Dispositivo y método de monitorización de muestras.

La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un método para la monitorización por ultrasonidos de muestras bajo estudio,

siendo dichas muestras, preferentemente, cultivos tisulares o cultivos celulares. Más en particular, la invención se refiere a una placa de cultivo conectada a un emisor y un receptor de señales de onda de ultrasonidos, así como a medios de procesamiento y análisis de las señales transmitidas a través del cultivo bajo estudio, que permite la monitorización en tiempo real de las muestras, así como la medición de sus propiedades mecánicas y geométricas.

Dispositivo y método de monitorización de muestras.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un método para la monitorización por ultrasonidos de muestras bajo estudio, siendo dichas muestras, preferentemente, cultivos tisulares y/o celulares. Concretamente, la invención se refiere a una placa de cultivo conectada a un emisor y a un receptor de señales de onda de ultrasonidos, así como a medios de procesamiento y análisis de las señales transmitidas a través del cultivo bajo estudio, que permite la monitorización en tiempo real de las muestras, así como la medición de sus propiedades mecánicas y geométricas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La monitorización de muestras mediante ultrasonidos es una técnica bien conocida en la actualidad, que posee abundantes aplicaciones en el estudio de las propiedades mecánicas de los materiales en física e ingeniería, así como en los análisis de integridad y daños en estructuras, o en el estudio de restos arqueológicos o de obras de arte, entre otras. Adicionalmente, una importante aplicación de las técnicas de monitorización por ultrasonidos se aplica a la medicina y a la biomecánica, mediante la cual es posible estudiar las propiedades de los tejidos, huesos y otras estructuras biológicas, para su uso en el diagnóstico, evaluación y la predicción de enfermedades. La presente invención se refiere a este último ámbito.

Si bien hoy en día es posible encontrar numerosos dispositivos destinados a la medición de parámetros mecánicos (tales como el módulo de Young, relacionado con la compresibilidad de las muestras, la atenuación de las ondas transmitidas a través de dichas muestras, así como los módulos de compresibilidad y/o cizalladura) en muestras de tejidos biológicos con grosores del orden de centímetros, o para la evaluación in vivo de pacientes (estudiando, por ejemplo, fracturas óseas o tejidos afectados por alguna enfermedad) , no existe en el estado de la técnica un dispositivo diseñado específicamente para el análisis mediante ultrasonidos de muestras de cultivos celulares y tisulares, con grosores comprendidos preferentemente entre 2 !m y 2 mm. Si bien el mercado contempla algunos aparatos destinados a la monitorización mediante impedancia eléctrica basados en la oposición que presenta la muestra bajo estudio ante el paso de corrientes eléctricas generadas por microelectrodos (como, por ejemplo, en dispositivos de tipo XCELLigence de la compañía Roche) , dichos aparatos llevan consigo el problema de que el paso de la corriente a través de la muestra puede interferir en el propio cultivo, alterando su estabilidad iónica, lo que provoca distorsiones en las medidas tomadas. Se hace, por tanto, necesario, desarrollar herramientas alternativas capaces de monitorizar muestras de cultivos biológicos de forma precisa y no-invasiva, es decir, que no altere las características de la muestra a medir.

La presente invención está orientada a resolver dicha necesidad del estado de la técnica.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN

Un objeto de la presente invención es obtener una herramienta destinada a la monitorización de muestras bajo estudio, preferentemente muestras de cultivos tisulares y/o celulares, mediante ultrasonidos.

Dicho objeto de la invención se consigue a través de un dispositivo de monitorización que comprende:

a) Una placa de cultivo configurada para alojar la muestra bajo estudio.

b) Un transductor emisor de señales de onda de ultrasonidos a las muestras bajo estudio, acoplado a la placa de cultivo en la región inferior de dicha placa.

c) Un transductor receptor de las señales de onda de ultrasonidos transmitidas a través de las muestras, acoplado a la placa de cultivo en la región inferior de dicha placa, situado de forma que las señales de onda emitidas por el transductor emisor incidan en la muestra bajo estudio y se reflejen en dicha muestra, llegando hasta el transductor receptor, y donde las direcciones de la onda emitida y de la onda recibida forman un ángulo entre sí. Dicho ángulo formado por las ondas emitida y recibida es, preferentemente, inferior a 180º, y más preferentemente, está comprendido entre 175º y 5º.

d) Un generador de señales de onda de ultrasonidos conectado al transductor emisor.

e) Un medio de análisis de las señales de onda emitida y recibida, respectivamente, por los transductores emisor y receptor que comprende medios programables para la comparación y/o el análisis de dichas señales de onda.

Se consigue con ello una herramienta capaz de monitorizar muestras delgadas de cultivos biológicos (con grosores del orden de 2 !m - 2 mm) tanto en tiempo real como off-line (esto es, teniendo lugar la detección de la

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señal y su análisis en tiempos diferentes) , que permite una caracterización precisa de las propiedades mecánicas y geométricas.

En una realización preferente de la invención, el dispositivo está equipado con un conversor analógico/digital (A/D) conectado al transductor receptor. Se consigue con ello registrar los datos del pulso de onda emitido a través de la muestra para su posterior análisis digital.

En otra realización preferente de la invención, el conversor A/D está sincronizado con el generador de señales de onda. Se consigue con ello poder analizar y comparar la señal de onda de ultrasonidos antes y después de su paso por la muestra.

En otra realización de la invención, el transductor emisor y/o el transductor receptor de la señal de onda están conectados a, al menos, un amplificador de dicha señal. Se consigue con ello una señal aún más nítida para su detección y análisis.

En una realización preferida de la invención, el generador de señales de onda genera una señal igual o superior a 1 MHz. Se consiguen con ello señales particularmente adecuadas para el análisis de muestras delgadas, entre 2 !m y2 mm.

En una realización alternativa de la invención, los transductores comprenden una frecuencia de resonancia comprendida entre 1 MHz y 200 MHz. Se consigue con ello frecuencias de longitud de onda comparable al grosor de las muestras estudiadas.

En una realización más de la invención, la placa de cultivo está fabricada con un material óptica y/o acústicamente transparente. Se consigue con ello una reducción de los fenómenos de reflexión y refracción óptica/acústica en el interior de la placa.

En una realización preferente de la invención, el medio de análisis es un ordenador conectado a Internet. Se consigue con ello una herramienta adecuada para el análisis de grandes muestras de datos, capaz de almacenar y/o compartir los resultados obtenidos con equipos remotos

En una nueva realización de la invención, la muestra bajo estudio es un cultivo tisular o un cultivo celular. Se consigue con ello un dispositivo aplicable al campo de la medicina y a la biomecánica.

En una realización aún más preferida de la invención, el cultivo tisular o celular está embebido en un fluido bio-compatible, o “simulated body fluid” (SBF) . Se consigue con ello que el dispositivo permita estudiar las muestras en condiciones biológicas óptimas, sin que se produzca desnaturalización de las mismas.

En otra realización preferente de la invención, el dispositivo de monitorización comprende, adicionalmente, una tapa superior de un material óptica y/o acústicamente transparente por encima de la muestra bajo estudio, manteniendo una separación controlada entre la placa de cultivo y dicha tapa superior. Se consigue con ello fijar el grosor de la muestra a un valor predeterminado.

En una realización adicional de la presente invención, el dispositivo de monitorización comprende una capa acústicamente transparente deslizante entre los transductores y la placa de cultivo, configurada dicha capa para permitir el movimiento de la pareja de transductores, sin movimiento relativo entre ellos, respecto a la placa de monitorización. Con ello se consigue modificar los puntos de medición sobre la muestra bajo estudio, permitiendo la posibilidad de hacer un muestreo a lo largo de su superficie con el que obtener diagramas en dos dimensiones de la distribución espacial de las medidas realizadas y, en consecuencia, de los parámetros mecánicos y/o geométricos calculados....

1. Dispositivo de monitorización de muestras (2) bajo estudio caracterizado porque comprende:

a) Una placa de cultivo (1) configurada para alojar la muestra (2) ;

b) Un transductor emisor (4) de señales de onda de ultrasonidos hacia la muestra (2) , acoplado a la placa de cultivo (1) en la región inferior de dicha placa (1) ;

c) Un transductor receptor (5) de las señales de onda de ultrasonidos transmitidas a través de la muestra (2) , acoplado a la placa de cultivo (1) en la región inferior de dicha placa (1) , situado de forma que las señales de onda emitidas por el transductor emisor (4) incidan en la muestra bajo estudio y se reflejen en dicha muestra, llegando hasta el transductor receptor (5) , y donde las direcciones de la onda emitida y de la onda recibida forman un ángulo entre sí;

d) Un generador (6) de señales de onda de ultrasonidos conectado al transductor emisor (4) ;

e) Un medio de análisis (10) de las señales de onda emitida y recibida por los transductores emisor y receptor que comprende medios programables para la comparación y/o el análisis de dichas señales de onda.

2. Dispositivo según la reivindicación 1 que comprende un conversor A/D (9) conectado al transductor receptor (5) .

3. Dispositivo según la reivindicación 2, donde el conversor A/D (9) está sincronizado con el generador (6) de señales de onda.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, donde el transductor emisor (4) y/o el transductor receptor (5) de la señal de onda están conectados a, al menos, un amplificador (7, 8) de dicha señal.

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde el generador (6) de señales de onda genera una señal igual o superior a 1 MHz.

6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde los transductores (4, 5) comprenden una frecuencia de resonancia comprendida entre 1 MHz y 200 MHz.

7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde la placa de cultivo (1) está fabricada con un material óptica y/o acústicamente transparente.

8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, donde el medio de análisis (10) es un ordenador conectado a Internet.

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, donde la muestra (2) bajo estudio posee un grosor comprendido entre 2 !m y 2 mm.

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, donde la muestra (2) bajo estudio es un cultivo celular.

11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, donde la muestra (2) bajo estudio es un cultivo tisular.

12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 10-11, donde el cultivo está embebido en un fluido biocompatible (3) .

13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 10-12, que comprende una tapa superior de un material óptica y/o acústicamente transparente situada sobre la muestra (2) bajo estudio, mantenida dicha tapa superior a una separación controlada con la placa de cultivo (1) .

14. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-13, que comprende una capa acústicamente transparente y deslizante entre los transductores (4, 5) y la placa de cultivo (1) , configurada para permitir el movimiento de dichos transductores (4, 5) , sin movimiento relativo entre ellos, respecto a la placa de monitorización (1) .

15. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-14, donde el ángulo que forma el transductor emisor

(4) con el transductor receptor (5) es inferior a 180º.

16. Dispositivo según la reivindicación 15, donde el ángulo que forma el transductor emisor (4) con el transductor receptor (5) está comprendido entre 175º y 5º.

17. Método de monitorización de una muestra (2) bajo estudio que comprende el uso de un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-16.

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18. Método según la reivindicación 17 donde, a través de los medios programables comprendidos en el medio de análisis (10) de las señales de onda emitida y/o recibida, se calculan uno o más de los siguientes parámetros de la muestra bajo estudio: módulo de compresibilidad, módulo de cizalladura, módulo de Young, coeficiente de Poisson, coeficiente de reflexión, coeficiente de transmisión, impedancia acústica, atenuación, variación del grosor de la muestra, tiempo de retardo, viscosidad, atenuación de Rayleigh, atenuación histerética.

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