DE2938856A1

DE2938856A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der ablagerung von partikeln im atemtrakt und/oder zur ueberpruefung der funktion des atemtraktes

Info

Publication number: DE2938856A1
Application number: DE19792938856
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Josef 6057 Dietzenbach Gebhart; Ing.(grad.) Gerhard 6050 Offenbach Heigwer; Dipl.-Phys. Joachim 6000 Frankfurt Heyder; Dipl.-Phys. Willi 6830 Bad Homburg Stahlhofen
Original assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Current assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Priority date: 1979-09-26
Filing date: 1979-09-26
Publication date: 1981-04-16
Also published as: US4370986A; DE2938856C2

Description

*% r> *» Λ rt Γ" f>

GESELLSCHAFT FÜR STRAHLEN-UND Neuherberg, 17.9.1979

UMiVELTFORSCHUNG MBH, MÜNCHEN PLA 7946 Ga/he

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Ablagerung von Partikeln im Atemtrakt und/oder zur Überprüfung der Funktion des Atemtraktes

130016/0091

Beschreibung :

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Ablagerung von Partikeln im Atemtrakt und/oder zur Überprüfung der Funktion des Atemtraktes mittels Gas-oder Aerosclimpulsen wobei jeweils ein Meßsignai im In- und Exhalatstrom gewonnen wird.

Im Rahmen der generellen Fragestellung über biologisch-medizinische Einflüsse von Umweltstoffen spielt die Schadstoffexposition auf dem Wege der. Inhalation eine große Rolle. Zwei wichtige Teilaspekte, die in diesem Zusammenhang untersucht werden müssen sind:

a) Welcher Anteil der in der Atemluft enthaltenen partikelförmigen Materie wird im menschlichen Atemtrakt abgeschieden und von welchen Parametern hängt dies ab? Derartige Ergebnisse sind wichtig um geeignete Präventivmaßnahmen einleiten zu können.

b) Wie kann man krankhafte Veränderungen der Atemwege als Folge einer längeren Schadstoffexpositon rechtzeitig erkennen?

In ersten Arbeiten zur Untersuchung der Ablagerung von Aerosolteilchen in der Lunge bediente man sich der Filtertechnik. Aus In- und Exhalat wurden getrennte Filterproben genommen und die Partikelkonzentration auf beiden Filtern miteinander verglichen. Unkontrollierbare Teilchenverluste in den Sammel- und Probennahmesystemen können jedoch bei diesen Verfahren die eigentlich zu messende Teilchenablagerung in der Lunge erheblich verfälschen. Ein wesentlicher Fortschritt wurde erreicht, als nach einem Vorschlag von Altshuler et al (1957,A.M.A. Arch. Ind. Hlth 15, 293) die Anzahlkonzentration der Partikeln in der in- und exhalierten •Atemluft in einem Photometer direkt vor dem Mund der Versuchsperson gemessen und kontinuierlich registriert wurde. Aus der gleichzeitig von einem Expirographen aufgezeichneten Volumenkurve der Atemluft wurde sodann mittels graphischer Integration das Verhält-

1 30016/0001

j NACHGERB^F[

nis von exhalierter zu inhalierter Teilchenzahl, N /N.,pro Atmung bestimmt. Die Integration wurde von Heyder et al (1973, J. Aerosol ijcience 4, 191-2o8) auf elektronische Basis umgestellt, indem neben der Partikelkonzentration, c, (Photometrie) auch der Volumenstrom,

V, der Atemluft (Pneumotachographie)kontinuierlich gemessen wurde. Für das Verhältnis von exhalierter zu inhalierter Teilchenzahl pro Atemzug ergibt sich dann der Ausdruck:

N .. .1 c V dt

⁶ <V

(t,)/ c V dt

wobei t (t<) die Zeitdauer der Exhalation (Inhalation) ist. Trotz der kontinuierlichen Registrierung der Anzahlkonzentration der Aerosolpartikeln vor dem Mund der Versuchsperson und der Automation in der Auswertung bleibt'die sog. Analog-Methode zur Bestimmung eir ner Teilchenzahl,N, gemäß Gleichung (1) mit einer Reihe von Nachteilen behaftet:

- Sie ist auf monodisperse Aerosole beschränkt. Jeder Untergrund einer anderen, unerwünschten Größenfraktion trägt jedoch ebenfalls zum Phctometerwert bei.

- Partikeln mit hygroskopischen Schichten auf der Oberfläche lagern im Atemtrakt Wasser an und verändern dadurch ihre optischen Eigenschaften. Somit kann das Photometer nicht mehr unterscheiden zwischen einer Änderung der Anzahlkonzentration, c, und einer Änderung der Streueigenschaften der Partikeln.

- Um die Konzentration kontinuierlich aufzeichnen zu können ist eine relativ hohe PartikeJJconzentration erforderlich.

Neben den klinischen Standard-Methoden zur Durchführung von Lungentests mit dem Körperplethysmographen (Lungenvolumina, Atemwegswiderstand) ist man in den letzten Jahren auch dazu übergegangen

130016/0091

inerte Gase oder kurze Pulse derartiger Gase zu inhalieren und aus den Auswaschkurven dieser Gase bzw. der Dispersion dieser Gas-Pulse im Exhalat Rückschlüsse auf das Ventilationsverhalten einer Lunge und damit auf mögliche krankhafte Veränderungen zu ziehen.

Diese Verfahren erfordern eine kontinuierliche Messung von Gaskonzentrationen in der Atemluft von Versuchspersonen. Für derartige Messungen sind bisher hauptsächlich drei physikalische Prinzipien herangezogen worden:

1. Massenspektroskopie

2. Infrarot-Absorption bei spezifischen Absorptionslinien der Gase

3. Änderung eines Thermo-Widerstandes in einem Umgebungsgas mit veränderter Wärmeleitfähigkeit.

Alle diese Methoden besitzen jedoch den Nachteil, daß sie die Konzentrationsmessung des Gases nicht direkt im Hauptstrom der Atemluft vornehmen. Vielmehr muß kontinuierlich eine repräsentative Probe entnommen werden, wodurch die zeitliche und volumetrische Auflösung des Konzentrationsverlaufs beeinträchtigt wird.

Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht nunmehr darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, . mit denen es gelingt, sowohl die Ablagerung von Partikeln im Atemtrakt als auch dessen Fuhktionsfähigkeit mit hoher Empfindlichkeit zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst· Der Anspruch 2 gibt eine erfindungsgemäße Vorrichtung und die Ansprüche 3 und 4 vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung an.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach ein spezielles Photometer hoher Empfindlichkeit, das die Teilchen^direkt im Hauptstrom der Atemluft zählt, indem die von den einzelnen Teilchen ausgehenden Streulicht-Impulse registriert und zusätzlich aus der Höhe der Impulse auf die Teilchengröße geschlossen wird. Außerdem

130016/0091

■TO.-'

ist die Empfindlichkeit des Photometers so gesteigert, das zwischen der Rayleigh-Streuung verschiedener Gase unterschieden werden kann. Für Gase, deren Streueigenschaften sich von Luft unterscheiden /können somit Konzentrationsmessungen direkt im Hauptstrom der Atemluft vorgenommen werden.

Die Bestimmung der Zahl der in- und exhalierten Teilchen mittels direkter Zählung im Hauptstrom der Atemluft hat erfindungsgemäß eine Reihe von Vorteilen gegenüber den früher angewandten indirekten Methoden.

- Durch getrennte Speicherung der Größenspektren von inhalierten und exhalierten Teilchen kann festgestellt werden, ob und in welchem Umfang hygroskopische Partikeln im Atemtrakt angewachsen sind.

- Teilchengrößen außerhalb eines vorgebbaren Größenintervalls können von der Zählung ausgeschlossen werden, so daß man auch mit Hilfe polydisperser Aerosole die Ablagerungswahrscheinlichkeit von jeweils engen Größenfraktionen im menschlichen Atemtrakt ermitteln kann.'

Bei der Zählmethode kommt man mit sehr geringen Anzahl-Konzentra-

T
tionen von weniger als Io / 3 aus, so daß suchsperson praktisch nicht belastet wird.

T
tionen von weniger als Io / 3 aus, so daß die Lunge einer Ver-

Aus dieser erfindungsgemäß angewendeten digitalen Zählmethode ergibt sich das Verhältnis von exhalierter zu inhalierter Teilchenzahl pro Atemzug nach Gleichung (2) zu:

N dt

( 2)

^Ni ' " dt

/i

(ti)

N ist die entsprechende Zählrate (Teilchenstrom) während In- und Exhalation.

130016/0091

In der nachstehenden Tabelle ist zusammengestellt, um welchen Faktor sich die Rayleigh-Streuung einiger Gase von der der Luft unterscheidet. Für einige dieser Gase wie z.B. He, Ne, Kr und Xe kann die Konzentrationsmessung in der Atemluft mit Hilfe des erfindungsgemäßen Photometers vorgenommen werden.

Luft	He	Ne	H₂ I H₂Q	Ar	Kr	CO₂	Xe
Verhältnis 1	o,ol4	o,13	o,25\| o,75	o,98	2,14	2,38	5,8

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mittels der Fig. 1-5 näher erläutert.

Ein wesentlicher Fortschritt bei der Lösung der eingangs gestellten Meßaufgabe wird erfindungsgemäß durch folgenden optischen und mechanischen Aufbau erreicht. Der parallele Strahl 1 (Fig. 1) eines Ar-Ionen-Lasers (3Watt) wird mit.Hilfe von Zylinderlinsen 2 in ein Lichtband 3 umgeformt und so in den schlitzförmigen Kanal 4 eines Gehäuses5 eingeführt, daß die Stelle 6 seiner engsten Einschnürung (Dicke: 8o,um; Breite: 15 mm) in der Mitte eines senkrecht dazu verlaufenden Aerosolkanals liegt. Die Querschnittsebene des Aerosolkanals 7 und die Ebene des Lichtbandes bilden dabei einen Winkel von 3o°. Die Lage des Beobachtungsmikroskopes 12 zum Lichtband 3 sowie zum Aerosolkanal 7, mit Mundstück 21 zur Erzeugung des In- und Exhalatstromes 22 und Flußmesser 23, ist schematisch dargestellt. Der Eingang des schlitzförmigen Kanals 4 ist mit einer Glasscheibe 8 abgeschlossen. Nachdem das Lichtband 3 den Aerosolkanal 7 durchlaufen hat ,verschwindet es durch eine weitere öffnung 9 mit Dichtungsflansch Io in einer Lichtfalle 11.

Die Ebene des Lichtbandes 3 innerhalb des Aerosolkanals 7 ist gleichzeitig Gegenstandsebene des Mikroskop-Objektives 12 (s. Fig 2), das die Partikeln 14 in die Ebene einer Gesichtsfeldblende 13 abbildet. Dadurch daß Gegenstandsebene und Ebene des Lichtbandes 3 zusammenfallen, werden nur solche Partikeln 14 beleuchtet und

130016/0091

damit zur Lichtstreuung angeregt, die auch scharf in die Ebene der Gesichtsfeldblende 13 abbildbar sind. Diese scharfe Abbildung wiederum gewährleistet, daß die Streulichtsignale identischer Partikeln 14 vom Beobachtungsstrahlengang 15 auch in gleich große Meßsignale umgewandelt werden. Im Falle einer unscharfen Abbildung hingegen, können Partikeln, die am Rand der Gesichtfeldblende 13 liegen, partiell abgeschattet werden.Dadurch hängt die Höhe der Streulicht-Impulse nicht nur von der Größe der Partikeln 14, sondern auch von deren Position im Gesichtsfeld ab und eine Partikel zählung mit gleichzeitiger Größenanalyse ist wegen der schlechten Auflösung nicht durchführbar. Die Größe der Gesichtsfeldblende 13 ist so bemessen, daß ein repräsentativer Anteil des Querschnitts des Aerosolkanals 7 (ca. 4o %) beobachtet werden kann.Eine Feldlinse 16 innerhalb des Beobachtungsstrahlengangs 15 bildet die Ausgangsöffnung des Mikroskop-Objektivs 12 auf die Kathcdenflache 17 des Photomultipliers 18 ab, der die Streulichtsignale in elektrische Impulse umwandelt, die dann nach entsprechender Verstärkung einem elektronischen Zähler 19 (EZ) oder einem Vielkanal-Impulshöhen-Analysator 2c (VIHA) zugeführt werden.

Ein im Aerosolkanal 7 eingebauter Flußmesser 23 zeigt die Richtung des Flusses 22 (Inhalation oder Exhalation) an und steuert den EZ 19 oder den VIHA 2o in der Weise, daß die Meßsignale von Inhalation und Exhalation getrennt abgespeichert und verarbeitet werden.

Diese digitale Zählmethode ist durchführbar, solange sich im Mittel nur jeweils eine Partikel 14 im Gesichtsfeld befindet, was

• T 3 für diese Anordnung nur für Partikelkonzentrationen C < 5 /cm

2t 3 gewährleistet ist. Für Partikelkonzentrationen C / Io /cm und bei der Messung der Rayleigh-Streuung von Gasen liefert der Photomultiplier 18 anstelle von einzelnen Stromimpulsen einen kontinuierlichen Photostrom, der von einem Schreiber (nicht dargestellt) während In- und Exhalation aufgezeichnet wird und ein analoges Maß für die Konzentration des Aerosols oder eines bestimmten Gases

in der Atemluft darstellt.

130016/0091

Um zur Untersuchung von Lungenfunktionen dem Inhalat einen definierten Impuls eines Aerosols oder eines inerten Gases beimischen zu können ist ein Aufbau (schematisch) nach Figur 3 vorgesehen. Dem Hauptkanal 7 der Atemluft 27 wird nunmehr Reinluft über den Seitenkanal 2 4 und die Ringkammer 28 zugeführt, die die Versuchsperson in- und exhaliert. Eine Pulskammer 25 von 15o cm Inhalt wird unter überdruck (o,5, - 1,5 bar) mit einem Aerosol oder einem inerten Gas gefüllt. In einer vorgebbaren Phase während der Inhalation öffnet sich plötzlich das Magnetventil 26, der Inhalt der Pulskammer 25 entspannt sich und mischt sich in Form eines Impulses über die Ringkammer 29 der Atemluft bei. Die verbrauchte Atemluft 2 7 entweicht über den Kanal 3o.

Fig. 4 zeigt einen derartigen Aerosolimpuls 31 (Partikeldurchmesser o,5 ,um ) im Inhalat einer Versuchsperson und seine anschließende Verformung 32 im Exhalat. Diese Verformung gibt dem medizinischen Fachmann Auskunft über die Funktionsfähigkeit des Atemtraktes.

In Fig. 5 ist die SchreiLerkurve 33 für die Rayleigh-Streuung der Luft wiedergegeben, die durch einen plötzlichen Impuls 34 eines CC„-Gases unterbrochen ist. Man erkennt aus der Höhe des Impulses vcn etwa 4 Volt, wie empfindlich die Photcmeter-Anordnung auf verschiedene Gase reagiert.

— 9 —

130016/0091

Claims

GESELLSCHAFT FÜR STRAHLEN-UND Neuherberg, 17.9.1979 UMWELTFORSCHUNG MBH, MÜNCHEN PLA 79 46 Ga/he Patentansprüche;

1. Verfahren zur Ermittlung der Ablagerung von Partikeln im Atemtrakt und/oder zur überprüfung der Funktion des Atemtraktes mittels Gasen oder Aerosolen, wobei jeweils ein Meßsignal im In- und Exhalatstrom gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der direkte Hauptstrom des In- und Exhalats (22) durch ein Lichtband (3) geführt wird, daß der Schnittbereich von Lichtband (3) und zumindest einem Teil des In- und Exhalatsstromes (22) in die Gegenstandsebene eines optischen Abbildungssystem (12) gestellt wird/und daß entweder die von den einzelnen Partikeln (14) ausgehenden Einzelimpulse oder von den Gasen und Aerosolen ausgehende Streustrahlung gemessen wird, woraus das Verhältnis von exhalierter zu inhalierter Teilchenzahl und/oder das Konzentrationsprofil im In- und Exhalat (22) erhalten wird.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (5),in oder an dem sowohl das Lichtband (3) geführt ,..das Mundstück (21) für den In- und Exhalatstrom (22) sowie den Flußmesser (23) befestigt und das Beobachtungssystem (12) angeordnet ist, derart, daß eine Schnittebene zwischen In- und Exhalatstrom (22) und Lichtband (3) entsteht und diese Schnittebene die Gegenstandsebene des Beobachtungssystems (12) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flußmesser (23) die Richtung des In- und Exhalatstromes (2) ermittelt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beigabe von Aerosol- und Gasimpulsen zum Inhalat (22) eine Pulskammer (25) unter Überdruck mit einem Aerosol oder Gas füllbar und zu einem vorgebbaren Zeitpunkt während der Inhalation über ein Magnetventil (26) in Richtung des Atemflusses wieder entspannbar ist.

130016/0091

ORIGINAL INSPECTED