CN117224786A - 一种个体化精准定位智能调控雾化***及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种个体化精准定位智能调控雾化***，涉及医疗机械技术领域，包括外部输入模块、计算模块、控制模块和输出模块，所述外部输入模块用于输入药物沉积部位信息及诊断信息；所述计算模块依据给定的诊断信息，反演推算沉积于该部位的吸入参数，将需要患者配合吸入的身体姿态信息传导至输出模块并显示于显示屏，并将其他吸入参数传到至控制模块；所述控制模块用于调节压缩气体压力，调节雾化颗粒的大小；输出模块输出患者吸入角度要求的同时，在雾化过程中实时显示输出的药物雾化量；本发明增大肺部药物的投递量及精准程度。

Description

一种个体化精准定位智能调控雾化***及使用方法

技术领域

本发明涉及医疗机械技术领域，更具体的是涉及一种个体化精准定位智能调控雾化***技术领域。

背景技术

慢阻肺是一种常见的以持续性气流受限为特征的呼吸道疾病，其气流受限进行性发展与气道和肺脏对有毒颗粒或气体的慢性炎性反应增强有关，且急性加重和并发症直接影响着疾病的严重程度和对个体的预后。目前慢阻肺是全球发病率和死亡率最高的疾病之一。每年大约有320万人死于慢阻肺，我国20岁及以上人群慢阻肺患病率超过8.6％。

雾化吸入疗法是治疗慢阻肺及其他呼吸***相关疾病的重要手段之一。与口服、肌肉注射、静脉给药等其他方式相比，雾化吸入疗法因药物直接作用于呼吸道病变部位，具有药物利用度高、代谢损耗低、药物起效快、副作用小、治疗无痛苦等优点，是呼吸道治疗手段的新趋势。根据液滴发生装置特点及原理的不同，目前临床常用的雾化治疗装置可分为射流雾化器、超声雾化器和振动筛孔雾化器等3种。

(1)喷射雾化器：主要由压缩气源和雾化器两部分组成。该装置根据文丘里(Venturi)喷射原理，利用高速运动的压缩气体通过狭小开口后突然减压从而在局部产生负压，一方面利用负压产生的虹吸作用将气流出口旁的液体吸人容器，另一方面用高压气流冲击吸入的液体使其***成细小的气溶胶颗粒，特别是当高压气流遇到前方挡板时，液体会进一步被冲撞粉碎而形成无数药雾颗粒。

(2)超声雾化器：超声雾化器底部的晶体换能器可将电能转换为超声波声能而产生振动，透过雾化罐底部的透声膜将容器内的液体振动传导至溶液表面进而使药液产生剧烈振动，破坏药液的表面张力和惯性以形成无数细小气溶胶颗粒。但超声雾化器工作时会影响混悬液的雾化释出比例，并可能使容器内药液升温而影响蛋白质或肽类化合物的稳定性。

(3)振动筛孔雾化器：振动筛孔雾化器是通过压电陶瓷片的高频振动使药液穿过细小的筛孔而产生药物液滴颗粒的装置。该装置可以避免超声振动发热对药物的影响，其筛孔的直径直接影响所产生的药物颗粒的大小。

近年来雾化吸入装置在呼吸***疾病治疗应用中的占比快速提高，并受到广泛关注。尽管雾化吸入装置具有协调性好和方便携带等特点，但是也存在着明显的缺点，如：药物递送效率低，依赖患者的吸入流速和方法等，对个体特性差异考虑少，治疗操作具有盲目性等。在过去几十年中，雾化吸入装置得到了长足发展，其肺部有效投递效率从10％增长到20％～40％，但仍有约50％药物依然没能投递到理想病变部位，从而造成了明显的药物浪费。为增加治疗有效性并减少呼吸道药物的损失，有必要调节雾化颗粒的参数或调整患者吸入药物时的呼吸条件，以增大肺部药物的投递量及精准程度。

当前，对雾化吸入药滴颗粒在呼吸道内沉积的研究可分为实验研究和数值模拟研究两大类。其中常用的实验研究方法有医学解剖测定法、伽马闪烁扫描法和利用呼吸道实验模型进行颗粒附着量检测等。然而，医学上通过解剖肺部来测定颗粒在呼吸道内的沉积特性，该方法成本高且不易操作；伽马闪烁扫描法只能呈现吸入颗粒分布的2D图像，不能描述呼吸道中3D颗粒空间沉积规律；构造人体呼吸道模型的方法虽然具有低成本，易于操作的优点，但不能模拟气道导致结果不够精确。因此，当前对吸入颗粒在呼吸道内沉积的研究，主要是采用低成本的数值模拟来***地对颗粒沉积规律进行研究。数值模拟方法则是采用不同方法构建呼吸道3D模型，并通过对呼吸道内气流与药液颗粒的运动过程进行数值求解，从而分析颗粒在呼吸道不同部位的沉积规律。

数值模拟方法是研究呼吸道内颗粒沉积的良好对策，但仍存在一些局限性。例如不同的呼吸道模型会产生不同的结果，所以前期要选择一个合适的呼吸道模型。因此，国内外科学家为提高吸入药物呼吸道内沉积率的可靠性，采用实验研究与数值模拟相结合的方法，以最大程度得到颗粒在呼吸道内的沉积规律。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决雾化时，仍有约50％药物依然没能投递到理想病变部位，从而造成了明显的药物浪费的技术问题，本发明提供个体化精准定位智能调控雾化***，增大肺部药物的投递量及精准程度。

本发明采用的技术方案如下：一种个体化精准定位智能调控雾化***，包括外部输入模块、计算模块、控制模块和输出模块，所述外部输入模块用于输入药物沉积部位信息及诊断信息；所述计算模块依据给定的诊断信息，反演推算沉积于该部位的吸入参数，将需要患者配合吸入的身体姿态信息传导至输出模块并显示于显示屏，并将其他吸入参数传到至控制模块；所述控制模块用于调节压缩气体压力，调节雾化颗粒的大小；输出模块输出患者吸入角度要求的同时，在雾化过程中实时显示输出的药物雾化量。

所述控制模块内置高压气流的压力调节结构，经压缩气源产生的高速运动的压缩气体，通过调节压缩气体压力从而调节产生的雾化颗粒大小，增加驱动气流的压力，可获得直径更小的雾化颗粒。

所述计算模块首先构建呼吸道内药液颗粒沉积行为数值模型；采用欧拉法描述气流、拉格朗日法描述雾化药液颗粒在呼吸道内流动与沉积过程，建立耦合求解两相运动过程的数值模拟模型，通过数值模拟的可行性实验以及药物雾化数值模拟确定影响药物沉积部位的参数，建立数据库。

所述欧拉法描述气流在呼吸道内的流动过程，具体计算方式如下：

(a)空气流动方程：

连续性方程：

该方程又称为质量守恒方程，它指的是：在单位时间内，指定区域质量的增加量等于流入该区域的质量。式中，ρ表示流体的密度，t表示为时间，u、v、w分别表示为流体的速度矢量在三个坐标上(x、y、z)的分量。

上式中的2，3，4项是质量流量流密度(单位时间内通过单位面积的流体质量)的散度，可用矢量符号写出为：

对于不可压缩流体，其流体密度为常数，连续性方程简化为：

动量方程：

动量守恒可以表示为：微元体中流体动量的增加率等于作用在微元体上各种力之和。由动量守恒定义可得出：

u-动量方程

v-动量方程

w-动量方程

其中η为流体的动力粘度，称为流体的第2分子黏度，对气体可取为/>

将式4等号后的分子粘性作用项做如下变化，以u-动量方程为例：

据此，上述动量方程可以进一步写成一下矢量形式：

其中grad表示某一函数在该点处的的方向沿着该方向取得最大值，S_u、S_v、S_w为3个动量方程的广义源项，其表达式为：

所述拉格朗日法描述雾化药液颗粒在呼吸道内流动与沉积过程，具体计算方式如下：

(b)颗粒运动方程：

由于呼吸道内的气固两相流动中，颗粒相一般为稀相，因此忽略颗粒物之间的碰撞,颗粒物的运动可由牛顿第二定律确定：

其中m_p表示颗粒物质量，单位为kg；和/>分别表示为流体流动速度和颗粒相速度，单位都是m/s；ρ和ρ_p分别表示流体密度和颗粒密度，单位为kg/m³；/>是其他作用力；是曳力，τ_r是弛豫时间，其中：

μ为流体动力粘度，dp为颗粒直径，Re为颗粒对于流场的相对雷诺数，表示为：

曳力系数C_D由如下表达式计算：

其中，a₁，a₂，a₃为由Re决定的系数。

所述外部输入模块将呼吸道内药液颗粒沉积行为数值模型人为的进行分区，并将每个区域的壁面进行编号，呼吸道内颗粒物的沉积状况用沉积分数来定量评价：

计算得到不同部位颗粒沉积分数，基于上述模型和参数，通过数值计算分析呼吸强度、不同药液颗粒粒径范围因素对药液颗粒在呼吸道内沉积部位与沉积效率的影响规律，反演获得实现特征药物向病变部位定向递送的吸入参数调节机制，建立药物吸入参数数据库。

一种个体化精准定位智能调控雾化***的使用方法，包括如下步骤：

S1、依据影像诊断报告，经输入模块输入药物沉积到呼吸道内药液颗粒沉积行为数值模型的哪个区域壁面编号区域；

S2、经计算模块计算出该部位的吸入参数，将需要患者配合吸入的身体姿态信息传导至输出模块并显示于显示屏；

S3、患者根据提示调整好姿态雾化治疗，操作人员根据实时显示输出的药物雾化量以及输出模块输出患者吸入角度要求进行调整，完成精准定位雾化给药。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用数值模拟结合雾化实验的方法开展新型合剂雾化药液颗粒在人体气道内的沉积规律研究，建立不同的药物吸入参数数据库，可为雾化吸入疗法的靶向治疗提供理论指导。

(2)基于药物吸入参数数据库，通过可调式内部阻力结构、配合患者雾化吸入指导，实现个体化精准定位雾化给药并实时反馈雾化情况，为临床治疗提供现实依据。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明沉积模型分段编号示意图；

图3是实验例支气管不同部位的沉积分数矩阵图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明采用数值模拟的方法，基于CT影像数据复构健康人体与慢阻肺患者的呼吸道3D结构，建立气流与雾化药液颗粒在气道内运动与沉积过程的数值模型，并通过实验对数值模拟结果进行验证；针对不同条件开展数值计算，获取吸入气流速度、雾化颗粒粒度分布等多种因素对颗粒在气道内沉积部位与沉积率的影响规律，明晰不同雾化吸入药物颗粒有效沉积规律，建立药物吸入参数数据库，提高雾化药物向病灶的定向递送效率，实现肺部疾病的精准雾化吸入治疗。

(1)呼吸道内药液颗粒沉积行为数值模型构建

基于CT扫描数据对不同人群呼吸道进行三维复构，选取2例健康人与6例COPD患者(3例稳定期和3例急性期)CT扫描结果，重构呼吸道G0～G5级几何模型；具体步骤为：

首先，运用医学影像仪器采集人体呼吸道影像数据,保存为Dicom格式,将得到的影像数据导入到Mimics软件中识别并保存。在Mimics软件中确定鼻腔/口腔和喉管的阈值范围生成Mask蒙版，使用编辑功能删除多余无关组织，提取鼻腔/口腔和喉管模型，并将其转化为STL格式文件保存；然后在Mimics软件中通过Airway Segement识别气管和支气管模型，并进行气道分割，建立初步的模型，将其转化为STL格式保存。

将保存的上呼吸道和下呼吸道模型分别导入Geomagic wrap软件中进行模型的光顺处理，将光顺处理后的上呼吸道模型和下呼吸道模型合并，生成完整的呼吸道模型；合并完之后对呼吸道模型进行裁剪，将呼吸道的出入口裁剪出平面，并用STL格式导出。

将合并后的呼吸道模型导入SpaceClaim，进行逆向工程。使用工具对模型自动进行逆行，如有面的破损或缺失，可手动剥皮或打开修复功能进行缺失面的修复。完成以上步骤能完整的创建呼吸道模型。

采用欧拉法描述气流在呼吸道内的流动过程，采用拉格朗日法描述雾化药液颗粒在呼吸道内流动与沉积过程，建立耦合求解两相(气流与颗粒)运动过程的数值模拟模型，具体模型如下：

(a)空气流动方程：

连续性方程：

该方程又称为质量守恒方程，它指的是：在单位时间内，指定区域质量的增加量等于流入该区域的质量。式中，ρ表示流体的密度，t表示为时间，u、v、w分别表示为流体的速度矢量在三个坐标上(x、y、z)的分量。

上式中的2，3，4项是质量流量流密度(单位时间内通过单位面积的流体质量)的散度，可用矢量符号写出为：

对于不可压缩流体，其流体密度为常数，连续性方程简化为：

动量方程：

动量守恒可以表示为：微元体中流体动量的增加率等于作用在微元体上各种力之和。由动量守恒定义可得出：

u-动量方程

v-动量方程

w-动量方程

其中η为流体的动力粘度，称为流体的第2分子黏度，对气体可取为/>

将式4等号后的分子粘性作用项做如下变化，以u-动量方程为例：

据此，上述动量方程可以进一步写成一下矢量形式：

其中grad表示某一函数在该点处的的方向沿着该方向取得最大值，S_u、S_v、S_w为3个动量方程的广义源项，其表达式为：

所述拉格朗日法描述雾化药液颗粒在呼吸道内流动与沉积过程，具体计算方式如下：

(b)颗粒运动方程：

由于呼吸道内的气固两相流动中，颗粒相一般为稀相，因此忽略颗粒物之间的碰撞,颗粒物的运动可由牛顿第二定律确定：

其中m_p表示颗粒物质量，单位为kg；和/>分别表示为流体流动速度和颗粒相速度，单位都是m/s；ρ和ρ_p分别表示流体密度和颗粒密度，单位为kg/m³；/>是其他作用力；是曳力，τ_r是弛豫时间，其中：

μ为流体动力粘度，dp为颗粒直径，Re为颗粒对于流场的相对雷诺数，表示为：

曳力系数C_D由如下表达式计算：

其中，a₁，a₂，a₃为由Re决定的系数。

(2)数值模拟的可行性实验以及药物雾化数值模拟确定影响药物沉积部位的参数，建立数据库；

对上述人体支气管模型进行3D打印，获得人体支气管实物模型，以验证数值模拟的可行性。基于构建的完整呼吸道模型，对不同粒径的药液颗粒在健康人群及COPD患者呼吸道内运动及沉积行为的数值进行计算与分析，获取雾化颗粒在人体呼吸道内的运动沉积特性以及影响药物沉积的主要因素，雾化***通过可调式内部阻力结构，配合患者雾化吸入指导，结合不同药物吸入参数，调整液体药物雾化后在患者肺部的沉积部位。

(3)雾化***与吸入治疗参数优化

雾化***通过可调式内部阻力结构，配合患者雾化吸入指导，结合不同药物吸入参数，调整液体药物雾化后在患者肺部的沉积部位。

该雾化***由外部输入模块、计算模块、控制模块和输出模块构成。依据影响诊断报告，经输入模块输入药物沉积部位等信息。计算模块内置上述参数数据库，依据给定的诊断信息，反演推算沉积于该部位的吸入参数，将需要患者配合吸入的身体姿态信息传导至输出模块并显示于显示屏，并将其他吸入参数传到至控制模块。控制模块内置高压气流的压力调节结构，经压缩气源产生的高速运动的压缩气体，通过调节压缩气体压力从而调节产生的雾化颗粒大小，增加驱动气流的压力，可获得直径更小的雾化颗粒。输出模块输出患者吸入角度要求的同时，在雾化过程中实时显示输出的药物雾化量。

实验例

实验设备与实验方案：

实验设备：射流式雾化器、激光粒度分析仪、真空泵、3D支气管打印、超声波清洗器、液相色谱仪；

其中，射流式雾化器用于给药；

激光粒度分析仪，实验前使用激光粒度仪测量药物雾化器的粒径分布；

真空泵，模拟人体正常呼吸时产生的吸气气流；

3D支气管打印，将支气管分段处理，用于获得不同节段的药物颗粒沉积数据；

超声波清洗器，用已知量的溶液浸泡可拆卸支气管段，将沉积在支气管段内壁的药物溶于溶液，并使用超声波清洗器震荡，使沉积的药物全部溶解在溶液内，并提前称量各支气管段质量与溶液质量，方便后续处理；

液相色谱仪，提取少量已知量的溶液，分析溶液中药物某一成分的含量，推导出药物的含量，并计算沉积药物的含量，最后得出沉积药物的质量；

亚克力箱，制作一个长方体形状的亚克力箱，尺寸为200mm×100mm×250mm，亚克力板厚度为5mm，下部设一圆形开口，用于连接真空泵；箱体上部开设长方形开口，用于放置3D打印的支气管模型；箱体板间各接缝处均用有机玻璃胶粘接密封，箱体与支气管模型连接处用橡胶材料与热熔胶填充密封，确保实验装置的气密性。

实验方法：

呼吸道内流场分布情况是影响颗粒物在呼吸道内运动沉积的主要因素之一，在呼吸道模型几何边界条件一定的情况下，不同呼吸状态下的呼吸情况将直接影响呼吸道内的颗粒沉积分布。本实验旨在不同活动状态下药物颗粒在呼吸道内沉积情况分布。

实验流程

实验包括实验准备、实验测量两个阶段。主要流程可分为药物颗粒的粒度分析，支气管药物颗粒吸入与收集，支气管药物沉积质量检测等步骤。

定量雾化直径为10-15μm、5-10μm和5μm以下的微粒，进行不同浓度及性质模拟药物的雾化试验，获得影响各肺段呼吸道模型沉积的参数如下：

数值模拟方法：

下呼吸道结构复杂，沿气道方向的截面不规则变化及气道长度与分叉角的不规则变化。气道为柔性软管结构，且气道壁面附有粘液，呼吸时气道还会产生一定的结构变化。为简化模型，将气道壁假定为刚性材质，认为呼吸时气道不会变形，且气道内温度保持不变。稳态模拟在吸气流量为30L/min流量下进行，入口平均流速为2.994m/s，出口为压力为0的压力出口。考虑到气道壁面附有大量粘液，进入到呼吸道的颗粒一旦接触到气道壁面就可立即被吸附，所以在模型的壁面使用捕捉边界条件，同时认为逃逸出模型出口的液滴到达肺段深处。雾化颗粒为3μm的癸二酸二异辛酯气溶胶颗粒。

为观察不同部位的沉降情况，将模型建模后，人为的将模型进行分区，并将每个区域的壁面进行编号，如图2所示。呼吸道内颗粒物的沉积状况可用沉积分数来定量评价：

计算得到不同部位颗粒沉积分数，如图3所示。

基于上述模型和参数，通过数值计算分析呼吸强度、不同药液颗粒粒径范围等因素对药液颗粒在呼吸道内沉积部位与沉积效率的影响规律，反演获得实现特征药物向病变部位定向递送的吸入参数调节机制，建立药物吸入参数数据库。

应用例

根据患者CT数据等计算结果，设置雾化参数，选取6例COPD患者(3例稳定期和3例急性期)进行使用，详细情况如下表：

注：Borg评分，即Borg呼吸困难评分量表，为一种评价呼吸困难程度的方法。通过0～10分渐进描述呼吸困难强度的垂直量表，要求受试者对呼吸不适的总体感觉分级，0分代表完全没有呼吸困难感觉，而10分代表想象到的最严重呼吸困难感觉；SpO2:指脉血氧饱和度。

从上表可以看出，采取经CT数值模拟计算后获取的参数值设定雾化参数，相比于传统给药，具有缓解患者症状、改善呼吸困难程度、改善患者缺氧状况、加速疾病恢复等优势。

Claims (7)

1.一种个体化精准定位智能调控雾化***，其特征在于，包括外部输入模块、计算模块、控制模块和输出模块，所述外部输入模块用于输入药物沉积部位信息及诊断信息；所述计算模块依据给定的诊断信息，反演推算沉积于该部位的吸入参数，将需要患者配合吸入的身体姿态信息传导至输出模块并显示于显示屏，并将其他吸入参数传到至控制模块；所述控制模块用于调节压缩气体压力，调节雾化颗粒的大小；输出模块输出患者吸入角度要求的同时，在雾化过程中实时显示输出的药物雾化量。

2.根据权利要求1所述的一种个体化精准定位智能调控雾化***，其特征在于，所述控制模块内置高压气流的压力调节结构，经压缩气源产生的高速运动的压缩气体，通过调节压缩气体压力从而调节产生的雾化颗粒大小，增加驱动气流的压力，可获得直径更小的雾化颗粒。

3.根据权利要求1所述的一种个体化精准定位智能调控雾化***，其特征在于，所述计算模块首先构建呼吸道内药液颗粒沉积行为数值模型；采用欧拉法描述气流、拉格朗日法描述雾化药液颗粒在呼吸道内流动与沉积过程，建立耦合求解两相运动过程的数值模拟模型，通过数值模拟的可行性实验以及药物雾化数值模拟确定影响药物沉积部位的参数，建立数据库。

4.根据权利要求3所述的一种个体化精准定位智能调控雾化***，其特征在于，所述欧拉法描述气流在呼吸道内的流动过程，具体计算方式如下：

连续性方程：

式中，ρ表示流体的密度，t表示为时间，是质量流量流密度的散度；动量方程：

式中，grad表示某一函数在该点处的方向沿着该方向取得最大值，S_u、S_v、S_w为3个动量方程的广义源项，η为流体的动力粘度，u、v、w分别表示为流体的速度矢量在三个坐标上(x、y、z)的分量。

5.根据权利要求3所述的一种个体化精准定位智能调控雾化***，其特征在于，所述拉格朗日法描述雾化药液颗粒在呼吸道内流动与沉积过程，具体计算方式如下：

颗粒运动方程：由于呼吸道内的气固两相流动中，颗粒相为稀相，因此忽略颗粒物之间的碰撞,颗粒物的运动可由牛顿第二定律确定：

其中，m_p表示颗粒物质量，单位为kg；和/>分别表示为流体流动速度和颗粒相速度，单位都是m/s；ρ和ρ_p分别表示流体密度和颗粒密度，单位为kg/m³；/>是其他作用力；/>是曳力，τ_r是弛豫时间。

6.根据权利要求1所述的一种个体化精准定位智能调控雾化***，其特征在于，所述外部输入模块将呼吸道内药液颗粒沉积行为数值模型人为的进行分区，并将每个区域的壁面进行编号，呼吸道内颗粒物的沉积状况用沉积分数来定量评价：

计算得到不同部位颗粒沉积分数，基于上述模型和参数，通过数值计算分析呼吸强度、不同药液颗粒粒径范围因素对药液颗粒在呼吸道内沉积部位与沉积效率的影响规律，反演获得实现特征药物向病变部位定向递送的吸入参数调节机制，建立药物吸入参数数据库。

7.一种个体化精准定位智能调控雾化***的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、依据影像诊断报告，经输入模块输入药物沉积到呼吸道内药液颗粒沉积行为数值模型的哪个区域壁面编号区域；

S2、经计算模块计算出该部位的吸入参数，将需要患者配合吸入的身体姿态信息传导至输出模块并显示于显示屏；

S3、患者根据提示调整好姿态雾化治疗，操作人员根据实时显示输出的药物雾化量以及输出模块输出患者吸入角度要求进行调整，完成精准定位雾化给药。