驱动压力调节对可控型射流注射系统性能的影响

曾栋坪， 康 勇， 刘 忠， 喻哲钦， 李佳敏

(1.长沙理工大学 能源与动力工程学院，长沙 410114；2.武汉大学 动力与机械学院，武汉 430072)

射流注射系统利用瞬时高压使注射腔内的药物通过小尺寸的喷嘴形成高速、高压的微射流，从而使药物穿透皮肤进行注射。与传统有针注射相比，该技术具有注射伤口小、药物扩散速度快及扩散程度高等明显优势[1-2]。目前，射流注射系统的注射深度存在非常大的不明确性，注射深度主要由射流的轴心速度所确定[3-5]。因此，针对射流速度的研究成为可控型射流注射系统研究的重点。

理想的射流注射状态所需要的射流速度曲线为高、低两段式[6-7]，即在刺穿皮肤表层阶段的短时间内保持较高的射流速度，以保障射流可以抵达目标注射深度；在随后的注射阶段内，降低射流速度，进而完成注射并降低药物回溅，保证注射完成率。近年来，国内外学者对射流速度的控制方法进行了研究，主要采用音圈驱动器[8]、压电驱动器[9]、电磁力驱动器[10]及洛伦兹力驱动器[11]等驱动装置与活塞杆连接，通过控制驱动器的输入信号来实现对射流速度的动态控制。这些控制方法在针对常规小剂量(0.3 mL)注射时展现了良好的控制效果，但是以1.0 mL为代表的大剂量可控型射流注射系统对于射流速度控制的要求与常规小剂量有明显区别[12-13]，需要一种更直接有效的控制策略。

基于以上研究现状，本文针对典型大剂量注射工况，开展了驱动压力调制可控型射流注射系统动力学特征及注射性能系列研究，通过对射流注射系统的驱动压力调制来实现对射流速度特征的控制。采用高精度压力测试平台及高速摄影装置，开展射流冲击试验、明胶注射高速摄影试验及离体组织注射试验，分析射流冲击特征及射流扩散特征，以期揭示驱动压力调制机制，获取不同注射剂量最优驱动压力组合，为我国可控型射流注射技术发展提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验装置

射流注射系统由驱动装置与注射枪组成，采用压缩的二氧化碳气体为驱动源，通过注射枪的空气入口进入注射枪以驱动相关部件执行注射工作。该射流注射系统可在驱动压力为0.25～1.75 MPa、喷射剂量为1.0～2.0 mL工况范围下实施注射。本研究中使用的注射器喷嘴直径为0.17 mm，喷射剂量主要为常规大剂量1.0 mL，并在该剂量的基础上将范围扩大到1.5 mL及2.0 mL。为了控制这种大喷射剂量工况下射流注射系统的喷射速度，在注射系统中装配了一个压力快速切换装置，直接安装到现有的驱动压力管路上，可以精确调控每个阶段的驱动压力及持续时间，在注射过程中实现高、低两阶段驱动压力快速切换，以形成可控型射流注射系统要求的两阶段射流速度特征，可控型射流注射系统装置,如图1所示。

(a) 可控型射流注射系统冲击压力测试图

(b) 可控型射流注射系统驱动压力切换装置图图1 可控型射流注射系统图Fig.1 Device diagram of controllable jet injection system

1.2 试验材料

明胶的透明度较好，且和肌肉组织材料特性接近，所以常用来模拟肌肉组织进行注射试验[14-15]。本次研究中采用10%的明胶原材料(Aladdin，G108397)和90%的蒸馏水配比制成质量分数10%柔性明胶材料，在高速摄影试验中用来观察射流扩散过程。此外，为了更好地模拟人体注射条件，根据文献调研及试验条件评估[16-17]，采用亚甲基蓝色溶液(Sigma，M9140)离体猪肉组织进行注射，在溶液配置过程中考虑了液体黏性对注射的影响[18]。离体猪肉组织由武汉大学动物实验中心提供，经湖北省实验动物质量检验站批准用于科学研究(许可证号：SCXK2020-0159)。安乐死后立即从猪颈部采集组织，包括皮下组织和肌肉。将组织修剪，立即真空密封，并储存在-80 ℃冷冻箱内；注射之前，每个样品在22 °C下解冻并防止处于室温条件下。

1.3 测试分析方法

喷嘴出口冲击压力通过前期研究自制的高精度冲击压力测试平台获得[19]，该平台由动态压力传感器(M5156-000002-030BG)、HBM数据采集系统(Quantum MX840B-8)和具有嵌入式Java编程语言的集成设备组成，测量量程为0～50 MPa，最大可承受压力为65 MPa，谐振频率大于100 kHz，上升反射时间低于2 μs。根据动量定理和伯努利方程，结合试验得到的冲击压力，可计算射流速度。在喷嘴出口处计算射流速度时，结合Joy等[20]考虑通过射流注射系统喷嘴小孔径流动中的湍流和摩擦损失，加入流量系数Cv，可得冲击压力与射流速度的关系为

(1)

式中：P为冲击试验中测得的喷嘴出口压力；r为射流半径，等于本研究中的喷嘴直径；vjet为喷嘴出口处的射流速度；Cv为流量系数，是射流半径的函数。

采用高速摄像机(Vision Research，Phantom V2012)记录明胶注射的全过程，镜头为Nikon ED(AF Micro Nikkor 200 mm 1∶4 D)，帧数为43 000 fps，曝光时间为22 μs，在此试验配置下可获取连续获取有效分辨率为2 000×3 595像素的图像。高速摄像机在试拍前进行了校准，并先于注射过程开始工作，以便捕捉到整个注射过程，通过处理注射完成后的图像，可获得扩散深度和扩散宽度的动态变化趋势,如图2所示。

(a) 明胶注射过程可视化分析方法

(b) 离体组织注射后参数特征标注示意图图2 试验结果分析方法示意图Fig.2 Schematic diagram of the analysis method of the test results

同时，在离体猪肉组织注射试验中对射流扩散特征及注射完成率进行分析，每个数据点进行3次注射，用3次注射试验的平均值来分析注射特征。由图2可知，为了定量描述离体组织注射试验中液体的扩散特征，本次研究采用速冻后切开离体组织界面进行直接测量的方法，测量了扩散深度Lc、注射深度Lm和扩散宽度Wk，并通过称重注射前和注射后离体组织的质量变化来估算注射完成率PD。

2 试验结果与讨论

2.1 射流冲击特征

在冲击压力测试试验中，采用0.17 mm喷嘴及1.0 mL喷射剂量的注射工况，分析不同驱动压力调制下射流冲击特征。普通射流注射系统与可控型射流注射系统的冲击压力曲线如图3所示，图3(a)为0.75 MPa单一驱动压力工况，图3(b)为(0.75—0.25)MPa两阶段驱动压力工况，通过比较两种注射系统的冲击压力曲线可以发现，两阶段驱动压力下的可控型射流注射系统呈现明显的两段式射流冲击压力特征，且由较大压力转换为较小压力的射流冲击压力过程中存在明显拐点。同时，在管道稳压设备作用下，可控型射流注射系统的压力曲线在注射开始阶段波动较小。上述结果表明,采用两阶段驱动压力形式的控制方法可以实现对射流冲击压力进行直接控制。

(a) 普通射流注射系统

(b) 可控型射流系统图3 两种射流注射系统冲击压力曲线对比Fig.3 Comparison of impact pressure curves of two types of jet injection systems

不同驱动压力调制下射流冲击特征如图4所示，P1与P2分别代表第一阶段与第二阶段射流冲击压力平均值，v1与v2分别由P1与P2经式(1)计算而得。图4(a)展示了三种不同驱动压力工况下射流冲击压力的变化趋势，系统设置第一阶段驱动压力的持续时间为150.00 ms。由图4可知,可控型射流注射系统的冲击压力曲线中存在明显的转折点，且转折点与第一阶段的持续时间设置一致。当第一阶段驱动压力由0.50 MPa增加至1.00 MPa时，注射持续时间由437.40 ms缩短为350.70 ms。可以发现注射持续时间随着第一阶段驱动压力的增大而减小，且呈现明显的线性变化趋势。同时，两阶段射流冲击压力切换所需时间与驱动压力之间有直接联系，当第一阶段的驱动压力由 0.50 MPa增加到1.00 MPa时，1.00 MPa工况对应的切换所需时间(17.60 ms)几乎是0.50 MPa工况(35.90 ms)的两倍。

(a) 冲击压力曲线

(b) 射流速度变化特征图4 驱动压力调制下注射系统射流冲击特征Fig.4 Jet impingement characteristics of injection system under driving pressure modulation

图4(b)展现了两阶段的射流喷射速度在驱动压力调制下的变化特征。当第一阶段的驱动压力由0.50 MPa增加至1.00 MPa时，对应的第一阶段射流喷射速度由103.769 m/s变化为140.847 m/s，且射流速度变化呈线性增加趋势。同时，在第二阶段驱动压力均为0.25 MPa的情况下，第二阶段射流喷射速度分别为75.233 m/s、78.880 m/s及84.971 m/s，可以发现该阶段对应的射流速度与第一阶段的驱动压力存在正相关关系，原因在于第一阶段驱动中残留的高压气体。将图4(b)中的前三组与后三组数据进行对比,可以印证这个解释，两阶段对应在0.25 MPa驱动压力下，射流速度平均值在两阶段压力增大式与两阶段压力减小式工况下分别为77.243 m/s及79.694 m/s，表明压力减小式中第一阶段的高压气体在切换之后还存在，并在短时间内与低压气体共同驱动注射系统。减小式与增大式在1.00 MPa驱动压力下的射流喷射速度分别为140.847 m/s及141.688 m/s，说明较大驱动压力对应工况下的射流速度基本没有区别。因此，通过驱动压力切换可以达到可控型射流注射系统高、低两段式射流速度的要求，且驱动压力调制可以实现高、低两段式射流速度的大小和持续时间可控。

2.2 射流在明胶中的扩散特征

可控型射流注射系统喷射穿透刺入明胶中的注射过程,如图5所示。射流首先穿过明胶表面直至射流能量耗散完，从而形成一个引导通道，随后是射流由通道终点向周围扩散的圆形分散体。对注射过程进行详细分析可以发现，注射之后射流快速刺破明胶组织，注射深度快速增大，达到一定深度之后射流开始以该深度为圆心向周围扩散，射流在明胶中的扩散宽度逐渐增大直至注射完成。在0

图5 可控型射流注射系统喷射液体在明胶中扩散图像Fig.5 Diffusion images of liquid ejected from a controllable jet injection system in gelatin

通过对注射后不同时间点像素的测定及计算，获得不同时间点上扩散深度和扩散宽度的具体数值，对注射过程中的扩散特征进行量化分析,如图6所示。从图6(a)中可以看出：射流在明胶中的扩散深度在注射后30.00 ms内呈指数增加的趋势，扩散深度由零迅速增加到18.08 mm；在注射后30.00～150.00 ms扩散深度的增长速度明显降低，这一时段对应射流注射系统的稳定给药阶段，药物以一个稳定的速度被输送至指定深度附近，并在该深度进行大面积扩散；在注射后150.00 ms之后，扩散深度基本保持不变，维持在23.22 mm附近。

(b) 扩散宽度变化特征图6 可控型射流注射系统喷射液体在明胶中的扩散特征Fig.6 Quantitative diffusion characteristics of liquids ejected from a controllable jet injection system in gelatin

图6(b)描绘了射流穿透刺入明胶后扩散宽度的变化趋势，可大致分为三个阶段:第一个阶段是注射后短时间内扩散宽度快速增加，约为注射后6.00 ms以内，射流在明胶中形成一个具备一定宽度的孔道，该宽度对应为3.00 mm左右；第二个阶段在注射后6.00～150.00 ms，扩散宽度由3.06 mm增加至12.96 mm，变化趋势接近于二次式方程关系式，该阶段对应的射流注射稳定注射时段，大量的液体药物被输送至皮肤内，注射深度和扩散宽度都有一定程度的增加，但是扩散深度的变化速率远大于扩散宽度；第三个阶段为注射后150.00 ms至注射完成，由于驱动气压在150.00 ms开始调制，射流速度急剧降低之后不足以继续刺破明胶组织，但是仍然可以继续向周围进行扩散，表现为扩散宽度在150.00 ms之后呈现线性增加的趋势。通过对射流在明胶组织中的扩散特征进行定量分析，证实了驱动压力调制扩散深度及扩散宽度的可靠性，进一步说明可控型射流注射系统能有效控制射流扩散特征的同时保证射流注射系统快速有效给药的注射优势。

2.3 射流在离体组织中的扩散特征

针对1.0～2.0 mL喷射剂量工况下，可控型射流注射系统在不同驱动压力工况下注射深度及扩散深度的变化特征,如图7所示。对于1.0 mL喷射剂量工况来看(图7(a))，当第一阶段的驱动压力由1.00 MPa增加为1.25 MPa时，注射深度有一定程度的增加；当第一阶段压力维持在1.25 MPa的同时将第二阶段的驱动压力由0.25 MPa增大至0.50 MPa，对应的注射深度基本没有变化。当第一阶段的压力与第二阶段压力再次增大时，结合图7(b)中扩散深度的变化趋势进行分析可知，当第二阶段的压力继续由0.50 MPa增加至0.75 MPa时，扩散深度有较大程度的增加，但是也会出现射流回溅现象。这是因为0.75 MPa驱动压力下射流具备的能量仍然可以继续刺破离体组织，但是部分药液会因为孔洞体积形成的速率小于射流进入离体组织的流量从而形成回溅。因此，就注射深度而言，1.0 mL喷射剂量的较优压力组合为(1.00—0.25)MPa或(1.25—0.25)MPa。采用同样的方法对1.5 mL与2.0 mL喷射剂量工况进行分析，得到1.5 mL喷射剂量较优的压力组合为(1.25—0.25)MPa或(1.25—0.50)MPa，2.0 mL喷射剂量较优的压力组合为(1.25—0.50)MPa或(1.50—0.50)MPa。

(a) 注射深度特征

(b) 扩散深度特征图7 驱动压力调制下注射系统注射深度及扩散深度特征Fig.7 Characteristics of injection depth and diffusion depth of injection system under driving pressure modulation

针对1.0～2.0 mL喷射剂量工况下，可控型射流注射系统在不同驱动压力下扩散宽度与注射完成率特征的变化特征,如图8所示。由图8(a)可以看出，在1.0 mL喷射剂量下，当第一阶段驱动压力由0.75 MPa增加至1.25 MPa时，对应的扩散宽度呈现先减小后趋于稳定的变化趋势；当第二阶段驱动压力由0.25 MPa增加至0.75 MPa时，扩散宽度有减小的趋势。所以，就扩散宽度而言，可控型射流注射系统1.00 mL喷射剂量工况下的较优驱动压力组合为(1.00—0.25)MPa或(1.25—0.25)MPa。对1.5 mL喷射剂量及2.0 mL喷射剂量工况下的扩散宽度变化特征进行类似分析，对1.5 mL喷射剂量及2.0 mL喷射剂量工况下的扩散宽度变化特征进行类似分析，喷射剂量为1.5 mL工况下较优的驱动压力组合方案为(1.25—0.50)MPa或(1.50—0.50)MPa；2.0 mL喷射剂量工况下较优的驱动压力组合方案为(1.25—0.50)MPa或(1.50—0.50)MPa。

(a) 扩散宽度特征

(b) 注射完成率特征图8 驱动压力调制下注射系统扩散宽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

图8(b)针对可控型射流注射系统在驱动压力调制下注射完成率的变化特征，分析了1.0～2.0 mL喷射剂量的最优注射完成率对应的较优驱动压力组合。由图8可知，可控型射流注射系统的注射完成率均高于75.00%。1.0 mL喷射剂量在(1.00—0.25)MPa驱动压力下注射完成率为86.57%，达到注射完成率最大值；1.5 mL喷射剂量的注射完成率在(1.25—0.50)MPa驱动压力下达到最大值(87.39%)；2.0 mL喷射剂量的注射完成率在(1.50—0.50)MPa驱动压力下达到最大值(87.92%)。可控型射流注射系统在离体组织中的注射完成率试验结果证实，当喷射剂量大于1.0 mL时，需要同时提高第一阶段与第二阶段驱动压力才能实现较优注射参数组合以达到较高完成率。

综合以上离体组织注射试验结果可以发现，在驱动压力调制下，射流扩散特征存在显著区别，且不同喷射剂量均存在较优驱动压力组合。典型大剂量注射工况1.0 mL的最优驱动压力组合为(1.00—0.25)MPa，此外针对喷射剂量进一步研究发现，1.5 mL喷射剂量的最优驱动压力组合为(1.25—0.50)MPa，2.0 mL喷射剂量的最优驱动压力组合为(1.50—0.50)MPa。

3 结 论

本文以可控型射流注射系统为研究对象，通过射流冲击试验、明胶注射高速摄影试验及离体组织注射试验，开展了驱动压力调制下射流注射系统动力学特征及注射特性的研究，主要结论如下：

(1) 通过对驱动压力调制下的射流冲击特征进行分析，通过驱动压力切换可以达到可控型射流注射系统高低两段式射流速度的要求，且通过调节驱动压力可控制高低两段式射流速度的大小和持续时间。

(2) 通过对注射过程中扩散特征动态变化规律进行定量分析，发现在驱动压力调制下，射流冲击特征及扩散特征存在显著区别，证实通过驱动压力调制可以进一步提高可控型射流注射系统的注射性能。

(3) 离体组织注射试验结果表明不同喷射剂量均存在较优驱动压力组合，典型大剂量注射工况1.0 mL的最优驱动压力组合为(1.00—0.25)MPa，工况1.5 mL喷射剂量的最优驱动压力组合为(1.25—0.50)MPa，工况2.0 mL喷射剂量的最优驱动压力组合为(1.50—0.50)MPa。