DE102004044656A1

DE102004044656A1 - Verfahren und Anordnung zum Messen der Partikelproduktion der menschlichen Lunge

Info

Publication number: DE102004044656A1
Application number: DE102004044656A
Authority: DE
Inventors: Sascha Roeder; Peter Dr. Brand; Knut Sommerer; Oliver Pechtold
Original assignee: Inamed GmbH
Current assignee: Vectura GmbH
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2005-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen der Partikelproduktion der menschlichen Lunge durch Ermitteln der Anzahl exhalierter Partikel, Ermitteln des Exhalationsvolumens während der Ermittlung der Partikelzahl und Ermitteln der Partikelkonzentration aus der Partikelzahl und dem Exhalationsvolumen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen und insbesondere Quantifizieren der Partikelproduktion der menschlichen Lunge.

Die von der menschlichen Lunge emittierten Bioaerosole enthalten potentiell infektiöses Material und spielen deshalb bei der Verbreitung von Infektionskrankheiten, wie beispielsweise Tuberkulose, SARS etc. eine bedeutende Rolle. So ist es beispielsweise bekannt, daß Atmen, Niesen und Husten zur Übertragung verschiedener Krankheitserreger führen kann: Masern, Grippe (E. C. Riley, G. Murphy, R: L. Reily, Am. J. Epidemio. 107, 42 (1978) und V. Frankova, Acta Virol. 19, 35 (1975)), Windpocken (J. M. Leclair, J. A. Zair, M. J. Lenin, R. G. Congdon, D. A. Goldman, N. Engl. J. Med. 302, 450 (1980), Anthrax, Tuberkulose (K. Fennelly, Am. J. Respir. Crit. Care. Med. 169, 604 (2004)) und viele andere. Will man das mit den emittierten Bioaerosolen verbundene Risiko oder den Effekt von Wirkstoffen, die einen Einfluß auf die Partikelproduktion der Lunge haben, untersuchen oder Therapieverläufe dokumentieren, ist es deshalb erwünscht, die Partikelproduktion der menschlichen Lunge während der Atmung zu messen und insbesondere zu quantifizieren.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen und insbesondere Quantifizieren der Partikelproduktion der menschlichen Lunge bereitzustellen. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren und einer Anordnung gemäß den Patentansprüchen gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Schritte auf: (a) Ermitteln der Anzahl exhalierter Partikel; (b) Ermitteln des Exhalationsvolumens während der Ermittlung der Partikelzahl; und (c) Ermitteln der Partikelkonzentration aus der Partikelzahl und dem Exhalationsvolumen.

Somit wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen und insbesondere Quantifizieren der Partikelproduktion der menschlichen Lunge zunächst die Anzahl exhalierter Partikel ermittelt. Die Anzahl exhalierter Partikel hängt jedoch vom Exhalationsvolumen ab, so daß während der Ermittlung der Partikelzahl auch das Exhalationsvolumen ermittelt wird. Mit anderen Worten, das Exhalationsvolumen wird während der Zählung der exhalierten Partikel ermittelt. Aus diesen beiden ermittelten Werten "Anzahl exhalierter Partikel" und "Exhalationsvolumen" wird abschließend die Partikelkonzentration ermittelt.

Vorzugsweise wird zur Ermittlung der Anzahl exhalierter Partikel ein optisches Verfahren eingesetzt.

Zur Ermittlung des Exhalationsvolumens wird vorzugsweise zunächst der Exhalationsfluß gemessen. Aus dem gemessenen Exhalationsfluß weiter bevorzugt durch Integration das Exhalationsvolumen errechnet.

Bei einem weiter bevorzugten Verfahren wird die inhalierte Luft gefiltert. Diese Filterung der inhalierten Luft gilt der Reinigung der Lunge von Umweltaerosolen. Dadurch wird sichergestellt, daß die in der exhalierten Luft enthaltenen Partikel lediglich solche Partikel sind, die von der Lunge selbst emittiert werden und nicht mit eingearbeiteten Partikeln der Umwelt vermischt sind.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird vor dem eigentlichen Start der Messung die Anzahl exhalierer Partikel wiederholt ermittelt. Dadurch wird vor Beginn der Messung die Lunge von Umweltteilchen gereinigt ("wash out"). Dazu atmet die zu untersuchende Person in Ruheatmung ein und aus. Über eine Probenahmeleitung wird ein Teil der ausgeatmeten Luft von einem Partikelzähler anvisiert. Dies ermöglicht beispielsweise, den Reinigungsvorgang der Lunge online zu überwachen. Nach vorzugsweise ca. zwei Minuten Reinigung der Lunge wird dann die eigentliche Messung gestartet und die Anzahl gezählter exhalierter Partikel zusammen mit dem Exhalationsfluß aufgezeichnet. Vorzugsweise wird dabei die Anzahl exhalierter Partikel vor dem eigentlichen Start der Messung so lange wiederholt ermittelt, bis sich eine im wesentlichen konstante Partikelanzahl einstellt. Dadurch wird sichergestellt, daß sich in der Lunge keine Umweltteilchen mehr befinden.

Ferner bevorzugt ist die Befeuchtung der Inhalationsluft.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Warnsignal ausgegeben, sobald der Exhalationsfluß einen oberen Schwellwert übersteigt. Dies stellt sicher, daß Exhalationsfluß den Probenaufnahmefluß des verwendeten Partikelzählers nicht übersteigt, so daß die ermittelte Partikelzahl tatsächlich dem insgesamt exhalierten Volumen zugeordnet werden kann. Vorzugsweise wird dazu ein optisches Signal verwendet, das vor einem zu großen Exhalationsfluß warnt.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist auf: eine erste Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der Anzahl exhalierter Partikel, eine zweite Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln des Exhalationsvolumens während der Ermittlung der Partikelzahl, sowie eine mit der ersten und zweiten Ermittlungseinrichtung verbundenen dritten Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der Partikelkonzentration aus der Partikelzahl und dem Exhalationsvolumen.

Vorzugsweise ist die erste Ermittlungseinrichtung ein optischer Partikelzähler.

Die zweite Ermittlungseinrichtung mißt vorzugsweise den Exhalationsfluß, aus dem weiter bevorzugt durch Integration das Exhalationsvolumen durch die dritte Ermittlungseinrichtung errechnet wird. Vorzugsweise ist die zweite Ermittlungseinrichtung ein Pneumotachograph.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist ferner einen Filter zum Filtern der Inhalationsluft auf. Als weiter bevorzugtes Merkmal weist die erfindungsgemäße Anordnung einen Luftbefeuchter zum Befeuchten der Inhalationsluft auf.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist ferner vorzugsweise mit einer Warneinrichtung zum Ausgeben eines Warnsignals, wenn der Exhalationsfluß einen oberen Schwellwert übersteigt, ausgestattet.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist ferner vorzugsweise eine Steuereinrichtung auf, die die Ermittlung der Partikelkonzentration erst freigibt, wenn sich nach mehreren Inhalations- und Exhalationsvorgängen eine im wesentlichen konstante Partikelzahl eingestellt hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung sind mit dem Vorteil verbunden, daß feine Aerosolpartikel (> 0,1 μm) bei der Atmung mit unterschiedlichsten Atemmanövern nachgewiesen werden können und ihre Konzentration in der ausgeatmeten Luft quantifiziert werden kann. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung der Einfluß von Medikamenten auf die Exhalatbildung in der Lunge während der Atmung bestimmt werden. Dies gilt für alle Applikationsformen der Medikamentengabe, insbesondere aber für die inhalative Medikamentengabe (beispielsweise die Inhalation von Aerosolen). Ferner erlaubt die vorliegende Erfindung das Messen der Unterschiede bei verschiedenen Atemmanövern, wie normale Ruheatmung, forcierte Inhalation bzw. Exhalation oder Schlucken, Husten, Hechelatmung, Niesen etc. Ferner erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung das Ermitteln eventueller Unterschiede der Exhalatbildung bei verschiedenen Krankheiten und Krankheitsverläufen mit und ohne Medikamentengabe, bei viralen Infektionen, wie Tuberkulose, SARS, Influenza, Erkältung, oder Verläufe von Lungenerkrankungen, wie zystische Fibrose, Bronchitis, Asthma, Emphysem, α1-Antitrypsinmangel etc.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügte Figur näher erläutert. Die Figur zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zum Messen und Quantifizieren der Partikelproduktion der menschlichen Lunge.
Die erfindungsgemäße Anordnung 1 weist in der in der Figur gezeigten bevorzugten Ausführungsform einen optischen Partikelzähler 10 als erste Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der Anzahl exhalierter Partikel auf. Da die Konzentration der ermittelten Partikel üblicherweise gering ist, wird vorzugsweise ein Reihenraumüberwachungsgerät, wie beispielsweise der Climet Ultimate 100, verwendet.
Als zweite Ermittlungseinrichtung 11 weist die erfindungsgemäße Anordnung in der bevorzugten Ausführungsform gemäß der beigefügten Figur einen Pneumotachographen auf (beispielsweise Pneumotachograph Fleisch Typ 1 mit Differenzdruckwandler). Der Pneumotachograph mißt den Inhalationsfluß während der Zählung der exhalierten Partikel. Dazu ist er mittels einer Verbindungsleitung 16 mit dem Einatmungs-/Ausatmungskanal 15 verbunden (dieser Kanal 15 weist ein Mundstück 13 auf). Sowohl die erste Ermittlungseinrichtung 10 als auch die zweite Ermittlungseinrichtung 11 sind über eine entsprechende Leitung mit der dritten Ermittlungseinrichtung 12 verbunden. Der vom Pneumotachograph 11 gemessene Inhalationsfluß bzw. das diesen darstellende Ausgangssignal wird beispielsweise über einen A/D-Wandler an einen PC übertragen und wird dort durch Integration in das exhalierte Volumen umgerechnet. Somit ist es möglich, in der dritten Ermittlungseinrichtung 12 die Partikelkonzentration (Partikelzahl/exhaliertes Volumen) im Exhalat zu berechnen.
Ferner weist die erfindungsgemäße Anordnung vorzugsweise ein Filter 14 auf, der eine hohe Filterleistung bis in den Nanometer-Bereich, bei gleichzeitigem möglichst niedrigem Strömungswiderstand aufweist (beispielsweise Delbag Copulair Luftfilter Typ: CKL).
Vorzugsweise wird vor Beginn der Messung in der erfindungsgemäßen Anordnung die Lunge von Umweltteilchen gereinigt. Dazu atmet der zu untersuchende Patient in Ruheatmung am Mundstück 13 der Anordnung 1. Ein Teil der ausgeatmeten Luft wird vom Partikelträger 10 analysiert. Nach vorzugsweise ca. zwei Minuten Reinigung der Lunge wird der eigentliche Meßvorgang gestartet und Partikelzählung und Atemfluß werden aufgezeichnet. Sobald der Exhalationsfluß den Probenahmefluß des Partikelzählers übersteigt (üblicherweise ca. 500 cm³/s), wird von der dritten Ermittlungseinrichtung 12 ein Warnsignal ausgegeben.

Claims

Verfahren zum Messen der Partikelproduktion der menschlichen Lunge mit den Schritten: a) Ermitteln der Anzahl exhalierter Partikel; b) Ermitteln des Exhalationsvolumens während der Ermittlung der Partikelzahl; und c) Ermitteln der Partikelkonzentration aus der Partikelzahl und dem Exhalationsvolumen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt a) die Zahl der Partikel mittels eines optischen Verfahrens gezählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Schritt b) der Exhalationsfluss zum Ermitteln des Exhalationsvolumens gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Exhalationsvolumen durch Integration des Exhalationsflusses ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit dem Schritt des Filterns der Inhalationsluft.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner mit dem Schritt des wiederholten Ermittelns der Anzahl exhalierter Partikel vor Schritt a).
Verfahren nach Anspruch 6, die Ermittlung der Anzahl exhalierter Partikel vor Schritt a) solange wiederholt wird, bis sich eine im wesentlichen konstante Anzahl einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner mit dem Schritt des Befeuchtens der Inhalationsluft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner dem Schritt Augeben eines Warnsignals, wenn der Exhalationsfluss einen oberen Schwellwert übersteigt.
Anordnung (1) zum Messen der Partikelproduktion der menschlichen Lunge mit einer ersten Ermittlungseinrichtung (10) zum Ermitteln der Anzahl exhalierter Partikel, einer zweiten Ermittlungseinrichtung (11) zum Ermitteln des Exhalationsvolumens während der Ermittlung der Partikelzahl; und einer mit der ersten und zweiten Ermittlungseinrichtung verbundenen dritten Ermittlungseinrichtung (12) zum Ermitteln der Partikelkonzentration aus der Partikelzahl und dem Exhalationsvolumen.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei die erste Ermittlungseinrichtung (10) ein optischer Partikelzähler ist.
Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die zweite Ermittlungseinrichtung (11) den Exhalationsfluss misst.
Anordnung nach Anspruch 10, 11, oder 12, wobei die zweite Ermittlungseinrichtung (11) ein Pneumotachograph ist.
Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die dritte Ermittlungseinrichtung (12) das Exhalationsvolumen durch Integration des gemessenen Exhalationsflusses errechnet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner mit einem Filter (14) zum Filtern der Inhalationsluft.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, ferner mit einem Befeuchter für die Inhalationsluft.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, ferner mit einer Warneinrichtung zum Ausgeben eines Warnsignals wenn der Exhalationsfluss einen oberen Schwellwert übersteigt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, ferner mit einer Steuereinrichtung, die die Ermittlung der Partikelkonzentration erst freigibt, wenn sich nach mehreren Inhalations- und Exhalationsvorgängen eine im wesentlichen konstante Partikelzahl eingestellt hat.