CZ303782B6

CZ303782B6 - Zarízení pro ozarování vzorku ultrazvukem

Info

Publication number: CZ303782B6
Application number: CZ20080730A
Authority: CZ
Inventors: Dolezal@Ladislav; Kolárová@Hana; Hradil@Jaroslav
Original assignee: Univerzita Palackého
Priority date: 2008-11-18
Filing date: 2008-11-18
Publication date: 2013-05-02
Also published as: DE102009015595A1; CZ2008730A3

Abstract

Zarízení pro ozarování vzorku ultrazvukem, zejména pro pouzití v lékarství, je tvorené nádrzí (1), která je naplnena vazební tekutinou a v jejímz vnitrním prostoru je umísten zdroj (3) ultrazvuku, v ose jehoz vyzarovací charakteristiky je umísten v drzáku (4) ozarovaný vzorek, kde alespon jedna z bocních sten (12) nádrze (1) je vytvorena v jiném nez rovnobezném smeru s osou ultrazvukového paprsku vyzarovaného ze zdroje (3), pricemz s výhodou je v dráze ultrazvukového vlnení od zdroje (3) smerem k drzáku (4) vzorku umístena alespon jedna stínicí clona (7).

Description

Zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem

Oblast techniky

Vynález se týká konstrukce zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem, určeného zejména pro použití v lékařství pro zkoumání vlivu ultrazvukové energie na různé vzorky živé i neživé hmoty.

Dosavadní stav techniky

Pro aplikaci a zkoumání vlivu ultrazvukové energie na různé vzorky živé i neživé hmoty jsou využívána zařízení, na jejichž konstrukci je kladena řada požadavků. Především je to efektivní přenos energie a co nej přesněji definovaná a rovnoměrně rozložená intenzita ultrazvukové energie v místě ozáření vzorku, vhodná manipulace se vzorkem a definované fyzikální podmínky za kterých je vzorek ozařován, jako je například poloha, teplota, tlak apod. K ozařování vzorků ultrazvukem jsou vesměs využívány nádrže vyplněné vhodně upravenou vodou, která má za úkol zprostředkovat akustický kontakt mezi generátorem ultrazvuku a ozařovaným vzorkem. Nádrže jsou opatřené vhodně konstruovaným držákem vzorku a dalšími doplňkovými zařízeními, která mají za úkol zajistit požadované fyzikální podmínky procesu, například teplotu.

Základním problémem takto konstruovaných zařízení pro ozařování vzorků je interference emitovaných ultrazvukových vln s vlnami odraženými zejména od stěn nádrže, která způsobuje vznik interferenčních produktů ve formě stojatých vln, a tím vznik obtížně definovatelných nehomogenit rozložení energie ultrazvukového pole. Tím je porušena jedna ze základních funkci přístroje, tj. definovat a rovnoměrně rozdělit intenzitu ultrazvukové energie působící na vzorek. Z toho důvodu je problematika zamezení interferenci odražených ultrazvukových vln velmi důležitá pro zajištění optimálních podmínek procesu ozařování. Vzhledem k tomu, že náplň nádrže, s výhodou odplyněná voda, se vyznačuje malým útlumem ultrazvuku, musí v současné době známá řešení využívat velké nádrže, ve kterých je ultrazvuk absorbován v dostatečném objemu vodní náplně, případně jsou stěny nádrží obkládány vhodnými absorbéry. Nádrže těchto zařízení mají objem o velikosti stovek litrů, čímž vzniká problém obtížné manipulace se zařízením a rovněž je náročné udržování stavu náplně v požadované kvalitě. Takto konstruované nádrže různých firem navíc nejsou určeny pro ozařování vzorků, ale především pro měření parametrů ultrazvukového pole.

Jiná v současné době známá řešení ultrazvukových ozařovačů jsou konstruována především pro výkonové aplikace s možností ozařovat vzorky většího objemu, které mohou případně i kontinuálně nebo přerušovaně ozařovačem protékat. Takováto řešení jsou určena především k průmyslovým aplikacím a pro výzkum účinků ultrazvuku na malé vzorky nejsou vhodná. To je možno dokumentovat například řešením dle spisu WO 2004/026 452 „Method and through-flow cell for continuous treatment of free-flowing compositions by means of ultrasound“. Patent CZ 283 936 se týká způsobu dezintegrace buněčných disperzí nebo suspenzí pomocí ultrazvukových vibrací pro isolaci základních buněčných složek a popisuje zařízení, jehož účelem je dosažení dostatečné intenzity ultrazvukového pole, nikoliv však zajištění jednoznačně definovaných parametrů ultrazvukového pole. Řešení dle spisu EP 11 90 729 o názvu „Ultrasonic nebulizer“ je určeno i pro uplatnění v medicíně a jeho částí je fokusující kanál, vytvořený konickým zešikmením stěn komory, kterou prochází ultrazvukové vlnění. Účelem a účinkem tohoto řešení však není homogenizace intenzity ultrazvukového pole v místě ozařování vzorku, ale fokusace ultrazvukového svazku za účelem maximalizace jeho intenzity. Také patent JP 2005 279391 z oblasti čistíren odpadních kalů popisuje kónický tvar přepážek v nádobě, ve které je generován ultrazvuk. Zde však zešikmení přepážek slouží k ovlivnění proudu kalové suspenze a také tvarování ultrazvukového svazku za účelem dosažení maximální intenzity ultrazvukových vln v místě, kde by bez působení ultrazvukových vln docházelo k usazování kalu.

- 1 CZ 303782 B6

Patent JP 2007 077341 „Ultrasound image inspection method and apparatus“ řeší problematiku zobrazování materiálových struktur ultrazvukem ve vodní nebo jiné lázni tak, aby samotný zobrazovaný předmět nepřišel do kontaktu s touto lázni, ale neřeší vůbec otázku rozložení intenzity ultrazvukového pole. Aplikace je určena pro materiálovou defektorskopii především v elektrotechnickém průmyslu. Patenty US 4 390 026 a US 4 501 151 stejného názvu „Ultrasonic therapy applicator that measures dosage“ pojednávají o aplikaci výkonového ultrazvuku na vzorky, kde první nárokuje zařízení pro měření dávky ultrazvuku, zatímco druhý upřesňuje, že se jedná o teplotní čidlo (snímač teploty). Řešení se nesnaží homogenizovat pole a korigovat jeho intenzitu působící na vzorek, ale definují pouze integrální dávku energie ultrazvuku na základě ohřevu speciální diferenciální teplotní sondy, umístěné v blízkosti vzorku v kapalině vyplňující aplikační nádrž. Popsaná zařízení neeliminují vznik interferencí a stojatých vln, což je jejich nedostatek.

V současné době pak z dostupných pramenů není známa a popsána konstrukce ozařovacího systému, který by řešil problematiku interference odražených ultrazvukových vln vhodně voleným tvarem nádrže, což si klade za úkol předkládané konstrukční řešení.

Podstata vynálezu

Uvedeného cíle je dosaženo konstrukcí zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem, zejména pro použití v lékařství, tvořeného nádrži, která je naplněna vazební tekutinou a v jejímž vnitřním prostoru je umístěn zdroj ultrazvuku, v ose jehož vyzařovací charakteristiky je umístěn v držáku ozařovaný vzorek, kde podstata řešení spočívá v tom, že alespoň jedna z bočních stěn nádrže je vytvořena v jiném než rovnoběžném směru s osou ultrazvukového paprsku vyzařovaného ze zdroje.

Ve výhodném provedení zařízení je v dráze ultrazvukového vlnění od zdroje směrem k držáku vzorku umístěna alespoň jedna stínící clona, která může být tvořena dutým tělesem ve tvaru komolého kužele, otočeného menši základnou ke zdroji ultrazvuku, přičemž velikost plochy vstupního otvoru v menší základně stínící clony je stejná nebo menší než je ozařovaná plocha vzorku.

Je rovněž výhodné, když jak zdroj ultrazvuku, tak držák vzorku jsou uloženy ve vazební tekutině vzájemně přestavitelně ve směru osy vyzařovaného ultrazvukového paprsku, přičemž mohou být uchyceny na ramenech, která jsou pomocí objímek upevněna ve stojanu.

Novým uspořádáním stěn zařízení se zabezpečí vychýlení odražených vln mimo oblast, kde by mohly interferencemi ovlivňovat parametry ultrazvukového pole v blízkosti ozařovaného vzorku a absorpci jejich energie ve vodní náplni nádrže mimo oblast umístění ozařovaného vzorku. Konstrukci nového typu zařízení se dosahuje nového účinku v tom, že vlny, které by mohly způsobit interference jsou odstíněny a pohlceny v důsledku vhodného tvaru nádrže a vhodného tvaru a polohy stínících clon a tím nepůsobí na ozařovaný vzorek. Rozměry nádrže mohou být ve srovnání s doposud používanými ozařovacími systémy podstatně menší při dosažení lepší homogenity aplikovaného ultrazvukového pole. Řešení umožňuje snadný transport a manipulaci se zařízením a výrazně šetří náklady na jeho náplň.

Přehled obrázků na výkresech

Konkrétní provedení zařízení podle vynálezu jsou schématicky znázorněna na připojených výkresech, kde

-2CZ 303782 B6 obr. 1 je vertikální osový řez základním provedením zařízení s bočními stěnami vytvořenými směrem dostředně šikmo vzhůru, obr. 2 je půdorysný pohled na zařízení z obr. 1, obr. 3 je vertikální osový řez alternativním provedením zařízení s bočními stěnami vytvořenými směrem odstředně šikmo vzhůru, obr. 4 je půdorysný pohled na zařízení z obr. 3 a obr. 5 až obr. 8 jsou nárysy a půdorysy několika dalších možných tvarů nádrže zařízení.

Příklady provedení vynálezu

Zařízení podle obr. 1 je tvořeno nádrží 1, která je vyplněna vhodnou vazební tekutinou 2, nejčastěji odplyněnou deionizovanou nebo odplyněnou vodou, a která sestává z nosné podstavy 11 a dostředně šikmo vzhůru vedených bočních stěn 12. vytvářejících v podstatě komolý jehlan. Ve vnitřním prostoru nádrže i je umístěn zdroj 3 ultrazvuku a v dráze vysílaných ultrazvukových vln držák 4 vzorku. Jak zdroj 3, tak držák 4 jsou ponořeny ve vazební tekutině 2 a jsou uchyceny na ramenech 5, která jsou přestavitelně, například pomocí objímek 51, upevněna ve stojanu 6, takže lze měnit vzájemnou polohu zdroje 3 a ozařovaného vzorku tak, aby vzorek byl umístěn v optimálním případě v ohniskové oblasti zdroje 3 ultrazvuku. Držák 4 vzorku může být vybaven různými funkcemi pro zajištění potřebných fyzikálních a chemických podmínek ozařování vzorku, jako je například termostatický systém pro udržení požadované teploty, kinematický systém, pohybující vzorkem v ultrazvukovém poli pro zajištění jeho rovnoměrného ozáření apod. V dráze ultrazvukového vlnění směrem k držáku 4 vzorku jsou pro zvýšení útlumu nežádoucích ultrazvukových vln umístěny v sérii dvě stínící clony 7 zhotovené ze vhodného absorpčního materiálu, například polyuretanového absorbéru. Stínící clony 7 jsou vytvořeny ve tvaru komolého dutého kuželového tělesa 70, otočeného menší základnou 72 ke zdroji 3 ultrazvuku. Vstupní otvory 71 v menší základně 72 stínících clon 7 by pro dosažení optimálních výsledků zabránění interferencí neměly být větší, než je ozařovaná plocha vzorku. Plocha vstupního otvoru 71 by měla být přibližně rovna ploše ozařovaného vzorku vzhledem k tomu, že příliš malý vstupní otvor 71 by snížil intenzitu ultrazvukové energie ozařující vzorek. Úhel zešikmení bočních stěn 12 nádrže 1 a plášťů těles 70 stínících clon 7 je vhodně volen tak, aby docházelo k účinnému potlačení vzniku stojatých a interferenčních vln v důsledku vzájemného působení vyslaných a odražených ultrazvukových vln.

Při přípravě zařízení k měření se po naplnění nádrže 1 odplyněnou vazební tekutinou 2 (destilovanou vodou) nastaví vzdálenost mezi držákem 4 vzorku a zdrojem 3 ultrazvuku tak, aby vzorek byl umístěn v ohniskové oblasti zdroje 3 ultrazvuku. Co nejblíže držáku 4 vzorku se umístí jedna či více stínících clon 7, a to tak, aby jejich vstupní otvory 71 (apertury) odpovídaly velikosti ozařovaného vzorku. Více stínících clon 7 je vhodné použít tehdy, pokud je ohnisková vzdálenost ultrazvukového zářiče výrazně, tj. více jak dvakrát, větší, než vzdálenost mezi rovinou proloženou obvodem vstupního otvoru 71 stínící clony 7 a držákem 4 vzorku. Výhodné je zkontrolování nastavení stínících clon 7 změřením akustického tlaku v oblasti držáku 4 vzorku s pomocí hydrofonu.

Popsaná konstrukce není jediným možným provedením zařízení podle vynálezu, ale jak je patrné z obr. 3 a obr. 5 až obr. 8, nemusí být boční stěny 12 nádrže 1 vytvořeny ve tvaru směrem nahoru se zužujícího komolého jehlanu, ale vnitřní prostor nádrže 1 se může směrem nahoru rozšiřovat, popřípadě může mít nádrž 1 tvar komolého kužele nebo různých pravidelných či nepravidelných mnohostěnů. Počet vkládaných stínících clon 7 může být různý v závislosti na druhu měření a vlastnostech měřeného vzorku, stejně tak nemusí být stínící clony 7 kuželového tvaru, popřípadě

- j CZ 303782 B6 nemusí být pro určitý typ měření vkládány vůbec. Bez vlivu na podstatu řešení může být nádrž i zakryta odnímatelným víkem a ramena 5 či stojan 6 mohou být různých běžných konstrukcí, přičemž stojan 6 nemusí být uchycen v podstavě JJ_ nádrže L

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle vynálezu lze s výhodou využít zejména při výzkumu účinků ultrazvukové energie na neživou i živou hmotu, například v chemii pro zjišťování závislosti chemických reakcí na io intenzitě aplikovaného ultrazvuku a v medicínském výzkumu při zjišťování účinků ultrazvuku na živé buňky, především v souvislosti s aplikací různých ťarmak.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem, zejména pro použití v lékařství, tvořené nádrží

20 (1), kteráje naplněna vazební tekutinou a v jejímž vnitřním prostoru je umístěn zdroj (3) ultrazvuku, v ose jehož vyzařovací charakteristiky je umístěn v držáku (4) ozařovaný vzorek, vyznačující se tím, že alespoň jedna z bočních stěn (12) nádrže (1) je vytvořena v jiném než rovnoběžném směru s osou ultrazvukového paprsku vyzařovaného ze zdroje (3).

25
2. Zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem podle nároku 1, vyznačující se tím, že v dráze ultrazvukového vlnění od zdroje (3) směrem k držáku (4) vzorkuje umístěna alespoň jedna stínící clona (7).
3. Zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem podle nároku 2, vyznačující se tím,

30 že stínící clona (7) je tvořena dutým tělesem (70) ve tvaru komolého kužele, otočeného menší základnou (72) ke zdroji (3) ultrazvuku, přičemž velikost plochy vstupního otvoru (71) v menší základně (72) stínící clony (7) je stejná nebo menší než je ozařovaná plocha vzorku.
4. Zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem podle některého z nároků 1 až 3, vyzná35 č u j í c í se tím, že jak zdroj (3) ultrazvuku, tak držák (4) vzorku jsou uloženy ve vazební tekutině (2) vzájemně přestavitelně ve směru osy vyzařovaného ultrazvukového paprsku.
5. Zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem podle nároku 4, vyznačující se tím, že zdroj (3) ultrazvuku i držák (4) vzorku jsou uchyceny na ramenech (5), která jsou pomocí

40 objímek (51) upevněna ve stojanu (6).