ITUA20163677A1 - Sistema di stimolazione ad ultrasuoni di un campione in vitro - Google Patents
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Description
“Sistema di stimolazione ad ultrasuoni di un campione in vitro”
Campo tecnico dell’invenzione
La presente invenzione riguarda in generale il settore del monitoraggio di un campione in vitro.
Più in particolare, la presente invenzione riguarda un sistema di stimolazione ad ultrasuoni del campione in vitro.
Tecnica nota
E’ noto l’utilizzo degli ultrasuoni per effettuare la stimolazione in vitro di campioni sia biologici (cellule, tessuti) che non biologici (ad esempio, vettori per il rilascio di farmaco, materiali da modificare morfologicamente).
Il documento Prentice P. e altri, “Membrane disruption by optically controlled microbubble cavitation”, Nature Physics, 2005. 1(2), pag. 107-110 descrive l’utilizzo di un trasduttore ad ultrasuoni focalizzato inclinato rispetto al campione e di un obiettivo con un piano di vista parallelo al piano del campione.
CN 202994664 descrive un dispositivo comprendente un generatore ad ultrasuoni, un tubo per propagare l’onda ad ultrasuoni verso cellule in sospensione ed un fluoro-spettrofotometro per il monitoraggio in tempo reale delle cellule in sospensione.
La Richiedente ha osservato che le tecniche note di stimolazione ad ultrasuoni in vitro hanno almeno uno dei seguenti svantaggi:
- l’esposizione del campione agli ultrasuoni non è omogenea e non è controllabile con accuratezza, pertanto non è possibile determinare con precisione la correlazione fra la dose del fascio ad ultrasuoni e l’effetto della stimolazione;
- non permettono di visualizzare in tempo reale ed in modo ottimale un’ampia area del campione durante la stimolazione ad ultrasuoni, pertanto non consentono di acquisire una completa conoscenza degli eventi che si verificano durante l’esposizione del campione agli ultrasuoni;
- sono poco riproducibili;
- la durata totale dell’esperimento di stimolazione ad ultrasuoni è eccessiva;
- sono poco flessibili.
Breve sommario dell’invenzione
La presente invenzione riguarda un sistema di stimolazione ad ultrasuoni di un campione in vitro come definito nella annessa rivendicazione 1 e da sue forme di realizzazione preferite descritte nelle rivendicazioni dipendenti da 2 a 10.
La Richiedente ha percepito che il sistema di stimolazione ad ultrasuoni in accordo con la presente invenzione ha i seguenti vantaggi: - consente una esposizione del campione agli ultrasuoni che risulta omogenea e controllabile con accuratezza, pertanto è possibile determinare con precisione la correlazione fra la dose del fascio ad ultrasuoni e l’effetto della stimolazione;
- permette di visualizzare in tempo reale ed in modo ottimale un’ampia area del campione durante la stimolazione ad ultrasuoni, consentendo così di acquisire una completa conoscenza degli eventi che si verificano durante l’esposizione del campione agli ultrasuoni;
- consente di riprodurre facilmente un esperimento di stimolazione ad ultrasuoni;
- riduce la durata totale dell’esperimento di stimolazione ad ultrasuoni; - è flessibile.
Breve descrizione dei disegni
Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi dell’invenzione risulteranno dalla descrizione che segue di una forma di realizzazione preferita e di sue varianti fornita a titolo esemplificativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:
- la Figura 1 mostra schematicamente uno schema a blocchi di un sistema di stimolazione ad ultrasuoni di un campione in vitro secondo l’invenzione;
- le Figure 2A-2B mostrano rispettivamente una vista in sezione ed in prospettiva del sistema di stimolazione ad ultrasuoni secondo una forma di realizzazione dell’invenzione;
- la Figura 3 mostra una possibile realizzazione dell’elemento optotrasparente/acusto-riflettente utilizzato all’interno del sistema di stimolazione ad ultrasuoni secondo l’invenzione;
- la Figura 4 mostra una possibile realizzazione del contenitore di materiale da analizzare con un esperimento di stimolazione ad ultrasuoni.
Descrizione dettagliata dell’invenzione
Si osservi che nella descrizione seguente blocchi, componenti o moduli identici o analoghi sono indicati nelle figure con gli stessi riferimenti numerici, anche se sono mostrati in differenti forme di realizzazione dell’invenzione.
Con riferimento alla Figura 1, viene mostrato uno schema a blocchi del sistema 50 di stimolazione ad ultrasuoni di un campione in vitro secondo l’invenzione.
Il sistema di stimolazione ad ultrasuoni 50 comprende:
un generatore ad ultrasuoni 1;
un contenitore 3;
un dispositivo 2 di monitoraggio ottico;
un elemento 4 opto-trasparente/acusto-riflettente;
un dispositivo elettronico di pilotaggio 11;
una unità di controllo 10;
primi mezzi di movimentazione 8.
Il generatore ad ultrasuoni 1 ha la funzione di generare un fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s, in funzione del valore di un segnale elettrico di pilotaggio S_drv.
Il generatore ad ultrasuoni 1 è quindi un trasduttore che converte energia elettrica in energia meccanica.
Le frequenze del fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s sono generalmente comprese fra 20 KHz e 20 MHz.
Preferibilmente, il generatore ad ultrasuoni 1 ha un diametro D (si veda la Figura 2A) avente valori compresi fra 3 mm e 60 mm.
Il contenitore 3 ha la funzione di contenere almeno un campione del materiale da analizzare, che può essere di tipo biologico (cellule, tessuti) oppure di tipo non biologico (ad esempio, vettori per il rilascio di farmaco, materiali da modificare morfologicamente).
Il contenitore 3 comprende almeno un pozzetto 3-1 (si veda la Figura 4), il quale è delimitato da una superficie inferiore sostanzialmente piana e da pareti che si estendono dalla superficie inferiore per una altezza h, ad esempio uguale a 5 mm.
Preferibilmente, la superficie inferiore del pozzetto 3-1 ha una forma sostanzialmente circolare con un diametro d.
In questo caso il diametro D del generatore ad ultrasuoni 1 viene scelto in modo da garantire una esposizione omogenea del campione agli ultrasuoni almeno in un’area di diametro d.
Il dispositivo di monitoraggio ottico 2 ha la funzione di consentire di visualizzare in tempo reale il campione all’interno del contenitore 3 durante un esperimento di stimolazione ad ultrasuoni.
In particolare, il dispositivo di monitoraggio ottico 2 è configurato per ricevere un fascio ottico FO_i rappresentativo delle immagini del campione all’interno del contenitore 3 durante l’esperimento di stimolazione ad ultrasuoni.
Il dispositivo di monitoraggio ottico 2 è ad esempio uno dei seguenti dispositivi:
- un microscopio ottico in riflessione;
- un microscopio a telecamera digitale (Hyrox);
- un microscopio confocale;
- un microscopio stereoscopico;
- una videocamera.
Il sistema 50 è quindi adattabile in modo flessibile a diverse tipologie di dispositivi di monitoraggio ottico 2 già disponibili in commercio.
Il dispositivo di monitoraggio ottico 2 comprende un obiettivo 2-1 e si definisce asse ottico A (indicato in Figura 2A con una linea tratteggiata) dell’obiettivo 2-1 la linea retta perpendicolare al centro del piano associato all’obiettivo 2-1; per esempio, detto piano è tangente al centro della lente più esterna dell’obiettivo 2-1.
Preferibilmente, la distanza di lavoro WD fra l’obiettivo 2-1 del dispositivo di monitoraggio ottico 2 ed il campione nel pozzetto 3-1 del contenitore 3 è funzione del diametro D del generatore ad ultrasuoni 1 e dell’altezza h del pozzetto 3-1.
In particolare, per poter visualizzare in modo ottimale diverse sezioni del campione (ovvero il campione a diverse altezze) la distanza di lavoro WD è maggiore della distanza compresa fra l’obiettivo 2-1 del dispositivo di monitoraggio ottico 2 e la superficie superiore del pozzetto 3-1 del contenitore 3 ed inoltre è minore della distanza fra l’obiettivo 2-1 e la superficie inferiore del pozzetto 3-1.
Più in particolare, considerando uno spessore della vasca di stimolazione 6 uguale a 1 mm ed una distanza fra la faccia inferiore dell’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 e la superficie superiore del pozzetto 3-1 uguale a 0.5 mm, la distanza di lavoro WD ha valori compresi nel seguente intervallo:
(5/4)*D+ 1.5 < WD < (5/4)*D+ 1.5+ h
L’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 ha due proprietà: - una proprietà ottica di trasparenza che consente la propagazione almeno di un fascio ottico dal campione nel contenitore 3 verso il dispositivo di monitoraggio ottico 2 attraversando l’elemento optotrasparente/acusto-riflettente 4, con una direzione di propagazione del fascio ottico sostanzialmente perpendicolare rispetto al campione nel contenitore 3;
- una proprietà acustica di riflessione che consente la riflessione sull’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 del fascio ad ultrasuoni incidente e genera da questo un fascio ad ultrasuoni riflesso che incide sul campione 3 con una direzione sostanzialmente perpendicolare rispetto al campione nel contenitore 3.
L’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 è almeno parzialmente riflettente al fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s generato dal generatore ad ultrasuoni 1.
In particolare, l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 è configurato per ricevere il fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s ed è configurato per generare un fascio ad ultrasuoni riflesso US_BM_r ottenuto per mezzo della riflessione piana del fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s ed in modo tale che la direzione di propagazione del fascio ad ultrasuoni riflesso US_BM_r sia sostanzialmente perpendicolare al piano di giacitura del contenitore 3 (in particolare, il piano di giacitura del pozzetto 3-1): in questo modo il campione nel pozzetto 3-1 viene investito dal fascio ad ultrasuoni riflesso US_BM_r e l’esposizione del campione agli ultrasuoni è omogenea e controllabile con accuratezza.
Il piano di giacitura è ad esempio il piano orizzontale.
Preferibilmente, il centro del fascio ad ultrasuoni riflesso US_BM_r è tale da coincidere con il centro del pozzetto 3-1 all’interno del contenitore 3.
Inoltre l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 è trasparente rispetto ad almeno un fascio ottico FO_i che si propaga dal campione nel contenitore 3 verso il dispositivo di monitoraggio ottico 2 attraversando l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4.
In particolare, la direzione di propagazione del fascio ottico FO_i è sostanzialmente perpendicolare al piano di giacitura del contenitore 3: in questo modo è possibile visualizzare in tempo reale ed in modo ottimale un’ampia area del campione durante l’esposizione del campione agli ultrasuoni.
L’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 costituisce quindi una finestra attraverso la quale è possibile osservare (per mezzo del dispositivo di monitoraggio ottico 2) il campione nel pozzetto 3-1 del contenitore 3, durante l’esperimento di stimolazione ad ultrasuoni.
In altre parole, fra il campione nel contenitore 3 ed il dispositivo di monitoraggio ottico 2 è presente un cammino ottico privo di ostacoli, ovvero che non contiene superfici che sono otticamente riflettenti; inoltre il cammino ottico è sostanzialmente rettilineo.
In particolare, detta direzione di propagazione del fascio ottico FO_i sostanzialmente perpendicolare al contenitore 3 è ottenuta per mezzo del dispositivo di monitoraggio ottico 2 che comprende l’obiettivo 2-1 avente un asse ottico A con una direzione sostanzialmente parallela alla direzione di propagazione del fascio ottico FO_i; in altre parole, la direzione dell’asse ottico A dell’obiettivo 2-1 è sostanzialmente perpendicolare al contenitore 3 (in particolare, è sostanzialmente perpendicolare alla superficie superiore del pozzetto 3-1 del contenitore 3).
Preferibilmente, l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 è trasparente anche nella direzione dal dispositivo di monitoraggio ottico 2 verso il campione nel contenitore 3, in modo da consentire di illuminare il campione con un ulteriore fascio ottico che si propaga dal dispositivo di monitoraggio ottico 2 verso il campione attraversando l’elemento optotrasparente/acusto-riflettente 4: pertanto detto ulteriore fascio ottico ha anch’esso una direzione di propagazione che è sostanzialmente perpendicolare al campione nel contenitore 3.
L’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 è quindi contemporaneamente trasparente almeno al fascio ottico incidente e riflettente al fascio ad ultrasuoni.
Si osservi che la Figura 1 mostra che il cammino ottico compreso fra il campione nel contenitore 3 ed il dispositivo di monitoraggio ottico 2 è rettilineo, ma è possibile avere anche un cammino ottico non rettilineo utilizzando ad esempio uno o più dispositivi ottici riflettenti (ad esempio, specchi), a condizione che la direzione della porzione di cammino ottico compresa fra il campione e l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 sia sostanzialmente perpendicolare al piano di giacitura del contenitore, in modo da visualizzare un’ampia area del campione stesso.
Preferibilmente, l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 ha una forma sostanzialmente di un parallelepipedo obliquo come mostrato in Figura 3, in cui l’ampiezza degli angoli formati dalle sue facce è uguale a circa 45 gradi in modo da effettuare la riflessione del fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s e generare da questo il fascio ad ultrasuoni riflesso US_BM_r avente una direzione di propagazione sostanzialmente perpendicolare al campione nel pozzetto 3-1 del contenitore 3.
In particolare, le superfici del parallelepipedo sono composte da un materiale plastico (ad esempio plexiglass) e l’interno del parallelepipedo contiene una sostanza allo stato gassoso (per esempio, aria).
Lo spessore della superficie del parallelepipedo è molto minore della lunghezza d’onda del fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s, ad esempio è minore di un decimo della lunghezza d’onda ad ultrasuoni, in particolare è uguale a 40 µm: in questo modo la riflessione dell’onda ad ultrasuoni dipende principalmente dalla differenza fra l’impedenza acustica del mezzo in cui si propaga il fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s (per esempio, acqua all’interno di una vasca di stimolazione 6) e l’impedenza acustica del all’interno del parallelepipedo (per esempio, aria).
Alternativamente, l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 è realizzato con una forma sostanzialmente di un parallelepipedo obliquo composto da un unico materiale per le pareti e per l’interno (ad esempio, aerogel), tale da avere le sopra illustrate proprietà ottiche di trasparenza e acustiche di riflessione.
Preferibilmente, l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 a forma di parallelepipedo obliquo ha uno spessore l ed il fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s ha una lunghezza d’onda uguale a
a, in cui l > a/10.
Le dimensioni dell’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 (ovvero lo spessore l) sono almeno dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda acustica del fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_i, in modo da consentire una sufficiente riflessione.
Preferibilmente, l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 ha una riflettanza R minore del 15% ed un coefficiente di riflessione maggiore del 90%, in cui:
- la riflettanza R è la quantità del fascio ottico che viene riflessa ed è definita con la formula R= [(n-1)/(n+1)]<2>, in cui n è l’indice di rifrazione del materiale di cui è composto l’elemento opto-trasparente/acustoriflettente 4;
- il coefficiente di riflessione è il rapporto fra l’intensità del fascio ad ultrasuoni incidente ed il fascio ad ultrasuoni riflesso ed è definita con la formula = [(Z2-Z1)/ (Z2+Z1)]<2>, in cui Z1, Z2 sono le impedenze acustiche dei materiali che costituiscono l’interfaccia di riflessione. Il dispositivo elettronico di pilotaggio 11 ha la funzione di generare il segnale elettrico di pilotaggio S_drv per pilotare il generatore ad ultrasuoni 1.
In particolare, il dispositivo elettronico di pilotaggio 11 comprende un terminale d’ingresso atto a ricevere un primo segnale elettrico di configurazione S1_cfg indicativo di parametri di configurazione della stimolazione ad ultrasuoni e comprende un terminale d’uscita atto a generare il segnale di pilotaggio S_drv, in funzione dei valori del primo segnale elettrico di configurazione S1_cfg.
Il dispositivo elettronico di pilotaggio 11 è realizzato ad esempio con un generatore di forme d’onda e con un amplificatore di potenza.
I primi mezzi di movimentazione 8 hanno la funzione di spostare il generatore ad ultrasuoni 1 lungo una direzione sostanzialmente parallela alla direzione definita dalla superficie inferiore del pozzetto 3-1 nel contenitore 3.
I primi mezzi di movimentazione 8 comprendono ad esempio una guida lineare e opportuni mezzi di trasmissione atti ad effettuare un movimento di scorrimento del generatore ad ultrasuoni 1 lungo la guida lineare 8, in modo da variare la distanza fra il generatore ad ultrasuoni 1 ed il dispositivo di monitoraggio ottico 2 (si veda ad esempio la distanza a in Figura 2A).
In questo modo prima di un esperimento di stimolazione ad ultrasuoni è possibile spostare il generatore ad ultrasuoni 1 in modo da investire il campione con un fascio ad ultrasuoni noto, ad esempio in termini di intensità/potenza.
L’unità di controllo 10 ha la funzione di controllare il funzionamento del dispositivo di pilotaggio 11 e quindi indirettamente il generatore ad ultrasuoni 1, in modo da generare il fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s avente opportuni valori di frequenza ed intensità ed in modo da controllare la durata dell’esperimento di stimolazione.
In particolare, l’unità di controllo 10 comprende un terminale d’uscita atto a generare il primo segnale elettrico di configurazione S1_cfg indicativo di parametri di configurazione della stimolazione ad ultrasuoni, come ad esempio:
- la frequenza, l’intensità ed il duty cycle del fascio ad ultrasuoni generato dal generatore ad ultrasuoni 1;
- la durata dell’esperimento di stimolazione.
L’unità di controllo 10 ha inoltre la funzione di controllare il funzionamento del dispositivo di monitoraggio ottico 2.
In particolare, l’unità di controllo 10 comprende ulteriormente un terminale d’ingresso/uscita atto a generare un terzo segnale elettrico di configurazione S3_cfg indicativo di parametri di configurazione dell’acquisizione ottica ed atto a ricevere il terzo segnale elettrico di configurazione S3_cfg che trasporta le immagini acquisite del campione da analizzare.
Con riferimento alla Figura 2A, viene mostrata una vista in sezione del sistema di stimolazione ad ultrasuoni 50.
Il sistema 50 comprende i dispositivi illustrati in precedenza, ovvero il generatore ad ultrasuoni 1, il contenitore 3, dispositivo di monitoraggio ottico 2, l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4, il dispositivo elettronico di pilotaggio 11, l’unità di controllo 10 ed i primi mezzi di movimentazione 8.
Inoltre il sistema 50 comprende una vasca di stimolazione 6, all’interno della quale sono posizionati il generatore ad ultrasuoni 1, il contenitore 3 e l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4; la vasca di stimolazione 6 è inoltre riempita di un liquido, ad esempio acqua degassata.
La vasca di stimolazione 6 comprende inoltre un assorbitore acustico 5 avente la funzione di limitare le riflessioni del fascio ad ultrasuoni verso il campione nel contenitore 3.
Preferibilmente, il sistema 50 comprende ulteriormente un dispositivo di ricircolo fluido 13 collegato alla vasca di stimolazione 6 ed avente la funzione di permettere il ricircolo continuo del fluido all’interno dalla vasca di stimolazione 6, in modo da controllare la temperatura e la percentuale di gas nel fluido.
Preferibilmente, la superficie inferiore della vasca di stimolazione 6 comprende un piccolo foro in cui può essere inserito un idrofono avente la funzione di rilevare la pressione meccanica all’interno del contenitore 3.
L’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 comprende una porzione collegata alla parete superiore della vasca di stimolazione 6.
Il dispositivo di monitoraggio ottico 2, il dispositivo elettronico di pilotaggio 11 e l’unità di controllo 10 sono invece posizionati all’esterno della vasca di stimolazione 6; in particolare, il dispositivo di monitoraggio ottico 2 comprende una porzione collegata ad una parete superiore della vasca di stimolazione.
L’asse ottico A associato al dispositivo di monitoraggio ottico 2 un (indicato con una linea tratteggiata) coincide con la direzione di propagazione del fascio ottico FO_i.
Inoltre è possibile associare al generatore ad ultrasuoni 1 un asse di simmetria B che coincide con la direzione di propagazione del fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s.
E’ possibile osservare che il dispositivo di monitoraggio ottico 2 è posizionato sopra il piano di giacitura del contenitore 3.
Alternativamente, il dispositivo di monitoraggio ottico 2 può essere posizionato sotto il piano di giacitura.
Se si suppone di utilizzare un elemento opto-trasparente/acustoriflettente 4 a forma di parallelepipedo obliquo, questo comprende una faccia 4b che forma un angolo rispetto alla direzione dell’asse di simmetria B del generatore ad ultrasuoni 1 che è uguale a circa 45 gradi: questo valore consente di riflettere il fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s nel fascio ad ultrasuoni riflesso US_BM_r in modo che quest’ultimo incida sul campione nel contenitore 3 con una direzione di propagazione sostanzialmente perpendicolare al piano di giacitura del contenitore 3, ottenendo quindi una esposizione omogenea del campione agli ultrasuoni.
Inoltre l’angolo compreso fra la direzione dell’asse di simmetria B del generatore ad ultrasuoni 1 e l’asse ottico A del dispositivo di monitoraggio 2 è uguale a circa 90 gradi: questo valore consente la propagazione del fascio ottico FO_i dall’interno del contenitore 3 all’obiettivo 2-1 del dispositivo di monitoraggio ottico 2 attraversando la faccia 4b ed una porzione della sostanza interna all’elemento optotrasparente/acusto-riflettente 4, in modo che la direzione di propagazione del fascio ottico sia sostanzialmente perpendicolare al piano di giacitura del pozzetto 3-1 del contenitore 3, consentendo così di visualizzare in tempo reale ed in modo ottimale un’ampia area del campione durante l’esposizione del campione agli ultrasuoni.
Preferibilmente, il sistema di stimolazione ad ultrasuoni 50 comprende ulteriormente una unità di movimentazione 12 e secondi mezzi di movimentazione 15; inoltre il contenitore 3 comprende una pluralità di pozzetti 3-1, 3-2, 3-3, … come mostrato in Figura 4, in cui i pozzetti 3-1, 3-2, 3-3, … sono allineati lungo una direzione di movimentazione definita dalle superfici inferiori della pluralità dei pozzetti 3-1, 3-2, 3-3, … e sono atti a scorrere almeno lungo la direzione di movimentazione.
L’unità di movimentazione 12 è ad esempio un motorino elettrico ed i secondi mezzi di movimentazione 15 comprendono ad esempio una guida lineare e opportuni mezzi di trasmissione atti ad effettuare almeno un movimento di scorrimento della pluralità di pozzetti 3-1, 3-2, 3-3, … lungo la guida lineare nella direzione di movimentazione, in modo da posizionare il pozzetto contenente il materiale da analizzare al centro del fascio ad ultrasuoni riflesso US_BM_r ed al centro del fascio ottico FO_i.
Preferibilmente, il contenitore 3 (e quindi i pozzetti 3-1, 3-2, 3-3, …) sono mobili lungo due direzioni nel piano di giacitura.
In questo caso l’unità di controllo 10 ha l’ulteriore funzione di generare un secondo segnale di configurazione S2_cfg per comandare l’unità di movimentazione 12, la quale a sua volta genera un segnale di movimentazione S_mv per controllare i secondi mezzi di movimentazione 15 in modo da traslare la pluralità di pozzetti 3-1, 3-2, 3-3, … lungo la direzione di movimentazione.
Preferibilmente, con riferimento alla Figura 4 il contenitore 3 comprende una struttura rigida 3-a contenente la pluralità di pozzetti 3-1, 3-2, 3-3, ….
La struttura 3-a è racchiusa all’interno di una sottile membrana superiore 3-b e di una sottile membrana inferiore 3-c, le quali sono trasparenti agli ultrasuoni ed hanno la funzione di isolare la struttura 3-a (e quindi il materiale contenuto nei pozzetti 3-1, 3-2, 3-3, …) dal fluido contenuto nella vasca di stimolazione 6.
Preferibilmente, le membrane 3-b, 3-c sono realizzate con polistirene avente uno spessore di circa 25 µm.
Le due membrane 3-b, 3-c sono fissate alla struttura 3-a per mezzo di rispettivi tappi 3-d realizzati in modo da formare un incastro e quindi vincolare le due membrane 3-b, 3-c alla struttura 3-a.
Sarà ora descritto il funzionamento del sistema di stimolazione ad ultrasuoni 50, facendo anche riferimento alle Figure 1, 2A, 2B e 3.
Ai fini della spiegazione dell’invenzione si considerano le seguenti ipotesi:
- l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente 4 è realizzato con un parallelepipedo come mostrato in Figura 3, avente una superficie 4b riflettente agli ultrasuoni ed inclinata di 45 gradi, avente facce formate da plexiglass e aria all’interno;
- il dispositivo di monitoraggio ottico 2 è un microscopio avente un obiettivo 2-1 con asse ottico A;
- l’angolo formato fra l’asse di simmetria B del generatore ad ultrasuoni 1 e la superficie 4b è uguale a 45 gradi;
- l’angolo formato fra l’asse ottico A dell’obiettivo 2-1 e l’asse di simmetria B del generatore ad ultrasuoni 1 è uguale a 90 gradi;
- il campione contenuto nel pozzetto 3-1 del contenitore 3 è un campione biologico di cellule;
- la posizione del contenitore 3 è fissa;
- la vasca di stimolazione 6 è riempita di acqua.
All’istante iniziale t0 l’utente regola la posizione del generatore ad ultrasuoni 1 rispetto al campione nel pozzetto 3-1.
Successivamente, l’utente alimenta il sistema di stimolazione 50 e l’unità di controllo 10 genera il primo segnale elettrico di configurazione S1_cfg indicativo dei parametri di configurazione della stimolazione ad ultrasuoni, in particolare la frequenza ad ultrasuoni f1, l’intensità I1del fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s e la durata T dell’esperimento di stimolazione.
Il dispositivo elettronico di pilotaggio 11 riceve il primo segnale elettrico di configurazione S1_cfg e genera da questo il segnale elettrico di pilotaggio S_drv che pilota il generatore ad ultrasuoni 1.
Il generatore ad ultrasuoni 1 riceve il segnale elettrico di pilotaggio S_drv e genera, in funzione di esso, il fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s avente frequenza ad ultrasuoni f1, intensità I1 e duty cycle definito; il fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s si propaga quindi dall’uscita del generatore ad ultrasuoni 1 fino al parallelepipedo 4 di tipo opto-trasparente/acusto-riflettente attraversando l’acqua all’interno della vasca di stimolazione 6.
All’istante t1 (successivo a t0, ad esempio dopo qualche decina di micro-secondi) il fascio di stimolazione ad ultrasuoni US_BM_s incide sulla faccia 4b del parallelepipedo 4 opto-trasparente/acusto-riflettente e viene riflesso dall’aria contenuta nel parallelepipedo 4, generando così il fascio ad ultrasuoni riflesso US_BM_r.
Successivamente, il fascio ad ultrasuoni riflesso US_BM_r investe il campione di cellule nel pozzetto 3-1 del contenitore 3.
Contemporaneamente, il fascio ottico FO_i rappresentativo dell’immagine del campione di cellule si propaga dal campione di cellule al parallelepipedo 4 opto-trasparente/acusto-riflettente, quindi attraversa la faccia 4b e l’aria all’interno del volume del parallelepipedo 4 optotrasparente/acusto-riflettente ed infine il fascio ottico FO_i raggiunge l’obiettivo 2-1.
All’istante t2 (successivo a t1, ad esempio dopo qualche decina di micro-secondi) l’utente si avvicina al microscopio 2 ed inizia l’esperimento di stimolazione ad ultrasuoni.
L’occhio dell’utente riceve il fascio ottico FO_i attraverso il microscopio 2 ed osserva in tempo reale i fenomeni che si verificano sulle cellule del campione, mentre queste sono investite dagli ultrasuoni.
All’istante t3 l’utente si allontana dal microscopio e termina l’esperimento.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema (50) di stimolazione ad ultrasuoni di un campione in vitro, il sistema comprendente un generatore ad ultrasuoni (1), un dispositivo (2) di monitoraggio ottico, un elemento (4) opto-trasparente/acusto-riflettente ed un contenitore (3) di almeno un campione, in cui: - il generatore ad ultrasuoni (1) è configurato per generare un fascio di stimolazione ad ultrasuoni (US_BM_s); - il dispositivo di monitoraggio ottico (2) è configurato per acquisire in tempo reale almeno una immagine rappresentativa del campione nel contenitore durante un esperimento di stimolazione ad ultrasuoni; - l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente (4) è configurato per: • ricevere il fascio di stimolazione ad ultrasuoni (US_BM_s) e generare da questo un fascio ad ultrasuoni riflesso (US_BM_r) per mezzo della riflessione del fascio di stimolazione ad ultrasuoni sull’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente (4), in cui il fascio ad ultrasuoni riflesso (US_BM_r) ha una direzione di propagazione sostanzialmente perpendicolare ad un piano di giacitura del contenitore; • ricevere e trasmettere un fascio ottico (FO_i) che si propaga nella direzione (A) dal campione verso il dispositivo di monitoraggio ottico (2) attraversando l’elemento opto-trasparente/acustoriflettente (4), in cui la direzione di propagazione della porzione del fascio ottico compresa fra il campione e l’elemento optotrasparente/acusto-riflettente è sostanzialmente perpendicolare al piano di giacitura del contenitore.
- 2. Sistema (50) di stimolazione ad ultrasuoni secondo la rivendicazione 1, in cui il contenitore comprende almeno un pozzetto (3-1) per contenere il campione, in cui il dispositivo di monitoraggio ottico (2) è posizionato sopra il piano di giacitura dell’almeno un pozzetto, ed in cui il dispositivo di monitoraggio ottico comprendente un obiettivo (2 1) che definisce un asse ottico (A) avente una direzione sostanzialmente perpendicolare al piano di giacitura del pozzetto.
- 3. Sistema (50) di stimolazione ad ultrasuoni secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui l’elemento opto-trasparente/acustoriflettente (4) è un parallelepipedo obliquo, il parallelepipedo obliquo optotrasparente/acusto-riflettente (4) comprendente una faccia (4b) che forma un angolo ( ) uguale a circa 45 gradi rispetto alla direzione di un asse di simmetria (B) del generatore ad ultrasuoni (1), in cui: - la direzione di propagazione (A) del fascio ottico (FO_i) è incidente sulla faccia (4b) del parallelepipedo obliquo; - il fascio ottico (FO_i) si propaga attraversando detta faccia ed una porzione della sostanza interna al parallelepipedo; - la direzione di propagazione (B) del fascio di stimolazione ad ultrasuoni è incidente su detta faccia; - il fascio di stimolazione ad ultrasuoni viene riflesso dal parallelepipedo.
- 4. Sistema (50) di stimolazione ad ultrasuoni secondo la precedente rivendicazione, in cui l’angolo ( ) compreso fra direzione dell’asse di simmetria (B) del generatore ad ultrasuoni (1) e la direzione dell’asse ottico (A) del dispositivo di monitoraggio (2) è uguale a circa 90 gradi.
- 5. Sistema (50) di stimolazione ad ultrasuoni secondo le rivendicazioni 3 o 4, in cui il parallelepipedo opto-trasparente/acusto-riflettente (4) ha uno spessore (l) dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda del fascio di stimolazione ad ultrasuoni (US_BM_s) ed ha una superficie avente uno spessore minore di un decimo della lunghezza d’onda del fascio di stimolazione ad ultrasuoni (US_BM_s), ed in cui il volume interno del parallelepipedo opto-trasparente/acustoriflettente contiene una sostanza allo stato gassoso e la superficie è realizzata in materiale plastico.
- 6. Sistema (50) di stimolazione ad ultrasuoni secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui l’elemento opto-trasparente/acustoriflettente (4) è ulteriormente configurato per ricevere e trasmettere un ulteriore fascio ottico che si propaga nella direzione dal dispositivo di monitoraggio ottico (2) al campione attraversando l’elemento optotrasparente/acusto-riflettente.
- 7. Sistema (50) di stimolazione ad ultrasuoni secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, comprendente ulteriormente una unità di controllo (10) configurata per controllare i valori di frequenza ed intensità del fascio di stimolazione ad ultrasuoni (US_BM_s) e configurata per controllare la durata dell’esperimento di stimolazione ad ultrasuoni.
- 8. Sistema (50) di stimolazione ad ultrasuoni secondo la rivendicazione precedente, in cui il contenitore (3) comprende una pluralità di pozzetti (3-1, 3-2, 3-3) per contenere una rispettiva pluralità di campioni, in cui la pluralità di pozzetti è scorrevole lungo almeno una direzione di movimentazione ed in cui il piano di giacitura della pluralità di pozzetti è sostanzialmente perpendicolare alla direzione di propagazione del fascio ad ultrasuoni riflesso (US_BM_r), in cui l’unità di controllo è ulteriormente configurata per controllare lo spostamento del contenitore lungo almeno la direzione di movimentazione.
- 9. Sistema (50) di stimolazione ad ultrasuoni secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, comprendente ulteriormente una vasca di stimolazione (6) riempita di un liquido, la vasca comprendente il generatore ad ultrasuoni (1), l’elemento opto-trasparente/acusto-riflettente (4) ed il contenitore (3), ed in cui il dispositivo di monitoraggio ottico (2) è posizionato esternamente alla vasca di stimolazione e comprende una porzione collegata ad una parete superiore della vasca di stimolazione.
- 10. Sistema (50) di stimolazione ad ultrasuoni secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, comprendente ulteriormente mezzi di movimentazione (8) atti a spostare il generatore ad ultrasuoni (1) lungo una direzione sostanzialmente parallela al piano di giacitura.
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Citations (2)
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| US7095505B1 (en) * | 1999-09-16 | 2006-08-22 | University College London | Optical interferometer sensor array |
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2017
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Patent Citations (2)
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| US7095505B1 (en) * | 1999-09-16 | 2006-08-22 | University College London | Optical interferometer sensor array |
| US20160081558A1 (en) * | 2007-10-25 | 2016-03-24 | Washington University | Method of photoacoustic microscopy with lateral resolution of microvasculature |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| LEVEQUE-FORT S: "THREE-DIMENSIONAL ACOUSTO-OPTIC IMAGING IN BIOLOGICAL TISSUES WITH PARALLEL SIGNAL PROCESSING", APPLIED OPTICS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, DC; US, vol. 40, no. 7, 1 March 2000 (2000-03-01), pages 1029 - 1036, XP009067014, ISSN: 0003-6935, DOI: 10.1364/AO.40.001029 * |
Also Published As
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| FR3051562B3 (fr) | 2019-08-16 |
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