CN1255527C - 用于构筑组织阵列的仪器 - Google Patents

Abstract

一种简单而精密的用来构筑组织阵列的仪器。此仪器包括多个冲头(1，2)，这些冲头安装在一个冲头座(26)上，该冲头座(26)可以在两个精确确定的位置之间位移。仪器上设有机械掣子或挡块(12)来机械地阻挡冲头座(26)的运动以使其处于精确确定的位置上。这样的布置使得该仪器与常规的直线位置精确定位装置相比大大地节约了时间并提高了精度。只要简单地将冲头座(26)从第一位置运动到第二位置上，冲头(1，2)中的任何一个即可迅速地进入操作位置。

Description

用于构筑组织阵列的仪器

技术领域

本发明涉及一种简单、牢固而精确的用于构筑组织阵列的仪器。此仪器可以手工地或自动地运转。

背景技术

某些癌症病人对一种具体的癌症疗法或综合疗法有良好的响应，而其它病人却对这种疗法没有响应，但对别的不同的治疗方法却有响应。国家卫生学院(NIH)的国家人类基因组研究所(NHGRI)的科学家和芬兰Tampere大学及瑞士Basel大学正在合作开发一种他们称作“组织芯片”的新的研究工具。他们希望这种工具最终会帮助他们学会如何在癌症病人的几个亚型之间进行区别，并且最终来预测哪些亚型会对特定的疗法产生响应。他们相信组织芯片技术还会帮助他们阐明癌症的发展过程。这种详细的新信息可以用来确定癌症疗法开发中的关键因素。

组织芯片是组织微阵列的一个薄片段，它可以让研究人员对生物样品进行大规模的平行处理，使他们有可能对来自成千上百癌症患者身上的癌组织中的大量分子标记-DNA、RNA、和蛋白质-进行同期对比。人们可以通过一个肿瘤组织微阵列对多达1,000个来自独立肿瘤组织的活检样品进行研究。因此，组织芯片使人们有可能对几千个患者的组织样品进行同期测试，而这些样品用常规方法的话一次只能作一个样品的病理学实验分析。人们期待着这项技术能够加速许多领域的研究工作，包括对最新的孤立基因(isolated genes)的测试以确定它们能否作为分子癌标记物(molecular cancer markers)而应用到临床上。

在一项关于乳腺癌组织微阵列的研究中(“Tissue microarrays forhigh-throughput molecular profiling of tumor specimens”，Kononen等人，Nature Medicine Vol.4，No.7 July 1998，pp.844-847)，研究人员对预计在乳腺癌中起作用的p53及雌激素基因的六个基因增殖及表达进行了分析。他们使用了癌的敏感性位点研究中的等位基因(genotyping)、用于复制数改变(copy number alterations)的比较基因组杂化(CGH)、用于基因表达检查的cDNA微阵列技术、以及新近发现的乳腺癌中的类固醇受体共活化剂AIBI的增殖、和复发性激素非感受型前列腺癌中的雄激素受体(AR)基因的增殖。

每个微阵列是一个块体，其中可能包括1,000个独立的临床活检组织或“芯”。每个微阵列可以用常规手段(亦即，切片机等)切成连贯的200片5微米厚的薄片。这200个几乎相同的片段(组织芯片)中的每一片都被用来制作一个普通的显微镜切片。这200个显微镜切片中的每一片都含有同一个矩阵，而每个活检组织或“芯”则相当于该矩阵中相同位置上的一个很小的点，于是便可以对同一组样品的几百个分子标记物快速地进行分析。这些微阵列片段提供了阵列中每个样品用来进行DNA、RNA以及蛋白质平行原位检测的靶标，并且由于这些片段是连贯的因此可以对同一组样品的几百个分子标记物快速地进行分析。在Kononen等人的研究中，组织芯片使它们可以以约一周的时间来完成常规方法需要6到12个月才能完成的工作。

可以预料，在对保存于全世界病理学实验室中的几千个肿瘤组织样品进行分析时，组织芯片会是特别有用的。在以前，对几百个分子标记物的分析要分时段地进行操作，因此想要对几千份编档保存的肿瘤组织样品进行分析被认为是不现实的。现在，病理学家可以用组织芯片技术将现有档案中的样品转变成肿瘤阵列，仅仅需要几次实验便可对整个档案进行分析。病理学家还可将现有抗癌药物临床试验档案中的组织样品组成阵列，寻找诸如一种基因表达模型或组织中的一组基因改变等标记物，该标记物是与试验中的一种特定的参与物是否对治疗有所响应有关的。

虽然组织芯片可以显著地加快检定过程，但也带来一个新的挑战——为了从供体组织手工地摘取样品并将其组成组织阵列这就需要投入大量的时间和劳力(“The multitumor(sausage)tissue block：novel methodfor immunohistochemical antibody testing”，BattiforaH.，Laboratory Investigation Vol.55，pp.244-248，1986)。

授予Battifora的题为“Multi-specimen tissue block and slides”的美国专利4,820,504中教导了一种制备多样品组织块体及其切片的方法，该方法包括将许多不同抗原反应的组织样品形成许多横截面积相对较小而长度相对较大的杆条；将这些杆条基本上平行地捆扎起来；将这些杆条包在一个盒中；将包好的杆条埋入一种嵌入介质中以形成一个组织块，其中杆条要垂直于组织块的表面；将组织块切成片，其中每个片都要包含有每个杆条的横截面。这种方法虽然可以将许多样品布置在一个紧凑的区域内，但是很难或者根本不可能追踪各个样品在各个片段中的位置。

授予Battifora的题为“Multi-specimen slides forimmunohistologic Procedures”的美国专利5,002,377针对上述追踪识别问题而教导了一个制作切片的工艺，该切片中载有相互间隔开的样品片段的阵列。该工艺包括：(1)将至少一个样品切割成许多窄条；(2)将这许多样品条分成几组；(3)将各组中的样品条间隔地布置在一个模具的平行沟槽内；(4)将位于模具内的样品条埋入第一嵌入介质中以形成一个构件，该构件包括一个基片，该基片具有对置的第一及第二表面，第一表面基本上是一个平面，而第二表面上具有一些突肋，突肋中包括有延伸在上面的样品条；(5)形成一个由许多元件构成的堆叠物，每个元件相当于所述构件，上一个构件的带突肋的第二表面紧靠着下一个构件的基本为平面的第一表面；而突肋之间的空间确定用来容纳流体的通道；(6)将此堆叠物埋入第二嵌入介质中以形成一个块体，该块体中埋有一个由平行样品条间隔地排列成的阵列；其中样品条排列成这样，块体的每个片段都包括由所埋入的每个样品条的横截面间隔地组成的阵列；(7)将块体切成片，每片都要包括由所埋入的每个样品条的横截面间隔地组成的阵列；(8)将这种块体的至少一个片段装到滑片上。尽管这种方法将组织样品形成一个可以跟踪各个样品位置的网格图形，但此方法十分费时。另外，此方法不适用于将取自几百个独立供体的几百个芯样品组装成单个的阵列。

已经开发了一种更新的技术，其中生物组织阵列(行和列)都是由生物组织芯以简单的方法来构成的。各个芯都是先从独立供体的组织样品上冲切下来，然后将它们埋到一个可切片的块体上的专门的网格坐标内，该可切片块体通常用供体组织所用的嵌入材料制成。这种技术所用的工艺设备包括两个空心的针状冲头：一个是尺寸较小一些的“受体冲头”，用于在受体块上打出一个小孔，受体块通常以石蜡或其它嵌入介质制成；另一个是尺寸较大一些的“供体冲头”，用于从所感兴趣的经过嵌入的生物组织供体块上获取芯样品。两个冲头的尺寸设计成这样，从供体块上取得的样品(以及对应的供体冲头的内径)正好与受体块上所打的小孔(以及对应的受体冲头的外径)相配装。这样，样品便能紧贴在受体块内，并且能够制得一个精确的阵列。如果要制作一个包含多种样品的阵列，那么在制作过程中不管是受体块还是供体块都可以按照需要随时取下，并用一个或多个其它的供体块或受体块来替代。用千分尺驱动装置或其它精密的直线位移装置来将冲头组件定位在应有的相对于受体块的位置上或是将受体块定位在应有的相对于冲头组件的位置上。

尽管只要有时间、耐心和技术，总有可能使用现有的仪器设备制作出上面所述组织阵列，但可明显的看出这些仪器设备需要改进。首先，现有的仪器上要用滑片和驱动机构将受体冲头，也可选择为供体冲头，移动到位置上，这是一项繁重、费钱、费时并易于产生错位的工作。显然，对于千分尺驱动装置的每个给定的置位，供体冲头必须精确地到达受体冲头所曾到达的相对于受体块的相同位置上。如果做不到这一点，那么从供体块上取得的样品将不能平滑地进入受体块上刚才为它而打的小孔中，而是将被损坏或丢失。

这种手工方法已经在很大程度上通过仪器辅助方法所替代，后者在速度、精度和样品分布密度等方面都优于前者。至少曾经提出过一种半自动系统，但是未能得到实现。该半自动系统装有一个上下(沿Z轴)移动的冲头座。冲头座的中央设有一个通管针驱动装置和一根通管针。在通管针的一侧设有一个倾斜的受体冲头驱动装置，该装置包括一个作往复运动的顶杆，顶杆的远端上带有一个管形的受体冲头。在通管针的另一侧设有一个倾斜的供体冲头驱动装置，该装置包括一个作往复运动的顶杆，顶杆的远端上带有一个管形的供体冲头。

操作时，首先将一个组织阵列块放置在冲头座的下方，伸出受体冲头直至其到达通管针下方，落下冲头座(包括伸出的受体冲头、缩进的通管针、及缩进的供体冲头)以从石蜡的组织阵列块上切下一个受体芯。然后抬起冲头座，将一个废弃的容器放到伸出的受体冲头下方，并且向下伸出通管针使其进入受体冲头并将石蜡芯从孔中推出。然后缩回通管针，并随后缩回受体冲头。接着，将一个供体块放到冲具的下方，并且伸出供体冲头直至其到达受体冲头原先所占据的位置上。随后冲具下降，供体冲头从供体块上切割下一个样品芯。然后升起冲具，并将受体块放到冲具下方。随后落下冲具直至供体冲头到达空的接受孔的上方，接着，通管针伸到供体冲头内将样品芯推入接受孔。以上步骤重复进行几百次以形成一个组织阵列块。

然而，这种设备有几个缺点：第一，由于只有一根通管针，并且该通管针的外径尺寸设计成要和冲头的内径适配，因此这种仪器所使用的两种冲头的内径必须相同(因此外径也必须相同)。但是针状的供体冲头及受体冲头的尺寸通常是不同的，因此这种仪器不适合用来制作微型阵列。第二，为了制作一个组织阵列，每个芯都需要进行的打孔和插置工步，这两个工步需要重复1,000次之多，而每个工步都可能导入操作误差，为此就必须减少工步数。第三，由于一根通管针要与两个不同的冲头发生关系，这就要求这两个冲头在伸出状态下的位置都必须准确地位于通管针下方以及供体块或受体块上的靶位的上方。但实际上当冲头位于通管针下方时正是其处于完全伸出的状态下，这就意味着冲头正处于结构上的薄弱状态，并且任何安装误差或游隙也会因为伸出长度大而得到放大，定位误差会加大。而冲头位置的任何不准都可能导致通管针的损坏和/或妨碍合适地将供体芯样品植入受体块内。另一个缺点是该设备不能对冲头和通管针之间的相对位置进行调整。还有一个缺点是该设备上需要有三个致动装置，一个用于伸缩通管针，一个用于供体冲头，且一个用于受体冲头。随着运动部分数目的增加，设备失效的可能性也增加。最后，冲头的操作是不符合工效学原理或不合乎直觉逻辑的，因此操作者出现失误的可能性较大。

因此，本发明的一个目的是提供一种设备，该设备可以毫不费力地并且可靠地依次对多个冲头进行准确定位。本发明的另一个目的是提供一种手动操作仪器，其中冲头的定位及其打孔动作是易于用手来致动的。本发明的另一个目的是提供一种仪器，该仪器用于半自动或自动地构筑组织阵列。

本发明还有一个目的是克服先前技术中所存在的工作繁重性及不准确性，并且在一种组织微阵列构筑仪器中提供了一种简单的交替地对两个针状冲头进行准确定位的装置。

发明内容

发明人对组织阵列构筑过程中的各个步骤进行了分析，并对先前技术器件所存在的缺点进行了分析，并且随之进行了一系列的样机试验，从而开发出一种仪器，该仪器克服了上述的各种缺点。

本发明涉及一种简单、牢固而准确的仪器，该仪器是用来构筑组织阵列的。该仪器可以手动或自动地运转。

该仪器包括：

一个冲头座托架，该托架可以在Z轴方向上位移；

一个冲头座，该冲头座安装在所述冲头座托架上，并至少可以在相对与所述冲头座托架的第一及第二位置之间位移，所述位置由掣子来准确地确定；

至少第一及第二冲头单元，这些冲头单元安装在所述冲头座上，每个冲头单元包括一个冲头和一个与它协同动作的通管针；

用于夹持受体块的装置；

用于在X轴及Y轴方向上将所述受体块和冲头座彼此相对的有选择的重新定位的装置；

用于对所述受体块和冲头座托架在Z轴方向彼此相对的导向的装置，该导向对二者中的至少一个来实施；

其中所述第一冲头单元包括一个受体冲头和与之相关的通管针，而所述第二冲头单元包括一个供体冲头和与之相关的通管针，所述供体冲头具有一个与所述受体冲头的外径对应的内径；

其中，当所述冲头座位于所述第一位置时所述受体冲头位于所述受体块夹具的上方并与所述Z轴对准，而当所述冲头座位于所述第二位置时所述供体冲头位于所述受体块夹具的上方并与所述Z轴对准。

冲头座可以以任何方式安装在冲头座托架上，以使冲头座至少可以在相对于所述冲头座托架的第一及第二位置之间位移。例如，冲头座可以绕着一条水平轴线(X轴)枢转，而冲头可以径向地从转动轴线向外伸出(转塔型)。也可以是，冲头座绕一条垂直轴线(Z轴)枢转或转动，而冲头与转动轴线平行(物镜转换器型)。还可以是，冲头座的轴线介于X轴、Y轴或Z轴之间(例如与之成45°或60°角)，如同转塔车床一样。另外还可以是，冲头沿着一条水平导轨作直线运动(滑动型)。最后还可以是，冲头沿着一条弯曲的导轨运动，这样就兼有转塔型和滑动型的某些特性。

该仪器的一项重要特性是设有机械掣子或挡块来阻挡冲头座的运动以使其处于精确确定的位置上。这项措施与常规的精密直线定位装置相比大大的节约了时间并提高了定位精度。无论是通过手动或自动装置，只要简单地将冲头座从第一位置运动到第二位置，或者相反，精确的位置便由掣子或挡块来确定，无论哪个冲头都能迅速地进入其应有位置，这使得该设备能够迅速地从一个冲头转换到另一个冲头。

仪器上可以设有一个装置，用于相对于任何一个掣子或挡块对冲头座行程的限制进行调整。

当然，冲头的转动或滑动轴线也没有必要非是X轴、Y轴或Z轴不可；所必须的仅仅是一个冲头要由另一个冲头来替代，以及进入工作位置的冲头必须对准冲孔轴(Z轴)。轴承或滑座以及确定冲头座的运动路径和范围的挡块或掣子是与仪器质量相关的因素，这些元件的作用为防止两个冲头出现任何不符合要求的运动或颤动，保证两个冲头能交替地进入相同的准确位置上。

用于对所述受体块和冲头座彼此相对在X轴及Y轴方向上有选择的重新定位的装置可以是滑座和驱动机构或千分尺驱动装置。

可以用一个活动的桥形板将供体块支撑在受体块的上方，或者相反。这样就可以将受体块保持对准，而使用X轴和Y轴方向定位装置重新定位受体块的必要性降至最低。

仪器可以是完全由手工来操作的、半自动的或全自动的，可以设有诸如电磁、液压或气动等致动装置使所述构件在所述第一及第二位置之间枢转。

该仪器中构成本发明改进的其余部分可以和先前技术一节已经叙述过的内容相似。例如，可以用千分尺驱动装置来定位冲孔机构在X轴、Y轴方向上相对于块体的位置，或者定位块体在X轴、Y轴方向上相对于冲头座的位置。

本仪器有可能并通常也要求装有一个布置为扭动构形的弹簧，以将枢转部件牢固地保持在行程的一端或另一端。这样，两个冲头中的一个会被所述弹簧可靠地保持在第一位置上，然而用手或其它动力作用的适当的力可使该枢转部件枢转到第二位置上。操作者在控制冲头运动时可能会无意中对其施加力，这种较小的力将不会改变冲头的横向位置。备选的是，可以用弹簧力或重力装置将枢转的冲头座仅仅向所述第一端和第二端位置中的一个位置偏置，而用超过弹簧力的电动、气动或液压的致动驱使它朝另一个位置枢转。

这样，本发明提供了一个装置，该装置能够非常牢固而准确地将受体块或供体块固定起来，同时又允许操作者可以容易地将它取下并对它或另一个块体进行重新定位。在仪器的底板上永久性地固定了一个或多个磁性体以及设置固定到该底板上的侧向位置挡块或挡边，在受体块夹具的底部固定一个铁磁性平板，这样就可以通过磁力的方法来提供所述功能。

符合本发明的仪器是既简单、准确又易于调整、校准和使用。

附图说明

通过下面结合附图对一个优选实施例进行详细的描述，将对本发明的上述目的及其它目的、特性及优点有更清楚的了解。附图中：

图1为本发明仪器的第一实施例(枢转型)从操作者的角度观察时的等轴局部剖切透视图；

图2a到图2e所示为受体冲头在受体块中形成一个圆柱形孔的各个步骤；

图3为本发明仪器的第二实施例(滑动型)的透视图；和

图4为一个侧视的局部示意性附图，其中表示一个用来替代固体通管针的气压系统。

具体实施方式

本发明提供一种简单、牢固而准确的用来构筑组织阵列的仪器。将几百个样品装配在一个可切片的块体中的嵌入有生物组织的芯的有序阵列中是一项繁重的任务，使用本发明的仪器能够将实施这一任务的时间和劳动力减少并降低其复杂性。

构筑这样的阵列是通过使用一个空心的最好是针状的共体冲头在一系列共体组织上每次取下一个样品，并且将各个样品依次放入受体材料上的一个用受体冲头制作的与样品的形状互补的接受孔中，这样就在受体块中形成了一个组织阵列。每个冲头包括一个冲头管以及一根在该冲头管内导向的相关的通管针。该通管针的外径接近于供体冲头的内径，且其尺寸确定成可以在冲头管内滑动。重复这些步骤，包括在如石蜡等受体材料上形成一个小孔、从供体样品上取下一个组织样品以及将该样品植入受体材料的小孔内，直至在受体材料中形成一个包括几百个按指定位置排列的组织样品的组织阵列。

从供体组织样品上冲下的样品最好是一个长度约1到8毫米，直径约0.4到4.0毫米，最好为约0.3到2.0毫米的圆柱体。受体冲头比供体冲头稍小些并在一般为石蜡或其它嵌入介质制作的受体块上形成小孔。两种冲头的尺寸设计成，使得从供体块上得到的样品正好能和在受体块上形成的小孔配装。这样，样品恰好紧密配装在受体块中并形成一个精密的阵列。

在制作过程中供体块和/或受体块可以在一个适用的夹具中交替地取下和替换，或者供体块和受体块中的一个或两个都可以在所指定的供体夹具和受体夹具中保持就位，而两个夹具中的一个是可以通过例如使夹具绕着一个垂直枢轴枢转从冲头的工作位置上移开的。另外，供体块或受体块可以取下来并轮流换上一个或多个其它的供体块或受体块，以从一组供体块来制作多个阵列。此外，其中的一个或多个夹具可以设计成固定两个或多个供体块或受体块，或者固定诸如容器或废弃的箱子等其它元件，这些元件用于在形成受体的过程中从受体块上取出的芯。

冲切供体块的合适点位是用常规的方法来确定的。例如，可以将一片段供体块的典型切片(预计是埋在整个供体块中的组织的典型片段)放在滑片上在显微镜下进行检测，并可以对目标位点进行标绘并记录在例如一台计算机中。然后可以对有用的目标位点进行选择，并通过千分尺驱动装置手动地进行调节或者将该位点的坐标输给一个计算机数字控制(CNC)的X轴、Y轴定位装置，在所选出的位置上对供体块进行冲切。备选的是，如果需要的话，可对由上述供体块制成的滑片进行染色以显示出感兴趣的构造，然后将该滑片叠置在供体块上，再将供体冲头对准所感兴趣的目标位点，然后取下该切片并落下冲头，在选定位置对的供体块进行冲切。

可以用千分尺驱动装置或其它的直线位移精密定位装置相对受体块矩阵或阵列对冲头组件进行重新定位，或者相对冲头组件对受体块和/或供体块进行重新定位，这种重新定位是按照规定的增量从一个位置到下一个位置依次进行的。

十分清楚，希望对于千分尺驱动装置的每个给定的位置，使供体冲头必须精确地到达受体冲头到达受体块上的相同位置上。另外，希望通过在一个手工操作的仪器上使这一运动易于用手来致动。这是通过至少将第一及第二冲头单元设置在一个冲头座上实现的，该冲头座安装在一个冲头座托架上并且可以相对所述冲头座托架在至少第一及第二位置之间进行位移，所述位置是通过掣子或挡块来准确地限定的。在本发明的第一实施例中，冲头包括供体冲头和受体冲头，这两个冲头安装在一个水平或垂直枢转臂上，因此当枢转件处于第一位置时，通过将枢转臂朝待冲切的受体块运动便可使受体冲头进入冲切位置；而当枢转件处于第二位置时，将枢转臂朝待冲切的供体块运动便可使供体冲头进入冲切位置。在本发明的第二实施例中，冲头座安装在一个水平滑板上。在各种情况下，两种冲头都可以交替地定位到供体块或受体块上方，用于通过冲头和块体之间的相对运动(亦即冲头相对于块体进行运动，或块体相对于冲头进行运动)来冲孔。

根据本发明，至少使用两个冲头，即一个供体冲头和一个受体冲头；然而也有能够根据需要使用三个或多个冲头。例如，有可能设有三个冲头，其中第一冲头的直径最小，第三冲头的直径最大，而第二冲头的直径居中；第一冲头相对于第二冲头来说用作一个受体冲头，而第二冲头相对于第一冲头来说是一个供体冲头，第三冲头相对于第二冲头来说是一个供体冲头，而第二冲头相对于第三冲头来说是一个受体冲头。这样，使得操作者选择最适宜于具体供体组织形态的冲头规格。

每个冲头设有一个其自身的通管针，用于清理冲头内的材料。每个通管针的外径接近于和它相关的冲头的内径但比该冲头的内径稍小，因此通管针可以在冲头内滑动导向。通管针可以是用手工操作的或是以机械(如卷绕紧发条)、电气、电磁、气动或装置为动力的。冲头的横截面最好是圆形的，但可以是任何形状的如椭圆形、正方形、矩形等等。通管针可以是金属如医用不锈钢，可以是塑料如四氟乙烯包覆的聚氯乙烯，或可以是橡胶材料制成的。通管针可以制成是等截面的，也可以是活塞和活塞杆构造的，或是肋状构造的等等。甚至有可能制成一个气囊那样的通管针。还甚至可以用注入泵送的空气、油料、或水等流体介质的方法来执行通管针的功能将受体芯和/或供体样品排出冲头，而不使用固体的通管针。

在本发明仪器的另一个实施例中，可以不需要将受体块从受体夹具上取下便能将供体块放置在供体块夹具上取出样品芯的位置。在本发明中是这样做到这一点的，例如，可以在刚刚超过受体块的高度上设置一个桥形板，桥形板座放在仪器的底板上。每当需要接近受体块并放入位置以保持供体块时该桥形板能够容易地移开。因此，枢转臂在X轴或Y轴方向上的一个位移得到冲头的操作位置在供体块和受体块上的位移。由于供体块和受体块都固定在相应夹具的位置上，而其中仅有一个夹具要在枢转入或枢转出工作位置，这实质上保证冲头能够保持在供体或受体位置上对准，于是能保证定位操作得以快速、容易并且正确地实现。

现在参照附图对本发明进行详细的描述。在第一和第二实施例中相同的元件以相同的附图标记标注。

图1半示意性地展示了符合本发明第一实施例的仪器的各个要点。在附图中，尺寸较小的受体冲头1是用来在受体块4中制作孔的。尺寸较大的供体冲头2的内径与受体冲头1的外径对应。供体冲头2用来从供体块19获取芯样品并将它们植入由受体冲头1在受体块4上形成的孔中。带凹槽的形块24、25以及压板41(见图3)用于将相应的冲头保持在枢转臂26上。枢转臂26通过枢转轴承3可枢转地安装在竖直的冲头座或滑座7上。滑座7可以沿着导轨28作垂直(Z轴线)运动，导轨28可在驱动装置10的控制下在水平滑座8上作前后方向(Y轴线)运动。滑座8可在驱动装置11的控制下在滑座9上作侧向(X轴线)运动。滑座9固定在底板6上。

在底板6上还固定有磁性体23，磁性体23将铁磁性板22保持在相对于底板6及挡边或挡块21及27的位置上。铁磁性平板22是受体块夹具5的一部分，受体块4保持在该夹具上。在受体块4上可以见到许多排列成X轴-Y轴格栅图案或矩阵的孔或样品。于是，夹具5，包括板22及受体块4既可容易地从底板6上撤除并重新插入到相同位置上，又能牢固地保持在应有的位置上。

受体块4用石蜡或类似的材料制造。各个接受孔可以是在切取并植入供体样品之前立刻在受体块上冲出，也可以是在从供体块上收集许多样品之前在受体块上将格栅图形的所有接受孔冲出。但是由于含蜡的供体块的本质是属于无定形的，因此为了保证达到尽可能高的准直度，接受孔最好还是在植入供体样品之前立即冲出。

在图示的实施例中，支撑杆13和14永久性地固定在枢转臂26上。两个支撑杆上各设有一个调整螺栓15，每个螺栓和同一个挡块12的一相对的侧边相接触，挡块12相对滑座7固定，于是不管枢转臂是处于第一还是第二位置时，挡块12都将限制枢转运动并确定在第一及第二位置上。调整螺栓可以对行程的端部进行精确的设定。在行程的一个端部，供体冲头2定位成对准受体块中的一个特定的小孔(如图所示)。在行程的另一个端部，只要X轴、Y轴驱动装置10及11没有致动过，那么受体冲头1便能准确地位于相同的同样位置之上。

可以用弹簧将枢转臂朝两个端部位置中的一个端部位置偏置，从而激励或施加一个过载的反向力是需要全部用来使枢转臂枢转到另一位置，而所施加的力撤除或停止是需要全部用来使枢转臂枢转回到起始位置。备选的是，该弹簧可以是一个扭簧，这样，当手动地将枢转臂从第一位置枢转到第二位置或者从第二位置枢转到第一位置时，枢转臂都会保持在它所在的端部位置。在图示的实施例中，从枢转臂26的背后突伸出销子17，而从滑座7前面突伸出销子18。一个处于压缩状态的扭簧16连接两个销子。当枢转臂位于其行程的中间位置时该弹簧所储存的能量最大，而当枢转臂位于行程的两个端部的任何一个端部位置时弹簧储存的能量最小。因此，除了为了改变冲头的位置而施加外力之外，枢转臂总会保持在两个阻挡位置中的一个上。当然，也可以用任何不同的装置来将枢转臂偏置到端部位置，例如重力、张力弹簧等等。

在图示的实施例中，供体组织块19放在一个可以撤出的桥形板20上，该桥形板20可以座放在跨越受体块夹具22的位置上或从这个位置上自由地移动。显然，供体块也可以设置在一个水平枢转臂上，该枢转臂最好有两个枢转接点，这样，供体块上的任何一点都可以定位在供体冲头下。

虽然符合本发明精神的设备可以有许多不同的构造，它们的操作原理还是和图1和2所示实施例相同，其中枢转臂的枢转是手动完成的而芯的冲切是自动完成的。下面将对此进行非常详细的描述。由于受体块的冲切过程和供体块的冲切过程相同，因此仅对受体块的冲切过程进行详细的讨论。

样品的转移循环从操作者将受体冲头放置到受体块上方的位置开始，然后使受体冲头垂直落下进入供体块中以形成一个小孔。打孔过程开始时冲头的顶部先和块体的表面相接触，对于手动的方法来说这种接触是以人的视觉和触觉来检测的。在半自动或自动的组织阵列构筑仪器中，计算机或其它控制系统须能检测两种块体(特别是供体块)的表面。这些块体的来源可能各不相同，包括新近制作的、编挡保存的以及来自不同的实验室或诊所的。因此这些块体的高度范围可能很广。甚至对于在同一个实验室里同时制作的所有受体块来说，由于石蜡材料、模具和冷却过程等方面的难以预测的变化，它们的高度也可能是不同的。

当然，在通管针的功能不是由一根固体的杆来行使而是由一种诸如空气、油料或水等流体介质来行使的情况下，对表面的检测将与上述途径不同，例如，可通过感受背压的方法来确定冲头在什么时候是空的并与一个表面相接近。空气对这个任务来说是特别适合的，因为空气的泄漏根本就不是一个问题，设备又简单而牢固，而且一旦芯或样品从冲头中清除出“冲切”便会停止。这种装置简单地包括，例如，一个压缩空气源52通过阀门51和空气软管53连接到任何一个或两个冲头55的顶部54，同时在冲头的附近用空气软管53连通一个压力传感器56(见图4)。

如图2a所示，受体冲头2在接触到受体块30之前位于受体块的目标位点的上方。由于该仪器在操作中要求冲头穿透一个固定的深度或者从块体的表面算起穿透一个固定的距离，并且由于块体与块体之间其表面高度可能是不同的，且对一个不规则块体来说甚至同一个块体的顶表面中的各点的高度也会是不同的，因此仪器须能根据感兴趣的部位从顶表面的测量所需距离来向下移动冲头。因此，仪器必须能够对块体的顶表面进行检测。

仪器制造专业已经开发出了多种光学检测系统诸如激光二极管三角测量设备(例如Dynavision Inc.的SPR-02型及其它的型号)，或构筑出了由操作者目视检测的光学系统(例如Coherent-Ealing目录中的#31-0458)。二者都是价格昂贵而体积庞大。二者还都面临一个精度不高的问题，因为本发明可能涉及到石蜡或含有类似蜡的化合物的表面，而这样的表面是半透明的。于是，由于光线会从石蜡和嵌入的组织内的不同高度处反射或散射，因此使用这些光学系统便难以得到对有效表面的准确显示。此外，所构筑的光学系统要求操作者进行操作介入，这就违背了自动化操作的要求。

本发明用简单的方法来解决这个问题，并利用已经存在于冲头管31内的通管针32来作为探头以感受块体的表面。通管针制造成当冲头管内不存在固体或受体材料而通管针又全程伸出时，突出冲头管的底端是固定的并已知的距离。于是，当冲头落到块体上时，通管针会是第一个和块体相接触的元件，如图2b所示。这时，通管针在管内是自由浮动的(亦即，如果使用步进电机来驱动的话，则电机没有致动)，因此当冲头管31继续向下落时通管针不会进入块体30。这时通管针的顶部会停留在块体的表面上而冲头会继续作相对于块体和通管针的向下运动。也可以同样的说成是通管针会作相对于冲头管的向上运动。这一相对运动可以用许多种简单、准确而牢靠的方法来检测并产生一个信号，该信号传输到一台计算机或其它控制装置中(图中未表示)。控制装置随即将这个信号记录下来，由于该信号和冲头的现时位置相对应，于是也就记录下块体表面的位置。

虽然光学的、电磁的、或其它多种装置都可以用来检测这一运动，一种简单的断续电路被证明是最有效、牢固而简单的装置，这种装置非常便宜并且在仪器的窄小区域中实际上不占空间。例如，如图2a-2e所示，通管针32的柄(图1中未表示)和冲头管31通常以导电材料如黄铜来制造。在通管针和冲头管的上端或附近分别设有径向凸缘或套筒34及33。在通管针32和通管针凸缘34之间设有一个诸如塑料或橡胶套筒那样的电绝缘体35。冲头管32通过夹持它的压板接地，而通管针凸缘连接在一个柔软的导线上。当然也可以将通管针凸缘接地而将冲头通电。当通管针位于相对于冲头管的行程的最低位置时，冲头凸缘33和通管针凸缘34处于如图2a所示的电接触状态。当冲头下落时，一旦通管针32与块体的表面相接触，此凸缘-凸缘的电接触便断开，并且向控制器送出(或中断)信号，如图2b所示。计算机或控制器(图中未表示)即将阵列上的这一位点处的表面位置记录下来，并发出一个控制信号来使冲头继续向下运动一个预定的距离直至冲头管31深入块体30至要求的深度时止，如图2c所示。在从块体上切下的材料进入冲头管的过程中，自由浮动的通管针及通管针凸缘继续作相对于冲头管的向上运动。

冲头管31在块体30中穿透到要求深度时控制器便发出一个信号并将冲头(提升包括枢轴轴承3、枢转臂26、以及装在枢转臂26上的冲头1、2在内的垂直托架或滑座7)提升起来。由于进入冲头管内的材料会从块体30上脱开并保留在管内，冲头管拔出后受体块上将会出现一个圆柱形的小孔36。如果需要的话，为了促使芯材料在冲头提起之前从块体上解脱下来，设有一个可以来回运动的摆杆39以保证芯材料完全脱开。

随后，或是在升起的受体冲头下方放置一个废托盘，或是将受体冲头枢转到非冲切位置上，在这个位置上受体冲头的下方设有一个废托盘，这时控制器发出一个信号使通管针回到其起始位置上，通管针的尖端从受体冲头管的端部伸出。当通管针移回到其起始位置时，任何存在于受体冲头管内的东西从管中推出。这时，通管针凸缘34和冲头管凸缘33相接触，向控制器发出一个信号表明通管针已经成功地回到起始位置并作好了再次使用准备。如果通管针在回复到起始位置的过程中动作失败，便会产生一个失败信号和/或警报并自动地中断阵列的构筑程序。显然，由于手动地压下通管针34是一件容易的事情，如果有需要，这一部分操作可以用手来实施。

如上所述，在枢转臂26上除了受体冲头2外还设有一个供体冲头1。为了将冲头更换到准确对准的位置上，所需要做的全部动作只是手动或自动地使枢转臂绕着一个水平轴从一个端部位置枢转到另一个端部位置而已，这在本实施例中就是受体冲头与供体冲头一起位移。由于设有端部挡块12及扭簧16，这时操作者只要用手将任何一个冲头枢转到和垂直的滑座轴线或Z轴线平行的位置上并且保持在那里。

供体冲头1的构造，除了共体冲头管的内径尺寸确定为和受体冲头管的外径相对应外，其余和受体冲头相似。

随后将一个供体块19放置到供体冲头1的下面。为此，可以从夹具5上取下受体块4并换上供体块19。备选的是，可以将供体块设置在一个双枢轴的水平枢转臂上，这样，块体上的任何一个位点都可以容易地调到供体冲头的下面。为了易于操作和便于制造，可以将供体块简单地设在一个桥形板20上，这个桥形板20设计成可以配装到受体块的上方。在供体块可以不需要准确地定位的情况下，可以简单地将桥形板支撑在夹具5的挡边或挡块21和27上以进行对准。于是供体块便随着活动桥形板放到应有的位置上而置于其顶部上。随着供体块的准确定位，便向控制器发出一个信号，控制器随即发出一个使滑座7下落的信号，滑座7上包括供体冲头1。

供体冲头从供体块上取出组织样品芯的方法和受体冲头从受体块上取出材料芯的方法相同。供体冲头作相对于供体块的垂直运动(亦即，冲头下落或供体块上升，随后继之以一个反向的动作)以从供体块的感兴趣区域上获取样品芯。对供体冲头冲切过程所作的控制与上述对受体冲头的冲切过程的控制相同。

随后，撤除桥形板及供体块，供体冲头垂直地落下直至刚好位于受体块小孔的上方。受体块表面的位置事先已经作为受体块芯孔打孔工步的一部分而测量并记录下来。这时，用通管针将芯样品从供体冲头管推入到受体块的圆柱形小孔内。由于这个过程中供体块并没有撤下并更换上，因此供体块的准确定位是得到保证的。

至此，组织阵列构筑进程中的一个循环已经完成。下一个循环从再一次确定冲头对供体块的相对位置来开始。通过手动的千分尺驱动装置来重新精细设置枢转臂以及装在枢转臂上的冲头在X轴、Y轴方向上对受体块的相对位置，该受体块是通过磁性体可拆地固定在底板上的。当侧向位置通过驱动装置10和/或11按照一个增量转到下一个位点时便可开始下一个循环。

在本仪器上可以进行任何顺序的供体块或受体块的置换操作，可以得到需要的任何复合构造的组织阵列。为此，可以在仪器上设置一个加长的托盘来放置多个供体块或受体块。

用来控制仪器的定位及动作的计算机程序及控制器都是公知的，因此不需在这里详述。这方面的内容可以参考授予Laine等人的题为“XYZPositioner”的美国专利No.4,979,093；授予Yasenchak等人的题为“Six-Axis Manipulator”的美国专利No.3,665,148；授予DeMoranville等人的题为“Clinical Laboratory Work-Flow System which Semi-Automates Validated Immunoassay and Electrophoresis Protocols”的美国专利No.5,355,304；授予Minucciani等人的题为“DimensionalMeasurement System Served by a Pleurality of Operating Arms andControlled by a Computer System”的美国专利No.4,484,293；以及授予Bernstein的题为“Method and Apparatus for Automated TissueAssay”的美国专利No.5,567,715和5,355,439。

当所需数目的组织样品从一个或多个供体块移值到受体块上后，便可用常规的手段(例如日本东京Olympus公司生产的Cut 4055型切片机；见例如：美国专利Nos.664,118；2,292,973；2,680,992；3,420,130；3,440,913；3,496,819；3,799,029；及3,975,977)将该组织阵列块切成几百片顺序的薄片，每片的厚度为如5微米，以得到许多几乎相同的切片。该切片中的每个供体芯代表普通显微镜载玻片上的一个微小的位点。于是便可以在这些供体样品上进行各种分析，包括免疫学分析、核酸杂化分析、以及样品的临床病理学特征分析。

接下来对图3所示的本发明的备选实施例进行描述，图中用一个水平的滑座机构来替代图1中对冲头位置进行调整的枢转臂机构。一个可滑动的冲头座37可以在滑座38上基本上水平地滑动，滑座38固定在垂直滑座7上。虽然图中展示的冲头座37是在X轴方向上滑动，但是也可以安排成在Y轴方向或其它任何水平的方向上滑动。滑座7的作用与图1中的实施例一样是使冲头产生垂直方向的运动。X轴向和Y轴向滑座9和8及其相应的驱动装置11和10的作用与图1实施例中相同，而滑座9与底座或底板6相连接。受体块4及相关的其它元件5、22、21和27同图1所示。

滑动的冲头座37可向任何一侧滑动直至装在支架13和14上的可调整挡块15和滑座7上的零件或与滑座7相连的零件相接触为止。可以设置一个如图1所示那样的偏置或扭簧，并手动或自动地进行运动。所用的冲头组件与图1所示相同或相似，这些冲头组件固定在冲头座37的不同位置上。应当注意的是冲头座上固定的冲头组件可以多于两个。这些冲头组件上可以固定，例如，由操作者或控制器选定的不同尺寸和形状的冲切装置。

两个冲头各用一个弹簧压板41来固定。螺栓42通过压板41并转而将冲头1和2固定在V形块24和25中。图中，冲头1上的压板处于分解状态而冲头2上的压板则为装配状态。每个冲头上都具有一个周向槽45，该槽45和V形块中的一个突肋、舌、或销子(图中未表示)相啮合，同时冲头可以绕着自己的轴线旋转。(有许多其它的方法可以用来实施这种垂直方向的定位，诸如冲头上的周向突肋配合以V形块中的沟槽、或利用冲头柄的顶面及底面等)。冲头柄上连有一个摆杆39，可以枢转此摆杆来使冲头绕着其自身的轴线旋转以使供体和受体芯从各自的块体上解脱下来。

在滑座7上安装了一个支架40，支架40上设有一个可调的深度限位螺栓46，当螺栓46和导板28的顶端相接触时滑座7的垂直运动便受到阻挡，此深度调整功能对于受体块的手动冲切来说特别有用，因为这样打出来的孔的深度一般都是相同的。

在图1所示的备选实施例中设有一个桥形板用来在一定的阶段中将供体块调到其工作位置上。本实施例与该备选实施例一样，在底座6上用枢轴30连接了一个枢转臂29，枢转臂29上可以放置一个或多个供体块。枢转臂29可以枢转到受体块及其夹具上方或旁边的位置上。当然，如上所述，该枢转臂或上面的块体夹具也可以作相对于冲头的Z轴方向上运动，就象冲头所作的相对于静止的块体夹具或枢转臂的Z轴方向运动那样。为了帮助对供体块进行肉眼观测并选择目标的位置，可以用一个类似的底座来放置一个相应的滑座，或者可以将一个滑座放在位于供体块上方的桥形板上。

应该理解，本发明仪器各个零件之间的最佳尺寸关系及尺寸改变、零件的材料、形状、构成、功能以及仪器的操作、安装及使用方法对专业人员来说相信是容易弄清楚而且是显而易见的，并且所有和附图中所展示的及说明书中所描述的的相互关系等效的关系都将包含在本发明的范围之内。

以上内容仅是对本发明的原理的描述。专业人员会容易地对此作出许多修改和变动。以上所作的对仪器的准确构造及操作的描述不是对发明的的限定。所有相适应的修改及等效都可能是依靠了本发明并可能包括在本发明的范围中。

Claims (18)

1.一种用来在一个受体块中构筑组织阵列的仪器，该仪器包括：

一个可以在Z轴方向上位移的冲头座托架；

一个冲头座，该冲头座安装在所述冲头座托架上，且至少可以在相对于所述冲头座托架的第一及第二位置之间位移，所述位置由掣子或挡块来准确地确定；

至少第一及第二冲头单元，其安装在所述冲头座上，每个冲头单元包括一个冲头和一个与它协同动作的通管针，其中，该通管针的外径接近于该冲头的内径，且其尺寸确定成可在冲头管内滑动；

一个用于夹持受体块的装置；

一个用于在X轴及Y轴方向上使所述受体块和冲头座彼此相对位置有选择重新定位的装置；

一个用于对所述受体块和冲头座托架在Z轴方向的彼此相对运动进行导向的装置，该导向是通过对二者中的至少一个来实施；

其中所述第一冲头单元包括一个受体冲头和与之相关的通管针，而所述第二冲头单元包括一个供体冲头和与之相关的通管针，所述供体冲头具有一个略大于所述受体冲头的外径的内径，使得由供体块获得的样品刚好配装在受体块上形成的孔中；以及

其中，当所述冲头座位于所述第一位置时所述受体冲头位于所述用于夹持受体块的装置的上方并与所述Z轴对准，而当所述冲头座位于所述第二位置时所述供体冲头位于用于夹持受体块的装置的上方并与所述Z轴对准。

2.如权利要求1所述的仪器，其中，所述冲头座可以绕着一条水平的X轴至少在相对于所述冲头座托架的第一及第二位置之间枢转，同时冲头可以径向地从该转动轴线径向伸出。

3.如权利要求1所述的仪器，其中，所述冲头座可以绕着一条垂直的Z轴至少在相对于所述冲头座托架的第一及第二位置之间枢转，同时冲头的方向与转动轴线平行。

4.如权利要求1所述的仪器，其中，所述冲头座沿着一条水平导轨可在相对于所述冲头座托架的第一及第二位置之间作直线位移。

5.如权利要求1所述的仪器，其中，所述掣子或挡块是机械掣子或挡块。

6.如权利要求1所述的仪器，该仪器还包括一个装置，该装置用于相对至少一个掣子或挡块对冲头座的行程的限制进行调整。

7.如权利要求1所述的仪器，该仪器还包括一个可移走的桥形板，该桥形板用于将供体块支撑在受体块的上方，或者该桥形板用于将受体块支撑在供体块的上方。

8.如权利要求1所述的仪器，其中，所述通管针及冲头具有近端部和远端，远端用来接触所述块体，当所述通管针的远端处于完全伸出位置时它突伸出在所述冲头的远端。

9.如权利要求8所述的仪器，该仪器还包括一个断续电路，其中在所述通管针处于完全伸出位置该电路的电导通性和在所述通管针不处于完全伸出状态下该电路的电导通性不同。

10.如权利要求1所述的仪器，该仪器还包括电磁的、液压的或气动的致动器装置，该装置用来在所述第一及第二位置之间位移所述冲头座。

11.如权利要求1所述的仪器，该仪器还包括弹簧装置，该弹簧装置安排成将所述冲头座牢固地保持在抵靠一个或多个所述掣子或挡块的位置。

12.如权利要求1所述的仪器，其中，至少有三个冲头安装在所述冲头座上。

13.如权利要求2所述的仪器，其中，至少有三个冲头安装在所述冲头座上。

14.如权利要求3所述的仪器，其中，至少有三个冲头安装在所述冲头座上。

15.如权利要求4所述的仪器，其中，至少有三个冲头安装在所述冲头座上。

16.如权利要求1所述的仪器，该仪器包括用于夹持多个受体块的装置。

17.一种用来构筑组织阵列的仪器，该仪器包括：

用来定位第一材料块体的装置；

可以至少在第一及第二位置之间枢转的枢转臂；

支撑装置，用于在X轴及Y轴方向上将所述枢转臂相对于用于定位所述材料块体的所述装置进行有选择地定位；

一个安装在所述枢转臂上的受体冲头，该受体冲头包括一个受体冲头管及一个受体通管针，该通管针在所述受体冲头管内导向，所述受体通管针具有一个外径，该外径接近于所述受体冲头管的内径；

一个安装在所述枢转臂上的供体冲头，所述供体冲头包括一个供体冲头管及一个供体通管针，所述通管针在该冲头管内导向，所述供体通管针具有一个外径，该外径接近于所述供体冲头管的内径；

其中当所述枢转臂位于所述第一位置时所述受体冲头位于操作位置上，而当所述枢转臂位于所述第二位置时所述供体冲头位于操作位置上。

18.一种用来在一个受体块中构筑组织阵列的仪器，该仪器包括：

一个可以在Z轴方向上位移的冲头座托架；

一个冲头座，该冲头座安装在所述冲头座托架上，并至少可以在相对于所述冲头座托架的第一及第二位置之间位移，所述位置由掣子或挡块来准确地确定；

一个柔性管；

至少一个受体冲头及至少一个供体冲头，这些冲头安装在所述冲头座上，每个冲头具有一个空的中心通道，该通道与所述柔性管连通；

在压力的作用下的流体通过一个阀门进入到所述柔性管中；

一个压力感应装置，该压力感应装置与所述柔性管连接；

用于夹持受体块的装置；

在X轴及Y轴方向上将所述受体块和冲头座彼此相对重新定位的装置；

用于对所述受体块和冲头座托架彼此相对在Z轴方向上导向的装置，该导向是通过对二者中的至少一个来实施；

其中所述供体冲头具有一个略大于所述受体冲头的外径的内径，使得由供体块获得的样品刚好配装在受体块上形成的孔中；以及

其中，当所述冲头座位于所述第一位置时所述受体冲头位于所述用于夹持受体块的装置的上方并与所述Z轴对准，而当所述冲头座位于所述第二位置时所述供体冲头位于所述用于夹持受体块的装置的上方并与所述Z轴对准。

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