非接触式药物片监测

一目了然 片剂质量检测 用声音进行非接触式检查 快速测量 批处理

多年来，为了过程监测的目的，已经引入了各种药物片剂监测方法。非侵入性技术，如声发射(AE)，已广泛应用于制药工业颗粒材料的监测。通过测量声发射，可以识别药品粉末压实过程中发生的许多现象，如颗粒重排、破碎、颗粒或颗粒的粘塑性变形。在微晶纤维素和玉米淀粉碾压过程中检测并利用了声弛豫发射。

片剂机械性能的任何变化都会产生共振频率的变化，从而允许一种结合空气耦合激励和激光干涉检测的新型声学技术用于检测片剂。该技术提供了样品表面声波的非接触式测量，当需要快速测量(如在生产线上)和/或在大量点(如批量处理)时，它比其他方法具有明显的优势。

实验装置

实验装置的主要部件包括方波脉冲/接收机(Panametrics 5077PR)、1 MHz空气耦合换能器(VN Instruments CAP 5)、激光干涉仪(Polytec OFV 511)和数字化荧光粉示波器(Tektronix TDS 3052)。由于在批处理过程中，片剂可能被刚性持有或自由站立，因此提出了两种不同的声学实验设置，并对样品片剂进行了测试:

• 操纵平板电脑设置。在操纵片剂实验研究中使用的仪器示意图被描述在“操纵片剂声学设置”图表中。铝制的支架固定试样片。空气耦合换能器放置在样品片的侧面(如图)。激光干涉仪直接放置在样品片的上方，激光束正确地聚焦在药片表面。

• 独立的平板电脑设置。图示为独立式实验装置的原理仪表图。样品片自由放置在铝底座上。空气耦合换能器直接放置在样品片剂的上方(距离片剂顶部表面约4毫米的高度)。激光干涉仪被放置在平板电脑的侧面，激光束被正确聚焦在平板电脑表面的一点上。当传送带将片剂从制造过程的一个阶段运送到另一个阶段时，这种设置可用于批处理。

实验的程序

利用所提出的非接触激励和测量装置，进行了一系列基于声学的非接触实验，研究了样品药物p片的力学性能(p片网格模型图)。在两种实验设置(操纵和独立)中，在两个位置(片剂表面中心和片剂表面随机偏离中心的位置)确定了片剂的横向振动响应。对于每块样品片，在一个位置进行四组测量;获得了16组测量数据，用于测试实验装置的重复性和稳定性。

示意图显示了操纵平板的声学设置。

脉冲器/接收器向发射空气耦合换能器提供方形脉冲。发射空气耦合换能器所激发的声场相互作用，使试样产生振动。利用激光干涉仪对样品片表面振动响应进行激光检测。本研究中使用的干涉仪可以在50-30 MHz的带宽上对表面位移进行高保真和绝对测量，并且可以以纳米分辨率检测位移。测量的响应被示波器数字化并用于信号处理。

将反褶积和系统辨识两种信号处理方法应用于测得的样品片的瞬态表面位移响应，提取振动片的共振频率。这两种方法的主要用途是通过将传感器响应与片剂响应分离，单独获得药物片剂的脉冲响应。频域响应提供了与片剂的机械硬度和密度有关的药物片剂的共振频率。

数值预测

采用有限元法对平板谐振频率进行了数值预测，验证了实验数据的正确性。在使用Abaqus商用包进行有限元研究时，假定试样(p片)为无涂层的均质各向同性弹性固体。对样品片生成四节点线性四面体单元的均匀网格。采用Lanczos特征值求解器计算两种样品片在50 kHz至200 kHz频率范围内的谐振频率。

p片图示为长11.71 mm，宽6.01 mm，厚3.84 mm的p片样品。180米长的平板网格有127,311个元素和74196个自由度。利用有限元数据得到了p片的共振频率。

实验结果

在两个实验装置中检查了p片，以确定一个操纵平板电脑和一个独立平板电脑的谐振频率。在“表面位移响应”图形中描述了在空气耦合换能器激励下安装平板的时域振动响应。请注意，样品片的多次测量是一致的。一致的时域响应意味着空气耦合激励和干涉检测是可重复和稳定的。

a片剂在操纵装置中的瞬态表面位移响应图表。

“振动响应频谱”图描述了p型平板的频谱。样品片的谐振频率一致。实验结果在时域和频域上均具有较高的一致性和重复性。为了提高实验测量精度的可信度，将数值结果与实验结果进行了比较。实验结果与数值计算结果吻合较好，特别是在130 ~ 200 kHz频率范围内。

方法1的实验结果表明，与方法2相比，方法1与数值数据的相关性更大;每个实验案例都显示了增加频率的折衷。

从数值和实验数据及其比较来看，两个实验装置的频率测量是一致的，可以认为是确定药物片剂谐振频率的有效方法。

非参数系统估计技术(方法二)比方法一能更好地估计出响应的主要振动分量，而反褶积技术(方法一)能从实验数据中得到更多的共振频率。互相关数据表明，对于不同的片剂，方法1与数值结果的相似性比方法2更明显。

这种空气耦合激励和激光干涉传感的声学技术可以在制药工业的批处理的不同阶段结合起来。当平板电脑在传送带上运输时，安装装置可用于拾取放置机构，而独立式装置可用于平板电脑。

本文最初发表于药物处理；www.pharmpro.com

参考文献

• Ajaz S. Hussain等，序，过程分析技术杂志，Vol.1, no . 3 (2004)

• 李志强，陈志强，药粉压实过程中声发射的研究，粉末技术，28,No.2-3, 296-299(2002年12月18日)

• J. Salonen等，药物粉末在碾压过程中的声学活动监测，国际药学杂志153，第2期，257-261(1997年7月30日)

• C. B. Scruby和L. E. Drain，“激光超声:技术和应用”，Adam Hilger, 1990

• I. Varghese，硕士论文，“药物片剂监测的激光声学技术”，克拉克森大学，2004年

作者信息

I. Varghese, L. Ban, M. D. M. Peri, C. Li, G. Subramanian和C. Cetinkaya，机械和航空工程系，先进材料加工中心，克拉克森大学工程学院，波茨坦，纽约

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