(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部容積を画定するチャンバであって、前記内部容積内への開口と、前記内部容積内への物質の流入を受け入れる入口と、前記内部容積からの物質の流出を排出する出口と、を有するチャンバと、
前記開口を密閉して閉じ、及び、前記内部容積内における物質の処理のために前記チャンバ内に集束音響エネルギーを伝達する、前記開口内の窓であって、１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数を有する音響エネルギーをほぼ透過する窓と、
前記窓及び前記チャンバから離間された音響エネルギー源であって、前記内部容積内に音響エネルギーの焦点ゾーンを生成するために１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数を有する音響エネルギーを放射する音響エネルギー源と、
前記内部容積の形状及びサイズを少なくとも部分的に規定する挿入子であって、外側筒形状と、物質の音響処理が行われる前記内部容積の前記形状及びサイズを規定する円錐形状の内面と、を有するスリーブを有し、前記挿入子は複数の核生成部位を含む、挿入子と、
前記音響エネルギー源から前記窓に音響エネルギーを伝達する結合媒体であって、液体又は固体である結合媒体と、
前記チャンバの壁に冷却流体を供給するために前記チャンバの少なくとも一部に関連付けられた冷却ジャケットと、を備える、音響エネルギーによって物質を処理するシステムであって、
前記システムは、１時間を超える長期間の間、２００ワット以上に相当する出力エネルギーで動作する前記音響エネルギー源によって前記内部容積内で物質を音響的に処理し、前記冷却流体は前記結合媒体から離れている、システム。
【請求項２】
前記窓は、前記音響エネルギー源に面する凸面を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記凸面の形状は、前記音響エネルギー源によって生成されて前記凸面に入射する音響エネルギーの波面と同一の形状である、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記窓の形状は、前記窓によって前記内部容積内に伝達される前記音響エネルギー源からの音響エネルギーに対して集束効果を有する、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記窓は前記チャンバの底面にあり、前記チャンバは、前記チャンバの上面上に前記内部容積の外観検査用の第２窓をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記チャンバの全体が前記結合媒体によって囲まれる、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記結合媒体が液体結合媒体であり、前記チャンバの全体が前記液体結合媒体中に浸漬される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記チャンバは、外面に、前記結合媒体と熱を交換する熱交換器を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記チャンバは樽形状を有し、前記入口及び前記出口の各々は、前記樽形状の長手方向軸線に沿って前記チャンバから離れるように延びる導管を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
内部容積と当該内部容積へのアクセスのための開口とを有する容器であって、前記開口が前記内部容積内に前記チャンバを配置するために前記チャンバを受け入れる、容器をさらに備え、前記音響エネルギー源及び前記結合媒体は前記内部容積内に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記容器の前記開口を閉じるキャップをさらに備え、前記入口及び前記出口の各々が、前記チャンバから離れて前記キャップを通って延びる導管を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記チャンバ及び前記窓は、前記内部容積内の加圧環境を維持する、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、物質を処理するための制御された音響エネルギー放射装置の分野に関し、特に、「処理ゾーン（processing zone）」を通り過ぎて又は通り抜けて流れる物質に関わるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波は様々な診断、治療及び研究の目的のために長年利用されてきた。超音波の音響物理学はよく理解されているが、生物物理学的、化学的及び機械的な効果は通常、経験的に理解されているだけである。物質処理における音又は音響エネルギーのいくつかの用途としては、「超音波処理（sonication）」、すなわち処理対象物質の流体懸濁液中にキロヘルツ（ｋＨｚ）帯のエネルギーを放射する非集束超音波源（unfocused ultrasound source）の直接浸漬に関わる機械的破壊の粗製処理（unrefined process）が挙げられる。したがって、音響エネルギーは、散乱され、吸収され、及び／又は、ターゲットに正しく配置されないので、しばしば実効線量でターゲットに到達しない。超音波処理はまた、大きな試料容積又は連続処理ストリームに適用される際に有効性の限界を有する。治療用超音波の利用（例えば砕石術）及び診断用超音波の利用（例えば胎児撮像）の特定の臨床例もある。しかしながら、超音波はこれまで、自動化された広範囲で精密な物質処理又は反応制御機構を提供するために制御されてこなかった。米国特許第７，５２１，０２３号明細書他には、従来の「超音波処理」のいくつかの制約を克服するための「集束音響エネルギー」の利用が記載されている。音響エネルギーを集束することは、多くの利点を与え、試料物質が通過する「処理チャンバ」を利用して大きな試料容積又は連続処理ストリームを処理するという点で有効となる可能性がある。
【発明の概要】
【０００３】
本発明は、大きな試料容積に対して所望の音響処理結果を達成することができるように、大量のバッチと連続的な処理フローとに集束音響エネルギーを利用することによって処理を縮小するためのシステム及び方法に関する。超音波列の利用によって達成又は強化され得る音響処理の所望の結果は、限定されるものではないが、試料を加熱すること、試料を冷却すること、試料を流動化させること、試料を微粉にすること、試料を混合すること、試料を撹拌すること、試料を分裂させること、試料の成分を透過性にすること、ナノ乳濁液又はナノ調合物を形成すること、試料中の反応を促進させること、試料を可溶性にすること、試料を殺菌すること、試料の少なくとも一部を溶解し、抽出し、粉砕し、触媒し及び選択的に分解することであり得る。音波はまた、濾過、導管中の流体の流れ、懸濁液の流動化を向上させ得る。本発明の処理は、統合的なもの、分析的なもの又は撹拌等の他の処理を単純に促進するものであってよい。
【０００４】
例えば、制御された方法で物質の浸透性又は接近性を変更することによって、物質の生存度及び／又は生物活性を維持する一方で物質のマニピュレーションを可能にすることができる。別の例では、再現可能で均一でかつ自動化された方法で物質を混合すること、若しくは、物質中への又は物質からの構成成分の輸送を変調することが、有益となり得る。本システムの一実施形態によれば、試料処理制御は、所望の音響処理の結果を達成するために、超音波の音響エネルギー位置、パルスパターン、パルス強度、持続時間及び吸収線量の少なくとも１つを調節するためのフィードバックループを含む。一実施形態では、超音波エネルギーは、通常はキロヘルツ（ｋＨｚ）周波数帯域内の超音波エネルギーを採用する古典的音波処理とは対照的に、メガヘルツ（ＭＨｚ）周波数帯域内にある。
【０００５】
従来のシステムでは、非集束で非制御の超音波エネルギーが複雑な生物系又は化学系と相互作用すると、音響場はしばしば歪められ、反射され及び集束されなくなる。正味の影響は、入力に比較してエネルギー分布が不均一で及び／又は集束されなくなるということである。不均一な反応条件は、試料内の温度勾配が重要でないバルク流体処理など重大でない処理に反応用途を限定する可能性がある。しかし、不均一な態様のいくつかは、試料の完全性を損傷させる温度限界勾配などのように試料に非常に有害である。例えば、場合によっては、生成された高温がターゲットのタンパク質を不可逆的に変性させる。別の例としては、例えば組織から細胞内成分を抽出するために、不適に制御された超音波がバルク生体試料溶液に与えられると、処理は、処理線量の過程において変化する副事象の複雑で異種の混合を引き起こす。例えば、エネルギーは、ターゲットの一部を空間的にずらして、最適なエネルギー領域からターゲットをシフトさせ得る。追加的に又は代替的に、エネルギーは、音響エネルギーを反射する干渉を生じさせ得る。例えば、音響エネルギーの波面が、次の波面が到着するまで存続するキャビテーション気泡を生じると、「気泡遮蔽」が発生し、その結果、第２波面のエネルギーは気泡により少なくとも部分的に遮断及び／又は反射される。さらに、試料中の大きな粒子が低エネルギー節に移動し、これにより、長い滞留時間を有する試料中の小さな粒子が高エネルギー節内に残される。追加的に、試料粘度、温度及び均一性は、超音波処理中に変化し、処理中にこれらのパラメータの勾配を生じ得る。したがって、現行処理は通常、特に膜透過化処理等の試験管内の用途に適用された場合はランダムでかつ不均一であり、試料間の処理標準化が必要な高スループット用途における超音波の利用を妨げる。結果として、超音波の多くの可能な用途（特に生物学的用途）は、複合系における超音波の可能性として望ましくなく制御不能な態様のために、砕石術及び画像診断等の特定の高度で専門的な用途に限られる。
【０００６】
集束音響エネルギーの利用により、米国特許第７，５２１，０２３号明細書他（その全体を参照により本明細書に組み入れる）に記載されるように、これらの制約を克服することができる。当該明細書には、密閉容器内の試料の音響処理の方法が開示されている。単一容器より大きな試料物質容積の処理は、集束音響「処理ゾーン」又は「反応チャンバ」内への及びからの物質の移動により実現されることができる。物質は、所望の結果が達成されるまで（単一パス）処理ゾーン内に存在し、次に下流処理工程に移動させられる又は最終製品として獲得され得る。
【０００７】
本発明は、大量の物質を処理する（バッチスケール処理だけでなく連続処理も含む）ために集束超音波エネルギーの適用を縮小する課題に対処し、エネルギーの集束ビームを使用することにより超音波エネルギーによって試料を非接触処理するための装置及び方法を提供する。ビームの周波数は、可変であってよく、約１００ＫＨｚ〜１００ＭＨｚの帯域内、より好ましくは５００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚの帯域内であってよく、また約１０ｍｍ〜２０ｍｍ（そして可能性としてエネルギーの増加に伴いより大きな大きさ）の処理ゾーンに集束させることができ、試料物質は、所望の効果を達成するためにこのゾーンを通る。例えば、本発明のいくつかの実施形態は、コンピュータ生成複合波列の利用により、試料の温度を制御する一方で超音波エネルギーにより試料を処理することができ、センサからのフィードバックの利用によりさらに制御され得る。音響出力信号又は波列は、周波数、強度、デューティサイクル、バーストパターン、パルス波形のうちの任意のもの又はすべてにおいて変化することができる。さらに、この処理は、コンピュータ制御下で自動的に行われることが可能であり、バルク又は出力ストリームからの計測及び測定フィードバックに関連付けられ得る。別の例では、本発明のいくつかの実施形態は、処理ゾーン内の完全で一貫した混合を保証するために２次元若しくは３次元の任意の次元又はすべての次元において試料とビームの焦点との間の相対的移動により、超音波エネルギーによって試料を処理することができる。
【０００８】
いくつかの実施形態では、物質は、密閉されたチャンバを通じたバルク流体物質の効果的な移動のためのチャンバへの１つ又は複数の入口及び出口を有するチャンバ内で処理されることができる。チャンバは、試料物質又は環境の汚染を防ぐために処理中に密閉されることができる。いくつかの実施形態では、製造工程ストリームなどにおいて非常に大きな試料容積群が必要な場合、多数の試料ストリームを並列に処理するためにチャンバの配列を使用することができる。いくつかの実施形態では、処理される物質に接触するチャンバ及び／又は他の部品は使い捨ての形態で形成され得る（例えば、物質の処理に１回使用された後に廃棄される）。
【０００９】
試料容器は、１つ又は複数のピースを含むチャンバであってよく、音響エネルギーが通過する音響「窓」を含んでよい。この窓は、所望の効果を最適化するために様々な物質から形成されることができ、ガラス、ポリイミド等の薄膜ポリマー、他の成形可能なポリマー、石英、サファイア、他の物質を含み得る。チャンバは、チャンバへの又はチャンバからの物質の移動のための１つ又は複数の入口と１つ又は複数の出口とを有してよい。物質がチャンバを通って移動する速度は、蠕動の、ギヤの又は他のポンプ等の圧送システムを介して能動的に、若しくは、高さ変更等又はその軸を中心とした振動によりチャンバを傾斜させることなどの重力供給法を介して受動的に、制御されることができる。装置はまた、音響エネルギー源とホルダとの間に配置された音響的に透過性の物質を含むことができる。音響エネルギー源は、任意選択的に直列の波列の形式で、２以上の異なる周波数において音響エネルギーを発生させることができる。波列は第１波成分及び異なる第２波成分を含んでよい。代替的に又は追加的に、波列は、約５００ｍＶの振幅及び約１０％のデューティサイクルで、バースト当たり約１０００サイクルを含んでよい。
【００１０】
１つの例示的な実施形態では、音響エネルギーによって物質を処理するためのシステムは、内部容積を画定するとともに内部容積内への開口を有するチャンバを含む。入口は、内部容積内に物質を流入させ、出口は、内部容積から流出した物質を排出する。いくつかの配置では、入口及び／又は出口は逆止弁を有してよい、又は、そうでなければ内部容積内の流れに影響を与えることに役立つように、例えば、可能性として断続的であるが入口から出口の方向に流れが維持されることを保証することに役立つように配置され得る。チャンバの開口内の窓は、開口を密封的に閉じるように、そして内部容積内の物質の処理のためにチャンバの中へ集束音響エネルギーを送るように配置され得る。窓は通常、約１００ＫＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数を有する音響エネルギーを透過させ得る。このようにして、窓は、内部容積内への音響エネルギー伝搬を最小限に妨げ得る。いくつかの配置では、窓は音響エネルギーを導くことを助け得る。例えば窓は、音響エネルギーに対して集束又はレンズ効果を有する凸面又は他の配置を有し得る。１つ又は複数の圧電変換器等の音響エネルギー源は、窓から離間され、内部容積内に音響エネルギーの焦点ゾーンを生成するように約１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数を有する音響エネルギーを放射するように配置され得る。本システムは、チャンバ内の物質の長期間、例えば過剰な発熱又は他の問題を経験すること無く比較的高い強度で（例えば２００ワット以上の音響変換器の出力で）１時間以上の連続的音響処理に対処するように配置され得る（連続的音響処理では、物質は、チャンバ内に連続的な方法で流され得る、又は、断続的な方法で流れ得る。また、音響エネルギー源は、変化する電力レベルで動作し得るが、時間平均ベースでは比較的大きな電力出力レベル（例えば２００ワット以上）で動作し得る。これは、過剰発熱、音響源の故障、試料物質に対する損傷等々の様々な理由のために１時間以上の連続的音響処理を実現することができなかった従来の音響処理配置とは対照的である。
【００１１】
いくつかの配置では、内部容積は、内部容積内の物質を音響エネルギーに曝すことを助けるように適切に寸法決めされ得る又はそうでなければ配置され得る。例えば、内部容積は、処理中に焦点ゾーン内又はその近くに物質が維持されることを保証することを助けるためにチャンバ内の音響焦点ゾーンの境界の近くに配置された壁を含み得る。他の配置では、内部容積は、キャビテーション又は他の音響的原因の影響のための核生成点を提供する要素を含み得る。液体又は固体であり得る結合媒体は、音響エネルギー源から窓へ音響エネルギーを伝送するように配置され得る。例えば、水槽が音響エネルギー源とチャンバの窓との間に配置され得る。いくつかの配置では、チャンバは、水等の液体結合媒体中に部分的又は完全に浸漬され得る。
【００１２】
１つの例示的な実施形態では、チャンバ及び窓は、内部容積内に加圧環境を維持するように配置され得る。内部容積内に好適な圧力を供給することによって、反応速度を高めることを助け得る、キャビテーションを低下することを助け得る、又は、音響処理中の他の望ましい影響を与え得る。チャンバは、例えば窓の反対側のチャンバの上面上にチャンバ内の目視検査を可能にする第２窓を含み得る。例えば、ビデオカメラ又は他の光センサ等のセンサが、処理中にチャンバ内の像を捕捉し得る。画像データは、所望の結果を達成するために物質流速度、音響エネルギー特性等のシステムの動作を制御するように使用され得る。例えば、キャビテーション気泡の存在又は大きさ、物質流速度、混合比等の処理特徴及び／又は音響源若しくはシステムの他の態様を制御するために使用される粒径、均質化、流動化等の物質特性を検出するために、画像解析技術が画像データに対し使用され得る。
【００１３】
一実施形態では、チャンバは、外面に、結合媒体と熱を交換するように配置された熱交換器を含み得る。例えば、熱交換器は、チャンバの内部容積に対して熱を伝達することを助ける複数の放射状フィン、棒、凹部、空洞又は他の特徴を含み得る。いくつかの配置では、熱は内部容積内に伝達され得るが、他の配置では、熱は熱交換器により少なくとも部分的に内部容積から伝達され得る。結合媒体（音響結合媒体又は他の熱的結合媒体にかかわらず）の温度は所望の熱伝達に影響を与えるように制御され得る。電気抵抗ヒータ又は他の発熱体が、必要に応じ追加の熱源を設けるためにチャンバに設けられ得る。別の実施形態では、熱交換器は、チャンバの壁へ加熱／冷却流体を送るためにチャンバの少なくとも一部に関連付けられた加熱又は冷却ジャケットを含み得る。ジャケットは、熱的結合媒体がチャンバに接触できるようにする一方で、熱的結合媒体を音響結合媒体から離した状態に保ち得る。この配置は、例えば特定タイプの物質（水等）が音響結合に最もよく使用される一方で、異なる物質（不凍液等）が熱的結合に最も良好に使用される場合に役に立ち得る。
【００１４】
１つの例示的な実施形態では、チャンバは樽形状を有し、入口及び出口はそれぞれ、樽形状の長手方向軸に沿ってチャンバから離れて延伸する導管を含み得る。したがって、チャンバは、ある意味では、入口及び出口に従属し得る、又は、そうでなければ、入口及び出口の導管の下に配置され得る。チャンバは、内部容積と、容器内に位置するようにチャンバが通され得る開口と、を有する容器とともに使用され得る。音響エネルギー源もまた結合媒体と共に容器内に配置され得る。容器の開口を閉じるように、例えば容器内のチャンバを囲うように、キャップが配置され得る。入口及び出口はそれぞれ、そうでなければ容器が外部環境から完全に密閉され得るとしても物質がチャンバ内に導入されるように、チャンバから離れるように延びてキャップを貫通する導管を含み得る。
【００１５】
別の例示的な実施形態では、チャンバは、内部容積の形状及びサイズを少なくとも部分的に画定する挿入子（insert element）を含み得る。キャビテーションのための複数の核生成部位を与える機能、反応を高めるために触媒又は他の部位を与える機能、特定の形状、サイズ、又は熱を内部容積内へ／内部容積から伝達することを助ける他の構成を有するように内部容積を画定する機能、などのいくつかの機能のうちの任意の１つを果たすために、２つ以上の別部品又は単一構成部品を含み得る挿入子がチャンバ内に設けられ得る。例えば、挿入子は、チャンバ内の音響エネルギーの焦点ゾーンに厳密に一致する又はそうでなければそれと相互作用するサイズ及び形状を有するように内部容積を画定し得る。挿入子は、セラミック物質等の任意の好適な物質で作られ、任意の好適なサイズ又は形状の部品（複数の棒部材など）を含む又は他の所望の特徴を有し得る。
【００１６】
本発明の別の態様では、物質を音響的に処理するシステムは、内部容積を画定するチャンバであって、内部容積内への物質の流入を可能にする入口と内部容積からの物質の流出を排出する出口とを有するチャンバを含む。音響エネルギー源は、チャンバから離間されてよく、内部容積内で物質を処理するために内部容積内に音響エネルギーの焦点ゾーンを生成するように約１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数を有する音響エネルギーを放射するように配置され得る。液体又は固体であり得る結合媒体は、音響エネルギー源からチャンバへ音響エネルギーを送るように配置され得る。貯蔵槽は、チャンバ内の音響エネルギーにより処理される物質を含んでよく、撹拌器は、貯蔵槽内の物質を混合する又はそうでなければ移動するために配置され得る。貯蔵槽とチャンバの入口との間に流体接続された供給導管は、物質を貯蔵槽からチャンバに送ってよく、貯蔵槽とチャンバの出口との間に流体接続された戻り導管は貯蔵槽に物質を戻し得る。いくつかの実施形態では、物質を供給導管及び戻り導管を通って流れさせるようにポンプが配置されてよく、物質を戻り導管から任意選択的に受け入れる第２貯蔵槽が設けられ得る。例えば、戻り導管は、物質を第１貯蔵槽に戻すのではなく第２貯蔵槽に向けるようにすることができる三方弁又は他の配置を含み得る。
【００１７】
本発明の別の態様では、物質を音響的に処理するシステムは、内部容積を画定するチャンバであって、内部容積内に物質を流入させる入口と、内部容積から流出する物質を排出する出口と、を有するチャンバを含む。音響エネルギー源は、チャンバから離間されてよく、例えばチャンバ内で物質を処理するために、内部容積内に音響エネルギーの焦点ゾーンを生成するように約１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数を有する音響エネルギーを放射するように配置され得る。結合媒体は、音響エネルギー源からチャンバへ音響エネルギーを送るように配置され得る。導管内の物質が、第１導管から内部容積を通って第２導管内へ第１方向に流され、その後第２導管から内部容積を通って第１導管内へ第２方向に流されるように、第１導管はチャンバの入口に流体接続されてよく、第２導管はチャンバの出口に流体接続され得る。物質の流れは、ポンプ、重力又は他の原動力により引き起こされてよく、第１及び／又は第２導管は必要に応じて物質を保持するように働くそれぞれの貯蔵槽に接続され得る。
【００１８】
本発明の別の態様では、物質を音響的に処理するシステムは、直列に配置される第１及び第２音響処理アセンブリを含み得る。すなわち、物質は、第１チャンバ内で処理され、次に後処理のために第２チャンバ内に送られ得る。処理アセンブリのそれぞれは、内部容積を画定するチャンバであって、内部容積内への物質の流入を受け入れる入口、及び、内部容積からの物質の流出を排出する出口を有するチャンバと、チャンバから離間された音響エネルギー源であって、内部容積内に音響エネルギーの焦点ゾーンを生成するように約１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数を有する音響エネルギーを放射するように配置される音響エネルギー源と、音響エネルギー源からチャンバに音響エネルギーを送るように配置された結合媒体と、を含む。貯蔵槽は、第１及び第２音響処理アセンブリのチャンバ内の音響エネルギーにより処理される物質を含むように配置されてよく、供給導管は、貯蔵槽と第１処理アセンブリの入口との間に流体接続され得る。例えば第１チャンバから第２チャンバに物質を移動するために、輸送導管が第１処理アセンブリの出口と第２処理アセンブリの入口との間に流体接続され得る。
【００１９】
本発明のこれらの態様及び他の態様は以下の説明と特許請求範囲とから理解される。
【００２０】
本発明の例示的な実施形態は、添付図面と併せて、以下の詳細な記載においてより具体的に説明される。添付図面では、同一の参照符号は通常、異なる図を通して同一の部品を指す。また、添付図面は、必ずしも原寸に比例していなく、むしろ本発明の原理を明瞭に示すために強調されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】容器内に収容されたチャンバを含む一実施形態における音響処理システムの分解透視図である。
【図２】組み立て状態における図１の実施形態の断面図である。
【図３】ジャケット付き熱交換システムを有する音響処理チャンバの断面図である。
【図４】例示的な一実施形態における挿入子を有する音響処理チャンバの断面図である。
【図５】例示的な一実施形態における垂下棒及び球状要素を含む挿入子を有する音響処理チャンバの断面図である。
【図６】撹拌器を有する貯蔵槽を含む音響処理システムの例示的な実施形態である。
【図７】物質の流れを振動させるために配置された音響処理システムの例示的な実施形態である。
【図８】多数の処理チャンバを使用する物質の直列処理のために配置された音響処理システムの例示的な実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本明細書で使用される「音響エネルギー（Sonic energy）」は、音響エネルギー（acoustic energy）、音響波、音響パルス（acoustic pulse）、超音波エネルギー、超音波（ultrasonic wave）、超音波（ultrasound）、衝撃波、音響エネルギー（sound energy）、音波、音響パルス（sonic pulse）、パルス、波、又は、これらの用語の任意の他の文法形態などの用語、及び、音響エネルギー（sonic energy）に対して同様の特徴を有する任意の他のタイプのエネルギーを包含することが意図されている。本明細書で使用される「焦点ゾーン」又は「焦点」は、音響エネルギーがターゲットに集束する及び／又は衝突する領域を意味するが、この集束の領域は、必ずしも単一の集束点ではなく、様々なサイズ及び形状の容積を含み得る。本明細書で使用されるように、本明細書で使用される用語「処理チャンバ」又は「処理ゾーン」は、音響エネルギーが集束して処理のために試料物質が存在する容器又は領域を意味する。本明細書で使用されるように、「非線形音響」は入出力間の比例性の欠如を意味し得る。例えば、音響変換器に適用される振幅が増加するにつれて、正弦波の出力は、最終的にピーク正圧がピーク負圧より速い速度で増加するように比例性を失う。また、水は、高い音響エネルギー強度では非線形になり、集束音響場では、波は焦点に向かうほど強度が増加するのでより大きく擾乱される。組織の非線形音響特性は診断及び治療の用途において役立つ可能性がある。本明細書で使用されるように、「音響ストリーミング」は音響波による流体の流れの生成を意味し得る。その影響は非線形である可能性がある。音場の方向の液体のバルク流体流れは、音場から吸収される運動量の結果として生成されることができる。本明細書で使用されるように、「音響マイクロストリーミング」は、源又は障害（例えば音場内の音響的に駆動された気泡）の周囲の流体の小領域内にだけ発生する時間非依存循環を意味し得る。本明細書で使用されるように、「吸音」は、音響エネルギーを熱エネルギーに変換する物質の能力に関係する物質の特徴を指し得る。本明細書で使用されるように、「音響インピーダンス」は、表面上の音圧と表面を通る音束との比であって、リアクタンスと抵抗成分とを有する比を意味し得る。本明細書で使用されるように、「音響窓」は、音響エネルギーが処理チャンバ又は処理域内の試料を通ることを可能にするためのシステム又は装置を意味し得る。本明細書で使用されるように、「音響レンズ」は、音波を拡散する、集束する又はそうでなければ導くためのシステム又は装置を意味し得る。本明細書で使用されるように、「音響散乱」は、その大きさが波長に比べて小さい多数反射面により、又は、波が伝播される媒体内のいくつかの不連続性により生成された音波の不規則で多方向性の反射及び回折を意味し得る。
【００２３】
超音波処理のための装置と方法
図１及び図２は、音響エネルギー源２によって生成された集束音響エネルギーが、チャンバの音響窓１１を通り、チャンバ１０の試料物質が位置する内部容積１２内に入る場合の、チャンバ１０の一実施形態を描写する。以下にさらに詳細に説明されるように、音響処理システム１は、（例えば１つ又は複数のセンサ、ユーザ入力装置等からの）制御情報を受信し、それに応答して音響エネルギー源２及び／又は他のシステム部品の動作を制御する制御装置２０（例えば、適切にプログラムされた汎用コンピュータ又は他のデータ処理装置を含む）を含み得る。試料物質は、入口１３を介して内部容積１２内に供給され、出口１４を介して容積１２から除去される。入口及び出口は様々な方法で配置されてよく、この実施形態では、入口１３及び出口１４は、それぞれチャンバ１０に接続された導管を含む。いくつかの実施形態では、入口及び／又は出口は、例えば流れが断続的であり得るにもかかわらず物質の流れが常に入口から出口であるように、逆止弁、一方向弁、電子制御弁、又は、流れが所望の方法で発生することを保証することを助ける他の配置を含み得る。内部容積１２は、処理対象物質に対して適切なサイズにされて形成されてよく、例えば、いくつかの音響処理アプリケーション（殺菌等）は、比較的小さな容積の物質が比較的小さな容積内で処理されれば効果的に機能し得るが、他のアプリケーション（混合等）は、内部容積１２に大きな容積を使用することにより、より良い結果を生じ得る。内部容積１２は様々な形状又は他の構成特徴を有することができ、例えば、内部容積１２は、垂直壁によって画定されてよく、円錐形状を有してよく、湾曲形状を有してよい等である。また、チャンバ１０は、処理対象物質を含む内部容積を併せて画定する多数の部品（上側の部材、下側の音響的に透明な部材、本体など）から形成されることができる。代替的に、チャンバ１０は、単一の一体型ピースとして、又は、他の手段によって形成され得る。
【００２４】
チャンバ１０の１つ又は複数の壁は、内部容積１２内で発生したいかなる熱も放散する及び／又は内部容積１２内に伝達されるチャンバ１０の外部からの熱を受け取るために熱伝達機構又は熱交換器として機能し得る、又は、そうでなければそれと関連し得る。図１に見られるように、チャンバ１０は、複数の放射状フィンの形状の熱交換器１５を含み得る。当然のことながら、熱交換器１５は、例えばある位置から別の位置に熱を伝達するために電力を使用するペルチェ装置、電気抵抗ヒータ、熱伝導棒、管又は他の構造、ある位置から別の位置に熱を伝達するために使用される相変化物質等を含む他の方法で形成され得る。熱交換器１５は、空気又は他のガス、水又は他の液体、若しくは、固体物質などの任意の好適な熱的結合媒体と共に動作するように配置され得る。例えば、図２に示すように、チャンバ１０は、熱交換器１５に対して熱を伝達するように働く液体中に完全に又は部分的に浸漬され得る。水又は他の外部熱的結合媒体と内部容積１２との密接な熱的結合は、音響処理中に内部容積１２内の物質の温度の制御を助け得る。結合媒体４の温度の制御により、内部容積１２内の温度を制御することを助けることができる。例えば、結合媒体４は、冷却器、ヒータ、又は結合媒体４の温度を調整するための他の手段を介して再循環されることができる。したがって、チャンバ１０の内部の試料物質は、チャンバ１０の設計の綿密な考慮により結合媒体４の温度に熱的に連結されることができる。チャンバ１０の内壁と試料物質との間の熱的結合は、高い混合、乱流、及び活動性により／又は内壁の表面において、強固に結合され、したがって大きな対流熱伝達を生じ得る。熱は、結合媒体４のバルク温度に結合される前に、チャンバ１０の１つ又は複数の端（例えば窓１１及び１６における）又は容器の側壁のいずれかを通過することができる。熱は、結合媒体の温度及び試料物質の温度の相対差と、所望の効果を実現するために試料をターゲット温度に維持する所望の目標と、に応じて、いずれの方向にも流れることができるということに留意されたい。チャンバ１０の内壁と結合媒体との間の伝達は、壁を介して外面への単純な伝導によって実現することができる、又は、外面領域は、フィンの利用、若しくは圧送された流体を有するジャケット付き容器などの他の高い熱伝達効果の利用により強化されることができる。例えば、図３に、ジャケット１９がチャンバ１０の少なくとも一部の周囲に位置し、熱伝達媒体５０がジャケット１９とチャンバ１０の外壁との間の空間内で循環する例示的な配置を示す。追加的に、入口及び／又は出口の導管もまた、チャンバ１０の入口又は出口における強化熱表面の利用により、結合媒体の温度及び／又は熱伝達媒体に連結されることができる。例えば、図３には図示しないが、入口１３及び／又は出口１４は、熱伝達媒体５０に熱を伝達するようにジャケット１９とチャンバ１０との間の空間を貫通し得る。代替的に、入口及び／又は出口の媒体導管は、音響結合媒体４に対して熱を伝達することができるようにする熱交換器特徴を含み得る。
【００２５】
いくつかの実施形態では、音響エネルギー源２は、集束超音波ビーム又は波面をチャンバ１０の窓１１に向かって放射する超音波変換器を含み得る。チャンバ１０内の開口を密閉して閉じ得る窓１１は、チャンバ１０内の物質に作用する内部容積１２内の焦点ゾーンを形成するために超音波ビームが窓１１を貫通するように、好適には音響エネルギーを透過してよく、又はそうでなければ音響エネルギーを伝送し得る。窓１１は、チャンバ１０内の物質に最大量の超音波エネルギーを伝送し、チャンバ１０の壁内の超音波エネルギーの吸収を最小化し、及び／又は、内部容積１２と例えば外部水槽若しくは他の結合媒体との間の熱伝達を最大化するように構成され得る。いくつかの実施形態では、窓１１は、ガラス、サファイア、石英、又は薄膜ポリマーなどのポリマーである。窓は、任意の好適な形状又は他の構成を有してよく、例えば平坦であってよく（又は、そうでなければ衝突音響エネルギーに対して比較的平坦な面を提示し得る）、又は半球又は他の凸形状を有するように湾曲され得る。いくつかの実施形態では、窓１１は、窓１１の物理的形状に起因する「レンズ」効果（凹又は凸形状に起因する効果など）により、音響エネルギーを集束又は非集束化することなど、内部容積１２に対して好ましい方法で音響エネルギーを誘起するように形成される。いくつかの実施形態では、窓１１は、水と同様の音響インピーダンスと比較的低い吸音特性とを有する。好ましい１つの物質は低密度ポリエチレンであるが、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリイミド、他の剛性及び可撓性ポリマーなどの他のポリマーが使用され得る。窓１１が薄膜物質で形成される場合、膜は、チャンバ１０への熱接着を容易にするために積層板であってよい。例えば、窓１１は、熱融着を利用することによりチャンバ１０にシールして取り付けられ得る。より厚く、より剛性の物質もまた窓１１に採用され得る。
【００２６】
チャンバ１０の上側部分は、平坦又はドーム状であり得る又はそうでなければ内部容積１２の可視光検査を可能にする一方で内部容積１２を囲うように配置され得る検査窓１６を含み得る。このような検査は、人間によって、又はビデオカメラ、光検出器、ＩＲ検出器等々の好適に配置されたセンサ２１によって行われ得る。センサ２１によって検出される内部容積１２内の物質の特徴は、システム１の音響エネルギー源２又は他の部品を制御するために制御装置２０によって使用され得る。例えば、過剰キャビテーションを回避したければ、制御装置２０は、センサ２１が一定の大きさ及び／又は一定の数のキャビテーション気泡の存在を検出した場合に音響エネルギーを焦点ゾーンに調整し得る。音響処理が、試料物質内の粒子の大きさを細かくすることを目的とする場合、他の特徴（チャンバ１０内の粒子の大きさ、密度、又は他の特徴など）がセンサ２１により検出され得る。したがって、センサ２１は、例えばチャンバ１０内への追加試料物質の導入をトリガするために音響処理が所望通りに進行しているかどうかと処理が完了したかどうかとを検知し得る。窓１１のように、検査窓１６は、ガラス、サファイア、石英、及び／又はポリマー物質など任意の好適な物質で形成され得る。
【００２７】
チャンバ１０の本体は、環境シールとして働くように及び／又は熱伝達機構を提供するように処理中に内部容積１２内に物質を含むのに好適な任意の物質又は物質の組み合わせで形成され得る。いくつかの実施形態では、チャンバ１０は、熱伝導性の金属又はポリマーなどの剛性又は可撓性物質、又はこのような物質の組み合わせで形成され得る。好ましくは、チャンバ１０に使用される物質は、低吸音特性と、所望の用途に対して許容可能な熱伝達特性と、を有する。いくつかの実施形態では、チャンバ１０の上側部分（例えば検査窓１６を含む）は、音響エネルギーを反射して内部容積１２内に戻して追加の処理効率を与えるように配置されることができる。チャンバ１０が上側及び下側部材など多くの部分から形成される場合、部材同士は、熱接着、接着剤接着、外部からのクランピング、部材間にシールを形成するためのｏリング又は他のガスケットを有する機械的締め具（図１に示すボルトなど）、溶接等により互いに結合され得る。接着を熱接着により実現しようとすれば、上側及び下側部材は、熱接着可能外側層と熱耐性中間層とを有するフィルム積層板で形成され得る又はそれらを含み得る。
【００２８】
図２に見られるように、音響処理システム１は、音響エネルギー源２とチャンバ１０と結合媒体４とを含む容器３を含み得る。容器３は、任意の好適なサイズ、形状、又は他の構成を取ってよく、任意の好適な物質又は物質（金属、プラスチック、複合物等）の組み合わせから形成され得る。この例示的な実施形態では、容器３は、容器３の内部容積へのアクセスを可能にするように配置された開口３１を有する半開き又は缶状の構成を有する。音響エネルギー源２と結合媒体４（水又は他の液体など、又は任意選択的に固体物）とは、容器３内に（例えば容器３の底の近傍の音響エネルギー源２と共に）位置し得る。（接触材４が固体である場合、容器３と結合媒体４とは本質的に互いに一体化され得る。ここでは、結合媒体４は、音響源２とチャンバ１０との物理的結合部としてだけでなく音響結合部としても本質的に機能する。）開口３１は、チャンバ１０が容器３内に降ろされるように、例えばチャンバ１０が結合媒体４中に部分的に又は完全に浸漬されるように配置され得る。結合媒体４は、例えば音響エネルギーを音響エネルギー源２から窓１１に伝送するための音響結合媒体としてと、例えばチャンバ１０から熱エネルギーを受け入れるための熱的結合媒体としてとの両方として機能し得る。他の実施形態では、熱的結合媒体及び音響的結合媒体は、例えばチャンバ１０が図３のような冷却ジャケット１９を備えている場合には別々であってもよい。
【００２９】
この例示的な実施形態では、開口３１は、この実施形態では樽形状を有するチャンバ１０を受け入れるようなサイズにされて形成され、入口１３及び出口１４は、チャンバ１０の樽形状の概して長手方向軸に沿って延びる。キャップ１７は、入口１３及び出口１４の導管に係合され、チャンバ１０が結合媒体４の中に吊り下げられて入口及び出口の導管とキャップ１７とによって支持されるように配置される。チャンバ１０は、音響エネルギー源２によって生成される音響エネルギーの焦点ゾーンがチャンバ１０の内部容積１２内に好適に位置するように、容器３内に位置決めされ得る。したがって、音響エネルギー源２に対するチャンバ１０の適切な配置が、キャップ１７を容器３の開口３１に単純に係合することにより実現され得るので、システム１の組み立ては容易化され得る。チャンバがキャップ１７に対して好適に位置して、キャップ１７が容器３に適切に係合される限り、容器３内のチャンバ１０の位置のいかなる調整も必要とされない。キャップ１７は、キャップ１７／チャンバ１０が容器３によって支持されるようにだけでなく、また容器開口３１が、例えば結合媒体４の汚染を防ぐことを助けるために密閉される又はそうでなければキャップ１７により閉じられるように、容器３の開口３１に係合し得る。入口及び出口の導管は、例えばチャンバ１０内の処理対象物質を運ぶ供給及び／若しくは戻り線路又は他の導管への流体接続のために、キャップ１７を貫通し得る。
【００３０】
チャンバ１０は、任意の好適な方法で及び様々な用途のために配置され得ることを理解すべきである。例えば、図２に示す実施形態では、入口１３及び出口１４は容積１２の両側でそして同じ垂直レベルで内部容積１２と連通する。しかし、入口１３及び出口１４は内部容積１２に他の方法で連通し得る。例えば、入口１３は、出口が内部容積に流体接続される位置の上又は下の位置で内部容積１２に流体接続され得る。入口及び出口を異なる高さにおいて接続させることで、特定の用途に応じた利点を提供し得る。例えば、いくつかの用途では、入口を出口の上に配置することで、内部容積１２内の物質の温度を制御することを助け得る。例えば入口に流入する冷却流体は、内部容積１２の最上部近くの比較的暖かい流体と混じり合うかもしれない。他の用途では、出口の下に入口を有することで、所望の大きさ又は密度を有する物質が出口から出るように促進されることを保証することを助け得る。例えば、より大きなより密度の高い粒子は、音響処理により所望の大きさ／濃度範囲内に細かくされるまで、出口の下の内部容積１２内に残り得る。水ジャケット付きチャンバの場合、チャンバの両端に入口及び出口を配置することによって、逆流熱交換器の動作と改善された熱伝達及び試料の温度制御とを可能にするかもしれない。
【００３１】
本発明の別の態様によると、チャンバ１０は、少なくとも部分的に内部容積の形状及びサイズを画定するために内部容積１２内に設けられ得る１つ又は複数の挿入子を含み得る。例えば、図４に示すように、音響処理が行われる内部容積１２の大きさ及び形状を画定するために、外側筒形状と内側円錐又は切頭円錐形状とを有するスリーブ配置を有する挿入子１８が内部容積１２内に設けられ得る。この実施形態では、挿入子１８によって画定される内部空間は、物質が音響的に処理される内部容積１２として機能する。挿入子１８は、用途又は他の所望の機能に応じて様々な形状、サイズ、物質で形成され得る。例えば、挿入子１８は、キャビテーションの開始部位として機能する複数の核生成部位（例えば挿入子１８のセラミック材の表面により設けられる）を含み得る。内部容積１２内に位置して核生成部位を提供する、チャンバ１０内の熱を伝達する又はそうでなければ熱を分布させることを助ける、反応部位を設ける又はそうでなければ容積１２内の化学的又は他の反応において触媒作用する又は反応を助けるように機能するセラミック棒、ビード、又は他の物質で作られた要素と他の機能とを含む他の配置が可能である。棒、ビード又は他の構造は、例えば図５に示すように物理的支持体により、及び／又は音響エネルギー又は他の物質流により生じる内部容積内の混合と又は他の流体移動により、内部容積１２内に吊り下げられ得る。
【００３２】
本発明の一態様によると、例えば以下に説明される他の実施形態だけでなく、図１及び図２に示すようなシステム１は、過剰な発熱又は他の問題を経験すること無く比較的高強度で、例えば２００ワット以上の音響変換器の出力で、例えば１時間以上の長期間にわたって、チャンバ１０又は多数のチャンバ１０内の物質の連続的な音響処理に対処するように配置され得る。一実施形態では、音響エネルギー源２の一部において機能する圧電変換器は、平衡状態、すなわち、物質が過剰発熱、変換器の燃え尽き又は故障、又は音響処理の停止を要するであろう他の状態無しにチャンバ１０内で音響的に処理される状態において数時間約２８６ワット相当の強度レベルで動作され得る。これは、過剰発熱、音響源の故障（例えば、変換器の加熱及びその後の燃え尽きによる）、試料物質に対する損傷等々の様々な理由のために１時間以上の連続的音響処理を実現することができなかった従来の音響処理配置とは対照的である。
【００３３】
変換器
いくつかの実施形態では、音響エネルギー源２は、例えば超音波変換器又は「超音波」周波数範囲内の音響波を生成する他の変換器を含み得る。超音波は、可聴周波数を超えた周波数（通常は約２０，０００Ｈｚすなわち２０ｋＨｚ）で始まり、メガヘルツ（ＭＨｚ）波の領域へ続く。水中の音速は毎秒約１０００メートルであり、したがって水中の１０００Ｈｚの波の波長は約１メートルである。これは通常、非集束場状況では使用可能であるが直径１センチメートル未満の個々の領域上への特定の集束にとっては余りに長い。２０ｋＨｚでは、波長は約５ｃｍであり、これは比較的小さな処理容器内では有効である。試料と容器の容積とに依存して、好ましい周波数はより高くてもよく、例えばそれぞれ約１．０、０．１、０．０１ｃｍの波長を有する約１００ｋＨｚ、約１ＭＨｚ、又は約１０ＭＨｚであり得る。対照的に、音波溶接を含む従来の超音波処理に関しては、周波数は通常約数十ｋＨｚであり、撮像に関しては、周波数は通常約１ＭＨｚ〜最大約２０ＭＨｚである。砕石術では、パルスの繰り返し率はかなり遅くヘルツ範囲内で測定されるが、生成されるパルスの鋭さが、実効パルス波長すなわちこの場合最大約１００〜３００ＭＨｚすなわち０．１〜０．３ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数成分を有するパルス立ち上り時間を与える。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態で使用される周波数はまた、特定の周波数の試料又はチャンバ１０のエネルギー吸収特性により影響を受けることになる。特定の周波数が試料物質によりよりうまく吸収される又は優先的に吸収される限りでは、これは好ましいかもしれない。エネルギーは、短いパルスの形式で、又は規定された時間の長さの間、連続場として送ることができる。パルス群は、束ねられる又は規則正しく離間されることができる。
【００３５】
ほぼ垂直方向に配向された集束超音波ビームは音響エネルギー源２によっていくつかの方法で生成され得る。１．１ＭＨｚ集束単素子変換器であってよい例えばSonic Concepts, Woodinville, Wash.により供給されるものなどの単素子型圧電変換器は、焦点軸が垂直となるように配向された球状又は他の湾曲伝搬面を有することができる。別の実施形態は、ビームを集束するために平坦非集束変換器（flat unfocused transducer）と音響レンズ（例えば窓１１又は他の要素）とを使用する。さらに別の実施形態は、集束ビームを生成するために集束用電子回路と併せて環状配列などの多元変換器を使用する。環状配列は、可能性として、変換器の周囲において、電子アポダイジングにより（すなわち、音響エネルギー強度を電子的に又は機械的に、のいずれかで低減することにより）焦点近傍の音響サイドローブを低減することができる。この結果は、変換器の端周囲の音を部分的に遮断することにより、又は、多素子変換器の外側素子に対する電力を低減することにより、機械的に達成することができる。これは、エネルギー焦点近傍のサイドローブを低減するので、チャンバ１０の加熱を低減するのに役立つ可能性がある。その代わりに、小さな変換器の配列を同期させて集束ビームを生成することができる。さらに別の実施形態は、集束ビームを生成するために非集束変換器と集束用音響ミラーとを組み合わせる。この実施形態は、波長が変換器の大きさに比べて大きい場合に、下側周波数において有利となる可能性がある。この実施形態の変換器の軸は水平であり、成形音響ミラーは音響エネルギーを垂直方向に反射しこのエネルギーを集束させて集束ビームにするように使用される。
【００３６】
いくつかの実施形態では、焦点ゾーンは、処理チャンバ１０の加熱を回避するために処理チャンバ１０の寸法に比べて小さくてもよい。一実施形態では、焦点ゾーンの幅は約１ｍｍである。処理チャンバ１０の加熱は、焦点ゾーン近傍の音響サイドローブを最小化することによって低減することができる。サイドローブは、連続波面の積極的干渉により形成される焦点の周囲の高い音響強度の領域である。サイドローブは、多素子変換器の外側素子をより低い電力で動作させることによって電子的に、又は単一素子変換器周辺の音響波を部分的に遮断することによって機械的に、のいずれかにより、変換器をアポダイジングすることによって低減することができる。サイドローブはまた、処理プロトコルにおいて例えば約３〜約５サイクルの範囲内の短いバーストを使用することによって低減され得る。
【００３７】
変換器は、圧電セラミックなどの圧電物質で形成されることができる。セラミックは、エネルギーを集束し易い「ドーム」として製造され得る。このような物質の１つの用途は音響再生においてであるが、本明細書で使用されるように、周波数は一般的にははるかに高く、圧電物質は通常、パルスを鋭くするために過剰駆動される（すなわち、電圧変化に対する機械的応答の線形領域を超えた電圧によって駆動される）であろう。通常、これらのドームはそれが砕石的システムにおけるものより長い焦点距離を有する（例えば約２０ｃｍ対約１０ｃｍ焦点距離）。セラミックドームは、リンギングを防ぐために減衰させることができる。応答は、過剰駆動されなければ線形である。これらのドームのうちの１つの高エネルギー焦点ゾーンは通常は葉巻形状である。１ＭＨｚでは、２０ｃｍドームに関し焦点ゾーンは約６ｃｍ長、約２ｃｍ幅、又は１０ｃｍドームに関しては約１５ｍｍ長、約３ｍｍ幅である。このようなシステムから得られるピーク正圧は、駆動電圧に依存して、約１ＭＰａ（メガパスカル）〜約１０ＭＰａ圧すなわち約１５０ＰＳＩ（ポンド毎平方インチ）〜約１５００ＰＳＩである。ピーク音響強度の約６ｄＢ内の音響強度を有するとして画定された焦点ゾーンは幾何学的焦点の周囲に形成される。
【００３８】
波長、すなわち、衝撃波の音速が掛けられた固有立ち上がり時間は、生体細胞と同じ一般的な大きさの範囲内であり、例えば約１０〜約４０マイクロメータである。この実効波長は、エネルギー源と処理対象物質との界面を介して維持される集束の程度だけ、パルス時間と振幅との選択によって変更されることができる。
【００３９】
集束音圧波の別の源は、砕石術において使用されるような電磁変換器及び放物集光器である。このような装置の励起は、同様の又はより大きな焦点ゾーンを有するより大きなエネルギーとなる傾向がある。約−１６ＭＰａの強い焦点ピーク負圧が観察された。この大きさのピーク負圧は水中のキャビテーション気泡の源を提供する。これは抽出処理において望ましい可能性がある。
【００４０】
駆動電子回路及び波形制御
チャンバ１０内で音響エネルギーによって物質を処理するための１つの処理プロトコルは、所望の効果を達成するために試料運動及び配置と組み合わされた可変音響波形を含むことができる。変換器の音響波形は、以下のものを含む多くの効果を有し得る。例えばキャビテーション気泡の崩壊により誘起される流れであるキャビテーションによる細胞内及び細胞近傍の音響マイクロストリーミングと、流体槽の非直線的特性による衝撃波と、キャビテーション気泡による衝撃波と、試料の加熱、試料容器の加熱及び／又は音響ストリーミングによる対流熱伝達に至る熱効果と、せん断及び音圧による焦点ゾーンからの試料物質の偏向と、音圧により誘起される流れである音響ストリーミングによる混合と、を引き起こす流動効果と、化学作用と、である。集束音波の波形は、単一衝撃波パルス、一系列の個々の衝撃波パルス、それぞれがいくつかのサイクルを有する一系列の衝撃波バースト、又は連続波形である可能性がある。入射波形は、集束セラミック圧電超音波変換器（focused ceramic piezoelectric ultrasonic transducer）などの単一素子により、又はそれらの経路が焦点に集束する素子の配列により、のいずれかにより直接集束させることができる。その代わりに、多数の処理ゾーン、容器、又は井戸に対し超音波処理を施すために多数の焦点を生成することができる。追加的に、処理チャンバ１０への又は処理チャンバ１０からの試料物質の流れは音響効果と相互作用することができ、音響ストリーミングは望ましい方法でこの試料流れを強化するために修正することができる。
【００４１】
処理プロトコルは、熱的効果及び流動効果を最小化する一方でエネルギー移動を最大化するように最適化することができる。処理プロトコルはまた、液体中に懸濁された粒状試料の場合、処理チャンバ１０の中身を効果的に混合することができる。試料中へのエネルギー移動は、周波数、振幅、単位バースト当たりのサイクルなどの音響波のパラメータを調整することにより制御されることができる。試料の温度上昇は、処理のデューティサイクルを制限することによって及び処理チャンバ１０と結合媒体４との間の熱伝達を最適化することによって制御されることができる。熱伝達は、比較的高い熱伝導性物質の薄壁で処理チャンバ１０を形成することにより、及び／又は、処理チャンバ１０内の及び処理チャンバ１０近傍の流体槽内の音響ストリーミングによって強制対流を促進することにより、強化することができる。追加的に、チャンバ１０は、フィンなどの面積増加、能動的圧送水ジャケット（actively pumped water jacket）、及び／又は高伝導性容器物質等の表面処理強化を行うことによって試料と外部環境との間の熱的結合を強化するように修正されることができる。温度の監視及び制御について以下にさらに詳細に説明する。
【００４２】
例えば、細胞破壊及び抽出処理に関しては、効果的エネルギー波形の例は、約１．１ＭＨｚの周波数において、約１０００サイクルの高振幅正弦波と、それに続く、約１０％のデューティサイクルである約９０００サイクルの不感時間とである。変換器への正弦波の電気的入力は通常、変換器からの正弦波音響出力を生じる。集束正弦波は焦点に集束するので、結合媒体４の中の水又は他の流体の非線形音響特性による一系列の衝撃波となることができる。このプロトコルは、「オン」時間の間、焦点ゾーン内の物質を効果的に処理する。物質が処理されると、物質は焦点ゾーンから追い出され、新しい物質が焦点ゾーン内に循環する。音響的「オン」及び「オフ」時間は、処理容器内に最小の温度上昇を引き起こす一方で、例えば砕かれた又は粒状の葉組織の細胞内含有物を抽出するのに効果的となるように反復されることができる。
【００４３】
破壊及び他の処理の別の利点は、低電力「混合」間隔と交互に発生する大電力「処理」間隔とによって得られるかもしれない。より具体的には、この例では、「処理」間隔は、処理周波数と、「バースト当たり処理サイクル」カウントと、処理ピークツーピーク振幅とを有する正弦波を利用する。「混合」間隔は、混合周波数と、「バースト当たり混合サイクル」カウントと、より低い混合ピークツーピーク振幅とを有する。上記間隔のそれぞれに続くのは不感時間である。当然のことながら、これらの関係は、一間隔が大電力であり一間隔が低電力であると考えられる場合の多くの例の単に一例であり、これらの変数その他はより活発な又は余り活発でない状況を生成するために変更されることができる。追加的に、処理機能又は間隔と混合機能又は間隔は、任意選択的に異なる周波数で電力を発する同じ装置内の異なる又は多数の変換器から生じることができるであろう。
【００４４】
高電力間隔／低電力間隔処理により、試料内の細胞などの構成成分の浸透性を変更し、続いて試料を混合するなどの多数の動作が行えるようにする。処理間隔はキャビテーションと生体効果とを最大化することができる一方で、混合間隔は処理容器内の混合を最大化する及び／又は最小限の熱を生成することができる。チャンバ１０の周辺で捕捉された粒子を時々かき混ぜるためにより長い高電力「超混合（super-mix）」間隔を加えることで、別の利点を得ることができる。この「超混合」間隔は、さらなる熱を生成するので、処理中に頻繁で無く（例えば数秒毎に）処理するようにプログラムされる。追加的に、混合間隔と処理間隔との間の不感時間（音響エネルギー源からほぼ零のエネルギーが放射される間の時間）は、新たな物質がターゲットのエネルギー焦点ゾーン内に循環することができるようにする。
【００４５】
音波の波形は通常、特定の処理対象物質に対して選択される。例えば、キャビテーションを強化するために、ピーク正圧に続くピーク負圧を増加させることが望ましい可能性がある。他の用途に関しては、キャビテーションを低減するがピーク正圧を維持することが望ましい可能性がある。この結果は、大気圧をやや超えた圧力の与圧チャンバ１０内において処理を行うことにより達成することができる。例えば、生成波形が約−５ＭＰａのピーク負圧を有すれば、チャンバ全体は、処理中にキャビテーションが発生しないように約１０ＭＰａに加圧され得る。処理対象物質を、チャンバ１０の内部容積１２内でバッチ又は連続ベースで加圧することができる。すなわち、一定量の物質が内部容積１２内に供給され、そして物質流が停止される間に音響的に処理され、次に、この最初の量の処理が完了すると新たな量の物質が内部容積１２内に供給され得る。
【００４６】
通常、衝撃波は、約１５ＭＰａの範囲内の正ピーク圧と約−５ＭＰａの範囲内の負ピーク圧とを有する急速な衝撃波面により特徴付けられる。この波形は、約数マイクロ秒（約５マイクロ秒等）持続時間のものである。負ピークが約１ＭＰａより大きければ、キャビテーション気泡が形成され得る。キャビテーション気泡の形成はまた、周囲の媒体に依存する。例えば、グリセリンはキャビテーション抑止媒体であり、液体水はキャビテーション促進媒体である。キャビテーション気泡の崩壊は、周囲の物質に衝突する「マイクロジェット」と乱流とを形成する。
【００４７】
音響エネルギー源２の制御は、精度、再現性、処理速度、温度制御、音響パルスへの露出の均一性の提供、処理の完了の程度の検知、キャビテーションの監視、ビーム特性（強度、周波数、集束の程度、波列パターン、位置を含む）の制御のいずれかが処理システム１の性能を強化することができるように、フィードバック制御機構を使用することにより制御装置２０により行われ得る。様々なセンサ又は感知された特性が、フィードバック制御のための入力を供給する制御装置２０によって使用され得る。これらの特性は、試料物質の温度と、音響ビーム強度と、圧力と、温度、塩分、極性を含む結合媒体特性と、試料物質位置と、導電率、インピーダンス、インダクタンス、及び／又は、これらの特性の磁気等価物、試料物質の光学的又は可視的特性の検知を含むことができる。通常は可視、ＩＲ、ＵＶ領域内でセンサ２１により検出され得るこれらの光学特性は、見かけの色、放射、吸収、蛍光、燐光、散乱、粒径、レーザー／ドップラー流体及び粒子速度、実効粘度を含み得る。試料完全性又は粉砕は、センサ２１からの光信号のパターン解析により感知することができる。粒径、溶解レベル、物理的均一性、粒子の形態はすべて、流体を完全独立サンプリング（fully stand alone sampling）しフィードバック信号を供給する計測器又は光学窓等の測定インターフェース点を介して集束音響系に直接一体化された計測器のいずれかを使用することにより測定され得る。任意の感知された特性又はその組み合わせもまた制御システムへの入力として役立つ可能性がある。フィードバックは、システムの任意の出力（例えば、ビーム特性、チャンバ１０内の試料位置又は流れ、処理持続時間、境界におけるエネルギー損、及び反射、分散、回折、吸収、脱位相、離調を介した輸送中のエネルギー損）を制御するために使用することができる。
【００４８】
本発明のいくつかの実施形態によれば、処理システム１のいくつかの態様は、（再現性、均一性、精密制御が好ましい）試験管内用途において超音波エネルギーを使用する特定の処理の再現性及び／又は有効性を強化することができる。これらの態様は、フィードバックの利用、超音波エネルギーの精密集束、音響波形の監視及び調節（周波数、振幅、デューティサイクル、単位バースト当たりのサイクルを含む）、試料物質が一様に処理されるように超音波エネルギーに対しチャンバ１０を位置決めすること、処理工程中に超音波エネルギーの焦点に対する試料の動き又は流れを制御すること、及び／又は、超音波エネルギーパラメータによって又は水槽等の温度制御装置の利用によってのいずれかにより処理中の試料の温度を制御することを含む。処理プロトコルは、望ましくない熱影響を最小限にする一方で例えばせん断、抽出、透過化処理、粉砕、撹拌、又は他の処理工程を最大化するために、上記変数の１つ又はそれらの組み合わせを使用することにより最適化されることができる。
【００４９】
本発明の一実施形態では、高強度超音波エネルギーがチャンバ１０上に集束され、１つ又は複数の処理変数に関係する「実時間」フィードバックが処理を制御するために使用される。別の実施形態では、処理は自動化され、自動化された処理は処理対象（任意選択的に分節対象）物質の連続的な流れストリーム等の高スループットシステムにおいて使用される。
【００５０】
いくつかの実施形態では、処理システムは、電気的又は光学的なエネルギー入力により駆動されると音響エネルギーを生成する高強度変換器と、任意の波形発生器、ＲＦ増幅器、超音波エネルギーの時間、強度、デューティサイクル等のパラメータを制御するための整合ネットワーク等の変換器の励起を制御する装置又はシステムと、自動化と監視からのフィードバックの実施とを可能にするために、処理ゾーン内に及び処理ゾーンから物質を能動的又は受動的に、のいずれかで移動するためのシステム又は方法と、温度センサと、温度制御装置と、１つ又は複数の反応チャンバ１０と、例えば光学的特性、放射特性、及び／又は音響学的特性を検知するためのセンサと、を含む。粒径、溶解度、形状因子等のフィードバック信号はまた、外部型測定法又は一体型測定法のいずれかにより供給される信号から生じることができる。
【００５１】
本発明の追加の態様は、物質を音響的に処理するための物質流れ回路装置に関する。例えば、いくつかの実施形態では、試料物質は、直接圧送法又は受動的重力駆動法の利用による受動又は能動手段によって処理チャンバに／処理チャンバから移動させられることができる。
【００５２】
図４に概略的に示された例示的な一実施形態では、音響処理システム１は、処理チャンバ１０内で処理される物質を保持する貯蔵槽３０に流体接続された１つ又は複数の処理チャンバ１０を含み得る。この例示的な実施形態では、チャンバ１０の入口１３は供給導管３１に流体接続され、チャンバ１０の出口１４は戻り導管３２に流体接続される。したがって、貯蔵槽３０内の物質は、物質がチャンバ１０内の音響エネルギーにより好適に処理されるように、任意の好適な流速、圧力、時間又は他のパラメータでチャンバ１０を介して循環させられ得る。物質の流れは、重力によって、音響ストリーミング（例えばチャンバ１０内の）によって、ポンプ３３（シリンジポンプ、せん動ポンプ、歯車ポンプ等）又は他の原動力によって引き起こされ得る。いくつかの実施形態では、圧力は、所望の位置に所望の圧力を生成するために加圧ガス、ポンプ又は他の部品を適用することにより、チャンバ１０内（及び／又は貯蔵槽３０内）に維持され得る。上に説明したように、チャンバ１０内及び／又は他のどこかの物質を加圧することで、キャビテーションを低減する、反応速度を向上する、及び／又は他の所望の影響を及ぼすことを助け得る。
【００５３】
本発明の一態様では、貯蔵槽３０は、撹拌器（agitator）３４、混合羽根、撹拌機（stirrer）、均質化装置、又は機械的に混合する、剪断する又はそうでなければ貯蔵槽３０内の物質の動きを引き起こすように機能する他の装置等を含み得る。物質の動きは、音響処理に先立って物質を前処理すること、貯蔵槽内の容積全体にわたり物質成分の所望の分布を維持することなど所望の影響を有し得る。図６のような配置は、処理が完了したときに物質が所望の特性を有するようにシステム１が物質を音響処理に繰り返し曝すことができるようにし得る。チャンバ１０内の音響処理条件は処理を通して一定又はほぼ一定のままであってよく、また、条件は時間と共に変化し得る。例えば、物質は、より小さな粒子に分解されて最終的に担体液中で可溶性にされる物質の比較的大きな粒子を当初含み得る。初期の音響処理条件（撹拌器３４の動作だけでなく）は大きな粒子をより小さな粒子に分解するのに有利であり得る。いくつかの初期処理後、大きな粒子は細かく分解されてよく、音響処理条件（及び撹拌器３４の動作）は、小さな粒子の構成成分を溶解する速度及び有効性を向上するように調整され得る。処理条件に対する調整は、感知された物質特性（粒径、密度等）、経過時間、ユーザ入力等々任意の好適な判定基準に基づきなされ得る。システム１は任意選択的に、物質の処理が完了したと判定（再び、この判定は検出された物質特性、経過時間等に基づきなされ得る）されると物質を受け入れる第２貯蔵槽３５を含み得る。この実施形態では、戻り導管３２は、制御装置２０が物質を要望通り第２貯蔵槽３５へ導けるようにする三方弁３６（又は他の好適な配置）を含む。当然のことながら、他の流れ制御配置が使用されてよく、第２貯蔵槽３５の物質流の制御は、経過処理時間、検出された粒径又は密度、物質の色又は他の光学特性、又は試料物質の他の特徴など感知されたパラメータに基づき得る。
【００５４】
図７に、供給導管３１を介してチャンバ１０に流体接続された第１貯蔵槽３０と、戻り導管３２を介してチャンバ１０に流体接続された第２貯蔵槽３５と、を含む音響処理システム１の別の例示的な実施形態を示す。この実施形態では、第１貯蔵槽３０内の物質は、音響処理のためにチャンバ１０を通って流れ、その後第２貯蔵槽３５内に堆積され得る。その後の音響処理が望まれる場合、物質は反対方向にもかかわらず再びチャンバ１０を通って流され、第２処理後に第１貯蔵槽３０内に流され得る。物質の流れは、ポンプ３３によって、チャンバ１０内の音響ストリーミングによって、重力（例えば、１つの貯蔵槽内の物質のレベルを他の貯蔵槽のものより高く設定して、サイホンを生成させて流す）又はその他によって、など任意の好適な方法で引き起こされ得る。チャンバ１０及び／又は導管３１、３２は、１つ又は複数の窓、センサ、又は試料物質の特性を検出するのに好適な他の部品を含み得る。これらの検出された特徴は、流速、圧力、音響処理特徴などシステム１の様々なパラメータを制御するために使用され得る。
【００５５】
別の例示的な実施形態では、音響処理システム１は、直列に配置される２以上の処理チャンバ１０を含み得る。例えば、図８に、２つのチャンバ１０が互いに流体連通して貯蔵槽３０とさらに流体連通した実施形態を示す。第１チャンバ１０ａは試料物質に「前処理」又は他の第１処理を施す一方で、第２チャンバ１０ｂは物質に「仕上げ」又は他の第２処理を施すように使用され得る。音響エネルギー及び他の処理パラメータは、全体の処理目標を最適化するために各チャンバ１０において独立に設定されて制御され得る。例えば、所望の物質を抽出し物質内の構成成分を可溶性にする等によって同物質の最終特性を微調整する追加音響処理のための次の段階（例えば「仕上げ」段階）に試料物質が移る前に、試料物質は、試料物質内の大きな塊／凝集を細かくするために第１チャンバ１０ａ内の「粗処理（roughing）」段階（例えば、処理条件が試料の概ね高レベル混合及び均質化を与える）を最初に通ることができる。必要なだけ多くの段階（すなわちチャンバ１０）が、所望の出力を実現するために図８のようなシステム１において使用され得る。
【００５６】
本発明の態様はまた、上述の様々なシステム１を使用することにより物質を音響的に処理する方法に関する。例えば、本発明に係る１つの方法は、図６のようなシステムを使用することによって物質を処理する工程を含み、ここでは、物質は貯蔵槽内で撹拌器によって撹拌され、物質は貯蔵槽からチャンバ１０内に流され、物質はチャンバ１０の内部容積内で集束音響エネルギーに曝され（焦点ゾーンにおける音響エネルギーは本明細書に記載の特性を有する）、物質は流されて貯蔵槽に戻される。任意選択的に、物質の処理状態は例えば物質がチャンバ１０又は戻り導管内にある間に検出され得る。物質が好適に処理されれば、物質は別の貯蔵槽へ流される。１ガロン、１０ガロン、１００ガロン、１０００ガロン、又はそれ以上の物質など比較的大量の物質が貯蔵槽内に保持され、連続的なやり方で１つ又は複数のチャンバ１０を通る循環的な方法で流され得る。したがって、本処理方法は、２００ワット以上相当の電力出力で連続的に動作する音響エネルギー源により１時間以上にわたって連続的に行われ得る。
【００５７】
本発明による別の方法は、図７のようなシステム又は同様なシステムを使用して物質を処理する工程に関する。例えば、物質はチャンバ１０内において第１方向に流され得る。物質は、チャンバ１０（焦点ゾーンにおける音響エネルギーは本明細書に記載の特性を有する）の内部容積内の集束音響エネルギーに曝され、そしてチャンバ１０から流出する。その後、物質はチャンバ１０内において第１方向の反対の第２方向に流され得る。ここで物質は、再び音響的に処理され、チャンバ１０から第２方向に流れる。流れは１つ又は複数のポンプ、音響ストリーミング、重力、及び／又は、別の原動力によって引き起こされ得る。また、音響処理は、２００ワット以上の電力出力の音響エネルギー源２の動作によって長時間（１時間以上）にわたって連続的な方法で行われ得る。本発明に係る別の方法と同様に、音響窓を含むチャンバ、熱交換器特徴を含むチャンバ、等の様々な態様が組み合わせられ得る。
【００５８】
本発明に係る別の方法は、図８のようなシステム又は同様なシステムを使用して物質を処理する工程に関する。例えば、物質は第１チャンバ１０内に流され得る。物質は第１チャンバ１０（焦点ゾーンでの音響エネルギーは本明細書に記載の特性を有する）の内部容積内の集束音響エネルギーに曝され、物質は第１チャンバ１０から流出させられて第２チャンバ１０内に流される。ここで物質は再び音響的に処理される。物質の直列処理は３以上のチャンバによって繰り返され得る。処理条件は、異なるチャンバ１０内において同じであっても異なってもよい。音響処理は、２００ワット以上の電力出力の音響エネルギー源２の動作による連続的な方法で長時間（１時間以上）行われ得る。本発明に係る別の方法と同様に、音響窓を含むチャンバ、熱交換器特徴を含むチャンバ等、様々な態様が組み合わせられ得る。
【００５９】
温度、キャビテーション、粒径、溶解度、並びに、圧力管理及び制御
試料の可視監視
試料の処理を最適化するために光学的又は映像的な検出及び解析を採用することができる。例えば、生体組織の懸濁液中では、混合物の粘度は、処理によって及び／又は溶液中への巨大分子の遊離による粒子の減少によって処理中に増加し得る。処理中の試料の映像解析は、処理プロトコルによって引き起こされる混合の自動評価を可能にする。プロトコルは、この評価の結果としてより大きな混合を促進するために処理中に変更され得る。映像データは、処理過程を制御するコンピュータ制御システム（すなわち制御装置２０の一部）により取得され解析され得る。スペクトル励起、吸収、蛍光、放射、スペクトル解析など他の光学測定がまた、チャンバ１０内、流路内、又はチャンバ１０の上流又は下流にかかわらず、試料の処理を監視するために使用されることができる。レーザービームは例えば、位置合わせのために及び現在の試料位置を示すために使用されることができる。いくつかの実施形態では、可視又は光学的な検知は、反応チャンバ内の窓を通して行うことができる。この窓は、チャンバ１０の上側また下側の窓、容器側面自体に一体化された可視窓、又は輸送チューブ又は試料貯蔵槽に一体化された窓である可能性がある。
【００６０】
温度制御
いくつかのアプリケーションは、処理中の試料の温度が処理中に管理されて制御されることを必要とする。例えば、多くの生体試料は、処理中に４℃を超えて加熱されてはならない。他のアプリケーションは、処理中に試料が一定の高温に維持されることを必要とする。超音波処理プロトコルは以下のいくつかの方法で試料の温度に影響を及ぼす：試料が音響エネルギーを吸収して熱に変換する；試料処理チャンバが、音響エネルギーを吸収して熱に変換し、この熱が、試料を加熱する可能性がある；音響ストリーミングが、試料処理チャンバ及び結合媒体内で成長し、試料処理チャンバと結合媒体との間の対流熱伝達を起こさせる。
【００６１】
音響波又はパルスは、処理チャンバ内の溶液の温度を調節するために使用されることができる。低電力では、音響エネルギーは、著しい加熱無しに緩い撹拌を生じさせる。エネルギーは吸収されて撹拌を誘起するが、熱は、処理チャンバの側面を通って急速に失われ、試料内の平衡温度の無視することができる増加をもたらし得る。より高いエネルギーでは、より多くのエネルギーが吸収されて温度は上昇する。単位エネルギー入力当たりの上昇の程度は、試料又は処理チャンバによる熱吸収の程度と処理チャンバからその周囲（例えば結合媒体）への伝熱速度とを含むいくつかの特徴により影響を受ける及び／又は制御される可能性がある。追加的に、処理プロトコルは、所望の効果が得られる高出力処理間隔と、音響ストリーミングと対流が著しい発熱無しに実現される低出力混合間隔と、を交互にし得る。この対流は効率的熱交換又は冷却を促進するために使用され得る。
【００６２】
試料温度は、処理手順中、所定の温度範囲内に留まる必要があるかもしれない。温度は、例えば赤外線センサにより遠隔的に監視されることができる。熱電対等の温度プローブは、音波ビームが熱電対と相互作用してプローブの近傍に人工的に高い温度を生じさせるので、すべての用途に対して特に好適ではないかもしれない。温度は、音響波形を制御する同じコンピュータにより監視することができる。この制御は、試料の測定された実際の温度と試料のターゲット温度との差である誤差信号に応答する。制御アルゴリズムは、台所用レンジ内のものなどヒステリシスバンバン制御装置（hysteritic bang-bang controller）である可能性がある。ここでは、制御システムの出力として音響エネルギーは、実際の温度が第１ターゲット温度を超えるとオフにされ、実際の温度が第１ターゲット温度より低い第２ターゲット温度を下回るとオンにされる。より複雑な制御装置を実装することができる。例えば、単純に音響信号をオン・オフするのではなく、音響信号は、より細かな温度調節を与えるために例えば振幅又はデューティサイクルを変えることにより誤差信号に比例して連続的に変調することができるであろう。
【００６３】
多試料フォーマットのためのバンバン制御アルゴリズムの応用では、ひとたび最高温度値を超え、音響エネルギーが特定の試料に対してオフにされると、音響エネルギーを再びオンにする前に試料が選択温度未満まで冷却されるのを待つことの代替案は、次の試料に移動すること、又は、処理チャンバ内への新しい試料物質の流量を増加することである。別の代替案は、特定の試料に著しい熱を加えることなく対流を促進する所定の「冷却」波形に切り替え、このサイクルと新しい試料物質のチャンバへの導入とを同期させることである。
【００６４】
キャビテーション制御
いくつかの用途では、キャビテーションを生じることなくできるだけ多くのエネルギーで試料を処理することが好ましいかもしれない。この結果はキャビテーションを抑制することにより達成することができる。キャビテーションは、処理チャンバを、大気圧を超えて加圧して、いかなる負圧も音響波の希薄化段階中に成長しない点まで加圧する（「超過気圧」としてしばしば知られる）ことにより抑制することができる。キャビテーションのこの抑制は、所望の効果が生細胞を維持する一方で細胞膜を開くことである細胞形質転換等の用途では有益である。他の用途では、キャビテーションを強化することが望ましいかもしれない。これらの用途では、「負の」超過気圧又は真空を焦点ゾーンの領域に与えることができる。
【００６５】
試料内のキャビテーションの制御もまた、音響処理中に重要である可能性がある。いくつかのシナリオでは、少量のキャビテーションの存在が生化学的プロセスを強化するのに望ましいかもしれないが、多数のキャビテーション気泡が存在するとこれらは音がターゲットに到達する前に音を散乱して試料を実効的に遮蔽する可能性がある。
【００６６】
キャビテーションは、音響及び光学的な方法を含む様々な方法により検出することができる。音響検出の例は、キャビテーション気泡からの音響放射を検出する外部の変換器を含む受動的キャビテーション検出器（ＰＣＤ：passive cavitation detector）である。（すなわち、ＰＣＤはチャンバ１０の外にあってもよい、例えばＰＣＤは結合媒体４の中に位置し得る。）ＰＣＤからの信号は、例えば低域通過フィルタが、その後に続くピーク検出器を使用することにより濾過され、その結果、信号を次にキャビテーション活動の測度として制御コンピュータ（制御装置２０の一部）に入力することができる。音響信号は、キャビテーション活動を所望のレベルに維持するために、温度制御例で説明したものと同様なやり方で調整され得る。
【００６７】
超過気圧：チャンバ１０内の圧力増加は、キャビテーションを制御するための１つの技術である。超過気圧は、キャビテーション核を除去する傾向があり、キャビテーションを生成するために必要なエネルギーレベルを増加させる。液体中の微塵は、超過気圧により強く影響を受けるので、遊離液体中のキャビテーションは、１大気圧の超過気圧の追加によってすらしばしば劇的に低減される。チャンバ１０の壁上の核生成部位は、超過気圧に対して耐性である傾向があるが、キャビテーションはこれらの部位に制限される傾向があり、遊離流体中に自由に浮かんでくるいかなる気泡も直ちに分解される。システムの環境気圧を増加させることにより、気泡核生成及び崩壊に必要な圧力は増加し、これによりキャビテーション気泡の崩壊により与えられる力を増加させる。この関係はほぼ線形である。すなわち、システムの環境気圧を２倍にすることで気泡崩壊の結果の力を２倍にする。より高い全体圧力に対処するための注意深いシステム設計は、これを何倍も縮小することができるようにする可能性がある。超過気圧は、処理チャンバに、処理チャンバの配列に、処理結合媒体及び容器に、又はシステム全体に加えられ、焦点ゾーンの領域内に大気圧より高い気圧を実現し得る。
【００６８】
脱気：物質流体のガス含有量の低減は、再びキャビテーション核を低減し、キャビテーションを誘導することをよって困難にすることにより、キャビテーションを低減する傾向がある。キャビテーション又はキャビテーションの影響を制御する別の方法は、試料流体中に溶解されるガス類を制御することである。例えば、キャビテーションは、アルゴンガスで飽和させた流体中よりもヘリウムガスで飽和させた流体中でより少ない機械的損傷を引き起こす。
【００６９】
キャビテーションの監視
キャビテーションを検出するための様々な方法が採用され得る。例えば、音響放射、光学的散乱、高速度写真、機械的損傷、音響化学を利用することができる。温度の監視について上述したように、キャビテーション検出からの情報は、情報に応じて試料の音響エネルギーへの露出を選択的に制御する出力を生成するためにシステムにより使用することができる。キャビテーションを監視するためのこれらの方法のそれぞれについて、以下により詳細に説明する。
【００７０】
音響放射：気泡は超音波の実質的散乱体である。気泡の脈動モードは、実質的音響源である単極源と呼ばれる。小さく概して線形な振動では、気泡が入射音響パルスを単純に散乱する。しかしながら、応答がより非線形になるにつれ、気泡もまた、高調波で信号を放射し始める。より激しく駆動されると、気泡は低調波も生成し始める。結局、応答が周期的又はカオス的になるにつれて、散乱場は白色雑音に向かう傾向がある。慣性的崩壊が発生するシナリオでは、短い音圧パルスが放射される。音響変換器は、これらの放射を検出するように構成されてもよい。放射の開始と細胞破壊との間には検知可能な相関がある。
【００７１】
光学的散乱：気泡もまた、光を散乱する。気泡が存在すると、光は散乱される。光は通常、キャビテーションが実時間で検出されるように光ファイバ光源を使用することによりシステム内に導入することができるので、電子システム及びコンピュータシステムにより制御されることができる。
【００７２】
高速度写真：気泡を撮影することができる。この方法は通常、気泡が音響の時間フレーム上で応答するので、高速度カメラ、高強度照明を必要とする。この方法はまた、検討中の試料に対する良好な光学的アクセスを必要とする。この方法は、詳細かつ正確なデータを与えることができ、本発明によるシステムを設計する際に考慮され得る。はるかに低頻度で撮像するストロボシステムはしばしば、高速度写真より安くかつより容易に同様な定性的性能を与えることができる。
【００７３】
機械的損傷：キャビテーションは機械系に対して損傷を生じることが知られている。金属箔の穴あけは、特に一般的な効果であり、検出方法である。箔に穴を空けるために必要とされるキャビテーションと細胞を分裂させるために必要とされるキャビテーションとの間には相関がある。
【００７４】
音響化学：多くの化学物質がキャビテーションに応じて生成されることが知られている。これらの化学物質の収率を、キャビテーション活動の測度として使用することができる。一般的技術は、キャビテーションに曝されると光を生成するルミノール等の化学物質からの光の生成を監視することである。音響化学収率の判断は通常、細胞実験中になすことができないが、同一条件下で独立になすことができ、これにより校正標準を与える。
【００７５】
処理用物質
Ａ．生体物質
多くの生体物質を本発明に従って処理することができる。例えば、このような処理用物質としては、限定するものではないが、根端等の成長植物組織、分裂組織、カルス、骨、酵母及び強靭な細胞壁を有する他の微生物、寒天プレート上又は培養基内の細菌細胞及び／又は培養物、幹又は血液細胞、不死化細胞株からのハイブリドーマと他の細胞、及び胚が挙げられる。追加的に、血清及びタンパク質製剤等の他の生体物質は、殺菌を含む本発明の処理により処理することができる。
【００７６】
Ｂ．結合物質
多くの結合反応は本発明による処理により強化することができる。結合反応は、交配又は他の非共有結合により２つ以上の分子（例えば２つの核酸分子）を結合することに関与する。結合反応は、例えば、１つのヌクレオチド分子がプライマであり他方が複製すべき基質分子であるポリメラーゼ連鎖反応等の反応において、特定の染色反応等の結合を検出する分析において、又は、免疫学的検定などの、抗体と抗体が結合する分子とに関与する結合相互作用において、見出される。反応はまた、基質と配位子との結合に関与することができる。例えば、抗体又は受容体等の基質は、エピトープ、配位子、他の分子の浄化又は分離技術に使用される支持体表面上で固定化することができる。
【００７７】
Ｃ．化学物質と鉱物材料
有機及び無機物質は、本発明の方法に従って制御音響パルスにより処理することができる。音響パルスは、特にフィードバック制御形態下で又は多数試料の配列において固体物質を変化させるために使用され得る。生体試料と同様に、配列内の個々の有機及び無機試料は、実験チャンバ環境とほぼ隔絶した状態で処理することができる。その物理的完全性を変えることに加えて、物質は、液体及びガス等の溶媒流体中に溶解されるか、又は溶媒により抽出されることができる。例えば、溶媒中のポリマーの溶解は撹拌することなく非常に遅くなる可能性があるが、多くの試料を現行手法により撹拌することは困難であり、試料間の相互汚染の可能性を高める。しかし、試料間の相互汚染無しの多くの試料の撹拌は本発明の装置及び方法により達成されることができる。
【００７８】
処理用途
Ａ．細胞接近性を変えること
超音波処理器は、おおよそ２０ＫＨｚの周波数を使用することにより細胞を分裂させることができる。加熱によって、及び、音波と試料中の小さな気泡との相互作用であるキャビテーションによって、超音波が細胞に影響を与える、ことができる２つの方法があると一般には考えられている。加熱は、主として媒体によって又は容器による音響エネルギーの吸収によって発生する。希薄水溶液系に関しては、それは加熱の主供給源である容器による吸収である。加熱は、本明細書に記載されるようにいくつかの処理用途では望ましくない。音波の圧縮に伴う加熱と希薄化に伴う冷却は、強い音に対しても比較的小さい。
【００７９】
本発明によれば、媒体中の制御音響パルスは、生体物質を含む試料を処理するために使用される。パルスは、植物細胞壁又は、骨又はコラーゲン等の細胞外マトリックス等の生体物質中の支持マトリックスと優先的に相互作用するように特に適合化されることができ、これによりこのようなマトリックスのバリア機能を小さくする又は除去し、細胞内への細胞外成分の挿入を容易にする。この用途では、細胞は最小限度に変えられ、細胞生存率は保存される。これらのパルスは衝撃波によって又は音波によって生じさせることができる。波は、適用される機械装置を介して、試料外で、又は試料内で直接に、生成することができる。熱効果が無視できる実験では、キャビテーションが存在しない限り通常、溶解は無い。音響エネルギーの他のモードは、マトリックスを破壊することとは異なる効果を有することができ、前処理と共に、音響エネルギーを妨害することと共に、又は単独で、使用することができる。例えば、マトリックスを破壊するための条件は、細胞膜を透過性にするためのものとは異なる可能性がある。
【００８０】
キャビテーションが細胞に影響を与える多くの可能な機構が存在するが、どの機構（もしあれば）が支配的かに関する合意はない。原理機構は、剪断、マイクロジェット、衝撃波、音響化学、他の機構を含むと考えられる。
【００８１】
Ｂ．抽出
上述の細胞の接近性を変える本方法の変形形態では、媒体中の制御パルスは、生体物質を含む試料を処理して生体物質の一部又は一部群を抽出するために使用されることができる。パルスは、植物細胞壁等の支持マトリックス、又は、骨若しくはコラーゲン等の細胞外マトリックス、又は生体物質中の剛性又は浸透性が異なる物質、と優先的に相互作用するように特に適合化され、これによりこのようなマトリクス又は物質のバリア機能を小さくするか除去する。これらのパルスは衝撃波により又は音波により生じさせることができる。波は、適用される機械的手段を介して、試料外で又は試料内で直接に、生成することができる。
【００８２】
生体試料の支持マトリックスは、マトリックス内に含まれる細胞の１つ又は複数の選択された内部構造を分裂させることなく分裂されることができる。このような試料の代表的な例は、ｉ）剛性マトリックスが当該の生細胞を含む骨と、ｉｉ）弾性結合組織と「糖衣」のマトリックス又は細胞間マトリックス中に埋め込まれた生細胞を含む哺乳動物組織試料と、ｉｉｉ）セルローズのマトリックス中に細胞を含み他の物質としばしば交差結合される葉等の中程度の剛性の植物組織である。事実上すべての生細胞は質感がゼラチン状であり、破壊又は内部損傷無しにある程度変形される可能性がある。対照的に、マトリックスは、他の生物学的機能を実現するだけでなく細胞を支持及び保護するように設計される。上の３つの例では、骨と葉のマトリックスは構造に剛性を与えるように設計され、一方ほとんどのコラーゲンマトリックスの担体は強い弾性特徴を有する。したがって、異なるプロトコル（例えば、振幅、持続時間、パルス数、試料の温度）が、細胞物質を損傷することなく機械的手段により異なるマトリックスを分裂させるために使用され得る。
【００８３】
抽出のために最適化すべき３つの領域は、処理波形、混合波形、位置決め又はディザリングである。抽出目的のためのターゲット試料の適切な処理及び位置決めパラメータを決定するための一方法について以下に説明する。
【００８４】
最初に、固体試料が、処理チャンバ内において約１：１比（重み／容積）で一定量の液体中に置かれる。例えば、０．５ｍｌの処理チャンバ内において０．２５ｍｌのメタノールが０．２５ｇｍの葉組織に加えられる。単一の試料が音響装置の焦点ゾーン内に置かれる。処理プロトコルを使用することなく、混合波形は、最小振幅、最少サイクル／バースト、最低デューティサイクルで試料の「撹拌」をもたらすために調整される。混合波形プロトコルが規定された後、破壊処理波形は、混合が無くかつディザリング等の試料移動が無いように、焦点ゾーン内のターゲット試料を固定化することにより調整される。圧電振動子などの音響エネルギー源を使用することにより、試料は単位バースト当たり最小数（例えば３）のサイクルに付される。抽出目的のために、振幅は当初、定格５００ｍＶ設定で使用される。試料の一部は、膜破壊の兆候を求めて顕微鏡下で処理され検査される。このような検査は、細胞内顆粒を染色する染料と共に行うことができる。このとき、サイクル数／バーストは、特定の所望の組織破壊レベルが組織の固定化された一部において達成されるまで、増加される。新たな試料と組織対液体の１：１比とでもって、この試料の温度は、試料容器を覆う薄いポリエチレンフィルムの最上部に向けられた赤外線センサにより全百万サイクル処理中監視される。デューティサイクルは、４℃＋／−２℃内などの所定範囲内に温度を維持するために調整される。上に論述したように、（図８のように）直列に配置された様々な処理チャンバによって又は同じ処理チャンバ（例えば、物質が振動的やり方でチャンバ１０中を流れる）によって様々な段階の抽出を行うことができる。様々なチャンバ（又は処理条件）は、処理中の段階毎に所望の結果を達成するように調整され得る。
【００８５】
Ｃ．細胞中への分子の導入又は細胞からの分子の除去
マトリックスを有する試料が、十分であるが、マトリックス中に含まれる相当な数の細胞が殺される又は溶解される程度までではなく、弱められる又は減衰されると、露出ターゲット細胞又は細胞群は、形質移入（transfection）又は形質転換（transformation）等の技術により外生分子の挿入を受けるようになる。いくつかのマトリックスにより、マトリックスから細胞を孤立させ次に細胞に形質移入することは便利かもしれない。他の事例では、公知の技術の溶液及び条件を使用して、被処理組織試料に形質移入を直接行うことが特に自動システムにおいて好ましくなる。その代わりに、処理対象細胞がマトリックス内に位置しない状況では、細胞は、マトリックスを前処理する必要なく以下の処理に従って直接処理することができる。以下の処理は主に形質移入に関し説明されるが、本発明による方法と装置は、透過性細胞膜中に外生物質を導入する形質転換処理又は他の処理に等しく適用可能である。
【００８６】
細胞の浸透性を変えるために使用される波形は特定の用途に応じて微調整される。通常、衝撃波は、正ピーク圧（例えば約１００ＭＰａ）と負ピーク圧（例えば約−１０ＭＰａ）とを有する急速な衝撃波面により特徴付けられる。この波形は、数マイクロ秒の継続時間、例えば約５マイクロ秒程度のものである。負ピークが約１ＭＰａより大きければ、キャビテーション気泡が形成され得る。キャビテーション気泡形成はまた周囲の媒体に依存する。例えば、グリセリンはキャビテーション抑止媒体である一方で、液体水はキャビテーション促進媒体である。キャビテーション気泡の崩壊は、周囲の物質に衝突する「マイクロジェット」と乱流とを形成する。
【００８７】
音波、すなわち衝撃閾値未満の強度の音響波は、マトリックスを分裂させて細胞の原形質膜へのアクセスを可能にして形質転換を可能にする代替手段を与える。このような音波は、任意の公知の処理により生成することができる。生体物質は氷点下温度（例えば約−５℃）に曝されるので、水のすべてではないがほとんどが固相状態にある。しかし、いくつかの生体組織内には、液体水のマイクロドメインが、自然「不凍」分子又はより高い塩濃度の領域などのいくつかの理由で依然として残る。したがって、試料温度が音又は衝撃波により処理中に変えられるので、液体水のマイクロドメインは衝撃波を形成してキャビテーション気泡形成及び崩壊を誘起することができ、その結果、周囲の組織に影響を及ぼす剪断応力を生じる。実際、試料温度の緩やかな変化は周囲の物質に影響を及ぼす液体水の集束領域を生じるので、試料温度の緩やかな変化が望ましいであろう。波は、圧電パルスとして直接に、又は介在媒体を介して、のいずれかにより試料に適用することができる。この媒体は、水、緩衝液、安定化媒体、分離すべきターゲット物質、又はターゲットの抽出媒体であり得る。介在媒体はまた、本質的に固体又は凍結溶液である物質で形成された固体である可能性がある。
【００８８】
この時点で、又は任意選択的に既に、細胞中に組み込まれる物質を含む溶液又は懸濁液が試料に加えられる。一実施形態では、外生物質は、露出原形質膜を有する細胞の当該技術領域で知られているような従来のやり方で細胞に組み込まれる。別の実施形態では、音響エネルギーは、細胞内への外生物質の導入を容易にするために原形質膜を一時的に透過性にするために使用される。外生物質は、音響エネルギーによるマトリックスの弱化中に試料中に存在し得る。色素排除又は他の生存度測定によって判定されるように細胞が無傷のままである場合でも、音響エネルギーによって細胞基質を弱める処理は原形質膜を一時的に不安定にし、外生巨大分子及び構造の摂取を強化する。取り込み速度（rate of incorporation）のさらなる増加が必要であれば、音響エネルギーの強度又は適用時間は細胞膜が一時的に透過性となるまでわずかに増加される。例えば、緩やかなパルス又は波が所定振幅で混合物に適用される。この振幅は、細胞型の原形質膜を一時的に多孔性にするためにマトリックスを分裂させる適切な処理を決定する上述の工程と同様な経験的な方法で、同じタイプの試料上の別々の実験において容易に決定されることができる。一時的多孔状態中、外生物質は細胞中に拡散し、音響又は衝撃パルスが除去されると物質はそこで捕捉される。
【００８９】
形質移入のためのこれらの方法又は生細胞中への外生物質の他の取り込みの主要な利点は、これらの方法が、拡大化と、自動化と、試料の大きさと試薬容積の著しい低減と、に容易に適用可能であるということである。したがって、これらの方法は、マトリックスからの細胞の分離を必要としないので、大規模な自動化に大部分適応可能である。追加的に、これらの方法は本明細書に記載の処理などの連続的流れ処理に適用可能である。例えば、音響エネルギー処理は、透過化処理用と殺菌用とでは異なる可能性があるが、処理対象試料は、図６において説明したものと同様な装置を通して流されることができる。
【００９０】
媒体の１ｍｌ当たりの細胞数はまた、音響を効果的に使用する細胞アプリケーションの重要な要素である。細胞の濃度はあまりに低過ぎてはならず（生成され利用されるエネルギーは細胞の濃度に依存するので）、又は、あまりに高（粘度が高）過ぎてはならない。追加的に、透過化処理により及び混合プロフィールにより、遺伝子移入の他の技術が強化され得る。例として、リン酸カルシウム共沈、電気穿孔、受容体依存処理が挙げられる。
【００９１】
Ｄ．殺菌
用語「殺菌する」、「消毒する」、「保存する」、「浄化する」、「不活性化」、「消毒する」、「殺す」は、文脈上必要な場合以外は、交換可能に本明細書では使用される。「殺菌」すなわちすべての生物の死滅は、いくつかの操作において、例えば、汚染物質がタンパク質又はプリオンなどの非生物である場合、「汚染除去」と同意語ではないかもしれない。これらの用語は通常、特定の生物及び／又は粒子の任意の活動の実質的排除又はそれとの干渉を意味する。
【００９２】
上述の透過化及び抽出方法は、試料を殺菌するために修正されることができる。殺菌装置及び方法は、特定の容積及び容器内の特定の物質の効率的な殺菌に対して最適化されることができる。殺菌すべき特定の物質に対して条件の初期設定が選択される。このような条件は、適切な場合には音響パルス発生器のタイプ、音響エネルギーの強度、音響エネルギーの周波数及び／又は同様の変数の選択を含むことができる。条件はまた、容積、輸送のモード、及び／又は、殺菌対象物質の露出を含むことができる。次に、初期条件及び近い変形が試料に適用され、細胞又は死んだウィルスの割合が標準的分析条件により判断される。変更のために別の変数が選択される。それに応じて、供試生物の最大死滅のゾーンが見出される。最後に、流量及び／又は長さ及び／又は音響露出の強度などの他の変数が、技術的解決法と特定の物質を殺菌する問題に対する商業的に有用な解決策の両方を与えるために最適化される。これらの経験的に決定した値の任意のものは、殺菌を能動的に制御するために、殺菌に使用される装置の制御システム内にプログラムされることができ、又は、装置は、ユーザが所定の殺菌モードと装置だけを選択するだけでよいように、既に決定されたこれらの値を有することができる。
【００９３】
多くの液体に関し、適切な殺菌は、細菌、菌類、他の生細胞の細胞壁を破壊することにより実現される。この結果は、細胞が溶解されるまで溶液を最小限度に加熱しながら細胞の膜を優先的に励起する音の周波数及び波長を使用することにより達成される。ほとんどの細胞性生物では、膜を開くことと中身が細胞外液と混合できるようにすることとで、細胞性生物を殺すことになる。
【００９４】
同様な処理によりウィルスを溶液に対し開くことができる。ウィルスの場合、ウィルスの内部核酸の溶液への露出は、裸のＤＮＡ又はＲＮＡもまた伝染性である可能性があるので、ウィルスを完全に不活性化するには適切ではないかもしれない。ウィルスの不活性化を完了するために、ヨウ素又は核酸消化酵素などの補助剤を溶液中に供給することができる。
【００９５】
Ｅ．混合、撹拌、加熱
粉末及び粒状の媒体及びガスを含む流体試料では、試料混合は、渦撹拌又は撹拌、又は、空隙を含む試料の転化、振動などの他の方法により従来通りに行われる。渦撹拌は本質的に、撹拌が被駆動装置と流体との機械的接触に関与する間の容器全体の機械的運動により実現される。撹拌は、様々な装置、例えばプロペラ、撹拌翼、櫂、磁気撹拌棒により実現される。これらの方法に関する１つの問題は、数十又は数百の試料容器を一度に扱うためにそれらの規模を増加させるのが難しいということである。これらの方法に関する別の問題は、各試料をほぼ汚染の無い状態に保ちつつ多くの試料を混合することの難しさである。以下にさらに詳細に説明するように、本発明による方法は、汚染に関する問題を回避する一方で試料を混合するために音響エネルギーを使用することができる。音響エネルギーを集束するそうでなければ音響エネルギーの音響波形を制御するなどの要素は、例えば音響ストリーミング及び／又はマイクロストリーミングにより試料を選択的に混合するために使用することができる。
【００９６】
流体試料は、本明細書に記載のシステムを使用することにより制御可能に混合されることができる。混合される物質と音響エネルギー源との直接接触は必要ではない。混合される物質が処理チャンバ内に存在するとき、処理チャンバ自体は音響エネルギー源により必ずしも接触されず、通常は結合媒体により音響エネルギー源に結合される。
【００９７】
Ｆ．反応及び分離の強化
いくつかの実施形態では、温度、混合、又は両者は、化学反応を強化するために超音波エネルギーにより制御されることができる。例えば、処理対象試料中に存在する配位子と細胞外供給結合パートナ（exogenously supplied binding partner）との間の会合速度を加速することができる。別の例では、分析は、温度が維持されかつ混合が周囲条件に比し２つ以上の分子の会合を改良するために増大された状態で、行われる。混合物中の内因性結合パートナから混合物中の配位子又は検体を分離するために混合物を熱と混合に最初に曝すことにより本明細書に記載の処理の様々な態様を組み合わせることが可能である。温度、混合、又は両者は、周囲温度及び混合における配位子／内因性結合パートナ複合体形成に比し、細胞外供給結合パートナにより配位子複合体形成を強化するために、初期条件から変更される。通常、第２温度及び／又は混合条件は、周囲条件と上記第１分離工程において使用される条件との中間である。第２温度及び混合条件において、分離配位子を細胞外供給結合パートナと反応させる。
【００９８】
ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Polymerase Chain Reaction）温度サイクル
ＰＣＲ技術のボトルネックの１つは冷却時間である。加熱サイクルは急速であるが、冷却は対流により制限される。ＤＮＡ又は別のターゲット分子がマイクロデバイス上の配列内に固定化されるバイオチップ形態においてすら、「能動的」冷却過程はない。しかしながら、このボトルネックを克服するために本発明のいくつかの実施形態を利用することができる。
【００９９】
いくつかの実施形態では、処理過程は、増幅すべきプライマ及びターゲットがアニールする基準線温度からのオバーシュートがほとんど無く試料を急速に加熱し冷却するために使用することができる。処理は以下のように要約することができる。試料は、音響エネルギーを吸収して加熱されるように比較的大きな電力音響エネルギーにより処理される。次に、試料は、冷却水槽と連動して実現され得る対流により試料を冷却するために低電力で混合される。加熱及び冷却工程は、同じチャンバ１０内で、又はその代わりに別々のチャンバ１０で（例えば図８のようなシステムにおいて）行われることができる。物質は、物質を放出し新しい物質を持ち込む前に「密チャンバで」離散的処理時間を可能にするためにポンプなどの輸送機構のタイミングにより制御することができる。これにより、新しい未処理試料をチャンバに導入する前に完全に成長するための処理、混合、冷却、その他などの処理工程のための時間を与えることができる。
【０１００】
Ｇ．浄化、分離、反応制御
分離を強化するために集束音響場を利用することができる。他の箇所で述べたように、音響集束は、ガスクロマトグラフィ、立体排除クロマトグラフィ、イオン交換クロマトグラフィを含むクロマトグラフィ、及びフィールドフローフラクショネーション（filed-flow fractionation）を含む他の公知の形態などの多くの分離処理の重要な要素である流体流れにおける壁効果を縮小する又は無くすために利用することができる。流れるストリームの速度と濃度勾配を遠隔的に変調及び／又は低減又は無くす能力は多種多様な状況において適用可能である。
【０１０１】
音響場はまた、粒子分類、微粒子及びコロイドの濾過、限外濾過、逆浸透及び同様な処理を含む膜処理における濃度分極を最小限にするために利用することができる。濃度分極は、フィルタ上の層内に高濃度で存在する濾過物質の性癖の結果である。この層は低流体濃度を有し、したがって濾過された溶液がより濃縮されるにつれて又は層が厚くなるにつれて濾過速度を低下させる。この層を、低〜中強度の集束音響エネルギーにより遠隔的に撹拌することができる。したがって流量を、エネルギー又は膜寿命の大きな代価無しに強化することができる。
【０１０２】
Ｈ．音響エネルギーにより遠隔的に作動及び制御された溶液混合の別の利用
音響エネルギー放射の制御、音響エネルギー特徴及び／又は音響エネルギーに対するターゲットの位置は、特に毛細管内の液体の流量を圧送し制御し、二次反応速度を高めるなど化学反応を向上させ、流体流れにおける実効レイノルズ数を増加し、半固形物質の分注を制御するために利用することができる。
【０１０３】
音響エネルギーを集束させチャンバの壁の近くにそれを位置決めする又は流体通路内に別の不連続性を配置することにより、特に反応性及び流れ系内の試料中の物質の分布及び／又は空間的に導出された反応障壁の多くの局所的差異は、微視的な拡散に必要な最少遅延まで低減することができる。別の言い方をすると、不完全な混合が通常である状況において強化された混合を得ることができる。
【０１０４】
制御装置２０は、所望の制御、通信、及び／又は上述のような他の機能を行うために任意の好適な部品を含み得る。例えば、制御装置２０は以下のもの：１つ又は複数の汎用コンピュータ、コンピュータのネットワーク、データ処理機能を行うための１つ又は複数のマイクロプロセッサ等、データを格納する及び／又は命令を操作するための１つ又は複数のメモリ（例えば、光ディスク及びディスクドライブ、半導体メモリ、磁気テープ又はディスク記憶など揮発性及び／又は不揮発性メモリを含む）、通信バス又は有線又は無線通信のための他の通信装置（例えば、様々な電線及びスイッチ、コネクタ、イーサーネット通信装置、ＷＬＡＮ通信装置等々を含む）、ソフトウェア又は他のコンピュータ実行可能命令（例えば、上述のような音響エネルギー源２、ポンプ３３等と他の部品とを制御することに関係する機能を行うための命令を含む）、電源又は他の電源（電気コンセントと嵌合するプラグ、電池、変圧器等）、リレー及び／又は他のスイッチング装置、機械的リンク機構、１つ又は複数のセンサ又はデータ入力装置（チャンバ１０内の物質の温度及び／又は有無を検出するセンサ、チャンバ１０又は他の部品に関する画像情報を捕捉し解析するビデオカメラ又は他の撮像装置、音響変換器２及び／又は容器１０等の位置を示す位置センサなど）、ユーザーデータ入力装置（ボタン、ダイヤル、ノブ、キーボード、タッチスクリーン又はその他など）、情報表示装置（ＬＣＤディスプレイ、表示灯、プリンタなど）及び／又は所望の入力／出力及び制御機能を提供するための他の部品、を含み得る。
【０１０５】
本発明の態様は様々な例示的な実施形態を参照して説明されたが、このような態様は、説明された実施形態に限定されない。したがって、説明された実施形態の多くの代替案、修正、変更が当業者に明らかになることは明白である。したがって、本明細書に記載されるような実施形態は例示的であり限定されないものと意図されている。様々な変更が本発明の態様の精神から逸脱することなく行われ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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