Телефон и факс:+7 (3854) 43-25-81
Главная → Ультразвуковые технологии → Медицина → Ингаляция

Ингаляция

Ультразвуковые ингаляционные аппараты

Ингаляционные аппараты предназначены для индивидуального применения лицами, страдающими отоларингологическими заболеваниями, с целью лечения и профилактики заболеваний верхних дыхательных путей и легких, аэрозолями жидких лекарственных веществ (минеральных вод, водных растворов солей, отваров лекарственных трав и т.д.). Так же их применение может быть эффективно для ароматизации и/или очистки помещений от вредных для здоровья веществ и микроорганизмов путем распыления дозированных, порций жидкостей по заданной программе.
В связи с этим существует потребность в ультразвуковых ингаляторах, характеризующихся высокой надежностью, малыми габаритами, весом и стоимостью, высокой производительностью, полным использованием лекарственных препаратов и пригодных для профилактики и лечения дыхательных органов мелкодисперсными аэрозолями, как в лечебных учреждениях, так и в домашних условиях.
Рассмотрим несколько конструкций УЗ ингаляторов (ингалятор для лечебных учреждений «Муссон» (Рисунок 1) и ингалятор индивидуального применения «ИНАЛ» (Рисунок 2) и модификацию ингалятора «ИНАЛ-М» для групповой аэрозоль терапии), отличающихся простотой в изготовлении и настройке, малой стоимостью, отсутствием дефицитных комплектующих, высокой надежностью и эффективностью.
Отличительной особенностью разработанных ингаляторов является наличие системы автоматического отслеживания уровня распыляемой жидкости относительно области фокусирования ультразвука, что обеспечивает, с одной стороны, ее полное расходование, а с другой высокую стабильность дисперсного состава аэрозоля и его плотности.


Рисунок 1 – Ультразвуковой ингалятор «Муссон»


Второй отличительной особенностью всех разработанных конструкций ингаляторов является применение узла магнитогидродинамической активации аэрозоля.
Выбор оптимальных параметров УЗ ингаляторов позволил обеспечить формирование аэрозоля с размерами частиц до 2 мкм (90 % от общего количества), оптимальную производительность (не менее 4 мл/мин для ингалятора «ИНАЛ» и не менее 1 мл/мин для ингалятора «ИНАЛ-М»), полное распыление используемых препаратов, оптимальный уровень подогрева аэрозоля и его магнитную активацию.


Рисунок 2 – Ультразвуковой ингалятор «Инал»


Для получения сфокусированного ультразвукового поля в ингаляторе «ИНАЛ» используется пьезоэлектрический элемент в форме диска, соединенный с алюминиевой вогнутой линзой. Применение линзы обеспечивает не только фокусировку ультразвуковых колебаний, но и защиту серебренных электродов пьезоэлемента от воздействий используемых лекарственных препаратов.
Внешний вид ингаляторов показан на рисунках 1 и 2 (на фото показаны два варианта выполнения распылительной камеры).
Ингалятор состоит из электронного блока и подключаемой к его выходному разъему с помощью соединительного кабеля распылительной камеры.
Электронный блок содержит источник питания и высокочастотный генератор, вырабатывающий электрические колебания частотой 2.64 МГц для возбуждения ультразвуковых колебаний в распылительной камере.
Распылительная камера, показано два варианта использования распылительной камеры с трубкой для вдыхания аэрозоля пациентом и с раструбом для насыщения аэрозолем помещения-ингалятория) служит для образования аэрозоля из лекарственных препаратов, его магнитной активации и транспортировки к пациенту (пациентам).
Электрические колебания, подаваемые по соединительному кабелю в распылительную камеру от электронного блока преобразуются пьезоэлектрическим элементом в ультразвуковые. Ультразвуковые колебания, проходя через фокусирующую линзу, контактную жидкость и дно кюветы, фокусируются на поверхности лекарственного препарата, обеспечивая его распыление
При транспортировке аэрозоля к пациенту через трубку лекарственный препарат подвергается магнитной обработке в ультразвуковом поле.
Кювета для лекарственного препарата состоит из двух колец (наружного и внутреннего), между которыми расположена тонкая фторопластовая или лавсановая пленка. Такая кювета позволяет использовать для распыления до 30 мл лекарственного препарата.
Применение в качестве дна кюветы тонкой полимерной пленки обеспечивает наилучшие условия прохождения ультразвуковых колебаний (отсутствие ослабления) и исключает плавление (прогар) дна после выработки всего жидкого лекарственного препарата.
Особым достоинством, отмечаемым потребителями, была возможность распыления маслосодержащих лекарственных препаратов.
Опыт применения показал, что такой ингалятор наиболее пригоден для лечебных учреждений, Использование его в домашних условиях для индивидуального лечения не всегда оправдано, из-за достаточно высокой стоимости и необходимости соблюдения определенных технологических приемов (применения в качестве контактной жидкости диэрированной дистиллированной воды с температурой 35-40 градусов, точная дозировка контактной жидкости).
По этим причинам, для индивидуального потребителя, потребовалось создать более простой в обращении и менее дорогой ингалятор.
Одновременная обработка потока магнитным и УЗ полями создает эффект больший, чем сумма эффектов от каждого вида воздействий порознь. Создаваемый в результате этого фактора запас по эффективности омагничивания был трансформирован при разработке ингаляторов в снижение требований к силе магнитов и числу ступеней реверсирования вектора магнитной индукции, что, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты и стоимостные показатели аппарата.
В части совершенствования существующих ингаляторов необходим малогабаритный, переносной (карманный), малоэнергоемкий (с батарейным питанием) ультразвуковой аэрозольный аппарат постоянной готовности.
Такой ультразвуковой аэрозольный аппарат состоит из генератора электрических колебаний, питающего пьезоэлектрический преобразователь, соединенный акустически с промежуточной средой. В качестве промежуточной среды используется элемент в виде тела вращения с конусным, экспоненциальным или ступенчатым изменением диаметра вдоль длины (концентратор). При этом большая торцевая поверхность концентратора образована плоскими гранями, выполненными симметрично относительно его продольной оси на равных расстояниях от центра меньшей торцевой поверхности. Преобразователь, выполнен в виде пьезоэлектрических пластин, соединенных с каждой из граней. В центре меньшей из торцевых поверхностей концентратора размещена полость, сообщающаяся, с одной стороны, с этой поверхностью посредством капиллярного отверстия для выхода аэрозоля, а с другой стороны с резервуаром для подачи распыляемой жидкости.
Наиболее эффективным вариантом реализации аэрозольного аппарата является одновременное питание преобразователя электрическими колебаниями двух частот. Одна из питающих частот соответствует половине длины волны в материале пьезоэлектрических пластин, а вторая соответствует половине длины волны ультразвуковых колебаний в материале элемента в виде тела вращения. При этом меньшая из торцевых поверхностей концентратора имеет поверхность произвольной геометрической формы, например виде чаши.
Существенного расширения функциональных возможностей аэрозольного аппарата можно добиться соединением полости, выполненной в центре меньшей из торцевых поверхностей, посредством капилляров, проходящих через концентратор и выходящих на большую торцевую поверхность концентратор, с резервуарами для подачи различных по свойствам распыляемых жидкостей.
На рисунке 3 для иллюстрации конструкции и пояснения принципа работы представлен эскиз аэрозольного аппарата.
Ультразвуковой аэрозольный аппарат состоит из генератора электрических колебаний 1, пьезоэлектрических пластин 2, размещенных на гранях большей торцевой поверхности элемента в виде тела вращения 3. Грани большей торцевой поверхности расположены симметрично относительно продольной акустической оси элемента 3, на равных расстояниях от центра меньшей торцевой (распылительной) поверхности 4. В центре распылительной поверхности 4 элемента 3 размещена (выполнена) полость 5, образующая распылительную камеру, имеющая капиллярное отверстие 8 для выведения образованного аэрозоля потребителю. По капилляру 6 полость 5 сообщается с резервуаром для распыляемой жидкости 7.
Распылительная поверхность 4 может иметь поверхность произвольной геометрической формы, например, в виде чаши (рисунок 4, а), имеющей произвольный наклон относительно продольной акустической оси элемента 3 (рисунок 4 б).

Рисунок 3 – Эскиз аэрозольного аппарата



а) чашеобразная распылительная поверхность б) наклонная распылительная поверхность


Рисунок 4 – Возможная форма распылительной поверхности

Полость 5, выполненная в центре распылительной поверхности 4, может соединяться с резервуарами 7 для подачи различных по свойствам распыляемых жидкостей, посредством нескольких капилляров 6, проходящих через концентратор и выходящих на большую из торцевых концентратора (рисунок 5).

Рисунок 5 – Аэрозольный аппарат с возможностью одновременного распыления трех различных жидкостей


В целом конструкция предлагаемого распылителя представляет собой двухчастотную ультразвуковую колебательную систему с ярко выраженными резонансами килогерцового (низкочастотного) и мегагерцового (высокочастотного) диапазонов (резонансы пьезоэлектрических пластин, например, 2,5 МГц и всей конструкции, например, 120 кГц). Система может возбуждаться одновременно на двух резонансах или на каждом в отдельности.
При возбуждении на частоте килогерцового диапазона (120 кГц), распылитель представляет собой пьезоэлектрическую колебательную систему с концентратором ультразвуковых колебаний, роль которого выполняет элемент 3. В этом случае генератор 1 создает электрические колебания ультразвуковой частоты, равной продольной резонансной частоте элемента 3. Мощности ультразвуковых колебаний, генерируемые пьезоэлектрическими пластинами 2 складываются на распылительной поверхности 4 и распыление жидкости происходит со всей поверхности 4. Форма и направление формируемого факела распыления определяются формой распылительной поверхности 4.
На рисунке 6 показан факел распыления, формирующийся поверхность распыления в форме чаши, с углом наклона 300. Подача жидкости на распылительную поверхность 4 происходит посредством капилляра 6 за счет разряжения возникающего на поверхности 4. Средний диаметр капель аэрозоля формируемого на этой частоте равен 18-20 мкм.


Рисунок 6 – Формируемый факел аэрозоля

На частоте мегагерцового диапазона генератор 1 создает электрические колебания высокой частоты, равной резонансной частоте (например, 2,5 МГц) пьезоэлектрических пластин 2, преобразуемые за счет пьезоэффекта пьезоэлектрическими пластинами 2 в ультразвуковые колебания, собираемые в полости 5 в центре распылительной поверхности 4 концентратора 3. Ультразвуковые колебания, возникающие в полости 5, вызывают разряжение внутри этой полости, обеспечивающие подачу распыляемой жидкости по капилляру 6 в полость 5. При этом сечение капилляра 6 выбирается таким образом, чтобы силы поверхностного натяжения удерживали находящуюся в нем жидкость, исключая ее самопроизвольное вытекание при любом положении аэрозольного аппарата. При выполнении нескольких капилляров 6, одновременная подача различных распыляемых жидкостей осуществляется аналогичным образом и под действием ультразвуковых колебаний в полости 5 происходит их смешивание. После заполнения полости 5, ультразвуковые колебания, приходящие в эту полость, окончательно фокусируются в распыляемой жидкости, вызывая ее мелкодисперсное (3..5 мкм) распыление через капиллярное отверстие 8.
Наиболее эффективным является режим работы, при котором генератор 1 создает электрические колебания высокой частоты мегагерцового диапазона (2.5 МГц), модулированные колебаниями килогерцового диапазона (120 кГц) (рисунок 8). В этом случае происходит одновременное высокочастотное распыление жидкости из полости 5 и низкочастотное распыление с поверхности 4.



Рисунок 8 – Форма напряжения питающего распылитель

Получаемый в таком режиме распыления аэрозоль имеет распределение капель различного размера в общем объеме аэрозоля, показанное на рисунке 9.
На гистограмме, показанной на рисунке 9 (ось Х – диаметр капли, ось Y – процентное содержание капель указанного диаметра в общем объеме составе аэрозоля) отчетливо видны два максимума, соответствующие диаметрам капель (3-5мкм и 18-20мкм), образующихся при возбуждении распылителя на частотах его основных резонансов (2,5 МГц – резонанс пьезоэлектрических пластин 2, и 120 кГц – резонанс элемента в виде тела вращения 3). Промежуток между основными диаметрами капель (3-5мкм и 18-20мкм) также достаточно «плотно» заполнен каплями промежуточного диаметра. Изменяя взаимное расположение основных резонансов распылителя можно регулировать плотность заполнение этого промежутка.


Рисунок 9 – Распределение капель формируемого аэрозоля

Таким образом, в предлагаемой конструкции происходит двойное фокусирование ультразвуковых колебаний:
  1. в металлическом концентраторе;
  2. в малом объеме жидкости, находящейся в полости 5 (в активной зоне распылителя).

Это позволяет говорить об эффективности применения предлагаемого аэрозольного аппарата для генерации аэрозоля с заданными дисперсными характеристиками. Об энергетической эффективности предлагаемой конструкции распылителя можно судить по степени фокусировки ультразвуковой энергии в материале концентратора 3 (рисунок 10). Интенсивность звуковой энергии в полости 5 в центре торцевой поверхности 4 (в распылительной камере) не менее чем в 30 раз превосходит интенсивность звуковой энергии на поверхности пьезоэлектрических пластин 2, при этом, в процессе распыления воды с производительностью распыления 1 мл /мин расходуется не более 3 Вт электрической энергии. Все это позволяет говорить о высокой энергетической эффективности преобразователя.



Рисунок 10 – Фокусирование УЗК в концентраторе

Такая конструкция ультразвукового аэрозольного аппарата позволяет создать портативные ультразвуковые аэрозольные аппараты, в которых отсутствует возможность вытекания распыляемой жидкости. Применение такого аэрозольного аппарата максимально просто – аналогично применению ингалятора для астматиков. Нажал кнопку – происходит генерация аэрозоля. Однако в отличие от существующих портативных ингаляторов, использующих гидродинамический способ распыления, в предложенном устройстве формируется мягкий равномерный аэрозоль, легко проникающий в альвеолы легких.

659305, г. Бийск, ул. Трофимова 27, корп. Б, каб. 101-1

+7 (3854) 43-25-81

vnh@bti.secna.ru