DE2611519A1

DE2611519A1 - Vorrichtung zur behandlung einer teilchenpopulation in einer stroemung

Info

Publication number: DE2611519A1
Application number: DE19762611519
Authority: DE
Inventors: Raul Curbelo
Original assignee: Block Engineering Inc
Current assignee: Block Engineering Inc
Priority date: 1975-03-18
Filing date: 1976-03-18
Publication date: 1976-09-30
Also published as: US3976862A; JPS51117694A; NL7602856A; AU1194276A; FR2304914A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. C u rt Wal lach Dipl.-Ing. öünther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: i8. März 1976

Unser Zeichen: ^ 450, _ Fk/Ne

Block Engineering, Inc. Cambridge, Massachusetts / USA

Vorrichtung zur Behandlung einer Teilchenpopulation in einer

Strömung

Die Erfindung bezieht sich auf die Behandlung großer Teilchenpopulationen in einer Strömung und insbesondere auf die Behandlung von Gruppen oder Klassen von histologischen Proben.

Häufig ist es erwünscht, irgendeine Behandlung, wie z.B. die Durchführung einer Messung oder ähnlichem, an lediglich einer Klasse von Teilchen in einer großen Teilchenpopulation durchzuführen. Beispielsweise stellen, wenn eine differentielle Zählung weißer Zellen in Blut durchgeführt werden soll, die weißen Zellen eine sehr kleine Klasse im Vergleich zu der gesamten Blutzellenpopulation dar. Typischerweise liegt das Verhältnis von roten zu weißen Zellen bei ungefähr 1000 oder mehr zu 1. Wenn alle Zellen in einer Flüssigkeit in einer Strömung suspendiert sind, so daß alle Zellen der Population aufeinanderfolgend an einer Meß- oder Untersuchungsstation vorbeigeführt werden können, ist eine außerordentlich lange Zeit erforderlich, um eine statistisch gültige Probe der weißen Zellen zu gewinnen und große Mühe wird bei der Unterscheidung der unerwünschten roten Blutzellen von den weißen Zellen verschwendet.

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Bisher wurde typischerweise eine Anzahl von Trenntechniken angewendet, um Blut vorzubehandeln, so daß die Gruppe von weißen Zellen zunächst von den roten Blutzellen getrennt wurde. Beispielsweise können die roten Zellen durch Hämolyse beseitigt werden, die jedoch unglücklicherweise außerdem eine Anzahl der empfindlichen weißen Blutzellen beschädigen oder zerstören kann. Histologische Proben werden manchmal durch Zentrifugation vorsortiert, doch ist diese Technik nicht tatsächlich selektiv und sie kann die Zellen äußerst stark beschädigen, so daß hiermit für viele Zwecke keine geeigneten Proben bereitet werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Vorbehandlung von Teilchenpopulationen in einer Strömung derart zu schaffen, daß eine Information bezüglich ausgewählter Teilpopulationen oder Klassen ohne weiteres in einer vergleichsweise kurzen Zeitperiode gewonnen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Torsteuersystem verwendet, daß einen einfachen Satz von Unterscheidungscharakteristika verwendet, so daß die Teilchen durch die Strömung mit extrem hoher Geschwindigkeit bewegt werden können und daß nur für eine oder mehrere ausgewählte Gruppen von Teilchen bedeutsame Daten vollständig behandelt und verarbeitet werden müssen.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber bekannten Vorrichtungen dar, bei denen Einrichtungen, wie z.B. ein Kapillarrohr vorgesehen sind, um eine Teilchenpopulation, wie z.B. Blutzellenjauf eine Strömung zu beschränken, in der sioh die Zellen nacheinander, d.h. in einer einzigen Reihe be-

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wegen, wobei eine oder mehrere Detektoreinrichtungen aufeinanderfolgend entlang der Strömungsrichtung angeordnet sind. Eine Anzahl von Signalquellen sind in gleicher Weise entlang der Strömungsrichtung angeordnet und zwar jeweils gegenüberliegend zu einem entsprechenden Detektor. So kann z.B. eine einzige Blutzelle aufeinanderfolgend an den verschiedenen Detektoren vorbeigeführt werden und moduliert das Signal von jeder Quelle. Wie es in d.er Technik gut bekannt ist, können die verschiedenen Signalquellen jeweils typischerweise eine unterschiedliche Art von Signalen liefern, von denen eines oder mehrere durch eine spezielle Zelle in einer Weise moduliert werden, die für diese Art von Ze.lle charakteristisch ist. Die von den verschiedenen Ausgangssignalen an den Detektoren gelieferten Daten können dann kombiniert werden, um eine beschreibende Charakteristik dieser Art von Zelle zu liefern. Beispielsweise kann angenommen werden, daß einer der Detektoren Licht von einer entsprechenden Signalquelle sieht, das unter einem bestimmten Winkel gestreut ist, während ein zweiter Detektor lediglich auf Licht mit einer speziellen Wellenlänge anspricht, das von einer Zelle übertragen wird. Ein dritter Detektor kann beispielsweise lediglich auf Licht mit einer bestimmten Wellenlänge ansprechen, das von der Zelle reflektiert wird und so weiter. Es ist bekannt, daß eine Kombination einer Anzahl von Zelleneigenschaften, beispielsweise Absorption, Reflexion, Streuung, Impulsbreite, Kapazität usw. einen Satz von Parametern ergibt, der genau jede Art von Zelle identifizieren kann. Wenn jedoch eine spezielle Gruppe gemessen werden soll, die einen sehr kleinen Teil einer großen Population bildet, wird eine sehr große Zeit und sehr viele Mühe verschwendet, wenn jede Zelle genau durch alle Detektoren auf jeden Parameter untersucht werden muß und alle resultierenden Daten für alle Zellen gespeichert und verarbeitet werden müssen. Typischerweise wird eine derartige Speicherung und Verarbeitung in digitaler Form in einem Allzweckrechner durchgeführt, was voraussetzt, daß die Signale von den einzelnen Detektoren mit Hilfe üblicher bekannter Analog-/Digitalkonverter in Digitalformat umgewandelt werden.

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Eei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im wesentlichen Signale von den Detektoren so vorverarbeitet, daß lediglich Signale von einer gewünschten Gruppe von Zellen in Digitalformat zur Weiterverarbeitung umgewandelt werden, während die übrigen Zellen (üblicherweise eine sehr große Mehrzahl) entweder einfach gezählt oder vernachlässigt werden, so daß die Speicher- und Recheneingenschaften eines zugehörigen Rechners beträchtlich vergrößert werden, wobei gleichzeitig die Speicherplatzmenge und/oder die Berechnungszeit beträchtlich verringert wird, die erforderlich ist, um lediglich die Informationen auszusortieren, die sich auf die ausgewählte Klasse oder Gruppe von Teilchen in der Gesamtpopulation bezieht.

Es ist weiterhin verständlich, daß unabhängig von der vorstehend beschriebenen Vorbehandlung die Gesamtdauer der Zeit, die erforderlich ist, um Informationen bezüglich der ausgewählten Klasse von Teilchen zu gewinnen, zusätzlich durch den Meß- und Detektionsvorgang selbst bestimmt ist, d.h. die Zeit, die erforderlich ist, um jedes Signal von jedem Detektor zu gewinnen und um es mit den verschiedenen Signalen so zeitlich zu korrelieren, daß diese Signale eindeutig der gleichen Zelle zugeordnet v/erden können. Beispielsweise können die Ausgänge der verschiedenen Detektoren mit Hilfe bekannter Abtastproben-Techniken korreliert werden, bei denen die Signale von den Detektoren zeitlich torgesteuert werden, d.h. die verschiedenen Detektoren werden jeweils aufeinanderfolgend für vorgegebene Zeitperioden eingeschaltet und abgeschaltet (d.h. Zeit-"Penster" werden geschaffen). In diesem Fall werden lediglich die Signale, die während der Periode der ausgewählten Zeitfenster auftreten, als wesentlich und bedeutsam betrachtet. Selbstverständlich 1st das Intervall zwischen den Zeitfenstern durch die Abstände zwischen den Detektoren (üblicherweise feste Werte) entlang der Strömungsrichtung und durch die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Weil die Strömungsgeschwindigkeit Störungen unterworfen ist, müssen die Zeitfenster breit genug sein, damit sie sich bei der Korrelation immer noch überlappen und zwar

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unabhängig von Strömungsgeschwindigkeitsänderungen innerhalb eines vorgegebenen Bereiches. Selbstverständlich muß der Abstand zwischen Teilchen oder Zellen umso größer sein, je breiter die Zeitfenster sind und umso langsamer muß die Teilchengeschwinä igkeit sein, um das Auftreten mehrfacher Signale während eines Zeitfensters zu verhindern.

Erfindungsgemäß wird die Verwendung von Zeitfenstern von wesentlich kleinerer Breite auf Grund einer Einrichtung zur Erzielung einer genauen Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht, wodurch der Bereich der zu erwartenden Störungen der Strömungsgeschwindigkeit verringert wird.

Diese Steuereinrichtung umfaßt allgemein Signalverzögerungseinrichtungen, deren Verzögerungsperiode entsprechend einem Zeitsteuersignal veränderlich ist. Der Eingang der Verzögerungseinrichtungen ist mit dem Ausgang des ersten oder strömungsaufwärts gelegenen Detektors in der Folge von Detektoren verbunden, während der Ausgang der Verzögerungseinrichtung mit einem Eingang eines Phasendetektors oder -vergleichers verbunden ist. Der Ausgang des letzten oder strömungsabwärts gelegenen Detektors in der Folge von Detektoren ist mit einem weiteren Eingang des Phasendetektors verbunden. Der Phasendetektor soll in der üblichen Weise ein Ausgangssteuersignal liefern, das proportional zur Phasendifferenz zwischen seinen beiden Eingängen ist, die vorzugsweise geformt und auf andere Weise verarbeitet wurden, damit sie phasenvergleichbare Signale sind« Es sind Einrichtungen vorgesehen, die das erforderliche Zeitsteuersignal entsprechend dem Steuersignal am Ausgang des Phasendetektors erzeugen. Das Zeitsteuersignal wird natürlich angewandt, um die Verzögerungsperiode der Verzögerungseinrichtungen zu steuern. Es 1st zu erkennen, daß die vorstehend beschriebene Einrichtung in gewisser Weise einem phasenstarren System ähnlich ist, daß jedoch im vorliegenden Fall das Steueroder Fehlersignal, das von dem Phasendetektor erzeugt wird, zur Steuerung einer Verzögerungsperiode verwendet wird. Wenn

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die anfänglich an den Verzögerungseinrichtungen eingestellte Verzögerungsperiode angenähert gleich der Laufzeit eines Teilchens, einer Zelle oder eines anderen Gegenstandes entlang der Strömungsrichtung vom ersten zum letzten Detektor in der Folge von Detektoren ist,so ändert sich das von dem beschriebenen System erzeugte Zeitsteuersignal genau entsprechend von Änderungen in der Strömungsgeschwindigkeit und zwar mit einem Tastverhältnis, das ungefähr gleich der Verzögerungsperiode ist. Dieses Zeitsteuersignal wird vorzugsweise zur zeitlichen Steuerung der Korrelation einer ausgewählten Anzahl von verschiedenen Detektorsignalen miteinander verwendet und es wird selbstverständlich weiterhin als Steuersignal zur Steuerung der Pumpgeschwindigkeit verwendet, mit der die Zellen durch die Detektorfolge hindurchgeleitet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In der Zeichnung sind Einrichtungen in Form einer Glaskapillare 20 zur Umgrenzung einer Strömung gezeigt, wodurch Teilchen einer bestimmten Teilchenpopulation auf eine aufeinanderfolgende einzelne Strömung beschränkt sind. Beispielsweise kann der Innendurchmesser der Kapillare in bekannter Weise auf einen Wert begrenzt werden, daß eine Population von Zellen, wie,z.B. Blutzellen, die in einem flüssigen Medium suspensiert sind, lediglich in einer einzigen Reihe nacheinander hindurchströmen können. Selbstverständlich ist eine Blutprobe üblicherweise, wie es für den Faohmann gut bekannt ist, verdünnt, typischerweise mit einer physiologischen Kochsalzlösung, so daß die Konzentration in Ausdrücken der Anzahl von Blutzellen pro Milliliter niedrig genug ist, um sicherzustellen, daß die Zellen beim Hindurchlaufen durch die Kapillare im Mittel ausreichend weit getrennt sind. Eine Anzahl von Geräten, die Strömungen von Zellen in einer einzigen Reihe verwenden, sind bekannt und ein Beispiel hierfür ist in der US-Patentschrift 5 699 336 sowie in vielen anderen Patenten beschrieben. In

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einer Folge entlang der Kapillare 20 ist eine Anzahl von Signalquellen 22a, 22b, 22o, 22d und 22e angeordnet, wobei lediglich fünf Signalquellen zu Erläuterungszwecken gezeigt sind. Die Signalquellen 22a sowie die anderen Quellen können Quellen für sichtbares Licht, das beispielsweise durch geeignete Filterung auf spezielle Wellenlängenbereiche begrenzt ist, Ultraviolett-Lichtquellen oder Infrarot-Lichtquellen, Quellen für Felder, wie z.B. statische elektrische Felder und magnetische Felder und ähnliches äein. Auf der anderen Seite der Kapillare 20 ist eine Anzahl von Detektoren in einer Folge angeordnet, wobei der erste Detektor 24 am strömungsaufwärts gelegenen Ende der Kapillare 20 angeordnet ist und derart bezüglich der Quelle 22a angeordnet ist, daß das Hindurchlaufen eines interessierenden Teilchens wie z.B. einer Zelle durch die Kapillare 20 zwischen der Quelle 22a und dem Detektor 24 das Signal von der Quelle 22a moduliert. Wenn das modulierte Signal von dem Detektor 24 erfaßt wird, erzeugt dieser ein entsprechendes Signal» Beispielsweise sei angenommen, daß die Quelle 22a eine Lichtquelle für Licht in einem bestimmten begrenzten Wellenlängenbereich ist und daß der Detektor 24 auf Licht in diesem Wellenlängenbereich anspricht. Wenn zw3s3hen der Quelle 22a und dem Detektor 24 eine Zelle hindurchläuft,-die so eingefärbt ist, daß zumindest ein Teil des Lichtes von der Quelle 22a absorbiert wird, so erzeugt der Detektor 24 ein elektrisches Ausgangssignal in Form eines Impulses, dessen Breite angenähert gleich der Laufzeit der Zelle an dem Detektor vorbei ist. In gleicher Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem zweiten Detektor 26 versehen, der die Modulation des von der Quelle 22b gelieferten Signals feststellen soll, während ein dritter Detektor 28 so angeordnet und ausgebildet ist, daß er eine Modulation des Signals von der Quelle 22c feststellt. Wie es erwähnt wurde, weist die Vorrichtung weiterhin einen N-ten oder letzten Detektor ~yd auf, der strömungsabwärts gegenüberliegend zur Quelle 22e angeordnet ist, um modulierte Signale von dieser Quelle zu empfangen und es ist ein N-1-Detektor 32 vorgesehen, der gegenüber der Quölle 22d so angeordnet ist, daß er modulierte Signale von dieser Quelle empfängt. Es ist für den Fachmann er-

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kennbar, daß eine getrennte Quelle in manchen Fällen nicht erforderlich ist, wenn die Zelle oder das Teilchen in der Strömung in der Kapillare 20 selbst als Quelle dient, beispielsweise wenn die Zelle oder das Teilchen radioaktiv oder ähnliches ist. Das soweit beschriebene System mit einer Kapillare, einer Anzahl oder Folge von Signalquellen und einer ähnlichen Folge von entsprechenden Detektoren ist-bekannt.

Srfindungsgemäß wird ein Servosystem geschaffen, das die Ausbildung von optimal kleinen Abtastintervallen für jedes der voncfen Detektoren erzeugten Signale ermöglicht, das die Strömungsgeschwindigkeit der Strömung in der Kapillare 20 steuert und schließlich eine kontinuierliche automatische Korrelation aller der verschiedenen Detektorsignale ermöglicht. Zu diesem Zweck ist der Ausgang des ersten Detektors 24 mit dem Eingang einer Filterschaltung 34 verbunden. Die Filterschaltung kann weiterhin irgendeine einer Anzahl von bekannten Schaltungen einschließen, die einen Ausgangsimpuls derart formen, daß er eine zum Eingangsimpuls von dem Detektor 24 proportionale Breite aufweist, jedoch typischerweise mit einer Schwingungshüllkurve von fester Form, wie z.B. einer Dreieckschwingung, einer Rechteoksehwingung oder ähnliches. Das Filter stellt sicher, daß der Impuls frei von unerwünschten Schwingungen oder anderen Störungen ist, die am Ausgang des Detektors 24 vorhanden seil können. Das Filter 34 kann damit typischerweise bekannte Filterschaltungen, Analog-Integratorschaltungen und ähnliches einschließen. Der Ausgang des Filters 34 ist mit dem Eingang eines Impulszeitsteuerdetektors 36 verbunden. Dieser Impulszeitsteuergenerator kann eine einer großen Vielzahl von bekannten Schaltungen sein, die einen Ausgangsimpuls mit einer genauen Zeitmarkierung wie z.B. einer abrupten Vorder- oder Hinterflanke liefern, die genau zeitlich mit irgendeinem Abschnitt des Ausganges des Filters J54 korreliert ist. Wenn beispielsweise der Ausgang des Filters 34 eine Rechteckschwingung ist, kann der Ausgang des Impulszeitsteuerdetektors 36 einen Impuls liefern, dessen Vorderflanke genau zeitlich mit entweder der Vorderflanke

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oder der Hinterflanke des Impulses von dem Filter 34 zusammenfällt, wobei die genaue Auswahl durch den Konstrukteur getroffen werden kann. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel liefert der Impulszeitsteuerdetektor 36 einen Ausgangsimpuls, dessen Vorderflanke genau zeitlich mit der exakten Kitte des von dem Filter 34 gelieferten Impulse zusammenfällt. Typischerweise kann, wenn der von dem Filter 34 gelieferte Impuls eine dreieckförmige Form aufweist, der Impulszeitsteuerdetektor 36 in einfacher V/eise eine Spitzendetektorschaltung von bekanntem Aufbau sein.

Der Ausgang des Impulszeitsteuerdetektors 36 ist mit dem Eingang von Signalverzögerungseinrichtungen wie z.B. einem Schieberegister 38 verbunden, das einen Impuls zwischen einem Eingang und einem Ausgang in einer Zeitperiode übertragen kann, die in Abhängigkeit vcn einem Zeitsteuersignal veränderlich ist. Es ist selbstverständlich bekannt, daß Schieberegister ein Signal von ihrem Eingang zum Ausgang entsprechend einem Taktsteuereingang vorwärtsbewegen, wobei dieses Taktsteuersignal in diesem Fall das erforderliche Zeitsteuersignal darstellt. Der Ausgang des Schieberegisters 38 ist mit einem Eingang der Phasendetektorschaltung 40 verbunden. Es ist zu erkennen, daß der N-te Detektor 30 genauso wie der Detektor 24 mit seinem Ausgang an ein Filter 42 angeschaltet ist, das eine Schaltung ähnlich der des Filters 34 aufweisen kann. Der Ausgang des Filters 42 ist in gleicher Weise mit dem Eingang eines Impulszeitsteuerdetektors 44 verbunden, der wiederum gMch dem Impulszeitsteuerdetektor 36 sein kann.

Der Ausgang des Impulszeitsteuerdetektors 44 ist mit einem zweiten Eingang des Phasendetektors 40 verbunden. Der Detektor 40 kann irgendeine einer Anzahl von bekannten Schaltungen sein und ist vorzugsweise eine Impulsfolgen-Phasenmeßeinriohtung, die die Phasendifferenz beispielsweise zwischen den Vorderflanken entsprechender Impulse von zwei Impulsfolgen mißt, wie z.B. die Schaltung, die in der Literaturstelle "Electronic Switching

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in Phase Measurement" Electronics 32:2j?, Seiten βθ bis 6l beschrieben ist. Wie es in der Technik gut bekannt ist, ist der Ausgang des Phasendetektors 4o typischerweise ein Signal, dessen Amplitude sich proportional zum Phasenunterschied zwischen den Signalen vom Detektor 74 und denen vom Ausgang des Schieberegisters 38 ändert. Der Ausgang des Phasendetektors 40 wird vorzugsweise dem Eingang des Filters 46 zugeführt, das typischerweise ein Tiefpaßfilter ist, um die gewünschte Servoschleifen-Stabilität zu erzielen und um das Ausgangssignal des Phasendetektors 40 zu glätten.

Der Ausgang des Filters 46 ist mit dem Steuereingang eines spannungsgesteuerten Oszillators 48 verbunden. Dieser Oszillator kann typischerweise ein bekannter Rechteckschwingungsoszillator sein, dessen Ausgangswiederholfrequenz entsprechend dem Pegel des Spannungseingangs von dem Filter 46 veränderlich ist, und ein derartiger Oszillator ist in der Literaturstelle"Guide Book of Electronic Circuits" von John Markus, McGraw Hill-Verlag 1974, Seite 1000 beschrieben. Der Ausgang des Oszillators 48 ist mit dem Takteingang des Schieberegisters 58 derart verbunden, daß die eine veränderliche Impulswiederholfrequenz aufweisende Impulsfolge von dem Oszillator 48 als Zeitsteuersignal dient, um die Verzögerungszeit der Signale zu ändern, die durch das Schieberegister 58 hindurchlaufen.

Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, ist eine Pumpe 50 zur genauen Steuerung der Geschwindigkeit der Strömung durch die Kapillare 20 vorgesehen. Die Pumpe 50 ist vorzugsweise von einer Art, die nicht die empfindlichen Zellen oder Teilchen in der Strömung beschädigt und die sehr genau steuerbar ist. Zu diesem Zweck wird die Pumpe 50 von einem Motor 52 angetrJäDen, dessen Drehzahl durch eine bekannte Motorsteuerschaltung 54 gesteuert wird. Der Steuereingang der Motorsteuerschaltung 54 ist typischerweise derart mit dem Ausgang des Filters 46 verbunden, daß die Motorsteuerschaltung die Drehzahl des Motors 52

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in Abhängigkeit von Änderungen der Amplitude des Fehler- oder Steuersignals von dem Filter 46 ändert.

Es ist verständlich, daß die beschriebene Servoschleife nicht auf die speziellen dargestellten Elemente beschränkt ist, nämlich den Phasendetektor 40, das Filter 46 und den spannungsgesteuerten Oszillator 48. Anstelle dieser drei letzteren Elemente kann in einfacher V/eise ein digitales Phasenmeßinstrument verwendet werden, das direkt eine Impulsfolge erzeugt, deren Wiederholfrequenz proportional zum Phasenunterschied von zwei Eingangsimpulsen ist, und eine derartige Schaltung ist in der Literaturstelle "Tracking Orbits of Man-Made Moons" von C. Schroecfer et al, Electronics, 52:1, Seiten 35-57 beschrieben. In einem derartigen Fall würde der Ausgang des digitalen Phasenmeßinstrune ntes direkt als Taktsteuereingang für das Schieberegister 38 verwendet.

Im Betrieb der soweit beschriebenen Schaltung treibt der Motor 52 die Pumpe 50 derart an, daß eine die interessierenden Teilchen, wie z.B. Blutzellen enthaltene Strömung derart durch die Kapillare 20 geleitet wird, daß die Teilchen in einer einzigen Reihe hintereinander durch die Kapillare hindurchbewegt werden. Beim Durchlaufen der Kapillare läuft jede Zelle zuerst zwischen der Quelle 22a und dem Detektor 24 hindurch, wodurch ein Ausgangsimpuls erzeugt wird, der in dem Filter 54 gefiltert und dann dem Impulszeitsteuerdetektor 56 zugeführt wird. Der Ausgang des Detektors 56 ist typischerweise ein Impuls mit einer Vorderflanke, die mit dem Mittelpunkt des von dem Filter und Impulsformer J4 gelieferten Impulses ist und dieser Impuls wird dann dem Schieberegister 38 zugeführt. Der Impuls wird aufeinanderfolgend durch die verschiedenen Stufen des Schieberegisters 38 hindurch verschoben und dann einem Eingang des Phasendetektors 40 nach einer Zeitverzögerung zugeführt, die durch die Periode bestimmt ist, die zum Hindurchverschieben des Impulses durch das Register 38 benötigt wird. Vorzugsweise weist diese Zeitverzögerung eine Periode auf, die angenähert gleich

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der Zeit ist., die das Teilchen, das von dem Detektor 24 erfaßt wurde, benötigt, um an eine Stelle zu gelangen, an der es das Signal von der Quelle 22e moduliert. Das modulierte Signal, das von dem N-ten Detektor ~3Q erfaßt wird, wird dann über das Filter 42 weitergeleitet und der Mittelpunkt des gefilterten Impulses wird durch den Impulszeitsteuerdetektor 44 festgestellt, der einen Ausgangsimpuls mit einer Vorderflanke liefert, die zeitlich mit dem Mittelpunkt des gefilterten Impulses zusammenfällt . Der Ausgang des Impulszeitsteuerdetektors 44 wird dann als zweiter Eingang dem Phasendetektor 42 zugeführt, in dem er mit dem Ausgang von dem Schieberegister JQ verglichen wird, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das typischerweise

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irgendeiiv Parameter aufweist, wie z.B. die Spannungsamplitude, der proportional zur Phasendifferenz zwischen der Vorderflanke des Impulsausganges von dem Detektor 44 und der Vorderflanke des Impuls aus gange s von dem Schieberegister J58 ist. Das von dem Phasendetektor 40 gelieferte Fehlersignal wird dann in dem Filter 46 gefiltert und als Steuersignal dem spannungsgeSteuerten Oszillator 48 zugeführt. Dieser spannungsgesteuerte Oszillator 48 liefert eine Impulsfolge, deren Impulswiederholfrequenz proportional zur Amplitude des Steuersignals ist. Die Ausgangsimpulsfolge des Oszillators 48 stellt natürlich das Taktsteueroder Zeitsteuersignal dar, das die Geschwindigkeit ändert, mit der ein Signal durch das Schieberegister 38 verschoben wird, so daß dieses Zeitsteuersignal die sich in dem Schieberegister 38 ergebende Verzögerung ändert.

Wenn beispielsweise das Signal von dem Detektor jO dem Signal von dem Detektor 24 nacheilt, wobei die Zeitsteuerung dieser Signale durch die Schaltungen 44 bzw. 36 bestimmt ist, so ist zu erkennen, daß die Laufzeit des Teilchens oder der Zelle durch die Kapillare 20 nicht an die vorher eingestellte Verzögerungszeit angepaßt ist, die sich in dem Schieberegister 38 ergibt. Das heißt mit anderen V/orten, daß die Strömungsgeschwindigkeit als zu langsam betrachtet werden kann. Der Phasen-

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detektor 40, der die Ausgänge von dem Impulszeitsteuerdetektor 44 und dem Schieberegister 38 vergleicht, liefert dann ein Ausgangssignal, dessen Größe sich proportional zur festgestellten Phasendifferenz ändert. Diese Änderung der Signalarnplitude bewirkt eine Änderung der Impulswiederholfrequenz am Ausgang des Oszillators 48, so daß die Verzögerung oder die Zeitperiode verlängert vrird, die benötigt wird, um das Signal durch das Register 38 hindurchzuverschieben. Weil weiterhin der Ausgang des Filters 46 mit der Motorsteuerung 54 verbunden ist, wirk't die Änderung des Ausgangssignals von dem Phasendetektor 40 in Richtung auf eine Vergrößerung der Drehzahl des Motors 52, wodurch die Pumpgeschviindigkeit vergrößert wird. Wenn sich die Verzögerung in dem Schieberegister vergrößert und'pie Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Kapillare 20 ansteigt, ist somit die von dem Phasendetektor 40, dem Filter 46, dem Oszillator 48 und dem Schieberegister 38 gebildete Servo- oder Regelschleife bestrebt, die Phasendifferenz zwischenden beiden Impulseingängen an den Detektor 40 auf einen mittleren Zeitfehler von 0 zu bringen. In gleicher Weise tritt, wenn das Signal von dem Detektor ^O dem Signal von dem Detektor 24 voreilt, eine entgegengesetzte Wirkung auf, diejzu einer Verringerung der Drehzahl des Motors 52 und zu einer Verkürzung der Verzögerung in dem Schieberegister führt, so daß wiederum die beiden Eingänge an den Phasendetektor 40 in zeitliche Koinzidenz miteinander "gebracht werden, so daß der mittlere zeitliche Fehler zwischen der Phase der entsprechenden Signale gleich 0 ist.

Bei der beschriebenen Vorrichtung wird weiterhin eine Unterscheidung von einer oder mehreren durch die Detektoren 24, 26, 28, 30 und 32 gebildeten Meßstationen verwendet, so daß wenn die von einer bestimmten durch die Kapillare 20 an den verschiedenen Detektoren hindurchlaufenden Zelle oder einem Teilchen erzeugten Signale einen Satz von Beziehungen erfüllen, die Signale auf Grund dieser Zelle dann in Digitalform für eine weitere Verarbeitung umgewandelt werden können. Wenn andererseits die Signale von einer anderen Art von Zelle nicht die vorgegebenen eingestellten Beziehungen erfüllen, so werden

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die von dieser Zelle an den Detektoren erzeugten Analogsignale einfach vernachlässigt, so daß keine Belastung für irgendeine digitale Verarbeitungseinrichtung entsteht, die der Vorrichtung zugeordnet ist. Beispielsweise sei angenommen, daß der Ausgang des Detektors 24 ein Signal X ist, daß der Ausgang des Detektors 26 ein Signal Y ist und daß der Ausgang des Detektors 28 ein Signal Z ist. Weiterhin sei angenommen, daß auf Grund der Art der speziellen von den Quellen 22a, 22b und 22c erzeugten Signale eine interessierende, die Kapillare 20 durchlaufende Zelle die folgenden eindeutigen Beziehungen oder Gleichungen erzeugt:

X + KY < T₂

worin K eine Konstante ist, während T, und Tp jeweils bestimmte vorher ausgewählte Schwellviertamplituden oder -vierte sind.

Das Blockschaltbild in der Zeichnung zeigt die logischen Blöcke, die zur Durchführung der Auswahl von Zellen verwendet werden, die den speziellen vorstehend genannten Satz von Gleichungen oder Beziehungen aufweisen, es ist jedoch für den Fachmann verständlich, daß irgendein anderer willkürlicher Satz von Gleichungen oder Beziehungen in gleicher Weise gewählt werden kann. Zu diesem Zweck ist der Ausgang des Detektors 26 mit dem Eingang eines torgesteuerten Filters 58 verbunden, während der Ausgang des Detektors 28 in gleicher Weise mit dem Eingang eines torgeSteuerten Filters 60 verbunden ist. Diese torgesteuerten Filter sind einfach Filter, wie das Filter 34, bei denen jedoch steuerbare Schalterkreise vorgesehen sind, so daß ein Signal am Ausgang des Filters lediglich während einer Zeitperiode erzeugt wird, während der der Schalterteil dieser Schaltung geschlossen ist. Derartige torgesteuerte Filter sind in der Technik gut bekannt, so daß sie hier nicht weiter beschrieben werden müssen. Um die Ausgangssignale von den Filtern y\₃ 58 und 60 derart zu synchronisieren, daß sie mit den vorstehend angegebenen Gleichungen oder Beziehungen verglichen

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werden können, ist der Ausgang des Filters 54 mit dem Eingang des Schieberegisters 62 und weiterhin mit dem Eingang eines weiteren Schieberegisters 64 verbunden. In gleicher V/eise ist der Ausgang des torgesteuerten Filters 58 mit dem Eingang des Schieberegisters 66 verbunden. Die Taktsteuereingänge der Schieberegister 62, 64 und 66 sind alle mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 48 verbunden, so daß alle Schieberegister durch das. gleiche Zeitsteuersignal taktgesteuert werden und daher unabhängig von Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit in der Kapillare 20 synchron bleiben. Das Schieberegister 66 soll eine Verzögerung zwischen an seinem Eingang eintretenden und an seinem Ausgang austretenden Signalen liefern, die gleich der Zeit ist, die eine Zelle für das Durchlaufen der Kapillare 20 zwischen einer Stelle, in der sie Signale von der Quelle 22b moduliert, bis zu der Stelle benötigt, an der sie Signale von der Quelle 22c moduliert. In gleicher Weise soll das Schieberegister 62 eine Zeitverzögerung erzeugen, die gleich der Zeit ist, die eine Zelle oder ein Teilchen benötigt, um. sich durch die Kapillare 20 von einer Stelle, an der die Signale von der Quelle 22a moduliert werden, bis zu einer Stelle zu bewegen, an der die Signale von der Quelle 22c moduliert werden. Derartige Verzögerungen werden beispielsweise dadurch festgelegt, daß die Anzahl von Stufen zwischen dem Eingang und dem Ausgang jedes Schieberegisters festgelegt wird.

Eine Ausgangsstufe des Schieberegisters 64 ist zur Steuerung der Torsteuerung oder der zeitlichen Steuerung -des Schaltens im Filter 58 angeschaltet. Eine spätere Stufe des Schieberegisters 64 ist mit dem torgesteuerten Filter 60 verbunden, um die Zeitsteuerung des Schaltens in diesem Filter zu steuern. In gleicher Weise sind aufeinanderfolgende Stufen des Schieberegisters 64 mit aufeinanderfolgenden Detektoren wie z.B. 32 usvi. gekoppelt. Es ist daher zu erkennen, daß die verschiedenen Ausgänge von entsprechenden Stufen in dem Schieberegister 64 die Torsteuersignale liefern, die das Zeitfenster festlegen, während dem jedes der torgesteuerten Filter die Weiterleitung

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eines Signals \on dem entsprechenden Detektor durch das Filter hindurch ermöglicht. Entsprechend sind die Ausgänge an den Filtern 34, 58 und 6ö jeweils so dargestellt, daß sie an Anschlüssen erscheinen, die jeweils mit 68, 70 bzw. 72 bezeichnet sind. In ähnlicher Weise ist das torgesteuerte Filter ¹Jk mit seinem Eingang an den Ausgang des Detektors 32 angeschaltet, während der Ausgang des Filters 34 mit dem Anschluß J6 verbunden ist. Der Ausgang des Filters 42 ist weiterhin mit dem Anschluß 78 verbunden.

Bei richtiger Wahl der Verzögerungen in den Schieberegistern 66 und 62 ist zu erkennen, daß die Ausgänge von diesen Registern und von dem torgesteuerten Filter 60 alle im wesentlichen gleichzeitig auftreten. Entsprechend ist der Ausgang des Schieberegisters 62 mit dem Eingang eines Maßstabsverstärkers 80 verbunden, der das Ausgangssignal von dem Schieberegister 62 mit dem Wert K multiplizieren soll. Der Ausgang des Maßstabsverstärkers wird dem Summierverbindungspunkt am Eingang des Summierverstärkers 82 zugeführt. In ähnlicher Weise wird der Ausgang des Schieberegisters 66 dem Summiereingang des Verstärkers 82 zugeführt. Sowohl Maßstabsverstärker als auch Summierverstärker sind in der Technik gut bekannt und verwenden typischerweise Arten von Operationsverstärkern, wie sie beispielsweise in der Literaturstelle "Handbook of Operational Amplifier Applications" 1. Ausgabe 19&3* Burr-Brown Research Corporation, Seiten 5k-6l beschrieben sind. Es ist zu erkennen, daß der Ausgang von dem Summierverstärker 82 eindeutig die Gleichung KX+Y darstellt.

Der Ausgang des Summierverstärkers 82 ist mit dem Eingang des Schwellwertverstärkers 84 verbunden. Der Ausgang des torgesteuerten Filters 60 ist in ähnlicher Weise mit dem Eingang eines weiteren Schwellwertverstärkers 86 verbunden. Die Ausgänge der beiden Schwellwertverstärker 84 und 86 sind mit jeweiligen Eingängen eines UND-Verknüpfungsgliedes 88 verbunden. Die Schwellwertverstärker 84 und 86 liefern jeweils Schwell-

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werte, die zu T, und T₂ in den vorstehenden Gleichungen äquivalent sind» Die Schwellwertverstärker können typischerweise Spannungspegeldetektor oder ähnliches sein, wie z.B. der einen veränderliehen Schwellwert aufweisende Verstärker, der in der Literaturstelle "Photocell Threshhold Circuit" von C. Becklein, EEE, April 1967, Seite 1J59 beschrieben ist.

Es ist verständlich, daß kein Ausgangssignal am Ausgangsanschluß 90 des Verknüpfungsgliedes 88 auftritt, wenn nicht der genaue Satz von Gleichungen oder Beziehungen in der vorstehend angegebenen Art durch ein Teilchen oder eine Zelle erfüllt wurde, die durch die Kapillare 20 hindurchgelaufen ist und die richtigen Signale an die Detektoren 24, 26 und 28 geliefert hat. Entsprechend kann ein Ausgang am Anschluß 90 vorzugsweise dazu verwendet werden, einen Satz von Analog-/Digital-Konvertern freizugeben, deren Ausgange beispielsweise mit einem Rechnerspeicher verbunden sind oder die direkt einer Rechnerverarbeitung unterworfen werden und deren Eingänge mit den Anschlüssen 68, 70, 72, 76 und 78 verbunden sind. Wenn kein Signal am Ausgang 90 des Verknüpfungsgliedes 88 auftritt und daß keine Anzeige erfolgt, daß das durch die Kapillare 20 hindurchlaufende Teilchen von der gewünschten Klasse ist, so werden die Analog-/ Digital-Konverter nicht freigegeben und die bedeutungslosen Daten werden nicht an den Digitalrechner überführt.

Patentansprüche;

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Claims

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Patentansprüche

1.!Vorrichtung zur Behandlung einer Teilchenpopulation in ^-—' einer Strömung, in der diese Teilchen einzeln hintereinander angeordnet sind, mit einer Anzahl von in einer Folge entlang der Strömungsrichtung und benachbart zu der Strömung verteilten Signalquellen und mit einer Anzahl ν on Detektoren, die jeweils in einer Folge gegenüber von entsprechenden Quellen angeordnet sind, um Signale von den entsprechenden Quellen zu empfangen, die durch das Vorbeilaufen der Teilchen an den Quellen moduliert sind, gekennzeichnet durch erste Signalverzögerungseinrichtungen (j58) zur Übertragung eines Signalsjvom Eingang zum Ausgang dieser Signalverzögerungseinrichtungen (j58) in einer Zeitperiode, die entsprechend einem Zeitsteuersignal veränderlich ist, wobei der Eingang der Verzögerungseinrichtungen mit dem Ausgang des ersten Detektors (24) der Folge von Detektoren verbunden ist, und Einrichtungen (40, 46, 48) zur Erzeugung des Zeitsteuersignals proportional zum Phasenunterschied zwischen jedem am Ausgang der Verzögerungseinrichtungen (38) auftretenden Signal und jedem entsprechenden modulierten Signal, das von dem letzten Detektor (30) in der Folge von Detektoren festgestellt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen (^4, J56) zur Zuführung des Ausganges des ersten Detektors (24) an den Eingang der Verzögerungseinrichtung (38).

J5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu führungseinrichtung en Filterelemente (j54) und Einrichtungen (36) zur Erzeugung eines Impulses einschließen, von dem eine Flanke eine vorgegebene Zeitbe-

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Ziehung zu einem ausgewählten Zeitparameter des Ausgangssignals von dem ersten Detektor (24) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Parameter der zeitliche Hittelpunkt des Ausgangssignals von dem ersten Detektor ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichn e t , daß die Einrichtungen (40, 46, 48) zur Erzeugung des Zeitsteuersignals einen mit dem Ausgang der Verzögerungseinrichtung (58) verbundenen Phasenvergleicher einschließen, der mit dem Ausgang des letzten Detektors (j50) verbunden ist, um die Phase der von der Verzögerungseinrichtung (58) und dem letzten Detektor (30) empfangenen Signale zu vergleichen und um ein Fehlersignal zu erzeugen, das proportional zu dieser Phasendifferenz ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung (58) ein Schieberegister ist und daß die Einrichtungen zur Erzeugung des Zeitsteuersignals weiterhin einen spannungsgesteuerten Oszillator (48) einschließen, der eine Ausgangsimpulsfolge erzeugt, dessen Impulswiederholfrequenz entsprechend einem Steuersignal veränderlich ist, daß der Ausgang des Oszillators mit dem Schieberegister (38) zu dessen Taktsteuerung verbunden ist und daß der Oszillator derart mit dem Phasenvergleicher (4o) verbunden ist, daß das Fehlersignal das Steuersignal für den Oszillator (48) bildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennze i ohne t , daß die für die Verschiebung von Signalen durch das Schieberegister (58) hindurch erforderliche Verzögerungsperiode so voreingestellt ist, daß sie ungefähr an die Laufzeit angepaßt ist, die ein Teilchen benötigt, um die Strömungsstrecke zwös3hen dem ersten und dem letzten Detektor (24, j50) zu durchlaufen.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichne t durch Einrichtlangen zur Korrelation der Ausgänge von jedem der Detektoren (24, 26, 28, 30, 32) entsprechend dem Zeitsteuersignal.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationseinrichtungen eine Anzahl von Torsteuereinrichtungen umfassen, die mit dem Ausgang eines entsprechenden Detektors verbunden sind und daß Einrichtungen (64) zur aufeinanderfolgenden Zeitsteuerung der Betätigung jedes der Torsteuerschaltungen mit einer Rate entsprechend dem Zeitsteuersignal vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur aufeinanderfolgenden Zeitsteuerung ein zweites Schieberegister (64) mit einer Anzahl von Schieberegisterstufen umfassen, daß das Schieberegister so geschaltet ist, daß es durch das Zeitsteuersignal taktgesteuert wird und daß die Torsteuerschaltungen mit ausgewählten Stufen des Schieberegisters (64) derart verbunden sind, daß sie jeweils durch die Signale an den Stufen betätigt werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Umwandlung der Ausgangssignale von den Detektoren (24, 26, 28, 30, 32) in Digitalformat.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Unterscheidung einer ausgewählten Gruppe aus der Teilchenpopulation und zur Freigabe der Umwandlung der Ausgangssignale in digitale Darstellungen nur für die Teilchen der ausgewählten Gruppe.

13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Unterscheidung einer ausgewählten Gruppe eine Logikschaltung einschließen, die mit

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den Ausgängen ausgewählter Detektoren verbunden ist, um ein Preigabesignal zu erzeugen, das die Analog-Digital-Konvertereinrichtungen freigibt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1]5> dadurch gekennze ich-

n e t , daß die Logikschaltung eine Anzahl von Schieberegistern, d ie jeweils mit dem Ausgang eines entsprechenden der ausgewählten Detektoren verbunden sind und derartige Schiebeperioden aufweisen, daß die Ausgänge aller der Anzahl von Registern im wesentlichen zeitlich für Signale von jedem der ausgewählten Detektoren zusammenfallen, die sich auf Grund des Durchlaufens eines dieser Teilchen an den ausgewählten Detektoren vorbei ergeben, und TorSteuerschaItungseinrichtungen umfaßt, die durch die gleichzeitigen Ausgangssignale von der Anzahl von Registern betätigt werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen (5¹O zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit der Teilchen in der Strömung entsprechend dem Zeitsteuersignal.

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