驅(qū)動壓力調(diào)節(jié)對可控型射流注射系統(tǒng)性能的影響

曾棟坪， 康 勇， 劉 忠， 喻哲欽， 李佳敏

(1.長沙理工大學 能源與動力工程學院，長沙 410114；2.武漢大學 動力與機械學院，武漢 430072)

射流注射系統(tǒng)利用瞬時高壓使注射腔內(nèi)的藥物通過小尺寸的噴嘴形成高速、高壓的微射流，從而使藥物穿透皮膚進行注射。與傳統(tǒng)有針注射相比，該技術(shù)具有注射傷口小、藥物擴散速度快及擴散程度高等明顯優(yōu)勢[1-2]。目前，射流注射系統(tǒng)的注射深度存在非常大的不明確性，注射深度主要由射流的軸心速度所確定[3-5]。因此，針對射流速度的研究成為可控型射流注射系統(tǒng)研究的重點。

理想的射流注射狀態(tài)所需要的射流速度曲線為高、低兩段式[6-7]，即在刺穿皮膚表層階段的短時間內(nèi)保持較高的射流速度，以保障射流可以抵達目標注射深度；在隨后的注射階段內(nèi)，降低射流速度，進而完成注射并降低藥物回濺，保證注射完成率。近年來，國內(nèi)外學者對射流速度的控制方法進行了研究，主要采用音圈驅(qū)動器[8]、壓電驅(qū)動器[9]、電磁力驅(qū)動器[10]及洛倫茲力驅(qū)動器[11]等驅(qū)動裝置與活塞桿連接，通過控制驅(qū)動器的輸入信號來實現(xiàn)對射流速度的動態(tài)控制。這些控制方法在針對常規(guī)小劑量(0.3 mL)注射時展現(xiàn)了良好的控制效果，但是以1.0 mL為代表的大劑量可控型射流注射系統(tǒng)對于射流速度控制的要求與常規(guī)小劑量有明顯區(qū)別[12-13]，需要一種更直接有效的控制策略。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文針對典型大劑量注射工況，開展了驅(qū)動壓力調(diào)制可控型射流注射系統(tǒng)動力學特征及注射性能系列研究，通過對射流注射系統(tǒng)的驅(qū)動壓力調(diào)制來實現(xiàn)對射流速度特征的控制。采用高精度壓力測試平臺及高速攝影裝置，開展射流沖擊試驗、明膠注射高速攝影試驗及離體組織注射試驗，分析射流沖擊特征及射流擴散特征，以期揭示驅(qū)動壓力調(diào)制機制，獲取不同注射劑量最優(yōu)驅(qū)動壓力組合，為我國可控型射流注射技術(shù)發(fā)展提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

射流注射系統(tǒng)由驅(qū)動裝置與注射槍組成，采用壓縮的二氧化碳氣體為驅(qū)動源，通過注射槍的空氣入口進入注射槍以驅(qū)動相關(guān)部件執(zhí)行注射工作。該射流注射系統(tǒng)可在驅(qū)動壓力為0.25～1.75 MPa、噴射劑量為1.0～2.0 mL工況范圍下實施注射。本研究中使用的注射器噴嘴直徑為0.17 mm，噴射劑量主要為常規(guī)大劑量1.0 mL，并在該劑量的基礎(chǔ)上將范圍擴大到1.5 mL及2.0 mL。為了控制這種大噴射劑量工況下射流注射系統(tǒng)的噴射速度，在注射系統(tǒng)中裝配了一個壓力快速切換裝置，直接安裝到現(xiàn)有的驅(qū)動壓力管路上，可以精確調(diào)控每個階段的驅(qū)動壓力及持續(xù)時間，在注射過程中實現(xiàn)高、低兩階段驅(qū)動壓力快速切換，以形成可控型射流注射系統(tǒng)要求的兩階段射流速度特征，可控型射流注射系統(tǒng)裝置,如圖1所示。

(a) 可控型射流注射系統(tǒng)沖擊壓力測試圖

(b) 可控型射流注射系統(tǒng)驅(qū)動壓力切換裝置圖圖1 可控型射流注射系統(tǒng)圖Fig.1 Device diagram of controllable jet injection system

1.2 試驗材料

明膠的透明度較好，且和肌肉組織材料特性接近，所以常用來模擬肌肉組織進行注射試驗[14-15]。本次研究中采用10%的明膠原材料(Aladdin，G108397)和90%的蒸餾水配比制成質(zhì)量分數(shù)10%柔性明膠材料，在高速攝影試驗中用來觀察射流擴散過程。此外，為了更好地模擬人體注射條件，根據(jù)文獻調(diào)研及試驗條件評估[16-17]，采用亞甲基藍色溶液(Sigma，M9140)離體豬肉組織進行注射，在溶液配置過程中考慮了液體黏性對注射的影響[18]。離體豬肉組織由武漢大學動物實驗中心提供，經(jīng)湖北省實驗動物質(zhì)量檢驗站批準用于科學研究(許可證號：SCXK2020-0159)。安樂死后立即從豬頸部采集組織，包括皮下組織和肌肉。將組織修剪，立即真空密封，并儲存在-80 ℃冷凍箱內(nèi)；注射之前，每個樣品在22 °C下解凍并防止處于室溫條件下。

1.3 測試分析方法

噴嘴出口沖擊壓力通過前期研究自制的高精度沖擊壓力測試平臺獲得[19]，該平臺由動態(tài)壓力傳感器(M5156-000002-030BG)、HBM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Quantum MX840B-8)和具有嵌入式Java編程語言的集成設(shè)備組成，測量量程為0～50 MPa，最大可承受壓力為65 MPa，諧振頻率大于100 kHz，上升反射時間低于2 μs。根據(jù)動量定理和伯努利方程，結(jié)合試驗得到的沖擊壓力，可計算射流速度。在噴嘴出口處計算射流速度時，結(jié)合Joy等[20]考慮通過射流注射系統(tǒng)噴嘴小孔徑流動中的湍流和摩擦損失，加入流量系數(shù)Cv，可得沖擊壓力與射流速度的關(guān)系為

(1)

式中：P為沖擊試驗中測得的噴嘴出口壓力；r為射流半徑，等于本研究中的噴嘴直徑；vjet為噴嘴出口處的射流速度；Cv為流量系數(shù)，是射流半徑的函數(shù)。

采用高速攝像機(Vision Research，Phantom V2012)記錄明膠注射的全過程，鏡頭為Nikon ED(AF Micro Nikkor 200 mm 1∶4 D)，幀數(shù)為43 000 fps，曝光時間為22 μs，在此試驗配置下可獲取連續(xù)獲取有效分辨率為2 000×3 595像素的圖像。高速攝像機在試拍前進行了校準，并先于注射過程開始工作，以便捕捉到整個注射過程，通過處理注射完成后的圖像，可獲得擴散深度和擴散寬度的動態(tài)變化趨勢,如圖2所示。

(a) 明膠注射過程可視化分析方法

(b) 離體組織注射后參數(shù)特征標注示意圖圖2 試驗結(jié)果分析方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of the analysis method of the test results

同時，在離體豬肉組織注射試驗中對射流擴散特征及注射完成率進行分析，每個數(shù)據(jù)點進行3次注射，用3次注射試驗的平均值來分析注射特征。由圖2可知，為了定量描述離體組織注射試驗中液體的擴散特征，本次研究采用速凍后切開離體組織界面進行直接測量的方法，測量了擴散深度Lc、注射深度Lm和擴散寬度Wk，并通過稱重注射前和注射后離體組織的質(zhì)量變化來估算注射完成率PD。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 射流沖擊特征

在沖擊壓力測試試驗中，采用0.17 mm噴嘴及1.0 mL噴射劑量的注射工況，分析不同驅(qū)動壓力調(diào)制下射流沖擊特征。普通射流注射系統(tǒng)與可控型射流注射系統(tǒng)的沖擊壓力曲線如圖3所示，圖3(a)為0.75 MPa單一驅(qū)動壓力工況，圖3(b)為(0.75—0.25)MPa兩階段驅(qū)動壓力工況，通過比較兩種注射系統(tǒng)的沖擊壓力曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩階段驅(qū)動壓力下的可控型射流注射系統(tǒng)呈現(xiàn)明顯的兩段式射流沖擊壓力特征，且由較大壓力轉(zhuǎn)換為較小壓力的射流沖擊壓力過程中存在明顯拐點。同時，在管道穩(wěn)壓設(shè)備作用下，可控型射流注射系統(tǒng)的壓力曲線在注射開始階段波動較小。上述結(jié)果表明,采用兩階段驅(qū)動壓力形式的控制方法可以實現(xiàn)對射流沖擊壓力進行直接控制。

(a) 普通射流注射系統(tǒng)

(b) 可控型射流系統(tǒng)圖3 兩種射流注射系統(tǒng)沖擊壓力曲線對比Fig.3 Comparison of impact pressure curves of two types of jet injection systems

不同驅(qū)動壓力調(diào)制下射流沖擊特征如圖4所示，P1與P2分別代表第一階段與第二階段射流沖擊壓力平均值，v1與v2分別由P1與P2經(jīng)式(1)計算而得。圖4(a)展示了三種不同驅(qū)動壓力工況下射流沖擊壓力的變化趨勢，系統(tǒng)設(shè)置第一階段驅(qū)動壓力的持續(xù)時間為150.00 ms。由圖4可知,可控型射流注射系統(tǒng)的沖擊壓力曲線中存在明顯的轉(zhuǎn)折點，且轉(zhuǎn)折點與第一階段的持續(xù)時間設(shè)置一致。當?shù)谝浑A段驅(qū)動壓力由0.50 MPa增加至1.00 MPa時，注射持續(xù)時間由437.40 ms縮短為350.70 ms?？梢园l(fā)現(xiàn)注射持續(xù)時間隨著第一階段驅(qū)動壓力的增大而減小，且呈現(xiàn)明顯的線性變化趨勢。同時，兩階段射流沖擊壓力切換所需時間與驅(qū)動壓力之間有直接聯(lián)系，當?shù)谝浑A段的驅(qū)動壓力由 0.50 MPa增加到1.00 MPa時，1.00 MPa工況對應(yīng)的切換所需時間(17.60 ms)幾乎是0.50 MPa工況(35.90 ms)的兩倍。

(a) 沖擊壓力曲線

(b) 射流速度變化特征圖4 驅(qū)動壓力調(diào)制下注射系統(tǒng)射流沖擊特征Fig.4 Jet impingement characteristics of injection system under driving pressure modulation

圖4(b)展現(xiàn)了兩階段的射流噴射速度在驅(qū)動壓力調(diào)制下的變化特征。當?shù)谝浑A段的驅(qū)動壓力由0.50 MPa增加至1.00 MPa時，對應(yīng)的第一階段射流噴射速度由103.769 m/s變化為140.847 m/s，且射流速度變化呈線性增加趨勢。同時，在第二階段驅(qū)動壓力均為0.25 MPa的情況下，第二階段射流噴射速度分別為75.233 m/s、78.880 m/s及84.971 m/s，可以發(fā)現(xiàn)該階段對應(yīng)的射流速度與第一階段的驅(qū)動壓力存在正相關(guān)關(guān)系，原因在于第一階段驅(qū)動中殘留的高壓氣體。將圖4(b)中的前三組與后三組數(shù)據(jù)進行對比,可以印證這個解釋，兩階段對應(yīng)在0.25 MPa驅(qū)動壓力下，射流速度平均值在兩階段壓力增大式與兩階段壓力減小式工況下分別為77.243 m/s及79.694 m/s，表明壓力減小式中第一階段的高壓氣體在切換之后還存在，并在短時間內(nèi)與低壓氣體共同驅(qū)動注射系統(tǒng)。減小式與增大式在1.00 MPa驅(qū)動壓力下的射流噴射速度分別為140.847 m/s及141.688 m/s，說明較大驅(qū)動壓力對應(yīng)工況下的射流速度基本沒有區(qū)別。因此，通過驅(qū)動壓力切換可以達到可控型射流注射系統(tǒng)高、低兩段式射流速度的要求，且驅(qū)動壓力調(diào)制可以實現(xiàn)高、低兩段式射流速度的大小和持續(xù)時間可控。

2.2 射流在明膠中的擴散特征

可控型射流注射系統(tǒng)噴射穿透刺入明膠中的注射過程,如圖5所示。射流首先穿過明膠表面直至射流能量耗散完，從而形成一個引導(dǎo)通道，隨后是射流由通道終點向周圍擴散的圓形分散體。對注射過程進行詳細分析可以發(fā)現(xiàn)，注射之后射流快速刺破明膠組織，注射深度快速增大，達到一定深度之后射流開始以該深度為圓心向周圍擴散，射流在明膠中的擴散寬度逐漸增大直至注射完成。在0

圖5 可控型射流注射系統(tǒng)噴射液體在明膠中擴散圖像Fig.5 Diffusion images of liquid ejected from a controllable jet injection system in gelatin

通過對注射后不同時間點像素的測定及計算，獲得不同時間點上擴散深度和擴散寬度的具體數(shù)值，對注射過程中的擴散特征進行量化分析,如圖6所示。從圖6(a)中可以看出：射流在明膠中的擴散深度在注射后30.00 ms內(nèi)呈指數(shù)增加的趨勢，擴散深度由零迅速增加到18.08 mm；在注射后30.00～150.00 ms擴散深度的增長速度明顯降低，這一時段對應(yīng)射流注射系統(tǒng)的穩(wěn)定給藥階段，藥物以一個穩(wěn)定的速度被輸送至指定深度附近，并在該深度進行大面積擴散；在注射后150.00 ms之后，擴散深度基本保持不變，維持在23.22 mm附近。

(b) 擴散寬度變化特征圖6 可控型射流注射系統(tǒng)噴射液體在明膠中的擴散特征Fig.6 Quantitative diffusion characteristics of liquids ejected from a controllable jet injection system in gelatin

圖6(b)描繪了射流穿透刺入明膠后擴散寬度的變化趨勢，可大致分為三個階段:第一個階段是注射后短時間內(nèi)擴散寬度快速增加，約為注射后6.00 ms以內(nèi)，射流在明膠中形成一個具備一定寬度的孔道，該寬度對應(yīng)為3.00 mm左右；第二個階段在注射后6.00～150.00 ms，擴散寬度由3.06 mm增加至12.96 mm，變化趨勢接近于二次式方程關(guān)系式，該階段對應(yīng)的射流注射穩(wěn)定注射時段，大量的液體藥物被輸送至皮膚內(nèi)，注射深度和擴散寬度都有一定程度的增加，但是擴散深度的變化速率遠大于擴散寬度；第三個階段為注射后150.00 ms至注射完成，由于驅(qū)動氣壓在150.00 ms開始調(diào)制，射流速度急劇降低之后不足以繼續(xù)刺破明膠組織，但是仍然可以繼續(xù)向周圍進行擴散，表現(xiàn)為擴散寬度在150.00 ms之后呈現(xiàn)線性增加的趨勢。通過對射流在明膠組織中的擴散特征進行定量分析，證實了驅(qū)動壓力調(diào)制擴散深度及擴散寬度的可靠性，進一步說明可控型射流注射系統(tǒng)能有效控制射流擴散特征的同時保證射流注射系統(tǒng)快速有效給藥的注射優(yōu)勢。

2.3 射流在離體組織中的擴散特征

針對1.0～2.0 mL噴射劑量工況下，可控型射流注射系統(tǒng)在不同驅(qū)動壓力工況下注射深度及擴散深度的變化特征,如圖7所示。對于1.0 mL噴射劑量工況來看(圖7(a))，當?shù)谝浑A段的驅(qū)動壓力由1.00 MPa增加為1.25 MPa時，注射深度有一定程度的增加；當?shù)谝浑A段壓力維持在1.25 MPa的同時將第二階段的驅(qū)動壓力由0.25 MPa增大至0.50 MPa，對應(yīng)的注射深度基本沒有變化。當?shù)谝浑A段的壓力與第二階段壓力再次增大時，結(jié)合圖7(b)中擴散深度的變化趨勢進行分析可知，當?shù)诙A段的壓力繼續(xù)由0.50 MPa增加至0.75 MPa時，擴散深度有較大程度的增加，但是也會出現(xiàn)射流回濺現(xiàn)象。這是因為0.75 MPa驅(qū)動壓力下射流具備的能量仍然可以繼續(xù)刺破離體組織，但是部分藥液會因為孔洞體積形成的速率小于射流進入離體組織的流量從而形成回濺。因此，就注射深度而言，1.0 mL噴射劑量的較優(yōu)壓力組合為(1.00—0.25)MPa或(1.25—0.25)MPa。采用同樣的方法對1.5 mL與2.0 mL噴射劑量工況進行分析，得到1.5 mL噴射劑量較優(yōu)的壓力組合為(1.25—0.25)MPa或(1.25—0.50)MPa，2.0 mL噴射劑量較優(yōu)的壓力組合為(1.25—0.50)MPa或(1.50—0.50)MPa。

(a) 注射深度特征

(b) 擴散深度特征圖7 驅(qū)動壓力調(diào)制下注射系統(tǒng)注射深度及擴散深度特征Fig.7 Characteristics of injection depth and diffusion depth of injection system under driving pressure modulation

針對1.0～2.0 mL噴射劑量工況下，可控型射流注射系統(tǒng)在不同驅(qū)動壓力下擴散寬度與注射完成率特征的變化特征,如圖8所示。由圖8(a)可以看出，在1.0 mL噴射劑量下，當?shù)谝浑A段驅(qū)動壓力由0.75 MPa增加至1.25 MPa時，對應(yīng)的擴散寬度呈現(xiàn)先減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢；當?shù)诙A段驅(qū)動壓力由0.25 MPa增加至0.75 MPa時，擴散寬度有減小的趨勢。所以，就擴散寬度而言，可控型射流注射系統(tǒng)1.00 mL噴射劑量工況下的較優(yōu)驅(qū)動壓力組合為(1.00—0.25)MPa或(1.25—0.25)MPa。對1.5 mL噴射劑量及2.0 mL噴射劑量工況下的擴散寬度變化特征進行類似分析，對1.5 mL噴射劑量及2.0 mL噴射劑量工況下的擴散寬度變化特征進行類似分析，噴射劑量為1.5 mL工況下較優(yōu)的驅(qū)動壓力組合方案為(1.25—0.50)MPa或(1.50—0.50)MPa；2.0 mL噴射劑量工況下較優(yōu)的驅(qū)動壓力組合方案為(1.25—0.50)MPa或(1.50—0.50)MPa。

(a) 擴散寬度特征

(b) 注射完成率特征圖8 驅(qū)動壓力調(diào)制下注射系統(tǒng)擴散寬度及注射完成率特征Fig.8 Characteristics of diffusion width and percent delivery of injection system under driving pressure modulation

圖8(b)針對可控型射流注射系統(tǒng)在驅(qū)動壓力調(diào)制下注射完成率的變化特征，分析了1.0～2.0 mL噴射劑量的最優(yōu)注射完成率對應(yīng)的較優(yōu)驅(qū)動壓力組合。由圖8可知，可控型射流注射系統(tǒng)的注射完成率均高于75.00%。1.0 mL噴射劑量在(1.00—0.25)MPa驅(qū)動壓力下注射完成率為86.57%，達到注射完成率最大值；1.5 mL噴射劑量的注射完成率在(1.25—0.50)MPa驅(qū)動壓力下達到最大值(87.39%)；2.0 mL噴射劑量的注射完成率在(1.50—0.50)MPa驅(qū)動壓力下達到最大值(87.92%)?？煽匦蜕淞髯⑸湎到y(tǒng)在離體組織中的注射完成率試驗結(jié)果證實，當噴射劑量大于1.0 mL時，需要同時提高第一階段與第二階段驅(qū)動壓力才能實現(xiàn)較優(yōu)注射參數(shù)組合以達到較高完成率。

綜合以上離體組織注射試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在驅(qū)動壓力調(diào)制下，射流擴散特征存在顯著區(qū)別，且不同噴射劑量均存在較優(yōu)驅(qū)動壓力組合。典型大劑量注射工況1.0 mL的最優(yōu)驅(qū)動壓力組合為(1.00—0.25)MPa，此外針對噴射劑量進一步研究發(fā)現(xiàn)，1.5 mL噴射劑量的最優(yōu)驅(qū)動壓力組合為(1.25—0.50)MPa，2.0 mL噴射劑量的最優(yōu)驅(qū)動壓力組合為(1.50—0.50)MPa。

3 結(jié) 論

本文以可控型射流注射系統(tǒng)為研究對象，通過射流沖擊試驗、明膠注射高速攝影試驗及離體組織注射試驗，開展了驅(qū)動壓力調(diào)制下射流注射系統(tǒng)動力學特征及注射特性的研究，主要結(jié)論如下：

(1) 通過對驅(qū)動壓力調(diào)制下的射流沖擊特征進行分析，通過驅(qū)動壓力切換可以達到可控型射流注射系統(tǒng)高低兩段式射流速度的要求，且通過調(diào)節(jié)驅(qū)動壓力可控制高低兩段式射流速度的大小和持續(xù)時間。

(2) 通過對注射過程中擴散特征動態(tài)變化規(guī)律進行定量分析，發(fā)現(xiàn)在驅(qū)動壓力調(diào)制下，射流沖擊特征及擴散特征存在顯著區(qū)別，證實通過驅(qū)動壓力調(diào)制可以進一步提高可控型射流注射系統(tǒng)的注射性能。

(3) 離體組織注射試驗結(jié)果表明不同噴射劑量均存在較優(yōu)驅(qū)動壓力組合，典型大劑量注射工況1.0 mL的最優(yōu)驅(qū)動壓力組合為(1.00—0.25)MPa，工況1.5 mL噴射劑量的最優(yōu)驅(qū)動壓力組合為(1.25—0.50)MPa，工況2.0 mL噴射劑量的最優(yōu)驅(qū)動壓力組合為(1.50—0.50)MPa。