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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten mittels des Systems. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, um das System mittels des Verfahrens zu betreiben.
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Stand der Technik
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Die in der von einem Menschen ausgeatmeten Luft enthaltenen Aerosole aus dem Epithelflüssigkeitsfilm, der die Lunge auskleidet, sind Träger charakteristischer Stoffe. Sie werden bei jedem Ausatemvorgang als Tröpfchen mit einem Durchmesser im Bereich von 200 bis 1000 nm abgeatmet. Die Kenntnis der qualitativen und quantitativen Zusammensetzung von nicht volatilen Molekülen wie z. B. Proteinen oder Stoffwechselproduktenliefert ein spezifisches Bild über den Zustand der Lunge bezüglich des extrazellulären Mediums und dessen Zusammensetzung. Dadurch können eine metabolische Dysbalance und auch krankhafte Veränderungen, wie beispielsweise Lungenkrebs, gemessen werden.
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Es sind Geräte zur Gewinnung flüssiger Proben aus der Atemluft bekannt, die als Kühlfallen arbeiten und Atemkondensat durch Abkühlen der ausgeatmeten Luft erzeugen. Die gewonnenen Proben enthalten durch die Verdünnung aufgrund der hohen Luftfeuchte des Atems eine sehr geringe Konzentration an Biomarkern, was die Analyse des gewonnenen Konzentrats erschwert.
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Außerdem sind die erhaltenen Ergebnisse schlecht vergleichbar, da keine Steuerung der Atmung während der Probengewinnung erfolgt.
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Ein System zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten (exhaled breath aerosoles and condensates; EBAC) wird in der
WO 2007/087625 A2 beschrieben. Dieses sammelt EBAC in einem gekühlten konisch zulaufenden Kondensationselement. Auch dieses System ermöglicht jedoch keine reproduzierbare standardisierte Probengewinnung, die eine gute Vergleichbarkeit zwischen mehreren Proben gewährleistet.
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Offenbarung der Erfindung
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Das System zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten weist ein Mundstück und eine Atemluftleitung auf. In der Atemluftleitung sind mindestens eine Sammeleinheit für Atemluftaerosole und Atemluftkondensate und mindestens eine Pumpe angeordnet. Die Pumpe ermöglicht eine reproduzierbare standardisierbare Probengewinnung, indem der Ausatemvorgang eines Nutzers in die Sammeleinheit geregelt wird. Hierzu kann der Atemwiderstand beim Ausatemvorgang durch Unterstützung mittels der Pumpe gesenkt und auf einen vorgegebenen Fluss bzw. Bereich eines Flusses eingeregelt werden.
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Ein Drucksensor ist an der Atemluftleitung zwischen einschließlich dem Mundstück und einschließlich der Sammeleinheit angeordnet. Ein elektronisches Steuergerät ist eingerichtet, um die Pumpe in Abhängigkeit von Sensordaten des Drucksensors zu steuern oder zu regeln. Mittels einer gemessenen Druckänderung kann der Beginn eines Ausatemmanövers des Nutzers erkannt werden und die Pumpe daraufhin gestartet werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein Durchflussmesser in der Atemluftleitung angeordnet ist, vorzugsweise zwischen der Sammeleinheit und der Pumpe. Dieser ermöglicht es, die Geschwindigkeit der Ausatmung, welche durch den Luftmassenstrom oder den Luftvolumenstrom repräsentiert wird, zu erfassen und ebenfalls zu regeln. Der Durchflussmesser ermöglicht eine Normalisierung des Atemmanövers durch Berechnung des gesamten ausgeatmeten Volumens.
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Hierzu ist es besonders bevorzugt, dass ein elektronisches Steuergerät eingerichtet ist, um die Pumpe in Abhängigkeit von Sensordaten des Durchflussmessers zu steuern oder zu regeln.
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Das Mundstück und die Sammeleinheit sind vorzugsweise in abnehmbaren Einwegelementen des Systems angeordnet. Indem für jede Probennahme neue Einwegelemente in das System eingesetzt werden, kann eine Querkontamination von Proben untereinander vermieden werden. Weitere Komponenten des Systems wie beispielsweise die Pumpe müssen hingegen nicht für jede Probennahme ausgetauscht werden.
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Zum Sammeln der Atemluftaerosole und Atemluftkondensate ist es bevorzugt, dass die Sammeleinheit einen Fliehkraftabscheider und ein Sammelgefäß aufweist. Ein Fliehkraftabscheider, der auch als Zyklon oder Zyklonabscheider bezeichnet wird, trennt die Atemluftaerosole und Atemluftkondensate mittels Zentrifugalkräften aus dem Atemluftstrom ab. Die Zentrifugalkräfte entstehen durch die Erzeugung einer Wirbelströmung. Ein solcher Fliehkraftabscheider ermöglicht eine effizientere Gewinnung der Atemluftaerosole und Atemluftkondensate als eine Kühlfalle. Hierzu sind eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, ein geringer Krümmungsradius und angepasster Einlasswinkel erforderlich. Die Strömungsgeschwindigkeit kann mittels der Pumpe auf einen für die Abscheidung optimalen Wert eingestellt werden. Der Fliehkraftabscheider kondensiert nicht lediglich durch Absenkung der Temperatur die Feuchtigkeit aus der Atemluft, sondern fängt durch seinen Aufbau und seine Strömungsführung gezielt die kleinen aus der Lunge stammenden Aerosole. Dies ermöglicht es, die Konzentration der Biomarker an der gesammelten flüssigen Atemprobe zu erhöhen. Für die Verwendung in einem kompakten System ist insbesondere die Ausführung des Fliehkraftabscheiders als Tangentialzyklonabscheider bevorzugt.
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Das Sammelgefäß dient dazu, die im Fliehkraftabscheider abgeschiedenen Atemluftaerosole und Atemluftkondensate aufzunehmen. Es weist vorzugsweise an seiner Innenoberfläche keine reaktiven Gruppen auf, die mit Biomolekülen reagieren.
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Vorzugsweise ist eine Kühlvorrichtung eingerichtet, um den Fliehkraftabscheider und das Sammelgefäß zu kühlen. Diese kann aus einem das Sammelgefäß umgebenden passiven Kühlblock als thermisches Bad und einem aktiven Kühlelement sowie einer Methode zur Wäremeabfuhr bestehen. Das aktive Kühlelement kann beispielsweise als ein oder mehrere Peltierelemente ausgeführt sein. Der Kühlblock kann aus einem Material mit hoher Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit z.B. Aluminium ausgeführt sein. Ein Temperatursensor ist so angeordnet, dass er die Temperatur im Kühlblock misst. Ein elektronisches Steuergerät ist eingerichtet, um die Kühlvorrichtung in Abhängigkeit von Sensordaten des Temperatursensors so zu regeln, dass ein erneutes Verdunsten gefangener Aerosole verhindert wird. Indem die Kühlung erst am gewünschten Ort der Probensammlung erfolgt, wird verhindert, dass Probenverluste durch Kondensation zwischen dem Mundstück und der Sammeleinheit erfolgen. Es kann in einer Ausführungsform des Systems sogar vorgesehen sein, die Atemluftleitung zwischen dem Mundstück und der Sammeleinheit zu temperieren, um den Probenverlust zu minimieren.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass eine Oberfläche der Atemluftleitung zwischen dem Mundstück und der Sammeleinheit und eine Oberfläche des Fliehkraftabscheiders jeweils eine hydrophobe Oberflächenbeschichtung aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Teflonbeschichtung handeln. Diese Beschichtung verhindert ein Anhaften von Aerosolen in der Atemluftleitung und im Fliehkraftabscheider und minimiert somit ebenfalls den Probenverlust stromaufwärts des Sammelgefäßes. Außerdem ist sie Proteinase-frei, so dass es an den Oberflächen zu keinem enzymatischbedingten Proteinabbau kommen kann.
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Im Sammelgefäß kann eine Pufferlösung oder Puffer als Feststoff vorgelegt werden, um einen Proteinabbau in der gewonnenen Probe mangels physiologischer Bedingungen zu vermeiden.
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In der Atemluftleitung kann stromabwärts der Sammeleinheit eine Entfeuchtungseinheit angeordnet sein, um Kondensation von Restfeuchte stromabwärts der Sammeleinheit zum Schutz der Bauteile sowie zum Schutz vor Kontamination zu vermeiden.
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In dem Verfahren zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten mittels des Systems wird die Pumpe auf Basis von Sensordaten des Drucksensors angesteuert. Insbesondere wird sie eingeschaltet, wenn ein Druck zwischen dem Mundstück und der Sammeleinheit in der Atemluftleitung gemessen wird, der einen ersten Schwellenwert überschreitet. Der erste Schwellenwert kann so gewählt werden, dass die Pumpe eingeschaltet wird, wenn aus einem Druckanstieg in der Atemluftleitung auf ein Ausatemmanöver eines Nutzers geschlossen werden kann. Wenn der Druck einen zweiten Schwellenwert unterschreitet, wird die Pumpe ausgeschaltet. Der zweite Schwellenwert kann so gewählt werden, dass das Ausschalten der Pumpe erfolgt, wenn erkannt wird, dass der Ausatemvorgang des Nutzers endet.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die eingeschaltete Pumpe so geregelt, dass in der Atemluftleitung ein vorgegebener Luftmassenstrom oder Luftvolumenstrom vorliegt. Der vorgegebene Luftvolumenstrom liegt vorzugsweise in einem Bereich von 3 bis 18 slm (Standard Liter pro Minute). Dieser kann aus Sensordaten des Durchflussmessers ermittelt werden. Versucht der Nutzer stärker auszuatmen, reduziert sich die Pumpleistung entsprechend. Verringert sich die Ausatemleistung des Nutzers, beispielsweise gegen Ende des Ausatemvorgangs, so erhöht sich die Pumpleistung, um den Luftmassenstrom oder Luftvolumenstrom konstant zu halten. Hierdurch kann ein standardisierter Ausatemvorgang erreicht werden, der zu einer standardisierten Probennahme führt. Zudem ist es auf diese Weise möglich, den Fliehkraftabscheider in seinem optimalen Arbeitspunkt zu halten.
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In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird die eingeschaltete Pumpe so geregelt, dass in der Atemluftleitung ein vorgegebener Druck vorliegt. Versucht der Benutzer stärker auszuatmen, wodurch ein höherer Druck am Mundstück entsteht, so erhöht die Pumpe ihren Durchsatz. Sinkt der Druck, so wird auch die Pumpleistung entsprechend reduziert. Diese Ausführungsform des Verfahrens führt zu einem Atemprofil, das sehr stark dem freien Ausatmen ähnelt. Es wird also keine standardisierte Probennahme ermöglicht. Diese Ausführungsform des Verfahrens stellt eine Komfortfunktion für Nutzer dar, für die der Luftmassenstrom geregelte oder Luftvolumenstrom geregelte Ausatemvorgang aus physiologischen oder gesundheitlichen Gründen nicht in Frage kommt.
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Es ist bevorzugt, dass die Leistung der Pumpe nach ihrem Einschalten über einen vorgebbaren ersten Zeitraum auf einen Wert erhöht wird, bei dem der vorgegebene Luftmassenstrom oder der vorgegebene Luftvolumenstrom oder der vorgegebene Druck in der Atemluftleitung vorliegt. Es erfolgt also kein schlagartiges Zuschalten der Pumpleistung. Beim Abschalten der Pumpe wird ihre Leistung vorzugsweise über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum auf Null abgesenkt. Sie wird also auch nicht schlagartig abgeschaltet. Der vorgegebene Zeitraum des Hochfahrens und Herunterfahrens der Pumpe erhöht den Komfort für den Nutzer.
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Wenn ein integrierter Luftmassenstrom oder Luftvolumenstrom durch die Atemluftleitung einen dritten Schwellenwert erreicht, wird das Sammeln der Atemluftaerosole und Atemluftkondensate vorzugsweise beendet. Auf diese Weise kann die Probennahme auf ein vorgegebenes Atemvolumen oder eine vorgegebene Luftmasse normiert werden. Der dritte Schwellenwert liegt vorzugsweise bei einem Luftvolumenstrom im Bereich von 10 bis 100 sl (Standard Liter).
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Während des Sammelns der Atemluftaerosole und Atemluftkondensate werden vorzugsweise ein Druck und zusätzlich entweder ein Luftmassenstrom oder ein Luftvolumenstrom in der Atemluftleitung erfasst. Aus diesen Werten kann ein Atemmuster charakterisiert werden. Hierdurch kann zusätzlich zur Probensammlung auch noch eine Aussage über das Atemverhalten des Nutzers getroffen werden. Aufgrund des Atemmusters kann auch ein Vorschlag ausgegeben werden, von einer Standardisierungsfunktion des Systems auf die Komfortfunktion umzuschalten. Hierzu kann ein manueller Schalter vorgesehen sein. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass aufgrund des Atemmusters automatisch ausgewählt wird, ob das Verfahren in der Standardisierungsfunktion oder in einer Komfortfunktion durchgeführt werden soll.
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Das elektronische Steuergerät ist eingerichtet, um die Pumpe des Systems mittels des Verfahrens zu steuern und/oder zu regeln.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch das Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten eines Nutzers mittels eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Systems zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Um Atemluftaerosole und Atemluftkondensate eines Nutzers P zu sammeln, ist in einem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass dieser durch ein System 1 zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten ausatmet. Ein Einatmen über das System kann wahlweise über einen zweiten Luftpfad erfolgen. Wie in 2 dargestellt ist, weist dieses System 1 eine Atemluftleitung 11 auf, die sich teilweise durch ein Einwegteil 12 des Systems erstreckt und die sich im übrigen System 1 fortsetzt. In dem Einwegteil 12 beginnt die Atemluftleitung 11 an einem Mundstück 121. Ein Speichelfänger 122 ist in der Atemluftleitung 11 zwischen dem Mundstück 121 und einer Sammeleinheit 123 angeordnet, die sich ebenfalls in dem Einwegteil 12 befindet. Er verhindert, dass Speichel in die Sammeleinheit 123 gelangt. Die Sammeleinheit 123 ist als Fliehkraftabscheider 1231 in Form eines Tangentialzyklonabscheiders ausgeführt, der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an seiner Unterseite ein Sammelgefäß 1232 aufweist. Dieses kann mit einer physiologischen Pufferlösung gefüllt sein oder kann Puffersalze als Feststoff vorgelegt enthalten. Die Pufferlösung enthält Salze zur Einstellung der lonenstärke und des pH-Werts .Darüber hinaus können Hemmstoffe für Proteasen vorgelagert sein. In einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Sammelgefäß auch den Zyklonkörper des Tangentialzyklonabscheiders darstellen. Der Fliehkraftabscheider 1231 und der Bereich der Atemluftleitung 11 zwischen der Sammeleinheit 123 und dem Mundstück 121 können an ihrer Innenseite eine hydrophobe Beschichtung aufweisen. Zwischen dem Mundstück 121 und dem Speichelfänger 122 verzweigt sich die Atemluftleitung 11 optional zu einem Rückschlagventil 124, hinter dem ein Lufteinlass 125 angeordnet ist. Das Rückschlagventil 124 ist so ausgeführt, dass es ein Einatmen des Nutzers P durch das System 1 in der Weise ermöglicht, dass Luft durch die Einlassöffnung 125 und die Atemluftleitung 11 in das Mundstück 121 strömt. Beim Ausatmen des Nutzers P schließt das Rückschlagventil 124, so dass die ausgeatmete Luft in die Sammeleinheit 123 strömt. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Elemente 124 und 125 auch entfallen, wenn der Mund des Nutzers P das Mundstück 121 zum Einatmen verlässt. Stromabwärts der Sammeleinheit 123 ist im Einwegteil 12 eine Entfeuchtungseinheit 126 vorgesehen.
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Stromabwärts des Einwegteils 12 sind in der Atemluftleitung 11 nacheinander ein, ein Durchflussmesser 13, ein Lufttank 14, eine Pumpe 15 und ein Luftauslass 16 angeordnet. Beim Ausatmen des Nutzers P werden in der Sammeleinheit 123 Atemluftaerosole und Atemluftkondensate aus dem ausgeatmeten Luftstrom abgetrennt. Dieser passiert dann die Entfeuchtungseinheit 126 und den Durchflussmesser 13, mit dem der Luftvolumenstrom oder der Luftmassenstrom gemessen werden kann. Er passiert weiterhin den Lufttank 14 und die Pumpe 15 und verlässt das System 1 durch den Luftauslass 16. Der Lufttank 14 erhöht das in der Atemluftleitung 11 enthaltene Luftvolumen, so dass sprunghafte Druckänderungen in der Atemluftleitung 11 beim Erhöhen oder Absenken der Leistung der Pumpe 15 vermieden werden und dient weiterhin zur Dämpfung der Pulsation der Pumpe 15.
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Ein elektronisches Steuergerät 17 liest die Sensoren aus, steuert bzw. regelt die Pumpe und verarbeitet Nutzereingaben. Es kann beispielhaft eine Hauptplatine 171 mit einem Mikrocontroller 172 und einen TEC-Controller 173 (TEC = Thermoelectrical Cooler) aufweisen. Das elektronische Steuergerät 17 kann an eine externe Energiequelle 2 angeschlossen werden, welche das elektronische Steuergerät 17 und die weiteren Komponenten des Systems 1 mit elektrischer Energie versorgt. Weiterhin ein Benutzerinterface 3 wie zum Beispiel ein Touchscreen an das elektronische Steuergerät 17 angeschlossen werden, um von Sensoren des Systems 1 gesammelte Daten anzuzeigen und Benutzereingaben an das elektronische Steuergerät weiterzuleiten. Die Sensoren umfassen neben dem Durchflussmesser 13 einen Drucksensor 18, der außerhalb des Einwegteils 12 so an der Atemluftleitung 11 angeordnet ist, dass er den Druck zwischen dem Mundstück 121 und der Sammeleinheit 123 im Einwegteil 12 messen kann. Der TEC-Controller 173 regelt ein Peltierelement 191 in einer Kühleinheit 19. Wenn das Einwegteil 12 in das System 1 eingesetzt ist, ist die Sammeleinheit 123 in der Kühleinheit 19 angeordnet. In 2 sind die Kühleinheit 19 und die Sammeleinheit 123 der Übersichtlichkeit halber getrennt dargestellt. Die Kühleinheit 19 weist weiterhin einen Temperatursensor 192 auf, der mit dem TEC-Controller 173 verbunden ist. Mittels der Funktion des Peltierelements 191 als elektrothermischem Wandler und der Überwachung der Temperatur in der Sammeleinheit 123 mittels des Temperatursensors 192 kann der TEC-Controller 173 die Temperatur der Kühleinheit 19 regeln. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich zur Überwachung der Temperatur an der Außenseite der Peltierelemente ein weiterer nicht dargestellter Temperatursensor, der eine Überhitzung oder Fehlfunktion erkennt und vermeidet.
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In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Probennahme mittels des Systems 1 in einer Standardisierungsfunktion. Wenn sich das Rückschlagventil 124 geschlossen hat, wird ein Beginn eines Ausatemmanövers des Nutzers P erkannt, sobald der mittels des Drucksensors 18 gemessene Druck einen ersten Schwellenwert von beispielsweise 300 Pascal überschreitet. Über einen ersten Zeitraum von 0,2 s wird die Pumpe 15 eingeschaltet und ihre Leistung auf einen Wert hochgefahren, bei dem ein mittels des Durchflussmessers 13 gemessener Luftvolumenstrom in der Atemluftleitung 11 einen Wert von beispielsweise 10 slm erreicht wird. Dieser Luftvolumenstrom ist optimal für den Betrieb des Fliehkraftabscheiders 1231. Er ermöglicht außerdem eine standardisierte Probennahme, bei der Aerosole im Fliehkraftabscheider 1231 abgeschieden und im Sammelgefäß 1232 gesammelt werden. Um den Luftvolumenstrom konstant zu halten, wird die Leistung der Pumpe 15 verringert, wenn der Nutzer P stärker ausatmet und erhöht, wenn sich die Ausatemleistung des Nutzers P verringert. Wenn der nach der Zeit integrierte Luftvolumenstrom einen Wert von beispielsweise 40 sl erreicht, wird die Leistung der Pumpe 15 über einen zweiten Zeitraum von 0,5 s auf Null abgesenkt und die Probennahme auf diese Weise beendet. Durch Entnehmen des Einwegteils 12 aus dem System 1 ist nun ein Zugriff auf die Probe im Sammelgefäß 1232 möglich. Für die nächste Probennahme wird dann ein neues Einwegteil 12 in das System 1 eingesetzt.
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Während der Probennahme werden kontinuierlich mittels des Durchflussmessers 13 der Luftvolumenstrom in der Atemluftleitung 11 und mittels des Drucksensors 18 kontinuierlich der Druck zwischen dem Mundstück 121 und der Sammeleinheit 123 gemessen. Aus diesen Werten wird im elektronischen Steuergerät 17 ein Atemmuster des Nutzers P ermittelt. Dieses kann mittels des Benutzerinterfaces 3 ausgelesen und/oder an einen PC übertragen werden.
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Aus dem Atemprofil kann sich die Information ergeben, dass die Probennahme in einer Komfortfunktion wiederholt werden sollte, weil der Nutzer P die Probennahme in der Standardisierungsfunktion aus physiologischen oder gesundheitlichen Gründen nicht korrekt abschließen konnte. Hierzu kann im elektronischen Steuergerät 17 ein Umschalten in ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen. Der Umschaltbefehl kann über das Benutzerinterface 3 gegeben werden. Wenn in diesem Ausführungsbeispiel der Beginn des Ausatemmanövers des Nutzers P mittels des Drucksensors 18 erkannt wurde, wird die Pumpe 15 wiederum über den ersten Zeitraum eingeschaltet. Die Leistung der Pumpe 15 wird dabei allerdings nicht im Hinblick auf einen konstanten Luftvolumenstrom am Durchflussmesser 13, sondern im Hinblick auf einen konstanten Druck am Drucksensor 18 geregelt. Dieser wird in der Komfortfunktion auf einem Wert von beispielsweise 200 Pascal gehalten. Hierzu wird der Durchsatz der Pumpe 15 erhöht, wenn der Nutzer P stärker ausatmet und die Leistung der Pumpe 15 reduziert, wenn sich die Ausatemleistung des Nutzers P verringert. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird die Probennahme allerdings erst dann beendet, wenn der integrierte Luftvolumenstrom den Wert von beispielsweise 100 Pascal erreicht hat. Das Beenden der Probennahme erfolgt auch in diesem Ausführungsbeispiel, indem die Pumpe 15 über den zweiten Zeitraum abgeschaltet wird. Das Entnehmen der Probe und das Auslesen von Daten über das Atemmuster des Nutzers P erfolgt ebenfalls wie in dem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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