DE10242072A1

DE10242072A1 - Piezoelektrischer Wandler

Info

Publication number: DE10242072A1
Application number: DE2002142072
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr.-Ing. Ueberle
Original assignee: Dornier Medizintechnik GmbH
Current assignee: Dornier Medizintechnik GmbH
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-04-01

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Wandler zur Erzeugung von hochenergetischen Schallpulsen für das Beschallen von biologischen Materialien - zum Beispiel eine Mischung aus Zellen und biologisch aktiven Molekülen, die in die Zellen transferiert werden sollen - wobei der Wandler im Wesentlichen aus einer DOLLAR A - ring- bzw. rohrförmigen inneren Schicht mit einem zentralen, längsaxialen, zylinderförmigen Hohlraum, aus mindestens einer DOLLAR A - mittleren piezoelektrischen Schicht sowie aus einer DOLLAR A - äußeren Schicht, die auch die Spannfunktion für eine bevorzugt aus Einzelelementen bestehende piezoelektrische Schicht bzw. Schichten übernehmen kann, DOLLAR A besteht, und der bei Betrieb Schallpulse von einer halben bis zu wenigen Periodendauern aussendet, die auf einen linienförmigen Fokus in der längsaxialen Symmetrieachse des Wandlers gerichtet sind und dort möglichst gleichzeitig eintreffen. DOLLAR A Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die inneren Schichten (1, 11) ganz oder teilweise aus einem leitfähigen Metall bestehen, welches geeignet ist, akustische Signale mit möglichst geringer Dämpfung weiterzuleiten und zusätzlich als Elektroden zur Kontaktierung des Wandlermaterials zu dienen bei der dosierten Erzeugung transienter Kavitation, und dass die äußere Schicht (3) ein symmetrisches, möglichst homogenes Anpressen der piezoelektrischen Schichten (2, 10) an die inneren Schichten (1, 11) ermöglicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Wandler zur Erzeugung von hochenergetischen Schallpulsen für das Beschallen von biologischen Materialien – zum Beispiel eine Mischung aus Zellen und biologisch aktiven Molekülen, die in die Zellen transferiert werden sollen – wobei der Wandler im wesentlichen aus einer

– ring- bzw. rohrförmigen inneren Schicht mit einem zentralen, längsaxialen, zylinderförmigen Hohlraum, aus mindestens einer
– mittleren piezoelektrischen Schicht, sowie aus einer
– äußeren Schicht, die auch die Spannfunktion für eine bevorzugt aus Einzelelementen bestehende piezoelektrische Schicht bzw. Schichten übernehmen kann,

Vom grundsätzlichen Aufbau her ist eine derartige Einrichtung aus der Deutschen Patentschrift 852 615 bekannt, die sich mit einer Vorrichtung zur Beeinflussung von Flüssigkeiten mit Schall- bzw. mit Ultraschall- Schwingungen befasst zur Entkeimung oder zur Emulgierung. Zur Anwendung kommen im Rahmen dieser bekannten Vorrichtung magnetostriktive Schwingkörper. In einer besonderen Anordnung sind auch hier die Schwingkörper ringförmig um einen Zylinder herum angeordnet, wobei sie durch Haltemittel, beispielsweise durch dünnwandige Rohre fest aneinander gedrückt werden. Die Schwingkörper werden im übrigen bei der Einrichtung gemäß der Deutschen Patentschrift 852 615 in Achsrichtung betrieben, so dass sich ein Linienfokus in der zentralen, längsaxialen Symmetrieachse überhaupt nicht ausbilden kann.
Aus der Deutschen Patentschrift 695 05 014 ist es bekannt, in einem Ring gruppierte piezoelektrische Segmente mit ebenfalls im Ring angeordneten Klemmklötzen gegen einen Spannring zu verspannen.
Die Europäische Patentschrift 757 924 zeigt unter anderem, wie eine Vielzahl von Ultraschallwandlern durch eine Klemmvorrichtung in Ringform gehalten werden kann. Die Ultraschallwandler werden paarweise in vorübergehend aufgeweitete Axialschlitze eines Ringkörpers eingesetzt. Die Aufweitung kann dann durch Eintreiben eines vollzylindrischen Kernes in die Axialbohrung des Ringkörpers erfolgen. Mit dem Herausziehen des vollzylindrischen Kerns tritt dann die erwünschte Radialspannung ein.
Schließlich ist es aus der US-Patentschrift 3 043 967 aus dem Jahre 1962 bekannt, eine Vielzahl von elektrostriktiven Stäben zu einem zylinderförmigen Ultraschallwandler zusammen zu setzen und mit Spannringen radial zusammen zu drücken. Dabei wurde die Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Elemente zirkumferentiell so gewählt, dass sich im Betrieb der betreffenden Vorrichtung eine Durchmesserveränderung des Wandlers ergibt. Damit ist es aber nicht möglich, die erzeugten Impulse in einem zentralen, längsaxialen Linienfokus zusammen zu führen. Die vorstehend beschriebene Lösung eignet sich daher allenfalls als Zylinder-Schallquelle für eine Abstrahlung nach außen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Wandler der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, dass während seines Betriebs die beschallten Zellen ihre Lebensfähigkeit im wesentlichen nicht einbüßen und auch die zu transferierenden Moleküle durch den Schall soweit unbeeinflusst bleiben, dass sie die ihnen zugedachte Funktion weitestgehend erfüllen können.
Zu lösen ist diese Aufgabe im wesentlichen mit einem piezoelektrischen Wandler gemäß Patentanspruch 1 unter dosierter Anwendung transienter Kavitation.
Unter „dosierter Anwendung" ist in dem vorliegenden Zusammenhang zu verstehen, dass eine für den erwünschten biologischen Effekt ausreichende, begrenzte Anzahl von hart kollabierenden Kavitationsblasen erzeugt wird, wodurch vermieden werden kann, dass alle Zellen in dem flüssigen Trägermedium geschädigt werden. Der Erfindung liegt damit die wesentliche Erkenntnis zugrunde, dass wenige starke Schall-Impulse mit intensiver Kavitationstätigkeit das gleiche bewirken wie eine größere Anzahl von schwächeren Schall-Impulsen. Aber auch bei diesen, sogenannten schwächeren Impulsen müßte in jedem Falle die Kavitationsschwelle überschritten werden, bevor es zu dem gewünschten Kollapsverhalten kommt. – Vorstehendes lässt sich experimentell im Labor nachweisen durch Vergleichsversuche respektive – messungen bei verschiedenen Pulsintensitäten, die Kavitation bzw. Kavitationsschäden beim Molekültransfer in Zellen einerseits und bei geeigneten Aluminiumfolien andererseits erzeugen.
Die Kollapsintensität sowie die Anzahl der Kavitationsblasen spielen insofern eine wesentliche Rolle, als durch die beim Kollaps entstehenden Wasser-Jets mit einer Geschwindigkeit bis zu 800 m/s und durch sekundäre Stoßwellen mit einigen tausend Megapascal und einigen Nanosekunden Dauer auch sehr harte Strukturen wie Metalle beschädigt werden können.
Im Biolabor werden Sonotroden-Schwinger mit sinusförmigen Signalen von typisch 20 kHz Grundfrequenz und Impulsdauern von mehreren Millisekunden bis Sekunden zum Zellaufschluß verwendet, das heißt zur kompletten Zerstörung der Zellmembranen. Für einen Molekültransfer, den die Zellen überleben sollen, muß man sie daher in einer in Zahl und Kollapsintensität eingeschränkten Anzahl von Kavitationen beaufschlagen.
Nach der Erfahrung des Anmelders genügen andererseits beispielsweise ca. 250 elektrohydraulische Stoßwellen, um etwa 30% aller überlebenden Zellen eines Lymphom – Typs (L 1210) mit Molekülen zu beladen. Dabei werden etwa 40% aller Zellen zerstört.
Bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Modell sind für die gleiche Transfer-Rate von Molekülen (30%) zwar ca. 10 bis 20 mal so viele Impulse notwendig, wobei jedoch in der Regel eine größere Anzahl von Zellen überlebt und somit die Gesamtausbeute steigt. Die Blasenkollapszeiten von 50–150 μs bei dem piezoelektrischen Gerät sind dabei etwa 5 bis 8 mal kürzer als bei dem elektrohydraulischen Gerät mit 250–800 μs.
Die Schalldruckschwelle des Unterdruckanteils für die o.g. Transferergebnisse liegt in wässriger Lösung bei dem erfindungsgemäßen Rohrwandler bei ca. –3 bis –6 Mpa, wenn Schallpulse von 2 bis 5 Mikrosekunden Zeitdauer pro Halbwelle (Überdruck- bzw. Unterdruck-Zeitdauer) verwendet werden. Zur Erzielung optimaler Transfer-Raten bei minimaler Zellschädigung müssen insbesondere die folgenden Schall-Parameter auf die jeweiligen Zelltypen angepasst werden: die Über- und Unterdruckamplituden, die Zeitdauer der Über- und Unterdruckphasen, die Anzahl der Druckwechsel, die Ausdehnung des intensiven Schallbereichs (Fokuszone), die Anzahl der Impulse sowie deren Folgefrequenz.
Nach einschlägigen Untersuchungen steigt hin zu längeren Impulsdauern (> 100 μs bis mehrere Sekunden) und langen Druckwellen-Dauern (Zeit pro Halbwelle 25 μs) die Anzahl toter Zellen, während die Anzahl transfizierter überlebender Zellen nicht so stark zunimmt.
Die Folgefrequenz der Impulse ist insofern ein interessanter Einflussparameter, als es Interaktionen zwischen bestehenden Restblasen vom vorherigen Impuls und dem gerade aktuellen Impuls geben kann. Dabei sind zwei Effekte zu beachten:
1. Sind die Restblasen vom vorherigen Impuls in Form von Wolken um den Fokusbereich verteilt, so können die Restblasen die Schallenergie des aktuellen Impulses absorbieren und damit den Aufbau der gewünschten transienten Kavitation im Fokusbereich negativ beeinflussen bzw. vollends verhindern.
z. Beschränkt sich jedoch die Verteilung der Restblasen auf den unmittelbaren Bereich im Fokus, so kann es bei richtiger Zeitabstimmung zu einer Optimierung der erfindungsgemäßen Kavitationswirkung kommen, indem sich nach wenigen Impulsen Restblasen von nahezu einheitlicher Größe einstellen, die für einen harten Zerfall besonders geeignet sind. Laut einschlägigem Fachwissen liegt diese Größe bei ca. 40 μm.
Insofern hat die Pulswiederholrate einen wesentlichen Einfluß auf die Ausdehnung des Restblasenfeldes, indem je nach Größe der peripheren Blasenreste der Abschirmeffekt für den folgenden Impuls mehr oder weniger stark auftritt.
Die erfindungsgemäß beabsichtigte Wirkung wird – wie oben bereits zum Ausdruck gebracht – durch einen dosierten Einsatz von transienter Kavitation erzielt.
Als „transiente Kavitation" wird dabei ein Vorgang definiert, bei dem ein bestehender Kavitationsblasenkeim durch einen Schall-Impuls mit großer Amplitude angeregt wird. Als Blasenkeim kann eine gas- bzw. dampfgefüllte Mikroblase dienen, deren Radien in Wasser wenige Mikrometer betragen. Die Mikroblase wird durch einen Überdruckstoß zunächst komprimiert; danach beginnt sie infolge ihres Innendruckes während der Unterdruckphase des Schallsignals bis zu einer gewissen Maximalgröße zu wachsen bis sie schließlich kollabiert. Maximalgrößen solcher Blasen sind durch die Eigenschaften des Mediums, insbesondere durch dessen Oberflächenspannung aber auch durch seine Zähigkeit bestimmt, sowie durch den statischen Druck der Umgebung und durch die Dauer und Kurvenform des anregenden Druckpulses. Die Blasen erreichen somit ein Vielfaches (>> 10) der Keimgröße. In Wasser können manche Blasen sogar mehr als 2 mm Größe erreichen. Wenn die Geschwindigkeit der Blasenwand zu irgend einem Zeitpunkt die Schallgeschwindigkeit des Mediums überschreitet, spricht man von harter Kavitation.
Die Unteransprüche beinhalten Weiterbildungen und/oder besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wandlers gemäß Hauptanspruch.
Die biologischen Materialien werden meist in Behältnissen bzw. in Probengefäßen wie Kulturbehälter bzw. Röhrchen von wenigen Mikro- bis einigen Millilitern Inhalt angesetzt. Da die eigentliche Wirkung der Beschallung lediglich in einem kleinen Fokusbereich stattfindet, sind übliche fokussierte Schallquellen wie zum Beispiel Lithotripsiequellen weniger geeignet im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Zu bevorzugen ist hier vielmehr ein streng linienförmiger Fokus, dessen axiale Ausdehnung vorzugsweise der Längenausdehnung des Probengefäßes angepasst ist. Dies wird am einfachsten dadurch realisiert, dass die Höhe des erfindungsgemäßen Wandlers in etwa der Länge des Probengefäßes entspricht.
Des weiteren ist eine besonders gute Schalleinkopplung gewährleistet, wenn die innere Schicht des erfindungsgemäßen Wandlers einen zentralen, zylindrischen Hohlraum aufweist, dessen Durchmesser möglichst genau dem Außendurchmesser des Probengefäßes entspricht. Dadurch wird der Schall direkt in die Wand des Probengefäßes und von dort in die biologischen Materialien im Probengefäß eingeleitet. Nach eingehenden Versuchen liegt dabei das Optimum der Beschallung bei Schallfrequenzen oberhalb 200 kHz.
In den Abbildungen ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen zeichnerisch erläutert.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt, und
2 einen Längsschnitt durch einen piezoelektrischen Wandler gemäß der Erfindung.
3 in Bild 1 ein Diagramm hinsichtlich der prozentualen Anteile der von den Zellen aufgenommenen Moleküle in Abhängigkeit von der Impulszahl.
In Bild 2 ein Diagramm hinsichtlich der zerstörten Zellen in Abhängigkeit von der Impulszahl.
In Bild 3 ein Diagramm hinsichtlich der Effizienz des Molekültransfers in Abhängigkeit von der Impulszahl.
4 den Kurvenverlauf des prozentualen Anteils der Kavitationsereignisse bei zunehmender Schallenergie.
5 drei Probenröhrchen mit biologischen Materialien in diversen Behandlungsstadien.
Der piezoelektrische Wandler gemäß der 1 besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau in an sich bekannter Weise aus einer inneren ring- bzw. rohrförmigen Schicht 1, aus einer mittleren, aus gleichen Einzelelementen zusammengefügten piezoelektrischen Schicht 2 und aus einer äußeren, ebenfalls ring- bzw. rohrförmigen Schicht 3. Letztere kann über ein Schraubelement 4 auch eine Spann- bzw. Klemmfunktion für den gesamten Wandler übernehmen. Zur einwandfreien Realisierung der Spannfunktion ist es vorteilhaft, die Schicht 3 im Bereich der Verschraubung durch einen Radialspalt 5 zu unterbrechen bzw. zu durchtrennen. Auf diese Weise können die piezoelektrischen Elemente 2 fest zwischen den Schichten 1 und 3 eingeklemmt werden, wodurch für den Wandler ein guter Schallübergang gewährleistet wird. – Zur Verbesserung der Homogenität der Verspannung durch die Schicht 3 kann es vorteilhaft sein, letztere über den Umfang gesehen in mehrere gleichgroße Teilstücke zu unterteilen und ringsum jeweils zwei benachbarte Teilstücke gleichmäßig miteinander zu verschrauben.
Die Zwischenräume 7 zwischen den Einzelelementen der piezoelektrischen Schicht 2 werden vorteilhaft mit einem elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise mit einem geeigneten Kunststoffausgegossen. Andererseits können die Zwischenräume 7 dazu verwendet werden, eine isolierende Flüssigkeit, beispielsweise destilliertes Wasser zu Kühlzwecken durch sie hindurch zu pumpen.
Die Schicht 1 weist in ihrem Zentrum einen zylinderförmigen Freiraum 6 auf, der geeignet ist, ein Probenröhrchen 8 oder eine nicht dargestellte Leitung zur Aufnahme bzw. Durchführung des zu behandelnden Mediums aufzunehmen.
Die beiden Schichten 1 und 3 bestehen erfindungsgemäß ganz oder teilweise aus einem leitfähigen Metall, beispielsweise aus Messing und/oder aus Aluminium.
Die 2 zeigt eine gegenüber der l etwas abgewandelte bzw. ergänzte Version eines Wandlers nach der Erfindung. Auch hier sind zunächst die piezoelektrischen Elemente 2 rings um die innere Schicht 1 angeordnet. An ihrer, der inneren Schicht 1 abgewandten Seite der Piezoschicht 2 liegt an dieser eine Zwischenschicht 11 an, die im Rahmen der Erfindung vorteilhaft ebenfalls ganz oder zumindest teilweise aus einem leitfähigen metallischen Werkstoff gebildet ist. Rings um die Zwischenschicht 11 sind weitere Piezoelemente 10 ringförmig angeordnet, die ihrerseits schließlich von der äußeren Schicht 3 umschlossen bzw. eingeklemmt werden mittels einer Verschraubung 4.
Für den erfindungsgemäßen Wandler ist es von besonderer Bedeutung, dass zumindest die innere Schicht 1 bezüglich der zentralen Längsachse 9 eine präzise Zylindersymmetrie aufweist, um im Bereich der Achse 9 einen entsprechend präzise lokalisierten Linienfokus zu garantieren.
In dem Wandler gemäß der 2 befindet sich in dem Freiraum 6 ein Probenröhrchen 8 mit zu behandelndem Inhalt.
Da die Kavitationszone auf einen „Schlauch" von ca. 2 mm Durchmesser um die zentrale, längsaxiale Symmetrieachse 9 konzentriert ist, genügt ein Durchmesser des Probengefäßes von vergleichbaren Dimensionen.
Im Falle größerer Dimensionen kann man sich diverser Hilfsmittel bedienen, um die biologischen Materialien dennoch um die Symmetrieachse 9 zu konzentrieren. So kann man sich beispielsweise sogenannter stehender Wellen bedienen, um kleinste Teilchen wie Zellen und Moleküle an gewünschten Orten – hier im Zentrum des Wandlers – zu konzentrieren. Ein einschlägiges Ausführungsbeispiel ist beispielsweise in der US- Pa tentschrift 6 326 213 beschrieben und dargestellt.
Alternativ ist in an sich bekannter Weise auch das Einbringen eines Schlauches anstelle des Probengefäßes möglich, durch den die biologischen Materialien langsam hindurch gepumpt werden können.
Die 5 zeigt ein Probenröhrchen 12 in drei diversen Behandlungsstadien a) bis c) mit Zellen 13 und Molekülen 14:
Im Zustand a) schweben die biologischen Materialien 13 und 14 annähernd gleichmäßig verteilt in einem flüssigen Medium.
Gemäß Zustand b) erzeugen Kavitationsereignisse im Rahmen der Erfindung Sekundärschall 15, in dessen Wirkungsbereich sich die Materialien 13 und 14 sammeln.
Im Behandlungszustand c) konzentrieren stehende Wellen 16 die Zellen 13 und die Moleküle 14 im Bereich der Zentralachse 9 des Probenröhrchens 12.

Claims

Piezoelektrischer Wandler zur Erzeugung von hochenergetischen Schallpulsen für das Beschallen von biologischen Materialien – zum Beispiel eine Mischung aus Zellen und biologisch aktiven Molekülen, die in die Zellen transferiert werden sollen – wobei der Wandler im wesentlichen aus einer – ring- bzw. rohrförmigen inneren Schicht mit einem zentralen, längsaxialen, zylinderförmigen Hoh1raum, aus mindestens einer – mittleren piezoelektrischen Schicht, sowie aus einer – äußeren Schicht, die auch die Spannfunktion für eine bevorzugt aus Einzelelementen bestehende piezoelektrische Schicht bzw. Schichten übernehmen kann, besteht, und der bei Betrieb Schallpulse von einer halben bis zu wenigen Periodendauern aussendet, die auf einen linienförmigen Fokus in der längsaxialen Symmetrieachse des Wandlers gerichtet sind und dort möglichst gleichzeitig eintreffen, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Schichten (1, 11) ganz oder teilweise aus einem leitfähigen Metall bestehen, welches geeignet ist, akustische Signale mit möglichst geringer Dämpfung weiterzuleiten und zusätzlich als Elektroden zur Kontaktierung des Wandlermaterials zu dienen bei der dosierten Erzeugung transienter Kavitation, und dass die äußere Schicht (3) ein symmetrisches, möglichst homogenes Anpressen der piezoelektrischen Schichten (2, 10) an die inneren Schichten (1, 11) ermöglicht.
Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die akustischen Signale (Impulse) Unterdruckanteile enthalten, die vorteilhafterweise im Bereich von –2 bis –16 Megapascal liegen.
Piezoelektrischer Wandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die innere Schicht (1) bezüglich der zentralen Längsachse (9) eine präzise Zylindersymmetrie aufweist.
Piezoelektrischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Schichten (1, 3, 11) aus Messing besteht.
Piezoelektrischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Schichten (1, 3, 11) aus Aluminium besteht.
Piezoelektrischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (1, 3, 11) an ihren Berührungsflächen mit der bzw. mit den piezoelektrischen Schichten (2, 10) mit einem elektrisch leitfähigen Metall, beispielsweise mit Zinn, Blei oder Kupfer beschichtet sind.
Piezoelektrischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der im engeren Bereich der längsaxialen Symmetrieachse (9) im Betrieb des Wandlers bildende Linienfokus hinsichtlich seiner Länge proportional zu der Belegungshöhe der mittleren Schicht (2) verhält.
Piezoelektrischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere piezoelektrische Schicht (2, 10) aus mehreren Teilsegmenten besteht, die so angeordnet sind, dass ihre Polarisationslinien senkrecht auf die Symmetrieachse (9) der inneren Schicht (1) ausgerichtet sind.
Piezoelektrischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schichten (1 und 3) zwei oder mehrere piezoelektrische Schichten (2, 10) vorgesehen sind, wobei sich zwischen den einzelnen Schichten (2, 10) jeweils eine Zwischenschicht (11) befindet, die ebenfalls ganz oder teilweise aus einem leitfähigen Metall besteht.
Piezoelektrischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Konzentration der Zellen und der Moleküle im Bereich der längsaxialen Symmetrieachse (9) sogenannte stehende Wellen (16) einsetzbar sind.
Piezoelektrischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der äußeren Schicht (3) und der rückwärtigen Elektrode der piezoelektrischen Schicht (10) eine zusätzliche Schicht vorgesehen ist, die geeignet ist, Scherspannungen auszugleichen, die beim Verspannen der äußeren Schicht (3) auftreten können
Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht aus einem neutralen Kunststoff oder aus Sand besteht.