3.1.1.Sơ đồ khối tổng quát của máy xét nghiệm miễn dịch tự động
Máy xét nghiệm miễn dịch tự động là một hệ thống điều khiển bằng máy
tính thực hiện phân tích một lượng chất phân tích có trong mẫu xét nghiệm như
máu, plasma hay nước tiểu. Để định lượng kết quả, mẫu xét nghiệm phải qua rất
nhiều quá trình xử lý phức tạp như pha loãng, pha thuốc thử vào mẫu, ủ, khuấy trộn, rửa và đọc mẫu. Việc đọc mẫu được thực hiện bằng một cơ cấu cảm biến đo cường độ sáng và tính toán giá trị tương ứng của mẫu.
Hình 3.1. Sơ đồ khối máy xét nghiệm miễn dịch
Cấu trúc chung của một máy xét nghiệm miễn dịch tự động gồm các phân hệ như sau:
Phân hệ điều khiển: theo dõi và lựa chọn các bước xét nghiệm phù hợp cho từng loại xét nghiệm, kiểm soát nguồn theo chương trình cài đặt sẵn.
Phân hệ điều khiển Phân hệ thuốc thử Phân hệ mẫu Phân hệ h t Phân hệ đo quang Phân hệ ủ Phân hệ chuyển tiếp
Phân hệ thuốc thử, phân hệ hạt: cung cấp thuốc thử thích hợp và hạt cho từng thông số xét nghiệm
Phân hệ mẫu: cấp mẫu phân tích cho máy thực hiện xét nghiệm
Phân hệ đo độ sáng: thực hiện phản ứng tạo huỳnh quang và đo lường độ
sáng thu nhận được.
Phân hệ ủ: duy trì môi trường chứa hỗn hợp ở nhiệt độ ổn định để tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình hóa sinh.
Phân hệ chuyển tiếp: liên kết giữa các phân hệ để các chất từ các phân hệ
được xử lý theo các quy trình khác nhau theo các chương trình điều khiển 3.1.2. Nguyên lý hoạt động của máy xét nghiệm miễn dịch tự động
Máy xét nghiệm miễn dịch tự động là một hệ thống phức tạp với nhiều phân hệ cho phép thực hiện xét nghiệm mà không cần sự theo dõi cũng như sự can thiệp liên tục của kỹ thuật viên. Kỹ thuật viên lựa chọn loại xét nghiệm cho từng mẫu và
nhập các thông tin này thông qua phân hệ điều khiển. Phân hệ điều khiển quản lý
các phân hệ khác bằng cách gửi đi lệnh và thông tin điều khiển qua các bus điều
khiển. Các mẫu bệnh phẩm được kỹ thuật viên đặt vào phân hệ mẫu để được pha
loãng trước khi thực hiện đo lường hoặc có thể được xét nghiệm nhưng không pha loãng tùy thuộc vào sự điều khiển của phân hệ điều khiển. Phân hệ hạt thêm cơ chất phù hợp vào ống xét nghiệm. Cơ chất thường có dạng hạt gắn vào thành phần có tác dụng gắn chất phân tích cần xác định trong xét nghiệm. Phân hệ thuốc thử cung cấp thuốc thử đặc hiệu vào ống xét nghiệm. Lựa chọn thuốc thử và hạt cho từng mẫu do phân hệ điều khiển quyết định dựa trên cơ sở loại xét nghiệm được tiến
hành trên mẫu đó. Các phân hệ này có khả năng nhận dạng thành phần phần dựa
vào các đầu đọc mã vạch hoặc đầu đọc RF để đọc mã vạch hoặc thông tin nhận
dạng RFID trên vỏ bình thuốc thử, vỏ bình hạt và ống mẫu xét nghiệm nhằm đảm
nghiệm được chuyển vào trong máy phân tích qua phân hệ chuyển tiếp. Sau khi các thành phần được lựa chọn đã được cho vào ống xét nghiệm, hệ thống ủ thực hiện ủ
và khuấy trộn theo sự điều khiển của phân hệ điều khiển. Ống xét nghiệm sau đó
được rửa và được chuyển tới phân hệ đo quang thông qua phân hệ chuyển tiếp.
Phân hệ này lựa chọn ống xét nghiệm rồi đặt vào cơ cấu đo quang. Sau khi quá
trình đọc hoàn thành, ống xét nghiệm được lấy đi.
3.2. Các quy trình xét nghiệm trong máy xét nghiệm miễn dịch tự động 3.2.1. Quy trình xét nghiệm nối tiếp 3.2.1. Quy trình xét nghiệm nối tiếp
Máy xét nghiệm miễn dịch tự động truyền thống sẽ thực hiện phân tích các mẫu theo cách nối tiếp. Ví dụ như, một mẫu được đưa vào máy xét nghiệm và được xử lý theo trình tự từng bước cho tới khi kết thúc. Trong khi mẫu đầu tiên này đang được tiến hành phân tích tất cả các mẫu khác tiếp tục theo sau. Như vậy, tại một
thời điểm sẽ chỉ có một mẫu được phân tích trong máy. Ngoài ra, công suất làm
việc của máy bị giới hạn bởi số mẫu đưa vào. Tự động nạp mẫu và trả mẫu sẽ giảm bớt đi một số thao tác khi vận hành máy. Càng nhiều mẫu được lưu, nạp, xét nghiệm và trả mà không cần sự can thiệp của kỹ thuật viên thì hiệu suất làm việc của máy càng lớn. Đó là ưu điểm của máy xét nghiệm miễn dịch tự động
Khoảng thời gian cho các xét nghiệm khác nhau không cố định cho từng
loại. Một số mẫu cần được pha loãng trước khi cho vào thuốc thử. Số khác lại cần hai thuốc thử khác nhau. Số khác nữa lại yêu cầu thời gian ủ kéo dài hơn. Để tiến hành các xét nghiệm này trong một máy phân tích nối tiếp, hiệu suất lớn nhất phụ thuộc vào thời gian của xét nghiệm lâu nhất trong hệ thống. Điều này có thể có ảnh hưởng lớn tới hiệu suất làm việc của những xét nghiệm có yêu cầu thời gian ngắn hơn.
Ngoài ra, sự ngắt quãng của quá trình xét nghiệm do chèn vào các xét nghiệm có mức ưu tiên cao hơn làm cho các xét nghiệm đang tiến hành bị tạm dừng để nạp và chạy xét nghiệm mẫu ưu tiên.
Một mẫu trong một ống xét nghiệm hoặc một nhóm mẫu trong một nhóm các ống xét nghiệm có thể đi theo nhiều đường dẫn được thiết kế riêng để được thực hiện các thao tác pha loãng, khuấy trộn hoặc xả hết và pha thuốc thử trong từng thời điểm cụ thể tùy theo loại xét nghiệm. Điều này được thực hiện mà không ảnh hưởng
tới các phản ứng và các quá trình ủ của những mẫu khác đang được tiến hành như
một xét nghiệm hoàn toàn khác hay với các xét nghiệm giống nhau nhưng trong các điều kiện khác nhau. Ví dụ, máy có thể điều khiển thực hiện quá trình ủ và xử lý tại cùng một thời điểm và cho cùng một loại phân tích một nhóm 20 mẫu theo một quy
trình gồm các bước: pha loãng mẫu, đưa vào thuốc thử, ủ hai phút, đọc kết quả xét
nghiệm; một nhóm 12 mẫu theo một quy trình gồm các bước: đưa vào thuốc thử, ử 5 phút, xả sạch ống xét nghiệm và rửa mẫu, bổ sung thuốc thử lần hai, ủ lần hai 10 phút, xả sạch ống xét nghiệm và rửa mẫu, đọc kết quả xét nghiệm. Ngoài ra, máy có thể thực hiện đồng thời một loại xét nghiệm với 50 ống xét nghiệm được chia thành nhiều nhóm với thời gian ủ khác nhau (ví dụ như 10 mẫu ủ 5 phút, 10 mẫu khác ủ 10 phút…). Sự đa dạng này có thể được thực hiện bằng chương trình điều khiển quá trình theo yêu cầu mà không cần sự can thiệp kỹ thuật nào khi chuyển từ quá trình này sang quá trình khác và cũng không yêu cầu một quá trình cho một nhóm xét nghiệm phải hoàn thành trước khi bắt đầu một quá trình cho nhóm xét nghiệm khác. Hơn nữa, các xét nghiệm có thể thực hiện mà không liên quan tới thứ tự xét nghiệm được nhập vào máy theo yêu cầu.
Như trong hình dưới đây, quá trình xét nghiệm bắt đầu từ bước nạp ống xét nghiệm vào máy. Phân hệ điều khiển thực hiện nhận dạng các thành phần khác nhau
của mẫu (thể tích mẫu, nhận biết thuốc thử, lựa chọn hạt..). Mẫu sau đó được pha
Hình 3.2. Sơ đồ chu trình xét nghiệm nối tiếp
Ống xét nghiệm được ủ trong một khoảng thời gian xác định. Sau bước ủ là bước rửa và thêm cơ chất. Sau đó phép đo được tiến hành và cuối cùng là hiển thị kết quả. Quá trình này được thực hiện cho từng xét nghiệm khi tới lượt và tiến hành qua từng bước tới khi hoàn thành. Máy không phân phối nguồn cho các hoạt động khác trong khi đợi xét nghiệm đang tiến hành đi tới giai đoạn khác của quá trình.
N p ng ch a m u vào máy xét nghi m Pha loãng m u Hút m u và thu c th vào ng ph n ng ng ph n ng R a các ch t g n b ng quay ly tâm Thêm c ch t t o ph n ng quang hóa vào ng và Đ m các photon ánh sáng phát ra trong ng Đ c thông tin đ nh l ng ch t phân tích
3.2.2. Quy trình xét nghiệm song song
Hình 3.3. Sơ đồ chu trình xét nghiệm song song 3.2.2.1. Quy trình xét nghiệm chuẩn
Ống xét nghiệm chứa sẵn hạt. Tiếp theo có thể đưa vào ống mẫu xét nghiệm hoặc mẫu pha loãng hoặc thuốc thử. Nếu quá trình đi theo con đường 4c thì bước sau đó là bổ sung vào ống xét nghiệm mẫu hoặc mẫu pha loãng. Nếu quá trình đi
theo đường 3a hoặc 3b thì bước sau đó là bổ sung một hoặc nhiều thuốc thử vào ống. Ta có đầu ra của khối 10 là hỗn hợp gồm thuốc thử, mẫu và hạt.
Hình 3.4. Quy trình xét nghiệm chuẩn
Như vậy ở khối này, hỗn hợp được tạo ra theo 4 cách khác nhau bằng cách bổ sung các thành phần vào ống theo các thứ tự khác nhau tùy theo yêu cầu xét nghiệm. Với các máy xét nghiệm thông thường, quá trình này cần có thời gian thực hiện dài hơn và yêu cầu người vận hành thực hiện nhiều thao tác hơn. Với máy xét nghiệm tự động, tất cả các bước trên có thể được thực hiện tại cùng một thời điểm ngay sau khi bắt đầu khởi động.
3.2.2.2. Quy trình tiền xử lý :
Mẫu được tiền xử lý trước khi bổ sung hạt và thuốc thử cần để xét nghiệm. Có 4 cách khác nhau như để bắt đầu quá trình tiền xử lý:
- Mẫu đưa vào trước, thuốc thử đưa vào sau;
- Mẫu pha loãng được đưa vào trước, thuốc thử đưa vào sau; - Thuốc thử đưa vào trước, mẫu đưa vào sau;
- Thuốc thử đưa vào trước, mẫu pha loãng đưa vào sau.
Hình 3.5. Quy trình tiền xử lý
Sản phẩm sau đó được đưa tới bước ủ và khuấy trộn. Sản phẩm đầu ra ở
bước này có thể được đưa tới bước tiếp theo của quá trình là chuyển tiếp mẫu hoặc bổ sung thêm thuốc thử và lại được khuấy trộn, ủ lần nữa. Đầu ra của bước chuyển tiếp được tách thành hai phần. Phần thích hợp với xét nghiệm được đưa vào ống xét
nghiệm mới đã chứa hạt. Phần còn lại cùng với ống xét nghiệm cũ bị bỏ đi. Lúc
này, ống xét nghiệm cùng với các thành phần được giữ lại và hạt được đưa tới giai đoạn ủ.
3.2.2.3. Quy trình ủ
Hình 3.6. Quy trình ủ
phút tới nhiều giờ. Với các máy xét nghiệm miễn dịch tự động, nguồn cấp cho các khối cũng như thời gian ủ với các yêu cầu khác nhau được điều khiển động và có thể thực hiện đồng thời. Sản phẩm sau ủ - khuấy trộn có thể tiếp tục được bổ sung
thuốc thử để lại được ủ - khuấy trộn lần nữa hoặc đưa tới bước rửa và loại bỏ đi
mẫu và thuốc thử không cần thiết. Sau bước rửa, sản phẩm có thể lại được bổ sung
thuốc thử và ủ lần nữa hoặc đưa tới đầu ra của quá trình ủ. Sau khi trải qua rất
nhiều bước pha thuốc thử, ủ và rửa, xét nghiệm được hoàn tất và sẵn sàng để đưa tới bước đo lường.
3.2.2.4. Quy trình đo lường: tại đây, chất phân tích được định lượng.
Hình 3.7. Quy trình đo lường
Như trong minh họa, cơ chất và hóa chất thích hợp được đưa vào ống xét
nghiệm. Ống được ủ và khuấy trộn theo một thời gian thích hợp. Sau đó, cơ chất và hạt không cần thiết trong ống bị hút đi và kết quả được đọc dưới dạng tín hiệu ánh sáng nhờ ống nhân quang PMT.
Các quy trình này được liên kết với nhau bằng các thuật toán lựa chọn số lượng, thứ tự và thời gian cho từng bước của quá trình xét nghiệm. Thuận toán phân phối nguồn có nhiệm vụ tối đa hóa hiệu suất của máy.
3.3. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của các phân hệ trong máy xét nghiệm miễn dịch tự động dịch tự động
3.3.1. Phân hệ điều khiển
3.3.1.1. Nhiệm vụ của phân hệ điều khiển
Phân hệ điều khiển lựa chọn các xét nghiệm được thực hiện cho từng mẫu từ hệ thống thông tin xét nghiệm tự động LIS. Kỹ thuật viên có thể can thiệp dữ liệu lựa chọn xét nghiệm tuy nhiên thiết bị thực hiện việc lựa chọn xét nghiệm thông qua LIS. Phân hệ điều khiển quản lý các phân hệ khác bằng việc gửi các lệnh và thông tin điều khiển thông qua các bus điều khiển.
3.3.1.2. Cấu trúc và hoạt động của phân hệ điều khiển
Phân hệ điều khiển của máy xét nghiệm miễn dịch tự động hoạt động theo
cách trực tiếp. Phân hệ bao gồm bộ xử lý có nhiệm vụ điều khiển và giám sát quá trình thực hiện xét nghiệm mẫu trong máy. Dữ liệu xét nghiệm như loại xét nghiệm,
quy trình xét nghiệm, hoạt động nguồn cấp và các thông tin liên quan khác được
nhập vào khối điều khiển thông qua giao diện người sử dụng bằng cách dùng bất kỳ
thiết bị đầu vào nào như đầu đọc mã vạch, bàn phím, chuột.. Ngoài ra, khối điều
khiển sẽ hiển thị các kết quả xét nghiệm và thông tin trạng thái trên thiết bị đầu ra. Các thành phần xét nghiệm như mẫu xét nghiệm, hóa chất.. được đưa vào hệ thống và được quản lý bởi phân hệ điều khiển thông qua giao diện người sử dụng.
Dữ liệu xét nghiệm được nhập vào qua giao diện người sử dụng và giao diện phân hệ hoặc được tạo ra nhờ các thuật toán của phân hệ điều khiển được lưu trong khối lưu trữ điều khiển. Các dữ liệu về xét nghiệm dùng để xác định quy trình thực hiện nằm trong phạm vi các quá trình xét nghiệm của máy được nhập vào cơ sở dữ liệu và lưu trong khối lưu trữ dưới dạng thông số chương trình.
Phân hệ điều khiển khống chế hoạt động phân phối quá trình cho các khối
nghiệm ưu tiên cao hơn sẽ được thực hiện tại tại bất kỳ thời điểm nào. Trong khi đó các xét nghiệm đang, sắp được tiến hành đều bị tạm dừng chờ tới khi xét nghiệm ưu tiên được thực hiện. Chương trình điều khiển đảm bảo cho các xét nghiệm ưu tiên được tiến hành song không làm phá vỡ hay tổn hao các mẫu đang được xử lý.
Hình 3.8. Sơ đồ khối phân hệ điều khiển
Khi các mẫu xét nghiệm được đưa vào máy, phân hệ điều khiển bắt đầu thực hiện thuật toán tuần tự. Thuật toán này bắt đầu bằng việc gán các bước cụ thể cho từng loại xét nghiệm và phân phối thời gian ủ cho từng giai đoạn. Thuật toán phân phối nguồn tạo ra bảng danh sách công việc nguồn dựa trên cơ sở các quy trình xét nghiệm riêng cho từng mẫu và sau đó được lưu trong khối lưu trữ. Khi thuật toán
Hi n Máy in Đ c mã v ch Bàn phím Giao di n phân h Giao di n ng i s d ng
Kh i l u tr Kh i x lý
B ng danh sách công vi c RWL File kh i đ ng xét nghi m TLF Thông s ch ng trình Kh i thu t toán Phân ph i ngu n Gi i quy t xung đ t Thu t toán tu n t
tuần tự được khởi động và bảng danh sách công việc đã hoàn thành thì file khởi động xét nghiệm được hình thành. File này là một danh sách các xét nghiệm chờ được thực hiện. Trong quá trình xét nghiệm, khối điều khiển giám sát hoạt động của
máy xét nghiệm để phát hiện kịp thời hiện tượng xung đột nguồn bằng thuật toán
phân tích nguồn. Thuật toán này đảm bảo khi có các xét nghiệm được khởi động,
các xét nghiệm tiêu chuẩn hoặc các xét nghiệm ưu tiên, nguồn hệ thống sẽ sẵn sàng tại các thời điểm thích hợp.
3.3.1.3. Thuật toán điều khiển
Quá trình điều khiển bắt đàu từ thời điểm chu trình xét nghiệm được khởi
động. Các thuốc thử và các gói hạt được nạp vào máy xét nghiệm. Sau đó các gói này được đọc ở bước tiếp theo. Các mẫu bệnh phẩm được nạp vào máy từ các rãnh