KR20210052436A - 에어로졸 전달을 결정하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에어로졸 스트림(112)의 에어로졸 전달(210)을 결정하기 위한 장치(110) 및 방법, 및 에어로졸 입자(120) 상의 액체(220)의 흡수 및/또는 흡착을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 장치(110)는, 에어로졸 스트림(112)에 의해 운반되는 에어로졸 입자(120)를 수집하도록 지정된 필터(118)와, 에어로졸 발생기(114)에 연결될 수 있는 제 1 유체 연결 지점(122), 및 평상 호흡을 시뮬레이션하도록 지정된 호흡 시뮬레이터(126)에 연결될 수 있는 제 2 유체 연결 지점(124)을 갖는 수집 유닛(116)과; 에어로졸 스트림(112)에 의해 운반되고 측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 광빔의 상호작용을 위해 설계된 적어도 하나의 측정 공간(130)과; 측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 광빔의 상호작용에 따라 적어도 하나의 광 측정 신호를 생성하도록 설계된 적어도 하나의 광 측정 유닛(136); 및 적어도 하나의 광 측정 신호로부터 에어로졸 스트림(112)의 에어로졸 전달(210)을 결정하도록 설계된 적어도 하나의 평가 유닛(140)을 포함한다.
Description
본 발명은 에어로졸 스트림, 특히 건조한 에어로졸 스트림 또는 흡수된 액체 및/또는 흡착된 액체를 포함하는 습한 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 장치 및 방법, 및 에어로졸 입자 상의 액체의 흡수 및/또는 흡착을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
천식 또는 만성 폐쇄성 폐질환(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)을 포함하지만 이에 한정되지 않는 폐 또는 호흡기 질환은 일반적으로 에어로졸 스트림 중의 액체 또는 고체 입자로 제공되는 약물의 흡입으로 치료된다. 여기에서, 에어로졸 발생기를 이용하여 생성되는 입자는 바람직하게 폐포와 폐에 의해 호흡될 수 있는 크기를 보인다. 이와 관련하여, 에어로졸 발생기에 의해 제공되는, 에어로졸 스트림, 특히 건조한 에어로졸 스트림 또는 흡수된 액체 및/또는 흡착된 액체를 포함하는 습한 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 장치 및 방법이 관련 테스트 파라미터를 개발하기 위해 사용된다.
DIN EN 13544-1:2007+A1:2009는 에어로졸 발생기에 의해 제공되는 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 방법 및 장치를 개시하고 있다. 장치는 에어로졸 스트림에 의해 제공되는 에어로졸 입자를 수집하기 위한 필터를 갖는 수집 유닛을 포함한다. 수집 유닛은, 에어로졸 스트림의 방향에 대해 필터 앞에 배치되고 에어로졸 발생기에 연결되는 제 1 유체 연결 지점, 및 에어로졸 스트림의 방향에 대해 필터 뒤에 배치되고, 연속적인 흡기(inhalation)와 호기(exhalation)를 특징으로 하는 평상 호흡(tidal breathing)을 시뮬레이션하도록 지정된 호흡 시뮬레이터(breathing simulator)에 연결되는 제 2 유체 연결 지점을 갖는다.
에어로졸 발생기에 의해 제공되는 에어로졸 스트림, 특히 건조한 에어로졸 스트림 또는 습한 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위해, 에어로졸 발생기는 호흡 유량을 시뮬레이션하도록 지정된 호흡 시뮬레이션 유닛(breathing simulation unit), 특히 사인파 펌프(sinusoidal pump)에 연결된다. 필터는 에어로졸 발생기와 호흡 시뮬레이션 유닛 사이에 배치된다. 에어로졸 발생기는 일정량의 에어로졸화 가능한 물질, 특히 1 몰의 불화나트륨(NaF) 수용액으로 채워져 에어로졸 생성이 완료될 때까지 작동한다. 이후 정량적 화학 분석이 수행된다.
필터는 에어로졸의 적어도 95%를 보유할 수 있는 방식으로 선택된다. 이를 위해, 특히 고성능 폴리프로필렌 필터가 사용될 수 있다. 그러나 환자 인터페이스(patient interface)의 원위 단부와 필터의 해당 표면 사이의 무효 공간은 호흡량 또는 일회 호흡량의 10% 이하로 제한되어야 하며, 이는 성인의 경우 대략 0.5 리터 또는 미숙아의 경우 5 ml 미만에 해당한다. 이러한 요건을 충족하기 위해, 일반적으로 플랫 필터(flat filter)가 사용된다.
그러나 플랫 필터는 일반적으로 용량이 적다. 이러한 특징은 대량의 에어로졸과 관련하여 플랫 필터의 이용 가능성을 심각하게 제한하는데, 빈번한 필터 교체로 인해 정량적 화학 분석이 필요한 개별 필터의 수가 상당히 많을 수 있기 때문이다. 그 결과, 측정 결과의 전달이 지연된다. 또한 가습된 에어로졸의 사용은 에어로졸 샘플의 중량 측정의 경우 필터의 정교한 조정을 필요로 하며, 이로 인해 측정 결과 전달이 더욱 지연된다.
DE 10 2013 103 152 B3은 에어로졸 발생기에 의해 제공되는 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 방법 및 장치를 개시하고 있다. 장치는 에어로졸 스트림에 의해 제공되는 에어로졸 입자를 수집하기 위한 필터를 갖는 수집 유닛을 포함한다. 에어로졸 발생기에 연결된 제 1 유체 연결 지점 및 DIN EN 13544-1:2007+A1:2009에 이미 개시된 호흡 시뮬레이터에 연결된 제 2 유체 연결 지점 외에도, 수집 유닛은 가스 스트림을 생성하기 위한 가스 유동 유닛에 연결된 적어도 하나의 제 3 유체 연결 지점을 갖는다. 제 3 유체 연결 지점은 에어로졸 스트림이 적어도 부분적으로 가스 스트림에 의해 필터로 향하는 방식으로 배열된다.
여기에서, 에어로졸 발생기와 사인파 펌프 사이에 폐쇄 인공호흡 회로(ventilatory circuit)가 설정된다. 따라서, 에어로졸 스트림은 환자 인터페이스의 원위 단부로부터 루프 내의 필터의 해당 표면으로 향한다. 결과적으로, 에어로졸 입자는, 사인파 펌프가 흡입 스트로크를 수행하는 경우에만 환자 인터페이스의 근위 단부를 떠난다. 이 경우, 입자는 환자 인터페이스에서 빠져 나와 필터에 증착된다. 그 결과, 환자 인터페이스의 원위 단부와 근위 단부 사이의 공간만 무효 공간으로 간주될 수 있다. 따라서, 에어로졸 전달을 결정하기 위한 이러한 방법 및 장치는 특히 유아, 아기, 신생아 및 미숙아에게 전형적인, 소량의 일회 호흡량에도 적용될 수 있다.
WO 2017/133045 A1은 레이저 빔을 방출하고 테스트할 공기 흐름의 입자 여기(particle excitation) 위치에 선형 레이저 스폿을 형성하기 위한 레이저 광원 조립체와; 밀폐된 광전 측정실로서, 레이저 광원 조립체가 밀폐된 광전 측정실의 후단에 있는 레이저 입구 포트에 제공되는, 밀폐된 광전 측정실과; 밀폐된 광전 측정실 내부에, 테스트할 공기 흐름과 레이저 광원 조립체에 의해 방출된 레이저 빔의 광축이 선형 레이저 스폿이 있는 입자 여기 위치에서 이동 방향으로 교차하고; 레이저 광원 조립체에 의해 방출된 레이저 빔과 테스트할 공기 흐름의 교차에 의해 형성된 측정 지점을 중앙에 배치하기 위해 양방향 및 대칭으로 제공되는 산란광 신호 반사 미러 및 형광 신호 반사 미러와; 반사 미러의 개구를 통과하는 산란광 신호와 형광 신호를 검출하기 위해 사용되는 산란광 신호 검출기 및 형광 신호 검출기를 포함하는 에어로졸 실시간 모니터를 개시하고 있다. 휴대용 모니터는 온라인 모니터링이 가능하다.
US 2005/073683 A1은 개별 에어로졸 입자를 실시간으로 식별하기 위한 방법 및 장치를 개시하고 있다. 소정의 자격 또는 선택 기준을 기반으로 질량 분석에 적합한 입자를 결정하기 위해 샘플 에어로졸 입자가 시준, 추적 및 선별된다. 선별 기술은 입자 크기, 형태, 대칭 및 형광 중 하나 이상을 결정하는 것을 포함한다. 모든 선별 기준을 통과하는 적격 입자만이 탈착 및/또는 이온화 및 단일 입자 질량 분석을 거쳐 상응하는 테스트 스펙트럼을 생성하고, 이 스펙트럼은 알려진 입차 유형에 대한 소정의 스펙트럼과 테스트 스펙트럼을 비교함으로써 각각의 적격 에어로졸 입자의 정체를 식별하기 위해 사용된다. 그러나, 이 방법 및 장치의 적용은 입자의 이온화를 통해 입자의 변형을 초래한다.
US 8,711,338 B2는 가스 중 입자를 검출하기 위한 방법 및 장치를 개시하고 있는데, 이는 가스를 증기로 포화시키고 가스가 유입 가스의 온도와 다른 온도에 있는 벽을 갖는 챔버를 통해 흐르게 함으로써, 가스가 증기로 과-포화되고 과-포화된 증기가 입자 상에 응축되어 액적을 형성하도록 하는 방식으로 챔버 내에 가스 난류를 형성하고, 액적은 이후 광학 광-산란 검출기에 의해 검출되고 계수된다. 그러나, 이 방법 및 장치는 실시간으로 입자를 감지할 수 없다.
WO 2018/010954 A1은 환자의 인공 호흡 또는 보조 호흡 동안 분말 형태의 에어로졸의 호흡 제어 적용을 위한 장치를 개시하고 있는데, 시스템은 다음 요소를 포함한다: 인공 호흡 또는 호흡 지원을 받을 환자의 기도와 접촉할 수 있는 인터페이스; 호흡 가스 흐름을 생성하기 위한 유닛, 여기서 호흡 가스 흐름은 주변 압력보다 높거나 같은 제 1 압력을 갖고; 호흡 가스 흐름이 인터페이스로 전달되는 적어도 하나의 흡기 라인; 에어로졸 발생기; 분말 형태의 생성된 에어로졸이 에어로졸 발생기로부터 인터페이스로 전달되는 적어도 하나의 에어로졸 라인; 및 호흡 센서.
EP 0 539 674 A1은 흡입 연구를 위한 습하거나 또는 건조한 에어로졸을 제어 가능하고 재현 가능하게 생성하기 위한 분무기로서 유용한 에어로졸 발생기를 개시하고 있는데, 이 에어로졸 발생기는 액체와 기류로부터 에어로졸을 생성하기 위한 분무기와, 분무될 액체를 분무기에 제어 가능하게 공급하기 위한 단계 투여 펌프와, 액체를 분무하는데 필요한 양을 제공하고 생성된 에어로졸을 선택적으로 희석하기 위해 분무기에 대한 기류의 흐름을 조절하기 위한 질량 유량 제어기와 같은 장치와, 분무기에서 생성된 에어로졸을 에어로졸 노출 챔버로 전달하기 위한 도관과, 에어로졸의 농도를 측정하기 위해 에어로졸 샘플이 유입되는 광-산란 확산 광도계와 같은 측정 장치, 및 소정의 원하는 농도를 갖는 에어로졸을 생성하기 위해 액체 공급 장치 및 조절 가능한 공기 공급 장치를 제어하는 제어 유닛을 포함하고: 제어 유닛은 수동으로 또는 측정 장치에 의해 결정된 측정 값에 응답하여 컴퓨터에 의해 작동된다.
WO 2015/189089 A1은 에어로졸 내 입자 농도 및 질량 농도를 측정하기 위한 센서 시스템을 개시하고 있다. 광 센서는 입자 농도를 측정하기 위해 사용되고, 기계식 센서는 수집된 입자의 질량을 측정하기 위해 사용된다. 에어로졸 내의 입자 농도는 입자 생성이 감지될 때까지 광 센서를 사용하여 모니터링된다. 입자 생성이 감지되면, 기계식 센서를 사용한 질량 측정이 수행되고, 질량 측정은 광 센서를 보정하기 위해 사용된다.
US 2016/000358 A1은 인공호흡기(ventilator)에 의해 산소가 공급될 때 폐와 같은 환자의 기도에서 나온 입자의 특성 분석 및/또는 이의 제어를 위한 진단 장치를 개시하고 있는데, 이 진단 장치는 상기 환자의 기도에서 내뿜는 입자와 관련된 데이터를 확보하기 위해 상기 환자로부터의 호기 유체를 통과시키기 위한 도관에 연결되도록 구성된 입자 검출 유닛을 포함한다.
또한, 입자에 의한 액체, 특히 물 또는 수용액의 흡수 또는 입자 표면 상의 액체 흡착을 결정하기 위한 공지된 방법 및 장치는 입자를 포함하는 샘플의 화학적 분석을 필요로 하며, 이에 의해 입자는 변형되고 결국은 파괴된다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제를 적어도 부분적으로 방지하는 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
특히, 성인뿐만 아니라 유아, 아기, 신생아 및 미숙아에게도 적용할 수 있도록 크고 작은 일회 호흡량 모두에 대해 실시간으로 간단하고 정량적인 방식으로 액체 또는 고체 입자를 포함하는 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정할 수 있는 장치 및 방법을 사용할 수 있는 것이 바람직할 것이다. 이로써, 특히 호흡과 동시에 발생될 수 있는 입자의 개시된 방출의 경우에도 이러한 결정이 사용될 수 있다면 바람직할 것이다.
또한, 대안으로 또는 추가로, 실시간으로 수행될 수 있는 에어로졸 입자 상의 액체, 특히 물 또는 수용액의 흡수 및/또는 흡착을 결정하기 위한 방법에서 장치를 사용하는 것이 바람직할 것이다.
이 과제는 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 장치 및 방법뿐만 아니라 독립항의 특징을 갖는 에어로졸 입자 상의 액체의 흡수 및/또는 흡착을 결정하기 위한 방법에 의해 해결된다. 별도의 방식으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있는 바람직한 실시형태는 종속항의 주제이다.
이하에서 사용되는 "갖다", "~ 구성되다" 또는 "포함하다"라는 용어 또는 이들의 임의의 문법적 변형은 비배타적인 방식으로 사용된다. 따라서, 이들 용어는, 이들 용어에 의해 도입된 특징 외에, 더 이상의 특징이 이 문맥에서 설명된 개체 내에 존재하지 않는 상황 및 하나 이상의 추가 특징이 존재하는 상황 모두를 의미할 수 있다. 예를 들어, "A는 B를 갖는다", "A는 B로 구성된다" 및 "A는 B를 포함한다"라는 표현은, B 외에, 더 이상의 요소가 A 내에 존재하지 않는 상황(즉, A가 전적으로 B로만 구성되는 상황) 및 B 외에, 요소 C, 요소 C 및 D 또는 추가 요소와 같은 하나 이상의 추가 요소가 개체 A 내에 존재하는 상황 모두를 의미할 수 있다.
또한, 이하에서 사용되는 "바람직하게", "더욱 바람직하게", "특히", "특히 더", "구체적으로", "더욱 구체적으로"와 같은 용어 또는 이와 유사한 용어는 다른 가능성을 제한하지 않고 선택적 특징과 함께 사용된다. 따라서, 이들 용어에 의해 도입되는 특징은 선택적 특징이며 어떤 방식으로도 청구 범위를 제한하려는 것은 아니다. 본 기술 분야의 숙련자가 인식하는 바와 같이 본 발명은 대안적 특징을 사용하여 수행될 수 있다. 마찬가지로, "본 발명의 일 실시형태에서" 또는 이와 유사한 표현에 의해 도입되는 특징은, 본 발명의 대안적인 실시형태에 관한 어떠한 제한도 없이, 본 발명의 범위에 관한 어떠한 제한도 없이, 그리고 이러한 방식으로 도입되는 특징을 본 발명의 다른 선택적 또는 비-선택적 특징과 결합하는 가능성에 관한 어떠한 제한도 없이, 선택적 특징이 되기 위한 것이다.
제 1 양태에서, 본 발명은 에어로졸 발생기에 의해 생성된 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로 사용된 "에어로졸"이라는 용어는 기체상(gas phase) 내에 현탁된 물질의 고체 또는 액체 입자를 포함하는 에어로졸화 가능한 물질을 의미하며, 여기서 입자는 특히, 예를 들어, 폐 계면활성제(lung surfactant)와 같은 약제학적 제제의 입자이거나 이를 포함할 수 있다. 입자를 이러한 상태로 변환하기 위해, 분말 또는 액체 용액과 같은 에어로졸화 가능한 물질은, 고체 또는 액체 입자를 호흡 가스와 같은 운반 가스의 가스 스트림에 혼입시키기 위해 진동 메쉬(vibrating mesh) 또는 초음파에 의해, "에어로졸화 장치(aerosolization device)"라고도 하는 "에어로졸 발생기"에서 처리된다. 이 상태에서, 입자는 바람직하게 운반 가스의 전체 부피에 걸쳐, 특히 균일하고 미세하게 분산된 형태로 분포된다. 그 결과, 에어로졸은 고체 또는 액체 에어로졸 입자가 운반 가스 스트림에 의해 보유 및/또는 운반되는 "에어로졸 스트림"으로서 제공된다. 특히, 에어로졸 스트림은 건조한 에어로졸 스트림 또는 습한 에어로졸 스트림을 포함할 수 있으며, 여기서 "습한 에어로졸" 또는 "가습된 에어로졸"이라는 용어는, 에어로졸 입자가 적어도 하나의 이들 표면 상에 흡수 및/또는 흡착된 액체를 갖는 에어로졸 입자를 의미한다. 이를 위해, 고체 입자는 또한 소위 "가습기"에서 처리되어, 운반 가스에 더해 상대적인 양의 증기를 포함하는 가습된 에어로졸을 생성할 수 있다.
본원에서 더 사용되는 "에어로졸 전달"이라는 용어는 소정의 공간, 특히 환자 인터페이스 또는 측정 공간으로 에어로졸을 제공하는 것을 의미한다. 여기에서, "측정 공간"은, 바람직하게 에어로졸 발생기와 환자 인터페이스 사이의 경로에서 에어로졸 스트림이 통과하는 위치에 또는, 대안으로 또는 추가로, 이 경로에서 갈라지는 우회로에 배치되는 에어로졸의 측정 가능한 양이 결정되는 공간을 정의한다. 일반적으로 사용된 "환자"라는 용어는 특히 어린이, 아기, 신생아 및 미숙아를 포함하는 모든 연령의 인간과 관련된다. 또한, "인공호흡(ventilation)"이라는 용어는 특히 흡기 및 호기의 교대 단계를 통해 환자의 기도에서 호흡 가스의 이동을 달성하기 위한 과정과 관련된다. 추가 보조장치 없이 순환을 수행할 수 있는 정상 호흡 환자와 달리, 자발적 호흡 또는 기계적 인공호흡 동안 인공호흡 지원을 받는 환자는 인공호흡 회로를 통해 인공호흡기로부터 적어도 부분적으로 호흡 가스를 공급받아야 한다. 일반적으로 사용된 "기계적 인공호흡(mechanical ventilation)"은, 특히 불충분한 자발적 호흡 또는 완전한 호흡 실패에서 외부 보조장치에 의한 생리적 호흡의 부분적 또는 전체적 채택을 의미한다. 또한, "인공호흡 지원(respiratory support)"이라는 용어는, 특히 호기 동안 폐포 및 더 작은 기도의 허탈(collapse)을 방지하기 위해 전체 호흡 주기에 걸쳐 지속적 기도 양압(continuous positive airway pressure, CPAP)을 적용함으로써 자발적 호흡 동안 지원하는 것을 의미한다. 이로써 환자는, 일반적으로 환자가 여전히 스스로 호흡을 할 수 있어야 하는 호흡 깊이, 호흡 속도 또는 공기 흐름을 포함하지만 이에 한정되지 않는 파라미터를 조정할 수 있다.
또한, "인공호흡 회로(ventilatory circuit)"라는 용어는, 인공호흡기에 의해 환자에게 제공되고 환자로부터 다시 인공호흡기로 제공되는 인공호흡 지원 또는 호흡 가스의 기계적 인공호흡을 위해 구성된 장치를 의미하며, 이에 의해 환자의 기도는 배제된다. 또한, "환자 인터페이스"라는 용어는 인공호흡 회로와 환자의 기도 사이에 연결을 제공하도록 구성된 유닛을 의미하며, 따라서 일반적으로 환자 가까이 위치한다. 이를 위해, 환자 인터페이스는 인공호흡 회로에 통합되거나 부착될 수 있으며, 여기서 인공호흡 회로는 일반적으로 인공호흡기 및 인공호흡기로부터 환자 인터페이스로 다시 인공호흡기로 가스를 안내하도록 구성된 튜브를 포함할 수 있다. 특히, 적절한 마우스피스, 호흡 마스크, 비강 캐뉼라(nasal cannula) 또는 기관 캐뉼라(tracheal cannula)는 환자 인터페이스의 일부이거나 이에 부착될 수 있다. 그러나, 환자 인터페이스의 다른 구성도 가능할 수 있다.
본 발명에 따르면, 에어로졸 전달은 측정 공간에서 결정되며, 여기서 "에어로졸 전달"은 측정 공간을 통과하는 에어로졸 입자의 수, 부피 또는 질량 중 어느 하나를 나타내는 물리량이다. 대안으로 또는 추가로, 에어로졸 전달 속도는 "에어로졸 전달"이라는 용어가 사용될 때 본 발명을 사용함으로써 결정될 수도 있다. 일반적으로 사용된 "에어로졸 전달 속도"는 소정의 시간 간격 내에 측정 공간을 통과하는 에어로졸 입자의 수, 부피 또는 질량 중 어느 하나를 나타내는 물리량이다. 예로서, 에어로졸 전달은 환자 인터페이스로 전달되는 에어로졸 입자의 수, 부피 또는 질량을 의미할 수 있다. 유사하게, 에어로졸 전달 속도는 1 초, 1 분 또는 1 시간과 같은 시간 간격 내에 환자 인터페이스로 전달되는 에어로졸 입자의 수, 부피 또는 질량을 의미할 수 있다. 그러나 다른 종류의 단위도 가능할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 에어로졸 입자 상의 액체의 흡수 및/또는 흡착이 대안으로 또는 추가로 결정될 수 있으며, 여기서 "에어로졸 입자 상의 액체의 흡수 및/또는 흡착"은, 에어로졸 입자에 의해 흡수되고 및/또는 에어로졸 입자의 표면 상에 흡착되는 액체, 특히 물 또는 수용액의 수, 표면적, 부피 또는 질량 중 어느 하나와 관련된 물리량이다. 예로서, 물의 흡수 및/또는 흡착은 가습된 에어로졸 입자에 의해 포함된 물의 상대 부피 또는 질량을 의미할 수 있다. 그러나 다른 종류의 단위도 가능할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 장치는:
수집 유닛으로서, 에어로졸 스트림에 의해 운반되는 에어로졸 입자를 수집하도록 지정된 필터와, 에어로졸 발생기에 연결될 수 있는 제 1 유체 연결 지점, 및 평상 호흡을 시뮬레이션하도록 지정된 호흡 시뮬레이터에 연결될 수 있는 제 2 유체 연결 지점을 갖는 수집 유닛과;
에어로졸 스트림에 의해 운반되고 측정 공간을 통과하는 에어로졸 입자와 적어도 하나의 광빔의 상호작용을 위해 설계된 적어도 하나의 측정 공간과;
측정 공간을 통과하는 에어로졸 입자와 적어도 하나의 광빔의 상호작용에 따라 적어도 하나의 광 측정 신호를 생성하도록 설계된 적어도 하나의 광 측정 유닛; 및
적어도 하나의 광 측정 신호로부터 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하도록 설계된 적어도 하나의 평가 유닛을 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 장치는 수집 유닛과, 적어도 하나의 측정 공간과, 적어도 하나의 광 측정 유닛, 및 적어도 하나의 평가 유닛을 포함한다. 여기에서, 위에 나열된 구성요소는 별도의 구성요소일 수 있다. 대안으로, 위에 나열된 두 개 이상의 구성요소는 하나의 구성요소에 통합될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 평가 유닛은 광 측정 유닛과 독립적인 별도의 평가 유닛으로 형성될 수 있지만, 바람직하게는 대응하는 광 측정 신호를 수신하기 위해 광 측정 유닛에 연결될 수 있다. 대안으로, 적어도 하나의 평가 유닛은 광 측정 유닛에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다.
상기한 바와 같이, 수집 유닛은 에어로졸 스트림에 의해 운반되는 에어로졸 입자를 수집하도록 지정된 필터와, 에어로졸 발생기에 연결될 수 있는 제 1 유체 연결 지점, 및 평상 호흡을 시뮬레이션하도록 지정된 호흡 시뮬레이터에 연결될 수 있는 제 2 유체 연결 지점을 갖는다. 일반적으로 사용된 수집 유닛은 에어로졸 스트림에 의해 운반되는 에어로졸 입자를 수집하기 위해 사용되는 필터에 에어로졸 스트림을 공급하고, 이어서 필터로부터 에어로졸 스트림을 멀리 안내하도록 설계된 장치이다. 일반적으로 사용된 "필터"라는 용어는, 가스 스트림의 방향을 향하는 필터의 표면인 필터 표면 상에 적어도 일부 입자를 증착하여 필터 표면에 가스 스트림에 의해 공급되는 입자를 수집할 수 있는 장치를 의미한다. 여기에서, 가스 스트림은 제 1 유체 연결 지점을 사용하여, 수집 유닛이 연결될 수 있는 에어로졸 발생기에 의해 공급된다. 또한, 제 2 유체 연결 지점을 사용함으로써, 수집 유닛은 필터를 통과한 후 에어로졸 스트림을 멀리 안내하는 데 있어서 수집 유닛을 지원하는 호흡 시뮬레이터에 연결될 수 있다. 일반적으로 사용된 "호흡 시뮬레이터"는, 특히 위에서 인용한 DIN EN 13544에 기술된 바와 같이 연속적인 흡기와 호기에 의한 평상 호흡을 시뮬레이션하도록 지정된 장치에 관한 것이다. 그 결과, 에어로졸 입자는 환자에 의해 흡입되는 입자와 비교되는 방식으로 필터에 증착되고, 따라서 환자가 흡입할 수 있는 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달의 실제적 추정이 가능해진다.
본 발명에 따르면, 장치는 위에서 인용한 DIN EN 13544에 기술된 방식으로 구현될 수 있는 수집 유닛을 포함한다. 따라서, 제 1 유체 연결 지점은 에어로졸 스트림의 방향에 대해 필터 앞에 배치될 수 있으며, 제 2 유체 연결 지점은 다시 에어로졸 스트림의 방향에 대해 필터 뒤에 배치되고 호흡 시뮬레이터에 연결된다. 더 자세한 사항은 DIN EN 13544를 참조할 수 있다. 일반적으로 사용된 "유체 연결 지점"은, 추가 가스 스트림이 특정 유체 라인으로 도입되거나 특정 유체 라인으로부터 멀리 안내될 수 있는, 가스 또는 에어로졸 스트림을 운반하는 특정 유체 라인 내의 위치와 관련된다. 대안으로 바람직한 실시형태에서, 수집 유닛은 DE 102013103152 B3을 기반으로 할 수 있고, 따라서 가스 스트림을 생성하기 위한 가스 유동 유닛에 연결될 수 있는 적어도 하나의 제 3 유체 연결 지점을 가질 수 있으며, 제 3 유체 연결 지점은 에어로졸 스트림이 적어도 부분적으로 가스 스트림에 의해 필터로 향하는 방식으로 배열된다. 더 자세한 사항은 사항은 DE 102013103152 B3의 개시를 참조할 수 있다. 그러나, 수집 유닛에 대한 추가 실시형태가 가능할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 장치는 적어도 하나의 측정 공간을 포함한다. 일반적으로 사용된 "측정 공간"은 원하는 측정을 수행하도록 지정된 공간의 확장된 용적을 의미한다. 여기에서, 측정 공간은 특히 측정 공간 내에서 광빔과 입자 모두의 적당한 안내를 통해 적어도 하나의 광빔 빔과 에어로졸 입자(또는 그 반대)의 상호작용이 가능하도록 특별히 설계된다. 에어로졸 스트림에 의해 운반되는 모든 에어로졸 입자를 측정할 수 있도록, 측정 공간은 바람직하게는 제 1 유체 연결 지점과 필터 사이에, 즉 이미 상기한 바와 같이 에어로졸 입자를 수집하도록 설계된 필터에 대해 상류에 위치할 수 있다.
따라서, 측정 공간은 에어로졸 흐름이 측정 공간을 통과할 수 있도록 설계된다. 특히, 측정 공간은 바람직하게, 매끄러울 수 있고 가능한 한 가장자리, 오목부 및 돌출부가 없는 내부 표면을 갖는 벽을 포함할 수 있다. 그 결과, 에어로졸 스트림은 따라서 가능한 한 측정 공간의 형태 및 구성에 의한 영향을 거의 받지 않고 측정 공간을 통과할 수 있다. 이러한 효과는 위에서 보다 상세히 설명한 바와 같이 필터 상에 증착되기 전에 가능한 한 적은 에어로졸 입자가 측정 공간의 벽에 증착될 수 있도록 할 수 있다. 이러한 방식으로, 광빔의 원하지 않는 신호 손실을 초래할 수 있는 측정 공간의 둘러싸는 표면, 특히 광 윈도우(optical window)의 원하지 않는 얼룩이 방지될 수 있다.
본원에서 사용된 "상호작용"이라는 용어는 에어로졸 입자와 광빔 빔의 접촉을 의미하며, 이러한 동작에 의해 광빔은, 측정 공간을 통과할 때 광빔과 접촉하는 에어로졸 입자의 적어도 하나의 물리적 특성과 관련이 있을 수 있는 변경을 경험하는 방식으로 변경될 수 있다. 그 결과, 측정 공간을 통과하는 에어로졸 입자와의 이러한 접촉에 따른 광빔의 변경은, 광빔의 변경과 에어로졸 입자의 물리적 특성 간의 관계가 알려진 경우, 에어로졸 입자의 물리적 특성을 결정할 수 있다. 이러한 관계를 결정하는 특히 바람직한 방식이 아래에서 더 자세히 설명된다.
또한 본 발명에 따르면, 장치는 측정 공간을 통과하는 에어로졸 입자와 적어도 하나의 광빔의 상호작용에 의해 결정되는 적어도 하나의 광 측정 신호를 생성하도록 설계된 적어도 하나의 광 측정 유닛을 포함한다. 본원에서 사용된 "광 측정 유닛"은, 광빔의 변경을 감시함으로써 적어도 하나의 광 측정 신호를 생성하도록 지정된 적어도 하나의 광 센서를 갖는 장치를 말하며, 따라서 상기한 바와 같이, 에어로졸 입자의 물리적 특성을 결정할 수 있다. 일반적으로 사용된 "광학" 및 "광"이라는 용어는 인접한 적외선 스펙트럼 범위 및 자외선 스펙트럼 범위를 또한 포함할 수 있는 가시 스펙트럼 범위의 전자기 복사를 의미한다. 확실하지 않으면, ISO 표준 ISO-21348을 참조하면, 본 문서의 출원일에 적용 가능한 버전에서 "가시 스펙트럼 범위"는 일반적으로 380 nm 내지 760 nm의 파장과 관련되는 반면, "적외선 스펙트럼 범위"는 일반적으로 760 nm 내지 1000 μm의 파장을 나타내며, 760 nm 내지 1.4 μm의 파장은 일반적으로 "근적외선 스펙트럼 범위"로 나타내고, "자외선 스펙트럼 범위"는 1 nm 내지 380 nm, 바람직하게는 100 nm 내지 380 nm의 파장을 의미한다. 바람직하게, 본 발명에서 사용되는 광은 가시광, 즉 380 nm 내지 760 nm의 파장을 갖는 가시 스펙트럼 범위의 광이다.
특히 바람직한 실시형태에서, 광 측정에 의해 감시되는 광빔의 변경은 에어로졸 입자가 통과할 때 측정 공간 내의 광빔의 소멸일 수 있다. 일반적으로 사용된 "광빔의 소멸"은 측정 공간 내에서 발생하는, 하나 이상의 에어로졸 입자와 광빔의 접촉에 따른 광빔의 감쇠와 관련된다. 따라서, 광빔의 소멸 등급은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 에어로졸 입자의 원하는 물리적 특성을 결정하기 위해 사용될 수 있는 광 측정 신호를 생성한다. 대안으로 또는 추가로, 광의 투과, 흡수, 회절, 반사, 굴절, 산란 또는 편광의 변경과 같은 광빔의 다른 종류의 변경이 광 측정 유닛에 의해 측정될 수 있다.
측정 공간 내에서 에어로졸 스트림에 의해 운반되는 에어로졸 입자와의 상호작용에 사용되는 광빔은 이러한 목적을 위해 적어도 하나의 광빔을 방출하도록 지정된 적어도 하나의 조명원에 의해 제공될 수 있다. 여기에서, 조명원은 다음 조명원 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 레이저, 원칙적으로는 대안으로 또는 추가로 다른 유형의 레이저가 또한 사용될 수 있지만, 특히 레이저 다이오드; 발광 다이오드; 유기 광원, 특히 유기 발광 다이오드; 구조화된 광원. 대안으로 또는 추가로, 다른 조명원도 가능할 수 있다.
특히 바람직한 실시형태에서, 광 측정 유닛은 적어도 하나의 광빔을 제공하도록 더 지정될 수 있다. 이를 위해, 광 측정 유닛은 레이저 측정 시스템이거나 이를 포함할 수 있으며, 레이저 측정 유닛은 또한 광빔의 변경을 감시하여 적어도 하나의 광 측정 신호를 생성하도록 지정된 적어도 하나의 광 센서를 갖는 것에 추가하여 적어도 하나의 광빔을 제공하도록 설계될 수 있다. 여기에서, 레이저 측정 유닛은, 구체적으로 정적 또는 동적 방식으로 측정 공간을 통과할 수 있는 하나의 좁은 빔 형태로 제공될 수 있는 적어도 하나의 레이저 빔을 생성할 수 있다. 바람직하게, 광빔, 특히 레이저 빔은 에어로졸 스트림의 방향에 수직인 방향을 제외한 모든 방향으로 작은 개구를 보일 수 있으며, 따라서 에어로졸 입자가 에어로졸 스트림의 방향으로 광빔의 개구를 통과하는 데 필요한 시간 간격 내에 측정 공간을 통과하는 에어로졸 입자의 적어도 일부, 바람직하게는 전부의 감시가 가능하다. 본원에서 사용된 "수직"이라는 용어는 90°의 값을 의미하지만 수직 배열로부터 ±15°, 바람직하게는 ±5°, 보다 바람직하게는 ±1°, 특히 ±0.1°의 편차를 포함할 수도 있다. 특정 실시형태에서, 광빔은 따라서 측정 공간 내에서 광 시트(light sheet), 특히 에어로졸 스트림의 방향에 수직일 수 있는 시트를 조명하도록 구성될 수 있다. 일반적으로 사용된 "시트"라는 용어는 빔 내의 광의 1차원 확장과 대조적으로 광의 2차원 확장을 의미한다.
특히 바람직한 실시형태에서, 측정 공간은 적어도 하나의 광 윈도우에 의해 광 측정 유닛으로부터 분리될 수 있다. 일반적으로 사용된 "광 윈도우"라는 용어는, 측정 공간에 들어가거나 나갈 때 적어도 하나의 광빔이 통과하도록 지정된 장치를 의미한다. 그 결과, 광 윈도우는 측정 공간으로 광빔이 들어가거나 나갈 때 가능한 한 편차가 거의 없이 측정 공간을 통해 에어로졸 스트림을 안내할 수 있다. 또한, 가능한 한 광빔에 영향을 거의 미치지 않게 하기 위해, 광 윈도우는 광학적으로 적어도 부분적으로 투명한 재료, 바람직하게는 광빔의 적어도 하나의 파장에서 높은 광 투과도를 나타낼 수 있는 재료를 포함할 수 있다. 이를 위해, 광학적으로 적어도 부분적으로 투명한 재료는 추가로, 특히 예를 들어 매립된 입자에서 광빔의 산란에 따른 바람직하지 않은 신호 손실을 방지하기 위해 실질적으로 동질일 수 있고 매립된 입자가 없다. 여기에서, 광 윈도우 및 측정 공간의 각각의 벽은 동일한 재료 또는 상이한 재료로 제공될 수 있다. 따라서, 광 윈도우는 벽에 포함될 수 있거나 또는 예를 들어 측정 공간 내부 또는 외부에서 접착제를 사용하여 벽에 부착되는 별도의 유닛으로 제공될 수 있다.
더욱 특히 바람직한 실시형태에서, 광 윈도우는 광빔이 광 윈도우를 수직으로 통과할 수 있는 방식으로 배열될 수 있다. 또한 본원에서 사용된 "수직"이라는 용어는 90°의 값을 의미하지만, 수직 배열로부터 ±15°, 바람직하게는 ±5°, 보다 바람직하게는 ±1°, 특히 ±0.1°의 편차를 포함할 수도 있다. 이러한 구성의 결과로서, 일반적으로 측정 공간에 포함된 적어도 하나의 물질의 굴절률과 다른 굴절률을 나타낼 수 있는, 광 윈도우에 들어가거나 나가는 광빔의 원하지 않는 굴절에 따른 추가의 원하지 않는 신호 손실이 적어도 부분적으로 방지될 수 있다.
더욱 특히 바람직한 실시형태에서, 광 윈도우는 가능한 한 작은 수 있는 두께를 나타낼 수 있고, 이에 따라 광 윈도우의 기계적 안정성을 원하는 범위 내로 유지할 수 있다. 따라서, 광 윈도우를 통과하는 광빔의 감쇠에 따른 추가의 원치 않는 신호 손실이 부분적으로 방지될 수 있다.
특히 바람직한 실시형태에서, 레이저 빔은 레이저 방출기로부터 방출될 수 있고, 바람직하게는 에어로졸 입자가 존재하는 측정 공간을 향해 제 1 광 윈도우를 통과할 수 있다. 에어로졸 입자의 존재에 의해, 레이저 빔은 감쇠될 수 있고, 반대쪽에 위치한 제 2 광 윈도우를 통과할 수 있으며, 레이저 수신기에 의해 캡처될 수 있다.
대안적인 실시형태에서, 광빔은 광 측정 유닛으로 안내되기 위해 반사될 수 있는 측정 공간의 반대편에 충돌할 수 있다. 여기에서, 광빔은 적어도 부분적으로 다시 측정 공간을 통과할 수 있거나 바람직하게는 통과하지 않을 수 있는 방식으로 반사될 수 있다. 따라서, 특정 실시형태에서, 광빔은 측정 공간을 통해 다시 동일한 경로를 취할 수 있는 방식으로 그리고, 가능한 경우 광 윈도우를 통해 광 측정 유닛으로 반사될 수 있다. 이러한 구성은 광 측정 신호를 약 2 배 증가시킬 수 있고, 따라서 광 측정 신호의 감도를 증가시킬 수 있다.
따라서, 특히 바람직한 실시형태에서, 측정 공간은 두 개의 대향하는 광 윈도우에 의해 광 측정 유닛으로부터 분리될 수 있으며, 여기서 두 개의 대향하는 광 윈도우는 서로에 대해 평행하게 배열될 수 있다. 본원에서 사용된 "평행"이라는 용어는 180°의 값을 의미하지만 평행 배열로부터 ±15°, 바람직하게는 ±5°, 보다 바람직하게는 ±1°, 특히 ±0.1°의 편차를 포함할 수도 있다. 또한, 두 개의 대향하는 광 윈도우를 서로에 대해 적절히 가깝게 배열하는 것이 유리할 수 있다. 두 개의 대향하는 광 윈도우를 가깝게 배열하면 광 측정 신호의 감도를 감소시킬 수 있지만, 동시에 측정 공간 내에서 원하지 않는 다중 산란을 증가시킬 수 있다. 신호 손실을 줄이기 위해, 조명원 및/또는 광 센서를 대응하는 광 윈도우에 가능한 한 가깝게 배치하는 것이 더 유리할 수 있다.
추가의 특정 실시형태에서, 장치는 적어도 하나의 광 윈도우를 가열하도록 지정될 수 있는 가열 유닛을 추가로 포함할 수 있다. 그 결과, 적어도 하나의 광 윈도우는 습기 및 입자 증착을 피할 수 있으며, 따라서 특히 입자 및 습기 증착에 의해 얼룩진 광 윈도우를 통과하는 광빔의 원하지 않는 신호 손실을 방지할 수 있다. 구체적으로, 가열 유닛은 측정 공간 및 광 측정 유닛으로부터 측정 공간을 분리하는 적어도 하나의 광 윈도우를 포함하는 장치 또는 이의 적어도 일부를 수용할 수 있는 가열 캐비닛(heating cabinet)의 형태로 제공될 수 있다.
추가의 특정 실시형태에서, 장치는 두 개의 개별 측정 공간을 포함할 수 있다. 여기에서, 적어도 하나의 제 1 광 측정 유닛은 호흡 시뮬레이터의 흡기 단계에서 제 1 측정 공간을 통과하는 에어로졸 입자와 적어도 하나의 제 1 광빔의 상호작용에 따라 적어도 하나의 제 1 광 측정 신호를 생성하도록 설계될 수 있으며, 평가 유닛은 제 1 광 측정 신호로부터 흡기 단계 동안의 에어로졸 스트림의 제 1 에어로졸 전달을 결정하도록 설계될 수 있다. 유사하게, 적어도 하나의 제 2 광 측정 유닛은 호기 단계에서 제 2 측정 공간을 통과하는 에어로졸 입자와 적어도 하나의 제 2 광빔의 상호작용에 따라 적어도 하나의 제 2 광 측정 신호를 생성하도록 설계될 수 있고 평가 유닛은 제 2 광 측정 신호로부터 호기 단계 동안의 에어로졸 스트림의 제 2 에어로졸 전달을 결정하도록 설계될 수 있다. 따라서, 이러한 특정 실시형태에서, 흡기 단계 동안의 에어로졸 스트림의 제 1 에어로졸 전달 및 호기 단계 동안의 에어로졸 스트림의 제 2 에어로졸 전달이 개별적으로 결정될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 장치는 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달 및 선택적으로 에어로졸 입자 상의 액체의 흡수 및/또는 흡착과 같은 원하는 정보 항목을 적어도 하나의 광 측정 신호로부터 결정하도록 설계된 적어도 하나의 평가 유닛을 포함한다. 바람직하게, 건조한 에어로졸 스트림에 대해 하나의 광 측정 신호가 충분할 수 있는 반면, 습한 에어로졸 스트림에 대해, 특히 액체 흡수 및/또는 흡착에 의해 야기되는 오프셋을 결정하기 위해 적어도 두 개의 광 측정 신호가 바람직할 수 있다. 본원에서 사용된 "평가 유닛"이라는 용어는 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달과 같은 원하는 정보 항목을 적어도 하나의 광 측정 신호로부터 생성하도록 설계된 장치를 의미한다. 이를 위해, 평가 유닛은 하나 이상의 주문형 집적 회로(application-specific integrated circuit, ASIC)와 같은 하나 이상의 집적 회로 및/또는 하나 이상의 컴퓨터, 바람직하게는 하나 이상의 마이크로컴퓨터 및/또는 마이크로컨트롤러와 같은 하나 이상의 데이터 처리 장치일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 하나 이상의 AD 변환기 및/또는 하나 이상의 필터와 같은 센서 신호를 수신 및/또는 전처리하기 위한 하나 이상의 장치와 같은, 하나 이상의 전처리 장치 및/또는 데이터 수집 장치와 같은 추가 구성요소가 포함될 수 있다. 본원에서 사용된 광 측정 신호는 일반적으로 센서 신호 중 하나를 의미할 수 있다. 또한, 평가 유닛은 하나 이상의 데이터 저장 장치를 포함할 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 평가 유닛은 하나 이상의 무선 인터페이스 및/또는 하나 이상의 유선 인터페이스와 같은 하나 이상의 인터페이스를 포함할 수 있다. 장치는 상기한 바와 같이 적어도 하나의 평가 장치를 갖는다. 특히, 적어도 하나의 평가 유닛은 특히 적어도 하나의 광 측정 유닛을 제어하도록 설계된 평가 유닛에 의해 장치를 완전히 또는 부분적으로 제어 또는 구동하도록 더 설계될 수 있다.
평가 유닛은 평가 유닛에서의 추가 평가를 위해 하나 또는 다수의 광 측정 신호가 기록되는 적어도 하나의 측정 사이클을 수행하도록 설계될 수 있다. 이를 위해, 적어도 하나의 평가 유닛은 특히 본원에 설명된 바와 같은 방법 단계들 중 임의의 하나 또는 전부를 구현함으로써 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램을 수행하도록 구성될 수 있다. 예로서, 광 측정 신호를 입력 변수로 사용함으로써 원하는 정보 항목을 결정할 수 있는 하나 이상의 알고리즘이 구현될 수 있다.
장치에 대한 더 자세한 사항은 본원에 설명된 장치, 이의 예시적인 실시형태 및 방법의 설명을 참조할 수 있다.
추가 양태에서, 본 발명은 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 본원에서 사용되는 이 방법은 다음 단계 a) 내지 단계 d)를 포함한다:
a) 에어로졸 발생기에 의해 생성된 에어로졸 스트림을 제공하는 단계;
b) 에어로졸 스트림에 의해 운반되는 에어로졸 입자를 적어도 하나의 측정 공간을 통해 안내하고, 측정 공간 내에 적어도 하나의 광빔과 에어로졸 입자의 상호작용을 제공하는 단계;
c) 측정 공간을 통과하는 에어로졸 입자와 적어도 하나의 광빔의 상호작용에 따라 적어도 하나의 광 측정 신호를 생성하는 단계; 및
d) 적어도 하나의 광 측정 신호로부터 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하는 단계로서, 광 측정 신호와 에어로졸 전달 사이의 변환 함수가 사용되는 단계.
여기에서, 명시된 단계는 주어진 순서로 수행될 수 있지만, 바람직하게 명시된 모든 단계는 적어도 부분적으로 동시에 수행될 수 있다. 단계 e)와 같이 본 문서에 설명되어 있는지 여부에 관계없이 추가 방법 단계가 부가적으로 수행될 수 있다.
단계 a)에 따르면, 에어로졸 스트림이 제공되며, 여기서 에어로졸 스트림은 에어로졸 발생기에 의해 생성된다. 여기에서, 에어로졸 스트림은 건조한 에어로졸 스트림 또는 흡수된 액체 및/또는 흡착된 액체를 포함하는 습한 에어로졸 스트림일 수 있으며, 이의 전달 및/또는 전달 속도는 본 방법에 의해 결정된다.
단계 b)에 따르면, 에어로졸 스트림에 의해 운반되는 에어로졸 입자는 측정 공간 내에서 적어도 하나의 광빔과 에어로졸 입자의 상호작용이 발생하는 방식으로 적어도 하나의 측정 공간을 통해 안내된다.
단계 c)에 따르면, 적어도 하나의 광 측정 신호는 광 측정 신호, 바람직하게는 다수의 광 측정 신호가 측정 공간을 통과하는 에어로졸 입자와 적어도 하나의 광빔의 상호작용에 의해 결정되는 방식으로 생성된다.
단계 d)에 따르면, 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달은 적어도 하나의 광 측정 신호로부터 결정되며, 여기서 그 결정을 위해 광 측정 신호와 에어로졸 전달 사이의 변환 함수가 사용된다. 이를 위해, 변환 계수와 같은 변환 함수는 평가 유닛에 포함된 저장 장치에 저장된 테이블과 같은 테이블로부터 취해질 수 있다.
바람직하게, 변환 함수는 단계 e)를 적어도 한번 바람직하게는 한번 수행함으로써, 바람직하게는 단계 d) 이전에, 또한 단계 d)와 동시에 또는 이후에 결정될 수 있다.
e) 필터 내에서 에어로졸 스트림에 의해 운반되는 에어로졸 입자를 수집하고, 필터 상의 입자 하중(particle load)을 측정하며; 입자 하중과 광 측정 신호 간의 관계로부터 변환 함수를 결정하는 단계.
단계 e)에 따르면, 수집 장치에 포함된 필터는 에어로졸 입자의 하중에 대한 중량 측정을 받는다. 이를 위해, 필터의 무게가 측정되고 이후, 시스템에 삽입되면, 제 1 시점에서 그리고 에어로졸 입자를 로딩한 후 제 2 시점에서 에어로졸 샘플링이 시작된다. 그 결과, 제 2 시점에서 측정된 제 2 중량과 제 1 시점에서 측정된 제 1 중량 간의 차이는, 제 1 시점과 제 2 시점 사이에 필터에 의해 수용된 에어로졸 입자의 중량에 의해 측정된 하중(중량측정 하중, gravimetric load)을 결정할 수 있게 한다. 동시에, 적어도 하나의 광 측정 신호로부터, 특히 제 1 시점과 제 2 시점 사이의 시간 간격 동안 기록된 다수의 광 측정 신호로부터 에어로졸 입자의 광 신호가 결정된다. 광 신호 및 동일한 에어로졸 스트림 내의 동일한 에어로졸 입자의 중량측정 하중 간의 관계를 생성함으로써 변환 계수가 결정될 수 있다. 단계 e)에 따른 이러한 절차는 필요한 경우, 예를 들어 회귀 알고리즘, 특히 선형 회귀를 사용하여, 원하는 정확도로 변환 계수를 결정하기 위해, 바람직하게는 다양한 입자 하중에 대해 여러 번 반복될 수 있다.
이후, 에어로졸 스트림에 대해 알려진 값을 더 고려하면, 단계 e)에 따른 에어로졸 입자의 중량에 대한 중량 측정을 더 수행하지 않고 단계 d)에서 변환 함수가 사용될 수 있다. 그 결과, 바람직하게, 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위해서는 에어로졸 입자의 하중에 대한 단 한번의 중량 측정이면 충분하다. 그러나, 필요한 경우 나중에 임의의 시점에서 중량측정 방식으로 에어로졸 입자의 하중을 결정하는 것도 여전히 가능하다.
추가 양태에서, 본 발명은 에어로졸 입자 상의 액체, 특히 물 또는 수용액의 흡수 및/또는 흡착을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 앞서 설명한 단계 e) 및 다음 단계 f)를 포함한다:
f) 에어로졸 입자의 적어도 두 개의 서로 다른 입자 하중에 대해 적어도 두 개의 광 측정 신호를 생성하고, 적어도 두 개의 서로 다른 필터 상의 에어로졸 입자의 적어도 두 개의 서로 다른 입자 하중을 측정하며, 제로로 가정된(assumed zero) 광 측정 신호로부터 에어로졸 입자 상의 액체의 흡수 및/또는 흡착을 결정하는 단계.
단계 f)에 따르면, 광 측정 신호는 적어도 두 개의 서로 다른 필터 상의 에어로졸 입자의 적어도 두 개의 서로 다른 하중에 대해 측정되며, 여기서 적어도 두 개의 서로 다른 필터 상의 에어로졸 입자의 각각의 하중은, 바람직하게는 단계 e)와 관련하여 설명된 중량측정 방식으로 결정된다. 적어도 두 개의 서로 다른 하중 각각에 대해 측정된 광 측정 신호로부터, 선형 회귀와 같은 적절한 알고리즘을 사용하여 필터 상의 제로 입자 하중에 대한 광 측정 신호가 추정될 수 있다. 필터 상의 제로 입자 하중에 대한 이러한 무시할 수 없는 추정된 광 측정 신호는, 본원에서 사용된 방법에 따른 광 측정에 의해 획득된 광 측정 신호가 여전히 에어로졸 입자 상에 흡수 및/또는 흡착된 액체, 특히 물 또는 수용액으로 인한 추가 기여를 포함하는 반면, 건조한 필터에 대한 중량 측정은 모든 액체 성분이 제거된 후 필터 상의 건조한 에어로졸 입자의 하중만을 결정한다는 관찰의 결과이다. 특히, 제로로 가정된 광 측정 신호에 대한 음의 x-축 절편(intercept)은, 에어로졸 입자 상에 흡수 및/또는 흡착된, 예를 들어 mg 단위의 액체의 질량에 해당한다.
방법에 대한 더 자세한 사항은 본 문서의 다른 곳의 장치 및 이의 예시적인 실시형태의 설명을 참조할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 따라서 특히 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달 및 선택적으로 에어로졸 입자 상의 액체의 흡수 및/또는 흡착을 각각 간단하고 정량적인 방식으로 그리고 실시간으로 결정할 수 있는데, 실시간으로 수행될 수 있는 이후의 광 측정 전에 에어로졸 입자의 하중에 대해 한번의 중량 측정을 수행하면 충분하기 때문이다. 에어로졸 전달을 결정하기 위한 이러한 방법 및 장치는, 특히 유아, 아기 및 신생아에게 전형적인, 소량의 일회 호흡량에도 적용될 수 있다.
본 발명의 추가의 선택적 특징 및 실시형태는 바람직하게 종속항과 함께 바람직한 실시형태의 이후의 설명에서 보다 상세히 개시될 것이다. 여기서, 각각의 선택적 특징은 본 기술 분야의 숙련자가 인식할 수 있는 바와 같이 별도의 방식으로 그리고 임의의 가능한 조합으로 구현될 수 있다. 본 발명의 범위는 바람직한 실시형태에 의해 제한되지 않을 수 있음을 강조한다. 실시형태는 도면에 개략적으로 도시되어 있다. 이들 도면에서 동일한 참조 번호는 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 나타낸다.
도면에서:
도 1A 내지 도 1C는 에어로졸 발생기에 의해 생성된 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 장치의 세 가지 바람직한 실시형태를 개략적으로 도시하고;
도 2A 내지 도 2C는 에어로졸 발생기에 의해 생성된 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 장치의 바람직한 실시형태를 등각투상도(도 2A), 상부 단면도(도 2B) 및 측면 단면도(도 2C)로 도시하고;
도 3A 및 도 3B는 제 1 커넥터의 바람직한 실시형태를 등각투상도(도 3A)와 측면 단면도(도 3B)로 도시하고;
도 4A 및 도 4B는 제 1 부분 장치의 바람직한 실시형태를 등각투상도(도 4A)와 배면도(도 4B)로 도시하고;
도 5A 및 도 5B는 제 2 부분 장치의 바람직한 실시형태를 등각투상도(도 5A)와 상부 단면도(도 5B)로 도시하고;
도 6은 레이저 마운트(laser mount)의 바람직한 실시형태를 등각투상도로 도시하고;
도 7은 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 방법을 개략적으로 도시하고; 및
도 8은 광 신호와 에어로졸 입자의 중량측정 하중 간의 관계를 도시한다.
도면에서:
도 1A 내지 도 1C는 에어로졸 발생기에 의해 생성된 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 장치의 세 가지 바람직한 실시형태를 개략적으로 도시하고;
도 2A 내지 도 2C는 에어로졸 발생기에 의해 생성된 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 장치의 바람직한 실시형태를 등각투상도(도 2A), 상부 단면도(도 2B) 및 측면 단면도(도 2C)로 도시하고;
도 3A 및 도 3B는 제 1 커넥터의 바람직한 실시형태를 등각투상도(도 3A)와 측면 단면도(도 3B)로 도시하고;
도 4A 및 도 4B는 제 1 부분 장치의 바람직한 실시형태를 등각투상도(도 4A)와 배면도(도 4B)로 도시하고;
도 5A 및 도 5B는 제 2 부분 장치의 바람직한 실시형태를 등각투상도(도 5A)와 상부 단면도(도 5B)로 도시하고;
도 6은 레이저 마운트(laser mount)의 바람직한 실시형태를 등각투상도로 도시하고;
도 7은 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 방법을 개략적으로 도시하고; 및
도 8은 광 신호와 에어로졸 입자의 중량측정 하중 간의 관계를 도시한다.
도 1A 및 도 1B는 에어로졸 발생기(114)에 의해 생성될 수 있는 에어로졸 스트림(112), 특히 건조한 에어로졸 스트림(112) 또는 흡수된 액체 및/또는 흡착된 액체를 포함하는 습한 에어로졸 스트림(112)의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 장치(110)의 두 개의 바람직한 실시형태를 개략적으로 도시하고 있다. 도 1A 및 도 1B에 도시된 바와 같이, 장치(110)는 수집 유닛(116)을 포함하고, 수집 유닛(116)은 에어로졸 스트림(112)에 의해 운반되는 에어로졸 입자(120)를 수집하도록 지정된 필터(118)와, 에어로졸 발생기(114)에 연결될 수 있는 제 1 유체 연결 지점(122), 및 평상 호흡을 시뮬레이션하도록 지정된, 사인파 펌프(128)와 같은 호흡 시뮬레이터(126)에 연결될 수 있는 제 2 유체 연결 지점(124)을 갖는다.
또한, 장치(110)는 바람직하게 환자 인터페이스가 배치될 수 있는 영역(132)의 에어로졸 스트림(112)에 대해 하류에 위치할 수 있는 측정 공간(130)을 포함한다. 여기에서, 측정 공간(130)은, 에어로졸 스트림(112)에 의해 운반되고 측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 광빔(여기에 도시되지 않음)의 상호작용을 위해 설계된다. 여기에서, 측정 공간(130)은 에어로졸 발생기(114)로부터 필터(118)로 에어로졸 스트림(112)을 안내하기 위해 이미 제공될 수 있는 컨덕트(conduct, 134)의 벽에 의해 정의될 수 있다. 여기에 도시된 실시형태에서, 제 1 유체 연결 지점(122)은 에어로졸 스트림(112)의 방향에 대해 필터(118) 앞에 위치하는 반면, 측정 공간(130)은 제 1 유체 연결 지점(122)과 필터(118) 사이에 위치한다.
또한, 장치(110)는 광 측정 유닛(136)을 포함하는데, 이는 바람직하게는 측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 광빔의 상호작용에 따라 적어도 하나의 광 측정 신호를 생성하도록 설계된 레이저 측정 시스템(138)이거나 이를 포함한다. 특히, 광 측정 유닛(136)은 에어로졸 입자(120)가 측정 공간(130)을 통과할 때 측정 공간(130)에서의 광빔의 소멸에 따라 광 측정 신호를 생성하도록 설계된다. 그러나, 광빔의 회절, 반사, 굴절, 산란 또는 편광과 같은 광 측정 신호를 생성하는 다른 방식도 가능할 수 있다.
또한, 장치(110)는 적어도 하나의 광 측정 신호로부터 에어로졸 스트림(112)의 원하는 에어로졸 전달을 결정하도록 설계된 평가 유닛(140)을 포함한다. 여기에서, 평가 유닛(140)은 측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 입자(120)의 수, 부피 또는 질량을 결정하도록 설계될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 에어로졸 전달 속도가 또한 결정될 수 있는데, 이는 1 초, 1 분 또는 1 시간과 같은 소정의 시간 간격 내에 측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 스트림(112)의 에어로졸 전달을 의미한다.
여기에 개략적으로 도시된 바와 같이, 평가 유닛(140)은 광 측정 유닛(136)과 독립적인 별도의 평가 유닛(140)으로 형성될 수 있지만, 바람직하게는 해당 광 측정 신호를 수신하기 위해 예를 들어 유선 또는 무선 리드(lead, 142)에 의해 광 측정 유닛에 연결될 수 있다. 대안으로(여기에 도시되지 않음), 평가 유닛(140)은 광 측정 유닛(136)에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다. 여기에 더 도시된 바와 같이, 에어로졸 스트림(112)의 결정된 에어로졸 전달을 보여주기 위해 온라인 모니터링이 가능한 모니터(144)가 사용될 수 있다. 그러나, 다른 종류의 출력 장치도 가능할 수 있다.
도 1B는 수집 유닛(116)이 도 1A에 도시된 실시형태에 더해 가스 스트림(148)을 생성하기 위한 가스 유동 유닛과 연결된 두 개의 제 3 유체 연결 지점(146)을 더 갖는 장치(110)의 추가적인 바람직한 실시형태를 도시하고 있고, 여기서, 제 3 유체 연결 지점(146)은 에어로졸 스트림(112)이 적어도 부분적으로 가스 스트림(148)에 의해 필터(118)로 향하는 방식으로 배열된다. 도 1B에 도시된 특정 실시형태에서, 수집 유닛(116) 내에서 가스의 폐쇄 회로(152)를 생성하기 위해 원심 펌프(150)가 사용된다. 그러나, 가스의 폐쇄 회로의 다른 구현도 가능할 수 있다.
도 1C는 두 개의 개별 측정 공간(130, 130')을 포함하는 장치(110)의 추가적인 바람직한 실시형태를 도시하고 있다. 여기에서, 제 1 광 측정 유닛(136)은, 도 1B에 도시된 실시형태와 유사한 방식으로, 흡기 단계 동안 제 1 측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 제 1 광빔의 상호작용에 따라 적어도 하나의 제 1 광 측정 신호를 생성하도록 설계되고, 여기서 평가 유닛(여기에 도시되지 않음)은 제 1 광 측정 신호로부터 흡기 단계 동안의 에어로졸 스트림(112)의 제 1 에어로졸 전달을 결정하도록 설계된다. 여기에서, 환자 인터페이스(132)는 환자 인터페이스(132)로부터 필터(118)로 입자를 흡입함으로써 흡기 단계의 시뮬레이션을 위해 사용될 수 있다.
호기 단계의 시뮬레이션을 추가로 제공하기 위해, 호기 에어로졸은 호기 단계 동안 제 2 측정 공간(130')을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 제 2 광빔의 상호작용에 따라 적어도 하나의 제 2 광 측정 신호를 생성하도록 추가로 설계된 적어도 하나의 제 2 광 측정 유닛(136')을 포함하는 별도의 호기 컨덕트(exhalation conduct, 153)로 안내되며, 여기서 평가 유닛(여기에 도시되지 않음)은 제 2 광 측정 신호로부터 호기 단계 동안의 에어로졸 스트림의 제 2 에어로졸 전달을 결정하도록 설계된다. 이후, 에어로졸 입자는 제 2 필터(118')에 수집되며, 그 결과 예를 들어 지속적 기도 양압(CPAP)을 사용하는 인공호흡 지원 또는 기계적 인공호흡을 위한 호흡 가스를 생성하기 위한 장치(153b)를 통해, 에어로졸 발생기(114)에 의해 제공되는 에어로졸 스트림(112) 내로 다시 유입될 어댑터(153c)로 안내될 수 있는 무-입자 가스 흐름(153a)이 생성될 수 있다.
특히, 도 1C의 실시형태는, 예를 들어 WO 2018/010954 A1에 개시된, 특히 에어로졸의 호흡 제어 적용을 위한 장치와 함께, 미숙아를 위한 에어로졸 전달을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이 실시형태의 다른 적용이 가능하다.
도 2A 내지 도 2C는 에어로졸 발생기(114)에 의해 생성된 에어로졸 스트림(112)의 에어로졸 전달을 결정하기 위한, 그러나 필터(118)와 제 2 유체 연결 지점(124) 없이 도시된 장치(110)의 바람직한 실시형태를 등각투상도(도 2A), 상부 단면도(도 2B) 및 측면 단면도(도 2C)로 도시하고 있다. 이러한 바람직한 실시형태에서, 장치(110)는 제 1 부분 장치(154)와, 필터(118) 및 제 2 유체 연결 지점(124)이 부착되는 제 2 부분 장치(156)와, 레이저 방출기(158), 및 레이저 수신기(160)의 형태로 제공된다. 여기에서, 제 1 부분 장치(154)는 측정 공간(130)(여기에는 보이지 않음)과, 제 1 유체 연결 지점(122)을 포함하는 제 1 커넥터(162)와 제 1 부분 장치(154) 사이의 연결부(여기에 도시되지 않음), 및 제 3 유체 연결 지점(146)을 포함하는 반면, 제 2 부분 장치(156)는 필터(118)와 제 2 유체 연결 지점(124)에 대한 제 2 커넥터(164)이다, 또한 광 측정 유닛(136)은 여기서 레이저 측정 시스템(138)의 형태로 제공되고, 여기에 도시된 바와 같이 레이저 측정 시스템(138)은 레이저 방출기(158)와 레이저 수신기(160)로 나뉜다. 레이저 방출기(158)는 레이저 빔(166)을 제공하도록 설계된 반면, 레이저 수신기(160)는 레이저 빔(166)을 수신하고, 측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 레이저 빔(166)의 상호작용에 따라 적어도 하나의 광 측정 신호를 생성하도록 지정된다. 추가로 언급한 바와 같이, 적어도 하나의 광 측정 신호로부터 에어로졸 스트림(112)의 에어로졸 전달을 결정하도록 설계된 평가 유닛(140)은 여기서 레이저 수신기(160)에 통합된다. 그러나, 상기한 바와 같이 평가 유닛(140)의 다른 실시형태도 여기서 가능할 수 있다. 또한, 레이저 측정 시스템(138)은 레이저 마운트(168) 상에 배치되며, 이의 바람직한 실시형태가 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 3A 및 도 3B는 제 1 커넥터(162)의 바람직한 실시형태를 등각투상도(도 3A)와 측면 단면도(도 3B)로 도시하고 있다. 위에서 이미 언급한 바와 같이, 제 1 커넥터(162)는 제 1 유체 연결 지점(122)을 포함한다. 여기에 더 도시된 바와 같이, 제 1 커넥터(162)는 제 1 부분 장치(154)와 제 1 유체 연결 지점(122) 사이의 연결부(170)를 포함하고, 여기서 거리(172)는 제 1 커넥터(162)가 제 1 부분 장치(154)로 도입될 수 있는 길이를 나타낸다.
도 4A 및 도 4B는 제 1 부분 장치(154)의 바람직한 실시형태를 등각투상도(도 4A)와 배면도(도 4B)로 도시하고 있다. 위에서 이미 언급한 바와 같이, 제 1 부분 장치(154)는 측정 공간(130)과, 제 1 부분 장치(154)와 제 1 커넥터(162) 사이의 연결부(170), 및 제 3 유체 연결 지점(146)을 포함한다. 여기에 더 도시된 바와 같이, 제 1 부분 장치(154)는, 레이저 측정 시스템(138)의 일부를 수용하기 위한 적어도 하나의 제 1 리세스(174)와, 측정 공간(130)으로부터 레이저 측정 시스템(138)을 분리하도록 지정된 광 윈도우(178), 및 레이저 마운트(168)를 수용하기 위한 추가 연결부(180)를 부가적으로 포함할 수 있다.
일반적으로, 광 윈도우(178)는 광빔이 측정 공간(130)에 들어가거나 나갈 때 가는 가능한 한 편차가 거의 없이 측정 공간(130)을 통해 에어로졸 스트림이 안내될 수 있는 방식으로 설계된다. 또한, 광 윈도우(178)는 동시에 측정 공간(130)을 통과하는 광빔이 가능한 한 적게 산란되는 방식으로 설계된다. 이를 위해, 광 윈도우(178)는 광학적으로 적어도 부분적으로 투명한 재료, 바람직하게는 광빔의 적어도 하나의 파장에서 높은 광 투과도를 나타낼 수 있는 재료를 포함할 수 있다. 이에 의해, 광학적으로 적어도 부분적으로 투명한 재료는 실질적으로 동질일 수 있고 매립된 입자가 없다. 또한, 광 윈도우(178)는 바람직하게는 광빔이 광 윈도우를 수직으로 통과할 수 있는 방식으로 배열될 수 있다. 또한, 광 윈도우(178)는 가능한 한 낮은 두께를 보일 수 있고, 따라서 광 윈도우의 기계적 안정성을 원하는 범위 내로 유지할 수 있다.
또한, 도 4A 및 도 4B의 특히 바람직한 실시형태에 도시된 바와 같이, 측정 공간(130)은 서로에 대해 평행하게 배열될 수 있는 두 개의 대향하는 광 윈도우(178)에 의해 광 측정 유닛(136)으로부터 분리될 수 있다. 대안으로, 두 개의 광 윈도우(178)는 서로에 대해 기울어진 배열을 포함할 수 있다.
또한, 두 개의 대향하는 광 윈도우(178)를 서로에 대해 적절히 가깝게 배열하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 광 측정 유닛(136)의 조명원 및/또는 광 센서를 대응하는 광 윈도우(178)에 가능한 한 가깝게 배치하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 광 윈도우(178) 중 하나 또는 둘 모두를 가열하도록 설계될 수 있는 가열 캐비닛(여기에 도시되지 않음)과 같은 가열 유닛이 제공될 수 있으며, 따라서 적어도 하나의 광 윈도우(178)를 입자 증착으로부터 보호할 수 있고, 따라서 특히 입자 및 습기 증착에 의해 얼룩진 광 윈도우를 통과하는 광빔의 원하지 않는 신호 손실을 방지할 수 있다. 그러나, 수집 유닛(116)를 전체로서 또는 다른 구성요소만을 가열하는 것도 가능할 수 있다.
도 5A 및 도 5B는 제 2 부분 장치(156)의 바람직한 실시형태를 등각투상도(도 5A)와 상부 단면도(도 5B)로 도시하고 있다. 위에서 이미 언급한 바와 같이, 제 2 부분 장치(156)는 제 1 부분 장치(154)와 필터(118) 사이에 연결부를 제공하도록 설계된다. 이를 위해, 제 2 부분 장치(156)는 바람직하게 필터(118) 및 이어서 제 2 유체 연결 지점(124)에 대한 제 2 커넥터(164)로서 구현된다. 여기에 더 도시된 바와 같이, 제 2 유체 연결 지점(124)은 따라서 제 1 부분 장치(154)에 대한 추가 연결부(176)를 포함할 수 있다.
도 6은 레이저 마운트(168)의 바람직한 실시형태를 등각투상도로 도시하고 있다. 여기에 도시된 바와 같이, 레이저 마운트(168)는 바람직하게 제 1 부분 장치(154)에 대한 추가 연결부(180) 및 레이저 측정 시스템(138)에 대한 조정 가능한 연결부를 제공하도록 설계될 수 있는 기다란 슬롯(182)을 포함할 수 있다. 거리(184)는 바람직하게 레이저 측정 시스템(138)에 충분한 기계적 안정성을 제공하는 방식으로 선택될 수 있는 레이저 마운트(168)의 길이를 나타낸다.
도 7은 에어로졸 발생기(114)에 의해 생성된 에어로졸 스트림(112)의 에어로졸 스트림의 에어로졸 전달을 결정하기 위한 방법(200)의 바람직한 실시형태를 개략적으로 도시하고 있다. 따라서, 에어로졸 발생기(114)에 의해 생성된 에어로졸 스트림(112)은 전달 단계(202)인 단계 a) 동안 제공된다. 단계 b) 동안, 에어로졸 스트림(112)에 의해 운반되는 에어로졸 입자(120)는 측정 공간(130)을 통해 안내되고, 이에 의해 상호작용 단계(204)에서 측정 공간(130) 내에서 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 광빔과의 상호작용이 제공된다. 이러한 상호작용의 결과로서, 측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 광빔의 상호작용에 의해 결정되는 광 측정 신호가 측정 단계(206)에서 단계 c) 동안 생성된다. 결정 단계(208)에서, 에어로졸 스트림(112)의 원하는 에어로졸 전달(210)은 기록된 광 측정 신호로부터 단계 d) 동안 결정된다.
이를 위해, 광 측정 신호와 에어로졸 전달 사이의 변환 함수, 특히 변환 계수가 이에 의해 사용될 수 있다. 여기에서, 변환 계수와 같은 변환 함수는 평가 유닛(140)에 포함된 저장 장치에 저장된 테이블과 같은 테이블로부터 취해질 수 있다. 특히 바람직한 실시형태에서, 변환 함수는 단계 e) 동안, 바람직하게는 결정 단계(208) 이전에, 또한 결정 단계(208)와 동시에 또는 이후에, 적어도 한번, 바람직하게는 한번, 보정 단계(212)를 수행함으로써 결정될 수 있다. 단계 e)에 따르면, 에어로졸 스트림(112)에 의해 운반되는 에어로졸 입자(120)는 필터(118)에 수집되고, 필터(118) 상에서 이로부터 발생하는 입자 하중은 특히 필터(118) 상의 측정된 하중의 중량 측정에 의해 측정되며, 변환은 필터(118) 상의 입자 하중과 적어도 하나의 광 측정 신호 간의 관계로부터 결정된다.
이러한 측정을 위한 특히 바람직한 예에서, 필터(118)의 무게가 측정되고, 장치(110)에 삽입되면, 제 1 시점에서 시작부터 제 2 시점에서 종료할 때까지 에어로졸 입자(120)가 로딩된다. 그 결과, 제 2 시점에서 측정된 제 2 중량과 제 1 시점에서 측정된 제 1 중량 간의 차이는 제 1 시점과 제 2 시점 사이에 필터(118)에 의해 수용된 에어로졸 입자(120)의 중량측정 하중을 결정할 수 있게 한다. 동시에, 제 1 시점과 제 2 시점 사이의 시간 간격 동안 기록된 광 측정 신호로부터, 제 1 시점과 제 2 시점 사이의 에어로졸 입자(120)의 광 측정 신호에 대한 적분값이 결정될 수 있다. 광 측정 신호의 적분값 및 동일한 에어로졸 스트림(112) 내의 동일한 에어로졸 입자(120)의 중량 측정에 의해 결정된 하중 간의 관계를 생성함으로써, 변환 계수와 같은 변환 함수가 결정될 수 있다. 단계 e)에 따른 이러한 절차는 필요한 경우, 원하는 정확도로 변환 함수를 결정하기 위해, 바람직하게는 다양한 입자 하중에 대해 여러 번 반복될 수 있다.
광 신호 및 동일한 에어로졸 입자(120)의 중량측정 하중 간의 관계에 대한 바람직한 예가 도 8에 도시되어 있다. 도표(214)에서, 다음과 같은 광 소멸과 관련된 다양한 광 신호(S)는,
S = log (I 0 /I),
여기서 I 0 은 측정 공간(130)을 통과하기 전의 광빔의 강도를 나타내고, I는 측정 공간(을 통과한 후의 광빔의 강도를 나타내며, log는 알려진 기저(basis)에 대한 대수(logarithm)를 나타냄, 이 도포(214)의 수평 x-축 상에 측정된 점으로 표시된 동일한 에어로졸 입자(120)의 중량측정 하중(L [mg])에 대해 수직 y-축 상에 표시된다. 특히 선형 회귀와 같은 선형 피팅(linear fitting) 절차를 적용함으로써, 생성된 라인(216)은 광 신호 및 동일한 에어로졸 입자(120)의 중량측정 하중 사이의 관계로서 얻어질 수 있다. 예를 들어, 관계는 다음 방정식으로 설명될 수 있다:
y = 0.0829 x + 0.0303,
여기서 y는 x-축 상의 위치(x)의 대응하는 중량측정 하중(L)에서 광 신호(S)의 진폭으로부터 계산된 소광(extinction)과 관련된다. 대안으로 또는 추가로, 다른 회귀 알고리즘과 같은 다른 절차가 이러한 관계를 결정하기 위해 여기에 적용될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 광빔의 회절, 반사, 굴절, 산란 또는 편광의 변경과 같은 광빔의 다른 종류의 변경이 광 측정 유닛(136)에 의해 측정될 수 있다.
이어서, 에어로졸 스트림(112)에 대해 알려진 값을 추가로 고려하면, 이러한 방식으로 결정될 수 있는 변환 계수와 같은 변환 함수는 보정 단계(212)를 반복할 필요 없이 결정 단계(208) 동안 사용될 수 있다. 상기한 바와 같이, 에어로졸 스트림(112)의 에어로졸 전달(210)을 결정하기 위해서는 바람직하게 에어로졸 입자(120)의 하중에 대해 한번의 중량 측정이면 충분하다. 그럼에도 불구하고, 필요한 경우 보정 단계(212)를 반복하는 것이 여전히 가능하다.
대안으로 또는 보정 단계(212)에 사용되는 것에 추가하여, 도 8의 도표(214)는 또한 에어로졸 입자(120) 상의 액체(220)의 흡수 및/또는 흡착을 결정하기 위한 방법에 적용될 수 있다. 도 8에 개략적으로 도시된 바와 같이, 광 측정 신호는 필터(118) 상의 에어로졸 입자(120)의 적어도 두 개의 서로 다른 하중에 대해 단계 f) 동안 측정되며, 여기서 필터(118) 상의 에어로졸 입자(120)의 각각의 하중도 상기한 바와 같은 중량측정 방식으로 결정된다. 도 8에 표시된 다양한 광 측정 신호로부터, 제로 광 측정 신호에 대한 추정된 입자 하중 x0는 위에서 설명한 선형 회귀와 같은 동일한 회귀 알고리즘을 사용하여 결정될 수 있다. 위에서 설명한 예에서 y = 0에 대해 x0 = -0.36의 값을 얻을 수 있다. 선형 회귀와 음의 x-축의 교차점은 따라서 에어로졸 입자(120) 상의 흡수된 및/또는 흡착된 액체의 질량에 해당하는 값(218)을 제공할 수 있고, 따라서 에어로졸 입자(120) 상의 흡수 및/또는 흡착된 액체의 질량 및/또는 중량을 결정할 수 있다.
110: 장치
112: 에어로졸 스트림
114: 에어로졸 발생기
116: 수집 유닛
118, 118': 필터
120: 에어로졸 입자
122: 제 1 유체 연결 지점
124: 제 2 유체 연결 지점
126: 호흡 시뮬레이터
128: 사인파 펌프
130, 130': 측정 공간
132: 환자 인터페이스용 영역
134: 컨덕트
136, 136': 광 측정 유닛
138, 138': 레이저 측정 시스템
140: 평가 유닛
142: 리드
144: 모니터
146: 제 3 유체 연결 지점
148: 가스 스트림
150: 원심 펌프
152: 폐쇄 회로
153: 호기 컨덕트
153a: 무-입자 가스 흐름
153b: 지속적 기도 양압(CPAP)을 사용하는 인공호흡 지원 또는 기계적 인공호흡을 위한 호흡 가스를 생성하기 위한 장치
153c: 어댑터
154: 제 1 부분 장치
156: 제 2 부분 장치
158: 레이저 방출기
160: 레이저 수신기
162: 제 1 커넥터
164: 제 2 커넥터
166: 레이저 빔
168: 레이저 마운트
170: 연결부
172: 거리
174: 리세스
176: 추가 연결부
178: 광 윈도우
180: 추가 연결부
182: 기다란 슬롯
184: 거리
200: 에어로졸 전달을 결정하기 위한 방법
202: 전달 단계
204: 상호작용 단계
206: 측정 단계
208: 결정 단계
210: 에어로졸 전달
212: 보정 단계
214: 도표
216: 라인
218: 추정된 제로 입자 하중에 대한 측정 신호
220: 액체의 흡수 및/또는 흡착을 결정하기 위한 방법
112: 에어로졸 스트림
114: 에어로졸 발생기
116: 수집 유닛
118, 118': 필터
120: 에어로졸 입자
122: 제 1 유체 연결 지점
124: 제 2 유체 연결 지점
126: 호흡 시뮬레이터
128: 사인파 펌프
130, 130': 측정 공간
132: 환자 인터페이스용 영역
134: 컨덕트
136, 136': 광 측정 유닛
138, 138': 레이저 측정 시스템
140: 평가 유닛
142: 리드
144: 모니터
146: 제 3 유체 연결 지점
148: 가스 스트림
150: 원심 펌프
152: 폐쇄 회로
153: 호기 컨덕트
153a: 무-입자 가스 흐름
153b: 지속적 기도 양압(CPAP)을 사용하는 인공호흡 지원 또는 기계적 인공호흡을 위한 호흡 가스를 생성하기 위한 장치
153c: 어댑터
154: 제 1 부분 장치
156: 제 2 부분 장치
158: 레이저 방출기
160: 레이저 수신기
162: 제 1 커넥터
164: 제 2 커넥터
166: 레이저 빔
168: 레이저 마운트
170: 연결부
172: 거리
174: 리세스
176: 추가 연결부
178: 광 윈도우
180: 추가 연결부
182: 기다란 슬롯
184: 거리
200: 에어로졸 전달을 결정하기 위한 방법
202: 전달 단계
204: 상호작용 단계
206: 측정 단계
208: 결정 단계
210: 에어로졸 전달
212: 보정 단계
214: 도표
216: 라인
218: 추정된 제로 입자 하중에 대한 측정 신호
220: 액체의 흡수 및/또는 흡착을 결정하기 위한 방법
Claims (15)
- 에어로졸 발생기(114)에 의해 생성된 에어로졸 스트림(112)의 에어로졸 전달(210)을 결정하기 위한 장치(110)로서, 장치(110)는:
수집 유닛(116)으로서, 에어로졸 스트림(112)에 의해 운반되는 에어로졸 입자(120)를 수집하도록 지정된 필터(118)와, 에어로졸 발생기(114)에 연결될 수 있는 제 1 유체 연결 지점(122), 및 평상 호흡을 시뮬레이션하도록 지정된 호흡 시뮬레이터(126)에 연결될 수 있는 제 2 유체 연결 지점(124)을 갖는 수집 유닛(116)과;
에어로졸 스트림(112)에 의해 운반되고 측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 광빔의 상호작용을 위해 설계된 적어도 하나의 측정 공간(130)과;
측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 광빔의 상호작용에 따라 적어도 하나의 광 측정 신호를 생성하도록 설계된 적어도 하나의 광 측정 유닛(136); 및
적어도 하나의 광 측정 신호로부터 에어로졸 스트림(112)의 에어로졸 전달(210)을 결정하도록 설계된 적어도 하나의 평가 유닛(140)을 포함하는, 장치(110).
- 전술한 항에 있어서,
광 측정 유닛(136)은 에어로졸 입자(120)가 통과할 때 측정 공간(130)에서의 광빔의 소멸 또는 산란 중 적어도 하나에 따라 광 측정 신호를 생성하도록 설계되는, 장치(110).
- 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
광 측정 유닛(136)은 레이저 측정 시스템(138)이거나 이를 포함하고, 레이저 측정 유닛(138)은 적어도 하나의 광빔을 제공하도록 더 설계되는, 장치(110).
- 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
광빔은 측정 공간(130) 내에서 시트를 조명하도록 구성되는, 장치(110).
- 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
측정 공간(130)은 적어도 하나의 광 윈도우(178)에 의해 광 측정 유닛(136)으로부터 분리되고, 광 윈도우(178)는, 측정 공간(130)에 들어가거나 나갈 때 적어도 하나의 광빔이 통과하도록 지정되고, 광 윈도우(178)는 광학적으로 적어도 부분적으로 투명한 재료를 포함하는, 장치(110).
- 전술한 항에 있어서,
광학적으로 적어도 부분적으로 투명한 재료는 동질이며 매립된 입자가 없는, 장치(110).
- 전술한 두 개의 항 중 어느 한 항에 있어서,
광 윈도우(178)는 광빔이 광 윈도우(178)를 수직으로 통과할 수 있는 방식으로 배열되는, 장치(110).
- 전술한 세 개의 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 광 윈도우(178)를 가열하도록 지정되는 가열 유닛을 더 포함하는 장치(110).
- 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
측정 공간(130)은, 매끄러우며 가장자리, 오목부 및 돌출부가 없는 내부 표면을 포함하는, 장치(110).
- 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
제 1 유체 연결 지점(122)은 에어로졸 스트림(112)의 방향에 대해 필터(118) 앞에 위치하는 반면, 측정 공간(130)은 제 1 유체 연결 지점(122)과 필터(118) 사이에 위치하는, 장치(110).
- 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
수집 유닛은 가스 스트림(148)을 생성하기 위한 가스 유동 유닛에 연결되는 적어도 하나의 제 3 유체 연결 지점(146)을 갖고, 제 3 유체 연결 지점(146)은 에어로졸 스트림(112)이 적어도 부분적으로 가스 스트림(148)에 의해 필터(118)로 향하는 방식으로 배열되는, 장치(110).
- 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
두 개의 개별 측정 공간(130)을 포함하고, 적어도 하나의 제 1 광 측정 유닛(136)은 흡기 단계에서 제 1 측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 제 1 광빔의 상호작용에 따라 적어도 하나의 제 1 광 측정 신호를 생성하도록 설계되고, 평가 유닛(140)은 제 1 광 측정 신호로부터 흡기 단계 동안의 에어로졸 스트림(112)의 제 1 에어로졸 전달(210)을 결정하도록 설계되고, 적어도 하나의 제 2 광 측정 유닛(136')은 호기 단계에서 제 2 측정 공간(130')을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 제 2 광빔의 상호작용에 따라 적어도 하나의 제 2 광 측정 신호를 생성하도록 설계되며, 평가 유닛(140)은 제 2 광 측정 신호로부터 호기 단계 동안의 에어로졸 스트림(112)의 제 2 에어로졸 전달(210)을 결정하도록 설계되는, 장치(110).
- 에어로졸 스트림(112)의 에어로졸 전달(210)을 결정하기 위한 방법(200)으로서, 방법(200)은:
a) 에어로졸 발생기(114)에 의해 생성된 에어로졸 스트림(112)을 제공하는 단계와;
b) 에어로졸 스트림(122)에 의해 운반되는 에어로졸 입자(120)를 적어도 하나의 측정 공간(130)을 통해 안내하고, 측정 공간(130) 내에 적어도 하나의 광빔과 에어로졸 입자(120)의 상호작용을 제공하는 단계;
c) 측정 공간(130)을 통과하는 에어로졸 입자(120)와 적어도 하나의 광빔의 상호작용에 따라 적어도 하나의 광 측정 신호를 생성하는 단계; 및
d) 적어도 하나의 광 측정 신호로부터 에어로졸 스트림(112)의 에어로졸 전달(210)을 결정하는 단계로서, 광 측정 신호와 에어로졸 전달(210) 사이의 변환 함수가 사용되는 단계를 포함하는 방법(200).
- 전술한 항에 있어서,
변환 함수는 다음 단계 e)를 적어도 한번 수행함으로써 결정되는 방법:
e) 필터(118) 내에서 에어로졸 스트림(112)에 의해 운반되는 에어로졸 입자(120)를 수집하고, 필터(118) 상의 입자 하중을 측정하며; 입자 하중과 적어도 하나의 광 측정 신호 간의 관계로부터 변환 함수를 결정하는 단계.
- 에어로졸 입자(120) 상의 액체(220)의 흡수 및/또는 흡착을 결정하기 위한 방법으로서, 상기한 방법 청구항에 따른 단계 a) 내지 단계 e) 및 다음 단계 f)를 포함하는 방법:
f) 에어로졸 입자(120)의 적어도 두 개의 서로 다른 입자 하중에 대해 적어도 두 개의 광 측정 신호를 생성하고, 적어도 두 개의 서로 다른 필터(118) 상의 에어로졸 입자(120)의 적어도 두 개의 서로 다른 입자 하중을 측정하며, 제로로 가정된 광 측정 신호로부터 에어로졸 입자(120) 상의 액체의 흡수 및/또는 흡착을 결정하는 단계.
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