本申請是2013年4月19日提交、發(fā)明名稱為“脂質(zhì)顆粒與紅血球的聲電泳分離”、申請?zhí)枮?01380020839.5(國際申請?zhí)杙ct/us2013/037404)的發(fā)明專利申請的分案申請。

背景技術(shù)：

本申請要求2012年4月20日提交的美國臨時專利no.61/636,515的優(yōu)先權(quán)。該申請的全部內(nèi)容在此通過引用的方式全部并入本文。

在心臟手術(shù)期間，由于難以對跳動的心臟動手術(shù)，因此心臟和肺的功能由外部泵替代。這種技術(shù)(稱為心肺分流術(shù)(cpb))保持患者體內(nèi)的血液和氧氣的循環(huán)。回輸法是比較有吸引力的，因為它降低了對異體輸血的需要、最大程度地減少了成本、并且降低了輸血相關的發(fā)病率。異源輸血同樣與心臟手術(shù)之后增加的長期死亡率相關。

然而，當在手術(shù)過程期間脂肪層被切割時，脂肪層釋放出脂質(zhì)，脂質(zhì)在抽吸期間可以由泵進行收集。然后，當將血液回輸?shù)襟w內(nèi)時，這些脂質(zhì)可能會被無意地引入到血流中。脂質(zhì)可能引起脂質(zhì)微栓子，其中，乳化(懸浮狀態(tài))的脂肪細胞行進到患者的器官(例如腎、肺、心臟)，并且可能引起血管的堵塞(栓塞)。當脂質(zhì)微栓子出現(xiàn)在大腦中時，是尤其危險的，因為它們會導致各種神經(jīng)認知障礙。在cpb之后的第一周內(nèi)，超過50％的患者經(jīng)歷神經(jīng)功能缺損，10％-30％的患者受到長期或永久性的影響，1-5％的患者經(jīng)歷永久性殘疾或死亡。

諸如過濾法和離心法等用于從血液中除去脂質(zhì)的現(xiàn)有方法效率低或?qū)ρ褐械挠幸娴募t血球有害。脂質(zhì)顆粒在直徑方面表現(xiàn)出約5-70微米(μm)的尺寸分布，其中大多數(shù)顆?！?0μm。這與紅血球的尺寸大致相同。典型的過濾器具有25-40μm的孔徑以及30-40％的脂質(zhì)去除效率。另外，過濾器堵塞并受到通過量的限制，需要進行更換，并且可能將較大的液滴分散成較小的液滴。離心法費時且昂貴，并且需要訓練有素的人員。另外，離心法所要求的高速可能會損壞血球，并且除去諸如血小板和凝血因子等有益的血液成分。已經(jīng)使用了一些mems裝置，但這些裝置依賴于非常小的通道，該通道基本上只能用于分離“排列成行”的紅血球和脂質(zhì)顆粒。這會導致非常低的通過量，并且不能進行大批量的處理。

需要一種可以有效地且充分地從血液中除去脂質(zhì)的分離技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及使用聲電泳從血液中俘獲和分離脂質(zhì)的系統(tǒng)和裝置。該裝置使用如本文所述的超聲換能器。

本文公開了從血液分離脂質(zhì)的方法。使所述血液流動通過流動腔室。所述流動腔室具有聲能源并在所述流動腔室的相反側(cè)具有聲能的反射器。所述血液包含脂質(zhì)。激活所述聲能源，以在所述血液中產(chǎn)生多個入射波。使所述反射器反射所述多個入射波，從而產(chǎn)生與所述入射波共振的多個反射波，由此形成多個駐波。于是，可以從所述血液中除去被俘獲在所述駐波中的脂質(zhì)。

在其它實施例中，公開了一種裝置。該裝置，包括：流動腔室，其具有使包含脂質(zhì)的血液流動通過的入口和出口；超聲換能器，其位于所述流動腔室的壁部上，所述換能器包括限定了所述換能器的一側(cè)的陶瓷晶體，所述換能器由超聲頻率的振蕩的周期性或脈沖式電壓信號驅(qū)動，所述電壓信號驅(qū)動所述換能器，以在所述流動腔室中產(chǎn)生駐波；以及反射器，其位于所述流動腔室的與所述換能器相反的一側(cè)的壁部上。

在另一實施例中，一種裝置包括：抽吸裝置，其從患者收集血液；流動腔室，其具有讓血液流動通過的入口和出口；多個超聲換能器，其位于所述流動腔室的壁部上，所述換能器均包括由超聲頻率的振蕩的周期性或脈沖式電壓信號驅(qū)動的陶瓷晶體，該電壓信號驅(qū)動所述換能器，使所述換能器以非均一的位移模式振動，以在所述流動通道中產(chǎn)生駐波；以及反射器，其位于所述流動腔室的與所述換能器相反的一側(cè)的壁部上。

在下面更具體地描述了這些和其他非限制性特征。

附圖說明

以下是附圖的簡要描述，所述附圖是為了說明本文所公開的示例性實施例而提供的，并不是為了限制本發(fā)明。

圖1示出具有一個換能器的聲電泳分離器。

圖2是示出聲電泳分離器的功能的視圖。

圖3示出具有多個換能器的聲電泳分離器。

圖4a是用作圖3的分離器中的入口的擴散器的詳細視圖。

圖4b是可以與圖3的分離器一起使用的替代入口擴散器的詳細視圖。

圖5是具有一個換能器的聲電泳分離器的可選實施例。

圖6是圖5的聲電泳分離器的分解圖。

圖7是本發(fā)明的超聲換能器的剖視圖。在換能器內(nèi)存在空氣間隙，并且不存在背襯層。

圖8是示出血球和脂質(zhì)的對比系數(shù)的圖表。

圖9是示出俘獲在駐波中的脂質(zhì)和血球的曲線圖。

圖10是聲電泳分離器的計算機模型，模擬出該模型以生成圖11a至圖11d。

圖11a至圖11d示出在聲電泳分離器中作用在顆粒上的力的模擬。

圖12是當以不同頻率驅(qū)動方形換能器時的阻抗振幅與頻率之間的關系的曲線圖。

圖13示出用于圖12的7個峰值振幅的波節(jié)構(gòu)造。

圖14和圖15示出換能器陣列構(gòu)造。

圖16是用于除去紅血球的實驗室設置中的圖5的聲電泳分離器的照片。

圖17示出圖5和圖16的聲電泳分離器的觀察窗的兩張照片。

具體實施方式

通過參考以下優(yōu)選實施例的詳細描述及本文包括的實例，可以更容易地理解本發(fā)明。在以下說明書和隨后的權(quán)利要求書中，將參考定義為具有下述含義的大量術(shù)語。

除非上下文另有明確說明，否則單數(shù)形式的“一”、“一個”和“該”也包括多個指示物。

如在說明書和權(quán)利要求書中所使用的那樣，術(shù)語“包含”可以包括實施例“由…組成”和“基本上由…組成”的含義。

數(shù)值應當被理解為包括在被約簡成相同有效數(shù)字時相同的數(shù)值以及與設定值之差比本申請所述類型的確定該值的常規(guī)測量技術(shù)的實驗誤差小的數(shù)值。

本文公開的所有范圍包括所述端值并且是可獨立組合的(例如范圍“從2克到10克”包括端值2克和10克以及所有中間值)。

如本文所用的那樣，可以運用近似的語言修飾任何可變但不會導致所涉及的基本功能改變的定量表述。因此，在一些情況下，由諸如“約”和“基本上”等一個或幾個術(shù)語修飾的數(shù)值不限于給定的精確值。修飾語“約”也應被視為公開了由兩個端點的絕對值限定的范圍。例如“從約2到約4”的表達也公開了“從2到4”的范圍。

本文所使用的一些術(shù)語是相對性的術(shù)語。相對于給定的結(jié)構(gòu)，術(shù)語“入口”和“出口”涉及從中流動通過的流體，例如流體流動通過入口而進入該結(jié)構(gòu)，并且流體通過出口而從該結(jié)構(gòu)流出。術(shù)語“上游”和“下游”相對于流體流動通過各種部件的方向而言，即流體在流動通過下游部件之前流動通過上游部件。術(shù)語“上”和“下”相對于中心點而言。上部件位于中心點的一個方向上，而下部件位于中心點的相反方向上。

術(shù)語“水平”和“豎直”用于表示相對于絕對基準(即地面)的方向。然而，這些術(shù)語不應當被解釋為要求結(jié)構(gòu)彼此絕對平行或絕對垂直。例如第一豎直結(jié)構(gòu)和第二豎直結(jié)構(gòu)彼此不必平行。相對于絕對基準(即地球的表面)，術(shù)語“頂部”以及“底部”或“基部”是用來指頂部總是高于底部/基部的表面。術(shù)語“向上”和“向下”同樣相對于絕對基準而言；向上始終克服地球的重力。

本發(fā)明涉及顆粒和液滴。“顆?！睉焕斫鉃橹傅氖敲芏缺人蟮牟牧?，而“液滴”指的是密度比水小的材料。然而，這兩個術(shù)語也具有懸浮或分散在流體中的共同特征，并且優(yōu)選地與流體分離。根據(jù)上下文，由于存在這個共同特征，因此參考該術(shù)語中的任一個應被理解為指的是任一個術(shù)語，因此不應被解釋為以某種方式僅限于使用基于密度的術(shù)語的那個。

如前面提到的那樣，需要用于多組分液體流(例如從血液分離脂質(zhì))的高效率分離技術(shù)。就此而言，術(shù)語“血液”指的是懸浮在血漿中的血球的組合。術(shù)語“血漿”指的是包含溶解的蛋白質(zhì)、葡萄糖、凝血因子、礦物離子、激素和二氧化碳在內(nèi)的血液的液體成分。術(shù)語“血球”指的是紅血球和白血球這兩者。優(yōu)選地從血液中除去的脂質(zhì)具有與血球大致相同的尺寸，這使得用常規(guī)方法進行分離變得困難。

聲電泳

聲電泳是使用高強度的聲波對顆粒進行分離的方法。早已知道，聲音的高強度駐波可以將力施加在顆粒上。駐波具有在時間上表現(xiàn)出“駐立”不變的壓力分布。駐波中的壓力分布從高壓區(qū)域(波節(jié))到低壓區(qū)域(波腹)變化。駐波在聲共振器中產(chǎn)生。聲共振器的常見例子包括許多音樂吹奏樂器，如風琴管、長笛、單簧管和喇叭。

在從流體分散液中去除顆粒方面，聲電泳是一種低功率、無壓降、不堵塞的固態(tài)方法(solid-stateapproach)：即它是用來實現(xiàn)比用多孔過濾器進行分離更典型的分離，但它沒有過濾器的缺點。

利用超聲駐波的聲電泳分相器技術(shù)提供了無耗材、無廢物產(chǎn)生和能源成本低的優(yōu)勢。如在共同擁有的美國專利申請no.13/844754(其全部內(nèi)容在此通過引用的方式并入本文)所說明的那樣，該技術(shù)在去除尺寸差異極大的顆粒方面(包括將微米和亞微米尺寸的顆粒分離)是有效的。在共同擁有的美國專利申請no.12/947757、no.13/085299、no.13/216049和no.13/216035(各申請的全部內(nèi)容在此通過引用的方式并入本文)中，可以發(fā)現(xiàn)利用聲電泳的濾聲器/收聲器的實例。

可以使用聲電泳來將類似尺寸的血球和脂質(zhì)彼此分離，以便僅除去脂質(zhì)。可以在連續(xù)流動過程(其中血液流動通過流動腔室)中使用聲電泳，從而允許實現(xiàn)沒有任何流動中斷的連續(xù)回路過程。在流動腔室中，脂質(zhì)與血球和血漿分離，并因此可以除去脂質(zhì)。例如在手術(shù)期間，當脂質(zhì)被引入到手術(shù)患者的血流中時，這是尤其有用的。在血液的外部循環(huán)回路期間，可以從血流中除去脂質(zhì)，從而降低因手術(shù)而帶來的脂質(zhì)微栓子的可能性。這可以減少手術(shù)后的并發(fā)癥。宏觀尺度裝置允許流量達到每小時幾升(l/hr)。不需要訓練有素的人員。

聲共振器被設計為產(chǎn)生高強度的三維超聲駐波，該超聲駐波產(chǎn)生比流體阻力和浮力的綜合影響更大的聲輻射力，并因此能夠俘獲(即保持為固定)懸浮相。本系統(tǒng)具有產(chǎn)生超聲駐波場的能力，該超聲駐波場能夠俘獲線速度超過1cm/s的流場中的顆粒。已經(jīng)證明了對粒徑小至1微米(比血細胞和脂質(zhì)細胞小得多)具有優(yōu)良的顆粒分離效率。

聲電泳分離技術(shù)采用超聲駐波來俘獲(即保持為固定)主液流中的二相粒子。這是與前述方法的重要區(qū)別，在前述方法中，顆粒運動軌跡僅由聲輻射力的作用改變。聲場對顆粒的分散會產(chǎn)生三維聲輻射力，作為三維俘獲場起作用。聲輻射力與顆粒體積(例如半徑的立方)成正比。聲輻射力還與頻率和聲學對比系數(shù)成正比。聲輻射力還與聲能(例如聲壓幅值的平方)成比例。力的正弦空間變化將顆粒驅(qū)動到駐波的穩(wěn)定位置。當作用在顆粒上的聲輻射力強于流體阻力和浮力/重力的組合作用時，顆粒被俘獲在聲學駐波場中。作用在被俘獲的顆粒上的聲學力能夠?qū)е骂w粒和液滴的集中、聚集和/或聚結(jié)。重于水(即密度大于水，如紅血球)的顆粒通過增強的重力沉降進行分離，而輕于水的顆粒(例如脂質(zhì))通過增強的浮力進行分離。

圖1示出了聲電泳顆粒分離器1的一個實施例的示意圖。多組分液流(例如水或其它流體)進入入口4，并且分離的流體在相反端處經(jīng)由出口6排出。應當注意的是，該液流通常是在壓力的作用下流動通過分離器的。顆粒分離器1具有承載多組分液流并穿過共振器10的縱向流動通道8。共振器10包括換能器12，或者在一些實施例中包括用作聲波激勵源的換能器陣列。聲共振器10具有反射器14，反射器14位于與換能器12相反的壁部上。收集凹部16收集雜質(zhì)并且同樣定位成與換能器相反。如本文所限定的那樣，雜質(zhì)包括區(qū)別于主流體的顆粒或流體。另一收集凹部(不可見)位于裝置的靠近換能器的頂部。聲共振器10設計為保持高強度的三維聲學駐波。該系統(tǒng)由函數(shù)發(fā)生器和放大器(未示出)驅(qū)動。計算機監(jiān)測和控制系統(tǒng)性能。

圖2示出了用于從血液移除脂質(zhì)的實施例的示意圖。利用換能器20施加通常在從幾百khz到幾mhz的范圍內(nèi)的激勵頻率。血球22和脂質(zhì)23被俘獲在駐波24的波節(jié)處并且聚集，從而允許漂浮的脂質(zhì)浮到頂部而較重的血球下沉。聲電泳分離技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多組分顆粒的分離而沒有任何污染并且能夠大大降低成本。

圖3示出了聲電泳顆粒分離器30的另一實施例。與聲電泳分離器1一樣，聲電泳分離器30具有帶有入口32和出口34的殼體42。入口32與噴嘴或具有蜂窩件的擴散器36相配合，以便于活塞流的形成。聲電泳分離器30具有換能器40的陣列38，在這種情況下，六個換能器都布置在同一壁部上。換能器布置為覆蓋流路的整個截面。在某些實施例中，圖3的聲電泳分離系統(tǒng)具有6英寸×6英寸的正方形橫截面，其在高達3加侖每分鐘(gpm)的流量或8mm/sec的線速度的條件下工作。換能器40為六個pzt-8(鋯鈦酸鉛)換能器，各pzt-8換能器具有1英寸的直徑和標稱2mhz的共振頻率。在3gpm的流量下，各個換能器消耗約28w的功率來用于液滴俘獲。這意味著0.25kwhr/m³的能耗成本。這表示該技術(shù)具有非常低的能耗成本。優(yōu)選地，各換能器由各自的放大器供電和控制。

圖4a和圖4b示出了能夠用在聲電泳分離器的入口處的兩個不同的擴散器。擴散器44a和44b具有入口部46(在此為圓形形狀)和出口部48(這里用正方形形狀)。在圖3中示出了圖4a的擴散器。圖4a包括網(wǎng)格或蜂窩件50，而圖4b中沒有。網(wǎng)格有助于確保均勻的流動。

圖5是具有一個換能器的聲電泳分離器的另一實施例。換能器54具有pzt-8壓電晶體52。換能器54安裝在分離器56的頂部。

圖6是圖5的分離器的分解圖，示出了分開的部件。分離器的中央是主體66，在此主體66被示出為具有圍繞腔室60的六個面。換句話說，主體是中空的。腔室60是產(chǎn)生駐波的地方以及血液和脂質(zhì)發(fā)生分離的地方。在此，每個面均包括用于進入腔室的孔。在此，入口61和出口62位于主體的相反兩面上。使用時，血液通過入口61進入分離器并且通過出口62排出。在此，示出頂面上具有圓孔，通過該圓孔超聲換能器暴露于血液中。在此示出圓形晶體52。同樣位于頂面上的是換能器支撐件67和頂部件65?？梢灶A見到的是，超聲換能器將被置于支撐件67中，然后用頂部件65進行覆蓋。在此未示出但可以想到的是位于頂部的收集凹部，分離的脂質(zhì)可以被導入到該收集凹部中。頂部件中的孔允許bnc連接器63與換能器連接。底面(即與換能器相反的面)上具有在此由鋼材制成的反射器板58。觀察窗64設置在其余兩個面中。這些觀察窗是可選的。在主體的各個孔周圍設置墊片，以提高水密性。

圖7是本發(fā)明的超聲換能器81的剖視圖，超聲換能器81能夠與圖1、圖3或圖5的聲電泳分離器一起使用。換能器81位于圖6的換能器支撐件67中。

換能器81具有鋁制殼體82。pzt晶體86限定了換能器的底端，并且從殼體的外部露出。晶體的外周被殼體支撐。

螺釘(未示出)借助螺紋88將殼體的鋁制頂板82a連接在殼體的主體82b上。頂板包括連接器84，以將電力傳遞至pzt晶體86(其與圖6的bnc連接器63相接)。經(jīng)由電導線90向pzt晶體86提供電力。應該注意到，晶體86不具有背襯層。換句話說，在換能器中，在鋁制頂板82a與晶體86之間存在空氣間隙87。在一些實施例中，可以設置最小的背襯。

換能器設計可影響系統(tǒng)的性能。典型的換能器具有層狀結(jié)構(gòu)，該層狀結(jié)構(gòu)具有結(jié)合到背襯層和耐磨板的陶瓷晶體。由于換能器裝載成由駐波呈現(xiàn)的高機械阻抗，耐磨板的傳統(tǒng)設計準則(例如半波長或四分之一波長的厚度和制造方法)可能并不合適。相反，在本發(fā)明的一個實施例中，換能器不具有耐磨板或背襯，從而允許晶體以高q因子振動。就此而言，根據(jù)公式q＝fo/帶寬，q因子描述了從換能器發(fā)出的聲音，其中fo為中心頻率，而帶寬為頻率分布的寬度。“高q”換能器具有相對較小的帶寬和較長的空間脈沖長度?！暗蛁”換能器具有相對較大的帶寬和較短的空間脈沖長度。

振動陶瓷晶體/片從流動通過流動腔室的流體直接露出。在實施例中，在振動晶體的任一側(cè)設置銀電極。通常，在pzt晶體的兩側(cè)存在薄金屬層，以便激勵換能器。

移除背襯(例如使空氣作為晶體的背襯)還允許陶瓷晶體獲得高次振動模式(例如高次模式位移)。在具有帶背襯的晶體的換能器中，晶體像活塞那樣以均一的位移振動。移除背襯允許晶體以非均一的位移模式振動。晶體的振型的階次越高，晶體就具有越多的節(jié)線。雖然俘獲線與波節(jié)的相關性不一定是一一對應的而且以較高頻率驅(qū)動晶體不一定會產(chǎn)生更多的俘獲線，但晶體的高次模式位移產(chǎn)生更多的俘獲線(trappingline)。

在一些實施例中，晶體可以具有對晶體的q因子影響最小(例如小于5％)的背襯。背襯可以由諸如輕木或軟木等大致透聲材料制成，透聲材料在向晶體提供一些機械支撐的同時允許晶體以高次振型振動并且保持高q因子。在另一實施例中，背襯可以為柵格結(jié)構(gòu)，該柵格結(jié)構(gòu)以特定的高次振動模式遵循振動晶體的波節(jié)，從而在允許其余晶體自由振動的同時在波節(jié)位置處提供支撐。柵格結(jié)構(gòu)或透聲材料的目標在于在不降低晶體的q因子的情況下提供支撐。

通過避免耐磨板的衰減和能量吸收效應，將晶體放置為與流體(即血液)直接接觸或在晶體與流體之間提供盡可能薄的耐磨板同樣有助于獲得高q因子。在從血液分離脂質(zhì)的系統(tǒng)中，耐磨板有利于防止含鉛的pzt與血液接觸?？赡艿哪湍邮倾t、電解鎳或化學鍍鎳?；瘜W氣相沉積也可以用于施加聚對二甲苯(例如parylene^tm)層或其它聚合物層。諸如硅酮或聚氨酯等有機涂層和生物相容涂層也可考慮作為磨損面。

本發(fā)明的系統(tǒng)在電壓下進行操作，使得顆粒被俘獲在超聲駐波中，即保持在固定位置。顆粒被收集(即脂質(zhì)和血球)在以半個波長隔開的良好限定的俘獲線中。在每個節(jié)面中，以最小的聲輻射電位俘獲顆粒。聲輻射力的軸向分量將具有正對比系數(shù)的顆粒驅(qū)動至壓力節(jié)面，而將具有負對比系數(shù)的顆粒驅(qū)動至壓力波腹面。聲輻射力的徑向或橫向分量是俘獲顆粒的力。在使用典型的換能器的系統(tǒng)中，聲輻射力的徑向分量或橫向分量一般要比聲輻射力的軸向分量小幾個數(shù)量級。然而，分離器1、30、56中的橫向力可能相當大(具有與軸向力分量相同的數(shù)量級)，并且足以克服線速度達1cm/s時的流體阻力。如上所述，通過以高次振型驅(qū)動換能器，與晶體像具有均一位移的活塞那樣有效移動的振動形式相反，能夠增大橫向力。這些高次振動模式類似于鼓中的膜的振動模式，如模式(1,1)、(1,2)、(2,1)、(2,2)、(2,3)或(m,n)，其中m和n大于或等于1。聲壓與換能器的驅(qū)動電壓成正比。電功率與電壓的平方成正比。

對比系數(shù)

由于脂質(zhì)和血球具有不同的聲學對比系數(shù)，因此脂質(zhì)和血球的分離是可能的。可以根據(jù)以下等式計算流體f中的顆粒p的聲學對比系數(shù)x：

其中，ρp是顆粒密度，βp是該顆粒的壓縮系數(shù)，ρf是流體密度，而βf是該流體的壓縮系數(shù)。

血漿可以被視為具有與水類似的特性，并且在表1中示出了以下數(shù)據(jù)?！癳”符號指的是10的以下數(shù)字次方，(例如e+2＝10^2,或100)。

表1

圖8示出了紅血球和脂質(zhì)的聲學對比系數(shù)(acf)的圖表，曲線x＝0表示對比系數(shù)為零，流體為水。對比系數(shù)為零的顆粒將不會感覺到力，從而具有與所在溶液(例如，水)類似的特性。由于紅血球?qū)Ρ认禂?shù)93和脂質(zhì)對比系數(shù)92位于x＝0曲線的相反兩側(cè)，即其中一個具有正acf，而另一個具有負acf，因此它們能夠被有效分離。

圖9示出了具有正聲學對比系數(shù)和負聲學對比系數(shù)的顆粒所感受到的聲輻射力(arf)。對于具有大于零的對比系數(shù)的紅血球而言，力94、95將血球推至駐波的波節(jié)99，波節(jié)99與收集脂質(zhì)的波節(jié)98相距半個波長。脂質(zhì)被力96、97推至波腹98。血球和脂質(zhì)感受到不同的力，這是因為具有正聲學對比系數(shù)的顆粒移動至壓力波節(jié)99，而具有負聲學對比系數(shù)的顆粒移動至壓力波腹99。換言之，脂質(zhì)的柱形體以相距半個波長的方式與紅血球分離。駐波與流動方向大致垂直，并且柱形體與流動方向大致平行。隨著脂質(zhì)的聚結(jié)，它們最終變?yōu)榫哂懈×Σ⑶腋〉巾敳俊＜t血球?qū)恋降撞?，并且能夠被單獨收集或能夠與血液的其余部分一起返回到患者體內(nèi)。

圖10是聲電泳分離器102的計算機模型，模擬出該模型以生成圖11a至圖11d。壓電陶瓷晶體104與水通道106中的流體直接接觸。在用于從血液中分離脂質(zhì)的實施例中，預計將會使用薄耐磨板。硅層103位于晶體104與鋁制頂板100之間。反射器112反射波以產(chǎn)生駐波。反射器由諸如鋼或鎢等高聲阻抗材料制成，從而提供良好的反射。作為參照，y軸110將被稱為軸向。x軸108將被稱為徑向或橫向。在comsol中計算聲壓和速度模型，comsol包括pzt換能器的壓電模型、周圍結(jié)構(gòu)(例如反射板和壁部)的線性彈性模型、以及水柱中的波的線性聲學模型。將聲壓和速度作為數(shù)據(jù)導出到matlab。在matlab中使用gor'kov公式計算作用在懸浮顆粒上的輻射力。將諸如密度、聲速和顆粒大小等顆粒和流體材料特性輸入到程序中，并用于確定單極和雙極散射貢獻。聲輻射力通過執(zhí)行場電位u下的梯度運算來確定，其為顆粒體積以及聲場的時間平均勢能和動能的函數(shù)。

圖11a至圖11d示出了單個聲波與多模聲波之間的俘獲差異的模擬。圖11a示出了與單個聲學駐波相關聯(lián)的軸向力。圖11b示出了因單個聲學駐波而產(chǎn)生的橫向力。圖11c和圖11d分別示出了在形成多個駐波的多模(具有多個波節(jié)的高次振動模式)壓電晶體激勵下的軸向力和橫向力。電輸入與圖11a和圖11b的單個模式相同，但阱力(trappingforce)(橫向力)為70倍大(應注意，為圖11d的右側(cè)對圖11b的右側(cè)的比例)。這些附圖由被10v交流電驅(qū)動的1mhz壓電換能器的計算機模型模擬產(chǎn)生，該壓電換能器繪制為以鋼反射器終結(jié)的開放水通道中的鋁制頂板(參見圖10)。圖11a和圖11b中的場為960khz，且具有400kpa的峰值壓力。圖11c和圖11d中的場為961khz，且具有1400kpa的峰值壓力。除了較高的力之外，961khz的場(圖11c和圖11d)具有更多的梯度和焦點。

除了換能器的形狀之外，換能器的振型(換能器以什么形式振動)也影響油分離效率。產(chǎn)生更多的波節(jié)能夠提供更多用于俘獲油的地方。圖12示出了測量得到的作為2.2mhz換能器共振附近的頻率的函數(shù)的換能器的電阻抗振幅。換能器阻抗的最小值與水柱聲學共振對應并且表示用于操作的電位頻率。數(shù)值模型表明，該換能器的位移分布在這些聲學共振頻率處變化顯著，并且由此直接影響聲學駐波和所得到的阱力。換能器位移振型從單個半波模式變?yōu)槿齻€半波振型。高次傳感器模式位移能夠?qū)е赂叩内辶捅环@油滴的多個穩(wěn)定俘獲位置。單個半波模式能夠產(chǎn)生一行被俘獲液滴，而三個半波模式能夠在整個流體通道上產(chǎn)生平行的三行被俘獲液滴。

為調(diào)查換能器振型對聲阱力和油分離效率的影響，以除了激勵頻率之外的所有相同條件，重復進行十次實驗。十個連續(xù)的聲學共振頻率(其在圖12中由圓圈數(shù)字1-9和字母a表示)被用作激勵頻率。條件為30分鐘的實驗時間、1000ppm的油濃度、500ml/min的流量、以及20w的外加功率。

當乳液通過換能器時，觀察和表征該俘獲節(jié)線。對于圖12中標識的十個共振頻率中的七個而言，如圖13所示，表征涉及整個流體通道上的俘獲節(jié)線的數(shù)量的觀測和圖案。

激勵頻率的效果清楚地確定俘獲節(jié)線的數(shù)量，該數(shù)量從聲學共振5、9的激勵頻率處的單根俘獲線變?yōu)槁晫W共振頻率4的9根俘獲節(jié)線。在其它激勵頻率處，觀察到四根或五根俘獲節(jié)線。換能器的不同振動模式能夠產(chǎn)生不同的(更多的)駐波波節(jié)，更多波節(jié)通常產(chǎn)生更高的阱力。

不同的換能器結(jié)構(gòu)也是可行的。圖14示出了換能器陣列120，其包括3個正方形1”×1”晶體120a、120b、120c。兩個正方形彼此平行，而第三個正方形發(fā)生偏移，以形成三角形圖案。圖15示出了換能器陣列122，其包括兩個矩形1”×2.5”的晶體122a、122b，晶體122a、122b設置成長軸彼此平行。每個換能器在每1”×1”換能器橫截面面積和每英寸聲學駐波跨度上的功耗為10w，以便獲得足夠的聲阱力。對于中等規(guī)模系統(tǒng)的4”跨度而言，每個1”×1”正方形換能器消耗40w。中等規(guī)模系統(tǒng)中的較大的1”×2.5”矩形換能器使用100w。三個1”×1”正方形換能器的陣列總共將消耗120w，而兩個1”×2.5”換能器的陣列將消耗約200w。

圖16示出了使用分離器56來從血流中除去紅血球的實驗室設備。血液沿方向130流動。波的聲傳播方向為x方向(在圖16中從頁面出來的方向)。也就是說，照片示出了鋼板57，并且換能器位于分離器56的相反側(cè)。

在牛血稀釋100倍、50倍、25倍和10倍情況下，利用圖16的設備進行一系列試驗。在所有四個試驗中，可以通過分離器窗口64觀察血球。使用具有0.75％紅花乳液的10倍稀釋牛血進行進一步的試驗?？梢杂萌庋塾^察到油上升到頂部?？梢詮姆蛛x器56的腔室獲取血細胞比容讀數(shù)(紅血球濃度的量度)。時間和讀數(shù)為：0分鐘時為3％(基線)、10分鐘時為55％、以及20分鐘時為23％。應認識到，20分鐘時的下降是由于在10分鐘時的穩(wěn)定期(drawing)之后紅血球計數(shù)下降。

圖17示出了窗口64的兩張圖片，示出了油聚結(jié)和從聲學駐波中冒出來。這表明聲電泳分離是一種用于濃縮紅細胞和脂質(zhì)分離來防止微栓子的有效方法。

已經(jīng)參考示例性實施例描述了本發(fā)明。顯然，在閱讀并理解了前述詳細說明后，其他人將能夠?qū)ζ溥M行修改和變更。其意在本發(fā)明應被解釋為包括所有此類修改和變更，只要它們在所附權(quán)利要求書或其等同內(nèi)容的范圍之內(nèi)即可。