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Die Erfindung betrifft ein medizinisches Gerät zur Bestimmung von Bestandteilen des Exspirationsvolumens unter Verwendung eines Durchströmsensors und eines Durchflussmessers.
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Derartige medizinische Geräte sind bekannt.
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In der
WO 2008/106 961 A2 wird ein transportabler Pneumotachograph zur Bestimmung von Bestandteilen des Exspirationsvolumens beschrieben, der aufweist einen Prozessor, ein ausatemseitig am Pneumotachographen angebrachtes PEEP-Ventil, einen einatemseitig am Pneumotachographen angebrachten Filter zum Entfernen des Anteils an zu bestimmendem Bestandteil in der Inspirationsluft, mindestens einen im oder Pneumotachographenrohr angebrachten Sensor, wobei bei einem am Pneumotachographenrohr angeordneten Sensor das Pneumotachographenrohr sensorseitig eine Öffnung aufweist und/oder mindestens ein im Pneumotachographenrohr eingerichtetes Mittel zur Probennahme und ferner eine optische und/oder akustische Kontrolle des Exspirationsstroms. Ermöglicht wird eine Korrelation von erfassten Messdaten eines oder mehrerer Bestandteile des Ausatemstromes mit einer Lungenfunktionsprüfung, wobei die Analytik unter Beachtung standardisierter Guidelines erfolgen kann und eine Lokalisierung des Krankheitsherdes ermöglicht.
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Aus der
DE 10 2010 014 008 A1 ist ein Pneumotachograph mit erweiterter Funktionalität bekannt, bei dem zur Isolierung von mindestens im Atemkondensat eines Exhalats enthaltenen Analyten in mindestens einem Strömungskanal, der über einen Einlass und einen Auslass für das Exhalat verfügt, mindestens eine Trägerstruktur zum Auffangen und Sammeln des Atemkondensats und/oder mindestens ein Sensor zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung mindestens eines im Atemkondensat enthaltenen Analyten mit Elektroden angeordnet ist, wobei die mindestens eine Trägerstruktur zum Auffangen und Sammeln des Atemkondensats im Strömungskanal austauschbar sind, die Trägerstruktur und/oder der Sensor mit seiner mindestens einen Trägerstruktur mindestens zeitweilig fluiddurchlässig sind, so dass sie vom atemkondensathaltigen Exhalat durchströmbar sind, und die Trägerstruktur und/oder der Sensor mit seiner mindestens einen Trägerstruktur mit ihren jeweiligen umfangsseitigen Gehäusen den Querschnitt des Strömungskanals vollflächig ausfüllen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Arbeitsweise eines derartigen medizinischen Gerätes mit einem Durchströmsensor zur Bestimmung von Bestandteilen des Exspirationsvolumens durch vorrichtungsseitige und steuerungstechnische Maßnahmen zu optimieren und hochgradig in der Funktionsweise zu automatisieren.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Vorrichtungsanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße medizinische Gerät zur Bestimmung von Bestandteilen des Exspirationsvolumens weist mindestens nachfolgende Gerätebauteile auf, die strömungstechnisch miteinander verbunden sind:
- – patientenseitig einen Luftverteiler, aufweisend mindestens einen durch ein Ventil verschließbaren Lufteinlass für gefilterte Umgebungsluft, einen Anschluss zu einem Atmungsrohr mit Mundstück, wobei im Atmungsrohr oder im Anschluss des Luftverteilers zum Atmungsrohr eine Verschlussmittel angeordnet ist, das mindestens in die Positionen „verschlossenes Atmungsrohr” und „geöffnetes Atmungsrohr” bewegbar ist, und einen Auslass für das gesamte Exspirationsvolumen,
- – einen am Auslass des Luftverteilers oder in einem am Auslass des Luftverteilers angeschlossenen Strömungsleitrohr eingerichten, in einem Sensoraufnehmer angeordneten Durchströmsensor zur Bestimmung mindestens eines Bestandteils des Exspirationsvolumens,
- – einen in Strömungsrichtung hinter dem Durchströmsensor angeordneten Flowgenerator mindestens zum gesteuerten Absaugen des gesamte Exspirationsvolumens durch den Durchströmsensor,
- – einen Durchflussmesser zur Bestimmung des den Durchströmsensor durchströmenden Fluidstroms,
- – einen Druckmesser vor oder hinter dem Durchströmsensor zur Ermittlung eines Aktivierungsdruckes für den Flowgenerator,
- – eine Liquiddispenservorrichtung zur Abgabe oder zur Erzeugung eines Aerosolnebels in Strömungsrichtung vor dem Durchströmsensor sowie
- – eine Steuereinheit mindestens zur Steuerung des Flowgenerators und der Liquiddispenservorrichtung.
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Der Innenraum des Luftverteilers weist vorzugsweise ein geringes Volumen auf, um das Todvolumen, das nicht in die Messwerterfassung einfließt, möglichst klein zu halten.
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Der Sensoraufnehmer mit dem Durchströmsensor als bauliche Einheit ist bevorzugt als ein Wechselbauteil ausgestaltet, um einen einfachen und schnellen Austausch des Durchströmsensor mit seinem Sensoraufnehmer zuzulassen, ohne das medizinische Gerät auseinandermontieren zu müssen.
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Auf diese Weise kann das Gerät zur Bestimmung der verschiedensten Analyten (Bestandteile des Exhalats) genutzt werden. Bevorzugte Analyten sind Biomarker im Atemkondensat wie beispielsweise H2O2, Leukotriene, Prostaglandine oder Interferone als Indikatoren für krankhafte Veränderungen der Lunge.
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Der Durchströmsensor ist vorzugsweise ein Sensor ausgewählt aus der Gruppe „elektrochemischer Sensor, biochemischer Sensor, enzymatischer Sensor, Chemilumineszenzsensor, NO-Sensor, O2-Sensor, H2O2-Sensor, CO2-Sensor, CO-Sensor” und/oder einem Kombinationssensor aus den genannten Sensorentypen.
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Der Durchströmsensor kann zusätzlich oder alternativ ab- oder adsorptive Eigenschaften aufweisen, um einen zu bestimmenden Bestandteil (Biomarker) für nachfolgende externe Analysen aus dem Exhalat heraus zu filtern bzw. diesen zu binden.
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Der Durchflussmesser kann ein Durchflusssensor bekannter Bauart oder auch ein Pneumotachograph sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann zusätzlich zur Steuereinheit eine Anzeige- und Rechnereinheit eingerichtet sein. In der einfachsten Ausgestaltungsform ist dies ein PC oder Tablet PC mit einer Bedienungsoberfläche für bekannte Operationen wie Programmierung und Bedienung des Gerätes sowie Messerfassung, Messwertberechnung und Messwertausgabe. In der Steuereinheit und/oder in der Anzeige- und Rechnereinheit können zudem Programme oder Programmmodule für den Ablauf einzelner oder einer Mehrzahl von Verfahrensschritten des Betriebsverfahrens sowie für den Betrieb und die Messwerterfassung unterschiedlicher Durchströmsensoren hinterlegt und dort aufrufbar gespeichert sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist das erfindungsgemäße medizinische Gerät als Handgerät ausgebildet. In dieser Ausgestaltungsform erfolgt der Betrieb des Gerätes im Wesentlichen vollautomatisch, bei der die Bedienung des Gerätes über einen PC oder Tablet PC entfällt. Die für die Messwerterfassung erforderlichen Programme und Steuerelemente sind hierbei in die Steuereinheit integriert, so dass der Patient die Messwerterfassung selbständig vornehmen kann.
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Der Flowgenerator, hier ein aktiver, der durch eine Pumpwirkung einen Fluidstrom erzeugt, kann in einem separaten Gehäuse eingehaust sein. Für den Verbund mit den Strömungsleitungen des medizinischen Gerätes kann der Flowgenerator oder dessen Gehäuse mit einem Adapter mit einer vorzugsweise schlauchförmigen Zuführungsleitung ausgestattet sein, der endseitig an das Strömungsleitrohr oder an die Ausgangsöffnung des Sensorhalters angesetzt ist. Der Adapter schließt die benannten Anschlüsse umgebungsseitig luftdicht ab.
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Der Flowgenerator erfüllt mehrere Funktionen. Dessen Hauptfunktion ist, in der Exhalationsphase einen definierten, im Wesentlichen konstanten Fluidstrom des vollständigen Exhalats durch den Durchströmsensor zu erzeugen, der vorzugsweise über die Exhalationsphase hinaus aufrecht gehalten wird, um den Durchströmsensor nach Abschluss einer Exhalation zur Entfernung des Exhalats mit gefilterter Umgebungsluft zu spülen.
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Desweiteren wird der Flowgenerator während der Temperatureinstellung des Durchströmsensors genutzt, indem der durch die Liquiddispenservorrichtung vor dem Durchströmsensor erzeugte Aerosolnebel durch den Durchströmsensor abgesaugt wird und diesen durch Befeuchtung temperiert.
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Dies kann gleichzeitig mit dem Spülvorgang zwischen aufeinanderfolgenden Exspirationsphasen erfolgen oder als gesonderte Maßnahme.
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Ferner wird der Flowgenerator bei der Kalibrierung und zur Nullpunktfestsetzung des Messystems zur Versorgung der Messgerätebauteile mit gefilterter Umgebungsluft betrieben.
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Die Funktion des Flowgenerators ist, das Exhalat aus dem Luftverteiler durch den Durchströmsensor hindurch zu ziehen, in dem eine detektierbare Reaktion des zu analysierenden Bestandteils stattfindet. Alternativ kann der zu analysierende Bestandteil auf der Oberfläche des Durchströmsensors gebunden und anschließend in einem nachfolgenden Nachweisverfahren quantitativ und/oder qualitativ analysiert werden.
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Der Flowgenerator ist in der einfachsten Ausführungsform eine Pumpe, deren Pumpleistung steuer- und regelbar ist.
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Der Flow durch den Durchströmsensor liegt bei 20 ml/s bis 100 ml/s, vorzugsweise bei 30 bis 70 ml/s, insbesondere bei 50 ml/s.
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Die Liquiddispenservorrichtung, mittels der die Durchströmsensortemperatur auf einen nahezu konstanten Wert gehalten wird, ist ein Nebulizer, Sprayer oder ein Atomizer.
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Insbesondere wenn die Liquiddispenservorrichtung ein Nebulizer ist, verfügt diese über einen separaten Lufteinlass für gefilterte und durch eine Pumpe angesaugte Umgebungsluft und die mit Liquid angereicherte Luft wird gesteuert durch die Steuereinheit über einen weiteren Lufteinlass in den Luftverteiler eingeblasen und durch den Flowgenerator durch den Durchströmsensor abgesaugt. Dieser wird dabei temperiert.
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Je nach Förderleistung der Pumpe kann dabei auf gefilterte Umgebungsluft über den Lufteinlass des Luftverteilers verzichtet werden.
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Bevorzugt ist bei dieser Ausführung neben dem Verschlussmittel im Atmungsrohr oder im Anschlussrohr des Luftverteilers zum Atmungsrohr auch das Ventil des Lufteinlasses in den Luftverteiler gesteuert durch die Steuereinheit motorisch verstellbar.
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Ist die Liquiddispenservorrichtung ein Sprayer oder ein Atomizer ist in einer bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass diese direkt durch die Steuereinheit zur Abgabe von Liquid in den Luftverteiler ansteuerbar sind, wobei die Luft über den Lufteinlass des Luftverteilers zuführbar ist.
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Als Liquid wird im einfachsten Fall destilliertes Wasser verwendet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an dem Luftverteiler eine Kalibriereinheit angeordnet, die über einen separaten Lufteinlass für gefilterte und durch eine Pumpe, gesteuert durch die Steuereinheit, angesaugte Umgebungsluft verfügt und die einen gesonderten Einlass in den Luftverteiler aufweist zur Abgabe eines Kalibriergases oder einer Kalibrierflüssigkeit vor den Durchströmsensor.
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Die Liquiddispenservorrichtung und die Kalibriereinheit werden bevorzugt über ein steuerbares Umschaltventil an eine gemeinsame Pumpe für gefilterte Umgebungsluft angeschlossen.
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Die Druckmessung mit einem Druckmesser wird genutzt, um einen Druckanstieg in den Strömungsleitungen, vorzugsweise im Luftverteiler und/oder im Strömungsleitrohr, zu detektieren, der bedingt ist durch den bei der Exhalation des Patienten erzeugten Ausatemdruck und/oder durch den Strömungswiderstand des Durchströmsensors.
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Der Strömungswiderstand des erfindungsgemäßen medizinischen Gerätes inklusive des elektrochemischen Durchströmsensors generiert vorzugsweise 1 bis 20 mbar Druck, vorzugsweise 3 bis 4 mbar.
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Da vorzugsweise das medizinische Gerät auf der dem Luftverteiler gegenüberliegenden Seite des Durchströmsensors zur Umgebung geschlossen ist, findet bei geschlossenem Ventil im Lufteinlass des Luftverteilers kein Druckausgleich zur Umgebung statt, so dass bei Einsetzen der Exhalation ein stätiger Druckanstieg verzeichnet werden kann.
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Erst bei Erreichen oder Überschreiten eines definierten Innendrucks (Aktivierungsdruck) im Luftverteiler oder im Strömungsleitrohr (Drucktriggerschwelle) wird der Flowgenerator angeschaltet. Die Steuerung- und Regelung des Flowgenerators erfolgt mittels der Steuereinheit, die die ermittelten Druckwerte des Druckmessers verarbeitet und in entsprechende Steuer- und Regelungssignale zur Einstellung der Flowrate (Förderleistung) am Flowgenerator umwandelt und an diesen weiterleitet.
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Durch den durch den Patienten initiierten Druckanstieg im Luftverteiler oder im Strömungsleitrohr in der Anfangsphase der Exhalation wird zusätzlich erreicht, dass die Lunge des Patienten ausreichend ventiliert und geöffnet wird sowie das Velum möglichst geschlossen ist.
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Der Differenzdruck in Folge des Druckanstiegs im erfindungsgemäßen medizinischen Gerät, bei dem der Flowgenerator eingeschaltet bzw. aktiviert wird, liegt zwischen 1 mbar bis 7 mbar, vorzugsweise zwischen 2 mbar bis 5 mbar, insbesondere bei 3 mbar. Der Differenzdruck wird im weiteren Kontext als Aktivierungsdruck für den Flowgenerator bezeichnet.
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Ein Druckmesser kann ein Drucksensor oder ein Differenzdruckmesser sein.
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Das den Lufteinlass in den Luftverteiler verschließende Ventil ist in einer bevorzugten Ausführung ein Einwegeventil zum Einlass von gefilterter Umgebungsluft, das selbständig schließt sobald die Inhalation abgeschlossen ist, spätestens aber mit Einsetzen des Exhalationsluftstroms. Bei einer anderen Ausführung ist das den Lufteinlass verschließende Ventil motorisch verstellbar und durch die Steuereinheit ansteuerbar.
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Vor dem Lufteinlass des Luftverteilers ist vorzugsweise ein Luftfilter, insbesondere ein Scrubberfilter eingerichtet, mit dem die in der Umgebungsluft enthaltenen zu ermittelnden Bestandteile oder anderweitige Verbindungen, die die Analyse des Exhalats stören oder verfälschen können, herausgefiltert werden.
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Das Verschlussmittel im Atmungsrohr oder im Anschluss des Luftverteilers zum Atmungsrohr kann eine verstellbare Klappe, ein Ventil, eine verschließbare Blende, vorzugsweise eine Ringblende oder ein anderes bautechnisches Verschlussmittel zum Verschließen von Strömungsrohren sein. Zur Einbindung in die prozesstechnische Steuerungs- und Regelungseinheit des erfindungsgemäßen medizinischen Gerätes ist das Verschlussmittel bevorzugt mit einem mit der Steuer- und Regelungseinheit verbundenen Verstellmotor ausgestattet. Alternativ kann ein mechanischer Verriegelungsmechanismus eingerichtet sein, der handbetätigbar ist.
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Durch das Verschließen des Atmungsrohres oder des Luftverteileranschlusses, an dem das Atmungsrohr angesetzt ist, wird verhindert, dass während des Ansaugens von gefilterter Umgebungsluft mittels des Flowgenerators zu Spülzwecken in der Initialisierungsphase oder zur Regenerierung des Durchströmsensors für nachfolgende Messungen ungefilterte Umgebungsluft oder Atemgase des Patienten durch das Atmungsrohr mit angesaugt werden.
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Zur Steigerung der Belüftung der Lunge (Ventilation) und/oder zur Steigerung der Freisetzung von in der Lunge enthaltenen bestandteilhaltigen Aerosolen kann das erfindungsgemäße medizinische Gerät mit einem Schwingungserreger und/oder mit einem Druckmodulator ausgestattet sein, mit dem der Inspirationsluftstrom während der Inspirationsphase in Schwingungen und/oder in Druckwellen versetzt wird.
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Vorzugsweise ist zur Erzeugung eines schwingungs- und/oder druckwellenüberlagerten Inspirationsluftstromes der Schwingungserreger und/oder der Druckmodulator an oder in den zu den Atemwegen leitenden Strömungskanälen des Luftverteilers oder des Atmungsrohres eingerichtet.
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In einer bevorzugten Ausführung sind die Strömungskanäle des Luftverteilers Y-förmig angeordnet, d. h. der Auslass und das Atmungsrohr und/oder der Anschluss für die Liquiddispenservorrichtung und das Atemrohr schließen jeweils einen stumpfen Winkel ein und der Lufteinlass ist seitlich in den Strömungskanal Auslass-Atmungsrohr eingelassen. Dies ist eine mögliche strömungstechnisch optimierte Strömungskanalanordnung im Luftverteiler.
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In einer besonderen Ausführungsform besteht das erfindungsgemäße medizinische Gerät aus einzelnen Gerätebauteilmodulen, die zueinander korrespondierende Anschlussmittel aufweisen, so dass das medizinische Gerät je nach Anwendungsfall modular aus den erforderlichen Gerätebauteilen zusammengesetzt werden kann. Durch diese Ausgestaltungsform kann nicht nur ein Austausch, sondern auch eine Änderung der Reihenfolge der Gerätebauteile oder Entfernung einzelner Gerätebauteile erfolgen.
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Insbesondere sind mindestens der Sensoraufnehmer, der Adapter des Flowgenerators, der Luftverteiler, die Liquiddispenservorrichtung, die Kalibriereinheit und das Atmungsrohr sowie der Schwingungserreger als solitäre Gerätebauteile ausgeführt, die miteinander über lösbare Verbindungsmittel verbindbar sind. Derartige lösbare Verbindungen können Schraub-, Steck-, Rast- oder Bajonettverbindungen sein, die abgedichtet ausgeführt sind. Die Liquiddispenservorrichtung und die Kalibriereinheit können zusammen mit der sie versorgenden Pumpe auch als ein Bauteil ausgeführt sein.
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Der Betrieb des erfindungsgemäßen medizinischen Gerätes erfolgt bevorzugt rechnergesteuert. Die einzelnen Betiebsphasen sind vorzugsweise als separate Programmmodule in der Steuereinheit oder im Rechner (Rechner- und Anzeigeeinheit) gespeichert, die als Gesamtheit oder bei Bedarf auch separat aufgerufen und gestartet werden können. Die einzelnen Betriebsphasen werden nachstehend erläutert.
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Vor der Initialisierung des medizinischen Gerätes wird zuerst der für die Erfassung des zu analysierenden Bestandteils erforderliche Sensor mit dem Sensoraufnehmer mit dem medizinischen Gerät verbunden.
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Zur Initialisierung des erfindungsgemäßen Gerätes wird das Verschlussmittel im Atmungsrohr oder Luftverteilerauslass durch Verbringen in die Position „verschlossenes Atmungsrohr” geschlossen. Nach dessen Verschluss wird zum Spülen des mindestens einen Durchströmsensors das Messprogramm gestartet und der Flowgenerator eingeschaltet, wodurch durch den geöffneten Lufteinlass des Luftverteilers, vorzugsweise für eine vorgegebene Dauer, gefilterte Umgebungsluft durch den Durchströmsensor gesaugt wird. Der sogenannte Spülflow kann zwischen 10 ml/s bis 300 ml/s liegen, in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Durchflusssensors. Vorzugsweise beträgt der Spülflow 50 ml/s bis 100 ml/s.
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Nachfolgend wird bei ausgeschaltetem Flowgenerator und geschlossenem Verschlussmittel der Nullpunkt des Messsystems eingestellt.
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Mit dem Begriff „Nullpunkt des Messsystems” sind die Einregulierung und der Einschwingungsvorgang des Messaufbaus bis zum Erreichen eines konstanten Zustandes bezeichnet.
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Anschließend startet vorzugsweise eine Check-Up-Phase des Durchströmsensors, insofern es sich um einen elektrochemischen Sensor handelt. Hierin wird der Durchströmsensor elektronisch aktiviert und ein Einschwingungsvorgang des Ruhestromes läuft ab. Nach Erreichen eines definierten Schwellenwertes springt das Programm in den Modus „Messwertaufnahme”.
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Zu Beginn der der Initialisierung nachfolgenden Inspirationsphase, in der der Patient durch das medizinische Gerät hindurch einatmet, wird das Verschlussmittel in die Position „geöffnetes Atmungsrohr” verbracht und das Ventil im Lufteinlass, motorisch gesteuert oder im Handbetrieb, geöffnet, so dass der Patient in der Inspirationsphase gefilterte Umgebungsluft über den ebenfalls geöffneten Lufteinlass des Luftverteilers einatmen kann.
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Während der Inspirationsphase von gefilterter Umgebungsluft bleibt der Flowgenerator ausgeschaltet.
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Zu Beginn der der Inspirationsphase nachfolgenden Exspirationsphase, in der der Patient in das medizinische Gerät hinein ausatmet, wird das Ventil des Lufteinlasses mechanisch oder motorisch geschlossen und der Exspirationsluftstrom durch den Auslass des Luftverteilers dem mindestens einen Durchströmsensor vollständig zugeleitet.
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Nach Beginn der Exspirationsphase wird der Flowgenerator bei Erreichen oder Überschreiten eines definierten Aktivierungsdrucks eingeschaltet. Der Aktivierungsdruck wird mit einem Druckmesser, der in einem Strömungskanal downstreamseitig zum Durchströmsensor oder im Luftverteiler oder im Atmungsrohr upstreamseitig zum Durchströmsensor eingerichtet sein kann, ermittelt und die erfassten Werte an die Steuereinheit weitergeleitet, die den Flowgenerator ansteuert und aktiviert. Der Flowgenerator erzeugt daraufhin die für die Messwerterfassung am und im Durchströmsensor erforderliche Fluidströmung.
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Die Dauer der Exspirationsphase beträgt zwischen 5 bis 30 Sekunden, vorzugsweise 10 bis 20 Sekunden.
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Zusätzlich wird mindestens über die Dauer der Exspirationsphase mit dem Durchflussmesser der den Durchströmsensor durchströmende Fluidstrom (Volumenstrom) bestimmt, auf Basis dessen die Berechnung der Biomarkerkonzentration pro Volumeneinheit erfolgen kann.
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Mindestens die Messwerte des oder der Durchströmsensoren, des Druckmessers und des Durchflussmessers werden mit der Steuereinheit erfasst und durch die Steuereinheit zu Steuersignalen und/oder Regelungssignalen und/oder Anzeigesignalen für die Gerätebauteile verarbeitet.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform können einige der genannten Operationen von einem PC oder Tablet PC vorgenommen und mittels einer Anzeigeeinheit Ergebnisse und Verläufe angezeigt werden.
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Vorzugsweise wird nach dem Abschluss der Exspirationsphase das Verschlussmittel im Atmungsrohr oder Luftverteilerauslass in die Position „verschlossenes Atmungsrohr” gebracht, um anschließend den Durchströmsensor mit gefilterter Umgebungsluft zu spülen, wobei die gefilterte Umgebungsluft mittels des Flowgenerators durch den Durchströmsensor gesaugt wird.
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Wird vor dem oder während des Spülens durch die Liquiddispenservorrichtung vor dem Durchströmsensor ein Aerosolnebel erzeugt, wird der Durchströmsensor gleichzeitig durch Befeuchten temperiert, so dass die Durchströmsensortemperatur nahezu den gleichen Wert aufweist wie vor der ersten Exspirationsphase.
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Wird ein Nebulizer verwendet, saugt dieser bevorzugt über einen separaten Lufteinlass mittels einer Pumpe gefilterte Umgebungsluft an und setzt dieser das Liquid zu. Die Aktivierung der Pumpe wird gesteuert durch die Steuereinheit.
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Ist die Liquiddispenservorrichtung ein Sprayer oder ein Atomizer wird die Abgabe von Liquid in den Luftverteiler in den Spülflow direkt durch die Steuereinheit angesteuert.
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Dabei wird der Sensor temperiert, vom Exhalat befreit, der Nullwert ermittelt und der Sensor für die nächste Messwertaufnahme vorbereitet.
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Zum Zwecke der Kalibrierung wird bei geöffnetem Ventil in den Luftverteiler, geschlossenem Verschlussmittel und abgeschalteter Liquiddispenservorrichtung eine Kalibrierflüssigkeit oder ein Kalibriergas aus einer Kalibriereinheit vor dem Durchströmsensor abgegeben und zusammen mit gefilterter Umgebungsluft durch den Flowgenerator durch den Durchströmsensor gesaugt.
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Zur Steigerung der Lungenventilation und Freisetzung von Lungenaerosolen kann mit Beginn der Inspirationsphase oder zeitlich versetzt im weiteren Verlauf der Inspirationsphase der Inspirationsluftstrom mit einem Schwingungserreger oder einem Druckmodulator in Schwingung versetzt werden, um eine Vibration der Lunge zu generieren, durch die die bestandteilhaltigen Aerosole der Lunge in das Exhalat freigesetzt werden.
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Zur Vermeidung von falsch positiven Messergebnissen kann die gefilterte Umgebungsluft auf den Gehalt eines des oder mehrere der zu bestimmenden Bestandteile und/oder auf den Gehalt störender Verbindungen, die die Messung stören oder verfälschen können, analysiert werden. Die Analyse der gefilterten Umgebungsluft erfolgt vorzugsweise vor der Inspirationsphase. In der Analysephase der Umgebungsluft ist das Verschlussmittel im Atmungsrohr oder Luftverteilerauslass durch Verbringen in die Position „verschlossenes Atmungsrohr” geschlossen.
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Bei Ermittlung mindestens einer für das Messsystem nicht tolerierbaren Konzentration eines zu bestimmenden Bestandteils und/oder einer die Messwerterfassung störenden Verbindung in der gefilterten Umgebungsluft kann ein Warnsignal ausgegeben und/oder die Fortsetzung des Verfahrens prozessgesteuert unterbrochen werden.
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Natürlich ist es auch möglich, ungefilterte Umgebungsluft zu analysieren, in dem der im Luftverteiler eingangsseitig angeordnete Filter entfernt wird.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine erste Ausführungsform des medizinischen Geräts,
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2: eine zweite Ausführungsform des medizinischen Gerätes
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3: die Betriebsphasen in chronologischer Reihenfolge mit Temperierung des Durchströmsensors.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform des medizinischen Geräts zur Bestimmung von Bestandteilen (Biomarkern) des Exspirationsvolumens, bei dem die Gerätebauteile strömungstechnisch miteinander verbunden sind und ein Flowgenerator 13 Verwendung findet. Das erfindungsgemäße medizinische Gerät umfasst einen Luftverteiler 1, der ein durch ein Ventil 3 verschließbaren Lufteinlass 2 für gefilterte Umgebungsluft, einen Anschluss zu einem Atmungsrohr 4 mit einem Mundstück 10 und einen Auslass 5 aufweist.
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Vor dem Lufteinlass 2 des Luftverteilers 1 ist ein Scrubberfilter 19 eingerichtet, mit dem die in der Umgebungsluft enthaltenen zu ermittelnden Bestandteile oder anderweitige Verbindungen, die die Analyse des Exhalats stören oder verfälschen können, herausgefiltert werden.
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Der Durchströmsensor 6 zur Bestimmung mindestens eines Bestandteils des Exspirationsvolumens bildet mit dem Sensoraufnehmer 7 eine bauliche Einheit, die in einem am Auslass 5 des Luftverteilers 1 angeschlossenen Strömungsleitrohr 8 eingerichtet ist. Der Durchströmungssensor 6 erstreckt sich über die gesamte Querschnittsfläche des Strömungsleitrohres 8.
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Zur Messwerterfassung sowie zur Steuerung und Regelung des Durchströmsensors 6 verfügt dieser über eine Geräteschnittstelle 16 mit entsprechender Signalleitung zur Steuereinheit 12, in der die sensorspezifischen elektronischen Bauteile integriert sind.
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Im downstreamseitig zum Durchströmsensor 6 befindlichen Abschnitt des Strömungsleitrohres 8 sind ein Druckmesser 11 und ein Durchflussmesser 9 zur Bestimmung des den Durchströmsensor durchströmenden Volumenstroms eingerichtet, jeweils aufweisend Geräteschnittstellen 16 mit entsprechender Signalleitung zur Steuereinheit 12.
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Der Flowgenerator 13 ist in einem separaten Gehäuse eingehaust. Für den Anschluss an das Strömungsleitrohr 8 des medizinischen Gerätes ist der Eingang des Flowgeneratorgehäuses mit einer schlauchförmigen Zuführungsleitung ausgestattet, an dessen Ende ein Adapter 18 eingerichtet, über den der Flowgenerator 13 mit dem Ende des Strömungsleitrohres 8 verbunden ist. Der Adapter 18 schließt das Strömungsleitrohr 8 umgebungsseitig luftdicht ab.
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Der Flowgenerator 13 kann über eine weitere Geräteschnittstelle 16 mit entsprechender Signalleitung an die Steuereinheit 12 angeschlossen sein.
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Bei Erreichen oder Überschreiten eines definierten Aktivierungsdrucks (Drucktriggerschwelle) im Strömungsleitrohr 8 wird der Flowgenerator 13 angeschaltet. Die Steuerung- und Regelung des Flowgenerators 13 erfolgt über die Steuereinheit 12, die die ermittelten Druckwerte des Durchflussmessers 9 aufnimmt, verarbeitet und in entsprechende Steuer- und Regelungssignale zur Einstellung der Flowrate (Förderleistung) am Flowgenerator 13 umwandelt und an diesen weiterleitet.
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Im Atmungsrohr 4, das an den Luftverteiler 1 angeschlossen ist, ist ein Verschlussmittel 14 in Form einer Klappe angeordnet, das mindestens in die Positionen „verschlossenes Atmungsrohr” und „geöffnetes Atmungsrohr” bewegbar ist.
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Weiter ist am Luftverteiler 1 eine Liquiddispenservorrichtung 17 angeordnet. Hierbei handelt es sich um ein Sprayer oder Atomizer, der gesteuert durch die Steuereinheit 12 ein Aerosolnebel vor dem Durchströmsensor 6 erzeugt, der zusammen mit der Umgebungsluft aus dem Lufteinlass 2 durch den Durchströmsensor 6 durch den Flowgenerator 13 abgesaugt wird. Der Durchströmsensor 6 wird so durch Befeuchten temperiert.
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Am Luftverteiler 1 kann zur Erzeugung eines schwingungsüberlagerten Inspirationsstromes ein nicht dargestellter Schwingungserreger eingerichtet sein.
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Zur Programmierung, Bedienung des medizinischen Gerätes sowie zur Anzeige von Ergebnissen und Prozessabläufen ist zusätzlich zur Steuereinheit 12 ein PC 15 mit Tastatur und Bildschirm eingerichtet.
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Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des medizinischen Geräts zur Bestimmung von Bestandteilen (Biomarkern) des Exspirationsvolumens mit einem aktiven Flowgenerator 13, bei dem die Gerätebauteile ebenfalls strömungstechnisch miteinander verbunden sind.
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Das erfindungsgemäße medizinische Gerät umfasst einen Luftverteiler 1, der ein durch ein Ventil 3 verschließbaren Lufteinlass 2 für gefilterte Umgebungsluft, einen Anschluss zu einem Atmungsrohr 4 mit einem Mundstück 10 und einen Auslass 5 aufweist.
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Vor dem Lufteinlass 2 des Luftverteilers 1 ist ein Scrubberfilter 19 eingerichtet, mit dem die in der Umgebungsluft enthaltenen zu ermittelnden Bestandteile oder anderweitige Verbindungen, die die Analyse des Exhalats stören oder verfälschen können, herausgefiltert werden.
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Der Durchströmsensor 6 zur Bestimmung mindestens eines Bestandteils des Exspirationsvolumens bildet mit dem Sensoraufnehmer 7 eine bauliche Einheit, die direkt am Auslass 5 des Luftverteilers 1 eingerichtet ist. Der Durchströmungssensor 6 erstreckt sich über die gesamte Querschnittsfläche des Auslasses 5.
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Zur Messwerterfassung sowie zur Steuerung und Regelung des Durchströmsensors 6 verfügt dieser über eine Geräteschnittstelle 16 mit entsprechender Signalleitung zur Steuereinheit 12, in der die sensorspezifischen elektronischen Bauteile integriert sind.
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Der Flowgenerator 13 in Form einer Pumpe ist in einem separaten Gehäuse eingerichtet. In diesem Gehäuse befinden sich zusätzlich die Steuereinheit 12 sowie der Durchflussmesser 9.
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Für den Anschluss an den Sensorhalter 7 ist der Eingang des Flowgeneratorgehäuses mit einer schlauchförmigen Zuführungsleitung ausgestattet, über die der Flowgenerator 13 mit dem Ausgang des Sensorhalters 7 verbunden ist.
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Der Drucksensor 11 ist im Luftverteiler 1 vor dem Durchströmsensor 6 eingerichtet und verfügt über eine Geräteschnittstelle 16 mit entsprechender Signalleitung zur Steuereinheit 12 im Flowgeneratorgehäuse.
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Im Luftverteiler 1 ist im Anschlussbereich für das Atmungsrohr 4 ein Verschlussmittel 14 in Form einer Klappe angeordnet, das mindestens in die Positionen „verschlossenes Atmungsrohr” und „geöffnetes Atmungsrohr” bewegbar ist. Dies erfolgt bevorzugt durch ein Verstellmotor, der durch die Steuereinheit 12 ansteuerbar ist.
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Die Liquiddispenservorrichtung 17 ist hier ein Nebulizer, der über einen separaten Lufteinlass mittels einer durch die Steuereinrichtung 12 angesteuerten Pumpe 20 gefilterte Umgebungsluft ansaugt und dieser das Liquid zur Erzeugung eines Aerosolnebels zusetzt. Dieser wird in den Luftverteiler 1 in Strömungsrichtung vor dem Durchströmsensor 6 abgegeben. Bei dieser Ausführung kann bei entsprechendem Fördervolumen der Pumpe 20 auf zusätzliche gefilterte Umgebungsluft über den Lufteinlass 2 verzichtet werden. Das Absaugen durch den Durchströmsensor 6 übernimmt auch hier der Flowgenerator 13. Die Temperierung des Durchströmsensors 6 durch Befeuchten kann so als gesonderter Verfahrensschritt betrieben werden. Bevorzugt ist bei dieser Ausführung das Ventil 3 des Lufteinlasses 2 auch durch einen durch die Steuereinrichtung 12 ansteuerbaren Verstellmotor in die Position „verschlossener Lufteinlass 2” und „geöffneter Lufteinlass 2” bewegbar.
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Weiter wird gezeigt, dass an dem Luftverteiler 1 eine Kalibriereinheit 21 angeordnet ist, die über einen separaten Lufteinlass für gefilterte und durch eine Pumpe 20, gesteuert durch die Steuereinheit 12, angesaugte Umgebungsluft verfügt und die einen gesonderten Einlass 23 in den Luftverteiler 1 aufweist zur Abgabe eines Kalibriergases oder einer Kalibrierflüssigkeit vor den Durchströmsensor 6.
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Die Liquiddispenservorrichtung 17 und die Kalibriereinheit 21 sind über ein steuerbares Umschaltventil 22 an die gemeinsame Pumpe 20 angeschlossen und können so wechselseitig mit gefilterter Umgebungsluft versorgt werden.
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Am Luftverteiler 1 ist zur Erzeugung eines schwingungsüberlagerten Inspirationsstromes ein nicht dargestellter Schwingungserreger eingerichtet.
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Zur Programmierung, Bedienung des medizinischen Gerätes sowie zur Anzeige von Ergebnissen und Prozessabläufen ist zusätzlich zur Steuereinheit 12 ein PC 15 mit Tastatur und Bildschirm eingerichtet.
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Die 3 zeigt beispielhaft die Betriebsphasen sowie die in den einzelnen Phasen jeweils eingestellten Funktionszustände und erfassten Messwertkurven als Verlaufskurven für die Gerätebauteile Verschlussmittel 14, aktiver Flowgenerator 13, Durchströmsensor 6, Durchflussmesser 9 und Druckmesser 11.
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Die einzelnen Phasen sind:
- A
- Initialisierung
- B
- Spülen
- C
- Nullpunktsetzung
- D
- Check-Up des Durchströmsensors 6, hier eines H2O2-Sensors
- E
- Einschwingungsvorgang des Durchströmsensors 6 sowie Korrektur
- F
- Freigabe des medizinischen Gerätes für die Messwertaufnahme
- G
- Inspirationsphase
- H
- Exspirationsphase
- I
- Ende der Exspirationsphase zum Zeitpunkt Tex
- J
- Reinigung und Temperierung des Durchströmsensors 6 durch Spülen mit gefilterter Umgebungsluft unter Zusatz eines Liquid in Form eines Aerosolnebels
- K
- Auswertung
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Die ersten drei Verlaufskurven zeigen die Funktionszustände der Gerätebauteile Verschlussmittel 14, aktiver Flowgenerator 13 und Polarisationsspannung des Durchströmsensors 6.
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Für das Verschlussmittel 14 sind die Positionen „verschlossenes Atmungsrohr” = „zu” und „geöffnetes Atmungsrohr” = „auf” abgebildet. Für den aktiven Flowgenerator 13 sind die Zustände „ausgeschalten” = „aus” und „eingeschalten” = „an” wiedergegeben. Die angelegte Polarisationsspannung des Durchströmsensors 6 wird mit den Kürzeln „ausgeschalten” = „aus” und „eingeschalten” = „an” charakterisiert.
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Die unteren drei Kurven geben Verlaufskurven erfasster Messwerte für den Fluidstrom durch den Durchflussmessers 9, des Durchströmsensors 6 und des Druckes des Druckmessers 11 wieder.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftverteiler
- 2
- Lufteinlass
- 3
- Ventil
- 4
- Atmungsrohr
- 5
- Auslass
- 6
- Durchströmsensor
- 7
- Sensoraufnehmer
- 8
- Strömungsleitrohr
- 9
- Durchflussmesser
- 10
- Mundstück
- 11
- Druckmesser
- 12
- Steuereinheit
- 13
- Flowgenerator
- 14
- Verschlussmittel
- 15
- Rechner- und Anzeigeeinheit
- 16
- Schnittstellen zur Gerätesteuerung und Messwerterfassung
- 17
- Liquiddispenservorrichtung
- 18
- Adapter des Flowgenerators
- 19
- Luftfilter
- 20
- Pumpe
- 21
- Kalibriereinheit
- 22
- Umschaltventil
- 23
- Einlass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/106961 A2 [0003]
- DE 102010014008 A1 [0004]
