УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АЭРОЗОЛЬНЫЙ АППАРАТ
ULTRASOUND AEROSOL THERAPY APPARATUS

Изобретение относится к области медицинской технике, а именно к ультразвуковым (УЗ) аэрозольным аппаратам индивидуального пользования, предназначенным для лечения заболеваний дыхательных путей. Особенно эффективным является использование устройства для снятия обострений хронических заболеваний (например, приступов астмы).
Изобретение предназначено 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.). Его 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 настоящее время наибольшее распространение в практике лечения отоларингологических заболеваний получили ультразвуковые аэрозольные аппараты (ингаляторы), обеспечивающие формирование аэрозоля за счет фокусирования УЗ-колебаний на поверхности распыляемой жидкости. В основу таких аппаратов положены различные технические решения [1, 2].
Такие аппараты включают в себя электрический генератор ультразвуковых колебаний, питающий фокусирующий излучатель на основе пьезокерамики, резервуар для распыляемой жидкости, камеру образования аэрозоля, отражатель крупных капель и полый дефлекторный кожух для формирования аэрозольного облака (струи) определенной направленности. Принцип работы ультразвукового аэрозольного аппарата заключается в фокусировании энергии ультразвуковых колебаний на поверхности распыляемой жидкости, формировании фонтана, в котором происходит кавитационное распыление жидкости.
Известные ультразвуковые аэрозольные аппараты позволяют осуществлять мелкодисперсное распыление аэрозолей в фонтане. Однако им присущ ряд существенных недостатков.
1. Аппарат функционирует только в вертикальном положении, что исключает его использование за пределами дома или процедурных кабинетов поликлиник в движении или лежачими больными.
2. Аппарат невозможно переносить в снаряженном (подготовленном к работе) состоянии, т.к. любое отклонение аэрозольного аппарата от вертикального положения вызывает пролив распыляемой жидкости. Следствием этого является длительное время подготовки к работе,
3. Аппарат характеризуется высокой потребляемой мощностью, обусловленной использованием фокусировки УЗ-колебаний в жидкости, приводящей в значительному затуханию колебаний высокой частоты (до зоны распылении доходит не более 20% энергии излучаемых пьезоэлементом колебаний), что исключает использование аппарата в полевых условиях при обеспечении питания от аккумуляторных батарей.
4. Аппарат обеспечивает малую производительность распыления и имеет ограниченный диапазон размеров частиц формируемого аэрозоля, обусловленный использованием только одного способа распыления - распыления в формируемом фонтане [3].
Все перечисленные недостатки предполагают невозможность создания малогабаритного, переносного УЗ аэрозольного аппарата постоянной готовности (аналогичного аэрозольным баллончикам под давлением), имеющего независимое батарейное питание и предназначенного для индивидуального пользования.
Частичное устранение перечисленных недостатков известных технических решений обеспечивает ультразвуковой аэрозольный аппарат [4], принятый за прототип. Прототип содержит генератор электрических колебаний, соединенный с пьезоэлектрическим преобразователем, установленным в акустическом контакте с концентратором, выполненным в виде тела вращения с изменением диаметра и большей и меньшей торцевыми поверхностями, меньший торец которого сообщен через концентратор с резервуаром для подачи распыляемой жидкости.
Ультразвуковой аэрозольный аппарат, приятый за прототип, обеспечивает возможность формирования аэрозолей при любой его пространственной ориентации, однако он не устраняет остальных недостатков известных конструкций. Кроме того, прототипу свойственны следующие недостатки:
1) ультразвуковой аппарат не позволяет формировать аэрозоль с диаметром капель менее 20 мкм, что обусловлено использованием низкой рабочей частоты аэрозольного аппарата (125 кГц). Такой «грубый» аэрозоль не проникает в альвеолы легких, что значительно снижает положительный медицинский эффект от использования аэрозольного аппарата;
2) аппарат характеризуется повышенными затратами энергии на распыление ввиду отсутствия фокусировки ультразвуковых колебаний в материале звукопровода.
Таким образом, техническое решение, принятое за прототип, также не обеспечивает возможности создания малогабаритных и высокоэффективных переносных ультразвуковых аэрозольных аппаратов, обеспечивающих формирование аэрозолей заданной дисперсности.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующих конструкций и создание малогабаритного, переносного ультразвукового аэрозольного аппарата с регулируемым дисперсным составом формируемого аэрозоля и работающего при любой пространственной ориентации.
Предлагаемый ультразвуковой аэрозольный аппарат содержит генератор электрических колебаний, соединенный с пьезоэлектрическим преобразователем, установленным в акустическом контакте с концентратором, выполненным в виде тела вращения с изменением диаметра и большей и меньшей торцевыми поверхностями, меньший торец которого сообщен через концентратор с резервуаром для подачи распыляемой жидкости. Концентратор выполнен с конусным, экспоненциальным или ступенчатым изменением диаметра вдоль продольной оси, большая торцевая поверхность которого образована плоскими, симметричными относительно продольной оси гранями, расположенными на равных расстояниях от центра меньшей из торцевых поверхностей, в котором выполнено капиллярное отверстие, связанное с полостью, сообщенной с резервуаром для подачи распыляемой жидкости, а пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде пьезоэлектрических пластин, соединенных с гранями большей торцевой поверхности концентратора.
Наиболее эффективным вариантом реализации аэрозольного аппарата является решение, когда генератор электрических колебаний выполнен с возможностью работы на двух частотах, одна из которых равна продольной резонансной частоте концентратора, а вторая - резонансной частоте пьезоэлектрических пластин, при этом меньшая из торцевых поверхностей концентратора имеет форму чаши.
Существенного расширения функциональных возможностей аэрозольного аппарата можно добиться, когда полость сообщена с резервуаром для подачи распыляемой жидкости посредством капилляров, выведенных на большую торцевую поверхность.
Сущность предложенного изобретения поясняется фиг.1-7.
На фиг.1 для иллюстрации конструкции и пояснения принципа работы представлен графически эскиз предлагаемого аэрозольного аппарата.
Ультразвуковой аэрозольный аппарат содержит генератор электрических колебаний 1, соединенный с пьезоэлектрическим преобразователем, выполненным в виде пьезоэлектрических пластин 2, соединенных с гранями большой торцевой поверхности концентратора 3. Грани большей торцевой поверхности расположены симметрично относительно продольной оси концентратора 3, расположены на равных расстояниях от центра меньшей из торцевых поверхностей 4. Концентратор 3 выполнен с конусным, экспоненциальным или ступенчатым изменением диаметра вдоль продольной оси. В меньшей из торцевых поверхностей 4 концентратора 3 выполнено капиллярное отверстие 8 для выведения образованного аэрозоля потребителю, связанное с полостью 5, образующей распылительную камеру и сообщающейся с резервуаром для распыляемой жидкости 7 через капиллярное отверстие 6.
Меньшая из торцевых поверхностей 4 может иметь поверхность произвольной геометрической формы, например, в виде чаши (фиг.2,а), имеющей произвольный наклон относительно продольной оси концентратора 3 (фиг.2,б), а полость 5 соединяется с резервуарами 7 для подачи различных по свойствам распыляемых жидкостей посредством нескольких капилляров 6, проходящих через концентратор 3 и соединенных с резервуарами для распыливаемой жидкости (фиг.3).
В целом конструкция предлагаемого распылителя представляет собой двухчастотную ультразвуковую колебательную систему с ярко выраженными резонансами килогерцового (низкочастотного) и мегагерцевого (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.
Работа распылительного аппарата осуществляется следующим образом.
При возбуждении на частоте килогерцового диапазона (120 кГц) распылитель представляет собой пьезоэлектрическую колебательную систему с концентратором ультразвуковых колебаний 3. В этом случае генератор 1 создает электрические колебания ультразвуковой частоты, равной продольной резонансной частоте концентратора 3. Мощности ультразвуковых колебаний, генерируемые пьезоэлектрическими пластинами 2, складываются на меньшей торцевой поверхности 4, и распыление жидкости происходит со всей поверхности 4. Форма и направление формируемого факела распыления определяются формой меньшей торцевой поверхности 4.
На фиг.4 показан факел распыления, формирующийся меньшей из торцевых поверхностей 4 в форме чаши, с углом наклона 30°. Подача жидкости на меньшую торцевую поверхность 4 происходит посредством капилляра 6 за счет разрежения, возникающего на поверхности 4. Средний диаметр капель аэрозоля формируемого на этой частоте равен 18-20 мкм.
На частоте мегагерцевого 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 торцевой поверхности 4 концентратора 3. Ультразвуковые колебания, возникающие в полости 5, вызывают разрежение 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 мегагерцевого диапазона (2.5 МГц), модулированные колебаниями килогерцового диапазона (120 кГц) (фиг.5). В этом случае происходит одновременное высокочастотное распыление жидкости из полости 5 и низкочастотное распыление с поверхности 4.
Получаемый в таком режиме распыления аэрозоль имеет распределение капель различного размера в общем объеме аэрозоля, показанное на фиг.6. На гистограмме, показанной на фиг.6 (ось Х - диаметр капли, ось Y - процентное содержание капель указанного диаметра в общем объеме составе аэрозоля), отчетливо видны два максимума, соответствующие диаметрам капель (3-5 мкм и 18-20 мкм), 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 (3-5 мкм и 18-20 мкм) также достаточно «плотно» заполнен каплями промежуточного диаметра. Изменяя взаимное расположение основных резонансов распылителя, можно регулировать плотность заполнения этого промежутка.
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 в виде тела вращения 3 (фиг.7). Интенсивность звуковой энергии в полости 5 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.
Благодаря таким низким энергетическим затратам электронный генератор для питания распылителя может иметь простое схемотехническое решение и выполняться по схеме автогенератора, изготовленного на одной интегральной схеме (например, FSFR1700 фирмы FAIRCHILD SEMICONDUCTOR) с возможностью питания от стандартного гальванического элемента. При этом суммарная электрическая мощность, потребляемая устройством (с учетом потерь), не превысит 5…6 Ватт.
Предложенные конструкции ультразвукового аэрозольного аппарата позволяют 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.
Мелкосерийное производство разработанного ультразвукового аэрозольного аппарата планируется начать в 2010 году.
Источники информации
1. Патент РФ №2039576.
2. Патент РФ №2070062.
3. Физические основы ультразвуковой технологии. / Под ред. Л.Д.Розенберга - М., Наука, 1970.
4. Патент РФ №2012360 - прототип.