JP2009501339A - 小型容器からの液体吸引を最大限にする方法および装置 - Google Patents

Abstract

試験管または他の容器（Ｃ）などから液体を吸引する装置（１０）および方法は、吸引プローブの先端部（１２Ａ）が容器の底壁（ＢＷ）に接触しているのを感知する装置（２６）を含み、最大量の液体が、容器から吸引される。本発明によれば、エンコーダ（Ｅ）が、容器にプローブの先端部を直線的に進めるために用いられるモータの駆動部材（ステッパモータまたは直流モータの回転式に駆動されるドライブシャフト（１８）またはナット（２２）に、または直線アクチュエータの直線駆動式のシャフト）に取り付けられる。エンコーダは、プローブの先端部の速度および／または直線上の位置を示す一連のパルスを生成する。

Description

本発明は、処理のために、例えば試験管または小瓶などの小型容器から、例えば生物学的試験体などの液体を吸引する装置における改良に関する。より具体的には、本発明は、液体吸引プローブの先端と液体が吸引される容器の底との間の接触を感知する装置における改良に関する。本発明は、分析のために試験管などから、最後の有用な血液サンプルの量を抽出する、自動化された血液学の機器において特に有用である。

例えば血液などの生物学的液体への試験の実施において、自動化された機器を使用して試験管などの小型容器から液体の試験体を抽出することが一般的である。そのような機器は、通常は可動式に取り付けられたサンプル吸引プローブを含み、該サンプル吸引プローブは、垂直に配置された試験管の内部に向けて下向きに、吸引用の先端部が該試験管の中のサンプル液体のレベルよりも下の位置に到達するまで駆動されるように適合される。幼児から採取された血液サンプルのように、液体のサンプルが比較的少量のような場合には、試験のために十分な量のサンプルを吸引するために、プローブの先端部を管の底に近接させるか、または実質上接触させるまで進める必要が頻繁にある。サンプル管は、大きさがさまざまに異なるので、管を破壊する危険性を有することなくプローブの先端部／管の底の接触を絶えず達成させることは問題を含み得る。この問題は、プローブの先端部が管の頂上のゴムのシールを穿刺するために鋭くなっているときに、悪化する。

同一人に譲渡された、Ｇｒｉｐｐｏらに対する特許文献１において、液体吸引プロセスの間に吸引プローブの先端部と管の底との間の接触を維持するための、さまざまな種類の装置が開示されている。一実施形態において、管は、垂直に移動可能で名目上の静止位置に向かって、ばねでバイアスされた水平プラットフォームの上で支えられる。吸引プローブが、ステッパモータなどによって下方向に駆動される際に、プローブの先端部と管の底との間で結果的に起こる接触は、管を支えるプラットフォームに対して下方向の力を働かせ、そのような力は、プラットフォームをその静止位置から物理的に動かすように作用する。このプラットフォームの移動は、光電センサなどによって直接感知され、該センサからの出力信号は、適当な回路を介して、ステッパモータによるさらなる動作を止め、液体吸引の間ずっと、プローブの先端部を管の底と接触させ続けるように作用する。第２の実施形態において、可動式のプラットフォーム上で管を支えるのではなく、管は、固定されたプラットフォームの上に配置され、プローブの先端部と管の底との間の強制的な相互作用は、吸引プローブを管の中に進めるために用いられる直流モータの巻上げの際の逆起電力を監視することによって、間接的に感知される。これらの実施形態の両方は、プローブの先端部と容器の底との間の接触を感知する、意図された目的を容易に達成し得るが、それぞれの実施形態は、異なる観点からは問題があり得る。例えば、可動式プラットフォームのアプローチは、機械的な観点から比較的複雑になる傾向にあり、逆起電力を感知するアプローチは機械的に単純であるが、該アプローチは相対的に不正確であり得、プローブの先端部と容器の底との間に加えられる実際の力をあまり反映し得ない。
米国特許第６，３６３，８０２号明細書

前述の考察を考慮すると、本発明の目的は、記載された種類の液体吸引装置において、吸引プローブの先端部と試験管などの液体を含んだ容器の底との間の接触を感知する改良した方法および装置を提供することであって、これによって液体の最大の容積が、容器から抽出され得る。

上に論じられた底の検知に対する先行技術のアプローチと比較すると、上記の移動可能なプラットフォームのアプローチに対する直接感知式の利点と、前述の逆起電力監視のアプローチの単純性とを組み合わせるという観点から、本発明の液体吸引装置は改良されている。さらに、本発明は、これらのアプローチのそれぞれに記載された不利な点を克服する。

本発明の好適な実施形態によれば、液体を含んだ容器から多くの液体を吸引する装置では、（ａ）先端部を有する液体吸引プローブであって、該先端部を介して容器の中の液体が吸入され得る、液体吸引プローブと、（ｂ）モータであって、該モータは、該吸引プローブに、動作するように接続された可動式に取り付けられた駆動部材が該モータによって第１の方向に動かされると、吸引される液体を含む容器内に該プローブの先端部を進めるように適合される、駆動部材を備えている、モータと、（ｃ）そのような駆動部材の動きの速度および／または位置を示す信号を生成するために、該駆動部材に作用するように結合された手段と、（ｄ）そのような信号に応答し、該信号が、該プローブの先端部の前進が容器の壁との接触によって阻止されたことを示す場合に該駆動部材の動きを止める、モータコントローラとを備えている。好適には、信号を生成する手段は、駆動部材に動作するように結合されたエンコーダを含む。

本発明の別の局面によれば、液体を含む容器から多くの液体を吸引する方法であって、（ａ）先端部を有する液体吸引プローブを提供するステップであって、該先端部を介して容器内の液体が吸引され得る、ステップと、ｂ）吸引される液体を含む容器内に該プローブの該先端部を進めるモータを選択的に動作させるステップであって、そのようなモータは、該プローブの該先端部の前進速度および／または直線位置を示す一連のパルスを提供するエンコーダに結合される、ステップと、（ｃ）該エンコーダによって生成された、該一連のパルスによる、該プローブの該先端部の動きが該容器の壁との接触によって止められたことの指示に応答して、該モータの動作を止めるステップとを包含する。

本発明およびその利点は、添付の図面を参照する好適な実施形態の詳細な記述を確認することによってより良く理解され得、該図面において、同様の参照番号は、同様の部分を示す。

ここで図面を参照すると、図１は、本発明の好適な形態を具体化する液体吸引装置１０を模式的に例示する。装置１０は、一般的に垂直可動式の吸引プローブＰを備え、該吸引プローブは、試験管または他の容器Ｃによって含まれる液体サンプルＳの所定量を抽出し、そのようなサンプルの量を、例えば血液分析器などの活用デバイス（不図示）の方向に運搬するように選択的に動作可能である。吸引プローブは、通常は、とがった遠位端１２Ａを有する中空のカニューレ１２を備えている。周知の方法において、吸引プローブは、バキュームポンプ（不図示）の吸入端に動作するように接続され、該バキュームポンプは、カニューレおよび流体的に接続された液体の導管にサンプルの液体を吸引するために、カニューレ内に負圧（バキューム）を選択的に生成するために役立つ。プローブのとがった遠位端は、サンプル容器の頂上に配置されたゴムのシール１４を穿刺し、プローブが垂直に下向きに動かされる際に、図面において見られるように、容器の底壁ＢＷに向かってサンプルの容積に入るように適合される。吸引プローブの垂直移動は、ステッパモータ１６によって、公知の方法で好適に制御され、該ステッパモータは、例示される実施形態において、選択的に動作することによって、吸引プローブがリンケージ２０を介して作用するように接続された精密親ねじ１８を直進的に、かつ増分量ずつ進める。親ねじ１８の直進的な垂直移動は、親ねじ上の外部スレッドに駆動式に係合する内部スレッドを有する、回転式に取り付けられたナット２２を介して達成される。ナット２２は、ステッパモータの統合部分であり、ステッパモータによって回転するように駆動されることによって、この場合においては垂直方向であるナット軸Ａの周りでナットの増分量ずつの回転を達成する。故に、通常は支持構造に対して固定されているモータ１６が、ナット２２を一方向または他方向に回転させるように動作する際には、親ねじ１８は、一方向または他方向に、自身は回転せずに垂直に動く。吸引プローブのそのような垂直移動を導く好適な装置は、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｌｉらの名義で、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ａｓｐｉｒａｔｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄｓ ｆｒｏｍ Ｓｅａｌｅｄ Ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓ」と題され、その主題が本明細書において参考として援用される、２００５年３月２３日出願の、同一人に譲渡された米国仮特許出願第１１／０８８，１５７号に開示されている。

上記の特許出願において、吸引プローブを進めるために用いられるステッパモータは、プローブの先端部の動きを正確に制御するように作用するエンコーダを備え得ることに注意されたい。上記のステッパモータのナットが、適切にプログラムされたマイクロプロセッサの指揮の下で回転すると、エンコーダは、そのような動きを監視し、一般的にはモータ（ナット）の回転の実際の速度を反映する周波数を有する、一連のパルスを提供する。マイクロプロセッサは、次いでエンコーダの出力を処理することによってプローブの実際の直線上の加速および速度を決定し、この情報は、所与のサンプル容器の大きさに対するプローブの所望の動きを理論的に達成するような方法でステッパモータを駆動させるために最初に用いられる、意図される「速度分布」と比較され得る。エンコーダ出力から決定される場合に、実際の速度分布が、意図される速度分布と一致する場合には、モータシステムは、意図されたように動作していることが分る。実際の速度分布と意図される速度分布とが一致しない場合には、エラー信号が生成されることによって訂正の動作を行う必要性を示す。

サンプル容器から吸引され得る液体の量を最大限にするために、吸引プローブＰの遠位端をサンプル容器Ｃの内部の底壁ＢＷに近接するように確実に配置することが必須であることが認識される。さもなければ、吸引プローブの先端部の下の液体は、吸引後も容器内に残留する。上に示されたように、そのようなプローブの先端部／容器の底の接触を絶えず達成するように試みる先行技術は、比較的複雑な移動の機械的メカニズムを要求し、またはプローブの先端部／容器の底の接触が間接的にのみ（かつ時に不正確に）感知される電気的スキームが用いられる。

ここで、本発明に従って、サンプル吸引に先立ってサンプル容器の内部の底壁ＢＷに近接する吸引プローブの先端部１２Ａを繰り返して確実に位置づける吸引プローブの垂直移動は、モータの駆動部材（例えばモータ１６の回転式に駆動されるナット２２）の速度分布、ならびに、故に吸引プローブの直線運動および／または配置を監視するために用いられるエンコーダＥの出力を監視することによって達成される。図面に示されるように、エンコーダは、回転式に駆動されるナット２２との（矢印Ａによって示される）回転のために取り付けられた、エンコーダホイールまたはディスク２４と、ディスクがナット軸Ａ’の周りを回転する際にエンコーダディスク上のインディシアを感知するように配置された光電センサ要素２６とを備えている。エンコーダディスクは、通常は光に対して透過性であり、その上にあるインディシアは、一般的には複数の等間隔に置かれた放射状に延びる光遮断マークの形態であり、該マークは、ディスクを通って投影される（センサ要素２６によって提供される）光線を輝度変調するように機能する。この光線は、それを通過するインディシアによって輝度が変調される場合には、センサ要素２６内の光感応アレイによって感知され、その出力２８は、マイクロプロセッサＭＰに送信される。エンコーダ出力２８は、一連のパルス、すなわち「チック（ｔｉｃｋ）」を含み、それぞれのパルスは、ディスク（およびナット２２）の所定の角度の回転を表し、故に親ねじ１８の所定の直線運動、および接続されている吸引プローブの回転を表す。エンコーダの出力パルスを数えることによって、マイクロプロセッサの中央演算処理装置（ＣＰＵ）は、プローブが、その「定」位置から動く、距離Ｄを計算し得、ここで、筐体２０によって運ばれるフラッグ３０が、光電センサまたは磁気センサ３２によって感知される。定位置において、プローブの先端部は、容器シール２０の上に位置することによって、容器が取り除かれ、別のサンプル容器と置換されることを可能にする。通常は２つの連続したタイミングパルスを生成するために必要な時間のオーダー（例えば、約５〜１０ミリセカンド）の予め設定されたタイミングウィンドウ内で、パルスの生成のためのエンコーダ出力を継続的に監視することによって、マイクロプロセッサは、プローブの先端部がいつ容器の底に接触したかを決定し得る。このときに、容器の底は、プローブの先端部のさらなる下方向への動きを阻止し、エンコーダによるさらなるパルスの生成は終了する。マイクロプロセッサが予め設定されたタイミングウィンドウ内でエンコーダパルスを受信しないときには、マイクロプロセッサは、モータドライバ３４に加えられるモータ駆動信号ＭＤＳを直ちに中断し、モータ１６は電源を断たれる。このときに、プローブの先端部は、容器の底と接触（または実質上接触）したままで留まり、サンプルの吸引が開始され得る。

図２のグラフにおいて、図１の装置におけるエンコーダ２６によって生成されたパルス、すなわち「チック」の数が、時間の関数としてプロットされている。示されるように、累積するパルスの数は、加速段階の間に次第に増加し、その後カーブが実質的に直線になり、プローブが一定の速度を得たことを示す。プローブが一定速度で動く際に、モータ１６の回転式に駆動されるナット２２は、実質的に一定の速度で回転し、エンコーダパルスは、プローブの先端部が容器の底に到達するまで実質的に一定の割合で受信される。このときに、パルスはさらには累積されず、所定の時間間隔の後、例えば約４〜８ミリセカンドの後に、マイクロプロセッサは、プローブの先端部が容器の底に接触していることを決定する。次いで、マイクロプロセッサは、直ちにモータ１６の電源を断ち、サンプル吸引を開始する。

図３のグラフにおいて、プローブの先端部／容器の底の接触を検知する別のスキームが示される。ここで、モータ速度（規格化）が、時間に対してプロットされている。示されるように、加速の段階の後に、モータ速度は、所望の一定速度に到達し、その後の時間に、プローブは容器のシール２０を穿刺し始める。シール貫通のこの時間の間に、モータ速度は、プローブの先端部が容器の底に当たるまで僅かに変動する。その後には、モータ速度は急落する。モータの速度が所定の閾値より下、例えば規格化された一定速度の７５％に落ちるときには、マイクロプロセッサは、直ちにモータ１６の電源を断つように動作し、これによってプローブの先端部を容器の底と接触させ、サンプル吸引が出来るように維持する。

吸引プローブを進めるために用いられる親ねじは、モータの回転をプローブの直線の（垂直な）動きに変えるための、単なる一機構であることが認識される。ギアラックおよびピニオンのスキームもまた、この変換を提供するために用いられ得る。そのような場合には、駆動シャフトを有するモータが、回転式に駆動されるナット２２とは逆に、回転のためのピニオンを支え、後者は、吸引プローブが結合したギアの歯の線形のラックと、駆動式に係合するように機能する。エンコーダディスク２４は、モータのシャフトによって回転し、その放射状に延びるインディシアは、上述されたように感知されることによって、プローブが容器の底に到達したときには動きを止める。さらに、本発明の原理が、直流モータおよびステッパモータの両方に適用されることが認識される。しかし、ステッパモータに対するモータの失速の感知は、容易である。ステッパモータの駆動において、特定の速さにおける一連の電気パルス（ステップ）が、マイクロプロセッサによってステッパモータに適用される。ステッパモータの動き全体は、パルスの数に直接的に関連するが、ステッパモータの速度は、パルスの速さ（周波数）に比例する。好適には、ステッパモータに関連付けられたエンコーダは、駆動パルスと直接的な関係を有する速さでチック（パルス）を生成する。エンコーダチックが駆動パルスに遅延する場合には、ステッパモータが失速し始めていることを示す。別のバリエーションは、プローブを進める駆動モータに対する直線アクチュエータを用いること、およびプローブの先端部が容器の底に当たるときに起こるモータの失速（およびアクチュエータの動きの突然の降下）を感知する直線エンコーダの出力を利用することである。

本発明は、好適な実施形態に関連して詳細に記述されたが、修正および変更が、本発明の精神から逸脱することなくなされ得、本発明の真の範囲を確かめるために添付の特許請求の範囲が参照されるべきことが、認識される。

図１は、吸引プローブの先端部と液体を含んだ容器の内部の底との間の接触を感知する好適な装置の模式図である。 図２は、液体を含んだ容器への吸引プローブの動きの間にモータの接極子の位置を監視するために用いられるエンコーダの累積した出力を示す、波形である。 図３は、吸引プローブを、密封された液体を含んだ容器に進めるために用いられるモータの接極子の角速度を示す波形である。

Claims (10)

1. 液体を含んだ容器から多くの液体を吸引する装置であって、該装置は、
   （ａ）先端部を有する液体吸引プローブであって、該先端部を介して容器の中の液体が吸入され得る、液体吸引プローブと、
   （ｂ）モータであって、該モータは、該吸引プローブに、動作するように接続された可動式に取り付けられた駆動部材が該モータによって第１の方向に動かされると、吸引される液体を含む容器内に該プローブの先端部を進めるように適合される、駆動部材を備えている、モータと、
   （ｃ）該駆動部材の動きの瞬間的な速度および／または位置を示す信号を生成するための、該駆動部材に動作するように結合された手段と、
   （ｄ）該信号に応答し、該信号が、該プローブの先端部の前進が容器の壁との接触によって阻止されたことを示す場合に該駆動部材の動きを止める、モータコントローラと
   を備えている、装置。
2. 前記信号を生成する手段は、一連のパルスを生成するように適合されたエンコーダを備えており、該パルスのそれぞれは、前記駆動部材の増加する動きを反映する、請求項１に記載の装置。
3. 前記モータコントローラは、１つ以上のパルスが所定の時間間隔内に生成されない場合に、前記駆動部材の動きを止めるように動作する、請求項２に記載の装置。
4. 前記モータコントローラは、前記エンコーダによって前記パルスが生成される速さが突然に減少する場合に、前記駆動部材の動きを止めるように動作する、請求項２に記載の装置。
5. 前記モータは、ステッパモータを含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記モータは、直流モータを含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記モータは、直線アクチュエータを含む、請求項１に記載の装置。
8. 液体を含む容器から多くの液体を吸引する方法であって、
   （ａ）先端部を有する液体吸引プローブを提供するステップであって、該先端部を介して容器内の液体が吸引され得る、ステップと、
   （ｂ）吸引される液体を含む容器内に該プローブの先端部を前進させるようにモータを選択的に動作するステップであって、そのようなモータは、該モータに統合される、該プローブの先端部の前進速度および／または直線位置を示す一連のパルスを提供するエンコーダを有する、ステップと、
   （ｃ）該エンコーダによって生成された、該一連のパルスによる、該プローブの該先端部の動きが該容器の壁との接触によって止められたことの指示に応答して、該モータの動作を止めるステップと
   を包含する、方法。
9. 前記止めるステップは、前記エンコーダによって生成される前記パルスのうちの１つ以上が、所定の時間間隔内に受信されない場合に実施される、請求項８に記載の方法。
10. 前記止めるステップは、前記エンコーダによって生成される前記パルスの周波数が、前記プローブの先端部の動きの速度における突然の降下を示す場合に実施される、請求項８に記載の方法。

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