JP2019530558A5

JP2019530558A5 -

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Publication number: JP2019530558A5
Application number: JP2019540509A
Authority: JP
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2021-05-13
Anticipated expiration: 2036-10-11

Description

高濃度の微粒子エアロゾルを生成する方法は、米国特許第8,596,268 B2号に開示されており、米国特許第8,596,268 B2号の全体が参照により本明細書に組み込まれている。簡単に説明すると、エアロゾル化ノズルへの水溶液／水性懸濁液の供給に注射器ポンプを用いている。このノズルは、液体の100％をエアロゾル化して、サイズ分布の狭い（σ_g＜2）液体エアロゾルを形成させる。このエアロゾル噴煙は、ガスの同軸対向流により停止させられる。暖かい圧縮ガス及び希釈ガスの併用、及び波長が水の吸収帯に最適化された赤外線により、液体を粒子から蒸発させる。その結果得られる乾燥粒子エアロゾルは、放射状に整列した加速ノズル及び減速ノズルを有する多連スリットバーチャルインパクタを用いて濃縮される。粒子は、加速ノズルを通過すると勢いを増す。粒子は、減速ノズルを通過する際に小さい隙間を通過して失速し、低速エアロゾルを形成する。ほとんどのガスは、これらのノズルの間の隙間を通ってエアロゾル流から抜けていく。そのため、低速エアロゾルは、より少ないガスの体積に含まれるかなり高濃度の粒子から成る。このエアロゾルは、3水柱cmでポートから流れ出し、そこでオンデマンドで吸引することができる。しかしながら、肺機能障害がある患者における肺深部沈着のためには、更に小さい径のエアロゾルで、より高い送給率及び高い総ペイロードが、ARDS及びその他の肺症候群や肺病の患者を治療するためには望ましい。従って、本発明の目的は、より高い効率且つ臨床用途に適した高ペイロードで、より小さい粒子をより高い濃度で生成することである。

多くのエアロゾルを濃縮するためのバーチャルインパクタが既に開示されている。例えば、いくつかの線状スリット濃縮器は、上述したように、矩形V型デザインの収束型流路を用いている。濃縮されたエアロゾルの質量負荷は、濃縮器の効率を低下させる可能性があり、1mg/Lより高い濃度ではノズルの目詰まりにつながる可能性がある。エアロゾルは、高ペイロードの送給のために、濃縮される前の時点で既に高濃度であることが好ましい。指定されたペイロードの生成及び送給の最中に、濃縮器の表面へのエアロゾルの沈着が濃縮器の機能を損なってはならない。本発明の性能を満たすエアロゾル濃縮器はまだ開示されていない。

バーチャルインパクタはエアロゾル粒子の慣性に依存するため、4μm MMADより小さい粒子の濃縮においては、特に低圧力差において高効率を達成することが困難である。単純化及び臨床的有用化のためには、エアロゾルをバーチャルインパクション（impaction）により濃縮する場合には、排出ガスを除去するためのポンプを用いることなくエアロゾルをわずかな正圧で患者に送給することができるように、低い正圧で濃縮が達成されることが望ましい。この条件によって、基本的に、円形のオリフィスを用いたバーチャルインパクタのような高流動抵抗のバーチャルインパクタの使用が排除される。スリット型のオリフィスは、ガス流に対する抵抗がはるかに低いため、本発明に用いられている。空気力学的に設計された加速ノズル及び減速ノズルは、流動に対する抵抗を減らし、濃縮器の効率を向上させる。米国特許第8,375,987はこの前提条件を満たしているため、その全体が本明細書に組み込まれている。しかしながら、本発明は、より高いペイロードで送給可能な、より壁損失が低く且つよりエアロゾル濃度が高い、より小さい粒子の生成及び処理を提供する。

本発明の一つの目的は、円筒型線状単スリットバーチャルインパクタを用いて、音響共振を回避しつつ、58％より高い効率で少なくとも最大2gの出力で、高濃度の1.5〜4μm空気動力学的中央粒子径のエアロゾルを毎分10から50リットルの流量で生成し送給することである。

本発明の一つの目的は、いずれの濃縮器の排気出口にも補助ファンや流動制御装置を用いずに高濃度の1.5から6μm MMADのエアロゾルを生成する二段階濃縮器を形成することである。

ノズル出力端から出る液体エアロゾルは、液体エアロゾル生成ノズルから約5cmの位置にある対向流オリフィスから出る圧縮ガスの同軸対向流の噴流により停止させられるエアロゾル噴煙を形成する。そのようにして分散した液体エアロゾルは、ノズルホルダを囲う、円筒型蒸発チャンバを通る比較的均一なガス流を提供するよう設計された流れ分配器を通して円筒型蒸発チャンバに入る、好適には暖かく乾燥した希釈ガスの流れによって、円筒型蒸発チャンバを通して移送される。赤外線源により提供される、水の吸収帯の範囲内の波長の赤外線は、円筒型蒸発チャンバの壁を通して伝達される。この赤外線は、暖かく乾燥したガスと共に、水を飛沫から蒸発させて一次中間乾燥粉末エアロゾルを形成させる。絶対乾燥状態においては、これらの一次中間乾燥エアロゾルは、主に乾燥速度及びエアロゾル化された溶液又は懸濁液の物理化学的特性によって、個体球状粒子である場合とそうでない場合とがある。当然、飛沫の蒸発が完全でない場合、最初に生成した液体エアロゾルより小さいサイズの液体エアロゾルとなる。好適な構成においては、ガスはヘリオックスである。空気の比熱容量が1.0kJ/kg・Kであるのに対し、ヘリオックスの比熱容量は4.3kJ/kg・Kである。ヘリウムの熱伝導率は空気より約６倍高い（0.02W/m・K対0.149W/m・K）。水蒸気の拡散係数は、ヘリウム内においては空気内と比較して３．３倍高い。加えて、対流熱伝導率は飛沫の周囲のガス流に依存する。液体エアロゾル生成ノズルからの圧縮ガス流の増加及びそれによる対向流ガス速度の増加は、飛沫からの水の蒸発速度を増加させる。従って、圧縮ガス圧力及びノズル出力端径が同じであれば、エアロゾルを生成し処理するために空気ではなくヘリオックスを使用することにより、初期飛沫から液体を蒸発させる時間が低減され、その結果、エアロゾル処理システム内における慣性インパクション及び堆積による粒子損失が少なくなる。これが本発明の第一構成である。この一次中間乾燥粉末エアロゾルは、円筒型蒸発チャンバ出力端を通って円筒型蒸発チャンバから出てきたところで使用することができる。

本発明の第二構成は、液体エアロゾル生成ノズル、対向流チューブ、流れ分配器、円筒型蒸発チャンバ及び円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器を備えるエアロゾル処理システムを含む。本発明のこの第二構成においては、一次中間乾燥粉末エアロゾルは、円筒型蒸発チャンバ出力端から、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力端を通って、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器に移動する。円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器は、バーチャルインパクションの原則に基づいて機能する。この円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器においては、円筒型単スリットエアロゾル濃縮器に入る一次中間乾燥粉末エアロゾルの速度は、収束型円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力路を通過すると増加する。好適な構成においては、この収束型円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力路は、長さが3.25インチで、円形の入口が直径70mmで断面積が徐々に減少する彫刻流路と、好適な構成においては長が32mmで幅が1.3mmであり、長さが0.2cmから6cmの間で幅が1mmから2mmであっても良いスリットを備える、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力オリフィスを備える。好適な構成においては、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力オリフィスの中心に対する壁の角度は21度であるが、10度から60度の間の他の角度も可能である。この円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力オリフィスと同じ長さで幅が1.6mmと円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力オリフィスより若干幅が大きい円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力オリフィスが、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力オリフィスから1.7mm離れた位置にこれと平行に並んでいる。円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力オリフィスと円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力オリフィスの間には、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器エアロゾル分離空間を形成し且つ共振を軽減するよう大きさが最適化された、好適な構成においては1.7mmであり1mmから2mmの間であることが好ましい長手方向円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器エアロゾル分離空間がある。円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力オリフィスは、発散型円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力路の入口である。発散型円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力路は、好適な構成においては外周の直径が35mmの円形の出口で終わる長さが5cmの彫刻減速流路であるが、他の長さも可能である。好適な構成においては、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力オリフィスの中心に対する壁の角度はは20度であるが、10度から60度の間の角度であっても良い。この小さい発散角度により逆流が最小限に抑えられる。一次中間乾燥粉末エアロゾルは、収束型円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力路を通過し、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力オリフィスを通って円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器エアロゾル分離空間に出ることで加速する。一次中間乾燥粉末エアロゾルの運動量は、ほとんどのエアロゾルに、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器エアロゾル分離空間を横切らせ、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力オリフィスに入って発散型円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力路に入らせることを可能にする。ほとんどのガスを含む一次排出エアロゾルは、ごく少量の浮遊している粒子と共に、彫刻プレナムに入るために、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器エアロゾル化空間の各側面の一次中間乾燥粉末エアロゾルから出ていく。彫刻プレナムの好適な体積は170mlであるが、30mlから300mlの間の体積が可能である。この構成の長所は、この円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器のスリットが鉛直配向されている場合、収束型円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力路内での重力による壁損失が最小であることである。彫刻プレナムを通って流れる一次排出エアロゾルは、一次中間乾燥粉末エアロゾル粒子濃度と比較してエアロゾル濃度が顕著に減少している。この彫刻プレナムは、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器に入る少量の粒子粒子を含むこの一次排出エアロゾルが、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器エアロゾル分離空間を横切る一次中間エアロゾルの流れと実質的に干渉しないのに十分な容積を有する。一次排出エアロゾルは、好適な構成においては直径15mmの円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器排出口を通って彫刻プレナムから出ていく。この排出口のサイズは、彫刻プレナム内での共振定在波の発生を抑制する。

エアロゾル用のインパクションパラメータは

で表され、Φ＝インパクションパラメータ（無次元）、C＝ガス分子の平均自由行程に匹敵するサイズの粒子のカニンガムの補正係数、ρ_p＝粒子の比重（g/cm³）、d_p＝粒子径（cm）、v＝噴出速度（cm/sec）、D_jは噴射径（cm）、μ＝ガスの粘度（Pa・s）であり、μ_air＝18×10⁶Pa・s、μ_heliox＝19.1×10⁶Pa・sと、ヘリオックスと空気の粘度は類似している。空気の相対レイノルズ数はヘリオックスの3.2倍である。円筒型蒸発チャンバと一次排出エアロゾルの間だけでなく円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器全体を通して低圧力差で円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器が高ヘリオックス流量で動作することを可能にする。発散型円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力路から出る吸入可能乾燥粉末エアロゾルは、その吸入可能乾燥粉末エアロゾル体積流量が発散型円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力路に接続されたエアロゾル受け装置によって制限されている状態で低い正圧を有する。吸入可能乾燥粉末エアロゾルは、発散型円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力部を円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器回収コーン、フィルタ又は器具に接続することで、或いは哺乳類により吸入されることにより出力することができる。

１２．使用時は、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力オリフィス２０及び円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力オリフィス２１は実質的に鉛直方向に伸びる、
前述の実施例１から１１のいずれか一つに係るエアロゾル生成システム。

１９．エアロゾル生成システムは、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器９の円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器排出口４４に流動制御装置がない、
前述の実施例１から１８のいずれか一つに係るエアロゾル生成システム。

３５．円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力オリフィス２０及び円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力オリフィス２１を、これらが実質的に鉛直方向に伸びるよう配置することを更に含む、
前述の実施例２４から３４のいずれか一つに係る方法。

４２．エアロゾル生成システムは、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器９の線状単スリットエアロゾル濃縮器排出口４４におけるあらゆる流動制御装置を省くことを更に含む、
前述の実施例２４から４１のいずれか一つに係る方法。

５９．使用時は、円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力オリフィス２０及び円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力オリフィス２１は実質的に鉛直方向に伸びる、
前述の実施例４８から５８のいずれか一つに係るエアロゾル生成システム。

６７．エアロゾル生成システムは、円筒型放射状マルチスリットエアロゾル濃縮器２４の円筒型放射状マルチスリットエアロゾル濃縮器排出口５１及び円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器９の円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器排出口４４に流動制御装置がない、
前述の実施例４８から６６のいずれか一つに係るエアロゾル生成システム。

８３．円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器入力オリフィス２０及び円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器出力オリフィス２１を、これらが実質的に鉛直方向に伸びるよう配置することを更に含む、
前述の実施例７２から８２のいずれか一つに係る方法。

９１．エアロゾル生成システムは、円筒型放射状マルチスリットエアロゾル濃縮器２４の円筒型放射状マルチスリットエアロゾル濃縮器排出口５４及び円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器９の円筒型線状単スリットエアロゾル濃縮器排出口４４におけるあらゆる流動制御装置を省くことを更に含む、
前述の実施例７２から９０のいずれか一つに係る方法。

１０５．エアロゾル生成システムは、円筒型放射状マルチスリットエアロゾル濃縮器２４の円筒型放射状マルチスリットエアロゾル濃縮器排出口５１に流動制御装置がない、
前述の実施例９７から１０４のいずれか一つに係るエアロゾル生成システム。

１１８．エアロゾル生成システムは、円筒型放射状マルチスリットエアロゾル濃縮器２４の円筒型放射状マルチスリットエアロゾル濃縮器排出口５４におけるあらゆる流動制御装置を省くことを更に含む、
前述の実施例１１０から１１７のいずれか一つに係る方法。