DE69422070T2 - Kompakter Blut-Kultur-Apparat - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen nicht-invasiven Apparat zum Erfassen von biologischen Vorgängen in einer Probe, wie Blut, wobei die Probe und ein Kulturmedium in eine große Anzahl von verschließbaren Behältern gegeben werden, und dann Bedingungen ausgesetzt werden, die ermöglichen, daß bei Anwesenheit von Mikroorganismen innerhalb der Probe eine Vielfalt von metabolischen, physikalischen und chemischen Veränderungen stattfindet.
• Die Anwesenheit von biologisch wirksamen Mitteln, wie Bakterien, in einem Körperfluid, insbesondere Blut, eines Patienten, wird im allgemeinen unter Verwendung von Blutkulturfläschchen festgestellt. Eine kleine Menge Blut wird durch eine abschließende Gummitrennwand in ein steriles Fläschchen injiziert; das ein Kulturmedium enthält. Das Fläschchen wird bei 37ºC inkubiert und auf Mikroorganismenwachstum überwacht.
• Eine der Techniken, die verwendet werden, um die Anwesenheit von Mikroorganismen zu erfassen, umfaßt die Sichtkontrolle. Im allgemeinen umfaßt die Sichtkontrolle die Überwachung der Trübung oder eventueller Farbänderungen der flüssigen Suspension aus Blut und Kulturmedium. Bekannte Apparative Methoden erfassen Änderungen des Kohlendioxidgehalts der Kulturflaschen, wobei das Kohlendioxid ein Stoffwechsel-Nebenprodukt des Bakterienwachstums ist. Die Überwachung des Kohlenstoffgehalts kann nach auf diesem Fachgebiet festgelegten Methoden, wie die radiochemische Methode oder die infrarote Absorption einer Kohlendioxid-Spektrallinie, ausgeführt werden. Bis jetzt erforderten diese Methoden invasive Verfahren bei dem Fläschchen, was das gut bekannte Problem der Kreuzverunreinigung zwischen verschiedenen Fläschchen zur Folge hat.
• Es wurde auch vorgeschlagen, das Mikroorganismenwachstum in verschließbaren Behältern durch Überwachung von positiven und/oder negativen Druckänderungen zu erfassen.
• In der letzten Zeit wurden nicht-invasive Verfahren entwickelt, bei denen innerhalb des Fläschchens angeordnete, chemische Sensoren verwendet werden. Diese Sensoren sprechen auf Änderungen der Kohlendioxidkonzentration an, wobei sie ihre Farbe ändern, oder ihre Fluoreszenzintensität ändern. (Siehe z. B. Thorpe et al.. "BacT/Alert: An Automated Colorimetric Microbial Detection System", J. Clin. Microbiol., Juli 1990. 5.1608-12, und US-Patent Nr. 4945060. Turner et al., dessen Beschreibung durch Verweisung hier einbezogen wird). Bei bekannten automatisierten, nicht-invasiven Blutkultursystemen sind individuelle Lichtquellen, spektrale Erreger/Emissions-Filter, und Photodetektoren neben jedem Fläschchen angeordnet. Dies hat Stationsempfindlichkeitsvariationen von einem Fläschchen zu dem nächsten zur Folge. Daher sind umfassende und zeitaufwendige Eichverfahren erforderlich, um solche Systeme benutzen zu können. Außerdem sind flexible elektrische Kabel erforderlich, um die einzelnen Quellen und Detektoren mit dem Rest des Gerätes zu verbinden. Bei der großen Anzahl von Lichtquellen, gewöhnlich 240 oder mehr pro Gerät, kann die Wartung sehr umständlich und teuer werden, wenn einzelne Quellen auszufallen beginnen.
• Ein automatisiertes, nicht-invasives Kultursystem, bei dem eine drehbare Trommel und eine Erfassungsstation verwendet werden, ist aufgrund von US-A-4293643 bekannt.
• Bei gewissen bekannten kolorimetrischen oder fluorometrischen Geräten werden Leuchtdioden ("LEDs") als die einzelnen Lichtquellen verwendet. Diese Quellen haben nur eine relativ niedrige optische Ausgangsleistung. Daher ist eine hohe photometrische Erfassungsempfindlichkeit erforderlich, um die Fläschchensensoremissionen zu überwachen. Dies hat eine zusätzliche und kompliziertere Eingangselektronik für jeden Photodetektor zur Folge, wodurch die Herstellungskosten erhöht werden. Um die Kosten und die Komplexität der Ausrüstung zu verringern, wurde vorgeschlagen, optische Fasern bei jedem Fläschchen zu verwenden, um das Ausgangslicht der Sensoren eines Gerätes nach einem zentralen Photodetektor zu leiten. Ein Nachteil dieses Konzepts ist, daß eine große Anzahl von relativ langen Fasern von verschiedener Länge innerhalb des Gerätes angeordnet werden muß.
• Bei bekannten automatisierten, nicht-invasiven Blutkultursystemen ist keine Fläschchenidentifizierung innerhalb des Gerätes vorgesehen. Stattdessen ist in dem Mikrobiologielabor Personal erforderlich, um eine manuelle Eintragung für jedes Fläschchen auszuführen. Dieser Schritt ist nicht nur zeitaufwendig, sondern erzeugt auch eine gewisse Fehlerwahrscheinlichkeit.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein nicht-invasiver, kompakter Blutkulturapparat verwirklicht, aufweisend eine um eine Achse drehbare Trommel, wobei die Trommel eine Viel zahl von Bohrungen umfaßt, um Fläschchen aufzunehmen, die ausgelegt sind, um das Mikroorganismenwachstum aufrechtzuerhalten; einen Mechanismus, um die Trommel um die Achse zu drehen; mindestens eine Sensorstation, um Mikroorganismen durch Wanderung von gestreuten Photonen innerhalb einer Vielzahl von in der Trommel aufgenommenen Fläschchen zu erfassen; einen Fläschchen-Identifizierer: einen Verkeilungsmechanismus, um jedes der Fläschchen zur Identifizierung in einer optimalen Orientierung anzuordnen; einen Positionierer, um die Orientierung der Trommel zu bestimmen; und Bewegungsmittel, wobei die Bewegung eine Drehung der Trommel um die Achse umfaßt, wobei die Achse unter einem Winkel bezüglich der Schwerkraft angeordnet ist.
• Um Mikroorganismen durch Wanderung von gestreuten Photonen (WGP) zu erfassen, weist jede WGP-Sensorstation eine Erregungslichtquelle, einen Strahlteiler, eine Überwachungsphotodiode, ein Auffangprisma, und eine Auffangfaser auf. Der Strahlteiler teilt das Erregungslicht in zwei Komponenten. Eine Komponente ist nach der Fläschchenseite gerichtet, und die andere Komponente ist nach der Überwachungsphotodiode gerichtet. Das aus der entgegengesetzten Fläschchenseite wieder herauskommende WGP-Licht wird mittels des Auffangprismas nach der Auffangfaser abgelenkt. Die Auffangfasern aller WGP- Sensorstationen sind bis zu einem zentralen Photomultiplier geführt.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kompakten Blutkulturapparat zum Erfassen von biologisch wirksamen Mitteln in einer großen Anzahl von Blutkulturfläschchen, wobei dieser Apparat einfach ist und bei sehr niedrigen Kosten hergestellt werden kann. Er umfaßt die Identifizierung der einzelnen Fläschchen, und kann die Anwendung von mehr als einer Mikroorganismen-Erfassungsmethode innerhalb eines einzigen Gerätes umfassen. Der erfindungsgemäße Apparat weist geringe Systemempfindlichkeitsvariationen von einer Fläschchenstation nach der nächsten auf und erfordert keine elektronischen oder optoelektronischen Komponenten, elektrischen Drähte oder optischen Fasern auf einem beweglichen Fläschchenständer. Aufgrund dieser Vorteile hat er eine gute Langzeit- Zuverlässigkeit im Betrieb.
• Ein Kulturmedium und eine Blutprobe werden in verschließbare Glasfläschchen gegeben, die mit optischen Fühlmitteln und einem Strichcodemuster für die Identifizierung der einzelnen Fläschchen versehen sind. Eine große Anzahl solcher Fläschchen ist auf einer drehbaren Trommel innerhalb eines Inkubators, der verwendet wird, um das Mikroorganismenwachstum zu fördern, radial angeordnet. Sensorstationen sind auf dem Hauptrahmen des Blutkulturapparates in einem solchen Abstand von der Trommel angebracht, daß bei Drehung der Trommel die einzelnen Fläschchen durch eine Sensorstation hindurchlaufen.
• Bei einer ersten Ausführungsform eines Apparates der vorliegenden Erfindung umfaßt der innere Boden jedes Fläschchens weiterhin einen fluoreszierenden chemischen Sensor, und an einer Seite des Fläschchens ist ein Etikett mit einem linearen Strichcode befestigt. Die Fläschchen sind innerhalb eines Inkubators auf einer drehbaren Trommel radial angeordnet, wobei die Fläschchenhälse zu der Trommel-Drehachse hin orientiert sind. Bei einer bevorzugten Anordnung der Fläschchen auf der Trommel sind die Fläschchen unter Verwendung von scheibenähnlichen Segmenten zu Gruppen zusammengefaßt. Dieses Konzept erleichtert das Einsetzen und Herausnehmen der Fläschchen. Ein unterer Bereich jedes Fläschchens erstreckt sich von der äußeren Umfangsfläche der Trommel radial nach außen, und das Strichcode-Etikett ist auf diesem unteren Bereich positioniert, um das Scannen zu erleichtern.
• Für jedes scheibenähnliche Segment ist mindestens eine Sensorstation erforderlich. Wenn zwei oder mehr Erfassungsprinzipien angewandt werden, dann sind zwei oder mehr Sensorstationen pro Segment notwendig. Außer den Sensorstationen weist das Gerät einen Strichcodeleser pro Segment auf.
• Die Trommel wird durch einen Schrittmotor angetrieben, der an dem Geräte- Hauptrahmen angebracht ist. Der Motor und die Trommel sind über einen gezahnten Antriebsriemen miteinander verbunden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die tatsächliche Orientierung der Trommel mittels eines Winkeldekodierers überwacht.
• Ein zweites Erfassungsprinzip, das zusätzlich zu der Wanderung von gestreuten Photonen verwendet werden kann, umfaßt Änderungen der Fluoreszenzempfindlichkeit eines chemischen Fluoreszenzsensors, der längs einer Bodenfläche jedes Fläschchens aufgebracht ist. Jede Fluoreszenz-Sensorstation weist eine Erregungslichtquelle, einen Lichtteiler, um das Erregungslicht in zwei Komponenten zu teilen, ein aus einer Vielzahl von Linsen bestehendes, optisches Kondensorsystem, um das Erregungslicht oder das sich ergebende Fluoreszenzlicht zu lenken, eine Lichtquellen-Überwachungsvorrichtung und einen Fluoreszenzlicht-Auffänger auf. Die erste Komponente des Erregungslichts wird nach der Lichtquellen-Überwachungsvorrichtung gelenkt, während die zweite Komponente nach dem chemischen Fluoreszenzsensor gelenkt wird. Das Fluoreszenzlicht von allen Fluorezenzsensorstationen wird nach einem zweiten zentralen Photomultiplier geleitet. Wenn die Emission des fluoreszierenden chemischen Sensors bei einer Wellenlänge erfolgt, die nahe bei der optimalen WGP-Wellenlänge liegt, dann können die Auffangfasern aller WGP- Sensorstationen zu dem zentralen Fluoreszenzphotomultiplier geführt werden.
• Um die Strichcode-Etiketts zu lesen, wird ein pro Segment ein Diodenlaser an dem Hauptrahmen angebracht. Der Strahl des Lasers wird durch ein optisches System mit großer Brennweite auf das Strichcode-Etikett eines Fläschchens fokussiert. Der optimale Einfallwinkel beträgt ungefähr 45 Grad. Das von dem Strichcode-Etikett rückwärts gestreute Laserlicht wird mittels eines Photodetektors erfaßt. Während der Drehung der Trommel laufen alle Fläschchen eines scheibenähnlichen Segments an dem fokussierten Diodenlaserstrahl vorbei, wodurch der Strichcode abgelesen werden kann.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Apparates der vorliegenden Erfindung ist die Trommelachse ungefähr horizontal orientiert, so daß die Schwerkraft verwendet werden kann, um das Medium/Blut-Gemisch zu bewegen, wenn sich die Trommel dreht. Folglich ist kein getrennter Bewegungsmechanismus erforderlich.
• Infolge der Anordnung der Fläschchen auf der Trommel ist die räumliche Packungsdichte relativ hoch. Folglich kann ein Apparat der vorliegenden Erfindung gebaut werden, der im Vergleich zu vorhandenen Blutkultursystemen kompakt ist und eine geringere Größe hat. Dies ist von besonderem Interesse, da der Platz in den Labors von Krankenhäusern ein kritischer Punkt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die verschiedenen erfinderischen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich werden aufgrund der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und der beigefügten Patentansprüche in Verbindung mit den Zeichnungen, wobei einander entsprechende Komponenten durch Kennziffern gekennzeichnet sind. Die Fig. 6 veranschaulicht speziell die Erfassung von Mikroorganismen durch Wanderung von gestreuten Photonen gemäß der vorliegenden Erfindung. In einigen der anderen Figuren ist die Erfassung durch Fluoreszenz wiedergegeben, die zusätzlich verwendet werden kann. Die Zeichnungen stellen Folgendes dar:
• Die Fig. 1 ist eine schematische Vorderansicht eines kompakten Blutkulturapparates zur Erfassung von Mikroorganismen, gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Ausführungsform acht scheibenähnliche Trommelsegmente aufweist.
• Die Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines kompakten Blutkulturapparates gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Ausführungsform sechzehn Fläschchen auf einem scheibenähnlichen Segment, und drei Sensorstationen pro Segment aufweist.
• Die Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines kompakten Blutkulturapparates gemäß der Ausführungsform der Fig. 2, wobei der Apparat einen Strichcodeleser pro Segment aufweist.
• Die Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die eine erste Ausführungsform einer Fluoreszenzsensorstation veranschaulicht.
• Die Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, die die Verwendung eines einzigen Photomultipliers für eine Vielzahl von Sensorstationen wiedergibt.
• Die Fig. 6 ist eine schematische Darstellung, die eine Sensorstation für die Wanderung von gestreuten Photonen wiedergibt.
• Die Fig. 7 veranschaulicht eine Ausführungsform zum Einsetzen von Fläschchen in ein scheibenähnliches Segment einer Trommel.
• Die Fig. 8 ist eine schematische Darstellung, die eine zweite Ausführungsform einer Fluoreszenzsensorstation veranschaulicht.
• Die Fig. 9 veranschaulicht die Verwendung eines einzigen Photomultipliers für eine Vielzahl von Sensorstationen, mit einer Lichtquellen-Überwachungsvorrichtung, gemäß der Ausführungsform der Fig. 8.
• Die Fig. 10 ist eine schematische Darstellung, die eine dritte Ausführungsform einer Fluoreszenzsensorstation veranschaulicht.
• Die Fig. 11 veranschaulicht die Wirkung einer Variation des Sensor-Detektor- Abstandes (1 mm und 2 mm) auf den gemessenen Fluoreszenzphotostrom. Die berechneten Kurven geben die Photostromvariation in Abhängigkeit von dem Sensor-Detektor-Abstand wieder.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Ein kompakter Blutkulturapparat 20, der die Prinzipien und Konzepte der vorliegenden Erfindung verkörpert, ist in der Fig. 1 schematisch dargestellt. Der Apparat 20 weist eine Vielzahl von Glasfläschchen 22 auf, von denen jedes mit einer Trennwand 24 verschlossen ist und ein Medium/Blut-Gemisch 26 enthält. Jedes Fläschchen 22 enthält einen chemischen Fluoreszenzsensor 28, der auf einer inneren Bodenfläche 30 angeordnet ist, und ein in einem unteren Bereich 34 angeordnetes Etikett 32 mit einem linearen Strichcode. Der untere Bereich 34 erstreckt sich von einer äußeren Umfangsfläche 36 der scheibenähnlichen Segmente 38 einer Trommel 40 radial nach außen, um das Scannen jedes Etiketts 32 zu erleichtern. Die Segmente 38 sind durch Abstandselemente 42 getrennt und auf einer Welle 44 angebracht.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Welle 44 horizontal orientiert. Die Fläschchen 22 sind so orientiert, daß ihre Hälse 46 nach der durch die Welle 44 repräsentierten Trommelachse gerichtet sind. Auf diese Weise wird das Medium/Blut-Gemisch 26 durch die Schwerkraft wirksam bewegt, wenn sich die Trommel 40 dreht. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf einen Apparat mit einer solchen Orientierung begrenzt. Zum Beispiel kann die Welle 44 auch unter einem Winkel von 45 Grad bezüglich der Horizontalen orientiert sein. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Fläschchen 22 unter einem Winkel von 45 Grad zu der Welle 44 anzuordnen. Der Nettoeffekt ist, daß keine nach unten gerichtete Orientierung der Fläschchen vorkommt. Jedes einzelne Fläschchen bewegt sich zwischen einer horizontalen und einer vertikalen Orientierung.
• Es ist auch möglich, die Trommel so anzubringen, daß ihre Achse vertikal orientiert ist. Dann ist jedoch eine zusätzliche Bewegung erforderlich, weil die Wirkung der Schwerkraft verlorengeht. Um mechanische Instabilitätsprobleme für den Apparat 20 als Ganzes zu vermeiden, kann die Trommel segmentweise bewegt werden, oder können die Segmente in entgegengesetzten Richtungen bewegt werden.
• Die Drehung der Trommel 40 erfolgt durch einen Schrittmotor 48, der über gezahnte Antriebsriemenscheiben 50 und 52 und einen gezahnten Antriebsriemen 54 mit der Trommel verbunden ist. Die Trommel 40 ist innerhalb eines in der Fig. 2 wiedergegebenen Inkubators 82 angeordnet, um das Mikroorganismenwachstum innerhalb der Fläschchen 22 zu fördern. Die tatsächliche Orientierung der Trommel 40 wird mittels eines Positionierers, wie eines auf der Welle 44 angebrachten Winkelkodierers 56 überwacht.
• Eine Vielzahl von Sensorstationen 60 ist an einem Bereich des Apparates 20 in einem solchen Abstand von der Trommel 40 befestigt, daß bei Drehung der Trommel die einzelnen Fläschchen 22 durch eine Sensorstation 60 hindurchlaufen. Für jedes scheibenähnliche Segment 38 ist mindestens eine Sensorstation 60 erforderlich. Wenn zwei oder mehr Erfassungsprinzipien angewandt werden, dann sind zwei oder mehr Sensorstationen pro Segment 38 notwendig.
• Wie weiter unten diskutiert wird, enthalten die Segmente 38 keine elektronischen oder optoelektronischen Komponenten, und es sind keine flexiblen elektrischen Kabel oder optischen Fasern erforderlich. Daher kann ein erfindungsgemäßer Apparat im Vergleich zu vorhandenen Blutkulturgeräten bei geringeren Kosten hergestellt werden. Das Trommelkonzept ermöglicht eine Packung mit hoher Dichte, besonders wenn der Hals 46 in dem Segment 38 angeordnet ist. Die Erfinder haben festgestellt, daß diese Anordnung die Packungsdichte im Vergleich zu Vorrichtungen des Standes der Technik um ungefähr den Faktor zweieinhalb vergrößert. Daher können kleinere Geräte gebaut werden. Wenn die Anzahl der scheibenähnlichen Trommelsegmente 38 variiert wird, können Geräte mit einer kleinen, einer mittleren und einer großen Anzahl von Fläschchen verwirklicht werden.
• Die Fig. 2 gibt einen kompakten Blutkulturapparat 70 der vorliegenden Erfindung wieder. Er umfaßt sechzehn Fläschchen 22 bei jedem Segment 38, und drei Sensorstationen 72. 74 und 76 pro Segment. Die Sensorstationen 72, 74 und 76 sind auf einer gemeinsamen Grundplatte 78 angebracht, die wiederum an einem Hauptrahmen 80 des Apparates 70 befestigt ist. Dies ermöglicht eine Ersetzung der Sensoren. Folglich ist der beschriebene Apparat flexibel hinsichtlich der Anwendung von alternativen Erfassungsprinzipien. Eine Aufrüstung kann durch Ersetzen der ganzen Sensorstationsblöcke durch neue Blöcke leicht ausgeführt werden.
• Der Schrittmotor 48, die drehbare Trommel 40 und die Grundplatte 78 mit den Sensorstationen sind innerhalb eines Inkubators 82 angeordnet. Das Einsetzen und Herausnehmen der Fläschchen ist über eine Tür 84 möglich.
• Die Fig. 3 gibt einen Blutkulturapparat 70 wieder, der einen Strichcodeleser 86 für jedes Segment 38 umfaßt. Um die Etikette 32 zu lesen, ist ein Diodenlaser 88 auf einer Platte 90 angebracht, die wiederum an dem Hauptrahmen 80 befestigt ist. Dies ermöglicht ein leichtes Einsetzen und Ersetzen der Elemente. Ein Laserstrahl 92 wird durch ein optisches System 94 mit großer Brennweite auf das Strichcode-Etikett 32 des Fläschchens 22 fokussiert. Der optimale Einfallwinkel beträgt ungefähr 45 Grad. Das von einem Etikett 32 rückwärts gestreute Laserlicht wird mittels eines Photodetektors 96 erfaßt. Bei Drehung der Trommel laufen alle Fläschchen 22 eines scheibenähnlichen Segments 38 durch den fokussierten Diodenlaserstrahl 92 hindurch, um das Ablesen des Strichcodes zu ermöglichen. Ein auf der Platte 90 angebrachter Hilfsphotodetektor 98 empfängt einen Lichtimpuls, wenn ein Bereich eines Fläschchens 22, insbesondere der Boden 99, den Strahl 92 kreuzt. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob sich ein Fläschchen in einer Station befindet. Es wird auch in Betracht gezogen, den Hilfsphotodetektor 98 mit dem Strichcodeleser 86 zusätzlich zu dem in der Fig. 1 wiedergegebenen Kodierer 56 oder anstelle dieses Kodierers als einen Positionierer für die Trommel 40 zu verwenden.
• Die Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die die Funktionsweise einer nicht- invasiven Fluoreszensensorstation 100 veranschaulicht. Das Fläschchen 22 mit dem Medium/Blut-Gemisch 26 bewegt sich in der durch den Pfeil A angegebenen Richtung. Die Fluoreszenzsensorstation 100 weist eine Erregungslichtquelle 102, am besten eine grüne Leuchtdiode auf. Der Sensor 28 ist vorzugsweise besonders empfindlich auf grünes Licht. Die Quelle 102 ist innerhalb eines lichtdichten Zylinders 104 angebracht, der in einem Block 106, der Blockabschnitte 107, 107' aufweist, festgehalten wird. Die Blockabschnitte 107 und 107' ermöglichen den Zusammenbau und die Zerlegung der Station 100. Das Erregungslicht 108 fällt durch ein Erregerfilter 110 hindurch und auf ein Kondensorsystem 111. Das Erregerfilter 110 wird verwendet, weil eine grüne Leuchtdiode einen langwelligen Schwanz aus gelbem und rotem Licht hat. Der Sensor 28 sendet diese gleiche Art von Licht aus, wenn durch das Mikroorganismenwachstum erzeugtes Kohlendioxid erfaßt wird. Wenn das Filter 110 nicht verwendet wird, ergibt sich unerwünschte Rückstreuung, wodurch die Genauigkeit des Sensors verringert wird.
• Das Kondensorsystem 111 umfaßt eine optische Kondensorlinse 112 und einen Strahlteiler 114. Der Strahlteiler 114 kann einfach eine Glasplatte sein, die keine selektiven spektralen Eigenschaften hat. Wenn ein solcher Strahlteiler verwendet wird, dann werden ungefähr 95 Prozent des Erregungslichts 108 als die Komponente 116 mittels einer optischen Kondensorlinse 117 auf den Boden 99 eines Fläschchens 22 fokussiert. Der Strahlteiler 114 lenkt außerdem eine Komponente 118 des Erregungslichts 108 über eine optische Kondensorlinse 120 auf eine Lichtquellen-Überwachungsvorrichtung, wie eine Photodiode 122, die innerhalb eines zweiten, lichtdichten Zylinders 124 angebracht ist, der auch in dem Block 106 festgehalten wird. Die Intensität einer Lichtquelle nimmt im Laufe der Zeit ab. Eine Lichtquellen-Überwachungsvorrichtung, wie eine Photodiode 122, kann diese Intensitätsverringerung messen, und dann benutzen, um eine genaue Zuordnung zwischen dem Fluoreszenzlicht 126 und dem Erregungslicht 108 zu berechnen. Ein Teil des Fluoreszenzlichts 126, das aus dem chemischen fluoreszierenden Sensor 28 auf dem Boden 99 wieder herauskommt, wird von einem Fluoreszenzlichtauffänger 127 aufgefangen, wobei dieser Fluoreszenlichtauffänger eine Auffangfaser 128 umfaßt, die durch eine Klammer 130 festgehalten wird.
• Wie in der Fig. 5 gezeigt ist, sind die Auffangfasern 128 aller Fluoreszenzsensorstationen 100 zu einem zentralen Photomultiplier 130 geführt, bei dem ein Emissionsfilter 132 vor einer Photokathode 134 angeordnet ist. Die Fasern werden verwendet, um das Fluoreszenzlicht nach dem Photomultiplier zu übertragen. In der Praxis wird gewöhnlich nur eine Lichtquelle 102 gleichzeitig eingeschaltet. Bei Verwendung eines zentralen Photomultipliers ergeben sich verschiedene Vorteile. Erstens kann ein hochwertiger Photomultiplier wirtschaftlich eingesetzt werden, da er mit einer großen Anzahl von Fläschchen verwendet wird. Wenn mehr als ein Emissionsfilter oder Photomultiplier verwendet werden, entstehen außerdem Fehler, da die Filter und Photomultiplier untereinander nie gleich sind. Bei einem Apparat gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Qualität der quantitativen Analyse wesentlich verbessert, weil nur eine Anordnung geeicht werden muß.
• Die Fig. 6 gibt eine nicht-invasive Sensorstation 140 zur Messung der Wanderung von gestreuten Photonen ("WGP") wieder. Wiederum bewegt sich das Fläschchen 22 mit dem Medium/Blut-Gemisch 26 in der durch die Pfeile A angegebenen Richtung. Jede WGP- Sensorstation 140 weist eine Erregungslichtquelle 142, vorzugsweise eine rote Leuchtdiode, auf. Die WGP-Sensorstation 140 umfaßt außerdem einen Strahlteiler 144 und eine Überwachungs-Photodiode 146. Der Strahlteiler und die Photodiode führen die gleichen allgemeinen Funktionen aus, die oben bezüglich der Fluoreszenzstation 100 diskutiert wurden. Die Elemente 142. 144 und 146 sind innerhalb eines kleinen Blocks 148 angebracht, der an einem großen Block 150 befestigt ist. Das Erregungslicht 152 von der Lichtquelle 142 wird in die Komponenten 154 und 156 aufgespalten. Die Komponente 154 wird nach der Überwachungs-Photodiode 146 gelenkt und von dieser Überwachungs-Photodiode gemessen, und die Komponente 156 wird von dem Strahlteiler 144 in das Medium/Blut-Gemisch 26 gelenkt.
• Das WGP-Licht, das gegenüber dem kleinen Block 148 wieder aus der Fläschchenseite 158 herauskommt, wird nach einem Lichtauffänger 159 abgelenkt. Das WGP-Licht wird mittels einer Auffangfaser 160 weitergeleitet, wobei ein Auffangprisma 162 verwendet wird, um das Licht zu fokussieren und in die Faser umzulenken. Das Prisma 162 ist in einer Öffnung 164 einer großen Platte 166 angeordnet, die auf dem großen Block 150 angebracht ist. Der kleine Block 148 und die große Platte 166 sind so angeordnet, daß das Fläschchen 22 gerade zwischen ihnen hindurchlaufen kann. Die Auffangfasern 160 aller WGP-Sensorstationen 140 sind nach einem zweiten zentralen Photomultiplier 168 geführt. Wenn die Emission des in der Fig. 4 wiedergegebenen, fluoreszierenden chemischen Sensors 100 bei einer Wellenlänge erfolgt, die nahe bei der optimalen WGP-Wellenlänge liegt, dann können die Auffangfasern 160 aller WGP-Sensorstationen nach dem in der Fig. 5 wiedergegebenen, zentralen Fluoreszenz-Photomultiplier 130 geführt werden. Gewöhnlich ist nur ein Photomultiplier erforderlich.
• Die Fig. 7 gibt eine bevorzugte Ausführungsform einer Schnelltrennung 169 zum Einsetzen von Fläschchen 22 in die scheibenähnlichen Segmente 38 der Trommel 40 wieder. Ein Fläschchen 22 wird in selektiver Weise in eine innerhalb des Segments 38 gebildete, konische Bohrung 170 eingesetzt. Ein Federclip 172 mit einer integralen Sperre 174 ermöglicht eine leichte Einrastung der Fläschchen. Der Clip 172 ist durch ein geeignetes Befestigungsmittel, wie eine Schraube 176, neben der Bohrung 170 befestigt. Der Federclip 172 erstreckt sich von dem Segment 38 nach außen, wobei die integrale Sperre 174 so ausgelegt ist, daß sie in die äußere Bodemfläche 99 des Fläschchens 22 eingreift. Im Betrieb ist der Clip 172 zu dem Fläschchen 22 hin nachgebbar vorgespannt. Wenn die Sperre 174 um den Punkt der Clipbefestigung an dem Segment 38 geschwenkt wird, wird die Sperre 174 von dem Boden 99 abgehoben, um das Einsetzen und Herausnehmen des Fläschchens zu ermöglichen.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Verkeilungsmechanismus 177, um die Fläschchen 22 in einer optimalen Orientierung einzusetzen für die Identifizierung mittels des Etikettlesers 86, wie in der Fig. 3 veranschaulicht ist. Die Fläschchen 22 können ein Etikett 178 mit einem linearen Strichcode umfassen, das aus einem dicken Material, vorzugsweise aus nicht-glänzendem, weißem Plastik besteht. Das Etikett 178 paßt in eine geeignete Öffnung 180 in dem Trommelsegment 38, gegenüber dem Clip 172. Auf diese Weise paßt ein Fläschchen 22 nur in einer Winkelorientierung in die Bohrung 170. Folglich wirkt das Etikett 178 als ein Keil, der sicherstellt, daß das Fläschchen richtig eingesetzt ist, so daß das Etikett von dem Strichcodeleser gelesen werden kann. Es ist jedoch ersichtlich, daß eine große Vielfalt von Verkeilungsmechanismen möglich ist, einschließlich der Verwendung von beinahe jedem Vorsprung eines Fläschchens in Verbindung mit einer geeigneten Öffnung.
• Die Fig. 8 gibt bei der Kennziffer 200 eine zweite Ausführungsform einer Fluoreszenzsensorstation wieder. Die Station 200 ist der in der Fig. 4 dargestellten Sensorstation 100 ähnlich. Der durch den Strahlteiler 114 repräsentierte Lichtteiler ist durch ein Breitband-Interferenzfilter 202 ersetzt, das für einen 45 Grad-Strahleinfall optimiert ist. Das Filter 202 ist eine Alternative für das Erregerfilter 110, da es nur kurzwellige Erregungsstrahlung, wie das vorzugsweise von der Lichtquelle 102 ausgesandte, grüne Licht durchläßt. Das Filter 202 wirkt bei anderen Wellenlängen als ein Reflektor. Auf diese Weise erreicht der größte Teil des Erregungslichts 108 von der Quelle 102 den chemi schen Fluoreszenzsensor 28 auf dem inneren Boden 30 eines Fläschchens 22. Ein kleiner Bruchteil des Erregungslichts 108, nämlich das Licht 118, wird nach der Linse 120 reflektiert, die das Licht auf eine Lichtquellen-Überwachungsvorrichtung 203 fokussiert, die in der Fig. 9 in größerem Maßstab wiedergegeben ist. Die Überwachungsvorrichtung 203 umfaßt eine Auffangfaser 204. Wenn eine grüne Leuchtdiode verwendet wird, liegt dieses Licht im allgemeinen in dem gelben und roten Wellenlängenbereich, wenn auch ein Teil des Erregungslichts reflektiert wird.
• Wie in der Fig. 9 gezeigt ist, sind die Auffangfasern 204 der Überwachungsvorrichtung 203 für jede Fluoreszenzsensorstation 200 nach einem einzigen zentralen Quellenüberwachungs-Photomultiplier 206 geführt, wobei ein Erregerfilter 208 vor einer Photokathode 210 angeordnet ist. Das Erregerfilter 208 wird verwendet, um das von dem Filter 202 reflektierte rote und gelbe Licht zu filtern, so daß auch eine genaue Messung des von dem Filter 202 reflektierten Teils des grünen Lichts gemacht werden kann. Folglich kann die Verringerung der Lichtquellenintensität genauer gemessen werden.
• In der Fig. 8, zu der wir nun zurückkehren, wird ein wesentlicher Teil des Fluoreszenzlichts 116, das aus dem Sensor 28 wieder herauskommt, von der Linse 117 aufgefangen, und dann durch das Interferenzfilter 202 nach der Linse 212 reflektiert, die das Licht 126 in einen Fluorezenzlichtauffänger 213 fokussiert, der eine in einem lichtdichten Zylinder 216 angebrachte Auffangfaser 214 umfaßt. Dieses Licht wird von dem Filter 202 reflektiert, da es in dem gelben und roten Wellenlängenbereich liegt, wie oben diskutiert wurde. Wie bei der in der Fig. 5 veranschaulichten Ausführungsform der Fluoreszenzsensorstation 100 sind die Auffangfasern 214 aller Fluoreszenzsensorstationen 200 nach einem zentralen Fluoreeszenzüberwachungs - Photomultiplier 130 geführt, bei dem ein Emissionsfilter 132 vor der Photokathode 134 angeordnet ist.
• Die Fig. 10 gibt bei 220 eine dritte Ausführungsform einer Fluoreszenzsensorstation wieder. Die Station 220 ist der in der Fig. 4 wiedergegebenen Sensorstation 100, und der in der Fig. 8 wiedergegebenen Sensorstation 200 ähnlich.
• Die Linse 117 der Sensorstation 200 ist durch die Linse 222 ersetzt, die eine axiale Bohrung 224 aufweist. Die Linse 226 in der Fig. 10 ist der Linse 212 der Fig. 8 ähnlich, aber hat eine kürzere Brennweite, und sie ist in einem größeren Abstand von dem Breitband-Interferenzfilter 202 angeordnet. Die Auffangfaser 214 ist so angeordnet, daß ein beleuchteter Fleck 228 auf dem Boden eines Fläschchens 22 auf die Stirnfläche 230 der Faser 214 abgebildet wird. Wie in der Fig. 4 wird eine Photodiode 122 verwendet, um die von der Quelle 102 ausgesendete optische Leistung zu überwachen.
• Beim Betrieb wird der beleuchtete Fleck 228 durch das Fluoreszenzlicht 126 auf die Auffangfaser 214 abgebildet, wobei das Fluoreszenzlicht 126 durch die Bohrung 224 ohne Wechselwirkung mit dem Rest der Linse 222 hindurchgeht, und durch das Filter 202 nach der Linse 226 abgelenkt wird. Wenn der Abstand zwischen dem beleuchteten Fluoreszenzsensor 28 und der Auffanglinse 226 vergrößert wird, wird in Verbindung mit der verringerten Brennweite der Linse 226 eine bedeutende Bildverkleinerung an dem Auffangfasereingang der Stirnfläche 230 erreicht. Unter dieser Bilderzeugungsbedingung ergibt sich der Fluoreszenzausgangsphotostrom I des zentralen Photodetektors aus der folgenden Gleichung:
• I = c A/r² (1)
• In der Gleichung (1) ist C eine Konstante, die Parameter wie die Quellenintensität, die Filterdurchlässigkeit oder die Photodetektorempfindlichkeit berücksichtigt. Die Größe A ist die Auffangfläche der Linse 226, und r ist der Abstand zwischen dem beleuchteten Fluoreszenzsensor 28 und der Auffanglinse 226.
• Ein wesentlicher Vorteil der in der Fig. 10 wiedergegebenen Sensoranordnung besteht darin, daß im Vergleich zu herkömmlichen Sensoranordnungen der Photostrom I viel weniger empfindlich gegen eine Fläschchenverschiebung ist. Dies kann durch Berechnen des durch eine Änderung dr des Sensor-Detektor-Abstandes r verursachten, relativen Fehlers dI/I des Photostroms I gezeigt werden. Aus der Gleichung (1) erhalten wir die folgende Gleichung:
• dI/I = -2/r dr (2)
• Bei herkömmlichen Sensoranordnungen hat r einen typischen Wert von 1 cm. Wenn wir eine Fläschchenabstandsänderung dr = 1 mm annehmen, ist der sich ergebende Fehler des Photostroms I 20%. Wenn der Fläschchenabstand gemäß der vorliegenden Erfindung auf z. B. r = 12 cm erhöht wird, ist der Fehler von I auf nur 1,7% verringert. Demgemäß würde eine Fläschchenverschiebung von 2 mm bei einer herkömmlichen Sensoranordnung einen Fehler von 40% bei I zur Folge haben, während die gleiche Verschiebung bei einer Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung nur einen Fehler von 3,4% bei I verursacht, der bei den beschriebenen Ausführungsformen erreicht wird.
• Die Sensoranordnung gemäß der Fig. 10 erfordert einen Photodetektor mit hoher Empfindlichkeit, wie einen Photomultiplier. Bei bekannten automatisierten Blutkultursystemen mit individuellen Lichtquellen und individuellen Photodetektoren ist die Verwendung von Photomultipliern wegen der Kosten und der Eich-Asymmetrie unzweckmäßig. Folglich muß ein kurzer Sensor-Detektor-Abstand, gewöhnlich ungefähr 1 cm, aufrechterhalten werden. Erfahrungsgemäß hat dies bedeutende Photostromvariationeninfolge Fläschchenverschiebung. Fläschchenformvariation oder Detektorverschiebung zur Folge. Bei einem Apparat gemäß der vorliegenden Erfindung ist dagegen nur ein zentraler Photomultiplier erforderlich. Folglich kann die Sensoranordnung der Fig. 10 ohne Schwierigkeit verwendet werden.
• Die Vergrößerung des Sensor-Detektor-Abstandes um einen Faktor 12 kann vernunftwidrig erscheinen. Die Verringerung der Anforderung für eine genaue Fläschchenpositionierung hat jedoch zwei bedeutende Vorteile. Erstens kann die Leistungsfähigkeit des Gerätes verbessert werden, wenn Photostromfehler infolge Fläschchenpositionänderungen eliminiert werden. Zweitens kann das Gerät infolge der verringerten Positionierungspräzisionsanforderungen bei niedrigeren Kosten hergestellt werden.
• Die Fig. 11 veranschaulicht den Vorteil einer Sensoranordnung gemäß der Fig. 10 mit einem vergrößerten Sensor-Detektor-Abstand. Für 1 mm Fläschchenverschiebung ist bei einem herkömmlichen Sensor-Detektor-Abstand von 1 cm der Fehler bei dem Photostrom 20%, aber bei einem Abstand von 12 cm nur 1,7%. Für 2 mm Fläschchenverschiebung ist bei einem herkömmlichen Sensor-Detektor-Abstand von 1 cm der Fehler bei dem Photostrom 40%, und bei einem Abstand von 12 cm nur 3,4%.

Claims (10)

1. Nicht-invasiver, kompakter Blutkulturapparat (20), aufweisend:

eine um eine Achse drehbare Trommel (40), wobei die Trommel eine Vielzahl von Bohrungen umfaßt, um Fläschchen aufzunehmen, die ausgelegt sind, um das Mikroorganismenwachstum aufrechtzuerhalten;

einen Mechanismus (48, 50, 52, 54), um die Trommel (40) um die Achse zu drehen;

mindestens eine Sensorstation (140), um Mikroorganismen durch Wanderung von gestreuten Photonen innerhalb einer Vielzahl von in der Trommel aufgenommenen Fläschchen (22) zu erfassen;

einen Fläschchen-Identifizierer (86);

einen Verkeilungsmechanismus (177), um jedes der Fläschchen zur Identifizierung in einer optimalen Orientierung anzuordnen;

einen Positionierer (56, 98), um die Orientierung der Trommel (40) zu bestimmen; und

Bewegungsmittel, wobei die Bewegung eine Drehung der Trommel um die Achse einschließt, wobei die Achse unter einem Winkel relativ zu der Schwerkraft angeordnet ist.

2. Kompakter Blutkulturapparat wie in Anspruch 1 angegeben, wobei die Achse ungefähr senkrecht zu der Schwerkraft ist.

3. Kompakter Blutkulturapparat wie in Anspruch 1 angegeben, wobei die Trommel eine Vielzahl von um die Achse herum angeordneten, scheibenähnlichen Segmenten (38) aufweist, wobei jedes der Segmente (38) ausgelegt ist, um eine Vielzahl der Fläschchen aufzunehmen.

4. Kompakter Blutkulturapparat wie in Anspruch 3 angegeben, wobei die Trommel weiterhin ein jeweiliges Abstandselement (42) aufweist, das zwischen benachbarten Segmenten (38) angeordnet ist, um diese Segmente zu trennen.

5. Kompakter Blutkulturapparat wie in Anspruch 1 angegeben, wobei der Fläschchen- Identifizierer aufweist:

ein Strichcode-Etikett (32), das an einer äußeren Oberfläche von jedem der Fläschchen befestigt ist;

einen Laser (88), der ausgelegt ist, um einen Strahlungsstrahl (92) auszusenden;

ein optisches System (94), um den Strahl (92) zu fokussieren; und

einen Photodetektor, der ausgelegt ist, um einen Teil der von dem Etikett rückwärts gestreuten Strahlung aufzufangen.

6. Kompakter Blutkulturapparat wie in Anspruch 5 angegeben, wobei der Positionierer einen Hilfsphotodetektor (98) aufweist, der positioniert ist, um die Strahlung aufzufangen, wenn ein Bereich von jeder der Fläschchen den Strahl kreuzt.

7. Kompakter Blutkulturapparat wie in Anspruch 1 angegeben, wobei der Positionierer einen um die Achse herum angebrachten Winkeldekodierer (56) aufweist.

8. Kompakter Blutkulturapparat gemäß Anspruch 1, wobei jede der Bohrungen geformt ist, um einen Hals (46) von einem der Fläschchen aufzunehmen.

9. Kompakter Blutkulturapparat wie in Anspruch 1 angegeben, zusammen mit einer Vielzahl von Fläschchen (22).

10. Kompakter Blutkulturapparat wie in Anspruch 9 angegeben, wobei der Verkeilungsmechanismus aufweist:

einen Vorsprung (178) auf einer äußeren Oberfläche von jedem der Fläschchen, wobei der Vorsprung ausgelegt ist, um innerhalb einer entsprechenden Öffnung (180), die innerhalb der Trommel (40) gebildet ist, aufgenommen zu werden.