EP3570744A1 - Vorrichtung zur messung von markern aus der atem- oder umgebungsluft - Google Patents

Vorrichtung zur messung von markern aus der atem- oder umgebungsluft

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EP3570744A1
EP3570744A1 EP18706375.5A EP18706375A EP3570744A1 EP 3570744 A1 EP3570744 A1 EP 3570744A1 EP 18706375 A EP18706375 A EP 18706375A EP 3570744 A1 EP3570744 A1 EP 3570744A1
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EP
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sensor
air
pressure
measuring
feed line
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Gunther Becher
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Becher Consult GmbH
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    • A61B5/74—Details of notification to user or communication with user or patient; User input means
    • A61B5/742—Details of notification to user or communication with user or patient; User input means using visual displays

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring markers from the breathing air (or ambient air). Areas of application are primarily medicine, but also environmental protection.
  • the object of the invention is to enable standardized sampling for miniaturized sensors by means of simple principles and extensive use of disposable material, which can measure volatile or / and gaseous markers in the ambient air or in the exhaled air of humans and animals or can supply them to a further measuring system ,
  • markers are present in concentrations of a few ppm or ppt and can therefore not be determined using traditional gas analysis and classical spirometric methods.
  • the exhaled air has a different composition in so far as it was involved in the gas exchange in the alveoli or stayed only in the upper respiratory tract, the trachea or the bronchial tubes, there not at the respiration (02 intake, C02 Dispensing), but can still pick up volatile markers from these areas.
  • Complex systems exploit this knowledge by measuring the expiratory oxygen or CO 2 content of the exhaled air and using it to determine the source of the desired exhalation sample. In simple inexpensive devices, the use of additional sensors only for the standardization of the samples for reasons of price, susceptibility or maintenance costs prohibits.
  • the invention is realized with a device according to claim 1, the subclaims are preferred variants.
  • the device according to the invention is shown schematically in Fig.
  • FIG. 1 a schematic diagram of which shows Fig. 2. It consists of a mouthpiece adapter (1) with kann diarydem replaceable mouthpiece (2).
  • the mouthpiece adapter (1) there are 3 openings with a diameter of up to 3 mm, which serve to accommodate 3 supply lines.
  • the supply line 3 is used to determine the amount of breath by means of an adjustable opening, the supply line (4) is connected to a pressure gauge for measuring pressure and the supply line (5) leads to the sensor (6), where the actual measurement takes place. If necessary, a pump (7) is connected to this supply line; in addition, an inhalation valve (8) is integrated.
  • FIG. 1 The schematic diagram is shown in FIG. 1
  • Figure 2 illustrates an illustrative form of the claim structure.
  • the actual sampling area consists only of the sleeve, which serves as a receptacle (plugging) for the usual filter mouthpieces.
  • the system of sampling consists only of a "baffle plate" at the bottom of the sleeve (which need not be shaped as a plate).
  • the functional principle includes the following processes: After being turned on, the sensor is purged with fresh air drawn from the environment via an intermediate filter for absorption of airborne chemicals, volatile organic compounds, etc., until a stable zero reading of the sensor is achieved. This can be done instead of air with a liquid present in the device or a gas mixture. Ideally, this procedure is not necessary.
  • the air duct is sucked from the outside via the filter to the sensor, the pump is located behind the sensor and releases the air back into the environment. This procedure normally corresponds to the measurement of ambient air itself when the filter is removed.
  • the subject For a breathing air measurement, the subject, after also having inhaled through a filter, blows a deep breath slowly and evenly into the device.
  • the air resistance in the device allows only a minimal air flow, which is predetermined with a stenosis in the device.
  • the desired pressure in the airways is measured by the pressure sensor and displayed to the patient.
  • the test person For this purpose, the test person must, with his exhalation or the pressure thus achieved, hold a signal visible on a screen (curve or representation of his pressure signal generated) between two given position signs or within a marked range.
  • this phase is a completion of a measurement, but can at the same time as the beginning of the next measurement
  • the sensor is connected to a specific measuring electronics designed for this sensor type, which on the one hand maintains the sensor function (operating voltage or current) to the other basic functions controlled (aging processes, which can be represented in changed power consumption, extended response time, etc.). at If the end parameters previously defined by the manufacturer are reached, the sensor is switched off or the user is requested to replace the system.
  • the device is controlled via USB or Wi-Fi with a PC / Smartphone / Tablet or similar.
  • the power supply can also be done via USB, but also via a built-in battery.
  • Data storage preferably takes place via an internal memory on the connected external PC or the like, or by transmission of the data with a "telemedicine module" according to the principles of this system.
  • the particular advantage of the system is that a subject / patient / user should receive systems with which he can control certain disease parameters virtually continuously or at least several times a day.
  • the system can z. B. be equipped in the first application with a NO (nitric oxide) sensor.
  • NO nitric oxide
  • sensors for hydrogen peroxide or free radicals, acetone, methane, ethene, ethane, or the like are conceivable, which are released in various disturbed metabolic processes (diabetes, hepatic insufficiency, intestinal inflammation) and appear because of their volatility in the exhaled air.
  • the device can also be used with interchangeable sensors or mouthpieces for home visit service, ambulance service, etc.
  • a cooperation of the subject / patient is not or only partially necessary as an important criterion for the devices! (For example, the device should not and can not be used as a "spirometer" to distinguish it from a number of other applications.)
  • a variant of the device according to the invention is to generate the air flow without the use of a pump only by breathing the subject.
  • the air supply to the sensor is regulated by a stenosis.
  • Figure 1 Principle of sampling when exhaling a subject

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Markern aus der Atemluft oder Umgebungsluft. Anwendungsgebiete sind in erster Hinsicht die Medizin, aber auch der Umweltschutz. Die Erfindung hat das Ziel, mittels einfacher Prinzipien und weitgehender Verwendung von Einmalmaterial eine standardisierte Probennahme für miniaturisierte Sensoren zu ermöglichen, die volatile und/oder gasförmige Marker in der Umgebungsluft oder in der Ausatemluft von Mensch und Tier messen kann bzw. einem weiteren Messsystem zuführen kann. Die Erfindung wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 realisiert, die Unteransprüche sind Vorzugsvarianten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Abb. 1 schematisch dargestellt, eine Prinzipskizze dazu zeigt Abb. 2. Sie besteht aus einem Mundstückadapter (1) mit aufzusetzendem auswechselbarem Mundstück (2). In dem Mundstückadapter (1) sind 3 Öffnungen mit einem Durchmesser von 2 - 3 mm vorhanden, die zur Aufnahme von 3 Zuleitungen dienen. Die Zuleitung 3 dient zur Festlegung der Atem-Menge mittels einer verstellbaren Öffnung, die Zuleitung (4) ist mit einem Manometer zur Druckmessung verbunden und die Zuleitung (5) führt zum Sensor (6), wo die eigentliche Messung stattfindet. An dieser Zuleitung ist ggf. eine Pumpe (7) angeschlossen, zusätzlich ist ein Einatemventil (8) integriert.

Description

VORRICHTUNG ZUR MESSUNG VON MARKERN AUS DER ATEM- ODER UMGEBUNGSLUFT
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Markern aus der Atemluft (oder Umgebungsluft). Anwendungsgebiete sind in erster Hinsicht die Medizin, aber auch der Umweltschutz.
Es gibt zahlreiche Vorrichtungen, mit denen Luft analysiert werden kann. In der Patentanmeldung US 2016/0256072 A1 der Aerocrine Ab ist ein Pneumatograph beschrieben, mit dem Komponenten in der Ausatemluft erfasst werden können. Die US- Schrift 2012/0232419 A1 der gleichen Firma enthält einen Analysator zur Bestimmung von NO in der Ausatemluft. Weiter gibt es US 2009/0255328 A1 der Firma Bosch, US 2014/0311215 A1 der Firma Soberlinc Inc,; WO 2014/031071 A1 der Firma HÖK Instrument AB. . Das hauptsächliche Problem der Messung von Markern in der Ausatemluft ist das Problem ihrer Quantifizierung, d. h., die gemessene Konzentration muss mit dem Atemvolumen oder der Probennahmezeit oder mit einem Vergleichsparameter in Beziehung gesetzt werden. Die Erfindung hat das Ziel, mittels einfacher Prinzipien und weitgehender Verwendung von Einmalmaterial eine standardisierte Probennahme für miniaturisierte Sensoren zu ermöglichen, die volatile und/oder gasförmige Marker in der Umgebungsluft oder in der Ausatemluft von Mensch und Tier messen kann bzw. einem weiteren Messsystem zuführen kann.
Dazu ist es nötig, eine Möglichkeit zu schaffen, die ausgeatmete Luft während eines Atemzuges und die vorhergehende Einatmung weitgehend zu kontrollieren. Jede quantitative Messung eines Bestandteils der Ausatemluft geht nur in Bezug zur zugrundeliegenden Gesamtluftmenge und dem Ausatemstrom (Ausatemgeschwindigkeit). Diese Beziehung ist trivial bei Messung der Atemgase an sich (Sauerstoff (in Raumluft 21 %, in Ausatmung ca. 16 %) Kohlendioxid (in Raumluft ca. 0,3 %, in Ausatemluft aus der Lunge ca. 4 - 5 %)). Die in Betracht kommenden l
Bestätigungskopiel Marker liegen allerdings in Konzentrationen von einigen ppm oder ppt vor und sind somit mit traditioneller Gasanalyse und klassischen spirometrischen Methoden nicht bestimmbar.
Dazu muss weiterhin berücksichtigt werden, dass die ausgeatmete Luft eine unterschiedliche Zusammensetzung hat insofern, ob sie in den Alveolen am Gasaustausch beteiligt war oder nur in den oberen Atemwegen, der Trachea oder den Bronchien verweilte, dort nicht an der Atmung (02-Aufnahme, C02-Abgabe) beteiligt war, aber trotzdem volatile Marker aus diesen Bereichen aufnehmen kann. Komplexe Systeme nutzen diese Kenntnisse dahingehend aus, dass der exspiratorische Sauerstoff- oder C02-Gehalt der Ausatemluft gemessen und dazu verwendet wird, die Herkunft der gewünschten Ausatemprobe zu bestimmen. Bei einfachen preiswerten Geräten verbietet sich der Einsatz weiterer Sensorik nur zur Standardisierung der Proben aus Gründen des Preises, der Störanfälligkeit oder des Wartungsaufwands. Die Erfindung wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 realisiert, die Unteransprüche sind Vorzugsvarianten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Abb. 1 schematisch dargestellt, eine Prinzipskizze dazu zeigt Abb. 2. Sie besteht aus einem Mundstückadapter (1) mit aufzusetzendem auswechselbarem Mundstück (2). In dem Mundstückadapter (1) sind 3 Öffnungen mit einem Durchmesser von bis zu 3 mm vorhanden, die zur Aufnahme von 3 Zuleitungen dienen. Die Zuleitung 3 dient zur Festlegung der Atem-Menge mittels einer verstellbaren Öffnung, die Zuleitung (4) ist mit einem Manometer zur Druckmessung verbunden und die Zuleitung (5) führt zum Sensor (6), wo die eigentliche Messung stattfindet. An dieser Zuleitung ist ggf. eine Pumpe (7) angeschlossen, zusätzlich ist ein Einatemventil (8) integriert.
Gemäß den allgemein anerkannten und publizierten Methoden der Messung von Markern wird mit der Erfindung folgende Variante ermöglicht:
Tiefe Einatmung an der Vorrichtung mit oder ohne Filterung der Einatemluft.
Tiefe Ausatmung an der Vorrichtung über ein Filtermundstück mit einem mechanisch eingestellten Atemfluss von 50 ml/sek gegen einen Widerstand von 15 cmH20. • Übernahme einer Luftprobe aus dem späten Teil der Ausatmung, um eine alveolare Fraktion der Atemluft zu erhalten.
• Sicherstellung einer Möglichkeit der Desinfektion oder des Austausches von Teilen, die eine Kontamination und Übertragung von ausgeatmeten Krankheitserregern von einem Probanden zum nächsten generieren könnten.
Die physikalischen Vorgaben der Parameter Druck und Fluss sind hier beispielhaft genannt, und können aber einfach durch Austausch oder Einstellung eines Luftwiderstand-Elementes verändert werden.
Die Prinzipskizze ist in Figur 1 dargestellt.
Figur 2 stellt eine anschauliche Form der Anspruchskonstruktion dar. Der eigentliche Probennahmebereich besteht nur aus der Hülse, die als Aufnahme (Aufstecken) für die üblichen Filtermundstücke dient.
Spezielle Flowsysteme für eine Spirometrie, Laminierung der Strömung etc. sind nicht nötig.
Das System der Probennahme besteht lediglich aus einer„Prall platte" am Boden der Hülse, (die nicht als Platte geformt sein muss).
An dieser Platte befinden sich insgesamt 4 Durchführungen:
Ventil für Einatmung,
Konnektor für Drucksensor,
Konnektor für Gasführung zum Sensor mit dahinterliegender Pumpe,
Konnektor für exspiratorische Stenose.
Das Funktionsprinzip beinhaltet die folgenden Abläufe: Nach Einschalten wird der Sensor mit frischer Luft, die aus der Umgebung über einen zwischengeschalteten Filter zur Absorption von in der Luft befindlichen Chemikalien, volatilen organischen Komponenten etc. gesaugt wird, solange gespült, bis ein stabiler Nullwert des Sensors erreicht ist. Das kann statt mit Luft auch mit einer im Gerät vorhandenen Flüssigkeit oder einem Gasgemisch erfolgen. Im Idealfall ist diese Prozedur allerdings nicht notwendig.
Das kann wenige Sekunden bis zu mehrere Minuten dauern. Die Luftführung wird dabei von außen über den Filter zum Sensor gesaugt, die Pumpe befindet sich hinter dem Sensor und entlässt die Luft wieder in die Umgebung. Diese Prozedur entspricht im Normalfall der Messung der Umgebungsluft an sich, wenn der Filter entfernt wird.
Für eine Atemluftmessung bläst der Proband, nachdem er ebenfalls durch einen Filter eingeatmet hat, einen tiefen Atemzug langsam und gleichmäßig in das Gerät. Der Luftwiderstand im Gerät gestattet nur einen minimalen Luftfluss, der mit einer Stenose im Gerät vorbestimmt ist. Der gewünschte Druck in den Atemwegen wird über den Drucksensor gemessen und dem Patienten angezeigt. Der Proband muss dazu mit seiner Ausatmung bzw. dem dabei erzielten Druck ein auf einem Bildschirm sichtbares Signal (Kurve bzw. Darstellung seines erzeugten Drucksignals) zwischen zwei vorgegebenen Positionszeichen bzw. innerhalb eines markierten Bereichs halten.
Nach Abschluss des Atemmanövers wird der Luftstrom gestoppt und der Proband kann seinen Atemzug beenden, und das System wird erst nach Erreichen des Maximalwertes des Sensors wieder gespült, um eine mögliche erneute Messung zu ermöglichen (diese Phase ist zum Einen der Abschluss einer Messung, kann aber gleichzeitig auch als Beginn der nächsten Messung angesehen werden)
Der Sensor ist mit einer spezifischen, für diesen Sensortyp ausgelegten Messelektronik verbunden, die einerseits die Sensorfunktion aufrechterhält, (Betriebsspannung oder Strom) zum anderen Grundfunktionen kontrolliert (Alterungsprozesse, die sich in veränderten Stromverbrauch darstellen lassen, verlängerte Ansprechzeit, o. ä.). Bei Erreichen vorher herstellerseitig festgelegter Endparameter wird der Sensor abgeschaltet, bzw. der Nutzer wird zum Austausch des Systems aufgefordert.
Das Gerät wird über USB oder Wi-Fi mit einem PC/Smartphone/Tablet o. ä. gesteuert. Die Stromversorgung kann ebenfalls über USB, aber auch über einen eingebauten Akku erfolgen.
Die Datenspeicherung erfolgt bevorzugt über einen internen Speicher auf dem angeschlossenen externen PC o. ä., oder per Übertragung der Daten mit einem „Telemedizin-Modul" nach den Prinzipien dieses Systems.
Der besondere Vorteil des Systems besteht darin, dass ein Proband/Patient/Anwender Systeme erhalten soll, mit denen er bestimmte Krankheitsparameter quasi kontinuierlich oder zumindest mehrmals am Tag kontrollieren kann. Das System kann z. B. in erster Anwendung mit einem NO (Stickoxid)-Sensor ausgestattet sein. In weiterer Entwicklung sind Sensoren für Wasserstoffperoxid bzw. freie Radikale, Azeton, Methan, Ethen, Ethan, o. ä. denkbar, die bei verschiedenen gestörten Stoffwechselprozessen (Diabetes, Leberinsuffizienz, Darmentzündungen) freigesetzt werden und wegen ihrer Flüchtigkeit in der Ausatemluft erscheinen. Das Gerät kann auch mit wechselbaren Sensoren oder Mundstücken für Hausbesuchsdienst, Rettungsdienst etc. eingesetzt werden.
Eine Mitarbeit des Probanden/Patienten ist als wichtiges Kriterium für die Geräte nicht oder nur eingeschränkt nötig! (z. B. soll und kann das Gerät, als Abgrenzung zu einer Reihe von anderen Anmeldungen, nicht als„Spirometer" eingesetzt werden.)
Aufgrund der Anwendung im „Home" Bereich soll und kann auch eine exakte physikalische oder chemische Kalibrierung der Messsysteme nicht unbedingt erfolgen. Bei Anwendung an einer Einzelperson ist die Erfassung eines„Individuellen Trends" das Ziel. Eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, den Luftstrom ohne Verwendung einer Pumpe nur durch die Atmung des Probanden zu generieren. Die Luftzufuhr zum Sensor wird hierbei auch über eine Stenose geregelt. Diese Standardtechniken sind nicht Bestandteil dieser Anmeldung.
Legende zu den Figuren
Figur 1 : Prinzip der Probennahme beim Ausatmen eines Probanden
Der mit dem transparenten Trapez gekennzeichnete Part ist der in den Ansprüchen beschriebene Teil.
Figur 2: Anschauliche Form der Anspruchskonstruktion
Bezugszeichenliste
1 Mundstückadapter
2 Mundstück
3 Abführung zur Festlegung der Atemluftmenge
4 Zuleitung zur Druckmessung
5 Zuleitung zum Sensor
6 Sensor
7 Pumpe
8 Einatemventil (nicht Bestandteil der Ansprüche)
9 Dreiwegeventil
10 In-Line-Luftfilter
11 Filter optional aufsetzbar
12 Drucksensor
13 Einwegventil, nur für Einatmung
14 Wegwerfmundstück mit Bakterienfilter
15 Resistor

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Messung von Markern aus der Atemluft, bestehend aus einem Mundstückadapter (1) passend für auswechselbare Mundstücke (2), enthaltend Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,1 - 3 mm, die zur Aufnahme von bis zu 3 Zuleitungen dienen, die
• zur Festlegung der Atem-Menge mittels einer verstellbaren Öffnung dienen (3), · mit einem Manometer zur Druckmessung verbunden sind (4) und
• über die Zuleitung (5) zu einem Sensor (6) führen, und die ggf. mit einer Pumpe (7) verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , enthaltend einen spezifischen Sensor (6) zur Messung der in Luft enthaltenen Parameter.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , enthaltend auswechselbare Sensoren.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, enthaltend mehrere gleichzeitig einsetzbare Sensoren bzw. Mehrfachsensoren (Arrays).
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie über Kabel (USB; LAN) als auch kabellos (Wi-Fi, Bluetooth oder andere Funkstandards) mit Computersystemen verbunden sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Luftströmung und Druckregelung über einfache mechanische Bauteile, wie röhrenförmige Stenosen oder Lochblenden erfolgen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Feedback für den Probanden über eine elektronische Kopplung, wie elektronischer Drucksensor und Bildschirm oder rein mechanisch mittels Druckmessdose mit Zeiger erfolgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Part zur Einhaltung der Desinfektionsvorschriften oder auch zur gezielten Veränderung vorgegebener Parameter für den Luftfluss und den Druck auswechselbar gestaltet wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom nur durch die Atmung des Probanden generiert und die Luftzufuhr zum Sensor über eine Stenose geregelt wird.
EP18706375.5A 2017-01-20 2018-01-16 Vorrichtung zur messung von markern aus der atem- oder umgebungsluft Ceased EP3570744A1 (de)

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DE (1) DE102017000500A1 (de)
WO (1) WO2018133895A1 (de)

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DE102017000500A1 (de) 2018-07-26
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