CN103826756B - 气雾剂输出的分析和控制 - Google Patents

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Abstract

一种气雾剂产生系统（和方法）包括：用于产生气雾剂输出（2）的气雾剂产生装置（1）和用于使用产生装置驱动信号来控制所述产生装置（1）的控制器（12）。使用了气雾剂密度检测器（6、9）。时间延迟测量装置（13）适用于基于所述产生装置驱动信号和气雾剂密度检测器输出而导出时序测量结果，其中所述时序测量结果和所述气雾剂密度被组合以导出气雾剂输出速率。

Description

气雾剂输出的分析和控制
发明领域
本发明涉及气雾剂输出的分析。
背景技术
雾化器产生气雾剂输出，并且用于将药物传送通过呼吸道。患者接收呈小液滴（气雾剂）形式的特定量的药物，所述液滴是通过迫使药物通过网筛而形成的，所述网筛呈带有微小孔洞的薄金属板的形式。
将待雾化的一定量的药物（通常为0.2毫升到2毫升）给送到装置中，且所述装置借助众所周知的方法产生气雾剂，所述方法例如是共振腔中的震动网筛、震动角状物或震动平板。所需要的超声波震动由致动器（通常为压电晶体）产生。在治疗期间到达患者处的药物量等于所供应的药物剂量减去沉积在装置中的气雾剂和在治疗完成之后剩余在装置中的药物残余。
对于药物疗法来说，有时不仅要求精确地定义剂量，还要求定义药物被传送的速率，即气雾剂输出速率。雾化器通常借助施加到压电驱动系统的电功率和驱动频率来控制气雾剂输出速率。
所述气雾剂输出速率不能基于所施加的电功率来确切地预测。例如，由于装置和网筛的容差、温度以及网筛的清洁度，气雾剂产生系统可具有不同的效率（每单位电功率产生的气雾剂的量）。
可在反馈控制回路中使用系统来调整电功率，其中所述系统通过测量气雾剂束的密度和气流速率来估计气雾剂输出速率。气雾剂密度可借助垂直于所述气雾剂束的光束来测量。所述光束可由发光二极管（LED）产生。来自LED的光束形状是发散的，且可使用一个或一个以上透镜将所述光束准直为平行或接近平行的光束。还可以使用（例如）圆形或矩形光阑（diaphragm）使所述光束成形。
所述光束与气雾剂束十字交叉，并落在光学传感器上（可选地穿过光阑并可选地使用一个或一个以上透镜进行聚焦）。所述光学系统可通过在不存在气雾剂且LED关闭（“暗信号”）和LED打开（“亮信号”）的时候测量传感器信号来校准。如果存在气雾剂束，则光束的射线被液滴分散开，因此减少落在光学传感器上的光，且因此减少在光学传感器处测得的输出信号。由于光路径中的液滴所致的传感器上的光减少称为遮蔽（obscuration）。所述遮蔽可由参数（“亮信号”-“测得的信号”）/（“亮信号”-“暗信号”）定量地表示。
所述遮蔽随着气雾剂束中的液滴密度和光穿行通过气雾剂束的长度而变。如果已知气雾剂束的速度（例如，通过单独的气流速率测量（使用差动压力传感器或流量传感器）），则可根据气雾剂密度和每单位时间通过光束的气雾剂束的体积来计算气雾剂输出速率。所述体积可根据气雾剂束的横截面积与气雾剂束的速度的乘积来计算。
上述的根据光束遮蔽和气流来估计气雾剂输出速率的方法具有以下缺点：需要两种检测系统：光学系统和空气流量测量系统。
所述光学系统可位于距网筛一定距离处以使得空气流量和液滴速度相同，或者也可位于较接近于射出液滴的网筛的表面处。在这种情况下，液滴速度并不和空气流量紧密相关，而是取决于雾化参数，例如驱动器电子器件的功率和频率。两种状况都具有其各自的缺点。
对于距网筛一定距离处的光学系统而言，气雾剂液滴与周围气流的速度相同，但气雾剂液滴可沉积在光学系统上（例如，在透镜上），使得在光学传感器上检测到的信号减少。这会降低密度测量的可靠性，因为不能辨别信号的减少是由于气雾剂密度所致还是由于光学器件的污染所致。这个缺点可通过以规则的间隔进行校准而部分地克服。
取决于雾化器的机械设计，可能必须将光学系统定位在雾化器的喷嘴中。由于喷嘴通常是雾化器的可拆卸且可替换部分，因此光学系统的位置可导致设计困难并增加成本。
对于接近于网筛的光学系统而言，能够以在很大程度上避免污染的方式来构造光学系统，但缺点是：接近于网筛的液滴的平均速度是由气雾剂产生系统而非空气流量界定的。此外，平均液滴速度通常随着气雾剂输出速率变大而增加。结果，气雾剂束的密度（如光学系统所检测）仅略微与气雾剂输出速率一起增加，且不能被用作气雾剂输出速率的可靠估计。
US 2006/0087651公开了一种通过粒子图像速度测量学获得气雾剂速度的系统，借助粒子图像速度测量学，通过连续图像来映射粒子以导出单个粒子的流动矢量。这是计算密集且硬件密集的过程。
发明内容
根据本发明，提供了一种气雾剂产生系统，其包括：
-气雾剂产生装置，所述气雾剂产生装置用于产生气雾剂输出；
-控制器，所述控制器用于使用产生装置驱动信号来控制所述气雾剂产生装置；
-气雾剂密度检测器；
-时间延迟测量装置，其适用于基于所述产生装置驱动信号和气雾剂密度检测器输出而导出时序测量结果，其中所述控制器被布置成将所述时序测量结果和所述气雾剂密度组合在一起以导出气雾剂输出速率。
在这个系统中，用同一系统来测量气雾剂密度测量结果和液滴速度。具体来讲，并不需要除已经为气雾剂密度检测提供的器件以外的任何其他物理传感器（例如，流量传感器）。时间延迟测量结果指示平均液滴速度，且所述速度和密度一起导出输出速率（即，每单位时间的气雾剂体积或质量）。然后可将此输出速率用作反馈参数，例如用于控制针对气雾剂产生装置的驱动功率，所述气雾剂产生装置可为压电驱动系统。
气雾剂密度检测器可包括光学组件。例如，气雾剂密度检测器可包括用于测量通过气雾剂输出的光传输性的光学组件。所述气雾剂密度检测器可包括设置在气雾剂输出被引导通过的区域的相对侧上的光源和光检测器，并且根据光检测器信号导出所述密度。
优选地在开状态和关状态之间调制（modulate）所述产生装置驱动信号。这基于气雾剂产生周期和无气雾剂产生周期之间的转变实现了时序测量。
例如，所述系统可适用于：
-控制气雾剂产生装置以提供第一输出电平的周期和第二输出电平的周期；
-基于时间延迟来进行时序测量，所述时间延迟是从第一或第二输出电平的周期的起动到气雾剂密度检测器检测到所产生的输出改变；
-从所述时序测量结果导出气雾剂速度；和
-在输出周期期间从气雾剂密度检测器导出密度。
所述第一输出电平和第二输出电平中的一个可为无输出电平，使得时序于是是从所述驱动信号被施加（关-开）或关断（开-关）到检测到对应输出改变。然后根据存在流动时的开周期导出密度。另外一种选择是，两个输出电平都可以是非零的，且检测到流量的改变、而非所检测流动的起动或停止。
本发明还提供了一种控制气雾剂产生系统的方法，包括：
-用气雾剂产生装置驱动信号来控制气雾剂产生装置；
-基于所述产生装置驱动信号和气雾剂密度检测器输出而获得时序测量结果；
-组合所述时序测量结果和所测得的气雾剂密度以导出气雾剂输出速率。
在气雾剂产生期间，可重复地导出所述时间延迟测量结果和气雾剂密度，且与所述气雾剂密度测量相比可较不频繁地执行时间延迟测量。例如，可以以2秒和30秒之间的周期来周期性地导出所述时间延迟测量，且可以以0.5秒和2秒之间的周期来周期性地导出气雾剂密度测量。
附图说明
现在将参照附图详细地描述本发明的实例，其中：
图1示出了本发明的气雾剂产生系统的例子；
图2示出了气雾剂输出如何与光检测系统交互作用；
图3示出了如何使用时序测量；
图4用于更详细地解释所述时序测量；和
图5示出了本发明的方法。
具体实施方式
本发明提供一种气雾剂产生系统，在所述气雾剂产生系统中使用了传统的气雾剂密度检测器。时间延迟测量装置适用于基于产生装置驱动信号和气雾剂密度检测器输出而导出时序测量结果。时序测量结果指示气雾剂的产生和所产生的气雾剂出现在气雾剂密度检测器处之间的时间延迟，其中所述气雾剂密度检测器在距气雾剂产生装置已知距离处。将时序测量结果（其与气雾剂速度相关）和气雾剂密度组合在一起以导出气雾剂输出速率，即质量输送速率。气雾剂输出速率可被用作反馈控制机制的一部分。
图1示出了本发明的雾化器系统，其具有使用网筛5产生气雾剂2的压电驱动式气雾剂产生系统1。光学系统在距网筛5一定距离4处产生光束3。所述光学系统由具有光学透镜7和光阑8的光源6以及具有光学透镜10和光阑11的光学传感器9组成。
气雾剂产生系统1由来自驱动电路12的信号驱动，所述驱动电路因此用作用于控制气雾剂产生装置的控制器。所述驱动信号可以是以较低频率调制而得的高频率信号。输出功率可由信号的振幅、调制的占空比（duty cycle）或两个方面控制。
驱动电路12的输出功率由来自功率控制反馈系统13的输入信号12a设定，所述功率控制反馈系统使用设定14作为起动值，并基于驱动电路12的输出12b和光学传感器9的输出计算出改善的设定。这个系统被实施为在微控制器上运行的算法。
空气流量例如可通过吸气而产生。所述空气流量是用流量传感器（未示出）检测到的，所述流量传感器起动用于接通/关断针对产生装置的驱动信号的算法；所述产生装置又起动气雾剂的产生。
在替代实施例中，可存在其他手段来起动气雾剂的产生，例如通过起动/停止按钮来操作的通风设备/风扇。
所配给的药物量仅取决于气雾剂产生装置输出，而不受空气流量影响。液滴的速度最初由气雾剂产生装置确定，且随着液滴被带入到空气流中，液滴将与空气的速度相适应。
图2示出了光束的例子。光束15是从光源6（其可包括透镜和光阑）发射的。光束的高度使得优选地（但并非必须地）捕捉到整个气雾剂束2。光束的宽度优选地为小的（通常为0.5mm到2mm），以便针对液滴速度测量实现充足的时间分辨率，如下文所解释。光束落在光学传感器9上，所述光学传感器通常也具有透镜和光阑。
光学系统既用于以已知方式进行密度测量，又用于进行速度测量，其中通过测量光束被气雾剂粒子遮蔽的程度来进行密度测量。
图3示出了用以解释速度测量的时序图。
在起动22压电驱动信号之后，在到达在网筛表面处产生液滴的时刻23之前存在未知的时间延迟tG（19）。液滴离开网筛并在时刻24（其在行进时间tT（示出为20）之后）处到达光束的中心。光束在固定距离D（在图1中示出为4）处。
假设tG（示出为19）可被忽略，则液滴的速度v=D/tT可根据所测得的时间tM（示出为21）来估计，其中所述测得的时间是从压电驱动信号的起动到在光学传感器处检测到液滴。
如图4中示出，压电驱动信号29由高频率波的一系列短突发31组成。由传感器接收的光学信号30可在亮信号27（其中不存在遮蔽）和暗信号28（其中存在完全遮蔽）之间变化。因此，信号电平取决于气雾剂密度。如图4中示出，气雾剂密度实际上绝不会导致暗信号，而是导致中间信号电平。
出于速度测量的目的，使压电驱动信号暂停通常为50ms到1000ms的持续时间25。在较短的持续时间26之后，由于不再存在光束的气雾剂遮蔽，因此光学信号处于“亮信号”电平处。
在所述暂停结束后重新开始驱动信号时，测量在第一突发起动和光学信号开始减低的时刻之间的持续时间tM（示出为21），其中所述光学信号由于到达光束的第一气雾剂液滴所致的遮蔽而减低。
此持续时间与在tG可被忽略的情况下的速度成比例。
为使得tG可被忽略，光学传感器距网筛的距离D被挑选为使得飞行时间tM比驱动系统的开动和气雾剂液滴在网筛处的产生之间的时间延迟tG大得多。
距离D的典型例子为5.5mm（介于1mm到15mm的范围内）。在一个例子中，所测量的时间tM被测量为约1.5ms，对应于在5.5mm距离上的平均流动速度为3.7m/s（如果tG被忽略）。射出速度较高，且此速度朝着空气流速度下降。例如，非常接近于网筛处的射出速度可介于10m/s到30m/s的范围内。空气流量通常介于5l/min到80l/min的范围内，且在一个例子中，输出管的直径为22mm。气流速度的典型下限在1m/s左右，使得平均速度将大致上介于1m/s（典型的最低空气流速度）到30m/s（典型的最大液滴射出速度）的范围内。在装置的一个例子中，气雾剂输出速率可介于200mg/min到1500mg/min的范围内。
这些范围并非意在限制，而是被提供用于给出各种参数的范围的概念。
在以上计算中忽略了时间延迟tG。tG已通过单独的实验测量，且被发现为通常介于10微秒到50微秒的范围内，其与时序测量结果相比事实上可被忽略。
气雾剂密度和速度可被用作反馈控制参数（以已知的方式）以控制气雾剂传送。
图5示出了本发明的用于在气雾剂传送期间进行气雾剂输出速率控制的方法的流程图。
在步骤32中，根据上述方法来测量液滴速度，并且在步骤33中测量气雾剂密度。
这些值用于在步骤34中计算输出速率。在步骤35中，相应地调整压电驱动功率。
在回路36中以0.5秒到2秒的典型循环时间多次地重复进行执行密度测量的序列33、34、35，而在回路37中以较慢的步调重复进行速度测量，以避免气雾剂束的频繁中断。速度测量的循环时间通常为2秒到30秒。
本发明可被应用于喷射式雾化器（其通过压缩器来产生气流）或加压定量吸入器（pMDI）。本发明尤其关注如上文概述的超声波雾化器，尤其是使用震动网筛技术（VMI）。
事实上，本发明可被应用于任何气雾剂的分析和控制。雾化器仅为使用需要受控的气雾剂输出的装置的一个例子。其他例子为空气加湿器和喷漆设备。在需要准确的定量测量、同时不能在气雾剂产生装置的供应通道上测量输出速率（例如，通过按比例放置供应容器）时，本发明是有利的。
本发明可使用已知的光学传感器组件，且出于此原因，不再详细描述光学器件。本发明可仅被实施为用于控制气雾剂的产生的改良控制方法，以及用于测量时间延迟的时序系统。
类似地，所述气雾剂产生系统可为完全传统式的，且可为各种不同类型，且因此不再详细描述。
在以上例子中，气雾剂密度的光学检测是基于对通过气雾剂输出的信号的遮蔽进行的测量。然而，还可以基于从气雾剂输出反射或散射的光来测量光学密度，这也取决于气雾剂密度。气雾剂密度测量还可以通过非光学手段来执行，例如通过气雾剂束的超声波的失真或衰减，或者使用射频分析。
在以上例子中，时间延迟测量是基于无输出周期和有输出周期的。这会在被检测到的信号之间提供清晰的界面。然而，时间延迟测量可以基于所检测的非零电平的改变。不同的非零电平可使用脉冲宽度调制（PWM）驱动方案来形成，而不需要定义另外的关断周期（off period）。因此，以上例子示出了PWM驱动信号的中断，但实际的PWM脉冲可替代地用于时序信息。
控制突发的调制提供了影响气雾剂输出速率的平均功率的调制。这可以基于重复率、或者振幅或突发的宽度的调制。
因此，一般来说，本发明使用针对气雾剂产生装置的驱动信号的知识、结合对气雾剂产生装置下游的所得气雾剂形态的检测，来导出时间信号并因此导出平均速度指示。
根据对附图、公开内容和随附权利要求的研究，本领域的技术人员可在实践所主张的本发明时理解和实现所公开实施例的其他变化形式。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其他元素或步骤，且不定冠词“一个”和“一”并不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。在权利要求书中的任何元件符号不应视为对范围进行限制。

Claims (15)

1.一种气雾剂产生系统，包括：
-气雾剂产生装置(1)，所述气雾剂产生装置用于产生气雾剂输出(2)；
-控制器(12)，所述控制器用于使用产生装置驱动信号来控制所述气雾剂产生装置(1)；
-气雾剂密度检测器(6、9)；
-时间延迟测量装置(13)，所述时间延迟测量装置适用于基于所述产生装置驱动信号和所述气雾剂密度检测器输出而导出时序测量结果，
其中所述控制器(12)被布置成将所述时序测量结果和所述气雾剂密度组合以导出气雾剂输出速率。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气雾剂密度检测器包括光学组件。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述气雾剂密度检测器包括用于测量通过所述气雾剂输出的光传输性的光学组件。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述气雾剂密度检测器包括设置在所述气雾剂输出(2)被引导通过的区域的相对侧上的光源(6)和光检测器(9)，其中从光检测器信号导出密度。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述产生装置驱动信号被在开状态和关状态之间调制。
6.根据权利要求1所述的系统，其适用于：
-控制所述气雾剂产生装置(1)以提供第一输出电平的周期和第二输出电平的周期；
-基于时间延迟来进行时序测量，所述时间延迟是从所述第一输出电平或第二输出电平的周期的起动到所述气雾剂密度检测器(6、9)检测到所导致的输出改变；
-从所述时序测量导出所述气雾剂速度；和
-在输出周期期间从所述气雾剂密度检测器(6、9)导出所述密度。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器(12)适用于通过依赖于所导出的气雾剂输出速率来控制针对所述气雾剂产生装置的驱动功率而控制所述气雾剂产生装置(1)。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气雾剂产生装置包括压电驱动系统。
9.一种控制气雾剂产生系统的方法，包括：
-使用气雾剂产生装置驱动信号来控制气雾剂产生装置(1)；
-基于所述产生装置驱动信号和气雾剂密度检测器输出而获得时序测量结果，
-组合所述时序测量结果和所测得的气雾剂密度以导出气雾剂输出速率。
10.根据权利要求9所述的方法，包括：
-控制气雾剂产生装置(1)以提供第一输出电平的周期和第二输出电平的周期；
-获得所述时序测量结果，所述时序测量结果是从所述第一输出电平或第二输出电平的周期的起动到检测到所导致的在所述气雾剂密度检测器输出内的输出改变；
-在输出周期期间获得所述气雾剂密度；和
-从所述时序测量结果和所述气雾剂密度导出气雾剂输出速率。
11.根据权利要求9所述的方法，包括：通过使用在开状态和关状态之间调制的驱动信号来控制针对所述气雾剂产生装置的驱动功率而控制所述气雾剂产生装置(1)，使得在所述驱动信号处于所述关状态下时，没有来自所述气雾剂产生装置(1)的输出。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在气雾剂产生期间重复地导出所述时序测量结果和所述气雾剂密度，且与气雾剂密度测量相比较不频繁地执行时序测量。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，以在2秒和30秒之间的周期来周期性地导出所述时序测量，且以在0.5秒与2秒之间的周期来周期性地导出所述气雾剂密度测量。
14.根据权利要求9所述的方法，包括：通过依赖于所导出的气雾剂输出速率来控制针对所述气雾剂产生装置的驱动功率而控制所述气雾剂产生装置(1)。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，无输出周期的持续时间在50毫秒与1秒之间。
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