一种便携式雾化给药器的设计

陈润楠 杨钰洁 刘婕妤 王福超 程泽坤

摘要：一种便携式超声波雾化给药器，利用超声波雾化机理，即利用换能器发出的超声振荡将药液打散成雾状，患者将雾状药物吸入气道，可直接作用于患病处，达到治疗目的。通常医院使用的雾化器是高频震荡的超声波雾化器，但其缺点在于不够便携，因此该便携式雾化给药器旨在使患者通过超声波雾化器对药液进行更好吸收，同时能解决日常便携使用的问题。

关键词：雾化给药器;便携式;超声波雾化

引言

随着技术提高，超声波雾化器在呼吸道疾病的医学治疗中有着普遍的使用。超声波雾化片通过高频振动将药液打散为细小颗粒，使其通过呼吸吸入的方式进入呼吸道和肺部沉积，从而达到无痛及有效治疗的目的。[1]为了满足雾化高质量和高效率的要求，通常采用工作频率较高的电子线路来推动相应的雾化环节使液体雾化。[2]医院常用的高频震荡超声雾化器不够便携，便携式超声波雾化器旨在满足患者通过超声波雾化器对药液进行更好吸收的同时也能够解决日常便携使用的问题。

1 工作原理

1.1雾化器的工作原理

超声波雾化器电路是本系统的核心换能部分，它以水为介质，通过压电陶瓷换能片将电能转换为机械能，使水变为雾状微粒，达到起雾的效果。[3]雾化器将NE555定时器作为频率发生器，产生矩形脉冲信号，调整可变电阻器阻值以占空比，用Class-E功率放大电路将信号放大，接入超声雾化片。L7809降压稳压元件稳压。利用ESP8266接入水位传感器，写入设定程序设定水位对应的数字量，实现水位高时电器不动作，雾化器正常雾化，水位低时继电器动作，雾化器停止雾化，自动控制雾化器电路。软、硬件结合提高了NE555定时器控制电路的稳定性，通过程序控制继电器的接通或切断，达到控制雾化器工作的目的。通过Proteus进行控制电路原理图仿真，在仿真中，用蜂鸣器代替雾化片，如图1所示。

1.2 雾化器的选择

备选方案为加热雾化、压缩雾化和超声雾化。加热雾化通过将液体加热至沸点蒸发雾化，但高温可能使药液失去药效，同时会有安全隐患。压缩雾化利用大气压强将液体带出，并撞击在网状阻挡物上，液滴分子分解为微小颗粒喷出。当振动面的振动幅度达到一定阈值时，液滴便会从驻波峰上飞溅而出形成雾。[4]与加热雾化相比，超声波雾化能避免加热雾化可能引发的安全隐患及高温导致的药物失去药效;与压缩雾化相比，超声雾化造成液滴质量轻体积小，更利于患者吸收，雾化效率更高。

2 电路设计

2.1硬件电路设计

2.1.1 NE555定时器

555定时器是一种中规模集成电路，它将模拟功能与逻辑功能结合在同一个芯片上既能作为定时器使用，又能作为振荡器使用。[5]NE555定時器具有工作电流要求低，输出频率可调节，长时发热温度低等优点。在设计过程中，NE555本身电压较低，需加装升压板将电压升高至雾化片可起振的电压值。在Proteus原理仿真图中，NE555定时器的工作周期为T = 0.693*（R51 * C30）

2.1.2水位传感器

水位传感器正引脚接正五伏电源，负引脚接地，S引脚接入ESP8266模块的数模转换引脚。水位传感器利用外界液体与平行导体的接触面的大小改变接入电路的电阻大小进而判断水位。

2.1.3ESP8266单片机

设计通过ESP8266开发板将水位量转化为信号量。

2.1.4  Class-E功放部分

选择Class-E功放的原因：频率较低时，Class-D中开关管的能耗可以忽略;而当工作频率变高，D类功率放大电路MOS管损耗急剧增加，输出效率远不如低频效率，长时间工作在高频状态下，元件将会发热受损。而E类功放不存在此类问题。

电源为NE555定时器与ESP8266单片机供电。Class-E放大电路将NE555定时器发出的信号放大，驱动雾化片将液体雾化。ESP8266单片机通过水位传感器检测液位情况，控制继电器开合，从而控制电路启停。

2.2 软件编程设计

2.2.1 Arduino编程部分

如图2所示，程序进行初始化操作即设置初始量，传感器采集雾化器内的水位数据，ESP8266接收传感器传送的数据。当有数据传来时，ESP8266读取数据并比较输入量与设定值。当传感器输入量小于设定值，继电器不动作;当输入量小于设定值继电器动作。

3  雾化器实验结果

3.1超声振荡频率测试

用示波器在超声雾化片表面进行检测，往容器内注入适量水，当雾化器正常工作时，示波器显示出超声频率。依据该方法比较了三台超声波雾化器的振荡频率，实验结果见表 1。

超声振荡频率偏差均108 kHz±10%内，说明超声雾化器的振荡电路较稳定。在实际情况下，该频率可通过示波器直接测量。

3.2不同水量下雾化率测验

在一定的水量范围内，逐步增加水量，三台雾化器的雾化率呈现先上升后下降的趋势。但由于实验数量有限，若要得出雾化率与水量的关系曲线，需增加雾化器个数同时进行多次重复实验，才能得出准确结果。

3.3 雾化器不同时段雾化量测验

随着雾化时间的增加，雾化器的雾化量逐渐减少。

4  结束语

便携式雾化给药器，利用超声雾化把药液打散雾化，直接作用于患者病患位置，达到治疗目的。通过一系列实验得出与传统的雾化器比较，雾化器的控制电路将硬件与软件结合，提高了设备工作的稳定性，提高了雾化器的便携性能。提高了超声波雾化器的医疗成效，同时也解决了日常便携问题。

参考文献

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

[2]杨霓清.高频电子线路[M].北京： 机械工业出版社，2007.

[3]郝世新.超声波雾化器元设计分析与设计优化构想.医疗卫生装备[J1.2004（6）：153.

[4]应崇福.超声学[M].北京： 科学出版社，1990.

[5]邹岚.555定时器的典型电路及其实际应用 [J].化工自动化及仪表，2017（4）：406-409，414

作者简介：陈润楠（2000-），女，汉族，山西省晋城市人，本科，主要研究方向：电力系统及其自动化。