氣霧劑輸出的分析和控制的制作方法
【專利摘要】一種氣霧劑產生系統（和方法）包括：用于產生氣霧劑輸出（2）的氣霧劑產生裝置（1）和用于使用產生裝置驅動信號來控制所述產生裝置（1）的控制器（12）。使用了氣霧劑密度檢測器（6、9）。時間延遲測量裝置（13）適用于基于所述產生裝置驅動信號和氣霧劑密度檢測器輸出而導出時序測量結果，其中所述時序測量結果和所述氣霧劑密度被組合以導出氣霧劑輸出速率。
【專利說明】氣霧劑輸出的分析和控制
發明領域
[0001]本發明涉及氣霧劑輸出的分析。
【背景技術】
[0002]霧化器產生氣霧劑輸出，并且用于將藥物傳送通過呼吸道。患者接收呈小液滴(氣霧劑)形式的特定量的藥物，所述液滴是通過迫使藥物通過網篩而形成的，所述網篩呈帶有微小孔洞的薄金屬板的形式。
[0003]將待霧化的一定量的藥物(通常為0.2毫升到2毫升)給送到裝置中，且所述裝置借助眾所周知的方法產生氣霧劑，所述方法例如是共振腔中的震動網篩、震動角狀物或震動平板。所需要的超聲波震動由致動器(通常為壓電晶體)產生。在治療期間到達患者處的藥物量等于所供應的藥物劑量減去沉積在裝置中的氣霧劑和在治療完成之后剩余在裝置中的藥物殘余。
[0004]對于藥物療法來說，有時不僅要求精確地定義劑量，還要求定義藥物被傳送的速率，即氣霧劑輸出速率。霧化器通常借助施加到壓電驅動系統的電功率和驅動頻率來控制氣霧劑輸出速率。
[0005]所述氣霧劑輸出速率不能基于所施加的電功率來確切地預測。例如，由于裝置和網篩的容差、溫度以及網篩的清潔度，氣霧劑產生系統可具有不同的效率(每單位電功率產生的氣霧劑的量)。
[0006]可在反饋控制回路中使用系統來調整電功率，其中所述系統通過測量氣霧劑束的密度和氣流速率來估計氣霧劑輸出速率。氣霧劑密度可借助垂直于所述氣霧劑束的光束來測量。所述光束可由發光二極管(LED)產生。來自LED的光束形狀是發散的，且可使用一個或一個以上透鏡將所述光束準直為平行或接近平行的光束。還可以使用(例如)圓形或矩形光闌(diaphragm)使所述光束成形。
[0007]所述光束與氣霧劑束十字交叉，并落在光學傳感器上(可選地穿過光闌并可選地使用一個或一個以上透鏡進行聚焦)。所述光學系統可通過在不存在氣霧劑且LED關閉(“暗信號”)和LED打開(“亮信號”)的時候測量傳感器信號來校準。如果存在氣霧劑束，則光束的射線被液滴分散開，因此減少落在光學傳感器上的光，且因此減少在光學傳感器處測得的輸出信號。由于光路徑中的液滴所致的傳感器上的光減少稱為遮蔽(obscuration)。所述遮蔽可由參數(“亮信號“測得的信號”)/ (“亮信號“暗信號”)定量地表示。
[0008]所述遮蔽隨著氣霧劑束中的液滴密度和光穿行通過氣霧劑束的長度而變。如果已知氣霧劑束的速度(例如，通過單獨的氣流速率測量(使用差動壓力傳感器或流量傳感器))，則可根據氣霧劑密度和每單位時間通過光束的氣霧劑束的體積來計算氣霧劑輸出速率。所述體積可根據氣霧劑束的橫截面積與氣霧劑束的速度的乘積來計算。
[0009]上述的根據光束遮蔽和氣流來估計氣霧劑輸出速率的方法具有以下缺點:需要兩種檢測系統:光學系統和空氣流量測量系統。
[0010]所述光學系統可位于距網篩一定距離處以使得空氣流量和液滴速度相同，或者也可位于較接近于射出液滴的網篩的表面處。在這種情況下，液滴速度并不和空氣流量緊密相關，而是取決于霧化參數，例如驅動器電子器件的功率和頻率。兩種狀況都具有其各自的缺點。
[0011]對于距網篩一定距離處的光學系統而言，氣霧劑液滴與周圍氣流的速度相同，但氣霧劑液滴可沉積在光學系統上(例如，在透鏡上)，使得在光學傳感器上檢測到的信號減少。這會降低密度測量的可靠性，因為不能辨別信號的減少是由于氣霧劑密度所致還是由于光學器件的污染所致。這個缺點可通過以規則的間隔進行校準而部分地克服。
[0012]取決于霧化器的機械設計，可能必須將光學系統定位在霧化器的噴嘴中。由于噴嘴通常是霧化器的可拆卸且可替換部分，因此光學系統的位置可導致設計困難并增加成本。
[0013]對于接近于網篩的光學系統而言，能夠以在很大程度上避免污染的方式來構造光學系統，但缺點是:接近于網篩的液滴的平均速度是由氣霧劑產生系統而非空氣流量界定的。此外，平均液滴速度通常隨著氣霧劑輸出速率變大而增加。結果，氣霧劑束的密度(如光學系統所檢測)僅略微與氣霧劑輸出速率一起增加，且不能被用作氣霧劑輸出速率的可靠估計。
[0014]US 2006/0087651公開了一種通過粒子圖像速度測量學獲得氣霧劑速度的系統，借助粒子圖像速度測量學，通過連續圖像來映射粒子以導出單個粒子的流動矢量。這是計算密集且硬件密集的過程。
【發明內容】
[0015]根據本發明，提供了一種氣霧劑產生系統，其包括:
[0016]-氣霧劑產生裝置，所述氣霧劑產生裝置用于產生氣霧劑輸出；
[0017]-控制器，所述控制器用于使用產生裝置驅動信號來控制所述氣霧劑產生裝置；
[0018]-氣霧劑密度檢測器；
[0019]-時間延遲測量裝置，其適用于基于所述產生裝置驅動信號和氣霧劑密度檢測器輸出而導出時序測量結果，其中將所述時序測量結果和所述氣霧劑密度組合在一起以導出氣霧劑輸出速率。
[0020]在這個系統中，用同一系統來測量氣霧劑密度測量結果和液滴速度。具體來講，并不需要除已經為氣霧劑密度檢測提供的器件以外的任何其他物理傳感器(例如，流量傳感器)。時間延遲測量結果指示平均液滴速度，且所述速度和密度一起導出輸出速率(即，每單位時間的氣霧劑體積或質量)。然后可將此輸出速率用作反饋參數，例如用于控制針對氣霧劑產生裝置的驅動功率，所述氣霧劑產生裝置可為壓電驅動系統。
[0021]氣霧劑密度檢測器可包括光學組件。例如，氣霧劑密度檢測器可包括用于測量通過氣霧劑輸出的光傳輸性的光學組件。所述氣霧劑密度檢測器可包括設置在氣霧劑輸出被引導通過的區域的相對側上的光源和光檢測器，并且根據光檢測器信號導出所述密度。
[0022]優選地在開狀態和關狀態之間調制(modulate)所述產生裝置驅動信號。這基于氣霧劑產生周期和無氣霧劑產生周期之間的轉變實現了時序測量。
[0023]例如，所述系統可適用于:
[0024]-控制氣霧劑產生裝置以提供第一輸出電平的周期和第二輸出電平的周期；[0025]-基于時間延遲來進行時序測量，所述時間延遲是從第一或第二輸出電平的周期的起動到氣霧劑密度檢測器檢測到所產生的輸出改變；
[0026]-從所述時序測量結果導出氣霧劑速度；和
[0027]-在輸出周期期間從氣霧劑密度檢測器導出密度。
[0028]所述第一輸出電平和第二輸出電平中的一個可為無輸出電平，使得時序于是是從所述驅動信號被施加(關-開)或關斷(開-關)到檢測到對應輸出改變。然后根據存在流動時的開周期導出密度。另外一種選擇是，兩個輸出電平都可以是非零的，且檢測到流量的改變、而非所檢測流動的起動或停止。
[0029]本發明還提供了一種控制氣霧劑產生系統的方法，包括:
[0030]-用氣霧劑產生裝置驅動信號來控制氣霧劑產生裝置；
[0031]-基于所述產生裝置驅動信號和氣霧劑密度檢測器輸出而獲得時序測量結果；
[0032]-組合所述時序測量結果和所測得的氣霧劑密度以導出氣霧劑輸出速率。
[0033]在氣霧劑產生期間，可重復地導出所述時間延遲測量結果和氣霧劑密度，且與所述氣霧劑密度測量相比可較不頻繁地執行時間延遲測量。例如，可以以2秒和30秒之間的周期來周期性地導出所述時間延遲測量，且可以以0.5秒和2秒之間的周期來周期性地導出氣霧劑密度測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]現在將參照附圖詳細地描述本發明的實例，其中:
[0035]圖1示出了本發明的氣霧劑產生系統的例子；
[0036]圖2不出了氣霧劑輸出如何與光檢測系統交互作用；
[0037]圖3示出了如何使用時序測量；
[0038]圖4用于更詳細地解釋所述時序測量；和
[0039]圖5示出了本發明的方法。
【具體實施方式】
[0040]本發明提供一種氣霧劑產生系統，在所述氣霧劑產生系統中使用了傳統的氣霧劑密度檢測器。時間延遲測量裝置適用于基于產生裝置驅動信號和氣霧劑密度檢測器輸出而導出時序測量結果。時序測量結果指示氣霧劑的產生和所產生的氣霧劑出現在氣霧劑密度檢測器處之間的時間延遲，其中所述氣霧劑密度檢測器在距氣霧劑產生裝置已知距離處。將時序測量結果(其與氣霧劑速度相關)和氣霧劑密度組合在一起以導出氣霧劑輸出速率，即質量輸送速率。氣霧劑輸出速率可被用作反饋控制機制的一部分。
[0041]圖1示出了本發明的霧化器系統，其具有使用網篩5產生氣霧劑2的壓電驅動式氣霧劑產生系統I。光學系統在距網篩5 —定距離4處產生光束3。所述光學系統由具有光學透鏡7和光闌8的光源6以及具有光學透鏡10和光闌11的光學傳感器9組成。
[0042]氣霧劑產生系統I由來自驅動電路12的信號驅動，所述驅動電路因此用作用于控制氣霧劑產生裝置的控制器。所述驅動信號可以是以較低頻率調制而得的高頻率信號。輸出功率可由信號的振幅、調制的占空比(duty cycle)或兩個方面控制。
[0043]驅動電路12的輸出功率由來自功率控制反饋系統13的輸入信號12a設定，所述功率控制反饋系統使用設定14作為起動值，并基于驅動電路12的輸出12b和光學傳感器9的輸出計算出改善的設定。這個系統被實施為在微控制器上運行的算法。
[0044]空氣流量例如可通過吸氣而產生。所述空氣流量是用流量傳感器(未示出)檢測到的，所述流量傳感器起動用于接通/關斷針對產生裝置的驅動信號的算法；所述產生裝置又起動氣霧劑的產生。
[0045]在替代實施例中，可存在其他手段來起動氣霧劑的產生，例如通過起動/停止按鈕來操作的通風設備/風扇。
[0046]所配給的藥物量僅取決于氣霧劑產生裝置輸出，而不受空氣流量影響。液滴的速度最初由氣霧劑產生裝置確定，且隨著液滴被帶入到空氣流中，液滴將與空氣的速度相適應。
[0047]圖2示出了光束的例子。光束15是從光源6 (其可包括透鏡和光闌)發射的。光束的高度使得優選地(但并非必須地)捕捉到整個氣霧劑束2。光束的寬度優選地為小的(通常為0.5mm到2mm)，以便針對液滴速度測量實現充足的時間分辨率，如下文所解釋。光束落在光學傳感器9上，所述光學傳感器通常也具有透鏡和光闌。
[0048]光學系統既用于以已知方式進行密度測量，又用于進行速度測量，其中通過測量光束被氣霧劑粒子遮蔽的程度來進行密度測量。
[0049]圖3示出了用以解釋速度測量的時序圖。
[0050]在起動22壓電驅動信號之后，在到達在網篩表面處產生液滴的時刻23之前存在未知的時間延遲te (19)。液滴離開網篩并在時刻24 (其在行進時間卜(示出為20)之后)處到達光束的中心。光束在固定距離D (在圖1中示出為4)處。
[0051]假設te (示出為19)可被忽略，則液滴的速度v=D/tT可根據所測得的時間tM (示出為21)來估計，其中所述測得的時間是從壓電驅動信號的起動到在光學傳感器處檢測到液滴。
[0052]如圖4中示出，壓電驅動信號29由高頻率波的一系列短突發31組成。由傳感器接收的光學信號30可在亮信號27 (其中不存在遮蔽)和暗信號28 (其中存在完全遮蔽)之間變化。因此，信號電平取決于氣霧劑密度。如圖4中示出，氣霧劑密度實際上絕不會導致暗信號，而是導致中間信號電平。
[0053]出于速度測量的目的，使壓電驅動信號暫停通常為50ms到IOOOms的持續時間25。在較短的持續時間26之后，由于不再存在光束的氣霧劑遮蔽，因此光學信號處于“亮信號”電平處。
[0054]在所述暫停結束后重新開始驅動信號時，測量在第一突發起動和光學信號開始減低的時刻之間的持續時間tM(示出為21)，其中所述光學信號由于到達光束的第一氣霧劑液滴所致的遮蔽而減低。
[0055]此持續時間與在te可被忽略的情況下的速度成比例。
[0056]為使得te可被忽略，光學傳感器距網篩的距離D被挑選為使得飛行時間tM比驅動系統的開動和氣霧劑液滴在網篩處的產生之間的時間延遲te大得多。
[0057]距離D的典型例子為5.5mm (介于Imm到15mm的范圍內)。在一個例子中，所測量的時間tM被測量為約1.5ms，對應于在5.5mm距離上的平均流動速度為3.7m/s (如果te被忽略)。射出速度較高，且此速度朝著空氣流速度下降。例如，非常接近于網篩處的射出速度可介于10m/s到30m/s的范圍內。空氣流量通常介于51/min到801/min的范圍內，且在一個例子中，輸出管的直徑為22mm。氣流速度的典型下限在lm/s左右，使得平均速度將大致上介于lm/s (典型的最低空氣流速度)到30m/s (典型的最大液滴射出速度)的范圍內。在裝置的一個例子中，氣霧劑輸出速率可介于200mg/min到1500mg/min的范圍內。
[0058]這些范圍并非意在限制，而是被提供用于給出各種參數的范圍的概念。
[0059]在以上計算中忽略了時間延遲te。tG已通過單獨的實驗測量，且被發現為通常介于10微秒到50微秒的范圍內，其與時序測量結果相比事實上可被忽略。
[0060]氣霧劑密度和速度可被用作反饋控制參數(以已知的方式)以控制氣霧劑傳送。
[0061]圖5示出了本發明的用于在氣霧劑傳送期間進行氣霧劑輸出速率控制的方法的流程圖。
[0062]在步驟32中，根據上述方法來測量液滴速度，并且在步驟33中測量氣霧劑密度。
[0063]這些值用于在步驟34中計算輸出速率。在步驟35中，相應地調整壓電驅動功率。
[0064]在回路36中以0.5秒到2秒的典型循環時間多次地重復進行執行密度測量的序列33、34、35，而在回路37中以較慢的步調重復進行速度測量，以避免氣霧劑束的頻繁中斷。速度測量的循環時間通常為2秒到30秒。
[0065]本發明可被應用于噴射式霧化器(其通過壓縮器來產生氣流)或加壓定量吸入器(pMDI)。本發明尤其關注如上文概述的超聲波霧化器，尤其是使用震動網篩技術(VMI)。
[0066]事實上，本發明可被應用于任何氣霧劑的分析和控制。霧化器僅為使用需要受控的氣霧劑輸出的裝置的一個例子。其他例子為空氣加濕器和噴漆設備。在需要準確的定量測量、同時不能在氣霧劑產生裝置的供應通道上測量輸出速率(例如，通過按比例放置供應容器)時，本發明是有利的。
[0067]本發明可使用已知的光學傳感器組件，且出于此原因，不再詳細描述光學器件。本發明可僅被實施為用于控制氣霧劑的產生的改良控制方法，以及用于測量時間延遲的時序系統。
[0068]類似地，所述氣霧劑產生系統可為完全傳統式的，且可為各種不同類型，且因此不再詳細描述。
[0069]在以上例子中，氣霧劑密度的光學檢測是基于對通過氣霧劑輸出的信號的遮蔽進行的測量。然而，還可以基于從氣霧劑輸出反射或散射的光來測量光學密度，這也取決于氣霧劑密度。氣霧劑密度測量還可以通過非光學手段來執行，例如通過氣霧劑束的超聲波的失真或衰減，或者使用射頻分析。
[0070]在以上例子中，時間延遲測量是基于無輸出周期和有輸出周期的。這會在被檢測到的信號之間提供清晰的界面。然而，時間延遲測量可以基于所檢測的非零電平的改變。不同的非零電平可使用脈沖寬度調制(PWM)驅動方案來形成，而不需要定義另外的關斷周期(off period)。因此，以上例子示出了 PWM驅動信號的中斷，但實際的PWM脈沖可替代地用于時序信息。
[0071]控制突發的調制提供了影響氣霧劑輸出速率的平均功率的調制。這可以基于重復率、或者振幅或突發的寬度的調制。
[0072]因此，一般來說，本發明使用針對氣霧劑產生裝置的驅動信號的知識、結合對氣霧劑產生裝置下游的所得氣霧劑形態的檢測，來導出時間信號并因此導出平均速度指示。[0073]根據對附圖、公開內容和隨附權利要求的研究，本領域的技術人員可在實踐所主張的本發明時理解和實現所公開實施例的其他變化形式。在權利要求書中，詞語“包括”并不排除其他元素或步驟，且不定冠詞“一個”和“一”并不排除多個。在相互不同的從屬權利要求中陳述某些措施的事實并不表示不能有利地使用這些措施的組合。在權利要求書中的任何元件符號不應視為對范圍進行限制。
【權利要求】
1.一種氣霧劑產生系統，包括: -氣霧劑產生裝置(I )，所述氣霧劑產生裝置用于產生氣霧劑輸出(2); -控制器(12)，所述控制器用于使用產生裝置驅動信號來控制所述氣霧劑產生裝置(I); -氣霧劑密度檢測器(6、9)； -時間延遲測量裝置(13)，所述時間延遲測量裝置適用于基于所述產生裝置驅動信號和所述氣霧劑密度檢測器輸出而導出時序測量結果，其中所述時序測量結果和所述氣霧劑密度被組合以導出氣霧劑輸出速率。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述氣霧劑密度檢測器(6、7)包括光學組件。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述氣霧劑密度檢測器(6、7)包括用于測量通過所述氣霧劑輸出的光傳輸性的光學組件。
4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述氣霧劑密度檢測器包括設置在所述氣霧劑輸出(2)被引導通過的區域的相對側上的光源(6)和光檢測器(9)，其中從光檢測器信號導出密度。
5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述產生裝置驅動信號被在開狀態和關狀態之間調制。
6.根據權利要求1所 述的系統，其適用于: -控制所述氣霧劑產生裝置(I)以提供第一輸出電平的周期和第二輸出電平的周期； -基于時間延遲(21)來進行時序測量，所述時間延遲是從所述第一輸出電平或第二輸出電平的周期的起動到所述氣霧劑密度檢測器(6、9)檢測到所導致的輸出改變； -從所述時序測量(21)導出所述氣霧劑速度；和 -在輸出周期期間從所述氣霧劑密度檢測器(6、9 )導出所述密度。
7.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述控制器(12)適用于通過依賴于所導出的氣霧劑輸出速率來控制針對所述氣霧劑產生裝置的驅動功率而控制所述氣霧劑產生裝置(I)。
8.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述氣霧劑產生裝置包括壓電驅動系統。
9.一種控制氣霧劑產生系統的方法，包括: -使用氣霧劑產生裝置驅動信號來控制氣霧劑產生裝置(I); -基于所述產生裝置驅動信號和氣霧劑密度檢測器輸出而獲得時序測量結果， -組合所述時序測量結果和所測得的氣霧劑密度以導出氣霧劑輸出速率。
10.根據權利要求9所述的方法，包括: -控制氣霧劑產生裝置(I)以提供第一輸出電平的周期和第二輸出電平的周期； -(32)獲得所述時序測量結果，所述時序測量結果是從所述第一輸出電平或第二輸出電平的周期的起動到檢測到所導致的在所述氣霧劑密度檢測器輸出內的輸出改變； -(33)在輸出周期期間獲得所述氣霧劑密度；和 -(34)從所述時序測量結果和所述氣霧劑密度導出氣霧劑輸出速率。
11.根據權利要求9所述的方法，包括:通過使用在開狀態和關狀態之間調制的驅動信號來控制針對所述氣霧劑產生裝置的驅動功率而控制所述氣霧劑產生裝置(I )。
12.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，在氣霧劑產生期間重復地導出時間延遲測量結果和所述氣霧劑密度，且與氣霧劑密度測量(33)相比較不頻繁地執行時間延遲測量(32)。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，以在2秒和30秒之間的周期來周期性地導出所述時間延遲測量(32)，且以在0.5秒與2秒之間的周期來周期性地導出所述氣霧劑密度測量(33)。
14.根據權利要求9所述的方法，包括:通過依賴于所導出的氣霧劑輸出速率來控制針對所述氣霧劑產生裝置的驅動功率而控制所述氣霧劑產生裝置(I)。
15.根 據權利要求10所述的方法，其特征在于，無輸出周期的持續時間在50毫秒與I秒之間。
【文檔編號】B05B12/08GK103826756SQ201280045600
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年9月10日 優先權日:2011年9月19日
【發明者】P·H·C·本特韋爾森, M·B·范德馬克, H·輝基根 申請人:皇家飛利浦有限公司