УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ ГЕНЕРАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН И ТЕПЛА
ULTRASONIC TRANSDUCER FOR SELECTIVE GENERATION OF ULTRASONIC WAVES AND HEAT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области ультразвуковых преобразователей и, в частности, к ультразвуковым преобразователям для избирательной генерации ультразвуковых волн и тепла для использования в анализе и/или диагностике.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ультразвук уже давно используют в области медицинского воздействия. В последнее время ультразвуковые преобразователи, в частности, сфокусированные ультразвуковые преобразователи высокой интенсивности используют для того, чтобы индуцировать повреждения в ткани для терапевтического лечения злокачественных опухолей. Повреждение ткани или разрушение ткани обусловлено эффектом кавитации ультразвуковых волн высокой интенсивности. Этот эффект кавитации связан с формированием микроскопических пузырьков пара в области, где давление жидкости падает ниже давления ее пара. Когда происходит схлопывание этих пузырьков, происходит высвобождение энергии, которое ведет к разрушению близлежащей ткани.
В US 5601526 описан способ и устройство для осуществления терапии с использованием ультразвука для разрушения ткани посредством эффекта кавитации и теплового эффекта. Этот документ относится к обеспечению решения, которое делает возможным повреждение в ткани, подлежащей лечению, которое строго ограничено фокусной точкой воздействующего устройства, и ограничивает или избегает эффектов, связанных с рассеянием тепла вокруг фокусной точки, причем феномены кавитации ограничены исключительно фокальной точкой или фокальной областью. Для этого используют два типа ультразвуковых волн, один преимущественно создает тепловой эффект в ткани, другой преимущественно создает эффект кавитации в ткани. Здесь нагревание в ткани происходит в связи с поглощением ультразвуковой энергии посредством фрикционного затухания.
В WO 2009/095894 А2 раскрыты устройство и способ для обработки жировой ткани, расположенной под кожей пациента. Устройство содержит один сонотрод и ультразвуковой преобразователь, работающий для того, чтобы индуцировать продольные и/или поперечные ультразвуковые колебания по меньшей мере в части сонотрода. Устройство предусматривает «холодный» или «поперечный» режим, в котором ультразвуковая энергия, которая доставляется пациенту, представляет собой первичную энергию поперечных ультразвуковых волн, и «горячий» или «продольный» режим, в котором ультразвуковая энергия, которая доставляется пациенту, представляет собой первичную энергию продольных ультразвуковых волн. Продольные волны можно использовать для «предварительного нагревания» ткани пациента перед доставкой поперечных волн.
Также ультразвук все больше и больше используют в анализе и диагностике. Например, обнаружение инфекционных патогенов для предотвращения, ранней диагностики и лечения инфекционных заболеваний основано на анализе внутриклеточных компонентов, например, нуклеиновых кислот или конкретных молекул вирусов или клеток в образце. Таким образом, одна из стадий обработки перед анализом компонентов представляет собой лизис клеток (разрушение клеток). Лизис клеток можно индуцировать посредством фокусированных ультразвуковых волн высокой интенсивности, которые создают кавитации в образце. После схлопывания этих кавитаций, происходит высвобождение достаточной энергии для разрушения мембран бактерий, вирусов и клеток и высвобождения их внутриклеточных компонентов.
Кроме того, работа с клетками или мелкими организмами подразумевает тщательный контроль условий окружающей среды, таких как температура. Температура оказывает обширное влияние, например, на метаболизм и репродуктивный цикл бактерий и клеток. Таким образом, для большинства биологических применений необходим контроль температуры. До сих пор пространство для добавления дополнительных компонентов в экспериментальную установку, таких как нагревательные средства, чрезвычайно ограничено и, в частности, в силу тенденции минимизации объема образца для сокращения стоимости материала для ускорения процедур. Следовательно, желательна компактная конструкция установки.
Однако, когда нагревание осуществляется вследствие поглощения ультразвуковой энергии сфокусированного ультразвукового пучка с высокой интенсивностью, можно непреднамеренно оказать влияние на образец или можно повредить чувствительные компоненты в образце, такие как мембраны, пиками локального давления и/или температуры в образце. В частности, может быть необходимым нагреть образец перед ультразвуковой обработкой, не подвергая образец воздействию давлению акустических волн для того, чтобы получить точные результаты. Таким образом, в диагностике и анализе часто необходимо нагреть образец без потенциального манипулирования или повреждения его. Следовательно, нужно найти способы для бережного нагревания образца контролируемым образом, которые одновременно экономят стоимость, экономят пространство, которыми легко управлять и которые достаточно быстры.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, цель изобретения состоит в том, чтобы обеспечить нагревательное средство для установки применения ультразвука, которая способна нагревать образец бережно и быстро и экономит стоимость и пространство.
Цель достигают посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения. Основная идея изобретения основана на открытии того, что ультразвуковой преобразователь можно приводить в действие на нескольких управляющих частотах, среди которых обычно только самая нижняя эффективно генерирует ультразвуковые волны. На других частотах, испускания ультразвуковой интенсивности почти не происходит; вместо этого происходит нагревание самого преобразователя. Следовательно, предлагается использовать ультразвуковой преобразователь для избирательного предоставления ультразвука и нагревания образца. Для этого используют ультразвуковой преобразователь, который может работать на различных частотах. Для применения ультразвука ультразвуковой преобразователь приводится в работу на основной частоте, на которой происходит очень эффективная генерация ультразвуковых волн. Для нагревания ультразвуковой преобразователь приводится в работу на альтернативной частоте, на которой происходит нагрев преобразователя.
Предпочтительно, основная и альтернативная частоты представляют собой резонансные частоты ультразвукового преобразователя или близки к таковым. Частота, на которой наиболее эффективно происходит генерация ультразвуковых волн, представляет собой основную резонансную частоту, тогда как на других резонансных частотах происходит испускание значительно меньшей ультразвуковой энергии. Используя резонансные частоты в качестве управляющих частот, ультразвуковой преобразователь наиболее эффективно преобразует подаваемую электрическую энергию. Однако не всегда может быть полезным использовать строго резонансную частоту, а скорее частоту, близкую к ней. Частоту, при которой ультразвуковой преобразователь приводится в действие, можно корректировать посредством блока управления. В таком случае предпочтительно, чтобы был предусмотрен пользовательский интерфейс с тем, чтобы пользователь мог выбирать определенные частоты и также корректировать другие экспериментальные параметры, например, интенсивность испускаемого ультразвука, установленную температура или скорость нагрева.
В одном примерном варианте осуществления основная частота для генерации ультразвуковых волн ниже, чем по меньшей мере одна из альтернативных частот, используемых для нагревания. В частности, основная частота может представлять собой самую низкую резонансную частоту ультразвукового преобразователя. Предпочтительно, чтобы ультразвуковые волны с высокой интенсивностью можно было генерировать на основной частоте. В одном из вариантов осуществления эти ультразвуковые волны с высокой интенсивностью способны создавать кавитации в образце или в жидкой среде. Посредством кавитаций можно индуцировать лизис клеток, бактерий, вирусных внешних слоев или отделений мембран. Предпочтительно, ультразвуковой преобразователь только генерирует ультразвуковые волны с достаточно высокой интенсивностью, когда его приводят в действие на основной частоте. Альтернативно, основная частота может представлять собой частоту, на которой генерируются ультразвуковые волны с самой высокой интенсивностью. В другом примере интенсивность ультразвука, испускаемого на по меньшей мере одной из альтернативных частот, значительно ниже, чем интенсивность ультразвука, испускаемого на основной частоте. Таким образом альтернативную частоту можно использовать для нагревания без использования воздействия силы давления акустических волн.
В одном из вариантов осуществления по меньшей мере одна из альтернативных частот является более эффективной в отношении нагревания, чем основная частота. Тепло можно получать в ультразвуковом преобразователе вследствие поглощения электрической мощности ультразвукового преобразователя на одной или нескольких альтернативных резонансных частотах. Предпочтительно, приведение ультразвукового преобразователя в действие на одной из альтернативных частот можно корректировать для осуществления нагревания так, что генерация ультразвуковых волн не происходит вовсе или эти волны по меньшей мере не способны создавать эффект кавитации. Характеристики нагревания, например, скорость повышения температуры или максимальная температура, могут варьироваться между альтернативными частотами ультразвукового преобразователя. Следовательно, предпочтительно, чтобы пользователь мог выбирать подходящую альтернативную частоту среди множества альтернативных частот, например, в зависимости от максимальной температуры, которая должна быть достигнута, или от желаемой скорости повышения температуры. Характеристики нагревания альтернативных частот можно сохранять в некотором средстве хранения и можно показывать пользователю.
В дополнительном варианте осуществления ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью приведения в действие одновременно по меньшей мере на двух частотах или выполнен с возможностью непрерывного переключения между частотами. Таким образом, ультразвуковой преобразователь можно приводить в действие на основной, а также на одной из альтернативных частот, с тем, чтобы образец можно было нагревать в то время, когда индуцируются ультразвуковые волны высокой интенсивности. Следовательно, предпочтительно, чтобы основная частота и по меньшей мере одна из альтернативных частот, подходящих для нагревания, являлись приводимыми в действие независимо друг от друга. То есть, другими словами, все параметры приведения ультразвукового преобразователя в действие, например, интенсивность, период, интервал, амплитуда, координаты фокусной точки и т.д. можно корректировать для каждой частоты отдельно. Это можно реализовать посредством использования ультразвукового преобразователя, содержащего несколько раздельных пьезоэлектрических элементов или тому подобное.
В другом варианте осуществления изобретения предлагается система для анализа образца. Система предпочтительно содержит по меньшей мере один держатель образца и по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь, где ультразвуковой преобразователь соответствует любому из указанных выше вариантов осуществления. Анализ образца может включать в себя ДНК диагностику, обнаружение инфекционных патогенов и/или диагностирование и лечение инфекционных заболеваний. Для этого система может содержать все стандартные компоненты для осуществления этих заданий, например, микроконтроллер или компьютер, средства отображения, средства анализа, блок управления, микроскоп и так далее. Предпочтительно, эту новую систему можно встраивать в существующую установку, например, в систему лаборатории на микросхеме.
В предпочтительном варианте осуществления система также содержит средства контроля температуры и/или считывания температуры. Однако вместо средств считывания температуры также можно использовать ультразвуковой преобразователь, который выполнен с возможностью измерять температуру образца, основываясь на измерениях скорости звука. Кроме того, может быть полезным использовать контур обратной связи для контроля температуры. Кроме того, держатель образца предпочтительно конструируют так, что он выполнен с возможностью обеспечивать хорошую теплопроводность между ультразвуковым преобразователем и образцом. В этом отношении также можно использовать теплопроводную пасту или тому подобное. Одновременно, конечно, должно быть обеспечено хорошее акустическое сопряжение. С помощью таких средств можно гарантировать, что генерируемые ультразвуковые волны, а также генерируемое тепло, можно передавать внутрь образца без существенных потерь.
В дополнительном варианте осуществления изобретения предлагается способ управления ультразвуковым преобразователем или анализа образца. Этот способ содержит этапы управления ультразвуковым преобразователем на основной частоте для эффективной генерации ультразвуковых волн и/или на одной из по меньшей мере одной альтернативной частоты для нагревания образца. Предпочтительно, этот способ используют для работы ультразвукового преобразователя согласно одному из описанных выше вариантов осуществления. В одном из вариантов осуществления почти не происходит образования ультразвуковых волн, когда ультразвуковой преобразователь приводят в действие на по меньшей мере одной из альтернативных частот. Кроме того, должно быть возможно осуществлять нагрев одновременно с генерацией ультразвуковых волн. Таким образом, должно быть возможным приводить ультразвуковой преобразователь в действие по меньшей мере на двух различных частотах одновременно, т.е. на основной частоте и одной альтернативной частоте. Также предпочтительно осуществлять управление и/или мониторинг температуры образца. Можно также реализовать контур обратной связи для управления температурой образца.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты по изобретению будут пояснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные далее в настоящем документе и проиллюстрированные чертежами.
На фиг. 1A представлен примерный спектр импеданса примерного ультразвукового преобразователя;
на фиг. 1B представлена интенсивность ультразвука, испускаемого ультразвуковым преобразователем, в зависимости от управляющих частот; и
на фиг. 2 представлен схематичный вид системы для анализа образца в соответствии с изобретением.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Чтобы обеспечить возможность нагревания, а также обработки ультразвуком, используют ультразвуковой преобразователь, который можно приводить в действие на по меньшей мере двух различных частотах. Одна из этих частот должна быть приспособлена для эффективной генерации ультразвуковых волн, а другая частота должна приводить к нагреванию ультразвукового преобразователя, почти без генерации ультразвуковых волн. Можно использовать различные типы ультразвуковых преобразователей, такие как пьезоэлектрические ультразвуковые преобразователи или емкостные микрообработанные ультразвуковые преобразователи. Предпочтительно используются сфокусированные ультразвуковые преобразователи с высокой интенсивностью (HIFU-преобразователи), которые способны фокусировать ультразвуковой пучок в небольшой фокальной области в образце. Также для приведения ультразвукового преобразователя в действие предпочтительно использовать резонансные частоты, чтобы гарантировать подходящий коэффициент преобразования электрической энергии на входе в энергию на выходе. Однако в некоторых случаях может быть предпочтительным использовать частоты, близкие к резонансной частоте, множества резонансных частот или тому подобное. Таким образом, вместо резонансных частот также можно использовать другие управляющие частоты.
Обычно ультразвуковой преобразователь эффективно генерирует ультразвуковые волны только на своей основной резонансной частоте. На других альтернативных резонансных частотах генерация ультразвуковых волн происходит в значительно меньшем количестве или почти не происходит. На фиг. 1A представлен примерный спектр импеданса ультразвукового преобразователя. Ультразвуковой преобразователь имеет несколько резонансных частот, например, основную резонансную частоту, сосредоточенную приблизительно около 1,7 МГц и альтернативные резонансные частоты, сосредоточенные приблизительно около 2,17 МГц и 2,86 МГц (стрелки). Основная резонансная частота представляет собой моду колебаний на основной частоте пьезоэлектрического элемента ультразвукового преобразователя. Эти альтернативные резонансные частоты могут представлять изгибные моды пьезоэлектрического элемента или высшие гармоники. На этих частотах ультразвуковой преобразователь быстро нагревается.
Около 1,9 МГц импеданс возрастает и значительно колеблется, как показано на фиг. 1A. Это обусловлено способом измерения импеданса и является результатом электрических отражений и резонансов. Вследствие высокого импеданса, большая часть электрического сигнала отражается обратно к усилителю, что ведет к такому типу артефактов в измерении.
При импедансе приблизительно 50 Ом (штриховая линия) все электрическое оборудование работает оптимально без электрического отражения. Когда импеданс ультразвукового преобразователя составляет 50 Ом (например, при 1,52 МГц), ультразвуковой преобразователь не нагревается так быстро, как при резонансных частотах, что «доказывает», что нагревание происходит вследствие резонанса, а не вследствие электрической мощности. Основная резонансная частота на 1,7 МГц также находится на 50 Ом.
На фиг. 1B представлена примерная зависимость интенсивности испускаемого ультразвука и управляющей частоты ультразвукового преобразователя. Таким образом, ультразвуковой преобразователь преимущественно испускает ультразвуковые волны на его основной резонансной частоте, в этом примере на 1,7 МГц. На всех других частотах происходит испускание значительно меньшей ультразвуковой интенсивности, а поглощаемая электрическая энергия просто преобразуется в тепло в ультразвуковом преобразователе.
В соответствии с изобретением ультразвуковым преобразователем можно управлять, чтобы он работал на генерирующей ультразвук основной частоте и на генерирующей тепло альтернативной частоте. Таким образом, преобразователь можно избирательно использовать для того, чтобы подавать на образец волны акустического давления или в качестве нагревательной плиты для нагрева образца. Обычно основная частота ниже большинства альтернативных частот. Если используются резонансные частоты, она даже может представлять собой самую низкую резонансную частоту. На основной частоте ультразвуковой преобразователь должен быть способен создавать ультразвуковые волны с высокой интенсивностью для создания кавитации, которая индуцирует лизис бактерий или клеток в образце. В отличие от этого, интенсивность ультразвука, генерируемого посредством приведения ультразвукового преобразователя в действие на одной из альтернативных частот, должна быть значительно ниже и предпочтительно недостаточной для того, чтобы индуцировать эффект кавитации.
Параметры ультразвукового преобразователя могут быть корректируемыми. Это может осуществляться пользователем через пользовательский интерфейс, или может предварительно программироваться блоком управления. В частности, можно корректировать координаты фокусной точки, интенсивность, частоту, амплитуду и т.д. Кроме того, можно выбирать для применения ультразвуковые импульсы с корректируемой шириной, периодом и интервалами импульса. Если ультразвуковой преобразователь можно приводить в действие более чем на одной альтернативной частоте, альтернативные частоты могут различаться своими характеристиками нагревания в отношении генерации ультразвука, скорости нагревания и достижимой максимальной температуры. Следовательно, альтернативные частоты должны выбираться согласно требованиям различных применений.
В предпочтительном варианте осуществления ультразвуковой преобразователь можно приводить в действие на двух различных частотах одновременно и независимо. Таким образом, нагревание и генерацию ультразвука можно осуществлять одновременно. Например, этого можно достичь с использованием преобразователя, содержащего по меньшей мере два генерирующих ультразвук элемента, например, два пьезоэлектрических элемента. Один из этих элементов может работать по меньшей мере на основной частоте и может быть выполнен с возможностью генерировать ультразвуковые волны, тогда как другой может работать на одной или нескольких альтернативных частотах для генерации тепла. Предпочтительно элементы можно корректировать независимо друг от друга.
На фиг. 2 представлен пример системы для анализа образца. Система содержит ультразвуковой преобразователь 10 и держатель 30 образца для удержания образца 20. Держатель 30 образца выполнен с возможностью принимать образец 20, содержащийся в чашке Петри, пробирке, микроскопическом препарате и т.п. Ультразвуковой преобразователь 10 размещают так, что ультразвуковые волны, а также тепло можно эффективно передавать внутрь образца 20. Для того чтобы улучшить проводимость ультразвука или тепла, можно использовать теплопроводную пасту или ультразвуковой гель.
В предпочтительном варианте осуществления система дополнительно содержит блок 40 управления и температурный датчик 50. Температурный датчик 50 может относиться к любому типу средств считывания температуры, и его размещают близко к образцу 20 или внутри него. Для того чтобы дополнительно уменьшить размер установки, ультразвуковой преобразователь 10 также может быть выполнен с возможностью измерять температуру образца. Например, это можно осуществлять посредством измерения скорости звука в жидком образце, поскольку скорость звука в текучем веществе сильно зависит от температуры текучего вещества. Ультразвуковой преобразователь 10 можно дополнительно использовать для анализа, например, для определения плотности или консистенции образца 20. Кроме того, систему можно комбинировать с микроскопом 60 для того, чтобы визуализировать образец 20 с использованием флуоресцентной микроскопии и/или микроскопии в отраженном свете.
Предпочтительно, образец 20 можно нагревать от комнатной температуры 20°C до 95°C в течение менее чем двух минут. Процесс нагревания можно корректировать посредством управления циклами нагрева по меньшей мере на одной выбранной альтернативной частоте, посредством корректировки интервалов между циклами нагревания, периода цикла или интенсивности. Возможно, преобразователь 10 можно одновременно приводить в действие на нескольких альтернативных частотах для нагревания, таким образом, также можно корректировать спектр управляющих частот. Процессом нагревания можно управлять с помощью блока 40 управления, основываясь на данных, предоставляемых температурным датчиком 50, для того, чтобы регулировать температуру образца в контуре обратной связи определенного типа.
Система может дополнительно содержать компьютер или микроконтроллер, средство отображения, память для хранения данных установки или данных измерений, пользовательские интерфейсы и т.п. Система также может быть интегрирована в общую аналитическую или диагностическую систему, например, в микроскопическую или другую визуализирующую установку, в систему лаборатории на микросхеме или в микрофлюидную систему.
Используя ультразвуковой преобразователь не только для генерации ультразвуковых волн, но также для других функций, в частности, для нагрева, можно сократить установку аналитической/диагностической системы и число компонентов установки, снизив таким образом стоимость.