DE69307488T2 - Vorrichtung zur durch ultraschallwellen erzeugten feinzerstäubung - Google Patents

Vorrichtung zur durch ultraschallwellen erzeugten feinzerstäubung

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Description

    Technischer Bereich
  • Die Erfindung betrifft eine Mikrozerstäubungsvorrichtung, umfassend einen Ultraschallwellengenerator, eine Einrichtung zur Fokussierung der Ultraschallwellen auf mindestens einen Punkt der der Mikrozerstäubung zu unterziehenden Flüssigkeit nahe ihrer Oberfläche, eine Kammer zur Bildung von Mikrotröpfchen und eine Einrichtung zur Diffusion der so gebildeten Mikrotröpfchen.
    • Stand der Technik
  • In der klassischen Therapie werden allgemein Zerstäubungsvorrichtungen verwendet, wenn auf den zu behandelnden Teil des Körpers Mikrotröpfchen aufzubringen sind, der meistens ein innerer Teil wie die Nase, der Rachen oder die Bronchien ist. Die herkömmlichen Zerstäubungsvorrichtungen, die auf einer mechanischen Zerstäubung beruhen, wie Druckdüsenzerstäuber oder piezoelektrische Zerstäuber mit Vibrierkegel, gestatten es nicht, Mikrotröpfchen mit einem ausreichend kleinen Durchmesser zu erhalten, um in manchen Therapien wirksam zu sein. So ist es für Anwendungen in der Pneumologie erforderlich, aus Mikrotröpfchen bestehende Aerosole zu erzeugen.
  • Seit einigen Jahren verwendet man die Technik der Zerstäubung durch Ultraschall zur Erzeugung eines Mikrotröpfchennebels. Bei dieser Technik werden Ultraschallwellen mit Hilfe von elektromechanischen Wandlern wie piezoelektrischen Wandlern in einem Flüssigkeitsbad erzeugt. Der Ultraschallwellenstrahl wird zur Oberfläche des Bades geleitet, auf der der Wasser-Luft-Impedanzbruch einen Flüssigkeitsstrahl, "akustische Fontäne" genannt, erzeugt. Diese Erscheinung ist von einem Nebel von Mikrotröpfchen begleitet, deren Größe zwischen 3 und 6 µm liegt, die durch Kavitation oder dadurch, daß die Kapillarwellen des Strahls in Resonanz gebracht werden, erzeugt werden.
  • Diese Technik wird in dem Patent FR-89/16.424 angewandt, das ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mikrozerstäubung einer flüssigen Lösung durch Ultraschall zum Erhalten von Mikrotröpfchen beschreibt, die dazu bestimmt sind, einen Nebel von desinfizierenden Produkten zur Keimfreimachung von ärztlichen Räumen zu bilden. Die Vorrichtungen von dem in diesem Patent beschriebenen Typ besitzen jedoch den Nachteil, daß sie eine große Menge der Mikrozerstäubung zu unterziehender Flüssigkeit erfordern&sub1; da die Ultraschallwellen im Inneren der Flüssigkeit selbst übertragen werden. Wegen dieser großen Menge der Mikrozerstäubung zu unterziehender Flüssigkeit ist es erforderlich, ein System zur Vorerhitzung der Flüssigkeit vorzusehen. Die Vorrichtungen diesen Typs sind deshalb im allgemeinen wenig wirtschaftliche Vorrichtungen mit großen Abmessungen, und ihre Verwendung ist schwierig (Dosierung, Sterilisierung, Reinigung, Heiztemperatur ...).
  • Dieser Nachteil wurde teilweise beseitigt, indem eine Fokussierung der Ultraschallwellen in einem anderen Fortpflanzungsmedium als der der Mikrozerstäubung zu unterziehenden Flüssigkeit vorgesehen wurde.
  • So findet die Fokussierung im Patent DE-B-1.003.147 durch Konzentration der Wellen mit Hilfe eines Wellengenerators statt, der die Form eines Kreises hat, dessen Mittelpunkt mit dem Punkt zusammenfällt, an dem die Mikrozerstäubung stattfinden soll.
  • Ein anderer Typ von Fokussierung besteht darin, daß ein System zur Konzentrierung der Schallwellen durch eine Linse vom Typ Fresnel verwendet wird, wie im Patent US-A-3.433.461 beschrieben wird.
  • In allen diesen Systemen verwendet man die Nichtlinearitäten des Ultraschallwellenfelds, um eine gute Zerstäubung am Fokussierungspunkt zu erhalten. Nun ist die Energieverteilung zwischen der Grundfrequenz (Erregungsfrequenz des Generators), den Oberschwingungen und den Unterharmonischen eine Funktion von der Fortpflanzungsstrecke im Fortpflanzungsmedium. Man muß also eine Mindestfortpflanzungsstrecke der Ultraschallwellen vorsehen, wenn man am Fokussierungspunkt die bestmögliche Wirksamkeit erhalten möchte.
  • Die in den oben erwähnten Patenten beschriebenen Systeme besitzen infolgedessen den Nachteil, daß sie große Abmessungen haben und nicht für eine ambulante Verwendung bestimmt sind.
  • Außerdem ist die für die Erzeugung der Ultraschallwellen erforderliche Energie hoch, da eine relativ starke Ultraschallwellenquelle vorgesehen werden muß, um nach einer starken Dämpfung durch die Fortpflanzungsflüssigkeit und im Fall des Patents US-A-3.433.641 auch durch die Fresnel-Linse am Fokussierungspunkt eine ausreichende Energie zu erhalten. Deshalb werden die beschriebenen Vorrichtungen durch eine äußere Quelle versorgt und sehen keine autonome Versorgungsquelle vor, die eine ambulante Verwendung ermöglichen würde.
    • Exposé der Erfindung
  • Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile durch Schaffung einer Mikrozerstäubungsvorrichtung zu beseitigen, die wirksam ist, kleine Abmessungen hat und keine Vorerhitzung erfordert.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Mikrozerstäubung durch Ultraschallwellen zu schaffen, in der die Dämpfung der Wellen auf ein Minimum reduziert ist.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, sich von dem mit der Verwendung einer Flüssigkeit als Fortpflanzungsmedium verbundenen Problemen zu befreien, insbesondere von den Problemen der Abdichtung und den Problemen infolge des Auftretens von Luftblasen.
  • Ziel der Erfindung ist es ferner, eine Mikrozerstäubungsvorrichtung der oben beschriebenen Art zu schaffen, die eine autonome Versorgungsquelle besitzt, die die Vorrichtung ambulant einsetzbar macht.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Mikrozerstäubungsvorrichtung vom Typ "akustische Fontäne", wie sie im Patent US-A-3.433.461 beschrieben wird, auf welchem der Oberbegriff des Anspruchs 1 beruht, in der die Einrichtung zur Fokussierung der Ultraschallwellen an mindestens einem Punkt der der Mikrozerstäubung zu unterziehenden Flüssigkeit nahe ihrer Oberfläche ein Medium zur Fortpflanzung der Ultraschallwellen mit einem Koeffizienten der Dämpfung der Wellen unter 1dB/cm ist. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbreitungsmedium ein Silicongel, ein Acrylgel oder ein Polyacrylamid ist und ein hohes Nichtlinearitätsverhältnis und einen Poisson-Koeffizienten über 0,49 hat.
    • Beschreibung
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt eine Beschreibung, in der auf die beiliegende Figur Bezug genommen wird, die eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrozerstäubungsvorrichtung zeigt.
  • Wie in der Figur dargestellt ist, besitzt die erfindungsgemäße Mikrozerstäubungsvorrichtung ein Gehäuse 10, das einen Behälter 12 aufweist, welcher ein Medium 13 zur Ausbreitung der Schallwellen ohne Dämpfung enthält. Ein Hohlraum 14 ist durch einen elektromagnetischen Wandler 16 wie einen piezoelektrischen Wandler geschlossen. Der Wandler 16 wird mit einer Frequenz von 1 bis 5 Megahertz durch eine elektronische Schaltung 18 versorgt, die ihre Energieversorgung von Batterien 20 erhält. Der Wandler erzeugt nun in dem Behälter 12 Ultraschallwellen. Diese Wellen, die in der Figur durch die Pfeile dargestellt sind, werden durch eine geeignete Reflexionsfläche 22 vom Typ Paraboloid oder Zylinder mit parabolischer Leitlinie fokussiert. Die Ultraschallwellen durchqueren eine Kassette 24, die die der Mikrozerstäubung zu unterziehende Flüssigkeit enthält, um sich an einem Punkt der Flüssigkeit nahe ihrer Oberfläche zu konzentrieren. Auf diese Weise wird an der Oberfläche der der Mikrozerstäubung zu unterziehenden Flüssigkeit oberhalb der Öffnung 28 der Kassette 24 eine "akustische Fontäne" 26 in Form eines Strahls gebildet. Dieser Strahl 26 erzeugt einen Nebel 30 von relativ gleichförmigen Mikrotröpfchen mit einem kleinerem Durchmesser zwischen 3 und 6 µm. Der Nebel wird durch einen Lüfter 36 zum Inhalator oder Diffusor 32 befördert.
  • Obwohl die Reflexionsfläche 22 hier vom parabolischen Typ ist, ist es möglich, die Form dieser Oberfläche zu optimieren, indem die der Wellengleichung zugeordneten Strahlungsintegralgleichungen numerisch gelöst werden, obwohl die verwendeten Frequenzen (Grundfrequenz und Oberschwingungen) nicht hoch genug sind, um die Anwendung der Strahlentheone zu gestatten (Wellenlängen zu groß gegenüber den Krümmungsradien).
  • Das Medium 13 zur Ausbreitung der Ultraschallwellen muß ein Fluid geringer Dichte nahe 1 sein, um eine gute Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen zu erhalten, und darf die Vorrichtung nicht schwer machen. Dieses Medium muß ein hohes Nichtlinearitätsverhältnis besitzen, um die bestmögliche Wirksamkeit am Fokussierungspunkt zu erhalten, indem eine möglichst kurze Ausbreitungsstrecke der Wellen im Ausbreitungsmedium verwendet wird. Es muß unkomprimierbar sein - mit einem Poisson-Koeffizient über 0,49 - und muß eine geringe Dämpfung der Wellen unter oder gleich 1 dB/cm besitzen. Wenn die von den Wellen im Medium durchlaufene Strecke 4 cm beträgt (wünschenswerte Strecke bei einer ambulanten Vorrichtung), beträgt die Dämpfung 4 dB. Ein Werkstoff, der diese Merkmale erfüllt, kann ein Silicongel vom Typ Polydimethylsiloxan sein, wie das Gel Q7 2167 von Dow Corning, dem das Gel Q7 2168 oder das Gel Q7 2218 ebenfalls von Dow Corning zugeordnet ist, ein Acrylgel vom Typ Acryl-"Schwamm" oder ein Polyacrylamid.
  • Es sei bemerkt, daß eine Flüssigkeit, die die oben erwähnten Merkmale besitzt und damit als Ausbreitungsmedium verwendet werden kann, zu vermeiden ist, um die Probleme der Abdichtung und die Probleme zu vermeiden, die mit dem Auftreten von Luftblasen verbunden sind, welche wegen der von ihnen verursachten Reflexionen für die Ausbreitung der Schallwellen störend sind.
  • Obwohl die in der Figur dargestellte Mikrozerstäubungsvorrichtung nur einen Behälter für die der Mikrozerstäubung zu unterziehende Flüssigkeit besitzt, könnte die Vorrichtung mehrere Behälter für der Mikrozerstäubung zu unterziehende Flüssigkeit aufweisen, die verschiedene der Mikrozerstäubung zu unterziehende Flüssigkeiten und meherere Wandler mit unterschiedlichen Merkmalen enthalten, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso kann man eine Mikrozerstäubungsvorrichtung schaffen, in der der Ultraschallwellengenerator ein Breitbandwandler ist, so daß die Vorrichtung sich an einem breiten Bereich von der Mikrozerstäubung zu unterziehenden Flüssigkeiten anpassen kann.
  • Es ist zu bemerken, daß die von dem Wandler 16 erzeugten und von der Fläche 22 reflektierten Ultraschallwellen den Boden der Kassette 24 über eine Membran 34 durchqueren, die aus einem Werkstoff hergestellt ist, dessen akustische Impedanz mit der Impedanz des im Behälter 12 befindlichen Ausbreitungsmediums identisch oder dieser sehr nahe ist. Diese Membran besteht vorzugsweise aus einem Einkomponenten-Siliconelastomer, das durch Druckguß verarbeitet wird, oder aus Siliconelastomer, das durch Spritzguß verarbeitet wird. So kann die einzige Dämpfung der Ultraschallwellen nur im Inneren der Kassette 24 bei Durchquerung der der Mikrozerstäubung zu unterziehenden Flüssigkeit auftreten. Die Ultraschallwellen behalten also am Fokussierungspunkt eine hohe Wirksamkeit, wodurch eine Vorerhitzung der der Mikrozerstäubung zu unterziehenden Flüssigkeit vermieden wird. Außerdem wird durch das Vorhandensein eines Behälters, der von der der Mikrozerstäubung zu unterziehenden Flüssigkeit getrennt ist und der ein Material enthält, das die Übertragung der Ultraschallwellen gestattet, vermieden, daß eine große Menge der Mikrozerstäubung zu unterziehender Flüssigkeit vorhanden sein muß.
  • Man sieht also, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung autonom ist, infolge der geringen Menge der Mikrozerstäubung zu unterziehender Flüssigkeit geringe Abmessungen hat und keine Vorerhitzung erfordert, so daß sie ambulant verwendet werden kann. Sie erfordert keine Sterilisierung und Reinigung, da ein in dem Gerät bleibend angeordnetes Material zur Ausbreitung der Ultraschallwellen vorgesehen ist. Außerdem gestattet sie durch einfaches Ersetzen einer Kassette durch eine andere, für die Mikrozerstäubung von verschiedenen Flüssigkeiten verwendet zu werden. Sie eignet sich besonders für pneumologische und otorhinolaryngologische Anwendungen, die gleichförmige Mikrotröpfchen mit einem Durchmesser unter 5 µm erfordern.

Claims (7)

1. Mikrozerstäubungsvorrichtung zur Bildung von Mikrotröpfchen, umfassend einen Ultraschallwellengenerator (16), eine Einrichtung (22) zur Fokussierung der Ultraschallwellen, ein Medium (13) mit einem Ultraschallwellendämpfungskoeffizienten von unter 1dB/cm zur Ausbreitung der Schallwellen zu mindestens einem Punkt einer der Mikrozerstäubung zu unterziehenden Flüssigkeit nahe ihrer Oberfläche, eine Kammer (30) zur Bildung von Mikrotröpfchen und eine Einrichtung (32) zur Diffusion der so gebildeten Mikrotröpfchen, wobei die der Mikrozerstäubung zu unterziehende Flüssigkeit sich in einem Behälter (24) befindet, der von dem das Ausbreitungsmedium (13) enthaltenden Behälter (12) unabhangig ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (13) zur Ausbreitung der Ultraschallwellen ein Silicongel, ein Acrylgel oder ein Polyacrylamid ist und ein hohes Nichtlinearitätsverhältnis und einen Poisson-Koeffizienten von über 0,49 hat.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (24), der die der Mikrozerstäubung zu unterziehende Flüssigkeit enthält, oberhalb des das Medium (13) zur Ausbreitung der Ultraschallwellen enthaltenden Behälters (12) angeordnet ist und eine Wand (34) aufweist, die aus einem Werkstoff mit derselben akustischen Impedanz wie das Ausbreitungsmedium besteht, und zwar an der Stelle, an der die Ultraschallwellen den Boden dieses Behälters durch queren.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (24), der die der Mikrozerstäubung zu unterziehende Flüssigkeit enthält, eine austauschbare Kassette ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwellengenerator ein piezoelektrischer Wandler (16) ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Behälter (24) für der Mikrozerstäubung zu unterziehende Flüssigkeit, die verschiedene der Mikrozerstäubung zu unterziehende Flüssigkeiten enthalten, und mehrere Wandler mit verschiedenen Merkmalen aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwellengenerator (16) ein Breitbandwandler ist, so daß die Vorrichtung sich an einen breiten Bereich von der Mikrozerstäubung zu unterziehenden Flüssigkeiten anpassen kann.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwellengenerator (16) durch eine selbständige Versorgungsquelle wie Batterien (20) versorgt wird, so daß die Vorrichtung zur ambulanten Behandlung verwendbar ist.
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