(57)【要約】  材料を音響加工する方法及びシステムが記述されている。音響エネルギーは、音響供給源から離れるようにテーパー化した形状を有する壁を有する導波路内に放出される。壁は、実質的に円錐形又はパラボラ形の形状を有してもよい。その内部において放出された際に、導波路は、音響焦点ゾーンを容器において形成するように、音響エネルギーの収束を生じさせる。いくつかの実施形態においては、音響焦点ゾーンの大きな部分は、導波路によって定義された内部容積の外側に配置されている。
2017510430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響加工を提供するシステムであって、
容器の場所に向かって約１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数を有する音響エネルギーを放出するように構成された音響エネルギー供給源と、
合焦された音響エネルギーに対して前記容器の場所において容器内の試料を曝露させるために、前記容器の場所において音響エネルギーの焦点ゾーンを形成するように前記音響エネルギーを操作するべく構築及び配置されたパラボラ形の形状を有する壁を含む導波路と、
を含むシステム。
【請求項２】
前記音響エネルギー供給源は、非収束状態である音響エネルギーを放出するように構成されており、且つ、前記導波路の前記壁は、前記容器の場所において前記音響エネルギーの焦点ゾーンを形成するように前記非収束状態である音響エネルギーを操作するべく構築及び配置されている請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記音響エネルギー供給源は、実質的にフラットな音波を放出するように構成されている請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記音響エネルギー供給源は、前記実質的にフラットな音波がそれから放出される実質的にフラットな表面を含む請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記導波路の前記壁は、音響反射性を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記導波路の前記壁は、少なくとも部分的に前記導波路の内部容積内において配置される前記音響エネルギーの焦点ゾーンを形成するように、その上において放出された音響エネルギーを操作するべく構築及び配置されている請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記導波路の前記壁は、少なくとも部分的に前記導波路の内部容積の外部において配置される前記音響エネルギーの焦点ゾーンを形成するように、その上において放出された音響エネルギーを操作するべく構築及び配置されている請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記導波路の前記壁は、前記導波路の前記内部容積の外側に配置される前記音響エネルギーの焦点ゾーンが少なくとも５０％を形成するように、その上において放出された音響エネルギーを操作するべく構築及び構成されている請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記壁は、前記内部容積の形状が、前記導波路の入口から前記導波路の出口に向かってテーパー化するように、前記導波路の内部容積の形状を定義しており、前記導波路の前記出口は、前記導波路の前記入口よりも前記容器の場所に近接している請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記導波路の前記内部容積の前記テーパー化された形状は、前記音響エネルギー供給源に相対的に近接した前記内部容積の断面積が、前記音響エネルギー供給源からもっと遠く離れた前記内部容積の断面積を上回るように、構築されている請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記導波路の前記内部容積の前記テーパー化された形状は、前記壁と前記音響エネルギー供給源に相対的に近接した水平方向基準軸によって定義された角度が、前記壁と前記音響エネルギー供給源からもっと遠く離れた前記水平方向基準軸によって定義された角度を上回るように、構築されている請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記導波路の前記内部容積の前記テーパー化された形状は、実質的に２次面曲率を有する請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記容器の場所において前記試料を保持する前記容器を更に含み、前記容器の一部分は、少なくとも部分的に前記導波路の内部容積内において配置されている請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記音響エネルギー供給源から前記容器場所に向かって音響エネルギーを伝達するように構成された結合媒体を更に含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記結合媒体は、液体結合媒体である請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記音響エネルギーの焦点ゾーンは、約２ｃｍ未満の幅を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
音響エネルギー加工の方法であって、
音響エネルギー供給源から容器に向かって約１００ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数を有する音響エネルギーを放出するステップと、
少なくとも部分的に前記容器内において配置された音響エネルギーの焦点ゾーンを形成するべく、パラボラ形の形状を有する壁を含む導波路によって前記放出された音響エネルギーを操作するステップと、
とを含む方法。
【請求項１８】
前記放出された音響エネルギーを操作するステップは、前記音響エネルギーの焦点ゾーンを、少なくとも部分的に前記導波路の内部容積の外側において配置されるように形成するステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記放出された音響エネルギーを操作するステップは、前記音響エネルギーの前記焦点ゾーンの少なくも５０％を、前記導波路の前記内部容積の外側に配置されるように形成するステップを含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記放出された音響エネルギーを操作するステップは、約５Ｐａ〜約２０Ｐｚのピーク圧力を結果的にもたらすように、前記音響エネルギーの焦点ゾーンを形成するステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記放出された音響エネルギーを操作するステップは、前記導波路の前記壁から前記放出された音響エネルギーを反射させることにより、前記音響エネルギーの収束を生じさせるステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記放出された音響エネルギーを操作するステップは、前記音響エネルギー供給源から離れる方向において前記導波路の内部容積内における前記音響エネルギーの実質的に均一な伝播を生じさせるステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記放出された音響エネルギーを操作するステップは、前記音響エネルギーの焦点ゾーンに対して試料を保持する前記容器の一部分を露出させるステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記放出された音響エネルギーを操作するステップは、約２ｃｍ未満の幅を有するように、前記音響エネルギーの焦点ゾーンを形成するステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記音響エネルギー供給源からの前記放出された音響エネルギーを結合媒体を通じて前記導波路の内部容積内に伝達するステップを更に含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
前記結合媒体の少なくとも一部分は、前記導波路の前記内部容積内において配置されている請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
音響エネルギーを放出するステップは、０ワット〜約１５０ワットのピーク入射パワー、０％〜約４０％のデューティファクタ、及び０〜約１５００のサイクル／バーストにおいて前記音響エネルギー供給源を動作させるステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２８】
前記音響エネルギーの焦点ゾーンは、前記容器内の液体試料中のキャビテーションを生じさせるのに十分なものである請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
１．発明の分野
一般に、音響処理のシステム及び方法が開示される。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術
様々な診断、治療、及び研究目的のために、超音波が利用されている。超音波の音響的な物理現象については、十分に理解されているが、生物物理学的、化学的、且つ機械的な効果については、一般に、経験的にのみ理解されている。材料処理における音エネルギー又は音響エネルギーのいくつかの使用法は、「音波破砕（sonication）」を含み、これは、加工対象である材料の流体懸濁液内にキロヘルツ（「ｋＨｚ」）範囲の合焦されていないエネルギーを放出する音響供給源の直接的な浸漬を伴う洗練されていない機械的破壊のプロセスである。このような音エネルギーは、多くの場合に、その有効量がターゲットに到達することがなく、その理由は、エネルギーが、散乱され、吸収され、且つ／又は、ターゲットとの間において適切にアライメントされないからである。又、音波破砕は、相対的に大きな試料容積又は連続的なプロセスストリームに適用された際に、有効性の限界に遭遇する。又、特定の治療用超音波（例えば、砕石術）及び診断用超音波（例えば、胎児撮像）の臨床利用例も存在している。但し、超音波は、一般に、これまでのところ、自動化された、広範囲で、正確な材料処理又は反応制御メカニズムを提供するような方式により、制御されてはいない。
【０００３】
本明細書において記述されているシステムにその態様が包含されうるCovaris of Woburn, MAに譲渡された米国特許第６，７１９，４４９号、同第６，９４８，８４３号、同第７，５２１，０２３号、及び同第８，４５９，１２１号においては、従来の「音波破砕」の制限のうちのいくつかを克服するための「合焦された音響エネルギー」の使用法について記述されている。音響エネルギーを合焦することは、多くの利点を有しており、且つ、試料材料が通過する「処理チャンバ」を使用した大きな試料容積又は連続的なプロセスストリームの処理に有効なものでありうる。過去の合焦された音響システムにおいては、音響トランスデューサは、動作の際に音響エネルギーの焦点ゾーンがそれから形成される凹入表面を有するように、特別に機械加工されることになろう。
【発明の概要】
【０００４】
概要
本発明者らは、音響加工システムの環境においては、音響エネルギーの焦点ゾーンを生成するように音響エネルギーを適切に伝搬する導波路チャンバによって定義された空間内に音響エネルギーを導くことが有利であることを認識及び理解した。従って、望ましい特性を有する合焦された音響エネルギーを生成するべく特別に機械加工されたトランスデューサの使用を要する代わりに、本明細書において記述されている態様は、音響エネルギーの適切な焦点ゾーンを形成するように、適切に構造化された導波路との協働状態において使用される、相対的にフラットで、発散状態である、又はその他の方式で非収束状態である、音波を放出するトランスデューサを提供している。この音響エネルギーの焦点ゾーンを使用することにより、適切な方式によって容器内において収容された試料材料を処理してもよい。
【０００５】
記述されているように、音響エネルギーの適切な焦点ゾーンとして後から形成されるように、当初合焦されていない又は非収束状態である音響エネルギーが、導波路によって定義された内部空間内に放出されてもよい。導波路は、テーパー化された内部容積を定義する内側壁を有してもよい。内側壁は、任意の適切な形状を有してもよいが、音響供給源から離れる方向においてテーパー化されたパラボラ形に成形された内側壁は、音響エネルギーを収束させ、これにより、適切な音響焦点ゾーンを形成するという特に有利な結果をもたらしうる。
【０００６】
トランスデューサは、約１００ｋＨｚ〜約１００ＭＨｚの、更に好ましくは、５００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの、周波数を有する音響エネルギーを導波路内に、且つ、容器に向かって、放出してもよい。次いで、放出された音響エネルギーは、例えば、直径が約１０〜２０ｍｍ（であり、且つ、恐らくは、エネルギーの増大に伴って更に大きなサイズ）である処理ゾーン内に位置した音響エネルギーの焦点ゾーンを形成するように、このような導波路により、操作されてもよい。処理ゾーンは、少なくとも部分的に容器内に位置してもよく、例えば、試料材料は、望ましい効果を実現するべく、このゾーンを通過してもよく、或いは、適切な期間にわたってこのゾーン内に留まってもよい。
【０００７】
本開示のいくつかの実施形態においては、試料が、超音波エネルギーによって加工されており、試料の温度は、コンピュータによって生成された複雑な波列を使用して制御され、これらの波列は、センサからのフィードバックを使用して更に制御されてもよい。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、及びパルス形状のうちのいずれか又はすべてにおいて変化しうる。更には、この加工は、コンピュータ制御下において自動実行されることが可能であり、且つ、更には、機器による計測と、バルク又は出力ストリームからの計測フィードバックと、にリンクさせることができる。別の例においては、本開示のいくつかの実施形態は、２次元又は３次元のいずれか又はすべてにおいて、試料及びビーム焦点の相対的な運動により、超音波エネルギーによって試料を加工することにより、処理ゾーン内における完全且つ十分な混合を保証することができる。
【０００８】
例示用の一実施形態においては、音響加工を提供するシステムが提供されている。システムは、約１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数を有する音響エネルギーを容器の場所に向かって放出するように構成された音響エネルギー供給源と、容器の場所において容器内の試料を曝露させるべく、音響エネルギーを操作して容器の場所において音響エネルギーの焦点ゾーンを形成するように構築及び配置されたパラボラ形の形状を有する壁を含む導波路と、を含む。
【０００９】
別の例示用の一実施形態においては、音響エネルギー加工の方法が提供されている。方法は、音響エネルギー供給源から容器に向かって約１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数を有する音響エネルギーを放出するステップと、放出された音響エネルギーをパラボラ形の形状を有する壁を含む導波路によって操作し、少なくとも部分的に容器内において配置された音響エネルギーの焦点ゾーンを形成するステップと、を含む。
【００１０】
本発明のその他の利点及び新規な特徴については、添付の図面及び請求項との関連において参照された際に、様々な非限定的な実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【００１１】
図面の簡単な説明
同一の要素が同一の参照符号によって示されている以下の図面を参照し、本発明の態様について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】音響加工装置の概略ブロックダイアグラムを示す。
【図２】音響加工装置の断面図を示す。
【図３】いくつかの実施形態による別の音響加工装置の断面図を示す。
【図４】いくつかの実施形態による動作中の音響加工装置の模擬圧力マッピングを示す。
【図５】いくつかの実施形態による動作中の音響加工装置の場所の模擬圧力マッピングを示す。
【図６】いくつかの実施形態による動作中の別の音響加工装置の圧力マッピングを示す。
【図７】いくつかの実施形態による動作中の別の音響加工装置の場所の模擬圧力マッピングを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
詳細な説明
本明細書において使用されている「音エネルギー」は、音響エネルギー、音波、音響パルス、超音波エネルギー、超音波の波、超音波、衝撃波、サウンドエネルギー、サウンドの波、音パルス、パルス、波、又はこれらの用語の任意のその他の文法的形態のみならず、音エネルギーに類似した特性を有する任意のその他のタイプのエネルギーをも包含するものと解釈されたい。
【００１４】
本明細書において使用されている「焦点ゾーン」又は「焦点」は、音エネルギーが収束する且つ／又はターゲット上において衝突するエリアを意味しているが、この収束のエリアは、必ずしも、単一の合焦された地点ではなく、様々なサイズ及び形状の容積を含んでもよい。
【００１５】
本明細書において使用されている「プロセスチャンバ」又は「処理ゾーン」という用語は、音エネルギーが収束し、且つ、試料材料が処理のために存在している容器又は領域を意味している。
【００１６】
本明細書において使用されている「非線形音響」は、入力と出力の間における比例性の欠如を意味しうる。例えば、音響トランスデューサに印加される振幅の増大に伴って、正弦波出力は、最終的に、ピーク正圧力が、ピーク負圧力よりも高いレートで増大するように、比例性を失う。又、水は、大きな音響エネルギー強度において、且つ、収束音響場内においては、非線形となり、強度が焦点に向かって増大するのに伴って、波は、相対的に乱れた状態となる。組織の非線形音響特性は、診断及び治療用途に有用である場合がある。
【００１７】
本明細書において使用されている「音響ストリーミング」は、音波による流体の流れの生成を意味しうる。効果は、非線形であってもよい。音響場から吸収された運動量の結果として、音響場の方向における液体の全体的な流体の流れが生成されうる。
【００１８】
本明細書において使用されている「音響マイクロストリーミング」は、例えば、音場内の音響によって駆動された気泡などの供給源又は障害物の周りにおける小さな流体の領域内においてのみ発生する時間独立型の循環を意味しうる。
【００１９】
本明細書において使用されている「音響吸収」は、音響エネルギーを熱エネルギーに変換する材料の能力に関係した材料の特性を意味しうる。
【００２０】
本明細書において使用されている「音響インピーダンス」は、表面を通じた音束に対する表面上の音圧の比率を意味することが可能であり、この比率は、リアクタンスと、抵抗成分と、を有する。
【００２１】
本明細書において使用されている「音響ウィンドウ」は、音エネルギーが処理チャンバ又はゾーン内の試料まで通過することを許容するシステム又は装置を意味しうる。
【００２２】
本明細書において使用されている「音響レンズ」は、音波を拡散させるか、収束させるか、又はその他の方法で導くシステム又は装置を意味しうる。
【００２３】
本明細書において使用されている「音響散乱」は、その寸法が波長との比較において小さい複数の反射表面により、或いは、波が伝播する媒体中の特定の不連続性により、生成される音響波の不規則な且つ複数方向の反射及び回折を意味しうる。
【００２４】
上述のように、従来型の合焦された音響システムにおいては、音響トランスデューサは、通常、適切な焦点ゾーン内に自動的に収束する音響エネルギー波を放出しうる湾曲した表面を有する。但し、このような成形された音響トランスデューサの製造には、費用を所要しうる。又、このような事前に製造された音響トランスデューサは、合焦された音波自体の異なるタイプの成形を許容するような多様性はないであろう。
【００２５】
本発明者らは、音響加工システムが、導波路構造によって定義された空間内に音響エネルギーを導き、次いで、導波路構造が、音響エネルギーの望ましい焦点ゾーンを生成するように、音響エネルギーを適切に伝搬することが有利であることを認識及び理解した。
【００２６】
従って、既定の特性を有する合焦された音響エネルギーを生成するべく特別に機械加工された音響トランスデューサを使用する代わりに、本明細書において記述されている態様は、音響エネルギーの適切な焦点ゾーンを形成するべく、導波路との協働状態において（例えば、音響エネルギーが放出される相対的にフラットな表面を有する音響トランスデューサから生成された）合焦されていない又はその他の方法で非収束状態である音波を放出する音響トランスデューサの使用を許容している。上述のように、導波路は、適切な形状の内部容積を定義する内側壁を有してもよい。いくつかの実施形態においては、内側壁は、壁に衝突した音響エネルギーが、試料加工のために使用される音響エネルギーの適切な焦点ゾーンを形成するような方式によってリダイレクト又はその他の方法で反射されるように、パラボラ形であるか、楕円形であるか、又はその他の方法で湾曲しているテーパー化された形状を有する。
【００２７】
図１は、本開示の１つ又は複数の態様と共に使用されうる様々な特徴を保持した音響加工システム１００の概略ブロックダイアグラムを示している。本明細書において記述されている実施形態は、本開示のいくつかの又はすべての態様を含んでもよいが、本開示の態様は、単独で、或いは、本明細書に記述されているその他の態様との任意の適切な組合せにおいて、使用されうることを理解されたい。図１に示されている音響加工システムの特定の態様は、既存の音響加工システムにおいて使用されてもよいが、図１との関係において図示及び記述されている特徴は、本開示の新規な且つ発明の態様と共に、利用されてもよいことを理解されたい。
【００２８】
図１は、試料ホルダ４によって保持された試料１（液体３及び固体２を含む）内において混合、振動、及び／又はその他の効果を生成するのに適した音響場（例えば、焦点ゾーン１７において収束しているもの）を生成する能力を有する音響トランスデューサ１４（例えば、１つ又は複数の圧電要素を含む）を含む音響加工システム１００を示している。試料ホルダ４は、この実施形態においては、試料１を収容する容器（例えば、試験管やガラス瓶）であるものとして示されているが、更に後述するように、試料１を保持、収容、又はその他の方法で支持するべく、その他の試料ホルダ及び／又は基板が使用されてもよいことを理解されたい。
【００２９】
音響トランスデューサ１４は、焦点ゾーン１７が約２センチメートル以下の幅を有するように、約１００キロヘルツ〜約１００メガヘルツの周波数範囲内の音響エネルギーを生成しうる。形成された際に、音響エネルギーの焦点ゾーン１７は、例えば、球形、楕円形、ロッド形状、ライン形状、葉巻形状、又は柱形状などのように、任意の適切な形状であってもよく、且つ、少なくとも部分的に、試料１が配置されるところにおいて位置決めされてもよい。例えば、トランスデューサは、曲がり（例えば、ドーム、半球、円筒、半円筒）を有してもよく、或いは、さもなければ、音響エネルギーの特定のパターン又は形状を形成させる合焦要素（例えば、レンズ、音響フィルタ、導波路）との関連において成形又は位置決めされてもよい。
【００３０】
本開示の態様によれば、音響エネルギーの適切な焦点ゾーンを形成するための特定の曲がり又は形状を音響トランスデューサが有することは、必須ではないことを理解されたい。本明細書において記述されるように、いくつかの実施形態においては、音響トランスデューサは、それから放出された音響エネルギーが、適切な音響焦点ゾーンの形成を結果的にもたらす方式によって音響エネルギーを反射するか又はその他の方法で導く導波路の内部容積に進入するように、適切に位置決めされてもよい。従って、いくつかの実施形態においては、音響トランスデューサ１４は、合焦されていない非収束状態にある音響エネルギーを放出するように構成されてもよく、且つ、焦点ゾーンは、導波路の構造によって定義されてもよい。
【００３１】
トランスデューサは、合焦された、部分的に合焦された、又は合焦されていない波列を生成するように、任意の適切な方式によって構成されてもよく、且つ、導波路は、トランスデューサと共に、適切な焦点ゾーンを形成するように構成されてもよいことを理解されたい。例えば、トランスデューサは、任意の適切な形状を有する波列を生成してもよく、且つ、導波路は、試料材料が少なくとも部分的に配置されているところに望ましい焦点ゾーンを形成するように、トランスデューサから放出された音響エネルギーに対して動作してもよい。いくつかの実施形態においては、トランスデューサは、音響エネルギーが生成されうるフラットな又は湾曲した形状を有してもよい。いくつかの実施形態においては、音響供給源は、望ましい音波列を生成するように、適切な構成において配列された複数のトランスデューサとして提供されてもよい。例えば、適切に成形されたトランスデューサのフェーズドアレイは、様々な異なる波列を生成することが可能であり、これにより、合焦された、部分的に合焦された、又は合焦されていない音響エネルギーを結果的にもたらしてもよい。このようなアレイは、適切な場所において配置された、いくつかの相対的に小さなトランスデューサを伴ってもよく、この場合に、トランスデューサのそれぞれは、制御された特性を有する音響ビームを結果的にもたらすパターン化されたシーケンスに従って、独立的にパルス化されてもよい。
【００３２】
いくつかの実施形態においては、トランスデューサ１４は、圧電セラミックなどの圧電材料から形成されてもよい。焦点ゾーン１７は、図１に示されているように、試料よりも大きくてもよく、或いは、試料よりも小さくてもよく、例えば、焦点ゾーン１７は、試料ホルダ４内において完全にフィットしてもよい。米国特許第６，７１９，４４９号、同第６，９４８，８４３号、同第７，５２１，０２３号、及び同第８，４５９，１２１号は、引用により、音響トランスデューサの構造及び動作、並びに、その制御に関する詳細について、本明細書に包含される。
【００３３】
試料ホルダ４は、任意の適切な形状、サイズ、材料、又はその他の構成／特徴を有してもよい。試料ホルダは、ホルダ支持部１２によって定位置において支持されうる封入可能なコンテナ（例えば、ガラスチューブ、プラスチックコンテナ、マイクロタイタープレート内の井戸、プラスチック瓶、容器、ねじ蓋を有する６×１６ｍｍのガラス又はプラスチックチューブ（約１５０マイクロリットル容積）など）として示されているが、図示のもの以外の試料ホルダの特定のタイプが使用されうることを理解されたい。例えば、試料ホルダ４は、フラットな底部と、蓋９を受け入れるべくねじが切られた上端部と、を有する円筒形チューブであってもよく、試料を保持するべくぶらさがった曲がりやすい袋様の部分を有する円筒形のツバ部を含んでもよく、マルチ井戸プレート内の単一の井戸であってもよく、顕微鏡スライドであってもよく、立方体形状の試料ホルダであってもよく、且つ／又は、任意のその他の適切な構成であってもよい。いくつかの実施形態においては、試料ホルダは、Cavaris, Inc.によって提供されるmicroTUBE容器と等価な又はこれに類似したチューブである。
【００３４】
図１の例示用の実施形態は、例えば、非溶剤型の水溶液などの液体３と共に試料ホルダ４内において収容されたホルマリン固定及びパラフィン包埋された組織試料（即ち、ＦＦＰＥ試料）などの固体材料２を包含するための試料１を更に示している。液体３は、水と溶剤の混合物（例えば、０．２５％ドデシル硫酸ナトリウム溶液）であってもよいが、その他の溶液（溶剤又は非溶剤）が可能であり、或いは、いくつかのケースにおいては、溶液がまったく存在しなくてもよい。
【００３５】
試料は、任意の適切な容積及び／又は質量を有してもよく、例えば、試料は、相対的に大きな試料片からスライシングされたＦＦＰＥ組織マイクロトームの所謂「スクロール」、「コア」、又は断片、針生検によって得られた組織試料、又は任意のその他の適切な方法によって生成された試料であってもよい。いくつかの実施形態においては、試料は、更なる分析のために、本開示の実施形態を使用して適切に処理されうる核酸分子を含む。
【００３６】
いくつかのケースにおいては、音響加工の前に、試料ホルダ４内においてヘッドスペース６（空気−液体境界面５の直接上方における気体領域であるものとして示されている）を定義するようにされてもよい。従って、蓋９は、容器によって定義された空間内に下方に延在する下部部分又は延長部１３を含んでもよい。
【００３７】
この例示用の実施形態においては、記述されているように、試料ホルダ４は、音響加工の際のホルダ４の支持を支援するホルダ支持部１２と関連付けられてもよい（例えば、一体的に成形されるか、装着されるか、溶接されるか、或いは、着脱自在に装着されてもよい）。ホルダ支持部１２は、図１に示されているように、容器との関係において固定されたリング形状の要素などのように、任意の適切な構成又は場所を有してもよい。本明細書において記述されている実施形態は、必ずしも、ホルダ支持部１２を必要としてはいないが、このようなホルダ支持部１２は、試料ホルダ４及び試料自体が、処理／分析のために、且つ、音響場との関係において、既知の場所において位置決めされうるように、音響処理装置とインターフェイスするべく機能しうる。
【００３８】
ホルダ支持部１２は、図１に示されているもののような装置に限定されるものではなく、且つ、ホルダ４が空間を封入しないような方式によって構築されてもよい。ホルダ支持部は、任意の適切な基板用の支持部として機能してもよいことを理解されたい。ホルダ支持部は、その他のタイプの試料ホルダを適切に位置決めするように機能してもよく、且つ、ラック、スロット、トレイ、把持器要素、プラットフォーム、凹入したエリア、クランプ、ボックス、又は、試料ホルダ及び／又は基板を焦点ゾーン１７及び／又は顕微鏡装置との関係において保持及び／又は運動させるための任意のその他の適切な構成を含んでもよい。
【００３９】
又、音響加工システム１００は、音響エネルギーをトランスデューサ１４から試料ホルダ４に伝達する、水又は別の液体、気体（例えば、空気、不活性ガス）、ゲル（例えば、シリコーン）、固体（例えば、弾性材料）、半固体、及び／又はこのような成分の組合せなどの媒体１６を保持する能力を有する結合媒体コンテナ１５を含んでもよい。図１は、結合媒体がその内部において提供される水盤としてコンテナ１５を示しているが、本開示によるコンテナは、それに衝突した音響エネルギーを収束させるように機能しうる内部容積を定義した壁を含むか又はその他の方法で収容してもよい。
【００４０】
媒体１６が、固体又は半固体を含んでいるか、或いは、さもなければ、その形状を維持することができる実施形態においては、コンテナ１５は、提供される必要がなく、或いは、媒体１６自体の一部分が、例えば、媒体１６の液体又は気体部分を保持するように、コンテナ１５として機能してもよい。例えば、一実施形態においては、トランスデューサ１４は、固体結合媒体１６（シリカ又はシリコーン材料など）に装着されてもよく、更には、固体結合媒体１６は、ホルダ支持部１２に装着され、ホルダ支持部１２は、少なくとも部分的に、媒体１６の開口部又はその他の特徴により、形成されてもよい。従って、トランスデューサ１４、媒体１６、及びホルダ支持部１２は、必要に応じて、単一の統合された部分として形成されてもよい。いくつかの実施形態においては、音響エネルギーが伝達される内部容積を定義した壁が、媒体１６を収容するか又はその他の方法で包囲してもよい。
【００４１】
合焦された音響加工の等温特性に起因し、音響処理の際には、結合媒体の温度は、試料移送のその他の方法からさもなければ発生しうる温度変化とは対照的に、大きな変動を伴うことなしに、維持されうる。いくつかの実施形態においては、結合媒体の温度は、例えば、摂氏２０〜６０度などの相対的に低い温度において維持されるが、更に低い又は高い温度における熱制御も可能である。従って、合焦された音響加工の際には、結合媒体の温度が相対的に一定になるように維持されることを踏まえて、音響加工される試料の部分も、又は試料自体の全体も、例えば、摂氏２０〜６０度の温度を超過しない相対的に低い温度において維持されうる。
【００４２】
いくつかの実施形態においては、音響場の特定の特性及び／又は音響トランスデューサ１４及び試料の相対的な位置などの音響加工システムの適切なパラメータは、（例えば、トランスデューサ及び／又は試料ホルダを運動させることにより）制御されてもよい。従って、音響処理の際には、試料は、適切な焦点ゾーン１７との関係において望ましい場所において位置決めされてもよい。トランスデューサ１４は、特定のサイズ及び形状を有する焦点ゾーンを形成するようにされる音響エネルギーを生成してもよく、この場合に、焦点ゾーンは、試料との関係において適切に位置決めされる。
【００４３】
音響トランスデューサ１４を制御するべく、音響加工システム１００は、音響トランスデューサ１４の動作及び試料ホルダ（並びに、試料）の位置決めを含むシステム１００の様々な機能を制御するシステム制御回路１０を含んでもよい。システム制御回路１０は、負荷電流制御回路に制御信号を供給してもよく、負荷電流制御回路は、変圧器の巻線内の負荷電流を制御している。負荷電流に基づいて、変圧器は、駆動信号をマッチングネットワークに出力してもよく、マッチングネットワークは、音響トランスデューサ１４に結合されており、且つ、望ましい音響エネルギーを生成するべくトランスデューサ１４用の１つ又は複数の適切な信号を供給する。
【００４４】
更に詳細に後述するように、システム制御回路１０は、試料ホルダ４及び／又は音響トランスデューサ１４の相対的な位置決めなどの音響加工システム１００の様々なその他の機能を制御してもよい。例えば、図は、制御回路１０をホルダ支持部１２にリンクする破線ラインを示しているが、これは、任意選択の位置決めシステムを概略的に表しており、位置決めシステムは、例えば、ロボット、ガントリ、ねじ駆動装置、又はホルダ支持部１２を運動させるためのその他の構成を含んでもよい。システム制御回路１０は、システム動作用のコマンドなどの操作者入力を受け取るように、或いは、入力を自動的に提供するように、構成されてもよい。システム制御回路１０は、（例えば、可視表示スクリーンやインジケータライトなどに対して）適切な方式によって適切な情報を出力してもよい。このような情報は、電子データ形態における試料加工状態情報、更なる音響加工を提供するための示唆／推奨、或いは、利用可能とされうるその他の情報を含んでもよい。
【００４５】
システムのいくつかの実施形態によれば、試料処理の制御は、音エネルギーの場所、パルスパターン、パルス強度、持続時間、及び音響加工の望ましい結果を実現するための超音波の吸収量のうちの少なくとも１つを調節するためのフィードバックループを含む。一実施形態においては、超音波エネルギーは、通常はキロヘルツ（ｋＨｚ）周波数範囲内の超音波エネルギーを利用している従来の音響処理とは対照的に、メガヘルツ（ＭＨｚ）周波数範囲内のものである。
【００４６】
本明細書において記述されているように、音波は、試料の場所において音響エネルギーの焦点ゾーンを形成するように、導波路の内部容積内に放出されてもよい。いくつかの構成においては、内部容積は、少なくとも部分的に内部容積内において配置された材料の音響エネルギーに対する曝露を改善するように、適切にサイズ設定されるか、成形されるか、又はその他の方法で構成されてもよい。例えば、内部容積の壁は、音響エネルギーの焦点ゾーンが、試料が位置決めされている場所において、形成及び維持されるようにしてもよい。その他の構成においては、内部容積は、キャビテーション又はその他の音響によって生成される効果のための核生成点（nucleation points）を提供する要素を含んでもよい。
【００４７】
いくつかの実施形態においては、液体、固体、半固体、又はこれらの混合物であってもよい結合媒体は、音響エネルギーを音響エネルギー供給源から音響エネルギー供給源と試料の間に配設されたウィンドウに伝達するように構成されてもよい。例えば、水槽が、音響エネルギー供給源と導波路又はチャンバのウィンドウの間において位置決めされてもよい。いくつかの構成においては、チャンバは、水などの液体結合媒体内において部分的に又は完全に浸漬されてもよい。
【００４８】
内部容積は、加工対象である試料材料のために、適宜、サイズ設定及び成形されてもよく、例えば、いくつかの音響加工用途（殺菌など）は、材料の相対的に小さな容積が相対的に小さな容積内において加工される場合に、相対的に有効に機能することができ、その他の用途（例えば、混合）は、内部容積の相対的に大きな容積を使用することにより、相対的に良好な結果を生成しうる。内部容積は、異なる形状又はその他の構成特性を有することが可能であり、例えば、内部容積は、垂直方向壁により、定義されてもよく、円錐形状（例えば、長手方向軸を中心として対称である）を有することも可能であり、湾曲した形状を有することも可能であり、以下同様である。又、チャンバを有する導波路は、加工対象である材料を収容する内部容積を一緒に定義している１つ又は複数の上部部材、１つ又は複数の下部音響透明部材、及び本体部などの複数のコンポーネントから製造することができる。或いは、この代わりに、導波路は、単一の一体片として、或いは、その他の方法により、製造されてもよい。
【００４９】
図２及び図３は、それぞれが、壁２４によって定義された内部容積２２を有するチャンバとして構築された導波路２０を含む音響加工システム１００の実施形態を示している。内部容積２２は、軸Ｚに沿って配設されると共に互いに反対側に配置された２つの端部を有しており、使用の際に、端部の一方は、音響エネルギー供給源１４に相対的に近接し、且つ、他方は、試料１に相対的に近接している。
【００５０】
図２及び図３に示されているように、壁２４は、内部容積の形状が、音響トランスデューサに相対的に近接した内部容積の端部から、試料に相対的に近接した内部容積の端部に向かって、テーパー化されるように、構築されてもよい。即ち、音響トランスデューサに相対的に近接した場所において導波路によって定義されている内部容積の断面積は、例えば、試料における又はその近傍における音響エネルギー供給源からもっと遠くに離れた場所における断面積を上回ってもよい。
【００５１】
従って、導波路の内部容積２２を通じて音響トランスデューサ１４から伝達される音響エネルギーは、加工対象である試料１において又はその近傍において音響エネルギーの適切な焦点ゾーン１７を形成するように、壁により、適切に操作されるか、さもなければ収容されてもよい。但し、いくつかの実施形態においては、音響トランスデューサに相対的に近接したいくつかの場所における導波路の内部容積の断面積は、例えば、不規則な形状を有する導波路の壁に起因して、音響エネルギー供給源からもっと遠く離れた特定の場所における断面積を下回ってもよいことを理解されたい。
【００５２】
上述のように、図１に示されているものなどのいくつかの実施形態においては、音響トランスデューサは、合焦要素からの支援を伴うことなしに、音響エネルギーの適切な焦点ゾーンを形成することができるように、成形されるか、さもなければ構成されてもよい。但し、その他の実施形態においては、音響トランスデューサと共に使用される合焦要素を利用することが好ましい場合がある。例えば、図２及び図３に示されているように、音響トランスデューサ１４は、相対的に非収束状態である音響エネルギー３０が放出される実質的にフラットな表面（又は、異なる形状を有する表面）を有する場合がある。換言すれば、特定の寸法を有する焦点ゾーン内に音響エネルギーを導く音響レンズ又は壁が存在しない状態においては、このような表面を有する音響トランスデューサから放出される音響波は、音響エネルギーの望ましい焦点ゾーン内に収束することにならないであろう。従って、音響エネルギーがその上に衝突する導波路の壁は、音響エネルギーの焦点ゾーンを形成するように、音響の観点において反射性を有してもよく、成形されてもよく、且つ／又は、その他の方法により、放出された音響エネルギーの形状及び方向を変更する特性を有してもよい。
【００５３】
図２を参照すれば、壁２４は、軸Ｚを中心とした円錐形状で対称的に成形され、これにより、軸Ｙ１によって定義された、トランスデューサから生成された音響エネルギーが進入する、導波路の入口近傍の領域から、軸Ｙ２によって定義された、試料ホルダが配置されている、導波路の反対側の端部に向かって、線形でテーパー化されている。図２の導波路を通じて断面図において示されているように、壁が軸Ｙ２をなす角度θは、導波路の長さに沿って、実質的に一定である。従って、導波路２０の内部容積２２内に放出される音響エネルギーは、導波路の入口から試料１に向かって伝搬され、これにより、導波路の内部壁によって収容されると共に導波路が存在していない場合よりもサイズが相対的に小さい音響エネルギーの焦点ゾーンが結果的に得られる。
【００５４】
次に図３を参照すれば、導波路２０の壁２４は、軸Ｚを中心として対称的であると共に、軸Ｙ１によって定義された導波路の入口近傍の領域から、軸Ｙ２によって定義された導波路の反対側の端部に向かって、パラボラ形の形状を提供するように、テーパー化された形状を有する。
【００５５】
図３の導波路を通じた断面図に示されているように、壁が軸Ｙ２となす角度θは、壁が軸Ｙ１となす角度を下回っている。図示のように、壁の表面は、導波路の長さに沿って、軸Ｙ２から軸Ｙ１まで二次関数によって定義された形状に準拠している。従って、軸Ｙ２から軸Ｙ１まで、導波路の長さに沿って、移動することにより、角度θは、壁の曲がりに伴って徐々に増大するものとして示されている。
【００５６】
図２の実施形態と同様に、導波路２０の内部容積２２内に放出された音響エネルギーは、導波路の入口から、試料に向かって、伝搬されると共に操作され、これにより、いくつかのケースにおいては、導波路の内部壁によって収容されると共に導波路が存在していない場合によりもサイズが相対的に小さい音響エネルギーの焦点ゾーンが結果的に得られる。但し、この実施形態においては、且つ、図２の実施形態とは対照的に、音響エネルギー供給源に相対的に近接した場所（例えば、入口）における導波路の壁は、試料ホルダに相対的に近接した壁の場所（例えば、出口）において形成される角度を上回る水平方向ｙ軸との間における角度を形成している。
【００５７】
導波路の内部壁は、任意の適切な形状を有してもよいことを理解されたい。上述のように、導波路の内部壁は、実質的に二次面曲率を有してもよい。いくつかのケースにおいては、導波路の壁の断面は、２次、３次、４次などの多項式関数によって定義されてもよい。或いは、壁は、不規則に成形されてもよく、この場合には、壁の断面は、多項式関数に従って定義されてはいない。例えば、図には示されていないが、壁が水平方向のｙ軸との関係においてなす角度は、導波路が砂時計形の形状を有するように、或いは、導波路の入口が外向きに広がりうるように、或いは、導波路が試料ホルダと入口の間において膨らみを有しうるように、導波路の長さに沿って、増大及び／又は減少してもよい。
【００５８】
いくつかの実施形態においては、焦点ゾーンの少なくとも一部分は、導波路の入口の反対側において、試料及び試料ホルダが配置されているところあたりに配置されている。焦点ゾーンは、導波路の内部又は外部において、任意の適切な領域まで延在してもよい。いくつかのケースにおいては、音響エネルギーの焦点ゾーン及び／又は容器の一部分は、少なくとも部分的に導波路の内部容積内において配置されてもよい。或いは、この代わりに、音響エネルギーの焦点ゾーン及び／又は容器の一部分は、少なくとも部分的に導波路の内部容積の外側において配置されてもよい。いくつかの実施形態においては、音響エネルギーの焦点ゾーンは、更に後述するように、導波路の内部容積の外側において主に配置されてもよい。例えば、焦点ゾーンの５０％超、６０％超、７０％超、８０％超、又は９０％超が、導波路の内部容積の外部において位置してもよい。
【００５９】
音響エネルギーの焦点ゾーンは、適切なピーク圧力を有してもよい。焦点ゾーンのピーク圧力には、トランスデューサの表面からの放射音響パワー、トランスデューサのサイズ、トランスデューサの動作周波数、導波路の形状などを含むいくつかのパラメータが影響を及ぼしうる。一例においては、トランスデューサは、音響エネルギーがそれから放出され、２５ｍｍの直径を有し、且つ、約５００ｋＨｚの中心周波数において動作する能動的エリアを有する。パラボラ形導波路は、約１０〜１２倍という焦点ゾーンにおける表面圧力の利得を提供し、この場合に、焦点ゾーンの大きな部分は、導波路の外部に配置されている。いくつかの実施形態においては、焦点ゾーンのピーク圧力は、１Ｐａ〜１００Ｐａ、２Ｐａ〜５０Ｐａ、或いは、５Ｐａ〜２０Ｐａであってもよい。
【００６０】
焦点ゾーンのピーク圧力の地点は、任意の適切な場所において配置されてもよい。いくつかの実施形態においては、焦点ゾーンのピーク圧力の地点は、入口の反対側において、試料が位置する導波路の端部を定義している軸Ｙ２において、又はその近傍において、配置されている。焦点ゾーンのピーク圧力の地点は、例えば、導波路が対称的な形状を有する際には、軸Ｚに沿った適切な場所において形成されてもよい。
【００６１】
いくつかの実施形態においては、焦点ゾーンのピーク圧力の地点は、軸Ｚと軸Ｙ２の間の交差点において配置されてもよい。或いは、この代わりに、焦点ゾーンのピーク圧力の地点は、軸Ｙ２からオフセットされた地点において軸Ｚに沿って配置されてもよい。例えば、焦点ゾーンのピーク圧力の地点は、導波路２０によって定義された内部容積２２の外側において、軸Ｚに沿った適切な距離（例えば、５〜２０ｍｍや１０ｍｍなど）において配置されてもよい。或いは、焦点ゾーンのピーク圧力の地点は、導波路２０によって定義された内部容積２２内において、反対方向における軸Ｚに沿った適切な距離において配置されてもよい。
【００６２】
いくつかの実施形態においては、焦点ゾーンが導波路の実質的に外側において配置されることが好ましい場合がある。いくつかのケースにおいては、焦点ゾーンが導波路の外側において生成された際には、導波路によって定義された内部容積内においてキャビテーションが発生する潜在性が低減される。
【００６３】
焦点ゾーンの位置及び形状は、独立的に、又は組合せにおいて、導波路の特定の構成、導波路の内部壁の形状、導波路の内部壁の音響反射率の程度、音響トランスデューサが導波路との関係において方向付けされる方式（例えば、まっすぐに又は導波路との関係において所定の角度において方向付けされた音響トランスデューサ）、音響エネルギーが放出される様々パラメータ（例えば、音響放出のパラメータ）などのいくつかの要因に応じて変化してもよい。
【００６４】
音響トランスデューサは、パラメータの適切な組合せに従って動作させられてもよい。
【００６５】
いくつかの実施形態においては、音響エネルギーは、２５〜１５０Ｗ又は５０〜１００Ｗのピーク入射パワーにおいて、或いは、上述の範囲外のピーク入射パワーにおいて、放出される。
【００６６】
いくつかの実施形態においては、放出される適切な音響エネルギーは、５〜５０％、１０〜４０％、又は１５〜３０％のデューティファクタ、或いは、異なるデューティファクタを有してもよい。
【００６７】
いくつかの実施形態においては、放出される音響エネルギーは、２００〜２０００サイクル／バースト、５００〜１５００サイクル／バースト、７５０〜１２５０サイクル／バースト、又は上述の範囲外のサイクル／バーストの別の値を有してもよい。
【００６８】
例えば、音響トランスデューサは、約５００ｋＨｚの周波数、約７５Ｗのピーク入射パワー、約２０％のデューティファクタ、約１０００のサイクル／バーストにおいて、動作させられてもよい。音響エネルギーパラメータのその他の組合せが、本開示の実施形態について可能でありうることを理解されたい。
【００６９】
図４及び図５は、図２に示されている実施形態による動作中の音響加工装置の断面の圧力マッピングを示しており、この場合に、導波路の壁２４は、導波路内において円錐形の内部容積を定義するように、実質的に線形でテーパー化されている。
【００７０】
図４に示されているように、壁２４は、壁が両方の基準軸Ｙ１、Ｙ２となす角度θが、導波路の長さに沿って、実質的に一定となるように、基準軸Ｚを中心として対称をなしている。更に後述するように、線形でテーパー化された壁を有する導波路は、通常は試料及び試料ホルダが配置されている導波路の出口において、且つ、これをちょうど超えたところにおいて、配置された焦点ゾーン１７内に音響エネルギーを収束させる。但し、図４に更に示されているように、動作の際の導波路内の流体（結合媒体１６）の圧力分布は、乱れた流体の流れを示している。
【００７１】
図５は、基準軸Ｙ２によって示される導波路の出口における圧力分布の拡大図を示しており、焦点ゾーン１７の場所及び形状に関する更なる情報を提供している。
【００７２】
図５は、基準軸Ｚに沿って、導波路によって定義された内部容積の実質的に外側において配置された、焦点ゾーンの最大ピーク圧力の場所として判定される、焦点ゾーン１７の中心を示している。焦点ゾーンの中心は、基準軸Ｙ２から距離Ｄだけ離隔している。図５の例においては、基準軸Ｙ２からの焦点ゾーン１７の中心の距離Ｄは、約４ｍｍであるが、焦点ゾーン１７の中心は、導波路の出口から任意の適切な距離Ｄ（例えば、１〜１５ｍｍ、２〜１０ｍｍ、２〜５ｍｍなど）において配置されうることを理解されたい。
【００７３】
又、図５は、いくつかの実施形態による焦点ゾーン１７の概略的な幅Ｗに関する情報をも提供している。ここで、焦点ゾーン１７は、実質的に楕円形の形状を有するものとして示されている。本開示の実施形態における音響エネルギーの焦点ゾーンは、任意の適切な形状を有してもよいが、焦点ゾーンが、ほぼ楕円の、回転楕円の、又は類似の形状を有する場合には、焦点ゾーンの幅Ｗは、本明細書において記述されているように、圧力が最大である形状の短軸として近似されることに留意されたい。図示のように、図５においては、焦点ゾーン１７の幅Ｗは、約２ｍｍであるが、焦点ゾーン１７は、任意の適切な幅Ｗ（例えば、０．１〜１０ｍｍ、０．５〜５ｍｍ、１〜３ｍｍなど）を有してもよいことを理解されたい。
【００７４】
図６及び図７は、図３に示されている実施形態による動作中の音響加工装置の断面の圧力マッピングを示している。図２、図４、及び図５の実施形態とは対照的に、導波路の壁２４は、導波路の壁が実質的にパラボラ形の形状を有するように、テーパー化されている。
【００７５】
図６に示されているように、壁２４は、基準軸Ｚを中心として対称をなしている。更には、壁が、基準軸Ｙ２において、水平方向との間においてなす角度θは、基準軸Ｙ１において、導波路の入口に相対的に近接した水平方向との間において壁がなす角度を上回っている。即ち、壁が水平方向との間においてなす角度θは、基準軸Ｙ２から基準軸Ｙ１に向かって移動するのに伴って、徐々に増大している。そして、更に後述するように、動作の際には、パラボラ形導波路の内部容積内の流体（結合媒体１６）の圧力分布は、例えば、図４に示されている円錐形導波路の内部容積内の流体の圧力分布との比較において、程度が低減された乱れた振る舞いを示している。
【００７６】
図７は、基準軸Ｙ２によって示されている導波路の出口における圧力分布の拡大図を示しており、焦点ゾーン１７の場所及び形状に関する更なる情報を提供している。
【００７７】
図７は、基準軸Ｙ２から距離Ｄだけ離隔した、基準軸Ｚに沿って導波路によって定義された内部容積の外側において配置された焦点ゾーン１７の中心を示している。図７の例においては、基準軸Ｙ２からの距離Ｄは、図５の例において示されている個々の距離Ｄを相対的に上回っている。図７においては、基準軸Ｙ２からの焦点ゾーン１７の中心の距離Ｄは、約７ｍｍであるが、本明細書において記述されているように、本開示による実施形態における距離Ｄは、これに限定されるものではない。例えば、基準軸Ｙ２からの焦点ゾーンの中心の距離Ｄは、１〜２０ｍｍ、２〜１５ｍｍ、５〜１０ｍｍであってもよく、或いは、これらの範囲外であってもよい。
【００７８】
又、図７は、焦点ゾーン１７の概略的な幅Ｗに関する情報をも提供している。この例においては、焦点ゾーンは、長い楕円形の形状を有しており、従って、焦点ゾーンの幅Ｗは、焦点ゾーンの圧力が最大である形状の短軸において近似される。図７の焦点ゾーン１７の幅Ｗは、約２ｍｍであるが、焦点ゾーン１７は、例えば、０．１〜１０ｍｍ、０．５〜５ｍｍ、１〜３ｍｍなどの任意の適切な幅Ｗを有しうることを理解されたい。
【００７９】
図４及び図６は、導波路内への音響エネルギー波の入力の際の導波路（図示されてはいない試料ホルダ）の内部及び外部に配置された流体の圧力分布を個々の実施形態ごとに示しており、この場合に、音響エネルギーは、実質的にフラットな表面を有する音響トランスデューサから生成されている。本明細書において記述されているように、このような構造を有するトランスデューサから放出される音響エネルギーは、音響エネルギーを合焦するように構成された音響レンズ又は導波路タイプ構造からの支援なしには、収束することにならないであろう。但し、通常は試料ホルダ（図４及び図６には示されていない）が位置決めされる導波路の出口近傍に位置した上昇したピーク圧力によって示されているように、導波路壁のテーパー化された表面が、その他の点では合焦されていない非収束状態である音響エネルギーを焦点ゾーン１７内に収束させている。
【００８０】
又、図４及び図６のそれぞれに示されているように、導波路のテーパー化された表面は、導波路内における流体の空間的に振動した圧力分布をも形成している。圧力分布は、壁２４に沿って且つその間において提供された、軸Ｚに沿って局所的に交互に変化するピークと谷を含む。但し、後述するように、全体的な効率と、従って、図６のパラボラ形導波路を利用することに伴う音響加工の有効性は、図４の円錐形導波路を利用した際のものを上回りうる。
【００８１】
例えば、図４に示されている例の場合の内部壁からの音響エネルギー反射が導波路内における全体的な波の伝播に影響を及ぼす程度は、図６の例について示されているものを上回りうる。図４に示されているように、流体の圧力分布は、混沌とした状態であるものと思われ、特に、内部壁２４に対して平行な方向に沿って、導波路内において大きく変化する不規則なパターンを有する（例えば、不規則な、或いは、不均一な、分布を有する圧力ピークによって示されている）。この図４に示されている量及びタイプの波の伝播は、導波路内の乱れた流体の流れを示しており、これは、一般に、導波路内の全体的な音波の伝播及び試料の処理に対するその効果を破壊するものと考えられる。
【００８２】
更には、円錐形に成形された壁は、トランスデューサに向かって戻る音波の相対的に強力な反射を生成し、これにより、しばしば、音響加工の全体的な有効性に対して影響を及ぼしうる。例えば、このようなトランスデューサに対する音響エネルギーの後方反射は、システム内において好ましい方式で共振が発生する潜在性を低減しうる。或いは、トランスデューサに対する音響エネルギーの後方反射は、トランスデューサに由来する音波の伝播を妨げる場合がある。いくつかの実施形態においては、円錐形に成形された壁は、例えば、パラボラ形に成形された壁との比較において、トンランスデューサに向かって戻る音波の相対的に強力な反射を生成しうる。
【００８３】
対照的に、図６に示されている例における流体の圧力分布は、その特性が、ほぼ均一であるか又は纏まりを有するように思われる。即ち、導波路の内部容積を通じた音波の伝播は、図４の例によって示されているものほどに乱れたものであるとは思われない。音波の反射は、壁２４において発生しうるが、音波の伝播が図６の例において破壊される程度は、図４の例のもの未満でありうる。むしろ、壁は、波の伝播が相対的に均一である適切な場所において有効焦点ゾーンを生成する方式によって音響エネルギーをガイドすることにおいて有効である。このような最小限の又は低減された反射を伴う均一な波の伝播は、効率的な合焦された音響試料加工を結果的にもたらしうる。いくつかのケースにおいては、システムに対して印加される音響パワーの強度は、試料の全体的な音響加工を改善するように、大幅に強化されている。
【００８４】
音波の崩壊は、音響エネルギーが焦点ゾーン１７を形成するべく収束するのに伴う音響エネルギーの全体的な纏まり及び有効性を制限しうる。その結果、音響焦点ゾーン１７のピーク圧力は、図６の例との比較において、図４の例においては相対的に小さい。従って、焦点ゾーン内において同一のピーク圧力のレベルに到達するべく、音響エネルギーを実質的に円錐形の導波路内に放出するトランスデューサは、同一のトランスデューサがパラボラ形に成形された内部壁を有する導波路内に音響エネルギーを放出している場合よりも、相対的に大きな量のパワー入力を必要としうる。
【００８５】
更には、導波路内における音波の望ましくない構造は、導波路の内部容積内においてキャビテーションを生成しうる。試料内におけるキャビテーションは、しばしば、望ましい場合があるが、音響エネルギーをランダムに偏向させうる導波路の内部容積内の結合流体又は媒体のキャビテーションは、音響加工における非効率性をもたらしうる。
【００８６】
従って、焦点ゾーンが、実質的に、導波路によって定義された内部容積の外部において形成されると共に留まるように、焦点ゾーン１７の中心が配置されることが望ましい場合がある。例えば、導波路内のキャビテーション（例えば、結合媒体のキャビテーション）を低減又は極小化することが望ましいケースにおいては、焦点ゾーンが導波路内の結合媒体１６のキャビテーションを生成しないように、焦点ゾーンが導波路から十分に遠い距離において配置されることが好ましい。
【００８７】
上述のように、図５及び図７は、導波路の出口における基準軸Ｙ２の周りの基準軸Ｚに沿った流体の拡大された圧力分布を動作の際の個々の実施形態ごとに示している。上述のように、これらの図は、音響エネルギーの焦点ゾーン１７の場所及び形状に関する相対的に詳細な情報を提供している。
【００８８】
図７に示されている焦点ゾーンは、長い楕円形の形状を有するものと思われるが、焦点ゾーンは、図５に示されている焦点ゾーンとの比較において、導波路の出口から更に遠く離れるように（基準軸Ｙ２から更に遠く離れるように）配置されている。例えば、図５は、焦点ゾーンの一部分が導波路の内部容積内において配置されるように、位置決めされる焦点ゾーンを示している。このような場合には、１つ又は複数の高圧力領域（「ホットスポット」）が導波路内において生じることにより、導波路の内部容積内における結合媒体のキャビテーションをもたらしうる。
【００８９】
いくつかの用途（例えば、タンパク質抽出、クロマチンせん断、核酸処理、ＦＦＰＥ試料の調製など）の場合には、パラボラ形に成形された導波路によって操作された音響エネルギーを使用した試料加工は、同一の音響エネルギーが円錐形に成形された導波路によって操作される場合によりも、相対的に効率的であることが判明した（例えば、パラフィンからの生物学的試料の分解や核酸のせん断／断片化など）。
【００９０】
上述のように、導波路内における結合媒体のキャビテーションの発生は、音響加工システム内における非効率性をもたらしうる。円錐形導波路によって形成された焦点ゾーン（例えば、図２、図４、図５に示されているもの）が、導波路の内部容積内において物理的に配置された焦点ゾーンの最大で１０％、最大で２０％、或いは、場合によっては、３０％を有しうる場合には、パラボラ形導波路によって形成される焦点ゾーン（例えば、図３、図６、図７に示されているもの）は、実質的に又は完全に、導波路の内部容積の外部に位置しうる。
【００９１】
上述のように、焦点ゾーン１７の中心は、軸Ｙ２によって定義された導波路の出口から任意の適切な距離Ｄにおいて配置されてもよい。いくつかの実施形態においては、焦点ゾーンの中心は、導波路の出口からの焦点ゾーンの中心の距離Ｄが、１５ｍｍ未満、１０ｍｍ未満、５ｍｍ未満、４ｍｍ未満、３ｍｍ未満、２ｍｍ未満、或いは、１ｍｍ未満となるような位置において配置されている。或いは、焦点ゾーンの中心は、導波路の出口からの距離Ｄが、１ｍｍ超、２ｍｍ超、３ｍｍ超、４ｍｍ超、５ｍｍ超、或いは、１０ｍｍ超となるような位置において配置されている。いくつかの実施形態においては、距離Ｄは、焦点ゾーンの幅（例えば、直径）の約１５０％未満、１００％未満、８０％未満、６０％未満、４０％未満、或いは、２０％未満であってもよい。同様に、距離Ｄは、焦点ゾーンの幅（例えば、直径）の約２０％超、４０％超、６０％超、８０％超、１００％超、１５０％超であってもよい。距離Ｄは、上述の上限及び／又は下限のいずれかによって定義された任意の適切な範囲に含まれてもよい。
【００９２】
いくつかの実施形態においては、試料において又はその近傍において、放出された音響エネルギーを適切に収束させるように、導波路に加えて、又は、導波路の代わりに、音響レンズが音響トランスデューサと試料の間において提供されてもよい。音響レンズは、それを通じて伝達された音波が収束し、その結果、音響エネルギーの適切な焦点ゾーンの形成をもたらすように、構築されてもよい（例えば、凸形又は凹型の形状を有してもよい）。音響レンズは、導波路の内部容積の外部又は内部において配置されてもよい。但し、このような音響レンズは、任意の適切な位置において配置されてもよい。
【００９３】
音響レンズは、超音波ビームが、レンズを通じて伝達され、且つ、試料ホルダ内において保持された試料に影響を及ぼす焦点ゾーンを形成するべく収束させられるように、導波路内の開口部を密封閉鎖してもよく、音響エネルギーに対して適切に透明であってもよく、或いは、その他の方法で音響エネルギーを伝達してもよい。いくつかの実施形態においては、音響レンズは、大量の超音波エネルギーを試料に伝達するように構成されてもよく、導波路の壁内における超音波エネルギーの吸収を極小化してもよく、且つ／又は、導波路の内部容積と、例えば、外部の水槽又はその他の結合媒体との間の熱伝達の量を増大させることを支援してもよい。
【００９４】
特定の実施形態においては、音響レンズは、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から製造されてもよい。レンズは、任意の適切な形状又はその他の構成を有してもよく、例えば、フラットであってもよく（或いは、衝突した音響エネルギーに対してその他の方法によって相対的にフラットな表面を提示してもよく）、或いは、半球又はその他の凸状形状を有するように、湾曲していてもよい。特定の実施形態においては、音響レンズは、レンズの物理的形状によって生成される「レンズ」効果（凹状又は凸状の形状によって生成される効果など）を通じて、音響エネルギーを合焦又は脱合焦するなどのように、内部容積との関係において、好適な方式により、音エネルギーをガイドするように成形されている。いくつかの実施形態においては、レンズは、水のものに類似した音響インピーダンスと、相対的に小さな音響吸収と、を有する。１つの好適な材料は、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、及びその他の剛性を有し且つ曲がりやすいポリマーなどのその他のポリマーが使用されてもよい。レンズが薄膜材料から形成されている場合には、膜は、導波路に対する熱結合を促進するべく、ラミネートであってもよい。例えば、音響レンズは、熱封止を使用して導波路に密封装着されてもよい。又、相対的に厚く相対的に剛性の材料が音響レンズ用に利用されてもよい。
【００９５】
本開示の態様は、音響加工の望ましい結果が相対的に大きな試料容積において実現されうるように、合焦された音響エネルギーを利用したプロセスを相対的に大きな容積のバッチ及び連続的なプロセスフローにスケーリングするシステム及び方法との関連において使用されてもよい。超音波列の使用によって実現又は改善されうる望ましい音響加工の結果は、限定を伴うことなしに、試料の加熱、試料の冷却、試料の流動化、試料のミクロン化、試料の混合、試料の撹拌、試料の破壊、試料の成分に対する透過性の付与、ナノエマルジョン又はナノ製剤の形成、試料内の反応の改善、試料の可溶性化、殺菌、すすぎ、抽出、粉砕、触媒作用の適用、及び／又は、試料の少なくとも一部分の選択的な劣化であってもよい。又、音波は、濾過、コンジット内の流体の流れ、及び懸濁液の流動化を改善しうる。本開示によるプロセスは、合成的なものであってもよく、分析的なものであってもよく、或いは、撹拌などのその他のプロセスを単純に促進するものであってもよい。
【００９６】
特定の実施形態においては、音エネルギー供給源は、例えば、「超音波」周波数範囲内の音波を生成する超音波トランスデューサ又はその他のトランスデューサを含んでもよい。超音波は、通常は、約２０，０００Ｈｚ又は２０ｋＨｚである可聴周波数を上回る周波数において始まり、且つ、メガヘルツ（ＭＨｚ）波の領域内に継続している。水中における音響の速度は、約１０００メートル／秒であり、且つ、従って、水中における１０００Ｈｚの波の波長は、約１メートルであり、通常は、直径が１センチメートル未満である個々のエリアにおける特定の合焦のためには、長すぎるが、音場が合焦されていない状況においては、使用可能である。２０ｋＨｚにおいては、波長は、約５ｃｍであり、これは、相対的に小さな加工容器内において、有効である。試料及び容器の容積に応じて、好適な周波数は、例えば、それぞれ、約１．０ｃｍ、０．１ｃｍ、及び０．０１ｃｍの波長を有する約１００ｋＨｚ、約１ＭＨｚ、又は約１０ＭＨｚなどのように、相対的に高いものであってもよい。対照的に、音響溶接を含む従来の音波破砕の場合には、周波数は、通常、約数十ｋＨｚであり、且つ、撮像の場合には、周波数は、更に一般的には、約１ＭＨｚであり、且つ、最大で約２０ＭＨｚである。砕石術においては、パルスの反復レートは、ヘルツの範囲において計測されるように、かなり小さいが、生成されるパルスの鋭さは、最大で約１００〜約３００ＭＨｚの、或いは、０．１〜０．３ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数コンテンツにより、有効なパルス波長を付与し、或いは、このケースにおいては、パルス立ち上がり時間を付与する。
【００９７】
又、本開示の特定の実施形態において使用される周波数は、特定の周波数における試料の、或いは、導波路又はチャンバの、エネルギー吸収特性の影響を受けることになる。特定の周波数が、試料材料により、相対的に良好に吸収されるか又は優先的に吸収されることが好ましい場合がある。エネルギーは、短いパルスの形態において、或いは、定義された時間の長さにわたる連続的なエネルギー場として、供給することができる。パルスは、１つに纏めることも可能であり、或いは、規則的に離隔させることもできる。
【００９８】
ほぼ垂直方向において方向付けされた合焦された超音波ビームは、音響エネルギー供給源により、いくつかの方法によって生成されてもよい。例えば、１．１ＭＨｚの合焦されたシングル要素トランスデューサであってもよいSonic Contepts, Woodinville, Wash.によって供給されるものなどのシングル要素圧電トランスデューサは、焦点軸が垂直方向となるように方向付けられた球形又はその他の湾曲した伝達表面を有することができる。別の実施形態は、上述のように、ほぼ非収束状態である音響エネルギー（即ち、外部の影響なしには収束しない音響エネルギー）を放出するフラットなトランスデューサと、ビームを合焦するための音響レンズ又は適切な導波路と、を使用している。更に別の実施形態は、合焦されたビームを生成するべく、合焦電子回路との関連において、環状アレイなどのマルチ要素トランスデューサを使用している。環状アレイは、電子的なアポダイゼーションにより、即ち、トランスデューサの周辺において、電子的に、或いは、機械的に、音響エネルギー強度を低減することにより、焦点の近傍における音響サイドローブを潜在的に低減することができる。この結果は、トランスデューサのエッジの周りにおいて音響を部分的に遮断することにより、或いは、マルチ要素トランスデューサの外部要素に対する電力を低減することにより、機械的に実現することができる。この結果、エネルギー焦点近傍のサイドローブが低減されることになり、これは、チャンバ又は導波路の加熱を低減するのに有用でありうる。或いは、この代わりに、小さなトランスデューサのアレイを同期化させることにより、収束ビームを生成することもできる。更に別の実施形態は、非収束状態である音響エネルギーを放出するトランスデューサを合焦音響ミラーと組み合わせることにより、合焦されたビームを生成している。この実施形態は、波長がトランスデューサのサイズとの関係において大きい際に、相対的に低い周波数において有利でありうる。この実施形態のトランスデューサの軸は、例えば、水平方向であってもよく、且つ、成形された音響ミラーを使用することにより、音響エネルギーを垂直方向において反射すると共にエネルギーを収束ビームとして合焦してもよい。
【００９９】
特定の実施形態においては、焦点ゾーンは、加工チャンバ／導波路の過熱を回避するべく、加工チャンバ又は導波路の寸法との関係において小さくてもよい。いくつかの実施形態においては、焦点ゾーンは、約１ｍｍの幅を有している。加工チャンバの加熱は、焦点ゾーン近傍の音響サイドローブを極小化することにより、低減することができる。サイドローブは、連続的な波面の肯定的な干渉によって形成される焦点の周りの高音響強度の領域である。サイドローブは、電子的には、相対的に小さな電力においてマルチ要素トランスデューサの外側の要素を動作させることにより、或いは、機械的には、シングル要素トランスデューサの周辺部の周りにおいて音波を部分的に遮断することにより、トランスデューサをアポダイズすることによって低減することができる。又、サイドローブは、例えば、加工プロトコルにおいて、約３〜約５サイクルの範囲の短いバーストを使用することにより、低減してもよい。
【０１００】
トランスデューサは、圧電セラミックなどの圧電材料から形成することができる。いくつかの実施形態においては、セラミックは、エネルギーを合焦する傾向を有する「ドーム」として組み立てられてもよい。但し、本開示の実施形態において提供される「ドーム」又は湾曲した形状の構成は、必須ではなく、例えば、トランスデューサは、音響エネルギーがそれから放出されるフラットな形状を有してもよい。このような材料の１つの用途は、音響再生におけるものであるが、本明細書において使用されている周波数は、一般に、格段に大きく、且つ、圧電材料は、通常は、パルスを鋭くさせるべく、過駆動されることになり、即ち、電圧の変化に対する機械的応答の線形領域を上回る電圧によって駆動されることになろう。通常、いくつかのドームは、例えば、約２０ｃｍ対約１０ｃｍの焦点距離などのように、砕石術において見出されるものよりも長い焦点距離を有する。セラミックドームは、共鳴を防止するべく、減衰させることができる。応答は、過駆動されない場合には、線形である。これらのドームのうちの１つのドームの高エネルギー焦点ゾーンは、通常、葉巻形状である。１ＭＨｚにおいて、焦点ゾーンは、２０ｃｍのドームの場合に、長さが約６ｃｍであり、且つ、幅が約２ｃｍであり、或いは、１０ｃｍのドームの場合には、長さが約１５ｍｍであり、且つ、幅が約３ｍｍである。このようなシステムから得られるピーク正圧力は、駆動電圧に応じて、約１ＭＰａ（メガパスカル）〜約１０ＭＰａの圧力であり、或いは、約１５０ＰＳＩ（ポンド／平方インチ）〜約１５００ＰＳＩであってもよい。焦点ゾーンの境界は、幾何学的焦点の周りに形成される音響強度がピーク音響強度の約６ｄＢ以内であるところにおいて判定されうる。
【０１０１】
波長、或いは、衝撃波の音響速度によって乗算された特性立ち上がり時間は、例えば、約１０〜約４０ミクロンなどのように、生物細胞と同一の一般的なサイズ範囲内である。この有効波長は、パルス時間及び振幅の選択により、供給源と加工対象の材料の間の境界面を通じて維持される合焦の程度及びこれに類似したものだけ、変化させることができる。
【０１０２】
合焦された音響圧力波の別の供給源は、砕石術において使用されているように、電磁トランスデューサ及びパラボラ形コンセントレータである。このような装置の励起は、類似の又は相対的に大きな焦点領域に伴って、相対的に強力なものとなる傾向を有する。約−１６ＭＰａの強力な焦点ピーク負圧力が観察された。この大きさのピーク負圧力は、水中におけるキャビテーション気泡の供給源を提供し、これは、抽出プロセスにおいて望ましいものである場合がある。
【０１０３】
音響エネルギーによって材料を加工するための加工プロトコルの１つは、望ましい効果を実現するべく試料の運動及び位置決めと組み合わせられたトランスデューサ及び導波路構成から生成された可変音響波形を含むことができる。トランスデューサと導波路の組合せの結果として得られるエネルギーの音響波形は、キャビテーションに起因したセル内の又はその近傍の音響マイクロストリーミング、即ち、例えば、キャビテーション気泡の潰れによって誘発される流れ、流体槽の非線形特性に起因した衝撃波、キャビテーション気泡に起因した衝撃波、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起因した対流による熱伝達をもたらす熱効果、せん断及び音響圧力に起因した焦点ゾーンからの試料材料の偏向のみならず、音響ストリーミングに、即ち、音響圧力によって誘発される流れに、起因した混合をももたらす流れの効果、並びに、化学的効果を含む多くの効果を有しうる。合焦された音響波の波形は、単一の衝撃波パルス、一連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連の衝撃波バースト、或いは、連続的な波形であってもよい。入射波形は、合焦されたセラミック圧電超音波トランスデューサなどの単一要素により、或いは、焦点に収束するその経路を有する複数の要素のアレイにより、直接的に合焦することができる。或いは、この代わりに、複数の焦点を生成することにより、超音波加工を複数の加工ゾーン、容器、又は井戸に対して提供することもできる。或いは、この代わりに、処理チャンバ／導波路内への又はこれら外部への試料材料の流れは、音響効果と相互作用することが可能であり、且つ、音響ストリーミングを変更することにより、この試料の流れを望ましい方式によって改善することもできる。
【０１０４】
加工プロトコルは、熱及び流れの効果を極小化しつつ、エネルギー伝達を極大化するように、最適化することができる。又、加工プロトコルは、液体中における懸濁した粒子状試料の場合には、試料ホルダ内において内容物を効果的に混合することもできる。試料内へのエネルギー伝達は、周波数、振幅、及びサイクル／バーストなどの音波のパラメータを調節することにより、制御することができる。試料内の温度上昇は、加工のデューティサイクルを制限することにより、且つ、導波路又は試料ホルダと結合媒体の間の熱伝達を最適化することにより、制御することができる。熱伝達は、相対的に高度な熱伝導性を有する材料の薄い壁によって導波路又は試料ホルダを製造することにより、且つ／又は、導波路及び流体槽内の音響ストリーミングによる強制的な対流を促進することにより、改善することができる。更には、導波路及び／又は試料ホルダは、例えば、フィン、能動的にポンピングされるウォータジャケット、及び／又は高度な伝導性を有する容器材料により、増大された面積などの改善された表面加工を提供することにより、試料と外部環境の間の熱結合を改善するように変更することもできる。
【０１０５】
音響エネルギー供給源の制御は、処理の精度、再現性、速度、温度の制御、音パルスに対する曝露の均一性の提供、処理の完了の程度の検知、キャビテーションの監視、及びビーム特性（合焦の強度、周波数、程度、波列パターン、及び位置を含む）の制御のうちのいずれかが、加工システムの性能を改善しうるように、フィードバック制御メカニズムを使用するシステム制御ユニットにより、実行されてもよい。様々なセンサ又は検知された特性は、フィードバック制御用の入力を提供するべく、コントローラによって使用されてもよい。これらの特性は、試料材料の温度の検知、音ビームの強度、圧力、温度、塩分、極性を含む結合媒体の特性、試料材料の位置、導電性、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的な均等物、並びに、試料材料の光学的又は視覚的特性を含むことができる。可視、ＩＲ、及びＵＶ範囲内において通常はセンサによって検出されうるこれらの光学的な特性は、知覚色、放射、吸収、蛍光、燐光、散乱、粒子サイズ、レーザー／ドップラー流体及び粒子速度、及び有効粘度を含みうる。試料の完全性及び／又は粉砕は、センサからの光学的信号のパターン分析によって検知することができる。粒子サイズ、可溶性レベル、物理的均一性、及び粒子の形態は、いずれも、流体を完全にスタンドアロンでサンプリングすると共にフィードバック信号を提供する、或いは、光学ウィンドウなどの計測インターフェイスポイントを介して合焦された音響システムと直接的に統合された、計器計測を使用することにより、計測されうるであろう。任意の検知された特性又はその組合せは、制御システムに対する入力として機能することができる。フィードバックは、例えば、ビームの特性、チャンバ内における試料の位置又は流れ、加工の持続時間、及び反射を介した境界における又は移動中におけるエネルギーの損失、散乱、回折、吸収、脱位相、及び離調などのシステムの任意の出力を制御するべく、使用することができる。
【０１０６】
本開示の特定の実施形態によれば、加工システムのいくつかの態様は、再現性、均一性、及び正確な制御が望ましい体外用途において、超音波エネルギーを使用することにより、特定の加工の再現性及び／又は有効性を改善することができる。これらの態様は、フィードバックの使用法、超音波エネルギーの正確な合焦、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、及びサイクル／バーストを含む）、試料材料が均一に加工されるような超音波エネルギーとの関係におけるチャンバ／導波路の位置決め、処理ステップにおける超音波エネルギーの焦点との関係における試料の運動又は流れの制御、並びに／或いは、超音波エネルギーパラメータによる、或いは、水槽などの温度制御装置の使用を通じた、加工対象の試料の温度の制御を含む。加工プロトコルは、例えば、望ましくない熱の影響を極小化しつつ、せん断、抽出、透過性の付与、粉砕、撹拌、又はその他のプロセスステップを極大化させるべく、上述の変数のうちの１つ又は組合せを使用することにより、最適化することができる。
【０１０７】
本開示の一実施形態においては、高強度超音波エネルギーは、チャンバ／導波路の内部容積内において合焦されており、且つ、プロセスを制御するべく、１つ又は複数のプロセス変数に関係した「リアルタイム」フィードバックが使用されている。別の実施形態においては、プロセスは、自動化されており、且つ、任意選択によってセグメント化された加工対象材料の連続的な流動ストリームなどの高スループットシステム内において使用されている。
【０１０８】
光学又はビデオ検出及び分析を利用することにより、試料の加工を最適化することができる。例えば、生物組織の懸濁液中においては、混合物の粘度は、加工による且つ／又は溶液中への高分子の解放による粒子の減少に起因し、加工の際に増大しうる。加工の際の試料のビデオ分析により、加工プロトコルによってもたらされる混合の自動化された評価が可能となる。この評価の結果として、加工の際にプロトコルを変更することにより、相対的に高度な混合又は処理を促進してもよい。加工プロセスを制御しているコンピュータ制御システム（即ち、コントローラの一部分）により、ビデオデータを取得及び分析してもよい。又、スペクトル励起、吸収、蛍光、放出、及びスペクトル分析などのその他の光学的計測を使用することにより、チャンバ内であるのか又はチャンバの上流又は下流の流路内であるのかを問わず、試料の加工を監視することができる。例えば、アライメントのために、且つ、現在の試料の位置を通知するべく、レーザービームを使用することができる。特定の実施形態においては、チャンバ／導波路内のウィンドウを通じて、視覚的又は光学的検出を実行することができる。このウィンドウは、チャンバ／導波路の上部又は下部ウィンドウであってもよく、容器の側部自体に統合された視覚的ウィンドウであってもよく、或いは、移送チューブ又は試料リザーバに統合されたウィンドウであってもよい。
【０１０９】
特定の用途は、処理されている試料の温度が、処理の際に、管理及び制御されることを必要としている。例えば、多くの生物学的試料は、加工の際に、摂氏４度超に加熱されてはならない。その他の用途は、試料が、加工の際に、特定の上昇した温度において維持されることを必要としている。超音波加工プロトコルは、試料の温度にいくつかの方法で影響を及ぼすことになり、試料は、音響エネルギーを吸収し、且つ、その音響エネルギーを熱に変換し、試料加工チャンバは、音響エネルギーを吸収し、且つ、その音響エネルギーを熱に変換し、この熱が、今度は、試料を加熱する可能性があり、且つ、音響ストリーミングが、試料加工チャンバ及び結合媒体内において発生し、これにより、試料加工チャンバと結合媒体の間における対流による熱の転送が強制的に発生する。
【０１１０】
音波又は音パルスを使用することにより、加工チャンバ内における溶液の温度を調節することができる。低パワーにおいては、音響エネルギーは、顕著な加熱を伴うことなしに、低速の撹拌を生成する。エネルギーは、撹拌を誘発するように吸収されるが、熱は、加熱チャンバの側部を通じて迅速に失われ、これにより、試料内における無視可能な平衡温度の増大を結果的に得ることができる。相対的に大きなエネルギーにおいては、相対的に多くのエネルギーが吸収され、且つ、温度が上昇する。単位エネルギー入力当たりの上昇の程度は、試料又は加工チャンバによる熱吸収の程度及び加工チャンバからその周辺（例えば、結合媒体）への熱伝達のレートを含むいくつかの特性により、影響を受けうると共に／又は、制御することができる。更には、加工プロトコルは、望ましい効果が得られる大きなパワーが供給される加工インターバルと、音響ストリーミング及び対流が大きな熱生成を伴うことなしに実現される低パワーの混合インターバルと、を交互に変化させてもよい。この対流を使用することにより、効率的な熱交換又は冷却を促進してもよい。
【０１１１】
試料温度が、加工手順において、所与の温度範囲内に留まることが必要とされる場合がある。温度は、例えば、赤外線センサにより、遠隔監視することができる。熱電対などの温度プローブは、すべての用途に特に良好に適しているというわけではなく、その理由は、音響ビームが、熱電対と相互作用し、これにより、プローブの近傍において人工的な高温を生成しうるからである。温度は、音響波形を制御している同一のコンピュータにより、監視することができる。制御は、試料の計測された実際の温度と試料のターゲット温度の間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のヒステリシスバングバングコントローラであってもよく、この場合に、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過した際に、ターンオフされ、且つ、実際の温度が、第１ターゲット温度未満である第２ターゲット温度未満に低下した際に、ターンオンされる。更に複雑なコントローラを実装することができる。例えば、音響信号を単純にターンオン／オフするのではなく、相対的に微細な温度調節を提供するべく、例えば、振幅又はデューティサイクルを変化させることにより、誤差信号に比例するように音響信号を連続的に変調させることができよう。
【０１１２】
複数試料フォーマット用のバングバング制御アルゴリズムの用途においては、最大温度値を超過し、且つ、音エネルギーが、特定の試料についてターンオフされたら、音エネルギーが再度ターンオンされる前に試料が選択された温度未満に冷却されることを待つことに代わる選択肢は、次の試料に移動するか、或いは、加工チャンバ内への新しい試料材料の流量を増大させる、というものである。別の代替肢は、大量の熱を特定の試料に追加することなしに対流を促進する予め定義された「冷却」波形に切り替え、且つ、このサイクルをチャンバに対する新しい試料材料の導入と同期化させる、というものである。
【０１１３】
いくつかの用途においては、試料内におけるキャビテーションを生成することなしに、可能な限り大きなエネルギーにより、試料を加工することが好ましい場合がある。この結果は、キャビテーションを抑圧することにより、実現することができる。いくつかのケースにおいては、試料内のキャビテーションは、周辺を上回る、しばしば「過圧力」と呼称される、負圧力が音波の希薄化フェーズにおいて発生しないところまで加工チャンバを加圧することにより、抑圧することができる。このキャビテーションの抑圧は、望ましい効果が、生存可能な細胞を維持しつつ、細胞膜を開放するというものである細胞形質転換などの用途において有益でありうる。その他の用途においては、試料内のキャビテーションを改善することが望ましい場合がある。これらの用途においては、「負」の過圧力又は真空を焦点ゾーンの領域に印加することができる。
【０１１４】
又、試料内のキャビテーションの制御は、音響加工プロセスにおいても重要である場合がある。いくつかのシナリオにおいては、わずかな量のキャビテーションの存在が、生物化学的プロセスを改善するべく、望ましい場合があるが、多数のキャビテーション気泡が存在する際には、それらのキャビテーション気泡が、ターゲットに到達する前に、音響を散乱させ、これにより、試料を事実上遮蔽する可能性がある。
【０１１５】
但し、いくつかのケースにおいては、試料ホルダの外部において導波路によって定義された空間内のキャビテーションは、音響試料加工における非効率性をもたらしうる。例えば、このようなキャビテーションは、適切な場所における焦点ゾーンの形成を破壊する場合があり、或いは、望ましくない音響エネルギーの浪費をもたらす場合がある。
【０１１６】
キャビテーションは、音響的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。音響による検出の一例は、キャビテーション気泡からの音響放出を検出する外部トランスデューサを含む受動型キャビテーション検出器（passive cavitation detector：ＰＣＤ）である（即ち、ＰＣＤは、チャンバ／導波路の外部に位置してもよく、例えば、ＰＣＤは、結合媒体内に配置されてもよい）。ＰＣＤからの信号は、例えば、低域通過フィルタによって後続されるピーク検出器を使用することにより、フィルタリングすることが可能であり、且つ、次いで、制御しているコンピュータにキャビテーション活動の尺度として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望ましいレベルに維持するべく、温度制御の例において記述されているものに類似した方法により、調節することができよう。
【０１１７】
又、音エネルギーの放出、音エネルギーの特性、及び／又は音エネルギーとの関係におけるターゲットの場所の制御を使用することにより、特に、キャピラリー内において、液体をポンピングし、且つ、その流量を制御することが可能であり、２次反応レートの改善などのように、化学反応を改善することが可能であり、流体の流れにおける有効レイノルズ数を増大させることが可能であり、且つ、半固体物質の供給を制御することができる。
【０１１８】
音エネルギーを合焦し、且つ、これをチャンバの壁又は流路内の別の不連続性の近傍において位置決めすることにより、試料及び／又は空間的に導出された反応障壁内における、特に、反応及び流動システム内における、材料分布の多数の局所的な差を微細な拡散に必要とされる最小遅延に低減することができる。換言すれば、不完全な混合が一般的である状況において、改善された混合を得ることができる。
【０１１９】
コントローラは、上述の望ましい制御、通信、及び／又はその他の機能を実行するべく、任意の適切なコンポーネントを含んでもよい。例えば、コントローラは、データ処理機能を実行するための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、１つ又は複数のマイクロプロセッサなど、データ及び／又は動作命令を保存するための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、又はディスクメモリなどのような揮発性及び／又は不揮発性メモリを含む）、有線又は無線通信用の通信バス又はその他の通信装置（例えば、様々なワイヤ、スイッチ、コネクタ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ通信装置、ＷＬＡＮ通信装置などを含む）、ソフトウェア又はその他のコンピュータ実行可能命令（例えば、上述の音響エネルギー供給源など又はその他のコンポーネントの制御に関係した機能を実行する命令を含む）、電源又はその他の電力供給源（電気コンセントと結合するプラグ、電池、変圧器などのようなもの）、リレー及び／又はその他のスイッチング装置、機械的リンク構造、１つ又は複数のセンサ又はデータ入力装置（チャンバ／導波路内の材料の温度及び／又は存在を検出するセンサ、チャンバ／導波路及びその他のコンポーネントに関する画像情報をキャプチャ及び分析するためのビデオカメラ又はその他の撮像装置、音響トランスデューサ及び／又は試料ホルダの位置を通知する位置センサなどのようなもの）、ユーザーデータ入力装置（ボタン、ダイアル、ノブ、キーボード、タッチスクリーン、又はその他のものなど）、情報表示装置（ＬＣＤディスプレイ、インジケータライト、プリンタなどのようなもの）、及び／又は望ましい入力／出力及び制御機能を提供するその他のコンポーネントを含んでもよい。
【０１２０】
以上、様々な例示用の実施形態を参照し、本発明の態様について説明したが、このような態様は、記述されている実施形態に限定されるものではない。従って、当業者には、記述されている実施形態の多くの代替肢、変更、及び変形が明らかとなることが明白である。従って、本明細書において記述されている実施形態は、限定ではなく、例示を目的としたものであると解釈されたい。本発明の態様の精神を逸脱することなしに、様々な変更が実施されうる。
【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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【国際調査報告】
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