-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Messvorrichtung zur Detektion von Partikeln in einer Ausatemluft eines Patienten.
-
Stand der Technik
-
Ein Ionen-Mobilitäts-Spektrometer (IMS) weist eine Ionenquelle, eine Driftzelle und einen Ionendetektor auf. Ein IMS unterscheidet Ionen in Bezug auf ihre Mobilität im Verhältnis zu einem Drift- bzw. Puffergas, indem es eine Gleichgewichtsgeschwindigkeit misst, die die Ionen annehmen. Wenn Ionen in Anwesenheit eines Driftgases durch ein konstantes elektrisches Feld beschleunigt werden, beschleunigen die Ionen, bis eine Kollision mit einem neutralen Molekül auftritt. Diese Beschleunigungs- und Kollisionsabfolge wird laufend wiederholt. Über die Zeit mittelt sich dieses Szenario über die Ausdehnung der Driftzelle zu einer konstanten Ionengeschwindigkeit, die von der Ionengröße, Ladung und dem Driftgasdruck abhängt. Das Verhältnis der Geschwindigkeit eines bestimmten Ions zu der Größe des elektrischen Feldes durch das das Ion angeregt wird, ist die lonenmobilität. In anderen Worten ist die Ionendriftgeschwindigkeit indirekt proportional zu der elektrischen Feldstärke. IMS ist eine Technik ähnlich zur Massenspektrometrie und dient zur Bestimmung von Stoffen! Analyten in einem Gas.
-
Um IMS effektiver zur Analyse volatiler Stoffe zu machen, werden IMS oft mit einer chromatographischen Vortrennung (MCC-IMS) kombiniert. Dabei strömt das zu untersuchende Gas über Bündel von dünnen parallelen Kapillaren. Die Kapillaren werden auch als multikaplillare Säulen (engl. „multi capillary column“ kurz: MCC) bezeichnet. Die Innenoberfläche der Kapillaren ist mit einem Film einer flüssigen stationären Phase bedeckt, der hohe Trenngeschwindigkeiten bei der Gaschromatographie erlaubt. Bei der Gaschromatographie werden Stoffe in einer Probe durch unterschiedliche Verteilung zwischen einer stationären und einer mobilen Phase getrennt. Dabei werden die einzelnen Stoffe durch unterschiedliche Fließgeschwindigkeit in der mobilen Phase getrennt. Durch das Auftrennen eines Stoffgemisches können die einzelnen Inhaltsstoffe besser identifiziert und quantifiziert werden. Die Kombination aus einem IMS mit vorgeschalteter chromatischen Trennung erlaubt eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung und Quantifizierung von Analyten in einem Stoffgemisch.
-
Die Analyten der Probe werden durch das MCC vorsepariert und gehen dann direkt ins IMS. Diese Kombination erlaubt es jede Art von Ionen durch einen weiteren Parameter zu charakterisieren, die Durchflusszeit durch die MCC. Dabei kann eine Ausatemluft des Patienten in einer Probenschleife aufgenommen werden. Die Probe aus der Probenschleife strömt dann zuerst über die chromatische Vortrennung und dann in das IMS.
-
Es sind Detektoren bekannt, die die Ionen-Mobilitäts-Spektrometrie nutzen, um Stoffe in der Ausatemluft von beatmeten Patienten zu detektieren. Beispielsweise kann der Propofolgehalt eines Patienten während einer Sedierung mit Propofol gemessen werden. Weiter kann durch Detektion von volatilen Komponenten in der Ausatemluft eine mögliche COVID-19 Erkrankung des Patienten erkannt werden. Kombinierte MCC-IMS sind weiterhin aus den Offenbarungen
US 10 429 348 B2 ,
EP 2 889 616 A1 und
US 2021 / 0025849 A1 bekannt.
-
Die bekannten Detektoren haben eine Reihe von Messparametern, die die Nachweisgrenzen der vermessenen Analyten messen. Die variablen Messparameter sind dabei:
- • Dauer der Probennahme
- • Flussrate bei der Probennahme
- • Temperatur der Probenschleife
- • Dauer der Aufgabe der Probe aus der Probenschleife auf die chromatographische Vortrennung
- • Flussrate des Trägergases über die MCC
- • Temperatur der MCC
- • Flussrate des Driftgases des IMS
- • Öffnungsdauer des Bradbury-Nielson-Gitters im IMS
- • Temperatur des IMS
-
Folgende weitere Messparameter beeinflussen die Leistung des MCC-IMS, sind jedoch typischerweise durch den Aufbau festgelegt und können somit nicht auf einfache Weise zwischen zwei Messungen angepasst werden:
- • Länge der Driftstrecke im IMS
- • Elektrische Feldstärke der Driftstrecke
- • Länge der MCC
- • Volumen der Probenschleife (Probenmenge)
-
Bei bekannten MCC-IMS werden die variablen Messparameter typischerweise anwendungsfallbezogen gewählt und fest eingestellt. Die Messparameter werden im Messverlauf nicht mehr variiert. Dies stellt einen Kompromiss bzw. einen Zielkonflikt dar, beispielsweise, ob eine große Anzahl an Analyten mit einer mittleren Nachweisgrenze detektiert werden sollen (z.B. Atemluftmessung als allgemeines Screening) oder wenige Analyten in einem genau erwarteten Konzentrationsbereich (z.B. Propofol in der Konzentration von 1 bis 20 ppb). Ein Nachteil dieser Lösung ist es, dass durch diese feste Parameterwahl andere Informationen, die die Probe in sich trägt, nicht berücksichtigt sind.
-
Zusammenfassung der Offenbarung
-
Die Aufgabe der Offenbarung ist deshalb, eine Messvorrichtung bereitzustellen, die aus einer Probe mehr Informationen auslesen kann, als es herkömmliche Messvorrichtungen mit bisherigen Verfahren mit fixen Messparametern können.
-
Offenbarungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Messvorrichtung zur Detektion von Partikeln in einer Ausatemluft eines Patienten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Offenbarung sind Gegenstand der beigefügten Unteransprüche.
-
Offenbarungsgemäß weist die Messvorrichtung ein lonenmobilitätsspektrometer mit einer Driftkammer, einer Ionisationskammer und einem Bradbury-Nielson-Gitter sowie einer chromatographischen Vortrennung mit multikapillaren Säulen auf. Die chromatographische Vortrennung ist dabei dem lonenmobilitätsspektrometer vorgeschaltet. Die Messvorrichtung führt einen Messvorgang mit bestimmten Messparametern aus und hat eine Steuer- und Auswerteeinheit, die die Messparameter einstellt und Messergebnisse auswertet. Offenbarungsgemäß weist der Messvorgang eine erste Messung und eine zweite Messung auf, wobei die Messparameter der zweiten Messung aus ersten Messdaten der ersten Messung abgeleitet werden und sich die Messparameter der zweiten Messung von den Messparametern der ersten Messung unterscheiden.
-
Die Messvorrichtung führt einen Messvorgang aus, wobei eine Anzahl an Messparametern eingestellt ist. Die Messparameter bestimmen die Nachweisgrenzen der Analyten. Dabei gibt es einen Zielkonflikt zwischen der Detektion einer großen Anzahl an Analyten mit einer mittleren Nachweisgrenze oder der Detektion weniger Analyten in einem genau definierten Konzentrationsbereich. Die Messparameter sind die vorstehend genannten Messparameter.
-
Die Messvorrichtung kann die Messparameter zwischen zwei Messungen variieren. Dabei analysiert die Messvorrichtung die ersten Messdaten, die die Messdaten der ersten Messung sind. Basierend auf den ersten Messdaten wählt die Messvorrichtung dann die Messparameter für die zweite Messung. Die zweiten Messparameter werden dabei derart gewählt, dass die Messvorrichtung bzw. der Benutzende möglichst viele Informationen/ Ergebnisse aus der Kombination der ersten Messdaten und der zweiten Messdaten erhalten kann. Dabei werden die zweiten Messparameter derart eingestellt, dass sie die ersten Messdaten ergänzen. Sind die ersten Messparameter geeignet, eine große Anzahl an Analyten zu detektieren, können beispielsweise die zweiten Messparameter gewählt werden, um wenige relevante bzw. zur Diagnose einer Erkrankung geeignete Analyten zu quantifizieren. Dadurch können während eines Messvorgangs sowohl eine große Anzahl an Analyten detektiert werden, als auch einige wenige relevante bzw. zur Diagnose einer Erkrankung geeignete Analyten genau quantifiziert werden. Der vorstehend beschriebene Zielkonflikt wird somit gelöst oder zumindest vermindert.
-
Durch zwei aufeinanderfolgende Messungen einer Probe bzw. eines Probanden mit einem MCC-IMS, wobei die Messparameter der zweiten Messung aus dem Ergebnis der Auswertung der ersten Messung hervorgehen, können wesentlich mehr Informationen aus der Probe gewonnen werden, als durch eine singuläre Messung mit festen Parametern. Je nach vorliegendem Ergebnis können einzelne Analyten durch Parameteranpassungen entweder besser getrennt und somit besser identifiziert werden oder besser quantifiziert werden, indem die Messparameter passend zum in der ersten Probe vorliegenden Konzentrationsbereich gesetzt werden.
-
Es können mehr Informationen aus einer Probe bzw. zu einem Probanden bei zwei Messungen mit unterschiedlichen Messparametern herausgelesen werden, als bei einer singulären Messung mit festen Parametern. Außerdem können die Parameter der zweiten Messung optimal eingestellt werden.
-
Die Analyse der ersten Messdaten und das Einstellen der neuen Messparameter für die zweite Messung kann dabei manuell durch einen Benutzenden erfolgen. Die Analyse und das Einstellen kann aber auch automatisch von der Messvorrichtung ausgeführt werden. Dazu kann die Messvorrichtung eine Auswerteeinheit oder Ähnliches aufweisen, die die Analyse durchführt. Die ersten Messdaten können beispielsweise automatisch mit einer Datenbank abgeglichen werden. Die ersten Messdaten können beispielsweise auch durch ein neuronales Netz analysiert werden. Die Auswerteeinheit kann entweder eine Vorhersage an den Benutzenden ausgeben oder die zweiten Messparameter, die nach der Analyse am geeignetsten sind, eigenständig einstellen.
-
Nach einem weiteren Aspekt der Offenbarung erstellt die Messvorrichtung aus den ersten Messdaten bzw. erfassten/gemessenen Signalen eine Messdatenmatrix und bestimmt anhand der Messdatenmatrix die Messparameter der zweiten Messung. Die erfassten/ gemessenen Signale, die die Messdaten darstellen, werden anhand der Lage bzw. Identifizierung und der Intensität bzw. Quantifizierung analysiert. D.h. bei der Identifizierung wird analysiert, wie viele Analyten in der Probe festgestellt wurden. Bei der Intensität wird festgestellt, wie stark die Analyten gemessen wurden, bzw. wie gut die Analyten quantifizierbar sind. Dadurch kann bestimmt werden, ob es für die zweite Messung sinnvoller ist, die bestimmten Analyten genauer zu analysieren (quantifizieren) oder ob es sinnvoller ist die Messparameter derart einzustellen, dass weitere Analyten detektiert werden können. Die Messdatenmatrix gibt Bereiche an, in denen die Messparameter angepasst werden sollten.
-
Mit Hilfe diesen Signaldaten werden Bereiche innerhalb der Messdatenmatrix bestimmt, die besser aufgelöst werden sollen, bzw. deren Signalintensitäten zu hoch oder zu gering ausfallen, sodass durch eine Anpassung der Messparameter weitere Erkenntnisse zum Inhalt oder zur Konzentration von Analyten zu erwarten sind.
-
Nach einem weiteren Aspekt der Offenbarung können die ersten Messdaten beispielsweise die folgenden Fälle zeigen. Bei der ersten Messung wird detektiert, dass die Probe viele intensive Peaks und Überlagerungen aufweist. In diesem Fall können für die zweite Messung die Messparameter folgendermaßen variiert werden. Die Dauer der Probenahme wird verkürzt, die Probeaufgabedauer auf die MCC wird verkürzt und/oder die Gitteröffnungsdauer wird verkürzt. Dabei können alle oder nur einzelne der genannten Parameter variiert werden.
-
Wenn die Messvorrichtung aufgrund der Messergebnisse analysiert, dass die Probe eine geringe Peak-Konzentration aufweist, dann sind denkbare Messparametervariationen das Einstellen einer längeren Probenaufgabedauer und/oder einer längeren Gitteröffnungszeit.
-
Nach einem weiteren Aspekt der Offenbarung wird bei der zweiten Messung eine niedrige Flussrate eingestellt, wenn die erste Messung mit einer hohen Flussrate durchgeführt wurde. Die hohe Flussrate bedeutet ein schnelles Ergebnis der Messung. Deshalb kann es sinnvoll sein, die erste Messung mit der hohen Flussrate durchzuführen. Bei hoher Flussrate leidet aber die Auflösung der Messung. Deshalb wird die zweite Messung mit der niedrigen Flussrate durchgeführt. Dadurch ist die Auflösung der zweiten Messung höher als die Auflösung der ersten Messung. Es ist offensichtlich, dass es auch möglich ist, zuerst mit einer niedrigen Flussrate zu messen und die zweite Messung mit einer hohen Flussrate durchzuführen.
-
Nach einem weiteren Aspekt der Offenbarung werden die Messparameter der zweiten Messung derart anpasst, dass die Messparameter zur Detektion einer Krankheit und/oder zur Detektion von Analyten, die für die Krankheit typisch sind, geeignet sind, falls die Messvorrichtung aufgrund der ersten Messdaten ein Anzeichen für die Krankheit findet.
-
Die Messvorrichtung analysiert die ersten Messdaten. Wenn in den Messdaten Anzeichen einer bestimmten Krankheit auftreten, werden die Messparameter der zweiten Messung an die Krankheit angepasst. Das kann zum einen sein, dass die Messparameter zu einer genauen Quantifizierung von Analyten, die auf die Krankheit hinweisen oder bei der Krankheit auftreten, eingestellt werden. Andererseits werden die Messparameter derart eingestellt, dass die Messparameter zur Trennung bestimmter Analyten geeignet sind. Dies führt dazu, dass die zweiten Messdaten eine genauere Bestimmung der Krankheit zulassen bzw. eine Aussage darüber zulassen, ob der Patient wirklich an der vermuteten Krankheit erkrankt ist.
-
Offenbarungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Messverfahren gelöst, das auf einer Messvorrichtung gemäß den vorstehenden Aspekten abläuft. Das Messverfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Erste Probennahme
- - Erste Messung der Probe aus der ersten Probenahme mit den ersten Messparametern
- - Analyse der ersten Messdaten durch die Steuer- und Auswerteeinheit
- - Bewertung einer Lage und einer Intensität der Signale/ Messdaten
- - Einstellen der zweiten Messparameter basierend auf der Analyse der ersten Messdaten
- - Zweite Probennahme
- - Zweite Messung der Probe aus der zweiten Probenahme mit den zweiten Messparametern
- - Analyse der zweiten Messdaten durch die Steuer- und Auswerteeinheit
- - Gesamtbewertung der Signale der ersten und zweiten Messung durch die Steuer- und Auswerteeinheit
-
Offenbarungsgemäß wird die Aufgabe durch ein weiteres Messverfahren gelöst, das auf einer Messvorrichtung gemäß den vorstehenden Aspekten abläuft. Das Messverfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Probennahme mit Befüllung einer ersten Probenschleife und einer zweiten Probenschleife
- - Erste Messung der Probe aus der ersten Probenschleife mit den ersten Messparametern
- - Analyse der ersten Messdaten durch die Steuer- und Auswerteeinheit
- - Bewertung der Lage und Intensität der Signale/ Messdaten
- - Einstellen der zweiten Messparameter basierend auf der Analyse der ersten Messdaten
- - Zweite Messung der Probe aus der zweiten Probenschleife mit den zweiten Messparametern
- - Analyse der zweiten Messdaten durch die Steuer- und Auswerteeinheit
- - Gesamtbewertung der Signale der ersten und zweiten Messung durch die Steuer- und Auswerteeinheit
-
Figurenliste
-
- 1 ist eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Messvorrichtung;
- 2 ist ein Ablaufdiagramm eines Messvorgangs nach einer ersten Ausführungsform;
- 3 ist ein Ablaufdiagramm des Messvorgangs nach einer zweiten Ausführungsform.
-
Beschreibung der Ausführungsformen
-
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf der Basis der zugehörigen Figuren beschrieben.
-
Erste Ausführungsform
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus einer Messvorrichtung 1. Die Messvorrichtung 1 weist ein MCC 2, ein IMS 4 und eine Steuer- und Auswerteeinheit 6 auf. Die chromatographische Vortrennung 2 weist eine Anzahl an parallelen Kapillaren 8 auf. Das IMS 4 weist eine Driftkammer 10, eine Ionisationskammer 12, eine Ionenquelle 14, einen Ionendetektor 16 und ein Gitter 18, vorzugsweise ein Bradbury-Nielson Gitter, auf. Die chromatographische Vortrennung 2 ist dem IMS 4 in einer Flussrichtung einer Probe vorgelagert. Die chromatographische Vortrennung 2 steht mit dem IMS 4 derart in Verbindung, dass ein Probengas von der chromatographischen Vortrennung 2 zum IMS 4 strömen kann. Die Verbindung ist durch den Kanal 20 verdeutlicht. Der Kanal 20 ist geeignet, das Probengas, beispielsweise eine Ausatemluft eines Patienten, von der chromatographische Vortrennung 2 zum IMS 4 zu befördern. Die Probe strömt also zuerst durch die chromatographische Vortrennung 2 und danach durch das IMS 4.
-
Die Steuer- und Auswerteeinheit 6 wertet die Messdaten der Messvorrichtung 1 aus und stellt Messparameter der Messvorrichtung 1 ein. Bei der Steuer- und Auswerteeinheit 6 handelt es sich um einen Computer oder einen Mikrocontroller oder Ähnliches, der die Signale der Messvorrichtung auswerten kann. In der Steuer- und Auswerteeinheit 6 sind auch eine oder mehrere Probenschleifen 22 untergebracht. Der Patient atmet in die Probenschleife 22 aus. Die Ausatemluft des Patienten wird in der Probenschleife 22 gesammelt und im Verlauf der Messung erst durch die chromatographischen Vortrennung 2 und dann in das IMS 4 geleitet.
-
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Messverfahrens nach einer ersten Ausführungsform. In der ersten Ausführungsform wird ein Messvorgang mit einer ersten Messung und einer zweiten Messung von der Messvorrichtung 1 durchgeführt. Dabei wird bei der ersten Messung und der zweiten Messung jeweils eine eigene Probe entnommen.
-
Schritt 01 ist die erste Probennahme. Eine Probennahme ist beispielsweise, wenn ein Patient für eine bestimmte Zeitdauer in die Messvorrichtung ausatmet. In Schritt 02 wird die erste Messung mit ersten Messparametern durchgeführt. Die erste Messung ist eine Messung einer Probe aus der ersten Probenahme. In Schritt 03 wird eine erste Analyse der ersten Messdaten, die Messdaten der ersten Messung sind, von der Steuer- und Auswerteeinheit 6 durchgeführt. Dabei werden die Signale bezüglich Lage (Identifizierung) und Intensität (Quantifizierung) analysiert. In Schritt 04 werden die Signallagen und die Intensitäten der Signale bewertet. Falls viele intensive Peaks und Überlagerungen vorhanden sind, werden die zweiten Messparameter folgendermaßen angepasst. Die Dauer der Probenahme, die Probenaufgabedauer und/oder die Gitteröffnungsdauer werden verkürzt. Dabei kann jeder Parameter einzeln, oder alle Parameter zusammen variiert werden. Falls die ersten Messdaten eine gering Peak-Konzentration zeigen, werden die zweiten Messparameter folgendermaßen angepasst. Die Probenaufgabedauer und/oder die Gitteröffnungszeit werden verlängert. In Schritt 05 werden die zweiten Messparameter eingestellt. Das Einstellen der Messparameter kann sowohl händisch, als auch von der Messvorrichtung 1 automatisch erfolgen. In Schritt 06 wird eine zweite Probe genommen. D.h. es wird eine zweite Probenahme durchgeführt. In Schritt 07 wird die zweite Messung mit den zweiten Messparametern durchgeführt. Die zweite Messung ist eine Messung der Probe aus der zweiten Probenahme. In Schritt 08 wird eine zweite Analyse der zweiten Messdaten durchgeführt. Die zweiten Messdaten sind dabei Messdaten der zweiten Messung. Das Ergebnis der Analyse ist eine Bewertung der zweiten Messdaten bezüglich Lage (Identifizierung) und Intensität (Quantifizierung) der Signale. In Schritt 09 werden die Signale der ersten Analyse und der zweiten Analyse gemeinsam bewertet. Dabei wird eine Gesamtbewertung getroffen, die beispielsweise eine Diagnose einer Krankheit ist.
-
Zweite Ausführungsform
-
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Probennahme nicht für jede Messung einzeln erfolgt, sondern nur eine einzige Probe genommen wird. Die Probe wird in getrennte Probenschleifen genommen. Bei der ersten Messung wird die Probe aus der ersten Probenschleife verwendet und bei der zweiten Messung die Probe aus der zweiten Probenschleife. Wie in der ersten Ausführungsform unterscheiden sich die Messparameter der einzelnen Messungen.
-
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Messverfahrens nach einer zweiten Ausführungsform. In Schritt 101 wird die Probe zur Befüllung der ersten Probenschleife und der zweiten Probenschleife genommen. In Schritt 102 wird die erste Messung mit den ersten Messparametern durchgeführt. Die erste Messung ist eine Messung der Probe in der ersten Probenschleife. In Schritt 103 wird eine erste Analyse der ersten Messdaten, die Messdaten der ersten Messung sind, durchgeführt. Dabei werden die Signale bezüglich Lage (Identifizierung) und Intensität (Quantifizierung) analysiert. In Schritt 104 werden die Signallagen und die Intensitäten der Signale bewertet. Falls viele intensive Peaks und Überlagerungen vorhanden sind, werden die zweiten Messparameter folgendermaßen angepasst. Die Dauer der Probenahme, die Probenaufgabedauer und/oder die Gitteröffnungsdauer werden verkürzt. Dabei kann jeder Parameter einzeln, oder alle Parameter zusammen variiert werden. Falls die ersten Messdaten eine gering Peakkonzentration zeigt, werden die zweiten Messparameter folgendermaßen angepasst. Die Probenaufgabedauer und/oder die Gitteröffnungszeit werden verlängert. In Schritt 105 werden die zweiten Messparameter eingestellt. Das Einstellen der Messparameter kann sowohl händisch, als auch von der Messvorrichtung automatisch erfolgen. In Schritt 106 wird die zweite Messung mit den zweiten Messparametern durchgeführt. Die zweite Messung misst die Probe aus der zweiten Probenschleife. In Schritt 107 wird eine zweite Analyse der zweiten Messdaten durchgeführt. Die zweiten Messdaten sind dabei Messdaten der zweiten Messung. Das Ergebnis der Analyse ist eine Bewertung der zweiten Messdaten bezüglich Lage (Identifizierung) und Intensität (Quantifizierung) der Signale. In Schritt 108 werden die Signale der ersten Analyse und der zweiten Analyse gemeinsam bewertet. Dabei wird eine Gesamtbewertung getroffen, die beispielsweise eine Diagnose einer Krankheit ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 10429348 B2 [0005]
- EP 2889616 A1 [0005]
- US 20210025849 A1 [0005]
