单帧单曝光图像法对粉雾剂粉末模型分散效果的研究

邹 珺， 廖跃华， 刘 阳， 周 骛， 陈 岚

（1. 上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093； 2. 上海健康医学院 医疗器械学院，上海 201318；3. 上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

粉雾剂的分散和沉积效果是影响其疗效的重要因素之一[1-4]。目前粉雾剂分散效果的评价方法包括撞击器法[5]、飞行时间法[6-7]、激光衍射法[8-9]等。这些方法大多只关注颗粒分散后的粒径分布，对颗粒速度与细微粒子沉积含量（fine particle fraction，FPF）的关系研究得较少。颗粒在流体中运动时的阻力、运动状态等与颗粒粒径、颗粒速度和流体黏度有关[10]；在吸入气流的作用下，颗粒在吸入装置出口的速度和粉雾剂微细颗粒沉积情况有可能具有一定的相关性[11-12]。因此，在评价吸入气流作用下粉末雾化效果时，对颗粒粒径分布和速度分布同时进行分析具有重要意义。

单帧单曝光图像法（single frame single exposure image，SFSEI）是一种基于粒子图像测速技术（particle imaging velocimetry，PIV）发展而来的图像技术[13]，该方法能够同时得到运动颗粒的粒径和速度[14]，可以较全面地分析粉雾剂分散效果。目前已经运用于发电厂煤粉颗粒的浓度检测[15]，汽轮机湿热蒸汽水滴的大小、速度、运动方向[16-17]检测等领域。在制药方面，刘阳等[18]应用此方法对粉雾剂分散效果进行了初步评价。

本文通过SFSEI法，基于一个自制的流道，从视窗的水平和竖直2个方向拍摄，在3个流速下对粉雾剂粉末模型分散效果进行实验，探讨影响该方法测量准确性的条件。此外，分别运用激光衍射法（laser diffraction，LD）和数值模拟方法对SFSEI测得的粒径及粒径分布、颗粒运动速度等指标进行比较研究。

1 材料和方法

1.1 试药与仪器

使用的乳糖颗粒为粉雾剂粉末模型，其型号为 Respitose® SV003（荷兰 DFE公司），密度为1.53 g/cm3，折射率为1.533，中值粒径为 59.5 μm。

SFSEI测量系统由上海理工大学颗粒与两相流测量研究所研制，镜头放大倍率选取为 4 倍；HVP 1000型真空泵（德国Erweka公司）、TPK2型气流控制器和数字流速计（德国Erweka公司）；VM510L计算机（华硕电脑公司）；LED背光光源[13]。

激光衍射设备：Mastersizer2000型激光粒度仪和Spraytec实时喷雾粒度分析仪及其配套装置（英国Malvern公司）。用于比较SFSEI的粒径测量结果。

分散通道及吸入装置中其他部件的实物模型、支撑结构、固定装置等均为自研。

1.2 单帧单曝光图像法实验原理

拍摄气固两相流动状态时，采用恰当的曝光时间，颗粒的流动轨迹清晰地记录在一帧图像中，如图1所示[19]。

图1 颗粒运动模糊图像Fig.1 Blurred image of moving particles

因曝光时间Δt已知且相对较短（本文中为0.01～0.02 ms），在假设物体匀速直线运动的前提下可以计算出运动速度

式中：V为示踪粒子的运动速度；S为示踪粒子的总轨迹长度；D为轨迹宽度；K为相机镜头的放大倍率。

示踪粒子运动模糊图像同时也包含了颗粒的粒度信息D，即轨迹宽度反映了颗粒的粒度。

本文采用的单帧单曝光图像法实验台如图2所示（见下页）。真空泵产生负压，气流控制器用于控制气流的流速，气流通过药物分散装置的气口进入，将乳糖颗粒从装置中带出。被气流携带的乳糖颗粒流经视窗而被拍摄，在过滤器中被拦截，避免对真空泵和气流控制器造成损害。

图2 SFSEI法实验装置示意图Fig.2 Schematic of the SFSEI experimental device

使用SFSEI从视窗的水平和竖直2个方向进行拍摄，调节气体流量分别为30，60，90 L/min，为了使SFSEI图像中颗粒轨迹的长度为粒径的3～5倍而使得数据处理较为准确[18]，调节各气体流量下的相机曝光时间分别为0.01，0.015，0.02 ms。

1.3 颗粒数敏感性分析

首先确定SFSEI各工况下统计颗粒数量对其平均粒径、颗粒平均速度结果的影响。以气体流量60 L/min，水平拍摄的实验结果为例，随机选取750，1 000，1 250，1 500个颗粒，实验次数n=3，如图3所示，所得到的颗粒粒径和速度变化不明显，4次实验的平均粒径为59.57±0.32 μm，而平均速度为16.69±0.19 m/s。即测量的颗粒数目在750～1 500区间内对所需测量的目标参数基本无影响，与张琮昌等[20]的研究结果一致。综合考虑实验测量结果的精确性等问题，最终确定本实验每个工况统计1 000个颗粒。

图3 统计颗粒数敏感性分析（n=3）Fig.3 Sensitivity analysis of the statistical quantity of particles (n=3)

1.4 激光衍射实验方法

研究使用的是英国Malvern公司的实时喷雾粒度分析仪Spraytec，采用激光衍射技术测量喷雾颗粒粒度。使用镜头的焦距为300 mm，测试颗粒粒度范围为0.1～900 μm，乳糖折射率为1.533，激光透射率低于95%时开始收集散射光信号。

1.5 数值模拟方法

研究所用的计算流体力学（CFD）软件为ANSYS Fluent 12.1（美国ANSYS公司）。分散流道流场区域网格划分采用四面体非结构网格，流场区域网格数量约160万，使用雅可比行列式评价网格质量，网格质量大于0.3，满足计算要求。

设定离散格式为二阶迎风格式，选用模型进行求解。设置出入口条件为：3个流速下分散流道的入口压力均为0，出口压力分别为-0.977，-3.85，-7.97 kPa，误差小于5%。

2 结 果

2.1 拍摄方向对粒径检测的影响

如图4所示，实验次数n=3，2个方向上得到的粒径结果虽有差异，但均与Spraytec结果较为接近，且随着气体流量的增加，粉雾剂分散后颗粒的平均粒径减小，分散得更好（除了90 L/min水平拍摄的粒径较大）；从实验结果还可以看出，3个流速下竖直方向拍摄得到的平均粒径均大于水平方向的平均粒径，且趋势上更接近Spraytec的测试结果。由此可初步判断，在本实验条件下，SFSEI竖直方向拍摄的结果更准确。究其原因，流道截面为8 mm×5 mm的矩形，在水平拍摄时，拍摄方向上流道空间前后距离为8 mm，颗粒的运动范围较大，拍摄到较多不在焦平面上的颗粒，造成图像处理时粒径统计不够准确。而在竖直拍摄时，拍摄方向上流道空间前后距离为5 mm，颗粒的运动范围较小，不在焦平面上的颗粒较少，结果更趋于真实。

图4 各工况下得到的粒径分布（n=3）Fig.4 Particle size distribution obtained under different working conditions (n=3)

对不同流速下的情况进行对比，从图5可以看出，激光衍射法测得的100 μm以上的大颗粒所占百分率均大于SFSEI两个拍摄方向的结果；由图5还可以看出，3根曲线在60 μm以下的粒径分布较为接近，说明本实验条件设置，尤其是镜头的选择，更适合较小粒径的跟踪测量；而只有气流流速在60 L/min时，SFSEI水平方向检测到的40 μm以下的颗粒百分率大于竖直方向和Spraytec的结果；气体流量在90 L/min时，水平拍摄的粒径百分率在60～80 μm范围内大于竖直拍摄的颗粒百分率，这两个原因造成了60 L/min的SFSEI水平方向拍摄得到的平均粒径出现了较低的拐点，而在90 L/min时测得的平均粒径较大。导致该现象的原因与实验所用的颗粒分散装置在高流速下产生的作用增强有关，给测量带来了难度，且导致图4中90 L/min的水平拍摄的平均粒径结果偏差较大。

图5 SFSEI和Spraytec在不同气体流量下得到的颗粒分散结果Fig.5 Particle dispersion results by SFSEI and Spraytec at different gas flow

2.2 拍摄方向对速度检测的影响

从2个拍摄方向得到的颗粒运动轨迹图像均可以发现，运动颗粒的轨迹基本都是同一个方向，因此，不同方向的分速度对颗粒运动速度统计的影响可忽略。

实验次数n=3，从图6可知，2个方向上得到的平均速度结果虽有差异但仍较为接近，且与数值模拟结果亦比较吻合，说明SFSEI用于测量粉雾剂分散后的颗粒速度比较可行；竖直拍摄得到的颗粒平均速度在各气流流速下均小于水平拍摄的速度，且与数值模拟结果更接近。

由于SFSEI得到的速度结果是由颗粒对应的粒径计算得到的，在气流流速、曝光时间、镜头放大倍率等条件一定时，粒径越大，得到的速度就会越小，这可以在一定程度上解释本实验中竖直拍摄得到的颗粒粒径较水平方向大，计算得到的颗粒平均速度小于水平方向得到的颗粒平均速度。

另外，导致以上结果的原因，可能是水平拍摄的实验条件对粒径检测不利。视窗结构在水平方向上较长，带来较多离焦颗粒，从而干扰了粒径结果，因此，该方向上的粒径检测结果不稳定，影响了颗粒速度的检测结果。

图6 2个拍摄方向得到的颗粒平均速度和数值模拟结果比较（n=3）Fig.6 Average velocity of the particles in both directions and the numerical simulation results (n=3)

图7 （见下页）是各工况下颗粒粒径对应颗粒速度的分布，每个工况取1 000个颗粒，每个点代表1个颗粒。各流速下得到的粒径分布较为接近，流速增大，粒径减小。相对来说，速度结果差异较明显：30 L/min时，水平和竖直拍摄得到的结果重合度较高；60 L/min时，水平和竖直方向得到的结果有一定的差异；90 L/min时的差异更为明显，此结果可能是高流速下测试段几何结构影响趋于明显、离焦颗粒增多所致，因此，判断竖直方向拍摄结果更趋于真实。

图7 不同气体流量下颗粒粒径与速度分布Fig.7 Particle size and velocity distributions at different gas flow

3 讨 论

使用SFSEI测得的粒径结果表明，选取750个以上的颗粒，测量结果差异不明显，较为可信。在本研究条件下，拍摄方向对颗粒粒径结果有一定的影响，对颗粒速度的影响不仅来自于对粒径结果的影响，还有来自不同气体流量下离焦颗粒数量的影响。由于本实验的流道几何形状、视窗尺寸等因素，无论是粒径还是颗粒速度，都是竖直方向得到的结果与参照方法（激光衍射法和数值模拟）的趋势更加接近，但是，SFSEI和参照方法在原理和定义上有所不同，因此，在数值上也有所差异。另外，在气体流量较低的情况下，更容易提高准确性。因此，在本实验工况下，提高准确性需要选择离焦颗粒较少的方向和相对较低的流速进行拍摄。另一方面，本文研究的是粉雾剂载体颗粒的分散效果，未涉及药物颗粒的分散效果，即药物颗粒从载体颗粒表面分离的效果，因此，本研究评价的粉雾剂分散效果相对粗略，对于真实的药物颗粒的分散效果还需要进一步研究。总之，SFSEI在粉雾剂分散测试中将会是一种有效的研究评价手段。

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