DE19535010A1 - Vorrichtung zum Dosieren von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

In der Medizinaltechnik kommt es häufig vor, daß kleine Flüs­ sigkeitsmengen zudosiert werden müssen, z. B. in einem Inhalator zum Atemluftstrom über eine gewisse Zeit oder in einer vorgege­ benen Dosis in einem Infusionsgerät zur Infusionslösung. Ähn­ liche Probleme treten auch auf andern Gebieten der Technik auf, wenn relativ kleine Flüssigkeitsmengen zudosiert oder appli­ ziert werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das obi­ ge Problem zu lösen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskom­ bination der Ansprüche gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung macht sich die für die Ink-Jet- Printer entwickelte Technik zu Nutzen. Ein Ink-Jet-Druckkopf hat eine Vielzahl von Düsen (z. B. 12-300), welche mit einem Tintenvorratsbehälter verbunden sind. Jeder Düse ist ein ther­ moelektrischer oder piezoelektrischer Wandler zugeordnet. Die Wandler werden einzeln durch den Drucker angesteuert und stoßen beim Betätigen ein Tintenvolumen aus der betreffenden Düse aus.

Durch Versuche konnte nun ermittelt werden, daß beim Ausstoß sehr vieler Tröpfchen die Tröpfchenmasse im Durchschnitt nahezu konstant ist. Deshalb eignet sich dieses Prinzip auch z. B. zum Dosieren von Medikamenten.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 Eine Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüs­ sigkeit, insbesondere für einen Inhalator,

Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele von Tröpfchener­ zeugern, und

Fig. 4 und 5 zwei Anwendungen der Vorrichtung.

Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 skizziert. Es handelt sich dabei um ein Gerät zum Zerstäuben von Flüssigkeiten im medizinischen Bereich. Bei Erkrankungen der Atemwege ist es notwendig, Medikamente fein zu zerstäuben, d. h. Tröpfchen sehr kleinen Volumens und geringer Geschwindig­ keit zu erzeugen, um sie durch Inhalation an die entsprechenden Stellen zu bringen, wo die Wirkung erwünscht ist.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 hat eine Energieversorgung 1. Da­ bei kann es sich um eine Batterie, einen Akkumulator, Solar­ zellen oder einen Netzanschluß handeln. Im Falle eines Akkumu­ lators als Energieversorgung ist eine Ladeanzeige sinnvoll. Die Vorrichtung hat eine Elektronik 2, welche einerseits den Trop­ fenerzeuger 8 antreibt, andererseits aber auch erlaubt, die Vorrichtung ein- und auszuschalten, eine Betriebszeit vorzu­ geben oder verschiedene Betriebsmodi, z. B. die Dosismenge zu wählen. Die Bedienung der Elektronik kann beispielsweise in Form von Tastern 3 in Verbindung mit einer Anzeige 4 erfolgen. Es sind jedoch auch andere Bedienungsmöglichkeiten denkbar, z. B. eine Fernsteuerung. Das Flüssigkeitsreservoir 5 enthält die zu zerstäubende Flüssigkeit 6. Dabei kann es sich um eine Einkomponentenflüssigkeit handeln oder auch um Gemische. Es ist auch möglich, kleinste Teilchen, sogenannte Pigmente, die in einer Flüssigkeitsmatrix enthalten sind, fein zu verteilen.

Vorzugsweise ist das Flüssigkeitsreservoir 5 als auswechselba­ rer Behälter ausgebildet, so daß auf einfache Weise fehlendes Flüssigkeitsvolumen ergänzt werden kann. Das Flüssigkeitsreser­ voir kann aber auch nachfüllbar gestaltet werden. In beiden Fällen ist es zweckmäßig, nach Ergänzung der Flüssigkeitsmenge einen Spülprozeß der Flüssigkeit enthaltenden Leitungen durch­ zuführen, um auch nach Behälterwechsel die Betriebssicherheit gewährleisten zu können. Dies kann durch eine im Reservoir 5 oder eine im Gerät untergebrachte Pumpe 7 bewerkstelligt wer­ den. Vorteilhaft ist es, wenn das Flüssigkeitsniveau durch eine Füllstandsüberwachung kontrolliert werden kann. So kann das Füllstandsniveau angezeigt oder die Erschöpfung der Flüssigkeit im Reservoir erkannt werden. Der wichtigste Teil der Vorrich­ tung ist der Tröpfchenerzeuger 8.

In Fig. 2 und 3 sind zwei Beispiele eines Tröpfchenerzeugers schematisch dargestellt. Die Ausführungsform nach Fig. 2 hat in einem Gehäuse 10 eine Vielzahl von engen Kanälen 11, die alle mit einem Zufuhrkanal 12 für die zu zerstäubende Flüssig­ keit 6 münden. Der Kanal 12 ist mit dem Reservoir 5 verbunden. Die Kanäle 11 münden in einer Düse 13. Ein elektrisches Heiz­ element 14 im Kanal 11 ist an Leitungen 15 angeschlossen. Wird an die Leitungen 15 ein Stromimpuls angelegt, verdampft eine geringe Flüssigkeitsmenge explosionsartig, so daß ein Flüssigkeitsvolumen 16 ausgestoßen wird. Anschließend wird durch Kapillarwirkung der Kanal 11 wieder mit Flüssigkeit 6 gefüllt. Die Heizelemente 14, Schutzschichten und Leiterbahnen 15 werden in Dünnschichttechnologie auf einem Substrat, vorzugsweise auf Silizium ausgeführt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 münden die engen Kanäle 11 in einem mit der Flüssigkeit 6 gefüllten Raum 17. Über jeder Mündung der Kanäle 11 im Raum 17 ist ein piezoelektrischer Bie­ gewandler 18 angeordnet, der über die Leitungen 15 angesteuert werden kann. Durch Anlegen eines Spannungsimpulses an den Lei­ tungen 15 wird ein Flüssigkeitsvolumen ausgestoßen.

Die Wandler 14, 18 werden vorzugsweise mit einer kontinuier­ lichen, gleichförmigen Kette von Impulsen entweder über eine über die Tastatur 3 eingegebene Zeit oder bis zu einer eingege­ benen Tropfenzahl angesteuert. Durch Wahl der Impulsform und der Impulsfrequenz läßt sich das Flüssigkeitsvolumen in relativ weiten Grenzen varieren. Bei Ink-Jet-Druckköpfen werden gegenwärtig je nach Typ Tröpfchengrößen zwischen 30 und 300 ng (Nanogramm) verwendet. Dazu ist die maximale Impulsfrequenz etwa 10 kHz. Bei höheren Frequenzen und/oder andern Impuls formen können jedoch wesentlich kleinere Tröpfchengrößen im Bereich zwischen 1-10 ng, vorzugsweise von etwa 4 ng erzeugt werden. Diese Größenordnung von Tröpfchen ist für Inhalatoren ideal geeignet. Durch Einatmen des Flüssigkeitsnebels findet noch eine zusätzliche Verwirbelung statt.

Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung geht es um ein Gerät, das die genaue Dosierung geringer Flüssigkeitsmengen er­ laubt. Ein möglicher Aufbau eines solchen Gerätes ist in Fig. 4 dargestellt. Es enthält im wesentlichen die gleichen Kompo­ nenten wie die Ausführungsform nach Fig. 1. Es besteht eben­ falls aus einem Energieversorgungsteil 21, einer Elektronik 22 mit Bedienungselementen 23, 24, einem Flüssigkeitsreservoir 25, das die zu dosierende Flüssigkeit 26 enthält und einen Tröpf­ chenerzeuger 28. Auch hier ist das Flüssigkeitsreservoir idea­ lerweise austauschbar, um ein einfaches Wiederauffüllen der Vorrichtung gewährleisten zu können. Dafür ist auch hier wieder eine Pumpvorrichtung 29 zweckmäßig, um die beim Wechsel des Reservoirs in den Flüssigkeit führenden Leitungen eingeschlos­ sene Luft aus dem Tröpfchenerzeuger zu spülen. Damit wird die Betriebssicherheit gewährleistet. In diesem Anwendungsbeispiel sind die einzelnen Komponenten getrennt voneinander aufgebaut, da eine kompakte Bauweise nicht erforderlich ist.

Die Düsen 13 und die Betriebsweise der Wandler, d. h. die an­ gelegte Impulsform sind hier so gewählt, daß eine möglichst konstante Tröpfchengröße von z. B. 100 ng entsteht. Der Elek­ tronik 22 wird über die Eingabe 23 die erforderliche Dosis oder die Dosis pro Zeiteinheit eingegeben. Die Elektronik ermittelt aus diesen Werten die Anzahl erforderlicher Tröpfchen oder Tröpfchen pro Zeiteinheit. Daraus wird die Anzahl der parallel anzusteuernden Wandler 14, 18 sowie die Impulsfrequenz und gegebenenfalls die Dauer der Impuls folge oder die Impulszahl ermittelt und die Wandler entsprechend angesteuert. Die Im­ pulsfrequenz kann bis über 10 kHz betragen. Wenn der Tröpf­ chenerzeuger 28 300 Düsen 13 mit zugehörigen Wandlern 14, 18 enthält, kann mit der Vorrichtung eine Flüssigkeitsmenge zwi­ schen 100 ng und mehreren Dutzend mg pro Sekunde dosiert wer­ den. Dadurch wird eine genaue Dosierung kleiner Flüssigkeits­ mengen ermöglicht.

In Fig. 5 ist ein solches Gerät 40 zur Medikamentendosierung bei Infusionen eingesetzt. In der Verbindungsleitung 41, 44 zwischen Infusionsflasche 51 und Katheter 52 befindet sich ein Tropfer 42. Der Tropfer 42 verhindert, daß Luft in den Kathe­ der 52 und damit in die Blutbahn gerät und ermöglicht eine vi­ suelle Beurteilung des Infusionsflüssigkeitsstromes. Der Trop­ fer 42 besteht aus einem Schlauch 41, der luftdicht an ein transparentes Rohr 43 deutlich größeren Querschnitts ange­ schlossen ist. An dieses Rohr ist ein zweiter Schlauch 44 an­ geschlossen, der die Verbindung zwischen Tropfer 42 und Kathe­ der 52 herstellt. Der Flüssigkeitsfluß zum Katheder 52 wird durch die Höhendifferenz zwischen Katheder 52 und Tropfer 42 einerseits und durch den Unterdruck, der sich im Tropfergefäß einstellt andererseits bestimmt. Der Unterdruck im Tropfer 42 wiederum ist abhängig von der nachtropfenden Infusionsflüssig­ keit, was wiederum von der Höhendifferenz und den zur Verfügung stehenden Flußquerschnitten abhängt. Aus diesem Grund befindet sich zur Einstellung des Flusses eine einstellbare Drossel 45 in der Zuleitung.

Der Tropfer 42 ist eine geeignete Stelle zum Anschluß des Dosiergerätes 40. Es muß sichergestellt sein, daß die Düsen­ frontseite 46 des Tröpfchenerzeugers 47 nicht durch Infusions­ flüssigkeit 48 benetzt wird, damit ein sicherer Tröpfchen­ ausstoß 49 stattfinden kann. Damit durch den sich einstel­ lenden Unterdruck im Tropfer 42 keine Dosierflüssigkeit aus dem Tröpfchenerzeuger 47 gesaugt werden kann, ist es notwendig, ei­ nen Druckausgleich über die Verbindung 50 des Tropferraumes mit dem Dosierflüssigkeitsreservoir herzustellen.

Die Dosierung des Wirkstoffs ist sowohl kontinuierlich möglich, indem eine entsprechende Tropfenfrequenz einer bestimmten An­ zahl Düsen eingestellt wird, als auch intervallweise, indem nach vorgegebener Zeit eine bestimmte Anzahl Tropfen ausgestoßen wird. Mit einem Gerät dieser Bauweise erhält man also die Möglichkeit, kleinste Mengen Flüssigkeit zu dosieren. Durch den gerichteten Tröpfchenausstoß ist es auch möglich, diese genaue Flüssigkeitsmenge örtlich genau zu plazieren. Für die oben be­ schriebene Anwendung ist dies jedoch nicht wesentlich. Interes­ sant wird dies beispielsweise für die Dosierung flüssiger Schmierstoffe, z. B. zum Schmieren von Wälzlagern. Durch die ge­ naue Plazierung kleinster Mengen Schmierflüssigkeit kann die verbrauchte Menge Schmiermittel optimiert werden. Durch die Vorrichtung 40 kann auch diese Anforderung erfüllt werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Dosieren von Flüssigkeiten, insbeson­ dere von Medikamenten, umfassend

• - eine Einrichtung (8, 28, 47) zum Erzeugen von Tröpfchen (16) aus mindestens einer Düse (13),
• - eine Elektronikeinheit (2, 22), welche die Einrichtung (8, 28) ansteuert,
• - ein mit der Düse (13) verbundenes Flüssigkeitsreservoir (5, 25), und
• - eine mit der Elektronikeinheit (2, 22) verbundene Stromversorgungseinheit (1, 21).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (8, 28, 47) zum Erzeugen von Tröpfchen (16) einen thermoelektrischen oder piezoelektrischen Wandler (14, 18) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Vielzahl von Düsen (13) angeordnet ist, denen je ein Wandler (14, 18) zuge­ ordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der bzw. die Wandler (14, 18) durch die Elektronikeinheit (2, 22) mit einer so hohen Frequenz und einer Impulsform erregt ist bzw. sind, daß Tröpfchen (16) im Bereich von 1-10 ng gebildet werden, vorzugsweise von etwa 4 ng.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Elektronikeinheit Mittel (3, 23) zur Eingabe der Dosismenge und/oder der Dosierzeit enthält.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei sie zum genauen Plazieren der aus den Düsen (13) ausgestoßenen Flüssigkeitsmenge an eine gewünschte Stelle, z. B. den Käfig eines Wälzlagers, ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei das Flüssigkeitsreservoir (5, 25) austauschbar lösbar mit der Ein­ richtung (8, 28) zur Erzeugung von Tröpfchen verbunden ist.

8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7 zur Dosierung eines flüssigen Medikamentes zu einer In­ fusionslösung, wobei die Vorrichtung (40) an einem Tropfer (42) angebracht ist, der über Schläuche (41, 44) an eine Infu­ sionsflasche (51) und an einen Katheder (52) angeschlossen ist.

9. Verwendung nach Anspruch 8, wobei eine Verbindungsleitung (50) zwischen dem Tropfer (42) und dem Flüs­ sigkeitsreservoir (25) angeordnet ist, die im Tropfer (42) oberhalb des Infusionslösungs-Niveaus mündet.

10. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 4 zur Zer­ stäubung von flüssigen Medikamenten in einen Inhalator.