CN106964010A - 脂质颗粒与红血球的声电泳分离 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了从血液分离出的颗粒或液滴，其由包括以下步骤的方法产生：使包含颗粒或液滴的血液流动通过流动腔室，其中，所述流动腔室具有声能源；驱动所述声能源以在所述血液中产生多个三维驻波，并且俘获所述颗粒或液滴；以及从所述血液中除去被俘获在所述三维驻波中的所述颗粒或液滴，其中，每个三维驻波产生具有相同幅值数量级的轴向力分量和横向力分量的声辐射力。

Description

脂质颗粒与红血球的声电泳分离
本申请是2013年4月19日提交、发明名称为“脂质颗粒与红血 球的声电泳分离”、申请号为201380020839.5(国际申请号 PCT/US2013/037404)的发明专利申请的分案申请。
背景技术
本申请要求2012年4月20日提交的美国临时专利No. 61/636,515的优先权。该申请的全部内容在此通过引用的方式全部并 入本文。
在心脏手术期间，由于难以对跳动的心脏动手术，因此心脏和 肺的功能由外部泵替代。这种技术(称为心肺分流术(CPB))保持 患者体内的血液和氧气的循环。回输法是比较有吸引力的，因为它降 低了对异体输血的需要、最大程度地减少了成本、并且降低了输血相 关的发病率。异源输血同样与心脏手术之后增加的长期死亡率相关。
然而，当在手术过程期间脂肪层被切割时，脂肪层释放出脂质， 脂质在抽吸期间可以由泵进行收集。然后，当将血液回输到体内时， 这些脂质可能会被无意地引入到血流中。脂质可能引起脂质微栓子， 其中，乳化(悬浮状态)的脂肪细胞行进到患者的器官(例如肾、肺、 心脏)，并且可能引起血管的堵塞(栓塞)。当脂质微栓子出现在大 脑中时，是尤其危险的，因为它们会导致各种神经认知障碍。在CPB 之后的第一周内，超过50％的患者经历神经功能缺损，10％-30％的 患者受到长期或永久性的影响，1-5％的患者经历永久性残疾或死亡。
诸如过滤法和离心法等用于从血液中除去脂质的现有方法效率 低或对血液中的有益的红血球有害。脂质颗粒在直径方面表现出约 5-70微米(μm)的尺寸分布，其中大多数颗粒≤10μm。这与红血球 的尺寸大致相同。典型的过滤器具有25-40μm的孔径以及30-40％的 脂质去除效率。另外，过滤器堵塞并受到通过量的限制，需要进行更 换，并且可能将较大的液滴分散成较小的液滴。离心法费时且昂贵， 并且需要训练有素的人员。另外，离心法所要求的高速可能会损坏血 球，并且除去诸如血小板和凝血因子等有益的血液成分。已经使用了 一些MEMS装置，但这些装置依赖于非常小的通道，该通道基本上 只能用于分离“排列成行”的红血球和脂质颗粒。这会导致非常低的 通过量，并且不能进行大批量的处理。
需要一种可以有效地且充分地从血液中除去脂质的分离技术。
发明内容
本发明涉及使用声电泳从血液中俘获和分离脂质的系统和装 置。该装置使用如本文所述的超声换能器。
本文公开了从血液分离脂质的方法。使所述血液流动通过流动 腔室。所述流动腔室具有声能源并在所述流动腔室的相反侧具有声能 的反射器。所述血液包含脂质。激活所述声能源，以在所述血液中产 生多个入射波。使所述反射器反射所述多个入射波，从而产生与所述 入射波共振的多个反射波，由此形成多个驻波。于是，可以从所述血 液中除去被俘获在所述驻波中的脂质。
在其它实施例中，公开了一种装置。该装置，包括：流动腔室， 其具有使包含脂质的血液流动通过的入口和出口；超声换能器，其位 于所述流动腔室的壁部上，所述换能器包括限定了所述换能器的一侧 的陶瓷晶体，所述换能器由超声频率的振荡的周期性或脉冲式电压信 号驱动，所述电压信号驱动所述换能器，以在所述流动腔室中产生驻 波；以及反射器，其位于所述流动腔室的与所述换能器相反的一侧的 壁部上。
在另一实施例中，一种装置包括：抽吸装置，其从患者收集血 液；流动腔室，其具有让血液流动通过的入口和出口；多个超声换能 器，其位于所述流动腔室的壁部上，所述换能器均包括由超声频率的 振荡的周期性或脉冲式电压信号驱动的陶瓷晶体，该电压信号驱动所 述换能器，使所述换能器以非均一的位移模式振动，以在所述流动通 道中产生驻波；以及反射器，其位于所述流动腔室的与所述换能器相 反的一侧的壁部上。
在下面更具体地描述了这些和其他非限制性特征。
附图说明
以下是附图的简要描述，所述附图是为了说明本文所公开的示 例性实施例而提供的，并不是为了限制本发明。
图1示出具有一个换能器的声电泳分离器。
图2是示出声电泳分离器的功能的视图。
图3示出具有多个换能器的声电泳分离器。
图4A是用作图3的分离器中的入口的扩散器的详细视图。
图4B是可以与图3的分离器一起使用的替代入口扩散器的详细 视图。
图5是具有一个换能器的声电泳分离器的可选实施例。
图6是图5的声电泳分离器的分解图。
图7是本发明的超声换能器的剖视图。在换能器内存在空气间 隙，并且不存在背衬层。
图8是示出血球和脂质的对比系数的图表。
图9是示出俘获在驻波中的脂质和血球的曲线图。
图10是声电泳分离器的计算机模型，模拟出该模型以生成图 11A至图11D。
图11A至图11D示出在声电泳分离器中作用在颗粒上的力的模 拟。
图12是当以不同频率驱动方形换能器时的阻抗振幅与频率之间 的关系的曲线图。
图13示出用于图12的7个峰值振幅的波节构造。
图14和图15示出换能器阵列构造。
图16是用于除去红血球的实验室设置中的图5的声电泳分离器 的照片。
图17示出图5和图16的声电泳分离器的观察窗的两张照片。
具体实施方式
通过参考以下优选实施例的详细描述及本文包括的实例，可以 更容易地理解本发明。在以下说明书和随后的权利要求书中，将参考 定义为具有下述含义的大量术语。
除非上下文另有明确说明，否则单数形式的“一”、“一个” 和“该”也包括多个指示物。
如在说明书和权利要求书中所使用的那样，术语“包含”可以 包括实施例“由…组成”和“基本上由…组成”的含义。
数值应当被理解为包括在被约简成相同有效数字时相同的数值 以及与设定值之差比本申请所述类型的确定该值的常规测量技术的 实验误差小的数值。
本文公开的所有范围包括所述端值并且是可独立组合的(例如 范围“从2克到10克”包括端值2克和10克以及所有中间值)。
如本文所用的那样，可以运用近似的语言修饰任何可变但不会 导致所涉及的基本功能改变的定量表述。因此，在一些情况下，由诸 如“约”和“基本上”等一个或几个术语修饰的数值不限于给定的精 确值。修饰语“约”也应被视为公开了由两个端点的绝对值限定的范 围。例如“从约2到约4”的表达也公开了“从2到4”的范围。
本文所使用的一些术语是相对性的术语。相对于给定的结构， 术语“入口”和“出口”涉及从中流动通过的流体，例如流体流动通 过入口而进入该结构，并且流体通过出口而从该结构流出。术语“上 游”和“下游”相对于流体流动通过各种部件的方向而言，即流体在 流动通过下游部件之前流动通过上游部件。术语“上”和“下”相对 于中心点而言。上部件位于中心点的一个方向上，而下部件位于中心 点的相反方向上。
术语“水平”和“竖直”用于表示相对于绝对基准(即地面) 的方向。然而，这些术语不应当被解释为要求结构彼此绝对平行或绝 对垂直。例如第一竖直结构和第二竖直结构彼此不必平行。相对于绝 对基准(即地球的表面)，术语“顶部”以及“底部”或“基部”是 用来指顶部总是高于底部/基部的表面。术语“向上”和“向下”同 样相对于绝对基准而言；向上始终克服地球的重力。
本发明涉及颗粒和液滴。“颗粒”应被理解为指的是密度比水 大的材料，而“液滴”指的是密度比水小的材料。然而，这两个术语 也具有悬浮或分散在流体中的共同特征，并且优选地与流体分离。根 据上下文，由于存在这个共同特征，因此参考该术语中的任一个应被 理解为指的是任一个术语，因此不应被解释为以某种方式仅限于使用 基于密度的术语的那个。
如前面提到的那样，需要用于多组分液体流(例如从血液分离 脂质)的高效率分离技术。就此而言，术语“血液”指的是悬浮在血 浆中的血球的组合。术语“血浆”指的是包含溶解的蛋白质、葡萄糖、 凝血因子、矿物离子、激素和二氧化碳在内的血液的液体成分。术语 “血球”指的是红血球和白血球这两者。优选地从血液中除去的脂质 具有与血球大致相同的尺寸，这使得用常规方法进行分离变得困难。
声电泳
声电泳是使用高强度的声波对颗粒进行分离的方法。早已知道， 声音的高强度驻波可以将力施加在颗粒上。驻波具有在时间上表现出 “驻立”不变的压力分布。驻波中的压力分布从高压区域(波节)到 低压区域(波腹)变化。驻波在声共振器中产生。声共振器的常见例 子包括许多音乐吹奏乐器，如风琴管、长笛、单簧管和喇叭。
在从流体分散液中去除颗粒方面，声电泳是一种低功率、无压 降、不堵塞的固态方法(solid-state approach)：即它是用来实现比 用多孔过滤器进行分离更典型的分离，但它没有过滤器的缺点。
利用超声驻波的声电泳分相器技术提供了无耗材、无废物产生 和能源成本低的优势。如在共同拥有的美国专利申请No.13/844754 (其全部内容在此通过引用的方式并入本文)所说明的那样，该技术 在去除尺寸差异极大的颗粒方面(包括将微米和亚微米尺寸的颗粒分 离)是有效的。在共同拥有的美国专利申请No.12/947757、No. 13/085299、No.13/216049和No.13/216035(各申请的全部内容在此 通过引用的方式并入本文)中，可以发现利用声电泳的滤声器/收声 器的实例。
可以使用声电泳来将类似尺寸的血球和脂质彼此分离，以便仅 除去脂质。可以在连续流动过程(其中血液流动通过流动腔室)中使 用声电泳，从而允许实现没有任何流动中断的连续回路过程。在流动 腔室中，脂质与血球和血浆分离，并因此可以除去脂质。例如在手术 期间，当脂质被引入到手术患者的血流中时，这是尤其有用的。在血 液的外部循环回路期间，可以从血流中除去脂质，从而降低因手术而 带来的脂质微栓子的可能性。这可以减少手术后的并发症。宏观尺度 装置允许流量达到每小时几升(L/hr)。不需要训练有素的人员。
声共振器被设计为产生高强度的三维超声驻波，该超声驻波产 生比流体阻力和浮力的综合影响更大的声辐射力，并因此能够俘获 (即保持为固定)悬浮相。本系统具有产生超声驻波场的能力，该超 声驻波场能够俘获线速度超过1cm/s的流场中的颗粒。已经证明了对 粒径小至1微米(比血细胞和脂质细胞小得多)具有优良的颗粒分离 效率。
声电泳分离技术采用超声驻波来俘获(即保持为固定)主液流 中的二相粒子。这是与前述方法的重要区别，在前述方法中，颗粒运 动轨迹仅由声辐射力的作用改变。声场对颗粒的分散会产生三维声辐 射力，作为三维俘获场起作用。声辐射力与颗粒体积(例如半径的立 方)成正比。声辐射力还与频率和声学对比系数成正比。声辐射力还 与声能(例如声压幅值的平方)成比例。力的正弦空间变化将颗粒驱 动到驻波的稳定位置。当作用在颗粒上的声辐射力强于流体阻力和浮 力/重力的组合作用时，颗粒被俘获在声学驻波场中。作用在被俘获 的颗粒上的声学力能够导致颗粒和液滴的集中、聚集和/或聚结。重 于水(即密度大于水，如红血球)的颗粒通过增强的重力沉降进行分 离，而轻于水的颗粒(例如脂质)通过增强的浮力进行分离。
图1示出了声电泳颗粒分离器1的一个实施例的示意图。多组 分液流(例如水或其它流体)进入入口4，并且分离的流体在相反端 处经由出口6排出。应当注意的是，该液流通常是在压力的作用下流 动通过分离器的。颗粒分离器1具有承载多组分液流并穿过共振器10的纵向流动通道8。共振器10包括换能器12，或者在一些实施例 中包括用作声波激励源的换能器阵列。声共振器10具有反射器14， 反射器14位于与换能器12相反的壁部上。收集凹部16收集杂质并 且同样定位成与换能器相反。如本文所限定的那样，杂质包括区别于主流体的颗粒或流体。另一收集凹部(不可见)位于装置的靠近换能 器的顶部。声共振器10设计为保持高强度的三维声学驻波。该系统 由函数发生器和放大器(未示出)驱动。计算机监测和控制系统性能。
图2示出了用于从血液移除脂质的实施例的示意图。利用换能 器20施加通常在从几百kHz到几MHz的范围内的激励频率。血球 22和脂质23被俘获在驻波24的波节处并且聚集，从而允许漂浮的 脂质浮到顶部而较重的血球下沉。声电泳分离技术能够实现多组分颗粒的分离而没有任何污染并且能够大大降低成本。
图3示出了声电泳颗粒分离器30的另一实施例。与声电泳分离 器1一样，声电泳分离器30具有带有入口32和出口34的壳体42。 入口32与喷嘴或具有蜂窝件的扩散器36相配合，以便于活塞流的形 成。声电泳分离器30具有换能器40的阵列38，在这种情况下，六 个换能器都布置在同一壁部上。换能器布置为覆盖流路的整个截面。 在某些实施例中，图3的声电泳分离系统具有6英寸×6英寸的正方 形横截面，其在高达3加仑每分钟(GPM)的流量或8mm/sec的线 速度的条件下工作。换能器40为六个PZT-8(锆钛酸铅)换能器， 各PZT-8换能器具有1英寸的直径和标称2MHz的共振频率。在3 GPM的流量下，各个换能器消耗约28W的功率来用于液滴俘获。 这意味着0.25kW hr/m3的能耗成本。这表示该技术具有非常低的能耗成本。优选地，各换能器由各自的放大器供电和控制。
图4A和图4B示出了能够用在声电泳分离器的入口处的两个不 同的扩散器。扩散器44A和44B具有入口部46(在此为圆形形状) 和出口部48(这里用正方形形状)。在图3中示出了图4A的扩散器。 图4A包括网格或蜂窝件50，而图4B中没有。网格有助于确保均匀 的流动。
图5是具有一个换能器的声电泳分离器的另一实施例。换能器54具有PZT-8压电晶体52。换能器54安装在分离器56的顶部。
图6是图5的分离器的分解图，示出了分开的部件。分离器的 中央是主体66，在此主体66被示出为具有围绕腔室60的六个面。 换句话说，主体是中空的。腔室60是产生驻波的地方以及血液和脂 质发生分离的地方。在此，每个面均包括用于进入腔室的孔。在此，入口61和出口62位于主体的相反两面上。使用时，血液通过入口 61进入分离器并且通过出口62排出。在此，示出顶面上具有圆孔， 通过该圆孔超声换能器暴露于血液中。在此示出圆形晶体52。同样 位于顶面上的是换能器支撑件67和顶部件65。可以预见到的是，超 声换能器将被置于支撑件67中，然后用顶部件65进行覆盖。在此未 示出但可以想到的是位于顶部的收集凹部，分离的脂质可以被导入到 该收集凹部中。顶部件中的孔允许BNC连接器63与换能器连接。底 面(即与换能器相反的面)上具有在此由钢材制成的反射器板58。 观察窗64设置在其余两个面中。这些观察窗是可选的。在主体的各 个孔周围设置垫片，以提高水密性。
图7是本发明的超声换能器81的剖视图，超声换能器81能够 与图1、图3或图5的声电泳分离器一起使用。换能器81位于图6 的换能器支撑件67中。
换能器81具有铝制壳体82。PZT晶体86限定了换能器的底端， 并且从壳体的外部露出。晶体的外周被壳体支撑。
螺钉(未示出)借助螺纹88将壳体的铝制顶板82a连接在壳体 的主体82b上。顶板包括连接器84，以将电力传递至PZT晶体86(其 与图6的BNC连接器63相接)。经由电导线90向PZT晶体86提 供电力。应该注意到，晶体86不具有背衬层。换句话说，在换能器 中，在铝制顶板82a与晶体86之间存在空气间隙87。在一些实施例 中，可以设置最小的背衬。
换能器设计可影响系统的性能。典型的换能器具有层状结构， 该层状结构具有结合到背衬层和耐磨板的陶瓷晶体。由于换能器装载 成由驻波呈现的高机械阻抗，耐磨板的传统设计准则(例如半波长或 四分之一波长的厚度和制造方法)可能并不合适。相反，在本发明的 一个实施例中，换能器不具有耐磨板或背衬，从而允许晶体以高Q 因子振动。就此而言，根据公式Q＝fo/带宽，Q因子描述了从换能器 发出的声音，其中fo为中心频率，而带宽为频率分布的宽度。“高Q” 换能器具有相对较小的带宽和较长的空间脉冲长度。“低Q”换能器 具有相对较大的带宽和较短的空间脉冲长度。
振动陶瓷晶体/片从流动通过流动腔室的流体直接露出。在实施 例中，在振动晶体的任一侧设置银电极。通常，在PZT晶体的两侧 存在薄金属层，以便激励换能器。
移除背衬(例如使空气作为晶体的背衬)还允许陶瓷晶体获得 高次振动模式(例如高次模式位移)。在具有带背衬的晶体的换能器 中，晶体像活塞那样以均一的位移振动。移除背衬允许晶体以非均一 的位移模式振动。晶体的振型的阶次越高，晶体就具有越多的节线。 虽然俘获线与波节的相关性不一定是一一对应的而且以较高频率驱 动晶体不一定会产生更多的俘获线，但晶体的高次模式位移产生更多 的俘获线(trapping line)。
在一些实施例中，晶体可以具有对晶体的Q因子影响最小(例 如小于5％)的背衬。背衬可以由诸如轻木或软木等大致透声材料制 成，透声材料在向晶体提供一些机械支撑的同时允许晶体以高次振型 振动并且保持高Q因子。在另一实施例中，背衬可以为栅格结构， 该栅格结构以特定的高次振动模式遵循振动晶体的波节，从而在允许 其余晶体自由振动的同时在波节位置处提供支撑。栅格结构或透声材 料的目标在于在不降低晶体的Q因子的情况下提供支撑。
通过避免耐磨板的衰减和能量吸收效应，将晶体放置为与流体 (即血液)直接接触或在晶体与流体之间提供尽可能薄的耐磨板同样 有助于获得高Q因子。在从血液分离脂质的系统中，耐磨板有利于 防止含铅的PZT与血液接触。可能的耐磨层是铬、电解镍或化学镀 镍。化学气相沉积也可以用于施加聚对二甲苯(例如PARYLENETM) 层或其它聚合物层。诸如硅酮或聚氨酯等有机涂层和生物相容涂层也 可考虑作为磨损面。
本发明的系统在电压下进行操作，使得颗粒被俘获在超声驻波 中，即保持在固定位置。颗粒被收集(即脂质和血球)在以半个波长 隔开的良好限定的俘获线中。在每个节面中，以最小的声辐射电位俘 获颗粒。声辐射力的轴向分量将具有正对比系数的颗粒驱动至压力节 面，而将具有负对比系数的颗粒驱动至压力波腹面。声辐射力的径向 或横向分量是俘获颗粒的力。在使用典型的换能器的系统中，声辐射 力的径向分量或横向分量一般要比声辐射力的轴向分量小几个数量 级。然而，分离器1、30、56中的横向力可能相当大(具有与轴向力 分量相同的数量级)，并且足以克服线速度达1cm/s时的流体阻力。 如上所述，通过以高次振型驱动换能器，与晶体像具有均一位移的活 塞那样有效移动的振动形式相反，能够增大横向力。这些高次振动模 式类似于鼓中的膜的振动模式，如模式(1,1)、(1,2)、(2,1)、 (2,2)、(2,3)或(M,N)，其中m和n大于或等于1。声压与换 能器的驱动电压成正比。电功率与电压的平方成正比。
对比系数
由于脂质和血球具有不同的声学对比系数，因此脂质和血球的 分离是可能的。可以根据以下等式计算流体f中的颗粒p的声学对比 系数X：
其中，ρp是颗粒密度，βp是该颗粒的压缩系数，ρf是流体密度， 而βf是该流体的压缩系数。
血浆可以被视为具有与水类似的特性，并且在表1中示出了以 下数据。“E”符号指的是10的以下数字次方，(例如E+2＝10^2, 或100)。
表1
图8示出了红血球和脂质的声学对比系数(ACF)的图表，曲 线X＝0表示对比系数为零，流体为水。对比系数为零的颗粒将不会 感觉到力，从而具有与所在溶液(例如，水)类似的特性。由于红血 球对比系数93和脂质对比系数92位于X＝0曲线的相反两侧，即其 中一个具有正ACF，而另一个具有负ACF，因此它们能够被有效分 离。
图9示出了具有正声学对比系数和负声学对比系数的颗粒所感 受到的声辐射力(ARF)。对于具有大于零的对比系数的红血球而言， 力94、95将血球推至驻波的波节99，波节99与收集脂质的波节98 相距半个波长。脂质被力96、97推至波腹98。血球和脂质感受到不 同的力，这是因为具有正声学对比系数的颗粒移动至压力波节99， 而具有负声学对比系数的颗粒移动至压力波腹99。换言之，脂质的 柱形体以相距半个波长的方式与红血球分离。驻波与流动方向大致垂 直，并且柱形体与流动方向大致平行。随着脂质的聚结，它们最终变 为具有浮力并且浮到顶部。红血球将会沉到底部，并且能够被单独收 集或能够与血液的其余部分一起返回到患者体内。
图10是声电泳分离器102的计算机模型，模拟出该模型以生成 图11A至图11D。压电陶瓷晶体104与水通道106中的流体直接接 触。在用于从血液中分离脂质的实施例中，预计将会使用薄耐磨板。 硅层103位于晶体104与铝制顶板100之间。反射器112反射波以产生驻波。反射器由诸如钢或钨等高声阻抗材料制成，从而提供良好的 反射。作为参照，Y轴110将被称为轴向。X轴108将被称为径向或 横向。在COMSOL中计算声压和速度模型，COMSOL包括PZT换 能器的压电模型、周围结构(例如反射板和壁部)的线性弹性模型、 以及水柱中的波的线性声学模型。将声压和速度作为数据导出到 MATLAB。在MATLAB中使用Gor'kov公式计算作用在悬浮颗粒上 的辐射力。将诸如密度、声速和颗粒大小等颗粒和流体材料特性输入 到程序中，并用于确定单极和双极散射贡献。声辐射力通过执行场电 位U下的梯度运算来确定，其为颗粒体积以及声场的时间平均势能 和动能的函数。
图11A至图11D示出了单个声波与多模声波之间的俘获差异的 模拟。图11A示出了与单个声学驻波相关联的轴向力。图11B示出 了因单个声学驻波而产生的横向力。图11C和图11D分别示出了在 形成多个驻波的多模(具有多个波节的高次振动模式)压电晶体激励下的轴向力和横向力。电输入与图11A和图11B的单个模式相同， 但阱力(trapping force)(横向力)为70倍大(应注意，为图11D 的右侧对图11B的右侧的比例)。这些附图由被10V交流电驱动的 1MHz压电换能器的计算机模型模拟产生，该压电换能器绘制为以钢 反射器终结的开放水通道中的铝制顶板(参见图10)。图11A和图 11B中的场为960kHz，且具有400kPa的峰值压力。图11C和图11D 中的场为961kHz，且具有1400kPa的峰值压力。除了较高的力之外， 961kHz的场(图11C和图11D)具有更多的梯度和焦点。
除了换能器的形状之外，换能器的振型(换能器以什么形式振 动)也影响油分离效率。产生更多的波节能够提供更多用于俘获油的 地方。图12示出了测量得到的作为2.2MHz换能器共振附近的频率 的函数的换能器的电阻抗振幅。换能器阻抗的最小值与水柱声学共振 对应并且表示用于操作的电位频率。数值模型表明，该换能器的位移 分布在这些声学共振频率处变化显著，并且由此直接影响声学驻波和 所得到的阱力。换能器位移振型从单个半波模式变为三个半波振型。 高次传感器模式位移能够导致更高的阱力和被俘获油滴的多个稳定 俘获位置。单个半波模式能够产生一行被俘获液滴，而三个半波模式能够在整个流体通道上产生平行的三行被俘获液滴。
为调查换能器振型对声阱力和油分离效率的影响，以除了激励 频率之外的所有相同条件，重复进行十次实验。十个连续的声学共振 频率(其在图12中由圆圈数字1-9和字母A表示)被用作激励频率。 条件为30分钟的实验时间、1000ppm的油浓度、500ml/min的流量、 以及20W的外加功率。
当乳液通过换能器时，观察和表征该俘获节线。对于图12中标 识的十个共振频率中的七个而言，如图13所示，表征涉及整个流体 通道上的俘获节线的数量的观测和图案。
激励频率的效果清楚地确定俘获节线的数量，该数量从声学共 振5、9的激励频率处的单根俘获线变为声学共振频率4的9根俘获 节线。在其它激励频率处，观察到四根或五根俘获节线。换能器的不 同振动模式能够产生不同的(更多的)驻波波节，更多波节通常产生 更高的阱力。
不同的换能器结构也是可行的。图14示出了换能器阵列120， 其包括3个正方形1”×1”晶体120a、120b、120c。两个正方形彼 此平行，而第三个正方形发生偏移，以形成三角形图案。图15示出 了换能器阵列122，其包括两个矩形1”×2.5”的晶体122a、122b， 晶体122a、122b设置成长轴彼此平行。每个换能器在每1”×1”换 能器横截面面积和每英寸声学驻波跨度上的功耗为10W，以便获得 足够的声阱力。对于中等规模系统的4”跨度而言，每个1”×1”正 方形换能器消耗40W。中等规模系统中的较大的1”×2.5”矩形换 能器使用100W。三个1”×1”正方形换能器的阵列总共将消耗120W， 而两个1”×2.5”换能器的阵列将消耗约200W。
图16示出了使用分离器56来从血流中除去红血球的实验室设 备。血液沿方向130流动。波的声传播方向为X方向(在图16中从 页面出来的方向)。也就是说，照片示出了钢板57，并且换能器位 于分离器56的相反侧。
在牛血稀释100倍、50倍、25倍和10倍情况下，利用图16的 设备进行一系列试验。在所有四个试验中，可以通过分离器窗口64 观察血球。使用具有0.75％红花乳液的10倍稀释牛血进行进一步的 试验。可以用肉眼观察到油上升到顶部。可以从分离器56的腔室获取血细胞比容读数(红血球浓度的量度)。时间和读数为：0分钟时 为3％(基线)、10分钟时为55％、以及20分钟时为23％。应认识 到，20分钟时的下降是由于在10分钟时的稳定期(drawing)之后 红血球计数下降。
图17示出了窗口64的两张图片，示出了油聚结和从声学驻波 中冒出来。这表明声电泳分离是一种用于浓缩红细胞和脂质分离来防 止微栓子的有效方法。
已经参考示例性实施例描述了本发明。显然，在阅读并理解了 前述详细说明后，其他人将能够对其进行修改和变更。其意在本发明 应被解释为包括所有此类修改和变更，只要它们在所附权利要求书或 其等同内容的范围之内即可。

Claims (24)

1.从血液分离出的颗粒或液滴，其由包括以下步骤的方法产生：
使包含颗粒或液滴的血液流动通过流动腔室，其中，所述流动腔室具有声能源；
驱动所述声能源以在所述血液中产生多个三维驻波，并且俘获所述颗粒或液滴；以及
从所述血液中除去被俘获在所述三维驻波中的所述颗粒或液滴，
其中，每个三维驻波产生具有相同幅值数量级的轴向力分量和横向力分量的声辐射力。
2.根据权利要求1所述的颗粒或液滴，其中，所述血液连续流动通过所述流动腔室。
3.根据权利要求1所述的颗粒或液滴，还包括以非均一的位移模式驱动所述声能源。
4.根据权利要求1所述的颗粒或液滴，还包括以具有多于一个俘获节线的高次振型驱动所述声能源。
5.根据权利要求1所述的颗粒或液滴，其中，所述声能源由栅格结构支撑。
6.根据权利要求1所述的颗粒或液滴，其中，所述驻波产生节线，并且所述横向力分量将所述颗粒或液滴俘获在所述节线中。
7.根据权利要求6所述的颗粒或液滴，其中，所述颗粒或液滴中的至少一些被俘获在所述节线中，并且集中、聚集或聚结并通过增强的重力沉降进行分离。
8.根据权利要求6所述的颗粒或液滴，其中，所述颗粒或液滴中的至少一些被俘获在所述节线中，并且集中、聚集或聚结并通过增强的浮力进行分离。
9.根据权利要求1所述的颗粒或液滴，其中，所述颗粒或液滴中的至少一些被收集在位于所述流动腔室的顶部处的收集凹部中。
10.一种用于从血液中分离颗粒或液滴的装置，所述装置包括：
流动腔室，其具有让包含颗粒或液滴的血液流动通过的入口和出口；
超声换能器，其包括可操作地在所述流动腔室中产生多个三维驻波的压电材料；以及
反射器，其位于所述流动腔室的与所述换能器相反的一侧上；
其中，每个三维驻波产生具有相同幅值数量级的轴向力分量和横向力分量的声辐射力。
11.根据权利要求10所述的装置，还包括位于所述流动腔室的顶部处的收集凹部。
12.根据权利要求10所述的装置，还包括从患者收集血液的抽吸装置和使所述血液流动通过所述腔室的泵。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，所述压电材料由PZT-8制成。
14.根据权利要求10所述的装置，其中，所述换能器具有容纳所述压电材料的壳体。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述壳体包括顶部和空气间隙，所述空气间隙设置在所述顶部和所述压电材料之间。
16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述压电材料没有背衬层。
17.根据权利要求10所述的装置，其中，所述换能器的振动在所述流动腔室中形成驻波。
18.根据权利要求10所述的装置，其中，所述反射器是钢或钨。
19.根据权利要求16所述的装置，其中，背衬层接触所述压电材料的内表面，所述背衬层由大致透声材料制成。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述大致透声材料是轻木或软木。
21.根据权利要求19所述的装置，其中，所述大致透声材料为栅格的形式。
22.根据权利要求10所述的装置，其中，所述压电材料的外表面被耐磨表面材料覆盖，所述耐磨表面材料是聚氨酯、铬、电解镍、化学镀镍、聚对二甲苯、硅酮涂层或其它聚合物。
23.根据权利要求10所述的装置，其中，所述压电材料没有背衬层或耐磨层。
24.从流体分散液分离出的颗粒或液滴，其由包括以下步骤的方法产生：
使包含颗粒或液滴的流体分散液流动通过流动腔室，其中，所述流动腔室具有声能源以及位于所述流动腔室的相反侧上的声能的反射器；
驱动所述声能源以在所述流体分散液中产生多个三维驻波，并且俘获所述颗粒或液滴；以及
从所述流体分散液中除去被俘获在所述三维驻波中的所述颗粒或液滴，
其中，每个三维驻波产生具有相同幅值数量级的轴向力分量和横向力分量的声辐射力。
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