WO2012172011A1 - Method for analysis of exhaled air - Google Patents

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WO2012172011A1
WO2012172011A1 PCT/EP2012/061342 EP2012061342W WO2012172011A1 WO 2012172011 A1 WO2012172011 A1 WO 2012172011A1 EP 2012061342 W EP2012061342 W EP 2012061342W WO 2012172011 A1 WO2012172011 A1 WO 2012172011A1
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WO
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particle
exhalate
max
flow
determination
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/061342
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jens HOHLFELD
Heike BILLER
Hubert Lödding
Wilhelm Dunkhorst
Katharina Schwarz
Wolfgang Koch
Horst Windt
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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Publication date
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/082Evaluation by breath analysis, e.g. determination of the chemical composition of exhaled breath
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483Physical analysis of biological material
    • G01N33/497Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48Other medical applications
    • A61B5/4842Monitoring progression or stage of a disease
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48Other medical applications
    • A61B5/4848Monitoring or testing the effects of treatment, e.g. of medication

Definitions

  • the invention relates to a method for the analysis of exhaled air (Exhalat).
  • a method for the analysis of exhaled air may e.g. as a preparatory measure in the context of the early, non-invasive diagnosis of pathological changes of the peripheral areas of the lung (P AD, peripheral airway disease), as described e.g. in obstructive
  • COPD Pulmonary disease
  • bronchiolitis obliterans Pulmonary disease
  • Fluid accumulation and / or inflammation occur i.a. also on at
  • VILI Ventilation induced lung injury
  • Nonvolatile molecules must necessarily have one
  • Drool formation process from the lung fluid out into the exhaled air The properties of the exhaled aerosols are determined on the one hand by the properties of the droplets formed in the different lung compartments and on the other by the redeposition of already generated particles in the complex lung structures during the exhalation process. In normal breathing, the particle size spectrum usually has
  • Number maximum in the particle size range less than 1 ⁇ on.
  • Epithelial fluid film lining the respiratory tract In this liquid-liquid separation, droplets emerge, which can escape with the breath and can be detected. The process is shown in FIG.
  • Liquid bridges or liquid plug 3 make it a more energetically favorable state than the smooth lined with lung fluid film 2 capillary walls 1. This state is realized in particular during exhalation.
  • the transpulmonary pressure increases and it can be used to reopen the droplets 4 at
  • This drop formation process is of the processes that are e.g. in a forced
  • the ventilated lung area where the airway can close is referred to as the "closing volume” (CV), when the lung volume at the end of an expiratory process (EELV, end expiratory volume) is less than the closing volume (EELV ⁇ CV) it for the realization of
  • Airway closures come.
  • the particles or liquid droplets generated during the reopening are then carried outside with the respiratory flow during the next exhalation process.
  • By varying the breathing depth is the
  • FIG. 2 shows typical lung function parameters which, apart from the closure volume CV, are determined by conventional measuring methods such as spirometry or body plethysmography.
  • These pulmonary function parameters shown in Fig. 2 are it is the lung capacity TLC ("total lung capacity”), the lung volume available for respiration VC (“vital capacity”), which is not ventilated
  • Residual volume RV residual volume
  • tidal volume (VT) tidal volume
  • FRC functional residual capacity
  • closing volume CV lung volume at End of the expiration process
  • EELV end expiratory volume
  • exhaled volume EV expired volume
  • Airway obstruction may cause injury to the peripheral airway.
  • the occlusion volume can be measured by the administration and detection of noble gas boluses during pulmonary function examinations.
  • the events of the reopening of the respiratory tract can also be detected and quantified by the analysis of acoustic signals. They express themselves in so-called crackling noises (crackles). In principle, the analysis of "crackles" is suitable for the early detection of peripheral lung changes.
  • monodisperse aerosols In addition to the morphometric examination of the lung, monodisperse aerosols also serve to analyze the convective transport of the respiratory gas as part of the so-called aerosol-bolus dispersion. Exhalation (dispersion) of an inhaled bolus of a low redeposition rate test aerosol allows conclusions to be drawn on pathological alterations of the respiratory tract associated with inhomogeneous ventilation of the lungs. Ventilation of the lungs is performed by the administration and detection of inert gas boli. Practically, both the gas measurements due to the complex detection and the acoustic measurements and the aerosol investigation are very complex.
  • the method should be simple to perform and as a preparatory measure for subsequent lung diagnostics, e.g. may serve as an early diagnosis of pathological changes in the peripheral areas of the lung (PED).
  • PED peripheral areas of the lung
  • This object is achieved by providing a method for analyzing an exhalate, wherein the exhalate particles having a minimum diameter d m i n (Exhalat) and a maximum diameter d max (Exhalat) comprising the measurement or determination of at least one physical size a defined first particle size fraction PI of the exhalate, wherein the physical quantity is selected from the particle number concentration Cl, the
  • Particle number flow F the number of particles N 1, the particle mass flow M 1, the Particle mass Gl or combinations thereof, wherein the first particle size fraction PI by a minimum diameter d m i n (Pl) and a maximum diameter dmax (PI) is defined such that d m i n (Pl)> d m i n (exhalation) and or
  • exhalate refers to the total exhaled volume flow and / or the total exhaled volume and / or a partial volume flow and / or a partial volume of expired respiratory gas
  • particles refers to the relative humidity in the environment of the aerosol either on liquid droplets or at a relative humidity well below 100% on solid particles present after the shrinkage of the droplets, consisting of the non-volatile substances of the liquid lining the respiratory tract as exhaled with exhalation.
  • these particles Due to their particle size distribution, these particles have a minimum diameter d m i n (exhalate) and a maximum diameter d max (exhalate) which, of course, may vary depending on the subject or respiratory pattern or depth of respiration or activity Liquid droplet in the lungs has already been discussed above with reference to FIG. Typically, the maximum diameter d max (exhalate) ⁇ 5 ⁇ in normal breathing, coughing, sneezing, speaking or forced exhalation up to d max (exhalate) ⁇ 1mm.
  • Particle subset of all present in exhaled particles defined and determined for this particle size fraction number concentration, number flow, mass flow and / or particle number, an efficient preparatory measure for subsequent lung diagnostics, eg an early diagnosis of pathological Changes in the peripheral areas of the lung (PED, peripheral airway disease) represents.
  • dmin (Pl) and d max (Pl) are chosen so that the first
  • Particle size fraction PI at most 95%, more preferably at most 90% of
  • Total number of particles in the exhalate includes.
  • Embodiment d m i n (Pl) and d max (Pl) are chosen so that the first
  • Particle size fraction PI 10% to 95%, more preferably 70% to 90% of
  • Total number of particles in the exhalate includes.
  • d m i n (Pl) is preferably ⁇ to a value in the range of 0.2 to 1 , 5 ⁇ , more preferably in the range of 0.3 ⁇ set to 0.6 ⁇ .
  • dmin (P1) is preferably adjusted to a value in the range of 0.2 ⁇ m to 100 ⁇ m, more preferably in the range of 0.3 ⁇ m set to 10 ⁇ .
  • the maximum particle diameter d max (Pl) of the first particle size fraction can be selected, for example, such that it corresponds to d max (exhalate), ie
  • the mass flow M 1 of the defined first particle size fraction PI can be the total particle mass flow or the particle partial mass flow of one or more specific components of the particles, such as certain proteins or salts. In the former case, the total mass of the particle is taken into account for the measurement or determination of the mass flow, while in the latter case only the mass of this specific component or components of the particle is taken into account for the measurement or determination of the mass flow.
  • the mass Gl of the defined first particle size fraction PI may be the total particle mass or the particle mass of one or more specific components of the particles, such as e.g. certain proteins or salts act. In the former case, the total mass of the particle is taken into account for the measurement or determination of the mass, while in the latter case only the mass of this specific component or components of the particle is taken into account for the measurement or determination of the mass.
  • Particle number concentration, the particle number flow, the number of particles, the particle mass flow and the particle mass of aerosol particles are the
  • the measurement or determination can be made, for example, with a condensation nucleus counter or a scattered light counter or an impactor or a TEOM method or a quartz balance, a measuring device for particle size determination, preferably an optical particle counter
  • Duration spectrometer (aerodynamic particle classifier), an electric mobility spectrometer, a cascade impactor (mass determination via detection of electric current or quartz crystal balance) or a Combination of these devices, optionally in combination with a known to the expert analysis method for the determination of specific
  • Condensation core counters are known per se to those skilled in the art and are also commercially available.
  • Usual condensation nucleus counters have one
  • Humidification zone in which there is a container of liquid, and a condensation zone in which the particle growth takes place by the vapor of the humidification zone condenses on the particle surface.
  • This measuring method with condensation nucleus counter permits, in contrast to pure stray light particle counts, the detection of particles with diameters smaller than 0.1 ⁇ m. Particles smaller than 0.1 ⁇ be because of their low
  • condensation nucleus counters are commercially available. In many devices, however, the sampling volume flow at 0.11 rpm is so low that, given the overall low emission rates, the statistical reliability for the Recording the counting events can be negatively influenced. Furthermore, in the devices partly harmful vapors (such as butanol) are used, which then have to be filtered consuming. Moreover, commercial devices are expensive not least because of their high technical complexity for saturating the steam and subsequently controlled cooling.
  • the condensation nucleus counter used has no humidification zone (ie no container with liquid). It is therefore preferred that the increase in the particle diameter in the condensation nucleus counter essentially, more preferably exclusively by condensation of the
  • the condensation nucleus counter is mounted in a device having a tube with inhalation and Exhalationszweig. Preferred is in
  • Inhalationszweig the tube, preferably in Exhalationszweig the tube, a filter, preferably attached to an absolute filter.
  • absolute filter is used in the context of the present invention in its usual, the expert
  • an optical particle counter is used which counts the particles and classizes them. In addition to determining the size distribution of all exhaled particles in the measuring range of the meter allows such an optical particle counter and the selective detection of individual particle size fractions.
  • Optical particle counters count and classify particles according to their requirements
  • the aerosol flow passes through a sample chamber, through which a powerful light beam is projected.
  • the scattered light emitted by each individual particle is picked up by a receiving optical system and converted into a size class arrangement into a voltage pulse corresponding to the size of the detected particle.
  • Such devices are generally known to the person skilled in the art.
  • a scattered light counter e.g. a detection range over the intensity of the light beam of the transmitting optics and the selection of the detector or its
  • Detection threshold are set. This detection range can then be set so that it with the specified minimum diameter d m i n (Pl) and / or set maximum diameter d max (Pl) of the first
  • Condensation core counter with a diameter d m i n (Pl) corresponding lower detection limit and / or a fixed maximum diameter dmax (Pl) upper detection limit.
  • the measurement or determination of the particle number concentration Cl, the particle number flow Fl, the particle number Nl, the particle mass flow Ml or the particle mass G1 of the defined first particle size fractions PI of the exhalate is carried out by a condensation nucleus counter or a scattered light counter or another of the abovementioned measuring methods a lower detection limit equal to or less than the fixed diameter d m i n (Pl), or an upper detection limit equal to or greater than the specified maximum diameter d max (Pl), the minimum diameter d m i n (Pl) and / or the maximum diameter dmax (Pl) defined first particle size fraction PI of the exhalate by a suitable pre-separation or fractionation of the exhaled aerosol
  • FIG. 3 shows the time profile of the number flow F1 for differently defined particle size fractions PI.
  • Figure 3 shows the total number of flow of all the exhaled particles, and in the upper half the respiratory flow, the negative half wave indicating exhalation (i.e., exhalation).
  • exhalation i.e., exhalation
  • Particle size distribution i. the particle concentration or the
  • Particle number flow in individual size classes makes it possible to determine the number flow and the size distribution of the aerosols in the exhalation branch of the respiration.
  • the method further comprises:
  • a physical quantity for all particles of the exhalate or for at least one defined second particle size fraction P2 which is defined by a minimum diameter d m i n (P2) and a maximum diameter d max (P2), where and or wherein the physical quantity is selected from the particle number concentration C2, the particle number flow F2, the
  • the physical variable which is determined for all exhalate particles or the defined second particle size fraction P2 is preferably the same physical quantity which is also determined for the defined first particle size fraction PI.
  • the mass flow M2 may be the total particle mass flow or the mass flow M2
  • Particle mass flow of a specific component of the particles e.g.
  • the mass M2 may be the total particle mass or the particle partial mass of a specific component of the particles, such as certain proteins or salts. In the former case, the total mass of a particle is taken into account, while in the latter case only the mass of this specific component of the particle is taken into account.
  • Condensation core counter which detects the particles via a scattered light counter, in combination with another scattered light counter, the first
  • Scattered light counter is mounted in a region in which no growth in size of the particles has yet taken place by condensation of a vapor (e.g.
  • the first scattered light counter of the total number of exhaled particles only detects those with a diameter of at least 0.5 ⁇ , during the second scattered light counter and the fine particles below 0.5 ⁇ detected because at the end or after the condensation zone and the very small particles have grown to a diameter of more than 0.5 ⁇ and thus are detectable in the scattered light counter.
  • the determination of the detection range of a scattered light counter can be effected via the intensity of the light beam of the transmitting optics and the selection of the detector or its detection threshold. According to further preferred embodiments, the measurement or
  • the characteristic value can be determined by establishing a mathematical relationship comprising at least one of the physical quantities C1, F1, N1, G1 or M1 and at least one of the physical quantities C2, F2, N2, G2 or M2.
  • the values determined or measured for Cl, Fl, Nl, Gl or Ml and the values determined or measured for C2, F2, N2, G2 or M2 are then inserted into this mathematical relationship and a characteristic value is obtained.
  • this mathematical relationship may be a
  • FIGS. 4a-4d and 5 Such representations can be found in FIGS. 4a-4d and 5.
  • FIGS. 4a-4d show the ascertained characteristic values as a function of the already exhaled volume in the exhalation process.
  • the characteristic values were determined from the ratio of the number flow of the particles with a minimum diameter dmin (P1) of 0.5 ⁇ m to the total number flow of all exhaled particles. Furthermore, the figures still show the measured total number of currents.
  • FIG. 4a shows the progression of the characteristic values as a function of the exhaled volume for a healthy non-smoker
  • FIG. 4b top right
  • FIG. 4c bottom left
  • FIG. 4d bottom right
  • FIG. III shows the progression of the characteristic values as a function of the exhaled volume for a healthy non-smoker
  • FIG. 4b top right
  • FIG. 4c bottom left
  • FIG. 4d bottom right
  • stage III a subject with severe COPD
  • FIG. 5 shows the characteristic values, which were determined as the quotient of the total number of particles to the number of particles> 0.5 .mu.m.sup.-1 the entire exhalation process for different subjects, as a function of the vital capacity of the subjects.
  • Figure 6 shows the exhaled particle concentration and simultaneously the
  • Particle size ratio in the considered time interval as a function of the already exhaled volume in the exhalation process for a subject with moderate COPD.
  • Airway closures and thus be used to optimize the ventilation strategy to avoid ventilator-induced lung injury.
  • the exhalate can be replaced by a
  • Breath or alternatively be provided by several breaths. If the exhalation is provided by several breaths, it may be preferred that at least two different breathing patterns (different breathing depths or respiratory flow rates) are used.
  • the method can be carried out for one or more breathing patterns with one or more breaths, optionally with simultaneous measurement or determination of at least one respiratory physiological variable and / or at least one lung function parameter.
  • the measurement or determination of the abovementioned physical variables during a breath is preferably carried out several times at defined time intervals.
  • the method according to the invention can also be the measurement or determination of at least one lung function parameter and / or at least one
  • the measurement or determination of at least one pulmonary function parameter or a respiratory physiological parameter may e.g. by spirometry and / or
  • Bodyplethysmography done.
  • a pneumotachograph or acoustic volume flow meter e.g. an ultrasound spirometer, used.
  • these measuring methods are known in principle to the person skilled in the art.
  • the lung capacity TLC available for respiration may be used as appropriate lung function parameters or respiratory physiological parameters
  • Tidal tidal volume VT lung volume after respiratory distress after normal expiration FRC, lung volume at the end of expiration EELV, exhaled volume or respiratory flow rate.
  • FIGS. 4 and 6 the representation of the characteristic values was carried out by way of example as a function of the exhaled volume and in FIG. 5 as a function of the vital capacity.
  • the method according to the invention can also be used for the analysis of exhalate aerosol particles, preferably non-volatile substances, such as biological molecules (eg proteins, DNA / RNA, viruses, bacteria) or non-biological substances (eg metals, pharmaceutical agents).
  • non-volatile substances such as biological molecules (eg proteins, DNA / RNA, viruses, bacteria) or non-biological substances (eg metals, pharmaceutical agents).
  • FIGS. 7a and 7b The results of such an application of the method according to the invention are shown in FIGS. 7a and 7b.
  • FIG. 7b shows the optical density, determined by optical evaluation, of the individual samples as a function of the associated deposited number of particles. There is a clear increase in the optical density as the number of particles increases.
  • the process according to the invention is preferably a
  • Computer-aided method using a computing unit which is program-technically arranged so that on the basis of the measured or
  • the present invention preferably provides a computer program for carrying out the method described above and a data carrier with this computer program.

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Abstract

The present invention relates to a method for analysis of an exhalate, wherein the exhalate has particles with a minimum diameter dmin(exhalate) and a maximum diameter dmax(exhalate), said method comprising the measurement and/or determination of at least one physical variable of a defined first particle size fraction P1 of the exhalate, wherein the physical variable is chosen from the particle number concentration C1, the particle number flow F1, the particle number N1, the particle mass flow M1, the particle mass G1 or combinations thereof, wherein the first particle size fraction P1 is defined by a minimum diameter dmin(P1) and a maximum diameter dmax(P1), such that dmin(P1)>dmin(exhalate) and/or dmax(P1)<dmax(exhalate).

Description

Verfahren zur Analyse der Ausatemluft  Method for the analysis of exhaled air
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse der Ausatemluft (Exhalat). Ein solches Verfahren kann z.B. als vorbereitende Maßnahme im Rahmen der frühen, nicht-invasiven Diagnostik von krankhaften Veränderungen der peripheren Bereiche der Lunge (P AD, peripher -al airway disease), wie sie z.B. bei obstruktiven The invention relates to a method for the analysis of exhaled air (Exhalat). Such a method may e.g. as a preparatory measure in the context of the early, non-invasive diagnosis of pathological changes of the peripheral areas of the lung (P AD, peripheral airway disease), as described e.g. in obstructive
Atemwegserkrankungen (Asthma bronchiale, chronisch obstruktive Respiratory diseases (bronchial asthma, chronic obstructive
Lungenerkrankung (COPD) oder bei der Bronchiolitis obliterans bzw. beim  Pulmonary disease (COPD) or bronchiolitis obliterans or
Bronchiolitis obliterans-Syndrom im Rahmen der Organabstoßung nach Bronchiolitis obliterans syndrome in the context of organ rejection after
Lungentransplantation auftreten, Anwendung finden. Krankhafte Veränderungen der Lungenperipherie mit bronchiolo alveolärer Lung transplantation occur, find application. Pathological changes of the lung periphery with bronchiolo alveolar
Flüssigkeitsansammlung und/oder Entzündung treten u.a. auch auf bei Fluid accumulation and / or inflammation occur i.a. also on at
Linksherzinsuffizienz, beim Lungenversagen oder als iatrogene Verletzungen der Lunge durch externe Beatmung (VILI, Ventilation induced lung injury). Weiterhin kann das Verfahren als vorbereitende Maßnahme Anwendung finden im Rahmen der Verlaufskontrolle von Lungenerkrankungen sowie für die Wirksamkeitsprüfung und Optimierung von Therapieverfahren für die Behandlung von Left ventricular failure, respiratory failure or iatrogenic lung injury from external ventilation (VILI, Ventilation induced lung injury). Furthermore, the method can be used as a preparatory measure in the context of the follow-up of lung diseases and for the efficacy testing and optimization of therapeutic methods for the treatment of
Lungenerkrankungen bzw. die Prävention von Lungenschädigungen, insbesondere auch im Rahmen einer längerfristigen künstlichen Beatmung. Durch die stetige Zunahme der Prävalenz von Lungenerkrankungen sind Lung diseases or the prevention of lung damage, especially in the context of long-term artificial respiration. Due to the steady increase in the prevalence of lung diseases
Früherkennung und Verlaufskontrolle zu einem herausragenden Ziel für die pneumologische Diagnostik geworden. Entscheidend hierbei ist eine möglichst spezifische und sensitive Methodik, die auf nicht-invasivem Wege Aussagen über die Lungenerkrankung erlaubt. Die nahe liegende Analytik der Ausatemluft hat in den letzten Jahren zunehmend Bedeutung erlangt. Nachdem vor zehn Jahren die grundsätzliche Messbarkeit nicht-volatiler Moleküle (Proteine, Peptide) in der menschlichen Ausatemluft gezeigt werden konnte, existieren mittlerweile eine Reihe deskriptiver Befunde zu Veränderungen der Konzentration verschiedener Early detection and follow-up have become an outstanding goal in pneumological diagnostics. Crucial here is the most specific and sensitive methodology that allows non-invasive information about the lung disease. The obvious analysis of exhaled air has become increasingly important in recent years. Ten years ago, after the fundamental measurability of non-volatile molecules (proteins, peptides) in human exhaled air could be demonstrated, there are now a number of descriptive findings on changes in the concentration of various
inflammatorischer Moleküle im Atemkondensat bei Patienten mit Lungener- krankungen. Inflammatory molecules in respiratory condensate in patients with lung diseases.
Nichtvolatile Moleküle müssen notwendigerweise über einen Nonvolatile molecules must necessarily have one
Tröpfchenbildungsprozess aus der Lungenflüssigkeit heraus in die Ausatemluft gelangen. Die Eigenschaften der exhalierten Aerosole werden zum einen durch die Eigenschaften der in den unterschiedlichen Lungenkompartimenten entstehenden Tröpfchen bestimmt und zum anderen durch die Redeposition bereits generierter Partikel in den komplexen Lungenstrukturen während des Exhalationsvorgangs. Bei normaler Atmung weist das Partikelgrößenspektrum üblicherweise ein Drool formation process from the lung fluid out into the exhaled air. The properties of the exhaled aerosols are determined on the one hand by the properties of the droplets formed in the different lung compartments and on the other by the redeposition of already generated particles in the complex lung structures during the exhalation process. In normal breathing, the particle size spectrum usually has
Anzahlmaximum im Partikelgrößenbereich kleiner als 1 μιη auf. Number maximum in the particle size range less than 1 μιη on.
Ein Mechanismus der Tropfenentstehung in der Lunge, der bei normaler Atmung der dominante Prozess ist, ist die Wiedereröffnung kollabierter Atemwegskapillaren der Lungenperipherie und die damit verbundene schlagartige Trennung des One mechanism of drop formation in the lung, which is the dominant process in normal breathing, is the reopening of collapsed airway capillaries of the lung periphery and the associated abrupt separation of the lung
Epithelflüssigkeitsfilms, der die Atemwege auskleidet. Bei dieser flüssig-flüssig- Trennung entstehen Tröpfchen, die mit der Atemluft nach außen gelangen und detektiert werden können. Der Vorgang ist in Fig. 1 dargestellt. Epithelial fluid film lining the respiratory tract. In this liquid-liquid separation, droplets emerge, which can escape with the breath and can be detected. The process is shown in FIG.
Oberflächenspannungsbedingte Instabilitäten (Rayleigh-Plateau-Instabilitäten) der Lungenflüssigkeit können zum Verschluss kleiner Atemwege führen. Surface tension-related instabilities (Rayleigh plateau instabilities) of the lung fluid can lead to occlusion of small airways.
Flüssigkeitsbrücken bzw. Flüssigkeitspfropfen 3, wie in Fig. 1 gezeigt, stellen dabei einen energetisch günstigeren Zustand dar als die glatt mit Lungenflüssigkeitsfilm 2 ausgekleideten Kapillarwände 1. Dieser Zustand ist insbesondere beim Ausatmen realisiert. Beim Inspirationsvorgang steigt der transpulmonale Druck und es kann unter Ausbildung von Tröpfchen 4 zur Wiedereröffnung der beim Liquid bridges or liquid plug 3, as shown in Fig. 1, make it a more energetically favorable state than the smooth lined with lung fluid film 2 capillary walls 1. This state is realized in particular during exhalation. During the inspiratory process, the transpulmonary pressure increases and it can be used to reopen the droplets 4 at
Exspirationsvorgang verstopften Atemwege kommen. Exhalation process clogged airways come.
Dieser Tropfenbildungsprozess ist von den Prozessen, die z.B. bei forcierter This drop formation process is of the processes that are e.g. in a forced
Ausatmung oder beim Sprechen, Husten und Niesen wirksam werden, zu Exhalation or when speaking, coughing and sneezing become effective, too
unterscheiden. Bei Letzteren entstehen die Tröpfchen v.a. durch das Herausreißen aus dem Surfactantfilm bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und durch diediffer. In the latter case, the droplets v. A. by tearing out of the surfactant film at high flow velocities and through the
Bewegung der Stimmbänder. Diese Prozesse führen zu größeren, jedoch erheblich weniger Partikeln. Movement of the vocal cords. These processes lead to larger but significantly fewer particles.
Der ventilierte Lungenbereich, in dem es zum Atemwegsverschluss kommen kann, wird als„Closing Volume" (CV) bezeichnet. Wenn das Lungenvolumen am Ende eines Exspirationsvorgangs (EELV, end expiratiory lung volume) das„Closing Volume" unterschreitet (EELV<CV) kann es zur Realisierung von The ventilated lung area where the airway can close is referred to as the "closing volume" (CV), when the lung volume at the end of an expiratory process (EELV, end expiratory volume) is less than the closing volume (EELV <CV) it for the realization of
Atemwegsverschlüssen kommen. Die bei der Wiedereröffnung generierten Partikeln bzw. Flüssigkeitströpfchen werden dann beim nächsten Exhalationsvorgang mit dem Atemstrom nach aussen getragen. Durch Variation der Atemtiefe ist die Airway closures come. The particles or liquid droplets generated during the reopening are then carried outside with the respiratory flow during the next exhalation process. By varying the breathing depth is the
Verschlusswahrscheinlichkeit der peripheren Atemwege und mithin der Likelihood of occlusion of the peripheral airways and thus the
Partikelstrom beeinflussbar. Dies steht jedoch in unmittelbarer Relation zu den individuell unterschiedlichen Lungenfunktionsparametem, insbesondere der Particle flow influenced. However, this is in direct relation to the individually different lung function parameters, in particular the
Vitalkapazität und dem Residualvolumen, die in Fig. 2 dargestellt sind, welche, wie auch das closing volume für die gesunde Lunge eine Abhängigkeit vom Lebensalter aufweisen. Vital capacity and the residual volume, which are shown in Fig. 2, which, as well as the closing volume for the healthy lung have a function of age.
Fig. 2 zeigt übliche Lungenfunktionsparameter, die, außer dem Verschlussvolumen CV, mit gebräuchlichen Messverfahren wie Spirometrie oder Bodyplethysmographie bestimmt werden. Bei diesen in Fig. 2 gezeigten Lungenfunktionsparametem handelt es sich um die Lungenkapazität TLC ("total lung capacity"), das zur Atmung verfügbare Lungenvolumen VC ("vital capacity"), das nicht ventilierbare FIG. 2 shows typical lung function parameters which, apart from the closure volume CV, are determined by conventional measuring methods such as spirometry or body plethysmography. These pulmonary function parameters shown in Fig. 2 are it is the lung capacity TLC ("total lung capacity"), the lung volume available for respiration VC ("vital capacity"), which is not ventilated
Residualvolumen RV ("residual volume"), das Atemzugvolumen in Ruheatmung VT ("tidal volume"), das Lungenvolumen bei Atemruhelage nach normaler Exspiration FRC ("functional residual capacity"), das Verschlussvolumen CV ("closing volume"), das Lungenvolumen am Ende des Exspirationsvorgangs EELV ("end expiratory lung volume") und das Ausatemvolumen EV ("expired volume"). Residual volume RV (residual volume), tidal volume (VT) tidal volume, lung volume after respiratory distress after normal expiration FRC (functional residual capacity), closing volume CV, lung volume at End of the expiration process EELV ("end expiratory volume") and the exhaled volume EV ("expired volume").
Es gibt einen Zusammenhang zwischen dem Verschlussvolumen und Veränderungen der peripheren Atemwege. Über die Messung des Verschlussvolumens eröffnet sich eine Möglichkeit der frühen Diagnostik von Krankheiten der peripheren Atemwege. Weiterhin zeigt sich, dass beim beatmeten Patienten, z.B. während einer Anästhesie, ein durch das Beatmungsmuster erzwungener periodisch wiederkehrender There is a correlation between occlusion volume and changes in the peripheral airways. The measurement of the occlusion volume opens up the possibility of early diagnosis of diseases of the peripheral airways. Furthermore, it can be seen that in the ventilated patient, e.g. during anesthesia, a periodically recurring one enforced by the ventilation pattern
Atemwegsverschluss eine Verletzung der peripheren Atemwege hervorrufen kann. Airway obstruction may cause injury to the peripheral airway.
Das Verschlussvolumen kann über die Gabe und Detektion von Edelgasboli im Rahmen von Lungenfunktionsuntersuchungen gemessen werden. The occlusion volume can be measured by the administration and detection of noble gas boluses during pulmonary function examinations.
Die Ereignisse der Wiedereröffnung der Atemwege können aber auch durch die Analyse akustischer Signale detektiert und quantifiziert werden. Sie äußern sich in sog. Knistergeräuschen (crackles). Prinzipiell eignet sich die Analyse der„crackles " für die frühzeitige Erkennung von peripheren Lungenveränderungen. The events of the reopening of the respiratory tract can also be detected and quantified by the analysis of acoustic signals. They express themselves in so-called crackling noises (crackles). In principle, the analysis of "crackles" is suitable for the early detection of peripheral lung changes.
Für die Detektion von Veränderungen der peripheren Atemwegsdimensionen im Rahmen von Lungenerkrankungen wird das verweilzeitabhängige For the detection of changes in the peripheral airway dimensions in the context of lung diseases is the residence time-dependent
Sedimentationsverhalten inhalierter monodisperser Partikel bei der Sedimentation behavior of inhaled monodisperse particles in the
Aerosolmorphometrie genutzt. Bei diesem Verfahren inhaliert der Proband unter einem standardisierten Atemmanöver ein monodisperses Testaerosol mit einem Partikeldurchmesser von 1 μιη, wobei die Konzentration als Funktion des eingeatmeten Volumens bestimmt wird. Nach einer postinspiratorischen Atempause wird während der folgenden Exhalation die Abnahme der Konzentration über dem ausgeatmeten Volumen bzw. der Lungentiefe bestimmt. Die Wiederfindungsrate der Partikel in Abhängigkeit von der Aufenthaltszeit der Partikel erlaubt den Used aerosol morphometry. In this method, the subject inhaled under a standardized breathing maneuver a monodisperse test aerosol with a particle diameter of 1 μιη, the concentration is determined as a function of the inspired volume. After a post-inspiratory respite During the subsequent exhalation, the decrease in concentration above the exhaled volume or lung depth is determined. The recovery rate of the particles as a function of the residence time of the particles allows the
Rückschluss auf den sog. mittleren effektiven Atemwegsdurchmesser in der betrachteten Lungentiefe. Conclusion on the so-called mean effective airway diameter in the considered lung depth.
Neben der morphometrischen Untersuchung der Lunge dienen monodisperse Aerosole im Rahmen der sog. Aerosol-Bolus-Dispersion auch dazu, den konvektiven Transport des Atemgases zu analysieren. Über die Verbreiterung (Dispersion) eines inhalierten Bolus eines Testaerosols mit geringer Redepositionsrate ist bei der Exhalation der Rückschluss auf krankhafte Veränderungen der Atemwege, verbunden mit inhomogener Ventilation der Lunge, möglich. Untersuchungen zur Ventilation der Lunge werden über die Gabe und Detektion von Boli inerter Gase durchgeführt. Praktisch sind sowohl die Gasmessungen aufgrund der aufwendigen Detektion als auch die akustischen Messungen und die Aerosoluntersuchung sehr aufwändig. In addition to the morphometric examination of the lung, monodisperse aerosols also serve to analyze the convective transport of the respiratory gas as part of the so-called aerosol-bolus dispersion. Exhalation (dispersion) of an inhaled bolus of a low redeposition rate test aerosol allows conclusions to be drawn on pathological alterations of the respiratory tract associated with inhomogeneous ventilation of the lungs. Ventilation of the lungs is performed by the administration and detection of inert gas boli. Practically, both the gas measurements due to the complex detection and the acoustic measurements and the aerosol investigation are very complex.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines nicht invasiven Verfahrens zur Analyse der Atemluft. Bevorzugt sollte das Verfahren einfach durchzuführen sein und als vorbereitende Maßnahme für eine nachfolgende Lungendiagnostik, z.B. eine frühe Diagnostik von krankhaften Veränderungen der peripheren Bereiche der Lunge (PÄD, peripheral airway disease) dienen können. It is an object of the present invention to provide a non-invasive method of analyzing respiratory air. Preferably, the method should be simple to perform and as a preparatory measure for subsequent lung diagnostics, e.g. may serve as an early diagnosis of pathological changes in the peripheral areas of the lung (PED).
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Analyse eines Exhalats, wobei das Exhalat Partikel mit einem minimalen Durchmesser dmin(Exhalat) und einem maximalen Durchmesser dmax(Exhalat) aufweist, umfassend die Messung bzw. Bestimmung zumindest einer physikalischen Größe einer definierten ersten Partikelgrößenfraktion PI des Exhalats, wobei die physikalische Größe ausgewählt wird aus der Partikelanzahlkonzentration Cl, dem This object is achieved by providing a method for analyzing an exhalate, wherein the exhalate particles having a minimum diameter d m i n (Exhalat) and a maximum diameter d max (Exhalat) comprising the measurement or determination of at least one physical size a defined first particle size fraction PI of the exhalate, wherein the physical quantity is selected from the particle number concentration Cl, the
Partikelanzahlstrom F 1 , der Partikelanzahl N 1 , dem Partikelmassestrom M 1 , der Partikelmasse Gl oder deren Kombinationen, wobei die erste Partikelgrößenfraktion PI durch einen minimalen Durchmesser dmin(Pl) und einen maximalen Durchmesser dmax(Pl) so definiert wird, dass dmin(Pl)>dmin(Exhalat) und/oderParticle number flow F 1, the number of particles N 1, the particle mass flow M 1, the Particle mass Gl or combinations thereof, wherein the first particle size fraction PI by a minimum diameter d m i n (Pl) and a maximum diameter dmax (PI) is defined such that d m i n (Pl)> d m i n (exhalation) and or
max (Pl)<dmax(Exhalat). max (Pl) <d max (exhalate).
Der Begriff„Exhalat" bezieht sich auf den gesamten exhalierten Volumenstrom und/oder das gesamte exhalierte Volumen und/oder einen Teilvolumenstrom und/oder ein Teilvolumen des ausgeatmeten Atemgases. Der Begriff "Partikel" bezieht sich auf je nach der vorliegenden relativen Feuchte in der Umgebung des Aerosols entweder auf Flüssigkeitströpfchen bzw. bei einer relativen Feuchte deutlich unterhalb 100 % auf nach dem Schrumpfen der Tröpfchen vorliegende feste Partikel, bestehend aus den nicht- volatilen Substanzen der Flüssigkeit, die den Respirationstrakt auskleidet, wie sie mit dem Exhalat beim Ausatmen ausgeschieden werden. Aufgrund ihrer Partikelgrößenverteilung weisen diese Partikel einen minimalen Durchmesser dmin(Exhalat) und einen maximalen Durchmesser dmax(Exhalat) auf, die natürlich in Abhängigkeit von der Testperson oder dem Atemmuster bzw. der Atemtiefe oder der Aktivität variieren können. Die Entstehung der Flüssigkeitströpfchen in der Lunge wurde bereits oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 diskutiert. Typischerweise ist der maximalen Durchmesser dmax(Exhalat) < 5 μιη bei normaler Atmung, beim Husten, Niesen, Sprechen oder forcierter Ausatmung bis zu dmax(Exhalat) < 1mm. The term "exhalate" refers to the total exhaled volume flow and / or the total exhaled volume and / or a partial volume flow and / or a partial volume of expired respiratory gas The term "particles" refers to the relative humidity in the environment of the aerosol either on liquid droplets or at a relative humidity well below 100% on solid particles present after the shrinkage of the droplets, consisting of the non-volatile substances of the liquid lining the respiratory tract as exhaled with exhalation. Due to their particle size distribution, these particles have a minimum diameter d m i n (exhalate) and a maximum diameter d max (exhalate) which, of course, may vary depending on the subject or respiratory pattern or depth of respiration or activity Liquid droplet in the lungs has already been discussed above with reference to FIG. Typically, the maximum diameter d max (exhalate) <5 μιη in normal breathing, coughing, sneezing, speaking or forced exhalation up to d max (exhalate) <1mm.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass ein Verfahren, in dem man eine geeignete Partikelgrößenfraktion (d.h. eine geeignete In the context of the present invention, it has been found that a process in which a suitable particle size fraction (i.e.
Partikelteilmenge aller im Exhalat vorliegenden Partikel) definiert und für diese Partikelgrößenfraktion Anzahlkonzentration, Anzahlstrom, Massenstrom und/oder Partikelanzahl bestimmt, eine effiziente vorbereitende Maßnahme für eine nachfolgende Lungendiagnostik, z.B. eine frühe Diagnostik von krankhaften Veränderungen der peripheren Bereiche der Lunge (PÄD, peripheral airway disease) darstellt. Particle subset of all present in exhaled particles) defined and determined for this particle size fraction number concentration, number flow, mass flow and / or particle number, an efficient preparatory measure for subsequent lung diagnostics, eg an early diagnosis of pathological Changes in the peripheral areas of the lung (PED, peripheral airway disease) represents.
Bevorzugt ist dmin(Pl)>dmin(Exhalat) und dmax(Pl)<dmax(Exhalat). Alternativ ist es auch möglich, dass dmm(Pl)>dmm(Exhalat) und dmax(Pl)<dmax(Exhalat) Preferably d m i n (Pl)> d m i n (exhalation) and d max (Pl) <d max (exhalation). Alternatively, it is also possible that d mm (Pl)> d mm (exhalate) and d max (Pl) <d max (exhalate)
Bevorzugt werden dmin(Pl) und dmax(Pl) so gewählt, dass die erste Preferably dmin (Pl) and d max (Pl) are chosen so that the first
Partikelgrößenfraktion PI maximal 95 %, bevorzugter maximal 90% der Particle size fraction PI at most 95%, more preferably at most 90% of
Gesamtanzahl der Partikel im Exhalat umfasst. In einer bevorzugten Total number of particles in the exhalate includes. In a preferred
Ausführungsform werden dmin(Pl) und dmax(Pl) so gewählt, dass die erste Embodiment d m i n (Pl) and d max (Pl) are chosen so that the first
Partikelgrößenfraktion PI 10 % bis 95%, bevorzugter 70 % bis 90 % der Particle size fraction PI 10% to 95%, more preferably 70% to 90% of
Gesamtanzahl der Partikel im Exhalat umfasst. Total number of particles in the exhalate includes.
Erfolgt die Bereitstellung des Exhalats durch normale Atmung oder normale Atmung in Kombination mit mindestens einer anderen anderen Aktivität, wie Husten, Niesen Sprechen oder forcierte Ausatmung, wird dmin(Pl) bevorzugt auf einen Wert im Bereich von 0,2 μιη bis 1,5 μιη, bevorzugter im Bereich von 0,3 μιη bis 0,6 μιη festgelegt. Erfolgt die Bereitstellung des Exhalats durch Husten, Niesen Sprechen oder forcierte Ausatmung oder einer Kombination von mindestens zwei dieser Aktivitäten, wird dmin(Pl) bevorzugt auf einen Wert im Bereich von 0,2 μιη bis 100 μιη, bevorzugter im Bereich von 0,3 μιη bis 10 μιη festgelegt. Der maximale Partikeldurchmesser dmax(Pl) der ersten Partikelgrößenfraktion kann beispielsweise so gewählt werden, dass er dmax(Exhalat) entspricht, d.h.If the provision of the Exhalats by normal breathing or normal breathing in combination with at least one other different type, such as coughing, sneezing speaking or forced expiration, d m i n (Pl) is preferably μιη to a value in the range of 0.2 to 1 , 5 μιη, more preferably in the range of 0.3 μιη set to 0.6 μιη. If the exhalate is provided by coughing, sneezing or forced exhalation or a combination of at least two of these activities, dmin (P1) is preferably adjusted to a value in the range of 0.2 μm to 100 μm, more preferably in the range of 0.3 μm set to 10 μιη. The maximum particle diameter d max (Pl) of the first particle size fraction can be selected, for example, such that it corresponds to d max (exhalate), ie
max (Pl)=dmax(Exhalat). Wie bereits oben angegeben, ist typischerweise bei normaler Atmung der maximale Durchmesser dmax(Exhalat) < 5 μιη, beim Husten, Niesen, Sprechen oder forcierter Ausatmung ist dmax(Exhalat) < 1mm. Bei dem Massenstrom Ml der definierten ersten Partikelgrößenfraktion PI kann es sich um den Partikelgesamtmassestrom oder den Partikelteilmassestrom einer oder mehrerer spezifischer Komponenten der Partikel, wie z.B. bestimmte Proteine oder Salze handeln. In ersterem Fall wird die Gesamtmasse des Partikels für die Messung bzw. Bestimmung des Massenstroms berücksichtigt, während in letzterem Fall nur die Masse dieser spezifischen Komponente oder Komponenten des Partikels für die Messung bzw. Bestimmung des Massenstroms berücksichtigt wird. max (Pl) = d max (exhalate). As already stated above, the maximum diameter d max (exhalate) is typically <5 μιη in normal respiration; for coughing, sneezing, speaking or forced exhalation, d max (exhalate) <1 mm. The mass flow M 1 of the defined first particle size fraction PI can be the total particle mass flow or the particle partial mass flow of one or more specific components of the particles, such as certain proteins or salts. In the former case, the total mass of the particle is taken into account for the measurement or determination of the mass flow, while in the latter case only the mass of this specific component or components of the particle is taken into account for the measurement or determination of the mass flow.
Bei der Masse Gl der definierten ersten Partikelgrößenfraktion PI kann es sich um die Partikelgesamtmasse oder die Partikelteilmasse einer oder mehrerer spezifischer Komponenten der Partikel, wie z.B. bestimmte Proteine oder Salze handeln. In ersterem Fall wird die Gesamtmasse des Partikels für die Messung bzw. Bestimmung der Masse berücksichtigt, während in letzterem Fall nur die Masse dieser spezifischen Komponente oder Komponenten des Partikels für die Messung bzw. Bestimmung der Masse berücksichtigt wird. The mass Gl of the defined first particle size fraction PI may be the total particle mass or the particle mass of one or more specific components of the particles, such as e.g. certain proteins or salts act. In the former case, the total mass of the particle is taken into account for the measurement or determination of the mass, while in the latter case only the mass of this specific component or components of the particle is taken into account for the measurement or determination of the mass.
Geeignete Vorrichtungen zur Messung bzw. Bestimmung der Suitable devices for measuring or determining the
Partikelanzahlkonzentration, dem Partikelanzahlstrom, der Partikelanzahl, dem Partikelmassenstrom und der Partikelmasse von Aerosolpartikeln sind dem Particle number concentration, the particle number flow, the number of particles, the particle mass flow and the particle mass of aerosol particles are the
Fachmann bekannt. Die Messung bzw. Bestimmung kann beispielsweise mit einem Kondensationskernzähler oder einem Streulichtzähler oder einem Impaktor oder einem TEOM- Verfahren oder einer Quarzwaage, einer Messvorrichtung zur Partikelgrößenbestimmung, bevorzugt einem optischen Partikelzähler, einem Specialist known. The measurement or determination can be made, for example, with a condensation nucleus counter or a scattered light counter or an impactor or a TEOM method or a quartz balance, a measuring device for particle size determination, preferably an optical particle counter
Laufzeitspektrometer (aerodynamischer Partikelklassierer), einem elektrischen Mobilitätsspektrometer, einem Kaskadenimpaktor (Massenbestimmung über Detektion des elektrischen Stromes oder Quarzkristallwaage) oder einer Kombination dieser Vorrichtungen, gegebenenfalls in Kombination mit einem dem Fachmann bekannten Analyseverfahren für die Bestimmung spezifischer Duration spectrometer (aerodynamic particle classifier), an electric mobility spectrometer, a cascade impactor (mass determination via detection of electric current or quartz crystal balance) or a Combination of these devices, optionally in combination with a known to the expert analysis method for the determination of specific
Komponenten der Partikel, erfolgen. Kondensationskernzähler sind dem Fachmann an sich bekannt und sind auch kommerziell erhältlich. Übliche Kondensationskernzähler haben eine Components of the particles, take place. Condensation core counters are known per se to those skilled in the art and are also commercially available. Usual condensation nucleus counters have one
Befeuchtungszone, in der sich ein Behälter mit Flüssigkeit befindet, sowie eine Kondensationszone, in der das Partikelwachstum stattfindet, indem der Dampf der Befeuchtungszone auf der Partikeloberfläche kondensiert. Humidification zone in which there is a container of liquid, and a condensation zone in which the particle growth takes place by the vapor of the humidification zone condenses on the particle surface.
Dieses Messverfahren mit Kondensationskernzähler erlaubt im Gegensatz zu reinen Streulichtpartikelzählem auch die Detektion von Partikeln mit Durchmessern kleiner als 0,1 μιη. Partikel kleiner als 0,1 μιη werden wegen ihres geringen This measuring method with condensation nucleus counter permits, in contrast to pure stray light particle counts, the detection of particles with diameters smaller than 0.1 μm. Particles smaller than 0.1 μιη be because of their low
Streuchlichtsignals mit reinen Streulichtzählern nicht mehr erfasst. Im Scattered light signal with pure scattered light meters no longer detected. in the
Kondensationskernzähler lässt man die submikronen Partikeln durch Condensation core counter lets you pass through the submicron particles
Aufkondensieren eines übersättigten Dampfes (Butanol, Isopropanol, Wasser) auf Größen oberhalb von einigen Mikrometern anwachsen. Diese Partikeln können dann in einem einfachen Streulichtzähler gezählt werden. Aus der Zählrate, RN, und dem Probenahmevolumenstrom ergibt sich die Konzentration der Partikel im Exhalat. Es ist vorteilhaft, die Atemmanöver so durchzuführen, dass der Atemvolumenstrom immer grösser ist als der Probenahmevolumenstrom. Dann ergibt sich die pro Atemzug emittierte Partikelanzahl durch einfaches Aufsummieren aller  Condensation of a supersaturated vapor (butanol, isopropanol, water) grow to sizes above a few microns. These particles can then be counted in a simple scattered light counter. From the count rate, RN, and the sampling volume flow, the concentration of the particles in the exhalate results. It is advantageous to perform the breathing maneuvers so that the tidal volume flow is always greater than the sampling volume flow. Then the number of particles emitted per breath results by simply adding up all
Zählereignisse während der Exhalationshalbwelle und Multiplikation mit dem Verhältnis aus Atemvolumen und Probenvolumen. Die Steuerung des Messvorgangs, die Aufzeichnung der anfallenden Daten und die notwendigen Bevorzugt werden bevorzugt mit einem PC durchgeführt. Counting events during the half-wave of exhalation and multiplication by the ratio of tidal volume and sample volume. The control of the measuring process, the recording of the resulting data and the necessary preferred are preferably carried out with a PC.
Wie oben bereits erwähnt, sind Kondensationskernzähler kommerziell erhältlich. In vielen Geräten ist aber der Probenahmevolumenstrom mit 0,11/min so gering, dass bei den insgesamt niedrigen Emissionsraten die statistische Sicherheit für die Erfassung der Zählereignisse negativ beeinflusst werden kann. Weiterhin werden in den Geräten zum Teil gesundheitsschädliche Dämpfe (beispielsweise Butanol) verwendet, die anschließend aufwendig gefiltert werden müssen. Überdiese sind kommerzielle Geräte nicht zuletzt wegen ihres hohen technischen Aufwands zur Sättigung des Dampfes und einer anschließenden kontrollierten Abkühlung teuer. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der verwendete Kondensationskernzähler keine Befeuchtungszone (d.h. keinen Behälter mit Flüssigkeit) auf. Es ist also bevorzugt, dass die Zunahme der Partikeldurchmesser im Kondensationskernzähler im Wesentlichen, bevorzugter ausschließlich durch Kondensation des As mentioned above, condensation nucleus counters are commercially available. In many devices, however, the sampling volume flow at 0.11 rpm is so low that, given the overall low emission rates, the statistical reliability for the Recording the counting events can be negatively influenced. Furthermore, in the devices partly harmful vapors (such as butanol) are used, which then have to be filtered consuming. Moreover, commercial devices are expensive not least because of their high technical complexity for saturating the steam and subsequently controlled cooling. In a preferred embodiment, the condensation nucleus counter used has no humidification zone (ie no container with liquid). It is therefore preferred that the increase in the particle diameter in the condensation nucleus counter essentially, more preferably exclusively by condensation of the
Wasserdampfes der Ausatemluft erfolgt. Diese bevorzugte Ausführungsform nutzt also die Wasserdampfkondensation der schon mit Wasserdampf gesättigten Atemluft aus. Ein solcher Kondensationskernzähler ist z.B. in EP 2 248 464 AI beschrieben. Steam of the exhaled air takes place. This preferred embodiment thus utilizes the steam condensation of the already saturated with steam breathing air. Such a condensation nucleus counter is e.g. in EP 2 248 464 A1.
Bevorzugt ist der Kondensationskernzähler in einer Vorrichtung angebracht, die ein Rohr mit Inhalations- und Exhalationszweig aufweist. Bevorzugt ist im Preferably, the condensation nucleus counter is mounted in a device having a tube with inhalation and Exhalationszweig. Preferred is in
Inhalationszweig des Rohres, bevorzugt auch im Exhalationszweig des Rohres, ein Filter, bevorzugt ein Absolutfilter angebracht. Der Begriff "Absolutfilter" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung in seiner üblichen, dem Fachmann  Inhalationszweig the tube, preferably in Exhalationszweig the tube, a filter, preferably attached to an absolute filter. The term "absolute filter" is used in the context of the present invention in its usual, the expert
gebräuchlichen Bedeutung verwendet und bezieht sich auf einen Filter, der im Wesentlichen alle Partikel, mit einer Effizienz besser als 99,99 % abscheidet. Mit einem Absolutfilter kann gewährleistet werden, dass die inhalierte Luft partikelfrei ist und somit die Partikelmessung am Exhalat nicht stört. used in common meaning and refers to a filter that deposits substantially all particles, with an efficiency better than 99.99%. With an absolute filter, it can be guaranteed that the inhaled air is particle-free and thus does not disturb the particle measurement on the exhalate.
Auch Vorrichtungen zur Messung bzw. Bestimmung der Partikeldurchmesser bzw. der Partikelgrößenverteilung von Aerosolpartikeln sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Devices for measuring or determining the particle diameter or the particle size distribution of aerosol particles are also known in principle to the person skilled in the art.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein optischer Partikelzähler verwendet, der die Partikel zählt und größenklassiert. Zusätzlich zu der Bestimmung der Größenverteilung aller im Exhalat befindlichen Partikel im Messbereich des Zählers ermöglicht ein solcher optischer Partikelzähler auch die selektive Detektion einzelner Partikelgrößenfraktionen. In a preferred embodiment, an optical particle counter is used which counts the particles and classizes them. In addition to determining the size distribution of all exhaled particles in the measuring range of the meter allows such an optical particle counter and the selective detection of individual particle size fractions.
Optische Partikelzähler zählen und klassieren Partikel entsprechend ihrer Optical particle counters count and classify particles according to their requirements
größenabhängigen Streulichtintensität. Hierfür durchläuft der Aerosolstrom eine Probenkammer, durch die ein leistungsstarker Lichtstrahl projiziert wird. Das von jedem einzelnen Partikel emittierte Streulicht wird über eine Empfangsoptik aufgenommen und für die Größenklasseneinordnung in einen der Größe des detektierten Partikels entsprechenden Spannungsimpuls umgewandelt. Solche Vorrichtungen sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. size-dependent scattered light intensity. For this purpose, the aerosol flow passes through a sample chamber, through which a powerful light beam is projected. The scattered light emitted by each individual particle is picked up by a receiving optical system and converted into a size class arrangement into a voltage pulse corresponding to the size of the detected particle. Such devices are generally known to the person skilled in the art.
Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen kann die Messung bzw. According to further preferred embodiments, the measurement or
Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration Cl, des Partikelanzahlstroms Fl, der Partikelanzahl Nl, des Partikelmassenstroms Ml oder der Partikelmasse Gl der definierten ersten Partikelgrößenfraktionen PI des Exhalats auch durch einenDetermination of the particle number concentration Cl, the particle number flow Fl, the particle number Nl, the particle mass flow Ml or the particle mass G1 of the defined first particle size fractions PI of the exhalate also by a
Streulichtzähler oder ein Laufzeitspektrometer (aerodynamischer Partikelklassierer) oder ein elektrisches Mobilitätsspektrometer erfolgen. Scattered light or a runtime spectrometer (aerodynamic particle classifier) or an electric mobility spectrometer done.
Bei einem Streulichtzähler kann z.B. ein Detektionsbereich über die Intensität des Lichtstrahls der Sendeoptik und die Auswahl des Detektors bzw. seiner In a scattered light counter, e.g. a detection range over the intensity of the light beam of the transmitting optics and the selection of the detector or its
Detektionsschwelle festgelegt werden. Dieser Detektionsbereich kann dann so eingestellt werden, dass er mit dem festgelegten minimalen Durchmesser dmin(Pl) und/oder festgelegten maximalen Durchmesser dmax(Pl) der ersten Detection threshold are set. This detection range can then be set so that it with the specified minimum diameter d m i n (Pl) and / or set maximum diameter d max (Pl) of the first
Partikelgrößenfraktion PI übereinstimmt. Particle size fraction PI matches.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Messung bzw. In a further preferred embodiment, the measurement or
Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration Cl, des Partikelanzahlstroms Fl, der Partikelanzahl Nl, des Partikelmassenstroms Ml oder der Partikelmasse Gl der definierten ersten Partikelgrößenfraktionen PI des Exhalats durch einen Determination of the particle number concentration Cl, the particle number flow Fl, the particle number Nl, the particle mass flow Ml or the particle mass Gl of the defined first particle size fractions PI of the exhalate by a
Kondensationskernzähler mit einer dem Durchmesser dmin(Pl) entsprechenden unteren Detektionsgrenze und/oder einer dem festgelegten maximalen Durchmesser dmax(Pl) oberen Detektionsgrenze. Condensation core counter with a diameter d m i n (Pl) corresponding lower detection limit and / or a fixed maximum diameter dmax (Pl) upper detection limit.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen erfolgt die Messung bzw. Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration Cl, des Partikelanzahlstroms Fl, der Partikelanzahl Nl, des Partikelmassenstroms Ml oder der Partikelmasse Gl der definierten ersten Partikelgrößenfraktionen PI des Exhalats durch einen Kondensationskernzähler oder einen Streulichtzähler oder ein anderes der oben genannten Messverfahren mit einer unteren Detektionsgrenze, die dem festegelegten Durchmesser dmin(Pl) entspricht oder unterhalb liegt, oder mit einer oberen Detektionsgrenze, die dem festgelegten maximalen Durchmesser dmax(Pl) entspricht oder oberhalb liegt, wobei die über die den minimalen Durchmesser dmin(Pl) und/oder den maximalen Durchmesser dmax(Pl) definierte erste Partikelgrößenfraktion PI des Exhalats durch einen geeignete Vorabscheidung oder Fraktionierung des exhalierten Aerosols In further preferred embodiments, the measurement or determination of the particle number concentration Cl, the particle number flow Fl, the particle number Nl, the particle mass flow Ml or the particle mass G1 of the defined first particle size fractions PI of the exhalate is carried out by a condensation nucleus counter or a scattered light counter or another of the abovementioned measuring methods a lower detection limit equal to or less than the fixed diameter d m i n (Pl), or an upper detection limit equal to or greater than the specified maximum diameter d max (Pl), the minimum diameter d m i n (Pl) and / or the maximum diameter dmax (Pl) defined first particle size fraction PI of the exhalate by a suitable pre-separation or fractionation of the exhaled aerosol
bereitgestellt wird. provided.
Ein typisches Messbeispiel ist in Figur 3 dargestellt. Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Anzahlstroms Fl für unterschiedlich definierte Partikelgrößenfraktionen PI . Zusätzlich zeigt Figur 3 den Gesamtanzahlstrom aller im Exhalat befindlichen Partikel sowie in der oberen Hälfte den Atemfluss, wobei die negative Halbwelle für eine Exhalation (d.h. einen Ausatemvorgang) steht. Die zeitgleiche Messung der Partikelkonzentration bzw. des Partikelanzahlstroms und der A typical measuring example is shown in FIG. FIG. 3 shows the time profile of the number flow F1 for differently defined particle size fractions PI. In addition, Figure 3 shows the total number of flow of all the exhaled particles, and in the upper half the respiratory flow, the negative half wave indicating exhalation (i.e., exhalation). The simultaneous measurement of the particle concentration or the particle number flow and the
Partikelgrößenverteilung, d.h. der Partikelkonzentration oder des Particle size distribution, i. the particle concentration or the
Partikelanzahlstroms in einzelnen Größenklassen ermöglicht die Bestimmung des Anzahlstroms und der Größenverteilung der Aerosole im Exhalationszweig der Atmung. Particle number flow in individual size classes makes it possible to determine the number flow and the size distribution of the aerosols in the exhalation branch of the respiration.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin: In a preferred embodiment, the method further comprises:
die Messung bzw. Bestimmung einer physikalischen Größe für alle Partikel des Exhalats oder für zumindest eine definierte zweite Partikelgrößenfraktion P2, die durch einen minimalen Durchmesser dmin(P2) und einen maximalen Durchmesser dmax(P2) definiert ist, wobei
Figure imgf000015_0001
und/oder
Figure imgf000015_0002
wobei die physikalische Größe ausgewählt wird aus der Partikelanzahlkonzentration C2, dem Partikelanzahlstrom F2, der
the measurement or determination of a physical quantity for all particles of the exhalate or for at least one defined second particle size fraction P2, which is defined by a minimum diameter d m i n (P2) and a maximum diameter d max (P2), where
Figure imgf000015_0001
and or
Figure imgf000015_0002
wherein the physical quantity is selected from the particle number concentration C2, the particle number flow F2, the
Partikelanzahl N2, dem Partikelmassenstrom M2, der Partikelmasse G2 oder deren Kombinationen; und  Particle number N2, the particle mass flow M2, the particle mass G2 or combinations thereof; and
die Bestimmung zumindest eines Kenngrößenwertes aus einer  the determination of at least one parameter value from a
mathematischen Beziehung, die zumindest eine der physikalischen Größen C1 , F1, N1, M1 oder Gl und zumindest eine der physikalischen Größen C2, F2, N2, M2 oder G2 umfasst.  mathematical relationship comprising at least one of the physical quantities C1, F1, N1, M1 or Gl and at least one of the physical quantities C2, F2, N2, M2 or G2.
Bevorzugt handelt es sich bei der physikalischen Größe, die für alle Exhalatpartikel bzw. die definierte zweite Partikelgrößenfraktion P2 bestimmt wird, um die gleiche physikalische Größe, die auch für die definierte erste Partikelgrößenfraktion PI bestimmt wird. The physical variable which is determined for all exhalate particles or the defined second particle size fraction P2 is preferably the same physical quantity which is also determined for the defined first particle size fraction PI.
Wie bereits oben hinsichtlich der Partikelgrößenfraktion PI angemerkt, kann es sich bei dem Massenstrom M2 um den Partikelgesamtmassestrom oder den As already noted above with regard to the particle size fraction PI, the mass flow M2 may be the total particle mass flow or the mass flow M2
Partikelteilmassestrom einer spezifischen Komponente der Partikel wie z.B. Particle mass flow of a specific component of the particles, e.g.
bestimmte Proteine oder Salze handeln. In ersterem Fall wird die Gesamtmasse eines Partikels für die Messung bzw. Bestimmung des Massenstroms berücksichtigt, während in letzterem Fall nur die Masse dieser spezifischen Komponente des Partikels für die Messung bzw. Bestimmung des Massenstroms berücksichtigt wird. certain proteins or salts act. In the former case, the total mass of a particle is taken into account for the measurement or determination of the mass flow, while in the latter case only the mass of this specific component of the particle is taken into account for the measurement or determination of the mass flow.
Wie bereits oben hinsichtlich der Partikelgrößenfraktion PI angemerkt, kann es sich bei der Masse M2 um die Partikelgesamtmasse oder die Partikelteilmasse einer spezifischen Komponente der Partikel wie z.B. bestimmte Proteine oder Salze handeln. In ersterem Fall wird die Gesamtmasse eines Partikels berücksichtigt, während in letzterem Fall nur die Masse dieser spezifischen Komponente des Partikels berücksichtigt wird. Hinsichtlich geeigneter Vorrichtungen und Bedingungen für die Messung bzw. As already mentioned above with regard to the particle size fraction PI, the mass M2 may be the total particle mass or the particle partial mass of a specific component of the particles, such as certain proteins or salts. In the former case, the total mass of a particle is taken into account, while in the latter case only the mass of this specific component of the particle is taken into account. With regard to suitable devices and conditions for the measurement or
Bestimmung von C2, F2, M2, N2 und/oder G2 kann auf die obigen Ausführungen über die erste Partikelgrößenfraktion PI verwiesen werden. Determination of C2, F2, M2, N2 and / or G2 can be referred to the above comments on the first particle size fraction PI.
Daher kann die Messung bzw. Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration C2, des Partikelanzahlstroms F2, der Partikelanzahl N2, des Partikelmassestroms M2 oder der Partikelmasse G2 beispielsweise mit einem Kondensationskernzähler oder einem Streulichtzähler oder einem Impaktor oder einem TEOM- Verfahren oder einer Quarzwaage, einer Messvorrichtung zur Partikelgrößenbestimmung, bevorzugt einem optischen Partikelzähler, einem Laufzeitspektrometer (aerodynamischer Partikelklassierer), einem elektrischen Mobilitätsspektrometer, einem Therefore, the measurement or determination of the particle number concentration C2, the particle number flow F2, the particle number N2, the particle mass flow M2 or the particle mass G2, for example, with a Kondensationskernzähler or a scattered light counter or an impactor or a TEOM method or a quartz balance, a particle size measuring device, preferably an optical particle counter, a runtime spectrometer (aerodynamic particle classifier), an electric mobility spectrometer, a
Kaskadenimpaktor (Massenbestimmung über Detektion des elektrischen Stromes oder Quarzkristallwaage) oder einer Kombination dieser Vorrichtungen, Cascade impactor (mass determination via detection of electric current or quartz crystal balance) or a combination of these devices,
gegebenenfalls in Kombination mit einem dem Fachmann bekannten optionally in combination with a person skilled in the art
Analyseverfahren für die Bestimmung spezifischer Komponenten der Partikel, erfolgen.  Analytical methods for the determination of specific components of the particles, take place.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Messung bzw. According to a further preferred embodiment, the measurement or
Bestimmung der oben genannten physikalischen Größen auch durch einen Determination of the above-mentioned physical quantities also by a
Kondensationskernzähler, der die Partikel über einen Streulichtzähler erfasst, in Kombination mit einer weiteren Streulichtzähler erfolgen, wobei der erste  Condensation core counter, which detects the particles via a scattered light counter, in combination with another scattered light counter, the first
Streulichtzähler in einem Bereich angebracht ist, in dem noch kein Größenwachstum der Partikel durch Aufkondensation eines Dampfes stattgefunden hat (z.B. Scattered light counter is mounted in a region in which no growth in size of the particles has yet taken place by condensation of a vapor (e.g.
unmittelbar vor dem Kondensationskernzähler oder ganz am Anfang des immediately before the condensation nucleus counter or at the very beginning of the
Kondensationskernzählers) und der zweite dem Kondensationskernzähler zugehörige Streulichtzähler wie allgemein üblich am Ende bzw. nach der Kondensationszone angebracht ist. Haben der Streulichtzähler z.B. ein unteres Detektionslimit von 0.5 μιη, so detektiert der erste Streulichtzähler von der Gesamtanzahl der im Exhalat vorliegenden Partikel nur diejenigen mit einem Durchmesser von mindestens 0.5 μιη, während der zweite Streulichtzähler auch die feinen Partikel unterhalb von 0.5 μηι detektiert, da am Ende bzw. nach der Kondensationszone auch die sehr kleinen Partikel auf einen Durchmesser von mehr als 0.5 μιη angewachsen und somit in dem Streulichtzähler detektierbar sind. Kondensationskernzählers) and the second the Kondensationskernzähler associated scattered light counter is mounted as usual at the end or after the condensation zone. For example, if the scattered light meters have a lower detection limit of 0.5 μιη, the first scattered light counter of the total number of exhaled particles only detects those with a diameter of at least 0.5 μιη, during the second scattered light counter and the fine particles below 0.5 μηι detected because at the end or after the condensation zone and the very small particles have grown to a diameter of more than 0.5 μιη and thus are detectable in the scattered light counter.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Messung bzw. According to a further preferred embodiment, the measurement or
Bestimmung der oben genannten physikalischen Größen auch durch eine Determination of the above physical quantities also by a
Kombination zweier Streulichtzähler mit unterschiedlicher unterer und/oder oberer Detektionsgrenze erfolgen. Combined two scattered light counter with different lower and / or upper detection limit.
Wie bereits oben angemerkt, kann die Festlegung des Detektionsbereichs eines Streulichtzählers über die Intensität des Lichtstrahls der Sendeoptik und die Auswahl des Detektors bzw. seiner Detektionsschwelle erfolgen. Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen kann die Messung bzw. As already noted above, the determination of the detection range of a scattered light counter can be effected via the intensity of the light beam of the transmitting optics and the selection of the detector or its detection threshold. According to further preferred embodiments, the measurement or
Bestimmung der oben genannten physikalischen Größen auch durch jede sonstige Kombination zwei gleicher oder unterschiedlicher Vorrichtungen, der bereits oben zur Messung bzw. Bestimmung der ersten Partikelgrößenfraktion PI aufgeführten Vorrichtungen erfolgen.  Determining the abovementioned physical quantities also by any other combination of two identical or different devices, the devices already mentioned above for the measurement or determination of the first particle size fraction PI.
Der Kenngrößenwert kann bestimmt werden, indem eine mathematische Beziehung aufgestellt wird, die zumindest eine der physikalischen Größen C1, F1, N1, G1 oder Ml und zumindest eine der physikalischen Größen C2, F2, N2, G2 oder M2 umfasst. Die für Cl, Fl, Nl, Gl oder Ml bestimmten bzw. gemessenen Werte sowie die für C2, F2, N2, G2 oder M2 bestimmten bzw. gemessenen Werte werden dann in diese mathematische Beziehung eingesetzt und ein Kenngrößenwert wird erhalten. The characteristic value can be determined by establishing a mathematical relationship comprising at least one of the physical quantities C1, F1, N1, G1 or M1 and at least one of the physical quantities C2, F2, N2, G2 or M2. The values determined or measured for Cl, Fl, Nl, Gl or Ml and the values determined or measured for C2, F2, N2, G2 or M2 are then inserted into this mathematical relationship and a characteristic value is obtained.
Beispielsweise kann es sich bei dieser mathematischen Beziehung um einen For example, this mathematical relationship may be a
Quotienten aus Cl und C2 bzw. Fl und F2 bzw. Nl und N2 bzw. Ml und M2 bzw. Gl und G2 handeln. Andere mathematische Relationen zur Bestimmung des Quotienten from Cl and C2 or Fl and F2 or Nl and N2 or Ml and M2 or Gl and G2 act. Other mathematical relations for the determination of the
Kenngrößenwertes sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich (Addition, Subtraktion oder Multiplikation der physikalischen Größen oder entsprechende Kombinationen davon). Characteristic value are also possible in the context of the present invention (Addition, subtraction or multiplication of the physical quantities or corresponding combinations thereof).
Solche Darstellungen finden sich in den Figuren 4a-4d und 5. Such representations can be found in FIGS. 4a-4d and 5.
Die Figuren 4a-4d zeigen die ermittelten Kenngrößenwerte als Funktion des bereits ausgeatmeten Volumens im Exhalationsvorgang. Die Kenngrößenwerte wurden aus dem Verhältnis des Anzahlstroms der Partikel mit einem Mindestdurchmesser dmin(Pl) von 0.5 μιη zu dem Gesamt- Anzahlstrom aller Exhalatpartikel bestimmt. Weiterhin zeigen die Figuren noch den gemessenen Gesamt- Anzahlstrom. FIGS. 4a-4d show the ascertained characteristic values as a function of the already exhaled volume in the exhalation process. The characteristic values were determined from the ratio of the number flow of the particles with a minimum diameter dmin (P1) of 0.5 μm to the total number flow of all exhaled particles. Furthermore, the figures still show the measured total number of currents.
Figur 4a (links oben) zeigt den Verlauf der Kenngrößenwerte als Funktion des ausgeatmeten Volumens für einen gesunden Nichtraucher, Figur 4b (rechts oben) für einen gesunden Raucher, Figur 4c (links unten) für einen Probanden mit milder COPD (Stadium I), Figur 4d (rechts unten) für einen Probanden mit schwerer COPD (Stadium III). FIG. 4a (top left) shows the progression of the characteristic values as a function of the exhaled volume for a healthy non-smoker, FIG. 4b (top right) for a healthy smoker, FIG. 4c (bottom left) for a subject with mild COPD (stage I), FIG 4d (bottom right) for a subject with severe COPD (stage III).
Figur 5 zeigt die Kenngrößenwerte, welche als Quotient der Gesamtanzahl der Partikel zu der Anzahl der Partikel>0.5 μι ^εΓ den gesamten Exhalationsvorgang für verschiedene Probanden bestimmt wurden, als Funktion der Vitalkapazität der Probanden. FIG. 5 shows the characteristic values, which were determined as the quotient of the total number of particles to the number of particles> 0.5 .mu.m.sup.-1 the entire exhalation process for different subjects, as a function of the vital capacity of the subjects.
Man erkennt, dass sich der Verlauf des Partikelgrößenverhältnisses als Quotient der Anzahl der Partikel > 0.5 μιη zu der Gesamtanzahl der Partikel im betrachteten Zeitintervall als Funktion des bereits ausgeatmeten Volumens im It can be seen that the course of the particle size ratio as a quotient of the number of particles> 0.5 μιη to the total number of particles in the time interval considered as a function of the already exhaled volume in
Exhalationsvorgang für gesunde Raucher und Personen mit zunehmendem  Exhalation process for healthy smokers and people with increasing
Schweregrad der COPD deutlich verändert, insbesondere zum Ende des Severity of COPD changed significantly, especially towards the end of
Ausatemvorgangs. Ein einfaches Beispiel für die rechnerische Auswertung ist die Bildung des Quotienten der Gesamtanzahl der Partikel zu der Anzahl der Partikel > 0.5 μιη über den gesamten Exhalationsvorgang. Möglich wäre aber genauso die Bildung einer Differenz des Partikelgrößenverhältnisses zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. ausgeatmeten Volumen zu Beginn des Exhalationsvorgangs und am Ende des Exhalationsvorgangs. In Figur 5 zeigen die Kenngrößenwerte Unterschiede für gesunde Nichtraucher und Patienten mit chronisch obstruktiver Atemwegserkrankung und können daher prinzipiell als Biomarker für Veränderungen der Lunge verwendet werden. Exhalation. A simple example of the mathematical evaluation is the formation of the quotient of the total number of particles to the number of particles> 0.5 μιη over the entire Exhalationsvorgang. But that would be just as possible Forming a difference in particle size ratio at a given time or expired volume at the beginning of the exhalation process and at the end of the exhalation process. In Figure 5, the characteristic values show differences for healthy nonsmokers and patients with chronic obstructive pulmonary disease and can therefore be used in principle as a biomarker for changes in the lung.
Figur 6 zeigt die exhalierte Partikelkonzentration und simultan das Figure 6 shows the exhaled particle concentration and simultaneously the
Partikelgrößenverhältnis im betrachteten Zeitintervall als Funktion des bereits ausgeatmeten Volumens im Exhalationsvorgang für einen Probanden mit mittelschwerer COPD. Particle size ratio in the considered time interval as a function of the already exhaled volume in the exhalation process for a subject with moderate COPD.
Bei der künstlichen Beatmung können die Eigenschaften der endogen generierten Aerosole im Exhalat des Patienten bzw. Änderungen desselben Aussagen über den Belüftungszustand der Lunge und das Auftreten wiederkehrender In artificial respiration, the properties of the endogenously generated aerosols in exhalation of the patient or changes in the same statements about the ventilation state of the lungs and the occurrence of recurrent
Atemwegsverschlüsse liefern, und so für die Optimierung der Beatmungsstrategie zur Vermeidung beatmungsinduzierter Lungenschädigungen herangezogen werden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Exhalat durch einenAirway closures, and thus be used to optimize the ventilation strategy to avoid ventilator-induced lung injury. In the context of the process according to the invention, the exhalate can be replaced by a
Atemzug oder alternativ durch mehrere Atemzüge bereitgestellt werden. Erfolgt die Bereitstellung des Exhalats durch mehrere Atemzüge, kann es bevorzugt sein, dass mindestens zwei unterschiedliche Atemmuster (unterschiedliche Atemtiefen bzw. Atemflussraten) verwendet werden. Breath or alternatively be provided by several breaths. If the exhalation is provided by several breaths, it may be preferred that at least two different breathing patterns (different breathing depths or respiratory flow rates) are used.
Das Verfahren kann für ein oder mehrere Atemmuster mit einem oder mehreren Atemzügen, optional bei gleichzeitiger Messung bzw. Bestimmung zumindest einer atemphysiologischen Größe und/oder zumindest eines Lungenfunktionsparameters durchgeführt werden. Bevorzugt erfolgt die Messung bzw. Bestimmung der oben genannten physikalischen Größen während eines Atemzuges mehrmals in definierten zeitlichen Intervallen. The method can be carried out for one or more breathing patterns with one or more breaths, optionally with simultaneous measurement or determination of at least one respiratory physiological variable and / or at least one lung function parameter. The measurement or determination of the abovementioned physical variables during a breath is preferably carried out several times at defined time intervals.
Optional kann das erfindungsgemäße Verfahren auch die Messung bzw. Bestimmung zumindest eines Lungenfunktionsparameters und/oder zumindest einer Optionally, the method according to the invention can also be the measurement or determination of at least one lung function parameter and / or at least one
atemphysiologischen Größe, und die Bestimmung und/oder graphische Darstellung des Kenngrößenwertes bzw. der Kenngrößenwerte als Funktion der physiological size, and the determination and / or graphical representation of the characteristic value or the characteristic values as a function of
atemphysiologischen Größe bzw. -großen oder des Lungenfunktionsparameters bzw. der Lungenfunktionsparameter umfassen. respiratory physiological size or size or the pulmonary function parameter (s).
Die Messung bzw. Bestimmung mindestens eines Lungenfunktionsparameters bzw. einer atemphysiologischen Größe kann z.B. durch Spirometrie und/oder The measurement or determination of at least one pulmonary function parameter or a respiratory physiological parameter may e.g. by spirometry and / or
Bodyplethysmographie erfolgen. Bevorzugt wird ein Pneumotachograph oder eine akustische Volumenstrommesseinrichtung, z.B. ein Ultraschallspirometer, verwendet. Diese Messverfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Als geeignete Lungenfunktionsparameter bzw. atemphysiologische Größen können beispielsweise die Lungenkapazität TLC, das zur Atmung verfügbare Bodyplethysmography done. Preferably, a pneumotachograph or acoustic volume flow meter, e.g. an ultrasound spirometer, used. These measuring methods are known in principle to the person skilled in the art. For example, the lung capacity TLC available for respiration may be used as appropriate lung function parameters or respiratory physiological parameters
Lungenvolumen VC, das nicht ventilierbare Residual volumen RV, das Lung volume VC, the non-ventilatable residual volume RV, the
Atemzugvolumen in Ruheatmung VT, das Lungenvolumen bei Atemruhelage nach normaler Exspiration FRC, das Lungenvolumen am Ende des Exspirationsvorgangs EELV, das ausgeatmete Volumen oder die Atemflussrate genannt werden. Tidal tidal volume VT, lung volume after respiratory distress after normal expiration FRC, lung volume at the end of expiration EELV, exhaled volume or respiratory flow rate.
In den Figuren 4 und 6 erfolgte die Darstellung der Kenngrößenwerte beispielhaft als Funktion des ausgeatmeten Volumens und in Figur 5 als Funktion der Vitalkapazität. In FIGS. 4 and 6, the representation of the characteristic values was carried out by way of example as a function of the exhaled volume and in FIG. 5 as a function of the vital capacity.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer bevorzugten Ausführungsform auch bei der Analyse von in Aerosolpartikeln des Exhalats vorliegenden, bevorzugt nichtflüchtigen Substanzen, wie biologischen Molekülen (z.B. Proteinen, DNA/RNA, Viren, Bakterien) oder nicht-biologische Stoffe (z.B. Metalle, Pharmazeutische Wirkstoffe) Anwendung finden. Für Rückschlüsse auf die Konzentrationen bzw. zur Bestimmung der Konzentration dieser nicht-flüchtigen Substanzen in der Flüssigkeit, die den Respirationstrakt auskleidet, und den Vergleich von Ergebnissen In a preferred embodiment, the method according to the invention can also be used for the analysis of exhalate aerosol particles, preferably non-volatile substances, such as biological molecules (eg proteins, DNA / RNA, viruses, bacteria) or non-biological substances (eg metals, pharmaceutical agents). Find application. For conclusions on the concentrations or Determination of the concentration of these non-volatile substances in the fluid lining the respiratory tract and the comparison of results
unterschiedlicher Personen ist die Kenntnis des Anzahlstroms und die different people is the knowledge of the number flow and the
Partikelgrößenverteilung bzw. des emittierten Aerosolmassenstroms erforderlich. Dieser unterschiedet sich von Mensch zu Mensch in erheblichem Maße. Dabei hat sich herausgestellt, dass es für eine hinreichend genaue Konzentrationsbestimmung der Substanzen in den Aerosolpartikeln bzw. die Normierung der Particle size distribution or the emitted aerosol mass flow required. This differs considerably from person to person. It has been found that for a sufficiently precise concentration determination of the substances in the aerosol particles or the normalization of the
Analysenergebnisse ausreichend ist, die oben genannte physikalische Größe wie z.B. den Partikelanzahlstrom Fl nur für eine geeignet definierte Partikelgrößenfraktion PI zu bestimmen. Minimaler Durchmesser dmin(Pl) und maximaler Durchmesser dmax(Pl) dieser Partikelgrößenfraktion werden dabei bevorzugt so definiert, dass die Fraktion der größeren Partikel erfasst wird, die den überwiegenden Teil des emittierten Aerosolmassenstroms enthält. Z.B. kann dmin(Pl) auf einen Wert im Bereich von 0,2 μιη bis 0,6 μιη festgelegt werden und der maximale Analytical results is sufficient to determine the above physical size such as the particle number flow Fl only for a suitably defined particle size fraction PI. Minimum diameter d m i n (Pl) and maximum diameter dmax (Pl) of this particle size fraction are thereby preferably defined so that the fraction of the larger particles is detected, which contains the majority of the emitted aerosol mass flow. For example, d m i n (Pl) can be set to a value in the range of 0.2 μιη to 0.6 μιη and the maximum
Partikeldurchmesser dmax(Pl) kann beispielsweise so gewählt werden, dass er dmax(Exhalat) entspricht, d.h. dmax(Pl)=dmax(Exhalat). The particle diameter d max (Pl) can be chosen, for example, to be d max (exhalate), ie d max (Pl) = d max (exhalate).
Die Ergebnisse einer solchen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Figuren 7a und 7b dargestellt. The results of such an application of the method according to the invention are shown in FIGS. 7a and 7b.
In Figur 7a erfolgte für zwei Probanden die Abscheidung der Fraktion der Partikel > 0.2 μιη aus dem exhalierten Aerosol für unterschiedliche Sammeldauer (1 - 5 Minuten) mittels Schlitzimpaktor auf einer Membran unter gleichzeitiger In FIG. 7a, the deposition of the fraction of particles> 0.2 μm from the exhaled aerosol for different collection periods (1 to 5 minutes) was carried out for two subjects by means of a slot impactor on a membrane under simultaneous conditions
Bestimmung der Partikelanzahl (oberste Reihe: Proband 1; mittlere Reihe: Proband 1 Wiederholung; unterste Reihe: Proband 2). Mit zunehmner Anzahl abgeschiedener Partikel ist ein deutlicher Anstieg der Nachweisintensität zu erkennen und es zeigt sich eine gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse für Probanden 1 bei der Determination of the number of particles (top row: test person 1, middle row: test person 1 repetition; lowest row: test person 2). As the number of deposited particles increases, a clear increase in the detection intensity can be seen, and a good reproducibility of the results for subjects 1 in the case of
Wiederholung der Messung. Figur 7b zeigt die mittels optischer Auswertung bestimmte optische Dichte der einzelnen Proben in Abhängigkeit der zugehörigen abgeschiedenen Partikelanzahl. Es ist ein deutlicher Anstieg der optischen Dichte mit zunehmender Partikelanzahl zu erkennen. Repeat the measurement. FIG. 7b shows the optical density, determined by optical evaluation, of the individual samples as a function of the associated deposited number of particles. There is a clear increase in the optical density as the number of particles increases.
Bevorzugt werden die in dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessenen bzw. Preference is given to measuring or measuring in the method according to the invention
bestimmten Werte der Partikelanzahlkonzentration Cl, des Partikelanzahlstroms Fl, des Partikelmassenstroms Ml, der Partikelmasse Gl oder der Partikelanzahl Nl und gegebenenfalls der Partikelanzahlkonzentration C2, des Partikelanzahlstroms F2, des Partikelmassenstroms M2, der Partikelmasse oder der Partikelanzahl N2 in einem Datenspeicher abgelegt und/oder einer Recheneinheit zur Bestimmung der certain values of the particle number concentration Cl, the particle number flow Fl, the particle mass flow Ml, the particle mass Gl or the particle number Nl and optionally the particle number concentration C2, the particle number flow F2, the particle mass flow M2, the particle mass or the particle number N2 stored in a data memory and / or a computing unit for the determination of
Kenngrößenwerte zugeführt. Characteristic values supplied.
Bevorzugt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein The process according to the invention is preferably a
computergestütztes Verfahren unter Verwendung einer Recheneinheit, die programmtechnisch so eingerichtet ist, dass anhand der gemessenen bzw. Computer-aided method using a computing unit, which is program-technically arranged so that on the basis of the measured or
bestimmten Werte der Partikelanzahlkonzentration Cl, des Partikelanzahlstroms Fl, des Partikelmassenstroms Ml, der Partikelmasse Gl und/oder der Partikelanzahl Nl und gegebenenfalls der Partikelanzahlkonzentration C2, des Partikelanzahlstroms F2, des Partikelmassenstroms M2, der Partikelmasse G2 und/oder der Partikelanzahl N2 die Bestimmung des zumindest einen Kenngrößenwertes erfolgen kann. determined values of the particle number concentration Cl, the particle number flow Fl, the particle mass flow Ml, the particle mass Gl and / or the particle number Nl and optionally the particle number concentration C2, the particle number flow F2, the particle mass flow M2, the particle mass G2 and / or the particle number N2 the determination of at least a characteristic value can be made.
Gemäß eines weiteren Aspekts stellt die vorliegende Erfindung bevorzugt ein Computerprogramm zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens sowie einen Datenträger mit diesem Computerprogramm zur Verfügung. According to a further aspect, the present invention preferably provides a computer program for carrying out the method described above and a data carrier with this computer program.

Claims

Ansprüche  claims
Ein Verfahren zur Analyse eines Exhalats, wobei das Exhalat Partikel mit einem minimalen Durchmesser dmin(Exhalat) und einem maximalen A method of analyzing an exhalate, wherein the exhalate has particles with a minimum diameter d m i n (exhalate) and a maximum
Durchmesser dmax(Exhalat) aufweist, umfassend die Messung bzw. Diameter d max (exhalate) comprising the measurement or
Bestimmung zumindest einer physikalischen Größe einer definierten ersten Partikelgrößenfraktion PI des Exhalats, wobei die physikalische Größe ausgewählt wird aus der Partikelanzahlkonzentration Cl, dem Determining at least one physical quantity of a defined first particle size fraction PI of the exhalate, the physical quantity being selected from the particle number concentration Cl, the
Partikelanzahlstrom Fl, der Partikelanzahl Nl, dem Partikelmassenstrom Ml, der Partikelmasse Gl oder deren Kombinationen, wobei die erste Particle number flow Fl, the particle number Nl, the particle mass flow Ml, the particle mass G1 or combinations thereof, wherein the first
Partikelgrößenfraktionen PI durch einen minimalen Durchmesser dmin(Pl) und einen maximalen Durchmesser dmax(Pl) so definiert wird, dass dmin(Pl)>dmin(Exhalat) und/oder dmax(Pl)<dmax(Exhalat). Particle size fractions PI by a minimum diameter d m i n (Pl) and a maximum diameter d max (Pl) is defined so that d m in (Pl)> d min (Exhalat) and / or d max (Pl) <d max (exhalation).
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei dmin(Pl)>dmin(Exhalat) und dmax(Pl)<dmax(Exhalat); oder wobei dmi„(Pl) > dmin(Exhalat) und dmax(Pl) < dmax(Exhalat). The method of claim 1, wherein d m i n (Pl)> d m i n (exhalate) and d max (P i) <d max (exhalate); or where dmi "(Pl)> d min (exhalate) and d max (Pl) <d max (exhalate).
Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei dmin(Pl) und dmax(Pl) so gewählt werden, dass die definierte erste Partikelgrößenfraktion PI maximal 95% der Gesamtanzahl der Partikel im Exhalat umfasst. The method of claim 1 or 2, wherein d m i n (Pl) and d max (Pl) are selected so that the defined first particle size fraction PI comprises a maximum of 95% of the total number of particles in Exhalat.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend die Messung bzw. Bestimmung einer physikalischen Größe für alle Partikel des Exhalats oder für zumindest eine definierte zweite The method according to any one of the preceding claims, further comprising the measurement or determination of a physical quantity for all particles of the exhalate or for at least one defined second
Partikelgrößenfraktion P2, die durch einen minimalen Durchmesser dmin(P2) und einen maximalen Durchmesser dmax(P2) definiert ist, wobeiParticle size fraction P2, which is defined by a minimum diameter d m i n (P2) and a maximum diameter d max (P2), wherein
Figure imgf000023_0001
und/oder dmax(P2)7i:dmax(Pl), wobei die physikalische Größe ausgewählt wird aus der Partikelanzahlkonzentration C2, dem
Figure imgf000023_0001
and / or dmax (P2) 7i: dmax (Pl), wherein the physical quantity is selected from the particle number concentration C2, the
Partikelanzahlstrom F2, der Partikelanzahl N2, dem Partikelmassenstrom M2, der Partikelmasse G2 oder deren Kombinationen; und die Bestimmung zumindest eines Kenngrößenwertes aus einer mathematischen Beziehung, die zumindest eine der physikalischen Größen C1 , F1, N1, G1 oder Ml und zumindest eine der physikalischen Größen C2, F2, N2, G2 oder M2 umfasst. Particle number flow F2, the particle number N2, the particle mass flow M2, the particle mass G2 or combinations thereof; and the determination of at least one characteristic value from a mathematical relationship comprising at least one of the physical quantities C1, F1, N1, G1 or M1 and at least one of the physical quantities C2, F2, N2, G2 or M2.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messung bzw. Bestimmung der physikalischen Größe durch einen The method according to any of the preceding claims, wherein the measurement or determination of the physical quantity by a
Kondensationskernzähler, einen Streulichtzähler, einen Impaktor, ein TEOM- Verfahren, einer Quarzwaage, einer Messvorrichtung zur Condensation core counter, a scattered light counter, an impactor, a TEOM method, a quartz balance, a measuring device for
Partikelgrößenbestimmung, bevorzugt einem optischen Partikelzähler, einem Laufzeitspektrometer (aerodynamischer Partikelklassierer), einem Particle size determination, preferably an optical particle counter, a runtime spectrometer (aerodynamic particle classifier), a
elektrischen Mobilitätsspektrometer, einem Kaskadenimpaktor oder einer Kombination dieser Vorrichtungen erfolgt. electric mobility spectrometer, a cascade impactor, or a combination of these devices.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Exhalat durch einen Atemzug bereitgestellt wird; oder alternativ durch mehrere Atemzüge bereitgestellt wird, wobei bevorzugt mindestens zwei The method of any one of the preceding claims, wherein the exhalate is provided by a breath; or alternatively provided by several breaths, preferably at least two
unterschiedliche Atemmuster verwendet werden. different breathing patterns are used.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messung bzw. Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration Cl, des The method according to one of the preceding claims, wherein the measurement or determination of the particle number concentration Cl, of the
Partikelanzahlstroms Fl, der Partikelanzahl Nl, des Partikelmassenstroms Ml oder der Partikelmasse Gl und optional die Messung bzw. Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration C2, des Partikelanzahlstroms F2, der Partikelanzahl N2, Partikelmassenstroms M2 oder der Partikelmasse G2 während eines Atemzuges mehrmals in definierten zeitlichen Intervallen erfolgt. Particle number flow Fl, the particle number Nl, the particle mass flow Ml or the particle mass G1 and optionally the measurement or determination of the particle number concentration C2, the particle number flow F2, the particle number N2, particle mass flow M2 or the particle mass G2 during a breath several times at defined time intervals.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend die Messung bzw. Bestimmung mindestens eines Lungenfunktionsparameters und/oder einer atemphysiologischen Größe; und optional die Bestimmung und/oder graphische Darstellung des Kenngrößenwertes bzw. der The method of any one of the preceding claims, further comprising measuring or determining at least one lung function parameter and / or a respiratory physiological size; and optionally the determination and / or graphical representation of the characteristic value or the
Kenngrößenwerte als Funktion der atemphysiologischen Größe(n) oder des Lungenfunktionsparameters bzw. der Lungenfunktionsparameter.  Characteristic values as a function of the respiratory physiological size (s) or the lung function parameter or the lung function parameters.
9. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 4-8, wobei das Verfahren unter Verwendung einer Recheneinheit durchgeführt wird, die programmtechnisch so eingerichtet ist, dass anhand der gemessenen bzw. bestimmten Werte der Partikelanzahlkonzentration Cl, des Partikelanzahlstroms Fl, des 9. The method according to claim 4, wherein the method is carried out using a computing unit that is set up in the program in such a way that on the basis of the measured or determined values of the particle number concentration Cl, the particle number flow F 1, of the
Partikelmassenstroms Ml, der Partikelmasse Gl und/oder der Partikelanzahl Nl und der gemessenen bzw. bestimmten Werte der  Particle mass flow Ml, the particle mass Gl and / or the particle number Nl and the measured or determined values of
Partikelanzahlkonzentration C2, des Partikelanzahlstroms F2, des  Particle number concentration C2, the particle number flow F2, the
Partikelmassenstroms M2, der Partikelmasse G2 und/oder der Partikelanzahl N2 die Bestimmung des zumindest einen Kenngrößenwertes erfolgen kann.  Particle mass flow M2, the particle mass G2 and / or the particle number N2, the determination of the at least one characteristic value can be carried out.
10. Ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 9. 10. A computer program for carrying out the method according to claim 9.
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