EP0609404A1 - Dispositif ambulatoire de micropulverisation generee par ondes ultrasonores. - Google Patents

Dispositif ambulatoire de micropulverisation generee par ondes ultrasonores.

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EP0609404A1
EP0609404A1 EP93911829A EP93911829A EP0609404A1 EP 0609404 A1 EP0609404 A1 EP 0609404A1 EP 93911829 A EP93911829 A EP 93911829A EP 93911829 A EP93911829 A EP 93911829A EP 0609404 A1 EP0609404 A1 EP 0609404A1
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ultrasonic waves
liquid
medium
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microdroplets
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Chronotec SARL
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    • B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
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    • B05B7/0081—Apparatus supplied with low pressure gas, e.g. "hvlp"-guns; air supplied by a fan
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
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    • B41J2/135—Nozzles
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    • B41J2002/14322—Print head without nozzle
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S261/00—Gas and liquid contact apparatus
    • Y10S261/48—Sonic vibrators

Definitions

  • Ambulatory micropulverization device generated by ultrasonic waves
  • the present invention relates to a micropulverization device of the type comprising an ultrasonic wave generator, a means of focusing the ultrasonic waves at at least one point of the liquid to be micropulverized and close to its surface, a microdroplet formation chamber and a means of diffusion of the microdroplets thus formed.
  • ultrasonic spraying technique has been used to generate a mist of microdroplets.
  • ultrasonic waves are generated using electromechanical transducers, such as piezoelectric transducers, in a liquid bath.
  • the beam of ultrasonic waves * 30 is directed towards the surface of the bath where the rupture of impedance water-air causes a jet of liquid called "Acoustic fountain".
  • This phenomenon is accompanied by a mist of microdroplets whose size is between 3 and 6 ⁇ m, created by cavitation or by resonance of the capillary waves of the jet.
  • Another type of focusing consists in using a system for concentrating the ultrasonic waves by a lens of the Fresnel type as described in patent US-A-3,433,461.
  • the non-linearities of the ultrasonic wave field are used in order to have good spraying at the focusing point.
  • the energy distribution between the fundamental frequency (excitation frequency of the generator), the upper harmonics and the sub-harmonics is a function of the propagation distance in the propagation medium. Must therefore provide a minimum propagation distance of the ultrasonic waves if we want to obtain the best possible efficiency at the focusing point.
  • the energy required for the generation of ultrasonic waves is high because it is necessary to provide a relatively powerful source of ultrasonic waves to obtain sufficient energy at the focal point of the waves after significant attenuation, ie by the liquid. propagation as is the case in patent DE-B-1,003,147, or by the Fresnel lens in patent US-A-3,433,461. This is why the devices described are supplied by an external source and do not provide an autonomous power source which would make them ambulatory.
  • the present invention therefore aims to remedy the above drawbacks by providing an effective micropulverization device, compact and does not require preheating.
  • Another object of the invention is to provide a micropulverization device by ultrasonic waves in which the attenuation of the waves is minimized.
  • Yet another object of the invention is to provide a micropulverization device as above, having an autonomous power source making the device ambulatory.
  • the object of the invention is a micropulverization device of the. "Acoustic fountain" type in which the means for focusing the ultrasonic waves at at least one point of the liquid to be micropulverized and close to its surface is a medium for propagation of the ultrasonic waves without attenuation and the liquid to be micropulverize is in a tank independent of the tank containing the propagation medium.
  • the micropulverization device comprises a housing 10 which comprises a tank 12 containing a medium 13 for propagation of the ultrasonic waves without attenuation.
  • a cavity 14 is closed by an electromechanical transducer 16 such as a piezoelectric transducer.
  • the transducer 16 is supplied at a frequency between 1 and 5 megahertz by an electronic circuit 18 receiving its power supply from the batteries 20.
  • the transducer then generates ultrasonic waves in the tank 12. These waves represented by the arrows in the figure are focused by an appropriate reflecting surface 22, of the paraboloid or cylinder type with parabolic director.
  • the ultrasonic waves pass through a cassette 24 containing the liquid to be micro-sprayed in order to concentrate at a point of the liquid close to its surface, an "acoustic fountain" 26 in the form of a jet is thus formed on the surface of the liquid to be micro-sprayed above the opening 28 of the cassette 24.
  • This jet 26 generates a mist of relatively uniform microdroplets 30 and of a smaller diameter of between 3 and 6 ⁇ m.
  • the mist is transported to the inhaler or the diffuser 32 by a ventilator 36.
  • the reflection surface 22 is here of the parabolic type, it is possible to optimize the shape of this surface by numerically solving the integral radiation equations associated with the wave equation, although the frequencies used (fundamental and harmonics) are not high enough to allow the use of ray theory (wavelengths too long compared to the radii of curvature).
  • the medium 13 for propagation of the ultrasonic waves must be a low density fluid close to 1 in order to obtain good speed of the acoustic waves, and also not to weigh down the device.
  • This medium must have a high non-linearity ratio in order to obtain the best possible efficiency at the focal point by using the shortest possible propagation distance of the waves in the propagation medium. It must be incompressible, with a Poisson's ratio greater than 0.49, and must have a weak attenuation of the waves, less than or equal to 1 dB / cm. Thus, if the distance traveled by the waves in the medium is 4 cm (distance desirable for an ambulatory device), the attenuation will be 4 dB.
  • a material meeting these characteristics can be a silicone gel of the poly-dimethyl-siloxane type such as the gel Q7 2167 from Dow Corning associated with the gel Q7 2168 or the gel Q7 2218 from Dow Corning also, or an acrylic gel type "sponge" acrylic, or even a poly-acrylamide.
  • micropulverization device illustrated in the single figure only has a single reservoir of micropulverization liquid, the device could include several reservoirs of micropulverization liquid containing different micropulverization liquids and several transducers of different characteristics, without going beyond the scope of the invention.
  • a micropulverization device can be designed in which the ultrasonic wave generator is a broadband transducer of way to allow the device to adapt to a wide range of micropulverising liquids.
  • This membrane is preferably made of a single-component silicone elastomer used by compression molding or of silicone elatomer used by injection.
  • the device according to the invention is autonomous, compact, due to the lower quantity of liquid to be sprayed and in the absence of preheating, and can therefore be used on an outpatient basis. It does not require any sterilization and cleaning due to the existence of a material for propagation of the ultrasonic waves permanently in the device. In addition, it allows, thanks to the easy replacement of one cassette by another, to be used for micropulverization of various liquids. It is particularly suitable for pneumology and otolaryngology applications which require uniform microdroplets and a diameter of less than 5 ⁇ m

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de micropulvérisation destiné à la formation de microgouttelettes comprenant un générateur d'ondes ultrasonores (16), un moyen de focalisation des ondes ultrasonores comportant un moyen (22) de concentration des ondes ultrasonores vers au moins un point du liquide à micropulvériser et proche de sa surface, une chambre de formation de microgouttelettes (30) et un moyen de diffusion (32) des microgouttelettes ainsi formées. Le moyen de focalisation comprend une cuve (12) contenant un milieu (13) de propagation des ondes ultrasonores sans atténuation permettant aux ondes de garder une grande efficacité au point de focalisation. Le liquide à micropulvériser se trouve dans un réservoir (24) indépendant de la cuve (12) contenant le milieu de propagation. Ce dispositif autonome, peu encombrant, n'exigeant pas une grande quantité de liquide à micropulvériser et ne nécessitant pas de stérilisation et nettoyage, est particulièrement adapté aux applications pneumologiques et oto-rhino-laryngologiques.

Description

Dispositif ambulatoire de micropulvérisation générée par ondes ultrasonores
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de micropulvérisation du type comportant un générateur d'ondes ultrasonores, un moyen de focalisation des ondes 5 ultrasonores en au moins un point du liquide à micropulvériseret proche de sa surface, une chambre de formation de microgouttelettes et un moyen de diffusion des microgouttelettes ainsi formées.
10 Etat de la technique ___
La thérapie classique utilise largement les dispositifs de pulvérisation lorsqu'il es*- nécessaire d'appliquer des microgouttelettes sur la partie du corps à soigner qui est la plupart du temps une partie interne
-15 telle que le nez, la gorge, ou les bronches.
Les dispositifs de pulvérisation classiques basés sur une pulvérisation mécanique, tels que les vaporisateurs abuse sous pression ou les atomiseurs piézo-électriques àcône vibrant ne permettent pas d'obtenir des 20 microgouttelettes d'un diamètre suffisamment petit pour être efficaces dans certaines thérapies. Ainsi, pour les applications en pneumologie, il est nécessaire de générer des aérosols formés de microgouttelettes.
Depuis quelques années on utilise la technique de 25 pulvérisation par ultrasons pour générer un brouillard de microgouttelettes. Dans cette technique, des ondes ultrasonores sont générées à l'aide de transducteurs électromécaniques, tels que des transducteurs piézo¬ électriques, dans un bain de liquide. Le faisceau d'ondes * 30 ultrasonores est dirigé vers la surface du bain où la rupture d'impédance eau-air provoque un jet de liquide appelé "Fontaine acoustique". Ce phénomène s'accompagne d'un brouillard de microgouttelettes dont la taille est comprise entre 3 et 6μm, créées par cavitation ou par mise en résonance des ondes capillaires du jet.
La technique ci-dessus est appliquée dans le brevet FR-89/16.424 qui décrit un procédé et un dispositif de micropulvérisation d'une solution liquide par ultrasons pour l'obtention de microgouttelettes destinées à former un brouillard de produits désinfectants pour asepsie des locaux médicaux. Mais les dispositifs du type de celui décrit dans le brevet ci-dessus, présentent l'inconvénient de nécessiter une grande quantité de liquide à micropulvériser du fait que les ondes ultrasonores sont transmises à l'intérieur même du liquide . A cause de cette quantité importante de liquide à micropulvériser, il est nécessaire de prévoir un système de pré-chauffage du liquide. Les dispositifs de ce type sont donc généralement des dispositifs encombrants r peu économes, et nécessitent une mise en oeuvre délicate (dosage, stérilisation, nettoyage, température de chauffage... ).
Il a été remédié partiellement à l'inconvénient ci- dessus en prévoyant une focalisation des ondes ultrasonores dans un milieu de propagation différent du liquide à micropulvériser. Ainsi, dans le brevet DE-B-1.003.147, la focalisation se fait par concentration des ondes grâce à un générateur d'ondes ayant une forme circulaire dont le centre coïncide avec le point où doit se faire la micropulvérisatio .
Un autre type de focalisation consiste à utiliser un système de concentration des ondes ultrasonores par une lentille du type Fresnel tel que décrit dans le brevet US- A-3.433.461.
Dans tous ces systèmes, on utilise les non-linéarités du champ d'ondes ultrasonores pour avoir * une bonne pulvérisation au point de focalisation. Or la répartition d'énergie entre la fréquence fondamentale (fréquence d'excitation du générateur), les harmoniques supérieurs et les sous-harmoniques est fonction de la distance de propagation dans le milieu de propagation. Il faut donc prévoir une distance de propagation des ondes ultrasonores minimale si on veut obtenir le meilleure efficacité possible au point de focalisation.
Pae conséquent, les systèmes décrits dans les brevets mentionnés ci-dessus présentent 1'inconvénient d'être encombrants et ne sont pas destinés à être utilisés de façon ambulatoire.
En outre, l'énergie nécessaire à la génération des ondes ultrasonores est élevée du fait qu'il faut prévoir une source relativement puissante d'ondes ultrasonores pour obtenir une énergie suffisante au point de focalisation des ondes après une atténuation importante, soit par le liquide de propagation comme c'est le cas dans le brevet DE-B- 1.003.147, soit par la lentille Fresnel dans le brevet US- A-3.433.461. C'est pourquoi les dispositifs décrits sont alimentés par une source extérieure et ne prévoient pas une source d'alimentation autonome qui les rendraient ambulatoires.
Exposé de 1'invention
La présente invention a donc pour but de remédier aux inconvénients ci-dessus en fournissant un dispositif de micropulvérisation efficace, peu encombrant et ne nécessi¬ tant pas de pré-chauffage. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif de micropulvérisation par ondes ultrasonores dans lequel l'atténuation des ondes est réduite au minimum.
Encore un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif de micropulvérisation tel que ci-dessus, ayant une source d'alimentation autonome rendant le dispositif ambulatoire.
L'objet de l'invention est un dispositif de micropulvérisation du . type "Fontaine acoustique" dans lequel le moyen de focalisation des ondes ultrasonores en au moins un point du liquide à micropulvériser et proche de sa surface est un milieu de propagation des ondes ultrasonores sans atténuation et le liquide à micropulvériser est dans un réservoir indépendant du réservoir contenant le milieu de propagation.
Description de 1'invention 'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit faite en référence à la figure unique représentant un mode de réalisation préféré du dispositif de micropulvêrisation selon l'invention.
Comme illustré sur la figure unique, le dispositif de micropulvérisation selon l'invention comprend un boîtier 10 qui comporte une cuve 12 contenant un milieu de propagation 13 des ondes ultrasonores sans atténuation. Une cavité 14 est fermée par un transducteur électromécanique 16 tel qu'un transducteur piézo-électrique. Le transducteur 16 est alimenté à une fréquence comprise entre 1 et 5 mégahertz par un circuit électronique 18 recevant son alimentation en énergie des piles 20. Le transducteur génère alors des ondes ultrasonores dans la cuve 12. Ces ondes représentées par les flèches sur la figure sont focalisées par une surface de réflexion appropriée 22, du type paraboloïde ou cylindre à directrice parabolique. Les ondes ultrasonores traversent une cassette 24 contenant le liquide à micropulvériser pour se concentrer en un point du liquide proche de sa surface, une "Fontaine acoustique" 26 en forme de jet est ainsi formée à la surface du liquide à micropulvériser au-dessus de l'ouverture 28 de la cassette 24. Ce jet 26 génère un brouillard de microgouttelettes 30 relativement uniformes et d'un diamètre inférieur compris entre 3 et 6μm. Le brouillard est transporté vers l'inhalateur ou le diffuseur 32 par un ventilateur 36.
Bien que la surface de réflexion 22 soit ici du type parabolique, il est possible d'optimiser la forme de cette surface en résolvant numériquement les équations intégrales de rayonnement associées à l'équation d'onde, quoique les fréquences utilisées (fondamentale et harmoniques) ne soient pas suffisamment élevées pour permettre l'emploi de la théorie des rayons (longueurs d'onde trop élevées par rapport aux rayons de courbure).
Le milieu 13 de propagation des ondes ultrasonores doit être un fluide de faible densité proche de 1 pour obtenir une bonne célérité des ondes acoustiques, et aussi ne pas alourdir le dispositif. Ce milieu doit présenter un rapport de non-linéarité élevé pour obtenir la meilleure efficacité possible au point de focalisation en utilisant une distance de propagation des ondes dans le milieu de propagation la plus courte possible. Il doit être incompressible, avec un coefficient de Poisson supérieur à 0,49, et doit présenter une faible atténuation des ondes, inférieure ou égale à 1 dB/cm. Ainsi, si la distance parcourue par les ondes dans le milieu est de 4 cm (distance souhaitable pour un dispositif ambulatoire), 1'atténuation sera de 4 dB. Un matériau répondant à ces caractéristiques peut être un gel silicone du type poly- diméthyl-siloxane tel que le gel Q7 2167 de Dow Corning associé au gel Q7 2168 ou le gel Q7 2218 de Dow Corning également, ou un gel acrylique type "éponge" acrylique, ou encore un poly-acrylamide.
Il est à noter qu'un liquide présentant les caractéristiques mentionnées ci-dessus, donc pouvant être utilisé comme milieu de propagation, est à éviter pour s'affranchir des problèmes d'étanchéite et des problèmes liés à la présence de bulles d'air néfastes pour la propagation des ondes acoustiques par les réflexions qu'elles provoquent.
Bien que le dispositif de micropulvérisation illustré sur la figure unique ne comporte qu'un seul réservoir de liquide à micropulvériser, le dispositif pourrait comporter plusieurs réservoirs de liquide à micropulvériser contenant des liquides à micropulvériser différents et plusieurs transducteurs de caractéristiques différentes, sans sortir du cadre de l'invention. De même, on peut concevoir un dispositif de micropulvérisation dans lequel le générateur d'ondes ultrasonores est un transducteur large bande de f çon à permettre au dispositif de s'adapter à une large gamme de liquides à micropulvériser.
Il est à noter que les ondes ultrasonores générées par le transducteur 16 et réfléchies par la surface 22, traver- sent le fond de la cassette 24 par une membrane 34 faite d'un matériau dont l'impédance acoustique est identique ou très proche de celle du milieu de propagation se trouvant dans la cuve 12. Cette membrane est de préférence en un élastomère silicone monocomposant mis en oeuvre par moulage en compression ou en élatomère silicone mis en oeuvre par injection. Ainsi, la seule atténuation des ondes ultrasonores ne peut se produire qu'à l'intérieur de la cassette 24 à la traversée du liquide à micropulvériser. Les ondes ultrasonores gardent donc une grande efficacité au point de focalisation, ce qui évite de procéder à un pré-chauffage du liquide a micropulvériser. En outre, l'existence d'une cuve séparée du liquide à micropulvériser, contenant un matériau permettant la transmission sans atténuation des ondes ultrasonores évite d'avoir- une grande quantité du liquide à micropulvériser.
On voit donc que le dispositif selon l'invention est autonome, peu encombrant du fait de la moindre quantité de liquide à pulvériser et à l'absence de pré-chauffage, et peut donc être utilisé de façon ambulatoire. Il ne nécessite aucune stérilisation et nettoyage du fait de l'existence d'un matériau de propagation des ondes ultrasonores à demeure dans l'appareil. En outre, il permet, grâce au remplacement aisé d'une cassette par une autre, d'être utilisé pour la micropulvérisation de liquides variés. Il est particulièrement adapté aux applications pneumologiques et oto-rhino-laryngologiques qui exigent des microgouttelettes uniformes et d'un diamètre inférieur à 5 μm

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de micropulvérisation destiné à la formation de microgouttelettes comprenant un générateur d'ondes ultrasonores (16), un moyen de focalisation des ondes ultrasonores comportant un moyen (22) de concentration desdites ondes ultrasonores vers au moins un point du liquide à micropulvériser et proche de sa surface, une chambre de formation de gouttelettes (30) et un moyen de diffusion (32) des microgouttelettes ainsi formées, ledit liquide à micropulvériser se trouvant dans un réservoir (24) indépendant du réservoir (12) contenant ledit milieu de propagation; caractérisé en ce que ledit moyen de focalisation comprend un milieu de propagation (13) des ondes ultrasonores sans atténuation, permettant ainsi auxdites ondes ultrasonores de garder une grande efficacité au point de focalisation.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit réservoir (24) contenant le liquide à micropulvériser est situé au dessus de la cuve (12) contenant le milieu de propagation des ondes ultrasonores (13) et comporte une paroi (34) faite d'un matériau de même impédance acoustique que ledit milieu de propagation à l'endroit où les ondes ultrasonores traversent le fond dudit réservoir.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que ledit réservoir (24) contenant le liquide à micropulvériser est une cassette remplaçable.
4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit lilieu de propagation présente un rapport de non-linéarité élevée, un coefficient de Poisson supérieur à 0,49 et un coefficient d'atténuation des ondes ultrasonores inférieur à 1 dB/cm.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit milieu de propagation des ondes ultrasonores (13) est un gel silicone.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit générateur d'ondes ultrasonores est un transducteur piézo¬ électrique.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs réservoirs (24) de liquide à micropulvériser contenant des liquides à micropulvériser différents, et plusieurs transducteurs de caractéristiques différentes.
S. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit générateur d'ondes ultrasonores (16) est un transducteur large bande de façon à permettre audit dispositif de s'adapter à une large gamme de liquides à micropulvériser.
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