DE69636921T2 - Verfahren zur spektroskopischen messung des konzentrationsverhältnisses zweier isotope in einem gas - Google Patents

Verfahren zur spektroskopischen messung des konzentrationsverhältnisses zweier isotope in einem gas Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein spektrometrisches Messverfahren der Konzentration eines isotopischen Gases auf Grundlage eines Unterschieds in den Lichtabsorptionseigenschaften des Isotops.
  • Hintergrund
  • Isotopische Analysen sind für die Diagnose von Krankheiten bei medizinischen Anwendungen nützlich, in welchen die metabolischen Funktionen eines lebenden Körpers gemessen werden können, in dem eine Veränderung in der Konzentration oder das Konzentrationsverhältnis eines Isotops nach Verabreichung eines das Isotop enthaltenden Medikaments gemessen wird. In anderen Gebieten werden isotopische Analysen für Studien der Photosynthese oder des Metabolismus von Pflanzen sowie für ökologisches Tracing in geochemischen Anwendungen verwendet.
  • Es ist allgemein bekannt, dass Magengeschwüre und Gastritis durch Bakterien namens Helikobakter pylori (HP) sowie durch Stress verursacht werden. Wenn das HP im Magen eines Patienten vorhanden ist, sollte dem Patienten als Behandlung zur Entfernung der Bakterien ein Antibiotikum oder ähnliches verabreicht werden. Daher ist es unablässlich, zu kontrollieren, ob der Patient das HP hat. Das HP weist eine starke Ureaseaktivität auf, um Urea (Harnstoff) in Kohlendioxid und Ammoniak zu zersetzen.
  • Kohlenstoff weist Isotope mit Massenzahlen von 12, 13 und 14 auf, unter denen 13C mit einer Massenzahl von 13 aufgrund seiner Nicht-Radioaktivität und Stabilität leicht zu handhaben ist.
  • Wenn die Konzentration von 13CO2 (ein metabolisches Endprodukt) oder das Konzentrationsverhältnis von 13CO2 zu 12CO2 im Atem eines Patienten erfolgreich gemessen wird, nachdem mit dem Isotop 13C markierter Harnstoff dem Patienten verabreicht wurde, kann das Vorhandensein der HP nachgewiesen werden.
  • Jedoch beträgt das Konzentrationsverhältnis von 13CO2 zu 12CO2 im natürlich auftretenden Kohlendioxid 1:100. Daher ist es schwierig das Konzentrationsverhältnis im Atem des Patienten mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
  • Es sind verschiedene Methoden bekannt, um das Konzentrationsverhältnis von 13CO2 zu 12CO2 mittels Infrarotspektroskopie zu bestimmen (siehe JPB 61(1986)-42219, JPB 61(1968)-42220, JP 61-011634 A und US 5,146,294 A ).
  • In dem in JPB 61 (1986) – 42220 offenbarten Verfahren werden zwei Zellen mit jeweils einem langen Weg und einem kurzen Weg vorgesehen, ihre Weglängen werden so eingestellt, dass die Lichtabsorption von 13CO2 in einer Zelle gleich der Lichtabsorption von 12CO2 in der anderen Zelle ist. Die durch die beiden Zellen übertragenen Lichtstrahlen werden zu einer spektrumetrischen Vorrichtung geführt, in der die Lichtintensitäten an den Wellenlängen gemessen werden, die jeweils für die maximale Empfindlichkeit sorgen. Entsprechend diesem Verfahren kann das Lichtabsorptionsverhältnis für das Konzentrationsverhältnis von 13CO2 zu 12CO2 im natürlich auftretenden Kohlendioxid auf „1" eingestellt werden. Wenn das Konzentrationsverhältnis sich ändert, ändert sich auch das Lichtabsorptionsverhältnis um den Betrag einer Änderung im Konzentrationsverhältnis. Daher kann die Änderung im Konzentrationsverhältnis bestimmt werden, indem eine Änderung im Lichtabsorptionsverhältnis gemessen wird.
    • (A) Jedoch leidet das Verfahren zur Bestimmung des Konzentrationsverhältnisses gemäß dem zuvor genannten Dokument an den folgenden Nachteilen.
  • Kalibrationskurven zur Bestimmung der 12CO2-Konzentrationen sollten erzeugt werden, indem gasförmige Proben mit jeweils bekannter 12CO2-Konzentration verwendet werden.
  • Um die Kalibrationskurve für die 12CO2-Konzentration zu erzeugen, werden die 12CO2-Absorptionswerte (optische Dichten) für verschiedene 12CO2-Konzentrationen gemessen. Die 12CO2-Konzentrationen und die 12CO2-Absorptionswerte werden als Abszisse bzw. Ordinate aufgetragen und die Kalibrationskurve wird mit der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt.
  • Die Kalibrationskurve für die 13CO2-Konzentration wird auf dieselbe Weise wie oben beschrieben erzeugt.
  • Zur Bestimmung der Konzentrationen mithilfe von Infrarotspektroskopie basiert die Erzeugung der Kalibrationskurven auf der Annahme, dass das Verhältnis zwischen der Konzentration und der Absorption dem Lambert-Beer-Gesetz gehorcht. Das Lambert-Beer-Gesetz ist jedoch selbst ein angenäherter Ausdruck. Das tatsächliche Verhältnis zwischen der Konzentration und der Absorption gehorcht nicht immer dem Lambert-Beer-Gesetz. Daher gleichen sich nicht alle Datenpunkte perfekt der Kalibrationskurve an.
  • 1 ist eine grafische Darstellung, in der die Konzentrationsverhältnisse von 13CO2 zu 12CO2 in Bezug auf die 12CO2-Konzentrationen gezeichnet sind, wobei die 12CO2-Konzentrationen und die 13CO2-Konzentration bestimmt wurden, indem Kalibrationskurven verwendet wurden, die auf Grundlage von Messungen der Absorptionswerte gasförmiger Proben mit gleichem Konzentrationsverhältnis (13CO2-Konzentration/12CO2-Konzentration = 1,077%), aber verschiedenen 12CO2-Konzentrationen erzeugt wurden.
  • Wie in 1 gezeigt, weichen die für verschiedene 12CO2-Konzentrationen bestimmten Konzentrationsverhältnisse vom tatsächlichen Konzentrationsverhältnis (1,077%) ab und bilden aufgezeichnet eine gewellte Kurve.
  • Obwohl die Ursache der Abweichung bisher nicht geklärt wurde, ergibt sich die Abweichung wahrscheinlich aus Änderungen der spektroskopischen Eigenschaften, wie z.B. des Reflexionsgrads, des Brechungsindex und des Streulichts in Abhängigkeit von der 12CO2-Konzentration, und aus den Fehlereigenschaften der für die Erzeugung der Kalibrationskurven verwendeten Methode der kleinsten Quadrate.
  • Wenn die Konzentration eines Komponentengases ohne Korrektur der mit der Abweichung zusammenhängenden Eigenschaften bestimmt wird, kann ein ernster Fehler die Folge sein.
    • (B) Eine Vielzahl von Experimenten haben gezeigt, dass dort, wo die Infrarotspektroskopie eingesetzt wird, um die Konzentration von 13CO2 oder das Konzentrationsverhältnis von 13CO2 zu 12CO2 (im folgenden als das „13CO2-Konzentrationsverhälnis" bezeichnet) zu messen, die Messergebnisse sich abhängig von der Konzentration des in der gasförmigen Probe enthaltenen Sauerstoffs von der tatsächlichen 13CO2-Konzentration oder dem 13CO2-Konzentrationsverhältnis unterscheiden.
  • 2 ist eine grafische Darstellung, in der die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse in Bezug auf den Sauerstoffgehalt aufgezeichnet sind, wobei die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse bestimmt wurden, indem gasförmige Proben, die mit Sauerstoff und Stickstoff verdünntes 13CO2 enthalten und die gleiche 13CO2-Konzentration, aber verschiedene Sauerstoff-Konzentrationen besitzen, gemessen wurden. Die bestimmten 13CO2-Konzentrationsverhältnisse werden auf Grundlage eines 13CO2-Konzentrationsverhältnisses für einen Sauerstoffgehalt von 0% normalisiert.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist das 13CO2-Konzentrationsverhältnis nicht konstant, sondern variiert in Abhängigkeit der Sauerstoff-Konzentration.
  • Wenn die 13CO2-Konzentration oder das 13CO2-Konzentrationsverhältnis einer Sauerstoff enthaltenden gasförmigen Probe ohne Kenntnis dieser Tatsache gemessen wird, ist es offensichtlich, dass eine Messung vom tatsächlichen Wert verschieden ist.
  • 3 ist eine grafische Darstellung, die das Ergebnis einer Messung zeigt, bei der gasförmige Proben gemessen wurden, die unterschiedliche 13CO2-Konzentrationsverhältnisse aufwiesen und keinen Sauerstoff enthielten. In 3 sind die tatsächlichen 13CO2-Konzentrationsverhältnisse und die gemessenen 13CO2-Konzentrationsverhältnisse als Abszisse bzw. Ordinate aufgetragen. Die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse sind auf Grundlage des kleinsten (minimalen) 13CO2-Konzentrationsverhältnisses normalisiert.
  • 4 ist eine grafische Darstellung, die das Ergebnis einer Messung zeigt, in der gasförmige Proben mit verschiedenen 13CO2-Konzentrationsverhältnissen und verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen (bis zu 90%) gemessen wurden. In 4 sind die tatsächlichen 13CO2-Konzentrationsverhältnisse und die gemessenen 13CO2-Konzentrationsverhältnisse als Abszisse bzw. Ordinate aufgetragen. Die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse sind auf Grundlage des kleinsten (minimalen) Konzentrationsverhältnisses normalisiert.
  • Ein Vergleich zwischen den in 3 und 4 gezeigten Ergebnissen zeigt, dass die Beziehung zwischen dem tatsächlichen 13CO2-Konzentrationsverhältnis und dem gemessenen 13CO2-Konzentrationsverhltnis in 3 ungefähr 1:1 ist (oder die Steigung der Fitting-Kurve ungefähr 1 ist), während die Beziehung zwischen dem tatsächlichen 13CO2-Konzentrationsverhältnis und dem gemessenen 13CO2-Konzentrationsverhältnis in 4 ungefähr 1:0,3 ist (oder die Steigung der linearen Fitting-Kurve ungefähr 0,3 ist).
  • Somit wird die Messung der 13CO2-Konzentration oder des 13CO2-Konzentrationsverhältnisses von der Konzentration des in der gasförmigen Probe enthaltenen Sauerstoffs beeinflusst, dessen Ursache noch nicht geklärt wurde.
  • Wenn die Konzentration oder das Konzentrationsverhältnis eines Komponentengases bestimmt wird, ohne eine Korrektur im Hinblick auf die Sauerstoff-Konzentration vorzunehmen, ist es wahrscheinlich, dass ein kritischer Fehler auftreten kann.
    • (C) Da die CO2-Konzentration, insbesondere die 13CO2-Konzentration extrem gering ist, ist eine hochempfindliche Messung notwendig. Wenn die Empfindlichkeit der Messung erhöht wird, reagiert eine gemessene Lichtintensität auf Änderungen der Parameter des Messsystems, z.B. die Lichtstärke einer Lichtquelle, die Temperatur eines Probengases, die Temperatur einer Zelle, in die das Gas eingeführt wird, die Empfindlichkeit des Photodetektors u.ä. Somit kann der gemessenen wert mit einem Fehler behaftet sein, der nicht von mit dem Probengas zusammenhängenden Faktoren verursacht wird.
  • Um dieses Problem zu lösen, wird die Messung gestartet, nachdem sich das Messsystem auf zeitaufwändige Weise stabilisiert hat. Dies verringert die Arbeitseffizienz und macht es unmöglich, die vom Benutzer geforderte Aufgabe, eine große Anzahl von Proben in kurzer Zeit zu messen, zu erfüllen.
  • Für die Messung einer Atemprobe wird die 12CO2-Absortption gemessen und die 12CO2-Konzentration wird auf Grundlage der Kalibrationskurve für 12CO2 bestimmt. Die 13CO2-Absorption wird auch gemessen und die 13CO2-Konzentration wird auf Grundlage einer Kalibrationskurve für 13CO2 berechnet. Die Messung einer weiteren Atemprobe wird auf dieselbe Weise durchgeführt.
  • Wenn die CO2-Konzentrationen der genannten beiden Atemproben im Wesentlichen auf demselben Niveau liegen, kann der Bereich der für die Konzentrationsbestimmung zu verwendenden Kalibrationskurven für 12CO2 und 13CO2 eingeschränkt werden. Somit kann die Messgenauigkeit durch Verwenden eingeschränkter Bereiche der Kalibrationskurven erhöht werden.
  • Darstellung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein spektrometrisches Messverfahren eines isotopischen Gases bereitzustellen, das verwendet wird, um mithilfe von Spektrometrie die Konzentration oder das Konzentrationsverhältnis eines Komponentengases in einer eine Vielzahl von Komponentengasen enthaltenden gasförmigen Probe zu bestimmen, wenn die gasförmige Probe in eine Zelle eingeführt wird.
  • Um die genannte Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein spektrometrisches Messverfahren eines isotopischen Gases bereit, das in Anspruch 1 beschrieben ist.
  • Bei diesem Verfahren können zwei Atemproben gemessen werden, vorausgesetzt dass deren CO2-Konzentrationen auf demselben Niveau liegen und daher ein Bereich einer zu verwendenden Kalibrationskurve begrenzt werden kann. Die Messgenauigkeit kann verbessert werden, wenn der Bereich der zu verwendenden Kalibrationskurve enger wird. Die Messgenauigkeit kann also verbessert werden, indem eine begrenzter Bereich der Kalibrationskurve verwendet wird.
  • Noch ein weiteres spektrometrisches Messverfahren eines isotopischen Gases gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 2 oder 3 beschrieben. Dieses Verfahren basiert auf der Voraussetzung, dass eine erste gasförmige Probe in eine für ihre Lichtintensitätsmessung vorgesehene Zelle eingefüllt wird und nach Ablassen der ersten gasförmigen Probe aus der Zelle eine zweite gasförmige Probe in dieselbe zu ihrer Lichtintensitätsmessung vorgesehene Zelle eingefüllt wird.
  • Die vorangegangenen und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen offensichtlich werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden wird die Konzentration von 12CO2 „12Conc" genannt die Konzentration von 13CO2 wird „13Conc" genannt, die Absorption von 12CO2 wird „12Abs" genannt und die Absorption von 13CO2 wird „13Abs" genannt.
  • 1 ist eine graphische Darstellung, in welcher die Konzentrationen 12Conc und die Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc jeweils als Abszissen und Ordinaten aufgezeichnet sind, wobei die Konzentrationen 12Conc und 13Conc und die Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc bestimmt wurden, indem Kalibrierungskurven verwendet wurden, die auf Grundlage von Messungen der Absorptionswerte 12Abs und 13Abs von Komponentengasen in gasförmigen Proben mit demselben Konzentrationsverhältnis 13Conc/12Conc jedoch verschiedenen Konzentrationen der Komponentengase erzeugt wurden;
  • 2 ist eine graphische Darstellung, in welcher 13CO2-Konzentrationsverhältnisse in Bezug auf den Sauerstoffgehalt aufgetragen sind, wobei die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse bestimmt wurden, indem gasförmige Proben gemessen wurden, die mit Sauerstoff und Stickstoff verdünntes 13CO2 enthalten und dasselbe 13CO2-Konzentrationsverhältnis jedoch unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen aufweisen, wobei die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse auf Grundlage eines 13CO2-Konzentrationsverhältnisses für einen Sauerstoffgehalt von 0% normalisiert wurden;
  • 3 ist eine graphische Darstellung, die das Ergebnis einer Messung veranschaulicht, in welcher gasförmige Proben mit verschiedenen 13CO2-Konzentrationsverhältnissen und ohne Sauerstoffgehalt gemessen wurden, wobei in der graphischen Darstellung die tatsächlichen 13CO2-Konzentrationsverhältnisse und die gemessenen 13CO2-Konzentrationsverhältnisse jeweils als Abszisse und/oder Koordinate aufgetragen sind und die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse auf Grundlage des minimalen 13CO2-Konzentrationsverhältnises normalisiert wurden;
  • 4 ist eine graphische Darstellung, die das Ergebnis einer Messung veranschaulicht, in welche gasförmige Proben mit verschiedenen 13CO2-Konzentrationsverhältnisen und mit verschiedenen Sauerstoffgehalten (bis zu 90%) gemessen wurden, wobei in der graphischen Darstellung die tatsächlichen 13CO2-Konzentrationsverhältnisse und die gemessenen 13CO2-Konzentrationsverhältnisse als Abszisse bzw. Ordinate aufgetragen sind und die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse auf Grundlage des minimalen 13CO2-Konzentrationsverhältnises normalisiert wurden;
  • 5 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines Atemprobenbeutels veranschaulicht, der an Düsen einer Vorrichtung zur spektrumetrischen Messung eines isotopischen Gases angeschlossen wird;
  • 6 ist eine Teilansicht, die an ein Ende des Atemprobenbeutels angeschlossene Rohre veranschaulicht;
  • 7 ist ein Blockdiagramm, das den Gesamtaufbau der spektrumetrischen Vorrichtung veranschaulicht;
  • 8 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau einer Zellenkammer 11 veranschaulicht;
  • 9 ist ein Blockdiagramm, das schematisch einen Mechanismus zum Einstellen der Temperatur der Zellenkammer veranschaulicht;
  • 10A und 10B sind jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines Gasinjektors zur quantitativen Einspritzung einer gasförmigen Probe;
  • 11 ist ein Diagramm, das einen Gasflussweg veranschaulicht, durch welchen ein sauberes Bezugsgas geführt wird, um den Gasflussweg und die Zellkammer der spektrumetrischen Vorrichtung zu reinigen,
  • 12 ist ein Diagramm, das einen Gasflussweg veranschaulicht, durch welchen das saubere Bezugsgas geführt wird, um den Gasflussweg und die Zellkammer der spektrumetrischen Vorrichtung zu säubern, und eine Referenzmessung durchzuführen;
  • 13 ist ein Diagramm, das einen Zustand veranschaulicht, wo ein Basisgas aus einem Atemprobenbeutel mittels des Gasinjektors 21 angesaugt wird, wobei das Referenzgas daran gehindert wird, durch die erste und zweite Probenzelle 11a und 11b zu fließen;
  • 14 ist ein Diagramm, das einen Gasflussweg veranschaulicht, der verwendet wird, wenn ein in den Gasinjektor 21 eingesaugtes Basisgas mechanisch unter einer konstanten Rate vom Gasinjektor 21 ausgestoßen wird, um die Lichtintensität durch die Messelemente 25a und 25b zu messen;
  • 15 ist ein Diagramm, das einen Zustand veranschaulicht, in dem ein Probengas aus dem Atemprobenbeutel mittels des Gasinjektors 21 angesaugt wird, wobei das Referenzgas daran gehindert wird, durch die erste und zweite Probenzelle 11a und 11b zu fließen;
  • 16 ist ein Diagramm, das einen Gasflussweg veranschaulicht, der eingesetzt wird, wenn das in den Gasinjektor 21 angesaugte Probengas mechanisch unter einer konstanten Rate vom Gasinjektor 21 ausgestoßen wird, um die Lichtintensität mithilfe der Messelemente 25a und 25b zu messen;
  • 17A ist eine graphische Darstellung, in welcher 12CO2-Konzentrationen und 12CO2-Absorptionswerte jeweils als Abszisse und Ordinate aufgetragen sind, um eine Kalibrationskurve zu erzeugen, wobei die 12CO2-Absorptionswerte für 20 Messpunkte in einem 12CO2-Konzentrationsbereich von ungefähr 0% bis ungefähr 6% gemessen wurden;
  • 17B ist eine graphische Darstellung, in der die 12CO2-Konzentrationen und 12CO2-Absorptionswerte in fünf Datenpunkten in einem relativ engen 12CO2-Konzentrationsbereich um eine unter Verwendung der Kalibrationskurve der 17A bestimmten 12CO2-Konzentration herum jeweils als Abszisse bzw. Ordinate aufgetragen sind;
  • 18A ist eine graphische Darstellung, in der 13CO2-Konzentrationen und 13CO2-Absorptionswerte jeweils als Abszisse und Ordinate aufgetragen sind, um eine Kalibrationskurve zu erzeugen, wobei die 13CO2-Absorptionswerte für 20 Messpunkte in einem 13CO2-Konzentrationsbereich von ungefähr 0,00% bis ungefähr 0,07% gemessen wurden;
  • 18B ist eine graphische Darstellung, in der die 13CO2-Konzentrationen und 13CO2-Absorptionswerte in fünf Datenpunkten in einem relativ engen 13CO2-Konzentrationsbereich um eine unter Verwendung der Kalibrationskurve der 18A bestimmten 13CO2-Konzentration jeweils als Abszisse bzw. Ordinate aufgetragen sind;
  • 19 ist eine graphische Darstellung, in der die als Ordinate aufgetragenen Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc auf der Grundlage eines Konzentrationsverhältnisses 13Conc/12Conc normalisiert sind, das erhalten wird, wenn 12Conc 0,5% beträgt;
  • 20 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis von 12Conc (als Abszisse aufgetragen) zum 13CO2-Konzentrationsverhältnis 13Conc/12Conc (als Ordinate aufgetragen) veranschaulicht, das durch Messen der 12CO2-Konzentrationen und der 13CO2-Konzentrationen 13Conc der gasförmigen Proben bestimmt wurde;
  • 21 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis von 12Con (als Abszisse aufgetragen) zum Konzentrationsverhältnis 13Conc/12Conc(als Ordinate aufgetragen) veranschaulicht, das durch Messen der 12CO2-Konzentrationen 12Con und der 13CO2-Konzentrationen 13Conc der gasförmigen Proben und durch Korrigieren der erhaltenen Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc bestimmt wurde;
  • 22 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis von 12Con (als Abszisse aufgetragen) zum Konzentrationsverhältnis 13Conc/12Conc(als Ordinate aufgetragen) veranschaulicht, das erhalten wurde, indem die 12CO2-Konzentrationen 12Con und die 13CO2-Konzentrationen 13Conc der gasförmigen Proben auf der Grundlage der Absorptionswerte bestimmt werden, die an den gasförmigen Proben durch Verwendung der in 17A und 18A gezeigten Kalibrationskurven gemessen wurden;
  • 23 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis von 12Con (als Abszisse aufgetragen) und des Konzentrationsverhältnisses 13Conc/12Conc (als Ordinate aufgetragen) veranschaulicht, das erhalten wurde, indem die Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc der gasförmigen Proben zuerst auf der Grundlage der in 17A und 18A gezeigten Kalibrationskurven und dann auf der Grundlage der in 17B und 18B gezeigten Kalibrationskurven in begrenzten Bereichen bestimmt werden; und
  • 23 ist eine graphische Darstellung, die das Ergebnis der Messung veranschaulicht, bei der gasförmige Proben gemessen wurden, die unterschiedliche 13CO2-Konzentrationsverhältnisse aufweisen und verschiedene Konzentrationen von Sauerstoff (bis zu 90%) enthalten, und die Messungen einem Korrektionsverfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung unterzogen wurden, wobei in der graphischen Darstellung die tatsächlichen 13CO2-Konzentrationsverhältnisse und die gemessenen 13CO2-Konzentrationsverhältnisse jeweils als Abszisse und Ordinate aufgetragen sind und die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse auf der Grundlage des minimalen 13CO2-Konzentrationsverhältnisses normalisiert wurden.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Ausführungsform ist für einen Fall geeignet, in dem eine 13CO2-Konzentration oder ein Konzentrationsverhältnis 13Conc/12Conc in einer Atemprobe spektrometrisch bestimmt werden, nachdem ein diagnostisches Medikament für Urea, das mit einem Isotop 13C markiert ist, verabreicht wurde.
  • I. Atemprobe
  • Bevor das diagnostische Medikament für Harnstoff einem Patienten verabreicht wurde, wird eine Probe des Atems des Patienten in einem Atemprobenbeutel aufgenommen. Das Volumen des Atemprobenbeutels kann ungefähr 250 ml betragen. Dann wird das diagnostische Medikament für Harnstoff dem Patienten verabreicht und nach Ablauf von 10 bis 15 min wird eine Atemprobe des Patienten in den Atemprobenbeutel aufgenommen, auf dieselbe Weise wie bei der vorherigen Atemprobe.
  • 5 ist eine Ansicht, die das Aussehen des Atemprobenbeutels 1 veranschaulicht, der an die Düsen N1 und N2 einer Vorrichtung zur spektrumetrischen Messung eines isotopischen Gases angeschlossen wird. Der Atemprobenbeutel 1 umfasst eine Atemprobenkammer 1a zur Probenahme des Atems des Patienten nach Verabreichung des diagnostischen Medikaments für Harnstoff und eine Atemprobenkammer 1b zur Probenahme von Atem des Patienten vor Verabreichung des diagnostischen Medikaments für Harnstoff, wobei die Atemprobenkammer 1a und 1b ganzheitlich geformt sind und miteinander verbunden sind, um einen einzigen Körper zu bilden.
  • Ein Rohr 2a ist an einem Ende der Atemprobenkammer 1a angebracht und ein Rohr 2b ist an einem Ende der Atemprobenkammer 1b angebracht. Untere Enden 5a und 5b der Atemprobenkammern 1a und 1b sind verschlossen. Die Rohre 2a und 2b haben jeweils zwei Funktionen, d.h. dass die Rohre 2a und 2b nicht nur als Atemblasöffnungen dienen, aus denen Atem in die Atemprobenkammern 1a und 1b geblasen wird, sondern auch zum Einführen der Atemproben aus den Atemprobenkammern 1a und 1b in die spektrometrische Vorrichtung dienen, wenn der Atemprobenbeutel mit den Düsen N1 und N2 der Vorrichtung verbunden wird.
  • Wenn eine Atemprobe genommen wird, wird ein zylindrischer Filter (wie ein Zigarettenfilter) 7a oder 7b in das Rohr 2a oder 2b eingepasst, und dann wird der Atem in den Atemprobenbeutel 1 eingeblasen. Die Filter 7a und 7b werden verwendet, um Feuchtigkeit im Atem zu entfernen.
  • Wie in 6 gezeigt, sind Rückflussventile 3a und 3b in den Rohren 2a bzw. 2b vorgesehen, um zu verhindern, dass in dem Atemprobenbeutel geblasener Atem zurückfließt.
  • Die Rohre 2a und 2b haben jeweils einen Abschnitt mit einem kleineren Innendurchmesser (z.B. einen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser 4a oder 4b), um einen Widerstand zum Einblasen des Atems zu erzeugen. Der Widerstand zum Einblasen des Atems erlaubt es dem Patienten, Luft aus seiner Lunge auszuatmen. Es ist experimentell bestätigt worden, dass aus der Lunge eines Patienten ausgeatmete Luft eine stabilere CO2-Konzentration zur Verfügung stellt, als Luft, die in der Mundhöhle des Patienten vorhanden ist.
  • Nach Vollendung der Probenahme des Atems werden die Filter entfernt und die Rohre 2a und 2b werden in die Düsen N1 bzw. N2 der spektrumetrischen Vorrichtung eingesetzt. Die Düsen N1 und N2 weisen unterschiedliche Innendurchmesser auf, und die Rohre 2a und 2b weisen unterschiedliche Außendurchmesser auf, die den Innendurchmessern der Düsen N1 und N2 entsprechen. Dies verhindert, dass die Rohre 2a und 2b in die falschen Düsen N2 und N1 eingesetzt werden, wodurch verhindert wird, dass die vor und nach Verabreichung des diagnostischen Elements für Harnstoff erhaltenen Atemproben falsch gehandhabt werden (vertauscht werden).
  • Die Düsen N1 und N2 der spektrumetrischen Vorrichtung weisen jeweils Vorsprünge 6a und 6b auf, die geeignet sind, um die Funktion der Rückflussventile 3a und 3b zu deaktivieren, wenn die Rohre 2a und 2b in die Düsen N1 und N2 eingesetzt werden.
  • Obwohl die Außendurchmesser der Rohre 2a und 2b in dieser Ausführungsform verschieden gemacht sind, kann jegliche anderer Aufbau eingesetzt werden, um einen Anschlussfehler zwischen den Rohren 2a und 2b und den Düsen N1 und N2 zu verhindern. Z.B. können die Rohre verschiedene Längen haben und die Düsen N1 und N2 der spektrumetrischen Vorrichtung können verschiedene Tiefen haben, die den Längen der Rohre entspricht.
  • Mit diesem Aufbau kann das fälschlich in eine Düse mit kleiner Tiefe eingesetzte längere Rohr nicht perfekt in die Düse passen. Daher bemerkt ein Benutzer den Anschlussfehler der Rohre. Alternativ können die Rohre verschiedene Querschnitte aufweisen (z.B. runde, rechteckige oder dreieckige Querschnitte).
  • Bei Vollendung des Anschlusses des Atemprobenbeutels 1 führt die spektrometrische Vorrichtung die folgende automatische Steuerung durch.
  • II. Vorrichtung zur spektrumetrischen Messung eines isotopischen Gases
  • 7 ist ein Blockdiagramm, das den Gesamtaufbau der Vorrichtung zur spektrumetrischen Messung eines isotopischen Gases veranschaulicht. Der Atemprobenbeutel wird so an der Vorrichtung angeschlossen, dass eine Atemprobenkammer davon, welche die nach der Verabreichung des Medikaments genommene Atemproben (im Folgenden als „Probengas" bezeichnet) enthält, und die andere Atemsammelkammer davon, die wie vor der Verabreichung des Medikaments genommen Probe (im Folgenden als „Basisgas" bezeichnet) enthält, jeweils an den Düsen N1 und N2 angeschlossen werden. Die Düse N1 ist mit einem Anschluss eines Dreiwegeventils V1 durch ein transparentes Kunstharzrohr (im Folgenden einfach als „Rohr" bezeichnet) verbunden und die Düse N2 ist mit einem Anschluss eines Dreiwegeventils V2 durch ein Rohr verbunden.
  • Ein Referenzgas (jegliches Gas, das keine Absorption an einer Messwellenlänge aufweist, z.B. Stickstoffgas) wird der Vorrichtung aus einem Gaszylinder zugeführt. Das Referenzgas strömt durch einen Flussweg, der sich in zwei Wege aufteilt. Ein Weg ist durch einen Durchflussmesser M1 mit einer Referenzzelle 11c verbunden. Der andere Weg ist durch einen Durchflussmesser M2 mit einem Anschluss eines Dreiwegeventils V3 verbunden. Das Referenzgas strömt in die Referenzzelle 11c und wird daraus ausgestoßen.
  • Die anderen Anschlüsse des Dreiwegeventils V3 werden mit dem anderen Anschluss des Dreiwegeventils V1 und mit einer ersten Probenzelle 11a zur Messung eines „12CO2-Absorptionswerts verbunden. Die anderen Anschlüsse des Dreiwegeventils V2 werden mit der ersten Probenzelle 11a durch ein Zweiwegeventil V4 und mit dem anderen Anschluss des Dreiwegeventils V1 verbunden.
  • Ein Gasinjektor 21 (Volumen: 60 m3) zur quantitativen Einspritzung des Probengases oder des Basisgases wird zwischen das Dreiwegeventil V3 und die erste Probenzelle 11a zwischengestellt. Der Gasinjektor 21 ist eine spritzenartige Vorrichtung mit einem Kolben und einem Zylinder. Der Kolben wird durch Zusammenwirken eines Motors, eine mit dem Motor verbundenen Schraube und einer am Kolben befestigten Mutter (später beschrieben) angetrieben.
  • Wie in 7 gezeigt, weist eine Zellenkammer 11 die erste Probenzelle 11a mit einer kleineren Länge, um darin eine 12CO2-Absorption zu messen, eine zweite Probenzelle 11b mit einer größeren Länge, um darin eine 13O2-Absorption zu messen, und die Referenzzelle 11c auf, durch welche das Referenzgas geführt wird. Die erste Probenzelle 11a steht mit der zweiten Probenzelle 11b in Verbindung. Das Probengas oder das Basisgas wird in die erste Probenzelle 11a und dann in die zweite Probenzelle 11b eingeführt, und daraus ausgestoßen. Das Referenzgas wird in die Referenzzelle 11c eingeführt und dann daraus ausgestoßen. Insbesondere weisen die erste und zweite Probenzelle 11a und 11b jeweils Längen von 13 mm bzw. 250 mm auf, und die Referenzzelle 11c weist eine Länge von 236 mm auf.
  • Ein Ablassrohr, das sich aus der zweiten Probenzelle 11b erstreckt, ist mit einem O2-Sensor 18 versehen. Als O2-Sensor 18 sind im Handel erhältliche Sauerstoffsensoren einsetzbar, wie z.B. ein Festelektrolytgassensor (z.B. ein Zirconiasensor) und ein elektrochemischer Gassensor (z.B. ein Sensor mit galvanischer Zelle).
  • Ein Bezugszeichen L bezeichnet eine infrarote Lichtquelle, die zwei Lichtleiter 23a und 23b aufweist, um die infraroten Strahlen zur Bestrahlung zu führen. Die Erzeugung der infraroten Strahlen kann auf jegliche Weise erzielt werden. Z.B. kann ein keramisches Heizelement (Oberflächentemperatur: 450°C) und ähnliches verwendet werden. Eine drehbare Schlitzscheibe 22 zum periodischen Blockieren der infraroten Strahlen ist neben der infraroten Lichtquelle L vorgesehen. Die aus der infraroten Lichtquelle L ausgestrahlten infraroten Strahlen werden durch einen ersten Lichtweg zur ersten Probenzelle 11a und zur Referenzzelle 11c übertragen und durch einen zweiten Lichtweg zur zweiten Probenzelle 11b (siehe 8).
  • Ein Bezugszeichen D bezeichnet einen Infrarotdetektor zum Messen der durch die Zellen transmittierten Infrarotstrahlen. Der Infrarotdetektor D weist zwei Wellenlängenfilter 24a und ein erstes Messelement 25a auf, das im ersten Lichtweg angeordnet ist, sowie einen zweiten Wellenlängenfilter 24b und ein zweites Messelement 25b, das im zweiten Lichtweg angeordnet ist.
  • Der erste Wellenlängenfilter 24a (Bandbreite: ungefähr 20 nm) lässt einen Infrarotstrahl mit einer Wellenlänge von ungefähr 4.280 nm durch, um für die Messung einer 12CO2-Absorption verwendet zu werden. Der zweite Wellenlängenfilter 24b (Bandbreite: ungefähr 50 nm) lässt einen Infrarotstrahl mit einer Wellenlänge von ungefähr 4.412 nm durch, um zur Messung einer 13CO2-Absorption verwendet zu werden. Als erstes und zweites Messelement 25a und 25b können jegliche Elemente verwendet werden, die geeignet sind, Infrarotstrahlen zu messen. Z.B. kann ein Halbleiter-Infrarotsensor wie z.B. PbSe verwendet werden.
  • Der erste Wellenlängenfilter 24a und das erste Messelement 25a sind in einem Paket 26a untergebracht, das mit einem inerten Gas wie z.B. Ar gefüllt ist. Auf ähnliche Weise sind der zweite Wellenlängenfilter 24b und das zweite Messelement 25b in einem Paket 26b untergebracht, das mit einem inerten Gas gefüllt ist.
  • Der gesamte Infrarotdetektor D wird mittels eines Heizers und eines Peltierelements auf einer konstanten Temperatur (25°C) gehalten. Die Innentemperaturen der Pakete 26a und 26b werden mittels eines Peltier-Elements auf 0°C gehalten.
  • Die Zellkammer 11 besteh aus Edelstahl und ist in vertikaler Richtung und seitlich zwischen Metallplatten (z.B. Messingplatten 12) eingelegt. Ein Heizer 13 ist auf einer Oberseite, einer Unterseite und seitlich der Zellkammer vorgesehen. Die Zellkammer 11 wird mit Isolatoren 14, wie z.B. Polystyrolschaum versiegelt, wobei der Heizer 13 dazwischen gestellt ist. Obwohl nicht gezeigt, ist ein Temperatursensor (z.B. ein Platintemperatursensor) zur Messung der Temperatur der Zellkammer 11 in der Zellkammer 11 vorgesehen.
  • Die Zellkammer 11 weist zwei Reihen auf. Die erste Probenzelle 11a und die Referenzzelle 11c sind in einer Reihe angeordnet und die zweite Probenzelle 11b ist in der anderen Reihe angeordnet. Der erste Lichtweg erstreckt sich durch die erste Probenzelle 11a und die Referenzzelle 11c, die in Reihe angeordnet sind, und der zweite Lichtweg erstreckt sich durch die zweite Probenzelle 11b. Bezugszeichen 15, 16 und 17 bezeichnen Durchlassfenster aus Saphir, durch welche die Infrarotstrahlen durchgelassen werden.
  • 9 ist ein Blockdiagramm, das einen Mechanismus zum Einstellen der Temperatur der Zellkammer 11 darstellt. Der Temperatureinstellmechanismus wird durch den in der Zellkammer 11 vorgesehenen Temperatursensor 32 dar, ein Temperatureinstellsubstrat 31 und den Heizer 13 dargestellt. Die Temperatur des Temperatureinstellsubstrats 31 kann auf jegliche Weise eingestellt werden. Z.B. kann die Temperatureinstellung erreicht werden, indem das Lastverhältnis eines Pulsstroms, der durch den Heizer 13 fließt, auf Grundlage eines Temperaturmesssignals des Temperatursensors 32 geändert wird. Der Heizer 13 wird auf Grundlage dieses Temperatureinstellverfahrens so gesteuert, dass er die Zellkammer 11 auf einer konstanten Temperatur (40°C) hält.
  • 10a und 10b sind eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht des Gasinjektors 21 zur quantitativen Einspritzung einer gasförmigen Probe. Der Gasinjektor 21 umfasst einen auf einer Basis 21a angeordneten Zylinder 21b, einen in den Zylinder 21b eingesetzten Kolben 21c und eine mit dem Kolben 21c verbundene bewegliche Mutter 21d, sowie eine mit der Mutter 21d in Gewindeeingriff stehende Zustellschraube 21e und einen Motor 21f, zur Drehung der Zustellschraube 21e, die unterhalb der Basis 21a angeordnet sind. Der Motor 21f wird zur Vorwärts- und Rückwärtsdrehung von einem nicht gezeigten Antriebsschaltkreis angetrieben. Wenn die Zustellschraube 21e durch die Drehung des Motors 21f gedreht wird, bewegt sich die Mutter 21d in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Zustellschraube 21e vorwärts oder rückwärts. Der Kolben 21c bewegt sich vorwärts zu einer durch eine gestrichelte Linie in 10A gezeigte Position. Daher kann der Gasinjektor 21 flexibel gesteuert werden, um die gasförmige Probe in/aus dem Zylinder 21b einzuführen und zu entnehmen.
  • III.a Messverfahren 1
  • Dieses Messverfahren, das nicht Teil der Erfindung ist, umfasst eine Referenzgasmessung, eine Basisgasmessung, eine Referenzgasmessung, eine Probengasmessung und eine Referenzgasmessung, die in dieser Reihenfolge durchzuführen sind. Alternativ kann eine Basisgasmessung, eine Referenzgasmessung und eine Basisgasmessung, und eine Probengasmessung, eine Referenzgasmessung und eine Probengasmessung in dieser Reihenfolge durchgeführt werden. Im letzteren Fall werdend die Basisgasmessung und die Probengasmessung jeweils zweimal durchgeführt und daher wird die Arbeitseffizienz verringert. Das erstere Messverfahren, das effizienter ist, wird im Folgenden beschrieben.
  • Während der Messung strömt das Referenzgas stetig durch die Referenzzelle 11c und die Flussrate davon wird stets durch den Durchflussmesser M1 konstant gehalten.
  • III.a-1 Referenzmessung
  • Wie in 11 gezeigt, wird sauberes Referenzgas durch einen Gasflussweg und die Zellkammer 11 der spektrumetrischen Vorrichtung unter eine Rate von 200 ml/min für ungefähr 50 sec durchgelassen, um den Gasflussweg und die Zellkammer 11 zu reinigen.
  • Im Gegenzug wird, wie in 12 gezeigt, der Gasflussweg gewechselt und das Referenzgas wird dann hindurchgelassen, um den Gasflussweg und die Zellkammer 11 zu reinigen. Nach einer Pause von ungefähr 30 sec wird die Lichtintensität mittels der Messelementen 25a und 25b gemessen.
  • Auf Grundlage dieser Referenzmessung werden die Absorptionswerte berechnet. Die auf diese Weise vom ersten und zweiten Messelement 25a und 25b erhaltenen Lichtintensitäten sind jeweils durch 12R1 und 13R1 dargestellt.
  • III.a-2 Basisgasmessung
  • Das Basisgas wird in den Gasinjektor 21 aus dem Atemprobenbeutel eingesaugt, wobei das Referenzgas daran gehindert wird, durch die erste und zweite Probenzelle 11a und 11b zu fließen (siehe 13).
  • Danach wird das Basisgas mechanisch unter einer konstanten Rate (60 ml/min) vom Gasinjektor 21 ausgestoßen, wie in 14 gezeigt, und gleichzeitig wird von den Messelementen 25a und 25b die Lichtintensität gemessen.
  • Die so von dem ersten und zweiten Messelement 25a und 25b erhaltenen Lichtintensitäten sind jeweils durch 12B und 12B dargestellt.
  • III.a-3 Referenzmessung
  • Die Reinigung des Gasflusswegs und der Zelle und die Messung der Lichtintensität am Referenzgas werden nochmals durchgeführt (siehe 11 und 12).
  • Die so vom ersten und zweiten Messelement 25a und 25b erhaltenen Lichtintensitäten sind durch 12R2 bzw. 13R2 dargestellt.
  • III.a-4 Probengasmessung
  • Das Probengas wird in den Gasinjektor 21 aus dem Atemsammelbeutel angesaugt, wobei das Referenzgas daran gehindert wird, durch die erste und zweite Probenzelle 11a und 11b zu fließen (siehe 15).
  • Danach wird das Probengas mechanisch unter einer konstanten Rate (60 ml/min) vom Gasinjektor 21 wie in 16 gezeigt, ausgestoßen und gleichzeitig wird die Lichtintensität von den Messelementen 25a und 25b gemessen.
  • Die so vom ersten und zweiten Messelement 25a und 25b erhaltenen Lichtintensitäten sind jeweils durch 12S und 13S dargestellt.
  • III.a-5 Referenzmessung
  • Das Reinigen des Gasflusswegs und der Zellen und die Messung der Lichtintensität am Referenzgas werden noch mal durchgeführt (siehe 11 und 12). Die so vom ersten und zweiten Messelement 25a und 25b erhaltenen Lichtintensitäten werden jeweils von 12R3 und 13R3 dargestellt.
  • 2II.b Messverfahren 2
  • Im Messverfahren 1 werden die CO-Konzentrationen des Basisgases und des Probengases nicht auf dasselbe Niveau eingestellt.
  • Wenn Das Basisgas und das Probengas auf demselben CO2-Konzentrationsniveau sind, können die Bereiche der 12CO2 und 13CO2-Kalibrationskurven, die zur Bestimmung der Konzentrationen zu verwenden sind, enger gemacht werden. Durch Verwendung begrenzter Bereiche der Kalibrationskurven kann die Messgenauigkeit vergrößert werden.
  • Entsprechend der Erfindung werden bei dem Messverfahren II die 13CO2-Konzentrationen des Basisgases und des Probengases auf im Wesentlichen dasselbe Niveau eingestellt. Zuerst werden die CO2-Konzentrationen des Basisgases und des Probengases in einer vorläufigen Messung gemessen. Wenn die CO2-Konzentration des Basisgases, das in der vorläufige Messung erhalten wird, höher als die CO2-Konzentration des Probengases, das in der vorläufigen Messung erhalten wird, ist, wird das Basisgas auf ein CO2-Konzentrationsniveau verdünnt, das jenem des Probengases äquivalent ist, und die Messung der Konzentration wird in einer Hauptmessung am Basisgas und dann am Probengas durchgeführt.
  • Wenn die CO2-Konzentration des Basisgases, das in der vorläufigen Messung erhalten wird, niedriger als die CO2-Konzentration des Probengases, das in der vorläufigen Messung erhalten wird, ist, wird die CO2-Konzentration des Basisgases in der Hauptmessung gemessen. Das Probengas wird auf ein CO2-Konzentrationsniveau verdünnt, das jenem des Basisgases äquivalent ist, und dann wird seine CO2-Konzentration gemessen.
  • Das Messverfahren II umfasst eine vorläufige Basisgasmessung, eine vorläufige Probengasmessung, eine Referenzgasmessung, eine Basisgasmessung, eine Referenzgasmessung, eine Probengasmessung und eine Referenzgasmessung, die in dieser Reihenfolge durchzuführen sind.
  • III.b-1 Vorläufige Basisgasmessung
  • Ein sauberes Referenzgas wird durch den Gasflussweg und die Zellkammer 11 der spektrumetrischen Vorrichtung geführt, um den Gasflussweg und die Zellkammer 11 zu reinigen, und gleichzeitig wird die Referenzlichtintensität gemessen.
  • Im Gegenzug wird das Basisgas in den Gasinjektor 21 aus dem Atemprobenbeutel angesaugt und wird dann mechanisch unter einer konstanten Flussrate durch den Gasinjektor 21 ausgestoßen. Zu diesem Zeitpunkt wird die durch das Basisgas durchgelassene Lichtintensität von dem Messelement 25a gemessen, um einen Absorptionswert zu bestimmen, und die CO2-Konzentration des Basisgases wird auf Grundlage des Absorptionswert unter Verwendung einer Kalibrationskurve bestimmt.
  • III.b-2 Vorläufige Probengasmessung
  • Das saubere Referenzgas wird durch den Gasflussweg und die Zellkammer 11 der spektrumetrischen Vorrichtung geführt, um den Gasflussweg und die Zellkammer 11 zu reinigen und gleichzeitig wird die Referenzlichtintensität gemessen.
  • Im Gegenzug wird das Probengas in den Gasinjektor 21 aus dem Atemprobenbeutel angesaugt und dann mechanisch unter einer konstanten Flussrate durch den Gasinjektor 21 ausgestoßen. Zu diesem Zeitpunkt wird die durch das Probengas durchgelassene Lichtintensität von dem Messelement 25a gemessen, um einen Absorptionswert zu bestimmen, und die CO2-Konzentration des Probengases wird auf Grundlage des Absorptionswerts unter Verwendung der Kalibrationskurve bestimmt.
  • III.b-3 Referenzmessung
  • Der Gasflussweg wird gewechselt und dann wird das Referenzgas dort durchgeführt, um den Gasflussweg und die Zellkammer 11 zu reinigen. Nach einer Pause von ungefähr 3 sec wird die Lichtintensität von den Messelementen 25a und 25b gemessen.
  • Die so vom ersten und zweiten Messelement 25a und 25b erhaltenen Lichtintensitäten werden jeweils von 12R1- und 13R2 dargestellt.
  • III.b-4 Basisgasmessung
  • Die CO2-Konzentration des Basisgases, das vom ersten Messelement 25a in „III.b-1. Vorläufige Basisgasmessung" erhalten wurde, wird mit der CO2-Konzentration des Probengases verglichen, die vom ersten Messelement 25a in „III.b-2. Vorläufige Probengasmessung" erhalten wurde. Wenn die CO2-Konzentration des Basisgases höher ist als die CO2-Konzentration des Probengases, wird das Basisgas mit dem Referenzgas im Gasinjektor 21 auf ein CO2-Konzentrationsniveau verdünnt, das jenem des Probengases äquivalent ist, und dann wird die Lichtintensitätsmessung am so verdünnten Basisgas durchgeführt.
  • Da die CO2-Konzentrationen der beiden Atemproben auf im Wesentlichen dasselbe Verdünnungsniveau eingestellt wurden, können die Bereiche der zu verwendenden 12CO2 und 13CO2-Kalibrationskurven enger gemacht werden.
  • Es sollte bemerkt werden, dass das Messverfahren 2 dieser Ausführungsform dadurch gekennzeichnet ist, dass die CO2-Konzentrationen der beiden Atemproben auf im wesentlichen dasselbe Niveau eingestellt werden, und dass es nicht notwendigerweise verlangt, einen Schritt zum beibehalten der CO2-Konzentration auf einem konstanten Niveau einzusetzen, wie es in JPB 4 (1992)-124141 beschrieben ist. die Verwendung eingeschränkter Bereiche der Kalibrationskurven kann einfach dadurch erreicht werden, dass die CO2-Konzentrationen des Basisgases und des Probengases auf im wesentlichen dasselbe Niveau eingestellt werden. Da die CO2-Konzentrationen des Basisgases und des Probengases innerhalb eines Bereichs von 1% bis 5% bei tatsächlichen Messungen variieren, ist es sehr schwierig, stets die CO2-Konzentrationen auf einem konstanten Niveau zu halten.
  • Wenn die CO2-Konzentration des Basisgases niedriger als die CO2-Konzentration des Probengases ist, wird das Basisgas nicht verdünnt, und die Messung wird am Basisgas durchgeführt.
  • Das Basisgas wird mechanisch unter einer konstanten Flussrate vom Gasinjektor 21 ausgestoßen und die Lichtintensität wird von den Messelementen 25a und 25b gemessen.
  • Die so vom ersten und zweiten Messelement 25a und 25b erhaltenen Lichtintensitäten sind jeweils von 12B und 13B dargestellt.
  • III.b-5 Referenzmessung
  • Das Reinigen des Gasflusswegs und der Zellen und die Lichtintensitätsmessung am Referenzgas werden nochmals durchgeführt. Die so vom ersten und zweiten Messelement 25a und 25b erhaltenen Lichtintensitäten sind jeweils von 12R2 und 13R2 dargestellt.
  • III.b-6 Probengasmessung
  • Wenn das Probengas in „III.b-4. Basisgasmessung" verdünnt wird, wird das Probengas aus dem Atemprobenbeutel angesaugt und dann mechanisch unter einer konstanten Flussrate vom Gasinjektor 21 ausgestoßen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Lichtintensität vom Messelement 25a und 25b gemessen. Wenn das Basisgas in „IIIb-4. Basisgasmessung" nicht verdünnt wird, wird das Probengas mit dem Referenzgas auf ein CO2-Konzentrationsniveau verdünnt, das jenem des Basisgases im Gasinjektor 21 äquivalent ist, und dann wird die Intensität des durch das Probengas durchgelassenen Lichts von den Messelementen 25a und 25b gemessen.
  • Die so vom ersten und zweiten Messelement 25a und 25b erhaltenen Lichtintensitäten sind jeweils von 12S und 13S dargestellt.
  • III.b-7 Referenzmessung
  • Das Reinigen des Gasflusswegs und der Zellen und die Lichtintensitätsmessung am Referenzgas werden nochmals durchgeführt. Die so vom ersten und zweiten Messelement 25a und 25b erhaltenen Lichtintensitäten sind jeweils von 12R3 und 13R3 dargestellt.
  • IV. Datenverarbeitung
  • IV.-1 Berechnung der Absorptionswerte für das Basisgas
  • Absorptionswerte 12Abs(B) und 12Abs(B) von 12CO2 und 13CO2 im Basisgas werden auf Grundlage der durchgelassenen Lichtintensitäten 12R1, 13R1, 12R2 und 13R2 für das Referenzgas und die durchgelassenen Lichtintensitäten 12B und 13B für das Basisgas berechnet, die im Messverfahren 1 oder im Messverfahren 2 erhalten wurden.
  • Der Absorptionswert 12Abs(B) von 12CO2 wird aus der folgenden Gleichung berechnet: 12Abs(B) = – log [2 × 12B/(12R1 + 12R2)]
  • Der Absorptionswert 13Abs(B) von 13CO2 wird aus der folgenden Gleichung berechnet: 13Abs(B) = – log [2 × 12B/(13R1 + 13R2)]
  • Da die Berechnung der Absorptionswerte auf der in der Basisgasmessung erhaltenen Lichtintensität und den Durchschnittswerten (12R1 + 12R2)/13R1 + 13R2)/ der in den vor und nach der Basisgasmessung durchgeführten Referenzmessungen erhaltenen Lichtintensität basiert, kann der Einfluss eines Drifts (eine zeitabhängige Beeinflussung der Messung) eliminiert werden. Wenn daher die Vorrichtung eingeschaltet wird, ist es nicht notwendig, zu warten, bis die Vorrichtung ein thermisches Gleichgewicht (es erfordert gewöhnlich mehrere Stunden) erreicht.
  • Wo das Messverfahren der Basisgasmessung, der Referenzgasmessung und der Basisgasmessung, und der Probengasmessung, der Referenzgasmessung und der Probengasmessung wie zu Beginn von „III.a" eingesetzt wird, wird der Absorptionswert [2 × 12Abs(B) von 12CO2 im Basisgas aus der folgenden Gleichung berechnet: 12Abs(B) = -log [(12B1 + 12B2)/2 × (12R1]
  • Und der Absorptionswert 12Abs(B) von 13CO2 wird aus der folgenden Gleichung berechnet: 13AbS(B) = -log [(13B1 + 13B2)/2 × (13R]wobei
    12R und 13R die durchgelassenen Lichtintensitäten für das Referenzgas, 12B1 und 13B1 die durchgelassen Lichtintensitäten für das Basisgas, die für der Referenzgasmessung erhalten wurden, und 12B2 und 13B2 die durchgelassenen Lichtintensitäten für das Basisgas, die nach der Referenzgasmessung erhalten wurden, sind.
  • IV.-2 Berechnung der Absorptionswerte für das Probengas
  • Die Absorptionswerte 12Abs(S) und 13Abs(S) von 12CO2 und 13CO2 im Probengas werden auf der Grundlage der durchgelassenen Lichtintensitäten 12R2, 13R2, 12R3, 12CO2 und 13CO2 im Probengas werden auf der Grundlage der durchgelassenen Lichtintensitäten 12R1, 12R2, 12R3 und 13R3 für das Referenzgas und die durchgelassenen Lichtintensitäten 12S und 13S für das Probengas berechnet, die im Messverfahren 1 oder Messverfahren 2 erhalten wurden.
  • Die Absorptionswerte 11Abs(S) von 12CO2 wird aus der folgenden Gleichung berechnet: 12Abs(S) = -log [2 × 12S/(12R2 + 12R3)]
  • Der Absorptionswert 13Abs(S) von 13CO2 wird aus der folgenden Gleichung berechnet 13Abs(S) = -log [2 × 13S/(13R2 + 13R3)]
  • Da die Berechnung der Absorptionswerte auf der in der Probengasmessung erhaltenen Lichtintensität und auf den Durchschnittswerten der Lichtintensität basieren, die in den vor und nach der Probengasmessung durchgeführten Referenzmessungen erhalten wurde, kann der Einfluss eines Drifts eliminiert werden.
  • Wo das Messverfahren der Basisgasmessung, der Referenzgasmessung und der Basisgasmessung, und der Probengasmessung, der Referenzgasmessung, und der Probengasmessung wie zu Beginn von „IIIa" eingesetzt wird, wird der Absorptionswert 12Abs(S) von 12CO2 im Probengas aus der folgenden Gleichung berechnet: 13Abs(S) = -log [(12S1 + 12S2)/2 × 12S2]/2 × 12R]und der Absorptionswert 13Abs(S) von 13O2 wird aus der folgenden Gleichung berechnet: 13Abs(S) = -log [(13S1 + 13S2)/2 × 13R]wobei
    12R und 13R die durchgelassenen Lichtintensitäten für das Referenzgas sind, 12S1 und 13S1 die durchgelassenen Lichtintensitäten für das Probengas sind, die vor der Referenzgasmessung erhalten wurden, und 12S1 und 13S2 die durchgelassenen Lichtintensitäten für das Probengas sind, die nach der Referenzgasmessung erhalten wurden.
  • IV.-3 Berechnung der Konzentrationen
  • Die 12CO2-Konzentration und die 13CO2-Konzentration werden durch Verwendung der Kalibrationskurven berechnet.
  • Die Kalibrationskurven für 12CO2 und 13CO2 werden auf der Grundlage der Messungen erzeugt, die unter Verwendung gasförmiger Proben bekannter 12CO2-Konzentrationen bzw. gasförmiger Proben bekannter 13CO2-Konzentrationen durchgeführt werden.
  • Zur Erzeugung der Kalibrationskurven für 12CO2, werden die 12CO2-Absorptionswerte für verschiedene 12CO2-Konzentrationen innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0% bis ungefähr 6% gemessen. Die 12CO2-Konzentrationen und die 12CO2-Absorptionswerte sind als Abszisse bzw. Ordinate aufgetragen und die Kurve wird durch die Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Eine ungefähr quadratische Kurve, die relativ kleine Fehler enthält, wird in dieser Ausführungsform als Kalibrationskurve verwendet.
  • Zur Erzeugung der Kalibrationskurve für 13CO2 werden die 13CO2-Absorptionswerte für verschiedene 13CO2-Konzentrationen innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0,00% bis ungefähr 0,07% gemessen. Die 13CO2-Konzentrationen und die 13CO2-Absorptionswerte werden jeweils als Abszisse und Ordinate aufgetragen und die Kurve wird durch die Methode der kleinsten Quadrate bestimmte. Eine ungefähr quadratische Kurve, die relativ kleine Fehler enthält, wird in dieser Ausführungsform als Kalibrationskurve verwendet.
  • Im engen Sinne können die durch individuelle Messung der jeweils 12CO2 und 13CO2 enthaltenden Gase bestimmten 13CO2-Absorptionswerte von den 13CO2-Absorptionswerten verschieden sein, die durch Messen eines Gases bestimmt werden, dass sowohl 12CO2 als auch 13CO2 enthält. Dies liegt daran, dass die Wellenlängenfilter jeweils eine Bandbreite haben und das 12CO2-Absorptionsspektrum teilweise das 13CO2-Absorptionsspektrum überlappt. Da die Gase, die sowohl 12CO2 als auch 13CO2 enthalten, in diesem Messverfahren gemessen werden sollen, sollte die Überlappung dieser Spektren für die Erzeugung der Kalibrationskurve korrigiert werden. Die in dieser Messung zu verwendenden Kalibrationskurven werden der Korrektur für das Überlappen der Absorptionsspektra unterworfen. Die in dieser Messung zu verwendenden Kalibrationskurven werden der Korrektur für das Überlappen der Absorptionsspektra unterworfen.
  • Zur Erzeugung der Kalibrationskurve für die 12CO2-Konzentration werden die 12CO2-Absorptionswerte für 20 verschiedene 12CO2-Konzentrationen innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0% bis ungefähr 6% gemessen. Die 12CO2-Konzentrationen und die 12CO2-Absorptionswerte werden jeweils als Abszisse und/oder Ordinate aufgetragen, wie in 17A gezeigt.
  • Die Kurve, die durch die jeweiligen Datenpunkte führt, wird durch die Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Eine ungefähr quadratische Kurve enthält den kleinsten Fehler. Daher wird eine ungefähr quadratische Kurve in dieser Ausführungsform als Kalibrationskurve für 12CO2 eingesetzt.
  • Im Gegenzug werden fünf Datenpunkte ausgewählt, die um die 12CO2-Konzentration des zuvor auf Grundlage der Kalibrationskurve für 12CO2-bestimmten Basisgases platziert sind. Die fünf Datenpunkte fallen innerhalb eines Konzentrationsbereichs von 1,5%, der 25% des gesamten Konzentrationsbereichs (6%) der in 17A gezeigten Kalibrationskurve darstellt. Dann werden die innerhalb des begrenzten Konzentrationsbereichs liegenden Daten für die Erzeugung einer neuen Kalibrationskurve verwendet (siehe 17B). Es wird bestätigt, dass die Erzeugung der Kalibrationskurve innerhalb des begrenzten Datenbereichs die Übereinstimmung der Daten mit der ungefähren Kurve verbessert, wodurch mit der Erzeugung der Kalibrationskurve zusammenhängende Fehler deutlich verringert werden. Die 12CO2-Konzentration des Basisgases wird auf der Grundlage des Absorptionswerts 12Abs(B) des Basisgases unter Verwendung der neuen Kalibrationskurve für 12CO2 bestimmt.
  • Die 12CO2-Konzentration des Probengases wird auf dieselbe Weise bestimmt. Für die Erzeugung der Kalibrationskurve für die 13CO2-Konzentration, werden 12CO2-Absorptionswerte für 20 verschiedene 13CO2-Konzentrationen innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0,00% bis 0,07% gemessen. Die 13CO2-Konzentrationen und die 13CO2-Konzentrationswerte werden jeweils als Abszisse und/oder Koordinate aufgetragen, wie in 18A gezeigt.
  • Die Kurve, die durch die jeweiligen Datenpunkte führt, wird durch die Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Eine ungefähr quadratische Kurve beinhaltet den kleinsten Fehler. Daher wird die ungefähr quadratische Kurve in dieser Ausführungsform als Kalibrationskurve für 12CO2 verwendet.
  • Im Gegenzug werden fünf Datenpunkte ausgewählt, die um die 13CO2-Konzentration des Basisgases platziert sind, die zuvor auf Grundlage der Kalibrationskurve für 13CO2 bestimmt wurde. Die fünf Datenpunkte fallen innerhalb eines Konzentrationsbereichs von 0,015 %, der ungefähr 1 Viertel des gesamten Konzentrationsbereichs (0,07%) der in 18A gezeigten Kalibrationskurve darstellt. Dann werden die Daten innerhalb des begrenzten Konzentrationsbereichs für die Erzeugung einer neuen Kalibrationskurve verwendet (siehe 18B). Es wird bestätigt, dass die Erzeugung der Kalibrationskurve innerhalb des begrenzten Datenbereichs die Übereinstimmung der Daten mit der ungefähren Kurve verbessert, wodurch die mit der Erzeugung der Kalibrationskurve zusammenhängenden Fehler deutlich verringert werden.
  • Die 13CO2-Konzentration des Basisgases wird auf der Grundlage des Absorptionswerts 13Abs(B) des Basisgases unter Verwendung der neuen Kalibrationskurve für 13CO2 bestimmt.
  • Die 13CO2-Konzentration des Probengases wird auf dieselbe Weise bestimmt. Die 13CO2-Konzentration des Probengases wird auf dieselbe Weise bestimmt. Die 12CO2-Konzentration und die 13CO2-Konzentration des Basisgases sind jeweils von 12Conc(B) und 13Conc(B) dargestellt. Die 12CO2-Konzentration und die 13CO2-Konzentration des Probengases sind jeweils von 12Conc(S) und 13Conc(S) dargestellt.
  • IV.-4 Berechnung der Konzentrationsverhältnisse
  • Das Konzentrationsverhältnis von 13CO2 zu 12CO2 wird bestimmt. Die Konzentrationsverhältnisse im Basisgas und im Probengas werden als 13Conc(B) /12Conc(B) bzw. 13Conc(S)/12Conc(S) ausgedrückt.
  • Alternativ können die Konzentrationsverhältnisse im Basisgas und im Probengas als 13Conc(B)/12Conc(B) + 13Conc(B) bzw. 13Conc(S)/12Conc(S) + 12Conc(S) definiert werden. Da die 12CO2-Konzentration viel höher als die 13CO2-Konzentration ist, sind die auf die erste Art ausgedrückten Konzentrationsverhältnisse und die auf die letztere Art ausgedrückten Konzentrationsverhältnisse im Wesentlichen dieselben.
  • IV.-5a Korrektur der Konzentrationsverhältnisse
  • Wie im „Stand der Technik" beschrieben, weichen die auf die zuvor genannte Weise erhaltenen Konzentrationsverhältnisse von den tatsächlichen Konzentrationen in Abhängigkeit von der 12CO2-Konzentraiton ab.
  • Obwohl die Ursache der Abweichung bisher nicht aufgeklärt wurde, entsteht die Abweichung angeblich durch Veränderungen in den spektroskopischen Eigenschaften, wie z.B. Reflexionsgrad, Brechungsindex und Streulicht in Abhängigkeit von der 12CO2-Konzentration und durch Fehlereigenschaften der Methode der kleinsten Quadrate, die für die Erzeugung der Kalibrationskurven eingesetzt wird. Wenn das Konzentrationsverhältnis ohne Korrektur der Abweichung bestimmt wird, kann ein kritischer Fehler die Folge sein. Daher werden Absorptionswerte (12Abs und 13Abs) von 12CO2 und 13CO2 in gasförmigen Proben mit demselben Konzentrationsverhältnis, jedoch verschiedenen 12CO2-Konzentrationen gemessen, und die 13CO2 und die 12CO2-Konzentrationen und die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse der gasförmigen Proben werden unter Verwendung der Kalibrationskurven bestimmt. Dann werden die 12CO2-Konzentrationen 12Conc und die Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc jeweils als Abszisse und/oder Koordinate aufgetragen.
  • Das Ergebnis ist in 1 gezeigt.
  • Die Konzentrationsverhältnisse, die als Ordinate im Graph der 1 aufgetragen sind, sind nicht normalisiert. Die Konzentrationsverhältnisse können zur einfachen Verarbeitung der Daten normalisiert werden. 19 veranschaulicht einen Graphen, der mittels einer Standardisierung der Konzentrationsverhältnisse erhalten wurde, in welcher ein Konzentrationsverhältnis in einer gasförmigen Probe mit der geringsten 12CO2-Konzentration als „eins" angesehen wird. Dies so normalisierten Konzentrationsverhältnisse werden im Folgenden als „normalisierte Konzentrationsverhältnisse" bezeichnet.
  • Um eine ungefähre Kurve zu erhalten, die sich den aufgetragenen Daten anpasst, wird die Methode der kleinsten Quadrate zur Annährung der Daten verwendet. Es ist experimentell bekannt, dass eine Funktion vierten Grades, die durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt ist, die genaueste angenäherte Kurve bereitstellt. F(x) = ax4 + bx3 + cx2 + dx + e (1)wobei F ein normalisiertes Konzentrationsverhältnis ist, (a bis d) Koeffizienten sind, e eine Konstante ist, und x eine 12CO2-Konzentration ist. daher wird die Funktion vierten Grades (1) als Korrekturfunktion verwendet. Alternativ kann eine Spline-Funktion verwendet werden.
  • Standardisierte 13CO2/12CO2-Konzentrationsverhältnisse werden aus der Korrekturgleichung (1) auf Grundlage der 12CO2-Konzentrationen 12Conc(B) und 12Conc(S) in der Atemprobe des Patienten berechnet. Dann werden die Konzentrationsverhältnisse 13Conc(B)/12Conc(B) und 13Conc(S)/12Conc(S) des Basisgases und des Probengases, die in der Messung erhalten werden, jeweils durch die normalisierten Konzentrationsverhältnisse geteilt, die aus der Korrekturgleichung (1) berechnet wurden. So werden die folgenden, korrigierten Konzentrationsverhältnisse erhalten. Korrigiertes Konzentrationsverhältnis = 13Conc(B)/[12Conc(B) × F(12Conc(B))] Korrigiertes Konzentrationsverhältnis = 13Conc(S)/[12Conc(S) × F(12Conc(S))]
  • IV.-5b Korrektur der Konzentrationsverhältnisse
  • Die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse des Basisgases und des Probengases werden einer Korrektur für die Sauserstoffkonzentration entsprechend der vorliegenden Erfindung unterworfen.
  • Die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse werden unter Verwendung eines Graphs (2) korrigiert, bei dem Messungen des 13CO2-Konzentrationsverhältnisses in Bezug auf den Sauerstoffgehalt der gasförmigen Proben aufgetragen sind.
  • Insbesondere werden normalisierte 13CO2-Konzentrationsverhältnisse aus dem in 2 gezeigten Graph auf Grundlage der Konzentrationen von Sauerstoff in den Atemproben erhalten, die mittels des O2-Sensors gemessen werden. Dann werden die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse des Basisgases und des Probengases jeweils durch die normalisierten 13CO2-Konzentrationsverhältnisse geteilt. So können die in Abhängigkeit von den Sauerstoffkonzentrationen korrigierten 13CO2-Konzentrationsverhältnisse erhalten werden.
  • IV.-6 Bestimmung der Änderung in 13C
  • Ein Unterschied in 13C zwischen dem Probengas und dem Basisgas wird aus der folgenden Gleichung berechnet: Δ13C = [Konzentrationsverhältnis des Probengases – Konzentrationsverhältnis des Basisgases] × 103/[Konzentrationsverhältnis des Basisgases] (Einheit 1 durch ml)
  • V. Abwandlung
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. In der oben beschriebenen Ausführungsform werden die 12CO2- und 13CO2-Konzentrationen des Basisgases und des Probengases bestimmt, dann werden die Konzentrationsverhältnisse davon berechnet und die Konzentrationsverhältnisse werden der Sauerstoffkonzentrationskorrektur unterworfen. Alternativ können die Konzentrationsverhältnisse bestimmt werden, nachdem die 12CO2- und 13CO2-Konzentraitonen des Basisgases und den Probengases bestimmt werden und die 12CO2- und 13CO2-Konzentrationen mittels der Sauerstoffkonzentrationskorrektur korrigiert werden.
  • VI. Experimente
  • VI.-1
  • Die Absorptionswerte der gasförmigen Proben, die jeweils 12CO2 in Konzentrationen 12Conc von 1%, 2%, 3%, 4%, 5% und 6% mit einem Konzentrationsverhältnis (13Conc/12Conc von 1,077% enthalten, wurden entsprechend dem Verfahren zur spektrometrischen Messung eines isotopischen Gases gemessen. Die 12CO2-Konzentrationen 12Conc und 13CO2-Konzentrationen 13Conc der gasförmigen Proben wurden auf Grundlage der gemessenen Absorptionswerte unter Verwendung der Kalibrationskurven bestimmt. Die 13CO2-Konzentrationen 12Conc und die Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc wurden jeweils als Abszisse und/oder Ordinate aufgetragen, wie in 20 gezeigt.
  • Die maximalen und minimalen Werte der Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc betrugen 1,083% bzw. 1,076 % und der Unterschied dazwischen betrug 0,007 %.
  • Im Gegenzug wurden die Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc unter Verwendung der Korrekturgleichung 1 korrigiert, wodurch eine weniger gewellte Kurve bereitgestellt wurde, wie in 21 gezeigt. In 21 betrugen die maximalen und minimalen Werte der Konzentrationsverhältnisse 13Conc(geteilt durch) 12Conc jeweils 1,078% bzw. 1,076% und der Unterschied dazwischen betrug 0,0015%.
  • Daher verringerte die Korrektur mit der Korrekturgleichung (1) die Variation im Konzentrationsverhältnis (13Conc/12Conc) deutlich.
  • VI.-2
  • Die Absorptionswerte von den gasförmigen Proben, die jeweils 12CO2 in Konzentrationen 12Conc von 1%, 2%, 3%, 4%, 5% und 6% mit einem Konzentrationsverhältnis (13Conc(durch 12Conc von 1,065% enthalten, wurden entsprechend dem Verfahren zur spektrumetrischen Messung eines isotopischen Gases gemessen. Die 12Conc und die 13Conc wurden auf Grundlage der gemessenen Absorptionswerte unter Verwendung von in 17A und 18A gezeigten Kalibrationskurven bestimmt. Die 12CO2-Konzentrationen (12Conc) und die Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc wurden jeweils als Abszisse und/oder Koordinate aufgetragen, wie in 22 gezeigt.
  • Der Maximal- und Minimalwert der Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc betrugen 1,077 % bzw. 1,057 % und der Unterschied dazwischen betrug 0,02 %.
  • Im Gegenzug wurden die Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc unter Verwendung der in 17A und 18A gezeigten Kalibrationskurven bestimmt, wobei dann die in 17B und 18B gezeigten Kalibrationskurven eingeschränkten Bereichs verwendet wurden, wodurch eine weniger gewellte Kurve bereitgestellt wurde, wie in 23 gezeigt.
  • In 23 betrug der Maximal- und Minimalwert der Konzentrationsverhältnisse 13Conc/12Conc 1,066% bzw. 1,064% und der Unterschied dazwischen betrug 0,002%.
  • Daher verringerte das Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei dem die Kalibrationskurven nochmals erzeugt wurden, deutlich die Variation in den Konzentrationsverhältnissen 13Conc/12Conc.
  • VI.-3
  • Die Absorptionswerte gasförmiger Proben, die verschiedene bekannte 13CO2-Konzentrationsverhältnisse aufweisen und verschiedene Konzentrationen von Sauerstoff (bis zu 90%) enthalten, wurden gemessen, und dann wurden die 13CO2-Konzentrationsverhältnisse auf der Grundlage der gemessenen Absorptionswerte unter Verwendung der Kalibrationskurven bestimmt. Weiter wurden die so bestimmten 13CO2-Konzentrationsverhältnisse unter Verwendung einer wie in 2 gezeigten Korrekturgerade korrigiert.
  • Die tatsächlichen 13CO2-Konzentrationsverhältnisse und die so korrigierten 13CO2-Konzentrationsverhälntisse wurden normalisiert und jeweils als Abszisse bzw. Ordinate aufgetragen, wie in 24 gezeigt.
  • In 24 beträgt das Verhältnis zwischen dem tatsächlichen 13CO2-Konzentrationsverhältnis und dem gemessenen 13CO2-Konzentrationsverhältnis ungefähr 1:1 (oder der Bereich der Fitting-Kurve in 24 ist ungefähr 1).
  • Im Vergleich mit dem in 4 gezeigten Stand der Technik, bei dem das Verhältnis zwischen dem tatsächlichen 13CO2-Konzentrationsverhältnis und dem gemessenen 13CO2-Konzentrationsverhältnis ungefähr 1,023 ist (oder der Bereich der Fitting-Kurve ungefähr 0,3 ist), wurde die Messgenauigkeit aufgrund des Durchführens der Korrektur drastisch verbessert.
  • Daher hat die Korrektur unter Verwendung der Korrekturgerade die Genauigkeit der Messung des 13CO2-Konzentrationsverhältnisses deutlich verbessert.
  • VI.-4
  • Die 12CO2-Konzentration desselben, Kohlendioxid enthaltenden Probengases wurde mehrere Male mittels der Vorrichtung zur spektrometrischen Messung eines isotopischen Gases gemessen.
  • Nach einem einstündigen Aufwärmen der Vorrichtung, wurde ein Messverfahren durchgeführt, das aus der Referenzgasmessung, der Probengasmessung, der Referenzgasmessung, der Probengasmessung und der Referenzgasmessung besteht, zehnmal am selben Probengas durchgeführt. Die 12CO2-Konzentration wurde in jedem Zyklus des Messverfahrens entsprechend dem Verfahren A der vorliegenden Erfindung bestimmt, bei dem der Absorptionswert von 12CO2 im Probengas auf Grundlage eines Durchschnitts von werten bestimmt wurde, die in den Referenzgasmessungen vor und nach der Probengasmessung erhalten wurden, und entsprechend dem Verfahren des Stands der Technik B, bei dem der Absorptionswert von 12CO2 im Probengas auf Grundlage eines Werts bestimmt wurde, der in der Referenzmessung erhalten wurde, die lediglich vor der Probengasmessung durchgeführt wurde.
  • Die Ergebnisse der Berechnung der Konzentrationen entsprechend dem Verfahren A sind in Tabelle 1 gezeigt. In Tabelle 1 wurden die in der zweiten und den nachfolgenden Messungen erhaltenen Konzentrationen normalisiert, indem eine in der ersten Messung erhaltene Konzentration als „eins" angesehen würde. Die Standardabweichung der entsprechend dem Verfahren A berechneten Konzentrationsdaten betrug 0,0009.
  • Tabelle 1
    Figure 00290001
  • Die Ergebnisse der Berechung der Konzentrationen entsprechend dem Verfahren B sind in Tabelle 2 gezeigt. In Tabelle 2 wurden die in der zweiten und in den folgenden Messungen erhaltenen Konzentrationen normalisiert, indem eine in der ersten Messung erhaltene Konzentration als „eins" angesehen wurde. Die Standardabweichung der entsprechend dem Verfahren B berechneten Konzentrationsdaten betrug 0,0013.
  • Tabelle 2
    Figure 00290002
  • Wie aus dem vorangegangen ersichtlich wird, stellt das Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei dem die Absorptionswerte auf der Grundlage der am Probengas gemessenen Lichtintensitäten und eines Durchschnittswerts der am Referenzgas gemessenen Lichtintensitäten bestimmt werden, Konzentrationsdaten mit geringer Variation zur Verfügung.

Claims (3)

  1. Verfahren des spektrometrischen Messens eines Isotopengases, umfassend die Schritte des Einbringens in eine Zelle einer gasförmigen Messprobe enthaltend 12CO2 und 13CO2 als Komponentengase, Messen von Absorptionen von Licht, welches durch die gasförmige Messprobe bei für die jeweiligen Komponentengase geeigneten Wellenlängen geleitet wird, und Bestimmen der Konzentrationen der jeweiligen Komponentengase auf der Basis von Kalibrierkurven, die durch das Messen von gasförmigen Proben hergestellt sind, die jeweils die Komponentengase in bekannten Konzentrationen umfassen, wobei das Verfahren dadurch charakterisiert ist, dass zwei gasförmige Messproben, die von einem lebenden Körper erhalten wurden, gemessen werden und, wenn eine Konzentration von 12CO2 in einer der beiden gasförmigen Messproben höher ist als eine Konzentration von 12CO2 in den anderen gasförmigen Messprobe, die eine gasförmige Messprobe auf ein 12CO2 Konzentrationsniveau verdünnt wird, welches zu dem der anderen gasförmigen Messprobe gleich ist, dann werden die Absorptionen des durch die zwei gasförmigen Messproben hindurch geleiteten Lichts gemessen, und dann werden die 13CO2/12CO2 Konzentrationsverhältnisse in den jeweiligen gasförmigen Messproben berechnet.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch eine vorläufige Messung und eine Hauptmessung, wobei die Konzentrationen von CO2 in ersten und zweiten gasförmigen Messproben von einem lebenden Körper erhalten wurden, jeweils in der vorläufigen Messung gemessen werden und, wenn die gemessene Konzentration von CO2 in der ersten gasförmigen Messprobe höher ist als die gemessene Konzentration von CO2 in der zweiten gasförmigen Messprobe, die erste gasförmige Messprobe auf ein CO2-Konzentrationsniveau verdünnt wird, das äquivalent zu dem der zweiten gasförmigen Messprobe ist, dann ein 13CO2/12CO2 Konzentrationsverhältnis in der so verdünnten ersten gasförmigen Messprobe bestimmt wird, und ein 13CO2/12CO2 Konzentrationsverhältnis in der zweiten gasförmigen Messprobe in der Hauptmessung bestimmt wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin charakterisiert durch eine vorläufige Messung und eine Hauptmessung, wobei Konzentrationen von CO2 in ersten und zweiten gasförmigen Messproben, die von einem lebenden Körper erhalten wurden, jeweils in der vorläufigen Messung gemessen werden, und wenn die gemessenen Konzentrationen von CO2 in der ersten gasförmigen Messprobe niedriger ist als die gemessene Konzentration von CO2 in der zweiten gasförmigen Messprobe, ein 13CO2 /12CO2 Konzentrationsverhältnis in der ersten gasförmigen Messprobe bestimmt wird, dann die zweite gasförmige Messprobe auf ein CO2 Konzentrationsniveau äquivalent zu dem der ersten gasförmigen Messprobe verdünnt wird, und ein 13CO2 /12CO2 Konzentrationsverhältnis in der so verdünnten zweiten gasförmigen Messprobe in der Hauptmessung bestimmt wird.
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