用于呼吸样本收集和分析的系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于收集和分析细菌或者生物颗粒的系统；并且更特别地设及一 种运样的系统，所述系统包括用于空气细菌或者生物颗粒检测的气溶胶收集系统，该气溶 胶收集系统能够用于制备用于诊断的样本或者能够用来直接诊断来自环境或者患者例如 肺结核患者的细菌感染样本。
【背景技术】
[0002] 收集用于诊断呼吸疾病的品质样本目前存在许多挑战。运些挑战在不同的疾病状 态之间具有细微差别，但是显现出共同的主题。例如，肺结核、流感和肺炎是分别代表特定 诊断挑战的Ξ种疾病。
[0003] 活动性肺结核（TB)导致每年大约二百万人失去生命，运使得其成为世界范围内 第二大传染病致死原因。估计每年世界范围内有930万人罹患肺结核，而其中的约440万 人未经确诊。肺结核还造成重大的生物恐怖威胁。结核分枝杆菌（M.tuberculosis)被归 类为NIAIDCategoryCPriority化thogen并且主要通过空气传播飞沫（仅2个飞沫便 可W导致肺结核感染）传递。多重耐药菌株还使得肺结核诊断和治疗复杂化，从而作为生 物恐怖剂增加其危险性。当正确诊断时，肺结核是能够治疗的。目前，咳疲是最常用的用于 肺结核诊断的取样方法。依赖于疲样本的诊断受到与疲收集相关的缺点的影响。难W从某 些病人（儿童和老人）收集疲，并且不能从咳疲不足的患者（约20%的患者）获得疲。在 运些情况中，需要诸如疲诱导和胃内容物吸出的程序；因为运些程序使得医护人员暴露于 传染性标本，所W它们均难W操控并且存在风险。在其它情况中，执行带有支气管肺泡灌洗 度AL)的支气管镜检查。运种程序花费较高，需要专业人员并且可能引发与清醒性镇静相关 的并发症。在发生生物恐怖袭击的情况下，运些方法可能会变得成本过高。当获得疲样本 时，由口咽部菌群、唾液、粘液和细胞碎片引起的污染将对诊断的敏感性和确定性造成负面 影响。甚至未被污染和未被稀释的疲也可能内在地具有身患肺结核的患者体内的低浓度结 核分枝杆菌。
[0004] 肺炎是美国境内传染性疾病中致死的主要原因，其中，每年约110万人在院治疗， 约5万患者死亡。肺炎是一种下呼吸道化RT)传染病并且典型地由病毒和/或细菌引起。 诊断肺炎所面临的主要挑战是获得高品质样本，即原因在于，肺炎的病原体通常移生于健 康主体的上呼吸道扣RT)而没导致下呼吸道感染。如果诊断样本包含上呼吸道污染物，贝U 丢弃该样本（诊断产量低）或者可W识别虚假的病原体（特性低）。疲或者支气管肺泡灌 洗度AL)是用于识别肺炎的病原体的最普通的样本。然而，两种样本均具有很大的局限性。 不是所有患者均可W咳疲，特别地是5岁W下的儿童。即使在诱导的帮助下，估计40%的 肺炎患者无法获得疲。当收集时，疲样本受到上呼吸道菌群污染，高达50%的样本被弃用。 尽管支气管肺泡灌洗提供了更高品质的样本用于进行诊断分析，但是其具有创伤性，需要 镇静，因此仅仅推荐给高危患者。所W，在没有诊断样本的情况下使用广谱抗生素疗法来治 疗社区获得性肺炎（CAP)。因为医院获得性肺炎（HAP)的传染病学与社区获得性肺炎截然 不同，所w不能用相同的经验性抗生素疗法来治疗医院获得性肺炎；而是在治疗之前必须 确定致病源。在医院获得性肺炎中，支气管肺泡灌洗是用于诊断的推荐样本。为了在对患 者造成最低风险的条件下获得无损样本并且在临床实践中鼓励抗菌药物管理，需要新型的 非创伤性下呼吸道样本收集方法。更好的样本收集用W在诊断社区获得性肺炎病原体的过 程中提高小于10%的产量并且在医院获得性肺炎中替代创伤性程序。
[0005] 季节性流感对全球公共健康构成威胁，每年导致300万至500万危重病例和25 万死亡病例。当一种针对其存在较小的在前免疫的新菌株在人群中开始传播时，发生大 流行性感冒。最近，2009A化1N1)猪流感额外导致28万死亡病例。惊人地，特定的流感菌 株（诸如，A化1N1)猪流感和A化5N1)禽流感）具有增大的感染下呼吸道的倾向并且导致 危重病例。通常使用鼻咽（N巧拭子针对从上呼吸道的咽喉和鼻腔收集的样本实施流感诊 断。然而，只有创伤性程序能够收集用于适当诊断下呼吸道流感的样本。特别地，在近年来 A化1N1)大流行期间，许多流感病例由鼻咽拭子样本诊断为阴性，但是由下呼吸道样本诊断 为阳性。运些发现强调了分析来自严重的类似流感的患者的下呼吸道样本的需要。可W更 适当地采用抗病毒治疗管理，由此提高患者疗效。最后，专口从上呼吸道样本收集的流感监 测数据可能会丢失出现的优先W下呼吸道为目标的菌种。当前从下呼吸道获得样本的方法 诸如经气管吸引、支气管肺泡灌洗、肺活检均具有高创伤性。
[0006] 其它疾病情形也得益于样本收集方法的改进。运些疾病情形可W包括但不限于非 肺结核分枝杆菌感染和呼吸道合胞体病毒。然而，仅仅运Ξ种疾病所代表的挑战便表明诊 断领域将受益于改进的样本收集方法。
【发明内容】
[0007] 在多个实施例中，本发明设及用于收集和分析细菌或者生物颗粒的系统，其用W 制备用于诊断的样本或者用W直接诊断来自环境或者患者例如肺结核患者的细菌感染样 本。
[000引在某些实施例中，本发明设及一种生物样本收集系统，其包括：
[0009] ?预先收集组件，所述预先收集组件构造成与患者接合，使得来自患者的呼吸流 出物全部被捕获在收集系统内，所述呼吸流出物包括任何包含在其中的生物微粒；
[0010] ?样本储器，所述样本储器限定了其中具有样本介质的容积，用于携带样本介质 中的目标生物微粒，W形成适用于诊断分析的样本分析物；
[0011] ?收集器，所述收集器流体连通在预先收集组件和样本储器之间并且在其末端处 具有流体聚焦喷嘴，所述收集器构造成从所述呼吸流出物中选择大于目标粒径的所述生物 微粒并且将所述目标生物微粒引导到所述样本储器中，W便将目标生物微粒有效转移到样 本介质中；并且
[0012] ?其中，在任何单次呼吸中，呼吸流出物的至少一部分经由所述预先收集组件流 入到所述收集器中，并且其中，呼吸流出物的其余部分暂时存储在所述预先收集组件中。
[0013] 在其它实施例中，流体聚焦喷嘴的入口和所述喷嘴上游的收集器之间形成的角构 造成使得防止在喷嘴入口处形成再循环区域，其中，喷嘴的长度构造成防止生物微粒达到 它们的终端速度，其中，喷嘴的直径构造成减小颗粒反弹并且W规定流率加大收集，并且其 中，喷嘴的长度和喷嘴的直径之比构造成使得生物微粒不会被喷嘴的壁拦截。
[0014] 在其它实施例中，样本储器结合到与收集器流体连接的盒模块中，所述盒模块可 W从所述收集系统移除并且所述盒模块构造成与诊断分析仪的输入部协作地接合。在某些 运样的实施例中，包含样本储器的盒模块包括自密封机构，所述自密封机构构造成将样本 介质与外部环境隔离开。在又其它运样的实施例中，包含样本储器的盒模块的那部分包括 用于将样本介质喷射到诊断分析仪的输入部中的机构。
[0015] 在其它实施例中，包含在样本储器中的样本介质采用选自由药片、球状盐、液体、 薄膜和凝胶构成的组的形式。
[0016] 在其它实施例中，样本储器的入口布置成与流体聚焦喷嘴相对。在一些运样的实 施例中，包含在样本储器内的样本介质的暴露表面的尺寸设计成大约为喷嘴的直径。在其 它运样的实施例中，样本介质是液体，并且样本储器还包括位于喷嘴的端部和样本介质的 暴露表面之间的空间，并且其中，空间的横截面、喷嘴的横截面W及喷嘴端部和样本介质的 暴露表面之间的距离构造成使得样本介质的暴露表面处的流出物的速度小于20m/s。
[0017] 在其它实施例中，喷嘴的端部和样本介质的暴露表面之间的距离与喷嘴的直径之 比大于或者等于1. 2且小于或者等于1. 6。
[0018] 在其它实施例中，流体聚焦喷嘴的入口和所述喷嘴下游的收集器之间的角小于 30°，W便防止在喷嘴入口中形成再循环区域。
[0019] 在其它实施例中，喷嘴的长度与喷嘴的直径之比小于2. 25。
[0020] 在其它实施例中，喷嘴的直径构造成使得样本介质的表面处的生物微粒的速度与 颗粒直径的乘积小于50,W控制样本介质的表面上的生物微粒反弹，使得所关注的粒径的 收集效率大于0. 9。
[0021] 在其它实施例中，收集器具有规定流动容量，预先收集组件还包括暂存容积，所述 暂存容积构造成捕获来自患者的呼吸流出物的任何超出收集器的流动容量的部分。在某些 运样的实施例中，暂存容积包括单向阀机构，所述单向阀机构防止在患者吸入期间捕获在 暂存容积中的呼吸被患者吸入，并且将捕获的呼吸释放到收集器中。在其它运样的实施例 中，单向阀可W由自动机构或者患者手动中的任意一种触发。在其它运样的实施例中，预先 收集组件还包括第二单向阀，所述第二单向阀允许通过预先收集组件吸入患者的呼吸。在 其它运样的实施例中，暂存容积由弹性材料形成，使得暂存容积存储呼吸流出物的体积和 作为势能的呼吸流出物的功两者的至少一部分，并且其中，通过将所述呼吸的流出物的所 述存储部分释放到收集系统中而将势能转换为动能。
[0022] 在其它实施例中，预先收集组件还包括过滤器机构，用于从所述目标生物微粒中 过滤出大于目标粒径的生物微粒。在某些运样的实施例中，过滤器机构包括单向阀，所述单 向阀构造成在患者呼气期间弯曲，使得大于目标粒径的微粒撞击该单向阀并且被防止进入 收集器。
[0023] 在其它实施例中，收集器还包括气动撞击器，所述气动撞击器具有第一和第二端 部并且在其中限定了流体路径，并且其中，气动撞击器对气态样本施加惯性减速力，并且其 中，惯性力的大小可W变化，使得在低惯性力作用下，样本内的任何生物微粒都完好地通过 撞击器，并且在高于一阔值的惯性力作用下，样本内的任何生物微粒都被溶解W释放其内 部组分。在某些运样的实施例中，目标生物微粒的内部组分包含DNA。
[0024] 在其它实施例中，系统还包括正控制，所述正控制构造成提供已经收集了足够体 积的患者的呼吸流出物的指示。在某些运样的实施例中，正控制选自于由用于特征生物材 料的指示器和患者的呼吸流出物的物理测量构成的组。
[00巧]在其它实施例中，预先收集组件还包括湿度控制系统，所述湿度控制系统构造成 防止颗粒生长。
[0026] 在下文的描述中部分地陈述了另外的实施例和特征，并且运些另外的实施例和特 征在审查说明书时对于本领域技术人员而言部分地是显而易见的或者可W通过实践所公 开的主题学习到。通过参照构成本发明的一部分的说明书和附