DE102009038237A1 - Probenentnahmesystem für ein Gerät zur Atemgasanalyse - Google Patents

Probenentnahmesystem für ein Gerät zur Atemgasanalyse Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Gasanalyten in Atemgas, aufweisend eine Einlassöffnung und ein Leitungssystem, das mit der Einlassöffnung in Fluidverbindung steht, wobei das Leitungssystem eine Verzweigung aufweist, wobei ein erster Leitungszweig zu einer Messkammer mit einem Gassensor führt, wobei die Messkammer eine erste Auslassöffnung aufweist, und ein zweiter Leitungsweg, der zu einer zweiten Auslassöffnung führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Flussweg durch das Leitungssystem umschaltbar ist, so dass eine beliebig wählbare Fraktion des Atemvolumens in den ersten Leitungszweig in die Messkammer geleitet werden kann, während eine weitere Fraktion der Atemluft die Messkammer entweder durch eine die erste Auslassöffnung wieder verlässt oder an der Messkammer vorbei durch den zweiten Leitungszweig zu der zweiten Auslassöffnung geleitet werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Probenentnahmesystem für ein Gerät zur Atemgasanalyse.
  • Geräte zur Atemgasanalyse für medizinische Diagnostik oder Lifestyle-Anwendungen kommen zunehmend auf den Markt. Vor allem die Entwicklung von preisgünstigen, selektiven und hochsensitiven Sensoren ermöglicht künftig die Entwicklung von kleinen, tragbaren und preisgünstigen Geräten.
  • Es gibt eine Vielzahl von Biomarkern, Stoffwechselprodukten und anderen Substanzen, die im Atemgas gemessen werden können, die Auskunft über Entzündungserkrankungen, Krebserkrankungen, Stoffwechselerkrankungen oder Vergiftungserscheinungen des Patienten geben können, siehe z. B. Pleil in J Toxicol Environ Health B Crit Rev. 2008 Oct; 11(8): 613–29. Role of exhaled breath biomarkers in environmental health science oder Buszewski et al, Human exhaled air analytics: biomarkers of diseases, Biomed Chromatogr. 2007 Jun; 21(6): 553–66. Review. Konkret kommt die Atemgasanalyse bereits bei der Diagnose von Vergiftungen, Asthma, Diabetes, Lungenkrebs, entzündlichen Atemwegserkrankungen und Nieren- oder Leberversagen zum Einsatz.
  • Die Analyse des Atemgases kann Aufschluss über viele metabolische Prozesse des menschlichen Körpers geben. So kann z. B. daraus auf den Alkoholgehalt im Blut geschlossen werden, eine Infektion des Magen-Darmtraktes mit Heliobacter Pylori – Bakterien diagnostiziert werden oder aus dem Verlauf des CO2-Gehaltes der Gestationszyklus der Frau abgeleitet werden.
  • Für die Kontrolle der Trainingseffizienz von Sportlern kann die Messung des Aceton-Gehaltes der Atemluft hilfreich sein. Sehr hilfreich ist das Monitoring des NO-Gehaltes der Atemluft zum verbesserten Management von Asthmapatienten.
  • Bei der Atemgasanalyse ist jedoch für die klinische Wertigkeit des Messergebnisses meist entscheidend, dass der richtige Anteil des Atemvolumens gemessen wird. Der erste Anteil der Luft eines Ausatemvorganges kommt aus den oberen Bronchien, der letzte Anteil (”end-expiratorisch”) aus dem Lungenvolumen. So ist es z. B. für die Diagnose der Lungenfunktion von Asthmapatienten entscheidend, nur den end-expiratorischen Anteil zu messen.
  • Für ein optimiertes Messgerät zur Atemgasanalyse ist daher eine Vorrichtung und ein Verfahren notwendig, der den Atemluft Fluss des Patienten durch das Messgerät so steuert, dass tatsächlich der klinische entscheidende Anteil des Atemvolumens über den Messsensor geleitet wird, und dabei gleichzeitig der Patient einen möglichst natürlichen Atemvorgang vollziehen kann. Ein unnatürlicher Atemvorgang (z. B. gegen einen zu hohen Luftwiderstand oder eine abrupte Beendigung der Ausatmung durch den Ventilverschluss) sind sowohl für den Patienten im Gebrauch des Gerätes lästig, als auch das erwünschte Messergebnis dadurch verfälscht werden kann. Die technische Lösung hierfür hängt entscheidend davon ab, ob der Gassensor im kontinuierlichen Gasfluss arbeiten muss, oder im stehenden Volumen einer geschlossenen Kammer.
  • Bestehende Systeme zur NO-Analyse des Atemgases messen auf Grund des verbreitet eingesetzten Sensorprinzips im kontinuierlichen Fluss. Die Führung des Gasflusses, die in diesen Geräten verwendet wird, ist für die Messung in einer abgeschlossenen Messkammer wenig geeignet.
  • Hier wird eine optimierte Lösung für eine Messung in einer abgeschlossenen Messkammer vorgeschlagen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Fluss- und Ventilsystem, das einen definierten, optimalen Anteil der Ausatemluft (z. B. end-expiratorisches Atemvolumen für NO-Messung) in einer geschlossenen Messkammer einfangen kann, ohne den natürlichen Ausatemvorgang des Patienten zu beeinträchtigen.
  • Erfindungsgemäß ist das Flusssystems des Atemgas-Analysegerätes mit einem Leitungssystem mit mindestens zwei Leitungszweigen vorgesehen, wobei der erste Leitungszweig zur Messkammer hindurch führt, und der zweite Leitungszweig an der Messkammer vorbei zu einer Auslassöffnung führt. Der Flussweg durch das Leitungssystem ist – z. B. durch Ventile – umschaltbar, so dass eine beliebig wählbare Fraktion des Atemvolumens über den Gassensor geleitet oder in der Messkammer eingeschlossen werden kann, während der andere Anteil der Atemluft die Messkammer entweder durch eine Auslassöffnung wieder verlässt, oder an der Messkammer vorbei zu einer zweiten Auslassöffnung geleitet wird.
  • Bevorzugt ist im ersten und/oder zweiten Leitungszweig, vorzugsweise an der jeweiligen Auslassöffnung, eine Einrichtung zur Begrenzung der Strömung vorgesehen.
  • Hierbei wird beispielsweise die Messung mit einem Sensor in einem mit abgeschlossenen Gasvolumen durchgeführt. Das wird dadurch erreicht, dass gemäß einer Ausführungsform an der Auslassöffnung an der Messkammer eine Einrichtung zur Begrenzung der Strömung vorgesehen ist. Diese kann als Ventil oder als eine Diffusions- und Konvektionssperre vorgesehen sein, z. B. in Form eines ausreichend langen und dünnen Rohrs, oder einer gasdurchlässigen Membran (z. B. aus Teflon). Das Ventil ermöglicht selektiv eine Verhinderung der Strömung.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Sensor vorgesehen, der das Volumen und/oder die Strömungsrate des in die Vorrichtung einströmenden Atemgases messen kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Steuerung vorgesehen, die nach Ablauf einer wählbaren Zeitdauer oder nach Einströmen eines wählbaren Gasvolumens oder bei Erreichen einer wählbaren Strömungsrate des Atemgases die Strömungsrichtung selektiv von einem Leitungszweig auf einen anderen Leitungszweig umschalten kann. Dies kann z. B. durch entsprechende Ventile (z. B. ein Dreiwege-Ventil, dass vom ersten auf den zweiten Leitungszweig oder umgekehrt umschalten kann). Das Schließen und Öffnen der Ventile erfolgt entweder zeitgesteuert, wobei ein Druck- oder Fluss-Sensor den Beginn des Ausatemvorgangs registriert, zu einem wählbaren, voreingestellten Zeitpunkt nach diesem Startzeitpunkt (typisch nach 6 sec). Alternativ erfolgt die Ventilsteuerung durch einen Flusssensor, wobei die Ventilsteuerung wählbar bei einem voreingestellten Gasfluss bzw. einer abgeatmeten Gasmenge der Atemluft die Strömungsrichtung des Gases von einem Leitungszweig auf einen anderen Leitungszweig umleitet (z. B. wenn 50 ml/sec erreicht wird oder 1,5 l ausgeatmet wurden)
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt das Umschalten der Strömungsrichtung bereits durch das Verschließen der ersten Auslassöffnung hinter der Messkammer, wobei weiteres Atemgas dann automatisch durch den zweiten Leitungszweig weiterströmt. Bevorzugt wird gleichzeitig mit dem Verschließen der ersten Auslassöffnung an der Messkammer eine zweite Auslassöffnung, die im zweiten Leitungszweig vorgesehen ist, geöffnet. Dabei kann die Steuerung so vorgenommen werden, dass der Patient ständig gegen denselben Luftwiderstand ausatmet. Der Patient kann also den Ausatemvorgang komplett und unbeeinträchtigt ausführen.
  • Optional wird das Signal des Druck- und/oder Flusssensors zur Ventilsteuerung des Gerätes gleichzeitig dazu verwendet, um die Flusskurve des Ausatemvorgangs aufzuzeichnen und somit auf kostengünstige Weise die Funktion eines Spirometers in das Gasanalysegerät zu integrieren.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird iIm abgeschalteten Betrieb das Ventilsystem so gesteuert, dass der Gassensor von der Umgebungsluft isoliert ist. Das erzeugt einerseits den Vorteil, dass sich der Sensor nicht vorab auf einen Wert einstellt, der von Umgebungsluft erzeugt wird, zum anderen kann man dadurch den Gassensor vor korrosiven oder vergiftenden Umgebungseinflüssen schützen.
  • Ferner ist bevorzugt eine Gaskonditionierungsvorrichtung vorgesehen, die bei der Messung störende Anteile des Atemgases binden oder umwandeln kann (z. B. Feuchtigkeit), oder einen nachzuweisenden Analyten in einen nachweisbaren Analyten überführen kann (z. B. Oxidation des im Atemgas nachzuweisenden Stickstoffmonoxids zu dem einfacher nachweisbaren Stickstoffdioxid). Dazu kann z. B. die abzuschließende Messkammer so ausgeführt werden, dass im abgeschlossenen Zustand in einer ersten Phase Gase entfernt werden, die die Messung der Zielgröße stören, das sind z. B. metabolische Beiprodukte, Alkohol oder zu hohe Gasfeuchtigkeit, und dann in der zweiten Phase des Messsegmentes die eigentliche Messung der Zielgröße erfolgt, die dann nicht mehr durch die vorher entfernten Gase gestört werden kann. Auszuführen ist dies z. B. durch eine Beschichtung der Messkammer mit einem entsprechenden Adsorbenz, oder durch ein katalytische Beschichtung, die die Störgase zu die Messung nicht störenden Gasen umwandeln (z. B. durch Oxidation), z. B. eine Dispersionschicht eines Edelmetallkatalysators.
  • Die Gaskonditionierungseinrichtung kann in der Messkammer vorgesehen sein oder auch als separate Einheit. Die separate Einheit bietet den Vorteil, dass sie einfach ausgetauscht werden kann, z. B. bei Verbrauch eins Absorbermaterials.
  • Gemäß Ausführungsform der Erfindung, ist in der Messkammer ein Adsorbenz als Gaskonditionierungseinrichtung vorgesehen, welches eventuell von der Umgebung eindringende Gase aufnimmt, also Z. B. ein Aktivkohlefilter, um langfristig im ausgeschalteten Zustand das Vorliegen sauberer Luft in der Messkammer zu gewährleisten.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist eine Kalibriergaseinrichtung zum Beaufschlagen der Messkammer mit mindestens einem Kalibriergas vorgesehen.
  • Es kann ferner eine Einrichtung zur Gasspülung der Messkammer vorgesehen sein. Sie kann z. B. als Gebläse oder Pumpe ausgeführt sein, das die Messkammer nach einer durchgeführten Messung durch Spülung mit einer neutralen Gasmischung wieder in einen definierten ”reinen” Zustand versetzt. Dies kann Umgebungsluft sein, ein Referenzgas definierter Zusammensetzung, oder besonders reine Luft (sogenannte ”Nullluft”) ohne bzw. mit einem sehr geringen Gehalt eines zu messenden Gasanalyten (wie NO oder NO2).
  • Der Gassensor kann bevorzugt ein FET-Sensor, insbesondere NO2-sensitiver FET-Sensor, IR-Sensor, oder Metalloxidsensor sein.
  • Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Temperiereinrichtung zur Temperierung der Messkammer auf. Dadurch kann der Sensor in seinem jeweiligen Temperaturoptimum betreiben werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Messkammer durch Ventile geschlossen werden, so dass der Messvorgang stationär stattfinden kann.
  • Die Erfindung wird nunmehr erläutert anhand der Figuren, welche zeigen:
  • 1: eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
  • 2: eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 3: noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt:
    Eine Vorrichtung (1) zur Messung eines Gasanalyten in Atemgas, welche eine Einlassöffnung und ein Leitungssystem (3, 5, 7) das mit der Einlassöffnung in Fluidverbindung (3) steht, wobei das Leitungssystem eine Verzweigung aufweist, wobei ein erster Leitungszweig (5) zu einer Messkammer (11) mit einem Gassensor (13) führt, wobei die Messkammer eine erste Auslassöffnung aufweist, welche durch ein Ventil (19) geöffnet werden kann, und ein zweiter Leitungszweig (7), der zu einer zweiten Auslassöffnung mit einem Ventil (17) führt, Der Flussweg durch das Leitungssystem ist umschaltbar, so dass eine beliebig wählbare Fraktion des Atemvolumens in den ersten Leitungszweig (5) in die Messkammer (11) geleitet werden kann, während eine weitere Fraktion der Atemluft die Messkammer entweder durch eine die erste Auslassöffnung (19) wieder verlässt oder an der Messkammer vorbei durch den zweiten Leitungszweig (7) zu der zweiten Auslassöffnung (17) geleitet werden kann. Vor der Messkammer ist ein Einlassventil 15 vorgesehen.
  • In der Ausführungsform gemäß 2 ist das Einlassventil 15 als Einwegventil ausgestaltet, so dass ein Benutzer einmal in die Vorrichtung ausgeatmete Luft nicht mehr ansaugen und wieder einatmen kann. Die Auslassventile (17, 19) sind elektrisch gesteuert (27, 29). Die Steuerung kann zu einem vorbestimmten Zeitpunkt den Flussweg des Atemgases aus umleiten, in dem das Auslassventil (19) im ersten Leitungszweig (5) geschlossen wird und das Auslassventil (17) im zweiten Leitungszweig (7) geöffnet wird. Dieser Zeitpunkt kann nach einer vorwählbaren Zeitdauer erreicht sein, z. B. nach 2, 4, 6, oder 10 Sekunden, oder an einem andern geeigneten Zeitpunkt. Das Umschalten kann alternativ auch nach Erreichen eines bestimmten eingeströmten Atemgasvolumens (z. B. 1,5 l) oder nach Erreichen einer bestimmten Strömungsrate (z. B. 50 ml/s) erfolgen. Dazu ist z. B. hinter der Einlassöffnung ein Flusssensor vorgesehen. Auf diese weise kann die Erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Spirometer genutzt werden.
  • In der Ausführungsform gemäß 3 ist zusätzlich ein Vorventil (21) vorgesehen. Ferner ist eine Einrichtung zur Gasspülung der Messkammer vorgesehen, die über ein Filter (23) und ein Gebläse (25) Umgebungsluft in die Messkammer (11) leiten kann. Dabei sind Ventile (17) und (21) geschlossen, Ventile (15) und (19) sind geöffnet. In der Messkammer (11) verbleibende Atemluft kann nach dem Messvorgang ausgespült werden, und für den Gassensor (13) kann die Nulllinie neu eingestellt werden.
  • Alternativ kann auch eine Kalibriergaseinrichtung vorgesehen sein, z. B. in Form eines Gaszylinders mit einem Kalibriergas, das als Nullluft dient, oder eine definierte Konzentration des zu messenden Analyten aufweist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform können weitere Leitungszweige mit weiteren Gassensoren vorgesehen sein. Auf diese weise können in einem Gerät unterschiedliche Gasanalyten gemessen werden, wobei jedem Gassensor eine bestimmte Atemgasfraktion zugewiesen werden kann.
  • Wesentliche Vorteile des Gesamtsystems liegen darin, dass eine nicht invasive Messmethode verwendet wird. Die Messungen sind in großer Anzahl wiederholbar und können somit auch zur Verlaufskontrolle bei Therapien, bei der Diagnose unterschiedlicher Krankheiten etc. genutzt werden. Das hier vorgestellte System ist deshalb auch für den Einsatz außerhalb von Kliniken und Arztpraxen geeignet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Pleil in J Toxicol Environ Health B Crit Rev. 2008 Oct; 11(8): 613–29 [0003]
    • Role of exhaled breath biomarkers in environmental health science oder Buszewski et al, Human exhaled air analytics: biomarkers of diseases, Biomed Chromatogr. 2007 Jun; 21(6): 553–66. Review [0003]

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur Messung eines Gasanalyten in Atemgas, aufweisend eine Einlassöffnung und ein Leitungssystem das mit der Einlassöffnung in Fluidverbindung steht, wobei das Leitungssystem eine Verzweigung aufweist, wobei ein erster Leitungszweig zu einer Messkammer mit einem Gassensor führt, wobei die Messkammer eine erste Auslassöffnung aufweist, und wobei ein zweiter Leitungszweig zu einer zweiten Auslassöffnung führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Flussweg durch das Leitungssystem umschaltbar ist, so dass eine beliebig wählbare Fraktion des Atemvolumens in den ersten Leitungszweig in die Messkammer geleitet werden kann, während eine weitere Fraktion der Atemluft die Messkammer entweder durch die erste Auslassöffnung wieder verlässt oder an der Messkammer vorbei durch den zweiten Leitungszweig zu der zweiten Auslassöffnung geleitet werden kann.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei im ersten und/oder zweiten Leitungszweig, vorzugsweise an der jeweiligen Auslassöffnung, eine Einrichtung zur Begrenzung der Strömung vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend einen Flusssensor, der das Volumen und/oder die Strömungsrate des in die Vorrichtung einströmenden Atemgases messen kann.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Steuerung, die nach Ablauf einer wählbaren Zeitdauer oder nach Einströmen eines wählbaren Gasvolumens oder bei Erreichen einer wählbaren Strömungsrate des Atemgases die Strömungsrichtung selektiv von einem Leitungszweig auf einen anderen Leitungszweig umschalten kann.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens eine Gaskonditionierungseinrichtung.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Einrichtung zur Gasspülung der Messkammer.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Partikelfilter.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Einwegventil, so dass ein Benutzer einmal in die Vorrichtung ausgeatmete Luft nicht mehr ansaugen und wieder einatmen kann.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Gasanalyt Stickstoffmonoxid ist und die Einrichtung zur Gaskonditionierung eine Einrichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gassensor ausgewählt ist aus der Gruppe gassensitiver FET-Sensor, insbesondere NO2-sensitiver FET-Sensor, IR-Sensor, Metalloxidsensor.
  11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Kalibriergaseinrichtung zum Beaufschlagen der Messkammer mit mindestens einem Kalibriergas.
  12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Temperiereinrichtung zur Temperierung der Messkammer.
  13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messkammer durch Ventile geschlossen werden kann, so dass der Messvorgang stationär stattfinden kann.
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