一種便攜式霧化給藥器的設計

陳潤楠 楊鈺潔 劉婕妤 王福超 程澤坤

摘要：一種便攜式超聲波霧化給藥器，利用超聲波霧化機理，即利用換能器發(fā)出的超聲振蕩將藥液打散成霧狀，患者將霧狀藥物吸入氣道，可直接作用于患病處，達到治療目的。通常醫(yī)院使用的霧化器是高頻震蕩的超聲波霧化器，但其缺點在于不夠便攜，因此該便攜式霧化給藥器旨在使患者通過超聲波霧化器對藥液進行更好吸收，同時能解決日常便攜使用的問題。

關鍵詞：霧化給藥器;便攜式;超聲波霧化

引言

隨著技術(shù)提高，超聲波霧化器在呼吸道疾病的醫(yī)學治療中有著普遍的使用。超聲波霧化片通過高頻振動將藥液打散為細小顆粒，使其通過呼吸吸入的方式進入呼吸道和肺部沉積，從而達到無痛及有效治療的目的。[1]為了滿足霧化高質(zhì)量和高效率的要求，通常采用工作頻率較高的電子線路來推動相應的霧化環(huán)節(jié)使液體霧化。[2]醫(yī)院常用的高頻震蕩超聲霧化器不夠便攜，便攜式超聲波霧化器旨在滿足患者通過超聲波霧化器對藥液進行更好吸收的同時也能夠解決日常便攜使用的問題。

1 工作原理

1.1霧化器的工作原理

超聲波霧化器電路是本系統(tǒng)的核心換能部分，它以水為介質(zhì)，通過壓電陶瓷換能片將電能轉(zhuǎn)換為機械能，使水變?yōu)殪F狀微粒，達到起霧的效果。[3]霧化器將NE555定時器作為頻率發(fā)生器，產(chǎn)生矩形脈沖信號，調(diào)整可變電阻器阻值以占空比，用Class-E功率放大電路將信號放大，接入超聲霧化片。L7809降壓穩(wěn)壓元件穩(wěn)壓。利用ESP8266接入水位傳感器，寫入設定程序設定水位對應的數(shù)字量，實現(xiàn)水位高時電器不動作，霧化器正常霧化，水位低時繼電器動作，霧化器停止霧化，自動控制霧化器電路。軟、硬件結(jié)合提高了NE555定時器控制電路的穩(wěn)定性，通過程序控制繼電器的接通或切斷，達到控制霧化器工作的目的。通過Proteus進行控制電路原理圖仿真，在仿真中，用蜂鳴器代替霧化片，如圖1所示。

1.2 霧化器的選擇

備選方案為加熱霧化、壓縮霧化和超聲霧化。加熱霧化通過將液體加熱至沸點蒸發(fā)霧化，但高溫可能使藥液失去藥效，同時會有安全隱患。壓縮霧化利用大氣壓強將液體帶出，并撞擊在網(wǎng)狀阻擋物上，液滴分子分解為微小顆粒噴出。當振動面的振動幅度達到一定閾值時，液滴便會從駐波峰上飛濺而出形成霧。[4]與加熱霧化相比，超聲波霧化能避免加熱霧化可能引發(fā)的安全隱患及高溫導致的藥物失去藥效;與壓縮霧化相比，超聲霧化造成液滴質(zhì)量輕體積小，更利于患者吸收，霧化效率更高。

2 電路設計

2.1硬件電路設計

2.1.1 NE555定時器

555定時器是一種中規(guī)模集成電路，它將模擬功能與邏輯功能結(jié)合在同一個芯片上既能作為定時器使用，又能作為振蕩器使用。[5]NE555定時器具有工作電流要求低，輸出頻率可調(diào)節(jié)，長時發(fā)熱溫度低等優(yōu)點。在設計過程中，NE555本身電壓較低，需加裝升壓板將電壓升高至霧化片可起振的電壓值。在Proteus原理仿真圖中，NE555定時器的工作周期為T = 0.693*（R51 * C30）

2.1.2水位傳感器

水位傳感器正引腳接正五伏電源，負引腳接地，S引腳接入ESP8266模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換引腳。水位傳感器利用外界液體與平行導體的接觸面的大小改變接入電路的電阻大小進而判斷水位。

2.1.3ESP8266單片機

設計通過ESP8266開發(fā)板將水位量轉(zhuǎn)化為信號量。

2.1.4 ?Class-E功放部分

選擇Class-E功放的原因：頻率較低時，Class-D中開關管的能耗可以忽略;而當工作頻率變高，D類功率放大電路MOS管損耗急劇增加，輸出效率遠不如低頻效率，長時間工作在高頻狀態(tài)下，元件將會發(fā)熱受損。而E類功放不存在此類問題。

電源為NE555定時器與ESP8266單片機供電。Class-E放大電路將NE555定時器發(fā)出的信號放大，驅(qū)動霧化片將液體霧化。ESP8266單片機通過水位傳感器檢測液位情況，控制繼電器開合，從而控制電路啟停。

2.2 軟件編程設計

2.2.1 Arduino編程部分

如圖2所示，程序進行初始化操作即設置初始量，傳感器采集霧化器內(nèi)的水位數(shù)據(jù)，ESP8266接收傳感器傳送的數(shù)據(jù)。當有數(shù)據(jù)傳來時，ESP8266讀取數(shù)據(jù)并比較輸入量與設定值。當傳感器輸入量小于設定值，繼電器不動作;當輸入量小于設定值繼電器動作。

3 ?霧化器實驗結(jié)果

3.1超聲振蕩頻率測試

用示波器在超聲霧化片表面進行檢測，往容器內(nèi)注入適量水，當霧化器正常工作時，示波器顯示出超聲頻率。依據(jù)該方法比較了三臺超聲波霧化器的振蕩頻率，實驗結(jié)果見表 1。

超聲振蕩頻率偏差均108 kHz±10%內(nèi)，說明超聲霧化器的振蕩電路較穩(wěn)定。在實際情況下，該頻率可通過示波器直接測量。

3.2不同水量下霧化率測驗

在一定的水量范圍內(nèi)，逐步增加水量，三臺霧化器的霧化率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。但由于實驗數(shù)量有限，若要得出霧化率與水量的關系曲線，需增加霧化器個數(shù)同時進行多次重復實驗，才能得出準確結(jié)果。

3.3 霧化器不同時段霧化量測驗

隨著霧化時間的增加，霧化器的霧化量逐漸減少。

4 ?結(jié)束語

便攜式霧化給藥器，利用超聲霧化把藥液打散霧化，直接作用于患者病患位置，達到治療目的。通過一系列實驗得出與傳統(tǒng)的霧化器比較，霧化器的控制電路將硬件與軟件結(jié)合，提高了設備工作的穩(wěn)定性，提高了霧化器的便攜性能。提高了超聲波霧化器的醫(yī)療成效，同時也解決了日常便攜問題。

參考文獻

[1]Cperrin L，kevin B T，Khuri Yakub.Piezoelectrically actuated transducer and droplet Oector[J].IEEE Ultrasonics Symposium，1996913-916.

[2]楊霓清.高頻電子線路[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2007.

[3]郝世新.超聲波霧化器元設計分析與設計優(yōu)化構(gòu)想.醫(yī)療衛(wèi)生裝備[J1.2004（6）：153.

[4]應崇福.超聲學[M].北京： 科學出版社，1990.

[5]鄒嵐.555定時器的典型電路及其實際應用 [J].化工自動化及儀表，2017（4）：406-409，414

作者簡介：陳潤楠（2000-），女，漢族，山西省晉城市人，本科，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。