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1、(10)申请公布号 CN 103392006 A (43)申请公布日 2013.11.13 CN 103392006 A *CN103392006A* (21)申请号 201180035365.2 (22)申请日 2011.07.19 61/400,001 2010.07.20 US C12Q 1/04(2006.01) C12M 1/34(2006.01) (71)申请人 生物梅里埃有限公司 地址 美国北卡罗来纳州 (72)发明人 布拉德福德G克莱 (74)专利代理机构 北京安信方达知识产权代理 有限公司 11262 代理人 周靖 郑霞 (54) 发明名称 具有比色传感器的血液培养瓶的探测器。
2、装置 (57) 摘要 公开了一种血液培养瓶的探测装置， 血液培 养瓶包含比色传感器， 比色传感器经受由于血液 培养瓶内的样本媒介的 pH 或 CO2的变化而引起的 颜色变化。探测装置包括照明所述比色传感器的 传感器 LED、 照明所述比色传感器的参考 LED、 用 于选择性和交替地启动传感器 LED 和参考 LED 的 控制电路、 以及光电探测器。 光电探测器测量在使 用传感器 LED 和参考 LED 选择性和交替地照明比 色传感器期间来自比色传感器的反射度， 并产生 强度信号。 参考LED被选择成具有照明峰值波长， 使得来自于参考 LED 照明的光电探测器的强度信 号被比色传感器的颜色变化影。
3、响。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2013.01.18 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2011/044454 2011.07.19 (87)PCT申请的公布数据 WO2012/012377 EN 2012.01.26 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103392006 A CN 103392006 A *CN103392006A* 1/2 页 2 1. 一种血液培养瓶的探测装置， 所述血液培养。
4、瓶包含比色传感器， 所述比色传感器经 受由于所述血液培养瓶内的样本媒介的 pH 或 CO2的变化而引起的颜色变化， 所述探测装置 包括 ： 传感器 LED， 其照明所述比色传感器 ； 参考 LED， 其照明所述比色传感器 ； 控制电路， 其用于选择性和交替地启动所述传感器 LED 和所述参考 LED ； 以及 光电探测器， 所述光电探测器测量在使用所述传感器 LED 和所述参考 LED 选择性和交 替地照明所述比色传感器期间来自所述比色传感器的反射度并产生强度信号 ； 其中所述参考 LED 被选择成具有照明峰值波长， 使得来自于所述参考 LED 照明的所述 光电探测器的所述强度信号实质上不被所。
5、述比色传感器的颜色变化影响。 2. 如权利要求 1 所述的探测装置， 其中所述参考 LED 具有在 750 和 900nm 之间的照明 峰值波长。 3.如权利要求1或2所述的探测装置， 还包括接收所述强度信号的计算机， 所述计算机 包括存储器， 该存储器存储随所述瓶离相对于所述探测装置的原始位置的距离而变化的所 述参考 LED 的强度信号之间的校准关系。 4. 如权利要求 4 所述的探测装置， 其中所述存储器还存储随所述瓶离所述原始位置的 距离而变化的所述传感器 LED 的强度信号之间的校准关系， 且其中所述计算机根据所述传 感器LED和所述参考LED的校准关系来补偿由于所述瓶位于远离所述原始。
6、位置一段距离处 而引起的来自所述传感器 LED 的强度信号的下降。 5. 一种用于探测包含在血液培养瓶中的比色传感器的方法， 所述比色传感器经受由于 所述血液培养瓶内的样本媒介的pH或CO2的变化而引起的颜色变化， 所述方法包括下列步 骤 ： 使用传感器 LED 和参考 LED 交替和重复地照明所述比色传感器 ； 使用光电探测器测量由于通过所述传感器LED和所述参考LED照明所述比色传感器而 引起的来自所述比色传感器的反射度， 所述光电探测器响应地产生强度信号 ； 其中所述参考 LED 被选择成具有照明峰值波长， 使得来自于所述参考 LED 照明的所述 光电探测器的所述强度信号实质上不被所述比。
7、色传感器的颜色变化影响。 6. 如权利要求 5 所述的方法， 其中所述参考 LED 具有在 750 和 900nm 之间的照明峰值 波长。 7. 如权利要求 5 或 6 所述的方法， 还包括以下步骤 ： 将随所述瓶离相对于所述传感器 LED、 所述参考LED和所述光电探测器的原始位置的距离而变化的所述参考LED的强度信号 之间的校准关系存储在计算机存储器中。 8. 如权利要求 5、 6 或 7 所述的方法， 还包括以下步骤 ： 将随所述瓶离相对于所述传感 器LED、 所述参考LED和所述光电探测器的原始位置的距离而变化的所述传感器LED的强度 信号之间的校准关系存储在计算机存储器中。 9.如权。
8、利要求8所述的方法， 还包括以下步骤 ： 根据所述传感器LED和所述参考LED的 校准关系， 来补偿由于所述瓶位于远离所述原始位置一段距离处而引起的来自所述传感器 LED 的强度信号的下降。 10. 如权利要求 9 所述的方法， 其中所述补偿步骤包括以下步骤 ： 使用所述参考 LED 的 权 利 要 求 书 CN 103392006 A 2 2/2 页 3 校准关系来确定所述瓶的位移值， 并使用所述传感器 LED 的校准关系来按照所述位移值调 节来自所述光电探测器的所述强度信号从而校正所述瓶的位移。 权 利 要 求 书 CN 103392006 A 3 1/5 页 4 具有比色传感器的血液培养。
9、瓶的探测器装置 0001 相关申请的交叉引用 0002 本申请要求 2010 年 7 月 20 日提交的标题为 “DetectorArrangement for Blood Culture Bottles With Colorimetric Sensors” 的美国临时专利申请号 61/400,001 的利 益。 0003 背景 0004 用于培养血液以得知微生物的存在的瓶和用于以非侵入方式分析这样的瓶 的相关仪器在本领域中是已知的， 并在专利文献中被描述。参见美国专利 5,858,769、 5,795,773、 4,945,060、 5,094,955、 5,164,796、 5,217,8。
10、76 和 5,856,175。上面列出的专利 的瓶和仪器在商标 BacT/ALERT 下由本受让人成功地商业化。 0005 在这些血液培养仪器中描述的瓶利用放置在瓶的底部中并与样本媒介接触的比 色传感器来确定细菌生长的存在 / 不存在。一旦临床 / 工业样本被添加到存在于瓶中的液 体生长媒介且孵育出现， 在微生物的数量增加时二氧化碳的浓度就增加 ； 二氧化碳是细菌 生长的呼吸副产物。可选地， 对与微生物的生长有关的媒介 pH 的改变也可由传感器监控。 BacT/ALERT 传感器和监测电子设备的基本操作在美国专利 4,945,060 中并且也在 Thorpe 等人的文章 “BacT/Alert。
11、:an Automated Colorimetric Microbial Detection System” 中 被描述， 该文章在 Clinical Microbiology 的期刊 （1990 年 7 月 ,pp.1608-12） 中被发表。 060 专利和 Thorpe 等人的文章通过引用并入本文。 0006 在附图的图 1 中示出了 060 专利的基本比色传感系统。红色发光二极管 （LED） （4） 投光于 BacT 瓶 （1） 的底部上。比色传感器 （2） 放置在瓶 （1） 的底部上。LED 光以相对 于瓶 （1） 的底表面的 45 度角射在传感器上。大部分光穿透瓶的结构并射在比色传。
12、感器 （2） 上。部分光将以与瓶的底表面成 45 度角但在与入射光相反的方向 （例如， 反射角等于入射 角） 上从塑料瓶材料和传感器 （2） 反射。很多剩余的光从传感器的表面和内部散射。当分 别地， 在瓶中的 CO2的百分比从 0% 改变到 100% 以及颜色从蓝色改变到黄色时， 传感器 （2） 改变其颜色。硅光电探测器 （5） “凝视” （即， 连续地监控散射强度信号） 传感器 （2） 中的区 域， 其中来自 LED 的光与传感器相互作用。由光电探测器探测的散射光的强度与瓶 （1） 内 的 CO2水平成比例。图 1 还示出包括电流源 （6） 、 电流到电压转换器 （7） 和低通滤波器 （8）。
13、 的相关电子设备。 0007 图 2 是由图 1 的光电探测器 （5） 接收的信号的曲线图。使用光纤探头代替图 1 中 的光电探测器 （5） 来收集数据。光纤探头被按规定路线传送光光谱仪， 其显示随强度 （反射 度单位） 和波长而变化的散射光。每个曲线的形状是在特定 CO2水平处 LED 强度分布与比 色传感器 （2） 的反射率的卷积。 0008 当用光纤探头代替图1的硅光电探测器 （5） 时， 与图2所示的积分波长信号成比例 的光电流由光电探测器产生。换句话说， 硅光电探测器 （5） 将光谱响应积分成光电流。该 光电流转而使用跨阻抗放大器转换成电压信号。 0009 虽然图 1 的 BacT/。
14、ALERT 传感系统是鲁棒性的并在血液培养系统中成功地使用了 很多年， 但它有几个待改进的方面。首先， 如果血液培养瓶 （1） 在小室中移动 （例如， 在 z 轴 说 明 书 CN 103392006 A 4 2/5 页 5 上移位， 使得它从光电探测器的位置移远） ， 系统 （如它当前被实现的） 将这个移动探测为强 度的减小。然而， 强度的这个减小被仪器解释为瓶中的 CO2水平的减小， 其可能实际上不出 现。因为这个效应与当二氧化碳含量增加 （意味着细菌生长） 时瓶的反射率增加的效应相 反， 所以系统将平移的瓶视为没有生长 （即， 假阴性条件） 是有可能的。 0010 同样， 当仪器在临床实。
15、验室中老化时， 光学系统可收集随时间而变化的尘土或光 学材料经历减小的透射率。例如， 当塑料老化时， 它们的透射率可能由于光、 微粒增加 （尘 土） 或清洗剂的重复使用的效应而减小。这些效应将不影响读数， 但将表现为系统的响应中 的漂移。 周期性校准检查可补偿该漂移。 因此， 对在光学系统中有透射的实时监测器和调节 或补偿这些错误源中的一些的能力有长期以来感到的但未被满足的需要， 特别是瓶未完全 安装在容器中且不在标称或原始位置处 （有远离光学探测器装置的某种 Z 轴移位） 的情况。 0011 所关注的其它现有技术包括下面的美国专利 ： 7,193,717、 5,482,842、 5,480,。
16、804、 5,064,282、 5,013,155、 6,096,2726、 6,665,061、 4,248,536 以及 1994 年 11 月 24 日公布的 所公布的 PCT 申请 WO94/26874。 0012 概述 0013 公开了包含比色传感器的血液培养瓶的改进的探测装置。 0014 探测装置包括光电探测器、 传感器 LED 和参考 LED、 以及用于选择性地和交替地启 动传感器 LED 和参考 LED 以照明比色传感器的控制电路。传感器 LED 像图 1 的 LED 一样起 作用， 并用于确定比色传感器的颜色变化。光电探测器通过监测强度变化来监测在被传感 器LED照明时来自传。
17、感器的反射度。 参考LED被选择为其所具有的波长使得来自于参考LED 的照明的光电探测器的强度读数不被比色传感器的颜色变化影响。因此， 参考 LED 可用作 参考， 在由参考 LED 照明期间的光电探测器读数不被瓶内的 CO2浓度的变化影响。已发现， 在近红外中的波长 （在 750 和 950nm 之间的 LED 的峰值 ） 适合于参考 LED。 0015 参考 LED 对指示瓶和探测器子组件之间的距离是否改变、 周围光照条件是否改 变、 或在传感器 LED、 瓶和光电探测器之间的物理光路内的任何事物是否改变是有用的。因 为参考 LED 中的变化不取决于比色传感器的状态， 参考 LED 可提供。
18、关于光学系统中的与微 生物生长无关的变化的信息， 使得来自系统的这样的非生长相关的变化可与生长相关的变 化区别开。这个特征帮助减小系统中的假阳性率， 并提高感测准确度和可靠性。 0016 在使用中， 传感器 LED 和参考 LED 例如以时分复用方式交替和重复地照明。来自 这样的连续照明的光电探测器信号被馈送到计算机。当参考 LED 照明时， 计算机监测光电 探测器信号中的变化 ； 这些变化将指示瓶位置或光学系统中的变化。例如由于探测系统中 的瓶位置从原始或标称位置偏移， 计算机可根据传感器 LED 和参考 LED 信号之间的所得到 的校准关系来补偿传感器 LED 信号。 0017 附图的简要。
19、说明 0018 图1是如在美国专利4,945,060中描述的血液收集瓶的已知传感器和探测器装置 的图示。 0019 图 2 是作为波长和 CO2浓度的函数的代替图 1 的光电传感器的光谱仪上的比色传 感器的反射度的曲线图。 0020 图 3 是根据本公开的血液收集瓶的传感器和探测器装置。 0021 图4是在存在于瓶内的0-100%CO2范围内对于比色传感器的传感器LED和参考LED 说 明 书 CN 103392006 A 5 3/5 页 6 照明的来自图 3 的光电探测器的强度信号的曲线图。 0022 图 5 是随从标称或原始位置的瓶位移而变化的传感器 LED 和参考 LED 的光电探测 器。
20、强度信号的曲线， 其中瓶在接近图 3 的探测系统的其设计位置上。 0023 图 6 是在瓶内的微生物生长的条件期间随时间变化的传感器 LED 和参考 LED 的光 电探测器强度信号的曲线图。 0024 图 7 是操作图 3 的传感器装置的电子设备的方框图。 0025 图 8 是图 3 的参考和传感器 LED 的占空比的曲线， 其示出操作的时分复用方法。 代表占空比的脉冲的宽度并不按比例绘制 ； 在一个可能的实施方式中， 占空因数是 33% ： 在 1/3 的时间参考 LED 照明， 在 1/3 的时间传感器 LED 照明， 以及在 1/3 的时间这两个 LED 都 不照明以使 “暗” 测量能够。
21、进行。 0026 详细描述 0027 本发明涉及次级 LED 作为光源使用来补偿对光学系统的非乳状液传感器 （LES） 变 化。图 3 示出了光学配置的方框图。该配置用于测试具有包含在瓶 1 内的比色 LES2 的瓶 1。该配置包括传感器 LED4、 IR 参考 LED10 和产生强度信号的光电探测器 5。这两个 LED4 和 10 都如图 3 所示相对于瓶的底表面成 45 度角。借助于选择性地和交替地启动传感器 LED 和参考 LED 的控制电路 （图 7 的 42） 来连续地测量瓶底和 LES2 的反射率。例如， 传感或 红色 LED4 被开启， 且反射信号由光电探测器 5 测量。传感 L。
22、ED4 接着熄灭。参考 LED10 接 着照明， 且同一光电探测器 5 测量反射光。然后它熄灭， 且该过程重复。该方法也称为时分 复用方案， 其在图 8 中示出并将在下面被更详细地描述。 0028 如上所述， LED4 和 10 被定向成相对于瓶的底部成 45 度角。这使得从瓶的底表面 的反射并不很强地耦合到光电探测器 5 中。入射角 = 反射角， 使得射到瓶底部的光将以 45 度角离开， 且将不强烈地影响光电探测器读数 （因为来自 LES 的散射光是唯一所关注的） 。 LED 具有 15-17 度的空间发射角 ； 即， LED 发射由在半最大功率处的峰值发射和全幅角定义 的圆锥体中的光 ； 。
23、圆锥体的角在 15-24 度的范围内。 0029 对各种 LED 颜色执行测试， 且发现近红外 LED（从 750 到 950nm 的峰值波长） 反射 率被 LES 颜色变化轻微地影响。当 CO2水平从 0% 改变到 100% 时， 光的所有其它波长具有反 射率的负或正变化。这个效应在超出大约 750nm（近红外 LED） 的波长处最小化， 如表 1 中 所示的。 0030 说 明 书 CN 103392006 A 6 4/5 页 7 0031 表 1- 使用用于感测 （红色） LED 和参考 （IR） LED 的 CO2锥形瓶的光电探测器输出 （伏特） 0032 图4示出表1的图形等效形式。。
24、 参考传感器的光电探测器读数被绘制为线20， 而传 感器LED的光电探测器读数被绘制为线22。 当瓶中的二氧化碳水平从0%CO2增加到100%CO2 时， 在曲线上看到红色 LED 信号 22 中的极大增加 （它从大约 0.6 伏特改变到几乎 2 伏特） 。 同时， 参考 LED 信号 20 从 2.32 伏特改变到 2.29 伏特 （30mV 的变化） ， 所以它在 LES 改变颜 色的过程中非常稳定。 0033 为了研究随瓶相对于光学系统的位置而变化的光信号中的变化， 由附接到 BacT/ ALERT 瓶的数字测微计组成的校准 / 测试固定装置被构造。瓶首先放置在 BacT/ALERT 搁。
25、 架组件中的标称 （原始） 位置上， 使得它尽可能接近光学系统。反射度的读数被获取， 接着瓶 通过调节测微计被移位。测微计提供对 z 轴移位的精确的小调节 （即， 它将瓶移动得距光学 系统更远） ， 使得移位的效应可被量化。随位移而变化的光信号中的标准化变化在图 5 中示 意性示出， 再次， 参考 LED 的照明的光电探测器信号被绘制为线 20， 而传感器 LED 的光电探 测器信号被绘制为线22。 看到移位引起光电探测器所接收的信号中的线性位移。 虽然传感 器 LED 信号 22 和参考 LED 信号 20 具有不同的变化斜率， 但其每个都是线性的， 所以例如由 于瓶从原始或标称位置的移位，。
26、 可产生一种关系用于根据参考 LED 探测器输出中的变化来 补偿信号 LED 中的变化。对图 5 中的曲线计算方程 ； 下面在表 2 中列出方程连同拟合参数 （R2） 的品质因数。 0034 表 2 0035 探测器 _ 输出 （信号） =0.2652-0.2554x R2=0.9963 0036 探测器 _ 输出 （参考） =0.5621-0.2384x R2=0.9999 0037 其中 x= 线性移位距离 （以英寸为单位） 0038 因此， 通过映射参考 LED 的输出的强度的变化， 移位值可被确定。将该值应用于信 号 LED 的输出， 强度减小的量可被量化和补偿。 0039 通过将酿酒。
27、酵母的接种体注入到血液培养瓶中并当酵母在瓶中生长时使用传感 器 LED 和参考 LED 光学器件监控比色传感器， 来执行图 3 的探测器装置的能力的进一步测 试。图 6 示出酵母生长的生长曲线滞后、 指数和静止生长阶段被示出。在生长 （以及 LES 传感器的响应中的变化） 期间， 看到参考 LED 信号 20 未改变， 而传感器 LED 信号 22 由 于作为微生物生长的结果的CO2浓度的变化而改变。 曲线20的平坦性验证了在参考LED的 照明期间光电探测器读数对 LES 颜色变化的不敏感性。它进一步验证了监测光学系统中的 变化同时不被细菌生长影响的能力。 0040 图7是图3的实施方式的电子。
28、设备30的方框图。 电子设备30包括由传感器LED4、 参考 LED10 和光电探测器 5 组成的 “光学套件” 32。光电探测器的输出在 A/D 转换器 34 中 转换成数字信号， 并被馈送到数据采集系统 36。数据采集系统将信号发送到包括控制电路 和 LED 驱动器的 LED 控制板 42， LED 驱动器通过导体 44 和 46 发送信号以使 LED4 和 10 以 时分复用方式照明。 来自数据采集系统的光电探测器信号被发送到计算机38， 计算机38可 以是包含图 3 和 7 的光学套件 32 的仪器的部分 （附带的电子设备例如滤波器和电流到电压 转换器在附图中被省略， 但可存在于电子设。
29、备中） 。 0041 存储器 40 存储校准常数和从例如图 5 曲线得到的和上面在表 2 中解释的在参考 说 明 书 CN 103392006 A 7 5/5 页 8 和信号 LED 输出之间的关系。例如， 存储器 40 存储随瓶离原始位置的距离而变化的传感器 LED 的强度信号之间的校准关系 （图 5 中的曲线 22） ； 计算机 38 根据传感器 LED 和参考 LED 的校准关系来补偿由于瓶位于远离原始位置的一段距离处而引起的来自传感器 LED 的强 度信号的下降。 0042 图 8 是图 3 的参考 LED10 和传感器 LED4 的占空比的曲线， 其示出操作的时分复用 方法。传感器 。
30、LED 的开启和关闭状态在线 50 上示出 ； 参考 LED 的开启和关闭状态在线 42 中示出。表示占空比的脉冲的宽度不一定按比例绘制， 且可改变。在一个可能的实施方式 中， 占空因数是33% ： 在1/3的时3参考LED照明， 在1/3的时间传感器LED照明， 以及在1/3 的时间 3 这两个 LED 都不照明以使 “暗” 测量能够进行。 0043 使用图 3 的装置， 补偿光学系统中的尘土、 漂移、 变化、 以及在光束路径中的光学 材料的老化也是可能的。因为这些出现在延长的时间 （被预期是在数月的持续时间中） 内， 它们将非常缓慢地改变。补偿通过保存来自初始校准的数据点 （例如， 从图 。
31、5 得到） 来实现， 并比较 IR LED10 的发射水平的光电探测器信号与初始值， 以补偿光学系统中的恶化机制。 这个变化也适用于传感器 LED4。对于较短时间段漂移事件， 监测在细菌的生长周期内应非 常稳定的 IR LED10 中的变化 ； 例如使用所存储的校准关系， IR LED 性能中的任何变化相应 地引起传感器 LED 光电探测器读数中的调节。 0044 所附权利要求是所公开的发明的进一步陈述。 说 明 书 CN 103392006 A 8 1/5 页 9 图 1 现有技术 图 2 说 明 书 附 图 CN 103392006 A 9 2/5 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103392006 A 10 3/5 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103392006 A 11 4/5 页 12 图 6 说 明 书 附 图 CN 103392006 A 12 5/5 页 13 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 103392006 A 13 。