驅動壓力調節對可控型射流注射系統性能的影響

曾棟坪， 康 勇， 劉 忠， 喻哲欽， 李佳敏

(1.長沙理工大學 能源與動力工程學院，長沙 410114；2.武漢大學 動力與機械學院，武漢 430072)

射流注射系統利用瞬時高壓使注射腔內的藥物通過小尺寸的噴嘴形成高速、高壓的微射流，從而使藥物穿透皮膚進行注射。與傳統有針注射相比，該技術具有注射傷口小、藥物擴散速度快及擴散程度高等明顯優勢[1-2]。目前，射流注射系統的注射深度存在非常大的不明確性，注射深度主要由射流的軸心速度所確定[3-5]。因此，針對射流速度的研究成為可控型射流注射系統研究的重點。

理想的射流注射狀態所需要的射流速度曲線為高、低兩段式[6-7]，即在刺穿皮膚表層階段的短時間內保持較高的射流速度，以保障射流可以抵達目標注射深度；在隨后的注射階段內，降低射流速度，進而完成注射并降低藥物回濺，保證注射完成率。近年來，國內外學者對射流速度的控制方法進行了研究，主要采用音圈驅動器[8]、壓電驅動器[9]、電磁力驅動器[10]及洛倫茲力驅動器[11]等驅動裝置與活塞桿連接，通過控制驅動器的輸入信號來實現對射流速度的動態控制。這些控制方法在針對常規小劑量(0.3 mL)注射時展現了良好的控制效果，但是以1.0 mL為代表的大劑量可控型射流注射系統對于射流速度控制的要求與常規小劑量有明顯區別[12-13]，需要一種更直接有效的控制策略。

基于以上研究現狀，本文針對典型大劑量注射工況，開展了驅動壓力調制可控型射流注射系統動力學特征及注射性能系列研究，通過對射流注射系統的驅動壓力調制來實現對射流速度特征的控制。采用高精度壓力測試平臺及高速攝影裝置，開展射流沖擊試驗、明膠注射高速攝影試驗及離體組織注射試驗，分析射流沖擊特征及射流擴散特征，以期揭示驅動壓力調制機制，獲取不同注射劑量最優驅動壓力組合，為我國可控型射流注射技術發展提供理論依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

射流注射系統由驅動裝置與注射槍組成，采用壓縮的二氧化碳氣體為驅動源，通過注射槍的空氣入口進入注射槍以驅動相關部件執行注射工作。該射流注射系統可在驅動壓力為0.25～1.75 MPa、噴射劑量為1.0～2.0 mL工況范圍下實施注射。本研究中使用的注射器噴嘴直徑為0.17 mm，噴射劑量主要為常規大劑量1.0 mL，并在該劑量的基礎上將范圍擴大到1.5 mL及2.0 mL。為了控制這種大噴射劑量工況下射流注射系統的噴射速度，在注射系統中裝配了一個壓力快速切換裝置，直接安裝到現有的驅動壓力管路上，可以精確調控每個階段的驅動壓力及持續時間，在注射過程中實現高、低兩階段驅動壓力快速切換，以形成可控型射流注射系統要求的兩階段射流速度特征，可控型射流注射系統裝置,如圖1所示。

(a) 可控型射流注射系統沖擊壓力測試圖

(b) 可控型射流注射系統驅動壓力切換裝置圖圖1 可控型射流注射系統圖Fig.1 Device diagram of controllable jet injection system

1.2 試驗材料

明膠的透明度較好，且和肌肉組織材料特性接近，所以常用來模擬肌肉組織進行注射試驗[14-15]。本次研究中采用10%的明膠原材料(Aladdin，G108397)和90%的蒸餾水配比制成質量分數10%柔性明膠材料，在高速攝影試驗中用來觀察射流擴散過程。此外，為了更好地模擬人體注射條件，根據文獻調研及試驗條件評估[16-17]，采用亞甲基藍色溶液(Sigma，M9140)離體豬肉組織進行注射，在溶液配置過程中考慮了液體黏性對注射的影響[18]。離體豬肉組織由武漢大學動物實驗中心提供，經湖北省實驗動物質量檢驗站批準用于科學研究(許可證號：SCXK2020-0159)。安樂死后立即從豬頸部采集組織，包括皮下組織和肌肉。將組織修剪，立即真空密封，并儲存在-80 ℃冷凍箱內；注射之前，每個樣品在22 °C下解凍并防止處于室溫條件下。

1.3 測試分析方法

噴嘴出口沖擊壓力通過前期研究自制的高精度沖擊壓力測試平臺獲得[19]，該平臺由動態壓力傳感器(M5156-000002-030BG)、HBM數據采集系統(Quantum MX840B-8)和具有嵌入式Java編程語言的集成設備組成，測量量程為0～50 MPa，最大可承受壓力為65 MPa，諧振頻率大于100 kHz，上升反射時間低于2 μs。根據動量定理和伯努利方程，結合試驗得到的沖擊壓力，可計算射流速度。在噴嘴出口處計算射流速度時，結合Joy等[20]考慮通過射流注射系統噴嘴小孔徑流動中的湍流和摩擦損失，加入流量系數Cv，可得沖擊壓力與射流速度的關系為

(1)

式中：P為沖擊試驗中測得的噴嘴出口壓力；r為射流半徑，等于本研究中的噴嘴直徑；vjet為噴嘴出口處的射流速度；Cv為流量系數，是射流半徑的函數。

采用高速攝像機(Vision Research，Phantom V2012)記錄明膠注射的全過程，鏡頭為Nikon ED(AF Micro Nikkor 200 mm 1∶4 D)，幀數為43 000 fps，曝光時間為22 μs，在此試驗配置下可獲取連續獲取有效分辨率為2 000×3 595像素的圖像。高速攝像機在試拍前進行了校準，并先于注射過程開始工作，以便捕捉到整個注射過程，通過處理注射完成后的圖像，可獲得擴散深度和擴散寬度的動態變化趨勢,如圖2所示。

(a) 明膠注射過程可視化分析方法

(b) 離體組織注射后參數特征標注示意圖圖2 試驗結果分析方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of the analysis method of the test results

同時，在離體豬肉組織注射試驗中對射流擴散特征及注射完成率進行分析，每個數據點進行3次注射，用3次注射試驗的平均值來分析注射特征。由圖2可知，為了定量描述離體組織注射試驗中液體的擴散特征，本次研究采用速凍后切開離體組織界面進行直接測量的方法，測量了擴散深度Lc、注射深度Lm和擴散寬度Wk，并通過稱重注射前和注射后離體組織的質量變化來估算注射完成率PD。

2 試驗結果與討論

2.1 射流沖擊特征

在沖擊壓力測試試驗中，采用0.17 mm噴嘴及1.0 mL噴射劑量的注射工況，分析不同驅動壓力調制下射流沖擊特征。普通射流注射系統與可控型射流注射系統的沖擊壓力曲線如圖3所示，圖3(a)為0.75 MPa單一驅動壓力工況，圖3(b)為(0.75—0.25)MPa兩階段驅動壓力工況，通過比較兩種注射系統的沖擊壓力曲線可以發現，兩階段驅動壓力下的可控型射流注射系統呈現明顯的兩段式射流沖擊壓力特征，且由較大壓力轉換為較小壓力的射流沖擊壓力過程中存在明顯拐點。同時，在管道穩壓設備作用下，可控型射流注射系統的壓力曲線在注射開始階段波動較小。上述結果表明,采用兩階段驅動壓力形式的控制方法可以實現對射流沖擊壓力進行直接控制。

(a) 普通射流注射系統

(b) 可控型射流系統圖3 兩種射流注射系統沖擊壓力曲線對比Fig.3 Comparison of impact pressure curves of two types of jet injection systems

不同驅動壓力調制下射流沖擊特征如圖4所示，P1與P2分別代表第一階段與第二階段射流沖擊壓力平均值，v1與v2分別由P1與P2經式(1)計算而得。圖4(a)展示了三種不同驅動壓力工況下射流沖擊壓力的變化趨勢，系統設置第一階段驅動壓力的持續時間為150.00 ms。由圖4可知,可控型射流注射系統的沖擊壓力曲線中存在明顯的轉折點，且轉折點與第一階段的持續時間設置一致。當第一階段驅動壓力由0.50 MPa增加至1.00 MPa時，注射持續時間由437.40 ms縮短為350.70 ms。可以發現注射持續時間隨著第一階段驅動壓力的增大而減小，且呈現明顯的線性變化趨勢。同時，兩階段射流沖擊壓力切換所需時間與驅動壓力之間有直接聯系，當第一階段的驅動壓力由 0.50 MPa增加到1.00 MPa時，1.00 MPa工況對應的切換所需時間(17.60 ms)幾乎是0.50 MPa工況(35.90 ms)的兩倍。

(a) 沖擊壓力曲線

(b) 射流速度變化特征圖4 驅動壓力調制下注射系統射流沖擊特征Fig.4 Jet impingement characteristics of injection system under driving pressure modulation

圖4(b)展現了兩階段的射流噴射速度在驅動壓力調制下的變化特征。當第一階段的驅動壓力由0.50 MPa增加至1.00 MPa時，對應的第一階段射流噴射速度由103.769 m/s變化為140.847 m/s，且射流速度變化呈線性增加趨勢。同時，在第二階段驅動壓力均為0.25 MPa的情況下，第二階段射流噴射速度分別為75.233 m/s、78.880 m/s及84.971 m/s，可以發現該階段對應的射流速度與第一階段的驅動壓力存在正相關關系，原因在于第一階段驅動中殘留的高壓氣體。將圖4(b)中的前三組與后三組數據進行對比,可以印證這個解釋，兩階段對應在0.25 MPa驅動壓力下，射流速度平均值在兩階段壓力增大式與兩階段壓力減小式工況下分別為77.243 m/s及79.694 m/s，表明壓力減小式中第一階段的高壓氣體在切換之后還存在，并在短時間內與低壓氣體共同驅動注射系統。減小式與增大式在1.00 MPa驅動壓力下的射流噴射速度分別為140.847 m/s及141.688 m/s，說明較大驅動壓力對應工況下的射流速度基本沒有區別。因此，通過驅動壓力切換可以達到可控型射流注射系統高、低兩段式射流速度的要求，且驅動壓力調制可以實現高、低兩段式射流速度的大小和持續時間可控。

2.2 射流在明膠中的擴散特征

可控型射流注射系統噴射穿透刺入明膠中的注射過程,如圖5所示。射流首先穿過明膠表面直至射流能量耗散完，從而形成一個引導通道，隨后是射流由通道終點向周圍擴散的圓形分散體。對注射過程進行詳細分析可以發現，注射之后射流快速刺破明膠組織，注射深度快速增大，達到一定深度之后射流開始以該深度為圓心向周圍擴散，射流在明膠中的擴散寬度逐漸增大直至注射完成。在0

圖5 可控型射流注射系統噴射液體在明膠中擴散圖像Fig.5 Diffusion images of liquid ejected from a controllable jet injection system in gelatin

通過對注射后不同時間點像素的測定及計算，獲得不同時間點上擴散深度和擴散寬度的具體數值，對注射過程中的擴散特征進行量化分析,如圖6所示。從圖6(a)中可以看出：射流在明膠中的擴散深度在注射后30.00 ms內呈指數增加的趨勢，擴散深度由零迅速增加到18.08 mm；在注射后30.00～150.00 ms擴散深度的增長速度明顯降低，這一時段對應射流注射系統的穩定給藥階段，藥物以一個穩定的速度被輸送至指定深度附近，并在該深度進行大面積擴散；在注射后150.00 ms之后，擴散深度基本保持不變，維持在23.22 mm附近。

(b) 擴散寬度變化特征圖6 可控型射流注射系統噴射液體在明膠中的擴散特征Fig.6 Quantitative diffusion characteristics of liquids ejected from a controllable jet injection system in gelatin

圖6(b)描繪了射流穿透刺入明膠后擴散寬度的變化趨勢，可大致分為三個階段:第一個階段是注射后短時間內擴散寬度快速增加，約為注射后6.00 ms以內，射流在明膠中形成一個具備一定寬度的孔道，該寬度對應為3.00 mm左右；第二個階段在注射后6.00～150.00 ms，擴散寬度由3.06 mm增加至12.96 mm，變化趨勢接近于二次式方程關系式，該階段對應的射流注射穩定注射時段，大量的液體藥物被輸送至皮膚內，注射深度和擴散寬度都有一定程度的增加，但是擴散深度的變化速率遠大于擴散寬度；第三個階段為注射后150.00 ms至注射完成，由于驅動氣壓在150.00 ms開始調制，射流速度急劇降低之后不足以繼續刺破明膠組織，但是仍然可以繼續向周圍進行擴散，表現為擴散寬度在150.00 ms之后呈現線性增加的趨勢。通過對射流在明膠組織中的擴散特征進行定量分析，證實了驅動壓力調制擴散深度及擴散寬度的可靠性，進一步說明可控型射流注射系統能有效控制射流擴散特征的同時保證射流注射系統快速有效給藥的注射優勢。

2.3 射流在離體組織中的擴散特征

針對1.0～2.0 mL噴射劑量工況下，可控型射流注射系統在不同驅動壓力工況下注射深度及擴散深度的變化特征,如圖7所示。對于1.0 mL噴射劑量工況來看(圖7(a))，當第一階段的驅動壓力由1.00 MPa增加為1.25 MPa時，注射深度有一定程度的增加；當第一階段壓力維持在1.25 MPa的同時將第二階段的驅動壓力由0.25 MPa增大至0.50 MPa，對應的注射深度基本沒有變化。當第一階段的壓力與第二階段壓力再次增大時，結合圖7(b)中擴散深度的變化趨勢進行分析可知，當第二階段的壓力繼續由0.50 MPa增加至0.75 MPa時，擴散深度有較大程度的增加，但是也會出現射流回濺現象。這是因為0.75 MPa驅動壓力下射流具備的能量仍然可以繼續刺破離體組織，但是部分藥液會因為孔洞體積形成的速率小于射流進入離體組織的流量從而形成回濺。因此，就注射深度而言，1.0 mL噴射劑量的較優壓力組合為(1.00—0.25)MPa或(1.25—0.25)MPa。采用同樣的方法對1.5 mL與2.0 mL噴射劑量工況進行分析，得到1.5 mL噴射劑量較優的壓力組合為(1.25—0.25)MPa或(1.25—0.50)MPa，2.0 mL噴射劑量較優的壓力組合為(1.25—0.50)MPa或(1.50—0.50)MPa。

(a) 注射深度特征

(b) 擴散深度特征圖7 驅動壓力調制下注射系統注射深度及擴散深度特征Fig.7 Characteristics of injection depth and diffusion depth of injection system under driving pressure modulation

針對1.0～2.0 mL噴射劑量工況下，可控型射流注射系統在不同驅動壓力下擴散寬度與注射完成率特征的變化特征,如圖8所示。由圖8(a)可以看出，在1.0 mL噴射劑量下，當第一階段驅動壓力由0.75 MPa增加至1.25 MPa時，對應的擴散寬度呈現先減小后趨于穩定的變化趨勢；當第二階段驅動壓力由0.25 MPa增加至0.75 MPa時，擴散寬度有減小的趨勢。所以，就擴散寬度而言，可控型射流注射系統1.00 mL噴射劑量工況下的較優驅動壓力組合為(1.00—0.25)MPa或(1.25—0.25)MPa。對1.5 mL噴射劑量及2.0 mL噴射劑量工況下的擴散寬度變化特征進行類似分析，對1.5 mL噴射劑量及2.0 mL噴射劑量工況下的擴散寬度變化特征進行類似分析，噴射劑量為1.5 mL工況下較優的驅動壓力組合方案為(1.25—0.50)MPa或(1.50—0.50)MPa；2.0 mL噴射劑量工況下較優的驅動壓力組合方案為(1.25—0.50)MPa或(1.50—0.50)MPa。

(a) 擴散寬度特征

(b) 注射完成率特征圖8 驅動壓力調制下注射系統擴散寬度及注射完成率特征Fig.8 Characteristics of diffusion width and percent delivery of injection system under driving pressure modulation

圖8(b)針對可控型射流注射系統在驅動壓力調制下注射完成率的變化特征，分析了1.0～2.0 mL噴射劑量的最優注射完成率對應的較優驅動壓力組合。由圖8可知，可控型射流注射系統的注射完成率均高于75.00%。1.0 mL噴射劑量在(1.00—0.25)MPa驅動壓力下注射完成率為86.57%，達到注射完成率最大值；1.5 mL噴射劑量的注射完成率在(1.25—0.50)MPa驅動壓力下達到最大值(87.39%)；2.0 mL噴射劑量的注射完成率在(1.50—0.50)MPa驅動壓力下達到最大值(87.92%)。可控型射流注射系統在離體組織中的注射完成率試驗結果證實，當噴射劑量大于1.0 mL時，需要同時提高第一階段與第二階段驅動壓力才能實現較優注射參數組合以達到較高完成率。

綜合以上離體組織注射試驗結果可以發現，在驅動壓力調制下，射流擴散特征存在顯著區別，且不同噴射劑量均存在較優驅動壓力組合。典型大劑量注射工況1.0 mL的最優驅動壓力組合為(1.00—0.25)MPa，此外針對噴射劑量進一步研究發現，1.5 mL噴射劑量的最優驅動壓力組合為(1.25—0.50)MPa，2.0 mL噴射劑量的最優驅動壓力組合為(1.50—0.50)MPa。

3 結 論

本文以可控型射流注射系統為研究對象，通過射流沖擊試驗、明膠注射高速攝影試驗及離體組織注射試驗，開展了驅動壓力調制下射流注射系統動力學特征及注射特性的研究，主要結論如下：

(1) 通過對驅動壓力調制下的射流沖擊特征進行分析，通過驅動壓力切換可以達到可控型射流注射系統高低兩段式射流速度的要求，且通過調節驅動壓力可控制高低兩段式射流速度的大小和持續時間。

(2) 通過對注射過程中擴散特征動態變化規律進行定量分析，發現在驅動壓力調制下，射流沖擊特征及擴散特征存在顯著區別，證實通過驅動壓力調制可以進一步提高可控型射流注射系統的注射性能。

(3) 離體組織注射試驗結果表明不同噴射劑量均存在較優驅動壓力組合，典型大劑量注射工況1.0 mL的最優驅動壓力組合為(1.00—0.25)MPa，工況1.5 mL噴射劑量的最優驅動壓力組合為(1.25—0.50)MPa，工況2.0 mL噴射劑量的最優驅動壓力組合為(1.50—0.50)MPa。