DE102017219177A1 - System and method for monitoring a vibration transmitting unit, in particular a sonotrode for ultrasonic lysis - Google Patents

System and method for monitoring a vibration transmitting unit, in particular a sonotrode for ultrasonic lysis Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (100) und ein Verfahren (500) zur Überwachung einer schwingungsübertragenden Einheit (300), insbesondere einer Sonotrode (300), zur Einleitung mechanischer Schwingungen in eine Vorrichtung (200) zur Anregung einer in der Vorrichtung (200) befindlichen Flüssigkeit (210), insbesondere für eine Lyse von biologischen Zellen in einer Probenflüssigkeit (210), wobei das System (100) einen akustischen Sensor (110), insbesondere ein Mikrofon (110), zur Aufnahme mechanischer Schwingungen der Vorrichtung (200) aufweist, wobei das System (100) ferner eine mit dem Sensor (110) verbundene Steuereinrichtung (120) für eine Analyse der durch den Sensor (110) aufgenommenen mechanischen Schwingungen umfasst, wobei die Steuereinrichtung (120) eingerichtet ist, einen Betrieb der schwingungsübertragenden Einheit (300) zu verringern, wenn die aufgenommenen mechanischen Schwingungen vorgegebene akustische Merkmale aufweisen.

Figure DE102017219177A1_0000
The invention relates to a system (100) and a method (500) for monitoring a vibration transmitting unit (300), in particular a sonotrode (300), for introducing mechanical vibrations into a device (200) for exciting a device (200) Fluid (210), in particular for lysing biological cells in a sample fluid (210), the system (100) having an acoustic sensor (110), in particular a microphone (110), for receiving mechanical vibrations of the device (200), the system (100) further comprising control means (120) coupled to the sensor (110) for analyzing the mechanical vibrations sensed by the sensor (110), the control means (120) being arranged to initiate operation of the vibration transmitting unit (300) ) when the recorded mechanical vibrations have predetermined acoustic characteristics.
Figure DE102017219177A1_0000

Description

Stand der TechnikState of the art

Der Nachweis von bakteriellen oder zellulären Krankheitserregern in einer Probe kann über die Polymerase-Kettenreaktion (kurz PCR) geschehen. In diesem Verfahren werden typische DNA-Stränge für eine Identifikation der die DNA umfassenden Zielzelle detektiert. Um dies zu ermöglichen, muss die DNA aus der Zelle extrahiert werden, in dem die Zellmembran aufgebrochen wird, was als Lyse bezeichnet wird. Ein typisches Lyseverfahren ist die Ultraschalllyse, bei der durch Ultraschallanregung in der Probenflüssigkeit Kavitationsbläschen erzeugt werden, die beim Zerfall Scherkräfte erzeugen, welche biologische Zellmembranen zerreißen können. Dies erzeugt beim Zerfallen der Kavitationsbläschen ein typisches akustisches Signal.The detection of bacterial or cellular pathogens in a sample can be done via the polymerase chain reaction (PCR for short). In this procedure, typical DNA strands are detected for identification of the target cell comprising the DNA. To make this possible, the DNA must be extracted from the cell, in which the cell membrane is broken, which is referred to as lysis. A typical lysis method is ultrasonic lysis, in which ultrasound excitation in the sample fluid generates cavitation bubbles which, on disintegration, produce shear forces that can rupture biological cell membranes. This produces a typical acoustic signal when the cavitation bubbles collapse.

Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung eines hochfrequent schwingenden Anregungskopfes bekannt, auch Sonotrode genannt, wobei die Sonotrode direkt in die zu lysierende Flüssigkeit eingetaucht wird. Andere Verfahren, wie beispielsweise in US20140120599 A1 und GB2403729 offenbart, bieten hingegen die Möglichkeit, die Anregung von der Sonotrode über eine elastische Membran, beispielsweise eine Polymermembran, zu übertragen, was als indirekte Ultraschallbehandlung bezeichnet werden kann. Dies hat den Vorteil, dass das Probenvolumen verschlossen und die Sonotrode kontaminationsfrei bleiben können.From the prior art, the use of a high-frequency oscillating excitation head is known, also called sonotrode, wherein the sonotrode is immersed directly in the liquid to be lysed. Other methods, such as in US20140120599 A1 and GB2403729 On the other hand, it is possible to transmit the excitation from the sonotrode via an elastic membrane, for example a polymer membrane, which can be referred to as indirect ultrasound treatment. This has the advantage that the sample volume can be closed and the sonotrode can remain contamination-free.

Bei Anwendung der Ultraschalllyse muss darauf geachtet werden, dass die Membran nicht „trocken gelegt“ wird, was bedeutet, dass sich die Membran zumindest teilweise nicht mit der Probenflüssigkeit in Kontakt befindet. Solch ein Trockenlegen kann zu einer schnellen Erhitzung und eventuellen Zerstörung der Membran führen. Beispielsweise kann ein stellenweises Trockenlegen durch ein Sieden und somit eine Bildung von Blasen der Probenflüssigkeit erfolgen. Andere Ursachen für eine Trockenlegen können in einer unzureichend befüllten Probenkammer oder einem unbeabsichtigten Verlust von Probenflüssigkeit liegen.When using ultrasound lysis, care must be taken not to "dry" the membrane, which means that the membrane is at least partially out of contact with the sample fluid. Such draining can lead to rapid heating and eventual destruction of the membrane. For example, a localized draining by boiling and thus a formation of bubbles of the sample liquid take place. Other causes of drainage may be an insufficiently filled sample chamber or an unintentional loss of sample fluid.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung ein System zur Überwachung einer schwingungsübertragenden Einheit. Die schwingungsübertragende Einheit kann dabei zur Einleitung mechanischer Schwingungen in eine Vorrichtung zur Anregung einer in der Vorrichtung befindlichen Flüssigkeit dienen, insbesondere zur Einleitung mechanischer Schwingungen in eine Lyseeinrichtung für eine Lyse von biologischen Zellen in einer Probenflüssigkeit. Das System weist einen akustischen Sensor zur Aufnahme mechanischer Schwingungen auf, insbesondere von Schwingungen der Vorrichtung. Ferner umfasst das System eine mit dem akustischen Sensor verbundene Steuereinrichtung für eine Analyse der durch den Sensor aufgenommenen mechanischen Schwingungen. Die Steuereinrichtung ist dabei eingerichtet, einen Betrieb der schwingungsübertragenden Einheit zu verringern, wenn die aufgenommenen mechanischen Schwingungen vorgegebene akustische Merkmale aufweisen.Against this background, the invention relates to a system for monitoring a vibration transmitting unit. The vibration-transmitting unit can be used to initiate mechanical vibrations in a device for exciting a fluid in the device, in particular for introducing mechanical vibrations in a lysis device for lysis of biological cells in a sample liquid. The system has an acoustic sensor for receiving mechanical vibrations, in particular vibrations of the device. Furthermore, the system comprises a control device connected to the acoustic sensor for analyzing the mechanical vibrations recorded by the sensor. The control device is set up to reduce an operation of the vibration-transmitting unit when the recorded mechanical vibrations have predetermined acoustic characteristics.

Unter einer schwingungsübertragenden Einheit kann insbesondere eine Sonotrode verstanden werden, beispielsweise eine Ultraschallsonotrode. Bei dem akustischen Sensor kann es sich insbesondere um ein Mikrofon handeln, beispielsweise ein MEMS-Mikrofon. Das System kann dabei die schwingungsübertragende Einheit umfassen. Unter einer Anregung einer Flüssigkeit kann insbesondere eine mechanische Erschütterung durch die übertragenen mechanischen Schwingungen verstanden werden, beispielsweise für eine Durchmischung der Flüssigkeit. Beispielsweise kann die Vorrichtung für eine Durchmischung zweier oder mehrerer Substanzen vorgesehen sein, beispielsweise für eine Homogenisierung aufgrund von Durchmischung oder für eine Emulsion von Suspensionen. Bei der Vorrichtung kann es sich auch, wie oben ausgeführt, um eine Lyseeinrichtung handeln, also um eine Einrichtung zur Lyse von Zellen, insbesondere eine mikrofluidische Einrichtung wie beispielsweise ein Lab-on-a-Chip-System. Unter einer Lyse einer Zelle kann eine Aufspaltung oder Zerstörung einer Zellmembran der Zelle verstanden werden, beispielsweise durch eine mechanische Belastung wie oben beschrieben. Die Zellen können sich dabei in einer Probenflüssigkeit, beispielsweise in einer biologischen Probe wie Blut, Sputum oder einem Abstrich befinden. Bei der Steuereinrichtung kann es sich um eine elektrische Schaltung handeln, welche insbesondere eine Auswerteeinrichtung, beispielsweise einen Prozessor oder Mikroprozessor, und/oder ein Steuergerät umfasst. Die Auswerteeinrichtung ist eingerichtet, insbesondere programmiert, die durch den Sensor aufgenommenen mechanischen Schwingungen auf die vorgegebenen akustischen Merkmale zu analysieren und bei deren Vorliegen den Betrieb der schwingungsübertragenden Einheit zur verringern. Unter vorgegebenen akustischen Merkmalen sind insbesondere Eigenschaften der mechanischen Schwingungen wie beispielsweise vorgegebene Frequenzen, Frequenzbereiche, Amplituden und/oder Amplitudenbereiche sowie vorgegebene Kombinationen dieser Größen zu verstehen. Unter einer Verringerung des Betriebs ist insbesondere eine Reduktion der von der schwingungsübertragenden Einheit ausgegeben Schwingungsleistung zu verstehen, insbesondere eine Verringerung einer oder mehrere Amplituden der übertragenen mechanischen Schwingungen.A vibration-transmitting unit may in particular be understood as a sonotrode, for example an ultrasound sonotrode. The acoustic sensor may in particular be a microphone, for example a MEMS microphone. The system may include the vibration transmitting unit. An excitation of a liquid may, in particular, be understood to mean a mechanical vibration due to the transmitted mechanical vibrations, for example for a thorough mixing of the liquid. For example, the device can be provided for a mixing of two or more substances, for example for homogenization due to mixing or for an emulsion of suspensions. As stated above, the device can also be a lysis device, ie a device for lysing cells, in particular a microfluidic device such as, for example, a lab-on-a-chip system. A lysis of a cell can be understood to mean a breakdown or destruction of a cell membrane of the cell, for example by mechanical stress as described above. The cells may be located in a sample liquid, for example in a biological sample such as blood, sputum or a smear. The control device may be an electrical circuit, which in particular comprises an evaluation device, for example a processor or microprocessor, and / or a control device. The evaluation device is set up, in particular programmed, to analyze the mechanical vibrations recorded by the sensor for the given acoustic characteristics and, if present, reduce the operation of the vibration-transmitting unit. Specified acoustic features are to be understood in particular as properties of the mechanical vibrations, such as predetermined frequencies, frequency ranges, amplitudes and / or amplitude ranges, as well as predetermined combinations of these quantities. A reduction of the operation is to be understood in particular as a reduction of the vibration power output by the vibration-transmitting unit, in particular one Reduction of one or more amplitudes of transmitted mechanical vibrations.

Das erfindungsgemäße System hat den Vorteil, dass eine Qualität einer über mechanische Schwingungen angeregten Schwingung der Vorrichtung akustisch überwacht werden kann. Ferner kann vorteilhafterweise die Einleitung von mechanischen Schwingungen schnell und auf einfache Weise verringert oder sogar ganz unterbrochen werden, wenn über das erfindungsgemäße System eine Qualitätsabnahme der Schwingungen durch Erkennung der vorgegebenen akustischen Merkmale festgestellt wird. Die Erfindung hat insbesondere den Vorteil, dass eine Trockenlegung einer mit der Flüssigkeit in Kontakt stehenden Membran durch die damit einhergehende Änderung der mechanischen Schwingungen frühzeitig erkannt und somit abgewendet werden kann. Wie oben ausgeführt, kann eine solche Trockenlegung beispielsweise dann geschehen, wenn aufgrund der Einleitung der mechanischen Schwingung die Flüssigkeit zu sieden beginnt. Das erfindungsgemäße System ermöglicht es somit, die Gefahr einer Beeinträchtigung der Integrität oder gar Beschädigung der Vorrichtung und insbesondere der Membran durch unbeabsichtigte Schwingungen zu verringern. Insbesondere wird die Gefahr einer ansonsten sehr schnellen und starken Erhitzung und eventuell sogar Beschädigung durch teilweise Schmelzung der Vorrichtung oder der Membran mit möglichem Austritt der Flüssigkeit somit vorteilhafterweise verringert.The system according to the invention has the advantage that a quality of an oscillation of the device excited by mechanical vibrations can be acoustically monitored. Furthermore, advantageously, the introduction of mechanical vibrations can be rapidly and easily reduced or even completely interrupted, if a decrease in the quality of the vibrations is detected by detecting the predetermined acoustic characteristics via the system according to the invention. The invention has the particular advantage that a drainage of a standing in contact with the liquid membrane can be detected early by the concomitant change in the mechanical vibrations and thus averted. As stated above, such a drainage can be done, for example, when due to the initiation of the mechanical vibration, the liquid begins to boil. The system according to the invention thus makes it possible to reduce the risk of impairment of integrity or even damage to the device and in particular the membrane by unintentional vibrations. In particular, the risk of otherwise very rapid and intense heating and possibly even damage by partial melting of the device or the membrane with possible leakage of the liquid is thus advantageously reduced.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung repräsentieren die vorgegebenen Merkmale Eigenschaften, insbesondere Amplituden, von subharmonischen oder superharmonischen Anregungen der durch die schwingungsübertragende Einheit hervorgerufenen mechanischen Schwingungen der Vorrichtung. Bei einem Betrieb der schwingungsübertragenden Einheit bilden die Einheit und die Vorrichtung ein schwingendes Gesamtsystem. Wenn eine Trockenlegung der Membran erfolgt, so entspricht das Gesamtsystem einem schwach gedämpften, nichtlinearen Oszillator, bei welchem zusätzlich zu einer mechanischen Schwingung bei einer ursprünglichen Anregungsfrequenz der schwingungsübertragenden Einheit ferner Schwingungen bei ganzzahlig Vielfachen dieser ursprünglichen Anregungsfrequenz (sogenannte superharmonische Anregungen) und Schwingungen bei ganzzahligen Teilen dieser ursprünglichen Anregungsfrequenz (sogenannte subharmonische Anregungen) auftreten können. Ein Trockenlegen der Membran führt also insbesondere zu einer reduzierten Dämpfung der in Schwingung gebrachten Vorrichtung, so dass insbesondere subharmonische Anregungen verstärkt auftreten. Vorzugsweise repräsentieren die vorgegebenen Merkmale daher subharmonische Schwingungen der Vorrichtung. Vorteilhafterweise kann somit durch eine Feststellung der superharmonischen und/oder insbesondere der subharmonischen Anregungen über die Steuereinrichtung des erfindungsgemäßen Systems ein Trockenlegen der Membran frühzeitig erkannt werden. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung somit eingerichtet, den Betrieb der schwingungsübertragenden Einheit zur verringern, wenn die aufgenommenen mechanischen Schwingungen ein oder mehrere superharmonische und/oder vorzugsweise subharmonische Anregungen in einer vorgegebenen Stärke umfassen.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the predetermined features represent properties, in particular amplitudes, of subharmonic or superharmonic suggestions of the mechanical oscillations of the device caused by the vibration-transmitting unit. In an operation of the vibration transmitting unit, the unit and the apparatus form an oscillating overall system. When drainage of the membrane occurs, the overall system corresponds to a weakly damped, non-linear oscillator in which, in addition to a mechanical vibration at an original excitation frequency of the vibration transmitting unit, vibrations at integer multiples of that original excitation frequency (so-called superharmonic excitations) and oscillations at integer parts this original excitation frequency (so-called subharmonic excitations) can occur. Drying of the membrane thus leads in particular to a reduced attenuation of the device brought into oscillation, so that, in particular, subharmonic excitations increasingly occur. Preferably, the predetermined features therefore represent subharmonic vibrations of the device. Advantageously, by determining the superharmonic and / or in particular the subharmonic suggestions via the control device of the system according to the invention, it is therefore possible to detect a drainage of the membrane at an early stage. In other words, the control device is thus arranged to reduce the operation of the vibration-transmitting unit when the recorded mechanical vibrations comprise one or more superharmonic and / or preferably subharmonic excitations in a predetermined strength.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems repräsentieren die vorgegebenen Merkmale eine vorgegebene Änderung von mechanischen Schwingungen vorgegebener Frequenzen. Unter vorgegebenen Frequenzen können insbesondere ein oder mehrere diskrete Frequenzen und/oder ein oder mehrere Frequenzbereiche verstanden werden, welche vorgegeben werden. Eine solche Änderung, insbesondere ein Anstieg von mechanischen Schwingungen vorgegebener Frequenzen, kann ebenfalls eine verringerte Dämpfung der in erzwungene Schwingung versetzten Vorrichtung indizieren und somit vorteilhafterweise eine frühzeitige Reaktion darauf ermöglichen. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung somit eingerichtet, den Betrieb der schwingungsübertragenden Einheit zur verringern, wenn die aufgenommenen mechanischen Schwingungen ein oder mehrere Schwingungen bestimmter Frequenzen in einer vorgegebenen Stärke oder mit einer vorgegebenen Änderung umfassen.In a further advantageous embodiment of the system according to the invention, the predetermined features represent a predetermined change of mechanical vibrations of predetermined frequencies. Specified frequencies may, in particular, be understood as meaning one or more discrete frequencies and / or one or more frequency ranges, which are predetermined. Such a change, in particular an increase of mechanical vibrations of predetermined frequencies, may also indicate a reduced damping of the forced vibration device and thus advantageously allow an early response thereto. In other words, the control device is thus arranged to reduce the operation of the vibration transmitting unit when the recorded mechanical vibrations comprise one or more vibrations of certain frequencies in a predetermined magnitude or with a predetermined change.

Bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet, den Betrieb der schwingungsübertragenden Einheit zur verringern oder alternativ zu unterbrechen, wenn ein aus einer Verknüpfung von mehreren vorgegebenen akustische Merkmale abgeleiteter Indikatorwert oder alternativ eine Änderung des abgeleiteten Indikatorwerts einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Dies hat den Vorteil, dass aus mehreren verschiedenen Größen ein Schwellwertvergleich für eine mögliche Verringerung des Betriebs durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann der Indikatorwert einer Gesamtleistung eines durch den akustischen Sensor aufgenommenen Signals eines vorgegebenen Spektrums von Schwingungsfrequenzen entsprechen. Alternativ kann der Indikatorwert einem Verhältnis einer ersten Gesamtleistung eines ersten Spektrums von Schwingungsfrequenzen zu einer zweiten Gesamtleistung eines zweiten Spektrums von Schwingungsfrequenzen entsprechen, wobei das erste Spektrum beispielsweise ein Teilspektrum des zweiten Spektrums ist. Alternativ kann der Indikatorwert einem Verhältnis eines Signalpegels einer subharmonischen Schwingung zum Signalpegel der durch die schwingungsübertragende Einheit vorgegebenen Schwingung entsprechen, wobei beispielsweise die Frequenz der subharmonischen Schwingung der halben Frequenz der vorgegebenen Schwingung entspricht. Alternativ kann der Indikatorwert auch einer Summe von Leistungen aller subharmonischen Schwingungen bis zu einer vorgegebenen Ordnung entsprechen.The control device is preferably set up to reduce or alternatively interrupt the operation of the vibration-transmitting unit if an indicator value derived from a combination of a plurality of predetermined acoustic features or alternatively a change in the derived indicator value exceeds a predetermined threshold value. This has the advantage that a threshold value comparison for a possible reduction of the operation can be carried out from several different sizes. For example, the indicator value may correspond to a total power of a signal received by the acoustic sensor of a predetermined spectrum of vibration frequencies. Alternatively, the indicator value may correspond to a ratio of a first total power of a first spectrum of vibration frequencies to a second total power of a second spectrum of vibration frequencies, wherein the first spectrum is, for example, a partial spectrum of the second spectrum. Alternatively, the indicator value may correspond to a ratio of a signal level of a subharmonic vibration to the signal level of the vibration given by the vibration transmitting unit, where, for example, the frequency of the subharmonic oscillation corresponds to half the frequency of the predetermined oscillation. Alternatively, the indicator value may also correspond to a sum of powers of all subharmonic vibrations up to a predetermined order.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung eingerichtet, den Betrieb der schwingungsübertragenden Einheit zur unterbrechen oder zu beenden, wenn die aufgenommenen mechanischen Schwingungen vorgegebene akustische Merkmale aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Übertragung der mechanischen Schwingungen vollständig gestoppt werden kann.According to a particularly advantageous development of the invention, the control device is set up to interrupt or stop the operation of the vibration-transmitting unit when the recorded mechanical vibrations have predetermined acoustic characteristics. This has the advantage that the transmission of the mechanical vibrations can be completely stopped.

Vorzugsweise ist das System dabei eingerichtet, für die Unterbrechung des Betriebs eine Energieversorgung der schwingungsübertragenden Einheit zu unterbrechen. Beispielsweise kann das System dabei eine Schnittstelle zur Verbindung mit einer Energiequelle der schwingungsübertragenden Einheit aufweisen. Bei der Schnittstelle kann es sich um eine digitale oder analoge Schnittstelle zur Leistungsregelung der schwingungsübertragenden Einheit und/oder der Leistungsregelung eines Generators zur Erzeugung der Schwingungen, insbesondere eines Ultraschallgenerators, handeln. Die Schnittstelle kann ein Relais zur Abkopplung des Generators von einer Energiequelle des Generators aufweisen.Preferably, the system is set up to interrupt a power supply of the vibration transmitting unit for the interruption of the operation. For example, the system may have an interface for connection to a power source of the vibration-transmitting unit. The interface may be a digital or analog interface for regulating the power of the vibration transmitting unit and / or the power control of a generator for generating the vibrations, in particular an ultrasonic generator. The interface may include a relay for decoupling the generator from a power source of the generator.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das System die Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eine schwingungsfähige Membran zur Übertragung mechanischer Schwingungen an die Flüssigkeit aufweist und wobei der akustische Sensor derart bezüglich der Vorrichtung, insbesondere der Membran, angeordnet ist, dass der Sensor mechanische Schwingungen der Membran aufnehmen kann. Dies hat den Vorteil, dass der Fokus der Überwachung auf die Schwingungsanregung der Membran gerichtet ist. Insbesondere kann dadurch eine sich anbahnenden oder beginnende Trockenlegung der Membran besonderes frühzeitig erkannt werden.In an advantageous development of the invention, the system comprises the device, wherein the device has a vibratable membrane for transmitting mechanical vibrations to the liquid and wherein the acoustic sensor is arranged with respect to the device, in particular the membrane, that the sensor mechanical vibrations of the membrane can record. This has the advantage that the focus of the monitoring is directed to the vibration excitation of the membrane. In particular, an approaching or incipient drainage of the membrane can be recognized particularly early.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Überwachung einer schwingungsübertragenden Einheit. In einem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt eine Einleitung mechanischer Schwingungen in eine Vorrichtung zur Anregung einer in der Vorrichtung befindlichen Flüssigkeit, insbesondere für eine Lyse von biologischen Zellen in einer Probenflüssigkeit, über eine schwingungsübertragende Einheit, insbesondere eine Sonotrode. In einem zweiten Schritt werden mechanische Schwingungen der Vorrichtung durch einen akustischen Sensor aufgenommen, wobei der akustische Sensor mit einer Steuereinrichtung des Systems verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung für eine Analyse der aufgenommenen mechanischen Schwingungen eingerichtet ist. In einem dritten Schritt erfolgt eine Verringerung eines Betriebs der schwingungsübertragenden Einheit durch die Steuereinrichtung des Systems, wenn die mechanischen Schwingungen vorgegebene akustische Merkmale aufweisen.The invention also provides a method for monitoring a vibration-transmitting unit. In a first step of the method, mechanical vibrations are introduced into a device for exciting a liquid present in the device, in particular for lysing biological cells in a sample liquid, via a vibration-transmitting unit, in particular a sonotrode. In a second step, mechanical vibrations of the device are recorded by an acoustic sensor, wherein the acoustic sensor is connected to a control device of the system, wherein the control device is set up for an analysis of the recorded mechanical vibrations. In a third step, the operation of the vibration transmitting unit by the control device of the system is reduced when the mechanical vibrations have predetermined acoustic characteristics.

Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch auf die oben ausgeführten korrespondierenden Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.For the advantages of the method according to the invention, reference is also made to the above-mentioned corresponding advantages of the device according to the invention.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are shown schematically in the drawings and explained in more detail in the following description.

Es zeigen

  • 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems und
  • 2 ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Show it
  • 1 an embodiment of the system according to the invention and
  • 2 a flowchart for an embodiment of the method according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 100. Das System 100 ist neben einer Vorrichtung 200 angeordnet, wobei die Vorrichtung 200 einen Behälter 220 mit einer darin befindlichen Flüssigkeit 210 umfasst. Der Behälter 220 mit einem beispielhaften Fassungsvermögen zwischen 500 und 1000 Mikroliter ist über eine elastische Membran 230 mit einer schwingungsübertragenden Einheit 300 in Kontakt. Die Membran 230 hat eine beispielhafte Dicke zwischen 100 und 400 Mikrometer und besteht beispielsweise aus einem elastischen Polymer. In diesem Beispiel handelt es sich bei der schwingungsübertragenden Einheit 300 um eine Ultraschallsonotrode 300 mit einer Anregungsfrequenz zwischen 20 und 40 Kilohertz und einer Sonotroden-Nullpunktsauslenkung des Sonotrodenkopfes zwischen 2 und 20 Mikrometer, welche über die elastische Membran 230 mechanische Schwingungen auf die Flüssigkeit 210 im Behälter überträgt. In diesem Beispiel handelt es sich bei der Flüssigkeit um eine biologische Probe wie Blut oder Sputum, welche zu lysierende Zellen umfasst. Somit dient die Vorrichtung 200 gemeinsam mit der Sonotrode 300 einer beispielsweisen Ultraschalllyse der Zellen, um anschließend aus den Zellen freigesetzte DNA für eine Identifikation der Zellen nachzuweisen. 1 schematically shows an embodiment of the system according to the invention 100 , The system 100 is next to a device 200 arranged, the device 200 a container 220 with a liquid in it 210 includes. The container 220 with an exemplary capacity between 500 and 1000 microliters is via an elastic membrane 230 with a vibration transmitting unit 300 in contact. The membrane 230 has an exemplary thickness between 100 and 400 microns and consists for example of an elastic polymer. In this example, the vibration transmitting unit 300 to an ultrasonic sonotrode 300 with an excitation frequency between 20 and 40 kilohertz and a sonotrode zero excursion of the sonotrode head between 2 and 20 microns, which via the elastic membrane 230 mechanical vibrations on the liquid 210 in the container transfers. In this example, the fluid is a biological sample, such as blood or sputum, which comprises cells to be lysed. Thus, the device serves 200 together with the sonotrode 300 an exemplary ultrasonic lysis of the cells to subsequently detect DNA released from the cells for identification of the cells.

Das System 100 umfasst einen akustischen Sensor 110, in diesem Beispiel ein Mikrofon 110. Bei dem Mikrofon 110 kann es sich beispielsweise um ein platzsparendes MEMS-Mikrofon handeln. Vorzugsweise hat das Mikrofon 110 eine höhere Samplerrate als die Anregungsfrequenz der Sonotrode 300, beispielsweise eine Samplerrate, die größer als die doppelte Anregungsfrequenz der Sonotrode 300 ist. Das Mikrofon 110 ist derart bezüglich der Vorrichtung 200 angeordnet ist, dass es mechanische Schwingungen der Vorrichtung 200 kontinuierlich aufnehmen kann. Um eine Trockenlegung der Membran 230 frühzeitig zu erkennen, kann das Mikrofon 110 möglichst nahe der Membran 230 angeordnet werden. Das System 100 umfasst ferner eine mit dem Mikrofon 110 verbundene Steuereinrichtung 120 als Auswerteeinrichtung für eine Analyse der durch das Mikrofon 110 aufgenommenen mechanischen Schwingungen der Membran 230. Die Steuereinrichtung 120 umfasst dazu eine Mikroprozessor 125 und ein Steuergerät 126 für eine Ansteuerung einer Reduktion oder Abschaltung des Betriebs der Sonotrode 300. Das Steuergerät 126 kann den Mikroprozessor 125 oder andere für eine Steuerung des Mikrofons 110 und/oder der Sonotrode 300 eingerichtete Mikroprozessoren umfassen. Dazu kann das System 100 mit einer Steuereinrichtung 310 und/oder einer Energiequelle 320 der Sonotrode 300 verbunden sein, insbesondere über eine Schnittstelle 140 des Systems In einem alternativen Ausführungsbeispiel umfasst das System 100 ferner die Sonotrode 300 und/oder die Vorrichtung 200.The system 100 includes an acoustic sensor 110 , in this example, a microphone 110 , With the microphone 110 For example, it can be a space-efficient MEMS microphone. Preferably, the microphone has 110 a higher sampling rate than the excitation frequency of the sonotrode 300 . For example, a sample rate that is greater than twice the excitation frequency of the sonotrode 300 is. The microphone 110 is so with respect to the device 200 is arranged that there are mechanical vibrations of the device 200 can record continuously. To drain the membrane 230 The microphone can be detected early 110 as close to the membrane as possible 230 to be ordered. The system 100 further includes one with the microphone 110 connected control device 120 as an evaluation device for an analysis of the microphone 110 absorbed mechanical vibrations of the membrane 230 , The control device 120 includes a microprocessor 125 and a controller 126 for controlling a reduction or deactivation of the operation of the sonotrode 300 , The control unit 126 can the microprocessor 125 or others for controlling the microphone 110 and / or the sonotrode 300 equipped microprocessors include. This can be done by the system 100 with a control device 310 and / or an energy source 320 the sonotrode 300 be connected, in particular via an interface 140 In an alternative embodiment, the system includes 100 further the sonotrode 300 and / or the device 200 ,

Die Steuereinrichtung 120 ist eingerichtet, insbesondere über eine Programmierung des Mikroprozessors 125 und des Steuergeräts 126, den Betrieb der Sonotrode 300 zur verringern, wenn die aufgenommenen mechanischen Schwingungen vorgegebene akustische Merkmale aufweisen. Bei den vorgegebenen Merkmalen kann es sich insbesondere um Amplituden von subharmonischen Schwingungen der Vorrichtung 200 bezüglich der durch Sonotrode 300 übertragenen Grundschwingung handeln. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 120 eingerichtet, den Betrieb der Sonotrode 300 einzuschränken oder zu unterbrechen, wenn ein aus einer Verknüpfung von mehreren vorgegebenen akustische Merkmale abgeleiteter Indikatorwert oder alternativ eine Änderung des abgeleiteten Indikatorwerts einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wobei der Indikatorwert den oben angeführten Beispielen entsprechen kannThe control device 120 is set up, in particular via a programming of the microprocessor 125 and the controller 126 , the operation of the sonotrode 300 reduce if the recorded mechanical vibrations have predetermined acoustic characteristics. The given features may in particular be amplitudes of subharmonic vibrations of the device 200 concerning by sonotrode 300 act transferred fundamental. Preferably, the control device 120 set up the operation of the sonotrode 300 restrict or interrupt when an indicator value derived from a combination of a plurality of predetermined acoustic features or, alternatively, a change in the derived indicator value exceeds a predetermined threshold, the indicator value corresponding to the above examples

2 zeigt ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 500, welches beispielsweise mit dem zu 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 100 ausgeführt werden kann. 2 shows a flowchart for an embodiment of the method according to the invention 500 , which for example with the zu 1 described embodiment of the system according to the invention 100 can be executed.

In einem ersten Schritt 501 des Verfahrens 500 erfolgt eine Einleitung mechanischer Schwingungen in die Vorrichtung 200 zur Lyse der biologischen Zellen in der Probenflüssigkeit 210 über die Sonotrode 300. In einem zweiten Schritt 502 werden mechanische Schwingungen der Membran 230 der Vorrichtung 200 durch das Mikrofon 110 aufgenommen. In einem dritten Schritt 503 erfolgt eine Verringerung des Betriebs der Sonotrode 300 durch die Steuereinrichtung 310 des Systems 100, wenn die mechanischen Schwingungen vorgegebene akustische Merkmale aufweisen, wie oben beschrieben.In a first step 501 of the procedure 500 an introduction of mechanical vibrations takes place in the device 200 for lysing the biological cells in the sample fluid 210 over the sonotrode 300 , In a second step 502 become mechanical vibrations of the membrane 230 the device 200 through the microphone 110 added. In a third step 503 there is a reduction in the operation of the sonotrode 300 by the control device 310 of the system 100 when the mechanical vibrations have predetermined acoustic characteristics, as described above.

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  • GB 2403729 [0002]GB 2403729 [0002]

Claims (10)

System (100) zur Überwachung einer schwingungsübertragenden Einheit (300), insbesondere einer Sonotrode (300), zur Einleitung mechanischer Schwingungen in eine Vorrichtung (200) zur Anregung einer in der Vorrichtung (200) befindlichen Flüssigkeit (210), insbesondere für eine Lyse von biologischen Zellen in einer Probenflüssigkeit (210), wobei das System (100) einen akustischen Sensor (110), insbesondere ein Mikrofon (110), zur Aufnahme mechanischer Schwingungen der Vorrichtung (200) aufweist, wobei das System (100) ferner eine mit dem Sensor (110) verbundene Steuereinrichtung (120) für eine Analyse der durch den Sensor (110) aufgenommenen mechanischen Schwingungen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (120) eingerichtet ist, einen Betrieb der schwingungsübertragenden Einheit (300) zu verringern, wenn die aufgenommenen mechanischen Schwingungen vorgegebene akustische Merkmale aufweisen.System (100) for monitoring a vibration-transmitting unit (300), in particular a sonotrode (300), for introducing mechanical vibrations into a device (200) for exciting a liquid (210) in the device (200), in particular for lysis of biological cells in a sample liquid (210), the system (100) comprising an acoustic sensor (110), in particular a microphone (110) for receiving mechanical vibrations of the device (200), the system (100) further having a Sensor (110) connected to control means (120) for analyzing the mechanical vibrations received by the sensor (110), characterized in that the control means (120) is arranged to reduce operation of the vibration transmitting unit (300) when picked up mechanical vibrations have predetermined acoustic characteristics. System (100) nach Anspruch 1, wobei die vorgegebenen akustischen Merkmale Eigenschaften, insbesondere Amplituden, von subharmonischen oder superharmonischen Anregungen der durch die schwingungsübertragende Einheit (300) hervorgerufenen mechanischen Schwingungen der Vorrichtung (200) repräsentieren.System (100) after Claim 1 wherein the predetermined acoustic characteristics represent properties, in particular amplitudes, of subharmonic or superharmonic excitations of the mechanical vibrations of the device (200) caused by the vibration transmitting unit (300). System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorgegebenen akustischen Merkmale eine vorgegebene Änderung von Schwingungen vorgegebener Frequenzen repräsentieren.The system (100) of any one of the preceding claims, wherein the predetermined acoustic features represent a predetermined change of vibrations of predetermined frequencies. System (100) nach Anspruch 3, wobei die vorgegebene Änderung einen Anstieg von mechanischen Schwingungen vorgegebener Frequenzen umfasst.System (100) after Claim 3 wherein the predetermined change comprises an increase of mechanical vibrations of predetermined frequencies. System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (120) eingerichtet ist, den Betrieb der schwingungsübertragenden Einheit (300) zur verringern oder alternativ zu unterbrechen, wenn ein aus einer Verknüpfung von mehreren vorgegebenen akustische Merkmale abgeleiteter Indikatorwert oder alternativ eine Änderung des abgeleiteten Indikatorwerts einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.The system (100) of any of the preceding claims, wherein the controller (120) is arranged to reduce or alternatively interrupt the operation of the vibration transmitting unit (300) when an indicator value derived from a combination of a plurality of predetermined acoustic features or alternatively a change of the derived indicator value exceeds a predetermined threshold. System (100) nach Anspruch 5, wobei der Indikatorwert einem Verhältnis einer ersten Gesamtleistung eines ersten Spektrums von Schwingungsfrequenzen zu einer zweiten Gesamtleistung eines zweiten Spektrums von Schwingungsfrequenzen entspricht, wobei das erste Spektrum vorzugsweise ein Teilspektrum des zweiten Spektrums ist.System (100) after Claim 5 wherein the indicator value corresponds to a ratio of a first total power of a first spectrum of vibration frequencies to a second total power of a second spectrum of vibration frequencies, wherein the first spectrum is preferably a partial spectrum of the second spectrum. System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (120) eingerichtet ist, den Betrieb der schwingungsübertragenden Einheit (300) zur unterbrechen oder zu beenden, wenn die aufgenommenen mechanischen Schwingungen vorgegebene akustische Merkmale aufweisen.The system (100) of any one of the preceding claims, wherein the control means (120) is arranged to interrupt or stop the operation of the vibration transmitting unit (300) when the received mechanical vibrations have predetermined acoustic characteristics. System (100) nach Anspruch 7, wobei das System (100) eingerichtet ist, für die Unterbrechung des Betriebs eine Energieversorgung (320) der schwingungsübertragenden Einheit (300) zu unterbrechen.System (100) after Claim 7 wherein the system (100) is arranged to interrupt a power supply (320) of the vibration transmitting unit (300) for the interruption of the operation. System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System (100) die Vorrichtung (200) umfasst, wobei die Vorrichtung (200) eine schwingungsfähige Membran (230) zur Übertragung mechanischer Schwingungen an die Flüssigkeit (210) aufweist und wobei der akustische Sensor (110) derart bezüglich der Vorrichtung (200) angeordnet ist, dass der Sensor (110) mechanische Schwingungen der Membran (230) aufnehmen kann.The system (100) of any one of the preceding claims, wherein the system (100) comprises the apparatus (200), the apparatus (200) comprising a vibratable membrane (230) for transmitting mechanical vibrations to the liquid (210), and wherein the acoustic Sensor (110) is arranged with respect to the device (200) that the sensor (110) can absorb mechanical vibrations of the membrane (230). Verfahren (500) zur Überwachung einer schwingungsübertragende Einheit (300), umfassend die Schritte: • Einleitung mechanischer Schwingungen in eine Vorrichtung (200) zur Anregung einer in der Vorrichtung befindlichen Flüssigkeit (210), insbesondere für eine Lyse von biologischen Zellen in einer Probenflüssigkeit (210), über eine schwingungsübertragende Einheit (300), insbesondere eine Sonotrode (300). • Aufnahme von mechanischen Schwingungen der Vorrichtung (200) durch einen akustischen Sensor (110), wobei der akustische Sensor (110) mit einer Steuereinrichtung (120) des Systems verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (120) für eine Analyse der aufgenommenen mechanischen Schwingungen eingerichtet ist. • Verringerung eines Betriebs der schwingungsübertragenden Einheit (300) durch die Steuereinrichtung (120) des Systems (100), wenn die mechanischen Schwingungen vorgegebene akustische Merkmale aufweisen.A method (500) for monitoring a vibration transmitting unit (300), comprising the steps of: Introduction of mechanical oscillations into a device (200) for exciting a liquid (210) in the device, in particular for lysing biological cells in a sample liquid (210), via a vibration-transmitting unit (300), in particular a sonotrode (300) , • Receiving mechanical vibrations of the device (200) by an acoustic sensor (110), the acoustic sensor (110) being connected to a control device (120) of the system, the control device (120) being arranged for analysis of the recorded mechanical vibrations is. • Reduction of operation of the vibration transmitting unit (300) by the controller (120) of the system (100) when the mechanical vibrations have predetermined acoustic characteristics.
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