一种用于同时测量液滴或颗粒表面积和速度的新方法

《Optics and Lasers in Engineering》：A new method for simultaneous measurement of droplet or particle surface area and velocity

该研究扩展了基于LED的光衰减断层成像系统，实现同步测量气溶胶的表面积浓度与粒子速度。通过长曝光成像和粒子轨迹分析，结合高斯粒子模型推导出校正因子，解决了长时间曝光导致的表面积测量偏差问题。创新性地将粒子 streak velocimetry (PSV)与现有断层成像技术结合，开发了速度去卷积算法，通过多角度激光观测重建速度场。实验验证了方法的有效性，并成功应用于药物吸入器（DPI）的USP咽喉模型，获得气溶胶表面积通量分布。

　　随着科技的发展，研究者们不断探索新的方法来更全面地理解和测量气溶胶的特性。气溶胶在许多领域中都扮演着重要角色，例如制药喷雾、农业喷洒、燃料喷射等。这些气溶胶的特性包括粒子的尺寸、空间分布以及速度等，它们对于描述应用中的物理机制至关重要，并且影响诸如燃烧效率和排放、吸入式药物输送等关键因素。然而，传统的测量方法往往存在局限性，例如点测量技术虽然能够提供粒子直径和速度的信息，但它们只能获取很小的测量体积，因此需要在流动中多次测量才能得到空间分布的完整数据，这种方法在统计稳态流动中可能适用，但在瞬态流动中，如吸入药物输送，由于粒子尺寸和空间分布随时间变化，且可获取的样本较少，因此不太理想。

与此同时，图像技术如激光诱导荧光（LIF）或平面米氏散射（planar Mie scattering）可以提供更广泛的粒子空间分布信息，并且可以与粒子图像测速（PIV）结合以获取速度数据。然而，这些技术通常局限于相对稀薄的流动，以避免二次或多重散射的影响。因此，图像技术虽然在某些情况下有效，但其应用范围有限。而断层扫描技术，如基于LED的断层扫描方法，提供了更广泛的应用可能性，因为它们使用沿视线的测量，并且在适当的角度下可以重建流动体积。这些方法利用了比尔-朗伯-比格尔定律（Beer-Lambert-Bouguer law），将光的透射率与局部消光系数相关联，从而可以推断出粒子的表面面积浓度。由于这些方法使用未散射的光，因此它们对二次散射不敏感，适用于较浓的流动。

在之前的研究所中，已经开发了一种基于LED和CMOS相机的2角度断层扫描系统，该系统能够获取气溶胶的表面面积分布信息。现在，这项研究进一步扩展了该系统，使其能够同时获取表面面积和速度数据。为了实现这一点，采用了长曝光时间的图像采集方式，使得粒子在图像中形成“轨迹”（streaks），其长度与粒子的速度和曝光时间成正比。通过对这些轨迹进行处理，可以估计出粒子的速度。同时，研究者发现，长曝光时间会影响表面面积的测量，因此需要一个“校正因子”来保持总表面面积的准确性。

研究还发展了一种类似表面面积解卷积的方法，用于从沿视线的速度测量中获取流动的局部速度。这种方法允许在两个轴上获取速度数据，并利用这些数据重建流动的垂直速度分布。在制药应用中，该系统被用于测量从干粉吸入器（DPI）和喉模型中流出的SV010颗粒的表面面积和速度。这些数据被结合起来，以计算“表面面积通量”（surface area flux），这被认为是表面面积的通量等价物，可以量化通过感兴趣区域（ROI）的表面面积随时间的变化情况。

研究者们通过实验验证了该方法的有效性，使用了不同的粉末材料，如SV010、铜和青铜，并通过PSV与PIV的对比来评估速度测量的准确性。实验结果显示，PSV和PIV在大多数情况下都取得了良好的一致性，尤其是在流动的中心区域。此外，通过计算校正因子，研究者们能够从长曝光图像中获得更准确的表面面积数据。这种方法对于获取气溶胶的表面面积通量特别有用，因为它可以同时提供表面面积和速度的测量，从而更全面地描述气溶胶的动态特性。

在制药应用中，研究者们展示了该技术如何应用于实际场景，如从干粉吸入器和喉模型中流出的SV010颗粒。通过分析这些颗粒的表面面积和速度，可以进一步理解其在人体气道中的沉积情况。例如，较大的颗粒由于其较高的斯托克斯数（Stokes number），更容易沿其自身轨迹运动，而不是随流动曲线而改变方向，这可能导致更高的沉积率。因此，表面面积通量可以成为评估药物输送效率的重要指标，帮助优化吸入式药物的设计。

该研究的创新之处在于结合了PSV和断层扫描技术，使得在不牺牲分辨率的情况下，能够同时获取表面面积和速度数据。这种方法不仅适用于制药领域，还可能在农业喷洒、燃料喷射等其他应用中发挥重要作用。此外，研究还探讨了如何在不同粒子形状和尺寸的情况下调整校正因子，以提高测量的准确性。未来的研究可以进一步探索如何在非球形粒子的情况下应用这些方法，以及如何改进校正因子的估计，以适应更广泛的粒子形状和尺寸。

综上所述，这项研究展示了一种基于LED的断层扫描技术的扩展应用，能够同时获取气溶胶的表面面积和速度信息。这种方法在制药、农业和工业喷雾等领域的应用潜力巨大，因为它可以提供更全面的流动特性，从而有助于优化和改进相关技术。研究者们通过实验验证了该方法的有效性，并展示了其在实际应用中的可行性，为未来的研究和实际应用提供了重要的参考和基础。