用于超声波测试的设备的制作方法

本发明具有作为主题的用于超声波测试的设备，其属于能适合测试具有不同的强度和频率的超声波对多个靶标的效果的类型。不是为了限定的目的，这种类型的设备的应用的一个示例可以是观察超声波和(原核和真核)细胞培养物，或超声波和其中已接种药物(如例如针对肿瘤细胞培养物的抗癌药物)的细胞培养物之间的相互作用的效果，目的在于核实药物效力在相等的剂量下是否增大，或者即使剂量下降了其效力是否仍保持不变。超声波甚至用于诱导生物膜的声孔效应(sonoporation)，以通过产生细胞膜内的孔来转移细胞内的核酸、蛋白质、分子或分子聚集体、示踪剂(即荧光标记物，其用于利用磁共振等成像)，并且为此目的，测试是必需的。然后，其意指超声波的若干其它应用可以是在严格受控条件下的测试，甚至是在与分离的细胞系统不同的场合中，诸如例如在移植的组织或体内组织中，或在位于严格的细胞材料以外的场合中的测试。在执行这种类型的测试中的一般性质的问题包括，一方面，必须在整个测试过程中恒定地保持靶标在预定的温度下，同时通过受控的冷却系统保持近距离地朝靶标发射超声波的换能器在适当的工作温度下，以正确操作换能器，而且甚至保持超声波的发射在完全得到控制的参数范围内，目的在于使所执行的测试有效。其甚至意指，基于能够正确地将所发射的超声波聚焦在靶标上并避免分散的目的，换能器必须相对于靶标本身被保持在精确的且可以调节的位置。此外，本发明意图达到的另一个目的是，使得多个靶标能够暴露于超声波，其中目的在于同时或以快速序列执行多个测试，同时，使得未被辐射的靶标在恒定的温度和最佳条件下保持备用。美国专利申请号2010/009424A1描述用于诱导声孔效应的设备，然而其不适合同时进行多样化的测试。与此相反，国际专利申请号WO2007/016605描述了被设计来通过保持换能器和靶标在两种不同温度下作用于多个靶标的超声波设备。靶标和换能器被容纳在同一盆的不同的部分，这些不同的部分由热绝缘隔膜隔开，该隔膜在靶标样品下方的区域上具有由薄膜封闭的开口，该薄膜具有使得超声波波束能够在这些部分之间传输的用途。该膜不能保证热足够热绝缘，导致刚好在样品区形成温度梯度。此外，超声波波束必须跨越两种液体介质，这两种液体介质因它们具有不同的温度而区分，并且这决定了传播声音的速度不同和在这样的液体介质的其声阻抗，以及随后的反射和部分折射的现象，从而阻止对击中靶标的声能的精确控制。这意味着，然后，这种类型的设备可以通过放弃对所有操作参数进行严格控制的制度来使用。在HeeJoongKim等人的文章"Ultrasound-MediatedTransfectionofMammalianCells",见HUMANGENETERAPY,7:1339-1346(7月,1996)中，描述了另一设备，其能够使包含细胞培养物的多个靶标与由两个不同的换能器发射的在两种不同频率下的超声波相互作用。在该装置中，超声波换能器简单地浸渍在含有润湿靶标的相同液体介质的盆中。然而，超声波的发射在换能器中产生热，并且该热在换能器的操作期间通过接近靶标样品放入的液体消除。然后在换能器的发射表面和该靶标的表面之间产生热梯度。即使有用于控制盆温度的总体系统，但也不能保证恰好在超声束的路径上的温度的必要的均匀性，并且不均匀的温度不可避免地影响波束传播，使波束传播不稳定，并且不能以精确的方式控制。此外，该设备即使有以不同的频率发射超声波的两个换能器，也以离靶标相同的距离定位它们，因为对于所执行的研究设置的目的，不需要对单一换能器的聚焦平面的定位进行控制。该设备以非结构方式面对使得即使在不同的频率下也达到等能声波强度的技术问题。事实上，在实验的开始，必须执行校准测量，其按如下方式进行：将水听器浸渍在每个样品，随后进行一系列的功率校准测量，结果导致人力、实验时间增加以及污染样品的风险增大。总之，本设备接着导致不合适于在对所有运行参数进行严格控制的制度下执行的科学实验。本发明的基本的技术问题是提供用于超声波的测试设备，其使得能够避免参照现有技术所提到的缺点。这样的问题通过如上述说明的、在所附的权利要求1中所定义的设备来解决。根据本发明所述的设备的主要优点在于：保证超声波换能器的不同波束投射到多个靶标上，这些靶标的温度与超声波换能器的温度相互独立地保持在严格的控制下。若干个换能器的可能存在和多个靶标的可能存在进一步使得，对于每一个测试，通过优化测试设备的功能和效率，同时保证测试之间的结果是相当的，能够同时执行若干个测试。本发明将在下文根据其两个优选实施方式进行描述，这两个优选实施方式以举例的方式而不是用于限制性的目的参考所附的附图提供，其中：图1根据本发明示出了测试设备的第一实施方式的实施例的立体图；图2示出了图1的测试设备的升高的截面图；图3示出了图1的测试设备的一个部件的立体的部分截面图，具有附加的放大细节；图3A示出了根据前图的部件的另一细节的节距的立体图；以及图4示出了具有在图3所示的部件的变体的一些被强调的细节的立体图，其根据本发明实现了测试设备的第二实施方式的实施例。参照图1到3A，用于对特定靶标进行超声波应用的测试设备被指定作为整体，用1表示。其包括容器2，容器2基本上为盆，由底部且由侧壁界定。容器2用流体填充，特别是用蒸馏水填充，其温度保持在严格的控制下。这样的流体构成用于超声波波束传播的液体介质，在下文将对其详细说明。就超声波的传输而言，流体被脱气，以及可以提供用于将该流体脱气的装置。在本实施方式的实施例中，容器2由盆来实现，该盆具有玻璃(或塑料或金属材料)侧壁，完全充满了水；这使得在透明的玻璃或塑料材料的情况下盆的内容物能够被直接看到。从热的观点而言，水的质量构成相对于其他现有的组分的质量的相关的热惯性；提供了用于保持该流体在预定的和受控的温度下的装置，该温度尤其是基于待被处理的靶标而选定的恒定温度。用于保持该温度的这样的装置可以包括使得流体在容器2的外部循环的装置，其中将设置恒温器；在其他情况下，恒温器，例如具有电阻的类型的恒温器，可以直接浸入与流体直接接触的容器中。可以提供用于搅动在容器2内的流体的装置，以防止具有不同温度的流体的停滞和分层，以及提供用于控制在容器2的一个或多个位点的温度的仪器。设备1包括用于多个换能器4的第一支撑结构3，每一个换能器4易于产生超声波波束。这样的换能器可以是压电式的，由控制室馈送电流，其是具有合适的频率和功率的多重射频信号。每个换能器4包括换能器本体，其包含用以阻尼振动并使热量消散的材料，以及其终止于振动表面，振动表面将不得不与液体介质连接，以便被润湿，以使得超声波波束能直接传播到靶标，该靶标进而将被液体介质润湿。这种类型的换能器4为了能够提供在效率方面的适当的操作必须有其自身的保持在涉及连续致冷的受控温度下的换能器本体。实际上，高于临界温度的温度变化不仅能够确定换能器的操作容受性(sufferance)，而且甚至可以使超声波的产生不稳定。在本实施例中，换能器是圆柱型的，具有产生超声波波束的平的振动表面，由压电陶瓷材料制成，并通过金属壳体保护；振动换能表面与固体物质本体直接接触，该固体物质本体适于通过接触有效地热弥散。在使用四个传感器的情况下，工作频率将是650千赫、1兆赫、2.4兆赫和4.5兆赫，但注意，选择的具有固体材料本体和选择的换能器的数量与特定频率都纯粹是举例性质的。此外，对于特定的应用，可以使用甚至球状类型的，或然而能够产生所希望的形状的波形的换能器。频率被选择为覆盖宽范围，以能够执行不同类型的实验，避免每个频率的高次谐波的可能导致不希望有的扰动的重叠。但是应当知道，该换能器中的振动表面暴露于包含在容器2中的流体；换能器本体要保持在10-15℃的温度下，而传播液体介质的典型的预定的温度是37℃。每个换能器本体配备有用于控制其温度的热电偶，热电偶构成用于检测各换能器4的温度的装置。根据第一实施方式的实施例的第一支撑结构3是盒状类型的；其包括适于固定在容器2的底部的底座5(图3A)。在结构3内形成不同的支座6，每一个支座6容纳相应的超声波换能器；所述支座6属于单个封闭室7，封闭室7相对于所述盆的液体介质热隔离并且完全封闭在第一支撑结构3内。这些室7填充热制冷流体，在本实施例中又是填充水，其被有利地设置成流动，以确定接触每一换能器的流体的强制对流，以便保持超声波产生器在临界温度以下。在室7内的热制冷流体从合适的导管8穿过容器2并输送流体到合适的制冷热力站而循环，制冷热力站使制冷水保持在约10-15℃的温度下。但应注意的是，在第一支撑结构3的支座6是阶梯状布置的，以便按换能器的特定的高度特性保持相应的换能器，从而获得所确定的在靶标位置的声场。在四个传感器的情况下，根据2×2式正方形矩阵布置所述支座。该换能器的数量甚至可以不是4，以用不同频率覆盖总的宽范围。可以提供若布置成直线的一个、两个或三个换能器的应用，或布置成2×3式矩形矩阵的六个换能器。换能器的数目甚至可以大于6，但如果每一个工作在不同的频率下，则它们会有冗余。另一个实施方式可以用被划分成两个相同的2×2式正方形矩阵的8个换能器，以便具有同时操作的相同的两组。换能器4通过电信号驱动，从而使得片材/薄层在所述复合压电陶瓷材料中振动。阻抗耦合器使换能器的内阻抗与用来驱动换能器的射频信号的产生器的输出阻抗平衡，以便使传递功率最大化。不同的信号由合适的控制室来控制，该控制室构成改变超声波波束的功率和/或频率的装置，该超声波波束由位于每个换能器的特定范围特性内的每个换能器发射。设备1包括多个靶标的第二支撑结构10，每一个靶标用11表示。第二支撑结构10基本上包括具有多个支座的托盘，所述支座形成靶标矩阵，例如4×6＝24个不同的靶标。例如，该靶标可以是用于细胞培养的具有24孔的传统的板。有利的是，靶标根据平面矩阵按换能器的数量的倍数布置，在本实施例中按24(4×6)比6(2×3)布置。此外，相邻换能器的中心之间的距离将是相邻的靶标的中心之间的距离的倍数。以这种方式，为了改变被换能器矩阵照射的靶标，按照在它们之间的垂直的轴线将几个或另外几个靶标平移介于靶标之间的距离，这将是足够的。这使得一个或多个节距的平移简化，其中在节距下，确切地是靶标之间的最小距离，意味着将使得所有换能器能同时布置在新的靶标前。每个靶标11通过由非常薄的塑料材料制成的孔构成，塑料材料具有基本上玻璃状的形状，其由盆的液体介质润湿。为此目的，孔的底部完全浸入容纳在容器2中的流体中，从而与流体均匀热接触。所述孔包含溶液，在本实施例中，溶液容纳细胞培养物：孔壁的厚度减小使得可能的衍射现象能最小化。在本实施例中，在所有测试期间，在照射期间以及在测试前和测试后的待机时间段期间，培养物可以保持在37℃(或其他合适温度)的几乎恒定的压力下。以这种方式，用以保持容器2内的热制冷流体的温度恒定的前面所述装置甚至构成保持所述靶标在恒温下的装置。考虑到第二支撑结构10的平坦的托盘状形状，如果希望使每个换能器的焦点相同地居中于孔内，则所有靶标可以保持在相同的高度，该高度将基本上对应于换能器4的聚焦平面。可替代地，如果希望使得所谓的近场或远场起作用，则可以通过沿轴线Z在不同高度适当地定位支撑结构10的平面以便相对于聚焦平面分别降低或提高托盘平面的位置来实现。为此目的，应注意的是，考虑每个换能器4的不同的距离，它们不仅可以以不同的频率驱动，而且甚至可以以不同的功率驱动，这样，可以在每个靶标上施加恒定的功率(或相等的声压)持续预定的时间段，使得它们之间的各种测试具有可比性。举例而言，通过考虑前面提到的典型的频率，和提供具有37℃的恒定温度的流体和换能器的具有12.00毫米直径的平坦振动元件的执行条件，每个换能器的平坦表面和聚焦平面之间的距离将是如下：频率焦距650kHz15.38mm1MHz23.68mm2.4MHz57.14mm4.5MHz105.88mm应注意到，利用上述频率，换能器4可以根据频率被驱动，以便无论如何通过保持每个换能器4的效率高于50％来覆盖这些声波的整个范围特性。为了实现上述靶标的移动，第二支撑结构包括第一装置，第一装置用于沿着两个可能垂直的方向或位于在该平面上的轴在所述换能器4共同的聚焦平面上平移靶标。为此目的，托盘由连接到第一光标12的臂9支承，第一光标12沿由第一电动机14驱动的第一螺杆轴13装配，第一螺杆轴13进而组装在第二光标15上，第二光标15沿着由第二电动机17驱动的第二螺杆轴16装配，螺杆轴之间是垂直的。在本实施例中，甚至臂9允许垂直于聚焦平面的竖直平移，以使得能够操纵所述第二支撑结构10的托盘或对焦距进行微调。因此，它构成第二装置，第二装置用于沿平行于超声波波束传播的方向上平移所述靶标11，以便在超声波的近场或远场中布置所述靶标，和/或根据换能器4的正确焦距沿移动远离第一支撑结构3的竖直方向平移所述靶标11，使该换能器4在系统内操作。应指出优选所述的方向一致。因此，用于平移靶标的第一装置沿两个垂直轴移动所述矩阵，其中节距对应于所述矩阵中的靶标之间的最小距离，如前文所述。应该理解的是，甚至使用具有不同尺寸的矩阵的板可能是方便的，例如使用具有48个靶标(4×12或6×8)，或96个靶标(6×16或8×12)的较大的尺寸。参照图4，描述了根据本发明实施测试设备的第二实施方式的实施例的第一支承结构的替代实施方式。其包含底座21，管状支持件22从该底座21伸出，每一个管状支持件22将换能器4维持在其顶部的一定的特征高度处。对于每个换能器，其包含容纳件23，容纳件23限定换能器本体的相应的封闭室，具有围绕换能器本体以使其适当冷却的外套。每个管状支撑件22然后通过各自的入口管线24与出口管线25供给，输送具有前述功能的热制冷流体。在其自己的上表面，各容纳件23包括孔27，孔27使含有由复合压电陶瓷材料制成的振动元件的换能器4的顶部的平坦振动面暴露。其通过拧紧挤压垫圈26的套圈28通过保证整个隔室的密封而被保持。应注意的是，放置换能器处离相应的共面靶标的距离甚至可以是恒定的，目的不是区分频率，而是区分超声波波束的强度。为此目的，对应于特定的工作频率，测试设备可以具有用于换能器的可用的两个或更多个不同的支撑结构：一个在不同的高度，而一个或多个在恒定的高度。有利的是，单一的第一支承结构可以被使用，其配备有用于独立于其他的换能器竖直地平移每个换能器的装置，由此在相同的测试装置中获得最大的操作灵活性。举例而言，类似的方案可以集成到通过参照第二实施方式的实施例所描述的管状支撑件内部。为了满足附加和偶然的需要，本领域的技术人员可以引入几个附加的修改方案和变化方案，然而所有这些都落入本发明的由所附权利要求所限定的保护范围之内。当前第1页1 2 3