用于具有比色传感器的血培养瓶的检测器装置制造方法
【专利摘要】本文公开了用于包含比色传感器的血培养瓶的检测器装置，由于血培养瓶内的样品培养基的pH或者CO2中的变化，所述比色传感器遭受颜色变化。该检测器装置包括：照亮比色传感器的传感器LED、照亮比色传感器的参照LED、用于选择性地并且交替地激活传感器LED和参照LED的控制电路以及光电检测器。在使用传感器LED和参照LED选择性地并且交替地照亮比色传感器期间，光电检测器测量了来自比色传感器的反射率并且产生了强度信号。选择了参照LED使其具有照明峰值波长，这样被参照LED照亮的光电检测器的强度信号基本上不会被比色传感器的颜色变化所影响。
【专利说明】用于具有比色传感器的血培养瓶的检测器装置
[0001] 背景
[0002] 用于培养存在微生物的血液的瓶子以及用于以无创性方式分析这种瓶子的相关 仪器在本领域中是已知的，并且在专利文献中进行了描述。参见美国专利第5, 858, 769、 5, 795, 773、4, 945, 060、5, 094, 955、5, 164, 796、5, 217, 876 以及 5, 856, 175 号。上面列出的 专利的瓶子和仪器已经成功地通过本受让人用商标BacT/ALERT进行了商业化。
[0003] 在这些血培养仪器中描述的瓶子利用了置于瓶子的底部并且与所述样品培养基 接触的比色传感器，以确定细菌生长的存在/不存在。一旦在瓶子中存在的液体生长培 养基中加入临床/工业样品并且发生繁殖，二氧化碳的浓度就会随微生物数量的增加而 增加；二氧化碳是细菌生长的呼吸作用的副产物。此外，还可以通过传感器监测与微生物 生长有关的培养基pH的变化。在美国专利第4, 945, 060号中并且还在由Thorpe等人于 1990年7月发表在临床微生物学杂志的第1608-1612页的文章"BacT/Alert:an Automated Colorimetric Microbial Detection System"中描述了 BacT/ALERT 传感器和监测电子设备 的基本操作。在此以引用方式并入了 '060专利以及Thorpe等人的文章。
[0004] 附图的图1中示出了在'060专利中描述的基本的比色传感系统。红色发光二极 管（LED) (4)照射到BacT瓶子（1)的底部。比色传感器⑵被放置在瓶子⑴的底部。LED 光相对瓶子（1)的底表面为45度角照射到传感器上。大多数的光穿透瓶子的结构并且照 射到比色传感器（2)上。一部分光将会从塑料瓶材料和45度角处的传感器（2)反射到瓶 子的底表面，但是沿与照射光相反的方向（例如，反射角等于入射角）。从传感器的表面和 内部散射出了许多剩余的光。随着瓶子中的〇) 2百分比从0%变化到100%，传感器（2)改 变其颜色；相应地，传感器的颜色从蓝色变化到黄色。硅光电检测器（5) "凝视"传感器（2) 中的来自LED的光与传感器相互作用的区域（S卩，连续监测散射的强度信号）。通过光电检 测器检测到的散射光的强度是与瓶子（1)内的C0 2水平成比例的。图1还示出了相关联的 电子设备，所述电子设备包括电源（6)、电流-电压转换器（7)以及低通滤波器（8)。
[0005] 图2是由图1的光电检测器（5)接收到的信号的曲线图。用光纤探针代替图1中 的光电检测器（5)收集了数据。光纤探针通向可见光谱仪，其用强度（反射率单位）和波 长的函数示出散射光。每条曲线的形状是在指定的C0 2水平下的LED强度分布与比色传感 器（2)的反射率的卷积。
[0006] 当图1的硅光电检测器（5)取代了光纤探针时，通过光电检测器产生了与图2中 示出的积分的波长信号成比例的光电流。换句话说，硅光电检测器（5)将频谱响应积分成 光电流。接着，使用跨阻放大器将该光电流转换成电压信号。
[0007] 虽然图1的BacT/ALERT传感系统是鲁棒性的并且已经在血培养系统中成功使用 了许多年，但是它确实有一些需要的地方。首先，如果血培养瓶（1)朝细胞移动（例如，沿 z轴的位移，这样其移离了光电检测器的位置），那么系统（如目前所实施了的）将该移动 检测为强度降低。然而，该强度降低被仪器解释为瓶子中的co 2水平降低，但实际上这可能 没有发生。由于该效应与瓶子的反射率随二氧化碳含量增加（象征细菌生长）而增加的效 应相反，故有可能系统将把平移的瓶视为没有生长（即，假阴性情况）。
[0008] 同样，随着临床实验室中的仪器的老化，光学系统可能积累了灰尘或者光学材料 经历了透射率随时间减小。例如，随着塑料的老化，由于光效应、特别是由于累积的（灰尘） 或者反复使用清洁剂，它们的透射率可能会减小。这些效应将不会影响读数，但是将表现为 响应于系统的漂移。定期校准检查可以补偿这种漂移。因此，存在长期感到但尚未满足的 需求，所述需求为拥有光学系统中的透射的实时监测仪以及调节或者补偿这些误差源中的 一些的功能，特别是在其中瓶子没有被完全安装在容器中并且其不在标称位置或者起始位 置（具有一定的远离光检测器装置的Z轴位移）的情况下。
[0009] 感兴趣的其他现有技术包括以下美国专利：7, 193,717、5,482,842、5,480,804、 5, 064, 282、5, 013, 155、6, 096, 272、6, 665, 061、4, 248, 536、以及于 1994 年 11 月 24 日发表 的公开的PCT申请W0 94/26874。
[0010] 概述
[0011] 本文公开了用于包含比色传感器的血培养瓶的改进的检测装置。
[0012] 检测装置包括光电检测器、传感器LED和参照LED，以及用于选择性地并且交替地 激活传感器LED和参照LED以照亮比色传感器的控制电路。传感器LED像图1的LED -样 发挥功能，并且其被用来确定比色传感器的颜色变化。通过监测强度变化，光电检测器监测 来自被传感器LED照亮时的传感器的反射率。给参照LED选择了波长，这样被参照LED照 亮的光电检测器的强度读数基本上不会被比色传感器的颜色变化所影响。因此，参照LED 可以被用来作为参照，并且在被参照LED照亮期间的光电检测器读数基本上不会被瓶子内 的C02浓度的变化所影响。已经发现，近红外（LED的峰值λ在750纳米到950纳米之间） 中的波长适合于参照LED。还已经发现，在频谱的蓝色部分中的波长也适合于参照LED，并 且LED具有低于约490纳米的峰值λ，这将在下文中进行更好地解释。参照LED的在频谱 的蓝色部分的波长可能会在比色传感器的读数中产生较小的变化，并且特别是在瓶子内的 〇) 2浓度低的情况下，其可以引起来自处于被传感器LED照亮的情况下的比色传感器的反射 信号略微减少。然而，如将在下文中解释的，蓝色的参照LED提供了其他的好处。蓝色的参 照LED对来自传感器LED的反射信号的小效应是足够小的，以至从整体感觉上看，参照LED 基本上不会影响对瓶子中的比色传感器的颜色由于瓶子中的微生物生长情况而变化的检 测。
[0013] 参照LED有助于指示瓶子与检测器组件之间的距离是否变化了、室内照明情况是 否变化了、或者在传感器LED、瓶子以及光电检测器之间的物理光路内的一切是否变化了。 由于参照LED中的变化并不依赖于比色传感器的状态，故参照LED可以提供关于光学系统 中不与微生物生长相关的变化的信息，从而可以从生长相关的变化中区分出来自该系统的 这种非生长相关的变化。该特征有助于降低系统中的假阳性率并且提高传感准确度和可靠 性。
[0014] 在使用中，例如，采用时分复用方式交替地并且反复地照亮传感器LED和参照 LED。根据这种相继的照明的光电检测器信号被输入到计算机。计算机监测在照亮了参照 LED时的光电检测器信号中的变化；这些变化将指示在瓶子位置或者光学系统中的变化。 例如，计算机可以根据传感器LED和参照LED信号之间的衍生校准关系来补偿由于瓶子位 置在检测系统中从初始位置或者标称位置偏移的传感器LED信号。
[0015] 附图简述
[0016] 图1是如美国专利4, 945, 060中所描述的用于血液收集瓶的公知的传感器和检测 器装置的说明。
[0017] 图2是在代替图1的光电检测器的频谱仪上的作为波长和C02浓度的函数的比色 传感器的反射率曲线图。
[0018] 图3是按照本公开的用于血液收集瓶的传感器和检测器装置。
[0019] 图4是在瓶子内存在的C02范围为0-100%时关于照亮比色传感器的传感器LED 和参照LED的来自图3的光电检测器的强度信号的曲线图。
[0020] 图5是关于传感器LED和参照LED的光电检测器强度信号的曲线图，其作为偏离 标称位置或者初始位置的瓶子位移的函数，其中瓶子在其设计好的靠近图3的检测系统的 位置中。
[0021] 图6是在瓶子具有微生物生长的情况时作为时间函数的关于传感器LED和参照 LED的光电检测器强度信号的曲线图。
[0022] 图7是操作图3的传感器装置的电子设备的框图。
[0023] 图8是图3的参照LED和传感器LED的占空比曲线图，其示出了时分复用操作方 法。表示占空比的脉冲宽度没有按照比例绘制；在一个占空因子为33%的可能的实施方式 中：在1/3的时间中参照LED被照亮，在1/3的时间中传感器LED被照亮，以及在1/3的时 间中两个LED都没有被照亮为使能进行"暗"测量。
[0024] 图9是在瓶子内具有不同浓度的C02的情况下作为入射辐射的函数的图3的比色 传感器频谱特性的曲线图。
[0025] 图10是在被传感器LED (红色的线）以及蓝色频谱的参照LED (蓝色的线）照亮 的情况下作为瓶子内的C02浓度的函数的图3的光电检测器信号的曲线图。
[0026] 图11是在被传感器LED (红色的线）以及蓝色频谱的参照LED (蓝色的线）照亮 的情况下作为偏离初始位置的瓶子位移函数的图3的光电检测器信号的曲线图。
[0027] 图12是在瓶子内具有细菌生长的正常情况下作为时间函数的图3的光电检测器 信号的曲线图。
[0028] 详细描述
[0029] 本发明涉及次级LED作为补偿光学系统的非乳化液传感器（LES)变化的光源的使 用。图3中示出了所述光学构造的框图。该构造用于测试在瓶子1内包含了比色LES(传 感器）2的瓶子1。
[0030] 该构造包括传感器LED4、参照LED10以及产生强度信号的光电检测器5。如图3中 所示的，LED4和10都相对瓶子的底表面成45度的角度。通过选择性地并且交替地激活传 感器LED和参照LED的控制电路（42,图7)的方式，相继地测量了瓶子底部和LES2的发射 率。例如，接通了传感或者红色的LED4并且由光电检测器5测量了反射信号。接着熄灭传 感LED4。然后点亮参照LED10并且同一个光电检测器5测量反射光。接着熄灭参照LED10， 并且重复上述过程。该方法也被称为时分复用方案，其在图8中示出并且将在下文中更详 细地描述。
[0031] 如上文所述，LED4和10都以相对瓶子底部的45度角为方向。这使得来自瓶子的 底表面的反射没有强耦合到光电检测器5中。入射角=反射角，因此投射到瓶子底部的光 将沿45度角方向出来并且将不会强烈地影响光电检测器的读数（由于来自LES的散射光 只是福利）。LED具有15-17度的空间发射角；S卩，LED在由峰值发射和在最大功率一半处 的全宽角度定义的圆锥体中发射光；所述圆锥体的角度在15-24度的范围内。
[0032] 针对各种LED颜色执行了测试，并且发现，用于近红外的LED (峰值波长在750-950 纳米的范围中）的光电检测器的信号会最低限度地被LES的颜色变化所影响。随着C02水 平从0%变化到100%，所有其他波长的光都具有负的或者正的反射率变化。如表1中所示 的，该效应在波长超过约750纳米（近红外的LED)处减小了。
[0033]
【权利要求】
1. 一种检测装置，所述检测装置用于包含比色传感器的血培养瓶，由于所述血培养瓶 内的样品培养基的pH或者C0 2中的变化，所述比色传感器遭受颜色变化，所述检测装置包 括： 传感器LED，其照亮所述比色传感器； 参照LED，其照亮所述比色传感器； 控制电路，其用于选择性地并且交替地激活所述传感器LED和所述参照LED ;以及 光电检测器，在使用所述传感器LED和所述参照LED选择性地并且交替地照亮所述比 色传感器期间，所述光电检测器测量来自所述比色传感器的反射率并且产生强度信号； 其中，所述参照LED被选择为具有照明峰值波长，使得因所述参照LED的照亮而导致的 所述光电检测器的强度信号基本上不被所述比色传感器的颜色变化所影响，以及 其中所述参照LED的照明峰值波长低于约490纳米。
2. 如权利要求1所述的检测装置，其中所述参照LED具有介于约328纳米与470纳米 之间的照明峰值波长。
3. 如权利要求1所述的检测装置，其中所述参照LED具有介于约450纳米与470纳米 之间的照明峰值波长。
4. 如权利要求1所述的检测装置，还包含接收所述强度信号的计算机，所述计算机包 括存储器，所述存储器存储作为所述血培养瓶偏离与所述检测装置相关的初始位置的距离 的函数的所述参照LED的强度信号之间的校准关系。
5. 如权利要求4所述的检测装置，其中所述存储器还存储作为所述血培养瓶偏离所述 初始位置的距离的函数的所述传感器LED的强度信号之间的校准关系，并且其中所述计算 机依据关于所述传感器LED的校准关系与所述参照LED的校准关系来补偿来自所述传感器 LED的强度信号中的下降，所述强度信号的下降是由于远离所述初始位置一段距离放置了 所述血培养瓶而导致的。
6. -种用于检测被包含在血培养瓶中的比色传感器的方法，由于所述血培养瓶内的样 品培养基的pH或者C0 2中的变化，所述比色传感器遭受颜色变化，所述方法包含以下步骤： 使用传感器LED和参照LED交替地并且反复地照亮所述比色传感器； 使用光电检测器测量来自所述比色传感器的反射率，所述反射率是由被所述传感器 LED和所述参照LED照亮所述比色传感器引起的，并且所述光电检测器响应性地产生强度 信号； 其中，所述参照LED被选择为具有照明峰值波长，使得因被所述参照LED照亮而导致的 所述光电检测器的强度信号基本上不被所述比色传感器的颜色变化所影响，并且其中所述 参照LED的照明峰值波长低于约490纳米。
7. 如权利要求6所述的方法，其中所述参照LED具有介于约328纳米与470纳米之间 的照明峰值波长。
8. 如权利要求6所述的方法，其中所述参照LED具有介于约450纳米与470纳米之间 的照明峰值波长。
9. 如权利要求6所述的方法，其还包含在计算机存储器中存储作为所述血培养瓶偏离 与所述传感器LED、所述参照LED以及所述光电检测器有关的初始位置的距离的函数的所 述参照LED的强度信号之间的校准关系的步骤。
10. 如权利要求6所述的方法，其还包含在计算机存储器中存储作为所述血培养瓶偏 离与所述传感器LED、所述参照LED以及所述光电检测器有关的初始位置的距离的函数的 所述传感器LED的强度信号之间的校准关系的步骤。
11. 如权利要求10所述的方法，还包含依据关于所述传感器LED的校准关系与所述参 照LED的校准关系来补偿来自所述传感器LED的强度信号中的下降的步骤，其中所述强度 信号的下降是由于远离所述初始位置一段距离放置了所述血培养瓶而导致的。
12. 如权利要求11所述的方法，其中所述补偿步骤包含以下步骤：使用关于所述参照 LED的校准关系来确定所述血培养瓶的位移值，并且使用关于所述传感器LED的校准关系 通过所述位移值来调节来自所述光电检测器的强度信号，以校正所述血培养瓶的位移。
【文档编号】G01N33/48GK104053991SQ201280067584
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2012年1月18日 优先权日:2012年1月18日
【发明者】布拉德福德·G·克莱 申请人:生物梅里埃有限公司