Der Medikamenten-Vernebler

Mit diesen Strahlverneblern werden normalerweise Arzneimittellösungen in feine Sprühnebel verwandelt, sodass der Patient das Medikament direkt in die Lunge einatmen kann. Die von Medikamentenverneblern erzeugten Tropfendurchmesser betragen nur einige Mikrometer: 0,5–2 µm für eine Platzierung des Aerosols in den Alveolen⁸, 5 bis etwa 10 µm für eine Behandlung der oberen Atemwege [Beatmungsprodukte 1998].

Die Aerosolerzeugung im Zerstäuber funktioniert folgendermaßen: Die Zerstäuberdüse ragt in einen Luftstrom hinein, dessen statischer Druck kleiner ist als der Druck, unter dem die Flüssigkeit steht. Daher wird Flüssigkeit in den Luftstrom hineingesaugt und dabei zerstäubt. Dabei handelt es sich um ein sehr einfaches System mit einem Druckanschluss und einer Austrittsöffnung für das Aerosol.

Die Einfachheit der Bedienung sowie die Dichte des Aerosols machen Vernebler zum idealen Testobjekt für Testmessungen bezüglich Farbstoffkonzentrationen, Laserenergie und Eigenschaften der optischen Filter. Es wurde ein Inspiron 002305 Nebulizer von Intertech Resources verwendet.

3.4 Phasen-Doppler-Anemometer (PDA)

Ein PDA-System kann in Echtzeit Geschwindigkeit und Größe von Einzelpartikeln (Tropfen) messen. Es handelt sich um eine optische Messtechnik, die nicht kalibriert werden muss und sphärische Partikel von 1 µm bis zu einigen Millimetern Größe messen kann. Weitere Größen wie repräsentative und mittlere Durchmesser und Volumenfluss werden aus den Rohdaten errechnet. Die Technik stellt eine Punktmessung dar. Durch die Wahl des Messgitters kann man Felder mit hoher räumlicher Auflösung erfassen. Das Messvolumen wird dabei von zwei gekreuzten Laserstrahlen gebildet, die sich unter einem Winkel schneiden. Im Kreuzungsbereich entsteht ein streifenförmiges Interferenzmuster, d.h. die Intensitätsverteilung verläuft periodisch. Durchquert ein Partikel das Messvolumen, so ist dem gestreuten Licht die gleiche Intensitätsverteilung aufgeprägt (Abb. 3.12). Im einfachsten Fall detektiert man mit 2 Detektoren (Photomultiplier). Im angeschlossenen Signalprozessor kann aus der Phasenverschiebung der

8 In den Alveolen findet der Gasaustausch in der Lunge statt

beiden Detektorsignale der Durchmesser der Partikel bestimmt werden, aus dem zeitlichen Abstand der

„bursts“ eines Streuereignisses ergibt sich die Geschwindigkeit.

X

Y

ϕ

Detektor 1

Detektor 2

Streuebene

Partikel-fluss

θ

Z

ψ ψ

Abb. 3.11. Prinzip des PDA-Aufbaus mit zwei Detektoren. Die Streuebene wird von den optischen Achsen von Sender und Empfänger aufgespannt und ist senkrecht zum Partikelfluss. Die beiden Detektoren sind um den Winkel Ψ aus der Ebene nach oben bzw. unten ausgelenkt, die optische Achse des Detektors ist um den Winkel Φ gegen den Sendestrahl gedreht [Dantec 2002].

Zum Einsatz kam ein Dantec PDA-System (57X10 mit Signalprozessor 56N10). Als Lichtquelle dient ein Argon-Ionen-Laser (Kap. 3.1.). Zwei Wellenlängen (514 und 488 nm) werden separiert und in jeweils zwei Strahlenpaare aufgespalten. Die Strahlenpaare sind um 90° gegeneinander gedreht und erzeugen im Messvolumen zwei unterschiedlich orientierte Interferenzmuster entsprechend den beiden Wellenlängen.

Die vom System primär gemessenen Größen eines Einzelereignisses sind der Partikeldurchmesser (bei sphärischen Partikeln, allgemein: der Krümmungsradius der Oberfläche) und zwei Geschwindigkeitskomponenten (vy und vx entsprechend Abb. 3.11). Weitere Größen, wie z.B.

repräsentative Durchmesser, werden nach statistischer Auswertung aller validierten Ereignisse gewonnen.

Detektor 2 Detektor 1

t

Φ

t

Abb. 3.12. Dopplersignal einer Partikel. Wegen der gaußförmigen Intensitätsverteilung der interferierenden Laserstrahlen nimmt die Intensität zum Rand hin ab. Aus dem Abstand zweier „bursts“ eines Detektorsignals ergibt sich mit dem bekannten Streifenabstand im Messvolumen die Geschwindigkeit, aus dem zeitlichen Abstand Φ12, in dem das Signal die beiden Detektoren erreicht, der Durchmesser.

Bei einem stationären Interferenzmuster wäre die Dopplerverschiebung der Frequenz des gestreuten Lichts für Partikelgeschwindigkeiten gleichen Betrags, aber unterschiedlicher Richtung nicht eindeutig.

Deshalb wird jeweils ein Teilstrahl der beiden Wellenlängen in einer Bragg-Zelle frequenzverschoben, sodass das Interferenzmuster „wandert“, d.h. ein ruhendes Streuteilchen bereits einen Signal-Burst mit der

Shiftfrequenz erzeugt. Die Differenz der gemessenen und verschobenen Frequenz macht dann die Geschwindigkeit eindeutig.

Die vier Teilstrahlen werden in eine Lichtleiter eingekoppelt und zur Sendeoptik transportiert. Die Sendeoptik besteht im Prinzip aus einer Linse (f = 310 mm) und einer Justiereinheit, um die Strahlen in einem Punkt zu überlagern. Mit der Effizienz der Einkopplung lässt sich problemlos die Energie der Teilstrahlen aufeinander abgleichen, typischerweise wurde mit 20 mW gearbeitet. Diese Justage muss vor jeder Messung wiederholt werden.

Die Empfangsoptik besteht ebenfalls aus einer Linse (f = 310 mm), einer Schlitzblende zur Begrenzung des Messvolumens und den Photomultipliern mit vorgeschalteten Linienfiltern zur Signaltrennung. Das System arbeitet mit drei Detektoren (514 nm), die Größe und Geschwindigkeit messen, sowie einem Detektor (488 nm), der die dazu senkrechte Geschwindigkeitskomponente misst. Damit stehen drei Phasendifferenzen zur Verfügung, zum einen lässt sich der messbare Größenbereich erhöhen und zum anderen kann man durch Vergleich der aus der Phasendifferenz gemessenen Krümmungsradien die Kugelform der Partikel überprüfen und Ereignisse gegebenenfalls verwerfen. Dies findet im angeschlossenen Signalprozessor statt.

Sende- und Empfangsoptik sind auf einem 3-Achsen-Traversiertisch montiert, der von der Software des PDA-Systems angesteuert wird. Das Anfahren von Messpunkten kann damit automatisiert stattfinden.

Abb. 3.13. Messvolumen bei Begrenzung durch die Schlitzblende der Empfangsoptik. Die Überlagerung zweier Gaußförmiger Laserstrahlen mit Durchmesser De-2 formt ein Rotationsellipsoid mit Interferenzstreifenabstand ds. Die Beobachtung erfolgt unter dem Winkel ϕ. Ein der Schlitzweite s entsprechender Teil bildet das Messvolumen.

Im Kreuzungsbereich der beiden Teilstrahlen gleicher Wellenlänge entsteht ein linienförmiges Interferenzmuster, dessen Intensität wegen des Gauß-Profils der Laserstrahlen zum Rand hin abnimmt und im Raum die Form eines Ellipsoids annimmt. Die Schlitzblenden der Empfangsoptik begrenzen das Rotationsellipsoid seitlich, nur der aus der Mitte „herausgeschnittene“ Teil stellt das Messvolumen dar. Im Falle transparenter Medien wirkt ein Partikel wie eine Linse. Bei einem ruhenden Streuteilchen könnte man z.B. das abgebildete Streifenmuster auf einem Schirm sichtbar machen und aus dem Abstand der Interferenzstreifen die Krümmung der Oberfläche (bei Kugeln den Radius) bestimmen: je kleiner der Krümmungsradius, desto größer der abgebildete Streifenabstand. Beobachtet man ein bewegtes Objekt in Vorwärtsstreuung sodass Brechung dominiert) wandert das gebeugte Streifenmuster in der gleichen Richtung wie das Objekt. Zwei räumlich voneinander getrennte Detektoren empfangen nun das Signal mit einem zeitlichen Versatz. Aus dieser Phasendifferenz lässt sich der Krümmungsradius bestimmen (Abb.

3.14). Die Phasendifferenz muss für eindeutige Messungen kleiner 2π bleiben. Deshalb wird zur Größenbestimmung ein weiteres Detektorpaar eingesetzt, dessen Phasensprung aufgrund des größeren

Abstands der Detektoren erst bei größeren Krümmungsradien eintritt, das allerdings nur eine geringe Durchmesserauflösung bietet. Der Vergleich der Messungen macht dann die Phasenlage des hochauflösenden Detektorpaares eindeutig.

Φ12

Abb. 3.14. Bestimmung des Krümmungsradius (hier Streuung an transparenten Tropfen): Der Tropfen bewegt sich nach unten, das gebrochene Interferenzmuster ebenfalls. Die beiden Detektoren (D1 und D2) messen das gleiche Signal (Abb. 3.12), jedoch bei größeren Tropfen mit zunehmendem Phasenunterschied Φ₁₂.

Unter der Annahme, dass die Partikel sphärisch sind, denn nur dann ist der Krümmungsradius gleich dem Kugelradius, kann man die Bestimmungsgleichung für den Teilchendurchmesser d nach der Streulichttheorie herleiten [Bauckhage 1990]:

b

Φ12: Phasenunterschied zwischen Detektor 1 und 2 λ: Laserwellenlänge

n: Brechungsindex

Dabei wird der Faktor b vom Schnittwinkel der Laserstrahlen, von der Auslenkung der Empfangsoptik, von der Strahlrichtung und der Auslenkung der Detektoren aus der Streuebene beeinflusst. Der Vollständigkeit halber sei der Faktor bb für den Fall der durch Beugung dominierten Streuung angegeben:

2 2(1 cos cos cos )(1 ² )2 2(1 cos cos cos )

Θ: Schnittwinkel der Laserstrahlen

Φ: Winkel zwischen Sende- und Empfangsoptik Ψ: Auslenkung des Detektors aus der Streuebene

Hier zeigt sich noch einmal, dass der Durchmesser direkt aus der Messung ohne zusätzliche Kalibration gewonnen werden kann.

Die Geschwindigkeit der Partikel v_p ergibt sich aus der Dopplerfrequenz (d.h. dem Zeitabstand, mit denen die gebeugten Interferenzstreifen an einem Detektor vorbeiziehen) und dem Abstand der Interferenzstreifen:

v_p = x_s f_D (3.9)

f_D: Dopplerfrequenz x_s: Streifenabstand

Dabei ist der Streifenabstand eine Funktion des Schnittwinkels Θ und der Laserwellenlänge λ:

sin 2

2 Θ

=

λ

xS ^(3.10)