarf für Diagnosetests wird aber die Inaugenscheinnahme durch einen menschlichen Techniker zum Engpaß. Hinzu kommt, daß menschliche Techniker Fehler machen können, insbesondere bei der Durchführung von Diagnosetests, die quantitative Messungen auf der Grundlage der Farbe oder optischen Dichte einer Probe erfordern.
Dementsprechend wurde eine Anzahl bekannter Systeme so ausgelegt, daß die Bestimmung der Testergebnisse teilweise automatisiert wurde. Bei einem bekannten System wird das Bild des Testsubstrats digitalisiert und das Bild auf die Testergebnisse hin analysiert. Das US-Patent 5 018 209, ausgegeben am 21. Mai 1991, und das US-Patent 5 008 185, ausgegeben am 16. April 1991, beide von Bacus, beschreiben digitale Bildverarbeitungsverfahren und -vorrichtungen zum Analysieren verschiedener Eigenschaften von Zellen, die auf einem Objektträger unter einem Mikroskop betrachtet werden. Da die Zellen (oder Teile derselben) willkürlich auf dem Objektträger an geordnet sind, arbeiten Techniker und System interaktiv, wobei der Techniker die Zellen manuell auf dem Objektträger anordnet, die das System danach analysiert. Zwar wird die Effizienz des Testverfahrens durch ein solches interaktives System verbessert, es ist jedoch nicht so effizient wie ein System, bei dem der interessierende Bereich ohne menschlichen Eingriff automatisch geortet wird.
Das US-Patent 4 922 915, ausgegeben am 08. Mai 1990, von Arnold, beschreibt ein automatisches Bild-Ortungsverfahren auf dem Gebiet der medizinischen Abbildungstechnologie, beispielsweise der Computertomographie (CT) und magnetischen Resonanzabbildung (MRI). Bei einer typischen diagnostischen Untersuchung eines Patienten werden mehrere Bezugsproben bekannter optischer Dichte in der Nähe des Körpers eines Patienten angeordnet und gleichzeitig abgetastet. Diese Bilder der Bezugsproben bekannter Dichte werden mit den Bildern verschiedener Regionen des Körpers des Patienten verglichen, um die relevanten Charakteristika dieser Bereiche zu bestimmen.
Das Verfahren von Arnold bezieht sich auf die Ortung zweier Bereiche: der Bezugsproben und der interessierenden Bereiche innerhalb des Körpers des Patienten. Hinsichtlich der Bezugsproben lokalisiert das System die Proben automatisch durch zwei getrennte Algorithmen. Der erste Algorithmus nutzt die Tatsache, daß die Bezugsproben eine bekannte optische Dichte haben. Das System von Arnold sucht das gesamte digitale Bild nach Bereichen mit diesen optischen Dichten ab.
Der zweite Ortungsalgorithmus nutzt zuvor positionierte metallische Stangen, die in der Nähe zu den Bezugsproben angeordnet sind. Zunächst startet das System, indem es das gesamte digitale Bild nach Pixeln größter Dichte absucht. Diese Pixel entsprechen den metallischen Stangen. Nachdem die Stangen geortet sind, lassen sich die Bezugsproben leicht lokalisieren, weil die Orientierung der Proben in Bezug zu den metallischen Stangen vordefiniert ist.
Hinsichtlich der Ortung interessierender Bereiche im Körper des Patienten ist die vom Arnold-System ausgeführte Suche nicht vollständig automatisiert. Nachdem die Bezugs proben lokalisiert sind, muß eine Bedienungsperson einen erweiterten interessierenden Bereich festlegen, zum Beispiel rings um eine Knochenstruktur, den das System danach verfeinert. Dieser Schritt ist bei Arnold notwendig, weil das System unfähig ist Bereiche auszuschließen, die die Dichteablesungen verfälschen.
Das arnoldsche Verfahren zur automatischen Lokalisierung digitaler Bilder arbeitet zwar zufriedenstellend, wenn Bereiche entweder eine bekannte Dichte oder eine bekannte Ausrichtung haben. Es ist jedoch nicht zufriedenstellend, wenn der interessierende Bereich keine bekannte Intensität oder Lage hat. Bei dem arnoldschen Verfahren ist während der Analyse stets ein menschlicher Eingriff erforderlich.
Ferner werden bei den oben beschriebenen Verfahren die Proben nicht quantitativ analysiert; vielmehr wird auf der Grundlage der optischen Dichte ein interessierender Bereich nur geortet. Bei der Analyse chemischer und biologischer Proben ist aber oft die Dichte einer bestimmten Farbe der relative Meßparameter. Zum Beispiel werden bestimmte kolloidale Reagenzien verwendet, um einen roten Fleck zu erzeugen, wenn eine biologische Probe mit einem bestimmten Antigen mit dem kolloidalen Reagenz zur Reaktion gebracht wird, um dadurch die Gegenwart des Antigen in der biologischen Probe festzustellen.
Es ist daher wünschenswert, ein System und ein Verfahren zur automatischen Bildlokalisierung und quantitativen Analyse zur Verfügung zu stellen, wenn der interessierende Bereich weder eine bekannte Intensität, noch eine bekannte Lage im Bild hat.
Ferner ist wünschenswert, ein zuverlässiges automatisches Testverfahren für Labortests zur Verfügung zu stellen, bei dem die Farbsättigung oder optische Dichte einer getesteten Probe mit Bezug auf eine vorbestimmte Skala quantifiziert werden muß, was einen höheren Laboraufwand bedeutet als Tests, bei denen das Ergebnis nur "ja/nein" lautet. Ferner ist die Quantifizierung von Testergebnissen für menschliche Techniker sehr schwierig, wenn die Farbdichte des die Probe umgebenden Sub strats durch die für jeden Test benutzte Reagenzmenge, durch die Flüssigkeitsmenge (zum Beispiel Blutplasma), die auf dem Substrat mit der Probe aufgebracht sind, oder durch unterschiedliche Chargen des Reagenz beeinflußt werden. Die Ergebnisse solcher Tests hängen oft vom Unterschied in der Farbsättigung ab, der mit der Probe und dem Substratbereich rings um die Probe verbunden ist (das heißt vom Reagenz beeinflußt wird). Dies gilt insbesondere für Tests, bei denen chemisch aktive Membranen als Substrate verwendet werden, auf die Gewebeproben aufgelegt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und ein System zur Analyse eines Analyten biologischen Ursprungs zur Verfügung, wie sie in Anspruch 1 bzw. 14 beschrieben sind.
Ausführungsformen der Erfindung stellen ein Verfahren und ein System zur automatischen Analyse eines von einer Probe gewonnenen Analyten dar, beispielsweise einer Probe biologischen Ursprungs, wenn weder die Lage, noch die optische Dichte (oder Farbdichte) des interessierenden Bereichs genau bekannt sind.
Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen auch den Schritt des Aufbringens eines Analyten auf einem Testsubstrat in der Weise, daß wenigstens ein Teil des Substrats nicht vom Analyten bedeckt wird, wobei das Substrat ein zuvor abgelegtes Reagenz enthält, das mit Analyten reagiert, die bestimmte vorbestimmte Eigenschaften aufweisen.
Das Substrat wird belichtet und es wird ein digitales Bild des Substrats aufgenommen, vorzugsweise unter Verwendung reflektierten Lichts. Die Belichtung kann vorkalibriert sein, um Intensitätsänderungen der Belichtung zu korrigieren. Das aufgenommene digitale Bild wird automatisch abgetastet, und es wird der optisch dichteste Bereich des Analyten oder der Bereich mit der größten Dichte einer vorbestimmten Farbe lokalisiert. Zur Unterstützung der Abtastung des Bildes wird bei einer beschriebenen Ausführungsform des Substrats eine Positionsmarkierung (ein dunkler oder farbiger Kreis, Linie, Fleck oder eine andere Form) erzeugt, die generell anzeigt, wo der Analyt abgelegt wurde. Durch die Verwendung einer Positionsmarkierung wird sowohl die zur Lokalisierung des Analyten erforderliche Zeit, als auch das Maß des Fehlers bei der Lokalisierung des dichtesten Bereichs des Analyten vermindert. Nach Lokalisierung des Bereichs größter Dichte kann eine Messung seiner Dichte durchgeführt werden.
Ein zweiter, vom Analyten nicht bedeckter Bereich des Substrats wird lokalisiert und es wird ebenfalls seine Dichte gemessen. Da sich dieser zweite Bereich nicht in der Nähe des Analyten befindet, stellt dieser die Hintergrunddichte des Substrats dar, die als Hintergrundstörung bei der Messung des Analyten betrachtet werden kann. Die Hintergrunddichte wird dann genutzt, um die Dichtemessung des Analyten entsprechend einer vorbestimmten mathematischen Funktion einzustellen und das Testergebnis zu gewinnen.
Dieses Testergebnis kann weiter interpretiert werden, um die Ergebnisse des bestimmten Tests zu bestimmen. In manchen Fällen kann das Testergebnis als binäres, positiv/negatives Ergebnis interpretiert werden, je nachdem, ob das Meßergebnis oberhalb oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt. In anderen Fällen können die Ergebnisse einen kontinuierlichen Bereich von Werten zeigen, abhängig von einer vorbestimmten Funktion des differentiellen Test-Ausgangswertes.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Weitere Ziele und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Systems werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der Ansprüche anhand der Zeichnungen verdeutlicht. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Systems zur optischen Analyse biologischer und anderer Analyten,
Fig. 2 einen Probenhalter mit mehrfachen darauf abgelegten Analyten,
Fig. 3 ein konzeptionelles Diagramm des zur Ortung des optisch dichtesten Teils eines auf einem Substrat abgelegten Analyten angewendeten Verfahrens,
Fig. 4 ein Flußdiagramm der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform eines Systems zur Analyse biologischer und anderer Analyten.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems zur optischen Analyse biologischer und anderer Analyten nach der Erfindung. Das System 100 enthält eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 102, einen Computerspeicher 104, ein Benutzerinterface 106, einen System-Kommunikationsbus 108 und ein optisches Meß- Subsystem 110. Das optische Meß-Subsystem 110 enthält eine schattenlose (das heißt gleichförmige) Lichtquelle 112, eine Kamera 114 und ein Kamera-Interface 116. Das optische Meß- Subsystem 110 ist typischerweise von einem Gehäuse 118 umschlossen, so daß optische Bilder des Analyten unter kontrollierten optischen Bedingungen gewonnen werden können.
Der Speicher 104, typischerweise mit einem Speicher mit willkürlichem Zugriff und einem Sekundärspeicher, beispielsweise Magnetplatten-Speichermechanismen, ist ausreichend groß, um mehrere digitale Bilder 120, ein Analyten-Meßprogramm 122 und ein Lichtquellen-Kalibrierprogramm 124 zu speichern.
Alternativ können die Programme 122 und 124 auf Nur-Lese- Speicher-(ROM)-Chips gespeichert werden. Es ist nicht wichtig, bestimmte Speichereinrichtungen zu verwenden, um die Erfindung auszuführen, vorausgesetzt sie haben ausreichende Kapazität und Arbeitsgeschwindigkeit, um die unten beschriebenen optischen Bildanalysen auszuführen.
Das Benutzerinterface 106 enthält typischerweise wenigstens ein Ausgangs-Kommunikationsgerät, zum Beispiel einen Drucker 125 und/oder einen Monitor 126, um die Ergebnisse der vom System ausgeführten Tests darzustellen, und wenigstens ein Eingangs-Kommunikationsgerät wie eine Tastatur 127 und/oder eine Maus 128. Viele andere Kombinationen von Benutzer-Interfaces können benutzt werden; die in Fig. 1 gezeigten speziellen Interfaces sind nicht als Einschränkung zu verstehen.
Vor der Analyse von Substraten wird die Lichtquelle 112 kalibriert. Die Kalibrierung erfolgt bei jedem Einschalten des Systems. Auch kann es erforderlich sein, periodisch Kalibrierungen durchzuführen, wenn das System längere Zeit eingeschaltet bleibt, weil Änderungen der Intensität der Lichtquelle das Testergebnis beeinflussen können. Ist beispielsweise die beim Test erzeugte Messung größer als ein bestimmter Schwellenwert, so kann das Testergebnis als positiv eingeschätzt werden. Ansonsten kann der Test negativ sein. Diese im Analyten-Meßprogramm 112 (richtig: 122, Anm. d. Übersetzers) als Konstanten (oder mathematische Formel) gespeicherten Schwellenwerte basieren auf einem bestimmten Licht-Intensitätspegel. Ohne geeignete Eichung steigt die Möglichkeit falscher Testergebnisse.
Bei der bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Kalibrierung durch ein Kalibrierungsprogramm 124 durch Messung der Intensität der Lichtquelle mit einem Lichtsensor (186 in Fig. 5). Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung nimmt das Kalibrierungsprogramm 124 als Eingang ein Bild eines Kalibrierungssubstrats. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist ein Kalibrierungssubstrat ein regelmäßiges Testsubstrat ohne auf seiner Oberfläche abgelegtem Analyten. Die Lichtintensität wird entsprechend der mittleren Dichte des Bildes des Kalibrierungssubstrats gemessen. Dann wird ein Kalibrierungskoeffizient berechnet, indem die mittlere Bilddichte durch einen vorbestimmten Standardwert geteilt wird. Alle nachfolgenden Bilddichtewerte werden mit diesem Kalibrierungskoeffizienten multipliziert.
Ist das System 100 betriebsbereit, nimmt die Kamera 114 ein analoges Bild wenigstens eines Teils der oberen Oberfläche eines Testträgers 129 auf. Auf der oberen Oberfläche des Trägers 129 liegt gemäß Fig. 1 ein Testsubstrat 130, auf das ein chemisch aktives Reagenz abgelegt ist. Vor dem Einsetzen des Trägers in das optische Meß-Subsystem 110 wird ein typi scherweise von einer biologischen Probe gewonnener Analyt 132 auf den Bereich des Testträgers aufgelegt, wo sich das Substrat 130 befindet. Bei der bevorzugten Ausführungsform bewirkt die chemische Reaktion der Analyten 132 mit dem chemisch aktiven Substrat 130 typischerweise, daß der Analyt 132 der optisch dichteste Bereich des Substrat 130 wird.
Fig. 2 zeigt einen Testträger 129' mit mehreren auf seinem Substrat 130 abgelegten Analyten 144. Eine Positionsmarkierung 146 gibt die relative Lage des Substrats 130 auf dem Träger 129' an. Wie erwähnt, kann die Markierung 146 eine beliebige Form oder Größe haben, die ausreichen, die allgemeine Lage des Substrats 130 und/oder des/der Analyten auf dem Testträger 129' anzuzeigen.
Das von der Kamera 114 erzeugte analoge Bild wird durch das Kamera-Interface 116 digitalisiert und über den Bus 108 zum Speicher 104 gesandt, wo das digitale Bild als eine Reihe von Pixelwerten gespeichert wird. Bei der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform hat der von der Kamera 114 aufgenommene Testträger 129 eine Fläche von 5/16 · 5/16 Zoll und wird dargestellt als eine 170 · 170 - Reihe von Pixelelementen. Ferner hat die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform die Fähigkeit, sowohl Farb- als auch Grauton-Bilder zu verarbeiten, wobei 8-Bit-Pixel (256 Grauwerte) für Grauwertbilder und 24-Bit-Pixel (2563 Farbwerte) für Farbbilder verwendet werden. Das Bild kann aus mehr oder weniger Pixelelementen und mehr oder weniger Bildwerten gebildet werden, um die Bildauflösung und Empfindlichkeit zu ändern. Es sei erwähnt, daß auch andere Datenstrukturen für die Bildspeicherung möglich sind.
Bei manchen Analyt-Meßtests ist die gemessene "Dichte" des Analyten und der Hintergrundbereiche des digitalen Bildes die gesamte optische Dichte eines Bereichs des digitalen Bildes. Bei anderen Analytmeßtests ist die gemessene Dichte die Dichte einer bestimmten Farbe. Das heißt, wenn das digitale Bild ein Farbbild ist, wird jeder Pixel durch Rot-, Grün- und Blau-Werte (RGB) dargestellt, und die Testmessungen können auf jeglicher oder einer vorbestimmten Kombination der drei RGB-Farbwerte für die Pixel des Bildes basieren. "Dichte" bedeutet im Folgenden die Dichte einer vorgewählten optischen Eigenschaft des digitalen Bildes, die für die ausgeführte Messung relevant ist.
Nachdem das digitale Bild aufgenommen ist, wird es durch das Analyt-Meßprogramm 122 analysiert. Diese Analyse umfaßt das Orten des Analyten durch Orten eines kreisförmigen Bereichs vorbestimmter Größe mit der größten optischen Dichte innerhalb des digitalen Bildes, Orten eines "Hintergrund- Bereichs" des Substrats 130, der nicht vom Analyten bedeckt ist, und Berechnen eines Testergebnisses durch Berechnen einer vorbestimmten mathematischen Funktion der mittleren Dichte des Hintergrundbereichs und der mittleren Dichte des Analytbereichs. Die mathematische Funktion kann so einfach sein wie die Subtraktion der Hintergrunddichte von der Analytdichte, oder kann eine beträchtlich komplexere Funktion darstellen. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der kreisförmige Bereich größter optischer Dichte genügend klein bemessen, so daß er vom kleinsten erwarteten Analyten vollständig bedeckt wird. Die mittlere optische Dichte des kreisförmigen Bereichs sollte so repräsentativ sein für die optische Dichte des chemisch reagierten Analyten.
Zur Ausführung dieser Analyse führt das Analyt-Meßprogramm 122 drei Haupt-Schritte aus: Vorabtastung, Feinabtastung und Hintergrunddichtekompensation. Das Programm 122 arbeitet unterschiedlich, je nachdem, ob auf dem Testträger 128 (richtig: 129, 129', Anm. d. Übersetzers) eine Positionsmarkierung vorgesehen ist oder nicht. Das Programm 122 nimmt das im Speicher 104 gespeicherte digitale Bild als Eingangssignal und beginnt eine Rasterabtastung des gesamten Bildes. Ist eine Positionsmarkierung vorhanden, führt das Programm 122 dann eine Rasterabtastung über das Bild aus, um die Markierung zu orten, die typischerweise aus den Pixeln größter Dichte oder den Pixeln einer bestimmten Farbe besteht. Aus der Lage der Markierung bestimmt das Programm 122 einen kleineren interessierenden Bereich. Danach schränkt das Programm 122 seine Vorabtastung ein und unterzieht diesen eingeschränkten Bereich einer Feinabtastung. Ist auf dem Substrat keine Markierung vorhanden, führt das Programm 122 seine Vor- und Feinabtastung auf einem vorbestimmten Bereich des digitalen Bildes aus.
Bei der Vorabtastung wird der interessierende Bereich nach einer Fläche größter mittlerer Dichte abgesucht. Diese Fläche entspricht der Reaktion des Analyten auf das Reagenz. Die Fläche sollte so groß wie möglich sein, aber vollständig innerhalb des Ortes des Analyten liegen und ausreichend klein sein, um eine Störungsempfindlichkeit zu vermeiden. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der zur Bestimmung der optischen Dichte des Analyten verwendete Bereich des digitalen Bildes ein Kreis mit einem Durchmesser von 64 Pixeln.
Fig. 3 zeigt ein konzeptionelles Diagramm der Vorabtastung zur ungefähren Ortung des dichtesten Bereichs des auf dem Substrat 130 abgelegten Analyten 132. Fig. 3 ist nicht maßstäblich; der Analyt 132 bedeckt typischerweise einen wesentlich kleineren Teil des Substrats 130 als in dieser konzeptionellen Darstellung der Abtastung gezeigt. Bei der Vorabtastung werden die Dichten einer Sequenz kreisförmiger Bereiche 160, die in Spalten und Zeilen angeordnet sind, gemessen und verglichen, wobei die Mittelpunkte der Spalten einen Abstand ΔX und die Mittelpunkte der Zeilen einen Abstand ΔY haben. Durch Vergleichen der Dichten dieser Bereiche bestimmt die Vorabtastung die Mitte des kreisförmigen Bereichs 160 größter Dichte, wie durch den kreisförmigen Bereich 162 dargestellt. Dadurch wird der ungefähre Mittelpunkt des Analyten geortet. Tabelle 1 zeigt eine Pseudokode-Darstellung dieses Verfahrens.

Tabelle 1

Vorabtastung

- - Spezifiziere Umfang der zu testenden Bereiche:
X1, Y1 = Mitte des zu testenden Bereichs links oben
X2, Y2 = Mitte des zu testenden Bereichs rechts unten
- - CX, CY und CD repräsentieren Lage und Dichte
- - des bisher gefundenen Bereichs größter optischer Dichte.
CX = X1
CY = Y1
CD = 0
Für X = X1 bis X2 durch Schritte der Größe ΔX
Nachdem der Bereich größter optischer Dichte ungefähr gefunden ist, wird durch die Feinabtastung der Reaktionsbereich größter optischer Dichte genauer geortet. Bei der Feinabtastung wird als Eingangssignal der Mittelpunkt des Bereichs größter Dichte verwendet, der bei der Vorabtastung gewonnen wurde. Die Mitte des Bereichs wird dann um ein oder zwei Pixelelemente in X- und Y-Richtung verschoben. Die Dichten dieser resultierenden Flächen werden dann durch Summierung der Pixelelementablesungen für diese Bereiche summiert. Die gemessene optische oder Farbdichte wird jeweils mit der größten Dichte verglichen, wie sie bei der Vorabtastung gewonnen wurde. Die Fläche mit der größten Dichte wird entsprechend aktualisiert. Bei der Feinabtastung wird dann die mittlere Pixeldichte für die Fläche berechnet, indem die größte Dichteablesung durch die Anzahl der Pixel im Kreis dividiert wird. Die mittlere Dichte ist das Ausgangsergebnis der Feinabtastung. Tabelle 2 enthält eine Pseudokode-Darstellung dieses Verfahrens.

Tabelle 2

Feinabtastung

- - Initialisiere die Start-X- und -Y-Bereiche vom Mittel- - punkt des bei der Vorabtastung gefundenen Bereichs.
X_START = CX
Y_START = CY
- - Wähle S1, S2, S3, S4, S5 und S6 als relativ kleine ganze
- - Werte größer als Null.
Für X = X_START - S1 bis X_START + S2, durch Schritte von S3
Nachdem bei der Feinabtastung die Mittelpunktkoordinaten des Bereichs größter Dichte verfeinert wurden, führt das Analyt-Meßprogramm 122 dann einen Hintergrund-Kompensationsschritt aus. Um die notwendige Hintergrundablesung zu gewinnen, wählt das Programm 122 den ringförmigen Bereich 136 (Fig. 1). Der Innenradius des ringförmigen Bereichs 136 ist so groß bemesessen, daß kein Analyt 132 im Bereich 136 gefunden wird.
Die mittlere Pixeldichte des ringförmigen Bereichs 136 wird wie oben beschrieben berechnet. Die gemessene Dichte des Analyten wird dann entsprechend der Messung der Hintergrundbereichsdichte eingestellt. In manchen Fällen ist die Einstellung einfach eine Subtraktion, in anderen eine Division oder andere mathematische Operation.
Dieser eingestellte Meßwert kann als Ergebnis des Tests interpretiert werden, je nach der Natur der Reaktion des Analyten mit dem Reagenz. In manchen Fällen ergibt sich ein einfacher Schwellentest. Das heißt, ist der eingestellte Meßwert größer als ein vorbestimmter Schwellenwert, dann wird der Test als positiv betrachtet. Anderenfalls wird er als negativ betrachtet. Alternativ kann der eingestellte Meßwert ein Wert in einem kontinuierlichen Bereich von Werten sein, der von der Bedienungsperson zu interpretieren ist, oder der bezüglich einer vorbestimmten Skala aufgezeichnet und dann der Bedienungsperson zur Interpretation dargestellt wird.
Das Flußdiagramm der Fig. 4 zeigt die Schrittfolge, wie sie zum Testen eines Analyten angewendet wird, vom Auflegen des Analyten auf das Substrat bis zur Erzeugung des endgültigen Meßwerts.
Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Statt einer am einzelnen Träger angebrachten Positionsmarkierung, wie der Markierung 146 in Fig. 2, ist zwischen Kamera 114 und Träger 128 (richtig: 129, Anm. d. Übersetzers) eine gesonderte Schablone 180 angedeutet. Das Bild der Schablone 180 wird so dem Bild des Trägers 128 (richtig: 129) überlagert, wenn das Bild aufgenommen wird. Um die richtige Ausrichtung der beiden Bilder zu gewährleisten, verbleibt die Schablone 180 an einem festen Ort, während der Träger 128 (richtig: 129) auf Führungsschienen 182 gleitend in Stellung gebracht werden kann. Das Bild der Schablone 180 wird zur Markierung des Bereichs verwendet, wo der Analyt auf das Substrat abgelegt wird. Die Verwendung der Schablone vermeidet die Notwendigkeit, Positionsmarkierungen auf den einzelnen Trägern anzubringen.
Wie ebenfalls in Fig. 5 gezeigt, kann innerhalb des Gehäuses 118 des Meß-Subsystems ein Lichtsensor 186 angeordnet werden, um die Intensität des von der Lichtquelle 112 emittierten Lichts zu messen. Bei dieser Ausführungsform dienen die vom Sensor 186 gewonnenen Ablesungen zur Kalibrierung der Lichtquelle. Dies automatisiert den Kalibrierungsvorgang vollständig, so daß die Bedienungsperson diesen nicht auszuführen oder hierbei Hilfestellung zu leisten braucht.
Die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform wird derzeit zur Erfassung von Antikörpern gegen den menschlichen Immunschwächevirus (HIV) verwendet. Diese Anwendung ist eine von vielen potentiellen Anwendungen und sollte nicht einschränkend verstanden werden. Tatsächlich sind das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System breit genug, den automatischen Test eines beliebigen Analyten zu umfassen, der visuell mit einem Reagenz reagiert.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System werden Schwierigkeiten bei bekannten automatischen Systemen überwunden. Insbesondere benötigen die Ausführungsformen der Erfindung keine Bedienungsperson, um in der Analysephase in das System einzugreifen und die für den Test interessierenden Bereiche anzuzeigen. Gleichfalls sind die Ausführungsformen der Erfindung geeignet, bestimmte Bereiche zu orten, ohne vorher genau ihre Lage oder ihre optische Dichte auf dem digitalen Bild zu kennen.
Die Erfindung wurde anhand weniger spezifischer Ausführungsformen beschrieben. Die Beschreibung soll die Erfindung erläutern und ist nicht einschränkend zu verstehen. Verschiedene Modifikationen sind für den Fachmann möglich, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen beschrieben ist.

Claims

1. Verfahren zum Analysieren eines Analyten biologischen Ursprungs, mit den folgenden Schritten:

(A) Vorsehen eines Substrats mit einem chemisch reagierenden Reagenz darauf, und Aufbringen des Analyten auf dem Substrat derart, daß mindestens ein Teil des Substrats nicht von dem Analyten bedeckt ist, wobei der Analyt mit dem Reagenz reagiert oder nicht reagiert, je nach den entsprechenden Eigenschaften des Analyten;

(B) Belichten des Substrats;

(C) Aufnehmen eines digitalen Bilds des belichteten Substrats mit darauf aufgebrachtem Analyten, wobei das aufgenommene Bild mindestens zwei Dimensionen hat; und

(D) Verwenden von Datenverarbeitungsvorrichtungen zum

(D1) automatischen Abtasten des digitalen Bilds, Orten eines optisch dichtesten Teils des Analyten auf dem Substrat und Erzeugen einer ersten Messung der Dichte des dichtesten Teils;

(D2) Orten eines Teils des Substrats, der nicht vom Analyten bedeckt ist und Erzeugen einer zweiten Messung der Dichte des unbedeckten Teils des Substrats; und

(D3) Erzeugen eines Ausgangssignals durch Justieren der ersten Messung durch die zweite Messung nach einer vordefinierten mathematischen Funktion, wobei das Ausgangssignal ein Ergebnis der Reaktion bzw. fehlenden Reaktion des Analyten mit dem Reagenz repräsentiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das digitale Bild des belichteten Substrats mit vom Analyten und vom Substrat reflektiertem Licht aufgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Aufbringungsschritt einschließt, daß mehrere verschiedene Analyten auf verschiedenen Bereichen des Substrats aufgebracht werden, wobei der Schritt (D) einschließt, daß die Dichte eines jeden Analyten geortet und gemessen wird und ein Ausgangssignal für jeden Analyten erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Substrat lichtundurchlässig ist und eine chemisch aktive Membran aufweist, auf der der Analyt aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem

der Aufbringungsschritt einschließt, daß eine Flüssigkeit auf der Membran aufgebracht wird, die die optische Dichte in Bereichen der Membran verändert, die nicht vom Analyten bedeckt sind,

der Schritt (D2) einschließt, daß ein Teil der Membran, der in der Nähe des Analyten ist, von diesem jedoch nicht bedeckt ist, geortet wird und die zweite Messung derart vorgenommen wird, daß bei der zweiten Messung die Dichte des unbedeckten Teils der Membran in der Nähe des Analyten gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Substrat lichtundurchlässig ist und eine Markierung aufweist, die in einem vorbestimmten räumlichen Verhältnis zu dem auf dem Substrat positionierten Analyten ist,

wobei der Schritt D1 einschließt, daß die Markierung im digitalen Bild geortet wird und dann auf der Grundlage des Markierungsorts der Analyt im digitalen Bild geortet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, das weiter einschließt,

daß vor Schritt D die optische Dichte eines Referenzsubstrats gemessen wird und alle nachfolgenden Messungen von Substraten und Analyten nach der gemessenen optischen Dichte des Referenzsubstrats kalibriert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem

der Schritt D2 weiter einschließt, daß die optische Dichte des unbedeckten Teils gemessen wird und die Messung des dichtesten Teils nach dieser Messung kalibriert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das digitale Bild ein Feld von N · M Pixeln aufweist; wobei der Schritt D1 einschließt,

daß für jede aus einem Satz voneinander beabstandeter Pixelpositionen die optische Dichte eines mit der jeweiligen Pixelposition zusammenhängenden Bereichs des digitalen Bilds gemessen wird, und

mehrere der gemessenen Bereiche mit der höchsten Dichte ausgewählt werden, die mit den Pixelpositionen, die mit den ausgewählten gemessenen Bereichen zusammenhängen, zum Erzeugen einer endgültigen Pixelposition interpoliert werden und dann zum Erzeugen der ersten Messung die optische Dichte eines Bereichs des digitalen Bilds gemessen wird, der mit der endgültigen Pixelposition zusammenhängt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Substrat gleichmäßig belichtet wird, bei dem der optisch dichteste Teil des Analyten als ein Teil des Analyten definiert wird, der die größte Dichte einer vorbestimmten Farbe aufweist, bei dem die erste Messung eine Messung der vorbestimmten Farbe am georteten optisch dichtesten Teil ist und bei dem die zweite Messung eine Messung der Dichte der vorbestimmten Farbe an dem unbedeckten Teil des Substrats ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem

der Aufbringungsschritt einschließt, daß mehrere verschiedene Analyten auf verschiedenen Bereichen des Substrats aufgebracht werden;

der Schritt (D) einschließt, daß die Dichte der vorbestimmten Farbe für jeden Analyten geortet und gemessen wird und ein Ausgangssignal für jeden Analyten erzeugt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Substrat lichtundurchlässig ist und eine chemisch aktive Membran aufweist, auf der der Analyt aufgebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem

der Aufbringungsschritt einschließt, daß auf der Membran eine Flüssigkeit aufgebracht wird, die die Farbdichte der Membran in Bereichen der Membran verändert, die nicht vom Analyten bedeckt sind;

der Schritt D2 einschließt, daß ein Teil der Membran geortet wird, der in der Nähe des Analyten liegt, von diesem jedoch nicht bedeckt wird, und die zweite Messung so vorgenommen wird, daß bei der zweiten Messung die Dichte der vorbestimmten Farbe im unbedeckten Teil der Membran in der Nähe des Analyten gemessen wird.

14. System (100) zum Analysieren eines Analyten (132), der aus einer Probe biologischen Ursprungs stammt und auf einem Substrat (130) aufgebracht ist, wobei auf dem Substrat ein chemisch reagierendes Reagenz ist, wobei der Analyt mit dem Reagenz reagiert oder nicht reagiert, je nach den Eigenschaften des Analyten, wobei das System eine Einrichtung zum Aufnehmen eines digitalen Bilds des Substrats aufweist, wobei das aufgenommene Bild mindestens zwei Dimensionen hat,

dadurch gekennzeichnet, daß der Analyt derart aufgebracht wird, daß ein Teil des Substrats nicht vom Analyten bedeckt wird, und daß das System weiter eine mit der Bildaufnahmeeinrichtung verbundene Datenverarbeitungseinrichtung aufweist zum automatischen Abtasten des digitalen Bilds zum Orten eines den Analyten darstellenden optisch dichtesten Teils des digitalen Bilds und zum Orten eines den Analyten nicht darstellenden Hintergrundteils des digitalen Bilds;

wobei die Datenverarbeitungseinrichtung geeignet ist: (A) zum Erzeugen einer ersten Messung der Dichte des dichtesten Teils, (B) zum Erzeugen einer zweiten Messung der Dichte des Hintergrundteils des Substrats und (C) zum Erzeugen eines Ausgangssignals durch Justieren der ersten Messung durch die zweite Messung nach einer vorbestimmten mathematischen Funktion, wobei das Ausgangssignal ein Ergebnis der Reaktion bzw. fehlenden Reaktion des Analyten mit dem Reagenz repräsentiert.

15. System (100) nach Anspruch 14, weiter mit:

einer Lichtquelle (112), die das Substrat belichtet; und

einem Lichtsensor (114), der die Intensität der Beleuchtungseinrichtung mißt; wobei die Datenverarbeitungseinrichtung eine mit der Intensitätsmeßeinrichtung verbundene Einrichtung zum Kalibrieren der Messungen nach der erfaßten Intensität der Beleuchtungseinrichtung aufweist.

16. System (100) nach Anspruch 14, bei dem

mehrere verschiedene Analyten (144) auf verschiedenen Bereichen des Substrats (130) aufgebracht werden;

die Datenverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zum Orten eines optisch dichtesten Teils eines jeden der Analyten und zum Erzeugen einer ersten Messung der Dichte der dichtesten Teile eines jeden der verschiedenen Analyten aufweist.

17. System (100) nach Anspruch 14, bei dem das Substrat (130) eine Markierung (146) mit einem vorbestimmten räumlichen Verhältnis zum Analyten (132) aufweist; und

die Datenverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zum Orten der Markierung im digitalen Bild und zum Orten des Analyten im digitalen Bild auf der Grundlage des Markierungsorts aufweist.

18. System (100) nach Anspruch 14, weiter mit:

einer zwischen dem Substrat (130) und der Einrichtung zum Aufnehmen eines digitalen Bilds eingeschalteten Lochschablone (180), wobei die Lochschablone auf das digitalisierte Bild des Substrats projiziert wird;

mehreren Führungsschienen (182), die so ausgelegt sind, daß sie das Substrat aufnehmen können, so daß das Abbild der Lochschablone im Verhältnis zum Substrat auf eine vorbestimmte Position fällt, wodurch angezeigt wird, wo der Analyt (132) auf dem Substrat aufgebracht ist.