DE102021100110A1

DE102021100110A1 - Gerät zur Signalisierung des Zustandes eines zu überwachenden Produkts als oder mit thermischem Life Cycle Model und ein Verfahren dazu

Info

Publication number: DE102021100110A1
Application number: DE102021100110.2A
Authority: DE
Inventors: Rupprecht Gabriel
Original assignee: Brainstream GmbH
Current assignee: Brainstream GmbH
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2022-07-07

Abstract

Gerät zur Signalisierung des Zustandes eines zu überwachenden Produkts (züP), wie einem biologisches Gut, pharmazeutisches Gut, einem Impfstoff oder einem Lebensmittel, welches eine Anforderung an eine Temperatur (TP) einer oder bei der Lieferung und Verabreichung haben;das Gerät mit einem miniaturisierten Gerät mit einem in einem vorzugsweise im Chip integrierten Temperatursensor und Mikrocomputer (µC), der von einer Energiequelle (3) versorgungsfähig ist, und mit einer Anzeigeeinheit;wobei der Mikrocomputer (µC) eine Funktion besitzt, die ein thermisches Modell für den momentanen Zustand des pharmazeutischen Produkts zu berechnen in der Lage ist, und eine Anzeige aufweist, zur Anzeige oder Signalisierung des Zustandes oder von im Modell berechneten Zustandsgrößen oder davon abgeleiteten Größen, dies in Abhängigkeit von Zustandswerten des oder im Modell(s).

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Signalisierung des Zustandes eines zu überwachenden Produkts (züP), insb. ein pharmazeutischen Produkt, z.B. ein Impfstoff, ein Lebensmittel (ein biologisches Produkt), und ein Verfahren.
Es gibt viele Pharmaka, z.B. ein Impfstoff, die nur unter bestimmten thermischen Randbedingungen gelagert und prozessiert werden dürfen. Die Herausforderung ist eine zweifache.

1. Den GDP (Good Delivery Practice) sicherzustellen, damit das zu überwachenden Produkts in sicherem Zustand an den Empfänger übergeben wird.
2. Im Folgenden die Regeln der Verabreichung innerhalb des LifeCycles des Produktes einzuhalten. Diese Regeln sind von der Zeit und Umgebungsbedingungen abhängig.

Darüber hinaus soll durch das Gerät/Verfahren unnötige Verschwendung von Lebensmitteln und Pharmaprodukten zu früh verhindert werden. Das hier vorgeschlagene Gerät soll also Sicherheit gewährleisten und Ressourcen schonen.
Bisher sind daher sehr restriktive Regeln für die Verabreichung wirksam, was aber andererseits dazu führt, dass sehr frühzeitig Chargen vernichtet werden müssen, die eigentlich noch nutzbar sind. Dieses Thema effizient und kosteneffizient zu lösen ist eine Herausforderung, die mit dem vorgeschlagenen Produkt gelöst werden kann.
Die Erfindung geht davon aus, dass die Regeln sich durch ein thermisches Modell abbilden lassen und so dynamisch den LifeCycle des züP abbilden können. Bei Biologischen können auch Feuchte und Gase als Eingangsgrößen hinzukommen. Diese lassen sich jedoch durch Verpackung beherrschen, weswegen hier nur auf die thermischen Randbedingungen eingegangen wird.
Im Weiteren wird hier zunächst nur auf die Temperatur als Eingangsgröße projiziert, die besonders einfach zu messen ist. Aus der gemessenen Temperatur wird die noch mögliche Nutzungsdauer über eine thermischen Differentialgleichung berechnet.
Dabei sind die Parameter der Differentialgleichung von dem Produkt (züP) abhängig. Diese werden - typisch - empirisch aus der Verzögerung der Übertragung auf das zu überwachende Gut bestimmt. Das Ergebnis ist eine Verzögerung, die in den meisten Fällen durch einen Tiefpass und eine nichtlineare Kennlinie abgebildet, die zum Beispiel den Phasenübergang von fest auf flüssig nachbildet.
In den einfachsten Fällen kann dies, sofern die Information nicht ausreichend genau abgebildet werden kann, auch weggelassen werden, da es typisch wichtiger ist einen sicheren Transport zu gewährleisten. Zuviel Sicherheit ist ja nicht schädlich. Die Sicherheitsmarge wird vorher anhand von Versuchen bestimmt.
Mit den Temperaturen aus dem Modell bzw. direkt vom Sensor geht man in ein integrales Modell, welches den LifeCycle sicherer Nutzung abbildet. So ist beispielsweise ein Impfstoff bei -70°C für ein Jahr einsetzbar. Derselbe Impfstoff ist bei -20°C noch zwei Monate einsetzbar. Bei +20°C ist derselbe Impfstoff nur noch 6h einsetzbar.
Aus diesen und weiteren empirisch ermittelten Größen kann ein thermisches Modell des LifeCycles des züPs bestimmt werden. Generell hat dieses Modell eine integrale Funktion, die durch Abweichung von der Temperatur, die noch einen sicheren Betrieb über lange Zeit gewährleistet, gebildet wird. Da die meisten biologischen Prozesse nicht reversibel sind, darf bei einem Unterschreiten der sicheren Temperatur sich der Zustand nicht verbessern. Daher wird in diesem Fall die Eingangsgröße des integralen Lifecycle Modells auf der Wert Null begrenzt - also nicht negativ. Vor dem integralen LifeCycle Modell können nicht lineare Einflüsse durch nichtlineare Verstärkungselemente abgebildet werden. Durch verschiedene Schwellwerte des Modelles lassen sich die jeweiligen Zustände zielabhängig signalisieren. Die Signalisierung kann direkt über die gängigen Anzeigemittel erfolgen oder über Fernübertragung auf externe Geräte.
Erfindungsgemäß wird ein Halbleiter, der einen thermischen Sensor beinhaltet, z.B. über eine Band-Gap Schaltung, der den gesamten Lagerbereich und Nutzungsbereich abdeckt. Er beinhaltet einen µC in einem Chip, der so programmiert ist, dass er an den wesentlichen Eckpunkten dies signalisiert. Die Signalisierung kann zur Vereinfachung über zwei oder mehr LED anzeigen erfolgen. Z.B. kann eine grün blinkende LED den regelgerechten Übergang bei der Lieferung anzeigen. In der folgenden Prozesskette wird durch eine oder mehrere LED die Überwachung vor der Verabreichung gemacht. Hier können abhängig von der Situation sehr unterschiedliche Prozesszeiten der erlaubten Nutzung entstehen. Z.B. kann es sein, dass nach Erreichen der Raumtemperatur nur noch 3h mögliche Prozesszeit existieren. Aber bei der Zwischenlagerung in einem Kühlgerät diese Zeit sich auf - im Beispiel - 12h erweitert. Diese kontinuierliche Berechnung der Prozesszeit ist die Aufgabe des vorgeschlagenen Gerätes, dass den Zustand und damit einen Anhaltspunkt der verbleibende Nutzungszeit anzeigt. Das kann in einer besonders einfachen Umsetzung durch LED-Anzeigen erfolgen, also grün - alles OK, grün und rot - Prozess der Impfung beginnt. Rot - der Impfstoff darf nicht mehr verabreicht werden, da das Prozessfenster und der Produkt LifeCycle beendet ist.
Die Nutzung des Gerätes kann aber auch sowohl für Tiefkühlprodukte oder auch oberhalb des Gefrierpunktes transportierte Produkte eingesetzt werden. In allen Fällen wird erfindungsgemäß ein dynamische integrales LifeCycle Modell gerechnet, welches durch Zustandsüberwachung eine Signalisierung des Zustandes der Nutzbarkeit signalisiert. Damit wird es nicht mehr nötig nachträglich aus den geloggten Temperaturdaten den sicheren Gefahrenübergang zu garantieren, was Stand der Technik ist.
Auf diese Art und Weise kann sowohl der Prozess GDP der Zulieferung (sicherer Gefahrenübergang), wie auch eine dynamische Hilfe für die Verabreichung mit einer sicheren Praxis erreicht werden. Es werden nicht unnötig Ressourcen vernichtet und durch das dynamische Model wird eine sichere Technologie für die LifeCycle Berechnung bereitgestellt. Der Beginn des Prozesses und der Start der Berechnung des dynamischen LifeCycle Modells wird durch unterschreiten einer unteren Temperaturschwelle gestartet, was es ermöglicht die Schaltungen vorher in großen Mengen zu produzieren ohne Berücksichtigung von Zeiten und Randbedingungen, Mit der Verbindung des modellbildenden Gerätes und dem Erreichen des thermischen Bedingungen, z.B. minus 70°C wird das thermische Modell gestartet.
Das Modell besteht im Wesentlichen aus 2 Differentialgleichungen entsprechend Bild 3.
Die erste bildet den verzögerten Übergang der Temperatur auf das Gut dar. Das Problem ist ähnlich der modellbildenden Messung über einen Beobachter bei nicht direkt messbaren Größen und bildet die Temperaturübertragung auf das Gut ab. Dies ist der hier als reversibles Modell beschriebene Teil des Gesamtmodells (11,12) in Bild 3 der LifeCycle Berechnung.
Die Lifecycle Berechnung erfolgt über ein integrales Modell (14) welcher durch eine um Null unsymmetrische Begrenzung (daher nicht reversibel) (13) und eine ggf. nichtlineare Kennlinie (15) aus der Temperatur des Gutes den Verlauf des LifeCycles abbildet. Das heißt das Gut wird durch Kühlung nicht besser, sondern kann maximal den Zustand halten.
Das Gerät besteht nur aus wenigen Teilen, Einem Chip mit integriertem Temperatursensor und einem programmierbaren µC, einer Energiequelle (eine kleine Knopfzelle, die bei der niedrigsten Lagertemperatur noch ausreichend Energie zur Versorgung von µC und Temperatursensor liefern kann) sowie der Anzeigeeinheit, die im einfachsten Fall nur zwei LEDs beinhaltet.
Um unter allen thermischen Randbedingungen einsetzbar zu sein wird die kleine Elektronik lackiert oder vergossen, damit nicht durch Betauung Fehler auftreten können. Vorzugsweise ist der Chip so konstruiert, dass er mit wenigen µA betrieben werden kann, da Batterien bei stark negativen Temperaturen zum Teil extrem ihre Leistungsfähigkeit verlieren, aus diesem Grund sind Lithium Primärzellen mit niedrig einfrierenden Elektrolyten zu bevorzugen. Wenn der Stromverbrauch extrem niedrig ist, kann jedoch auch eine Batterie mit gefrorenem Elektrolyt eingesetzt werden.
Natürlich kann die Information auf mannigfaltige Art und Weise übermittelt werden. Dies können auch LCD bzw. OLED Anzeigen aber auch remote Schnittstellen, die über Mobilfunk Devices Bluetooth Devices oder ähnliches erfolgen. Hier wurde primär auf eine besonders einfache Art dargestellt, die sich in wenigen Prozent des Wertes des züPs umsetzen lässt.
Ein wichtiger Punkt ist, das Gerät ist in der Lage, abhängig von der Temperatur des züP den sicheren Übergang in der Prozesskette Lieferung (GDP) und Verabreichung zu signalisieren, und das zu einem angemessenen Preis. Das Gerät ist thermisch mit dem zu überwachenden Produkt zu verbinden, heißt am Beginn des Prozesses, die Temperatur des zu überwachenden Produkts und das Überwachungsgerät haben die gleiche Temperatur. Dies ist durch Lager oder Lagern mit überwachter Temperatur einfach sicher zu stellen.
Beschreibung der Figuren als Beispiele der Erfindung(en).

1 und 2. Das Gehäuse 1 des Gerätes mit innenliegender Elektronik Einheit (Schaltung) Chip 2 mit einem integriertem Temperatursensor und einem µC zur Berechnung des thermischen Modelles, das in 3 dargestellt ist. Energiequelle 3 zur Versorgung der Schaltung, z.B. als Lithium Button Cell. Anzeigeeinheit 4, hier realisiert durch zwei LEDs 4a und 4b.
3. Aus der gemessenen Temperatur wird eine noch mögliche Nutzungsdauer per thermischer Differentialgleichung berechnet. In 3 ist das Blockschalbild einer solchen „Regelmaschine“ dargestellt.

Temperatursensor 10 für die Temperatur T_P des zu überwachenden Produkts (züP; hier nicht dargestellt).
Verzögerungsmodell mit Funktionsgliedern 11 und 12. Damit wird der Wert, z.B. Differenzwert zwischen der gemessenen und der realen Temperatur des Produkts gebildet. Eine nichtlineare Verstärkung 12 ist vorgesehen, mit der Phasenübergänge des zu überwachenden Produkts, z.B. der Gefrierpunkt, nachgebildet werden. In dem Block 11 und 12 wird die Dynamik des Temperaturüberganges von der Messstelle zum züP nachgebildet. Bei direkter Messung der Temperatur des züP kann dies auch entfallen.
Eine nichtlineare Begrenzung 13 ist als weitere Funktion vorgesehen, mit der irreversible Prozesse von reversiblen unterschieden werden.
Eine weitere Funktion 15 ist vorgesehen, um nichtlineare Prozesse in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz gegenüber einem Zielwert 16 zu berücksichtigen. Der Zielwert 16 stellt die Temperatur dar, bei der ein dauerhafter, sicherer Lagerwert und Transportwert sichergestellt werden kann.
Ein Integrator 14 ist vorgesehen, der die erlaubte Verarbeitungszeit in Abhängigkeit von Temperaturabweichungen ermittelt. Das Ergebnis des Integrators 14 wird über Schwellwerte angezeigt oder startet weitere Prozesse zur Verarbeitung des zu überwachenden Produkts.

Claims

Gerät zur Signalisierung des Zustandes eines zu überwachenden Produkts (züP), wie einem biologisches Gut, pharmazeutisches Gut, einem Impfstoff oder einem Lebensmittel, welches eine Anforderung an eine Temperatur (T_P) einer oder bei der Lieferung und Verabreichung haben; das Gerät mit einem miniaturisierten Gerät mit einem in einem vorzugsweise im Chip integrierten Temperatursensor und Mikrocomputer (µC), der von einer Energiequelle (3) versorgungsfähig ist, und mit einer Anzeigeeinheit; wobei der Mikrocomputer (µC) eine Funktion besitzt, die ein thermisches Modell für den momentanen Zustand des pharmazeutischen Produkts zu berechnen in der Lage ist, und eine Anzeige aufweist, zur Anzeige oder Signalisierung des Zustandes oder von im Modell berechneten Zustandsgrößen oder davon abgeleiteten Größen, dies in Abhängigkeit von Zustandswerten des oder im Modell(s).
Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Anzeige über LED erfolgt.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem der Zustand des sicheren Gefahrenüberganges von einem Transporteur zu einem Nutzer durch eine grüne Anzeige, insbesondere mit einem Blinken angezeigt wird.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem eine Nutzbarkeit in Abhängigkeit von Werten des Modells über LED dem Nutzer angezeigt wird.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem ein Ende einer Nutzbarkeit entsprechend einem berechneten Modellwert anzeigbar ist, wobei der berechnete Modellwert einem integrierenden Modell (199) entstammt, insbesondere mit einer - zu einer durch die Temperaturdifferenz zwischen einem zulässigen Zielwert und der Temperatur des züP in einem integralen LifeCycle Modells durch Schwellwertüberschreitung angezeigt wird.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Modellwerte und die Schwellwerte auf einem externen Gerät über Funkkommunikation angezeigt werden, sofern das Gerät um eine Einheit zur Funkkommunikation erweitert ist.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, welches durch Unterschreiten einer Temperatur beginnt, das Lifecycle Modell zu berechnen und zu signalisieren.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, welches durch Lackieren bzw. Verguss gegen Schäden durch Betauung geschützt ist.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Energiequelle eine Lithium Primärbatterie ist.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Temperatur (T_p) des zu überwachenden Produkts von zumindest einer dynamischen Verzögerung (12,15) nachgebildet wird oder nachbildbar ist, und ein zulässiger Lifecycle durch einen Integrator (11,14) berechnet wird.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, mit einem Integrator (14), der eine erlaubte Verarbeitungszeit in Abhängigkeit von Temperaturabweichungen zu ermitteln in der Lage ist, insbesondere um das Ergebnis des Integrators über zumindest einen Schwellenwert anzuzeigen oder weitere Prozesse zur Verarbeitung des zu überwachenden Produkts zu starten.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, mit einer weiteren Funktion (15), um nichtlineare Prozesse in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz gegenüber einem Zielwert (16) des zu überwachenden Produkts zu berücksichtigen.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Model von der Temperatur des zu überwachenden Produkts abhängig ist.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Zielwert (16) die Temperatur darstellt, bei der ein dauerhafter, sicherer Lagerwert und/oder Transportwert gegeben ist, insbesondere sichergestellt werden kann.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, mit einem Temperatursensor (10) für die Erfassung einer Temperatur (T_P) des zu überwachenden Produkts.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, mit einem Verzögerungsmodell mit Funktionsgliedern (11,12), um einen Wert zu bilden, z.B. einen Differenzwert zwischen der gemessenen und der realen Temperatur des zu überwachenden Produkts
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, mit einer nichtlinearen Verstärkung (12), um Phasenübergänge des zu überwachenden Produkts, z.B. seinen Gefrierpunkt, nachzubilden.
Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, mit einer nichtlineare Begrenzung (13) als weitere Funktion.
Gerät nach dem vorigen Anspruch, wobei die nichtlineare Begrenzung (13) ausgebildet ist, irreversible Prozesse von reversiblen Prozessen zu unterscheiden.
Verfahren zur Signalisierung eines Zustandes von zu überwachenden Produkten, wie Impfstoff, Lebensmittel oder biochemischen Gut, welche besondere Anforderung an eine Temperatur der Lieferung und Verabreichung haben, mit einem miniaturisierten Gerät, das einen in einem Chip integrierten Temperatursensor und eine µC, der durch eine Energiequelle versorgt wird, und eine Anzeigeeinheit aufweist, bei dem der µC ein von der Temperatur des zu überwachenden Produkts abhängiges thermisches Modell des Zustandes berechnet und in Abhängigkeit von Zustandswerten des Modelles (199) eine Signalisierung des Zustandes erfolgt.