WO2013133485A1 - 초음파 배양 접시 및 그것을 이용한 초음파 모니터링 시스템 - Google Patents

초음파 배양 접시 및 그것을 이용한 초음파 모니터링 시스템 Download PDF

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WO2013133485A1
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ultrasonic
signal
cell
culture medium
sensing film
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PCT/KR2012/005073
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최민주
강관석
조성찬
테츠야코다마
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제주대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention is an ultrasonic culture dish suitable for experimenting the response of a cell or tissue (hereinafter, referred to as a 'cell') to an ultrasonic wave or performing an ultrasonic treatment on the cell, while culturing a cell or experimenting with a cell response. And an ultrasonic monitoring system using the same.
  • the cell activity against the ultrasound When experimenting with the response of a cell to ultrasound or performing ultrasound treatment on the cell, the cell activity against the ultrasound, the growth rate of the cell, and the cell's growth depending on the exposure conditions such as the frequency, pressure, intensity, and power of the ultrasound emitted to the cell. Life and death, abnormal cell development, etc. are different.
  • the power of the generated ultrasonic waves depends on the characteristics and performance of the ultrasonic transducer for the same driving conditions.
  • the acoustic properties of the material of the petri dish affect the propagation efficiency of the ultrasonic waves passing through the petri dish. Therefore, non-invasive real-time monitoring of the power / pressure / intensity of the ultrasonic wave actually irradiated on the cell and the cavitation, which is a secondary acoustic phenomenon caused by the ultrasonic wave, can be performed to test the cell response to the ultrasonic wave or to perform ultrasonic wave treatment on the cell. It should be possible.
  • the size of a cell may change with respect to a physical stimulus such as ultrasound, which is information for interpreting the cell's sensitivity to the stimulus and the effect of cell growth.
  • a physical stimulus such as ultrasound
  • the sound field in the culture dish has standing wave characteristics, and the standing wave is sensitive to the height of the culture medium.
  • the height of the culture solution is important information to accurately determine the characteristics of the ultrasonic waves applied to the cells.
  • a culture dish made of a material having good ultrasonic permeability is required, and the exposure of the ultrasonic waves applied to the cells when the ultrasonic waves are irradiated.
  • Characteristics frequency, pressure, intensity, power, etc.
  • acoustic phenomena secondary to ultrasound e.g. cavitation, dynamic response of cells
  • height of the culture medium e.g. cavitation, dynamic response of cells
  • thickness of the cell layer e.g. cavitation, dynamic response of cells
  • scattering / damping characteristics of the ultrasound to the cells e.g. cavitation, dynamic response of cells
  • a monitoring device capable of observing a change in temperature of the culture medium / cell and the like, and a system for controlling the output of the ultrasound based thereon are required. Petri dishes and ultrasonic monitoring and control systems are not yet available for these ultrasonic experiments.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, the information about the response of the cells due to the ultrasound and the power of the ultrasonic wave to be observed when experimenting the response of the cell to the ultrasound using a culture dish. Its purpose is to provide a technique that can be monitored in real time in a non-invasive manner. More specifically, it is an object of the present invention to specifically test the response of a cell or tissue (hereinafter referred to as a "cell”) to ultrasonic waves or to perform an ultrasonic treatment on the cells while culturing the cells or testing the reaction of the cells.
  • a cell or tissue hereinafter referred to as a "cell”
  • Ultrasonic culture dishes suitable for the following, and during the experiment of cell culture or the reaction of cells to ultrasound using such culture dishes, the power, cavitation, dynamic response of the cells, the height of the culture medium, To provide an ultrasonic monitoring system for non-invasive real-time monitoring of the thickness of the cell layer, the scattering / attenuation characteristics of the ultrasonic wave to the cell, and the temperature change of the culture medium / cell using an ultrasonic sensor. to be.
  • the ultrasonic culture dish the body that can contain cells and culture medium; And an ultrasonic sensing film attached to the body and capable of sensing an ultrasonic signal.
  • the body of the culture dish may be formed of a material having a low acoustic attenuation coefficient and acoustic impedance similar to that of living tissue to increase the ultrasonic transmission efficiency and reduce the attenuation effect.
  • the body is preferably formed of a transparent methylpentene polymer resin (TPX).
  • the ultrasonic sensing film may be attached to at least one of an inner bottom surface, an outer bottom surface, and an inner side wall surface of the body.
  • the ultrasonic sensing film may include a piezoelectric sensor film coated with electrodes on both surfaces of the piezoelectric material.
  • the piezoelectric sensor film is preferably composed of a transparent polyvinylidene fluoride (PVDF) film.
  • the ultrasonic generator may include one or more ultrasonic transducers in contact with the outer bottom surface of the ultrasonic culture dish and a driver for electrically driving the ultrasonic transducers.
  • the ultrasonic drive unit includes a function generator for generating an electric signal corresponding to the frequency, mode (continuous wave, pulse (pulse length and pulse repetition period)) of the ultrasonic wave set by the user, a power amplifier for amplifying the electric signal, and amplified electric power. It may include a matching network to allow energy to be transferred to the ultrasonic transducer well.
  • the ultrasonic sensing film attached to the ultrasonic culture dish may further include an ultrasonic pulse / receiver to drive in the pulse echo mode.
  • the A-mode RF signal for the cells and the culture medium may be obtained through the ultrasonic sensing film.
  • the A-mode RF signal contains information related to the thickness of the cell layer and the ultrasonic scattering / damping characteristics of the cell through the signal processor.
  • the signal acquisition unit filters a preamplifier pre-amplifying a signal received from the ultrasonic sensing membrane and an ultrasonic signal amplified by the preamplifier to increase the S / N ratio of the signal detected by the ultrasonic sensing membrane attached to the ultrasonic culture dish. And an A / D converter for converting the output first filter and the filtered signal into a digital signal.
  • the signal acquisition unit may further include a second filter for filtering and outputting the pyroelectric signal portion of the signal amplified by the preamplifier.
  • the signal analysis unit analyzes the signal received from the signal acquisition unit to analyze the pressure of the ultrasonic wave in the culture dish and the standing wave characteristics formed in the culture dish, and based on this, the power / pressure / intensity of the ultrasonic wave irradiated into the cells in the culture dish. , Signals related to cavitation and cell dynamics and reactions, the height of the culture medium, the thickness of the cell layer, the ultrasonic scattering / damping characteristics of the cells, and changes in the temperature of the culture / cells.
  • the signal analysis unit is an ultrasonic power analysis unit for extracting the ultrasonic intensity, power and pressure from the ultrasonic signal output from the signal acquisition unit, the pyroelectric signal analysis to estimate the temperature and ultrasonic power from the pyroelectric signal output from the signal acquisition unit
  • A-mode RF signal for analyzing the height of the culture medium, the thickness of the cell layer, and the ultrasonic attenuation / scattering characteristics of the culture medium / cell from the A-mode RF signal received through the A / D converter of the signal acquisition unit from the pulser / receiver. It may include an analysis unit.
  • the display unit may display a setting window under the control of the controller so that a user may input a setting condition through the user interface.
  • the ultrasonic culture dish of the present invention may efficiently transmit ultrasonic energy to cells by using a material having high ultrasonic transmission efficiency and low attenuation.
  • the ultrasonic monitoring system configured by attaching an ultrasonic sensing film to the body of the culture dish is a signal related to the power / pressure / intensity, ultrasonic cavitation, and the dynamics and reactions of the ultrasonic waves applied to the cells while irradiating the ultrasonic waves, which are not previously possible, and the culture medium.
  • the height of the layer, the thickness of the cell layer, the ultrasonic scattering / attenuation characteristics of the cells, the temperature change of the culture medium / cells can be observed in real time non-invasive.
  • FIG. 1 is a plan view illustrating an ultrasonic culture dish with an ultrasonic sensing film according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view in the direction of the arrow along the line A-A of FIG. 1;
  • Figure 3 is a photograph of the ultrasonic culture dish attached to the PVDF sensing membrane on the inner bottom surface produced according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a block diagram schematically illustrating an ultrasonic monitoring system according to an embodiment of the present invention using the ultrasonic culture dish shown in FIG. 1;
  • FIG. 5 is a flow chart of the output extraction process obtained using the ultrasonic monitoring system shown in FIG. 4 when experimenting with the reaction of cells in the ultrasonic culture dish illustrated in FIG. 1 or irradiating ultrasonic waves for sonication of the cells;
  • FIG. 5 is a flow chart of the output extraction process obtained using the ultrasonic monitoring system shown in FIG. 4 when experimenting with the reaction of cells in the ultrasonic culture dish illustrated in FIG. 1 or irradiating ultrasonic waves for sonication of the cells;
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a case where an ultrasonic culture dish is placed in a water tank in the ultrasonic monitoring system shown in FIG. 4;
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a case where an ultrasonic culture dish is placed in a water tank in the ultrasonic monitoring system shown in FIG. 4;
  • FIG. 7 is a graph showing examples of ultrasonic waveforms measured through the ultrasonic sensing film of the ultrasonic culture dish shown in FIG. 3;
  • FIG. 8 is a graph illustrating the correlation between the measured ultrasonic magnitude and the electrical power driving the ultrasonic transducer, measured using the ultrasonic culture dish shown in FIG. 3;
  • FIG. 9 is a graph showing an example of an A-mode RF signal measured by driving an ultrasonic sensing film of the ultrasonic culture dish shown in FIG. 3 in a pulse / eco mode;
  • FIG. 10 is a graph showing an example of the change of the ultrasonic waveform measured in the ultrasonic sensing film while lowering the culture medium height from 8.6 mm to 7.64 mm in the ultrasonic culture dish shown in FIG. 3;
  • FIG. 11 is a graph illustrating the change in the ultrasonic pressure measured on the ultrasonic sensing membrane (left graph) compared with the theory (right graph) while varying the height of the culture medium in the range of one wavelength in the ultrasonic culture dish shown in FIG. 3;
  • FIG. 12 is a circuit diagram showing a pyroelectric potential induced by a temperature change of a culture solution due to ultrasonic irradiation and an equivalent electric circuit of PVDF used as an ultrasonic sensing film of the ultrasonic culture dish shown in FIG. 3;
  • FIG. 13 is a graph showing examples of a superelectric voltage signal induced in an ultrasonic sensing film by a temperature change of a culture solution raised when ultrasonic waves are irradiated to the ultrasonic culture dish shown in FIG. 3 for 10 seconds;
  • FIG. 14 is a graph showing an example of a time-integrated value of the superelectric voltage signal induced in the sensing membrane by the temperature of the culture solution raised when the ultrasonic culture dish shown in FIG. 3 is irradiated with ultrasonic waves for 10 seconds; FIG.
  • FIG. 15 illustrates the correlation between the maximum value of the superelectric voltage signal induced in the ultrasonic sensing membrane and the ultrasonic sound power when the ultrasonic culture dish shown in FIG. 3 is irradiated with ultrasonic waves for 10 seconds. graph;
  • FIG. 16 is a flowchart illustrating a process when experimenting with a reaction of a cell to ultrasonic waves or ultrasonically treating a cell using an ultrasonic monitoring system using an ultrasonic culture dish according to an embodiment of the present invention.
  • 1 and 2 are a plan view and a cross-sectional view illustrating an ultrasonic culture dish according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic culture dish 1 includes a body 10 and an ultrasonic sensing film 20.
  • the body 10 is for containing a culture solution 15 and cells containing cells to be treated by ultrasonic reaction experiment or ultrasonic wave, and is divided into a side portion 11 and a bottom portion 12.
  • the body 10 is formed in a cylindrical shape with a flat bottom and an open top so as to culture the cells with the culture solution 15 contained therein.
  • the body 10 is similar to the culture medium or the biological tissue, in order to increase the passage efficiency and reduce the attenuation effect of the ultrasonic wave when the ultrasonic wave generated outside the bottom 12 is irradiated to the culture medium 15 or the cell 16 in the body. It may be formed of a material having an acoustic impedance and low ultrasonic attenuation coefficient. In the present embodiment, the body 10 is formed of transparent methylpentene polymer resin (TPX).
  • TPX transparent methylpentene polymer resin
  • the body 10 formed of a material having a sound impedance similar to that of a living tissue or a material having a low ultrasonic attenuation coefficient may have ultrasonic waves generated from the ultrasonic transducer 30 (see FIG. 4), which will be described later, change in a medium, that is, the ultrasonic transducer 30.
  • the culture plate bottom layer 12 allows delivery to the culture medium / cells 15 and 16 in the body 10 with minimal propagation loss due to the impedance difference along the cells 16 / culture medium 15.
  • the ultrasonic sensing film 20 is attached to the inner surface, that is, the inner bottom surface of the bottom portion 12 of the body 10 by an adhesive 25 such as an epoxy resin.
  • the ultrasonic sensing film 20 may be composed of a piezoelectric sensor film coated with electrodes on both surfaces of the piezoelectric material.
  • the piezoelectric sensor film may be formed of a transparent polyvinylidene fluoride (PVDF) film.
  • the ultrasonic sensing film 20 includes electrode connecting parts 20a and 20b extending through the side wall part 11 to electrically connect the electrodes coated on both sides with the outside.
  • the electrode connection parts 20a and 20b may be configured in a pair of strips arranged side by side at regular intervals.
  • the connecting portions 20a and 20b may be formed in one strip form (see FIG. 3).
  • the connecting parts 20a and 20b connect the upper and lower surfaces of the sensing film 20 to an external electrode or a power source in an electrically insulated state.
  • the connecting portion 20a electrically connects the electrode on the upper surface of the sensing film 20 with an external electrode or a power supply
  • the connecting portion 20b electrically connects the electrode on the lower surface of the sensing film 20 with an external electrode or power supply.
  • the ultrasonic sensing film 20 configured as described above is related to the cavitation, which is a dynamic or secondary acoustic phenomenon of the culture medium 15 and the cells 16 reacting by the ultrasonic wave and the waveform of the ultrasonic signal irradiated through the bottom part 12. Detect the signal.
  • the ultrasonic sensing film 20 may detect the pyroelectric voltage reflecting the flow of charge induced by the temperature change of the culture solution 15 or the cell 16 around the sensing film by a pyroelectric effect.
  • the ultrasonic sensing film 20 may be driven in a pulse echo mode by the pulser 45 / receiver 46 of the ultrasonic driving unit 40 to be described later.
  • the A-mode ultrasonic RF signal received through the ultrasonic sensing film Contains information about the height of the culture, the morphological information of the cells or the ultrasonic scattering / attenuation of the culture or the cells.
  • a thin protective layer 26 may be formed of a material having the same or similar material as that of the body 10 so as not to be in direct contact with the culture medium 15.
  • FIGS. 1 and 2 are external photographs of an ultrasonic culture dish in which a PVDF sensing film is attached with an epoxy resin to an inner bottom surface manufactured according to the ultrasonic culture dish 1 according to one embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2.
  • the ultrasonic sensing film 20 is illustrated and described as being disposed only on the inner bottom surface of the body 10, the present invention is not limited thereto.
  • the ultrasonic sensing film may be configured to be attached to both the inner bottom surface and the outer bottom surface of the body 10 or to the inner side wall surface of the side wall portion 11.
  • the sensing film (hereinafter, referred to as 'first sensing film') disposed on the inner bottom surface of the bottom part 12 or the inner side wall surface of the side wall part 11 is an ultrasonic wave wave and / or ultrasonic wave irradiated with a culture dish.
  • Sensing signals generated by secondary acoustic phenomena eg, cavitation, acoustic flow, dynamic response of cells, etc.
  • the ultrasonic wave detects an ultrasonic wave before entering the petri dish, and the detected signal does not include a secondary acoustic phenomenon caused by the ultrasonic wave inside the petri dish. Comparing and analyzing the signals measured from the first sensing film and the second sensing film, it is possible to efficiently separate the acoustic phenomenon secondary generated by the irradiated ultrasound.
  • FIG. 4 is a block diagram schematically illustrating an ultrasonic monitoring system using the ultrasonic culture dish 1 shown in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a reaction of a cell to ultrasonic waves or an ultrasonic treatment to cells using an ultrasonic monitoring system using an ultrasonic culture dish 1 manufactured according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 4.
  • the ultrasonic monitoring system includes an ultrasonic culture dish 1, an ultrasonic transducer 30, an ultrasonic transducer driver 40, a signal acquisition unit 50, a signal analyzer 60, and a display unit 70. , A user interface unit 80 and a control unit 90.
  • the ultrasonic culture dish 1 is configured in the same manner as described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the ultrasonic wave to be used to induce an ultrasonic reaction for example, cell separation, cell growth, or the like, to the culture solution 15 or the cell 16 contained in the ultrasonic culture dish 1 may be an ultrasonic transducer constituting the ultrasonic generator ( 30) and the driving unit 40 for driving the same.
  • the ultrasonic transducer 30 is a portion for converting electrical signals, that is, energy into ultrasonic waves, under the body 11 of the ultrasonic culture dish 10, with an ultrasonic coupling layer 29 made of gel or liquid therebetween. Contact with (11).
  • the ultrasonic culture dish 1 and the ultrasonic transducer 30 may be used. 6 may be configured to be located in a bath 35 containing a liquid 34 such as water.
  • the ultrasonic culture dish 1 is supported on the support wall 38 disposed in the water tank 35, and the ultrasonic transducer 30 is disposed at a predetermined distance from the ultrasonic culture dish 1 in the support wall 38.
  • the connection terminal 31 protrudes through the bottom of the tank 35 to be electrically connected to the matching network 43 of the ultrasonic driver 40 to be described later.
  • the support wall 38 forms an opening 39 so that the liquid in the water tank 35 can flow into the space between the ultrasonic culture dish 1 and the ultrasonic transducer 30.
  • the ultrasonic culture dish 1 may be arranged on the support wall 38 in the water tank 35 and the ultrasonic transducer 30 may be located outside the water tank 35.
  • the ultrasonic transducer 30 may contact the acoustic window and the coupling material having excellent ultrasonic transmission efficiency at the bottom of the tank 35, or the front surface of the ultrasonic transducer may enter the tank 35 to minimize ultrasonic transmission loss. Can be.
  • the ultrasonic driver 40 includes an ultrasonic transducer 30 to generate ultrasonic waves.
  • the ultrasonic driver 40 includes a function generator 41, a power amplifier 42, and a matching network 43.
  • the function generator 41 generates an electrical signal to supply to the ultrasonic transducer 30.
  • the power amplifier 42 amplifies the generated electrical signal and outputs it to the ultrasonic transducer 30 through the matching network 43.
  • the frequency and mode (continuous wave, pulse (pulse length, pulse generation period)) of the electrical signal that drives the ultrasonic transducer 30 are functioned through a user interface 80 such as an input device such as a mouse, keyboard, button, touch pad, or the like. It is input to the generator 41.
  • the power / intensity / pressure of the generated ultrasonic waves is adjusted by controlling the voltage of the function generator 41 or the output of the power amplifier 42 via the user interface 80.
  • FIG. 7 shows an example of ultrasonic waveforms measured through an ultrasonic sensing film of an experimental ultrasonic culture dish prepared as shown in FIG. 3.
  • the ultrasonic transducer 30 of 1 MHz was driven to irradiate ultrasonic waves to the culture dish located in the water tank 35.
  • FIG. 8 shows an example of the change in the size of the ultrasonic wave measured while increasing the electric power using the experimental ultrasonic culture dish prepared as shown in FIG. 3.
  • the ultrasonic transducer 30 of 1 MHz was driven to irradiate ultrasonic waves to the culture dish located in the water tank 35.
  • the ultrasonic pressure measured from the ultrasonic sensing film shows a high correlation with the electric power for driving the ultrasonic waves. This is the basis for estimating the power (corresponding to the ultrasonic power A of FIGS. 4 and 5) irradiated to the ultrasonic culture dish 1 with the measured ultrasonic pressure.
  • the ultrasonic driver 40 may include a pulser / receiver 45 for driving the ultrasonic sensing film 20 in a pulse echo mode and receiving and processing an A-mode RF signal through the ultrasonic sensing film 20.
  • the A-mode RF signal received through the pulser / receiver 45 is sent to the signal analysis unit 60 through the A / D converter 53 of the signal acquisition unit 50 to measure the height of the culture medium, as will be described later. It can be used to obtain morphological information of cells or to evaluate ultrasonic scattering / damping characteristics of culture or cells.
  • the A-mode RF signal may be output to the display unit 70 through the A / D converter 53.
  • FIG. 9 shows an example of a typical A-mode RF signal measured by driving an ultrasonic sensing membrane of a laboratory ultrasonic culture dish manufactured as shown in FIG. 3 in a pulse / eco mode.
  • the height of the culture solution 15 is set to 7.64 mm, and the ultrasonic wave is irradiated to the culture dish located in the water tank 35 by driving the 1 MHz ultrasonic transducer 30 with the voltage of the function generator 41 at 100 kV. It was.
  • the A-mode RF signal includes information on the height of the culture medium and the thickness of the cell layer, as well as information on the dynamic response of the cell to the ultrasonic wave and the scattering / damping effect of the ultrasonic wave on the cell / culture medium.
  • FIG. 10 shows an example of ultrasonic waveforms measured by the ultrasonic sensing film of the culture dish while decreasing the height of the culture medium from 8.6 mm to 7.64 mm in the experimental ultrasonic culture dish manufactured as shown in FIG. 3.
  • the ultrasonic wave was irradiated to the culture dish located in the water tank 35 by driving an ultrasonic transducer of 1 MHz with the voltage of the function generator 41 at 100 kW.
  • the measurement signal measured by the ultrasonic sensing membrane is changed according to the height of the culture medium under the same driving conditions, which experimentally shows that the standing wave affected by the height of the culture medium is formed due to the acoustic characteristics of the culture dish. .
  • FIG. 11 illustrates the change in the ultrasonic pressure (left graph) measured in the ultrasonic sensing membrane in comparison with the theory (right graph) when the culture medium height is changed in the range of one wavelength for the case of FIG. 10.
  • the experimental results are characteristically similar to the theory, indicating that the ultrasonic culture dish of the present invention measures the characteristics of standing waves formed in the culture well.
  • the A-mode RF signal may be obtained by driving the ultrasonic transducer 30 in the pulse echo mode.
  • the ultrasonic transducer 30 must stop the generation of ultrasonic waves for irradiating the cells 16 and the culture solution 15 and drive in the pulse echo mode.
  • the A-mode RF signal measurement using the ultrasonic sensing film 20 can be performed in real time while irradiating ultrasonic waves to the cells.
  • the signal acquiring unit 50 includes amplifying a signal detected by the ultrasonic sensing film 20 and trimming the signal through an appropriate signal processing technique.
  • the amplified signal includes a noise signal and an interference signal, and increases the signal-to-noise ratio through filtering (eg, high pass, low pass, band pass, etc.) to selectively remove and detect a signal in a predetermined frequency range.
  • filtering eg, high pass, low pass, band pass, etc.
  • the signal acquisition unit 50 is a pre-amplifier 51 for amplifying the signal detected by the ultrasonic sensing film 20, the first filter 52a for filtering and outputting the ultrasonic signal amplified by the pre-amplifier 51 And a second filter 52b for filtering and outputting the pyroelectric signal amplified by the preamplifier 51.
  • the signal after amplification is converted into a digital signal through the A / D converter 53 and then transmitted to the signal analyzer 60 or output to the display unit 70.
  • the signal analyzer 60 includes an algorithm for receiving the signal detected by the ultrasonic sensing film 20 through the signal acquisition unit 50 and extracting information necessary for the user.
  • the ultrasonic power analyzer 61 extracts the ultrasonic strength, power, pressure, etc. from the ultrasonic signal output from the signal acquisition unit 50, and the temperature and ultrasonic waves from the pyroelectric signal output from the signal acquisition unit 50.
  • A-mode RF signal analyzer 63 for analyzing the thickness, ultrasonic attenuation / scattering characteristics of the culture medium / cell may be included.
  • FIG. 12 is an electrical circuit of a pyroelectric potential induced by a temperature change of a culture solution due to ultrasonic irradiation and an equivalent electric circuit of PVDF used as a sensing membrane of an experimental ultrasonic culture dish manufactured as shown in FIG. 3.
  • equation (1) is rearranged with respect to a change in temperature, it is expressed as an integral form of superconducting voltage as shown in equation (2) below.
  • the rate of heat production (Q) due to ultrasound is proportional to the product of the intensity (I) of the ultrasound and the ultrasound attenuation coefficient ( ⁇ ) of the biological tissue as shown in Equation (3) below. do.
  • the temperature distribution formed in the culture medium 15 due to the heat generated by the ultrasonic wave may be calculated by the bioheat transfer equation of Equation 4 below.
  • equation (5) is expressed in terms of ultrasonic intensity using equation (3),
  • the ultrasonic power is the product of the area A of the ultrasonic transducer 30 and the ultrasonic intensity
  • the ultrasonic power is expressed as a function of the rate of change of time with respect to temperature as shown in Equation (7) below.
  • the temperature change of the culture solution 15 can be estimated by the above equation (2), and when the temperature change is measured, the above equation (7) is obtained. It is also possible to estimate the irradiated ultrasonic power.
  • the estimated ultrasonic power corresponds to the ultrasonic power B of FIG. 4 or 5.
  • FIG. 13 illustrates a result of measuring the superconducting voltage signal induced on the ultrasonic sensing film by the temperature of the culture solution which is increased when the ultrasonic culture dish prepared as shown in FIG. 3 is irradiated with ultrasonic waves for 10 seconds.
  • the ultrasonic transducer of 1 MHz while increasing the voltage of the function generator 41 to 50, 100, 200, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800 Hz Ultrasonic wave was irradiated to the culture dish located in the water tank 35 by driving 30.
  • FIG. 14 illustrates the integration of the pyroelectric voltage signal measured in FIG. 13 over time, with temperature characteristics induced by typical ultrasounds exponentially decreasing when the ultrasound function is raised or stopped logarithmically. Over temperature cooling characteristic curve.
  • FIG. 15 illustrates the correlation between the maximum value of the pyroelectric voltage signal measured in FIG. 14 and the ultrasonic power applied to the culture dish.
  • the signal of the pyroelectric voltage shows a nearly linear relationship with the ultrasonic power at the power of less than 1,000 kHz mainly used in the experiment, which is the theoretical through the equation (2) and (7) It is a result of experimentally confirming the possibility of estimating the ultrasonic power (corresponding to the ultrasonic power B of FIG. 4 or 5) using the superelectric voltage signal shown in FIG.
  • Various information analyzed by the signal analyzer 60 may be displayed on the display unit 70 through the controller 90, and may be used as feedback information in an algorithm for controlling the ultrasonic driving conditions to maintain a preset ultrasonic exposure condition. Can be.
  • the display unit 70 displays a signal transferred directly from the signal acquisition unit 50 processing the signal sensed through the ultrasonic sensing film 20 to the controller 90 or outputs a signal output from the signal acquisition unit 50.
  • the analysis result transmitted from the signal analysis unit 60 to be analyzed through the control unit 90 is displayed.
  • the display unit 70 displays a setting input window for the user to set the condition of the ultrasound through the user interface unit 80 under the control of the controller 90, or displays the setting value of the ultrasound set by the user.
  • the controller 90 may be configured to expose ultrasonic conditions (eg, frequency, intensity, power, etc.) necessary for a user to perform a cell response experiment or ultrasonic processing through a user interface unit 80 including an input device such as a mouse or a keyboard. Or set a start / end command for operating the ultrasonic driver 40, or analyze the waveform of the signal received through the ultrasonic sensing film 20 or the signal analyzer 60, or analyze the same.
  • the ultrasonic driver 40, the signal analyzer 60, and the display unit 70 are controlled to display the result.
  • the control unit 90 may be configured as a body of a laptop computer or a personal computer. However, the control unit 90 is not composed of a body of a laptop computer or a personal computer, but instead of setting up an ultrasonic exposure condition for performing a cell response experiment or an ultrasonic processing and starting / stopping commands for operating / stopping the ultrasonic driving unit 40. It can also be configured as a control box including a variety of buttons for inputting.
  • controller 90 may control the ultrasonic driver 40, the signal analyzer 60, and the display unit 70 in a hardware form such as ASIC or included in a management program. have.
  • the display unit 70 may be configured as a monitor connected to a laptop computer or a personal computer having the controller 90 as a body. If the control unit 90 is configured as a control box, the display unit 70 receives the signal received through the control unit 90 from the signal acquisition unit 50 that processes the signal detected by the ultrasonic sensing film 20. It can consist of a signal converter such as an oscilloscope that displays an electrical signal of magnitude and phase. In this case, the ultrasonic frequency, intensity, power, pressure, temperature, the height of the culture medium, the thickness of the cell layer and the attenuation of the ultrasonic wave and the scattering characteristics of the culture medium and the cells analyzed by the signal analyzer 60 are displayed in numbers (digital). Or change over time in the form of a graph.
  • a signal converter such as an oscilloscope that displays an electrical signal of magnitude and phase.
  • the experimenter puts the culture solution 15 containing the cells 16 to be experimented or sonicated in the body 10 of the ultrasonic culture dish 1, and then puts the ultrasonic culture dish 1 at the bottom of the ultrasonic couple. It is arranged to contact the front portion of the ultrasonic transducer 30 via the ring 29.
  • the experimenter turns on the ultrasonic monitoring system and performs basic experiment conditions (frequency, mode, time) through a user interface 80 including input devices such as a mouse and a keyboard in a setting window displayed on the monitor of the display unit 70.
  • a user interface 80 including input devices such as a mouse and a keyboard in a setting window displayed on the monitor of the display unit 70.
  • Energy, etc. are input (S1)
  • the driving conditions (power, intensity, pressure, etc.) of the ultrasonic wave to be irradiated with the ultrasonic culture dish 1 and the temperature conditions of the culture solution 15 are set (S2).
  • the controller 90 excites the ultrasonic wave into the ultrasonic culture dish 1 by exciting the ultrasonic transducer 30 through the ultrasonic driver 40 as described above (S3).
  • the ultrasonic sensing film 20 attached to the ultrasonic culture dish 1 detects a superconducting voltage signal induced by the ultrasonic wave and the superconducting phenomenon in the culture dish and / or is driven in the pulse echo mode.
  • the mode RF signal is detected and transmitted to the signal analysis unit 60 through the signal acquisition unit 50 to extract necessary information (S4).
  • the signal analyzer 60 analyzes the received signal to detect ultrasonic pressure, power, intensity, cavitation, dynamic response of the cell, height of the culture medium, thickness of the cell layer, scattering / attenuation characteristics of the cell with respect to the ultrasound, and temperature of the culture medium / cell.
  • the analyzed result of the change is displayed through the display unit 70 (S5).
  • the controller 90 calculates a difference (E) from the set value with respect to the power, intensity, temperature, etc. which are variables controlling the ultrasonic output among the results output from the signal analyzer 60, and the value is a tolerance.
  • the determination result is displayed on the display unit 70 (S6). If the determination result displayed by the display unit 7 is outside the allowable range, the experimenter goes to step S2 to change the set condition (S7). Thereafter, the controller 90 determines an end condition such as time elapsed (S8). If the determination result is not satisfied, the control unit 90 repeats the process after step S3, and if the end condition is satisfied, the display unit 70. Indicates that the termination condition is met. When it is indicated that the termination condition is satisfied, the experimenter turns on the power of the ultrasonic monitoring system and terminates the ultrasonic reaction experiment or the ultrasonic processing.

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Abstract

초음파에 대한 세포의 반응을 실험하거나 세포에 대해 초음파 처리를 위해 사용되는 초음파 배양 접시 및 그것을 이용한 초음파 모니터링 시스템이 개시된다. 초음파 배양 접시는 세포 및 배양액을 담을 수 있는 몸체; 및 상기 몸체에 부착되어 초음파 신호를 감지할 수 있는 초음파 감지막;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 초음파 배양 접시 몸체는 초음파 투과 효율을 높이고 감쇠 효과를 줄이기 위해 생체 조직과 유사한 음향 임피던스 및 낮은 초음파 감쇠 계수를 가지는 재료로 구성한다. 감지막은 압전 재료의 양면에 전극이 코팅된 압전 센서 막을 통칭하며 배양 접시 몸체의 내부 바닥면과, 외부 바닥면과, 내부 측벽면 중의 적어도 한 곳에 부착될 수 있다. 초음파 모니터링 시스템은 초음파 감지막을 부착한 초음파 배양 접시; 초음파 배양 접시 내에 담겨진 세포 및 배양액에 초음파를 조사하는 초음파 발생부; 초음파 감지막에 의해 감지된 신호를 입수하는 신호 입수부; 신호 입수부로부터 수신된 신호를 분석하여 세포 및 배양액에 조사되는 초음파의 파워/강도/압력, 배양액의 높이, 세포층의 두께, 배양액/세포에서 발생한 캐비테이션, 세포의 동적 반응, 배양액/세포의 온도 변화 등을 추정하는 신호 분석부; 신호 분석부에 의해 분석된 결과를 출력하는 표시부; 및 초음파 발생부, 신호 입수부, 신호 분석부, 및 표시부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 배양 접시 및 그것을 이용한 초음파 모니터링 시스템
본 발명은 세포를 배양하거나 세포의 반응을 실험을 하는 동안, 특별히, 초음파에 대한 세포 또는 조직(이하, '세포'라 함)의 반응을 실험하거나 세포에 대한 초음파 처리를 하기에 적절한 초음파 배양 접시 및 그것을 이용한 초음파 모니터링 시스템에 관한 것이다.
최근 초음파를 이용하여 세포 파쇄, 입자 분산, 입자 분쇄, 균질화, 이종 액체 유화, DNA 조각화, 유효 물질 추출, 화학 반응 촉매 작용 등을 효과적으로 처리할 수 있게 되면서, 초음파에 대한 세포의 반응, 세포 분리, 성장 효과 등을 연구하여 초음파를 의학적으로 활용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다.
초음파에 대한 세포의 반응을 실험하거나 세포에 대해 초음파 처리를 할 경우, 세포에 조사되는 초음파의 주파수, 압력, 강도, 파워 등과 같은 노출 조건에 따라 초음파에 대한 세포 활동성, 세포의 성장 속도, 세포의 생사 여부, 이상 세포의 발생 등이 달라진다.
발생된 초음파의 파워는 동일한 구동 조건에 대해 초음파 변환기의 특성 및 성능에 따라 달라진다. 배양 접시의 재질에 대한 음향학적 특성은 배양 접시를 투과하는 초음파의 전파 효율에 영향을 준다. 따라서 초음파에 대한 세포의 반응을 실험하거나 세포에 대한 초음파 처리를 수행하기 위해 세포에 실제로 조사되는 초음파의 파워/압력/강도, 초음파로 인한 이차적인 음향학적인 현상인 캐비테이션을 비 침습적으로 실시간으로 모니터링 할 수 있어야 한다.
초음파와 같은 물리적인 자극에 대해 세포의 크기가 변화할 수 있으며, 이는 자극에 대한 세포의 민감도 및 세포의 성장 효과를 해석할 수 있는 정보가 된다. 그러나 초음파를 조사하면서 동시에 세포 용적(세포층 두께)의 변화 또는 형태학적인 반응을 관찰하기는 매우 어렵다.
연속파 초음파를 조사할 경우 배양 접시 내의 음장은 정상파 특성을 가지며, 이러한 정상파는 배양액의 높이에 민감하게 변한다. 배양 접시에 초음파를 조사할 때 배양액의 높이는 세포에 가해지는 초음파의 특성을 정확히 파악할 수 있는 중요한 정보이다. 그러나 초음파를 조사하면서 동시에 배양액의 높이를 실시간 비침습적으로 측정하기는 쉽지 않다.
초음파를 배양 접시 내의 세포에 조사할 때 초음파의 열 효과로 인해 온도가 상승한다. 배양액의 온도는 세포에 대해 생물학적으로도 중요한 환경적 요인이며 초음파의 생물학적인 효과에 중요한 기전인 캐비테이션에 영향을 준다. 초음파에 대한 세포의 동적 반응을 실험하거나 세포에 대해 초음파 처리를 할 경우 온도의 변화를 비 침습적 실시간으로 감시해야 한다.
결론적으로 초음파를 이용한 세포의 반응을 실험하거나 또는 세포에 대한 초음파 처리를 효율적으로 수행하기 위해서는 초음파 투과 특성이 좋은 재질로 제작된 배양 접시가 필요하고, 초음파를 조사할 때 세포에 가해지는 초음파의 노출 특성(주파수, 압력, 강도, 파워 등), 초음파에 의해 이차적으로 야기된 음향학적인 현상(예. 캐비테이션, 세포의 동적 반응), 배양액의 높이, 세포층의 두께, 세포에 대한 초음파의 산란/감쇠 특성, 배양액/세포의 온도 변화 등을 관찰할 수 있는 모니터링 장치 및 이를 기반으로 초음파의 출력을 제어하는 시스템이 필요하다. 이러한 초음파 실험에 적절한 배양 접시 및 초음파 감시 및 제어 시스템은 아직 없는 실정이다
본 발명은 상기에 언급한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 배양 접시를 사용하여 초음파에 대한 세포의 반응을 실험할 때 관찰해야 할 조사된 초음파의 파워 및 초음파로 인한 세포의 반응에 대한 정보들을 비 침습적으로 실시간으로 감시할 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다. 좀 더 구체적으로 본 발명의 목적은 세포를 배양하거나 세포의 반응을 실험을 하는 동안, 특별히, 초음파에 대한 세포 또는 조직(이하, '세포'라 함)의 반응을 실험하거나 세포에 대한 초음파 처리를 하기에 적절한 초음파 배양 접시, 및 이러한 배양 접시를 사용하여 세포 배양하거나 초음파에 대한 세포의 반응을 실험을 하는 동안, 배양 접시 내의 세포에 가해진 초음파의 파워, 캐비테이션, 세포의 동적 반응, 배양액의 높이, 세포층의 두께, 세포에 대한 초음파의 산란/감쇠 특성, 배양액/세포의 온도 변화 등을 초음파 감지 센서를 이용하여 비 침습적 실시간으로 모니터링하고 이를 기반으로 초음파의 출력을 제어하는 초음파 모니터링 시스템을 제공하기 위함이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시 양상에 따르면, 초음파 배양 접시는, 세포 및 배양액을 담을 수 있는 몸체; 및 몸체에 부착되어 초음파 신호를 감지할 수 있는 초음파 감지막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
배양 접시의 몸체는 초음파 투과 효율을 높이고 감쇠 효과를 줄이기 위해 생체 조직과 유사한 음향 임피던스 및 낮은 초음파 감쇠 계수를 가지는 재료로 형성될 수 있다. 이때, 몸체는 투명한 메틸펜텐폴리머 수지(TPX)로 형성되는 것이 바람직하다.
초음파 감지막은 몸체의 내부 바닥면과, 외부 바닥면과, 내부 측벽면 중의 적어도 한 곳에 부착될 수 있다. 여기서, 초음파 감지막은 압전 재료의 양면에 전극이 코팅된 압전 센서 막을 포함할 수 있다. 이때, 압전 센서 막은 투명한 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 막으로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 실시 양상인 초음파 모니터링 시스템은 위에서 설명한 초음파 감지막을 부착한 초음파 배양 접시; 초음파 배양 접시 내에 담겨진 세포 및 배양액에 초음파를 조사하는 초음파 발생부; 초음파 감지막에 의해 감지된 신호를 입수하는 신호 입수부; 신호 입수부로부터 수신된 신호를 분석하여 세포에 조사되는 초음파의 파워/강도/압력, 배양액의 높이, 세포층의 두께, 캐비테이션, 세포의 동적 반응, 배양액/세포의 온도 변화 등을 추정하는 신호 분석부; 신호 분석부에 의해 분석된 결과를 출력하는 표시부; 및 초음파 발생부, 신호 입수부, 신호 분석부, 및 표시부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
초음파 발생부는 초음파 배양 접시의 외부 바닥면과 접촉하는 한 개 이상의 초음파 변환기 및 초음파 변환기를 전기적으로 구동하는 구동부를 포함할 수 있다.
초음파 구동부는 사용자가 설정한 초음파의 주파수, 모드(연속파, 펄스(펄스 길이 및 펄스 반복 주기))에 부합하는 전기적인 신호를 발생하는 함수 발생기, 및 전기적인 신호를 증폭하는 파워 증폭기 및 증폭된 전기 에너지가 초음파 변환기에 잘 전달 되도록 하는 매칭네트워크를 포함할 수 있다. 또한 초음파 펄스/리시버를 더 포함하여 초음파 배양 접시에 부착된 초음파 감지막을 펄스 에코 모드로 구동할 수 있으며, 이 결과 초음파 감지막을 통해 세포 및 배양액에 대한 A-모드 RF 신호 얻을 수 있다. 이때 A-모드 RF 신호는 신호 처리부를 통해 배양액의 높이 세포층의 두께 배양액 및 세포의 초음파 신란/감쇠 특성과 관련된 정보를 담고 있다.
신호 입수부는 초음파 배양 접시에 부착된 초음파 감지막에 의해 감지되는 신호의 S/N 비율을 높이기 위해 초음파 감지막으로부터 수신된 신호를 사전 증폭하는 사전증폭기, 사전증폭기에 의해 증폭된 초음파 신호를 필터링하여 출력하는 제1필터 및 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기를 포함할 수 있다.
또한 신호 입수부는 사전 증폭기에 의해 증폭된 신호의 초전기 신호 부분을 필터링하여 출력하는 제2필터를 더 포함할 수 있다.
신호 분석부는 신호 입수부로부터 전달 받은 신호를 분석하여 배양 접시 내 초음파의 압력 및 배양 접시 내에서 형성된 정상파 특성을 분석할 수 있으며, 이를 바탕으로 배양 접시 내 세포로 조사된 초음파의 파워/압력/강도, 캐비테이션 및 세포의 동적과 반응과 관련된 신호, 배양액의 높이, 세포층의 두께, 세포의 초음파 산란/감쇠 특성, 배양액/세포의 온도 변화 등에 대한 정보를 제공할 수 있다. 이를 위해, 신호 분석부는 신호 입수부로부터 출력된 초음파 신호로부터 초음파 강도, 파워 및 압력을 추출하는 초음파 파워 분석부, 신호 입수부로부터 출력된 초전기 신호로부터 온도 및 초음파 파워를 추정하는 초전기 신호 분석부, 및 펄서/리시버로부터 신호 입수부의 A/D 변환기를 통해 수신된 A-모드 RF 신호로부터 배양액의 높이, 세포층의 두께, 및 배양액/세포의 초음파 감쇠/산란 특성을 분석하는 A-모드 RF 신호 분석부를 포함할 수 있다.
표시부는 사용자 인터페이스를 통해 사용자가 설정 조건을 입력할 수 있도록 제어부의 제어 하에 설정 창을 표시할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 초음파 배양 접시는 초음파 투과 효율이 높고 감쇠가 낮은 재질을 사용하여 세포로 초음파 에너지가 효율적으로 전달될 수 있다.
또한 배양 접시의 몸체에 초음파 감지막을 부착하여 구성한 상기 초음파 모니터링 시스템은 기존에 가능하지 못하던 초음파를 조사하면서 세포에 가해지는 초음파의 파워/압력/강도, 캐비테이션 및 세포의 동적과 반응과 관련된 신호, 배양액의 높이, 세포층의 두께, 세포의 초음파 산란/감쇠 특성, 배양액/세포의 온도 변화 등을 비침습적으로 실시간으로 관찰할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 감지막을 부착한 초음파 배양 접시를 예시하는 평면도;
도 2는 도 1의 선(A-A)을 따라 화살표 방향으로 본 단면도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 내부 바닥면에 PVDF 감지막을 부착한 초음파 배양 접시의 사진;
도 4는 도 1에 도시한 초음파 배양 접시를 이용하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 모니터링 시스템을 개략적으로 예시하는 블록도;
도 5는 도 1에서 예시하는 초음파 배양 접시에서 세포의 반응을 실험하거나 또는 세포에 대한 초음파 처리를 위해 초음파를 조사할 때 도 4 에 도시한 초음파 모니터링 시스템을 사용하여 얻게 되는 출력물 추출 과정의 흐름도;
도 6은 도 4에 도시한 초음파 모니터링 시스템에서 초음파 배양 접시가 수조 내에 위치하는 경우를 예시하는 단면도;
도 7은 도 3에 도시한 초음파 배양 접시의 초음파 감지막을 통해 측정된 초음파 파형의 예들을 도시하는 그래프;
도 8은 도 3에 도시한 초음파 배양 접시를 이용하여 측정된, 초음파 변환기를 구동하는 전기적인 파워와 측정된 초음파 크기의 상관관계를 예시하는 그래프;
도 9는 도 3에 도시한 초음파 배양 접시의 초음파 감지막을 펄스/에코 모드로 구동하여 측정한 A-모드 RF 신호의 예를 도시하는 그래프;
도 10은 도 3에 도시한 초음파 배양 접시에서 배양액 높이를 8.6 mm으로부터 7.64 mm 까지로 낮추면서 초음파 감지막에서 측정된 초음파 파형의 변화의 예를 도시하는 그래프;
도 11은 도 3에 도시한 초음파 배양 접시에서 한 파장의 범위에서 배양액 높이를 변화하면서 초음파 감지막에서 측정한 초음파 압력의 변화(왼쪽 그래프)를 이론(오른쪽 그래프)과 비교하여 예시하는 그래프;
도 12는 도 3에 도시한 초음파 배양 접시의 초음파 감지막으로 사용된 PVDF의 등가 전기 회로 및 초음파 조사로 인한 배양액의 온도 변화로 유기된 초전기 전압(Pyroelectric potential)을 도시하는 회로도;
도 13은 도 3에 도시한 초음파 배양 접시에 10초 동안 초음파를 조사할 때 상승한 배양액의 온도 변화에 의해 초음파 감지막에 유기된 초전기 전압 신호의 예들을 도시하는 그래프;
도 14는 도 3에 도시한 초음파 배양 접시에 10초 동안 초음파를 조사할 때 상승한 배양액의 온도에 의해 감지막에 유기된 초전기 전압 신호를 시간 적분한 값의 예를 도시는 그래프;
도 15는 도 3에 도시한 초음파 배양 접시에 10초 동안 초음파를 조사할 때 배양액의 온도의 변화에 의해 초음파 감지막에 유기된 초전기 전압 신호의 최대값과 초음파 음향 파워와 상관관계를 예시하는 그래프; 및
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 배양 접시를 이용하는 초음파 모니터링 시스템을 사용하여 초음파에 대한 세포의 반응을 실험하거나 세포에 대한 초음파 처리를 할 때 프로세스를 예시하는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 양호한 실시 예들에 따른 초음파 배양 접시 및 그것을 사용하는 초음파 모니터링 시스템을 도시한 첨부 도면과 관련하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 배양 접시를 예시하는 평면도 및 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 배양 접시(1)는 몸체(10), 및 초음파 감지막(20)을 포함한다.
몸체(10)는 초음파 반응 실험 또는 초음파로 처리할 세포를 포함하는 배양액(15) 및 세포를 담기 위한 것으로서, 측면부(11)와 바닥부(12) 로 구분된다.
상기 몸체(10)는 내부에 배양액(15)을 담아서 세포를 배양할 수 있도록 바닥이 평평하고 상부가 개방된 원통형 형태로 형성된다.
상기 몸체(10)는 바닥부(12) 외부에서 발생된 초음파가 몸체 내 배양액(15) 또는 세포(16)로 조사될 때 초음파의 통과 효율을 높이고 감쇠 효과를 줄이기 위해, 배양액 또는 생체 조직과 유사한 음향 임피던스를 가지며 초음파 감쇠 계수가 낮은 재료로 형성될 수 있다. 본 실시 예에서, 몸체(10)는 투명한 메틸펜텐폴리머 수지(TPX)로 형성된다.
이와 같이 생체 조직과 유사한 음향 임피던스를 가지는 재질 또는 초음파 감쇠 계수가 낮은 재료로 형성된 몸체(10)는 후술하는 초음파 변환기(30; 도 4 참조)로부터 발생된 초음파가 매질의 변화 즉 초음파 변환기(30) - 배양접시 바닥 층(12) - 세포(16)/배양액(15)에 따른 임피던스 차로 인한 전파 손실을 최소화 하면서 몸체(10) 내의 배양액/세포(15,16)로 전달될 수 있도록 한다.
본 실시 예에서, 초음파 감지막(20)은 에폭시 수지와 같은 접착제(25)에 의해 몸체(10)의 바닥부(12)의 내측면, 즉, 내부 바닥면에 부착된다.
이러한 초음파 감지막(20)은 압전 재료의 양면에 전극이 코팅된 압전 센서 막으로 구성될 수 있다. 본실시 예에서, 압전 센서 막은 투명한 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 막으로 형성될 수 있다.
초음파 감지막(20)은 양면에 코팅된 전극들을 외부와 전기적으로 연결하기 위해 측벽부(11)를 관통하여 외부로 연장되는 전극 연결부(20a, 20b)를 구비한다. 전극 연결부(20a, 20b)는 일정한 간격을 두고 나란히 배치되는 한 쌍의 띠 형태로 구성될 수 있다. 선택적으로, 연결부(20a, 20b)는 하나의 띠 형태(도 3 참조)로 형성될 수도 있다. 연결부(20a, 20b)는 감지막(20)의 상단면과 하단면을 전기적으로 절연된 상태에서 외부 전극 또는 전원과 연결한다. 즉, 연결부(20a)는 감지막(20)의 상단면의 전극을 외부 전극 또는 전원과 전기적으로 연결하고, 연결부(20b)는 감지막(20)의 하단면의 전극을 외부 전극 또는 전원과 전기적으로 연결한다.
이와 같이 구성된 초음파 감지막(20)은 바닥부(12)를 통해 조사되는 초음파 신호의 파형 및 초음파에 의해 반응하는 배양액(15) 및 세포(16)의 동적 상태 또는 이차적인 음향 현상인 캐비테이션과 관련된 신호를 감지한다. 또한 초음파 감지막(20)은 초전기 효과(pyroelectric effect)에 의해 감지막 주변의 배양액(15) 또는 세포(16)의 온도 변화로 유기된 전하의 흐름을 반영한 초전기 전압을 감지할 수 있다.
또한 초음파 감지막(20)은 후술하는 초음파 구동부(40)의 펄서(45)/리시버(46)에 의해 펄스 에코 모드로 구동될 수 있으며, 이 결과 초음파 감지막을 통해 수신된 A-모드 초음파 RF 신호는 배양액의 높이, 세포의 형태학적인 정보나, 배양액 또는 세포의 초음파 산란/감쇠에 대한 정보를 내포한다.
초음파 감지 막(20) 위에는 배양액(15)과 직접 접촉하지 않도록 몸체(10)와 동일 또는 유사한 재질을 가지는 재료로서 세포에 대한 생체 적합성을 가지는 얇은 보호 층(26)이 형성될 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시한 본 발명의 일 실시 예의 초음파 배양 접시(1)에 따라 제작된 내부 바닥면에 PVDF 감지막을 에폭시 수지로 부착한 초음파 배양 접시의 외관 사진이다.
이상에서 초음파 감지막(20)은 몸체(10)의 내부 바닥면에만 배치된 것으로 예시 및 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 초음파 감지막은 몸체(10)의 내부 바닥면과 외부 바닥면 모두에 부착되거나 측벽부(11)의 내부 측벽면에 부착되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 바닥부(12)의 내부 바닥면 또는 측벽부(11)의 내부 측벽면에 배치되는 감지막(이하, '제1감지막'이라함)은 배양 접시로 조사된 초음파 파형 및 또는 초음파에 의한 이차적인 음향 현상(예. 캐비테이션, 음향 흐름, 세포의 동적 반응 등)으로 발생된 신호를 감지하며, 바닥부(12)의 외부 바닥면에 배치되는 감지막(이하,'제2감지막'이라함)은 배양 접시에 입사하기 전 초음파 파형을 감지하며, 감지된 신호는 배양 접시 내부의 초음파에 의한 이차적인 음향 현상을 포함하지 않는다. 제1 감지막과 제2 감지막으로부터 측정한 신호를 비교 분석하면, 조사된 초음파에 의해 이차적으로 발생된 음향 현상을 효율적으로 분리할 수 있다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시한 초음파 배양 접시(1)를 이용한 초음파 모니터링 시스템을 개략적으로 예시하는 블록도이다. 도 5는 도 4에서 도시한 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 초음파 배양 접시(1)를 이용한 초음파 모니터링 시스템을 사용하여 초음파에 대한 세포의 반응을 실험하거나, 또는 세포에 대한 초음파 처리를 위해 초음파를 조사할 때, 세포에 가해지는 초음파의 특성(주파수, 압력, 강도, 파워 등), 초음파에 의해 이차적으로 야기된 음향학적인 현상(예. 캐비테이션, 음향 흐름, 세포의 동적 반응 등), 배양액의 높이, 세포층의 두께, 세포에 대한 초음파의 산란/감쇠 특성, 배양액/세포의 온도 변화를 추출하는 과정의 흐름도를 예시하고 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 초음파 모니터링 시스템은 초음파 배양 접시(1), 초음파 변환기(30), 초음파 변환기 구동부(40), 신호 입수부(50), 신호 분석부(60), 표시부(70), 사용자 인터페이스부(80) 및 제어부(90)를 포함한다.
초음파 배양 접시(1)는 도 1 및 도 2와 관련하여 설명한 것과 동일하게 구성된다.
초음파 배양 접시(1)의 내부에 담겨있는 배양액(15) 또는 세포(16)에 대한, 초음파 반응, 예를 들어 세포 분리, 세포 성장 등을 유도하기 위해 사용될 초음파는 초음파 발생부를 구성하는 초음파 변환기(30)와 이를 구동하는 구동부(40)에 의해 발생된다.
초음파 변환기(30)는 전기적인 신호, 즉, 에너지를 초음파로 변환하는 부분으로서 초음파 배양 접시(10)의 몸체(11) 하측에서 젤 또는 액체로 구성된 초음파 커플링 층(29)을 사이에 두고 몸체(11)와 접촉한다.
초음파 변환기(30)가 전기적 에너지를 초음파로 변환하는 과정에서 열이 발생할 수 있으므로, 냉각 효과를 얻거나, 배양 접시 내의 온도를 일정하게 유지하기 위해, 초음파 배양 접시(1)와 초음파 변환기(30)는 도 6에 도시한 바와 같이 물과 같은 액체(34)가 담긴 수조(35) 내에 위치하도록 구성될 수 있다. 이때 초음파 배양 접시(1)는 수조(35) 내에 배치된 지지벽(38) 위에 지지되고, 초음파 변환기(30)는 지지벽(38) 내에서 초음파 배양 접시(1)와 일정 간격을 두고 배치되고, 수조(35)의 바닥부를 통해 돌출된 연결 단자(31)를 통해 후술하는 초음파 구동부(40)의 매칭 네트워크(43)와 전기적으로 연결된다. 지지벽(38)은 수조(35) 내의 액체가 초음파 배양 접시(1)와 초음파 변환기(30) 사이의 공간으로 유입될 수 있도록 개구(39)를 형성하고 있다.
선택적으로, 도면에 도시하지는 않았지만, 초음파 배양 접시(1)는 수조(35) 내에서 지지벽(38) 위에 배치되고 초음파 변환기(30)는 수조(35) 밖에 위치하도록 구성될 수 있다. 이때 초음파 변환기(30)는 수조(35)의 바닥부의 초음파 투과 효율이 우수한 음향 창과 커플링 물질을 매개로하여 접하도록 하거나, 초음파 변환기 전면부가 수조(35) 내로 진입하도록 하여 초음파 투과 손실을 최소화 할 수 있다.
초음파 구동부(40)는 초음파 변환기(30)를 가진하여 초음파를 발생시키는 것으로서, 함수 발생기(41), 파워 증폭기(42) 및 매칭 네트워크(43)로 구성된다. 함수 발생기(41)는 초음파 변환기(30)에 공급할 전기 신호를 생성한다. 파워 증폭기(42)는 생성된 전기 신호를 증폭하여 매칭 네트워크(43)를 통해 초음파 변환기(30)로 출력한다. 초음파 변환기(30)를 구동하는 전기 신호의 주파수 및 모드[연속파, 펄스(펄스길이, 펄스 발생 주기)]는 마우스, 키보드, 버튼, 터치 패드 등의 입력 장치와 같은 사용자 인터페이스(80)를 통해 함수 발생기(41)로 입력된다. 발생되는 초음파의 파워/강도/압력은 사용자 인터페이스(80)를 통해 함수 발생기(41)의 전압 또는 파워 증폭기(42)의 출력을 제어하여 조정한다.
도 7은 도 3에 도시한 바와 같이 제작된 실험용 초음파 배양 접시의 초음파 감지막을 통해 측정된 초음파 파형의 예를 도시한다. 이때 파워 증폭기(42)의 출력을 고정한 상태에서 함수 발생기(41)의 전압을 증가하면서 1 MHz의 초음파 변환기(30)를 구동하여 수조(35) 내 위치한 배양 접시에 초음파를 조사하였다.
도 8은 도 3에 도시한 바와 같이 제작된 실험용 초음파 배양 접시를 이용하여 전기적인 파워를 증가하면서 측정한 초음파 크기의 변화의 예를 도시한다. 이때 파워 증폭기(42)의 출력을 고정한 상태에서 함수 발생기(41)의 전압을 증가하면서 1 MHz의 초음파 변환기(30)를 구동하여 수조(35) 내에 위치한 배양 접시에 초음파를 조사하였다. 도 8에서, 초음파 감지막으로부터 측정된 초음파 압력은 초음파를 구동하는 전기적인 파워와 높은 상관성을 보여주고 있다. 이는 측정된 초음파 압력으로 초음파 배양 접시(1)에 조사된 초음파의 파워(도 4 및 도 5의 초음파 파워(A)에 해당)를 추정할 수 있는 근거가 된다.
또한 초음파 구동부(40)는 펄스 에코 모드로 초음파 감지막(20)을 구동하고초음파 감지막(20)을 통해 A-모드 RF 신호를 수신하여 처리할 수 있는 펄서/리시버(45)를 구비할 수 있다. 펄서/리시버(45)를 통해 수신된 A-모드 RF 신호는 신호 입수부(50)의 A/D 변환기(53)를 통해 신호 분석부(60)로 보내져 후술하는 바와 같이 배양액의 높이를 측정하거나 세포의 형태학적인 정보를 얻거나 배양액 또는 세포의 초음파 산란/감쇠 특성을 평가하는 데 활용될 수 있다. 이때, A-모드 RF 신호는 A/D 변환기(53)를 통해 표시부(70)로 출력될 수 있다.
도 9는 도 3에 도시한 바와 같이 제작된 실험용 초음파 배양 접시의 초음파 감지막을 펄스/에코 모드로 구동하여 측정한 전형적인 A-모드 RF 신호의 예를 도시한다. 이때 배양액(15)의 높이를 7.64㎜로 설정한 후 함수 발생기(41)의 전압을 100㎷로 한 상태에서 1㎒ 초음파 변환기(30)를 구동하여 수조(35) 내 위치한 배양 접시에 초음파를 조사하였다. 이러한 A-모드 RF 신호에는 배양액의 높이, 세포층의 두께에 대한 정보를 비롯하여 초음파에 대한 세포의 동적 반응, 세포/배양액에 대한 초음파의 산란/감쇠 효과 등에 대한 정보가 포함되어 있다.
도 10은 도 3에 도시한 바와 같이 제작된 실험용 초음파 배양 접시에서 배양액 높이를 8.6㎜에서부터 7.64㎜까지로 낮추어 가면서 배양 접시의 초음파 감지막에서 측정된 초음파 파형의 예를 도시한다. 이때 함수 발생기(41)의 전압을 100㎷로 한 상태에서 1㎒의 초음파 변환기를 구동하여 수조(35) 내 위치한 배양 접시에 초음파를 조사하였다. 도 10에서, 동일한 구동 조건에서 배양액의 높이에 따라 초음파 감지막에서 측정된 측정 신호가 변화하고 있으며, 이는 배양 접시의 음향학적인 특성으로 배양액의 높이에 영향을 받는 정상파가 형성되는 것을 실험적으로 보여주는 것이다.
도 11은 도 10의 경우에 대해 한 파장의 범위에서 배양액 높이를 변화할 때 초음파 감지막에서 측정된 초음파 압력의 변화(왼쪽 그래프)를 이론(오른쪽 그래프)과 비교하여 예시하고 있다. 실험 결과는 특성적으로 이론과 유사하며, 이는 본 발명의 초음파 배양 접시가 배양액 내에 형성된 정상파의 특성을 잘 측정하고 있음을 나타낸다.
상기 A-모드 RF 신호는 초음파 변환기(30)를 펄스 에코 모드로 구동하여 얻을 수도 있다. 이 경우, 초음파 변환기(30)는 세포(16) 및 배양액(15)에 조사하기 위한 초음파 발생을 멈추고, 펄스 에코 모드로 구동해야 한다. 반면 초음파 감지막(20)을 이용한 A-모드 RF 신호 측정은 세포에 초음파를 조사하면서 동시에 실시간으로 할 수 있다.
신호 입수부(50)는 초음파 감지막(20)에서 감지된 신호를 증폭하고 적절한 신호 처리 기법을 통해 신호를 다듬는(signal conditioning) 과정을 포함한다. 즉 증폭된 신호는 잡음 신호와 간섭 신호가 포함되어 있으며 소정 주파수 범위의 신호를 선택적으로 제거하고 검출하는 필터링(예. 하이파스, 로우파스, 밴드파스 등) 과정을 거쳐 신호 대 잡음 비를 높여 줄 수 있다. 이를 위해, 신호 입수부(50)는 초음파 감지막(20)에서 감지된 신호를 증폭하는 사전증폭기(51), 사전증폭기(51)에 의해 증폭된 초음파 신호를 필터링하여 출력하는 제1필터(52a), 및 사전증폭기(51)에 의해 증폭된 초전기 신호를 필터링하여 출력하는 제2필터(52b)를 포함한다. 증폭 후 처리된 신호는 A/D 변환기(53)를 통해 디지털 신호로 변환한 후 신호 분석부(60)로 전송하거나 표시부(70)에 출력된다.
신호 분석부(60)는 초음파 감지막(20)에서 감지된 신호를 신호 입수부(50)를 통해 전달받아 사용자에게 필요한 정보를 추출하는 알고리듬을 포함한다. 일 실시 예에서는 신호 입수부(50)로부터 출력된 초음파 신호로부터 초음파 강도, 파워, 압력 등을 추출하는 초음파 파워 분석부(61), 신호 입수부(50)로부터 출력된 초전기 신호로부터 온도 및 초음파 파워를 추정하는 초전기 신호 분석부(62), 및 펄서/리시버(45)로부터 신호 입수부(50)의 A/D 변환기(53)를 통해 수신된 A-모드 RF 신호로부터 배양액의 높이, 세포층의 두께, 배양액/세포의 초음파 감쇠/산란 특성을 분석하는 A-모드 RF 신호 분석부(63)를 포함할 수 있다.
도 12는 도 3에 도시한 바와 같이 제작된 실험용 초음파 배양 접시의 감지막으로 사용된 PVDF의 등가 전기 회로 및 초음파 조사로 인한 배양액의 온도 변화에 의해 유기된 초전기 전압(pyroelectric potential)을 전기 회로로 모델링한 예를 도시한다. 즉 주변의 시간 t에 따른 온도 T의 변화 △T/△t에 의해 PVDF 감지막에 유기되는 초전기 현상에 의한 전압(V)은 아래 식(1)에 의해 표현된다.
Figure PCTKR2012005073-appb-I000001
........................................... (1)
여기서
pc : the pyroelectric coefficient[C/㎠℃]
A : the electrode area[㎠]
CT : the total capacitance
RT : the total resistance
상기 식(1)을 온도의 변화에 대해 다시 정리하면, 아래 식(2)와 같이 초전도 전압의 적분 형태로 표현된다.
Figure PCTKR2012005073-appb-I000002
......................................... (2)
여기서
Figure PCTKR2012005073-appb-I000003
,
Figure PCTKR2012005073-appb-I000004
,
Figure PCTKR2012005073-appb-I000005
,
Figure PCTKR2012005073-appb-I000006
초음파가 배양액에 조사되는 경우, 초음파로 인한 열 발생율(Q)(rate of heat production)는 아래 식(3)과 같이 초음파의 강도(I)와 생체 조직의 초음파 감쇠 계수(α)의 곱에 비례한다.
Ｑ=2αI.......................................................... (3)
초음파로 발생된 열로 인해 배양액(15) 내에서 형성된 온도 분포는 아래 식(4)의 생체 열전달 방정식(bioheat transfer equation)에 의해 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2012005073-appb-I000007
........................(4)
세포 배양액(15)에서의 경우 wb=0(no blood perfusion)이고 ▽2Ｔ=0 (thermal gradient is equal to zero)라고 가정할 수 있으며, 식(4)는 아래 식(5)와 같이 간단하게 표현된다.
Figure PCTKR2012005073-appb-I000008
..............................................(5)
식(3)을 이용하여 식(5)를 초음파 강도에 대해 표현하면,
Figure PCTKR2012005073-appb-I000009
..............................................(6)
초음파 파워는 초음파 변환기(30)의 면적(A)와 초음파 강도의 곱이므로, 초음파 파워는 아래 식(7)과 같이 온도의 시간에 대한 변화율의 함수로 표현된다.
Figure PCTKR2012005073-appb-I000010
..........................................(7)
따라서 배양액(15)의 온도 변화로 유기된 초전기 전압을 측정하면 상기 식(2)에 의해 배양액(15)의 온도 변화를 추정할 수 있게 되고, 온도 변화를 측정하게 되면 상기 식(7)로부터 조사된 초음파 파워를 추정할 수도 있게 된다. 이렇게 추정된 초음파 파워는 도 4 또는 도 5의 초음파 파워(B)에 해당된다.
도 13은 도 3에 도시한 바와 같이 제작된 실험용 초음파 배양 접시에 10초 동안 초음파를 조사할 때 상승한 배양액의 온도에 의해 초음파 감지막에 유기된 초전도 전압 신호를 측정한 결과를 예시한다. 이때 파워 증폭기(42)의 출력을 고정한 상태에서 함수 발생기(41)의 전압을 50, 100, 200, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800㎽로 증가하면서 1㎒의 초음파 변환기(30)를 구동하여 수조(35) 내 위치한 배양 접시에 초음파를 조사하였다.
상기 식(2)에 의해 표현된 바와 같이, 온도는 시간에 대한 적분 형태로 표현된다. 도 14는 도 13에서 측정한 초전기 전압 신호를 시간에 대해 적분한 값을 예시하며, 초음파가 조사될 때 로그 함수적으로 상승하거나 중지할 때 지수적으로 감소하는 전형적인 초음파에 의해 유도된 온도 특성과 온도 냉각 특성 곡선을 보여주고 있다.
도 15는 도 14에서 측정한 초전기 전압 신호의 최댓값과 배양 접시에 조사된 초음파 파워와의 상관성을 예시한다. 도 15에서 알 수 있는 바와 같이, 초전기 전압의 신호는 주로 실험에서 사용하는 1,000㎽ 이하의 파워에서 초음파 파워와 거의 선형적인 관계를 보이고 있으며, 이는 식(2) 및 식(7)를 통해 이론적으로 보여주고 있는 초전기 전압 신호를 이용한 초음파 파워(도 4 또는 도 5의 초음파 파워(B)에 해당) 추정의 가능성을 실험적으로 확인해 주는 결과이다.
신호 분석부(60)에서 분석된 각종 정보는 제어부(90)를 통해 표시부(70)에서 표시 될 수 있으며, 미리 설정된 초음파 노출 조건을 유지하기 위해 초음파 구동 조건을 제어하는 알고리듬에 피드백 정보로 활용될 수 있다.
표시부(70)는 초음파 감지막(20)을 통해 감지된 신호를 처리하는 신호 입수부(50)로부터 바로 제어부(90)로 전달된 신호를 표시하거나 혹은 신호 입수부(50)로부터 출력된 신호를 분석하는 신호 분석부(60)로부터 제어부(90)를 통해 전달된 분석결과를 표시한다. 또한 표시부(70)는 제어부(90)의 제어 하에 사용자 인터페이스부(80)를 통해 사용자가 초음파의 조건을 설정할 수 있도록 설정 입력창을 표시도시하거나, 사용자가 설정한 초음파의 설정값을 표시한다.
제어부(90)는 사용자가 마우스, 키보드 등의 입력 장치를 포함하는 사용자 인터페이스부(80)를 통해 세포 반응실험 또는 초음파 처리를 수행하는 데 필요한 초음파의 노출 조건(예, 주파수, 강도, 파워 등)을 설정하거나, 초음파 구동부 (40)를 동작시키기 위한 시작/종료 명령 등을 내리거나, 초음파 감지막(20)을 통해 수신된 신호의 파형을 또는 신호 분석부(60)를 통해 분석하도록 하거나, 분석된 결과를 표시할 수 있도록, 초음파 구동부(40), 신호 분석부(60), 및 표시부(70)를 제어한다.
제어부(90)는 랩탑 컴퓨터 또는 퍼스널 컴퓨터의 몸체로 구성될 수 있다. 하지만, 제어부(90)는 랩탑 컴퓨터 또는 퍼스널 컴퓨터의 몸체로 구성되는 대신, 세포 반응 실험 또는 초음파 처리를 수행하기 위한 초음파 노출 조건을 설정하고 초음파 구동부(40)를 동작/정지시키기 위한 시작/종료 명령 등을 입력할 수 있는 각종 버튼을 포함하는 콘트롤 박스로도 구성될 수 있다.
또한, 제어부(90)는 내부에 아식(ASIC)과 같이 하드웨어 형태로 형성되거나 관리 프로그램에 포함된 소프트웨어 형태로 초음파 구동부(40), 신호 분석부(60), 및 표시부(70)를 제어할 수 있다.
표시부(70)는 제어부(90)를 몸체로 하는 랩탑 컴퓨터 또는 퍼스널 컴퓨터에 연결되는 모니터로 구성될 수 있다. 만일, 제어부(90)가 콘트롤 박스로 구성될 경우, 표시부(70)는 초음파 감지막(20)을 통해 감지된 신호를 처리하는 신호 입수부(50)로부터 제어부(90)를 통해 전달 받은 신호를 크기와 위상을 가지는 전기 신호로 표시하는 오실로스코프와 같은 신호 변환기로 구성될 수 있다. 이때 또한 신호 분석부(60)에 의해 분석된 초음파 주파수, 강도, 파워, 압력, 온도, 배양액의 높이, 세포층의 두께 및 배양액 및 세포에 대한 초음파의 감쇠, 산란 특성 등은 숫자(디지털)로 표시하거나 시간에 따른 변화를 그래프 형태로 표시할 수 있다.
이하에서는 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 모니터링 시스템의 초음파 반응 실험 또는 초음파 처리 과정을 도 4 및 도 16에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 실험자는 초음파 배양 접시(1)의 몸체(10)의 내부에 실험 또는 초음파 처리하고자 하는 세포(16)를 포함하는 배양액(15)을 담은 후 초음파 배양 접시(1)를 그 하단이 초음파 커플링(29)을 개재하여 초음파 변환기(30)의 전면부와 접하도록 배치한다.
이어서, 실험자는 초음파 모니터링 시스템의 전원을 켜고, 표시부(70)의 모니터에 표시되는 설정 창에서 마우스, 키보드 등의 입력 장치를 포함하는 사용자 인터페이스(80)를 통해 기본 실험 조건(주파수, 모드, 시간, 에너지 등)을 입력하고(S1), 초음파 배양 접시(1)로 조사할 초음파의 구동 조건(파워, 강도, 압력 등) 및 배양액(15)의 온도 조건을 설정한다(S2).
입력된 설정 값에 의거하여 제어부(90)는 위에서 설명한 바와 같이 초음파 구동부(40)를 통해 초음파 변환기(30)를 가진시켜 초음파 배양 접시(1) 내로 초음파를 조사한다(S3).
초음파 배양 접시(1)에 부착된 초음파 감지막(20)은 배양 접시로 조사되는 초음파 파형과 배양 접시 내 초전도 현상으로 유기된 초전도 전압 신호를 감지하거나 및/또는 펄스 에코 모드로 구동되어 얻은 A-모드 RF 신호를 감지하여, 신호 입수부(50)를 통해 신호 분석부(60)로 전송하여 필요한 정보를 추출하도록 한다(S4). 신호 분석부(60)는 수신된 신호를 분석하여 초음파 압력, 파워, 강도, 캐비테이션, 세포의 동적 반응, 배양액의 높이, 세포층의 두께, 초음파에 대한 세포의 산란/감쇠 특성, 배양액/세포의 온도 변화 등의 분석된 결과를 표시부(70)를 통해 표시한다(S5).
제어부(90)는 신호 분석부(60)에서 출력된 결과 중 초음파 출력을 제어하는 변수인 파워, 강도, 온도 등에 대해 설정 값과의 차(E)를 계산하고, 이 값이 허용 범위(tolerance)에 있는지 판단하고 판단 결과를 표시부(70)를 통해 표시한다(S6). 표시부(7)를 통해 표시된 판단 결과가 허용 범위를 벗어나면 실험자는 단계(S2)로 가서 설정 조건을 변경하도록 한다(S7). 그 후 제어부(90)는 시간 경과 등의 종료 조건을 판단하고(S8), 판단 결과, 종료 조건을 충족하지 못하면 단계 (S3) 이후의 과정을 반복하도록 하고, 종료 조건을 충족하면 표시부(70)를 통해 종료 조건이 충족되었음을 표시한다. 종료 조건이 충족되었음이 표시되면, 실험자는 초음파 모니터링 시스템의 전원을 크고 초음파 반응 실험 또는 초음파 처리 과정을 종료한다.
이상에서, 본 발명은 원리를 예시하기 위한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 구성 및 작용으로 한정되지 않는다. 또, 첨부된 특허 청구 범위의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 본 발명에 대한 다양한 변경과 수정이 가능함은 당업자들에게는 잘 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명에 대한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 세포 및 배양액을 담을 수 있는 몸체; 및
    상기 몸체에 부착되어 초음파 신호를 감지할 수 있는 초음파 감지막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 배양 접시.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몸체는 생체 조직과 유사한 음향 임피던스 및 낮은 초음파 감쇠 계수를 가지는 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 배양 접시.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 몸체는 메틸펜텐폴리머 수지(TPX)로 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 배양 접시.
  4. 제1항에 있어서, 상기 초음파 감지막은 상기 몸체의 내부 바닥면과, 외부 바닥면과, 내부 측벽면 중의 적어도 한 곳에 부착된 것을 특징으로 하는 초음파 배양 접시.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 감지막은 압전 재료의 양면에 전극이 코팅된 압전 센서 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 배양 접시.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 압전 센서 막은 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 배양 접시.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 기재된 초음파 감지막을 부착한 초음파 배양 접시;
    상기 초음파 배양 접시 내에 담겨진 세포 및 배양액에 초음파를 조사하는 초음파 발생부;
    상기 초음파 감지막에 의해 감지된 신호를 입수하는 신호 입수부;
    상기 신호 입수부로부터 수신된 신호를 분석하여 상기 세포 및 배양액에 조사되는 상기 초음파의 파워/강도/압력과, 배양액의 높이와, 세포층의 두께와, 캐비테이션과, 상기 세포의 동적 반응과, 상기 배양액/세포의 온도 변화 중에서 적어도 하나를 추정하는 신호 분석부;
    상기 신호 분석부에 의해 분석된 결과를 출력하는 표시부; 및
    상기 초음파 발생부, 상기 신호 분석부, 및 상기 표시부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 초음파 모니터링 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 초음파 발생부는,
    상기 초음파 배양 접시의 외부 바닥면과 접촉하는 한 개 이상의 초음파 변환기; 및
    상기 초음파 변환기를 전기적으로 구동하는 초음파 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모니터링 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 초음파 구동부는,
    사용자가 설정한 초음파의 주파수와 모드에 부합하는 전기적인 신호를 발생하는 함수 발생기;
    상기 전기적인 신호를 증폭하는 파워 증폭기; 및
    상기 증폭된 전기 신호가 상기 초음파 변환기에 잘 전달 되도록 하는 매칭 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모니터링 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 초음파 구동부는,
    상기 초음파 감지막을 통해 상기 세포 및 배양액에 대한 A-모드 RF 신호 얻을 수 있도록 상기 초음파 감지막을 펄스 에코 모드로 구동하는 초음파 펄스/리시버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모니터링 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 신호 입수부는,
    상기 초음파 감지막으로부터 수신된 신호를 사전 증폭하는 사전증폭기;
    상기 사전증폭기에 의해 증폭된 초음파 신호를 필터링하여 출력하는 제1필터; 및
    상기 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모니터링 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 신호 입수부는,
    상기 사전증폭기에 의해 증폭된 저주파 대역 초전기 신호를 필터링하여 출력하는 제2필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모니터링 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 신호 분석부는
    상기 신호 입수부로부터 출력된 상기 초음파 신호로부터 초음파 강도, 파워, 및 압력을 추출하는 초음파 파워 분석부;
    상기 신호 입수부로부터 출력된 상기 초전기 신호로부터 온도 및 초음파 파워를 추정하는 초전기 신호 분석부; 및
    상기 펄서/리시버로부터 상기 신호 입수부의 상기 A/D 변환기를 통해 수신된 상기 A-모드 RF 신호로부터 상기 배양액의 높이, 상기 세포층의 두께, 및 상기 배양액/세포의 초음파 감쇠/산란 특성을 분석하는 A-모드 RF 신호 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 모니터링 시스템.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 표시부는 사용자 인터페이스를 통해 사용자가 설정 조건을 입력할 수 있도록 상기 제어부의 제어 하에 설정 창을 표시하는 것을 특징으로 하는 초음파 모니터링 시스템.
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