一種醫用超聲霧化粒徑測試方法解析

楊航 林鴻寧 劉智偉 廣東省醫療器械質量監督檢驗所 （廣東 廣州 510663）

內容提要：醫用超聲霧化器產生的霧粒以膠體形式存在于分散系中，霧粒的尺寸組成很復雜，如何更快速、更準確地檢測膠體粒子的顆粒大小和濃度分布是當前研究熱點。文章通過運用光散射原理，利用夫瑯禾費衍射近似光學模型理想狀態下的一種求解公式，進行模擬氣溶膠的顆粒粒徑參數測量，結合激光粒度分析測量系統，有效應用于快速檢測醫用超聲霧化器產生的霧化粒徑分布。

醫用超聲霧化器使用廣泛，其主要由超聲換能器、薄膜、送風裝置、調節和控制系統等組成，工作原理為通過超聲換能器震蕩產生超聲波在藥液中傳播，當超聲波傳播到達藥液表面時，在藥液表面與空氣交界處受表面張力波作用形成霧化顆粒。而霧化粒徑是醫用超聲霧化器最為重要關鍵的性能指標參數[1]。

醫用超聲霧化器產生的霧粒以膠體形式存在于分散系中，霧粒的尺寸組成很復雜，如何更快速準確檢測膠體粒子的顆粒大小和濃度分布是當前研究熱點。在分散系中往往有多種尺寸顆粒存在，單個顆粒由多種物質組成，很難知道它的顆粒大小和濃度分布。在眾多粒子測量方法中，激光散射法由于其非接觸、無干擾、精度高、速度快、測量范圍廣等優點而得到迅速發展，廣泛應用于醫療行業檢測，氣溶膠研究等，提高了檢測靈敏度、效率和可靠性。現今，醫用超聲霧化粒徑測試方法主要運用光散射原理，采用激光粒度分析測量系統檢測霧狀顆粒的粒度分布情況。本文通過測試方法解析，加強基本原理知識學習和各種操作應用，有助于更好掌握相關檢驗標準和技術能力。

1.測試原理

均勻介質與某些顆粒混合，顆粒的折射率不同于周圍的均勻介質，例如膠體溶液、懸浮液、乳液等，由于這種含有不均勻和不規則分布的顆粒物質介質產生光散射，原本均勻介質中的折射率均勻性被破壞。光散射原理和分散系的折射率有關，物體的折射率包含實部和虛部，物體折射率虛數部分反映了介質對光波的吸收特性，即當光波在介質中傳播時，光強因為存在吸收而發生衰減。在本文中涉及的折射率應為復折射率。散射光的大小與顆粒和介質的折射率實部的差值有關，如果顆粒和分散系的折射率相同，不會發生明顯的散射現象。散射理論是麥克斯韋方程對處在均勻介質中的均勻顆粒在平面單色波照射下的嚴格數學解。每個理想下的球形顆粒散射產生非偏振光的散射強度分布計算見公式（1）[2]。

k——波數（光波長的倒數）；la——散射顆粒到探測器的距離；θ——散射光線分布角度（散射角）；I0——入射的非偏振光的總光強。

S1(θ)和S2(θ)是散射理論定義的無量綱的復變函數，用于描述垂直和平行偏振光的振幅在前進方向上隨散射角變化的函數。

在實際中顆粒的性質十分復雜，考慮需測量的顆粒性質，作出以下假設：①測量的顆粒光學性質穩定、各項同性，為理想球體；②測量時應用的激光波長固定且單色；③顆粒和分散系的折射率（包括實部和虛部）都是已知的；④顆粒表面不帶電并且無表面電流流過；⑤顆粒不會在光照下發生化學反應。

基礎假設后，顆粒的測量仍然十分復雜。利用光散射理論，必須知道系統的光學性質，才能進行計算。霧化顆粒的復折射率（包括實部和虛部）和分散質的復折射率都很難得知。復折射率的虛部（吸收）與波長有關，不同物質在不同波長的光照射，其吸收能力不一樣。顆粒的形狀和外表面也會對結果產生影響。實際操作中僅僅利用上述假設還是不能夠完全測量顆粒的性質，這需要設計合理的光學模型和在光學模型建立后對顆粒進一步合理假設。

本文采用夫瑯禾費近似光學模型，而現實中無法使光源和屏幕的距離無限遠。利用巴比涅原理得到和夫瑯禾費衍射相同的圖像。在光學模型確定后，本論文需根據使用的光學模型和之前的假設，以簡化計算。假設：①顆粒的折射率虛數部分存在且不能忽略；②僅考慮顆粒邊界處發生的衍射；③光源發出的波長已知且固定；④只考慮衍射角很小的情況（衍射方向接近正前方）；⑤所有的顆粒都為理想球體；⑥顆粒直徑遠大于波長。

在現實工作中，很難知道復折射率，對計算實驗結果有很大影響。由于夫瑯禾費近似不考慮偏振的影響，也不考慮光穿過顆粒，最重要的是無需知道顆粒的折射率。如此通過光學模型可巧妙避開最難因素。在此近似條件下，見公式（2）、公式（3）[2]：

其中：α——無量綱的顆粒直徑參數，（x為顆粒直徑，nm為介質折射率的實部）；J1——一階貝塞爾函數。

本文處理結果的過程相對簡單，通過上式可以求得粒徑參數，無需知道顆粒的光學性質，因此通常用于檢測光學性質未知或者多種顆粒混合的分散系。但由于本文選用的光學模型本身對過小顆粒不適用，因此還需知道顆粒和分散系的復折射率，才能對更小顆粒進行最精確的測量。利用夫瑯禾費近似法，能夠方便快捷的檢測膠體顆粒的大小和分布濃度。此方法無需知道粒子的光學特性，對檢測復雜膠體顆粒提供了有利途徑。另需注意消光問題：消光是指在測量過程中因吸收和散射光強發生衰減的現象。光束中顆粒的消光與下列因素有關[2]：①顆粒的大小；②顆粒和分散系的折射率；③入射光的波長；④顆粒的幾何形狀；⑤孔徑角。

其中，折射率指的是復折射率，但有的物質虛數部分為0，這表示它不吸收任何光，例如某些白色乳狀外觀膠體，這種外觀是由所有可見波長上的多重散射造成的。對于復折射率，虛數部分很難測量，且它與光的波長有關。當虛數不為0時，表示顆粒對光有吸收，這部分吸收的能量主要轉化為內能。此外，由于現實中絕大多數顆粒并不規則，在不規則顆粒邊界處發生的全反射也包含在虛數部分。部分顆粒的幾何形狀對散射的影響如圖1所示[2]。

圖1.部分顆粒形狀對散射影響

光與顆粒間的相互作用，也會對結果產生影響：①顆粒投影邊界上的衍射；②在顆粒邊界處發生的全反射；③關穿過介質和顆粒的界面發生的折射；④顆粒的復折射率虛數部分。

這些作用不只是影響消光，而且影響散射光分布，對測試結果產生干擾。消光影響測試誤差，其主要因素有顆粒的尺寸、幾何形狀和顆粒的復折射率（顆粒材料），這也是前文建立光學模型時盡量避免的問題。無法忽略過小顆粒（顆粒直徑小于預設值的下限）的光學性質，因為在該情況下無法建立上述光學模型，所以了解材料的完整光學特性是提高量程的重要核心。醫用超聲霧化器本身產生的霧化粒徑也不能保證完全穩定，這些都對測試結果有一定影響，所以導致圖像有微弱差異，造成暫時無法避免的誤差。其他誤差還有可能是反卷積程序平滑處理方法和信噪比造成，這些誤差可經過計量認證或比對試驗消除。本文對儀器本身的誤差不作探討，只指出可能性。

2.測量系統

對醫用超聲霧化粒徑測試時，主要使用激光粒度分析測量系統等實驗室檢測設備。該測試系統主要由兩部分組成：測量主機和計算機。其中，測量主機包含光學系統、信號采集處理系統等；計算機進行數據處理并顯示。其測試光路圖如圖2所示[2]。

圖2.測試光路圖（注：1.遮光率/光學探測器；2.散射光；3.定向光束；4.傅里葉透鏡；5.未被透鏡4收集到的散射光；6.分散的顆粒群；7.光源；8.光束處理單元；9.透鏡4的工作距離；10.多元探測器；11.透鏡4的焦距）

測量主機里面的半導體激光器產生激光束，經過擴束、濾波、匯聚后照射到測量區，測量區中待測膠體顆粒在激光照射下產生散射譜。散射譜的強度及其空間分布與被測顆粒的大小及分布有關，并被位于傅里葉透鏡后焦面上的光電探測器陣列接收，轉換為電信號后再經放大和A/D轉換傳輸到計算機，通過反演運算和數據處理后，獲得被測顆粒的大小和濃度分布等參數。

散射光分布檢測器是由多個硅光探測器或光電二極管組成，散射光能通常由數十個不同大小的同心圓環組成的光電探測元件（光靶）測得。光靶直徑及環數與顆粒測量范圍有關，環面積由內向外遞增[3]。光探測元器件將接收到的散射光光信號轉化為電信號，并與下方電路板相連接。電路板將探測器與電路連接，將電信號傳輸到計算機進行數據分析與處理。光敏感涂層間距越小，理論上靈敏度越高，但由于空氣本身的不清潔，會導致多次散射，如果光敏感涂層距離過近，誤差會更大。測試時，將測量主機和計算機安裝在穩固的光學平臺上，周圍不安放其他電子設備，在測試中要求確保儀器接地。為避免其他干擾，要防止有明亮的日光，或是其他過強的光照射到探測器上，一般采用遮光板防止過度的無關光源照射探測器。

3.小結

本文通過光散射原理及夫瑯禾費光學模型，結合激光粒度分析測量系統等實驗室檢測設備，解析醫用超聲霧化粒徑測試方法，有效應用于快速檢測醫用超聲霧化器產生的霧化粒徑分布，可進行更精準的測試結果圖形繪制與數據分析，也可用于臨床風險分析和參考，方法簡便，應用前景好，是一種高效的檢測方法。