DE102011077772B4

DE102011077772B4 - Verfahren zur Analyse der Ausatemluft

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Publication number: DE102011077772B4
Application number: DE102011077772.5A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Hohlfeld Jens; Dr. Biller Heike; Dipl.-Ing. Lödding Hubert; Wilhelm Dunkhorst; Katharina Schwarz; Wolfgang Koch; Horst Windt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2031-06-18
Also published as: WO2012172011A1; DE102011077772A1

Abstract

Ein Verfahren zur Analyse eines Exhalats, wobei das Exhalat Partikel mit einem minimalen Durchmesser dmin(Exhalat) und einem maximalen Durchmesser dmax(Exhalat) aufweist, umfassend – die Messung oder Bestimmung zumindest einer physikalischen Größe einer definierten ersten Partikelgrößenfraktion P1 des Exhalats, wobei die physikalische Größe ausgewählt wird aus der Partikelanzahlkonzentration C1, dem Partikelanzahlstrom F1, der Partikelanzahl N1, dem Partikelmassenstrom M1, der Partikelmasse G1 oder deren Kombinationen, wobei die erste Partikelgrößenfraktionen P1 durch einen minimalen Durchmesser dmin(P1) und einen maximalen Durchmesser dmax(P1) so definiert wird, dass dmin(P1) > dmin(Exhalat) oder dmax(P1) < dmax(Exhalat); – die Messung oder Bestimmung einer physikalischen Größe für alle Partikel des Exhalats oder für genau eine definierte zweite Partikelgrößenfraktion P2, die durch einen minimalen Durchmesser dmin(P2) und einen maximalen Durchmesser dmax(P2) definiert ist, wobei dmin(P2) ≠ dmin(P1) und/oder dmax(P2) ≠ dmax(P1), wobei die physikalische Größe ausgewählt wird aus der Partikelanzahlkonzentration C2, dem Partikelanzahlstrom F2, der Partikelanzahl N2, dem Partikelmassenstrom M2, der Partikelmasse G2 oder deren Kombinationen; – die Bestimmung zumindest eines Kenngrößenwertes aus einer mathematischen Beziehung, die zumindest eine der physikalischen Größen C1, F1, N1, G1, M1 und zumindest eine der physikalischen Größen C2, F2, N2, G2, M2 umfasst, – die Messung oder Bestimmung mindestens eines Lungenfunktionsparameters und/oder einer atemphysiologischen Größe; und die Bestimmung und/oder graphische Darstellung des Kenngrößenwertes oder der Kenngrößenwerte als Funktion der atemphysiologischen Größe oder des Lungenfunktionsparameters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse der Ausatemluft (Exhalat). Ein solches Verfahren kann z. B. als vorbereitende Maßnahme im Rahmen der frühen, nicht-invasiven Diagnostik von krankhaften Veränderungen der peripheren Bereiche der Lunge (PAD, peripheral airway disease), wie sie z. B. bei obstruktiven Atemwegserkrankungen (Asthma bronchiale, chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) oder bei der Bronchiolitis obliterans bzw. beim Bronchiolitis obliterans-Syndrom im Rahmen der Organabstoßung nach Lungentransplantation auftreten, Anwendung finden.
Krankhafte Veränderungen der Lungenperipherie mit bronchioloalveolärer Flüssigkeitsansammlung und/oder Entzündung treten u. a. auch auf bei Linksherzinsuffizienz, beim Lungenversagen oder als iatrogene Verletzungen der Lunge durch externe Beatmung (VILI, ventilation induced lung injuty). Weiterhin kann das Verfahren als vorbereitende Maßnahme Anwendung finden im Rahmen der Verlaufskontrolle von Lungenerkrankungen sowie für die Wirksamkeitsprüfung und Optimierung von Therapieverfahren für die Behandlung von Lungenerkrankungen bzw. die Prävention von Lungenschädigungen, insbesondere auch im Rahmen einer längerfristigen künstlichen Beatmung.
Durch die stetige Zunahme der Prävalenz von Lungenerkrankungen sind Früherkennung und Verlaufskontrolle zu einem herausragenden Ziel für die pneumologische Diagnostik geworden. Entscheidend hierbei ist eine möglichst spezifische und sensitive Methodik, die auf nicht-invasivem Wege Aussagen über die Lungenerkrankung erlaubt. Die nahe liegende Analytik der Ausatemluft hat in den letzten Jahren zunehmend Bedeutung erlangt. Nachdem vor zehn Jahren die grundsätzliche Messbarkeit nicht-volatiler Moleküle (Proteine, Peptide) in der menschlichen Ausatemluft gezeigt werden konnte, existieren mittlerweile eine Reihe deskriptiver Befunde zu Veränderungen der Konzentration verschiedener inflammatorischer Moleküle im Atemkondensat bei Patienten mit Lungenerkrankungen.
Nichtvolatile Moleküle müssen notwendigerweise über einen Tröpfchenbildungsprozess aus der Lungenflüssigkeit heraus in die Ausatemluft gelangen. Die Eigenschaften der exhalierten Aerosole werden zum einen durch die Eigenschaften der in den unterschiedlichen Lungenkompartimenten entstehenden Tröpfchen bestimmt und zum anderen durch die Redeposition bereits generierter Partikel in den komplexen Lungenstrukturen während des Exhalationsvorgangs. Bei normaler Atmung weist das Partikelgrößenspektrum üblicherweise ein Anzahlmaximum im Partikelgrößenbereich kleiner als 1 μm auf.
Ein Mechanismus der Tropfenentstehung in der Lunge, der bei normaler Atmung der dominante Prozess ist, ist die Wiedereröffnung kollabierter Atemwegskapillaren der Lungenperipherie und die damit verbundene schlagartige Trennung des Epithelflüssigkeitsfilms, der die Atemwege auskleidet. Bei dieser flüssig-flüssig-Trennung entstehen Tröpfchen, die mit der Atemluft nach außen gelangen und detektiert werden können. Der Vorgang ist in 1 dargestellt. Oberflächenspannungsbedingte Instabilitäten (Rayleigh-Plateau-Instabilitäten) der Lungenflüssigkeit können zum Verschluss kleiner Atemwege führen. Flüssigkeitsbrücken bzw. Flüssigkeitspfropfen 3, wie in 1 gezeigt, stellen dabei einen energetisch günstigeren Zustand dar als die glatt mit Lungenflüssigkeitsfilm 2 ausgekleideten Kapillarwände 1. Dieser Zustand ist insbesondere beim Ausatmen realisiert. Beim Inspirationsvorgang steigt der transpulmonale Druck und es kann unter Ausbildung von Tröpfchen 4 zur Wiedereröffnung der beim Exspirationsvorgang verstopften Atemwege kommen.
Dieser Tropfenbildungsprozess ist von den Prozessen, die z. B. bei forcierter Ausatmung oder beim Sprechen, Husten und Niesen wirksam werden, zu unterscheiden. Bei Letzteren entstehen die Tröpfchen v. a. durch das Herausreißen aus dem Surfactantfilm bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und durch die Bewegung der Stimmbänder. Diese Prozesse führen zu größeren, jedoch erheblich weniger Partikeln.
Der ventilierte Lungenbereich, in dem es zum Atemwegsverschluss kommen kann, wird als „Closing Volume” (CV) bezeichnet. Wenn das Lungenvolumen am Ende eines Exspirationsvorgangs (EELV, end expiratiory lung volume) das „Closing Volume” unterschreitet (EELV < CV) kann es zur Realisierung von Atemwegsverschlüssen kommen. Die bei der Wiedereröffnung generierten Partikeln bzw. Flüssigkeitströpfchen werden dann beim nächsten Exhalationsvorgang mit dem Atemstrom nach außen getragen. Durch Variation der Atemtiefe ist die Verschlusswahrscheinlichkeit der peripheren Atemwege und mithin der Partikelstrom beeinflussbar. Dies steht jedoch in unmittelbarer Relation zu den individuell unterschiedlichen Lungenfunktionsparametern, insbesondere der Vitalkapazität und dem Residualvolumen, die in 2 dargestellt sind, welche, wie auch das closing volume für die gesunde Lunge eine Abhängigkeit vom Lebensalter aufweisen.
2 zeigt übliche Lungenfunktionsparameter, die, außer dem Verschlussvolumen CV, mit gebräuchlichen Messverfahren wie Spirometrie oder Bodyplethysmographie bestimmt werden. Bei diesen in 2 gezeigten Lungenfunktionsparametern handelt es sich um die Lungenkapazität TLC (”total lung capacity”), das zur Atmung verfügbare Lungenvolumen VC (”vital capacity”), das nicht ventilierbare Residualvolumen RV (”residual volume”), das Atemzugvolumen in Ruheatmung VT (”tidal volume”), das Lungenvolumen bei Atemruhelage nach normaler Exspiration FRC (”functional residual capacity”), das Verschlussvolumen CV (”closing volume”), das Lungenvolumen am Ende des Exspirationsvorgangs EELV (”end expiratory lung volume”) und das Ausatemvolumen EV (”expired volume”).
Es gibt einen Zusammenhang zwischen dem Verschlussvolumen und Veränderungen der peripheren Atemwege. Über die Messung des Verschlussvolumens eröffnet sich eine Möglichkeit der frühen Diagnostik von Krankheiten der peripheren Atemwege. Weiterhin zeigt sich, dass beim beatmeten Patienten, z. B. während einer Anästhesie, ein durch das Beatmungsmuster erzwungener periodisch wiederkehrender Atemwegsverschluss eine Verletzung der peripheren Atemwege hervorrufen kann.
Das Verschlussvolumen kann über die Gabe und Detektion von Edelgasboli im Rahmen von Lungenfunktionsuntersuchungen gemessen werden.
Die Ereignisse der Wiedereröffnung der Atemwege können aber auch durch die Analyse akustischer Signale detektiert und quantifiziert werden. Sie äußern sich in sog. Knistergeräuschen (crackles). Prinzipiell eignet sich die Analyse der „crackles” für die frühzeitige Erkennung von peripheren Lungenveränderungen.
Für die Detektion von Veränderungen der peripheren Atemwegsdimensionen im Rahmen von Lungenerkrankungen wird das verweilzeitabhängige Sedimentationsverhalten inhalierter monodisperser Partikel bei der Aerosolmorphometrie genutzt. Bei diesem Verfahren inhaliert der Proband unter einem standardisierten Atemmanöver ein monodisperses Testaerosol mit einem Partikeldurchmesser von 1 μm, wobei die Konzentration als Funktion des eingeatmeten Volumens bestimmt wird. Nach einer postinspiratorischen Atempause wird während der folgenden Exhalation die Abnahme der Konzentration über dem ausgeatmeten Volumen bzw. der Lungentiefe bestimmt. Die Wiederfindungsrate der Partikel in Abhängigkeit von der Aufenthaltszeit der Partikel erlaubt den Rückschluss auf den sog. mittleren effektiven Atemwegsdurchmesser in der betrachteten Lungentiefe.
Neben der morphometrischen Untersuchung der Lunge dienen monodisperse Aerosole im Rahmen der sog. Aerosol-Bolus-Dispersion auch dazu, den konvektiven Transport des Atemgases zu analysieren. Über die Verbreiterung (Dispersion) eines inhalierten Bolus eines Testaerosols mit geringer Redepositionsrate ist bei der Exhalation der Rückschluss auf krankhafte Veränderungen der Atemwege, verbunden mit inhomogener Ventilation der Lunge, möglich. Untersuchungen zur Ventilation der Lunge werden über die Gabe und Detektion von Boli inerter Gase durchgeführt. Praktisch sind sowohl die Gasmessungen aufgrund der aufwendigen Detektion als auch die akustischen Messungen und die Aerosoluntersuchung sehr aufwändig.
In der US 2010/0297635 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung des medizinischen Zustands einer Person beschrieben, in dem exhalierte Partikel gesammelt werden, diese exhalierten Partikel hinsichtlich ihrer Masse oder Größe sortiert und anschließend chemisch analysiert werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines nicht invasiven Verfahrens zur Analyse der Atemluft. Bevorzugt sollte das Verfahren einfach durchzuführen sein und als vorbereitende Maßnahme für eine nachfolgende Lungendiagnostik, z. B. eine frühe Diagnostik von krankhaften Veränderungen der peripheren Bereiche der Lunge (PAD, peripheral airway disease) dienen können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Analyse eines Exhalats.
Der Begriff „Exhalat” bezieht sich auf den gesamten exhalierten Volumenstrom und/oder das gesamte exhalierte Volumen und/oder einen Teilvolumenstrom und/oder ein Teilvolumen des ausgeatmeten Atemgases.
Der Begriff ”Partikel” bezieht sich je nach der vorliegenden relativen Feuchte in der Umgebung des Aerosols entweder auf Flüssigkeitströpfchen bzw. bei einer relativen Feuchte deutlich unterhalb 100% auf nach dem Schrumpfen der Tröpfchen vorliegende feste Partikel, bestehend aus den nicht-volatilen Substanzen der Flüssigkeit, die den Respirationstrakt auskleidet, wie sie mit dem Exhalat beim Ausatmen ausgeschieden werden. Aufgrund ihrer Partikelgrößenverteilung weisen diese Partikel einen minimalen Durchmesser d_min(Exhalat) und einen maximalen Durchmesser d_max(Exhalat) auf, die natürlich in Abhängigkeit von der Testperson oder dem Atemmuster bzw. der Atemtiefe oder der Aktivität variieren können. Die Entstehung der Flüssigkeitströpfchen in der Lunge wurde bereits oben unter Bezugnahme auf 1 diskutiert. Typischerweise ist der maximale Durchmesser d_max(Exhalat) ≤ 5 μm bei normaler Atmung, beim Husten, Niesen, Sprechen oder forcierter Ausatmung bis zu d_max(Exhalat) ≤ 1 mm.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass ein Verfahren, in dem man eine geeignete Partikelgrößenfraktion (d. h. eine geeignete Partikelteilmenge aller im Exhalat vorliegenden Partikel) definiert und für diese Partikelgrößenfraktion Anzahlkonzentration, Anzahlstrom, Massenstrom und/oder Partikelanzahl bestimmt, eine effiziente vorbereitende Maßnahme für eine nachfolgende Lungendiagnostik, z. B. eine frühe Diagnostik von krankhaften Veränderungen der peripheren Bereiche der Lunge (PAD, peripheral airway disease) darstellt.
Bevorzugt ist d_min(P1) > d_min(Exhalat) und d_max(P1) ≤ d_max(Exhalat). Alternativ ist es auch möglich, dass d_min(P1) ≥ d_min(Exhalat) und d_max(P1) < d_max(Exhalat)
Bevorzugt werden d_min(P1) und d_max(P1) so gewählt, dass die erste Partikelgrößenfraktion P1 maximal 95%, bevorzugter maximal 90% der Gesamtanzahl der Partikel im Exhalat umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform werden d_min(P1) und d_max(P1) so gewählt, dass die erste Partikelgrößenfraktion P1 10% bis 95%, bevorzugter 70% bis 90% der Gesamtanzahl der Partikel im Exhalat umfasst.
Erfolgt die Bereitstellung des Exhalats durch normale Atmung oder normale Atmung in Kombination mit mindestens einer anderen Aktivität, wie Husten, Niesen Sprechen oder forcierte Ausatmung, wird d_min(P1) bevorzugt auf einen Wert im Bereich von 0,2 μm bis 1,5 μm, bevorzugter im Bereich von 0,3 μm bis 0,6 μm festgelegt.
Erfolgt die Bereitstellung des Exhalats durch Husten, Niesen Sprechen oder forcierte Ausatmung oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Aktivitäten, wird d_min(P1) bevorzugt auf einen Wert im Bereich von 0,2 μm bis 100 μm, bevorzugter im Bereich von 0,3 μm bis 10 μm festgelegt.
Der maximale Partikeldurchmesser d_max(P1) der ersten Partikelgrößenfraktion kann beispielsweise so gewählt werden, dass er d_max(Exhalat) entspricht, d. h. d_max(P1) = d_max(Exhalat).
Wie bereits oben angegeben, ist typischerweise bei normaler Atmung der maximale Durchmesser d_max(Exhalat) ≤ 5 μm, beim Husten, Niesen, Sprechen oder forcierter Ausatmung ist d_max(Exhalat) ≤ 1 mm.
Bei dem Massenstrom M1 der definierten ersten Partikelgrößenfraktion P1 handelt es sich bevorzugt um den Partikelgesamtmassestrom. Für die Messung oder Bestimmung des Massestroms wird also bevorzugt die Gesamtmasse des Partikels berücksichtigt.
Bei der Masse G1 der definierten ersten Partikelgrößenfraktion P1 handelt es sich bevorzugt um die Partikelgesamtmasse. Es wird also bevorzugt die Gesamtmasse des Partikels für die Messung oder Bestimmung der Masse berücksichtigt.
Geeignete Vorrichtungen zur Messung bzw. Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration, des Partikelanzahlstroms, der Partikelanzahl, des Partikelmassenstroms und der Partikelmasse von Aerosolpartikeln sind dem Fachmann bekannt. Die Messung bzw. Bestimmung kann beispielsweise mit einem Kondensationskernzähler oder einem Streulichtzähler oder einem Impaktor oder einem TEOM-Verfahren oder einer Quarzwaage, einer Messvorrichtung zur Partikelgrößenbestimmung, bevorzugt einem optischen Partikelzähler, einem Laufzeitspektrometer (aerodynamischer Partikelklassierer), einem elektrischen Mobilitätsspektrometer, einem Kaskadenimpaktor (Massenbestimmung über Detektion des elektrischen Stromes oder Quarzkristallwaage) oder einer Kombination dieser Vorrichtungen, gegebenenfalls in Kombination mit einem dem Fachmann bekannten Analyseverfahren für die Bestimmung spezifischer Komponenten der Partikel, erfolgen.
Kondensationskernzähler sind dem Fachmann an sich bekannt und sind auch kommerziell erhältlich. Übliche Kondensationskernzähler haben eine Befeuchtungszone, in der sich ein Behälter mit Flüssigkeit befindet, sowie eine Kondensationszone, in der das Partikelwachstum stattfindet, indem der Dampf der Befeuchtungszone auf der Partikeloberfläche kondensiert.
Dieses Messverfahren mit Kondensationskernzähler erlaubt im Gegensatz zu reinen Streulichtpartikelzählern auch die Detektion von Partikeln mit Durchmessern kleiner als 0,1 μm. Partikel kleiner als 0,1 μm werden wegen ihres geringen Streuchlichtsignals mit reinen Streulichtzählern nicht mehr erfasst. Im Kondensationskernzähler lässt man die submikronen Partikel durch Aufkondensieren eines übersättigten Dampfes (Butanol, Isopropanol, Wasser) auf Größen oberhalb von einigen Mikrometern anwachsen. Diese Partikel können dann in einem einfachen Streulichtzähler gezählt werden. Aus der Zählrate, RN, und dem Probenahmevolumenstrom ergibt sich die Konzentration der Partikel im Exhalat. Es ist vorteilhaft, die Atemmanöver so durchzuführen, dass der Atemvolumenstrom immer größer ist als der Probenahmevolumenstrom. Dann ergibt sich die pro Atemzug emittierte Partikelanzahl durch einfaches Aufsummieren aller Zählereignisse während der Exhalationshalbwelle und Multiplikation mit dem Verhältnis aus Atemvolumen und Probenvolumen. Die Steuerung des Messvorgangs, die Aufzeichnung der anfallenden Daten und die notwendigen Berechnungen werden bevorzugt mit einem PC durchgeführt.
Wie oben bereits erwähnt, sind Kondensationskernzähler kommerziell erhältlich. In vielen Geräten ist aber der Probenahmevolumenstrom mit 0,1 l/min so gering, dass bei den insgesamt niedrigen Emissionsraten die statistische Sicherheit für die Erfassung der Zählereignisse negativ beeinflusst werden kann. Weiterhin werden in den Geräten zum Teil gesundheitsschädliche Dämpfe (beispielsweise Butanol) verwendet, die anschließend aufwendig gefiltert werden müssen. Überdies sind kommerzielle Geräte nicht zuletzt wegen ihres hohen technischen Aufwands zur Sättigung des Dampfes und einer anschließenden kontrollierten Abkühlung teuer. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der verwendete Kondensationskernzähler keine Befeuchtungszone (d. h. keinen Behälter mit Flüssigkeit) auf Es ist also bevorzugt, dass die Zunahme der Partikeldurchmesser im Kondensationskernzähler im Wesentlichen, bevorzugter ausschließlich durch Kondensation des Wasserdampfes der Ausatemluft erfolgt. Diese bevorzugte Ausführungsform nutzt also die Wasserdampfkondensation der schon mit Wasserdampf gesättigten Atemluft aus. Ein solcher Kondensationskernzähler ist z. B. in EP 2 248 464 A1 beschrieben.
Bevorzugt ist der Kondensationskernzähler in einer Vorrichtung angebracht, die ein Rohr mit Inhalations- und Exhalationszweig aufweist. Bevorzugt ist im Inhalationszweig des Rohres, bevorzugt auch im Exhalationszweig des Rohres, ein Filter, bevorzugt ein Absolutfilter angebracht. Der Begriff ”Absolutfilter” wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung in seiner üblichen, dem Fachmann gebräuchlichen Bedeutung verwendet und bezieht sich auf einen Filter, der im Wesentlichen alle Partikel, mit einer Effizienz besser als 99,99% abscheidet. Mit einem Absolutfilter kann gewährleistet werden, dass die inhalierte Luft partikelfrei ist und somit die Partikelmessung am Exhalat nicht stört.
Auch Vorrichtungen zur Messung bzw. Bestimmung der Partikeldurchmesser bzw. der Partikelgrößenverteilung von Aerosolpartikeln sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein optischer Partikelzähler verwendet, der die Partikel zählt und größenklassiert. Zusätzlich zu der Bestimmung der Größenverteilung aller im Exhalat befindlichen Partikel im Messbereich des Zählers ermöglicht ein solcher optischer Partikelzähler auch die selektive Detektion einzelner Partikelgrößenfraktionen.
Optische Partikelzähler zählen und klassieren Partikel entsprechend ihrer größenabhängigen Streulichtintensität. Hierfür durchläuft der Aerosolstrom eine Probenkammer, durch die ein leistungsstarker Lichtstrahl projiziert wird. Das von jedem einzelnen Partikel emittierte Streulicht wird über eine Empfangsoptik aufgenommen und für die Größenklasseneinordnung in einen der Größe des detektierten Partikels entsprechenden Spannungsimpuls umgewandelt. Solche Vorrichtungen sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen kann die Messung bzw. Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration C1, des Partikelanzahlstroms F1, der Partikelanzahl N1, des Partikelmassenstroms M1 oder der Partikelmasse G1 der definierten ersten Partikelgrößenfraktionen P1 des Exhalats auch durch einen Streulichtzähler oder ein Laufzeitspektrometer (aerodynamischer Partikelklassierer) oder ein elektrisches Mobilitätsspektrometer erfolgen.
Bei einem Streulichtzähler kann z. B. ein Detektionsbereich über die Intensität des Lichtstrahls der Sendeoptik und die Auswahl des Detektors bzw. seiner Detektionsschwelle festgelegt werden. Dieser Detektionsbereich kann dann so eingestellt werden, dass er mit dem festgelegten minimalen Durchmesser d_min(P1) und/oder festgelegten maximalen Durchmesser d_max(P1) der ersten Partikelgrößenfraktion P1 übereinstimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Messung bzw. Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration C1, des Partikelanzahlstroms F1, der Partikelanzahl N1, des Partikelmassenstroms M1 oder der Partikelmasse G1 der definierten ersten Partikelgrößenfraktionen P1 des Exhalats durch einen Kondensationskernzähler mit einer dem Durchmesser d_min(P1) entsprechenden unteren Detektionsgrenze und/oder einer dem festgelegten maximalen Durchmesser d_max(P1) oberen Detektionsgrenze.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen erfolgt die Messung bzw. Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration C1, des Partikelanzahlstroms F1, der Partikelanzahl N1, des Partikelmassenstroms M1 oder der Partikelmasse G1 der definierten ersten Partikelgrößenfraktionen P1 des Exhalats durch einen Kondensationskernzähler oder einen Streulichtzähler oder ein anderes der oben genannten Messverfahren mit einer unteren Detektionsgrenze, die dem festgelegten Durchmesser d_min(P1) entspricht oder unterhalb liegt, oder mit einer oberen Detektionsgrenze, die dem festgelegten maximalen Durchmesser d_max(P1) entspricht oder oberhalb liegt, wobei die über den minimalen Durchmesser d_min(P1) und/oder den maximalen Durchmesser d_max(P1) definierte erste Partikelgrößenfraktion P1 des Exhalats durch eine geeignete Vorabscheidung oder Fraktionierung des exhalierten Aerosols bereitgestellt wird.
Ein typisches Messbeispiel ist in 3 dargestellt. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Anzahlstroms F1 für unterschiedlich definierte Partikelgrößenfraktionen P1. Zusätzlich zeigt 3 den Gesamtanzahlstrom aller im Exhalat befindlichen Partikel sowie in der oberen Hälfte den Atemfluss, wobei die negative Halbwelle für eine Exhalation (d. h. einen Ausatemvorgang) steht. Die zeitgleiche Messung der Partikelkonzentration bzw. des Partikelanzahlstroms und der Partikelgrößenverteilung, d. h. der Partikelkonzentration oder des Partikelanzahlstroms in einzelnen Größenklassen ermöglicht die Bestimmung des Anzahlstroms und der Größenverteilung der Aerosole im Exhalationszweig der Atmung.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterhin:

– die Messung oder Bestimmung einer physikalischen Größe für alle Partikel des Exhalats oder für genau eine definierte zweite Partikelgrößenfraktion P2, die durch einen minimalen Durchmesser d_min(P2) und einen maximalen Durchmesser d_max(P2) definiert ist, wobei d_min(P2) ≠ d_min(P1) und/oder d_max(P2) ≠ d_max(P1), wobei die physikalische Größe ausgewählt wird aus der Partikelanzahlkonzentration C2, dem Partikelanzahlstrom F2, der Partikelanzahl N2, dem Partikelmassenstrom M2, der Partikelmasse G2 oder deren Kombinationen; und
– die Bestimmung zumindest eines Kenngrößenwertes aus einer mathematischen Beziehung, die zumindest eine der physikalischen Größen C1, F1, N1, M1 oder G1 und zumindest eine der physikalischen Größen C2, F2, N2, M2 oder G2 umfasst.

Bevorzugt handelt es sich bei der physikalischen Größe, die für alle Exhalatpartikel bzw. die definierte zweite Partikelgrößenfraktion P2 bestimmt wird, um die gleiche physikalische Größe, die auch für die definierte erste Partikelgrößenfraktion P1 bestimmt wird.
Wie bereits oben hinsichtlich der Partikelgrößenfraktion P1 angemerkt, handelt es sich bei dem Massenstrom M2 bevorzugt um den Partikelgesamtmassestrom. Es wird also bevorzugt die Gesamtmasse des Partikels für die Messung oder Bestimmung des Massestroms berücksichtigt.
Wie bereits oben hinsichtlich der Partikelgrößenfraktion P1 angemerkt, handelt es sich bei der Masse G2 bevorzugt um die Partikelgesamtmasse. Es wird also bevorzugt die Gesamtmasse eines Partikels berücksichtigt.
Hinsichtlich geeigneter Vorrichtungen und Bedingungen für die Messung bzw. Bestimmung von C2, F2, M2, N2 und/oder G2 kann auf die obigen Ausführungen über die erste Partikelgrößenfraktion P1 verwiesen werden.
Daher kann die Messung bzw. Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration C2, des Partikelanzahlstroms F2, der Partikelanzahl N2, des Partikelmassestroms M2 oder der Partikelmasse G2 beispielsweise mit einem Kondensationskernzähler oder einem Streulichtzähler oder einem Impaktor oder einem TEOM-Verfahren oder einer Quarzwaage, einer Messvorrichtung zur Partikelgrößenbestimmung, bevorzugt einem optischen Partikelzähler, einem Laufzeitspektrometer (aerodynamischer Partikelklassierer), einem elektrischen Mobilitätsspektrometer, einem Kaskadenimpaktor (Massenbestimmung über Detektion des elektrischen Stromes oder Quarzkristallwaage) oder einer Kombination dieser Vorrichtungen, gegebenenfalls in Kombination mit einem dem Fachmann bekannten Analyseverfahren für die Bestimmung spezifischer Komponenten der Partikel, erfolgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Messung bzw. Bestimmung der oben genannten physikalischen Größen auch durch einen Kondensationskernzähler, der die Partikel über einen Streulichtzähler erfasst, in Kombination mit einem weiteren Streulichtzähler erfolgen, wobei der erste Streulichtzähler in einem Bereich angebracht ist, in dem noch kein Größenwachstum der Partikel durch Aufkondensation eines Dampfes stattgefunden hat (z. B. unmittelbar vor dem Kondensationskernzähler oder ganz am Anfang des Kondensationskernzählers) und der zweite dem Kondensationskernzähler zugehörige Streulichtzähler wie allgemein üblich am Ende bzw. nach der Kondensationszone angebracht ist. Haben die Streulichtzähler z. B. ein unteres Detektionslimit von 0.5 μm, so detektiert der erste Streulichtzähler von der Gesamtanzahl der im Exhalat vorliegenden Partikel nur diejenigen mit einem Durchmesser von mindestens 0.5 μm, während der zweite Streulichtzähler auch die feinen Partikel unterhalb von 0.5 μm detektiert, da am Ende bzw. nach der Kondensationszone auch die sehr kleinen Partikel auf einen Durchmesser von mehr als 0.5 μm angewachsen und somit in dem Streulichtzähler detektierbar sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Messung bzw. Bestimmung der oben genannten physikalischen Größen auch durch eine Kombination zweier Streulichtzähler mit unterschiedlicher unterer und/oder oberer Detektionsgrenze erfolgen.
Wie bereits oben angemerkt, kann die Festlegung des Detektionsbereichs eines Streulichtzählers über die Intensität des Lichtstrahls der Sendeoptik und die Auswahl des Detektors bzw. seiner Detektionsschwelle erfolgen.
Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen kann die Messung bzw. Bestimmung der oben genannten physikalischen Größen auch durch jede sonstige Kombination zweier gleicher oder unterschiedlicher Vorrichtungen, der bereits oben zur Messung bzw. Bestimmung der ersten Partikelgrößenfraktion P1 aufgeführten Vorrichtungen erfolgen.
Der Kenngrößenwert wird bestimmt, indem eine mathematische Beziehung aufgestellt wird, die zumindest eine der physikalischen Größen C1, F1, N1, G1, M1 und zumindest eine der physikalischen Größen C2, F2, N2, G2, M2 umfasst. Die für C1, F1, N1, G1 oder M1 bestimmten bzw. gemessenen Werte sowie die für C2, F2, N2, G2 oder M2 bestimmten bzw. gemessenen Werte werden dann in diese mathematische Beziehung eingesetzt und ein Kenngrößenwert wird erhalten. Beispielsweise kann es sich bei dieser mathematischen Beziehung um einen Quotienten aus C1 und C2 bzw. F1 und F2 bzw. N1 und N2 bzw. M1 und M2 bzw. G1 und G2 handeln. Andere mathematische Relationen zur Bestimmung des Kenngrößenwertes sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich (Addition, Subtraktion oder Multiplikation der physikalischen Größen oder entsprechende Kombinationen davon).
Solche Darstellungen finden sich in den 4a–4d und 5.
Die 4a–4d zeigen die ermittelten Kenngrößenwerte als Funktion des bereits ausgeatmeten Volumens im Exhalationsvorgang. Die Kenngrößenwerte wurden aus dem Verhältnis des Anzahlstroms der Partikel mit einem Mindestdurchmesser d_min(P1) von 0.5 μm zu dem Gesamt-Anzahlstrom aller Exhalatpartikel bestimmt. Weiterhin zeigen die Figuren noch den gemessenen Gesamt-Anzahlstrom.
4a (links oben) zeigt den Verlauf der Kenngrößenwerte als Funktion des ausgeatmeten Volumens für einen gesunden Nichtraucher, 4b (rechts oben) für einen gesunden Raucher, 4c (links unten) für einen Probanden mit milder COPD (Stadium I), 4d (rechts unten) für einen Probanden mit schwerer COPD (Stadium III).
5 zeigt die Kenngrößenwerte, welche als Quotient der Gesamtanzahl der Partikel zu der Anzahl der Partikel > 0.5 μm über den gesamten Exhalationsvorgang für verschiedene Probanden bestimmt wurden, als Funktion der Vitalkapazität der Probanden.
Man erkennt, dass sich der Verlauf des Partikelgrößenverhältnisses als Quotient der Anzahl der Partikel > 0.5 μm zu der Gesamtanzahl der Partikel im betrachteten Zeitintervall als Funktion des bereits ausgeatmeten Volumens im Exhalationsvorgang für gesunde Raucher und Personen mit zunehmendem Schweregrad der COPD deutlich verändert, insbesondere zum Ende des Ausatemvorgangs. Ein einfaches Beispiel für die rechnerische Auswertung ist die Bildung des Quotienten der Gesamtanzahl der Partikel zu der Anzahl der Partikel > 0.5 μm über den gesamten Exhalationsvorgang. Möglich wäre aber genauso die Bildung einer Differenz des Partikelgrößenverhältnisses zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. ausgeatmeten Volumen zu Beginn des Exhalationsvorgangs und am Ende des Exhalationsvorgangs.
In 5 zeigen die Kenngrößenwerte Unterschiede für gesunde Nichtraucher und Patienten mit chronisch obstruktiver Atemwegserkrankung und können daher prinzipiell als Biomarker für Veränderungen der Lunge verwendet werden.
6 zeigt die exhalierte Partikelkonzentration und simultan das Partikelgrößenverhältnis im betrachteten Zeitintervall als Funktion des bereits ausgeatmeten Volumens im Exhalationsvorgang für einen Probanden mit mittelschwerer COPD.
Bei der künstlichen Beatmung können die Eigenschaften der endogen generierten Aerosole im Exhalat des Patienten bzw. Änderungen desselben Aussagen über den Belüftungszustand der Lunge und das Auftreten wiederkehrender Atemwegsverschlüsse liefern, und so für die Optimierung der Beatmungsstrategie zur Vermeidung beatmungsinduzierter Lungenschädigungen herangezogen werden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Exhalat durch einen Atemzug oder alternativ durch mehrere Atemzüge bereitgestellt werden. Erfolgt die Bereitstellung des Exhalats durch mehrere Atemzüge, kann es bevorzugt sein, dass mindestens zwei unterschiedliche Atemmuster (unterschiedliche Atemtiefen bzw. Atemflussraten) verwendet werden.
Das Verfahren kann für ein oder mehrere Atemmuster mit einem oder mehreren Atemzügen, optional bei gleichzeitiger Messung bzw. Bestimmung zumindest einer atemphysiologischen Größe und/oder zumindest eines Lungenfunktionsparameters durchgeführt werden.
Bevorzugt erfolgt die Messung bzw. Bestimmung der oben genannten physikalischen Größen während eines Atemzuges mehrmals in definierten zeitlichen Intervallen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst auch die Messung oder Bestimmung zumindest eines Lungenfunktionsparameters und/oder zumindest einer atemphysiologischen Größe, und die Bestimmung und/oder graphische Darstellung des Kenngrößenwertes oder der Kenngrößenwerte als Funktion der atemphysiologischen Größe bzw. Größen oder des Lungenfunktionsparameters bzw. der Lungenfunktionsparameter.
Die Messung oder Bestimmung mindestens eines Lungenfunktionsparameters bzw. einer atemphysiologischen Größe kann z. B. durch Spirometrie und/oder Bodyplethysmographie erfolgen. Bevorzugt wird ein Pneumotachograph oder eine akustische Volumenstrommesseinrichtung, z. B. ein Ultraschallspirometer, verwendet. Diese Messverfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Als geeignete Lungenfunktionsparameter bzw. atemphysiologische Größen können beispielsweise die Lungenkapazität TLC, das zur Atmung verfügbare Lungenvolumen VC, das nicht ventilierbare Residualvolumen RV, das Atemzugvolumen in Ruheatmung VT, das Lungenvolumen bei Atemruhelage nach normaler Exspiration FRC, das Lungenvolumen am Ende des Exspirationsvorgangs EELV, das ausgeatmete Volumen oder die Atemflussrate genannt werden.
In den 4 und 6 erfolgte die Darstellung der Kenngrößenwerte beispielhaft als Funktion des ausgeatmeten Volumens und in 5 als Funktion der Vitalkapazität.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer bevorzugten Ausführungsform auch bei der Analyse von in Aerosolpartikeln des Exhalats vorliegenden, bevorzugt nicht-flüchtigen Substanzen, wie biologischen Molekülen (z. B. Proteinen, DNA/RNA, Viren, Bakterien) oder nicht-biologischen Stoffen (z. B. Metalle, Pharmazeutische Wirkstoffe) Anwendung finden. Für Rückschlüsse auf die Konzentrationen bzw. zur Bestimmung der Konzentration dieser nicht-flüchtigen Substanzen in der Flüssigkeit, die den Respirationstrakt auskleidet, und den Vergleich von Ergebnissen unterschiedlicher Personen ist die Kenntnis des Anzahlstroms und der Partikelgrößenverteilung bzw. des emittierten Aerosolmassenstroms erforderlich. Dieser unterscheidet sich von Mensch zu Mensch in erheblichem Maße. Dabei hat sich herausgestellt, dass es für eine hinreichend genaue Konzentrationsbestimmung der Substanzen in den Aerosolpartikeln bzw. die Normierung der Analysenergebnisse ausreichend ist, die oben genannte physikalische Größen wie z. B. den Partikelanzahlstrom F1 und den Partikelanzahlstrom F2 nur für zwei geeignet definierte Partikelgrößenfraktionen P1 und P2 bzw. für eine definierte Partikelgrößenfraktion P1 und alle Partikel im Exhalat zu bestimmen. Die minimalen Durchmesser d_min(P1) bzw. d_min(P2) und maximalen Durchmesser d_max(P1) und d_max(P2) dieser Partikelgrößenfraktionen werden dabei bevorzugt so definiert, dass der Anteil der größeren Partikel erfasst wird, die den überwiegenden Teil des emittierten Aerosolmassenstroms enthält. Z. B. kann d_min(P1) auf einen Wert im Bereich von 0,2 μm bis 0,6 μm festgelegt werden und der maximale Partikeldurchmesser d_max(P1) kann beispielsweise so gewählt werden, dass er d_max(Exhalat) entspricht, d. h. d_max(P1) = d_max(Exhalat).
Die Ergebnisse einer solchen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den 7a und 7b dargestellt.
In 7a erfolgte für zwei Probanden die Abscheidung der Fraktion der Partikel > 0.2 μm aus dem exhalierten Aerosol für unterschiedliche Sammeldauer (1–5 Minuten) mittels Schlitzimpaktor auf einer Membran unter gleichzeitiger Bestimmung der Partikelanzahl (oberste Reihe: Proband 1; mittlere Reihe: Proband 1 Wiederholung; unterste Reihe: Proband 2). Mit zunehmender Anzahl abgeschiedener Partikel ist ein deutlicher Anstieg der Nachweisintensität zu erkennen und es zeigt sich eine gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse für Probanden 1 bei der Wiederholung der Messung.
7b zeigt die mittels optischer Auswertung bestimmte optische Dichte der einzelnen Proben in Abhängigkeit der zugehörigen abgeschiedenen Partikelanzahl. Es ist ein deutlicher Anstieg der optischen Dichte mit zunehmender Partikelanzahl zu erkennen.
Bevorzugt werden die in dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessenen bzw. bestimmten Werte der Partikelanzahlkonzentration C1, des Partikelanzahlstroms F1, des Partikelmassenstroms M1, der Partikelmasse G1 oder der Partikelanzahl N1 und der Partikelanzahlkonzentration C2, des Partikelanzahlstroms F2, des Partikelmassenstroms M2, der Partikelmasse oder der Partikelanzahl N2 in einem Datenspeicher abgelegt und/oder einer Recheneinheit zur Bestimmung der Kenngrößenwerte zugeführt.
Bevorzugt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein computergestütztes Verfahren unter Verwendung einer Recheneinheit, die programmtechnisch so eingerichtet ist, dass anhand der gemessenen bzw. bestimmten Werte der Partikelanzahlkonzentration C1, des Partikelanzahlstroms F1, des Partikelmassenstroms M1, der Partikelmasse G1 und/oder der Partikelanzahl N1 und gegebenenfalls der Partikelanzahlkonzentration C2, des Partikelanzahlstroms F2, des Partikelmassenstroms M2, der Partikelmasse G2 und/oder der Partikelanzahl N2 die Bestimmung des zumindest einen Kenngrößenwertes erfolgen kann.

Claims

Ein Verfahren zur Analyse eines Exhalats, wobei das Exhalat Partikel mit einem minimalen Durchmesser d_min(Exhalat) und einem maximalen Durchmesser d_max(Exhalat) aufweist, umfassend – die Messung oder Bestimmung zumindest einer physikalischen Größe einer definierten ersten Partikelgrößenfraktion P1 des Exhalats, wobei die physikalische Größe ausgewählt wird aus der Partikelanzahlkonzentration C1, dem Partikelanzahlstrom F1, der Partikelanzahl N1, dem Partikelmassenstrom M1, der Partikelmasse G1 oder deren Kombinationen, wobei die erste Partikelgrößenfraktionen P1 durch einen minimalen Durchmesser d_min(P1) und einen maximalen Durchmesser d_max(P1) so definiert wird, dass d_min(P1) > d_min(Exhalat) oder d_max(P1) < d_max(Exhalat); – die Messung oder Bestimmung einer physikalischen Größe für alle Partikel des Exhalats oder für genau eine definierte zweite Partikelgrößenfraktion P2, die durch einen minimalen Durchmesser d_min(P2) und einen maximalen Durchmesser d_max(P2) definiert ist, wobei d_min(P2) ≠ d_min(P1) und/oder d_max(P2) ≠ d_max(P1), wobei die physikalische Größe ausgewählt wird aus der Partikelanzahlkonzentration C2, dem Partikelanzahlstrom F2, der Partikelanzahl N2, dem Partikelmassenstrom M2, der Partikelmasse G2 oder deren Kombinationen; – die Bestimmung zumindest eines Kenngrößenwertes aus einer mathematischen Beziehung, die zumindest eine der physikalischen Größen C1, F1, N1, G1, M1 und zumindest eine der physikalischen Größen C2, F2, N2, G2, M2 umfasst, – die Messung oder Bestimmung mindestens eines Lungenfunktionsparameters und/oder einer atemphysiologischen Größe; und die Bestimmung und/oder graphische Darstellung des Kenngrößenwertes oder der Kenngrößenwerte als Funktion der atemphysiologischen Größe oder des Lungenfunktionsparameters.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei d_min(P1) > d_min(Exhalat) und d_max(P1) ≤ d_max(Exhalat); oder wobei d_min(P1) ≥ d_min(Exhalat) und d_max(P1) < d_max(Exhalat).
Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei d_min(P1) und d_max(P1) so gewählt werden, dass die definierte erste Partikelgrößenfraktion P1 maximal 95% der Gesamtanzahl der Partikel im Exhalat umfasst.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messung oder Bestimmung der physikalischen Größe durch einen Kondensationskernzähler, einen Streulichtzähler, einen Impaktor, ein TEOM-Verfahren, eine Quarzwaage, eine Messvorrichtung zur Partikelgrößenbestimmung, oder eine Kombination davon erfolgt.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Exhalat durch einen Atemzug bereitgestellt wird; oder alternativ durch mehrere Atemzüge bereitgestellt wird, wobei bevorzugt mindestens zwei unterschiedliche Atemmuster verwendet werden.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messung oder Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration C1, des Partikelanzahlstroms F1, der Partikelanzahl N1, des Partikelmassenstroms M1 oder der Partikelmasse G1 und die Messung oder Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration C2, des Partikelanzahlstroms F2, der Partikelanzahl N2, Partikelmassenstroms M2 oder der Partikelmasse G2 während eines Atemzuges mehrmals in definierten zeitlichen Intervallen erfolgt.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das Verfahren unter Verwendung einer Recheneinheit durchgeführt wird, die programmtechnisch so eingerichtet ist, dass anhand der gemessenen oder bestimmten Werte der Partikelanzahlkonzentration C1, des Partikelanzahlstroms F1, des Partikelmassenstroms M1, der Partikelmasse G1 und/oder der Partikelanzahl N1 und der gemessenen oder bestimmten Werte der Partikelanzahlkonzentration C2, des Partikelanzahlstroms F2, des Partikelmassenstroms M2, der Partikelmasse G2 und/oder der Partikelanzahl N2 die Bestimmung des zumindest einen Kenngrößenwertes erfolgen kann.