DE102010014008A1

DE102010014008A1 - Vorrichtung zur Isolation von Analyten aus einem Exspirationsvolumen

Info

Publication number: DE102010014008A1
Application number: DE201010014008
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Eichler
Original assignee: FILT LUNGEN- und THORAXDIAGNOSTIK GmbH; FILT LUNGEN und THORAXDIAGNOSTIK GmbH
Current assignee: FILT LUNGEN- und THORAXDIAGNOSTIK GmbH; FILT LUNGEN und THORAXDIAGNOSTIK GmbH
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Isolierung von mindestens im Atemkondensat eines Exhalats enthaltenen Analyten in mindestens einem Strömungskanal (7), der über einen Einlass (7.5) und einen Auslass (7.4) für das Exhalat verfügt, wobei mindestens eine Trägerstruktur (8.3) zum Auffangen und Sammeln des Atemkondensats und/oder mindestens ein Sensor (8.1) zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung mindestens eines im Atemkondensat enthaltenen Analyten mit Elektroden (8.1, 8.2) und mit seiner mindestens einen Trägerstruktur (8.3) zum Auffangen und Sammeln des Atemkondensats im Strömungskanal (7) austauschbar angeordnet sind, di seiner mindestens einen Trägerstruktur (8.3) mindestens zeitweilig fluiddurchlässig sind, so dass sie vom atemkondensathaltigen Exhalat durchströmbar sind, und die Trägerstruktur (8.3) und/oder der Sensor (8) mit seiner mindestens einen Trägerstruktur (8.3) mit ihren jeweiligen umfangsseitigen Gehäusen (8.4) den Querschnitt des Strömungskanals (7) vollflächig ausfüllen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Isolation von Analyten aus einem Exspirationsvolumen, die in Abhängigkeit von den Analyten darüber hinaus auch als Sensor zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung der Analyten im Exspirationsvolumens eingerichtet sein kann, und die als Einzelgerät oder auch z. B. in Verbindung mit einem transportablen Pneumotachographen einsetzbar ist.
Aus der DE 10 2007 012 210 B4 ist ein transportabler Pneumotachograph bekannt, der aufweist einen Prozessor, ein ausatemseitig am Pneumotachographen angebrachtes PEEP-Ventil, einen einatemseitig am Pneumotachographen angebrachten Filter, mindestens einen im oder am Pneumotachographenrohr angebrachten Sensor, wobei bei einem am Pneumotachographenrohr angeordneten Sensor das Pneumotachographenrohr sensorseitig eine Öffnung aufweist und/oder mindestens ein im Pneumotachographenrohr eingerichtetes Mittel zur Probennahme und ferner eine optische und/oder akustische Kontrolle des Exspirationsstroms.
Der eingesetzte Sensor kann ein elektrochemischer Sensor, Chemilumineszenssensor, NO-Sensor, O₂-Sensor, H₂O₂-Sensor, CO₂-Sensor, CO-Sensor, Sensor für Biomarker und/oder eine Kombinationssensorik aus den genannten Sensoren sein.
Mit dem Pneumotachographen können Bestandteile des Exhalats wie NO, Stickstoff, Sauerstoff, freie Radikale, CO, H₂O₂ oder sonstiger Biomarker bestimmt werden.
Der Sensor wird dabei direkt im Pneumotachographenrohr, im Mainstream eingesetzt oder ist über ein steuerbares Ventil, das in einer Öffnung des Pneumotachographenrohres angeordnet ist, zugängig.
Der Nachteil eines solchen Pneumotachographen besteht darin, dass die ermittelbaren Bestandteile jeweils Bestandteil eines Ausatemvolumentstromes sein müssen. Für die Sammlung von Luftproben und/oder Proben sind Sammelbehälter vorgesehen.
Ferner wird gewöhnlich nur ein Sensor eingesetzt. Damit sind die qualitativen und quantitativen Möglichkeiten bei der Analyse der Exspirationsluft begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Messbreite und -tiefe bei der Analyse von Ausatemluft generell und insbesondere mit einem Pneumotachographen der eingangs geschilderten Art zu erhöhen. Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird bei einer Vorrichtung zur Isolierung von im Atemkondensat eines Exspirationsvolumens enthaltenen Analyten in mindestens einem Strömungskanal, der über einen Einlass und einen Auslass für das Exhalat verfügt, vorgeschlagen, dass mindestens eine Trägerstruktur zum Auffangen und Sammeln von Atemkondensat und/oder mindestens einen Sensor mit Elektroden und mit seiner mindestens einen Trägerstruktur zum Auffangen und Sammeln von Atemkondensat und zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung mindestens eines Analyten im Strömungskanal austauschbar angeordnet sind, die Trägerstruktur und/oder der Sensor mit seiner mindestens einen Trägerstruktur mindestens zeitweilig fluiddurchlässig sind, so dass sie vom atemkondensathaltigen Exhalat durchströmbar sind, und die Trägerstruktur und/oder der Sensor mit seiner mindestens einen Trägerstruktur mit ihren jeweiligen umfangsseitigen Gehäusen den Querschnitt des Strömungskanals vollflächig ausfüllen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst somit die Möglichkeiten, sowohl mindestens eine Trägerstruktur zum Auffangen und Sammeln von Atemkondensat einzusetzen, das dann einer Weiterbehandlung zur Analyse von Analyten unterzogen wird, als auch mindestens ein Sensor mit Elektroden und mit seiner mindestens einen Trägerstruktur zum Auffangen und Sammeln von Atemkondensat und zur vorzugsweise sofortigen qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung mindestens eines Analyten.
Da die Trägerstruktur und auch der Sensor mit seiner mindestens einen Trägerstruktur in ein Gehäuse eingefasst sind, kann der Aufbau des Strömungskanals so konzipiert werden, dass die Verwendung sowohl einer Trägerstruktur als auch eines Sensors mit Elektroden und mit seiner mindestens einen Trägerstruktur ohne Änderung der Konstruktion des Strömungskanals möglich ist. Vorgesehen sind auch, mindestens eine Trägerstruktur und ein Sensor mit seiner mindestens einen Trägerstruktur gleichzeitig in der Vorrichtung einzusetzen.
Der Begriff „Analyten” bezeichnet insbesondere Marker und Mediatoren, welche die Zusammensetzung der bronchoalveolären, extrazellulären Schleimhäute und/oder deren Auskleidungsflüssigkeit wiederspiegeln. Diese Substanzen reflektieren Veränderungen durch oxidative Schäden und Entzündungen in der Lunge sowie den Behandlungseffekt, so dass sie daher eine wichtige Rolle bei der Diagnose und Therapie von z. B. Lungenerkrankungen spielen.
Die Begriffe „Exspirationsvolumen” und „Exhalat” bezeichnen das vom Patienten ausgeatmete Atemvolumen, welches zusammengesetzt ist aus einem Gasanteil und einem Aerosol- bzw. Flüssigkeitsanteil, wobei der Aerosol- bzw. Flüssigkeitsanteil das Atemkondensat darstellt. Das Atemkondensat besteht überwiegend aus Wasser, in dem eine Vielzahl chemischer und biochemischer Bestandteile, die sich als Gas im Atemkondensat lösen können, mit dem Wasser verdampfen oder als Aerosol aus dem ”epithelial lining fluid” der Lunge herausgelöst werden und so in das Atemkondensat gelangen. Ein Exspirationsteilvolumen bezeichnet eine Fraktion des Exspirationsvolumens.
Eine Trägerstruktur bezeichnet ein aus einem festen Material gefertigtes Traggerüst, welches Durchlässe, Öffnungen, Poren oder Kanäle aufweist, aufgrund derer das Traggerüst fluiddurchlässig ist, so dass das Exhalat die Trägerstruktur durchströmen kann.
Insofern im Weiteren von einer Trägerstruktur die Rede ist, sind damit auch deren Ausführungsalternativen in Form eines Verbundes von Trägerstrukturen oder einer dreidimensionalen Trägerstruktur bezeichnet.
Mit der Bezeichnung „dreidimensionale Trägerstruktur” ist ein räumliches Traggerüst aus einem festen Material gemeint, welches, zumindest zeitweilig, durchlässig bzw. passierbar für Gase und Flüssigkeiten ist. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es eine offenporige oder von offenen Kanälen durchzogene und damit für Fluide, und somit für das Exhalat, durchströmbare Struktur aufweist. Die dreidimensionale Trägerstruktur hat eine ausgeprägte dreidimensionale Erstreckung im Gegensatz zu flächigen Konstrukten, welche sich im Wesentlichen in zwei Dimensionen erstrecken. Die dreidimensionalen Trägerstrukturen sind insbesondere scheiben- oder plattenförmig.
Ein möglicher Verbund mehrerer Trägerstrukturen meint einen Zusammenschluss von Trägerstrukturen, die unterschiedliche Funktionen oder Aufbauten aufweisen können. Der Zusammenschluss ist insbesondere schichtweise aufgebaut, kann aber auch ein andersartig aufgebauter Zusammenschluss mehrerer, insbesondere unterschiedlicher Trägerstrukturen sein.
Die Komposition aus den Elektroden und der oder den Trägerstrukturen des Sensors ist vorzugsweise als ein Verbund von Elektroden und einer oder mehreren Trägerstrukturen, wobei die Elektroden zumindest einen Teil der Trägerstruktur von zwei Seiten abschließen, aufgebaut.
Vorzugsweise sind bei dem eingesetzten Sensor die Elektroden untereinander beabstandet in oder auf der Trägerstruktur oder eines Verbunds mehrerer Trägerstrukturen eingerichtet und die Komposition aus den Elektroden und der oder den dreidimensionalen Trägerstrukturen ist fluiddurchlässig, so dass das ausgeatmete atemkondensathaltige Exhalat die Komposition durchströmen kann.
Bei den eingesetzten Trägerstrukturen kann die Oberfläche mindestens einer Trägerstruktur mit einer wasserspeichernden Schicht beschichtet sein, so dass das Atemkondensat in der wasserspeichernden Schicht gespeichert wird.
Das grundsätzliche Funktionsprinzip eines in der Vorrichtung einsetzbaren Sensors besteht darin, dass die vollständige Abscheidung des Atemkondensats während der Passage des Exhalats durch den Sensor direkt im Sensor in einer Trägerstruktur erfolgt.
Ein solcher elektrochemische Sensor ist in einer Ausführungsvariante bevorzugt ein Sensor, der in einem Gehäuse eingefasst ist, und über eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung verfügt. Über die Eingangsöffnung strömt das Exhalat in den Sensor ein, passiert die fluiddurchlässigen Elektroden und die Trägerstrukturen, und verlässt downstreamseitig den Sensor durch die Ausgangsöffnung. Der Sensor ist in seinem Aufbau und seiner Fluiddurchlässigkeit derart konzipiert, dass der Ausatemdruck des Patienten ausreicht, das Exhalat durch den Sensor zu drücken.
Während das atemkondensathaltige Exhalat den Sensor durchströmt, wird das Atemkondensat in der Trägerstruktur zurückgehalten und damit aus dem Exhalat abgeschieden. Vorzugsweise erfolgt dies mittels einer wasserspeichernden Schicht, die auf der inneren Oberfläche der Trägerstruktur aufgebracht ist, mit der dem Exhalat das den oder die Analyten enthaltende Atemkondensat entzogen wird und in der wasserspeichernden Schicht gespeichert wird. Die wasserspeichernde Schicht ist derart ausgelegt, dass diese das zur Analyse notwendige Probevolumen des Atemkondensats vollständig aufnehmen kann.
Die Analyse der Analyten mittels eines elektrochemischen Sensors erfolgt vorzugsweise amperometrisch oder potentiometrisch.
Die wasserspeichernde Schicht, die auf der inneren Oberfläche einer Trägerstruktur aufgebracht sein kann, dient der Speicherung des flüssigen Atemkondensats und damit auch der darin enthaltenen Analyten. Die wasserspeichernde Schicht besteht insbesondere aus hygroskopischen oder wasserabsorbierenden Verbindungen, die in der Lage sind, Wasser oder wässrige Medien aus der Umgebung aufzunehmen und zu speichern. Die wasserspeichernde Schicht ist insbesondere dergestalt, dass die im Atemkondensat enthaltenen Analyten in ihrer Reaktivität nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt werden. Bevorzugt werden Stoffe und Verbindungen wie Hydrogele oder Superabsorber auf Basis von natürlichen oder synthetischen Polymere oder Mischungen von derartigen Polymeren.
Insbesondere besteht die wasserspeichernde Schicht aus einem quellendem Hydrogel oder ein quellendem Superabsorber. Die Quelleigenschaften der wasserspeichernden Schicht können genutzt werden, um in indirekter Weise auf das Volumen des in der wasserspeichernden Schicht gespeicherte Probevolumen rückzuschließen. Je stärker die wasserspeichernde Schicht aufquillt, umso mehr Probevolumen hat sie gespeichert.
Durch das Aufquellen der wasserspeichernden Schicht wird die Durchlässigkeit der Trägerstruktur bzw. des Sensors mit seiner Trägerstruktur für das Exhalat über die Zeit vermindert, da der Quellvorgang zu einer Verringerung der Porengröße oder des Querschnitts der kapillaren Gänge in der Trägerstruktur führt. Durch die Verringerung der Porengröße oder des Querschnitts der kapillaren Gänge in der Trägerstruktur kann das Atemkondensat auch kapillar in den Zwischenräumen der Trägerstruktur gebunden werden, so dass die gesamte Trägerstruktur mit Atemkondensat gefüllt sein kann. Die vorgenannten Vorgänge bedingen einen Druckanstieg vor der Trägerstruktur bzw. dem Sensor mit seiner Trägerstruktur bzw. einen Anstieg der Druckdifferenz zwischen dem Druck vor und dem Druck hinter der Trägerstruktur bzw. dem Sensor mit seiner Trägerstruktur, der jeweils messbar ist, und als Indikator für das von der wasserspeichernden Schicht aufgenommene Probevolumen (Atemkondensat) genutzt werden kann.
Die wasserspeichernde Schicht kann zudem selbst mit Substanzen zur Veränderung der Leitfähigkeit des Atemkondensats und/oder mit funktionellen Gruppen zum quantitativen und/oder qualitativen Nachweis des oder der Analyten funktionalisiert oder aktiviert sein.
Ein bevorzugt eingesetzter Sensor ist vorzugsweise derart konzipiert, dass er erst durch die Speicherung des Atemkondensats in der wasserspeichernden Schicht aktiviert wird. Durch die Wasseraufnahme wird dem Nachweissystem dargestellt durch die in und auf der Trägerstruktur aufgebrachten oder eingerichteten biologischen und chemischen Komponenten die Wassermenge hinzugefügt, die notwendig ist, um die für die Nachweisreaktion geforderte Leitfähigkeit und/oder Puffereigenschaften einzustellen und die Reaktivität der biologischen und chemischen Recktanten herzustellen. Vor Einsatz des Sensors ist dieser vorzugsweise trocken.
Die durch die Oberfläche, bestehend aus einem inneren und äußeren Oberflächenanteil, der Trägerstruktur definierte Speicherfläche, die gleichzeitig auch als Kondensationsfläche wirken kann, ist bei einem Sensor mit Trägerstruktur vorzugsweise zwischen den beiden Elektroden eingerichtet.
Das Speichervolumen der eingerahmten Trägerstruktur ist durch die Dicke und den Querschnittsdurchmesser sowie durch die innere und äußere Oberfläche der Trägerstruktur und der Speicherkapazität der wasserspeichernden Schicht definiert.
Die Dicke und der Querschnittsdurchmesser dieser Trägerstruktur werden bei einem Sensor bestimmt durch den notwendigen Elektrodenabstand sowie die Gehäusemaße des Sensors.
Die Ausmaße der inneren Oberfläche hängen jeweils von der gewählten Trägerstruktur ab. Die Speicherkapazität der wasserspeichernden Schicht variiert in Abhängigkeit von den Eigenschaften der verwendeten hygroskopischen oder absorbierenden Verbindungen.
In Passierrichtung des Exhalats durch den Sensor können vor und/oder hinter den Elektroden zusätzlich eine oder mehrere weitere dreidimensionale Trägerstrukturen eingerichtet sein, so dass im Gesamtaufbau dieser Ausführungsform des elektrochemischen Sensors die Elektroden innenliegend, aber beabstandet durch eine zwischen den Elektroden eingerichtete Trägerstruktur eingerichtet sind. Ein derartiger Aufbau wird vorgezogen, wenn das zu speichernde Probevolumen des Atemkondensats über das Speichervolumen der von den Elektroden eingerahmten Trägerstruktur hinausgeht.
In Abhängigkeit vom Analyten kann die Trägerstruktur für die Analyse funktionalisiert sein. Die Funktionalisierung kann darin bestehen, dass mindestens eine dreidimensionale Trägerstruktur mit Substanzen zur Veränderung der Leitfähigkeit des Atemkondensats funktionalisiert oder aktiviert ist. Vorzugsweise ist die Substanz zur Veränderung der Leitfähigkeit des Atemkondensats ein ionenbildendes Salz, vorzugsweise ein Puffer. Die Leitfähigkeit und Pufferaktivität wird durch die Wasseraufnahme der wasserspeichernden Schicht bei der Speicherung des Atemkondensats induziert.
Ebenso können in der gleichen oder einer weiteren Trägerstruktur auf der inneren Oberfläche kovalent gebundene, funktionelle Gruppen zum quantitativen und/oder qualitativen Nachweis des oder der Analyten aufgebracht sein, mit denen der Analyt reagiert und über die Freigabe einer elektroaktiven Substanz ein elektrochemisch messbares Signal erzeugt wird. Insbesondere sind die auf der Oberfläche der Trägerstruktur kovalent gebundenen, funktionellen Gruppen zum quantitativen und/oder qualitativen Nachweis des oder der Analyten biologisch, vorzugsweise enzymatisch oder immunologisch, aktive Rezeptoren in Kombination mit einem elektroaktiven Mediator. Derartige enzymatische oder immunologische Nachweissysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Die dreidimensionale Trägerstruktur kann eine offenporige, offenmaschige und/oder eine offene kapillardurchzogene Trägerstruktur ausgewählt aus der Gruppe „Verbundwerkstoff, Kompositwerkstoff, gesinterter Werkstoff, Filtermaterialien, Kunststoffschäume, metallische, keramische oder organische Schäume, faserhaltige Gewebe wie Vliese, Kugelpackungen” sein, wobei für die Verwendung einer Kugelpackung die Kugeln der Packung aus Glas, Kunststoffen, Keramiken, Glas und/oder festen Gelen gefertigt sein können.
Die dreidimensionale Trägerstruktur kann eine flexible und/oder steife Trägermatrix aufweisen. Beispielhaft seien für eine flexible Trägermatrix ein Vlies und für eine steife Trägermatrix ein durchgehärtetes Kunststoffgerüst, beispielsweise ein Polypropylengerüst, genannt.
In einer besonderen Ausführungsform ist der Verbund mehrerer Trägerstrukturen ein Schichtverbund, ein Faserverbund und/oder ein Durchdringungsverbund. Bei einem Schichtverbund sind die Trägerstrukturen, insbesondere mit voneinander variierenden Eigenschaften und Funktionen, hintereinander gereiht und schließen flächig aneinander. Bei einem Faserverbund sind faserartige Trägerstrukturen mit voneinander variierenden Eigenschaften und Funktionen ineinander verwoben. Beim Durchdringungsverbund bilden Cluster verschiedener Trägerstrukturen den Verbund.
Zur Anordnung der Trägerstruktur und/oder des Sensors mit seiner Trägerstruktur im Strömungskanal, vorzugsweise solche der vorgenannten Art, werden zwei Varianten vorgeschlagen.
Bei einer ersten Ausführung weist der Strömungskanal mindestens in einem Abschnitt einen Doppelmantel auf, wobei der innere Mantel quergeteilt unter Bildung eines Umfangsschlitzes ausgebildet ist. Im Umfangsschlitz stützt sich die Trägerstruktur oder der Sensor mit seiner Trägerstruktur mit ihren umfangseitigen Gehäusen ab, indem das Gehäuse in den Umfangsschlitz eingreift und fixiert wird. Das Fixieren kann zusätzlich durch ein Verschieben des einen inneren Mantelteils in Richtung des anderen erfolgen. Ferner ist bei dieser Ausführung vorgesehen, dass die inneren Mantelteile im Umfangsschlitzbereich über Kontakte verfügen, die bei eingesetztem Sensor mit den Elektroden des Sensors elektrisch leitfähig verbunden sind.
Bei der zweiten Ausführung wird vorgeschlagen, dass der Strömungskanal eine schlitzartige Mantelöffnung aufweist, durch die eine Trägerstruktur oder ein Sensor mit seiner Trägerstruktur von außen in den Strömungskanal hinein- und herausschiebbar oder hinein- und herausschwenkbar sind. Diese Ausführung eröffnet die Möglichkeit, außen am Strömungskanal eine Kassette oder ein Magazin mit Trägerstrukturen und/oder Sensoren mit ihren Trägerstrukturen anzuordnen, derart, dass Trägerstrukturen und/oder Sensoren mit ihrer Trägerstruktur auswählbar und/oder in der Reihenfolge ihrer Anordnung in der Kassette oder im Magazin in die schlitzartige Mantelöffnung des Strömungskanals ein- und ausbringbar sind.
Das kann über eine motorisch angetriebene Wechseleinrichtung erfolgen in analoger Weise wie bei einer allgemein bekannten Diawechseleinrichtung bei Projektoren.
In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass im Strömungskanal im Bereich zwischen dem Einlass in den Strömungskanal und der Trägerstruktur oder dem Sensor mit seiner Trägerstruktur eine Einrichtung zur Kälteinjektion in das Exhalat angeordnet ist. Durch das Einbringen von unterkühltem Gas in das Exhalat wird nahezu der gesamte Feuchtigkeitsanteil des Exhalats auskondensiert und/oder ausgefroren, wodurch die Abscheiderate des Atemkondensats in der Trägerstruktur erhöht wird.
Durch eine insbesondere vor dem Sensor angeordnete oder in den Sensor integrierte fluiddurchlässige Heizeinrichtung, vorzugsweise in der Querschnittsebene des Strömungskanals angeordnet, besteht die Möglichkeit, nach Abschluss des Sammelns von Atemkondensat die notwendige oder optimale Betriebstemperatur des Sensors einzustellen. Alternativ kann diese Heizeinrichtung auch in Form einer Mikrowellenheizung ausgeführt sein.
Durch einen dem Sensor nachgeordneten, vorzugsweise im Querschnitt des Strömungskanals angeordneten, Temperatursensor lässt sich dies kontrollieren und ggf. nachregulieren. Insbesondere ist der Temperatursensor ein IR-Sensor, mit dem berührungslos die Temperatur des Sensors bestimmt werden kann.
Wie eingangs dargelegt, ist die Vorrichtung in einer bevorzugten Anwendung als Anschlussgerät an einen Pneumotachographen vorgesehen. Eine entsprechende Ausgestaltung sieht deshalb vor, dass der Strömungskanal einlassseitig ein oder mehrere Anschlussteile zum Anschluss an den Auslass eines Pneumotachographenrohres aufweist, vorzugsweise an ein dort befindliches Ventil. Dieses Ventil ist bevorzugt mit Anschlüsse zu einem Atemlufteinlass-/-auslasskanal, einem Peep-Ventil, dem Strömungskanal und einem Pneumotachographenrohr ausgebildet. Das Ventil ist vorzugsweise ein Ein- oder Mehrwegeventil, insbesondere ein 3-Wegeventil.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so ergänzend zu einem Pneumotachographen eingesetzt werden oder kann auch dessen Funktion mit erfüllen.
Über das Ventil und einer Kopplung zwischen den Prozessoren des Pneumotachographen und der Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, über die die Vorrichtung und der Pneumotachograph synchronisiert und/oder Messwertsignale aus Messwerteerfassungen des Pneumotachographen zur Regeleung und Steuerung der Vorrichtung genutzt werden können, besteht weiter die Möglichkeit, im Pneumotachographen bestimmte Exspirationsteilvolumina auszuwählen und nur diese in den Strömungskanal der Vorrichtung zu leiten. In diesem Fall ist dann das Ventil nur über ein im Prozessor definiertes oder nach Maßgabe der Messerwerterfassung und Signalabgabe des Pneumotachographen betätigbares. Dies bedeutet, dass das Ventil nur für ein einem definierten Exspirationsteilvolumen entsprechenden Zeitfenster geöffnet wird.
Ebenso besteht die Möglichkeit, das Ventil zu schließen, wenn eine bestimmte Sättigung der Trägerstruktur mit Atemkondensat erreicht ist. Bei einer Form der oben genannten Trägerstrukturen oder Sensoren mit ihrer Trägerstruktur kann dies der Fall sein, wenn die Gasdurchlässigkeit der Trägerstruktur infolge des Aufquellens von Trägerstrukturmaterialien oder der Sättigung der Trägerstruktur mit Atemkondensat sich deutlich reduziert. Diese Vorgänge bedingen einen Druckanstieg vor der Trägerstruktur oder dem Sensor mit seiner Trägerstruktur bzw. einen Anstieg der Druckdifferenz der Drücke vor und nach der Trägerstruktur oder dem Sensor mit seiner Trägerstruktur, der jeweils messbar ist, und als Indikator für das von der wasserspeichernden Schicht aufgenommene Probevolumen des Atemkondensats genutzt werden kann. Zur Ermittlung des Drucks oder der Druckdifferenz können im Strömungskanal ein oder mehrere Drucksensoren eingerichtet sein, die die Druckveränderungen im Strömungskanal signalisieren. Alternativ kann auch der Drucksensor im angeschlossenen Pneumotachographen für die Druckmessung herangezogen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Sensor mit seiner Trägerstruktur ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
1 die Vorrichtung in Kombination mit einem Pneumotachographen und
2 eine Sensoranordnung im Strömungskanal.
1 zeigt den Strömungskanal 7 der Vorrichtung zur Messung von Bestandteilen des Exspirationsvolumens angeordnet am Ausgang eines Pneumotachographenrohres 1. Der Strömungskanal 7 verfügt dafür über ein entsprechendes Anschlussteil 15, vorzugsweise über einen Steck- oder einen Bajonettverschluss. Im Ausgang aus den Pneumotachographenrohr 1 ist ein 3-Wegeventil 5 angeordnet, das über Anschlüsse zum Atemluftkanal 4, Peep-Ventil 2, Strömungskanal 7 und Pneumotachographenrohr 1 verfügt, so dass das Einströmen des Exhalats, vorzugsweise nach Maßgabe eines definierten Exspirationsteilvolumens oder in Abhängigkeit des Atmungszyklus, in den Strömungskanal 7 regel- oder steuerbar ist.
Die engere erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst den Strömungskanal 7 mit dem Sensor 8 mit seiner Trägerstruktur 8.3, nachfolgend in den Ausführungsbeispielen nur noch als Sensor 8 bezeichnet.
Der Sensor 8, der mindestens die Elektroden 8.1, 8.2 und mindestens eine Trägerstruktur 8.3 zum Auffangen und Sammeln von Atemkondensat umfasst, und der zumindest bei Beginn des Exspirationsstromes fluiddurchlässig ist, so dass er vom atemkondensathaltigen Exhalat durchströmbar ist, füllt mit seinem umfangsseitigen Gehäuse 8.4 den Querschnitt des Strömungskanals 7 vollflächig aus und ist austauschbar im Strömungskanal 7 angeordnet.
Die Elektroden 8.1 und 8.2 sind jeweils über Kontakte 9 mit der Auswerteeinrichtung 10 elektrisch leitend verbunden.
Im Strömungskanal 7, im Bereich zwischen dem Einlass in den Strömungskanal 7 und dem Sensor 8, ist bei der dargestellten Ausführung eine Einrichtung zur Kälteinjektion 11 in den Atemstrom angeordnet. Durch das Einbringen von unterkühltem Gas wird der Feuchtigkeitsanteil des Exhalats auskondensiert und/oder ausgefroren, wodurch die Abscheiderate des Atemkondensats erhöht wird.
Vor dem Sensor 8 in Strömungsrichtung ist eine fluiddurchlässige Heizung 12 in der Querschnittsebene des Strömungskanals 7 angeordnet. Mit der Heizung 12 besteht die Möglichkeit, nach Abschluss des Sammelns von Atemkondensat die notwendige oder optimale Betriebstemperatur des Sensors 8 einzustellen. Durch den dem Sensor 8 nachgeordneten Temperatursensor 14, hier ein IR-Temperatursensor, im Strömungskanal 7 lässt sich die Temperatur des Sensors 8 oder der Sammeleinheit bestimmen und über entsprechende Steuer- und Regelbefehle an und durch die Auswerteeinrichtung 10 kontrollieren und nachregulieren.
2 zeigt im Detail eine Anordnung des Sensors 8 im Strömungskanal 7. Auch hier sind die Einrichtung zur Kälteinjektion 11, die Heizung 12 und der Temperatursensor 14 sowie der Drucksensor 16 dargestellt.
Der Sensor 8 weist mindestens die Elektroden 8.1, 8.2 und mindestens eine Trägerstruktur 8.3 zum Auffangen und Sammeln von Atemkondensat auf, wobei der Sensor 8 mindestens zeitweilig fluiddurchlässig ist, so dass er vom atemkondensathaltigen Exhalat durchströmbar ist.
Der Sensor 8 mit seinem umfangsseitigen Gehäuse 8.4 füllt den Querschnitt des Strömungskanals 7 vollflächig aus, wobei der Sensor 8 austauschbar im Strömungskanal 7 angeordnet ist.
Dazu weist der Strömungskanal 7 einen Doppelmantel 7.1, 7.2 auf, wobei der innere Mantel 7.2 quergeteilt unter Bildung eines Umfangsschlitzes 7.3 ausgebildet ist. Im so entstandenen Umfangsschlitz 7.3 stützt sich der Sensor 8 mit seinem umfangseitigen Gehäuse 8.4 ab, indem das Gehäuse in den Umfangsschlitz 7.3 eingreift und fixiert ist.
Der eine Teil des inneren Mantels 7.2.2 ist verschiebbar im äußeren Mantel 7.1 angeordnet, so dass er herausgenommen und der Sensor 8 eingesetzt werden kann. Danach wird das innere Mantelteil 7.2.2 wieder in den äußeren Mantel 7.1 eingeschoben und fixiert so den Sensor 8.
Die inneren Mantelteile 7.2.1, 7.2.2 verfügen im Umfangsschlitzbereich über Kontakte 9, die bei eingesetztem Sensor 8 mit den Elektroden 8.1, 8.2 des Sensors 8 elektrisch leitfähig verbunden sind. Die Kontakte 9 können dabei gleichzeitig als Dichtung dienen, indem sie z. B. als O-Ringe ausgebildet sind.
Die Ansteuerung der einzelnen Bauteile sowie die Auswertung der Messergebnisse erfolgt über die dargestellte Auswerteeinheit 10, die mit den Bauteilen zur Signalübertragung verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Pneumotachographenrohr
2: Peep-Ventil
3: Prozessor
4: Atemluftkanal im Pneumotachographen
5: Ventil
7: Strömungskanal
7.1: Außenmantel
7.2: Innenmantel
7.2.1: erster Abschnitt des Innenmantels
7.2.2: zweiter Abschnitt des Innenmantels
7.3: Schlitz zwischen Abschnitten des Innenmantels
7.4: Auslass Strömungskanal
7.5: Einlass Strömungskanal
8: Sensor
8.1: Elektrode
8.2: Elektrode
8.3: Trägerstruktur
8.4: Gehäuse
9: Kontakte
10: Auswerteeinrichtung
11: Einrichtung zur Kälteinjektion
12: Heizung
13: n. b.
14: Temperatursensor
15: Anschlussteil
16: Drucksensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007012210 B4 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Isolierung von mindestens im Atemkondensat eines Exhalats enthaltenen Analyten in mindestens einem Strömungskanal (7), der über einen Einlass (7.5) und einen Auslass (7.4) für das Exhalat verfügt, wobei mindestens eine Trägerstruktur (8.3) zum Auffangen und Sammeln des Atemkondensats und/oder mindestens ein Sensor (8.1) zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung mindestens eines im Atemkondensat enthaltenen Analyten mit Elektroden (8.1, 8.2) und mit seiner mindestens einen Trägerstruktur (8.3) zum Auffangen und Sammeln des Atemkondensats im Strömungskanal (7) austauschbar angeordnet sind, die Trägerstruktur (8.3) und/oder der Sensor (8) mit seiner mindestens einen Trägerstruktur (8.3) mindestens zeitweilig fluiddurchlässig sind, so dass sie vom atemkondensathaltigen Exhalat durchströmbar sind, und die Trägerstruktur (8.3) und/oder der Sensor (8) mit seiner mindestens einen Trägerstruktur (8.3) mit ihren jeweiligen umfangsseitigen Gehäusen (8.4) den Querschnitt des Strömungskanals (7) vollflächig ausfüllen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Trägerstrukturen (8.3) dreidimensional ausgebildet ist und die Oberfläche mindestens einer dreidimensionalen Trägerstruktur (8.3) mit einer wasserspeichernden Schicht beschichtet ist, wobei das Atemkondensat in der wasserspeichernden Schicht speicherbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dreidimensionale Trägerstruktur (8.3) mit Substanzen zur Veränderung der Leitfähigkeit des Atemkondensats funktionalisiert oder aktiviert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit auf der Oberfläche der Trägerstruktur (8.3) kovalent gebundenen, funktionellen Gruppen zum quantitativen und/oder qualitativen Nachweis des oder der Analyten funktionalisiert oder aktiviert sind, insbesondere die auf der Oberfläche der Trägerstruktur kovalent gebundenen, funktionellen Gruppen zum quantitativen und/oder qualitativen Nachweis des oder der Analyten biologisch, vorzugsweise enzymatisch oder immunologisch, aktive Rezeptoren in Kombination mit einem elektroaktiven Mediator sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale permeable Trägerstruktur (8.3) eine offenporige, offenmaschige und/oder kapillardurchzogene Trägerstruktur ausgewählt aus der Gruppe „Verbundwerkstoff, Kompositwerkstoff, gesinterter Werkstoff, Filtermaterialien, Kunststoffschäume, metallische, keramische oder organische Schäume, faserhaltige Gewebe, Kugelpackungen” ist, wobei die Kugeln der Packung aus Glas, Kunststoffen, Keramiken, Glas und/oder festen Gelen gefertigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (7) mindestens in einem Abschnitt einen Doppelmantel (7.1, 7.2) aufweist, wobei der innere Mantel (7.2) quergeteilt unter Bildung eines Umfangsschlitzes (7.3) ausgebildet ist und im Umfangsschlitz (7.3) die Trägerstruktur (8.3) oder der Sensor (8) mit seiner Trägerstruktur (8.3) sich mit ihren umfangseitigen Gehäusen (8.4) abstützen, indem das jeweilige Gehäuse (8.4) in den Umfangsschlitz (7.3) eingreift und fixiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Mantelteile (7.2.1, 7.2.2) im Umfangsschlitzbereich über Kontakte (9) verfügen, die bei eingesetztem Sensor (8) mit den Elektroden (8.1, 8.2) des Sensors (8) elektrisch leitfähig verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (7) eine schlitzartige Mantelöffnung aufweist, durch die die Trägerstruktur (8.3) und/oder und der Sensor (8) mit seiner Trägerstruktur (8.3) von außen in den Strömungskanal (7) hinein- und herausschiebbar oder hinein- und herausschwenkbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass außen am Strömungskanal (7) eine Kassette oder ein Magazin mit Trägerstrukturen (8.3) und/oder mit Sensoren (8) mit ihren Trägerstrukturen (8.3) angeordnet sind, derart, dass Trägerstrukturen (8.3) und/oder Sensoren (8) mit ihren Trägerstrukturen (8.3) auswählbar oder in der Reihenfolge ihrer Anordnung in der Kassette oder im Magazin in die schlitzartige Mantelöffnung des Strömungskanals (7) ein- und ausbringbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kassette oder das Magazin über eine manuell oder motorisch angetriebene Wechseleinrichtung für Trägerstrukturen (8.3) und/oder Sensoren (8) mit ihren Trägerstrukturen (8.3) verfügt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungskanal (7) im Bereich zwischen dem Einlass (7.5) in den Strömungskanal (7) und der Trägerstruktur (8.3) und/oder dem Sensor (8) mit seiner Trägerstruktur (8.3) eine Einrichtung zur Kälteinjektion (11) in das Exhalat angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Trägerstruktur (8.3) und/oder vor dem Sensor (8) mit seiner Trägerstruktur (8.3) eine fluiddurchlässige Heizeinrichtung (12), vorzugsweise in der Querschnittsebene des Strömungskanals (7), angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstruktur (8.3) und/oder dem Sensor (8) mit seiner Trägerstruktur (8.3) nachgeordnet ein Temperatursensor (14) im Strömungskanal (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (7) einlassseitig ein Anschlussteil (15) zum Anschluss an eine Auslassöffnung eines Pneumotachographenrohres (1) aufweist, vorzugsweise an ein hier angeordnetes Ventil (5).
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (5) ein Ein- oder Mehrwegventil, vorzugsweise ein 3-Wegeventil, ist mit Anschlüssen zum Atemluftkanal. (4), Peep-Ventil (2), Strömungskanal (7) und Pneumotachographenrohr (1), so dass das Einströmen von Exspirationsluft in den Strömungskanal (7) regel- oder steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungskanal (7) mindestens ein Drucksensor (16) angeordnet ist, der einen Druckanstieg infolge einer Reduzierung der Fluiddurchlässigkeit der Trägerstruktur (8.3) und/oder des Sensors (8) mit seiner Trägerstruktur (8.3) signalisiert.