分子诊断化验系统
阅读：965发布：2020-05-11
专利汇可以提供分子诊断化验系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本文提供了用于在适于接收化验盒的诊断化验系统中使用的改进的子组件和控制方法。这 种子 组件包括：无刷直流 电机 ， 门 开闭机构和化验盒装载机构， 注射器 和 阀 驱动机构组件， 超 声波 喇叭，热控制装置和光学检测/激励装置。这样的系统可以进一步包括通信单元，该通信单元被配置为与用户的移动装置无线通信以便接收用户输入，所述用户输入与所述系统关于其中容纳的所述化验盒的功能相关并且将与所述化验盒有关的诊断结果中继到所述移动装置。，下面是分子诊断化验系统专利的具体信息内容。
1.一种适于接纳化验盒的诊断化验系统，所述系统包括以下任一项或其组合：
无刷直流(BLDC)电机，与关门和化验盒装载机构、注射器驱动器和阀驱动器中的任一个能够操作地联接；
开/关门机构，与化验盒装载机构协作地联接并且由可反向驱动传动机构驱动；
注射器驱动器，与所述无刷直流电机可操作地联接并且基于所监测的所述无刷直流电机的电流汲取而被控制；
阀驱动机构，基于由所述无刷直流电机的n个电压传感器提供的电压信号与n相无刷直流电机可操作地联接而无需使用编码器或位置传感器；
超声波喇叭，能够与所述化验盒接合以用于裂解所述化验盒内的生物材料，并与控制器操作性地联接，所述控制器配置成基于提供最高输出幅值作为谐振频率的频率控制超声处理；
热控制装置，具有能够与所述化验盒的反应容器热接合的第一热电冷却器以及与所述第一热电冷却器热耦合的至少一个其它热操控装置，并且受到控制以增加所述第一热电冷却器的效率以利用所述第一热电冷却器促进所述反应容器在第一温度和第二温度之间的快速热循环；
光学激励/检测块，能够相对于所述反应容器安装以便于以基本上正交的角度将激励能量发射到所述反应容器内的流体样本中，从所述角度通过所述反应容器的一个或多个边缘和/或主面检测激励；以及
通信单元，配置成与用户的移动装置无线通信，以便接收用户输入，所述用户输入与所述系统关于容纳在所述系统中的所述化验盒的功能相关并且将与所述化验盒有关的诊断结果中继到所述移动装置。
2.一种用于诊断化验系统的开门系统，包括：
所述诊断化验系统的机架；
无刷直流(BLDC)电机，联接到所述诊断化验系统的所述机架；
可反向驱动传动装置，能够由所述无刷直流电机在所述可反向驱动传动装置的顶端和底端行进位置之间操作；
门，能够相对于所述诊断化验系统的所述机架从关闭位置移动到打开位置，其中，所述无刷直流电机被配置成基于所述无刷直流电机的电流测量值来操作所述可反向驱动传动装置，所述电流测量值与所述可反向驱动传动装置在所述顶端行进位置和底端行进位置处的反向驱动事件相关联。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述可反向驱动传动装置包括由所述无刷直流电机驱动的导螺杆，其中，所述导螺杆可反向驱动。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，桥接件被螺纹连接到所述导螺杆。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，第一长型齿条部分和第二长型齿条部分连接到所述桥接件。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一长型齿条部分和所述第二长型齿条部分均能够在所述顶端行进位置和所述底端行进位置之间移动。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一长型齿条部分和所述第二长型齿条部分分别包括第一齿条和第二齿条。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一长型齿条部分和所述第二长型齿条部分还分别包括第一凸轮通道和第二凸轮通道。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一凸轮通道和所述第二凸轮路径能够移动地联接到第一化验盒装载臂和第二化验盒装载臂的凸轮从动件。
10.根据权利要求7所述的系统，还包括分别与所述第一齿条部分和所述第二齿条部分接合的第一小齿轮和第二小齿轮。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括分别由所述第一小齿轮和所述第二小齿轮驱动的第一门齿轮和第二门齿轮。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述门包括与所述第一门齿轮和所述第二门齿轮分别接合的第一门齿条和第二门齿条。
13.根据权利要求2所述的系统，其中，所述无刷直流电机不包括任何编码器硬件并且所述可反向驱动传动装置不包括任何位置传感器。
14.根据权利要求2所述的系统，其中，所述可反向驱动传动装置联接到化验盒装载机构，以及其中，化验盒插入所述门而施加到所述化验盒装载机构的力反向驱动所述可反向驱动传动装置，所述力被检测为施加到所述可反向驱动传动装置的扭矩。
15.一种用于操作诊断化验系统的开门系统的方法，包括：
接收打开所述诊断化验系统的化验盒接纳门的命令；
操作联接到可反向驱动传动装置的无刷直流(BLDC)电机以从关闭位置打开所述化验盒接纳门，所述可反向驱动传动装置能够操作地联接到所述化验盒接纳门和化验盒装载机构；
检测所述可反向驱动传动装置发生的第一反向驱动事件；
基于检测到所述第一反向驱动事件，停止所述无刷直流电机的操作以将所述化验盒接纳门放置在打开位置，并且将所述化验盒装载机构的方面放置在适于接纳化验盒的位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述无刷直流电机不包括任何编码器硬件并且所述可反向驱动传动装置不包括任何位置传感器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，通过监视所述无刷直流电机的电流输入来检测所述第一反向驱动事件。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一反向驱动事件包括所述可反向驱动传动装置的方面到达行程极限。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述可反向驱动传动装置包括导螺杆。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述门处于所述打开位置时检测所述可反向驱动传动装置发生的第二反向驱动事件。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二反向驱动事件是由化验盒体推压所述化验盒装载机构引起的。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括基于检测到所述第二反向驱动事件，操作所述无刷直流电机以将所述门放置回到所述关闭位置。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括检测所述可反向驱动传动装置发生的第三反向驱动事件。
24.根据权利要求22所述的方法，基于检测到所述第三反向驱动事件，停止所述无刷直流电机的操作以将所述门置于关闭位置。
25.一种用于操作诊断化验系统的注射器驱动器的系统，包括：
诊断化验系统的机架；
无刷直流(BLDC)电机，联接到诊断化验系统的所述机架；
可反向驱动导螺杆，能够由所述无刷直流电机操作；
柱塞杆，能够由所述导螺杆操作以接合可移除化验盒，
其中，所述无刷直流电机配置成基于监视所述无刷直流电机的电流汲取来操作所述导螺杆，所述电流与所述可移除化验盒内的压力改变相关联。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述导螺杆不与任何位置传感器相关联。
27.根据权利要求24所述的系统，其中，所述无刷直流电机不包括任何编码器硬件。
28.根据权利要求25所述的系统，其中，所述柱塞杆通过横向臂联接到所述导螺杆。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述柱塞杆能够操作以与可移除化验盒的柱塞头接合。
30.根据权利要求25所述的系统，其中，所述无刷直流电机配置成基于检测到所述电流的改变来改变操作以改变所述可移除化验盒内的压力。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，改变所述无刷直流电机的操作包括升高所述柱塞杆以降低所述可移除化验盒内的压力。
32.根据权利要求30所述的系统，其中，改变所述无刷直流电机的操作包括降低所述柱塞杆以增加所述可移除化验盒内的压力。
33.根据权利要求30所述的系统，其中，改变所述无刷直流电机的操作包括使所述柱塞杆减速以降低所述可移除化验盒内的压力速率。
34.根据权利要求30所述的系统，其中，改变所述无刷直流电机的操作包括加速所述柱塞杆以增加所述可移除化验盒内的压力速率。
35.一种用于操作诊断化验系统的注射器驱动器的方法，所述方法包括：
接收用于为无刷直流(BLDC)电机供电的命令，所述无刷直流电机能够操作以转动可反向驱动的导螺杆，柱塞杆联接到所述导螺杆并且能够由所述导螺杆移动；
向所述无刷直流电机施加功率以移动所述柱塞杆以接合可移除化验盒的注射器通道内的柱塞头；
通过监测与所述无刷直流电机的操作相关的至少一个电流来监测所述柱塞杆在所述注射器通道内的移动；
检测所述无刷直流电机的所述电流的变化；以及
基于检测到所述无刷直流电机的所述电流的变化，改变所述无刷直流电机的操作以实现所述柱塞杆在所述可移除化验盒内的移动的变化。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，在所述柱塞杆移动时发生监测所述无刷直流电机的所述至少一个电流。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，改变所述无刷直流电机的操作包括升高所述柱塞杆以降低所述可移除化验盒内的压力。
38.根据权利要求36所述的方法，其中，改变所述无刷直流电机的操作包括降低所述柱塞杆以增加所述可移除化验盒内的压力。
39.根据权利要求36所述的方法，其中，改变所述无刷直流电机的操作包括使所述柱塞杆减速以降低所述可移除化验盒内的压力变化率。
40.根据权利要求36所述的方法，其中，改变所述无刷直流电机的操作包括使所述柱塞杆加速以增加所述可移除化验盒内的压力变化率。
41.一种用于操作阀驱动机构的系统，所述系统包括：
阀驱动机构机架；
无刷直流(BLDC)电机，联接到所述阀驱动机构机架，其中，所述无刷直流电机包括多个霍尔效应传感器并且不包括任何编码器硬件；
传动装置，联接到所述无刷直流电机；以及
阀驱动器，联接到所述传动装置，所述阀驱动器配置成旋转可移除化验盒的阀体的位置，
其中，基于分析由所述霍尔效应传感器产生的正弦信号来确定所述阀驱动器输出的位置。
42.根据权利要求41所述的系统，其中，所述传动装置包括：
第一蜗杆传动齿轮组，直接附接到所述无刷直流电机的输出轴；
第二蜗杆传动齿轮组，联接在所述第一蜗杆传动齿轮组和所述阀驱动器输出之间。
43.根据权利要求41所述的系统，其中，所述无刷直流电机位于所述阀驱动机构底架的底侧，并且所述阀驱动器输出位于所述阀驱动机构底架的顶侧。
44.根据权利要求41所述的系统，其中，所述阀驱动器包括转台。
45.根据权利要求41所述的系统，其中，所述无刷直流电机配置成基于所述无刷直流电机的电桥电路的电流测量值来监测化验盒的完整性，所述电流汲取测量值与指示所述可移除化验盒的完整性的损失事件相关联。
46.根据权利要求41所述的系统，其中，所述无刷直流电机配置为通过基于由所述霍尔效应传感器产生的所述正弦信号执行居中协议来归位和居中所述阀驱动器输出的位置。
47.一种用于操作阀驱动机构的方法，所述方法包括：
接收命令以对联接至所述机架的无刷直流(BLDC)电机供电以将阀驱动器移动到特定位置，所述阀驱动器配置成旋转可移除化验盒的阀体的位置，
其中，传动装置联接在所述无刷直流电机与所述阀驱动器之间，以及其中，所述无刷直流电机包括多个霍尔效应传感器但不包括任何编码器硬件；以及
响应于使所述无刷直流电机的轴旋转特定圈数来对所述无刷直流电机供电，以基于由所述霍尔效应传感器产生的正弦信号将所述阀驱动器移动到所述特定位置。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述传动装置包括：
第一蜗杆传动齿轮组，直接附接到所述无刷直流电机的输出轴；
第二蜗杆传动齿轮组，联接在所述第一蜗杆传动齿轮组和所述阀驱动器输出之间。
49.根据权利要求47所述的方法，其中，所述阀驱动器包括转台。
50.根据权利要求47所述的方法，其中，所述无刷直流电机配置成基于所述无刷直流电机的电桥电路的电流测量值来监测化验盒的完整性，所述电流汲取测量值与指示所述可移除化验盒的完整性损失的事件相关联。
51.根据权利要求47所述的方法，其中，所述无刷直流电机配置为通过基于由所述霍尔效应传感器产生的所述正弦信号执行居中协议来归位和居中所述阀驱动器输出的位置。
52.一种与诊断化验系统中的化验盒一起使用的超声波喇叭组件，所述超声波喇叭组件包括：
超声波喇叭，具有锥形部分，所述锥形部分终止于成形的尖端以促进超声波能量的输送，以裂解与所述喇叭的尖端接合的化验盒内的生物材料；
喇叭壳体，在所述喇叭壳体中设置超声波喇叭；以及
偏置构件，与所述喇叭壳体接合并且适于当所述超声波喇叭组件组装在所述诊断化验系统内以便于施加与所述化验盒的接触力时，将所述喇叭的尖端朝向与所述化验盒接合偏置。
53.根据权利要求52所述的超声波喇叭组件，其中，所述偏置构件是保持在所述喇叭壳体周围的弹簧线圈。
54.根据权利要求52所述的超声波喇叭组件，还包括：
机架，其中设置所述喇叭壳体和所述弹簧线圈，使得所述弹簧接合所述机架和所述喇叭壳体中的每一个，以适于促进所述超声波喇叭在下降位置和升高位置之间移动，所述下降位置便于所述化验盒的装载和从所述诊断化验系统排出，所述升高位置便于所述喇叭与所述化验盒的接合以裂解所述生物材料。
55.根据权利要求54所述的超声波喇叭组件，其中，所述喇叭壳体包括楔形部分，所述楔形部分配置成当组装在所述喇叭壳体中时与所述模块的凸轮接合，并且便于在所述降低位置和升高位置之间的受控运动。
56.根据权利要求52所述的超声波喇叭组件，其中，所述诊断化验系统还包括：
门齿条机构，与所述系统的所述凸轮和门中的每一个接合，使得所述门齿条机构的移动实现所述门在打开位置和关闭位置之间的协调移动，从而允许所述喇叭在所述降低位置和所述升高位置之间移动。
57.根据权利要求52所述的超声波喇叭组件，其中，所述超声波喇叭包括质量块和至少一个压电致动器，所述喇叭组件还包括：
喇叭控制电路，其中，当所述喇叭处于操作状态时，所述控制电路施加波形电压以及受控频率和幅值以传送具有指定的电压和电流关系的功率幅值。
58.根据权利要求57所述的超声波喇叭组件，其中，所述喇叭控制电路利用一个或多个闭合控制回路。
59.根据权利要求58所述的超声波喇叭组件，其中，所述喇叭控制电路被配置成：
建立提供最高输出幅值作为谐振频率的频率；和
测量谐振频率下输入电压和输出电压之间的相位。
60.根据权利要求59所述的超声波喇叭组件，其中，所述喇叭控制电路配置成：
通过调整所述输入频率来锁定输入电压和输出电压之间的测量相位。
61.根据权利要求57所述的超声波喇叭组件，其中，所述喇叭控制电路基于在超声处理过程期间每个其他致动器的测量相位来控制施加到每个致动器的电流。
62.根据权利要求57所述的超声波喇叭组件，其中，所述喇叭控制电路配置成斜升到电流和/或电压的目标应用以提供期望的超声波输出。
63.一种用于诊断化验系统的仪器子组件，所述仪器子组件包括：
热控制装置部件；
光学部件；和
光学安装件，适于联接所述热控制装置部件和所述光学部件，以便支承与插入到所述系统中的化验盒的反应容器足够接近的各个部件用于执行用于检测目标分析物的核酸测试。
64.根据权利要求63所述的仪器子组件，其中，所述热控制装置部件和光学部件联接到所述诊断化验系统的框架中并且能够插入到所述诊断化验系统的框架中。
65.根据权利要求63所述的仪器子组件，其中，所述热控制装置部件包括第一TEC和第二TEC，第一TEC和第二TEC之间设置有热介入器。
66.根据权利要求63所述的仪器子组件，其中，所述光学部件包括：
光学激励装置和光学检测装置，光学激励装置和光学检测装置中的每个均设置在所述光学安装件上，
其中，所述光学激励装置定位成通过所述反应容器的第一边缘进行激励，以及所述光学检测装置定位成通过所述反应容器的第二边缘进行检测。
67.根据权利要求63所述的装置，其中，所述热控制装置部件设置在具有散热器的热安装件上，所述热安装件适于与所述光学安装件接口连接。
68.根据权利要求63所述的装置，其中，所述光学安装件限定用于接纳所述反应容器的腔体。
69.根据权利要求68所述的装置，其中，当所述反应容器设置在所述腔体内时，所述热控制装置邻近于所述反应容器的第一主平面设置。
70.根据权利要求69所述的装置，其中，当所述反应容器设置在所述腔体内时，所述激励装置沿着所述反应容器的边缘设置。
71.根据权利要求70所述的装置，其中，当所述反应容器设置在所述腔体内时，所述光学检测装置沿着所述反应容器的主平面设置。
72.根据权利要求69所述的装置，还包括：
热接触机构，适于将所述热控制装置与所述主平面表面压力接合，以改善所述反应容器内的流体样本的热循环。
73.根据权利要求72所述的装置，其中，所述热接触机构包括可滑动部件，所述热控制装置安装件通过所述可滑动部件与所述光学部件接口连接。
74.根据权利要求73所述的装置，其中，所述热接触机构包括凸轮，所述凸轮与所述分子诊断装置系统的所述可滑动部件和门驱动齿条接合，所述仪器子组件驻留于所述分子诊断装置系统中，其中所述凸轮适于使得实现所述门的关闭的门驱动齿条的移动转换为所述热控制装置的横向运动，直到所述热控制装置与所述反应容器的主平面表面压力接合。
75.根据权利要求63所述的装置，还包括处理器、可操作地联接到所述热控制装置部件和光学部件中的每个的控制器。
76.根据权利要求63所述的装置，还包括：
传感器，用于检测化验模块内的化验盒的接近度和/或位置，其中，所述控制器配置成响应于来自所述传感器的输出来协调所述热控制装置和所述光学部件的操作。
77.根据权利要求76所述的装置，其中，所述传感器包括用于检测所述化验模块内的所述化验盒的近场通信传感器。
78.一种与平面反应容器一起使用的光学部件，所述光学部件包括：
光学安装件，适于联接在诊断化验系统内；
光学激励块，适于在适当位置与所述光学安装件联接，以基本上通过所述反应容器的边缘将激励能量发射到所述反应容器内的流体样本中；
光学检测块，适于在适当位置与所述光学安装件联接，以通过所述反应容器的主平面表面检测来自所述反应容器内的所激励的流体样本的光学输出。
79.一种执行化验的方法，包括：
将具有流体样本的化验盒插入诊断化验系统中；
处理所述流体样本并将所述流体样本输送到与所述化验盒流体联接的反应容器中；
通过使所述诊断化验系统内的可移动热控制装置部件接合以热接合所述反应容器，通过控制所述反应容器内的所述流体样本的温度循环来执行热循环。
80.根据权利要求79所述的方法，其中，控制所述温度循环包括使所述反应容器的两个主面与双TEC热控制装置热接合。
81.根据权利要求79所述的方法，还包括：
通过沿着与光学检测路径正交的光学路径光学地激励所述流体样本来执行所述反应容器内的所述流体样本的光学询问。
82.根据权利要求81所述的方法，其中，执行所述流体样本的光学询问包括通过所述反应容器的第一副面光学地激励所述流体样本，并且通过所述反应容器的第二副面光学地检测输出的光学光。
83.根据权利要求81所述的方法，其中，执行所述流体样本的光学询问包括通过所述反应容器的第一副面光学地激励所述流体样本，并且通过所述反应容器的第二副面光学地检测输出的光学光。
84.根据权利要求81所述的方法，其中，光学询问是利用具有高数值孔径的光学配置和布置在所述光学路径内的多个透镜来执行的。
85.根据权利要求81所述的方法，其中，光学询问利用具有低数值孔径的光学配置来执行，而不需要使用沿着所述光学路径的透镜。
86.根据权利要求81所述的方法，其中，执行热循环与执行光学询问同时进行。
87.一种通过移动装置管理诊断化验系统的方法，所述方法包括：
在移动装置处接收用于控制诊断装置的功能的用户输入；
响应于接收到所述用户输入，通过所述移动装置将控制信息发送给所述诊断装置；
通过所述移动装置接收来自所述诊断装置的数据；以及
将所述数据中继到服务器而不存储或描述所述数据。
88.根据权利要求87所述的通过移动装置管理诊断化验系统的方法，还包括从与所述移动装置通信链接的多个诊断装置中选择所述诊断装置。
89.根据权利要求87所述的通过移动装置管理诊断化验系统的方法，其中，所述移动装置经由局域网(LAN)与所述诊断装置通信地链接并经由广域网(WAN)与所述服务器通信地链接。
90.根据权利要求87所述的通过移动装置管理诊断化验系统的方法，其中，所述LAN包括所述移动装置与所述诊断装置之间的对等通信。
91.一种诊断装置，包括：
通信子系统；
诊断部件；和
处理器，与所述通信子系统和所述诊断部件通信地联接，所述处理器配置成使所述医疗诊断装置：
使用所述通信子系统无线地接收来自移动装置的装置命令；
使用所述通信子系统将装置命令响应无线发送给所述移动装置；
使用所述诊断部件进行测试；以及
使用所述通信子系统将指示所述测试结果的诊断信息无线发送到远程服务器。
92.根据权利要求91所述的诊断装置，其中，所述处理器配置成使所述诊断装置经由所述一个或多个移动装置将所述诊断信息无线发送到所述远程服务器。
93.根据权利要求91所述的诊断装置，其中，所述通信子系统配置成使得能够与所述移动装置的对等通信。
94.根据权利要求91所述的诊断装置，其中，所述处理器配置成使所述诊断装置：
使用所述通信子系统向所述移动装置发送网络标识符；
使用所述通信子系统接收来自所述移动装置的网络访问信息；和
使用所述网络访问信息与网络进行连接。
95.根据权利要求94所述的诊断装置，其中，所述处理器配置成使所述诊断装置发送所述网络标识符并且使用近场通信(NFC)无线地接收所述网络访问信息。
96.根据权利要求91所述的诊断装置，其中，所述处理器配置成使所述诊断装置与一个或多个另外的移动装置进行无线通信。
97.根据权利要求91所述的诊断装置，其中，所述处理器还配置成在将所述诊断信息发送到所述远程服务器之前加密所述诊断信息。
98.根据权利要求91所述的诊断装置，其中，所述处理器还配置成基于读取接纳在所述装置中的所述化验盒上的标记来识别待执行的测试并且从所述远程服务器接收与所标识的测试相对应的测试协议。
99.一种管理根据权利要求1所述的诊断化验系统的方法。
分子诊断化验系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2015年7月24日提交的标题为“Molecular Diagnostic Assay System(分子诊断化验系统)”的第62/196,845号美国临时专利申请的优先权的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。
[0003] 本申请总体涉及：与本申请同时提交的标题为“Thermal Control Device and Methods of Use(热控装置和使用方法)的第_号美国专利申请[代理人卷号85430-1017353-011410US]”；与本申请同时提交的标题为“Encoderless Motor with Improved Granularity and Methods of Use(具有改进粒度的无编码器电机和使用方法)”的第_号美国专利申请[代理人卷号85430-0971600-010610US]；于2013年3月15日提交的标题为“Honeycomb tube(蜂巢管)”的第13/843,739号美国专利申请；于2013年3月14日提交的标题为“Remote Monitoring of Medical Devices(医疗设备的远程监控)”的第13/828,741号美国专利申请；于2002年2月25日提交的标题为“Fluid Processing and Control(流体处理和控制)”的第8,048,386号美国专利；以及于2000年8月25日提交的标题为“Fluid Control and Processing System(流体控制和处理系统)”的第6,374,684号美国专利；以上专利申请/专利均通过引用以其整体并入本文以用于所有目的。
背景技术
[0004] 技术进步已经使当今世界成为日益相互联系的环境。虽然航空旅行允许普通人在一天内从一个大陆到另一个大陆环游世界，但也可能使传染性病原体迅速传播，使全球人口暴露于可能造成毁灭性后果的致命疾病。最近，重症急性呼吸系统综合症(SARS)、中东呼吸综合征(MERS)和埃博拉出血热的暴发成为源于一个大陆某个地区的公共卫生事件可以如何迅速演变成重大全球关注的示例。当今世界的高度流动性需要可靠的诊断工具来提供实时的结果，并促进对任何潜在流行病的早期检测和即时响应。
[0005] 另一方面，在这个世界上仍然存在很多偏远和欠发达的地区，在这些地区当地居民不容易获得医疗保健。医疗保健机构(诸如，医院和诊所)或者甚至医疗产品/服务零售商(例如，药店)的不充分的可及性严重阻碍了为患者(特别是那些患有传染病的患者)实现及时诊断和治疗的任何努力，使得难以正确评估流行病风险或难以有效遏制流行病快速蔓延。因此，迫切需要新型改进的诊断工具，不管位置如何，无论是在医疗保健机构、社区诊所、零售服务提供者，还是在电力、通信(例如，互联网)、传统医疗保健服务和/或医疗保健专业人员可能无法常规获取的资源有限的环境中，该工具高度可移动，能够进行复杂的分子测试以产生快速、可靠和准确的诊断结果。
[0006] 本发明人已经开发了一种满足上述需求的高度精密但完全便携且非常易于使用的分子诊断化验系统。对现有分子诊断化验系统(例如，Cepheid的 系统)进行改进后，本文所述的新型分子诊断化验系统包括医疗诊断设备，其可选地由电池供电，通常体积小且重量轻，因此允许在患者可能远离医院、检验室甚至药店的任何地方完全便携地使用。该诊断设备能够执行全自动分子诊断化验(可选地同时检测多种病原体)，快速获得准确的结果(通常在1或2小时内并且可快至15-20分钟)。其操作简单，使用一个或多个预先制造的化验盒，可快速获得指示患者是否携带特定病原体或患有特定疾病状态的测试结果。
[0007] 这种新设计的分子诊断化验系统还包括提供安全的基于云的连接性的组件，以将来自便携式测试设备的诊断结果传送到远程报告系统或诸如由医生或患者用来接收诊断报告的手持设备的移动设备，远程报告系统可以是集中式数据收集或处理中心。利用这种云支持的连接性，数据共享可以几乎瞬时发生，不仅可以允许医生没有任何延迟地开始治疗患者，而且还能够大规模地监测和报告任何潜在的流行病。
[0008] 这些重要的特征避免了目前的局限性，这些局限性倾向于阻止或妨碍在医疗保健机构很少且诊断测试能力稀缺的贫困偏远地区的患者进行早期诊断和有效治疗。这种新设计的分子诊断化验系统是第一个真正的即时护理诊断工具，几乎在任何环境下都具有快速部署和全面操作的优势。无论人们身在何处，其真正为人们带来了诊断测试。其可部署性、快速且准确的诊断功能、技术精密但易于操作以及基于云的连接性的组合使得这种新型分子诊断化验系统成为新兴市场的终极解决方案，同时也是定义医学诊断测试未来的革命性潮流引领者。
发明内容
[0009] 在一方面，本发明提供了一种改进的诊断化验系统。这样的系统可以包括涉及各种子组件的改进，所述子组件包括：门驱动组件、注射器驱动器和阀驱动器、超声波喇叭、热和光学检测组件以及装置管理/通信系统。可以理解的是，这些子组件中的任何子组件都可以单独包括在这种诊断化验系统中或与任何其他子组件组合以提供本文所述的改进的性能方面。
[0010] 在一些实施方式中，本发明包括适于接纳化验盒(有时也称为“样本盒”或“测试盒”)的诊断化验系统。这样的系统可以包括本文描述的各种特征和子组件中的任何一个或其组合。
[0011] 在一些实施方式中，诊断化验系统包括与例如门打开/关闭机构和化验盒装载系统、注射器驱动器和/或阀驱动器中的任一个可操作地联接的无刷直流(BLDC)电机。
[0012] 在一些实施方式中，诊断化验系统包括与化验盒装载机构协作联接并由可反向驱动传动机构驱动的门打开/关闭机构。
[0013] 在一些实施方式中，诊断化验系统包括注射器驱动器，其与n相BLDC电机可操作地联接，并且至少部分地基于BLDC电机的监测电流汲取来控制。
[0015] 在一些实施方式中，诊断化验系统包括：超声波喇叭，可与化验盒接合以用于裂解化验盒内的生物材料，并且与控制器操作地联接，该控制器被配置成至少部分地基于提供最高输出幅值作为谐振频率的频率控制超声处理。
[0016] 在一些实施方式中，诊断化验系统包括：热控制装置，具有可与所述化验盒的反应容器(有时也称为“反应管”)热接合的第一热电冷却器以及与所述第一热电冷却器热耦合的至少一个其它热操控装置，并且被控制以增加所述第一热电冷却器的效率以便于利用所述第一热电冷却器在第一温度和第二温度之间快速热循环所述反应容器。
[0017] 在一些实施方式中，诊断化验系统包括：光学激励/检测块，可相对于所述反应容器安装以便以基本上正交的角度将激励能量发射到所述反应容器内的流体样本中，从该角度通过所述反应容器的一个或多个边缘(副面)和/或主面检测激励。
[0018] 在一些实施方式中，诊断化验系统包括：通信单元，配置成与用户的移动装置无线通信，以便接收用户输入，所述用户输入与所述系统关于其中容纳的所述化验盒的功能相关并且将与所述化验盒有关的诊断结果中继到所述移动装置。
[0019] 本发明的一些实施方式涉及用于诊断化验系统的门操作系统。该系统可以包括诊断化验系统的机架。无刷直流(BLDC)电机可以联接到所述诊断化验系统的所述机架。可反向驱动传动装置可由所述BLDC电机操作。门可相对于所述诊断化验系统的所述机架从关闭位置移动到打开位置(并从打开位置移动到关闭位置)。BLDC电机可配置成基于所述BLDC电机的电流测量值来操作所述可反向驱动传动装置，所述电流测量值与所述可反向驱动传动装置的反向驱动事件相关联。
[0020] 本发明的一些实施方式涉及一种用于操作诊断化验系统的门打开/关闭系统的方法。在该方法中，接收命令以打开所述诊断化验系统的化验盒接收门。操作联接到可反向驱动传动装置的无刷直流(BLDC)电机以从关闭位置打开所述门(反之亦然)，所述可反向驱动传动装置可操作地联接到所述门和化验盒装载机构。基于对电流的监测，可以检测所述可反向驱动传动装置发生的第一反向驱动事件。基于检测到所述第一反向驱动事件，可以停止将所述门放置在打开位置的BLDC电机的操作，并且可以将所述化验盒装载机构的方面放置在适于接收化验盒的位置。
[0021] 本发明的一些实施方式涉及用于操作诊断化验系统的注射器的系统。该系统可以包括诊断化验系统的机架。无刷直流(BLDC)电机可联接到诊断化验系统的所述机架。可反向驱动导螺杆可由所述BLDC电机操作。柱塞杆可由所述导螺杆操作以接合可移除化验盒的注射器通道中的柱塞头。所述BLDC电机可被配置为基于监视所述BLDC电机的电流汲取来操作所述导螺杆，所述电流与所述可移除化验盒内的压力改变相关联。
[0022] 本发明的一些实施方式涉及一种用于操作诊断化验系统的注射器的方法。可以接收为无刷直流(BLDC)电机供电的命令。BLDC电机可操作以转动可反向驱动的导螺杆。柱塞杆可联接到所述导螺杆并且可由所述导螺杆移动。可向所述BLDC电机施加电力以移动所述柱塞杆以接合可移除化验盒的注射器通道内的柱塞头。可监测与所述BLDC电机的操作相关的至少一个电流来确定可移除化验盒的质量。可检测所述BLDC电机的所述电流的变化。基于检测到所述电流的变化，可在所述可移除化验盒内改变所述BLDC电机的操作。
[0023] 本发明的一些实施方式涉及一种具有超声波喇叭和喇叭壳体的喇叭组件，喇叭组件通过可移动机构与一次性化验盒接合，该可移动机构使超声波喇叭在分离或缩回位置与接合或前进位置之间移动，分离或缩回位置便于装载和从诊断装置模块弹出化验盒，在接合或前进位置将喇叭压靠接合在化验盒的超声处理室上以促进室内生物细胞的裂解作为诊断化验的一部分，其可以包括但不限于聚合酶链反应分析。在一些实施方式中，可移动机构包括弹簧或偏置机构以及凸轮，凸轮接合喇叭壳体的楔形表面以实现喇叭在降低位置和升高位置之间移动。在一些实施方式中，喇叭组件的移动通过与其他可移动部件(例如装载/排出臂和化验盒模块门)共用的致动器来实现，以便提供诊断装置模块内的部件的有效的协调移动。
[0024] 本发明的一些实施方式涉及一种具有超声波喇叭和在闭环反馈下受控的至少一个压电致动器的喇叭。在一些实施方式中，喇叭包括利用正弦控制和相位匹配来控制谐振频率的控制电路。这些特征确保压电致动器之间的同相振动，以便提供一致稳健的超声波能量输送，其中超声波喇叭具有比可行的其他方式更小的尺寸和功率要求。
[0025] 本发明的一些实施方式涉及一种用于操作阀驱动机构的方法。可以接收命令以对联接到机架的无刷直流(BLDC)电机供电以将阀驱动器移动到特定位置。所述阀驱动器可被配置为旋转可移除化验盒的阀体的位置。传动装置可联接在所述BLDC电机与所述阀驱动器之间。BLDC电机不包括任何位置传感器或编码器硬件但可包括多个霍尔效应传感器。可对BLDC电机供电以使所述BLDC电机的轴旋转特定圈数来基于由所述霍尔效应传感器产生的正弦信号将所述阀驱动器移动到所述特定位置。
[0026] 一些实施方式涉及一种用于操作阀驱动机构的系统。该系统可以包括阀驱动机构机架。无刷直流(BLDC)电机可联接到所述机架。BLDC电机不包括任何位置传感器或编码器硬件但可包括多个霍尔效应传感器。传动装置可联接到所述BLDC电机。阀驱动器可联接到所述传动装置。阀驱动器可被配置成旋转可移除化验盒的阀体的位置。可以基于分析由所述霍尔效应传感器产生的正弦信号来确定所述阀驱动器输出的位置。
[0027] 本发明的一些实施方式涉及一种诊断装置，其可以包括热光学子组件(“TOS”)，其包括热控制装置部件和光学激励/检测部件。在一些实施方式中，热控制装置包括执行反应容器的热循环的热电冷却器(“TEC”)部件。光学部件激励/检测部件以改进的控制、快速度和效率对目标分析物进行激励和光学检测。在一些实施方式中，TOS包括用于将热控制装置与光学部件接口连接的安装部件，并且限定用于接收具有制备好的流体样本以执行目标分析物的化验的反应容器的腔体。在一些实施方式中，安装部件在反应容器附近提供热控制装置和光学部件，以便同时或快速连续地执行用于靶分析物的扩增、激励和光学检测的热循环。在一些实施方式中，反应容器包括反应容器内的微阵列或多个单独的反应孔和/或预扩增室。在一些实施方式中，TOS包括一个或多个机构，其移动热控制装置以便当定位在诊断装置内时压力接合反应容器的至少一个表面，从而提高热循环的效率。在一些实施方式中，TOS与一个或多个印刷电路板(PCB)、处理器和控制器集成以根据特定化验协调热循环和光学激励/检测。在一些实施方式中，TOS包括用于检测反应容器或相关样本化验盒的接近度的传感器，以便于热控制装置和/或光学部件相对于反应容器或其操作的定位。
[0028] 本发明的一些实施方式涉及一种热控制装置，其可以包括：第一TEC，具有工作面和参考面；第二TEC，具有工作面和参考面；热电容器或热介入器，设置在第一TEC和第二TEC之间，使得第一TEC的参考面通过热电容器与第二TEC的工作面热耦合。在一些实施方式中，热介入器位于第一和第二TEC装置之间。在一些实施方式中，热介入器充当热电容器。在一些实施方式中，热控制装置包括可操作地联接到第一TEC和第二TEC中的每个的控制器，控制器被配置成与第一TEC并行地操作第二TEC，以便随着第一TEC的工作面的温度从初始温度变为期望的目标温度而提高操作第一TEC的速度和效率。
[0029] 本发明的一些实施方式涉及一种光学部件，该光学部件可以包括位于光学安装件上的光学激励块和光学检测块，光学安装件被配置为接纳反应容器。在一些实施方式中，反应容器包括两个相对的主平面壁，这些主平面壁通过副平面壁彼此间隔开，其中至少两个副平面壁彼此偏移大约90度。在一些实施方式中，光学激励块被定位成通过其中一个副壁将激励能量传输到反应容器中，并且光学检测块被定位成用于沿反应容器的主平面进行检测。在一些实施方式中，激励和检测通过反应容器的相对的副壁发生。在一些实施方式中，光学激励和光学检测部件彼此正交。与常规系统相比，光学部件适合于具有相对低的数值孔径(例如低角度散度)。这种配置以较小的数字角度提供较大的检测体积，由此提供改进的光学灵敏度并促进光学对准。
[0030] 另一方面，TOS包括用于检测化验盒或反应容器相对于TOS的接近度和/或位置以及身份的传感器。在一些实施方式中，传感器是近场通信传感器，其适于检测化验盒何时已经装载到诊断化验系统的诊断装置(有时也称为“诊断模块”)中、识别化验以及将化验盒链接到样本标识符。在一些实施方式中，TOS包括用于响应于传感器而协调热控制装置和光学模块的操作的控制器。
[0031] 本发明的一些实施方式涉及一种通过移动装置管理诊断化验系统的方法。在移动装置处可接收用于控制诊断装置的功能的用户输入。响应于接收到所述用户输入，通过所述移动装置可将控制信息发送给所述诊断化验装置。可在所述移动装置处接收来自所述诊断化验装置的数据(例如，医疗数据)。可将所述数据中继到服务器而不存储或描述所述数据。
[0032] 本发明的一些实施方式涉及一种具有通信子系统的诊断化验装置。该系统可以包括诊断部件。处理器可与所述通信子系统和所述诊断部件通信地联接。处理器可配置成使诊断化验装置使用所述通信子系统无线地接收来自移动装置的装置命令。处理器还可配置成使用所述通信子系统将装置命令响应无线发送给所述移动装置。处理器还可配置成使用所述诊断部件进行测试。处理器还可配置为使用所述通信子系统将指示所述测试结果的加密的诊断信息(例如，医疗信息)无线发送到远程服务器。附图说明
[0033] 图1A是根据本发明的一些实施方式的诊断化验系统的立体图。
[0034] 图1B是根据本发明的一些实施方式的诊断化验系统的分解图。
[0035] 图2A至图2C是根据本发明的一些实施方式的无刷直流(BLDC)电机的立体图。
[0037] 图2E是根据本发明的一些实施方式的用于控制BLDC电机的电路图。
[0038] 图3A至图3C是根据本发明的一些实施方式的用于确定BLDC电机的扭矩输出的模型的图。
[0039] 图4A是根据本发明一些实施方式的开门机构的立体图。
[0040] 图4B至图4E是根据本发明的一些实施方式的使用中的诊断化验系统的截面图。
[0041] 图5A是根据本发明的一些实施方式的使用中的诊断化验系统的截面图。
[0042] 图5B和图5C是根据本发明的一些实施方式的用于操作诊断化验系统的多个方面的方法的流程图。
[0043] 图6A和图6B是根据本发明的一些实施方式的阀驱动机构的立体图。
[0044] 图6C是根据本发明的一些实施方式的将输出信号与阀驱动器位置相关联的曲线图。
[0045] 图7A至图7B示出了根据本发明的一些实施方式的用于诊断化验系统中的超声喇叭组件。
[0046] 图8A至图8D示出了根据本发明的一些实施方式的超声喇叭组件的部件视图。
[0047] 图9A至图9B示出了根据本发明的一些实施方式在化验盒装载期间和之后的诊断化验系统的截面图。
[0048] 图10A示出了化验盒的截面图，图10B示出根据本发明的一些实施方式的装载在具有超声喇叭组件的诊断化验系统中的化验盒的剖视图。
[0049] 图11A1-2至图11B1-2分别示出了根据本发明的一些实施方式的处于分离位置和接合位置的喇叭组件的侧视图和截面图。
[0050] 图12A示出示例性超声喇叭，图12B示出了根据本发明一些实施方式的用于超声喇叭的操作的控制图。
[0051] 图13示出了根据本发明的一些实施方式的用于控制喇叭组件的传递函数。
[0052] 图14示出了根据本发明的一些实施方式的喇叭组件的控制示意图。
[0053] 图15至图17示出了根据本发明一些实施方式的喇叭组件的控制图。
[0054] 图18示出了根据本发明一些实施方式的插入化验模块之前的示例性TOS子组件。
[0055] 图19A至图19B示出了根据本发明的一些实施方式的示例性TOS子组件的主视图和后视图。
[0056] 图20A至图20B示出了根据本发明一些实施方式的示例性TOS的分解图。
[0057] 图21A至图21B示出了根据本发明的一些实施方式的示例性TOS的光学部件和相关联的PCB。
[0058] 图22A至图22B示出了根据本发明的一些实施方式的示例性热控制装置部件和在示例性TOS中具有稳固的柔性连接的关联PCB。
[0059] 图23A至图23B示出了根据本发明的一些实施方式的配置为与示例性TOS的光学安装件接合的示例性热控制装置部件。
[0060] 图24A至图24B图示了根据本发明的一些实施方式的分别可移动地联接至处于打开配置和夹紧配置的光学安装件的示例性热控制装置部件。
[0062] 图26A至图26B示出了根据本发明的一些实施方式的示例性热控制装置部件，该热控制装置部件与由模块的门齿条致动的滑动基座可移动地联接。
[0063] 图27示出了根据本发明的一些实施方式的TOS部件的示例性块控制图。
[0064] 图28示出了根据本发明的一些实施方式的TOS的光学和热控制部件的示例性示意图。
[0065] 图29示出了根据本发明的一些实施方式的用于诊断化验系统中的示例性TOS。
[0066] 图30A至图30B示出了根据本发明的一些实施方式的用于诊断装置中的反应容器的两个示例性光学部件配置，以及图30C示出了根据本发明的一些实施方式的示例性光学部件配置的详细示意图。
[0067] 图31示出了根据本发明的一些实施方式的激励块310和检测块320的示例性详细视图。
[0068] 图32示出了根据本发明的一些实施方式的利用示例性光学部件的激励和检测部件的荧光检测。
[0069] 图33A示出了根据本发明的一些实施方式的热控制装置的示意图。
[0070] 图33B至图33C示出了根据本发明的一些实施方式的示例性热控制装置的模型。
[0071] 图34示出了根据本发明的一些实施方式的闭环控制下的热循环。
[0072] 图35示出了根据本发明的一些实施方式的在全范围的PCR热循环中的十个连续的热循环。
[0073] 图36A示出了热循环开始和连续热循环两天后的五个循环的热循环性能。
[0074] 图36B示出了根据本发明的一些实施方式的控制回路中使用的设定点的控制图。
[0075] 图37示出了根据本发明的一些实施方式的控制回路中使用的设定点的图。
[0077] 图39提供了根据本发明的一些实施方式的由诊断装置执行的软件的逻辑视图。
[0078] 图40是根据本发明的一些实施方式的诊断化验系统(Epsilon仪器核心架构)的框图。
[0079] 图41是示出根据本发明的一些实施方式的分层系统机器(HSM)部件的各种状态的图。
[0080] 图42是示出根据本发明的一些实施方式的仪器核心内部部件和接口的图。
[0081] 图43是示出根据本发明的一些实施方式的在移动装置上执行的软件部件的框图。
[0082] 图44是示出根据本发明的一些实施方式的由远程诊断报告服务执行的软件部件的框图。
[0083] 图45是示出了根据本发明的一些实施方式的诊断化验系统中的顶级数据流的数据流程图。
[0084] 图46是示出比图45更详细的数据流的实施方式的数据流程图，其中，移动装置的部件被分开描绘。
[0085] 图47是示出根据本发明的一些实施方式的诊断化验系统的位置配置过程的数据流图。
[0086] 图48是示出根据本发明的一些实施方式的用于在诊断化验系统中向移动装置提供操作更新的过程的数据流程图。
[0087] 图49是示出根据本发明的一些实施方式的用于向诊断化验系统中的诊断装置提供操作更新的过程的数据流程图。
[0088] 图50是根据本发明的一些实施方式的诊断化验系统中的这种过程的数据流程图。
[0089] 图51是示出根据本发明的一些实施方式的用于在诊断化验系统中提供诊断装置命令的过程的数据流程图。
[0090] 图52是示出根据本发明一些实施方式的用于在诊断化验系统的网络上提供医疗诊断装置注册的过程的数据流程图。
[0091] 图53是根据本发明的一些实施方式的计算机系统的图示，其可以至少部分地并入本文描述的诊断化验系统的装置和部件中。
[0092] 图54是根据本发明的一些实施方式的利用移动装置管理诊断化验系统的方法的流程图。
具体实施方式
[0093] 1.系统概述
[0094] 图1A示出了根据本发明实施方式的用于测试生物样本的系统10的立体图。系统10的紧凑形式因素提供便携式样本测试设备，其可以无线地或直接地(有线地)与本地计算机或基于云的网络进行通信。因此，系统10可以有利地在发展中国家和医生诊所检验室中用于包括移动诊断中心的定点护理应用。
[0095] 系统10可与配置成接受生物样本并与适于执行特定化验的一次性化验盒一起使用。该系统和化验盒具有高度的灵活性，并可用于检测各种分析物(包括核酸和蛋白质)。可使用该系统和化验盒检测的非限制示例性分析物包括：用于各种致病性疾病状态的细菌、病毒和疾病特异性标记物，所述致病性疾病状态包括与健康相关的感染(MRSA，艰难梭菌，耐万古霉素肠球菌(VRE)，诺罗病毒)、重大传染病(MTB/RIF，流感，RSV，EV)、性健康(CT/NG，GBS)、肿瘤学(例如，乳腺癌或膀胱癌)和遗传学(FII/FV)。在一些实施方式中，系统10可以通过集成的近场通信能力(例如，RFID、激光扫描)来识别化验盒的类型，并且因此将适当的化验例程应用于化验盒。在一些实施方式中，化验盒识别使用蓝牙技术、RFID标签、条形码、QR标签等。
[0096] 一旦将化验盒物理地插入系统10内并由系统10初始化，系统将执行样品处理的功能，在一些实施方式中，样品处理可以包括样本制备、核酸扩增和分析物检测过程。检测过程的结果可以无线或直接有线地上传到本地计算机或基于云的网络。有利地，本地计算机可以是具有专门设计为控制系统并与网络通信的软件应用的无线通信设备，诸如平板电脑或蜂窝电话。
[0097] 系统10可以由外部电源供电，但是可以拥有不间断供电(例如电池)以防止电力中断或现场使用的情况。不间断供电(UPS)允许现场使用系统，并且在一些实施方式中可以向系统提供至少一天的电力，优选地提供多至两天的电力。在一些实施方式中，UPS允许长达四小时的连续操作。如该外部视图所示，系统10可以包括外壳12和用于接收化验盒(未示出)的门14。不同类型的外壳12可以根据特定用户的需要进行配置。通常，外壳12由基本刚性的材料(例如，硬化的聚合物或金属结构)形成，以保护和支撑其内的部件。尽管这里没有示出，但是在一些实施方式中，外壳12可以很大程度地加固(装甲)以供现场使用，或者如这里所示进行装饰以供医生办公室使用。
[0098] 图1B示出了系统10(没有外壳)的分解图，并且主要子系统向外示出。下面提供了子系统的概述。以下各节描述每个子系统的其他细节。
[0099] 公开了利用无刷直流(BLDC)电机的各种子系统。通常，每个电机可以具有安装到印刷电路板(PCB)衬底的定子组件，并且可以包括可反向驱动的传动机构，例如导螺杆。在一些实施方式中，这样的BLDC电机利用模拟传感器(例如，霍尔传感器)来确定作为触发工具的角度定位和基于力的电流监测。这样的BLDC电机可以包括转子，该转子具有设置在其上并且被安装到基板上的定子的多个磁体，基板上具有至少与电机的相位一样多的传感器。三个传感器被定位成使得可以基于来自传感器的测量值的线性部分来控制转子的位移，从而提供改善的分辨率和粒度，而不需要使用任何基于位置的传感器或编码器硬件。因此，本文描述的BLDC电机不需要使用编码器硬件，并且它们相关联的动力传动系统不需要使用位置传感器。例如，该系统可以包括注射器驱动机构16，该注射器驱动机构16包括无刷BLDC电机，该无刷BLDC电机具有与可反向驱动导螺杆配合的输出轴。导螺杆驱动可与可移除化验盒的柱塞头接合的柱塞杆。这样的注射器驱动机构16可以与门驱动机构18共享PCB 30。门驱动机构还包括具有与可反向驱动导螺杆配合的输出轴的BLDC电机。注射器驱动机构16和门驱动机构18的电机被示出为直接安装到PCB板的相对侧，然而，这不是关键的，并且两个电机都可以安装在同一侧。在一些实施方式中，每个电机可以安装到其自己的PCB。
利用这种BLDC电机是有利的，因为改善的分辨率和粒度允许提高精度和效率，并且还允许由这种电机驱动的机构进一步小型化。然而，应该认识到，使用这样的BLDC电机不是必需的，并且如果需要的话，本文描述的任何机构也可以由传统类型的电机驱动，但是对于一些实施方式，附加的传感器和/或电路可能是必需的。
利用这种BLDC电机是有利的，因为改善的分辨率和粒度允许提高精度和效率，并且还允许由这种电机驱动的机构进一步小型化。然而，应该认识到，使用这样的BLDC电机不是必需的，并且如果需要的话，本文描述的任何机构也可以由传统类型的电机驱动，但是对于一些实施方式，附加的传感器和/或电路可能是必需的。
[0100] 如上所述，BLDC电机的独特之处在于包括多个霍尔效应传感器，但不包括任何传统的编码器硬件。在一些实施方式中，注射器驱动机构和门驱动机构以及相关联的子系统不包括位置传感器。在一些实施方式中，BLDC的转子和输出轴的角位置可以从PCB上的电路和模拟传感器的正弦波输出单独导出。因此，传统的位置传感器(例如，编码器、光学传感器等)不需要与本发明中使用的BLDC电机一起使用。为了使BLDC电机提供平滑的扭矩产生，可以实施诸如正弦波换向的电机控制技术。此外，可以使用脉冲宽度调制实现来使驱动电压居中以实现高速操作。
[0101] 另外，由于所述机构的导螺杆是可反向驱动的，因此可以使用基于力的行程末端检测来确定用于驱动所述机构的启动点和停止点。基于力的行程末端检测可以通过监测BLDC电机的电流(例如，电桥电路的电流)来导出，当发生基于力的事件时，BLDC电机的电流将偏离标准(增加或减少)。因此，这个偏差可以用作启动、停止、反转、减速和/或加速BLDC电机的触发事件。例如，在注射器驱动机构16的情况下，电流感测可以与压力相关联，并且因此用于通过调谐相关联的BLDC电机的RPM(转速)来向柱塞杆递送一致的或特意改变的压力。这减轻了对在线压力传感器以监测化验盒压力的需要。
[0102] 阀驱动机构20可以类似地使用相同类型的BLDC电机。在一些实施方式中，阀驱动机构20可以包括蜗杆传动齿轮系，蜗杆传动齿轮系最终输出到用于旋转可移除化验盒的阀的转台状阀驱动器。在一些实施方式中，蜗杆传动机构不像上述注射器驱动机构和门驱动机构那样可反向驱动。但是，阀驱动机构可以使用相同类型的霍尔效应位置确定和力基触发(电流监测)。例如，如果意外地转动阀驱动器需要基本上更少或更多的电流，那么这样的事件可以指示化验盒的堵塞或故障。此处，力基触发可以用来感测化验盒完整性故障。
[0103] 超声波喇叭机构22与阀驱动机构20部分地集成在一起。超声波喇叭机构22可以将可编程超声波功率以可编程的持续时间施加到化验盒，例如以便裂解化验盒内的目标样本。在一些实施方式中，超声波喇叭机构22可以采用谐振压电致动器来以大约30kHz或更大、大约40kHz或更大(诸如大约50kHz(例如50.5kHz))的频率施加振动。超声波喇叭机构22包括控制电路，该控制电路使用与电压激励相关的测量电流的相位来确定谐振频率。该频率可以由控制电路调整以保持预设的相位关系。在一些实施方式中，可以连续调整电压激励的幅值以保持命令的功率水平。基于这些功能，控制电路可以使喇叭的功率输出最大化。
[0104] 系统10还包括由门驱动机构18提供动力的门驱动和化验盒装载系统24。门驱动机构18的导螺杆将动力输出至门驱动和化验盒装载系统24以打开和关闭门14以及接合并收纳化验盒32。
[0105] 后机架部分26和前机架部分28为系统10提供结构支撑，以及为其他子系统提供安装设置。机架部分总体是长型的，以便为系统10提供较小的整体占用空间，并且使得系统10能够携带。在一些实施方式中，系统可以具有9.1英寸×3.0英寸×4.2英寸的占用空间和近似2.2磅的重量。长型的电路板或PCB 30大体匹配机架部分的占用空间。PCB 30包括控制系统10所需的大部分或全部处理器、子处理器、存储器和控制电路。然而，上述BLDC电机可以与它们各自的印刷电路板集成在一起，所述印刷电路板具有单独连接到PCB30的控制电路。PCB 30还包括通信电路方面(例如，近场通信电路、USB、无线)以及电源电路。
[0106] 系统10可与各种类型的化验盒32兼容，所述化验盒通常被配置为接收和保持材料样本，诸如体液(例如，血液、尿液、唾液)或液体可溶的固体(例如，土壤、孢子、化学残留物)。化验盒32可以是具有一个或多个流体通道和连接端口的壁结构。化验盒32可以相对较小，使得其可以容易地为手持式、便携式和/或一次性的。这种化验盒的示例(可与系统10一起使用)在第6,660,228号美国专利、第WO2014052671A1号国际公开以及第6,374,684号美国专利中进行公开，这些专利均通过引用并入本文以用于所有目的。
[0107] 化验盒32可以包括从后部向外延伸的反应容器33，反应容器33与热循环和检测模块34接合。模块34包括一个或多个装置，该一个或多个装置配置为将能量递送到化验盒32的方面并且还从其中去除能量。这样的装置可以包括双热电冷却器。模块34还包括一个或多个检测方面，如下面进一步详细讨论的。
[0108] 2.无刷直流(BLDC)电机架构
[0109] 图2A是示出用于本发明的一些实施方式的无刷直流(BLDC)电机100的元件的平面图。BLDC电机的更多细节可以在2015年7月22日提交的名称为“Simple Centroid Implementation of Commutation and Encoding for DC Motor(直流电机的换向和编码的简单质心实现)”的共同转让的第62/195449号美国临时申请中找到，其全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。
[0110] 在一个方面，BLDC电机包括转子和定子，被配置为产生平滑变化的霍尔效应电压而不需要任何滤波或降噪。在一些实施方式中，通过使用转子内延伸超过定子磁芯一定距离的永磁体提供该特征。在一些实施方式中，BLDC电机包括与电机的相位一样多的霍尔效应传感器，所述传感器定位成使得电机可以基本上仅基于从所述传感器接收的所测量电压图案的线性部分而被控制。在一些实施方式中，这包括围绕定子径向地间隔开传感器，使得所测量电压波形的线性部分相交。例如，三相BLDC可以包括彼此径向间隔40度的三个霍尔效应传感器，由此允许系统以40度内的增量控制传感器的位置。
[0111] 在一些实施方式中，电机包括具有从中心径向延伸的九个极齿的内部定子组件101，每个极齿终止于极靴103中，并且每个极齿具有提供电磁线圈102的绕组。电机还包括具有外部圆筒形裙部105和十二个永磁体106的外部转子104，十二个永磁体106围绕裙部
105的内周以交替的极性进行布置。永磁体成形为给转子提供圆筒形内表面并紧邻极靴的外弯曲表面。本示例中的BLDC电机是三相十二极电机。设置有控制装置，但是图2A中未示出，如本领域技术人员所知晓的，线圈102中的切换电流提供与永磁体106的电磁相互作用以驱动转子。
105的内周以交替的极性进行布置。永磁体成形为给转子提供圆筒形内表面并紧邻极靴的外弯曲表面。本示例中的BLDC电机是三相十二极电机。设置有控制装置，但是图2A中未示出，如本领域技术人员所知晓的，线圈102中的切换电流提供与永磁体106的电磁相互作用以驱动转子。
[0112] 应该注意的是，极齿和极性的数量以及实际上公开的内部定子和外部转子是示例性的，并且在本发明中没有限制，本发明可以使用各种不同设计的电机进行操作。
[0113] 图2B是图2A的电机的局部剖视侧视图，电机被切开以示出九个极齿中的一个极齿和线圈，该极齿终止于极靴103中，极靴103紧邻围绕外部转子104的圆筒形裙部105的内周布置的十二个永磁体106中的一个。定子组件101的极齿和极靴是磁芯的一部分，并且将磁芯远端限定为处于线204的高度。定子组件101在此实施例中被支承在衬底201上，衬底201在一些实施方式中是印刷电路板(PCB)，印刷电路板可以包括用于管理线圈102的电流切换的控制单元和迹线，以便提供与永磁体106的磁场相互作用而驱动转子的电磁场。PCB衬底还可以包括用于编码和换向的控制电路。转子104通过驱动轴107与定子101物理地接合，驱动轴107接合定子中的轴承组件以精确地引导转子旋转。驱动轴107在此实施例中穿过PCB 107中用于一定目的的开口并且可以被接合以驱动机械装置。
[0114] 图2B中示出了三个线性霍尔效应传感器202a、202b和202c，它们由衬底201支承，并根据本发明的一些实施方式进行策略性地定位，以产生可用于对转子的角位置进行编码并为电机100提供换向的过程的可变电压图案。在图2B中，转子104的裙部105的总高度由尺寸D表示。尺寸d1表示在线204处转子磁体的远端在磁芯远端下方的延伸。在常规电机中，没有理由或动机将该边缘延伸到磁芯远端下方，特别是因为这会增加电机的高度并且需要增加转子和基板之间的间隙。事实上，技术人员会限制尺寸D，使得不存在这样的延伸，这是因为增加的尺寸只会增加不必要的成本并使常规电机的体积增大。此外，在常规电机的转子的远端处，在其处于磁芯远端的高度或高于磁芯远端的情况下，线圈102中电流的切换产生相当大的场效应，并且由布置为感测那个位置处的永磁体的霍尔效应传感器检测的信号将不会产生平滑变化的霍尔效应电压。更确切地，常规电机的霍尔效应基本上是被噪声损坏的。解决这种困境的常规方法是引入噪声滤波或者更常见的是利用编码器。
[0115] 将转子磁体延伸到铁芯远端的下方避免了来自定子线圈的翻转磁场对霍尔效应传感器检测的信号的损坏作用。具体的延伸部分d1将取决于特定电机布置所特有的若干因素，并且在一些实施方式中d1将为1mm或更多(例如2mm、3mm、4mm、5mm、6mm或更大)，而在一些实施方式中延伸部分将小于1mm。在一些实施方式中，该距离是永磁体的尺寸和/或磁场强度的函数。在本文详细描述的一些实施方式中，1mm的延伸足以产生没有噪声或饱和的正弦信号的变化电压。为产生霍尔效应电压而以间隔d2放置霍尔效应传感器产生平滑可变的电压且没有噪声。在一些实施方式中，霍尔效应传感器产生从约2伏到约5伏的范围内且没有噪声或饱和的平滑可变的直流电压。尺寸d2可以根据传感器的选择、转子的设计、转子中永磁体的强度以及本领域技术人员公知的其它因素而变化。为了避免传感器的饱和并产生基本上没有噪声的平滑变化的直流电压，对于任何特定情况都容易发现可行的间隔。
[0116] 图2C是沿图2B的箭头3的方向截取的衬底201的一部分的平面图，其示出了霍尔效应传感器202a、202b和202c相对于转子104的远端边缘的放置，转子104的远端边缘可以在图2B中看到在磁芯远端边缘下方延伸了尺寸d1。在图2C中，以虚线轮廓302示出了包括十二个永磁体106的转子104的旋转轨迹。根据换向的具体细节，转子沿任一方向303旋转。
[0117] 如此非限制示例性实施方式所示，霍尔效应传感器202a、202b和202c中的每个被径向定位在转子磁体的远端边缘下方，正好朝向旋转磁体的中心轨迹的内侧。霍尔效应传感器202b定位为沿着转子磁体的旋转轨迹相对于霍尔效应传感器202a成四十度弧。类似地，霍尔效应传感器202c定位为围绕转子轨迹相对于霍尔效应传感器202b成另一四十度。
[0118] 图2D示出了由三相BLDC电机中霍尔效应传感器202a、202b和202c上方的转子104的永磁体106产生的三个电压图案401、501和601。正弦可变电压图案401通过霍尔效应传感器202a上方的转子104的永磁体106产生。0度的起点任意设定为处于最大电压点。在转子的一个完整的360度旋转中产生三个完整的正弦波形。电压图案501通过霍尔效应传感器202b上方的转子104的永磁体106产生。进一步地，基本上无噪声的正弦可变电压图案501通过霍尔效应传感器202b上方的转子104的永磁体106产生。由于霍尔效应传感器202b被定位在距离霍尔效应传感器202a的位置为40度的弧长处，所以正弦图案501的相位相对于正弦图案401的相位偏移120度。又进一步地，基本上无噪声的正弦可变电压图案601通过霍尔效应传感器202c上方的转子104的永磁体106产生。由于霍尔效应传感器202c被定位在距离霍尔效应传感器202b的位置为40度的弧长处，所以正弦图案601的相位相对于正弦图案501的相位偏移120度。转子每旋转360度，所述图案重复一次。
[0119] 由于霍尔效应传感器是相同的并且在相同的距离处感测相同的边缘磁场，所以三个电压图案401、501和601各自具有基本上相同的最大峰值和最小峰值。此外，图案401、501和601在多个点(例如，点402、502和602)处相交。值得注意的是，交叉点之间的图案段基本上是直线，并且可以看出，这些直线段提供了连续不断的相连直线段序列。此外，可以感测并记录每个直线段的过零点以及每个图案的最大峰值和最小峰值。
[0120] 图2D示出了交点402、502和602之间的两条直线段。作为非限制性示例，交点402和502之间的线段被示为分成20个等长段，这可以通过感测交点402和502处的电压并简单分割来方便地完成。在此示例中，因为转子从一个图案交点到另一图案交点的物理旋转是电机旋转二十度，所以每个电压改变的计算量就表示20/20，即转子旋转1.00度。这只是说明该方法的相对粗略的示例。在本发明的一些实施方式中，PCB 201上的电路感测交点并在交点之间通过11位模数转换器(ADC)进行分割，这提供2048个计数。在此实施方式中，每个计数下转子205的机械旋转移动约为0.0098度。系统的分辨率可以通过使用具有更高(或更低)位分辨率的ADC来增加(或降低)。例如，使用8位ADC可将每个计数解析为约0.078度，16位ADC可将每个计数解析为0.00031度，而使用20位ADC则可将每个计数解析为约0.00002度。或者，增加或减少极数将相应地增加或降低系统的分辨率。
[0121] 在一些实施方式中，本发明为由电机100所驱动的机构提供高度的准确度和精确度。在上述使用11位ADC的非限制性示例中，电机位置可以被控制为机械的0.0098度。与齿轮减速配合，可以达到对机构的平移和旋转进行极其精细的控制。在一些实施方式中，电机100联接到用于注射泵单元的平移驱动装置以在诊断过程中吸入和排出流体。
[0122] 图2E是描绘本发明的一些实施方式中的电路的图，该电路通过使用霍尔效应传感器的输出并通过使用仅分析由传感器产生的相分离曲线的线性部分的独特方法来控制电机100，线性部分如上所述分割成等分段。霍尔效应传感器202a、202b和202c的输出被提供给比例-积分-微分(PID)运动控制电路以用于换向目的，并且将由转子磁体与霍尔效应传感器相互作用产生的波形提供给图2E所示的多路复用器电路。如上所述，在非限制性示例性实施方式中，使用ADC来产生电机100的相分离波形的线性部分的分割，并且电机100可以通过例如DRV8313德州仪器电机驱动电路进行驱动。本领域技术人员将理解的是，该电路不一定是唯一的，并且将进一步理解，还具有可以使用的其他电路布置，这也落入本发明的范围内。在一些实施方式中，用于感测霍尔效应传感器并提供电机编码的电路和编码指令可以在PCB上的可编程片上系统(PSOC)中实现。该电路还可以包括扭矩估计电路，该扭矩估计电路可以设置为基于在PSoC处获取的电流和电压测量值来估计由电机产生的扭矩值，从而避免在整个更大的系统中需要附加的力传感器。
[0123] 3.电机扭矩估计
[0124] 在一些实施方式中，BLDC电机100和控制电路的多个方面可以用于在不需要外部传感器的情况下检测扭矩。这可以以不同的方式实现，例如通过基于如下原理来估计扭矩：提供给BLDC电机的电功率等于从电机提取的机械功率加上电机消耗的电功率(即，铜损耗)，如图3A所示的模型所示。该原理由以下公式进行量化：
[0125] Pin＝Pout+PCL
[0126] 其中，从以下公式计算消耗的功率PCL：
[0127]
[0128] 或者 其中
[0129] 参照上面的功率平衡公式，在逻辑上遵循：
[0130] 0＝Pout+PCL-Pin
[0131] 功率变量的替代导致以下平衡公式：
[0132]
[0133] 因此，求解电机扭矩τm，结果如下：
[0134]
[0135] 由此可见，此处电机扭矩有两种可能的计算解，它们是使用电桥电流iB由上述公式产生的最正的和最负的扭矩解，如下所示：
[0136] 以及
[0137] 考虑到可以根据电机常数和其他变量计算扭矩，也可以使用电机常数Kt来计算电机扭矩，如图3B和图3C所示的电机模型所示。
[0138] 其中，VEMF＝tωm
[0139] 因此，计算出的最接近 (使用Kt)的计算解 或 被假定为正确的解。下表定义了上述变量。
[0140]
[0141] 上述原理可用于基于容易获得的电流和电压测量值来估计扭矩值，这可通过使用低成本可编程片上系统集成电路(例如赛普拉斯半导体公司提供的 电路)实现。可以考虑附加变量(例如摩擦)以及例如通过使用卡尔曼滤波器从谐波扰动扭矩引起的齿槽效应。如本领域普通技术人员将理解的，使用低成本且简单的集成电路进行扭矩估计的优点相比于依赖传感器(压力传感器、编码器等)来提供装置反馈的现有装置提供巨大的优势，从而减少整个系统所需的部件数量和系统的成本。当扭矩感测用于触发命令时，这一优点极大地实现，如下面所述的开门和化验盒装载、注射器驱动以及阀驱动子系统中所述。4.开门和化验盒装载子系统
[0142] 另一方面，本发明提供一种由可反向驱动机构驱动的开/关门和化验盒装载子系统，以便于从诊断化验系统手动装载和卸载化验盒。在一些实施方式中，开/关门机构和化验盒装载系统被集成在一起以提供协调的移动，使得当用户将化验盒手动推入系统中时通常检测到机构的反向驱动，从而将化验盒手动装载到系统的敞开舱中时启动舱门的关闭。可以理解的是，如本文所述，这样的机构可以由BLDC电机驱动，并且可以利用电机扭矩估计，或者利用本领域技术人员已知的各种常规电机和方法。下面详细描述这种配置的示例。
[0143] 图4A示出了开门和化验盒装载子系统100的立体图。该系统包括如上所述安装到PCB 30'的无刷直流(BLDC)电机100。BLDC电机100包括输出轴(未示出)，导螺杆109附接到该输出轴。导螺杆109是传动装置的可反向驱动方面，其进行操作以打开和关闭门14以及为化验盒装载机构提供动力。
[0144] 导螺杆109与桥108的螺母进行螺纹接合，因此，当导螺杆109转动时，桥108根据导螺杆109转动的方向向上或向下移动(如图4A中对装置进行定向所示)。第一齿条部分110和第二齿条部分112固定到桥108。两个齿条部分都是长型的以包括齿条114和形成“L”形路径的凸轮通道116。
[0145] 一对小齿轮118与齿条114啮合。齿条114的上下运动由桥108和导螺杆109的运动引起，这导致小齿轮118相应地旋转。小齿轮118通过共用轴120彼此连接，共用轴120由固定到系统10的较大部分(例如后机架部分26)的子框架122支承。每个小齿轮118包括指状物124，用于在某些接口处停止小齿轮118的旋转。
[0146] 每个小齿轮118与更大的门齿轮126集成在一起。因此，小齿轮118和门齿轮126以相同的RPM旋转。门齿轮126与门14的门齿条128接合。因此，当门齿轮126转动时，门齿条128和门14根据门齿轮126旋转的方向而上下移动。
[0147] 图4B至图4E以图形方式描绘了装载化验盒的方法。在图4B中，命令被发送到BLDC电机102以打开门14，以将系统置于适当位置以接受化验盒32的插入。当接收到命令时，系统100操作BLDC电机102以转动导螺杆109。这个动作使得桥108和固定的齿条部分110/112向上移动，并因此开始小齿轮118和门齿轮126的转动。这种移动将导致门14随着门齿轮126相对于门齿条128旋转而向上运动。
[0148] 在门14完全打开之后，小齿轮118与继续向上移动的第一齿条部分110和第二齿条部分112的齿条114分离。第一齿条部分110和第二齿条部分112的向上移动还导致化验盒装载臂130由销132致动，销132被约束为沿着第一齿条部分110和第二齿条部分112的凸轮通道116移动。通过该运动迫使化验盒装载臂130围绕枢轴134旋转，枢轴134将第一臂部分136置于向上位置。
[0149] 第一齿条部分110和第二齿条部分112将向上移动，直到发生反向驱动导螺杆109的基于力的事件为止。这样的事件可以是例如桥108遇到止动件或第一齿条部分110和第二齿条部分112拉动化验盒装载臂130。反向驱动事件可以在BLDC电机的电桥电路处被检测为电流变化。基于反向驱动事件，BLDC电机被命令停止转动并停靠在所示位置。有利地，该步骤在没有任何位置传感器的帮助下执行。
[0150] 在图4C中，将化验盒32插入系统10中，直到化验盒32的一部分与第一臂部分136接触。抵靠第一臂部分136的轻微移动导致导螺杆109处的另一反向驱动事件，该事件在BLDC电机的电桥电路处可以检测为电流变化。该事件用作BLDC电机对前述开门步骤的方向进行反向的命令，以便捕获化验盒并关闭门。
[0151] 如图4D所示，第一齿条部分110和第二齿条部分112的向上运动导致销132围绕凸轮通道的长度被引导，这进而导致化验盒装载臂130以顺时针方向旋转。这导致化验盒装载臂130的第二臂部分138将化验盒向内推入原始位置。另外，第一齿条部分110和第二齿条部分112被升高直到小齿轮118的指状物124由第一齿条部分110和第二齿条部分112的凹口140转动为止，这引起小齿轮118相对于齿条114移动以及门齿轮120相对于门齿条128移动。
以这种方式，使门14向下移动到关闭位置。
以这种方式，使门14向下移动到关闭位置。
[0152] 如图4E所示，通过导螺杆109的继续移动使门14向下行进以完全关闭门。对BLDC电机进行供电以进行此操作，直到出现反向驱动导螺杆109的基于力的事件为止。这样的事件可以是例如桥108遇到止动件或第一齿条部分110和第二齿条部分112推动化验盒装载臂130。反向驱动事件可以在BLDC电机的电桥电路处被检测为电流变化。基于检测到反向驱动事件，BLDC电机被命令停止转动并停靠在所示位置。有利地，该步骤在没有任何位置传感器的帮助下执行。
[0153] 5.注射器驱动子系统
[0154] 如上所述，本发明的实施方式可以包括注射器驱动机构16的多个方面。如图5A所示，注射器驱动机构16包括如上所述的BLDC电机200。BLDC电机200包括连接到可反向驱动导螺杆209的输出轴。
[0155] 横向延伸臂206包括螺纹连接到导螺杆209的螺母。横向延伸臂206也固定到柱塞杆208上。横向延伸臂206和柱塞杆208可以通过命令BLDC电机200以适当的方向转动导螺杆209而被向下和向上驱动。
[0156] 在化验盒32被固定并且门14被关闭之后，注射器驱动机构16可以被用于与化验盒32接口。化验盒包括保持柱塞头212的注射器通道210。使柱塞杆208向下移动至注射器通道
210中致使柱塞杆208的头部接合柱塞头212。以这种方式，组合的柱塞头212和柱塞杆208与注射器通道一起用作注射器以对化验盒32加压/减压。化验盒32的程序化泵送使得流体流入和流出化验盒32的各个腔室以进行化验。
210中致使柱塞杆208的头部接合柱塞头212。以这种方式，组合的柱塞头212和柱塞杆208与注射器通道一起用作注射器以对化验盒32加压/减压。化验盒32的程序化泵送使得流体流入和流出化验盒32的各个腔室以进行化验。
[0157] 在与柱塞头212接合之后，柱塞杆208可由BLDC电机200致动到注射器通道210内的任何期望位置，包括实施各种注射器泵送算法。BLDC电机200的电流可以连续监测以向柱塞杆提供一致的压力，因此减轻了监测化验盒压力对在线压力传感器的需要。
[0158] 因此，因为导螺杆209可被反向驱动，所以化验盒32内的压力降低可导致静止的柱塞杆208被向下拉动。通过监测BLDC电机200的测量电流，检测相对变化，然后相应地改变BLDC电机200的输出，可以检测压力降低。类似地，化验盒32内的压力降低可导致静止的柱塞杆210被向上推动。通过监测BLDC电机200的测量电流，检测相对变化，然后相应地改变BLDC电机200的输出，可以检测压力增加。有利地，这可以在没有任何压力传感器的帮助下执行。
[0159] 在另一示例中，可以监测与移动的柱塞杆208相关联的电流以监测指示压力速率增加或减少的变化。因此，在检测到相对变化之后，可以改变BLDC电机200的输出以增加或减小由移动的柱塞杆208施加的压力速率。有利地，这可以在没有任何压力传感器的帮助下执行。
[0160] 图5B中示出使用上述BLDC电流监测原理以确定化验盒的合适负载并测试该盒的完整性的方法220的示例。假定化验盒32已经如图5A所示物理地装载。
[0161] 在操作222处，发送命令以开始加载过程。其结果是，在操作224处设置超力极限。超力极限是BLDC电机200可施加到柱塞杆208上以用于此操作目的的最大力，这与柱塞杆
208抵靠注射器通道210的底部压缩柱塞头212相关联。在操作226处，BLDC电机200被操作以将柱塞杆208移动到注射器通道210中，这导致柱塞杆208的头部接合柱塞头212。在操作228处，使用图2E的扭矩估计电路以及图3A至图3C的方法连续监测BLDC电机200的扭矩，以确定柱塞杆208是否已经行进到注射器通道210的底部。如果没有超过超力极限，则在操作230处确定加载过程已经失败。有时，柱塞头212可能由于制造错误或物理缺陷而丢失。在任一种情况下，柱塞杆208将与注射器通道210内的可能行程的终点会合，而底部没有适当地抵靠柱塞头212，并且因此不会超过超力极限。
208抵靠注射器通道210的底部压缩柱塞头212相关联。在操作226处，BLDC电机200被操作以将柱塞杆208移动到注射器通道210中，这导致柱塞杆208的头部接合柱塞头212。在操作228处，使用图2E的扭矩估计电路以及图3A至图3C的方法连续监测BLDC电机200的扭矩，以确定柱塞杆208是否已经行进到注射器通道210的底部。如果没有超过超力极限，则在操作230处确定加载过程已经失败。有时，柱塞头212可能由于制造错误或物理缺陷而丢失。在任一种情况下，柱塞杆208将与注射器通道210内的可能行程的终点会合，而底部没有适当地抵靠柱塞头212，并且因此不会超过超力极限。
[0162] 如果超过超力极限，则确定柱塞杆208已经将柱塞头212推动到注射器通道210的底部，并且方法220移动到操作232，在232处设定欠力极限。欠力极限是BLDC电机200可施加到柱塞杆210上以用于此操作目的的最大力，这与对柱塞头212进行减压有关。在操作234处，BLDC电机200被操作为在注射器通道210内向上移动柱塞杆210。在操作236处，连续监测BLDC电机200的扭矩以确定是否超过欠力极限。作为操作228的结果，柱塞头212将被高度压缩。欠力极限是对柱塞头进行减压所需的力的量，从而将柱塞头212的位置置零以备后续操作。一旦超过欠力极限，BLDC电机200将停止操作，并且该方法将移动到操作238，在238处确定注射器是否已经抽成真空。在该操作中，操作化验盒32的阀门以使注射器通道210密封而与大气分离，这在前述步骤中不是这种情况。在完成之后，操作BLDC电机200以将柱塞杆208向上拉动而抵抗注射器通道210内的真空。如果柱塞杆208不能自由移动并且检测到力，则在操作240处确定真空已经建立并且因此化验盒32的完整性未受损。如果柱塞杆208在未检测到力的情况下自由移动，则在操作242处确定没有建立真空并且因此化验盒32的完整性受损。
[0163] 图5C示出使用上述BLDC电流监测原理以确定化验盒的注射器(即柱塞杆208、注射器通道210和柱塞头212)的初始化的方法248的另一示例。假定化验盒32如图5A所示已经物理装载，并且该盒如图5B所示已经被适当装载。
[0164] 在操作250处，发送命令以开始加载过程。其结果是，在操作252处设定上限力。超力极限是BLDC电机200可施加到柱塞杆208上以用于此操作目的的最大力，这与将柱塞头212放置在注射器通道210顶部处的适当向上位置(相对于如图5A所示装置的定向)相关联。
[0165] 在操作254处，操作BLDC电机200以在注射器通道210内向上移动柱塞杆208，这导致柱塞头212在注射器通道210内的位置处达到顶点。在操作256处，使用图2E的扭矩估计电路以及图3A至图3C的方法论连续监测BLDC电机200的扭矩。
[0166] 一旦超过超力极限，则确定柱塞头212达到顶点，并且方法248移动到操作258，在操作258处设定较低的下限力。下限力是BLDC电机200可施加到柱塞杆210上以用于此操作目的的最大力，这与将柱塞头212放置为抵靠注射器通道210的底部但不过度压缩柱塞头212有关。在操作260处，操作BLDC电机200以在注射器通道210内向下移动柱塞杆210。在操作262处，连续监测BLDC电机200的扭矩以确定是否已经超过在操作258处设定的下限力。一旦超过下限力，BLDC电机200将停止操作，并且假定柱塞头212已经被放置在注射器通道210的底部。在此之后，方法248将移动到操作238，在该操作238处确定注射器是否移动预定量的距离(例如60mm)。这通过使用BLDC电机200的霍尔效应传感器来对导螺杆209的转数进行计数并且将该计数与注射器杆208的线性行进量相关联而执行。在一些情况下，将通过注射器通道210内的阻碍物或过度摩擦触发上限力和下限力。因此执行行程检查步骤以确保注射器杆208自由移动而没有阻碍。如果注射器杆208已经移动了至少预定量的行程，则在操作266处确定初始化是成功的。然而，如果注射器杆208没有移动至少预定量的行程，则在操作268处确定初始化不成功。
[0167] 6.阀驱动子系统
[0168] 如上所述，本发明的实施方式可以包括阀驱动机构20的多个方面。如图6A和图6B所示，阀驱动机构20包括如上所述的BLDC电机300。
[0169] BLDC电机300安装到底架304上，底架304具有有助于底架304的刚度的多个加强肋306。底架304包括长型第一部分307，其用作BLDC电机300的定子308的安装座。长型轴310从BLDC电机300延伸并保持第一蜗杆312。第一蜗杆312与第一蜗轮314配合并使第一蜗轮314转动，第一蜗轮314在与第二蜗杆318共用的轴316上转动。
[0170] 第二蜗杆318与第二蜗轮320配合并使第二蜗轮320转动。第二蜗轮320与转台状阀驱动器322集成在一起，阀驱动器322配置成与化验盒32的回转阀机构协作。阀驱动器322安装到底架304的长型第二部分324。长型第二部分324包括用于与超声波喇叭机构22协作的通道325。
[0171] 在使用中，对BLDC电机300供电以使其转动，从而经由上述蜗轮传动使阀驱动器322转动。阀驱动器322基本上是减速的，这在定位阀驱动器322时允许很高的精确度。注射器驱动机构16不包括任何位置传感器，因为定子308的角位置可以单独从霍尔效应传感器的正弦波输出导出，并通过获知最终传动齿轮比而通过阀驱动器的那个位置导出。
[0172] 蜗轮传动不能如上述注射器驱动机构和门驱动机构那样反向驱动。然而，相同类型的霍尔效应位置推导和力基触发可以用于阀驱动机构。此处，力基触发可以指示化验盒完整性故障。例如，如果意外地转动阀驱动器需要基本上更少或更多的功率，那么这样的事件可以指示化验盒的堵塞或故障。虽然注射器驱动机构、门驱动机构和阀驱动机构中的每个被描述为利用本文描述的改进的BLDC电机，但是可以理解的是，任何或全部驱动器和驱动机构也可以利用常规类型的BLDC电机、伺服电机或如本领域技术人员将理解的其它合适的电机，但是一些特征可能需要额外的传感器或电路。
[0173] 另外，通过基于由霍尔效应传感器产生的正弦信号执行定心协议，BLDC电机被配置到阀驱动输出的原始位置和中心位置。这可以补偿随着时间推移的齿轮间隙和齿轮磨损。这通过图6C所示的霍尔电压信号-阀驱动位置图表来说明。如图所示，阀驱动器322的给定位置可以根据齿轮间隙和磨损而变化。
[0174] 7.喇叭子组件
[0175] 在一些实施方式中，提供超声波喇叭子组件用于本文描述的诊断化验系统中。在一些实施方式中，超声波喇叭组件包括超声波喇叭、喇叭壳体、弹簧、底架和被配置为操作喇叭的控制电路。喇叭壳体适于支承和固定超声波喇叭，并包括用于保持弹簧线圈的部分以便于在分离和接合喇叭的位置之间运动，还包括用于与系统的凸轮机构接口连接的楔形件以致动喇叭在分离(降低)和接合(升高)位置之间移动。虽然本文描述了螺旋弹簧，但应该理解，可以使用各种其他类型的弹簧或偏置机构。在分离位置，超声波喇叭的尖端与化验盒所在的基座表面齐平或比该表面低，以便于将化验盒从系统装载和移除。在接合位置，超声波喇叭的尖端延伸到基座表面上方，以接合化验盒的超声处理室的圆顶部分，以在样本分析准备和/或处理过程中便于超声处理室内包含的流体样本中的生物材料的超声处理。在一些实施方式中，喇叭的移动由与系统的一个或多个其他可移动部件(例如系统的门)共用的致动器机构实现。喇叭组件还包括具有接口的电路(例如印刷电路板)，所述接口适于与系统内的对应电路电连接以便于由系统操作超声波喇叭。
[0176] 在一些实施方式中，诊断化验系统在执行化验期间竖立放置(如图9A至图9B所示)，使得喇叭在分离位置(降低到化验盒下方)和接合位置(朝向化验盒升高)之间移动以接合并接触化验盒的超声处理室。可以理解的是，在一些实施方式中，设计可以是不同的，从而取决于化验盒和诊断化验系统的设计，在分离位置和接合位置，喇叭可以相对于化验盒处于各种其他定向和/或位置。
[0177] 7.A喇叭子组件的设计和组装
[0178] 图7A示出了根据本发明的一些实施方式的配置成用于诊断化验系统的超声波喇叭子组件700。图7B描绘了图7A的喇叭组件的分解图。在本实施方式中，喇叭子组件包括超声波喇叭710、喇叭壳体720、弹簧线圈730、控制电路740和底架750。喇叭子组件可在插入到系统之前作为独立的子组件进行测试，并且可以也可根据需要移除或替换。
[0179] 图8A至图8E示出了在组装的各个阶段期间喇叭组件的部件。如图8A所示，超声波喇叭710卡入喇叭壳体720中(喇叭壳体720显示为切除以示出驻留在其中的喇叭)。壳体可以被设计成使得将喇叭卡入壳体中以将喇叭定位或锁定在相对于壳体的预定取向和位置内。例如，超声波喇叭可以设计为包括围绕喇叭的纵向轴线不完全轴对称的特征，使得壳体内部部分上相应的特征或表面进行接合以将喇叭固定在壳体内的适当位置并禁止喇叭在壳体内旋转。非轴对称特征可以包括但不限于喇叭一侧或两侧上的平坦部分、从喇叭向外延伸的突起或凸片或者喇叭通过其进行电连接的触点。
[0180] 在一些实施方式中，喇叭720结合到子组件中并且由控制电路控制以提供适合于裂解特定化验所需的生物材料的输出。
[0181] 从图8A可以看出，喇叭壳体720的外表面包括弹簧保持部分722，用于保持弹簧线圈730以实现壳体720在分离位置和接合位置之间的移动。保持部分包括上部保持表面722a和下部保持表面722b，当处于非压缩状态时，上部保持表面722a和下部保持表面722b与弹簧接合。壳体720还可以包括一个或多个导线保持件723，以在喇叭在分离/接合位置之间移动期间固定和/或引导导线电连接到喇叭710。喇叭壳体720包括用于与系统的凸轮交接的楔形部分721。
[0182] 如图8C所示，部分组装的喇叭组件可以卡入喇叭底架750中。底架包括定位特征751，该定位特征751接合壳体720的相应特征，以便当卡扣到位时固定壳体的位置和定向。
底架还包括用于将整个喇叭组件700固定在诊断化验系统内的一个或多个特征，例如，底架可以包括具有一个或多个孔的基座部分，底架可通过这些孔安装到模块。在一些实施方式中，底架通过注射成型由聚合物材料形成，然而可以理解，其可以由各种其他材料(例如，聚合物、陶瓷、金属)通过各种其他制造工艺(例如，压制、机加工等)形成。在将喇叭组件放置到底架中之后，将电路部件740附接到底架。底架可以包括一个或多个安装特征752a，电路部件(例如PCB)可以通过这些安装特征经由一个或多个紧固件或螺钉752b进行固定。电路部件可以在其附接到底架之前或之后电连接到喇叭。然后可以对完成的喇叭组件700进行测试并单独地或在诊断化验系统内提供给用户。
底架还包括用于将整个喇叭组件700固定在诊断化验系统内的一个或多个特征，例如，底架可以包括具有一个或多个孔的基座部分，底架可通过这些孔安装到模块。在一些实施方式中，底架通过注射成型由聚合物材料形成，然而可以理解，其可以由各种其他材料(例如，聚合物、陶瓷、金属)通过各种其他制造工艺(例如，压制、机加工等)形成。在将喇叭组件放置到底架中之后，将电路部件740附接到底架。底架可以包括一个或多个安装特征752a，电路部件(例如PCB)可以通过这些安装特征经由一个或多个紧固件或螺钉752b进行固定。电路部件可以在其附接到底架之前或之后电连接到喇叭。然后可以对完成的喇叭组件700进行测试并单独地或在诊断化验系统内提供给用户。
[0183] 七.B超声波喇叭定位接口
[0184] 在一些方面，超声波喇叭安装在可移动机构上，超声波喇叭通过该机构相对于设置在诊断化验系统内的化验盒的超声处理室定位。在一些实施方式中，化验盒包括位于盒的底部(如图10A中定向)的超声处理室，其具有面向下的圆顶(圆顶的外表面相对于化验盒为凸形)，如图10A的示例所示，其对应于超声波喇叭的圆顶形输出部分711的圆形尖端711A。尽管在该实施方式中尖端是圆形的，但是可以理解的是，根据需要，圆顶部分的尖端可以成形为各种形状，包括但不限于平坦的、尖的、凹陷的、凸起的、圆形的或圆顶的。超声处理室和圆形喇叭尖端的圆顶形部分聚集从喇叭传输的超声波能量，以便以最小的超声波喇叭功率和尺寸要求有效地达到裂解细胞材料(例如，强化细胞、孢子等)和将DNA释放到流体样本中所需的期望超声波水平。对于超声波喇叭的圆顶形输出部分711的圆形尖端711a而言，优选的是以足够的力压靠在超声处理室1210的圆顶1211上，以确保在输送超声波能量期间喇叭的尖端与超声处理室的圆顶形表面之间保持接触。在一些实施方式中，可移动机构配置成向上(沿着接合方向)移动超声波喇叭以将超声处理室的圆顶和超声波喇叭以至少0.5磅力压紧接合在一起。在一些实施方式中，为确保喇叭的圆形尖端和超声处理室的圆顶部分接合所施加的力在大约1磅力到大约2磅力之间。在一些实施方式中，施加的力是大约1.4磅力。尽管在此描述了接口连接凸轮和楔形件，但应该理解的是，可以使用带有或不带有偏置构件的各种其他机构，以便于喇叭在分离位置和接合位置之间移动。例如，在一些实施方式中，这种机构可以包括导螺杆、缆绳等。
[0185] 在一些实施方式中，对超声波喇叭进行定位以压靠超声处理室所使用的可移动机构集成在致动器的互连器网络内，所述致动器实现诊断化验系统的各种其他部件的移动，诸如打开和关闭系统的门、化验盒的装载和从系统排出、阀组件和注射器组件在系统内的移动。可以理解的是，可移动机构可以与一个或多个其他部件的致动器集成在一起，或者可移动机构可以完全独立于其他机构和致动器。
[0186] 图9A至图9B示出了在将化验盒装入系统期间和之后的诊断化验系统的截面图，其示出了与关闭系统的门以及装载化验盒相配合而对超声波喇叭进行定位的机构。图9A描绘了部分插入的化验盒32，其中化验盒基部的面向远侧的部分开始与排出/装载凸轮1120的排出齿进行接合。在凸轮1120的该位置中，凸轮的外表面接合喇叭壳体的楔形部分721的上表面721，如可在图11A-1和图11A-2的侧视图和截面中更详细地看出。
[0187] 当化验盒32被更完全地插入时，化验盒压靠在排出齿上，并且排出/装载凸轮1120顺时针旋转，使得凸轮的装载齿与化验盒的下侧表面接合，向内拉动化验盒到完全装载的位置。随着排出/装载凸轮120旋转，凸轮的外表面1121沿着喇叭壳体滑动件的楔形部分721的楔形尖端721a滑动，这将喇叭壳体从化验盒推离到分离位置，从而部分地压缩弹簧线圈730。当化验盒完全插入时，楔形尖端721a容纳在凸轮1120的圆形部分的向内弯曲部分
1121a内，其允许喇叭壳体720向上移动一小段距离，从而允许线圈至少部分地解除压缩，使得超声波喇叭的圆形尖端711a突出到装载化验盒所沿表面的上方，并与超声处理室的圆顶形部分压配接合。该位置可以分别在图11B-1和图11B-2的侧视图和截面图中更详细地看出。如可从图9A和图9B中看出，凸轮120的旋转通过门齿条机构的第一齿条部分110的关闭运动来致动，在该实施方式中，该齿条机构的第一齿条部分向下运动(沿箭头方向)。通过相互关联的齿轮网络，在装入化验盒之后，门的这种关闭运动也同时致动系统1000的门100从图9A的便于插入和装载化验盒32的打开位置致动到关闭位置，如图9B所示。门齿条机构的运动可以通过一个或多个电机来实现，例如本文所述的任何电机。
1121a内，其允许喇叭壳体720向上移动一小段距离，从而允许线圈至少部分地解除压缩，使得超声波喇叭的圆形尖端711a突出到装载化验盒所沿表面的上方，并与超声处理室的圆顶形部分压配接合。该位置可以分别在图11B-1和图11B-2的侧视图和截面图中更详细地看出。如可从图9A和图9B中看出，凸轮120的旋转通过门齿条机构的第一齿条部分110的关闭运动来致动，在该实施方式中，该齿条机构的第一齿条部分向下运动(沿箭头方向)。通过相互关联的齿轮网络，在装入化验盒之后，门的这种关闭运动也同时致动系统1000的门100从图9A的便于插入和装载化验盒32的打开位置致动到关闭位置，如图9B所示。门齿条机构的运动可以通过一个或多个电机来实现，例如本文所述的任何电机。
[0188] 图10A示出了根据本发明一些实施方式的用于诊断化验系统中的化验盒的截面图。如上所述，超声处理室1210的圆顶形部分1211位于化验盒的底表面上。超声处理室1210与化验盒中的通道网络流体连通，通过这些通道经由阀和注射器的移动来输送流体，以在化验过程期间实现压力变化。在制备和/或处理样本之后，将制备的流体样本输送到反应容器33的腔室中，同时使用激发装置和光学检测装置来光学地感测感兴趣的目标分析物(例如，核酸)(例如细菌、病毒、病原体、毒素或其他目标分析物)的存在或不存在。可以理解的是，这种反应容器可以包括用于检测目标分析物的各种不同的腔室、导管、微孔阵列。用于分析流体样本的这种反应容器的示例性用途在共同转让的于2000年5月30日提交的题为“Cartridge for Conducting a Chemical Reaction(用于进行化学反应的化验盒)”的第
6,818,185号美国专利中进行了描述，该专利的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。
6,818,185号美国专利中进行了描述，该专利的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。
[0189] 七.C超声波喇叭控制
[0190] 在一些实施方式中，超声波喇叭的操作通过使用喇叭控制电路来执行，所述喇叭控制电路被配置为根据特定化验的需要而以优化激励的方式控制电流幅值和相位估计，并提供超声波功率的一致稳健的输送，超声波功率与固定电压下的电流成比例。在一些实施方式中，该系统提供超声波功率输送的完全数字控制。在一些实施方式中，该系统在没有常规变压器和全波整流模拟电路的情况下提供超声波喇叭的操作，由此允许减少功率使用，减小喇叭组件尺寸并且整体减小系统的尺寸。在一些实施方式中，执行功率输送和控制以控制进入超声波喇叭的有功功率(其是总功率)(与无功功率相反)。控制电路被配置成根据特定化验的需要以可编程持续时间将可编程超声波功率施加到化验盒以裂解靶细胞。
[0191] 在一些实施方式中(例如参照图12A)，超声波喇叭包括邻近于一个或多个压电致动器714的质量块713(通常为实心金属芯)，当通过电触头715连接到电源716时，质量块713振动。实心质量块包括通向长型部分712的锥形部分712'，长型部分712聚集超声波并且终止于圆顶形输出部分711，圆顶形输出部分711进一步聚集超声波以在圆顶形输出部分711的尖端711a输出。通常，可以使用多个压电致动器来以较低的相对需求(与适于输送较高超声波能量的一个致动器相比)提供更大的超声波输出。
[0192] 在一些实施方式中，喇叭组件可以利用具有喇叭控制电路的现成喇叭，喇叭控制电路利用闭环或反馈控制来操作喇叭，该闭环或反馈控制以比喇叭可能的功率要求具有更低的相对功率要求的期望水平提供一致稳健的超声波能量。例如，这种具有多个压电致动器的现成喇叭当被操作以在诊断测定化验中提供适合于裂解细胞的超声波能级时，可能由于致动器异相运行而无法通过仅施加设定的电流水平而一致地操作。当施加电流时压电致动器向外扩展，并且如果这种向外扩展发生在甚至稍微不同的时间(异相)，则该结果低频耦合到振动中，以防止喇叭传递合适水平的超声波能量。出于这个原因，这种喇叭可能只能在较低的超声波水平下正常运行，或者可能无法被依赖以在特定诊断测定化验中所需的持续时间内提供一致的能量输送。
[0193] 在一些实施方式中，该系统应用改进的控制方案，其允许使用如上所述的喇叭来一致地输送适合于在诊断化验中以特定持续时间裂解细胞的超声波能量水平。在一些实施方式中，喇叭组件被配置为使用谐振压电致动器来以大约50.5kHz的频率施加振动。在一些实施方式中，喇叭组件被配置成施加从约20kHz至约50kHz范围内的振动频率。例如，振动频率可以是大约20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49或约50kHz。在一些实施方式中，振动频率大于50kHz。在一些实施方式中，该系统利用闭环控制系统来提供在生物材料超声处理所需的持续时间内彼此保持同相的压电激励。
[0194] 在一些实施方式中，该系统通过将所施加的功率升高到期望水平来将电流和/或电压施加到压电致动器，以使异相激励的发生最小化。该方案的示例如图10B所示。在一些实施方式中，执行功率输送和控制以便控制进入超声波喇叭的有功功率(其是总功率)(与无功功率相反)。通过基本保持电压和电流之间的特定相位关系，允许基本消除无功功率。无功功率是当压电致动器未处于锁定相位并且喇叭只是振动时。通过增加功率，而不是只打开电源，增加功率允许系统保持电流和电压之间的相位关系，并防止振动以使喇叭输送所需的期望超声波能量水平。
[0195] 图12B示出模拟的喇叭功率传递函数，其展示功率谐振处激励电流与电压之间的相位关系。
[0196] 在一些实施方式中，喇叭控制电路使用闭合的控制回路来操作喇叭。在内部控制回路中，频率调整以保持当前的相位关系。在外部控制回路中，连续调整电压激励的幅值以维持指令的功率水平。这些内部和外部控制回路的示例在图14中示出。
[0197] 图13示出了根据本发明的一些实施方式的超声波喇叭组件的控制示意图。超声处理接口根据特定化验所需的功率(瓦特)和持续时间(秒)进行配置。典型的5-10瓦的功率水平施加持续15至30秒之间，以充分裂解典型的孢子细胞，并在样本室1210内将约50％的孢子结合DNA释放到溶液中，如图10B所示。然而，应该理解，功率、持续时间和所需的超声处理效率因化验而异，并且可以根据化验需要、设计以及被超声处理的细胞或材料的类型大于或低于所述水平。在一些实施方式中，PSoC DAC产生0至4V的正弦波。DAC输出通过TI音频放大器。TI放大器将信号乘以20db。TI放大的信号在传送到喇叭前先经过升压变压器。功率通过传感器读取的电压(通过TI和变压器放大的DAC电压)和电流估算(P＝v*I cos(Φ))(实际功率)。因此，通过控制DAC电压来控制传递到喇叭的功率。控制回路驱动输入电压以将功率保持在所需的水平。参见例如图15。
[0198] 在一些实施方式中，喇叭控制电路被配置为使得从频率扫描给出最高有功功率幅值的频率被确定为谐振频率。输入电压和输出电压之间的相位是在谐振频率下测量的。在超声处理期间，控制环路通过调整输入频率来锁定输入和输出电压之间的测量相位。电流幅值是传感器系数和PSoC放大器的乘积，PSoC放大器可在读取信号之前放大信号。功率与输入电压之间的示例性关系可以在图16中看到。在图17中可以看到喇叭电流幅值和相位与频率之间的示例性关系。
[0199] 在一些实施方式中，喇叭控制电路利用正弦控制，该正弦控制控制对喇叭驱动器的幅值输入。该电路可以利用相位匹配进行谐振频率控制，以确保电压和电流保持特定的相位关系，这可以用于例如消除无功功率。在一些实施方式中，该电路利用1Hz分辨率的频率扫描，然而，可以理解，该配置可以有效地提供无限的频率分辨率。这种配置允许利用超声波喇叭输送一致和稳健的超声波能量水平，超声波喇叭的功率和尺寸要求比这种装置可能的功率和尺寸要求更低。
[0200] 8.热光学子组件
[0201] 在一些实施方式中，本发明提供了用于诊断化验系统的热光学子组件(TOS)。在一些实施方式中，TOS包括热控制装置部件和光学激励/检测部件。TOS可以与诊断化验系统的其他部件接口连接，包括超声波喇叭、门、注射器和阀。在一些实施方式中，TOS包括热控装置仪器和具有激励装置和光学检测装置的光学部件仪器。TOS单元被配置成限定腔体，腔体中可以插入反应容器，以使用热控制部件执行核酸扩增和/或目标分析物的检测，并使用光学部件仪器执行目标分析物的光学询问。TOS在具有一个或多个电路板(例如主板)的系统中使用，电路板控制化验系统的各种部件之间的操作和协调。在一些实施方式中，Cell Core(细胞核)背负在主板上。在一些实施方式中，每个硬件子组件承载其自身的专用PSoC处理器和相关联的电子器件。在一些实施方式中，诊断化验系统包括允许对系统所使用的控制软件或控制参数进行修改和/或更新的通信装置(例如无线、NFC、USB)。TOS还可以包括一个或多个传感器(例如NFC读取器)以确定化验盒的位置或存在或阀组件的位置，以协调系统的多个部件的操作。在一些实施方式中，TOS包括物理上位于TOS上的化验盒位置传感器(例如，NFC读取器)，以允许其在插入诊断化验系统时物理地靠近化验盒。在一些实施方式中，TOS可以通过USB和/或诸如NFC或蓝牙的无线接口串联连接其他电子子系统。
[0202] 8.A TOS设计
[0203] 应该理解，热控制装置仪器和光学检测装置可根据需要以各种配置来限定。在本文描述的实施方式中，热控制和光学检测装置被配置为与具有两个相对的主面和两个边缘(辅面)的反应容器一起使用。热控制装置可以被配置成用于反应容器的一个主面的单侧加热或两个主面的双侧加热。在本文描述的实施方式中，热控制装置被配置成在一侧或两侧邻近于反应容器的主面定位。类似地，可以根据各种配置来配置光学检测装置，例如来自反应容器的主面或者来自反应容器的一个或多个边缘(辅面)的光学检测。典型地，光学检测配置对应于热控制装置的配置，例如，光学检测装置被定位成检测通过反应容器的未被热控制装置覆盖的部分的光学。在一些实施方式中，在使用单侧加热的情况下，可以用透明绝缘材料覆盖相对的非加热主面以控制热传递，同时仍然允许通过绝缘材料进行光学检测。在一些实施方式中，该系统利用配置成用于单侧加热的热控制装置和配置成用于从反应容器的主面和/或一个或多个边缘(辅面)进行激励/检测的光学检测装置。在其他实施方式中，该系统利用配置成用于进行双侧加热的热控制装置和被配置用于从反应容器的一个或多个边缘进行光学激励/检测的光学检测装置。示例性配置在下面提供。
[0204] 图18示出了用于在一次性化验盒插入系统中时对一次性化验盒(未示出)内制备的流体样本中的目标分析物执行检测的示例性诊断化验系统1000。如本文所述，诊断化验系统1000包括多个部件和子组件，其中一个是TOS子组件1100。如图18所示，TOS 1100子组件可以从系统的前面安装。TOS可以在门14打开时插入系统1000的框架或壳体中并且用一个或多个螺钉(未示出)进行固定，使得前板1110面向系统的接收化验盒的容纳部。前板1110限定腔开口或槽1111，化验盒的平面反应容器可以通过该开口或槽1111插入。在一些实施方式中，TOS可以在插入诊断化验系统之前作为独立的子组件进行测试。在一些实施方式中，TOS可以根据需要被移除或替换。
[0205] 在一些实施方式中，诊断化验系统使用一次性化验盒。适用于本文描述的系统的示例性化验盒在于2000年5月30日提交的题为“Cartridge for Conducting a Chemical Reaction(用于进行化学反应的化验盒)”的第6,818,185号美国专利中进行描述，该专利的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。
[0206] 在一些实施方式中，TOS槽1111和腔的尺寸被设计为容纳反应容器(通常在+/-0.020英寸内)，并且光学安装件和相关部件适于将光学部件相对于反应容器进行定位以促进目标分析物的激发和光学检测。在一些实施方式中，TOS在空间上配置成相对于反应容器定位诸如双TEC装置的热控制装置，以控制和促进化验盒的反应容器内的流体样本的热循环。在一些实施方式中，TOS移动热控制装置，例如在插入反应容器之前缩回双TEC，然后当反应容器就位时接合并夹紧双TEC与反应容器。
[0207] 图19A至图19B示出了根据本发明的一些实施方式的示例性TOS子组件1100的主视图和后视图。在图19A中，示例性的反应容器33被示出为插入前板1110的腔开口1111中，并且可以看到热控制支架/散热器820以及冷却风扇822(参见图20B)。在图19B中，可以看到允许热控制装置在夹持接合反应容器33之前横向移动的稳固的柔性PCB配置和热接触机构840。热控制装置800和光学部件900通过其供电和受控的PCB 830和831可以通过允许横向移动的稳固的柔性连接件832进行联接。热接触机构840包括在打开配置(参见图24B)和夹紧配置(参见图24A)之间平移运动的滑动部件，在夹紧配置中热控制装置的TEC面810接合反应容器33的侧部。在一些实施方式中，热接触机构840包括可移动和/或可调节支架842，支架842可沿着垂直延伸的安装件844上下滑动以确保与光学部件900和反应容器适当对齐，并且可以朝向热控制装置横向移动以确保与反应容器33适当的热接触来促进有效的热循环。在一些实施方式中，热接触机构840包括底部支承件或引导件846以便于将反应容器插入热接触机构840内。并且在一些实施方式中，该运动通过门驱动齿条110的轴向运动实现，如图26A和图26B所示。
[0208] 图20A至图20B示出了根据本发明一些实施方式的示例性TOS的分解图。可以看出，TOS组件包括具有窗口的光学安装件930，当组装时，激励部件910和光学检测部件920可以通过窗口进行操作。光学安装件通过支架1113附接到前板1110，并且至少部分地围绕反应容器开口1111周围的凸缘1112。热控制装置800通过两个销834联接到光学安装件930，所述两个销834延伸穿过热接触机构840并延伸穿过光学安装件930的两个孔。该组件还可以包括用于检测系统内化验盒的接近位置或标识的传感器。在一些实施方式中，传感器是近场通信(NFC)传感器1190，但应该理解，可以使用各种其他传感器。可以理解的是，在一些实施方式中，NFC可以适用于检测各种不同的事物，包括但不限于：化验盒的位置/存在，化验盒的类型，特定化验，特定化验所独有的微流体过程，移动设备(例如PDA)的存在以及各种其他具体参数。在一些实施方式中，NFC允许与特定系统/化验盒相关联的工作流程，由此避免了诊断化验系统否则将不得不访问云中的单独数据库的需要。此特征在资源有限的设置中特别有用，因为互联网可能无法使用。
[0209] 图21A至图21B示出了根据本发明的一些实施方式的示例性TOS的光学部件和相关联的PCB。光学部件包括激励组件910、光学检测部件920和相关联的PCB部件830、831以及电路833。在一些实施方式中，PCB通过稳固的柔性连接件832连接，该柔性连接件832允许热控制装置相对于反应容器横向移动。图22A至图22B示出了示例性TOS中的具有稳固的柔性连接件的相关联的PCB和热控制装置部件。图23A至图23B示出了在附接到示例性TOS的光学安装件930之前的热控制装置800。在一些实施方式中，光学安装件930包括对准特征931以确保光学部件900与反应容器33的反应室部分之间的适当对准。对准特征可以包括与反应容器的对应特征接合的一个或多个特征，例如容纳反应管的远端延伸销的孔、与反应容器的对应凹部接合的凸块或脊、一对磁体或便于反应容器和光学部件900之间对准的任何合适的特征。
[0210] 图24A至图24B和图25示出了根据本发明的一些实施方式的可移动地联接到光学安装件和滑动基座的热控制装置部件。在一些实施方式中，热控制机构840压靠接合化验盒的反应容器。在一些实施方式中，用于使热控制装置接合反应容器所施加的力至少为1磅力。在一些实施方式中，所使用的力的量在1磅力和3磅力之间，典型地以约1.3磅力夹紧，以确保TEC面与反应容器33的主面保持平行并充分接触。图26A至图26B示出了实现热控制装置在夹紧位置和打开位置之间横向移动的门齿条110的操作(分别参见图24A、图24B)。
[0211] 图28示出了根据本发明一些实施方式的TOS的光学模块和热模块组件810的示意图。光学模块包括设置在PCB载体上的检测块芯片或检测部件920和激励块芯片或激励部件910。图28示出了用于本文公开的诊断化验系统中的示例性TOS。
[0212] 8.B光学部件
[0213] 图30A示出了与本文公开的诊断化验系统一起使用的示例性光学部件配置，图30B图示了根据本发明的一些实施方式的示例性光学部件配置的详细示意图。在一些实施方式中，光学激励和检测装置通过化验盒的反应容器的副面(边缘)进行操作，而热控制装置接合反应容器的一个或多个相对主面。在一些实施方式中，热控制装置部件在一侧热接合反应容器的主面。在一些实施方式中，热控制装置部件在两侧热接合反应容器的主面。后一种配置对于更大的流体样本体积的加热和冷却可能特别有用。这样的配置可以使用陶瓷板式加热器来加热和被动冷却(例如吹过陶瓷加热器的环境空气)装置以实现反应容器中流体的热循环或可以包括本文所述的任何TEC配置。
[0214] 根据本发明的一些实施方式，小型化LED激励芯片可以通过反应容器的副边缘激励流体样本，而小型化检测芯片通过反应容器33的主面收集荧光，如同图30B所示的配置。另外，双TEC设计通过相对的面提供受控的加热和冷却，与用于一些热循环装置中的被动冷却相比，提供改进的温度控制。在一些反应容器中，例如图30A中的配置，边缘查看窗口较窄(约1.0mm×4.5mm)，而小尺寸使得传统的透镜作用变得困难。如图30B所示，从反应容器的主面收集荧光提供更大的检测窗口，其允许收集更多的信号，同时仍允许激励和检测彼此正交。在一些实施方式中，光学检测芯片的尺寸被设计为匹配反应容器的尺寸。图30C示出了根据本发明的一些实施方式的示例性激励块和检测块中的每一个的详细视图。如图所示，激励块910包括LED光源911，LED光源911引导光通过滤光片和透镜912，然后通过棒状透镜913，从而将期望波长的光发射到反应容器33的期望位置。光学检测块920包括光电二极管检测器921，该光电二极管检测器921检测从反应容器33发射的光，在由光电二极管检测器921接收之前，发射的光穿过棒状透镜923以及滤光片和透镜922，以确保检测特定波长，特定波长可指示对应于反应容器33内目标分析物的存在的反应。
[0215] 在一些实施方式中，光学部件900包括光学激励部件910和光学检测部件920，光学激励部件910和光学检测部件920定位在适于接收平面反应容器33的光学安装件上。光学激励部件910定位成通过反应容器33的平坦表面的边缘(副面)发射激励能量，并且光学检测部件920沿着反应容器的主平坦表面定位。在一个方面，光学激励部件和光学检测部件彼此正交。在一些实施方式中，光学部件被配置为利用具有高数值孔径的透镜。在一些实施方式中，光学部件被配置成用于在低数值孔径下操作而不需要使用透镜。在这样的实施方式中，光路可以从光源行进通过滤光片并到达检测部件，而不需要使用透镜来聚焦通过激励产生的光。这样的实施方式可以被配置为使得激励光路和检测光路空间上彼此相对布置，以改善由低数值孔径处的激励产生的光的检测，而不需要使用透镜。在激发光的检测中使用这种空间区分允许在没有透镜的情况下进行光检测，这允许系统的尺寸减小。
[0216] 在荧光检测系统中，激发光通常超过发射的荧光信号的量。为了有效检测发射信号，收集尽可能多的发射光是很重要的。因此，大多数常规系统在其光学检测系统中采用高数值孔径。高数值孔径允许收集更多的光，这进而提供更高的分辨率，而低数值孔径通常导致收集更少的光，导致更低的分辨率。大多数传统的荧光光学检测系统在光源和检测器之间的光路中使用包括透镜和带通滤光片的配置。滤光片通常放置在透镜和检测器之间，使得透镜提供穿过滤光片的准直光。在没有透镜(和准直光)的情况下，滤光片变得效率低得多，因为透过带通滤光片的高入射角的光仅在未滤光的情况下通过。透镜消除这个问题，因为它进行准直(减少高入射角光束)，导致激发波长的更有效的滤光。
[0217] 在本发明的一些实施方式中，光学系统不包括透镜。在没有透镜的情况下，采用低数值孔径配置，其中光路仅由光源、带通滤光片和检测器组成。使用具有这种配置的低数值孔径降低了高入射光角度(不使用透镜的情况下)，从而提高了滤光效率，进而导致发射光的强信号，其中大部分激发波长被滤除。
[0218] 在一些实施方式中，光学模块包括UV LED、蓝色LED、绿色LED、黄色LED和红色LED、相关光学滤光片、耦合光学元件和防护玻璃。在一些实施方式中，光学装置完全封装在环氧树脂中，其提供防震保护并防止灰尘和湿气侵入。在一些实施方式中，光学激励和检测芯片具有减小的尺寸，例如每个尺寸小于10mm，典型地约5mm(长)x 4mm(宽)x 3mm(高)。
[0219] 图31示出了激励块910和检测块920的详细视图，其中指示了从激励块发射光并由检测块收集光所经由的相邻反应容器的相对面积。
[0220] 图32示出了根据本发明的一些实施方式的利用光学部件的激励和检测部件的荧光检测。可以看出，根据一些实施方式，图32中的配置与用于与低数值孔径的使用相关的激励块和检测块的布置模式匹配。
[0221] 8.C热控制装置
[0222] 8.C.1概述
[0223] 图27示出了根据本发明的一些实施方式的TOS板中的热控制装置800的块控制图。在一些实施方式中，热控制装置包括双热电冷却器(TEC)，在其之间设置有热电容器。在一些实施方式中，热控制装置采用利用两个热敏电阻的闭环控制来控制每个TEC的操作，从而优化与反应容器或容器接合的活性表面的加热和冷却。与传统的温度控制装置控制件相比，该配置提供了更低的噪声、改进的温度稳定性、高增益和高带宽。在一些实施方式中，使用一个热控制装置来通过反应容器的主面来加热/冷却流体样本。在一些实施方式中，在反应容器的每个主面使用热控制装置，通过反应容器的两个主面加热/冷却流体样本。
[0224] 在所描述的包括第一和第二热电冷却器的任何实施方式中，第二热电冷却器可以用热操控装置来替换。这种热操控装置包括加热器(例如，热电阻加热器)、冷却器或适于调节温度的任何装置中的任一种。在一些实施方式中，热操控装置被包括在与第一热电冷却器共有的微环境中，使得热操控装置的操作相对于环境温度改变微环境的温度。在这方面，该装置改变周围环境以允许第一热电冷却器在第一温度(例如60-70℃的扩增温度)与第二较高温度(例如约95℃的变性温度)之间循环，尽可能快地在这些温度之间循环。如果第一和第二温度都高于真实的环境温度，则对于微环境内的第二热源(例如热电冷却器或加热器)来说，将微环境内的温度升高到环境温度以上会更有效。替代地，如果环境温度超过第二较高温度，则热操控装置可将微环境冷却到理想温度，以允许更有效地在第一和第二温度之间快速循环。
[0225] 在一些实施方式中，热控制装置包括具有工作面和参考面的第一热电冷却器、热操控装置以及可操作地联接到第一热电冷却器和热操控装置中的每一个的控制器。控制器可以被配置成与热操控装置协调来操作第一热电冷却器，以便随着第一热电冷却器的工作面的温度从初始温度变为期望的目标温度而提高第一热电冷却器的效率。热操控装置可以包括热电阻加热元件或第二热电冷却器或用于调节温度的任何合适的装置。
[0226] 在一些实施方式中，热控制装置还包括一个或多个温度传感器，所述一个或多个温度传感器与控制器联接并且沿着或靠近第一热电冷却器、热操控装置和/或第一热电冷却器和热操控装置共有的微环境进行布置。热操控装置可以通过在诊断化验系统内限定的微环境与第一热电冷却器热耦合，在所述诊断化验系统中，热操控装置设置为使得微环境的温度可以从系统外部的环境温度进行控制和调节。
[0227] 在一些实施方式中，热控制装置包括与热电冷却器和热操控装置中的每一个联接的控制器，该控制器被配置为控制温度以便控制与热控制装置热连通的反应容器的腔室内的温度。在一些实施方式中，控制器被配置为基于对反应容器内的原位反应室温度的热建模来操作第一热电冷却器。热建模可以实时进行，并可根据模型的精确度利用卡尔曼滤波。
[0228] 在一些实施方式中，热控制装置设置在装置诊断化验系统内并定位成与设置在系统内的化验盒的反应容器热连通。控制器可以被配置为在反应容器的腔室内的聚合酶链式反应过程中执行热循环。
[0229] 在一些实施方式中，热控制装置包括具有工作面和参考面的第一热电冷却器、热操控装置、设置在第一热电冷却器和热操控装置之间的热插入器以及第一温度传感器，使得第一热电冷却器的参考面通过热插入器(其可以是如本文公开的热电容器)与热操控装置热耦合，第一温度传感器适于感测第一热电冷却器的工作面的温度。该装置还可以包括控制器，该控制器可操作地联接到第一热电冷却器和热操控装置中的每一个。控制器可以被配置成，当第一热电冷却器的工作面的温度从初始温度变为期望的目标温度时，与第一热电冷却器协调地操作热操控装置以增加第一热电冷却器的速度和效率。在一些实施方式中，控制器配置有具有预测温度的反馈输入的闭合控制回路，预测温度基于包括来自第一温度传感器的输入的热模型。
[0230] 这种热控制装置的各个方面在与本申请同时提交的于_提交的标题为“Thermal Control Device and Methods of Use(热控装置和使用方法)的第_号美国非临时申请[代理人卷号85430-1017353-011410US]”中进行了详细描述，其全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。可以理解的是，根据本发明的一些实施方式的TOS系统中使用的热控制装置可以包括其中描述的元件的任何组合。
[0231] 8.C.2 TEC设计
[0232] 在一些实施方式中，热控制装置包括：第一TEC，具有工作面和参考面；第二TEC，具有工作面和参考面；热插入器，设置在第一TEC和第二TEC之间，使得第一TEC的参考面通过热插入器与第二TEC的工作面热耦合。在一些实施方式中，热插入器用作热电容器。在一些实施方式中，热控制装置包括可操作地联接到第一TEC和第二TEC中的每一个的控制器，控制器被配置为与第一TEC并行地操作第二TEC，以便随着第一TEC的工作面的温度从初始温度变为期望的目标温度而提高操作第一TEC的速度和效率。在一些实施方式中，第一热电冷却器和第二热电冷却器通过具有足够热导率和质量的热电容器热耦合以传输和存储热能，从而减少在加热和冷却之间切换时的时间，由此提供更快且更有效的热循环。在一些实施方式中，该装置利用第一热电冷却器装置内的热电偶和热电容器层内的另一热电偶并且分别基于第一和第二热电偶的温度使用第一和第二闭合控制回路进行操作。为了利用热电容器层中存储的热能，第二控制回路可以配置成超前或滞后第一控制回路。通过使用本文描述的这些方面中的一个或多个，本发明的实施方式提供更快、更稳健的热控制装置以执行快速热循环，优选地在大约两小时或更短的时间内，即使在上述有问题的高温环境中。
[0233] 在一些实施方式中，热控制装置包括由足够质量的热传导材料形成的热电容器，以充分存储热能以促进热循环之间的切换速度的提高以及TEC的加热和冷却效率。在一些实施方式中，热电容器包括比第一和第二TEC的工作面和参考面具有更高热质量的材料，其可以由陶瓷材料形成。在一些实施方式中，热电容器由厚度为大约10mm或更小(例如，大约10、9、8、7、6、5、4、3、2或1mm，或更小)的铜层形成。该配置允许具有相对较薄的平面结构的热控制装置，以便适用于尺寸减小的核酸分析装置中的反应容器。
[0234] 在一些实施方式中，热控制装置包括：第一温度传感器，适于感测第一TEC的工作面的温度；第二温度传感器，适于感测热电容器的温度。在一些实施方式中，第一和第二温度传感器与控制器联接，使得第一和第二TEC的操作分别至少部分地基于从第一和第二温度传感器到控制器的输入。在一些实施方式中，第二温度传感器嵌入热容器的导热材料或至少与热容器的导热材料热接触。应理解，在本文所述的任何实施方式中，温度传感器可以设置在各种其他位置，只要传感器与相应层充分热接触以感测这些层的温度即可。
[0235] 在一些实施方式中，热控制装置包括控制器，所述控制器配置有主控制回路和辅助控制回路，第一温度传感器的输入提供到主控制回路中，第二温度传感器的输入提供到辅助控制回路中。控制器可以被配置成使得主控制环路的带宽响应比辅助控制环路的带宽响应时间上更快(或者更慢)。通常，主控制回路和辅助控制回路都是闭环回路。在一些实施方式中，控制器被配置成在加热循环和冷却循环之间循环，在加热循环中第一TEC的工作面被加热到升高的目标温度，在冷却循环中第一TEC的工作面被冷却到降低的目标温度。控制器可以被配置成使得辅助控制回路在第一控制回路在加热和冷却之间切换之前在加热和冷却模式之间切换第二TEC，以热装载热容器。在一些实施方式中，辅助控制回路相对于第一TEC的工作面的温度将热电容器的温度保持在约40℃内。在一些实施方式中，辅助控制回路相对于第一TEC的工作面的温度将热电容器的温度保持在约5、10、15、20、25、30、35、40、45或50摄氏度内。控制器可以被配置成使得通过操作第二TEC来维持第一TEC的效率，使得通过第一TEC的工作面进行加热和冷却以约10℃/秒的变化率发生。通过本发明可以实现的非限制性示例性变化率包括20、19、18、17、16、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1℃/秒。在一些实施方式中，升高的目标温度为约90℃或更高，降低的目标温度为约40℃或更低。在一些实施方式中，升高的温度为约95℃，降低的目标温度在从约60℃至约75℃的范围内，包括该范围两端之间的所有温度。
[0236] 在一些实施方式中，热控制装置还包括与第二TEC的参考面联接的散热器，以防止循环期间的热失控。热控制装置可以配置成大致平面的配置并且尺寸被设计为与化验盒的反应容器的平面反应室部分相对应。在一些实施方式中，平面尺寸具有约45mm或更小的长度和约20mm或更小的宽度或约40mm乘以约12.5mm的长度，诸如约11mm乘以13mm，以便适用于微型PCR分析装置中的反应容器。大体上平面的配置可以被配置成以及尺寸设计为从第一TEC的工作面到散热器的相对侧具有约20mm或更小的厚度。有利的是，在一些实施方式中，热控制装置可以适于与反应容器接合，以在其单侧对反应容器进行热循环，以允许在热循环期间从反应容器的相对侧对目标分析物进行光学检测。
[0237] 在一些实施方式中，本文提供了控制温度的方法。这些方法包括以下步骤：操作具有工作面和参考面的第一TEC，以将工作面从初始温度加热和/或冷却到目标温度；操作具有工作面和参考面的第二TEC，以便随着第一TEC的工作面的温度从初始温度变为期望的目标温度而增加第一TEC的效率，第二TEC的工作面TEC通过热电容器热耦合到第一TEC的参考面。这样的方法还可以包括以下步骤：操作第一TEC包括操作具有来自于第一TEC的工作面处的温度传感器的温度输入的主控制回路，以及操作第二TEC包括操作具有来自于热电容器内的温度传感器的温度输入的辅助控制回路。在一些实施方式中，该方法还包括：在第一热电装置的工作面加热到升高的目标温度的加热模式与工作面被冷却到降低的目标温度的冷却模式之间循环；存储来自热电容器中的加热和冷却模式之间的热波动的热能，热电容器包括分别与第一热电冷却装置和第二热电冷却装置的工作面和参考面相比具有增加的热导率的层。
[0238] 在一些实施方式中，控制热循环中的温度的方法包括：在第一热电装置的加热模式和冷却模式之间循环的同时，在第二热电装置的加热模式和冷却模式之间循环，从而在循环过程中保持第一热电装置的效率。在一些实施方式中，控制器被配置为使得主控制环路的带宽响应比辅助控制环路的带宽响应更快。控制器还可以配置为使得循环由控制器定时以在模式之间切换第一热电装置之前在模式之间切换第二热电装置，以热装载热电容器。在一些实施方式中，升高的目标温度为约95℃或更高，降低的目标温度为约50℃或更低。在一些实施方式中，控制温度的方法还包括：通过在第一TEC的循环期间控制第二TEC的操作，将热电容器的温度相对于第一TEC的工作面的温度保持在大约40℃内，以便在循环期间保持第一TEC的效率。在一些实施方式中，通过操作第二TEC来维持第一TEC的效率，使得通过第一TEC的工作面进行加热和/或冷却以10℃/秒或更小的变化率发生。这样的方法还可以包括：在与第一TEC和第二TEC循环期间操作与第二TEC的参考面联接的散热器，以防止热失控。
[0239] 在一些实施方式中，本文提供了聚合酶链式反应过程中的热循环方法。这样的方法可以包括以下步骤：使热控制装置与其中具有流体样本的反应容器接合，以执行用于扩增靶多核苷酸的聚合酶链式反应，使得第一TEC的工作面热接合反应容器；根据用于扩增包含在流体样本中的靶多核苷酸的特定协议使热控制装置热循环。在一些实施方式中，使热控制装置与反应容器接合包括使第一TEC的工作面接合反应容器的一侧，使得相对侧保持未被热控制装置覆盖以允许从相对侧进行光学检测。在一些实施方式中，加热模式和冷却模式中的每一个使用一个或多个操作参数，其中一个或多个操作参数在加热模式和冷却模式之间不对称。例如，加热模式和冷却模式中的每一个都具有带宽和回路增益，其中加热模式和冷却模式的带宽和回路增益是不同的。
[0240] 在一些实施方式中，提供了利用热控制装置来控制温度的方法。这种方法包括以下步骤：为第一和第二TEC提供热控制装置，第一和第二TEC之间具有热电容器，其中第一和第二TEC中的每一个具有工作面和参考面；加热工作面；冷却工作面；加热参考面；以及冷却参考面。在一些实施方式中，加热工作面和冷却工作面的每一个都由一个或多个操作参数控制。在一些实施方式中，与冷却工作面相比，一个或多个操作参数的大小在加热工作面过程中是不同的。
[0241] 在一些实施方式中，该方法包括通过使用交替的固定装置在多个热控制装置之间的可靠性测试。这种方法包括以下步骤：在热控制装置与第二或更多热控制装置之间交替进行热循环，以通过在工作位置处操作交替地定位热控制装置和第二或更多热控制装置的固定装置来实现第二或更多反应容器的热循环，在工作位置处执行相应的反应容器的热循环。在一些实施方式中，固定装置是可旋转的毂，其中热控制装置和两个或更多个热控制装置围绕毂的外部周向分布，使得操作该固定装置包括使该毂旋转。
[0242] 8.C.2.a示例性TEC设计配置
[0243] 图33A示出了包括通过热电容器813(也被称作热插入器)热耦合的第一TEC 811(主TEC)和第二热操控装置(诸如辅助TEC 812或热电阻元件)的示例性热控制设备。TEC被配置为使得第一TEC 811的工作面811a与反应容器33热耦合以便于控制其中的热循环。该装置可以可选地包括用于将该装置安装在管上的联接固定装置819。在一些实施方式中，该装置可以固定到在管附近定位该装置的固定装置。第一TEC的相对参考面811b通过热电容器层与第二TEC 812的工作面812a热耦合。这种配置也可被描述为，参考面811b与热电容器层813的一侧直接热接触，并且工作面812a与热电容器层813的相对侧直接热接触。在一些实施方式中，第二TEC的参考面812b与散热器817和/或冷却风扇818热耦合，如图33B的实施方式所示。在该实施方式中，热控制装置800被配置为使得其沿着反应容器33的平面部分的一侧热耦合，以允许从另一个方向(例如管的一侧)通过光学激励装置910(诸如激光器)进行光学激励以及从另一个方向(例如管的相对侧)利用光学检测装置920进行光学检测。
[0244] 热电偶816在工作面811a处或附近包括在第一TEC 811中，以允许精确控制反应容器的温度。该热电偶的温度输出用于主控制回路814中，该主控制回路814利用工作面11a来控制加热和冷却。第二热电偶816'包括在热电容器层内或附近，并且在第二控制回路814'中使用相关联的温度输出，第二控制回路814'通过第二TEC的工作面812a控制加热和冷却。在一个方面，第一控制回路比第二控制回路快(例如，第二控制回路滞后于第一控制回路)，这考虑到在热电容器层内传递并存储的热能。通过使用这两个控制回路，第一TEC 811的工作面811a和参考面811b之间的温度差可被控制，以便优化和提高第一TEC的效率，这允许通过第一TEC进行更快和更一致的加热和冷却，而热电容器允许在加热和冷却之间更快速地切换，如本文所述并在下面呈现的实验结果中展示。
[0245] 代替将标准散热器粘贴到与反应容器相对的陶瓷板上，使用另一(辅助)TEC来保持主TEC的工作面在约40℃内的温度。在一些实施方式中，使用两个PID(比例-积分-微分增益)控制回路来维持该操作。在一些实施方式中，使用非PID控制回路来维持主TEC的工作面的温度。典型地，快速PID控制环路将主TEC驱动至预定的温度设定点，由安装在与反应容器接触的陶瓷板下侧的热敏电阻监测。该回路以最大速度运行，以确保快速准确地达到控制温度。在一些实施方式中，较慢的第二PID控制回路维持主TEC的底面的温度以使热效率最大化(实验确定为与工作面温度相差约40℃以内)。如上所述，也可以使用非PID控制回路来维持TEC的温度以使热效率最大化。在一些实施方式中，抑制两个控制回路之间的相互作用以消除一个回路来控制另一个回路是有利的。通过使用热电容器层吸收和储存来自第一和/或第二TEC的热能以促进加热和冷却之间的快速切换更有利。
[0246] 本文详细描述了在本发明的一些实施方式中使用的用于实现在加热和冷却之间快速和有效切换的两个非限制性示例性方式。首先，辅助控制回路的带宽响应被有意限制为比快速主回路低得多，即所谓的“惰性回路”。其次，热电容器夹在两个TEC之间。尽管期望整个热控制装置相对较薄以允许在反应容器的反应室部分上使用该装置，但应理解的是，热电容器层可以更厚，只要其提供足够的质量和热导率以在任一侧作为TEC的热电容器即可。在一些实施方式中，热容器层是厚度约为1mm或更小的薄铜板。铜由于其极高的导热性而是有利的，而1mm厚度被实验确定为充分拟制两个TEC，同时为薄层提供足够的质量以存储热能而充当热电容器。尽管铜由于其导热性和高质量而特别有用，但可以理解的是，可以使用具有相似导热性质和高质量的各种其他金属或材料，优选地该材料为导热性(即使小于任一TEC)材料并且其质量与TEC中的任何一个相同或更高，以允许该层在存储热能时用作热电容器。另一方面，热容器层可以包含第二热敏电阻器，该第二热敏电阻器用于监测辅助PID控制回路所使用的“背侧”温度(例如参考面)。两个控制回路都可以在单个PSoC(可编程片上系统)芯片中数字化实现，该芯片可将控制信号发送给两个双极珀耳帖电流源。本领域技术人员应该理解，在一些实施方式中，非PSOC芯片也可以用于该控制，例如适用于本发明的现场可编程门阵列(FPGA)等。在一些实施方式中，双TEC模块包括散热器以防止热失控，其可以使用例如导热银环氧树脂结合到辅助TEC的背侧。适用于本发明的替代性结合方法和材料对于本领域技术人员来说是熟知的。
[0247] 图33B示出了双TEC设计的示意图。PCR反应容器的温度(由热敏电阻(816)(椭圆形)测量)由主TEC管理并由PSoC固件中的回路控制。主TEC的最佳热效率由与铜层热接触的第二热敏电阻(816')(椭圆形)维持，第二热敏电阻进入辅助PSoC回路以控制第二TEC。
[0248] 8.C.2.b初始双TEC制造
[0249] 图33C示出了示例性双TEC加热/冷却模块，其具有与反应容器的一个主面热接合的热控制装置800、与反应容器的副面(例如边缘)相邻的光学激励块以及抵靠反应容器33的相对主面的光学检测块920。在一些实施方式中，主TEC和辅助TEC二者(Laird，OptoTEC HOT20,65,F2A，1312，下面的数据表)测量13(宽)x13(长)x2.2(厚)毫米，并且具有最大热效率＝60％。在一些实施方式中，由TEC模块影响的平面区域与GX反应容器匹配。在一些实施方式中，其配置成容纳范围从25μl到100μl的反应容器。
[0250] 图33B示出了用于在化学分析系统中对反应容器进行单侧加热和冷却的示例性双-TEC模块。可以理解的是，在一些实施方式中，可以修改该设计以在两侧上提供双TEC以用于双侧加热。可以看出，散热器包括迷你风扇，用于冲刷热量并保持TEC效率。通过安装在与管接触的陶瓷下侧的热敏电阻进行监测，主TEC(顶部)循环反应容器中的温度。“背侧”TEC保持间隙铜层的温度(通过使用热敏电阻)以确保主TEC的最佳热效率。集成迷你风扇的散热器可保持整个模块处于热平衡状态。
[0251] 在一些实施方式中，使用银环氧树脂将具有+/-0.1℃温度容限的小型热敏电阻结合到主TEC的顶面的下侧。该热敏电阻探测施加于反应容器的温度，并且是PSoC中主控制回路的输入，PSoC控制主TEC的驱动电流。主TEC的底表面用银环氧树脂结合到1mm厚的铜板上。铜板上有槽，其中包含第二TR136-170热敏电阻，该热敏电阻用银环氧树脂封装以监测“背侧温度”，即PSoC中辅助控制回路的信号输入。然后由辅助控制回路控制的辅助TEC夹在铜板和铝散热器之间。散热器加工成整体厚度为6.5毫米，保持整个封装厚度小于13毫米，平面尺寸为40.0(长)x12.5(宽)mm，这是尺寸减小的仪器内的空间限制所必需的。12x 12毫米的Sunon Mighty迷你风扇(下面的数据表)粘合到加工在散热器中的嵌入物内，其中TEC与散热器相互作用。应注意，迷你风扇不需要直接冷却散热器；安静、耐用、廉价的低电压(最大3.3V)无刷电机足以通过使用剪切流从铝/空气界面去除热表面空气来维持散热器性能，而不是直接空气冷却(如在某些常规分析装置中)。
[0252] 可以使用原型单元的测试来确定加热/冷却速度、热稳定性、环境温度增加下的鲁棒性以及整体系统可靠性是否足以满足工程要求规范。热性能已被证明是可以接受的，从而满足示例性尺寸缩小系统的设计目标：尺寸更小、坚固、廉价(与双侧加热/冷却相比所需的部件更少)。此外，单侧加热/冷却使得能够通过反应容器的侧面进行更有效的光学检测。
[0253] 图33C示出了示例性系统内的双TEC加热/冷却模块以及LED激发和检测块以及反应容器的CAD图。反应容器在一侧(反应容器的第一主面)进行热循环，并通过相对侧(反应容器的第二主面)检测荧光。LED照明保持通过反应容器的边缘(副面)。
[0254] 8.C.2.c初始加热/冷却性能
[0255] 使用定制固定装置测量示例性TEC组件的加热和冷却性能，该定制固定装置将TEC组件紧靠反应容器的一个表面夹紧。通过使TEC组件成为热绝缘Delrin而使TEC组件与固定装置热隔离。为了模拟PCR的热负荷，反应容器中充满流体样本，流体样本与TEC组件相对的管表面上的荧光检测块牢固接触。应该注意的是，在这个几何形状中接触管的顶部TEC表面上的温度被独立地测量为等于或高于在主TEC热敏电阻上测量的温度。因此，使用主TEC热敏电阻的读取温度来初始表征双TEC加热/冷却系统的热性能是合理的。可以对热敏电阻和反应容器温度之间的任何不匹配进行表征和调整，以使用主TEC热敏电阻和反应容器中流体样本的温度之间的反馈回路。
[0256] 在一些实施方式中，使用夹紧固定装置来将热控制装置固定到用于热表征的反应容器。在一个示例中，反应容器可以填充流体样本并且被固定以在加热/冷却模块和反应容器的一个面之间进行热接触。管的另一面可以夹在荧光检测块上。LED激发块通过管的边缘照亮溶液。在一些实施方式中，激发和检测均通过管的副面完成。
[0257] 在一些实施方式中，PSoC控制板采用PID控制来维持主TEC热敏电阻的温度设定点并向TEC装置提供双极性驱动电流(加热时为正电压，冷却时为负电压)，并且给迷你风扇供电。该PID回路经过调整以最大化主TEC的性能。编写脚本，以在PCR热循环的高温和低温极端特征之间循环管的设定点。具体地，低温设定点＝50℃，停留时间为12秒，一旦测得的温度在+/-0.1℃内持续1秒，即开始。类似地，高温设定点＝95℃持续12秒，一旦设定点的温度保持在+/-0.1℃持续1秒钟后便开始。脚本在50℃和95℃之间无限循环。
[0258] 辅助控制回路也保持在相同的PSoC芯片内，读取与铜阻尼/热电容器层(见图33A)热接触并且作用于辅助TEC上的辅助热敏电阻的温度。通过控制该铜层的温度，即所谓的“背侧”温度，发现一组不同的PID调节参数以适当地保持系统热性能。如预期的那样，该控制回路具有比主TEC控制回路低得多的带宽。PSoC和相关程序还允许背侧温度的多个设定点，可用于通过保持主TEC在最佳有效热条件下工作而使变化率性能最大化。
[0259] 图34示出了来自反应容器温度的示例性热循环，在闭环控制下从50℃→95℃→50℃(主迹线)对热循环测量迹线。闭环加热和冷却速率约为7℃/秒。主控制是热循环的期望温度设定点(经过时间为0秒和20秒之间的平方函数)，主迹线是管的测量温度。可以看出，实际的热循环滞后于由控制主函数指示的期望的热循环。确定主TEC的热效率在管和背面之间的温差不高于30℃时最高，所以当加热到最高温度(管95℃)时背侧温度被控制为65℃，当将管冷却至50℃(背侧迹线)时，背侧温度被控制为45℃。一旦主TEC升高到更高的温度，背侧温度可以被缓慢地并且可控地驱动到更低的温度，从而预期下一个热循环(示出为从经过时间约37秒处开始)。该方案类似于使用背侧TEC适当加载作用于主TEC上的“温泉”，并且适用于PCR系统，因为待应用于特定PCR化验的热分布对于化验设计师使已知的。注意，用于稳定且可重复的加热和冷却的闭环变化率对于45℃的范围为约6.5秒，如十个连续的热循环所示，如图35所示，对应于加热和冷却二者的真实闭环变化率为约7℃/秒。在整个PCR热循环范围内，性能在多个循环中保持不变。
[0260] 8.C.2.d早期和近期可靠性实验
[0261] 典型的PCR化验具有从退火温度( )至DNA变性温度( )并退回至退火温度的约40个热循环。为了评估可靠性，将示例性热控制模块在50℃(用于PCR实验的最低温度的数量级)和95℃之间循环，并在每个温度下等待10秒以实现系统热平衡。
[0262] 图36A示出了5000次循环测试的前5次和最后5次循环的比较。应注意，右侧轨迹的时间轴来自小数据采样范围；5000次循环大约需要2天。此模块在保持性能的情况下已经循环超过10,000次。可以看出，循环1-5(左侧)的热循环性能在5000次循环(右侧为4,995-5,000次循环)后保持不变，并且初始循环和最终循环之间的热性能没有变化。其中有两个原因令人鼓舞。首先，快速加热/冷却的闭环参数在反复热循环时非常稳定。即使很小的热不稳定性也会导致主TEC和背侧TEC二者的测量温度的漂移，并迅速升高到热失控(这会在固件中引发过流关断故障)。适当调整的系统不会显示这种行为，显示系统的稳健性。其次，模块的热效率在5000次循环内保持稳定。事实上，这个单元随后被循环超过10,000次，而性能没有发生灾难性侵蚀或逐渐侵蚀。图36B示出热循环开始和连续热循环两天后五个循环的热循环性能。
[0263] 8.D用于控制热循环的热建模方法
[0264] 另一方面，热控制装置可以被配置成基于热建模来控制温度。这方面可以用于配置成用于单侧加热或双侧加热的热控制装置。在一些实施方式中，这样的装置包括第一热电冷却器和另一热操控装置，每一个都联接到控制器，该控制器与热操控装置协调来控制第一热电冷却器，以改善利用第一热电冷却器加热和/或冷却时的控制、速度和效率。然而，应该认识到，这种热建模方面可以并入本文所述的任何配置的控制中。
[0265] 这种方法的示例在图37所示的状态模型图中示出。该图示出了与单侧版本的热控制装置一起使用的七态模型。该模型应用电气理论来对温度的真实世界热系统进行建模，所述温度包括热电冷却器表面、反应容器或容器以及反应容器内的流体样本的温度。该图示出了模型的七种状态以及在卡尔曼算法中使用的三种测量状态，以假设其为水时获得对反应容器内含物的最佳估计。
[0266] 在图37的电路模型中，电容器表示材料热容量，电阻器表示材料热导率，每个电容器和电源处的电压表示温度，并且电流源表示来自与管面相邻的前侧热电冷却器(TEC)的热功率输入。在该实施方式中，模型的输入是可以从模型T1-T7、前侧热电冷却器热量输入(瓦特)以及与相对的容器或管表面相邻的“块”温度预测的背侧TEC温度。这完成了算法的模型部分。如前所述，卡尔曼算法通常将模型与测量的传感器信号结合使用，这些信号也是模型输出的一部分。此处，测量的转换为温度的热敏电阻信号用于前侧热电冷却器，并且也用于背侧热电冷却器。对于背侧测量温度的情况，其不是模型的输出，而是假定它们是相同的。这种假设的一个原因是，就总体导热性而言，R1是可以忽略的。
[0267] 8.C.2.e替代TEC设计
[0268] 模块构造中的可变性可以导致装置性能的细微差异。例如，电流模块是手工组装的，带有机械加工的散热器和间隙铜层，所有部件都通过手工使用导电环氧树脂粘结在一起。环氧树脂厚度的变化或模块夹层结构内部部件之间产生的小角度会导致不同的热性能。最重要的是，热敏电阻也使用热环氧树脂附连到陶瓷上。热敏电阻和陶瓷之间的小间隙导致控制温度和测量温度之间的误差。最后，焊接小导线以制造两个TEC、两个热敏电阻和风扇电源导线的电触点非常耗时。
[0269] 在一些实施方式中，热控制装置包括反应容器的每个主面(相对侧)上的加热和冷却表面(例如，如本文所述的TEC装置)。在这样的实施方式中，可以沿着副面(例如边缘)执行光学检测。在一些实施方式中，沿着第一副面执行光学检测，并且沿着与第一腐竹面正交的第二副面执行光学激励。当需要加热和冷却较大体积(100-500μl流体样本)时，这样的实施方式可能特别有用。
[0270] 在一些实施方式中，热控制装置模块使用定制珀耳帖装置，其包含安装在与反应容器接触的陶瓷板的下侧上的集成表面安装热敏电阻。微小的0201封装热敏电阻(0.60(长)x 0.30(宽)x 0.23(厚)mm)可用于通过限制零件厚度最大限度地减少导致温度变化的珀耳帖装置内部的对流。此外，由于表面安装热敏电阻的热接触和位置可以精确控制，因此这些部件在测量的陶瓷温度和实际的陶瓷温度之间具有非常一致的特征差异。
[0271] 在一些实施方式中，热控制装置可以包括定制的珀尔帖，其被设计为使用半导体批量生产技术(“拾取和放置”机器和回流焊接)完全集成到加热/冷却模块中。该填隙铜衬底可以替代Bergquist热界面PC板(1mm厚的铜基板)，该板可精确控制铜厚度和焊盘尺寸。Bergquist衬底还将为背侧热敏电阻和所有进出模块的电气连接提供焊盘引线。背侧帕尔帖将仍然保持为类似于目前使用的装置。最后，整个TEC组件可以封装在硅树脂中以使其具有防水性。在一些实施方式中，铝安装支架也可以兼作散热器。
[0272] 九.诊断平台
[0273] 图38是示出根据本发明一些实施方式的诊断化验系统的架构概览的简化框图。如同在此示出的所有附图一样，各种实施方式可以不同于所示的示例。例如，一些实施方式可以组合、分离、添加和/或省略图38中所示的部件。此外，每个部件的功能可以由设置在一个或多个地理位置中的一个或多个装置(例如，计算装置)提供。
[0274] 虽然附图可能涉及“Epsilon仪器”、“Epsilon手持式平台”和特定的远程服务，但是落入本发明范围内的各种实施方式不限于此。在此描述的技术被更一般地描述并且可以被任何种类的医疗装置、移动或其他计算装置以及远程服务器使用。此外，本文描述的具体软件部件和功能可以用各种类似功能的软件代替。本领域的普通技术人员将认识到本文所示和下面描述的实施方式的一些变化。
[0275] 如图38所示，诊断化验系统通常可以包括三种类型的部件：诊断装置(“Epsilon仪器硬件”，在本文中以及在附图中被称为“仪器”或“诊断装置模块”或“诊断装置”))，移动装置(“Epsilon手持式平台”)和远程服务(统称为“远程Xpert系统”和“远程Xpert+系统”)。下面提供了这些部件的更详细的描述。诊断装置和移动装置可以共同位于护理点，例如健康诊所、医院或其他设施，而远程服务可以位于一个或多个远程位置。取决于期望的功能，并且如上所述，实施方式可以采用多个诊断装置、移动装置和/或远程服务。
[0276] 图38中所示的诊断装置包括所示的Epsilon仪器硬件以及其中所示的各种软件部件，包括Epsilon仪器核心软件、Epsilon Xpert Reporter软件、Epsilon仪器接口软件和Assay Distributable。如图所示，这些部件可以使用各种接口和应用编程接口(API)相互通信。如前所述，诊断装置可以包括具有测试和计算部件的组合的诊断化验系统，其被配置为进行诊断化验并且将结果数据经由移动装置提供给远程服务。在一些实施方式中，诊断装置可以另外处理和/或存储来自一个或多个化验结果的化验数据。部件可以至少部分地使用软件和硬件的组合来实现，所述软件和硬件可以被并入到计算机系统中(诸如关于图53所描述的)。
[0277] 在一些实施方式中，诊断装置可以实现患者样本(试样)的不干预处理，并向远程服务提供总结和详细的测试结果数据。接口软件(显示为“Epsilon仪器界面软件”)可以使诊断装置与在移动装置上执行的移动装置软件(显示为“Epsilon手持软件”)通信。通信可以使用各种无线技术中的任何一种无线地完成，诸如近场通信(NFC)、蓝牙TM、Wi-Fi等。
[0278] 通过与移动装置建立这种通信，接口软件可由此使移动装置的用户能够控制诊断装置的各种特征。例如，使用在移动装置的显示器上提供的图形用户界面(GUI)，用户可能能够管理诊断装置的装置设置；启动、暂停或取消由诊断装置进行的测试；指定诊断装置将数据发送到的远程服务；指定数据的类型、内容和/或格式等。根据一些实施方式，移动装置可以另外使用户能够访问存储在诊断装置上的医疗和/或其他数据。然而，在一些实施方式中，所访问的数据可能不存储在移动装置上，从而有助于确保如果移动装置丢失或被盗，数据的安全性不会受到损害。此功能有利于系统符合并遵守各种隐私法律、法规和其他标准。
[0279] 接口软件经由移动装置提供给用户的控制级别可取决于用户和/或移动装置提供的授权级别。例如，具有较高授权级别的用户可以访问授权级别较低的用户无法访问的诊断装置的功能。接口软件可以在通信之前和/或通信期间通过要求例如登录信息或类似的唯一数据来提供用户和/或移动装置的授权和/或认证而帮助确保系统的安全性。
[0280] 诊断装置可以与多个移动装置通信，并且可以同时(或基本上同时)这样做。因此，这可以使多个用户能够控制诊断装置。为此，接口软件可以为多个移动装置中的每一个提供授权和/或认证。在一些实施方式中，在诊断装置与多个移动装置进行有效通信的情况下，移动装置中的一个可被指定为主移动装置，通过所述主移动装置将所有数据发送到远程服务。换言之，在一些实施方式中，虽然诊断装置可以由多个移动装置控制，但诊断装置也可以连接到单个主移动装置，诊断装置通过该单个主移动装置将数据路由到远程服务。
[0281] 移动装置可以包括移动电子装置，诸如智能电话、平板电脑、膝上型电脑等。移动装置软件可以作为移动装置上的应用程序来执行，并且还可以诊断移动装置的操作系统(OS)。这样，一旦将移动装置软件安装在移动装置上并且提供了适当的认证，则各种移动装置中的任何移动装置都能够用作本文实施方式中描述的移动装置。如图38所示，移动装置也可以与打印设备(例如现成的热敏打印机)连接。
[0282] 在一些实施方式中，移动装置软件可以启用具有多个诊断装置的移动装置的授权和/或认证，使得用户可以利用单个移动装置一次控制多个诊断装置。除了通过移动装置软件提供对诊断装置的控制之外，移动装置还可以使得诊断装置能够经由网络共享特征与远程服务通信(例如，向远程服务提供数据)，该网络共享特征使得能够从使用移动装置到广域网(WAN)的连接性将数据从诊断装置传送(例如，经由NFC、蓝牙、Wi-Fi等)到移动装置并中继到远程服务，所述广域网可以利用蜂窝式(例如第三代(3G)、长期演进(LTE)等)、卫星和/或其他无线技术。
[0283] 更一般地，本文描述的技术可以提供一种诊断化验系统，其中一个或多个诊断化验可以利用使用对等基上的基于局域网(LAN)的功能的移动装置来控制。该相同的协议可以用于在移动装置上离散地进行远程服务的WAN通信。因此，对于后者的功能，移动装置可以成为独立的路由器。尽管这里描述的实施方式描述了使用移动或“手持”装置，但是其它实施方式可以利用可能不被认为是移动或手持的计算系统，诸如个人计算机。下文参照图53更详细地描述在此描述的移动装置和其他计算装置的特征。
[0284] 根据一些实施方式，网络共享特征可以提供诊断装置与远程服务之间的连接，而不在移动装置上存储任何永久数据。换句话说，移动装置可能不知道正在传输的数据。在一些实施方式中，例如，移动装置可以从诊断装置接收敏感的加密数据(诸如患者数据)，数据简单地传递到远程报告系统而不被移动装置存储或解密。在这样的实施方式中，如果移动装置丢失或被盗，则数据的安全性将不会受到损害，由此向系统添加另一层隐私保护，这可以帮助系统遵守管理隐私法律、法规或其他标准。此外，通过更换丢失或被盗的移动装置，可以以相对简单的方式恢复诊断化验系统的功能。利用这样的功能，本文描述的技术不仅可以在实验室中使用，而且可以在其中移动装置可能更容易丢失或被盗的场所(例如非洲偏远地区的埃博拉诊所)使用。
[0285] 再次参照图38，远程服务可以由一个或多个服务器在“云”中执行，该服务器可以位于远离移动装置和/或诊断装置的一个或多个位置处。远程服务可以从一个或多个诊断装置收集数据、合成数据并将数据存储在数据库中。远程服务不仅可以从单个位置处的一个或多个诊断装置收集数据(例如，通过特定移动装置进行通信)，而且还可以从各种不同地理位置的各种设施处的诊断装置更广泛地收集信息，从而能够提供大规模流行病学数据并确定一个或多个人群中其他有价值的健康和疾病信息。
[0286] 另外地或可替代地，远程服务可以聚集并处理数据并且向观看实体(诸如政府机构)提供安全入口(可以例如经由互联网访问)，通过该入口可以以各种方式访问经处理的数据(例如，列表、图表、地理地图等)。处理数据的查看形式与查看实体的授权级别一致。同样，发送到远程服务并由远程服务处理的数据可以以符合法律、法规、标准和/或其他适用管理要求的方式被加密(或以其他方式安全地传送)和/或被操纵。
[0287] 应该理解的是，图38中所示的部件可以使用上面提到的无线技术直接地或者作为一个或多个更大的数据通信网络(例如上述实施方式中描述的LAN和/或WAN)的一部分来相互通信。数据通信网络可以包括利用各种技术和/或协议(诸如射频(RF)、光学、卫星、同轴电缆、以太网、蜂窝、双绞线、其他有线和无线技术等)的各种数据通信系统(例如，电缆、卫星、无线/蜂窝或因特网系统等)的任何组合。数据通信网络可以包括打包和/或电路类型切换，并且可以包括一个或多个开放、封闭、公共和/或专用网络(包括因特网)，这取决于期望的功能、成本、安全性、和其他因素。
[0288] 其余描述和附图示出了图38中所示的诊断化验系统的实施方式的各个方面。尽管参照所公开的实施方式描述了特定的硬件和软件部件，但是本领域普通技术人员将认识到，与其他实施方式相比，在一些实施方式中，一些这样的部件可以被替换、替代、省略和/或以其他方式改变。例如，片上可编程系统(PSoC)可以由多个部件替代以提供基本相同的功能。本领域的普通技术人员将熟悉适用于本发明的各种混合信号和/或模拟微控制器。代表性状态转移(REST)接口可以在适当的情况下与其他软件结构和/或协议替换和/或一起使用，例如：创建、读取、更新和删除(CRUD)；域应用协议(DAP)；作为应用程序状态引擎的超媒体(HATEOAS)；开放数据协议(OData)；RESTful API建模语言(RAML)；RESTful服务描述语言(RSDL)等。
[0289] 9.B Epsilon仪器核心软件
[0290] 如图38所示，在一些实施方式中，Epsilon仪器核心软件(也称为诊断化验系统软件)可以包括各种软件模块。可以包含在仪器核心软件中的适当模块可以包括Cellcore操作系统模块、硬件状态机模块(HSM)、iCORE软件模块、阀软件模块、注射器/门软件模块和/或超声波喇叭软件模块。在一些实施方式中，Cellcore操作系统模块是在Cellcore处理器上运行的linux和支持服务的版本。在一些实施方式中，HSM模块可以包括运行在Cellcore处理器上并且在Java虚拟机(JVM)之外的所有诊断装置专用软件。在一些实施方式中，iCore软件模块包括在iCore PSoC上运行的所有软件。在一些实施方式中，阀软件模块包括在阀PSoC上运行的所有软件。在一些实施方式中，注射器/门软件模块包括在注射器/门PSoC上运行的所有软件。在一些实施方式中，喇叭软件模块包括在喇叭PSoC上运行的所有软件。
[0291] 在一些实施方式中，Epsilon仪器接口软件可以包括Epsilon仪器REST接口模块和Epsilon化验运行器软件模块。
[0292] 在一些实施方式中，Epsilon Xpert Reporter软件作为Remote Xpert软件的客户端运行，并且在与Epsilon仪器接口软件相同的JVM中在Epsilon仪器硬件的Cellcore处理器上运行。
[0293] Epsilon仪器硬件可以是执行化验的物理子系统。在一些实施方式中，该子系统可以仅包括仪器的硬件，而软件在仪器上作为单独的子系统运行。
[0294] 9.C移动装置
[0295] 如图38所示，在一些实施方式中，移动装置可以包括各种软件模块。例如，所说明的Epsilon手持软件的实施方式可以包括由移动装置执行的Android应用程序，该应用程序专门设计为当部署在实地环境时用于支持图38中所示的系统。在一些实施方式中，可以利用另一个操作系统的应用程序。在一些实施方式中，软件可以包括支持利用诊断装置对现场患者进行测试的所有必要特征和/或便于Cepheid服务部门(或另一个提供者的服务部门)远程支持这些仪器的特征。
[0296] 在一些实施方式中，移动装置可以包括被选择来支持现场环境的现成的Android手持式目标平台。
[0297] 9.D远程Xpert+系统
[0298] 在一些实施方式中，图38中所示的远程Xpert+系统可以包含一系列Web应用程序，以作为远程Xpert系统和Epsilon手持式软件使用的服务。REST和/或类似服务(如前所述)可用于远程Xpert+内的内部通信。在一些实施方式中，远程Xpert+系统的有限数量的服务可以用于外部系统(例如远程Xpert和Epsilon手持式软件)。根据一些实施方式，远程Xpert+的主要角色可以是允许用户、机构、命令和套件的集中管理。
[0299] 9.E远程Xpert系统
[0300] 在一些实施方式中，图38中所示的远程Xpert系统可以包括由机构使用来管理其仪器和临床数据的网络应用程序的集合。这样的机构可以包括例如国家或国际机构(例如世界卫生组织)、应急组织、大学、医院等。在一些实施方式中，远程Xpert软件还可以包括解析软件以解析输入和/或输出的数据。
[0301] 9.F化验可分配
[0302] 在一些实施方式中，图38所示的诊断装置的化验可分配的实施方式的部件可以包括化验标题(用于管理化验的概要信息)、化验定义(其可以是例如接收的文件)和/或化验UI剪裁(其定义化验专用UI，例如特定样本制备指令)。这些剪裁可以限制在由UI设计确定的区域，例如样本制备步骤和/或化验专用帮助屏幕。在一些实施方式，化验可分配可以可选地包括化验专用软件，其可以允许根据未来化验的需要并入新的算法。这可能要求执行化验的软件支持这种类型的扩展。另外，在一些实施方式中，根据需要，化验可分配可以包括局部手持化验资源。这可以包括用于实现特定化验的UI的各种资源。示例包括支持语言的本地化字符串、新图形资源(如图标，如果存在)和/或所需的任何帮助文件(例如包装插页或培训视频的可移植文档格式(PDF))。还可以注意到，在一些实施方式中，由于尺寸约束(例如，本地化训练视频)和区域变化，可能需要将本地化资源分成“化验语言包”或套件。
[0303] 9.G外部接口-诊断装置
[0304] 在一些实施方式中，图38示出的诊断装置可以包括一个或多个外部接口。例如，Epsilon Handheld App GUI可以是移动装置上的用户界面，也可以充当诊断装置的用户界面。远程Xpert GUI可以是远程Xpert提供的基于Web的用户界面。远程Xpert+GUI可以是远程Xpert+提供的基于Web的用户界面。在一些实施方式中，该GUI可仅由提供和/或维护远程Xpert+的实体访问。另外或可选地，外部接口可以包括SMS消息传送，其可以用于向机构结算所报告结果，并且可以由运营商通过移动装置操作系统来提供。诊断装置可以包括使得个人计算机(PC)或其他计算装置能够提供数据的可视化的数据流接口(图38中示出的GX流数据接口)，其可以帮助开发和调试。由此，在一些实施方式中，当在现场部署时，可能不使用该接口。
[0305] 9.H内部接口-诊断装置
[0306] 在一些实施方式中，图38所示的诊断装置可以包括一个或多个内部接口。例如，Epsilon仪器硬件/软件接口可以包含仪器硬件和Epsilon仪器核心软件之间的接口。GXIP+界面可以包含由Epsilon仪器核心软件提供并由临床设置环境和现场使用环境二者中的特定软件使用的界面。化验运行器接口可由Epsilon仪器接口软件提供，并由Epsilon化验运行器软件或类似化验软件使用。仪器持久性API可以包含由Epsilon仪器接口软件提供并由Epsilon Xpert Reporter软件使用的接口。
[0307] 9.I移动装置界面
[0308] 在一些实施方式中，移动装置可以包括各种界面。例如，Epsilon仪器服务界面可以包含由Epsilon仪器界面软件提供的主界面。对于现场使用环境，这可以是Epsilon手持软件用于执行测试、获取仪器状态更新以及其他正常操作的界面。
[0309] 热敏打印机界面可以包括由可选热敏打印机提供的界面，该打印机可以是具有Wi-Fi网络连接的现成型号。这可以使Epsilon手持软件在测试结果可用后自动地或根据用户请求在打印机上打印测试结果。在一些实施方式中，可以使用利用其他技术(例如，墨水、喷墨等)的打印机。
[0310] Android平台API可以包含Android操作系统提供的用于访问移动装置硬件和网络的服务的接口。如前所述，替代实施方式可以包括用于替代操作系统的等同或类似部件。
[0311] 在图38的实施方式中示出的协调接口在多个移动装置同时在特定位置处于活动状态时提供移动装置之间的协调，这可以在多于一个用户正在工作时或在存在活动的备用移动装置时发生在繁忙站点。可以实现协调接口以将所有模块交叉连接到移动装置上的用户接口功能控制层。目的和功能允许通过移动装置将多个仪器作为自主单元进行控制和监视，并提供装置之间的工作流程协调，以便操作员使用正确的仪器来运行给定的诊断。点对点的Wi-Fi管理仪器可以对每个装置进行有保证的特定控制，并保持监管链和关键患者识别参数。由此产生的功能可实现移动装置与诊断装置的X：Y比率，其中X是任意数量的移动装置，Y是任意数量的诊断装置。在一些实施方式中，X和Y可以是相同的数字。
[0312] 9.J远程服务接口
[0313] 如图38所示，在一些实施方式中，远程服务可以包括各种接口。例如，Epsilon Xpert Reporter Interface可以包含REST服务的集合，这些服务提供以下功能：临床数据上传和/或仪器同步。远程Xpert+服务接口可以包含REST服务的集合，这些服务提供以下功能：套件管理，用户管理，机构和站点管理，远程服务命令和/或仪器同步。
[0314] 9.K临床实验室改进修正案(CLIA)豁免申请
[0315] 在一些实施方式中，图38的诊断装置的核心软件接口可用于临床实验室改进修正案(CLIA)豁免申请。这里，诊断装置可以通过以太网连接向在个人计算机上执行的专有软件提供信息。可选实施方式可以采用其他计算硬件、软件和/或物理或无线连接。有关GXIP+接口的更多详细信息在下面提供。
[0316] 九.L诊断装置-软件部件
[0317] 图39提供了根据实施方式的由诊断装置执行的软件的逻辑视图。如图所示，该软件可以包括低级驱动程序，包括通用串行总线(USB)驱动程序堆栈、SM总线I/F和Wi-Fi、蓝牙和USB加密狗驱动程序。应用层包括操作系统以及其他应用程序。这些应用程序可以包括具有Xpert Reporter和Epsilon Rest Interface部件的JVM、具有Epsilon Assay Runner部件的JVM、具有DX网关部件的网关应用和/或具有GxIp+、Gx流、PSoC USB、HSM层和电池I/F和电源管理部件的Epsilon仪器核心应用。
[0318] 图40是根据一些实施方式的Epsilon仪器核心架构的框图。该框图示出了Epsilon仪器核心架构的各个子组件之间的交互，如本文所述，包括NFC接口、GxIp+接口、HSM.PSoC I/F、Gx流接口、Xpert Reporter/Epsilon REST接口、Epsilon Assay Runner、Dx Gateway和NB USB。
[0319] 在一些实施方式中，GxIp+接口可以是支持GxIp协议的主部件，并且可以实现所需的Dx业务逻辑。可以从683xx遗留代码移植业务逻辑作为“北行”仪器接口的基础，以确保化验和命令执行方式的一致性。在一些实施方式中，GxIp+接口还可以包含连接“北行”Legacy GxIp命令和“南行”Epsilon PSoC命令接口的自适应层。对于HBDC环境，这可以是Epsilon仪器接口软件用于运行和监测化验的Dx等效接口。
[0320] 在一些实施方式中，网关接口可以是支持GxIp“发现”协议的部件。一旦发现完成，该部件可以充当基于远程GxIp部件和GxIp+接口的路由器。在一些实施方式中，网关接口可以是Epsilon仪器上的发现接口。
[0321] 在一些实施方式中，GxStreaming接口可以是支持将Epsilon核心状态向量流式传输到远程客户端的主部件。在开发过程中，该接口可用于支持工程可视化工具(VT)，用于监测和调整与Legacy系统相关的PSoC性能、超声波和荧光计等效性监测。在一些实施方式中，GxStreaming接口允许将状态交换数据流式传输到移动装置。
[0322] 图41是示出根据一些实施方式的HSM部件的各种状态的图。如在本公开中所使用的，HSM可以包括管理核心仪器状态以及遗留DX兼容子状态的主部件。此外，HSM可以与GxIp部件进行交互，以根据当前的仪器核心状态启用或禁用GxIp命令。如图104所示，在一些实施方式中，高级状态可以包括POST-Power On Self Test、RECOVERY、IDLE、WAITING_FOR_CART、LOADING_CART、CARTRIDGE_LOADED、RUNNING_ASSAY、ABORTING和CARTRIDGE_PROOAD。本领域普通技术人员将理解，这些状态的名称是作为非限制性示例提供的，并且这些状态的名称和功能可以根据期望的功能而变化。
[0323] 图42是示出根据一些实施方式的仪器核心内部部件和接口的图。例如，PSoC USB是内部接口，其可作为支持PSoC部件(喇叭、门、注射器、阀和ICORE)的“南行”接口的主部件。该部件可以使用USB 2.0在Cell Core和每个PSOC之间创建“数据背板”。在一些实施方式中，在启动期间，PSoC可以被枚举为引导可加载端点，从而允许在每个PSoC上编程新的固件。在一些实施方式中，在正常操作期间，PSoC可被枚举为命令端点和State Swap端点。此处，State Swap可以在Cell Core上承担高速PSoC数据虚拟化，允许在Cell Core上监视和/或分析高速PSoC数据，和/或支持Cell Core上的Gx Streaming部件。
[0324] 在一些实施方式中，仪器PSoC外部接口可以包括Comms_Task，其可以是支持PSoC和Cell Core之间的“南行”接口的主PSoC部件。其还可以成为PSoC的主部件Pn，以在Cell Core和每个PSoC之间创建“数据背板”。另外或者可选地，Comms_Task可以是所有PSoC可以创建和管理命令和状态交换USB端点接口的通用接口。
[0325] 在一些实施方式中，分析任务可以包括另一个PSoC外部接口，其可以是支持PSoC命令处理的主PSoC部件。在一些实施方式中，分析任务可以包括对由所有PSoC共享的公共命令的公共处理。
[0326] 根据本发明的一些实施方式，仪器PSoC外部接口还可以包括ISR。ISR可以允许共同处理PSoC上的时间和/或支持背景轨迹的特定优先级处理。
[0327] 9.M移动装置-软件部件
[0328] 图43是示出根据本发明一些实施方式的在移动装置上执行的软件部件的框图。此处，用户界面可以遵循常见的Android(或其他OS)设计模式。活动可以是控制通过用户界面的流的组件以及随时可见的视图。视图可以是向用户呈现信息的一组部件。在一些实施方式中，大部分业务逻辑可以被包含在图43所示的服务部件中。
[0329] 在一些实施方式中，用户界面可呈现在独立模块上运行基于化验盒的诊断所需的特定工作流程，并确保与特定诊断结果相关的患者数据的准确性和粒度。这包括从样本采集到化验盒和仪器数据库的自动监管链。
[0330] 根据一些实施方式，数据层可以包括提供应用程序中的所有数据库永久性的数据管理器。在一些实施方式中，移动数据库可以是SQLite并且可以使用SQLCipher加密。移动数据库可以包括授权用户、证书和/或日志记录信息。由于移动装置可以作为诊断数据传输的独立移动路由器，因此数据库中的数据可以提供凭据和身份验证来启动和终止传输连接。有关建立这些连接的更多信息在下面提供。在一些实施方式中，数据层还可以向系统的其余部分提供两个API：用于普通数据库对象的数据API和用于记录关键事件的记录API。这些API允许移动诊断装置与远程数据库连接，并通过移动装置将诊断数据和其他描述性数据从诊断装置透明地移动到远程Xpert的背景正确的互联网实例。
[0331] 如图43所示，实施方式可以包括站点管理员，其管理站点的状态并且可以保存已知用户、已知诊断装置、已知移动装置、已知化验和/或已知打印机的列表。当移动装置连接到互联网时，站点管理员可以与远程Xpert+进行协调，以管理站点的远程服务命令。站点管理员还可以根据需要与对等移动装置进行交互，以管理站点状态和/或处理用户身份验证。
[0332] 一些实施方式还可以包括可以提供对远程Xpert+服务进行访问的云通信和/或管理移动装置的当前配置的配置管理器。换句话说，云通信部件可以建立并管理与一个或多个远程服务(例如，如图38所示的远程Xpert+)的双向通信链路。通信可以通过一个或多个API来建立，该API可以解析、解释和传输数据(例如，以专有格式)为标准可读格式。
[0333] 如图43中进一步所示，实施方式可以包括仪器管理器，其管理仪器(医疗诊断装置)的当前列表，并且监视该站点处的所有仪器的状态。仪器管理器还可以提供在诊断装置上执行操作的能力。例如，这些操作可以包括使用化验进行测试、安装化验、安装软件升级、执行诊断和/或同步时间参考。仪器管理器可以在请求测试时进一步选择仪器和/或处理由仪器报告的错误。根据一些实施方式，仪器通信可以与医疗诊断装置的REST API的通信封装在一起。
[0334] 一些实施方式还可以包括测试管理器，其可以管理活动测试列表、管理执行测试的工作流程、在完成测试后报告测试结果和/或当不再工作时将测试“归档”。在一些实施方式中，SMS通信可以将经由SMS的结果报告封装到机构结算所。在一些实施方式中，打印机通信可以封装在本地热敏打印机上打印报告的能力。
[0335] 一般而言，移动装置的功能可以取决于用于各种平台的可用软件开发工具包(SDK)和API。例如，对于Android SDK和API，应用程序功能受Android SDK的公共API的限制。即便如此，Android SDK和API可用于提供对NFC、相机、GPS、SMS消息和/或网络的访问。
[0336] 一些实施方式可以使用SQLite和SQLCipher，其是Android上的标准数据库。例如，开放Web应用程序安全项目(OWASP)引用SQLCipher作为在手机上保护数据的首选方式。尽管如此，替代实施方式可以利用其他平台，诸如iOS、Windows Mobile等。另外或可选地，可以使用其他数据结构和/或查询语言，诸如SQL、HTSQL、100Q等。
[0337] 一些实施方式可以提供第三方远程支持应用程序，其允许远程显示以及(如果可用)远程控制由第三方应用程序提供的移动装置。在一些实施方式中，移动装置软件的版本可以使用相关的SDK来提供应用程序的远程控制。
[0338] 此外，本发明提供了对诊断装置的控制、诊断装置的管理以及移动装置上的LAN和WAN连接功能(如之前描述的LAN到WAN路由)的合并，这些合并不被传统的医疗诊断工业控制和通信使用。装置(LAN层)的本地控制分段以及与每个诊断仪器的通信可以在对等层级(例如，通过Wi-Fi)完成并管理用于每台仪器的数据流-可以用于UI控制功能界面以及云中远程Xpert的数据路径界面两者。
[0339] 在移动装置上使用NFC(图43中示出的NFC适配器)可以用来控制患者样本的监管链。提供给权利的中间数据可以实现这些功能的可追溯性，这些功能可以存储在中央云存储库中。NFC可以将包含患者样本的化验盒同时连接至诊断装置的单独NFC信号，以确保监管的匹配和报告的准确度要求。
[0340] 图43还示出了仪器通信部件，其可以在移动装置和诊断装置之间建立对等Wi-Fi连接。仪器通信部件可以使多个移动装置能够相互通信。在一些实施方式中，手持协调器可以通过Wi-Fi在多个移动装置之间提供协调。
[0341] 9.N远程诊断报告服务-软件部件
[0342] 图44是示出根据本发明的一些实施方式的由用于医疗诊断和流行病学的远程诊断报告服务执行的软件部件的框图。远程诊断报告服务包括Web服务器、应用程序服务器、数据库服务器和文件存储等。
[0343] 根据一些实施方式，图44中所示的远程诊断报告服务的逻辑部件可以描述如下。远程Xpert+服务可以包含移动装置和由此Xpert使用的REST Web服务。GUI应用程序可以包括由向诊断化验系统提供服务和支持的实体使用的网络应用程序。专用服务可以包含GUI应用程序使用的REST Web服务。核心业务逻辑服务可以包含具有所有业务逻辑的REST Web服务。审计和日志记录服务可以包含具有所有日志记录和审计功能的REST Web服务。最后，文件传输服务可以包含REST Web服务来提取文件存储解决方案。
[0344] 除了其他益处之外，图44中示出的诊断报告服务还可以实现从2类或3类医疗诊断装置到远程数据库和表示层的自动远程诊断。此外，分层认证允许通过WAN连接实时远程控制远程2类或3类医疗诊断装置的调试和诊断。这可以是离散功能的服务整合，包括专门用于基于PCR的诊断环境中的应用的实时诊断和时间序列数据。
[0345] 9.O建立诊断化验系统-工作流程
[0346] 用于建立分子诊断化验系统(例如图38所示的系统)的示例性工作流程可以包括以下几个阶段。应该理解，尽管在下面提供的示例性实施方式中提到了具体的无线技术(例如，GSM、CDMA、Wi-Fi等)，但是可以根据期望的功能使用附加的或替代的技术。
[0347] 首先，可以委托移动装置在诊断化验系统中工作。此处，移动装置利用互联网连接(例如，蜂窝连接、Wi-Fi等)。对于蜂窝连接(例如，GSM、CDMA等)，移动装置可能需要由运营商提供。此外，移动装置可以通过远程Xpert+进行配置，这可能需要下载一组初始用户、确定一组授权的化验并将其分配给站点。
[0348] 其次，可以配置Wi-Fi网络。此处，可以选择移动装置变成Wi-Fi热点(例如，LAN和WAN网络之间的桥)，并且其他移动装置可以与Wi-Fi热点连接。在一些实施方式中，所有诊断装置可以使用充当Wi-Fi热点的单个移动装置来直接访问远程Xpert。另外地或可选地，一个或多个另外的移动装置可以经由Wi-Fi连接到充当热点的移动装置。如果作为热点的移动装置发生故障、耗尽电力或丢失，则可以在其位置使用第二移动装置。
[0349] 第三，可以配置诊断装置。在一些实施方式中，该过程可以涉及与移动装置共享Wi-Fi信息(例如，SSID和密码短语)和/或其他信息。移动装置还可以从诊断装置获得识别信息，例如MAC地址、序列号等。这种信息共享可以使用对等NFC进行。额外的诊断装置可以以上述方式添加。如果物理排序很重要，则移动装置的用户界面可以允许用户指定新仪器的放置位置。
[0350] 9.P诊断化验系统的数据流
[0351] 图45至图46是示出根据本发明的一些实施方式的诊断化验系统的不同方面的数据流程图。如同在本文提供的其他附图一样，提供图45至图46作为非限制性示例。替代实施方式可以包括图中所示附加功能，和/或图中所示功能可以被省略、组合、分离和/或同时执行。用于执行所述块的功能的装置可以包括一个或多个硬件和/或软件部件，例如图38和53中所示的那些。本领域的普通技术人员将认识到一些变型。
[0352] 9.Q诊断化验系统顶级数据流
[0353] 图45是示出诊断化验系统(如图38所示的诊断化验系统)中的顶层数据流的数据流程图。此处，诊断化验系统的部件-远程服务、移动装置和诊断装置-被描绘成圆圈，数据流被描绘成箭头。
[0354] 数据流可以在移动装置向远程服务发送位置配置请求(1)时发起。当移动装置位于诊断装置所在的新站点时，可以进行请求。如图45所示，请求在每个位置可能只需要执行一次。
[0355] 然后，远程服务利用位置配置(2)进行响应，并且远程服务和移动装置交换配置描述(3)。如前所述，这涉及从远程服务向移动装置下载最初的一组用户、确定授权的一组化验等。远程服务还可以向移动装置提供操作更新(4)。
[0356] 然后移动装置可以参与诊断装置的配置过程。在此过程中，移动装置向诊断装置提供诊断装置注册(5)、操作更新(6)。
[0357] 一旦被配置，诊断装置可以从移动装置接收操作指令。移动装置然后可以向诊断装置提供装置命令(7)，这可以基于用户输入。如前所述，这样的命令可以包括例如使用化验来运行测试、安装化验、安装软件升级、执行诊断和/或同步时间参考。诊断装置可以提供命令响应(8)，例如确认、状态更新等。
[0358] 在装置命令(7)致使执行医疗诊断的情况下，诊断装置然后可以向远程服务提供加密的医疗诊断结果(9)。如前所述，移动装置可以提供热点，诊断装置可以通过该热点发送加密的医学诊断结果(9)。但是，移动装置可能不解密或存储该数据。如此，根据一些实施方式，移动装置仅充当管道，加密的医学诊断结果(9)可以通过该管道被报告给远程服务。在一些实施方式中，加密的医学诊断结果(10)可以被发送到移动装置并被存储。(如前所述，在一些实施方式中，数据可能不存储在移动装置上。在这样的实施方式中，移动装置可以将数据发送到另一装置-例如LAN上的存储装置、计算机等-以用于存储)。根据所需功能，发送到移动装置的加密的医疗诊断结果(10)可能与发送到远程服务的结果相同或不同。
[0359] 九、R、移动装置详细数据流
[0360] 图46是示出分别描绘移动装置的部件-WAN接口部件、医疗诊断逻辑和LAN接口部件的更详细的数据流的数据流图。
[0361] 类似于图45的流程，图46所示的流程可以从移动装置和远程服务之间的配置过程开始。此处，医疗诊断逻辑向WAN接口部件发送对位置配置的请求(1.1)，WAN接口部件然后向远程服务发送对位置配置的请求(1.2)。远程服务通过向WAN接口部件提供位置配置(2.1)进行响应，该接口组件向医疗诊断逻辑提供位置配置(2.2)。然后在远程服务和WAN接口部件之间(3.1)、WAN接口部件和医疗诊断逻辑之间(3.2)、医疗诊断逻辑和LAN接口部件之间(3.3)以及LAN接口部件和医疗诊断设备之间(3.4)交换配置描述。操作更新然后从远程服务传递到WAN接口部件(4.1)，并从WAN接口部件传递到医疗诊断逻辑(4.2)。
[0362] 诊断装置配置可以包括使用医疗诊断逻辑、LAN接口部件和装置的医疗诊断装置注册(5.1)、(5.2)。这些部件还将操作更新(6.1)、(6.2)从医疗诊断逻辑传递到诊断装置。
[0363] 然后可以将装置命令(7.1)、(7.2)从医疗诊断逻辑发送到诊断装置，并且可以将命令响应(8.1)、(8.2)从诊断装置发送回到医疗诊断逻辑。
[0364] 加密的装置结果(9.1)、(9.2)可以从诊断装置发送到LAN接口部件，然后直接到WAN接口部件，而不经过医疗诊断逻辑。加密的诊断结果(9.3)然后可以发送到远程服务。如前所述，加密的诊断结果(10.1)、(10.2)可以分开发送到医疗诊断逻辑，然后可以将它们发送到加密的诊断结果存储库(10.3)。根据所需的功能，该存储库可能与移动装置分开。加密的诊断结果(11.1)、(11.2)也可以通过WAN接口部件从医疗诊断逻辑和远程服务发送。
[0365] 在一些实施方式中，远程服务可以请求诊断。如图所示，远程服务请求中继到诊断装置的诊断(12.1)、(12.2)、(12.3)、(12.4)。这可以提示将中继回到远程服务的诊断响应(13.1)、(13.2)、(13.3)、(13.4)。
[0366] 9.S诊断化验系统的工作流程
[0367] 图47至图52是示出根据本发明的一些实施方式的诊断化验系统(如图38所示的诊断化验系统)的不同方面的功能的流程图。如同在本文提供的其他附图，提供图47至图52作为非限制性示例。替代实施方式可以包括附图中所示的附加功能，和/或附图中示出的功能可以被省略、组合、分离和/或同时执行。用于执行所述块的功能的装置可以包括一个或多个硬件和/或软件部件，例如图38和53中所示的那些。本领域的普通技术人员将认识到一些变型。
[0368] 9.T位置配置网络工作流程
[0369] 图47是示出根据实施方式的用于诊断化验系统的位置配置的过程的数据流程图。用于执行图47中所示的一个或多个块的装置可以包括本文描述的远程服务。
[0370] 该过程可以在移动装置请求位置配置时开始。如先前所解释的那样，用于这样的请求的示例性数据流在图45和图46中示出。如果位置配置可用，其由远程服务提供。如果不可用，则远程服务返回错误。
[0371] 9.U操作更新网络工作流程-移动装置
[0372] 图48是示出根据本发明一些实施方式的用于向诊断化验系统中的移动装置提供操作更新的过程的数据流程图。用于执行图48中所示的一个或多个块的装置可以包括本文所述的远程服务和/或移动装置。
[0373] 当本地配置的移动装置连接到远程服务时，该过程可以开始。远程服务然后获得移动装置操作描述的描述。如果描述匹配所需的移动装置配置，则过程可以结束。否则，远程服务会向移动装置发送操作配置更新。
[0374] 9.V操作更新网络工作流程-诊断装置
[0375] 图49是示出根据一些实施方式的用于向诊断化验系统中的诊断装置提供操作更新的过程的数据流程图。用于执行图49中所示的一个或多个块的装置可以包括本文所述的移动装置和/或诊断装置。
[0376] 该过程可以在移动装置从诊断装置获得诊断装置配置描述时开始。如果诊断装置配置正确，则过程可以结束。否则，移动装置可以将操作配置更新发送到诊断装置。
[0377] 9.W远程诊断网络工作流程
[0378] 如上面关于图46所讨论的，远程服务可以远程请求诊断信息。图50是根据实施方式的诊断化验系统中的这种过程的数据流程图。用于执行图50中所示的一个或多个块的装置可以包括本文所述的远程服务、移动装置和/或诊断装置。
[0379] 当远程服务请求诊断信息时，该过程可以开始。移动装置接收诊断信息请求。如果诊断请求是针对移动装置的，则移动装置将执行所请求的移动装置诊断并将移动装置诊断信息发送给远程服务。否则，诊断请求由移动装置发送到指定的诊断装置(其可以是站点处和/或与移动装置通信地链接的几个中的一个)。诊断装置然后执行所请求的诊断，并将诊断信息发送到移动装置。最后，移动装置将诊断装置诊断信息发送给远程服务。
[0380] 9.X医疗诊断装置命令网络工作流程
[0381] 图51是示出根据本发明一些实施方式的用于在诊断化验系统中提供诊断装置命令的过程的数据流程图。用于执行图51中所示的一个或多个块的装置可以包括本文所述的移动装置和/或诊断装置。
[0382] 该过程可以从移动装置向诊断装置发送命令开始。诊断装置然后处理接收到的命令。最后，诊断装置将响应发送到移动装置。
[0383] 9.Y诊断装置注册网络工作流程
[0384] 图52是示出根据本发明的一些实施方式的用于在诊断化验系统的网络上提供诊断装置注册的过程的数据流程图。用于执行图52中所示的一个或多个块的装置可以包括本文所述的移动装置和/或诊断装置。
[0385] 当移动装置向诊断装置查询装置物理网络标识符(例如MAC地址)时，该过程可以开始。如前所述，移动装置然后向诊断装置提供网络访问信息。这些信息可以包括SSID、用户名等。在一些实施方式中，如前所述，移动装置和诊断装置之间到该点的通信可以通过NFC和/或其他无线技术执行。诊断装置然后连接到网络，并且移动装置将本地标识符分配给诊断装置。
[0386] 9.Z计算机系统
[0387] 图53是计算机系统5300的示例性图示，计算机系统5300可以至少部分地并入到图38所示的诊断化验系统的装置和部件中，包括诊断装置(Epsilon仪器)、移动装置(Epsilon手持式平台)和/或远程服务(远程Xpert系统和预成型件Xpert+系统)。图53提供了可以执行由本发明的各种实施方式提供的方法的计算机系统5300的示意图。应该注意的是，图53仅旨在提供各种部件的一般性说明，其中任何或所有组件都可以适当地使用。
[0388] 示出的计算机系统5300包括可以经由总线5306电联接(或者可以在适当情况下以其他方式进行通信)的硬件元件。硬件元件可以包括：处理单元(诸如处理器5310)，其可以包括但不限于一个或多个通用处理器、一个或多个专用处理器(诸如数字信号处理芯片、图形加速处理器等)和/或其他处理装置；一个或多个输入装置5315，其可以包括但不限于鼠标、键盘、相机、麦克风、触摸屏、医学测试硬件和/或诊断部件等；一个或多个输出装置5320，其可以包括但不限于显示装置、打印机等。
[0389] 计算机系统5300还可以包括一个或多个非临时性存储装置5325(和/或与其通信)，其可以包括但不限于本地和/或网络可访问存储器，和/或可以包括但不限于磁盘驱动器、驱动器阵列、光存储装置、诸如随机存取存储器(“RAM”)和/或只读存储器(“ROM”)的固态存储装置，该装置可以可编程、可闪存更新等。这样的存储装置可以被配置为实现任何适当的数据存储，包括但不限于各种文件系统、数据库结构等。
[0390] 在一些实施方式中，计算机系统5300可以包括通信子系统5330，其可以包括但不限于调制解调器、网卡(无线或有线)、红外通信装置、无线通信装置和/或芯片组(诸如NFC收发器、蓝牙装置、802.11装置、Wi-Fi装置、WiMax装置、蜂窝通信收发器等)等。通信子系统5330可以包括一个或多个输入和/或输出通信接口以允许与网络、其他计算机系统和/或本文描述的任何其他电气装置进行数据交换(例如，如本文描述的那样，使用对等通信)。在一些实施方式中，如上所述，计算机系统5300将包括工作存储器5335，其可以包括RAM或ROM装置。
[0391] 计算机系统5300可以包括示出为当前位于工作存储器5335内的软件元件，包括操作系统5340、设备驱动程序、可执行库和/或其他代码，例如一个或多个应用程序5345，其可以包括由各种实施方式提供的计算机程序(例如，移动装置软件、接口软件等)，和/或可以被设计为实现本文所述的方法和/或软件架构。仅通过示例的方式，在所附的其他附图中提供的方法和/或架构可以被实现为可由计算机(和/或计算机内的处理单元)执行的代码和/或指令；那么在一个方面，然后，可以使用这样的代码和/或指令来配置和/或调整通用计算机(或其他设备)以根据所描述的方法执行一个或多个操作。
[0392] 这些指令和/或代码的集合可以存储在诸如上述存储装置5325的非暂时性计算机可读存储介质上。在一些实施方式中，存储介质可以被并入到诸如计算机系统5300的计算机系统内。在一些实施方式中，存储介质可以与计算机系统分开(例如，可移除介质，诸如光盘)和/或提供在安装包中，使得存储介质可以使用通过所存储的指令/代码对通用计算机进行编程、配置和/或调整。这些指令可以采取可由计算机系统5300执行的可执行代码的形式和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，当这些代码在计算机系统5300上编译和/或安装时(例如使用通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何一种)，然后采取可执行代码的形式。
[0393] 对于本领域技术人员显而易见的是，可以根据具体要求进行实质性的变化。例如，可以使用定制的硬件，和/或可以用硬件、软件(包括便携式软件，诸如小应用程序等)或两者来实现特定的元件。可以使用与其他计算装置(例如网络输入/输出装置)的连接。
[0394] 一些实施方式可以使用计算机系统(诸如计算机系统5300)来执行根据本发明的一些实施方式的方法。在一些实施方式中，响应于处理器5310执行包含在工作存储器5335中的一个或多个指令的一个或多个序列来通过计算机系统5300执行这些方法的一些或全部过程(这些指令可以被并入到操作系统5340和/或其他代码中，例如应用程序5345)。这样的指令可以从另一个计算机可读介质(例如一个或多个存储装置5325)读入工作存储器5335中。仅作为示例，包含在工作存储器5335中的指令序列的执行可以使处理器5310执行本文描述的方法的一个或多个过程。另外或替代地，可以通过专用硬件来执行本文描述的方法的某些部分。
[0395] 本文使用的术语“机器可读存储介质”和“计算机可读存储介质”是指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在使用计算机系统5300实现的一些实施方式中，各种计算机可读介质可以涉及向处理器5310提供指令/代码以供执行和/或可以用于存储和/或携带这样的指令/代码。在一些实施方式中，计算机可读存储介质是物理和/或有形存储介质。这样的介质可以采取非易失性介质或易失性介质的形式。非易失性介质的非限制性示例可以包括光盘和/或磁盘(诸如存储装置5325)。易失性介质的非限制性示例可以包括但不限于动态存储器(诸如工作存储器5335)。
[0396] 物理和/或有形计算机可读介质的非限制性常见形式可以包括例如软盘、柔性磁盘、硬盘、磁带或任何其他磁介质、CD-ROM、任何其他光学介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或盒式存储器或计算机可以从其读取指令和/或代码的任何其他介质。
[0397] 计算机可读介质的各种形式可以涉及将一个或多个指令的一个或多个序列携带到处理器5310以供执行。仅作为示例，指令可以最初被携带在远程计算机的磁盘和/或光盘上。远程计算机可以将指令加载到其动态存储器中并且通过传输介质将指令作为信号发送以由计算机系统5300接收和/或执行。
[0398] 通信子系统5330(和/或其部件)通常将接收信号，然后总线5306可以将信号(和/或由信号携带的数据、指令等)传送到工作存储器5335，处理器110从中检索并执行指令。工作存储器5335接收到的指令可以可选地在由处理器5310执行之前或之后存储在非临时性存储设备5325上。
[0399] 9.AA管理诊断化验系统的过程流程
[0400] 图54是根据本发明的一些实施方式的管理具有移动装置的诊断化验系统的方法的流程图5400。如同本文提供的其他附图，提供图54作为非限制性示例。一些实施方式可以包括图中所示的附加功能，和/或附图中的一个或多个块中示出的功能可以被省略、组合、分离和/或同时(或时间紧密接近地)执行。用于执行所述块的功能的装置可以包括本文所述的移动装置，其可以实现一个或多个硬件和/或软件部件，诸如图53中所示的那些。本领域的普通技术人员将认识到适用于本文所公开的本发明的一些变型。
[0401] 在框5410处，移动装置接收用于控制诊断装置的功能的用户输入。如前所述，移动装置可以执行提供用户可以控制诊断装置的各种功能(例如诊断装置的管理装置设置)的GUI的软件应用；启动、暂停或取消由诊断装置进行的医学检测；指定诊断装置将发送数据的远程服务；指定数据的类型、内容和/或格式等。在框5420处，响应于接收到用户输入，移动装置将控制信息发送到诊断装置。如果移动装置与多个诊断装置通信地链接，则移动装置可首先需要从多个诊断装置中选择或识别诊断装置。
[0402] 在框5430处，移动装置从诊断装置接收数据。所接收的数据可以对应于在框5410处指定的数据的类型、内容和/或格式(如果指定了这些特征)。然而，如所指示的，移动装置可以简单地用作其中诊断装置可以与远程服务器(例如，如图101所示的一个或多个远程服务)通信的直通装置。换句话说，移动装置可以充当透明网桥，以将LAN(其可以是本文所述的对等连接)连接到WAN。但是，如框5440所指定的，所接收的数据可以被中继到服务器而不存储或解密所述数据，由此有助于确保敏感的患者数据不被移动装置盗用。
[0403] 以上讨论的方法、系统和装置是示例。各种配置可以根据需要省略、替换或添加各种程序或部件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。此外，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合。配置的不同方面和元件可以以类似的方式组合。此外，技术演进以及如上所描述的一些元件被提供为非限制性示例，因此不限制本公开或权利要求的范围。
[0404] 描述中给出了具体细节以提供对示例性配置(包括实现)的全面理解。但是，配置可以在没有这些具体细节的情况下实施。例如，众所周知的电路、过程、算法、结构和技术没有示出不必要的细节，以避免使配置模糊。该描述提供了不限制权利要求的范围、适用性或配置的示例性配置。更确切的，配置的先前描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
[0405] 另外，配置可以被描述为被描绘为流程图或框图的过程。尽管每个过程都可以将操作描述为顺序过程，但一些操作可以并行或同时执行。此外，这些方法的示例可以通过硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其任何组合来实现。当以软件、固件、中间件或微码实现时，执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质的非暂时性计算机可读介质中。处理器可以执行所描述的任务。
[0406] 本文所使用的术语“和”和“或”可以包括预期至少部分取决于使用这些术语的上下文的各种含义。通常，如果“或”用于关联列表(例如A、B或C)，则旨在表示A、B和C(这里以包含的意义使用)以及A、B或C(这里以排斥的意义使用)。另外，本文所使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数形式的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述特征、结构或特性的一些组合。然而，应该指出，这仅仅是说明性的示例，并且所要求保护的主题不限于此示例。此外，如果术语“至少一个”用于关联诸如A、B或C的列表，则可被解释为表示A、B和/或C的任何组合，例如A、AB、AA、AAB、AABBCCC等。
[0407] 已经描述了若干示例性配置，在不脱离本公开的精神的情况下，可以使用各种修改、替代构造和等同物。例如，以上元件可以是较大系统的部件，其中其他规则可以优先于或以其他方式修改本发明的应用。此外，可以在考虑上述元件之前、期间或之后进行多个步骤。因此，以上描述不限制权利要求的范围。本申请中引用的所有专利、专利申请和其他出版物都通过引用整体并入本文以用于所有目的。
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