DE10101454B4

DE10101454B4 - Inhalator zum Vernebeln von Flüssigkeiten mit Impaktorwand

Info

Publication number: DE10101454B4
Application number: DE2001101454
Authority: DE
Original assignee: Nebu Tec Med Produkte Eike Kern GmbH
Current assignee: Lung Rx inc Satellite Beach Fla Us
Priority date: 2001-01-15
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2021-01-16
Also published as: DE10101454A1

Abstract

Inhalator mit einer Einrichtung zum Vernebeln von Flüssigkeiten und einer Verneblungskammer (1), die eine Prallplatte (3) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Verneblungskammer (1) eine in das Innere der Verneblungskammer (1) reichende Impaktorwand (2) aufweist, welche mit der Wandung der Verneblungskammer (1) umfänglich geschlossen verbunden ist und eine vorzugsweise kreisförmige, auf die Längsachse der Verneblungskammer (1) zentrierte Öffnung aufweist, wobei die Impaktorwand (2) mit der ebenfalls vorzugsweise auf die Längsachse der Verneblungskammer (1) zentrierten Prallplatte (3) einen Spalt (4), vorzugsweise einen ringförmigen Spalt bildet, dessen Querschnittsfläche kleiner ist als die Querschnittsfläche der Verneblungskammer (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Inhalator zum Vernebeln von Flüssigkeiten, die dann als Aerosol im Rahmen einer Heilbehandlung vom einem Patienten eingeatmet werden. Derartige Inhalatoren sind z. B. aus der US 5549102 , US 5584285 , US 5579757 , US 5655520 und PCT 1310128 bekannt.
Bei den Flüssigkeiten, die mit Hilfe eines derartigen Verneblers als Aerosol inhaliert werden sollen, handelt es sich üblicherweise um Medikamente, Heilmittel bzw. Wirkstoffe, die vorzugsweise als Lösung, Suspension oder Emulsion vorliegen. Die Verneblung dieser Flüssigkeiten erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines Verneblers, der beispielsweise als Zerstäuberdüse, als Piezosystem ( EP 1005917A1 ) oder als Ultraschallgenerator ausgebildet sein kann. Ein Ultraschallgenerator wandelt beispielsweise elektrische Energie in mechanische Schwingungen um, mit denen die zu vernebelnde Flüssigkeit beaufschlagt wird. Bei der Übertragung dieser Schwingungen auf die Inhalationslösung lösen sich an der Oberfläche eines sich dann ausbildenden Ultraschallsprudels kleine Tröpfchen ab. Die Größe dieser erzeugten Aerosolpartikel hängt neben den Eigenschaften der Flüssigkeit insbesondere von der eingesetzten Ultraschallfrequenz ab. Die durch Ultraschall aus der Flüssigkeit ausgelösten Tröpfchen bilden in einer Kammer des Inhalators einen Aerosolnebel, der zum Inhalieren mit Frischluft vermischt wird und vom Patienten eingeatmet werden kann. Ultraschallvernebler finden in unterschiedlichen Konstruktionsvarianten Verwendung, wobei zwischen direkter und indirekter Verneblung unterschieden werden kann. Im Falle der direkten Verneblung befindet sich die zu vernebelnde Flüssigkeit in direktem Kontakt mit dem Schwinger, bei der indirekten Verneblung ist sie durch ein Koppelmedium und eine Membran, die in der Regel gleichzeitig als Medikamentenbecher ausgestaltet ist, vom Schwinger getrennt.
In herkömmlichen Ultraschallverneblern werden Ultraschallschwinger eingesetzt, die beispielsweise eine Arbeitsfrequenz von 1,7 beziehungsweise 2,4 MHz aufweisen. Dabei hängt der mediane Tröpfchendurchmesser d50 der von diesen Ultraschallschwingern erzeugten Aerosoltröpfchen folgendermaßen von der Schwingungsfrequenz f ab [Lang, R. J. (1962) Ultrasonic atomization of liquids. Journal of the Acoustical Society of America 34(1), 6-8]:
mit

σ:: Oberflächenspannung der zu vernebelnden Flüssigkeit
ρ:: Dichte der zu vernebelnden Flüssigkeit

Da bei der Inhalation beispielsweise von Medikamenten oder Wirkstoffen die Massenverteilung der Aerosolpartikel von Bedeutung ist, muss der mediane Anzahldurchmesser d50 noch in den medianen Massendurchmesser dmmd umgerechnet werden. Dies geschieht mittels der Hatch-Choate-Beziehung [Hatch, T. und Choate, S. P. (1929) Statistical description of the size properties of nonuniform particulate substances. Journal Franklin Institute 207, 369]: dmmd = d50·exp(3·In2sg)mit

sg:: geometrische Standardabweichung als Maß für die Breite der Partikelgrößenverteilung

Typische Werte für die geometrische Standardabweichung von Partikelgrößenverteilungen herkömmlicher Ultraschallvernebler betragen 1,7 bis 2,0. Mit den oben aufgeführten Gleichungen ergibt sich beispielsweise für einen Ultraschallschwinger mit einer Frequenz von 2,4 MHz und mit Wasser als zu vernebelnder Flüssigkeit bei einer geometrischen Standardabweichung von 1,7 ein medianer Massendurchmesser von 5,4 μm. Je größer die Standardabweichung und je kleiner die Ultraschallfrequenz, desto größer werden die medianen Massendurchmesser der Aerosolpartikel.
Für eine effektive alveoläre Deposition (Deposition in den Lungenbläschen, den Alveolen) von Aerosolpartikeln, beispielsweise von Medikamenten- oder Wirkstoffpartikeln, ist es jedoch erforderlich, dass diese Partikel in einem Größenbereich von etwa 2 bis 4 μm liegen [Persons, D. D. et al. (1987) Airway deposition of hygroscopic heterodispersed aerosols: Results of a computer calculation. Journal of Applied Physiology 63(3), 1195-1204]. Größere Partikel werden vorwiegend in den oberen Atemwegen beziehungsweise im Mund- und Rachenbereich deponiert und erreichen den Alveolarraum lediglich in einem geringeren Maße. Insbesondere bei Kindern werden aufgrund der kleineren geometrischen Abmessungen ihrer Atemwege und der anatomischen Gegebenheiten größere Partikel vermehrt bereits im oberen Respirationstrakt deponiert. Für eine Vielzahl von Anwendungen therapeutischer Aerosole ist eine vorwiegende Deposition der Aerosolpartikel in den tieferen Regionen des Respirationstraktes wünschenswert oder sogar erforderlich. Wie oben dargestellt, erzeugen herkömmliche Ultraschallschwinger primär Partikel, die einen dmmd größer 5 μm aufweisen und damit nicht für eine vorwiegend alveoläre Deposition geeignet sind. Durch die Ausgestaltung der Inhalatoren, die diese Ultraschallschwinger zur Aerosolerzeugung einsetzen, gelingt eine gewisse Reduktion der Partikelgröße. Neben einer Prallplatte, die in einem bestimmten Abstand zur Oberfläche der zu vernebelnden Flüssigkeit angebracht ist, verfügen diese Inhalatoren über eine Verneblungskammer, die das vom Schwinger erzeugte Aerosol aufnimmt. Das Aerosol wird aus der Verneblungskammer mittels eines vom Patienten oder von Ventilatoren generierten Gasflusses über ein Mundstück dem Patienten zugeleitet.
Durch eine derartige Ausgestaltung wird bei herkömmlichen Ultraschallinhalatoren eine Reduktion der Partikelgrößen erreicht, wobei der mediane Massendurchmesser der am Mundstück austretenden Partikel etwa im Bereich von 4 bis 5 μm liegt. Ein großer Anteil der als Aerosol vorliegenden Partikelmasse ist somit nicht für eine alveoläre Deposition geeignet.
Darüber hinaus ist bei herkömmlichen Ultraschallinhalatoren die Verneblungskammer so ausgestaltet, dass ihre Innenflächen eine Benetzungsfläche darstellen, an der sich der Aerosolnebel niederschlagen kann. Die so an den Innenflächen deponierten Aerosoltröpfchen können nur zum Teil wieder in das Reservoir über dem Ultraschallschwinger zurückgelangen, ein wesentlicher Teil der an den Innenwänden niedergeschlagenen Aerosoltröpfchen verbleibt jedoch dort und steht damit dem weiteren Verneblungsprozeß nicht mehr zur Verfügung (Restmenge). Außerdem wird bei der Einwirkung von Ultraschall auf eine Flüssigkeit durch den Schalldruck der Ultraschallwellen ein Schallsprudel erzeugt. Dieser Sprudel ist eine konische Flüssigkeitserhebung, deren Höhe von der Schallstärke abhängt und von deren zerklüftetem Ende Aerosoltröpfchen aus der Flüssigkeit austreten. Dieser gesamte Vorgang der Aerosolbildung geht mit einer starken Flüssigkeitsbewegung und einem Wegspritzen von Flüssigkeitstropfen unterschiedlicher Größe einher. Diese Tropfen können die Innenflächen der Verneblungskammer benetzen und somit zur oben erwähnten Restmenge beitragen. Diese Restmenge bedeutet, dass die eingefüllte Flüssigkeit nicht vollständig vernebelt werden kann und damit Teile dieser Flüssigkeit nicht für die Inhalation genutzt werden können.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, einen Inhalator dahingehend auszugestalten, dass dieser Aerosolpartikel erzeugt, deren medianer Massendurchmesser in einem Bereich vorzugsweise zwischen 2 bis 4 μm liegt und damit dem inhalierenden Anwender ein Aerosol zur Verfügung stellt, das aufgrund dieser Größe für die alveoläre Deposition geeignet ist.
Darüber hinaus beschäftigt sich die vorliegende Erfindung auch mit dem Problem, einen Inhalator so auszugestalten, dass er mit möglichst geringen Verlusten an der zu vernebelnden Flüssigkeit arbeitet.
Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgaben wird ein Inhalator gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Die Idee, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht in der geeigneten Modifikation des Aerosolwegs vom Ort der Entstehung durch die Verneblungskammer zu der dem Patienten zugewandten Austrittsöffnung, derart, dass sich der mediane Massendurchmesser des Aerosols durch selektives Herausfiltern größerer Partikel verkleinert und gleichzeitig die benetzte Fläche möglichst gering gestaltet wird.
Durch die Anbringung mindestens einer Impaktorwand im Inneren der Verneblungskammer zusätzlich zu einer sich über dem Schallsprudel befindlichen Prallplatte werden die primär auch entstehenden größeren Tröpfchen aus dem Aerosolnebel mittels Impaktion herausgefiltert.
Unter einer Impaktorwand wird im folgenden ein an der Innenwand einer Verneblungskammer angebrachtes Aerosolströmungshindernis verstanden, dessen in den Aerosolstrom hinein ragende Begrenzung zu einer Richtungsänderung des Gasstroms des Aerosols führt. Impaktion oder Trägheitsabscheidung von Partikeln kann auftreten, wenn der Gasstrom, der die Aerosolpartikel enthält, seine ursprüngliche Richtung ändert. Die Partikel erhalten dann aufgrund ihrer Trägheit eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zum Gasstrom und bewegen sich eine bestimmte Strecke senkrecht zu den Stromlinien, bevor sie durch Reibung relativ zum Gas abgebremst werden. Befindet sich innerhalb dieser Distanz ein Hindernis, z.B. die erfindungsgemäße Impaktorwand, werden die Partikel dort deponiert. Die Depositionswahrscheinlichkeit durch Impaktion ist proportional zum Quadrat des Partikeldurchmessers, so dass an der Impaktorwand vorzugsweise größere Partikel aus dem Aerosolstrom abgeschieden werden. Damit befinden sich im Aerosol, das die Impaktorwand in Richtung der Austrittsöffnung passiert, anteilig vermehrt kleinere Partikel, so dass sich der mediane Massendurchmesser des Aerosols entsprechend reduziert.
Gleichzeitig sorgt die ins Innere der Verneblungskammer reichende Impaktorwand für eine Begrenzung des Raumanteils der Verneblungskammer, in dem die Aerosolbildung begleitet von Flüssigkeitsbewegungen und Wegspritzen von Tröpfchen stattfindet. Die aus dem Schallsprudel weggeschleuderten Tröpfchen können aufgrund der erfindungsgemäßen Anbringung der Impaktorwand nicht in den Raumanteil der Verneblungskammer gelangen, der sich oberhalb der Impaktorwand in Richtung der patientenseitigen Austrittsöffnung befindet. Der direkte Weg der Tröpfchen ist durch die Kombination von Prallplatte und Impaktorwand versperrt, wenn vorzugsweise die in den Aerosolstrom hinein ragende Begrenzung der Impaktorwand, in Richtung der Hauptströmung bei Inhalation betrachtet, über die aerosolstromseitige Begrenzung der in der Verneblerkammer befindlichen Prallplatte zur gegenüberliegenden Wandung der Kammer hin hinausragt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Dazu zeigt:
1: Querschnitt durch eine Verneblungskammer mit einer oberhalb einer kegelmantelförmigen Prallplatte schräg nach innen abfallend angebrachten Impaktorwand.
2: Querschnitt durch eine Verneblungskammer mit einer oberhalb einer kegelmantelförmigen Prallplatte schräg nach innen ansteigend angebrachten Impaktorwand.
3: Querschnitt durch eine Verneblungskammer mit einer oberhalb einer kegelmantelförmigen Prallplatte angebrachten keilförmigen Impaktorwand, deren Oberseite nach innen abfallend und deren Unterseite nach innen ansteigend ausgestaltet ist.
4: Querschnitt durch eine Verneblungskammer mit einer unterhalb der kegelmantelförmigen Prallplatte schräg nach innen abfallend angebrachten Impaktorwand; zusätzlich eingezeichnet ist eine fakultative zweite, sich oberhalb der Prallplatte befindliche Impaktorwand.
5: Querschnitt durch eine Verneblungskammer mit einer als Impaktorwand ausgebildeten oberen Begrenzungsfläche oberhalb der kegelmantelförmigen Prallplatte.
6: Querschnitt durch eine Verneblungskammer gemäß 1, mit Einatemöffnung oberhalb der Impaktorwand und einem ringspaltförmigen Luftkanal.
7: Laserdiffraktometrische Messung der Partikelgrößenverteilungen (Summenverteilung) eines Ultraschall-Inhalators (Ultraschallfrequenz 2,5 MHz) ohne und mit erfindungsgemäßer Impaktorwand.
Die 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführung der Impaktorwand-Prallplatten-Kombination. Die in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig ausgestaltete Impaktorwand (2) ist hierbei umfänglich geschlossen mit der Wandung der im Querschnitt vorzugsweise kreisförmigen Verneblungskammer (1) verbunden, um den Winkel α < 90° nach unten gegenüber der Wand der Verneblungskammer (1) geneigt und oberhalb der vorzugsweise kegelmantelförmig ausgebildeten Prallplatte (3) angebracht. Der Durchmesser der kreisförmigen Öffnung, die vom inneren Rand der Impaktorwand (2) begrenzt wird, ist kleiner als der Durchmesser des unteren Randes der Prallplatte (3). Mit dieser Anordnung wird ein geradliniger Durchtritt von Tröpfchen aus dem unteren Teil der Verneblungskammer (1) in den oberhalb der Impaktorwand (2) liegenden Teil verhindert. Die Prallplatte (3) kann entweder über einen oder mehrere Stege mit der Impaktorwand (2) fest verbunden oder über einen oder mehrere Haltestäbe (7) an der Oberseite der Verneblungskammer (1) fixiert werden. In 1 dargestellt ist eine Verneblungskammer (1) mit kreisförmigem Querschnitt in Verbindung mit einem direkt ohne Koppelmedium arbeitenden, herkömmlichen Ultraschallvernebler (8), dessen Ultraschallschwinger (9) vorzugsweise eine Frequenz größer als 2 MHz aufweist. Ebenso möglich ist es, die Verneblungskammer (1) mit einem anderen als kreisförmigen Querschnitt (elliptisch, n-eckig mit n ≥ 3 etc.) auszugestalten, wodurch sich dann entsprechend andere Umfangsformen für die Impaktorwand (2) als die hier kreisförmige Umfangsform ergeben. Eine weitere Ausgestaltungsform ist auch die, die Verneblungskammer (1) an einen Vernebler zu konnektieren, der indirekt mit Koppelmedium und Medikamentenbecher arbeitet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Einatemöffnung (5) unterhalb der Prallplatte (3), die Austrittsöffnung (6) an der Oberseite der Verneblungskammer (1) angebracht. Inhaliert nun ein Anwender durch einen solcherart ausgestalteten Inhalator, tritt Luft aus der Umgebung durch die Einatemöffnung (5) in die Verneblungskammer (1). Diese Luft transportiert Aerosoltröpfchen, die aus dem vom Ultraschallschwinger (9) erzeugten Schallsprudel (10) austreten, in Richtung des von Prallplatte (3) und Impaktorwand (2) gebildeten Spalts (4). Größere Aerosoltröpfchen impaktieren durch die Änderung der Strömungsrichtung an den Begrenzungen dieses Spaltes. Nach Passieren des von Prallplatte (3) und Impaktorwand (2) gebildeten, hier beispielhaft ringförmigen Spalts (4) wird das Aerosol zur Austrittsöffnung (6) an der Oberseite der Verneblungskammer (1) und von dort über geeignete röhrenförmige Zuführungen über ein Mundstück zum Anwender geleitet. Die Einatem- und Austrittsöffnung sowie die Zuführungen und das Mundstück können mit Ventilen versehen werden, um eine Steuerung des Aerosolflusses zu erreichen. Beispielsweise kann in der Einatemöffnung (5) ein Einatemventil angeordnet sein, welches die Luft aus der Umgebung bei der Einatmung durch den Anwender in die Verneblungskammer (1) leitet. Weitere Ventile können in die Austrittsöffnung (6), in die Zuführungen oder das Mundstück eingebaut werden. Vorzugsweise kann ein Ausatemventil in den Ausatemschenkel eines T-förmig ausgebildeten Mundstückes in Kombination mit einem Einatemventil in der Einatemöffnung (5) derart integriert werden, dass der Anwender durch den Inhalator aus- und einatmen kann, wobei die Ausatemluft über den Ausatemschenkel des T-förmigen Mundstücks und nicht durch die Verneblungskammer (1) strömt. Weiterhin kann ein derart mit Ventilen ausgestalteter Inhalator mit Filtern versehen werden, die das Austreten von Aerosol in die Umgebungsluft verhindern.
In dem in 1 dargestellten vorzugsweisen Ausführungsbeispiel der Verneblungskammer (1) läßt sich durch eine Veränderung der Geometrie des von Prallplatte (3) und Impaktorwand (2) gebildeten Spaltes (4) die Partikelgrößenverteilung des anwenderseitig den Spalt (4) passierenden Aerosols in einem gewissen Bereich einstellen. Veränderungen der Spaltgeometrie lassen sich beispielsweise durch Änderung des Neigungswinkels α der Impaktorwand (2), Änderung des vertikalen Abstandes zwischen Impaktorwand (2) und Prallplatte (3), Verlängerung der Impaktorwand (2) in Richtung der Längsachse der Verneblungskammer (1), durch Änderung der Geometrie oder Form der Prallplatte (3), oder durch eine Kombination der genannten Änderungen erreichen. Prinzipiell führt eine Verengung des von Impaktorwand (2) und Prallplatte (3) gebildeten Spalts (4) ebenso wie eine Verlagerung des Spalts (4) in Bereiche, in denen die Stromlinien des Gasstroms stärker ihre ursprüngliche Richtung ändern, zu einer zunehmenden Impaktion größerer Partikel.
Der Abstand zwischen der Oberfläche der zu vernebelnden Flüssigkeit und der Prallplatte (3) ist derart ausgestaltet, dass sich zum einen ein Schallsprudel (10) ausbilden kann, von dessen Oberfläche Aerosoltröpfchen austreten, zum anderen der Raumanteil der Verneblungskammer (1) unterhalb der Prallplatte (3) möglichst klein gehalten wird. Da die Höhe des Schallsprudels (10) abhängig von der Schallstärke des Schwinger (9) ist, muß der Abstand zur Prallplatte (3) entsprechend der Leistungscharakteristika des verwendeten Schwingers (9) gewählt werden.
Der Impaktorwand (2) ist, wie in der 1 gezeigt, vorzugsweise mit einem Winkel α < 90° gegenüber der Wandung der Verneblungskammer (1) nach innen geneigt, ausgestaltet. Dadurch wird erreicht, dass Flüssigkeitstropfen, die sich durch Deposition von Aerosoltröpfchen oberhalb der Impaktorwand (2) an den Innenwänden der Verneblungskammer (1) oder den anschließenden rohrförmigen Zuleitungen ansammeln können, entsprechend der Schwerkraft wieder dem unterhalb der Impaktorwand (2) befindlichen Flüssigkeitsreservoir zugeführt werden und einen weiteren Vernebelungszyklus durchlaufen. Durch die nach innen abfallende Neigung der erfindungsgemäßen Impaktorwand (2) wird der Verlust an der zu vernebelnden Flüssigkeit verringert, was insbesondere bei der Verneblung teurer Wirkstoffe von erheblicher Relevanz ist. Allerdings müssen die Flüssigkeitstropfen, die sich sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite der Impaktorwand (2) bilden können, den von Impaktorwand (2) und Prallplatte (3) gebildeten Spalt (4) passieren und können dabei den Durchtritt des Aerosols durch den Spalt (4) beeinträchtigen oder vom Gasstrom in den oberen Teil der Verneblungskammer (1) mitgerissen werden.
Die Impaktorwand (2) kann auch, wie in 2 dargestellt, mit einem Winkel α > 90° gegenüber der Verneblungskammer (1) nach innen ansteigend angebracht sein. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel in 1 ist die Innenfläche der Verneblungskammer (1), die durch die Flüssigkeitsbewegung bei der Aerosolentstehung aus dem Ultraschallsprudel (10) benetzt wird, noch weiter verkleinert. Darüber hinaus fließen Tropfen, die sich an der Unterseite der Impaktorwand (2) bilden können, entsprechend der Neigung der Impaktorwand (2) nach außen in Richtung der Wand der Verneblungskammer (1) ab und werden wieder dem Flüssigkeitsreservoir zugeführt, ohne den Spalt (4) zu passieren. Allerdings können bei diesem Ausführungsbeispiel Tropfen, die sich an den oberhalb der Impaktorwand befindlichen Flächen der Verneblungskammer (1) oder der Oberseite der Impaktorwand (2) bilden, nicht mehr in das unterhalb der Impaktorwand (2) befindliche Flüssigkeitsreservoir zurückfließen.
Weiterhin ist es möglich, dass die Impaktorwand (2) einen Winkel α = 90° mit der Verneblungskammer (1) bildet, wobei auch hier die Rückführung der Flüssigkeitstropfen in das Flüssigkeitsreservoir nicht effektiv gelöst wird.
Die 3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführung der Impaktorwand (2). Die umfänglich geschlossen mit der Wand der beispielhaft kreisförmigen Verneblungskammer (1) verbundene, und umfänglich beispielhaft ringförmige Impaktorwand (2) ist im Querschnitt keilförmig ausgestaltet, wobei die Keilspitze ins Innere der Verneblungskammer gerichtet ist. Die obere Fläche der keilförmigen Impaktorwand (2) ist nach innen abfallend geneigt, die untere Fläche der Impaktorwand (2) nach innen ansteigend geneigt, so dass sämtliche Flüssigkeitstropfen, die sich an beiden Flächen der Impaktorwand (2) sammeln, entsprechend der Schwerkraft in das unterhalb der Prallplatte befindliche Flüssigkeitsreservoir des Inhalators zurückfließen können, wobei die die untere Fläche der Impaktorwand (2) benetzenden Tropfen den als Ring ausgebildeten Spalt (4) nicht passieren.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Impaktorwand-Prallplatten-Kombination, in dem die Impaktorwand (2) unterhalb der Prallplatte (3) angebracht ist. Gegenüber der Ausführung in 1 ist hier die benetzte Fläche reduziert. Jedoch erfährt der Gasstrom, der die Aerosolpartikel enthält, im Bereich des von Impaktorwand (2) und Prallplatte (3) gebildeten Spalts (4) eine geringere Richtungsänderung als im Ausführungsbeispiel, das in 1 dargestellt ist. Damit werden weniger größere Partikel aus dem Aerosol herausgefiltert, so dass der mediane Massendurchmesser des den Spalt (4) passierenden Aerosols weniger verkleinert wird. Die bereits zu 1 beschriebenen Änderungen der Geometrie der von Impaktorwand (2) und Prallplatte (3) gebildeten Spalts (4) können ebenfalls vorgenommen werden und führen entsprechend den physikalischen Gesetzmäßigkeiten zu einer Veränderung des Impaktionsverhaltens der Aerosolpartikel. Darüber hinaus zeigt 4 eine fakultative zweite Impaktorwand (11), die zusätzlich zur unterhalb der Prallplatte (3) angebrachten Impaktorwand (2) oberhalb der Prallplatte (3) angebracht ist und mit der Wand der Verneblungskammer (1) den Winkel β bildet. Diese Impaktorwand (11) sorgt nunmehr für ein zusätzliche Richtungsänderung des Gasstroms an dem von der oberen Impaktorwand (11) und Prallplatte (3) gebildeten oberen Spalt (4) und damit zu einer zusätzlichen Impaktion größerer Aerosolpartikel. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass der Raumanteil, in dem die Flüssigkeitsbewegung bei der Aerosolentstehung aus dem Ultraschallsprudel (10) am größten ist, durch die untere Impaktorwand (2) begrenzt und damit die benetzte Fläche klein gehalten wird. Die obere Impaktorwand (11) führt zwar zu einer Vergrößerung der gesamten benetzten Fläche, da Aerosoltröpfchen im Bereich zwischen unterer (2) und oberer Impaktorwand (11) deponiert werden können, allerdings ist die dort abgeschiedene Aerosolmenge im Vergleich zu der an den unterhalb der unteren Impaktorwand (2) gelegenen Flächen abgeschiedenen Masse gering. Die vorzugsweisen Neigungen der beiden Impaktorwände (2, 11) mit α, β < 90° sorgen dafür, dass Flüssigkeitstropfen, die sich durch Ansammlung der deponierten Aerosolpartikel an den Oberflächen bilden können, aufgrund der Schwerkraft wieder dem unterhalb der unteren Impaktorwand (2) befindlichen Flüssigkeitsreservoir zugeführt werden und einen weiteren Verneblungszyklus durchlaufen.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Impaktorwand-Prallplatten-Kombination zeigt 5. Die obere Begrenzung der Verneblungskammer (1) wirkt hierbei, aufgrund des geringen Abstandes zwischen Prallplatte (3) und oberer Begrenzung der Verneblungskammer (1) als Impaktorwand (2), die mit der beispielhaft kegelmantelförmigen Prallplatte (3) einen beispielsweise ringförmigen Spalt (4) ausbildet und mit der senkrechten Begrenzungswand der Verneblungskammer (1) einen Winkel γ ≤ 90° einschließt. Ebenfalls möglich und vorteilhaft ist ein Neigungswinkel γ > 90°. Das Volumen der in 3 dargestellten Verneblungskammer (1) ist gegenüber den Verneblungskammern in den 1 und 2 reduziert. Dadurch weist der Inhalator einen kleineren Totraum auf. Der Totraum eines Inhalators ergibt sich aus der Tatsache, dass zu Beginn einer Inhalation zunächst das Gasvolumen eingeatmet wird, das sich über dem Aerosol im Inhalator befindet. Dieses Gasvolumen ist im Vergleich zum eigentlichen Aerosol arm an Medikamenten- oder Wirkstoffpartikeln, wird jedoch bei einem Inhalationsvorgang gerade als erster Anteil der Einatemluft tief in die Lunge eingebracht. Insbesondere bei Kindern, die ein kleineres Atemzugvolumen als Erwachsene haben, fällt das Totraumvolumen eines Inhalators prozentual zum Atemzugvolumen stärker ins Gewicht, so dass hinsichtlich einer effektiven alveolären Deposition das aerosolarme Gasvolumens des Totraums möglichst klein gehalten werden sollte. Die in 5 dargestellte Ausführung berücksichtigt diese Zusammenhänge und eignet sich in bevorzugter Weise als Inhalator für kleinere Kinder und Säuglinge. Wie bereits zu 1 beschrieben, können Änderungen der Geometrie und Abmessung des von Impaktorwand (2) und Prallplatte (3) gebildeten Spalts (4) vorgenommen werden, um entsprechend den physikalischen Gesetzmäßigkeiten eine Veränderung des Impaktionsverhaltens der Aerosolpartikel zu bewirken und damit die gewünschte Partikelgrößenverteilung zu erhalten. Für die Anwendung eines Inhalators bei Säuglingen und Kleinkindern ist ein kleinerer medianer Massendurchmesser des Aerosols von Vorteil, da aufgrund der kleineren geometrischen Abmessungen ihrer Atemwege und der anatomischen Gegebenheiten größere Partikel vermehrt bereits im oberen Respirationstrakt deponiert werden.
Die vorzugsweise Neigung (γ < 90° oder γ > 90°) der als Impaktorwand (2) ausgebildeten Oberseite der Verneblungskammer (1) bewirkt, dass Flüssigkeitstropfen, die sich durch Ansammlung deponierter Aerosolpartikel an der Impaktorwandfläche bilden können, aufgrund der Schwerkraft wieder dem unterhalb der Impaktorwand (2) befindlichen Flüssigkeitsreservoir zugeführt werden und einen weiteren Verneblungszyklus durchlaufen.
6 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel, das bezüglich der Anordnung Impaktorwand-Prallplatten-Kombination dem Ausführungsbeispiel in 1 gleicht, wobei jedoch der Durchmesser der vorzugsweise kreisförmigen Öffnung, die vom inneren Rand der Impaktorwand (2) begrenzt wird, größer ist als der Durchmesser des unteren Randes der Prallplatte (3) und die Einatemöffnung (5) anwenderseitig oberhalb der Impaktorwand-Prallplatten-Kombination angebracht ist. Die Luftführung der Einatemluft in die Verneblungskammer (1) erfolgt hierbei über einen beispielsweise ringspaltförmigen Kanal (12), der parallel zur Wand der Verneblungskammer (1) verläuft und unterhalb der Prallplatte (3) endet. Der Kanal (12) wird außen durch die Wand der Verneblungskammer (1) und innen durch die innere Wand (13) begrenzt, an der die erfindungsgemäße Impaktorwand (2) umfänglich befestigt ist. Die Querschnittsfläche des Luftkanals (12), die sich bei einem waagrechten Schnitt durch die Verneblungskammer (1) ergibt, sollte nicht kleiner sein als die Querschnittsfläche der Einatemöffnung (5), um den Strömungswiderstand gering zu halten. Der ringspaltförmige Luftkanal (12) führt hierbei zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Einatemluft über den Umfang der Verneblungskammer (1). Gleichzeitig wird verhindert, dass Flüssigkeitstropfen, die aus dem Ultraschall sprudel (10) herausgelöst werden, in die Einatemöffnung (5) gelangen und dem Verneblungsprozeß nicht mehr zur Verfügung stehen.
7 zeigt die Ergebnisse einer laserdiffraktometrischen Messung der Partikelgrößenverteilungen eines Ultraschall-Inhalators mit einer Ultraschallfrequenz von 2,5 MHz. Dargestellt ist die Verteilungssumme. Beim Betrieb des Inhalators ohne Impaktorwand nur mit einer Prallplatte ergab sich für die erzeugten Aerosolpartikel ein medianer Massendurchmesser von 5,07 μm. Nach Einbau einer erfindungsgemäßen Impaktorwand nach 1, wobei die schräg nach innen abfallende Impaktorwand oberhalb der kegelmantelförmigen Prallplatte in der Verneblungskammer angebracht wurde, wurde für die erzeugten Aerosolpartikel ein medianer Massendurchmesser von 2,54 μm ermittelt. Durch das Anbringen einer erfindungsgemäßen Impaktorwand im Inhalator konnte somit der mediane Massendurchmesser halbiert und die Partikelgröße des anwenderseitig zur Verfügung stehenden Aerosols deutlich reduziert werden.

1: Verneblungskammer
2: Impaktorwand
3: Prallplatte
4: Spalt
5: Einatemöffnung
6: Austrittsöffnung
7: Haltestab
8: Ultraschallvernebler
9: Ultraschallschwinger
10: Schallsprudel
11: Zweite Impaktorwand
12: Luftkanal
13: Innere Wand des Luftkanals
α: Winkel zwischen Impaktorwand und Außenwand der
: Verneblungskammer
β: Winkel zwischen zweiter Impaktorwand und Außenwand der
: Verneblungskammer
γ: Winkel zwischen als Impaktorwand gestalteter Oberseite
: und Außenwand der Verneblungskammer

Claims

Inhalator mit einer Einrichtung zum Vernebeln von Flüssigkeiten und einer Verneblungskammer (1), die eine Prallplatte (3) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Verneblungskammer (1) eine in das Innere der Verneblungskammer (1) reichende Impaktorwand (2) aufweist, welche mit der Wandung der Verneblungskammer (1) umfänglich geschlossen verbunden ist und eine vorzugsweise kreisförmige, auf die Längsachse der Verneblungskammer (1) zentrierte Öffnung aufweist, wobei die Impaktorwand (2) mit der ebenfalls vorzugsweise auf die Längsachse der Verneblungskammer (1) zentrierten Prallplatte (3) einen Spalt (4), vorzugsweise einen ringförmigen Spalt bildet, dessen Querschnittsfläche kleiner ist als die Querschnittsfläche der Verneblungskammer (1).
Inhalator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verneblungskammer (1) eine in das Innere der Verneblungskammer (1) reichende Impaktorwand (2) aufweist, welche mit der Wandung der Verneblungskammer (1) umfänglich geschlossen verbunden ist und deren andere, in den Aerosolstrom hinein ragende Begrenzung, in Richtung der Hauptströmung bei Inhalation betrachtet, über die aerosolstromseitige Begrenzung der in der Verneblungskammer (1) befindlichen Prallplatte (3) zur gegenüberliegenden Wandung hin hinausragt.
Inhalator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet dass bei kreisförmiger Querschnittsform der Verneblungskammer (1) und der Prallplatte (3) mindestens eine ins Innere der Verneblungskammer (1) reichende ringförmige Impaktorwand (2) so ausgebildet ist, daß der Abstand des inneren Rands der Impaktorwand (2) zur Längsachse der Verneblungskammer (1) kleiner ist als der Abstand des äußeren Rands der Prallplatte (3) zur Längsachse der Verneblungskammer (1) und somit einen vertikal geradlinigen Weg von Flüssigkeitströpfchen aus dem unterhalb der Impaktorwand-Prallplatten-Anordnung liegenden Raumanteil der Verneblungskammer (1) in den oberhalb liegenden Raumanteil verhindert.
Inhalator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ins Innere der Verneblungskammer (1) reichende Impaktorwand (2) mit ihrem inneren Rand oberhalb des aerosolstromseitigen, äußeren Randes der Prallplatte (3) im Bereich zwischen diesem äußeren Rand der Prallplatte (3) und der Austrittsöffnung (6) endet und mit der Prallplatte (3) einen vorzugsweise ringförmigen Spalt (4) ausbildet.
Inhalator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ins Innere der Verneblungskammer (1) reichende Impaktorwand (2) mit ihrem inneren Rand unterhalb des aerosolstromseitigen, äußeren Randes der Prallplatte (3) im Bereich zwischen diesem äußeren Rand der Prallplatte (3) und dem unterem Rand der Verneblungskammer (1) endet und mit der Prallplatte (3) einen vorzugsweise ringförmigen Spalt (4) ausbildet.
Inhalator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einer ins Innere der Verneblungskammer (1) reichenden Impaktorwand (2) mindestens eine zweite ins Innere der Verneblungskammer (1) reichende Impaktorwand (11) angebracht ist, wobei vorzugsweise eine Impaktorwand (2) mit ihrem inneren Rand entsprechend Anspruch 5 unterhalb der Prallplatte, die andere Impaktorwand (11) entsprechend Anspruch 4 oberhalb der Prallplatte endet.
Inhalator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Impaktorwand (2) im Querschnitt keilförmig ausgestaltet ist, wobei die Keilspitze ins Innere der Verneblungskammer (1) gerichtet ist und die gegenüberliegende Keilfläche mit der Wandung der Verneblungskammer (1) umfänglich geschlossen verbunden ist, wobei die obere Fläche der keilförmigen Impaktorwand (2) nach innen abfallend geneigt und die untere Fläche der Impaktorwand (2) nach innen ansteigend geneigt ist.
Inhalator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Begrenzung der Verneblungskammer (1) als Impaktorwand (2) ausgestaltet ist, wobei die sich mit der Wandung der Austrittsöffnung (6) bildende Kante der Wand der Verneblungskammer (1) oberhalb der Prallplatte (3) angeordnet ist und in Strömungsrichtung der Inhalation betrachtet über den aerosolstromseitigen, äußeren Rand der Prallplatte (3) hinausragt oder mit diesem Rand bündig endet oder von diesem Rand beabstandet endet, unter Ausbildung eines vorzugsweise ringförmigen Spalts (4).
Inhalator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impaktorwand (2) mit der Wand der Verneblungskammer (1) vorzugsweise einen Winkel α < 90° nach unten geneigt bildet.
Inhalator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Impaktorwand (11) mit der Wand der Verneblungskammer (1) vorzugsweise einen Winkel β < 90° nach unten geneigt bildet.
Inhalator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die als obere Begrenzung der Verneblungskammer (1) ausgebildete Impaktorwand (2) mit der Wand der Verneblungskammer (1) vorzugsweise einen Winkel γ < 90° oder γ > 90°einschließt.
Inhalator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einatemöffnung (5) unterhalb der Prallplatte (3) und der untersten Impaktorwand (2) an der Verneblungskammer (1) angebracht ist.
Inhalator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 oder 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einatemöffnung (5) oberhalb der Prallplatte (3) und der Impaktorwand (2) an der Verneblungskammer (1) angebracht ist.
Inhalator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einatemöffnung (5) oberhalb der Prallplatte (3) und der Impaktorwand (2) an der Verneblungskammer (1) angebracht ist und zur Führung er Einatemluft einen parallel zur Wandung der Verneblungskammer (1) voll- oder teilumfänglich verlaufenden Luftkanal (12) aufweist, der als Spalt vorzugsweise, bei vollumfänglicher Führung, als Ringspalt ausgeführt ist und dessen innere Wand (13) unterhalb des äußeren Randes der Prallplatte (3) und unterhalb der untersten Impaktorwand (2) endet.