（生物医学工程专业论文）智能雾化器.pdf

a b s t r a c t d u r i n gt h ef i g h ta g a i n s ts a r s1 a s ts p r i n g ， t h et r a d i t i o n a lm e t h o do f g i v i n gm e d i c i n et oc u r et h el a s tr e s p i r a t o r yt r a c ti n f e c t i o nh a st of a c e t bn 明c h a u e n g e t h et r a d i t i o n a l t h o do fg i v i n gm d i c i n e 豫i n l yi s t h ei n t r a v e n o u si n j e c t i o n 锄dt a k i n go r a l l y ，f i n a l l ya r r i v i n gt h ed i s e a s e f o c u st h r o u g bt h eh e m a lc o n v e y a n c e t h ed i s a d v 卸t a g e so ft h i sm e t h o da r e 1 0 - 。e f f i c i e n c y ，b i gt o x i c i t y 柚di n e f f e c t i v et r e a t m e n t t h u s ， id e s i g n e d t h i sm i n i s i z e 叫l t i f u n c t i o n a lp h 锄a c e u t i c a la t 伽i z e r 。- h i c hh a st h e f u n c t i o n so fa t o m i z a t i o n ， i n d r a f t i n g0 x y g e n 锄dm o i s t e n i n ga n dh e a t i n g u p i t i sa u t o c o n t r o l l e db ym i c r o p r o c e s s o r i ti sc o n n e c t e d - i t h0 x y g e n p i p e l i h e ，i h i c hc a nt a k et h ep l a c eo ft h ei n t r i n s i co x y g e nv a l v e i tc a i l a t o m i z et h em e d i c i n e1 i q u i di n t os l i g h ta e r o s o l - | 1 i c ht h e ne n t e r si n t o f a u c e s ，p n e o g a s t e ra n d1 u n g - o u n d e ds u r f a c ea l o n g _ i t ht h eb r e a t ho f p a t i e n t f i n a l l y ，t h ep u r p o s eo fc o n c e n t r a t i o nt r e a t m e n ti sa d l i e v e 也t h e a d v a n t a g e sa r ef l a t o u tq u i c k ，e f f e c t i v e ，锄dh a v i n gn op a i na n d s u f f e r i n g s 胃h e ne s p e c i a l l ya s s o r t e d - i n it h e 印p r o p r i a t em e d i c i n e ， i t h a ss p e c i a l l yo b v i o u se f f e c ti nc u r i n gr e s p i r a t o r yo r 哪si 1 1 n e s s ，s u c h a sa s t h m ，c h r o n i cb r o n c h i t i sa n dp n e u m o n i ae t c a f t e rs o m ei n v e s t i g a t i o n ， i th a sg o o dm a r k e tp r o s p e c t t h eu t i l i t ym o d e lp r o v i d e sa n de n t i r e l yn 明 0 x y g e nm o i s t u r i z i n ga p p a r a t u s ， w h i c h - i 1ls u b s t i t u t et h et r a d i t i o n a l t r e a t m e n ta n db ee a s i l ya c c e p t e db yt h ep a t i e n t s ，r e p r e s e n t i n gt h el e a d i n g l e v e li th a sap r e v a l e n tm a r k e tc o 印e t i t i o na d v a n t a g e - o r k i n gt h e o r y ：i ft h ep h a m a c e u t i c a la t o m i z a t i o nt h e r a p yi sn e e 山d ， t h em e d i c i n el i q u i da n dd i s t i l l e d r a t e ra r ep u ti n t oc u p sr e s p e c t i v e l y t h e _ a t e rd i s s o l v a b l em e d i c i n ei ss m a s h e db yt h eu l t r a s o n i cf r 咖t h e u l t r a s o n i ct r a n s i | u c e r sb e l o 玑讪i c hc a l ia t o m i z et h em e d i c i n ei n t ov e r y f i l 悖a t 帆i z e dp a r t i c l e s - i t ht h eo x y g e nf r o 哪t h ec o n n e c t e dp i p eli n ef o r p a t i e n t st ob r e a t h ei n h e r e ， - ec a na c h i e v et h et w op u r p o s e so x y g e n 脚1 0 i s t e n i n ga n dg i v i n gm e d i c i n et ot h ed i s e a 8 ef o c u sd i r e c t l y i fn o t ，o n l y t h ed i s t i1 1 e d - a t e ri nt h ec u pi sa t 鲫i z e dj u s tf o r0 x y g e nm o i s t e n i n g i ( e y w o r d s ：s a r s ，u l t r a s o n i c ， a t o m i z a t i o n ，m i c r o p r o c e s s o r 智能雾化器 第一章绪论 第一章绪论 去年春天，我国爆发了大规模的“非典型性肺炎”( s a r s s e v e r ea c u t e r e s p i r a t o r ys y n d r 伽e ) ，给全世界人们的健康带来了极大的威胁。我发现在治 疗呼吸道疾病的方式上仍然以传统的给药方式为主，即采用口服药物或静脉注射 的方式来进行治疗，尽管吸入疗法已经在我国流传了很久，但是现有的吸入治疗 器械仍有一定的缺陷，从而限制了这种治疗手段的发展。我从日常生活中发现， 医院对于呼吸道疾病的患者都会要求进行吸氧治疗，于是我结合了我的专业知识 对现有吸入治疗器进行了较大改进，希望能探索一条有效的治疗方法。 1 气溶胶吸入疗法 早在l o o o 多年以前，我国、印度和中东国家就有以吸入药物的方法来治疗 疾病的记载，如吸入硫和砷的蒸气，吸入易挥发芳香剂和薄荷醇、密香草酚或吸 入燃烧某些植物( 如颠茄、曼陀罗属植物) 产生的烟来治疗疾病，并延续至今，中 医仍用曼陀罗属植物来治疗哮喘，现代药学研究表明：这类植物中含有抗胆碱能 支气管舒张剂。吸入疗法与其他途径给药相比较有许多显著的好处。气溶胶微粒 有一个十分有利的表面积与容量的比例，有利于药物迅速弥散，进入气道后有广 泛的接触面且作用部位直接。给药剂量很低，体内的吸收很少，因此副作用很轻 微。药物开始作用的时间迅速而作用持续的时间满意。所谓气溶胶，就是微小的 液体或固体微粒悬浮于空气中液体微粒气溶胶也称为。雾”，固体微粒气溶胶 又称为“尘”或“烟”。治疗用气溶胶无论是由溶液、混悬液或纯药的粉剂产生 的，部是异向播散的，也就是说气溶胶内的大量雾滴或微粒的大小是不规则的， 只是微粒的物理直径、形态和运动速度有一个范围，微粒的物理特性对气溶胶吸 入后在气道不同部位的沉降有决定性影响，尤其足微粒的直径，是影响其吸入肺 内的剂量和剂量在肺内分布的主要因素。 所谓气体动力学质团微粒的中位数直径( a e r o d y n 鲫i c 尬s sm e d i u m d i 硼e t e r ，a m m ) ，是指微粒的直径以此均分。气溶胶微粒进入气道以后并不像 气流那样顺着支气管顺利前进，而是按照其物理学原则沉降在呼吸道各个部位。 决定气溶胶微粒在气道内沉降的有5 种力学机制，即惯性冲撞、重力沉积、弥散、 阻截和静电凝结。因为即使与最小的气道相比，微粒也是极小的，因此“阻截” 对微粒的沉降影响不大；静电凝结只是在微粒刚产生时发生，进入气道以后微粒 的静电凝结就已不明显；因此前三种：惯性冲撞、重力沉积和弥散是微粒在各级 支气管上沉降的主要形式。 惯性冲撞：惯性的大小与其重量和速度有关。以惯性冲撞的方式沉降一股都 是瞬间发生的，它的作用受局部气道形态和气流方式影响很大。因为大气道的总 智能雾化器 第一章绪论 横截面积小，气流速度快，加上上气道通路曲折的解剖特点，使气溶胶微粒在随 吸气流进入时不能直线前行，而是不断发生急剧的方向变化，如在鼻和咽部受到 弯曲和旋转，在喉部受到阻挡，在气管隆突和支气管分叉内不断地被分流，因此 惯性冲撞沉降主要发生于大气道( 咽、喉、气管和主支气管) 和较大的微粒( 重量 较大，惯性也大) 。上气道的湍流也增加了微粒的冲撞沉降。 重力沉积：如果微粒以重力沉积的方式沉降，就有一个时间依赖性的过程， 因为微粒以重力形式在气道内集聚的有效性随其在气道内停留的时间而增加。此 外，微粒在气道内的位置也与重力沉积密切相关。随着支气管的不断分支，支气 管管径逐渐缩小，但总横截面迅速增加，气溶胶微粒随气流进入下气道后，流速 显著减慢并变为层流，微粒在气道内停留时间延长，慢气流、长时间和短距离( 气 道管径小，沉降距离短) 均十分有利于重力沉积。因此，重力沉积主要发生于下 气道和较小的微粒。 弥散：当气溶胶微粒随气流进入呼吸性细支气管和肺泡时，极小的微粒在没 有气流的情况下，以布朗运动的方式( 即纷乱的不断的运动) 粘着沉降在细支气管 和肺泡壁。 2 影响气溶胶微粒在气道沉陷的因素 气溶胶吸入疗法的主要要求是药物微粒应沉降在各级支气管相应需治疗的 部位。影响气溶胶微粒在气道内沉降的因素如下： 1 ) 物理因素在影响气溶胶沉降的众多物理因素中，以气溶胶微粒的大小 ( 即微粒直径) 最为重要，已有多个研究表明：直径l 一5 um 的微粒在下气道和 肺内有较多的沉降，其中直径l 一3um 的微粒肓最理想的细支气管和肺泡内沉 降，小于ll im 的微粒吸入肺内后悬浮在空气中，虽能以弥散的方式沉降，但沉 降量不多，大部分随呼气流又被呼出。由此可见：气溶胶发生装置的质量，即其 产生的微粒大小对吸入疗法的疗效有重要影响。 2 ) 呼吸因素气溶胶微粒的沉降情况与患者的呼吸类型也有密切关系，增 大潮气量，减慢吸气流速，即保持深而慢的呼吸有利于增加气溶胶微粒在下气道 和肺泡的沉降，反之，低潮气量的浅而快呼吸将导致吸入气溶胶微粒的分布不均， 也影响微粒进入下气道。 3 ) 解剖因素s u c k e r 采用气管模型观察气管的形态改变对气溶胶沉降的影 响。当气管有炎症、粘膜水肿使管径呈均匀性缩窄时，同样的吸气量可使微粒在 气管的沉降率增加。因为管腔狭窄，气体流速增高，增加了惯性冲撞的机会。同 时气体的通过产生枯膜壁震动，也增加微粒与管壁的接触，从而使沉降增多。当 气管内存在分泌物时，可形成气一液相界面，高速气体通过时使液体产生移动波， 增加与微粒接触的机会，在相同条件下气管内微粒沉降率较之无分泌物时增高 2 智能雾化器第一章绪论 8 5 。由于大量微粒在分泌物表面沉降，与气道壁相隔绝，因而对一个气道有分 泌物的患者，气溶胶吸入的疗效会明显降低。当气道因疾病发生阻塞，变形时也 影响气溶胶微粒沉降。 3 吸人药物的药代动力学 将药物作为气溶胶吸入有几个不同目的：为了让药物吸入后能在上或下气 道、肺泡处直接发挥作用；为了让药物在肺间质局部发挥作用；为了让药物能经 气道吸收，在身体其它部位发挥作用。目的不同，所用药物经气溶胶吸入后的药 代动力学也应该不一样。因为药代动力学对吸入药物的药理学和药效学具有决定 性影响。 1 ) 吸入药物在肺内的滞留：药物微粒沉降于各级气道和肺泡以后，在肺内的 滞留时间与其沉降部位有关，也与药物的理化性质有密切关系。因为喉 至末梢细支气管的表面均有一层纤毛粘液毯覆盖，沉降在它上面的不溶 性气溶胶微粒可被纤毛粘液毯运输，送至口咽部以后被咽下。如果微粒 沉降于肺泡内，那么药物微粒在肺内的滞留时间将显著延长。如果气溶 胶吸入治疗的目的是希望药物在肺内或肺间质内局部发挥作用，那么药 物微粒在肺内滞留长时间将可显著延长药物的作用时问。这对以吸入疗 法来治疗肺实质性疾病有重要应用价值。理想情况下，药物微粒在肺泡 的沉降率可达全肺内沉降总量的5 0 。如果气溶胶吸入的药物微粒是溶 液或足可溶性的物质，那么可经各级气道和肺泡吸收，没有吸收的部分 仍经纤毛粘液毯运输到口咽部再咽下经胃肠吸收。 2 ) 吸入药物的吸收：原则上说，以气溶胶方式吸入的可溶性微粒不管沉降在 气道的什么部位，均可在局部吸收，但吸收率在各个部位有所不同，也 与药物的理化性质有关动物实验模型和人的药代动力学资料显示，药 物在肺内的吸收是与局部沉降的剂量成比例的。实验动物的呼吸道上皮 也具有生物膜脂一孔模型的特点，脂溶性药物可溶于生物膜的类脂质中 而弥散，故较易吸收，弥散率与其脂水分配系数相关联。水溶性药物 通过生物膜的膜孔弥散来吸收，吸收率与其分子大小呈负相关，则小分 子药物吸收率高，大分子药物难以吸收。某些药物如色昔酸钠至少有 部分是通过可饱和载体运输来吸收的。实验证明：同样的药物经气溶胶 吸入后吸收速度比以溶液形式经气管注入后的吸收速度至少快l 倍，这 提示肺泡膜的渗透性比气管支气管的渗透性要好，但也可能是肺泡的气 一血界面很薄，弥散途径要短的关系。以上来自于动物实验的资料是否 适用于人还有待实验证明。在人身上也己进行了有关拟交感胺类平喘药 物的研究，气管内滴入异丙肾上腺素溶液后同位素示踪显示，血药峰值 智能雾化器第一章绪论 出现时间是给药后2 小时；压力气溶胶吸入沙丁胺醇、血浆峰浓度在 吸入后3 5 小时测得，但血浆峰浓度也许与药物吞咽后经胃肠吸收有关。 沉降于气道的拟肾上腺素类药物是可以经气道吸收的，吸收的速度各种 药物存在差异，一般在3 0 分钟3 小时达血浆峰值，叔丁喘宁的吸收速 度也许比异丙肾上腺素和酚丙喘宁要快。色昔酸钠经胃肠吸收很差，因 此气溶胶吸入后测得的血浆浓度应该可以反映药物经气道的吸收。同位 素标记的色昔酸钠经干粉吸入器吸入后，血浆蜂浓度于1 5 分钟测得，可 见色苫酸钠的气道吸收是十分迅速的。布地缩松经压力雾化器雾化吸入 后，药物血浆峰值在l o 分钟出现，说明布地缩松经气道吸收也很快速。 在研究气溶胶吸入药物经气道吸收时，应特别注意：血药浓度水平和峰 值出现的时间与药物作用的强度和作用时间足完全不同的概念，不像全 身用药两者密切相关。因为气溶胶吸入给药，很多药物是在气道和肺内 局部发挥作用和局部代谢的。 3 ) 吸入药物在气道和肺内的代瓣：在人和狗的实验中均已证实，沉降于气道 的异丙肾上腺素在局部可被代谢，大约3 0 的药物在从气道进入循环时 被氧一甲基化，甲基化的异丙肾上腺素再在身体其它部位与硫酸盐结合。 异丙肾上腺素在气道内的代谢途径与经胃肠吸收的代谢途径不同，口服 吸收异丙肾上腺素在小肠壁需经受大量的首过代谢和在肝脏的少量代 谢，在小肠擘内异丙肾上腺素被结合，主要代谢产生为异丙肾上腺素硫 酸盐。气管内给予乙基异丙肾上腺素后，代谢方式与异丙肾上腺素相似， 在肺内经受大量的氧一甲基化代谢。与之相反，口服乙基异丙肾上腺素 后被代谢为乙基异丙肾上腺素硫酸盐和较小量的氧一甲基一乙基异丙肾 上腺素硫酸盐和乙基异丙肾上腺素葡糖旨酸。经呼吸道给予叔丁喘宁后， 同位累标记的药物在肺内均以原型存在。而口服叔丁喘宁在胃肠道和肝 内被代谢，主要在肠壁内与大量的硫酸盐结合。色苫酸钠庄肺内未被代 谢。气溶胶布地缩松吸入后很高的全身利用表明：布地缩松的经肺代谢 也很少，而口服布地缩松要经受大量代谢。间接证据表明，信氯荚松和 氟尼缩松也以同样方式，在肝脏经过大量首过代谢。上述研究的结果可 部分解释临床用药情况：色苫酸钠经胃肠道难以吸收，而经呼吸道吸入 则可迅速吸收进入体循环。拟肾上腺素类药物口服吸收需经受大量的首 过代谢，而经气溶胶吸入，即使很少量也有明显的舒张支气管作用，两 种给药方法疗效不同与其代谢途径不同有一定关系。对糖皮质激素的药 代动力学研究在发展局部用激素方面有重要意义。理想的吸入用糖皮质 激素应该是气道内有很高的局部活性，而吸收至全身时很快灭活，这可 4 智能雾化器 第一章绪论 导致气道局部有很强的药理学作用而没有全身副作用。上述研究表明， 倍氯米松、氟尼缩松和布地缩松基本具有这种理想的药代动力学特点。“1 智能雾化器第二章超声波及雾化理论研究与实践分析 第二章超声波及雾化理论研究与临床分析 一、超声波的特点 1 ) 束射特性 由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能 聚焦，而且遵守几何光学上的定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入 射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折 射，也就是要改变它的传插方向，两种物质的密度差别愈大，则折射也愈大。 2 ) 吸收特性 声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因 为物质要吸收掉它的能量。对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。对于一 个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最厉害，在液体中传播时吸收比较弱， 在固体中传播时吸收最小。 3 ) 超声波的能量传递特性 超声波之所以在各个部门中有广泛的应用，主要之点还在于比声波具有强大 得多的功率。“1 为什么有强大的功率呢? 因为当声波到达某一物资中对，由于声 波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率一样，分子振动的 频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能 量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决定的，所以如果声波 的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量、超声波的频率比声波可以高 很多，所以它可以使物资分子获得很大的能量；换句话说，超声波本身可以供给 物质足够大的功率。 n 1 4 ) 超声波的声压特性 当声波通入某物体时，由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将 使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。 由于超声波所具有的能量很大，就有可能使物质分子产生显著的声压作用、 在通过一般强度的超声波时，产生的附加压力可以达到好几个大气压力。液体中 存起着如此巨大的声压作用，就会引起值得注意的现象。当超声波振动使液体分 子压缩时，好像分子受到来直四面八方的压力；当超声波振动使液体分子稀疏时， 好像受到向外散开的拉力，对于液体，它们比较受得住附加压力的作用，所以在 受到压缩力的时候；不大会产生反常情形。但是在拉力的作用下，液体就会支持 不了。在拉力集中的地方，液体就会断裂开来，这种断裂作用特别容易发生在液 6 智能雾化罄 第二章超声波及雾化理论研究与实践分析 体中存在杂质或气泡的地方，因为这些地方液体的强度特别低，也就特别经受不 起几倍于大气压力的拉力作用。由于发生 断裂的结果，液体中会产生许多气泡状的 小空腔，这种空泡存在的时间很短，一瞬 时就会闭合起来。空腔闭合的时候会产 生很大的瞬时压力，一般可以达到几千甚 至几万个大气压力。液体在这种强大的瞬 时压力作用下，温度会骤然增高。断裂作 用所引起的互大瞬时压力，可以使浮悬在 液体中的固体表面受到急剧破坏。我们常 称之为空化现象。 图1 空化腐蚀现象 二、超声药物雾化吸入疗法 吸入疗法直接作用于病变部位，与口服法相比具有用药剂量小、见效快、副 作用少和使用方便等优点，且疗效显著。目前吸入疗法的药物微粒递送装置主要 有3 种：定量吸入器：是利用手压制动、定量喷射药物微粒的递送装置。携带 方便，操作简单，助推剂是氟里昂。干粉吸入器：由于可与吸气同步。吸入效 果较好，且不含氟里昂。主要有旋转式、碟式和涡流式3 种。雾化器：包括各 种超声波雾化器和喷射式雾化器。 超声雾化吸入疗法系气雾吸入疗法的一种。是利用超声的空化作用，使液体 在气相中分散，将药液变成雾状颗粒( 气溶胶) ，通过吸入直接作用于呼吸道病 灶局部的一种治疗方法。应用超声雾化器产生的气雾，其雾量大，雾滴小而均匀， 吸入时可深达肺泡，适合药液在呼吸道深部沉积。吸入一定的雾化剂，可解除支 气管痉挛，减少粘膜水肿和液化支气管分泌物，利于自呼吸道排出及刺激呼吸道 的自家清洁机制和改善通气功能；促进支气管炎症过程的控制。其优点是，药物 可直接作用于呼吸道局部，使局部药物浓度高，药效明显，对呼吸道疾病疗效快， 用药省，全身反应少。此外，药液在超声作用下形成的雾滴具有空气离子的作用。 其治疗设备主要有雾化器和雾化液。 超声雾化器；使用l ，3 0 0 2 ，5 0 0 l ( h z 超声能通过以水为介质的耦合槽，传递 到雾化罐内。超声振动作用于罐内液体，破坏其表面张力与惯性而产生雾滴，供 患者吸入。 雾化液：对选择药物的要求：有效成分为水溶性，无强烈刺激，无毒性，不 引起过敏反应；p h 接近中性；能适应组织的胶体渗透压；有较好的雾化效果与 稳定性，常用的有： 7 智能雾化器第二章超声波及雾化理论研究与实践分析 ( 1 ) 湿润荆：o 4 5 盐水( 蒸馏水与生理盐水各半) ，用于湿化痰液。 ( 2 ) 粘液分解剂：3 盐水或4 碳酸氢钠溶液。5 2 0 乙酸半胱氨 酸( 痰易净) 5 1 0 i n l 次。维生素c 1 0 0 m g 、碳酸氢钠7 0 g 、硫酸铜0 2 m g 的 合剂，1 2 片次。溴苄环乙铵( 必嗽平) 4 8 m g 次。胰脱氧核糖核酸酶5 1 0 i l 次。d 一糜蛋白酶5 m g 次( 生理盐水稀释) 等。 ( 3 ) 支气管扩张药：间羟异丙肾上腺素1 2 m g 次。异丙基肾上腺素 o 5 l m g 次。肾上腺素o 2 i i l g 次。喘速宁0 5 1 m g 次。舒喘灵0 1 m g 次。氨茶碱1 2 5 5 0 m g 次等。 ( 4 ) 激素：地塞米松0 7 5 m g 次；氢化可的松2 5 5 0 m g 次。 ( 5 ) 抗菌素：常用青霉素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素、氯霉素、新霉 素、红霉素、制霉菌素、杆菌肽等，每次剂量按全日肌注量的1 4 1 8 计。多 粘菌素易引起支气管痉挛，不宜采用。 ( 6 ) 中草药：鱼腥草、穿心莲、板蓝根、银黄、野菊花等以及其它中草药 的提取液。 ( 7 ) 其他：1 0 异菸肼、5 1 0 p a s 、5 病毒灵、扑尔敏等。 其主要适应证为各种急慢性呼吸道感染( 包括真菌感染) ，如咽炎、喉炎、 气管炎、支气管炎、毛细支气管炎、肺炎等；慢性阻塞性肺疾患( 慢性支气管炎、 肺气肿、支气管哮喘) 以及肺心病；全身其它疾病引起的肺部并发症如肺不张、 肺部感染：胸外科手术后、声带息肉术后、呼吸道烧伤及麻醉后呼吸道并发症的 预防和治疗；肺结核、矽肺等部疾病的局部给药等。还可进行家庭，病房内微小 气候的改善，以供疾病防治，保健疗养和康复治疗之用。 三、雾化器临床性能要求 1 供氧量 1 ) 成人每分钟最低限度要吸入2 5 0 3 0 0l i l l 氧，随着人活动量的增加， 吸入氧的量也加大。例如人在进行50 0 0 l oo o om 长跑的时候，每 分钟大约吸入6o o o 70 0 0m l 氧：暂没有发现过量吸氧而中毒资料。 2 ) 当呼吸道湿化时，考虑湿化量而定，氧驱可适当增加氧流量，以增加 驱动压流量一般为6 - l o l m i n 。 2 呼吸道湿化量 1 )正常人每天从呼吸道丢失的水份约3 0 0 5 0 0 i i l l 。 2 )成人以每天2 0 0 i n l 为最低量，确切量应视临床情况而定。美国国家 标准湿化量为3 0 m 虮。 3 )当气流量为2 5 升，分钟时，湿化后的气体的湿度为3 8 q 8 ，当气 流量增至l o 升分钟时，气体湿度为2 6 一3 4 ，说明气流量越大， 8 智能雾化器 第二章超声波及雾化理论研究与实践分析 氧气与水接触时间越短，湿化效果越差。 3 吸入温度 1 ) 吸入气体温度以3 2 3 5 为宜。因此加热器内的水温应维持在6 0 左右，2 吸入气体温度不应超过4 0 ，否则影响纤毛活动，出 现体温升高、出汗。 2 ) 严重蕾出现呼吸道烧伤。若吸入气体温度过低，则失去湿化、温化 效果。 3 ) 用医用超声雾化器对患者进行治疗时，当药液形成雾状的药物气溶 胶的数量及直径大小一定时，患者的治疗效果主要取决于患者吸入 药雾的数量和经牯膜等吸收药物的量。我们知道：喉粘膜对吸入的 空气具有调节温度、湿度等功能。当吸入气体的温度较低时，通过 粘膜的收缩，增大气流的阻力，使气流速度减慢，气流量减少，达 到增高吸入气体温度的目的。同时，由于粘膜的收缩，一方面使与 药物接触面积减少，另一方面又使枯膜的吸收能力下降。这样三种 因素决定药物的吸收剂奄，故在当患耆在吸入较冷的药雾气流时， 吸入的雾化量减少，人体能吸收到的药物剂量更进一步减少。所以 在气温较低的季节中，患者治疗的效果均有所下降，这一点在临床 治疗中得到证明。有没有什么较好的方法能使对患苦的治疗效果达 到稳定，均能取得满意的疗效呢：其一个最方便、最简便、可行的办 法就是让患昔吸入适宜温度的药雾。如何才能使患苦能够吸入适宜 温度的药雾呢：由于医用超声雾化器的送风装置是直接使用空气作 为气源，当室温偏低时，大流量药雾气液和室温相同温度，也将刺 激咽喉部，产生不适感，使咽喉部枯膜收缩，减少药雾的流量。根 据医用超声雾化器的工作原理得知，药雾的温度基本和送风装置送 入空气的温度相同，当提高送风装置送入的温度不就是增高了药雾 的温度了呢：如能在送风装置中增添一个加热装置，可以调整输送 药雾气流的温度，这样排除了刺激源，防止咽喉部等粘膜收缩，保 证患者吸入适宜温度、额定流量的药雾，保证吸入量，达到满意治 疗效果。“1 4 药溶液吸收量 1 ) 雾化吸入次数不能过多，以防肺水肿，一般以每日2 次为宜，每次 l5 艺o m i n 。 2 ) 每次吸入药量用蒸馏水或生理盐水3 0 5 0 m l 稀释后放入雾化罐内。 9 智能雾化嚣第三章雾化器的设计与实现 第三章雾化器的设计与实现 3 1概述 本智能雾化器是一种新型的多用途超声雾化器。它集雾化、吸氧加湿、加温 于一体，采用微处理器进行自动控制控制，技术先进，操作简单，使用方便，安 全可靠。由于市电是通过开关电源转换降低到安全电压，再加上气雾与电器控制 是分离设计的，所以不会有触电、漏电发生。本雾化器采用全塑料结构，超声雾 化部分为透明结构，造型美观新颖，结构轻巧。关键零部件采取多种形式的保护 措施，有超温保护，缺水保护等；药剂雾化采用一次性药杯，方便使用；噪音低， 适合医院病房使用雾化部分与机座采用插拔方式，便于清洗保养；从而确保本 雾化器性能稳定，实用、安全、使用寿命长雾化器能把水溶剂药物或蒸流水雾 化为2 微米左右的颗粒，经吸入直接作用于咽喉、肺腑等病灶，治疗速度快，效 果好，无痛苦，是医院、保健院、养老院、疗养院等单位必备的器械，尤其对于 哮喘，慢性支气管炎、鼻炎、肺炎、扁桃体炎等呼吸系统疾病和烧伤创面疗效显 著。本产品可以自动记录每次使用时间，在使用中可以对每个患者的使用时间进 行自动累计到患者出院时，通过读取装置就可以读出他使用的总时间，大大简 化了医院的工作，可以预见本产品在今后的数字化医院中可以起到更大的作用。 3 2 硬件电路设计方案 由于该雾化器的功能和控制对象较多，因而采用以单片机为主的控制电路，使控制系统设 计简单而可靠。该方案与前几个方案改动较大 3 2 _ 1 主要技术指标 超声频率；1 7 嘲z 1 0 最大雾化率： 4 m l 忸i n 连续工作时问。4 小时 电源电压l 4 5 v d c 1 a + 9 v d c 0 5 a 功率：5 佣 使用环境：温度范围：5 4 0 ；相对湿度：8 0 药溶剂雾化强度：分5 档设置，最大为4 m l m i n 左右，最小为2 m l m i n 水雾化强度：分9 档设置，最大为lm l m i n 左右，最小为0 0 5 m l m i n 药溶剂雾化杯容量：l o o m l 纯净( 或蒸流) 水雾化杯容量：2 0 0 m l 水槽装水量： 1 5 0 i n l 1 0 智能雾化器第二三章雾化嚣的设计与实现 水槽缺水保护： 1 0 0 m l 温度设置范围： 1 0 4 0 温度检测范围： 8 6 0 超温保护： 5 5 定时药剂雾化设置：o 6 0 分钟 工作时间显示：0 9 9 小时5 9 分钟 工作总时间显示、记录：o 9 9 9 9 小时 3 2 2 功能及性能： 1 雾化强度：由两个电位器调节改为由按键设置及程序控制。 2 开机自检：e e p r o m 存储器自检和温度测量自检。显示器和指示灯全亮，由操 作员目测。 3 开机导能水预热：如果水温较低( 如低于1 5 ) ，可自动加热，达到要求的 温度后既进入工作状态。 4 加热雾化水：温度设置范围为1 0 4 0 ，设定分辨率为1 。 5 存储工作总时间并显示，并且设有专用接口进行读数与清零，作为医院记时 收费。 6 缺水自动保护，并显示缺水符号和音乐提示。 7 水温超温保护：当导能水由于雾化时日j 长而使温度升高( 如5 0 ) ，雾化器 会自动停止雾化工作。 8 药物雾化与水雾化能自动切换。 9 按键设置改为8 个( 药量、强度、定时、温度、+ 、一、查询 和运行暂停键) 。 l o 本次连续工作时日】 = 5 h 。 1 1 增加了短路保护和热( 当温度超过7 5 时) 保护。 3 2 3 控制电路 1 开关电源：选用成品件。选用开关电源主要由于它具有体积小、重量轻及效 率高。超声雾化换能器要求驱动电压为4 8 v ，电流约o 6 5 a ，2 路超声雾化换 能器由于不同时工作，p t c 电路需要o 2 a ，单片机和其它电路的电源为9 v ， 所以技术要求为：输入2 2 0 v a c ；输出4 5 v d c o 9 a + 9 v 0 5 a 。单片机的稳压 电源使用7 8 l 0 5 稳压器。 2 显示和功能指示电路：采用4 位3 英时l 即( 绿色) 小型数码管，以减少体 积和重量。在正常工作时显示本次连续工作的时间。选用型号：s r 2 2 0 3 0 l c c 。 功能指示采用l e d 平面( 5 木l o ) 显示灯，供设置时使用。在设置状态下，通过 功能键可显示雾化强度( 分药溶液和水雾化) 、药量、温度设置、雾化定时时 间、导能水测量温度和总工作时日j 等。 3 设定键：为使医务人员操作方便，采用8 只功能键，一个运行暂停控制 键，只有按此键才能进入其它功能键的设置。药量设置键，设置范围在 0 、l o o m l 之间。强度设置键，第一次按该键为雾化药剂强度功能，显示3 位数，定义为x x xm l h o u r ，设置范围在1 2 0 “2 4 0 m l h o u r 之间：第二次按 该键为雾化水强度功能，显示l 位数，分l 3 档( 大致在5 0 1 5 0 m l 天范围 智能雾化器第三章雾化器的设计与实现 内) 。定时设置键，定时范围为o 、6 0 分钟。温度设置键，温度设置在 1 0 、4 0 范围内。+ 和一键，在功能设置状态下，作增或减设置参数使 用。查询功能键，按第一次显示导能水温度测量值；按第二次显示总时间。 再按运行暂停键，则雾化器开始运行。注意：在设置状态下，如果l o 秒内没有按键的话，则l o 秒后自动返回工作状态。 4 雾化超声片：药物雾化与水雾化均采用同一型号的超声雾化换能器 ( c f 2 5 一1 6 ) 。 5 超声雾化驱动电路：要求工作频率为1 6 j 删z ，驱动功率约3 0 w ，可方便地进 行停振或启动控制。雾化强度控制采用占空比的方式，简化硬件控制电路， 且增加了可靠性。( 由于药物雾化与水雾化不同时工作，所以只用一组驱动电 路通过继电器控制来驱动药液超声雾化换能器和水超声雾化换能器，这样可 以节约成本及减少电路的体积和重量) 。在雾化强度最大且雾化时间较长的情 况下，为降低大功率驱动管的发热温度，采用风冷方法降温，以提高可靠性 和耐久性。 院e e p r a m ： 采用x 2 5 0 4 5 型号e e p r o m 存储器，具有在线可读写和掉电保持功 能，还有硬件看门狗功能。 7 水位检测开关：采用l 根电极，利用水导电的作用来控制底杯的水位，底杯 无水则会使超声雾化换能器因干烧而损坏，水少则不能使超声雾化换能器的 能量及加热的热能有效地传递到药液雾化杯和水雾化杯中。 8 温度传感器：因温度控制要求不高，故采用普通热敏电阻( 师j 2 系列) 做温 度传感器，具有体积小( 圆珠状) ，检测转换电路简单经济。把温度传感器安装 在( 用来捡测水位的) 电极中间而与水隔绝，这样一来既提高了测温的可靠性， 又使结构设计得以简化，同时又减少了用户清洗温度传感器的工作。 9 p t c 加热控制：为了安全保证，采用低居里点( 6 0 ) p t c 片进行加热，无明 火且最大温度在4 0 4 6 范围内相对较低、安全，供电电源也可用较低的电压 ( 4 5 v ) ，寿命长。 l o 读数与清零专用接口：该接口专为仪器供应商核查使用总时间而设计的，仪 器供应商通过专用装置连接到该接口后，在核查完成后即可清除仪器上的总时 间。而医院因没有此专用装置而无法清零，从而保护了仪器供应商的利益。 “ 短路保护：为加强安全感，采用两路自复式保险丝，以避免因更换保险丝带 来的麻烦。另在大功率驱动管上粘贴一热保险丝，在风扇损坏的情况下大功率 驱动管会迅速提高而起保护作用。 1 2 单片机：选用m c s 一5 l 系列的单片机。 3 3 功能分配 雾化强度：由专用强度按键控制及调节药剂雾化强度和水雾化强度。药 剂雾化强度调节范围：1 2 0 2 4 0 m l m i n ( 均分五档) 。水雾化强度调节范围：l 9 档( 9 档为最大) 。 注：水雾化强度最大档比药雾化强度最小档要弱。 药剂雾化时闻设置：由专用定时按键来设置药雾化时间。范围：o 6 0 分钟。 雾化药物量设置：由专用药量按键置入药物鼍，以便控制雾化时间。 智能雾化器第三章雾化器的设计与实现 调节范围：o l o o m l 档。设定分辨率为l m l 。 温度设置：由专用温度按键来设置温度。范围：1 0 4 0 ，设定分 辨率为l 。 开机自检：自检温度测量和e e p r o m 存储器。 加热雾化水：根据温度设定值，来控制对药剂和( 雾化) 水进行传热。 存储工作总时间：雾化器的工作总时间，一般是不可进行设置或更改。 设有专用接口进行读数与清零，作为仪器供应商与医院记时收费( 然后 通过某密码方式方可进行清零) 。 温度检测值和工作总时日】的查询：由专用查询按键来查询大杯水的 温度检测值( 范围8 6 0 ) 和工作总时间( o 9 9 9 9 小时) 。 开机先进入“开始暂停”状态，通过按功能设置键( 对药物雾化强度、 药物垦等) 调节后，再按“开始暂停”键启动对雾器化的工作。 药物雾化与输氧水雾化能自动切换。 显示本次连续工作时间( 四位l 即数码显示绿色) 。 e e p r o m 存储器：存储设置值和工作时间及总时间，另外它带有看门狗和 掉电复位功能，可提高系统的可靠性。 3 4 控制组件 1 ) 开关电源 选用成品件。选用开关电源主要由于它具有体积小、重量轻及效率高。超声 雾化换能器要求驱动电压为4 8 v ，电流约0 8 a ，2 路超声雾化换能器由于不同时 工作，p t c 电路需要o 3 a ，单片机和其它电路的电源为9 v ，所以技术要求为： 输入2 2 0 v a c ；输出4 8 v d c o 8 a + 9 v 5 0 0 i i l a 。单片机的稳压电源( 约5 忡l a ) 使 用7 8 l 0 5 稳压器。 2 ) 显示和功能指示电路 采用4 位3 英时l e d ( 绿色) 小型数码管，以减少体积和重量。在正常工作 时显示本次连续工作的时日j 。选用型号：s r 2 2 0 3 0 l c c 。功能指示采用四个l e d 平面( 7 木1 4 ) 显示灯，供设置时使用。在设置状态下，通过功能键的闪烁来表示 药物雾化强度设定、雾化强度修定、药物雾化量设定、温度设定及温度测量和总 工作时间等。 3 ) 设定键 采用8 只键，药物雾化和水雾化强度设定键、药量设定键、运行 暂停键、温度设定键、+ 增l 键，一减l 键和查询( 温度检测和总 时间) 键。如果需要调节设置，则先按专用功能键，此时所对应的功能指示灯闪 智能雾化器 第二三章雾化器的设计与实现 烁，数码管( 根据需要l 4 位会相应) 闪烁，再按+ 键 或一键 ，则设 置在所要求的范围内依此递增( 或递减) 。再按其它的功能键，此时所对应的功 能指示灯和数码管闪烁，再按+ 键 或一键】，则设置在所要求的范围内 依此递增( 或递减) 其它的专用功能键依此类推。按运行暂停键，则仪器 开始运行。按查询键则显示温度测量值、总时间等。注意：在查询状态下，如果 6 7 秒内没有按键的话，则会自动返回工作状态。另外，药雾化强度设定的范围 0 均分五档。水雾化强度设定的范围为l 9 档。温度设定的范围为l o 4 0 。 药物量的设定的范围为o 1 0 0 m l ，连续设置按每1 0 m l 的数量增或减。 4 ) 超声雾化片 声波的发射和接收是通过换能器来完成的。换能器是可以把一种形式的能量 转换为另一种形式的能力的器件我们所涉及到的换能器就是那种能将超声能转 换为电能、机械能或其它一些形式的能量的器件。“1 而本机使用的是压电换能器。 它是采用那些能够呈现出压电效应的材料制成的，压电效应是由皮埃尔居垦与 雅克居里兄弟于1 8 8 0 年发现的。压电效应天然的存在于某些具有极轴的单晶体 中，诸如石英、电气石、锂、硫酸盐、氧化锌等晶体。 假如我们把具有压电特性的某种晶体材料切成圆片或者方片状，使得该片状 晶体的两个相对平面与给定的轴向相垂直，并在这两个平面上涂上金属薄膜作为 电极若有机械压力加在涂有电极的表面上时，则会在两个电极面上分别引起等 量异号的电荷，因而二电极间会产生可观察到的电压。这是正向压电效应。当两 个电极面上施加电压使之在晶体内形成一电场时，就会得到反向压电效应，此 时晶体将承受机械应变 正、反向压电效应均可与压应力或切应力有关，但究竟与哪个有关则要视与 电极面相垂直的极轴的选取而定。压电效应通常使用一个称之为d 常数的量来衡 量的由于压电效应是可逆的，因而d 这个量可以以两种等价的方式来定义之。 第一种定义，我们可以假设压电晶体受到一机械应力的作用，同时用导线将压电 晶体的两个电极面短路，择优应力引起的在两电极面上所出现的电荷将沿导线流 动，直至两电极面问的电势差为零若q 是总的流动电荷量，f 是产生应力的外 力，则常数d 定义为t 拈手( c - i ) 第二种定义，可令跨接在无机械负载的晶体电极上的电压为v ，无机械负载是指， 比如晶体在真空中处于自由支撑的情况。“1 若由v 引起的压变使得晶体表面产生 一个位移l 。则d 可定义为： d = 孚( 呐 l 智能雾化器 第三章雾化器的设计与实现 5 ) 超声雾化驱动电路 要求工作频率为1 7 删z ，驱动功率约3 5 w ，通过光耦隔离，能方便地进行 停振或启动控制。雾化强度调节由按键设置，由单片机控制驱动电路的停振或启 动时间占空比来实现所设置的雾化强度。( 由于药物雾化与水雾化不同时工作， 所以只用一组驱动电路通过继电器控制来驱动药液超声换能器和水超声换能器， 这样可以节约成本及减少电路的体积和重量) 。对于大功率管发热的问题，采用 风扇进行风冷以提高长时期工作的可靠性。 电路组成 为了获得较好的输出电压波形，若将电感反馈式振荡电路中的电容换成电 感，电感换成电容，并在置换后将两个电容的