DE4305660A1 - Controlling size distribution of gas or liquid bubbles - by coupling ultrasound field to the liquid medium which contains the bubbles and using sound frequency and energy chosen to break the bubbles up into smaller bubbles - Google Patents
Controlling size distribution of gas or liquid bubbles - by coupling ultrasound field to the liquid medium which contains the bubbles and using sound frequency and energy chosen to break the bubbles up into smaller bubblesInfo
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Abstract
Description
Die Erzeugung von Blasen mit definierter Maximalgröße in bestimmten Flüssigkeiten ist auf vielen Gebieten von größtem Interesse, so zum Beispiel in der Medizin, der Pharmazeutik, aber auch in weiten Bereichen der chemischen Industrie, über die Nahrungsmittelindustrie bis hin zur Metallin dustrie. Es sind sogar Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Solarenergie denkbar.The generation of bubbles with a defined maximum size in certain liquids is on many Areas of greatest interest, for example in medicine, pharmaceuticals, but also in wide areas of the chemical industry, from the food industry to metallin industry. Applications in the field of solar energy are even conceivable.
Es wurden schon vielerseits unzählige Techniken und Verfahren zur Herstellung solcher Blasen in Flüssigkeiten getestet. All diese Verfahren sind um eine bestmögliche Standardisierung des Herstellungsverfahrens zur Reproduzierbarkeit, sowie um eine optimale Steuerung der maximalen Blasengröße bemüht:There have been innumerable techniques and processes for producing such bubbles tested in liquids. All of these procedures are aimed at the best possible standardization of the Manufacturing process for reproducibility, as well as optimal control of the maximum Bubble size tries:
- - Bei einigen Verfahren wird die Lösung des Problems durch das Einsprühen von Gasen mit Hilfe von Düsen angegangen (z. B. OS 29 23 493). Hierbei läßt sich zwar durch die Wahl der Einspritzdüse eine sehr feine Dispersion des Gases in der Flüssigkeit erreichen, wodurch unter anderem auch sehr kleine Bläschen entstehen können. Die erlangte Blasendichte dieser Methode ist zwar sehr hoch, aber leider liegt die Größenvariation dieser Blasen innerhalb eines so breiten Spektrums, daß durch diese Methode keine Blasen definierter Größe erzeugt werden können.- In some processes, the solution to the problem is by spraying gases with Helped with nozzles (e.g. OS 29 23 493). This can be done by choosing the injection nozzle achieve a very fine dispersion of the gas in the liquid, thereby among other things, very small bubbles can also form. The attained bladder density of this The method is very high, but unfortunately the size variation of these bubbles is within such a broad spectrum that this method does not produce bubbles of a defined size can be.
- - Das Einpressen von Gasen durch poröse Schaummaterialien, wodurch das eingeleitete Gas in feine Dispersionen aufgebrochen wird, findet man vorallem bei der "Spülung" von Metall schmelzen mit Hilfe von "Spülgasen", wie z. B. in der Offenlegungsschrift Nr. 29 14 347 beschrieben ist. Hierbei erweist sich die Wirkung der Spülgase umso effizienter, je kleiner die eingeleiteten Blasen sind. Diese Methode erfordert aber einerseits sehr teure und feine Filtersysteme ("Spülsteine"), andererseits einen sehr hohen Druck beim eingepreßten Gas. Dieser erforderliche Druck wird zum ernsthaften Problem, sobald Blasendurchmesser im Mi krometerbereich angestrebt werden. Außerdem läßt sich auch hier eine große Streuungsbreite in den Blasendurchmessern beobachten. Handelt sich bei den gewünschten Größen um den Mikrometerbereich so erschwert sich zudem erheblich die Herstellung der geeigneten porösen Materialien, weil zur Erzeugung einer kleinen Blase bekanntlich eine noch sehr viel kleinere Gasauslaßöffnung von Nöten ist.- The injection of gases through porous foam materials, causing the gas introduced is broken up into fine dispersions, especially in the "flushing" of metal melt with the help of "purge gases" such. B. in laid-open specification No. 29 14 347 is described. Here, the effect of the purge gases proves to be more efficient, the smaller the introduced bubbles are. On the one hand, this method requires very expensive and fine ones Filter systems ("flushing stones"), on the other hand a very high pressure when the gas is injected. This required pressure becomes a serious problem as soon as the bubble diameter in the Mi range should be sought. In addition, a wide range of scatter can also be found here observe in the bubble diameters. The desired sizes are the Micrometer range also makes it considerably more difficult to produce suitable porous materials Materials because, as is well known, a much smaller one is used to create a small bubble Gas outlet opening is necessary.
- - Eine Verbesserung der vorgenannten Methode wird in der Offenlegungsschrift DE 31 29 234 A1 vorgeschlagen. Bevor hier die Gase durch einen porösen Spülstein eingepreßt werden, erwärmt man sie auf die Temperatur der Flüssigkeit, um eine nachträgliche Ausdehnung der Blasen in der Flüssigkeit zu verhindern. Die entstandenen Blasen verändern sich also demnach nicht mehr ganz so stark nach Einblasen in die Flüssigkeit, jedoch bleiben die übrigen, schon oben genannten Probleme weiter bestehen.- An improvement of the aforementioned method is in the published patent application DE 31 29 234 A1 suggested. Before the gases are injected through a porous sink, one heats them up to the temperature of the liquid in order to expand it later To prevent bubbles in the liquid. The resulting bubbles change accordingly not quite as strong after blowing into the liquid, but the rest remain problems mentioned above persist.
- - Das Einrühren von Gasen in die Flüssigkeit mittels geeigneter Vorrichtungen, wie Ultraschall homogenisatoren (S.B.Feinstein, F.J.Ten Cate, W.Zwehl, K.Ong, G.Maurer, C.Tei, P.M.Shah, S.Meerbaum and E.Corday, "Two-Dimensional Contrast Echocardio graphy I. In Vitro Development and Quantitative Analysis of Echo Contrast Agents", J. Am. Coll. Cardiol., 1984, Vol. 3, Seiten 14-20 ) oder Rotorsystemen (vgl. DE 33 17 312 A1) ist zwar sehr handlich und schnell in der Durchführung, solange es sich bei dem eingerührten Gas um die umgebende Raumluft handelt, jedoch liegt die Streuung der Blasengrößen, wie auch bei den vorgenannten Methoden, innerhalb einer so großen Band breite, daß eine genaue Festlegung des gewünschten maximalen Blasendurchmessers, gerade im Mikrometerbereich aussichtslos ist. Dies ist besonders bei der Herstellung von bläschenhal tigen Ultraschallkontrastmitteln für die medizinische Diagnostik nicht vertretbar, da hier eine Änderung der Blasengröße eine Verstärkung des, von der Blase reflektierten Ultraschallsignals in der 3. Potenz nach sich zieht (B.F.Vandenberg, S.Feinstein, R.A.Kieso, M.Hunt und R.E.Kerber, "Myocardial risk area and peak gray level measured by contrast echocardiography: Effect of microbubble size and concentration, injection rate, and coronary vasodilation", Am. Heart. J., 1988, Vol. 115, Seiten 733-739), wodurch sehr störende Artefakte entstehen.- The stirring of gases into the liquid by means of suitable devices, such as ultrasound homogenizers (S.B. Feinstein, F.J. Ten Cate, W. Zwehl, K.Ong, G. Maurer, C. Tei, P.M. Shah, S. Meerbaum and E. Corday, "Two-Dimensional Contrast Echocardio graphy I. In Vitro Development and Quantitative Analysis of Echo Contrast Agents ", J. Am. Coll. Cardiol., 1984, Vol. 3, pages 14-20) or rotor systems (cf. DE 33 17 312 A1) is very handy and quick to carry out as long as it is the stirred-in gas is the surrounding room air, but the scatter lies the bubble sizes, as with the aforementioned methods, within such a large band wide, that an exact definition of the desired maximum bubble diameter, straight is hopeless in the micrometer range. This is especially true in the manufacture of vesicular neck term ultrasound contrast media for medical diagnostics not justifiable, because here one Changing the bubble size is an amplification of the ultrasound signal reflected by the bubble in the third power (B.F. Vandenberg, S.Feinstein, R.A.Kieso, M.Hunt and R.E. Kerber, "Myocardial risk area and peak gray level measured by contrast echocardiography: Effect of microbubble size and concentration, injection rate, and coronary vasodilation ", Am. Heart. J., 1988, Vol. 115, pages 733-739), which creates very annoying artifacts.
-
- Die Erzeugung von Blasen mit Hilfe von Ultraschall hoher Intensität, basierend auf dem
Kavitationsphänomen wird in der Offenlegungsschrift DE 41 13 578 A1 beschrieben (siehe
auch Spektrum der Wissenschaft April 1969, Seite 60-66). Allerdings treten durch die
hohe Energiedichte der dafür notwendigen Schallwellenamplitude innerhalb der entstandenen
Kavitationsbläschen in Abhängigkeit von der jeweiligen Gasart Temperaturen bis zu 5000
Grad Celsius auf (K.S.Suslick in "Ultrasound its chemical, biological and physical
effects", Editor K.S.Suslick, VCH-Verlagsgesellschaft, Weinheim 1988, Seite 130).
Bei solch hohen Temperaturen laufen zwischen den Medien schwer abschätzbare sonochemi
sche Reaktionen ab, so daß dem Einsatz dieser Methode im pharmazeutisch- medizinischen
Bereich größte Bedenken entgegengebracht werden müssen. Es treten schädliche und agres
sive Verbindungen wie z. B. H2O auf.
Ein weiterer Nachteil dieser Methode zeigt sich in der Instabilität der, aus dem Unterdruck entstandenen Bläschen, welche nach Beendigung der Sonifikation innerhalb kurzer Zeit wieder kollabieren, weshalb sich diese Methode zur Erzeugung von Blasen mit hoher Halbwertszeit, wie es z. B. bei der Herstellung von Ultraschallkontrastmitteln im medizinischen Bereich er forderlich ist, nicht eignet.- The generation of bubbles with the aid of high-intensity ultrasound, based on the cavitation phenomenon, is described in the published patent application DE 41 13 578 A1 (see also Spectrum of Science April 1969, pages 60-66). However, due to the high energy density of the necessary sound wave amplitude within the cavitation bubbles created, temperatures up to 5000 degrees Celsius occur depending on the type of gas (KSSuslick in "Ultrasound its chemical, biological and physical effects", editor KSSuslick, VCH-Verlagsgesellschaft, Weinheim 1988 , Page 130). At such high temperatures, sonochemical reactions, which are difficult to estimate, occur between the media, so that the use of this method in the pharmaceutical-medical field must be raised with the greatest concerns. There are harmful and aggressive connections such. B. H 2 O.
Another disadvantage of this method shows itself in the instability of the vesicles formed from the negative pressure, which collapse again after a short time after the end of the sonification. B. in the production of ultrasound contrast media in the medical field he is required, not suitable. - - Wie mancherorts beschrieben, käme auch eine Erzeugung von Blasen unterschiedlichster Größe (z. B. durch Einspritzdüsen) in Flüssigkeiten, gefolgt von einer anschließenden Her ausfilterung der Blasen einer gewünschten Größe durch geeignete Filter in Frage. Bei dieser zeitaufwendigen (die blasenhaltige Flüssigkeit muß sehr langsam durch den Filter gepreßt werden, um eine mechanische Schädigung der Blasen mit der richtigen Größe gering zu hal ten) und umständlichen Methode tritt jedoch die, sehr geringe Blasenausbeute in den Vor dergrund. Diese hat ihre Ursachen einerseits, bedingt durch den höheren Zeitaufwand in der Koaleszenz von kleineren Blasen zu größeren, andererseits in der mechanischen Zerstörung vieler Blasen der erwünschten Größe durch Wandkontakt an den Filterporen.- As described in some places, the production of bubbles would also be very different Size (e.g. through injectors) in liquids, followed by a subsequent manufacture filtering out the bubbles of a desired size using suitable filters. At this time-consuming (the bubble-containing liquid must be pressed very slowly through the filter to minimize mechanical damage to the bubbles of the correct size ten) and cumbersome method, however, the very low bubble yield occurs in the front the reason. This has its causes on the one hand, due to the higher expenditure of time in the Coalescence from smaller bubbles to larger ones, on the other hand in mechanical destruction many bubbles of the desired size due to wall contact on the filter pores.
Der Erfindung liegt die Lösung folgender Probleme zugrunde:The invention is based on solving the following problems:
Die Erfindung soll es ermöglichen, die Größenverteilungen von Blasen (insbesondere von solchen im Mikrometerbereich) hinsichtlich ihres maximalen Durchmessers in blasenbeladenen Flüssigkeiten gezielt zu steuern.The invention is intended to enable the size distributions of bubbles (in particular of such in the micrometer range) with regard to their maximum diameter in bubble-laden liquids to steer specifically.
Dieses Problem wird, beruhend auf einem Resonanzphänomen im Rahmen der Anreicherung einer Flüssigkeit mit Blasen in weit gestreuter Größenverteilung und anschließender Sonifikationsbe handlung mit Ultraschall unter gezielter Auswahl von Frequenz f und Schallenergie E durch die, im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This problem is based on a resonance phenomenon in the context of enrichment Liquid with bubbles in a wide distribution of sizes and subsequent sonification treatment with ultrasound with targeted selection of frequency f and sound energy E by the Features listed in claim 1 solved.
Der Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit zur exakten Steuerung des maximalen Durch messers der Blasen, welche nach Sonifikation noch in der Flüssigkeit enthalten sind und in der Einfachheit und Wirtschaftlichkeit des angewandten Verfahrens.The advantage of the invention lies in the possibility of precisely controlling the maximum through knife of the bubbles, which are still contained in the liquid after sonification and in the Simplicity and economy of the procedure used.
Weitere Vorteile:Additional advantages:
- - die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung reichen über die Medizin hinaus, bis weit in die verschiedensten Sparten der Industrie- The possible uses of the invention extend beyond medicine, far into the various branches of industry
- - es lassen sich jegliche Ober- und Untergrenzen, sowie begrenzte Ausschnitte und Bereiche in den Verteilungen der Blasendurchmesser äußerst exakt steuern- There are any upper and lower limits, as well as limited sections and areas in control the distributions of the bubble diameters extremely precisely
- - einfach in Aufbau und Handhabung- easy to set up and handle
- - entgegen den bisher bekannten Verfahren besonders schnelle und zuverlässige Durchführung mit optimaler Standardisierung, was besonders in der medizinischen Diagnostik von lebens wichtiger Bedeutung ist- contrary to the previously known methods, particularly quick and reliable implementation with optimal standardization, which is particularly important in medical diagnostics is important
- - es ist nur äußerst geringe Manipulation mit dem Probenmedium erforderlich, wobei sich auch strengste Sterilitätskriterien mühelos einhalten lassen- Very little manipulation with the sample medium is required, which also easily comply with the strictest sterility criteria
- - die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die Steuerung der Größenverteilungen von Gas blasen, sondern ist durchaus auch auf verschiedenste andere, im Sinne der Patentansprüche flüssigkeitshaltige blasenartig-globuläre Objekte, wie z .B. Flüssigkeitströpfchen, Microorga nismen oder zelluläre Strukturen anwendbar.- The invention is not limited to controlling the size distributions of gas blow, but is also quite diverse, in the sense of the claims liquid-like bubble-like globular objects, such as Liquid droplets, Microorga nisms or cellular structures applicable.
Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung:Additional refinements of the invention:
Die Variation der Ankoppelungsmöglichkeiten der Schallquelle nach den Ansprüchen 2 und 15 ermöglicht einen erweiterten Einsatzbereich der Erfindung in den verschiedensten Bereichen. So bietet sich zum Beispiel bei der Anwendung von hochtemperaturbeständigen Aerogelen (J.Fricke, "Aerogele", Spektrum der Wissenschaft, Juli 1988) der Einsatz in der Bearbeitung von Metallschmelzen an.The variation of the coupling options of the sound source according to claims 2 and 15 enables the invention to be used in a wide variety of areas. So offers itself, for example, when using high-temperature-resistant aerogels (J.Fricke, "Aerogele", Spectrum of Science, July 1988) the use in the processing of Metal melting.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 soll die Ausnutzung der weitgefächerten Fähigkeiten der Erfindung gewährleisten, welche sich nicht nur auf die Steuerung von Gasblasen in Flüssigkeiten, sondern ebenso auf die Steuerung von Mischungen aus Gasblasen und Flüs sigkeitsphasen in einem Umgebungsmedium flüssiger Phase (z . B. Emulsionen) beziehen.The embodiment according to claim 3 is intended to utilize the wide-ranging capabilities of the Ensure invention, which not only relates to the control of gas bubbles in liquids, but also on the control of mixtures of gas bubbles and rivers phases in one Obtain ambient medium of liquid phase (e.g. emulsions).
Anspruch 4 erweitert den Einsatzbereich auf jegliche Form von Feststoffschmelzen, so wäre z. B. ein Einsatz in der Entgasung von Metallschmelzen denkbar, bei der es von besonders großer Bedeu tung ist, zur optimalen Ausnutzung des Spüleffektes der eingeleiteten Gase den durchschnittlichen Gasblasendurchmesser zum Erhalt einer maximalen Austauschoberfläche der Gasblasen möglichst gering zu halten. Dies wäre mit der vorliegenden Erfindung einfach zu verwirklichen.Claim 4 extends the area of application to any form of solid melts, such. B. an application in the degassing of molten metal is conceivable, in which it is of great importance tion is the average for optimal use of the purging effect of the gases introduced Gas bubble diameter to obtain a maximum exchange surface of the gas bubbles if possible to keep low. This would be easy to achieve with the present invention.
Im Anspruch 5 wird der hauptsächlich geplante Einsatzbereich der Erfindung in der Herstellung von diagnostischen Ultraschallkontrastmitteln verwirklicht. Hierbei soll die vorliegende Lösung die bisher nicht gelungene Herstellung eines gleichmäßig kontrastierenden Mittels zur sonografi schen Darstellung, bisher schallreflexionshomogener Körperregionen (z. B. myokardiales Kapillar bett) über die Anreicherung eines mikrobläschenhaltigen Kontrastmittels in den lokalen Kapillar gefäßen ermöglichen. Das resultierende Kontrastmittel erzeugt wesentlich geringere Artefakte als die bisher angewandten Verfahren.In claim 5, the mainly planned field of application of the invention in the manufacture realized by diagnostic ultrasound contrast media. Here, the present solution the previously unsuccessful production of a uniformly contrasting agent for sonography representation, previously sound-homogeneous body regions (e.g. myocardial capillary bed) on the enrichment of a microbubble-containing contrast medium in the local capillary enable vessels. The resulting contrast agent produces significantly less artifacts than the procedures used so far.
Durch die Ansprüche 6 und 16 ist es möglich, auf einfache und schnelle Art eine ausnehmend hohe Blasendichte bei der Erstellung des Ausgangssubstrates für die Sonifikation zu erzielen wo durch schließlich auch die erwünschte höhere Blasendichte in der resultierenden Flüssigkeit erreicht werden kann.By claims 6 and 16, it is possible in a simple and quick manner, an exception to achieve high bubble density when creating the starting substrate for sonification where finally achieved the desired higher bubble density in the resulting liquid can be.
Die Ansprüche 7 und 17 lassen die Möglichkeit offen, die Blasen im Ausgangssubstrat auch durch das Einrühren von umgebenden Gasen (z. B. Raumluft) oder Flüssigkeiten mit entsprechenden Einrichtungen (z . B. Ultraschallhomogenisator, Quirl) vorzunehmen.Claims 7 and 17 leave open the possibility of also passing the bubbles in the starting substrate the stirring in of surrounding gases (e.g. room air) or liquids with appropriate Facilities (e.g. ultrasonic homogenizer, whisk).
Die Ausgestaltung nach Anspruch 8 zielt darauf ab, bei der Herstellung von medizinischen Ultraschallkontrastmitteln ein, für die intravenöse Injektion medizinisch unbedenkliches Gas zur Blasenherstellung einzusetzen, welches, wie z. B. bei Helium längst aus der Überdruckbeatmung von Tiefseetauchern bekannt, ein möglichst geringes Löslichkeitsprodukt im menschlichen Blut be sitzt. Blut, welches an Helium gesättigt ist, gewährleistet eine längere Halbwertszeit der Blasen. Außerdem wird somit die Gefahr der Bildung toxischer Nebenprodukte durch sonifikationschemi sche Effekte stark vermindert.The embodiment according to claim 8 aims at the manufacture of medical Ultrasound contrast agents, for the intravenous injection of medically harmless gas for Use bubble production, which, such. B. with helium long ago from positive pressure ventilation known from deep-sea divers, the lowest possible solubility product in human blood be sits. Blood saturated with helium ensures a longer half-life of the bubbles. In addition, the risk of the formation of toxic by-products from sonification chemistries effects are greatly reduced.
Nach den Ansprüchen 9 und 18 läßt sich (siehe Fig. 3 ) je nach Bedarf einfach und effizient zwischen der selektiven Zerstörung von Blasen, nur eines bestimmten kritischen Durchmessers dc oder der Beseitigung insgesamt aller Blasen, ab einem kritischen Durchmesser dc umschalten. According to claims 9 and 18 (see Fig. 3) can be switched easily and efficiently as required between the selective destruction of bubbles, only a certain critical diameter d c or the elimination of all bubbles, from a critical diameter d c .
Mit der Ausgestaltung gemäß den Ansprüchen 10 und 19 lassen sich bei Wahl der geeigneten Schallintensität beim Einsatz mehrerer Frequenzen nunmehr nicht nur die obere Schranke oder ein bestimmter Durchmesser bei der Blasengrößenverstellung steuern, sondern es ist vielmehr möglich, in der beschallten Flüssigkeit jegliches gewünschte Muster in den Größenverteilungen der Blasen zu erzeugen.With the design according to claims 10 and 19 can be selected when choosing the appropriate Sound intensity when using multiple frequencies is now not just the upper bound or a control certain diameter in the bubble size adjustment, but rather it is possible any desired pattern in the size distribution of the bubbles in the sonicated liquid to create.
Mit einer Erweiterung nach den Ansprüchen 11 und 20 ließe sich mit mehreren Schallquellen z. B. durch die Erzeugung zweier, miteinander interferierender Ultraschallwellen ein Interferenzmuster erzeugen, in welchem entsprechend der gewählten Frequenzen und Intensitäten die Größenvertei lungen der Blasen entsprechend dem jeweiligen Interferenzmuster von Ort zu Ort variieren.With an extension according to claims 11 and 20, z. B. an interference pattern through the generation of two ultrasonic waves interfering with each other generate in which the size distribution according to the selected frequencies and intensities lungs of the bubbles vary from place to place according to the respective interference pattern.
Wird die derart beschallte Flüssigkeit nun auch noch entsprechend den Ansprüchen 12 und 21 plötzlich in diesem Zustand eingefroren, so läßt sich ein Feststoff mit, im Mikrometerbereich definierbarer Blasengrößenverteilung herstellen.If the so-sonicated liquid is now also in accordance with claims 12 and 21 suddenly frozen in this state, a solid can be found in the micrometer range create definable bubble size distribution.
Der Anspruch 13 ermöglicht einen weiteren, höchst interessanten Einsatzbereich der Erfindung: Da sich die Wirkungsweise des Verfahrens vornehmlich auf die erzielte Resonanzschwingung eines Objektes mit bestimmten kritischen Durchmesser dc bezieht, ist es durchaus möglich, als Zielob jekte blasenartig-globuläre Strukturen zu beschallen, wie pathogene Keime oder Zellen bestimmter Größe, welche ebenfalls als flüssigkeitshaltige Blasen im Sinne des Patentanspruches 1 zu sehen sind.Claim 13 enables a further, extremely interesting area of application of the invention: since the mode of operation of the method relates primarily to the resonance vibration of an object with a certain critical diameter d c , it is entirely possible to target bubble-like globular structures as targets, such as pathogenic germs or cells of a certain size, which are also to be seen as liquid-containing bubbles within the meaning of claim 1.
In der Nahrungsmittelherstellung wird der Ultraschall bei der Entkeimung von Milchprodukten durch Zerstörung von Bakterien schon seit geraumer Zeit sehr erfolgreich eingesetzt. Da die Ultra schallsensibilitäten verschiedenster Zellformen (z. B. Blutzellen, Protozoen, Salmonellen, Pseudo monaden, Escherichia Coli usw.) schon seit längerem bekannt sind, wäre es mit dem vorliegenden Verfahren nun auch möglich, in vivo gezielt gefährliche Mikroorganismen oder pathogene Zellen bestimmter Größe in Körpergewebe oder Körperflüssigkeiten abzutöten, ohne umgebende Zell strukturen zu schädigen. Dies könnte durchaus seine Anwendung finden in einer nichtinvasiven extrakorporalen Ultraschallbehandlung von parasitären Infektionen. So könnte durch die Erfin dung z. B. bei Leberabszessen durch die Magnaform der Entamoeba histolytica, welche mit einem Durchmesser von 20-30 Mikrometer einen erheblich größeren Durchmesser als die Zellen des umge benden Körpergewebes aufweist, dieser aggressive Erreger ohne Schaden für das übrige Körperge webe selektiv eliminiert werden. Aber auch in-vivo-Anwendungsbereiche in der Onkologie bei der nichtinvasiven Reduktion inoperabler Tumormetastasen (wenn sich, wie so häufig Tumorzellgröße und -Dichte deutlich von der Zellstruktur des umgebenden gesunden Gewebes unterscheiden) oder bei der Elimination pathogener Tumorzellen definierter Größe aus dem Blutkreislauf bei bestimm ten Formen der Leukämie sind demnach durchaus gegeben. Desweiteren würden sich auch in vitro vielseitige Einsatzmöglichkeiten in den Bereichen der Mikrobiologischen Forschung und Industrie anbieten, z. B. bei der gezielten Abscheidung bestimmter Mikroorganismen aus Zellkulturen oder beim dosierten Aufbrechen von Zellstrukturen mit dem Ziel, z. B. Enzyme oder Chromophore aus bestimmten Zellen zu isolieren.In food production, ultrasound is used to sterilize dairy products successfully used for quite some time by destroying bacteria. Since the Ultra sound sensitivities of various cell forms (e.g. blood cells, protozoa, salmonella, pseudo monads, Escherichia coli etc.) have been known for a long time, it would be with the present Processes are now also possible, targeted in vivo dangerous microorganisms or pathogenic cells certain size in body tissue or body fluids without surrounding cells damage structures. This could be used in a non-invasive way extracorporeal ultrasound treatment of parasitic infections. So through the inven dung z. B. in liver abscesses by the magna form of Entamoeba histolytica, which with a Diameters of 20-30 microns have a considerably larger diameter than the cells of the reverse body tissue, this aggressive pathogen has no damage to the rest of the body weaves can be selectively eliminated. But also in vivo areas of application in oncology non-invasive reduction of inoperable tumor metastases (if, as is often the case, tumor cell size and density clearly differ from the cell structure of the surrounding healthy tissue) or in the elimination of pathogenic tumor cells of a defined size from the bloodstream at certain Accordingly, there are various forms of leukemia. Furthermore, would also in vitro versatile applications in the areas of microbiological research and industry offer, e.g. B. in the targeted separation of certain microorganisms from cell cultures or in the metered breaking open of cell structures with the aim, for. B. enzymes or chromophores isolate certain cells.
Im Anschluß wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen verdeutlicht.The invention is illustrated below using exemplary embodiments and drawings.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine Darstellung der statistischen Größenverteilungen von Blasen in einer blasenbeladenen Flüssigkeit vor (Kurve 1) und nach der erfindungsgemäßen Sonifikationsbehandlung (Kurve 2). Fig. 1 is a representation of the statistical size distributions of bubbles in a bubble laden liquid before (curve 1) and according to the invention Sonifikationsbehandlung (curve 2).
Fig. 2 das Wachstum kleinerer Blasen unter Aufnahme von Energie aus dem Ultraschallfeld bis zum kritischen Durchmessers dc. Fig. 2 shows the growth of smaller bubbles with the absorption of energy from the ultrasonic field up to the critical diameter d c .
Fig. 3 die Auswirkungen der zugeführten Energie auf die Amplitude der Resonanzschwingung von Blasen mit dem kritischen Durchmesser dc. Fig. 3 shows the impact of the energy supplied to the amplitude of the resonant vibration of bubbles with the critical diameter d c.
Fig. 4 erweiterte Steuerungsmöglichkeiten des Größenverteilungsmusters der Blasen bei Anwen dung verschiedener Frequenzen und Intensitäten des Ultraschalls. Fig. 4 expanded control options of the size distribution pattern of the bubbles when using different frequencies and intensities of ultrasound.
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel. Fig. 5 shows an embodiment.
Es folgt die Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnungen nach Aufbau und Wirkungsweise:The following is an explanation of the invention with reference to the drawings according to structure and mode of operation:
Fig. 1 verdeutlicht das Prinzip der Erfindung anhand der, für die einzelnen Stadien der Durchführung typischen statistischen Größenverteilungen der Blasen in einer Flüssigkeit. Es wer den in der Flüssigkeit zunächst einmal als Ausgangssubstrat Blasen in statistisch breit gestreuter Größenverteilung erzeugt. Dies geschieht zum Beispiel durch Einleitung von Gasen (z. B. Pressluft) unter Druck mit einer fein dispergierenden Düse. Kurve 1 beschreibt das hieraus entstehende Größenverteilungsmuster. Fig. 1 shows the principle of the invention illustrated by the typical of the individual stages of carrying out statistical size distributions of bubbles in a liquid. It creates the bubbles in the liquid as a starting substrate in a statistically wide distribution of sizes. This is done, for example, by introducing gases (e.g. compressed air) under pressure with a finely dispersing nozzle. Curve 1 describes the resulting size distribution pattern.
Um nun die Größenverteilung der Blasen auf eine obere Schranke zu limitieren, wird im folgenden ein Ultraschallfeld angelegt, dessen Frequenz f genau so gewählt ist, daß Blasen ab einem kritischen Durchmesser dc mit den, sich in der Flüssigkeit ausbreitenden Schallwellen in Resonanzschwingung geraten.In order to limit the size distribution of the bubbles to an upper barrier, an ultrasound field is applied below, the frequency f of which is selected precisely such that bubbles from a critical diameter d c resonate with the sound waves propagating in the liquid.
Dieser kritische Durchmesser dc hängt von der Frequenz f des Schalls in erster Näherung indirekt proportional ab (R.E.Apfel, "Acoustic Cavitation Prediction",J. Acoust.Soc.Am.,1981,Vol.69, Seiten 1624-1633):This critical diameter d c depends indirectly on the frequency f of the sound in a first approximation (REApfel, "Acoustic Cavitation Prediction", J. Acoust.Soc.Am., 1981, Vol. 69, pages 1624-1633):
Bei ausreichend hoher Intensität des Schalles zerplatzen nun alle Blasen, deren Durchmesser größer oder gleich dem kritischen Durchmesser dc ist. Das Ergebnis schlägt sich nun in einem Größenver teilungsmuster nieder, wie es durch die Kurve 2 wiedergegeben wird.If the sound intensity is sufficiently high, all bubbles with a diameter greater than or equal to the critical diameter d c will burst. The result is now reflected in a size distribution pattern, as represented by curve 2 .
Das Anlegen eines, solchermaßen gezielt gewählten Ultraschallfeldes bewirkt demnach eine Bla sengrößenverteilung deren maximale Häufigkeit bei einem Durchmesser liegt, der knapp unterhalb des kritischen Durchmessers dc liegt, wie die Beobachtung zeigt.The application of an ultrasound field selected in this way thus results in a blas size distribution whose maximum frequency is at a diameter which is just below the critical diameter d c , as the observation shows.
Die resultierenden Produkte des beschriebenen Vorganges sind kleinere Blasen, die nun ihrerseits Energie aus dem Schallfeld aufnehmen und wachsen (A.A.Atchley in "Ultrasound its che mical, biological and physical effects", Editor K.S.Suslick, VCH-Verlagsgesellschaft, Weinheim 1988, Seite 52), bis sie wiederum den kritischen Durchmesser dc erreichen, um dann schließlich wieder zu platzen. The resulting products of the described process are smaller bubbles, which in turn absorb energy from the sound field and grow (AAAtchley in "Ultrasound its chemical, biological and physical effects", editor KSSuslick, VCH-Verlaggesellschaft, Weinheim 1988, page 52), bis they in turn reach the critical diameter d c and then finally burst again.
Aus Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf dieses Vorganges in Millisekunden (X-Achse) im Zusam menhang mit der Zunahme des Blasendurchmessers d (Y-Achse) ersichtlich.From Fig. 2, the time course of this process in milliseconds (X-axis) in conjunction with the increase in the bubble diameter d (Y-axis) can be seen.
Wie sich in Fig. 3 zeigt, ist aber für die Auswahl des geeigneten Ultraschallfeldes nicht nur die Wahl der nötigen Schallfrequenz f sondern auch in ganz besonders hohem Maße der jeweilige Betrag der zugeleiteten Energie in der Form des richtigen Schalldruckes von Bedeutung.As shown in FIG. 3, for the selection of the suitable ultrasound field, not only the choice of the necessary sound frequency f but also the amount of the supplied energy in the form of the correct sound pressure is of particular importance.
Die vorliegende Graphik beschreibt das Ausmaß der Auslenkung (Y-Achse) der jeweiligen Blase in Abhängigkeit vom jeweiligen Blasendurchmesser in Mikrometer (X-Achse) bei einer gegebenen konstanten Frequenz f und zwei unterschiedlichen Schallenergien E1 und E2. Bei einer gegebenen Frequenz f unter einer zugeführten Energie E1 geraten nur Blasen, deren Durchmesser nahe bei dem kritischen Durchmesser dc liegt in so starke Schwingungen, daß die kritische Amplitude überschrit ten wird. Wird in der Auslenkung der Blasenwand diese kritische Amplitude Ac überschritten, so kann die Blase der mechanischen Belastung nicht mehr standhalten und zerplatzt, was am Beispiel der Kurve von E1 für die Blasen des kritischen Durchmessers dc der Fall ist, womit sich gezielt Blasen des kritischen Durchmessers dc aus der Flüssigkeit beseitigen lassen. Erhöht man nun die zugeführte Energie zum Beispiel auf den Betrag von E2, so überschreiten auch Blasen mit einem größeren Durchmesser als dc die kritische Amplitude Ac und werden somit zerstört.The present graphic describes the extent of the deflection (Y axis) of the respective bubble as a function of the respective bubble diameter in micrometers (X axis) at a given constant frequency f and two different acoustic energies E 1 and E 2 . At a given frequency f below a supplied energy E 1 only bubbles get whose diameter is close to the critical diameter d c in such strong vibrations that the critical amplitude is exceeded. If this critical amplitude A c is exceeded in the deflection of the bubble wall, the bubble can no longer withstand the mechanical stress and burst, which is the case for the bubbles of critical diameter d c using the example of the curve of E 1 , with which bubbles are deliberately created of the critical diameter d c can be removed from the liquid. If the energy supplied is increased, for example, to the amount of E 2 , then bubbles with a larger diameter than d c also exceed the critical amplitude A c and are therefore destroyed.
Auf diese Weise ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, in blasenbeladenen Flüssig keiten nicht nur eine obere Schranke für die enthaltene Blasengröße festzulegen, sondern es ist sogar möglich, je nach Bedarf einfach nur unliebsame Blasengrößen auszusortieren.In this way it is possible according to the inventive method in bubble-laden liquid Not only do you have to set an upper bound on the bubble size it contains, it is possible to simply sort out unpleasant bubble sizes as required.
Nach dem soeben beschriebenen Prinzip lassen sich sogar, wie in Fig. 4 dargestellt, nach Wahl der geeigneten Energiebeträge E1 und E2 durch Einsatz verschiedener Frequenzen f1 und f2, sowohl nach oben, als auch nach unten zu schärfstens begrenzte Größenbereiche der Blasen, welche in der Flüssigkeit verbleiben sollen, definieren, womit eine absolute Steuerung der Größenverteilungen in jede Richtung sichergestellt wäre.According to the principle just described, it is even possible, as shown in FIG. 4, to choose the appropriate energy amounts E 1 and E 2 by using different frequencies f 1 and f 2 , both upwards and downwards, to sharply limited size ranges of the bubbles define which should remain in the liquid, which would ensure absolute control of the size distributions in each direction.
Fig. 5 beschreibt ein einfaches aber bewährtes Ausführungsbeispiel für die Durchführung des, im Patentanspruch 1 beschriebenen Verfahrens in zwei Schritten: Fig. 5 illustrates a simple but proven embodiment for carrying out the method described in claim 1 in two steps:
- A) Zunächst werden durch das Einblasen von Helium aus einer Druckflasche (1) mittels einer feindispergierenden Düse (2) in ein Gefäß (3) mit geeigneter Flüssigkeit (hier das Röntgenkontrast mittel UltravistR) Blasen in hoher Dichte mit einer statistischen Streuung der Größenverteilung zwischen 2 und 100 Mikrometern im Durchmesser erzeugt. Hierbei läßt sich über das Auslaßventil (4) der Druck des einfließenden Gases so regeln, daß eine Steuerung, sowohl der Blasendichte, als auch schon im Vorfeld eine grobe Steuerung des durchschnittlichen Blasendurchmessers möglich ist.A) First, by blowing helium from a pressure bottle ( 1 ) using a finely dispersing nozzle ( 2 ) into a vessel ( 3 ) with a suitable liquid (here the X-ray contrast medium Ultravist R ) bubbles with a high density with a statistical spread of the size distribution between 2 and 100 microns in diameter. Here, the pressure of the inflowing gas can be regulated via the outlet valve ( 4 ) in such a way that control of both the bubble density and a rough control of the average bubble diameter is possible in advance.
- B) Anschließend wird die Sonifikationsbehandlung durchgeführt, wobei sich über den Frequenz generator (5) die Parameter Frequenz und Energie im oben beschriebenen Maße wie gewünscht regulieren lassen. Der Ultraschallwandler (6) ist seinerseits in die Seitenwand eines Behältnisses (7) eingebaut, welches zur optimalen Ankoppelung der Schallquelle an das, zu beschallende Medium mit Wasser gefüllt ist. Diese Ankoppelung kann bei anderen Anwendungen aber auch mit Gelen oder Feststoffen, z. B. bei hohen Temperaturen mit Aerogel vorgenommen werden. Das Gefäß (3) mit der bläschenhaltigen Flüssigkeit muß nun nur noch (wie im Bild dargestellt) in das Feld der Schallwellen gebracht werden.B) The sonification treatment is then carried out, the frequency and energy parameters being able to be regulated as desired using the frequency generator ( 5 ). The ultrasonic transducer ( 6 ) is in turn built into the side wall of a container ( 7 ) which is filled with water for optimal coupling of the sound source to the medium to be sonicated. This coupling can also be used with gels or solids, e.g. B. at high temperatures with airgel. The container ( 3 ) with the bubble-containing liquid now only needs to be brought into the field of sound waves (as shown in the picture).
Claims (21)
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