ИНДУЦИРОВАННАЯ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫМ ФОКУСИРОВАННЫМ УЛЬТРАЗВУКОМ КАВИТАЦИЯ С УМЕНЬШЕННЫМ ПОРОГОМ МОЩНОСТИ
CAVITATION INDUCED BY HIGH-INTENSITY FOCUSED ULTRASOUND WITH REDUCED POWER THRESHOLD

Перекрестные ссылки на родственные заявки
По настоящей заявке испрашивается приоритет по Европейской заявке на патент ЕР09157849, поданной 14 апреля 2009, описание которой полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к акустическим устройствам для индукции кавитации. В частности, изобретение относится к устройству для подвергания пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе, картриджу для устройства для подвергания жидкой пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе, системе для подвергания жидкой пробы воздействию жидкой пробы воздействию акустической энергии, элементу компьютерной программы, машиночитаемому носителю информации и способу для подвергания жидкой пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе.
Уровень техники изобретения
Высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (HIFU) все больше используется в области применений молекулярных устройств для преодоления проблем известных технологий, обрабатывающих пробы. Посредством акустической энергии, сфокусированной на пробе, могут быть вызваны сонофизические или сонохимические реакции целесообразным образом. Более того, в последнее время был выполнен прогресс во многих аспектах устройств пробы на входе результата на выходе, также известных как системы полного микроанализа или лаборатория на чипе. Например, объединение и миниатюризация приводит к системам, требующим относительно небольшой допустимый риск загрязнения пробы, высокую чувствительность и короткое время цикла испытания и низкую стоимость испытаний. Более того, между введением пробы и получением результатов требуется минимальное вмешательство оператора. Вмешательства оператора могут быть выполнены относительно неквалифицированными операторами и смягчать требования к рабочей среде.
Кавитация определяется как явление образования пузырьков пара жидкой внутренней области, когда давление жидкости падает ниже давления ее пара. В молекулярных анализирующих устройствах кавитация может быть использована для достижения лизиса клеток внутри пробы, которая подлежит обработке HIFU, но к тому же обработкой HIFU могут быть выполнены другие функции, например смешивание, сжижение. В пределах известных технологий смешивающие и лизирующие функциональные возможности обработки требуют различных уровней мощности, что может затруднять объединение обеих в одной единственной камере. Для обеспечения высокомощных систем используются большие преобразователи, при этом может применяться охлаждающая жидкость, чтобы избегать чрезмерное нагревание.
Сущность изобретения
Задачей изобретения может быть обеспечение обработки пробы HIFU с использованием уменьшенной мощности.
Определения и аббревиатуры:
Отметим, что в контексте описания этого изобретения будут использованы следующие определения и аббревиатуры:
Высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (HIFU):
Выражение «HIFU» будет использоваться в контексте изобретения в качестве фокусированной акустической области с номинальными частотами в диапазоне 0,2-10 МГц с амплитудами, выбранными достаточно целесообразными для создания ударной волны высокого давления и/или кавитации в фокусной зоне. Размеры фокальной зоны (длина и диаметр) зависят от типа преобразователя источника (например, естественная фокусировка плоскими или принудительная фокусировка коническими/сферическими преобразователями источника). Масштаб длин для указанного диапазона частот примерно (суб)миллиметровый.
Система пробы на входе результата на выходе:
Система, которая принимает (например, биологическую) пробу, выполняет все требуемые подготовительные этапы по подготовке к обнаружению любых видов явлений, проводит обнаружение и получает результаты обнаружения. Например, может быть обеспечено устройство для молекулярного анализа проб, как, например, крови или других клеток, которое обеспечивает все необходимые этапы анализа от подачи натуральной необработанной пробы до получения результата анализа.
Граница раздела/Среда границы раздела:
В контексте описания изобретения траектория распространения акустической энергии может состоять из нескольких компонентов, таких как источника, полностью твердого соединителя и картриджа. Для того чтобы описать транзиции или области, где эти различные элементы траектории распространения приходят в физический контакт друг с другом, используются выражения «граница раздела» и «среда границы раздела». Например, если соединитель физически контактирует с картриджем, среда границы раздела соединителя описывает материал, используемый в соединителе в пределах области соединителя, пришедшего в контакт с картриджем.
Устройство:
Выражение «устройство» в контексте изобретения включает молекулярные диагностические устройства, так же как и другие устройства. Применяться эти устройства могут, например, в здравоохранении/биологии, пищевой промышленности, ветеринарной практике и в практике судебной экспертизы.
Проба:
Особо отметим, что выражение «проба» может содержать пробы для молекулярного анализа, обрабатываемые устройством согласно настоящему изобретению. Например, кровь, выращенная кровь, моча, аспират, пробы с вязкостью, подобной вязкости воды, гетерогенные пробы или пробы на носителе, например BAL, слюна, трахеальный аспират, CSF, тампон и/или помазок с патогеном. Все же это не означает, что любой другой вид материи, твердый, жидкий, газообразный или любая их совокупность не может быть пробой и не подвергается воздействию фокусированной акустической энергии согласно изобретению.
Обработка пробы:
Выражение «обработка» или «обрабатывание» используется в контексте изобретения для описания взаимодействия фокусированной акустической энергии с пробой. С помощью HIFU в пробе вызываются различные сонохимические и/или сионофизические реакции для обеспечения функциональных возможностей, таких как, например, смешивание, выдача, перемешивание, элюирование из тампонов или щеток, сжижение, лизинг или освобождение клетки.
Согласно примерному варианту выполнения изобретения представлено устройство для подвергания жидкой пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе. Это устройство содержит источник для испускания высокоинтенсивных ультразвуковых волн. Более того, устройство выполнено с возможностью вмещать картридж. Например, устройство содержит принимающую секцию для вмещения картриджа. Картридж содержит жидкую пробу и границу раздела жидкость-воздух. Более того, устройство фокусирует высокоинтенсивные ультразвуковые волны так, что создается фонтан жидкости над границей раздела жидкость-воздух внутри картриджа, когда картридж вмещен в устройство, например во вмещающую секцию.
Другими словами, устройство объединено с картриджем, который не является проточным картриджем, но обеспечивает в первую очередь жидкую пробу и во вторую очередь объем воздуха над жидкой пробой. Таким образом, внутри картриджа представлен промежуточный слой между жидкой пробой и объемом воздуха. Устройство к тому же выполнено с возможностью вмещения картриджа во вмещающей секции, чтобы формировать траекторию распространения высокоинтенсивных ультразвуковых волн, исходящих от источника к картриджу, а значит к жидкой пробе.
Фокусирование, которое создает фонтан, может быть выполнено различными путями. Например, устройство может фокусировать прямо на границу раздела жидкость-воздух, но также может фокусировать ниже границы раздела в жидкую пробу или выше границы раздела и поэтому может фокусировать в объем воздуха, который обеспечен картриджем над границей раздела жидкость-воздух. Все эти варианты выполнения можно отнести к категории «фокусирования на границе раздела жидкость-воздух». Важным аспектом из всевозможных вариантов фокусирования является то, что создается фонтан. Капли фонтана, возвращающиеся от фонтана в жидкую пробу, могут индуцировать кавитацию внутри жидкой пробы. Капли, возвращающиеся в жидкость, могут образовывать небольшие пузырьки воздуха и/или воздушные пленки, которые, в свою очередь, могут быть отправной точкой для кавитации. Чтобы быть более точными, примерные варианты выполнения фокусирования будут описаны подробно далее.
Касательно первого примерного варианта выполнения фокусирования, для случая, в котором фокальная длина источника и/или возможных фокусирующих элементов, как например линз, больше расстояния от источника до границы раздела жидкость-воздух, мнимая фокусная точка находится выше границы раздела жидкость-воздух, а значит в объеме воздуха в картридже. Для этого условия образование фонтана может быть легко получено. В этом случае определенное количество волн HIFU, распространяющихся от источника до границы раздела жидкость-воздух, не передается в объем воздуха над этой границей раздела, а отражается обратно в пробу. При этом обратно отраженные волны HIFU более или менее сфокусированы на границе раздела жидкость-воздух. Особо отметим, что этот способ фокусирования, а именно обеспечение для промежуточной фокальной области или промежуточного фокального пятна в объеме воздуха над границей раздела жидкость-воздух, будет включен при описании изобретения. Фокусирование выполняется за счет обратного отражения на границе раздела жидкость-воздух, как описано выше. Важный аспект изобретения состоит в том, что устройство фокусирует волны HIFU на границу раздела жидкость-воздух таким образом, что создается фонтан. Это может уменьшать порог мощности, требуемой для кавитации.
Конечно, прямое и точное фокусирование волн HIFU на границу раздела жидкость-воздух возможно в качестве второго примерного варианта выполнения фокусирования волн HIFU устройством. Это может также создавать фонтан, уменьшающий порог мощности. Когда устройство фокусирует испускаемые волны HIFU на границу раздела жидкость-воздух с достаточно высокой мощностью, фонтан создается в фокальной зоне фокусируемых волн HIFU.
Далее будет описан третий примерный вариант выполнения фокусирования волн HIFU устройством. В случае, когда фокальная длина источника и/или возможных фокусирующих элементов, как например линз, короче расстояния от источника до границы раздела жидкость-воздух, фокусная точка или фокальное пятно может находиться в жидкой пробе. Она может быть примерно равна расстоянию от фокального пятна или фокальной зоны до границы раздела жидкость-воздух, которое может изменяться в диапазоне 1-2 см, причем фокальная зона находится ниже границы раздела жидкость-воздух внутри жидкости в картридже. При этом важным аспектом является то, что это фокусирование, имеющее фокальное пятно немного ниже границы раздела жидкость-воздух, создает фонтан и поэтому уменьшает порог мощности, требуемый для кавитации в пробе.
Более того, особо отметим, что выражение «фокальная длина» не должно вводить в заблуждение, так как оно предполагает точечный фокус. В реальности форма фокуса может изменяться от точки до цилиндрообразной (для слабофокусирующего изогнутого источника или нормально фокусирующего плоского источника). Важно отметить, что с помощью слабофокусирующего или слабофокусирующих источников фонтаны могут быть образованы в пределах значительно большего диапазона высот жидкости. Следует также отметить, что для потребляемых мощностей большего источника расстояние до границы раздела жидкость-воздух, которая представляет собой поверхность жидкости, может быть увеличено, что позволяет обрабатывать или перерабатывать больший объем в картридже волнами HIFU.
Другими словами, представлено устройство для молекулярной диагностики с возможностью обеспечивать кавитацию с уменьшенным порогом мощности. Возвращающиеся капли фонтана, созданного фокусированными волнами HIFU, таким образом действуют в качестве признаков зародышеобразования внутри пробы. Другими словами этот примерный вариант выполнения изобретения не использует однородную кавитацию, которую могут создавать известные технологии. Этот примерный вариант выполнения изобретения использует неоднородную кавитацию, так как кавитация внутри жидкой пробы индуцируется устройством путем создания фонтана за счет фокусирования.
Другими словами, этот примерный вариант выполнения настоящего изобретения избегает индукции кавитации за счет стенки камеры картриджа.
Учтем факт того, что устройство фокусирует таким образом, что вызывается фонтан, причем фонтан, в свою очередь, вызывает капли, возвращающиеся в жидкость в качестве элементов зародышеобразования, приводящих к уменьшенной мощности, которая необходима для создания кавитации в жидкой пробе. Другими словами, фокусирование волн HIFU во время, например обработки, предварительной обработки или лизиса жидкой пробы, приводит к возможности использовать волны HIFU с уменьшенными энергией и мощностью. Это может привести к преимуществу в использовании меньших преобразователей или источников. К тому же, можно не использовать охлаждающую жидкость, так как нагревание в связи с поглощением волн HIFU может быть также уменьшено, так как может быть возможным использование уменьшенной мощности. Более того, создается возможность использовать соединяющее средство и передающее средство для волн HIFU, которые являются твердотельными материалами. Это означает, что волны HIFU могут передаваться поперечно сухим границам раздела при распространении от источника до пробы. Это может также быть возможным в связи с уменьшением мощности используемых волн HIFU, так как к тому же уменьшается и абсорбция внутри этих средств до значения, которое не приводит к плавлению и/или деградации.
Более того, может быть достигнута более высокая степень миниатюризации за счет возможности использовать меньшие преобразователи или источники, при этом может быть дополнительно снижена сложность устройства. В дополнение к этому может обеспечиваться возможность использовать материалы на полимерной основе в качестве материалов картриджа, так как поглощение картриджем волн HIFU может быть уменьшено за счет использования волн HIFU с уменьшенной мощностью.
Это означает, что картридж может быть образован из материала, выбранного из группы, содержащей полиэтилен, полипропилен, полиэтиленовый терефталат, полиметилпентен, полиметилметакрилат, поликарбонат, полистирен, материал на полимерной основе и любую их комбинацию. В дополнение к этому, картридж может иметь одну из следующих характеристик: одноразовость, расходуемость, удаляемость, может содержать одну камеру или много камер, может содержать одну пробу или много проб, промышленная применимость.
Эти вышеуказанные преимущества могут приводить к снижению стоимости устройства и миниатюризации устройства и/или картриджа. Более того, риск загрязнения пробы жидкостями из охлаждающей ванны исключается, так как охлаждающая ванна уже не требуется.
Более того, отметим, что для лизирующих клеток, которые представлены в жидкой пробе может потребоваться кавитация. Уменьшением минимальной мощности, необходимой для создания кавитации, как описано выше, теперь устройство позволяет использовать конструкцию одного устройства с относительно небольшим источником, использующим уменьшенные значения мощности, при которых могут быть выполнены смешивание и лизис.
Так как минимальная мощность, необходимая для создания кавитации в жидкой пробе, уменьшается устройством в картридже, изготовленном из полимерного материала как, например полиэтилена, эпоксида или силикона, могут быть выполнены смешивание и лизис. Плавление и/или деградация картриджа может быть исключена этим примерным вариантом выполнения изобретения, так как используемая мощность может быть уменьшена. Поэтому рабочая камера на полимерной основе, представляющая собой картридж, может быть частью полной системы пробы на входе результата на выходе, использующей расходуемые картриджи. Это может уменьшать стоимость измерений, выполняемых с пробой.
Другими словами этот примерный вариант выполнения изобретения преодолевает недостатки известных технологий, стенка картриджа которых или рабочая камера объединяет две функции, в первую очередь - защиту жидкой пробы и во вторую очередь -  индукцию кавитации. В отличие от известных технологий в этом примерном варианте выполнения изобретения защита жидкой пробы и индукция кавитации в жидкой пробе выполнены отдельно. Защита выполнена камерой, а индукция кавитации выполнена за счет фокусирования на границу раздела жидкость-воздух, что вызывает фонтан, уменьшающий порог мощности для индукции кавитации.
Особо отметим, что в любом варианте выполнения изобретения образование кавитации может зависеть от мощности источника HIFU.
Более того, устройство может быть выполнено таким образом, что когда устройство запускается, это устройство автоматически регулирует несколько различных параметров таким образом, что создается фонтан. Примерными параметрами могут, например, быть мощность источника, положение фокального пятна и/или форма фокального пятна.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения в устройстве содержится элемент зародышеобразования для уменьшения минимальной мощности, необходимой для создания кавитации в жидкой пробе, причем капля фонтана, возвращающаяся из фонтана в жидкую пробу, является элементом зародышеобразования.
Важным аспектом всех возможных вариантов фокусирования является то, что создается фонтан. Капли фонтана, возвращающиеся из фонтана в жидкую пробу, могут индуцировать кавитацию внутри жидкой пробы. Эти капли, возвращающиеся в жидкость, могут образовывать небольшие пузырьки воздуха и/или воздушные пленки, которые, в свою очередь, могут быть отправной точкой для кавитации.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения в устройстве содержится блок управления для управления положением фокуса высокоинтенсивных ультразвуковых волн.
Блок управления может, например, размещать устройство в отношении картриджа и в связи с этим может управлять трехмерной позиционирующей системой, которая также может содержаться в устройстве. Позиционирующая система может также определять положение картриджа. При этом важным аспектом положения фокуса является то, что когда требуется кавитация внутри жидкой пробы, например с использованием клеток, положение фокуса размещено на границе раздела жидкость-воздух, как описано выше.
При этом особо отметим, что образование фонтана может зависеть от геометрии фокального пятна используемых высокоинтенсивных ультразвуковых волн HIFU. Оно также может зависеть от мощности HIFU.
При этом, фонтан создается волнами HIFU таким образом, что части жидкой пробы поднимаются или переносятся из жидкой пробы в объем воздуха над жидкой пробой. Другими словами, картридж выполнен таким образом, что он обеспечивает минимальную высоту объема воздуха внутри картриджа над границей раздела жидкость-воздух, причем минимальная высота объема воздуха позволяет развиваться фонтану, уменьшающему порог мощности.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения устройство выполнено с возможностью лизинга клеток кавитацией внутри жидкой пробы.
Другими словами, подверганием жидкой пробы воздействию высокоинтенсивных ультразвуковых волн могут быть выполнены предварительная обработка, а также лизирование пробы или компонентов пробы, с помощью одного и того же устройства и с помощью одного и того же картриджа, тем самым предварительно обрабатывая жидкость высокоинтенсивными ультразвуковыми волнами, причем предварительная обработка выполняется с помощью способа, выбранного из группы, содержащей смешивание с реагентом, циркуляцию, освобождение клетки, патоген и матрицу тампона, аффекцию, инкубацию жидкости с реагентом при комнатной температуре или повышенной температуре, вибрацию, смешивание, управление, эктсракцию и экстракцию нуклеиновых кислот, генерирование потока, гомогенизирование жидкости, отделение центрифугированием и любую их совокупность. Другими словами, между двумя этапами смешивания и лизинга увеличение мощности источника может быть исключено этим примерным вариантом выполнения изобретения.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения вмещение картриджа в устройство обеспечивает полностью сухое соединение высокоинтенсивных ультразвуковых волн между устройством и картриджем, когда картридж вставлен во вмещающую секцию. Например, вмещающая секция может содержаться в устройстве, чтобы обеспечивать такое сухое соединение.
Другими словами, может быть предоставлена возможность обеспечивать траекторию распространения для волн HIFU, которая частично содержит жидкий материал или частично содержит твердотельные материалы. Например, может быть использована гибкая фольга, чтобы образовывать среду границы раздела между жидкой соединяющей средой и картриджем, который может быть изготовлен из полимера. Этот примерный вариант выполнения изобретения объединяет преимущество жидкого соединителя, имеющего акустические свойства с малым затуханием, и упругости фольги, выполняемой в форме картриджа на полимерной основе для достижения целесообразного соединения волн HIFU с картриджем и пробой. В дополнение к этому внешняя поверхность устройства является полностью сухой, а фольга полностью покрывает жидкость. Таким образом, риски загрязнения могут быть сокращены. Более того, в случае утечки из картриджа эта утечка может быть устранена очень быстро, так как присутствие жидкости в соединяющей среде может быть исключено, так как она обернута.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения устройство дополнительно содержит полностью твердый соединитель для по меньшей мере частичного переноса высокоинтенсивных ультразвуковых волн от источника до картриджа, когда картридж вмещен в устройство. Например, вмещающая секция устройства может вмещать картридж.
Другими словами, этот примерный вариант выполнения изобретения создает возможность в полной мере использовать твердотельные материалы для переноса волн HIFU от источника к пробе. Поэтому риски загрязнения жидких соединителей и пробы исключаются, так как соединяющая жидкость исключена. В случае утечки картриджа, она может быть однозначно обнаружена, так как жидкость для соединения отсутствует. Это может облегчать выполнение измерений с помощью устройства. Более того, это может уменьшать стоимость выполнения измерений с помощью устройства.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения устройство дополнительно содержит по меньшей мере один из: блока экстракции, блока амплификации нуклеиновой кислоты, блока хранения реагента, измерительного блока для измерения физического параметра жидкой пробы, причем устройство выполнено с возможностью анализа жидкой пробы, основываясь на измеренном физическом параметре. Согласно этому варианту выполнения устройство может содержать, например: блок экстракции; блок экстракции и блок амплификации нуклеиновой кислоты; блок экстракции, блок амплификации нуклеиновой кислоты и измерительный блок. В каждом из таких вариантов блок хранения реагента может быть представлен в дополнение к элементам каждого варианта, перечисленного в предыдущем предложении. Блок экстракции позволяет получать нуклеиновую кислоту из пробы, переработанной устройством. Блок амплификации нуклеиновой кислоты позволяет амплифицировать полученную из пробы нуклеиновую кислоту (используя, например, PCR). Блок хранения реагента содержит реагент, необходимый для, например, экстракции и/или амплификации.
Другими словами, этот примерный вариант выполнения изобретения представляет собой полную систему пробы на входе результата на выходе, в которой проба может быть сперва предварительно обработана, далее к пробе может быть применен этап лизинга устройством, и в третью очередь, например, может быть выполнено оптическое измерение с помощью измерительного блока. В дополнение к этому, перерабатывающий блок может перерабатывать данные, полученные измерительным блоком, и может обеспечивать результаты измерения, которые могут быть выведены пользователю.
Более того, в устройстве может содержаться блок возбуждения для возбуждения жидкой пробы, например, для проведения этапа анализа, например лазером, механической мешалкой или электрическими компонентами, вызывающими электрический ток в жидкой пробе.
Дополнительно устройство может иметь линзы для фокусирования волн HIFU. Линзы могут также быть частью картриджа.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения представлена система для подвергания жидкой пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе, причем эта система содержит устройство согласно одному из вышеупомянутых вариантов выполнения и картридж для содержания жидкой пробы.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения представлен способ для подвергания пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе. При этом способ содержит этапы, на которых обеспечивают источник для испускания высокоинтенсивных ультразвуковых волн, обеспечивают картридж, содержащий жидкую пробу и границу раздела жидкость-воздух внутри картриджа, и фокусируют испускаемые высокоинтенсивные ультразвуковые волны на границу раздела жидкость-воздух внутри картриджа.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения способ содержит этапы, на которых создают фонтан жидкости внутри картриджа и индуцируют кавитацию в жидкой пробе каплями фонтана.
По сравнению с однородной кавитацией, используемой известными технологиями, этот способ обеспечивает неоднородную кавитацию, индуцируемую HIFU при сниженном пороге мощности.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения представлен элемент компьютерной программы, причем этот элемент характеризуется тем, что при использовании на компьютере выполнен с возможностью предписывать компьютеру выполнять этапы, на которых испускают высокоинтенсивные ультразвуковые волны из источника и фокусируют испускаемые высокоинтенсивные ультразвуковые волны на границу раздела жидкость-воздух внутри картриджа, содержащего жидкую пробу для индукции кавитации внутри жидкой пробы.
В другом примерном варианте выполнения изобретения представлен машиночитаемый носитель информации, причем машиночитаемый носитель информации имеет элемент компьютерной программы согласно вышеупомянутому варианту выполнения, сохраненный на нем.
Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения представлен носитель информации для предоставления элемента компьютерной программы для загрузки, причем элемент компьютерной программы выполнен с возможностью выполнять способ согласно одному ранее описанному варианту выполнения изобретения.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения представлен картридж для устройства для подвергания жидкой пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе, причем картридж содержит камеру для содержания жидкости и элемент зародышеобразования, закрепленный на камере.
Особо отметим, что этот примерный вариант выполнения может быть выполнен независимо от фокусирования на границу раздела жидкость-воздух и может быть выполнен независимо от создания фонтана. Поэтому этот выступающий элемент зародышеобразования, который может быть, например, керамическим стержнем или, например, алюмооксидным, в отличие от создания фонтана без воздушного зазора, может быть необходим для этого варианта выполнения изобретения.
Шероховатая поверхность элемента зародышеобразования теперь сама может быть источником небольших пузырьков воздуха, которые, в свою очередь, действуют в качестве центров зародышеобразования.
Другими словами, картридж образует средства усиления кавитации в жидкой пробе, содержащейся в камере. Образованием этих средств усиления кавитации в фокальной зоне или рядом с ней уменьшение порога мощности, необходимой для индукции кавитации, может быть достигнуто на порядок величины. При этом фокальная зона не может быть приведена в контакт со стенкой камеры. Особо отметим, что вышеуказанные преимущества устройства подобным образом относятся к этому примерному варианту выполнения изобретения.
При этом может быть использован материал для элемента зародышеобразования, имеющий определенную характеристику шероховатой поверхности. Более того, может быть использован материал, который воспринимает нагрузку мощности волн HIFU в фокальной области или рядом с ней достаточно долго, чтобы обеспечивать выполнение испытаний устройством с этим картриджем. Например, керамический стержень или элемент из алюминия может эффективно индуцировать кавитацию.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения картридж содержит выступающий элемент для крепления элемента зародышеобразования в картридже.
Особо отметим, что этот примерный вариант выполнения может быть выполнен независимо от фокусирования на границу раздела жидкость-воздух и может быть выполнен независимо от создания фонтана.
При этом выступающий элемент может быть любым видом устройства, которое выполнено с возможностью закреплять или размещать элемент зародышеобразования внутри картриджа таким образом, что закрепленный элемент зародышеобразования, как например керамический стержень, размещается в фокальном положении внутри жидкой пробы. Это может быть видно на Фиг.8 и 9 подробно.
Согласно другому примерному варианту выполнения изобретения представлена система для подвергания жидкой пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе. Эта система содержит устройство, причем устройство содержит источник для испускания высокоинтенсивных ультразвуковых волн. Более того, устройство выполнено с возможностью вмещать картридж. Например, устройство может содержать вмещающую секцию. Система дополнительно содержит картридж согласно одному из двух вышеупомянутых вариантов выполнения картриджа. При этом картридж содержит жидкую пробу, а устройство фокусирует высокоинтенсивные ультразвуковые волны на элемент зародышеобразования, когда картридж вмещен в устройство.
Согласно другому примерному варианту выполнения настоящего изобретения представлено устройство для подвергания жидкой пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе. Это устройство содержит источник для испускания высокоинтенсивных ультразвуковых волн. Устройство выполнено с возможностью вмещать картридж, причем картридж содержит жидкую пробу и с картриджем, вмещенным в устройство, устройство выполнено с возможностью фокусировать высокоинтенсивные ультразвуковые волны на элемент зародышеобразования в картридже.
Так как и для этих вариантов выполнения изобретения, минимальная мощность, необходимая для создания кавитации в жидкой пробе, уменьшается вставкой элемента зародышеобразования, частично сухое соединение или также полностью сухое соединение, использующее твердотельные материалы, возможно с такой системой. Подробности и преимущества такого сухого соединения и сухого соединения, полностью использующего твердотельные материалы, также описаны выше.
Описанные варианты выполнения подобным образом относятся к устройству, системе, способу, элементу компьютерной программы, машиночитаемому носителю информации и картриджу. Синергетический эффект может возникать в результате различных комбинаций вариантов объединения, несмотря на то, что они могут быть не описаны подробно.
Дальше отметим, что все варианты выполнения настоящего изобретения, касающиеся способа, могут быть выполнены в порядке этапов, как описано, однако, это не значит в обязательном порядке этапов способа, все другие порядки из порядков и комбинаций этапов способа при этом считаются описанными. Аспекты, определенные выше и дополнительные аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения могут также происходить из примеров вариантов выполнения, описываемых далее, и объяснены путем ссылки на примеры вариантов выполнения. Изобретение будет описано более подробно далее путем ссылки на примеры вариантов выполнения, но которыми изобретение не ограничено.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 схематически показывает систему для подвергания жидкой пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе согласно примерному варианту выполнения изобретения.
Фиг.2 схематически показывает систему для подвергания жидкой пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе согласно другому примерному варианту выполнения изобретения.
Фиг.3 схематически показывает картридж согласно другому примерному варианту изобретения.
Фиг.4 схематически показывает спектр частот, полученный с помощью пассивного детектора кавитации.
Фиг.5 схематически показывает график, описывающий влияние HIFU на клетки кандиды белой.
Фиг.6 схематически показывает систему для подвергания жидкой пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе согласно другому примерному варианту выполнения изобретения.
Фиг.7 схематически показывает картридж с элементом зародышеобразования согласно другому примерному варианту выполнения изобретения.
Фиг.8 схематически показывает картридж с элементом зародышеобразования согласно другому примерному варианту выполнения изобретения.
Фиг.9 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ согласно другому примерному варианту выполнению изобретения.
Подробное описание вариантов выполнения
Подобные или родственные компоненты в нескольких фигурах обеспечены одинаковыми ссылочными позициями. Вид на фигуре является схематическим и не полностью масштабированным.
Фиг.1 показывает устройство 100 для подвергания жидкой пробы 101 воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе. Показанное устройство содержит источник 102 для испускания высокоинтенсивных ультразвуковых волн 103. Более того, показана вмещающая секция 104 для вмещения картриджа 105. В этом примерном варианте выполнения изобретения вмещающая секция 104 выполнена в качестве элемента 127 крепления, к которому может быть прикреплен картридж 105 и затем размещен в требуемом положении. Это положение может быть размещено таким образом, что устройство фокусирует высокоинтенсивные ультразвуковые волны 103 на границу 106 раздела жидкость-воздух, когда картридж вставлен во вмещающую секцию.
Ясно видно на Фиг.1, что положение 111 фокуса размещено на границе 106 раздела жидкость-воздух. Фокусированием акустической энергии на границу раздела жидкость-воздух или достаточно близко к границе раздела жидкость-воздух и использованием достаточно высоких мощностей для преобразователя 102, волнами HIFU создается фонтан 108 жидкости. Как показано на Фиг.1, фонтан был развит внутри картриджа и над границей раздела жидкость-воздух. Капли 109 фонтана, возвращающиеся из фонтана в жидкую пробу, представляют собой элементы 107 зародышеобразования для уменьшения минимальной мощности, необходимой для создания кавитации в жидкости. Капли 109 фонтана, возвращающиеся в пробу, способны индуцировать кавитацию. Капли 109 могут образовывать небольшие пузырьки воздуха и/или воздушные пленки, которые, в свою очередь, являются отправной точкой для кавитации.
Другими словами, этот примерный вариант выполнения изобретения избегает фокусирования близко к стенке 129 картриджа, что может исключать плавление и/или деградацию материала картриджа. Но также уменьшенная мощность может исключать плавление и/или деградацию материала картриджа. Соответственно возможен картридж на полимерной основе, который может быть частью применяемой системы пробы на входе результата на выходе. Более того, так как минимальная мощность, необходимая для создания кавитации, уменьшается, как следствие, могут быть выполнены смешивание и лизинг в одном единственном картридже без необходимости существенно изменять используемую мощность источника 102. Другими словами, так можно избежать необходимости использовать стеклянный контейнер для пробы. То есть благодаря индукции неоднородной кавитации с помощью HIFU за счет фонтана в отличие от известных технологий, использующих однородную кавитацию. Волны HIFU могут, например, находиться в МГц-диапазоне.
Так как минимальная мощность, необходимая для создания кавитации, уменьшается этим вариантом выполнения изобретения, могут быть использованы меньшие преобразователи, что представляет собой возможность миниатюризации устройства. Таким образом, устройство предлагает возможность передачи волн 103 HIFU поперечно сухой границе 130 раздела, например, являющейся акустическим окном, изготовленным из упругой фольги. Более того, возможность использовать материал картриджа на полимерной основе внутри системы 113, содержащей устройство 100 и картридж 105, приводит к уменьшению стоимости выполнения измерений с помощью системы 113 и может приводить к увеличенной экологической совместимости, так как для среднего измерения с помощью устройства может быть необходимо незначительное количество энергии.
Более того, компьютер 115 показан с элементом 114 компьютерной программы, сохраненным на компьютере, причем компьютер может быть выполнен с возможностью наводить фокусирование на границу 106 раздела жидкость-воздух посредством блока 110 управления. Блок управления посредством проводов 117 может управлять позиционирующей системой 128, чтобы выравнивать положение 111 фокуса с границей 106 раздела жидкость-воздух, чтобы создавать фонтан. Более того, измерительный блок 112 для измерения физического параметра жидкой пробы показан внутри картриджа 105. Измерительный блок, например, может быть выполнен в качестве пассивного детектора кавитации (PCD), который может быть пьезопреобразователем. Посредством проводов 126 перерабатывающий блок 125 может анализировать жидкую пробу, основываясь на обнаруженном физическом параметре.
Более того, Фиг.1 показывает корпус 121 для источника 102, например, чтобы защищать источник от жидкой соединяющей текучей среды 119. Поэтому этот примерный вариант выполнения изобретения показывает по меньшей мере частично влажное соединение волн HIFU от источника 102 до картриджа 105. Корпус может быть прикреплен к камере 120 для соединяющей среды 119 винтами 122. Все же может быть также возможно создавать фонтан с помощью устройства, используя полностью сухое соединение без жидкости в траектории распространения волн HIFU, как описано выше. Позиция 131 показывает плунжер, который может ограничивать высоту над границей раздела жидкость-воздух перемещением плунжера вдоль направления 132. Перемещением плунжера от прямого контакта с пробой вертикально вверх (направление вверх на Фиг.1) порог мощности, при котором образуется кавитация в пробе, может уменьшаться с увеличением расстояния от плунжера до границы раздела. Другими словами, кавитация может быть функцией объема воздуха над жидкой пробой.
Возможное техническое оборудование, которым изобретение не будет ограничено, может быть следующими устройствами: PM5193: программируемый синтезатор/генератор функции с рабочим диапазоном между 0,1 мГц и 50 МГц. Усилитель: ENI 240L усилитель мощности 50 дБ 20 кГц - 10 МГц или усилитель мощности KAA204 RF всемирно известный AR 50 дБ 0,5-100 МГц 200 Вт; Tektronix TDS3014: четырехканальный цифровой осциллограф с цветным послесвечением; Agilent 4395A: 10 Гц-500 МГц / 10 Гц - 500 МГц / 10 кГц - 500 МГц сеть/спектр/анализатор импеданса; HiFu пьезопреобразователь: JR20/60, поставляемый Dongfang Jinrong; пассивный детектор кавитации (PCD) (пьезопреобразователь): JR20/60, JR15/30, JR12/30, поставляемые Dongfang Jinrong.
Более того, усовершенствованный 10 мл PP шприц может быть использован для средства кавитации, основанной на фонтане. Конец шприца может быть удален и 10 мкм РР фольга может припаяна лазером сверху. Плунжер может быть использован для регулирования объема воздуха над жидкой пробой. PCD может быть закреплен гелем для ультразвуковых исследований (Aquaflex, поставляемый Parker Laboratries Inc) на наружной стенке шприца, таким образом образуя возможный выступающий элемент. PCD используется для испытания кавитации внутри шприца. Подобная конструкция может быть использована для проявления кавитации на основании фонтана поперечно сухой границе раздела. Подобная конструкция может быть использована для определения кавитации, индуцированной шероховатой поверхностью.
Фиг.2 показывает другой примерный вариант выполнения системы 113 для подвергания жидкой пробы 101 воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе, причем в системе содержатся устройство 100 и картридж 105 для содержания жидкой пробы. Более того, показан измерительный блок 112, который размещен в жидкой пробе. Более того, показан фонтан 108, создающий возвращающиеся капли 109. Источник 102 размещен в комбинации с положением картриджа 105 и возможно с линзами (не показаны) таким образом, что положение 111 фокуса размещено на границе 106 раздела жидкость-воздух.
Примерный вариант выполнения изобретения показывает полностью сухое соединение волн 103 HIFU через полностью твердотельный соединитель 200. Так как минимальная мощность, необходимая для создания кавитации, уменьшается фонтаном, полностью твердотельные материалы как, например, материалы на полимерной основе, могут быть использованы в качестве соединяющих сред, так как создание существенного нагревания или деформации в материалах, передающих энергию HUFU, исключается.
Фиг.3 показывает картридж 300 для устройства 301 для подвергания пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе. Картридж содержит камеру 302 для содержания жидкой пробы и элемент 303 зародышеобразования, прикрепленный к камере. Элемент зародышеобразования может, например, быть керамическим элементом, например керамическим стержнем или элементом, изготовленным из алюминия. При этом шероховатость поверхности элемента 303 зародышеобразования может быть выполнена таким образом, что кавитация индуцируется при меньшем уровне мощности по сравнению с конструкциями без такого элемента зародышеобразования. Более того, материал, используемый для элемента зародышеобразования, выбран таким образом, что он воспринимает нагрузку мощности волн HIFU в фокальном пятне 111 или вблизи него достаточно долго, чтобы завершить выполнение испытания с помощью системы 701. Система 701 содержит устройство 301, которое само содержит источник 702. Более того, показана вмещающая секция 705, содержащаяся в устройстве. При этом вмещающая секция выполнена в качестве элемента 304 крепления, на котором может крепиться картридж 300, чтобы размещать его таким образом, что устройство фокусирует волны HIFU на элементе зародышеобразования или вблизи него, когда картридж вставлен во вмещающую секцию.
Фиг.4 показывает спектр частот, полученный с помощью пассивного детектора кавитации (PCD), который вставлен в картридж, в котором кавитация индуцируется фонтаном или элементом зародышеобразования, как описано выше. Вставка 404 показывает спектр без кавитации. Координата-х 401 отображает частоту в Гц, при этом координата-y 402 отображает в децибелах амплитуду измеренной мощности с помощью PCD относительно определенного нулевого уровня. При этом вставка 404 отражает только левую часть спектра 401. Острые пики в обеих позициях 401 и 404 являются соответственно основной частотой 405 при 1,7 МГц и обертоновой(ыми) 403. Присутствие широкополосного сигнала в позиции 401 свидетельствовало о появлении кавитации.
Фиг.5 показывает график 500, в котором координата-х 501 отображает значение кавитации, причем значение кавитации при этом будет определено количеством циклов PCR. Более того, координата-y 502 отображает значение относительных единиц флуоресценции. Кривые 503, 504, 505 и 506 показывают влияние HIFU на клетки кандиды белой. Позиция 503 показывает кривые PCR (дубликаты) для необработанных клеток, позиция 506 показывает клетки, обработанные стеклянной дробью, при этом позиции 504 и 505 показывают результаты подвергания клеток нагреванию. В отличие от этого позиция 507 отображает результат подвергания клеток HIFU согласно настоящему изобретению. Таким образом, Фиг.5 показывает, что по сравнению с настоящим золотым стандартом нагревание имеет значения Ct (определенное ниже) на шесть единиц выше, а лизис с помощью настоящего изобретения имеет значения Ct на шесть единиц ниже. Причем отметим, что более низкое значение Ct имеет несколько преимуществ.
Далее будут описаны выражение значения Ct и преимущества более низкого значения Ct. Значение Ct представляет собой количество циклов PCR, за которые обнаруженный сигнал проходит заданное значение RFU. Низкое Ct значит, что проходить порог требуется небольшое количество этапов мультиплицирования. Другими словами низкое значение Ct соответствует высокой начальной концентрации ДНК и, следовательно, очень эффективному лизису, который выполняется в случае настоящего изобретения с помощью HIFU. Другими словами настоящее изобретение может преодолеть золотой стандарт с коэффициентом 2^6=64.
Фиг.6 показывает другой примерный вариант выполнения изобретения, в котором система 701 для подвергания жидкой пробы воздействию акустической энергии для создания кавитации в жидкой пробе. Эта система содержит устройство 301 и источник 702 для испускания волн 704 HIFU. Система дополнительно содержит картридж 300, причем картридж содержит жидкую пробу 101. Устройство 300 дополнительно содержит вмещающую секцию 705 для вмещения картриджа. Вмещающая секция может при этом быть любым элементом или частью устройства, с которым устанавливается физический контакт картриджа при вставке картриджа в устройство.
При этом устройство 301 фокусирует волны HIFU на элемент 303 зародышеобразования, когда картридж вставлен во вмещающую секцию. Более того, картридж содержит камеру 302 для содержания жидкой пробы и содержит элемент 303 зародышеобразования, закрепленный на камере. Для адекватного крепления элемента зародышеобразования внутри картриджа содержится выступающий элемент 700, чтобы закреплять элемент зародышеобразования на картридже. При этом выступающий элемент может быть выполнен в этом и любом другом варианте выполнения изобретения любым устройством, способным удерживать и крепить элемент зародышеобразования таким образом, что элемент зародышеобразования проходит в жидкую пробу и положение 707 фокуса может быть размещено на элементе 303 зародышеобразования или вблизи него.
Этот примерный вариант выполнения изобретения может быть использован в конструкции с полностью сухим соединением с помощью полностью твердого соединителя 706, который содержится в системе 701. Например, могут быть использованы материалы на полимерной основе, чтобы соединять волны HIFU от источника до картриджа. В дополнение к этому, сухая граница 708 раздела, которая может быть выполнена в качестве акустического окна, может быть использована с этим примерным вариантом выполнения изобретения, так как может быть достигнута уменьшенная минимальная мощность для кавитации и поэтому нагревание или утечка материала картриджа могут быть исключены.
Фиг.7 схематически показывает вариант выполнения картриджа 105 с по меньшей мере одним элементом 303 зародышеобразования, выступающим из потолка 800. Выступ выполнен выступающим элементом 709, выполняемым в качестве зажима 710, зажимающего элемент 303 зародышеобразования. Потолок может быть частью картриджа, но также может быть физически отделенным элементом. В зависимости от диаметра элемента зародышеобразования и диаметра фокального пятна или фокальной зоны 111 источника 102 элемент зародышеобразования может быть расположен на одной прямой с вертикальной осью фокальной зоны, но также может быть размещен со смещенным центром. Выступающий элемент 709 картриджа выполняет вертикальное крепление элемента зародышеобразования. Но также возможны горизонтальное, наклонное, центральное или нецентральное крепления выступающим элементом. Особо отметим, что этот тип индукции кавитации может быть использован независимо от фокусирования на границу раздела жидкость-воздух и образования фонтана.
Фиг.8 схематически показывает другой вариант выполнения картриджа 105 с по меньшей мере одни элементом 303 зародышеобразования. Потолок 800 имеет две боковые стенки 900 и 901. Другими словами, картридж содержит выступающий элемент 700 в качестве элемента крепления элемента 303 зародышеобразования. Таким образом, элемент зародышеобразования проходит горизонтально от боковой стенки 901. В символической форме показан источник 102, испускающий волны HIFU. Снова особо отметим, что этот тип индукции кавитации может быть использован независимо от фокусирования на границу раздела жидкость-воздух и образования фонтана.
Фиг.9 показывает блок-схему способа согласно примерному варианту выполнения изобретения, причем этот способ содержит этап S1, на котором обеспечивают источник испускания высокоинтенсивных ультразвуковых волн, и S2, на котором обеспечивают картридж, содержащий жидкую пробу и границу раздела жидкость-воздух в картридже. На третьем этапе S3 выполняют фокусирование испускаемых высокоинтенсивных ультразвуковых волн на границу раздела жидкость-воздух внутри картриджа. Фокусированием волн HIFU на границу раздела жидкость-воздух создается выход жидкости из жидкой пробы, что заставляет капли возвращаться обратно в пробу и вызывает уменьшение порога мощности, при котором образуется кавитация внутри жидкой пробы. Обе фиг.8 и 9 показывают картридж с элементами зародышеобразования, как, например, керамическим стержнем или алюминиевым элементом зародышеобразования, посредством которых порог мощности для кавитации в пробе внутри камеры 302 может быть уменьшен. Шероховатая поверхность этого элемента зародышеобразования может быть источником небольших пузырьков воздуха, когда волны HIFU фокусируются на него, причем пузырьки, в свою очередь, могут действовать в качестве центров зародышеобразования.
Другие изменения раскрытых вариантов выполнения могут быть поняты и выполнены специалистом в области техники, и при осуществлении на практике заявленного изобретение исходя из изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения выражение «содержащее» не исключает другие элементы и этапы. Единственный процессор или другие блоки могут выполнять функцию нескольких пунктов или этапов, перечисленных в формуле изобретения. Одно лишь следствие того, что определенные измерения перечислены во взаимноотличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывают на то, что совокупность этих измерений не может быть использована с пользой. Компьютерная программа может быть сохранена/размещена на подходящем носителе информации, таком как оптическое запоминающее средство или твердотельное средство, поставляемое вместе с или в составе другого оборудования, но также может быть размещено в других формах, как, например, посредством интернета или других проводных или беспроводных систем связи.
Все ссылочные позиции в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие объем формулы изобретения.