DE102018215795A1

DE102018215795A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung einer Atemprobe eines Probanden

Info

Publication number: DE102018215795A1
Application number: DE102018215795.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Stumber; Harald Bauer; Raed Hamada; Joachim Platzer; Katrin Luckert; Philipp Jung; Veronika Schleper
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2020-03-19

Abstract

Eine Vorrichtung (600) ist zur Gewinnung einer Atemprobe eines Probanden vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst wenigstens zwei in Reihe geschaltete Sammeleinheiten (100), die durch einen Gaspfad (205) miteinander verbunden sind. Bei wenigstens einer der Sammeleinheiten (100) handelt es sich um einen Fliehkraftabscheider, bei dem die eingebrachte Atemluft des Probanden in eine rotierende Strömung gebracht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung einer Atemprobe eines Probanden.
Stand der Technik
Die von einem Menschen ausgeatmete Luft enthält verschiedene medizinisch und insbesondere diagnostisch interessante Substanzen (Biomarker). Es sind bereits verschiedene Apparaturen bekannt, mit denen Atemproben gewonnen werden, die dann vor allem für diagnostische Zwecke untersucht werden können. So wird beispielsweise der Stickstoffmonoxidgehalt als flüchtige Substanz in der Ausatemluft untersucht, um Entzündungsprozesse oder chronische pulmonale Erkrankungen wie z.B. Asthma erkennen zu können. Darüber hinaus können mit einer Atemprobe auch nicht-flüchtige Moleküle, wie z. B. Proteine oder Stoffwechselprodukte, untersucht werden, um beispielsweise metabolische Dysbalancen oder krankhafte Veränderungen erkennen zu können. Diese Moleküle sind im Wesentlichen in dem Epithelflüssigkeitsfilm enthalten, der die Lunge auskleidet. Sie gelangen in Form von Aerosolen in die Ausatemluft. Die in dem Flüssigkeitsepithel der Lunge enthaltenen Substanzen werden dabei bei jedem Ausatemvorgang als Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 200 bis 1000 nm abgeatmet. Die Aerosole können als flüssige Proben gewonnen werden, wobei entsprechende Geräte als Kühlfallen arbeiten, die mehr oder weniger effektiv ein Atemluftkondensat durch Abkühlen der ausgeatmeten Luft erzeugen.
Die WO 2007/087625 A2 beschreibt beispielsweise ein System zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten, wobei dieses System mit einem gekühlten, konisch zulaufenden Kondensationselement arbeitet.
Für die Analyse luftgetragener Substanzen bzw. von Staub in der Raumluft sind kaskadierte Sammelsysteme bekannt (cyclone bioaerosol samplers - The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH).
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Gewinnung einer Atemprobe eines Probanden bereit, mit der in sehr effektiver Weise Atemluftaerosole und Atemluftkondensate gesammelt werden können, die insbesondere für diagnostische Zwecke genutzt werden können. Hierbei werden die in der Ausatemluft enthaltenen relevanten Substanzen in besonders effektiver Weise gesammelt, so dass die relevanten Substanzen in größerer Menge und gegebenenfalls höherer Konzentration für eine nachfolgende Analyse bereitgestellt werden können, als es mit herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren möglich ist. Kernpunkt der Erfindung ist dabei, dass die Vorrichtung wenigstens zwei Sammeleinheiten zur Gewinnung der Atemprobe umfasst, wobei die wenigstens zwei Sammeleinheiten in Reihe geschaltet sind und durch einen Gaspfad miteinander verbunden sind. Wenigstens eine der Sammeleinheiten bildet einen Fliehkraftabscheider. Vorzugsweise sind die Sammeleinheiten temperiert und arbeiten nach dem Prinzip einer Kühlfalle. Durch diese Anordnung mit einer Reihenschaltung von Sammeleinheiten kann die von einem Probanden ausgeatmete Atemluft derart aufbereitet werden, dass sowohl die enthaltenen Aerosole als auch Atemluftkondensate mit hoher Ausbeute gesammelt werden können, wodurch eine ausreichend hohe Menge von diagnostisch interessanten Substanzen (Biomarkern) für eine Analyse bereitgestellt werden kann.
Bei dem Fliehkraftabscheider wird die Ausatemluft zumindest abschnittsweise in einer Spiralbahn geführt, wodurch eine besonders große Fläche für eine Abscheidung der in der Ausatemluft enthaltenen Aerosole zur Verfügung gestellt wird und Atemluftkondensate in besonders effektiver Weise gesammelt werden können. Der Fliehkraftabscheider wird vorzugsweise von einem Fliehkraftabscheideraufsatz (Fliehkraftabscheiderelement) und einem Sammelgefäß gebildet, wobei der Fliehkraftabscheideraufsatz auf das Sammelgefäß aufgesetzt oder aufgeschraubt ist. Der Fliehkraftabscheideraufsatz bildet dabei gewissermaßen einen Deckel für das Sammelgefäß. In anderen Ausgestaltungen können jedoch auch Sammelgefäß und Fliehkraftabscheiderelement als fest verbundenes, einteiliges oder einstückiges Bauteil realisiert sein.
Der Fliehkraftabscheideraufsatz oder das Fliehkraftabscheiderelement umfasst vorzugsweise ein Einlassrohr zum Einbringen der Ausatemluft sowie zumindest einen Abschnitt einer Spiralbahn. Der Abschnitt der Spiralbahn, an dessen Wandungen die Kondensation bzw. Aerosol-Abscheidung erfolgt, mündet in eine Ausgangsöffnung zur Ableitung der gesammelten, flüssigen Atemprobe oder ist Teil eines Sammelgefäßes. Weiterhin ist ein Tauchrohr vorgesehen, mit dem die Atemluft aus der Sammeleinheit abgeleitet wird. Mit einem solchen Fliehkraftabscheider, auch als Zyklon zu bezeichnen, wird die ausgeatmete Atemluft in eine rotierende Strömung gebracht, so dass die enthaltenen Aerosole abgeschieden werden und an der Wandung des Fliehkraftabscheiders beziehungsweise des Sammelgefäßes abfließen. Die Abscheidung erfolgt hierbei durch die Ausnutzung der Fliehkraft. Durch die Reihenschaltung beziehungsweise Kaskadierung derartiger Fliehkraftabscheider ist es möglich, im Vergleich mit herkömmlichen Sammelvorrichtungen bei gleichem Atemvolumen eine deutlich höhere Menge von charakteristischen Substanzen (Biomarkern) aus der Atemluft zu sammeln. So konnte von den Erfindern gezeigt werden, dass bei einer Kaskadierung mit zwei Fliehkraftabscheidern etwa die doppelte Menge an Biomarkern in den beiden Sammeleinheiten gewonnen werden konnte. Die Effektivität der Vorrichtung kann gegebenenfalls noch weiter gesteigert werden, wenn mehr als zwei Sammeleinheiten und insbesondere Fliehkraftabscheider miteinander kombiniert werden und hintereinander geschaltet werden.
Als Sammelgefäße für den oder die Fliehkraftabscheider können handelsübliche Reaktionsgefäße zum Einsatz kommen, beispielsweise Eppendorf^®-Reaktionsgefäße oder Falcon^®-Reaktionsgefäße. Für den Zusammenbau von Sammelgefäß und Fliehkraftabscheideraufsatz können Gewindestrukturen genutzt werden, die bei dem jeweiligen Sammelgefäß vorgesehen sind. So kann der Fliehkraftabscheideraufsatz mit einem gegengleichen Gewinde in einfacher Weise auf das Sammelgefäß aufgeschraubt werden. Die Verwendung von üblichen und gegebenenfalls standardisierten Sammelgefäßen hat den Vorteil, dass die in den Sammelgefäßen gesammelten Atemproben in sehr anwenderfreundlicher Weise in die Abläufe von bestehenden Laborsystemen und Analysengeräten eingebunden werden können. Die Sammelgefäße sind für einen universellen Einsatz geeignet, so dass der Einsatz von speziellem Zubehör reduziert werden kann. Ein Umfüllen vor der Weiterverarbeitung, insbesondere vor der Analyse, ist dabei in der Regel nicht erforderlich und reduziert Verluste.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung können die Sammeleinheiten zwei oder gegebenenfalls mehr gleich ausgestaltete Fliehkraftabscheider sein. Allein durch die Kaskadierung wird die Effizienz des Sammelvorgangs erhöht und ein größeres Volumen des Atemluftkondensats kann gesammelt werden. Wie Versuche der Erfinder gezeigt haben, kann hierdurch etwa eine doppelte Menge der relevanten Biomarker aus dem gleichen Volumen einer Atemprobe gewonnen werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Vorrichtung können Fliehkraftabscheider unterschiedlicher Ausgestaltung, beispielsweise mit unterschiedlichen Dimensionen, miteinander gekoppelt, also in Reihe geschaltet werden. Beispielsweise kann einer der Fliehkraftabscheider kleinere Dimensionen als der andere Fliehkraftabscheider aufweisen, so dass dieser Fliehkraftabscheider eine höhere Fließgeschwindigkeit der Atemluft innerhalb des Fliehkraftabscheiders bewirkt. Auch ist es möglich, dass gegebenenfalls zusätzlich unterschiedliche Geometrien der Fliehkraftabscheider eingesetzt werden. Durch diese unterschiedlichen Ausgestaltungen der in Reihe geschalteten Fliehkraftabscheider können gegebenenfalls unterschiedliche Fraktionen der Aerosole in der Atemprobe gewonnen werden. So kann beispielsweise zunächst in einem größeren Fliehkraftabscheider die Abscheidung größerer Aerosoltröpfchen erfolgen. In einem nachgeschalteten, kleineren Fliehkraftabscheider mit geringerem Durchmesser und höherer Strömungsgeschwindigkeit können Partikel beziehungsweise Aerosoltröpfchen mit geringerem Durchmesser gesammelt werden. Durch die Dimensionierung und die Geometrien der Fliehkraftabscheider kann die Fliehkraft und damit die Abscheidung gezielt gesteuert werden, wobei insbesondere geringere Krümmungsradien, kleine Querschnitte und große Geschwindigkeiten ausgenutzt werden können.
Für die Funktion der Fliehkraftabscheider sind in der Regel eine Temperierung und insbesondere eine Kühlung vorteilhaft. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Sammeleinheiten daher wenigstens einer Kühleinrichtung zugeordnet. Die Sammeleinheiten können beispielsweise in eine Peltier-Kühleinrichtung oder in ein Eisbad eingesetzt werden.
Für die Realisierung der Reihenschaltung der einzelnen Sammeleinheiten kann ein Set oder Bausatz bereitgestellt werden, wobei die einzelnen Teile, insbesondere die einzelnen Sammeleinheiten und deren Untereinheiten erst vom Anwender zusammengefügt werden und in/an ein oder mehrere Kühleinrichtungen eingesetzt oder angeschlossen werden. Es kann beispielsweise auch ein fest verbundener Aufsatz vorgesehen sein, der beispielsweise zwei Fliehkraftabscheideraufsätze mit einem Verbindungsstück für den Gaspfad umfasst. Dieser Aufsatz wird dann auf entsprechende Sammelgefäße aufgesetzt werden. Die Fliehkraftabscheider können als Einwegteile vorgesehen sein. In anderen Ausgestaltungen sind auch wiederverwertbare Fliehkraftabscheider möglich, die dann in der Regel jeweils nach Gebrauch zu reinigen sind.
Der die Sammeleinheiten verbindende Gaspfad kann von einem temperierbaren Verbindungsstück gebildet werden, beispielsweise einer Schlauchverbindung, die an eine Kühlung angeschlossen ist. Die Kühlung beziehungsweise Temperierung des Verbindungsstücks hat den Vorteil, dass eine weitere Auskondensation von Feuchtigkeit in dem ausgeatmeten Luftstrom unterstützt wird, so dass ein Größenwachstum der Aerosoltröpfchen erzielt wird, wodurch die Abscheiderate in der oder den nachfolgenden Sammeleinheit(en) gefördert werden kann. Allgemein kann die Sammlung der Atemprobe durch eine Variierung der Temperierung weiter optimiert werden. So kann durch eine unterschiedliche Temperierung der in Reihe geschalteten Sammeleinheiten eine Fraktionierung der gesammelten Kondensate erfolgen, gegebenenfalls hinsichtlich unterschiedlicher Komponenten. Auch durch Temperaturgradienten kann die Sammlung der relevanten Biomarker variiert und optimiert werden. Unter Temperierung in diesem Sinne ist insbesondere eine Kühlung zu verstehen, wobei eine Kühlung beispielsweise auf Temperaturen zwischen etwa 0°C und etwa 20°C erfolgen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist in die Vorrichtung eine Speichelfalle integriert. Die Speichelfalle kann insbesondere zwischen einem Mundstück und der ersten Sammeleinheit angeordnet sein. Speichelfallen an sich sind dem Fachmann bekannt und es können kommerziell erhältliche Speichelfallen verwendet werden. Die Speichelfalle im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass hierdurch Verunreinigungen bzw. Verfälschungen von Messergebnissen durch Speichel bei dem gesammelten Atemgaskondensat vermieden werden.
Über das Einlassrohr der ersten Sammeleinheit gelangt die Ausatemluft in die erste der in Reihe geschalteten Sammeleinheiten. Dieses Einlassrohr kann weitere Anpassungen aufweisen, die den Gebrauch für den Probanden erleichtern. Beispielsweise kann das Einlassrohr als Mundstück ausgestaltet sein, oder es kann ein separates Mundstück gegebenenfalls inkl. Speichelfalle (z.B. ein Einwegartikel) auf das Einlassrohr aufgesteckt oder aufgeschraubt werden. Das Einlassrohr, gegebenenfalls zusammen mit dem Mundstück und ggfs. Speichelfalle, bildet eine Atemluftleitung zur Einbringung der Atemluft in die Sammeleinheiten. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist in der Atemluftleitung wenigstens ein Drucksensor oder/und Strömungssensor vorgesehen. Weiterhin ist in dieser Ausgestaltung der Vorrichtung eine Pumpe zur Regulierung des Luftmassenstroms oder des Luftvolumenstroms in der Atemluftleitung zugeordnet, die in Abhängigkeit von Sensordaten die Atmung beziehungsweise den Luftstrom der in die Vorrichtung eingebrachten Ausatemluft unterstützen kann und/oder die zur Standardisierung des Sammelvorgangs vorgesehen ist. So kann die Sensor-unterstützte Pumpenfunktion dafür eingesetzt werden, dass ein bestimmtes Ausatemvolumen in die Vorrichtung eingeleitet wird, so dass eine Standardisierung bei der Analyse der in der Ausatemluft nachweisbaren Biomarker möglich ist. Weiterhin kann in die Vorrichtung auch beispielsweise ein Temperatursensor integriert sein, um die Temperierung der Sammeleinheiten genau überwachen und steuern zu können, was ebenfalls im Hinblick auf eine Standardisierung des Vorgangs genutzt werden kann.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Gewinnung einer Atemprobe eines Probanden. Bei diesem Verfahren wird ein ausgeatmeter Luftstrom in eine Reihenschaltung von wenigstens zwei Sammeleinheiten geleitet, wobei es sich bei wenigstens einer der Sammeleinheiten um einen Fliehkraftabscheider handelt. Die Sammeleinheiten arbeiten vorzugsweise als Kühlfallen zur Sammlung von Kondensat und sind zweckmäßigerweise temperiert bzw. gekühlt. Die Sammeleinheiten sind durch einen Gaspfad miteinander verbunden, so dass der ausgeatmete Luftstrom zunächst die erste Sammeleinheit durchläuft, wobei eine erste Fraktion der Atemprobe bzw. von Atemluftkondensat gesammelt wird, und dann in die zweite Sammeleinheit geleitet wird, um eine weitere Fraktion der Atemprobe bzw. von Atemluftkondensat zu sammeln. Es können sich auch noch weitere Sammeleinheiten anschließen. Wenigstens eine der Sammeleinheiten ist ein Fliehkraftabscheider, der vorzugsweise von einem Fliehkraftabscheideraufsatz und einem Sammelgefäß gebildet wird. Der ausgeatmete Luftstrom wird in dem Fliehkraftabscheider in eine rotierende Strömung gebracht, wobei die in dem ausgeatmeten Luftstrom enthaltenen Aerosole an einer Wandung des Fliehkraftabscheiders abgeschieden und so gesammelt werden können. Prinzipiell sind auch andere Sammeleinheiten möglich, die nicht zwingend mit einer rotierenden Strömung arbeiten. Beispielsweise kann eine Sammeleinheit eingesetzt werden, die auch als Kühlfalle arbeitet aber beispielsweise ein konisch zulaufendes Kondensationselement umfasst.
Wie im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereits erläutert wurde, können die Sammeleinheiten beispielsweise zwei gleich ausgestaltete Fliehkraftabscheider oder gegebenenfalls zwei unterschiedlich ausgestaltete Fliehkraftabscheider umfassen. Beispielsweise kann der eine Fliehkraftabscheider mit kleineren Dimensionen und/oder Geometrien für eine höhere Fließgeschwindigkeit des Luftstroms innerhalb der Sammeleinheit im Vergleich mit dem anderen Fliehkraftabscheider ausgestaltet sein. Hierdurch ist es möglich, die Fraktionierung der Kondensatbildung weiter zu differenzieren, um in den einzelnen Sammeleinheiten beispielsweise unterschiedliche Biomarker sammeln zu können, die sich beispielsweise in Aerosoltröpfchen unterschiedlicher Größe befinden. Die Aerosoltröpfchen geringerer Größe können beispielsweise in einem Fliehkraftabscheider mit höherer Rotationsgeschwindigkeit gesammelt werden, wohingegen Aerosoltröpfchen größeren Umfangs in einem Fliehkraftabscheider mit geringerer Rotationsgeschwindigkeit abgeschieden werden. Diese Differenzierung bei einer Fraktionierung des Atemluftkondensats kann durch eine differenzierte Temperierung innerhalb der Vorrichtung weiter unterstützt werden. So können die in Reihe geschalteten Sammeleinheiten auf unterschiedliche Temperaturen temperiert werden. Weiterhin können auch Temperaturgradienten innerhalb einer Sammeleinheit und/oder von einer Sammeleinheit bis zur nächsten Sammeleinheit vorgesehen sein. So kann jeder Sammeleinheit eine eigene individuell regelbare Temperiereinheit zugeordnet sein oder die Vorrichtung kann insgesamt einer gemeinsamen Temperiereinheit zugeordnet sein, die eine einheitliche Temperierung beider Sammeleinheiten vorsieht.
Für die Durchführung des Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn die Sammelgefäße handelsübliche Reaktionsgefäße sind, wodurch beispielsweise ein Umfüllen der gesammelten Probe vor einer weiteren Analyse entfallen kann und das Handling der Atemproben durch die Einbindung in standardisierte Laborroutinen erleichtert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
In den Zeichnungen zeigen:

1 Sammeleinheit, umfassend ein Sammelgefäß und einen Fliehkraftsabscheideraufsatz;
2 isolierte Darstellung des Fliehkraftsabscheideraufsatzes aus 1;
3A, B Schnittdarstellungen des Fliehkraftsabscheideraufsatzes aus 2;
4 Schnittbild einer Vorrichtung mit zwei Sammeleinheiten in einer temperierbaren Halterung;
5 Schnittbild der Vorrichtung aus 4 mit Peltier-Element;
6 Darstellung der Vorrichtung aus 4 im komplett zusammengesetzten Zustand;
7 Probenvolumen des gewonnenen Atemluftkondensatvolumens, getrennt nach einzelnen Sammeleinheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
8 Gesamt-Proteinmenge in Atemluftkondensatproben, getrennt nach einzelnen Sammeleinheiten und
9 schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung mit Pumpe und Sensor.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt eine Sammeleinheit 100 als Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei mehrere, beispielsweise zwei, dieser Sammeleinheiten 100, in Reihe geschaltet werden. Jede einzelne Sammeleinheit 100 dient zur Gewinnung einer Atemprobe, wobei die Kaskadierung der Sammeleinheiten 100 die Effektivität der Vorrichtung bei der Gewinnung der Atemprobe im Vergleich mit herkömmlichen Vorrichtungen wesentlich erhöht. Die Sammeleinheit 100 basiert auf dem Prinzip einer Kühlfalle und ist ein Fliehkraftabscheider, so dass neben Aerosolen aus der Atemluft vor allem Atemluftkondensat gesammelt wird. Hierfür wird die Sammeleinheit 100 während des Sammelvorgangs gekühlt, indem sie beispielsweise mit einem üblichen Peltier-Element in Kontakt gebracht wird. Die Sammeleinheit 100 umfasst in dieser Ausgestaltung einen Fliehkraftabscheideraufsatz 200 sowie ein Sammelgefäß 300. Der Fliehkraftabscheideraufsatz 200 ist nach Art eines Deckels auf das Sammelgefäß 300 aufgesetzt, beispielsweise aufgeschraubt. Hierfür können eine Steckverbindung oder ein Gewinde und gegebenenfalls zusätzliche Abdichtungen vorgesehen sein. Als Sammelgefäß 300 eignen sich handelsübliche Reaktionsgefäße, beispielsweise ein Eppendorf^®-Reaktionsgefäß mit 1,5 ml Volumen. 2 zeigt den Fliehkraftabscheideraufsatz 200 aus 1 in isolierter Form. Der Fliehkraftabscheideraufsatz 200 umfasst ein Einlassrohr 201 und ein Tauchrohr 202. Das Tauchrohr 202 wird mittig durch den Grundkörper 203 des Fliehkraftabscheiderausatzes 200 hindurchgeführt. Der Fliehkraftabscheideraufsatz 200 zusammen mit dem Sammelgefäß 300 bildet die eigentliche funktionale Sammeleinheit bzw. den Fliehkraftabscheider 100. Das freie Ende des Einlassrohres 201 ist zum Einblasen der Ausatemluft vorgesehen und kann beispielsweise als Mundstück ausgeformt sein oder zum Aufstecken eines Mundstücks ausgestaltet sein. Die Einströmung der Atemluft erfolgt über das Einlassrohr 201, das exzentrisch an dem zylinderförmigen Grundkörper 203 angebracht ist. Für die Gewinnung der Atemprobe atmet der Proband einmal oder vorzugsweise mehrfach in ein Mundstück aus, das in das Einlassrohr 201 führt. In besonders bevorzugter Weise ist in diesem Bereich eine Speichelfalle vorgesehen. Der Atemvorgang wird vorzugsweise mit ruhiger, aber gleichzeitig tiefer Ruheatmung durchgeführt. Der Luftstrom wird innerhalb des Fliehkraftabscheiders 100 in eine rotierende Luftströmung gebracht, wobei insbesondere durch die Temperierung eine Abscheidung von Kondensaten an der Wandung oder den Wandungen des Fliehkraftabscheiders 100 erfolgt. Der Luftstrom selbst wird durch das Tauchrohr 202 wieder aus dem Fliehkraftabscheider 100 hinausgeleitet. 3A zeigt einen Längsschnitt durch den Fliehkraftabscheideraufsatz 200. Das exzentrisch angebrachte Einlassrohr 201 steht in dieser Ausgestaltung axial in einem Winkel α von 0 bis 70°, beispielsweise 0 bis 40° zu der Schnittachse 204. Eine Längsachse des Tauchrohres 202, das die Atemluft aus dem Fliehkraftabscheider ableitet, entspricht einer Längsachse des zylinderförmigen Grundkörpers 203. Der Grundkörper 203 ist mit einem Innengewinde 205 ausgestattet, mit dem der Fliehkraftabscheideraufsatz 200 auf ein entsprechendes Außengewinde eines Sammelgefäßes aufgeschraubt werden kann. In dieser Ausgestaltung weist das Tauchrohr 202 einen ringförmigen Überstand 206 auf, der über einen Anschlag 207 für das einzusetzende Sammelgefäß hinausragt und somit bei zusammengesetztem Fliehkraftabscheider in das Sammelgefäß hineinragt. Weiterhin ist in dieser Schnittdarstellung eine Ausgangsöffnung 208 sichtbar, über die die Atemluft aus dem Einlassrohr 201 in das Innere des Fliehkraftabscheiders bzw. in das Sammelgefäß geleitet wird. Die Ausgangsöffnung 208 ist in einem das Gewinde 205 überspannenden Deckenabschnitt des Grundkörpers 203 ausgeformt. 3B zeigt diese Ausgangsöffnung 208 in einer anderen Schnittdarstellung entlang der Schnittachse 204. Die Ausgangsöffnung 208 ist Teil einer Spiralbahn 209, die die einströmende Luft in eine rotierende Strömung versetzt und die Atemluft in das Sammelgefäß leitet. Über das Einlassrohr 201 wird die Atemluft tangential in die Spiralbahn 209 eingeleitet. Hierbei kann die Spiralbahn 209 beispielsweise einen Drehwinkel β von 100° aufweisen. Der Eintrittsquerschnitt der Strömung in das Sammelgefäß 300 (1) liegt exzentrisch neben dem Luftaustritt über das Tauchrohr 202. Der Öffnungswinkel β liegt dabei in der Regel zwischen 10° und 180° und hängt insbesondere auch von der Steigung der Spiral- oder des Spiralabschnitts 208 ab. Durch die hierdurch eingeleitete Rotationsbewegung der einströmenden Luft wirkt eine Fliehkraft an den sich anschließenden Wandungen des hier nicht dargestellten Sammelgefäßes, so dass die Aerosole gewissermaßen herausgeschleudert werden und insbesondere auch durch die Temperierung der Sammeleinheit kondensieren und so als Flüssigkeit gesammelt werden können. Das Sammelgefäß 300 (siehe 1), in das die Atemluft in rotierender Strömung eingeleitet wird, kann sich konisch verjüngen, so dass die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Luftstroms noch weiter ansteigen kann. Der Luftaustritt erfolgt über das Tauchrohr 202, das axial von oben in den zylinderförmigen Grundkörper 203 eingebracht ist und in das Sammelgefäß 300 hineinragt, um so eine stabile Zyklonströmung zu erzeugen.
Diese Sammeleinheit wird als Reihenschaltung beziehungsweise als Doppelzyklon bereitgestellt. Hierfür kann beispielsweise ein Set vorgesehen sein, das zwei Fliehkraftabscheideraufsätze 200 (Zyklondeckel) mit Innengewinde 205, passend für Standardreaktionsgefäße mit Schraubgewinde, die als Sammelgefäße verwendet werden, umfasst. Weiterhin können in dem Set zwei derartige Sammelgefäße mit Schraubgewinde und ein Verbindungsstück vorgesehen sein, wobei das Verbindungsstück das Tauchrohr 202 als Auslass der ersten Sammeleinheit mit dem Einlassrohr 201 der zweiten Sammeleinheit verbindet. Diese einzelnen Elemente werden zunächst zu funktionalen Sammeleinheiten zusammengesetzt und dann beispielsweise in einen Kühlblock 400 eingesetzt, wie es anhand von 4 bis 6 illustriert ist. 4 zeigt den Kühlblock 400 beziehungsweise eine entsprechende Halterung, die in dieser Ausgestaltung zwei identische Öffnungen umfasst, in die die Fliehkraftabscheider 100, bestehend aus Sammelgefäß 300 und Fliehkraftabscheideraufsatz 200, eingesetzt werden. 5 zeigt ein weiteres Schnittbild des Kühlblocks 400 mit den eingesetzten Fliehkraftabscheidern 100, jeweils mit Einlassrohr 201 und Tauchrohr 202, wobei ein Peltier-Element 401 erkennbar ist, das zur Temperierung der Sammeleinheiten 100 vorgesehen ist. 6 zeigt den komplett zusammengebauten Zustand der Vorrichtung 600 mit dem Kühlblock 400 und den eingesetzten Sammeleinheiten bzw. Fliehkraftabscheidern 100. Das Tauchrohr 202 des ersten Fliehkraftabscheiders 100, der mit einer federnden Klemmhalterung 402 befestigt ist, ist über ein Verbindungsstück 250 (Gaspfad) mit dem Einlassrohr 201 des zweiten Fliehkraftabscheiders 100 verbunden, so dass die über das Einlassrohr 201 des ersten Fliehkraftabscheiders 100 eingebrachte Atemluft zunächst die erste Sammeleinheit 100 und dann die zweite Sammeleinheit 100 durchläuft, bevor die restliche Atemluft über das Tauchrohr 202 der zweiten Sammeleinheit 100 nach außen abgegeben wird. In dieser Ausgestaltung ist eine einheitliche Kühlung der beiden Sammeleinheiten 100 durch den Kühlblock 400 vorgesehen. Es kann auch vorgesehen sein, die beiden Sammeleinheiten auf unterschiedliche Temperaturen temperiert werden. Dies kann beispielsweise durch die Ausnutzung eines Gradienten ebenfalls in einer gemeinsamen Einheit geschehen. Es kann auch vorgesehen sein, dass für jede Sammeleinheit eine eigene, individuell regelbare Temperiereinheit vorgesehen ist. Weiterhin kann ein statischer Betrieb mit definierten Temperaturen an der Temperiereinheit beziehungsweise dem Kühlblock 400 und gegebenenfalls an dem Verbindungsstück 250 vorgesehen sein, der mit einer Applikations-spezifischen Variation des Luftstroms kombiniert wird.
Bei der herkömmlichen Gewinnung von Atemproben ist die Konzentration der gewonnenen Biomarker in der Regel sehr gering. Dies erschwert die Analyse und schränkt die einsetzbaren analytischen Methoden sehr ein. Ein Problem hierbei ist, dass die in den Aerosolen vorliegenden Biomarker möglicherweise gar nicht oder nur zu einem geringen Anteil bei herkömmlichen Methoden gesammelt werden, da die Aerosole mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,3 µm im Allgemeinen im Gasstrom verbleiben und nicht durch gezielte Strömung an die temperierte Wand geführt werden, wo sie auskondensieren und dann gesammelt werden könnten. Eine mit herkömmlichen Methoden gesammelte Probe weist einen sehr hohen Anteil von Wasser auf, der durch Kühlung abgeschieden wird. Die hier beschriebene Vorrichtung erlaubt neben der Sammlung von Atemluftkondensaten auch zu einem beträchtlichen Anteil die Sammlung von Aerosolen.
Versuche der Erfinder haben gezeigt, dass mit der Reihenschaltung von Sammeleinheiten und insbesondere von Fliehkraftabscheidern die Ausbeute bei der Gewinnung einer Atemprobe gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen wesentlich verbessert werden kann. So zeigt 7 das insgesamt gesammelte Probenvolumen, das mit einer Reihenschaltung von zwei Fliehkraftabscheidern gesammelt wurde. Dargestellt sind insgesamt 13 Proben, wobei der untere Teil des jeweiligen Balkens sich auf das Probenvolumen bezieht, das in dem ersten Fliehkraftabscheider gewonnen wurde und der obere Teil des jeweiligen Balkens sich auf das Probenvolumen bezieht, das im nachgeschalteten Fliehkraftabscheider gewonnen wurde. Es zeigt sich, dass durch die Reihenschaltung der beiden Fliehkraftabscheider fast das doppelte Probenvolumen gewonnen werden konnte. Die Ausbeute an flüssigem Atemluftkondensat im Durchschnitt (MW) ist im ersten Fliehkraftabscheider etwas größer als im zweiten Fliehkraftabscheider. Im ersten Fliehkraftabscheider wird also mehr Volumen gesammelt, wobei dies möglicherweise an einer parallelen Abscheidung von Feuchte liegt. In 8 ist die Gesamt-Proteinmenge in den Atemluftkondensatproben dargestellt, welche mithilfe der in Reihe geschalteten Fliehkraftabscheider gesammelt wurden. In dieser Darstellung ist im oberen Bereich des Balkens die Proteinmenge aus dem ersten Fliehkraftabscheider und im unteren Bereich des jeweiligen Balkens die Proteinmenge aus dem zweiten Fliehkraftabscheider dargestellt. Es zeigt sich, dass im zweiten Fliehkraftabscheider auch bei im Schnitt etwas geringerem Probenvolumen die Proteinmenge mindestens so hoch ist wie in der Probe aus dem ersten Fliehkraftabscheider. Dies erklärt sich durch ein mögliches Tröpfchen-Wachstum und einer damit verbundenen Anreicherung von Proteinen in dem kondensierbaren Aerosol in dem zweiten Fliehkraftabscheider. Die in den 7 und 8 gezeigten Versuchsergebnisse wurden mit zwei identischen, in Reihe geschalteten Fliehkraftabscheidern mit jeweils einem 1,5 ml Sammelgefäß gewonnen. Die beiden Fliehkraftabscheider wurden mit einem nicht temperierten Gaspfad gemäß der Darstellung in 6 verbunden. Jeder der Fliehkraftabscheider war gemäß dem in den 1 bis 3 dargestellten Sammeleinheiten aufgebaut.
Die Vorrichtung kann mit einer Pumpe kombiniert werden, über die der Luftstrom innerhalb der Vorrichtung, beispielsweise in Abhängigkeit von einem Drucksensor oder Strömungssensor, geregelt oder gesteuert werden kann. Diese Ausgestaltung erlaubt eine Standardisierung des Atemmanövers, so dass vergleichbare analytische Ergebnisse zur Verfügung gestellt werden können. 9 zeigt in schematischer Weise eine Ausführungsform der Vorrichtung 900 mit einem ersten Fliehkraftabscheider 910 und einem zweiten Fliehkraftabscheider 920. Die Ausatemluft des Probanden wird über ein Mundstück 930 in die Vorrichtung 900 eingebracht, wobei überschüssiger Speichel in einer nachgeschalteten Speichelfalle 940 abgefangen wird. Der Luftstrom in der Vorrichtung 900 wird über eine den Fliehkraftabscheidern 910 und 920 nachgeschaltete Pumpe 950 reguliert, wobei die Pumpenaktivität mittels eines Sensors 960 im Bereich des Mundstücks 930 und/oder der Speichelfalle 940 gesteuert und/oder geregelt wird, wobei der Sensor 960 als Drucksensor und/oder Strömungssensor ausgestaltet sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/087625 A2 [0003]

Claims

Vorrichtung (600; 900) zur Gewinnung einer Atemprobe eines Probanden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens zwei in Reihe geschaltete Sammeleinheiten (100; 910, 920) für Atemproben umfasst, die durch einen Gaspfad (205) miteinander verbunden sind, wobei wenigstens eine der Sammeleinheiten einen Fliehkraftabscheider (100; 910, 920) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fliehkraftabscheider (100) von einem Fliehkraftabscheideraufsatz (200) und einem Sammelgefäß (300) gebildet wird, wobei der Fliehkraftabscheideraufsatz (200) ein Einlassrohr (201), ein Tauchrohr (202) und zumindest einen Abschnitt einer Spiralbahn (208) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinheiten zwei gleich ausgestaltete Fliehkraftabscheider (100; 910, 920) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinheiten zwei unterschiedlich ausgestaltete Fliehkraftabscheider (100; 910, 920) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Fliehkraftabscheider (100; 910, 920) mit kleineren Dimensionen für eine höhere Fließgeschwindigkeit ausgestaltet ist als der andere Fliehkraftabscheider.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Sammeleinheiten (100; 910, 920) wenigstens eine Kühleinrichtung (400) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Sammeleinheiten (100; 910, 920) verbindende Gaspfad von einem temperierbaren Verbindungstück gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Atemluftleitung zur Einbringung der Atemluft des Probanden in die Sammeleinheiten (100; 910, 920) umfasst, wobei in der Atemluftleitung wenigstens ein Drucksensor (960) und/oder wenigstens ein Strömungssensor (960) angeordnet ist, und wobei der Vorrichtung eine Pumpe (950) zur Regulierung des Luftmassenstroms oder des Luftvolumenstroms in der Atemluftleitung in Abhängigkeit von Sensordaten des Drucksensors (960) und/oder des Strömungssensors (960) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorrichtung eine Speichelfalle (940) integriert ist.
Verfahren zur Gewinnung einer Atemprobe eines Probanden, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgeatmete Luftstrom in eine Reihenschaltung von wenigstens zwei Sammeleinheiten (100; 910, 920) geleitet wird und die wenigstens zwei Sammeleinheiten durch einen Gaspfad (250) miteinander verbunden sind, wobei wenigstens eine der Sammeleinheiten einen Fliehkraftabscheider (100; 910, 920) bildet.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Sammeleinheiten ein Fliehkraftabscheider (100) mit einem Fliehkraftabscheideraufsatz (200) und einem Sammelgefäß (300) ist, wobei der ausgeatmete Luftstrom in dem Fliehkraftabscheider (100) in eine rotierende Strömung gebracht wird, wobei die in dem ausgeatmeten Luftstrom enthaltenen Aerosole an einer Wandung des Fliehkraftabscheideraufsatzes (200) und/oder der Wandung des Sammelgefäßes (300) abgeschieden und gesammelt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinheiten zwei gleich ausgestaltete Fliehkraftabscheider (100; 910, 920) oder zwei unterschiedlich ausgestaltete Fliehkraftabscheider umfassen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Fliehkraftabscheider (100; 910, 920) mit kleineren Dimensionen für eine höhere Fließgeschwindigkeit als der andere Fliehkraftabscheider ausgestaltet ist.