WO2019072947A1 - System und verfahren zum sammeln von atemluftaerosolen und atemluftkondensaten - Google Patents

System und verfahren zum sammeln von atemluftaerosolen und atemluftkondensaten Download PDF

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WO2019072947A1
WO2019072947A1 PCT/EP2018/077682 EP2018077682W WO2019072947A1 WO 2019072947 A1 WO2019072947 A1 WO 2019072947A1 EP 2018077682 W EP2018077682 W EP 2018077682W WO 2019072947 A1 WO2019072947 A1 WO 2019072947A1
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WO
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pump
air
breathing air
breathing
collecting
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Application number
PCT/EP2018/077682
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Michael Stumber
Philipp Jung
Katrin Luckert
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/087—Measuring breath flow
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/097—Devices for facilitating collection of breath or for directing breath into or through measuring devices
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    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0271—Thermal or temperature sensors

Definitions

  • the present invention relates to a system for collecting
  • the present invention relates to a method for collecting Atemluftaerosolen and
  • the present invention relates to an electronic control device adapted to operate the system by the method.
  • the aerosols contained in the air exhaled by a human from the epithelial fluid film lining the lungs are carriers
  • characteristic substances With each exhalation, they are exhaled as droplets with a diameter in the range of 200 to 1000 nm.
  • WO 2007/087625 A2 described. This collects EBAC in a cooled conical condensation element. However, this system also does not allow a reproducible standardized sample collection, which ensures good comparability between multiple samples.
  • the system for collecting respiratory air aerosols and breathing air condensates comprises a mouthpiece and a breathing air duct. At least one collecting unit for breathing air aerosols and breathing air condensates and at least one pump are arranged in the breathing air line. The pump allows one
  • Exhalation of a user is regulated in the collection unit.
  • the breathing resistance can be lowered during exhalation by support by means of the pump and adjusted to a predetermined flow or area of a river.
  • a pressure sensor is on the breathing air line between the
  • An electronic control unit is set up to control the pump as a function of sensor data
  • a flow meter is arranged in the breathing air line, preferably between the collecting unit and the pump. This makes it possible to detect the speed of exhalation, which is represented by the air mass flow or the air volume flow, and also to regulate.
  • the flowmeter allows normalization of the breathing maneuver by calculating the total exhaled volume.
  • an electronic control unit is set up to operate the pump as a function of sensor data
  • the mouthpiece and the collection unit are preferably arranged in removable disposable elements of the system. By adding new disposable elements to the system for each sample, cross-contamination of samples can be avoided. Other components of the system such as the pump, however, do not have to be for each
  • the collecting unit comprises a centrifugal separator and a collecting vessel.
  • a centrifugal separator which is also referred to as a cyclone or Zyklonabscheider separates the Atem Kunststoffaerosole and Atemluftkondensate by means of centrifugal forces from the breathing air stream. The centrifugal forces are created by the generation of a vortex flow. Such a centrifugal separator allows a more efficient extraction of Atemluftaerosole and
  • the centrifugal separator not only condenses the moisture from the respiratory air by lowering the temperature, but also selectively captures the small aerosols originating from the lungs through its structure and flow guidance. This makes it possible to increase the concentration of biomarkers on the collected liquid breath sample.
  • the centrifugal separator For use in a compact system is in particular the execution of the centrifugal separator as
  • the collecting vessel serves to absorb the respiratory air aerosols and respiratory air condensates separated in the centrifugal separator. It preferably has no reactive groups on its inner surface that react with biomolecules.
  • a cooling device is arranged to cool the centrifugal separator and the collecting vessel. This can consist of a passive cooling block surrounding the receptacle as a thermal bath and an active cooling element and a method for heat dissipation.
  • the active cooling element can be designed, for example, as one or more Peltier elements.
  • the cooling block can be made of a material with high
  • Heat capacity and thermal conductivity e.g. Aluminum be executed.
  • a temperature sensor is arranged to measure the temperature in the cooling block.
  • An electronic control unit is set up to put the cooling device in
  • the breathing air line between the mouthpiece and the mouthpiece may even be provided in one embodiment of the system, the breathing air line between the mouthpiece and the mouthpiece
  • Tempering collection unit to minimize the loss of samples.
  • Centrifugal separator each having a hydrophobic surface coating.
  • This may be, for example, a Teflon coating. This coating prevents the adhesion of aerosols in the breathing air line and in the centrifugal separator and thus also minimizes the sample loss upstream of the collecting vessel. Besides, she is
  • Proteinase-free so that it can come on the surfaces to no enzymatic-induced protein degradation.
  • a buffer solution or buffer may be presented as a solid to a protein degradation in the sample obtained for lack of
  • the breathing air line can downstream of the collecting unit a
  • Dehumidifying be arranged to prevent condensation of residual moisture downstream of the collection unit to protect the components and to protect against contamination.
  • the pump is based on
  • the first threshold may be selected to turn the pump on when an expiratory maneuver of a user can be inferred from a pressure increase in the breathing air line. If the pressure falls below a second threshold, the pump is turned off. The second threshold may be selected to shut down the pump when it detects that the user exhales.
  • the switched-on pump is regulated so that in the breathing air line a predetermined air mass flow or
  • Air flow is present.
  • the specified air flow is
  • the pump power increases to keep the air mass flow or air flow constant. In this way, a standardized exhalation process can be achieved, which leads to standardized sampling. In addition, it is possible in this way to keep the centrifugal separator in its optimum operating point.
  • the switched-on pump is regulated so that a predetermined pressure is present in the breathing air line. If the user tries to breathe out more, resulting in a higher pressure on the mouthpiece, the pump increases its throughput. If the pressure drops, the pumping power is reduced accordingly.
  • This embodiment of the method results in a respiratory profile that is very similar to free exhalation. Thus, no standardized sampling is possible.
  • This embodiment of the method represents a comfort function for users for whom the air mass flow regulated or air volume flow Exhalation process for physiological or health reasons is out of the question.
  • the power of the pump after its switching on over a predefinable first period of time is increased to a value at which the predetermined air mass flow or the predetermined air volume flow or the predetermined pressure in the breathing air line is present.
  • the power of the pump is preferably lowered to zero over a predetermined second period. So it will not shut down abruptly.
  • Period of startup and shutdown of the pump increases the comfort for the user.
  • Atemluftaerosole and Atemluftkondensate preferably terminated.
  • the sampling can be normalized to a predetermined tidal volume or a predetermined air mass.
  • the third threshold is preferably at an air flow rate in the range of 10 to 100 sl (standard liters).
  • Atemluftaerosole and Atemluftkondensate preferably a pressure and additionally detected either an air mass flow or an air flow in the breathing air line. From these values, a breathing pattern can be characterized. This can in addition to
  • Sample collection also made a statement about the breathing behavior of the user. Due to the breathing pattern, a suggestion can also be made to switch from a standardization function of the system to the comfort function. For this purpose, a manual switch can be provided. Alternatively it can also be provided that, on the basis of the breathing pattern, it is automatically selected whether the method is to be carried out in the standardization function or in a comfort function.
  • the electronic controller is configured to control and / or regulate the pump of the system by the method.
  • Fig. 1 shows schematically the collection of Atemluftaerosolen
  • Fig. 2 shows schematically the structure of a system for collecting
  • the invention is provided in an exemplary embodiment shown in FIG. 1 in that it exhales through a system 1 for collecting respiratory air aerosols and respiratory air condensates. Inhalation via the system can optionally take place via a second air path.
  • this system 1 comprises a breathing air duct 11 which extends partly through a disposable part 12 of the system and which continues in the remainder of the system 1.
  • Disposable part 12 begins the breathing air line 11 at a mouthpiece 121.
  • a saliva trap 122 is arranged in the breathing air line 11 between the mouthpiece 121 and a collecting unit 123, which is also located in the disposable part 12. It prevents saliva from entering the collection unit 123.
  • the collecting unit 123 is in the form of a centrifugal separator 1231
  • Embodiment on its underside a collecting vessel 1232 has.
  • the buffer solution contains salts for adjusting the ionic strength and the pH
  • the centrifugal separator 1231 and the area of the breathing air duct 11 between the collecting unit 123 and the mouthpiece 121 may have a hydrophobic coating on their inside.
  • the breathing air line 11 optionally branches to one
  • Check valve 124 behind which an air inlet 125 is arranged.
  • the check valve 124 is designed to allow the user P to breathe through the system 1 in such a manner that air flows through the inlet port 125 and the breathing air duct 11 into the mouthpiece 121.
  • the check valve 124 closes, so that the exhaled air flows into the collecting unit 123.
  • the elements 124 and 125 may also be omitted if the mouth of the user P leaves the mouthpiece 121 for inhalation. Downstream of the collecting unit 123, a dehumidifying unit 126 is provided in the disposable part 12.
  • a flow meter 13 Downstream of the disposable part 12 are in the breathing air line 11 one after another, a flow meter 13, an air tank 14, a pump 15 and a
  • Air outlet 16 arranged. As the user P exhales, breathing air aerosols and respiratory air condensates are separated from the exhaled air stream in the collection unit 123. This happens then the
  • Air volume flow or the mass air flow can be measured. It continues to pass the air tank 14 and the pump 15 and exits the system 1 through the air outlet 16.
  • the air tank 14 increases the volume of air contained in the breathing air duct 11, so that sudden pressure changes in the air
  • Breathing air duct 11 are avoided when increasing or decreasing the power of the pump 15 and continues to serve to damp the pulsation of the pump 15th
  • An electronic control unit 17 reads out the sensors, controls the pump and processes user inputs.
  • the electronic control unit 17 can be connected to an external power source 2, which is the electronic Control unit 17 and the other components of the system 1 is supplied with electrical energy.
  • a user interface 3 such as a
  • Touchscreen are connected to the electronic control unit 17 to display collected by sensors of the system 1 data and
  • Sensors comprise, in addition to the flow meter 13, a pressure sensor 18, which is arranged outside the disposable part 12 on the breathing air line 11 in such a way that it can measure the pressure between the mouthpiece 121 and the collecting unit 123 in the disposable part 12.
  • the TEC controller 173 controls a Peltier element 191 in a cooling unit 19.
  • the cooling unit 19 and the collecting unit 123 are shown separately for the sake of clarity.
  • the cooling unit 19 further includes a temperature sensor 192 connected to the TEC controller 173.
  • Peltier element 191 as an electrothermal transducer and the monitoring of
  • thermosensor that detects and avoids overheating or malfunction.
  • sampling is carried out by means of the system 1 in a standardization function.
  • Exhalation maneuver of the user P detected when the pressure measured by means of the pressure sensor 18 exceeds a first threshold of, for example, 300 Pascal. Over a first period of 0.2 s, the pump 15 is turned on and its power ramped up to a value at which a measured by the flow meter 13 air flow in the breathing air line
  • Centrifugal separator 1231 deposited and collected in the collection vessel 1232.
  • the performance of the Pump 15 decreases as the user exhales and increases P more as the exhalation of user P decreases. If the integrated after the time air flow reaches a value of, for example, 40 sl, the power of the pump 15 is lowered over a second period of 0.5 s to zero and the sampling stopped in this way. By removing the disposable part 12 from the system 1, access to the sample in the collecting vessel 1232 is now possible. For the next sampling, a new disposable part 12 is then inserted into the system 1. During sampling, continuously using the flow meter
  • Collection unit 123 measured. From these values, a breathing pattern of the user P is determined in the electronic control unit 17. This can be read out by means of the user interface 3 and / or transmitted to a PC.
  • the information may emerge that the sampling should be repeated in a comfort function, because the user P the
  • Embodiment of the method according to the invention take place.
  • Switching command can be given via the user interface 3.
  • the pump 15 is turned on again over the first period. The performance of the pump 15 is not, however, in view of a constant air flow on the
  • the sampling is only ended when the integrated air volume flow has reached the value of, for example, 100 Pascal. The termination of the sampling takes place in this Embodiment by the pump 15 is turned off over the second period. The removal of the sample and the reading of data on the breathing pattern of the user P also takes place as in the first

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten. Dieses weist ein Mundstück (121) und eine Atemluftleitung (11) auf, in der mindestens eine Sammeleinheit (123) für Atemluftaerosole und Atemluftkondensate und mindestens eine Pumpe (15) angeordnet sind. Ein Drucksensor (18) ist an der Atemluftleitung (11) zwischen einschließlich dem Mundstück (121) und einschließlich der Sammeleinheit (123) angeordnet. Ein elektronisches Steuergerät (17) ist ein gerichtet, um die Pumpe (15) in Abhängigkeit von Sensordaten des Drucksensors (18) zu steuern oder zu regeln. In einem Verfahren zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten mittels des Systems (1) wird die Pumpe (15) auf Basis von Sensordaten des Drucksensors (18) angesteuert.

Description

Beschreibung Titel
System und Verfahren zum Sammeln von Atemluftaerosolen und
Atemluftkondensaten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Sammeln von
Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Sammeln von Atemluftaerosolen und
Atemluftkondensaten mittels des Systems. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, um das System mittels des Verfahrens zu betreiben.
Stand der Technik
Die in der von einem Menschen ausgeatmeten Luft enthaltenen Aerosole aus dem Epithelflüssigkeitsfilm, der die Lunge auskleidet, sind Träger
charakteristischer Stoffe. Sie werden bei jedem Ausatemvorgang als Tröpfchen mit einem Durchmesser im Bereich von 200 bis 1000 nm abgeatmet. Die Kenntnis der qualitativen und quantitativen Zusammensetzung von nicht volatilen Molekülen wie z. B. Proteinen oder Stoffwechselproduktenliefert ein spezifisches Bild über den Zustand der Lunge bezüglich des extrazellulären Mediums und dessen Zusammensetzung. Dadurch können eine metabolische Dysbalance und auch krankhafte Veränderungen, wie beispielsweise Lungenkrebs, gemessen werden.
Es sind Geräte zur Gewinnung flüssiger Proben aus der Atemluft bekannt, die als Kühlfallen arbeiten und Atemkondensat durch Abkühlen der ausgeatmeten Luft erzeugen. Die gewonnenen Proben enthalten durch die Verdünnung aufgrund der hohen Luftfeuchte des Atems eine sehr geringe Konzentration an
Biomarkern, was die Analyse des gewonnenen Konzentrats erschwert. Außerdem sind die erhaltenen Ergebnisse schlecht vergleichbar, da keine Steuerung der Atmung während der Probengewinnung erfolgt.
Ein System zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten (exhaled breath aerosoles and condensates; EBAC) wird in der
WO 2007/087625 A2 beschrieben. Dieses sammelt EBAC in einem gekühlten konisch zulaufenden Kondensationselement. Auch dieses System ermöglicht jedoch keine reproduzierbare standardisierte Probengewinnung, die eine gute Vergleichbarkeit zwischen mehreren Proben gewährleistet.
Offenbarung der Erfindung
Das System zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten weist ein Mundstück und eine Atemluftleitung auf. In der Atemluftleitung sind mindestens eine Sammeleinheit für Atemluftaerosole und Atemluftkondensate und mindestens eine Pumpe angeordnet. Die Pumpe ermöglicht eine
reproduzierbare standardisierbare Probengewinnung, indem der
Ausatemvorgang eines Nutzers in die Sammeleinheit geregelt wird. Hierzu kann der Atemwiderstand beim Ausatemvorgang durch Unterstützung mittels der Pumpe gesenkt und auf einen vorgegebenen Fluss bzw. Bereich eines Flusses eingeregelt werden.
Ein Drucksensor ist an der Atemluftleitung zwischen einschließlich dem
Mundstück und einschließlich der Sammeleinheit angeordnet. Ein elektronisches Steuergerät ist eingerichtet, um die Pumpe in Abhängigkeit von Sensordaten des
Drucksensors zu steuern oder zu regeln. Mittels einer gemessenen
Druckänderung kann der Beginn eines Ausatem manövers des Nutzers erkannt werden und die Pumpe daraufhin gestartet werden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein Durchflussmesser in der Atemluftleitung angeordnet ist, vorzugsweise zwischen der Sammeleinheit und der Pumpe. Dieser ermöglicht es, die Geschwindigkeit der Ausatmung, welche durch den Luftmassenstrom oder den Luftvolumenstrom repräsentiert wird, zu erfassen und ebenfalls zu regeln. Der Durchflussmesser ermöglicht eine Normalisierung des Atemmanövers durch Berechnung des gesamten ausgeatmeten Volumens. Hierzu ist es besonders bevorzugt, dass ein elektronisches Steuergerät eingerichtet ist, um die Pumpe in Abhängigkeit von Sensordaten des
Durchflussmessers zu steuern oder zu regeln.
Das Mundstück und die Sammeleinheit sind vorzugsweise in abnehmbaren Einwegelementen des Systems angeordnet. Indem für jede Probennahme neue Einwegelemente in das System eingesetzt werden, kann eine Querkontamination von Proben untereinander vermieden werden. Weitere Komponenten des Systems wie beispielsweise die Pumpe müssen hingegen nicht für jede
Probennahme ausgetauscht werden.
Zum Sammeln der Atemluftaerosole und Atemluftkondensate ist es bevorzugt, dass die Sammeleinheit einen Fliehkraftabscheider und ein Sammelgefäß aufweist. Ein Fliehkraftabscheider, der auch als Zyklon oder Zyklonabscheider bezeichnet wird, trennt die Atemluftaerosole und Atemluftkondensate mittels Zentrifugalkräften aus dem Atemluftstrom ab. Die Zentrifugalkräfte entstehen durch die Erzeugung einer Wirbelströmung. Ein solcher Fliehkraftabscheider ermöglicht eine effizientere Gewinnung der Atemluftaerosole und
Atemluftkondensate als eine Kühlfalle. Hierzu sind eine hohe
Strömungsgeschwindigkeit, ein geringer Krümmungsradius und angepasster Einlasswinkel erforderlich. Die Strömungsgeschwindigkeit kann mittels der Pumpe auf einen für die Abscheidung optimalen Wert eingestellt werden. Der Fliehkraftabscheider kondensiert nicht lediglich durch Absenkung der Temperatur die Feuchtigkeit aus der Atemluft, sondern fängt durch seinen Aufbau und seine Strömungsführung gezielt die kleinen aus der Lunge stammenden Aerosole. Dies ermöglicht es, die Konzentration der Biomarker an der gesammelten flüssigen Atemprobe zu erhöhen. Für die Verwendung in einem kompakten System ist insbesondere die Ausführung des Fliehkraftabscheiders als
Tangentialzyklonabscheider bevorzugt.
Das Sammelgefäß dient dazu, die im Fliehkraftabscheider abgeschiedenen Atemluftaerosole und Atemluftkondensate aufzunehmen. Es weist vorzugsweise an seiner Innenoberfläche keine reaktiven Gruppen auf, die mit Biomolekülen reagieren. Vorzugsweise ist eine Kühlvorrichtung eingerichtet, um den Fliehkraftabscheider und das Sammelgefäß zu kühlen. Diese kann aus einem das Sammelgefäß umgebenden passiven Kühlblock als thermisches Bad und einem aktiven Kühlelement sowie einer Methode zur Wäremeabfuhr bestehen. Das aktive Kühlelement kann beispielsweise als ein oder mehrere Peltierelemente ausgeführt sein. Der Kühlblock kann aus einem Material mit hoher
Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit z.B. Aluminium ausgeführt sein. Ein Temperatursensor ist so angeordnet, dass er die Temperatur im Kühlblock misst. Ein elektronisches Steuergerät ist eingerichtet, um die Kühlvorrichtung in
Abhängigkeit von Sensordaten des Temperatursensors so zu regeln, dass ein erneutes Verdunsten gefangener Aerosole verhindert wird. Indem die Kühlung erst am gewünschten Ort der Probensammlung erfolgt, wird verhindert, dass Probenverluste durch Kondensation zwischen dem Mundstück und der
Sammeleinheit erfolgen. Es kann in einer Ausführungsform des Systems sogar vorgesehen sein, die Atemluftleitung zwischen dem Mundstück und der
Sammeleinheit zu temperieren, um den Probenverlust zu minimieren.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass eine Oberfläche der Atemluftleitung zwischen dem Mundstück und der Sammeleinheit und eine Oberfläche des
Fliehkraftabscheiders jeweils eine hydrophobe Oberflächenbeschichtung aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Teflonbeschichtung handeln. Diese Beschichtung verhindert ein Anhaften von Aerosolen in der Atemluftleitung und im Fliehkraftabscheider und minimiert somit ebenfalls den Probenverlust stromaufwärts des Sammelgefäßes. Außerdem ist sie
Proteinase-frei, so dass es an den Oberflächen zu keinem enzymatisch- bedingten Proteinabbau kommen kann.
Im Sammelgefäß kann eine Pufferlösung oder Puffer als Feststoff vorgelegt werden, um einen Proteinabbau in der gewonnenen Probe mangels
physiologischer Bedingungen zu vermeiden.
In der Atemluftleitung kann stromabwärts der Sammeleinheit eine
Entfeuchtungseinheit angeordnet sein, um Kondensation von Restfeuchte stromabwärts der Sammeleinheit zum Schutz der Bauteile sowie zum Schutz vor Kontamination zu vermeiden. In dem Verfahren zum Sammeln von Atemluftaerosolen und
Atemluftkondensaten mittels des Systems wird die Pumpe auf Basis von
Sensordaten des Drucksensors angesteuert. Insbesondere wird sie
eingeschaltet, wenn ein Druck zwischen dem Mundstück und der Sammeleinheit in der Atemluftleitung gemessen wird, der einen ersten Schwellenwert überschreitet. Der erste Schwellenwert kann so gewählt werden, dass die Pumpe eingeschaltet wird, wenn aus einem Druckanstieg in der Atemluftleitung auf ein Ausatemmanöver eines Nutzers geschlossen werden kann. Wenn der Druck einen zweiten Schwellenwert unterschreitet, wird die Pumpe ausgeschaltet. Der zweite Schwellenwert kann so gewählt werden, dass das Ausschalten der Pumpe erfolgt, wenn erkannt wird, dass der Ausatemvorgang des Nutzers endet.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die eingeschaltete Pumpe so geregelt, dass in der Atemluftleitung ein vorgegebener Luftmassenstrom oder
Luftvolumenstrom vorliegt. Der vorgegebene Luftvolumenstrom liegt
vorzugsweise in einem Bereich von 3 bis 18 slm (Standard Liter pro Minute). Dieser kann aus Sensordaten des Durchflussmessers ermittelt werden. Versucht der Nutzer stärker auszuatmen, reduziert sich die Pumpleistung entsprechend. Verringert sich die Ausatemleistung des Nutzers, beispielsweise gegen Ende des
Ausatemvorgangs, so erhöht sich die Pumpleistung, um den Luftmassenstrom oder Luftvolumenstrom konstant zu halten. Hierdurch kann ein standardisierter Ausatemvorgang erreicht werden, der zu einer standardisierten Probennahme führt. Zudem ist es auf diese Weise möglich, den Fliehkraftabscheider in seinem optimalen Arbeitspunkt zu halten.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird die eingeschaltete Pumpe so geregelt, dass in der Atemluftleitung ein vorgegebener Druck vorliegt. Versucht der Benutzer stärker auszuatmen, wodurch ein höherer Druck am Mundstück entsteht, so erhöht die Pumpe ihren Durchsatz. Sinkt der Druck, so wird auch die Pumpleistung entsprechend reduziert. Diese Ausführungsform des Verfahrens führt zu einem Atemprofil, das sehr stark dem freien Ausatmen ähnelt. Es wird also keine standardisierte Probennahme ermöglicht. Diese Ausführungsform des Verfahrens stellt eine Komfortfunktion für Nutzer dar, für die der Luftmassenstrom geregelte oder Luftvolumenstrom geregelte Ausatemvorgang aus physiologischen oder gesundheitlichen Gründen nicht in Frage kommt.
Es ist bevorzugt, dass die Leistung der Pumpe nach ihrem Einschalten über einen vorgebbaren ersten Zeitraum auf einen Wert erhöht wird, bei dem der vorgegebene Luftmassenstrom oder der vorgegebene Luftvolumenstrom oder der vorgegebene Druck in der Atemluftleitung vorliegt. Es erfolgt also kein schlagartiges Zuschalten der Pumpleistung. Beim Abschalten der Pumpe wird ihre Leistung vorzugsweise über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum auf Null abgesenkt. Sie wird also auch nicht schlagartig abgeschaltet. Der vorgegebene
Zeitraum des Hochfahrens und Herunterfahrens der Pumpe erhöht den Komfort für den Nutzer.
Wenn ein integrierter Luftmassenstrom oder Luftvolumenstrom durch die Atemluftleitung einen dritten Schwellenwert erreicht, wird das Sammeln der
Atemluftaerosole und Atemluftkondensate vorzugsweise beendet. Auf diese Weise kann die Probennahme auf ein vorgegebenes Atemvolumen oder eine vorgegebene Luftmasse normiert werden. Der dritte Schwellenwert liegt vorzugsweise bei einem Luftvolumenstrom im Bereich von 10 bis 100 sl (Standard Liter).
Während des Sammeins der Atemluftaerosole und Atemluftkondensate werden vorzugsweise ein Druck und zusätzlich entweder ein Luftmassenstrom oder ein Luftvolumenstrom in der Atemluftleitung erfasst. Aus diesen Werten kann ein Atemmuster charakterisiert werden. Hierdurch kann zusätzlich zur
Probensammlung auch noch eine Aussage über das Atemverhalten des Nutzers getroffen werden. Aufgrund des Atemmusters kann auch ein Vorschlag ausgegeben werden, von einer Standardisierungsfunktion des Systems auf die Komfortfunktion umzuschalten. Hierzu kann ein manueller Schalter vorgesehen sein. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass aufgrund des Atemmusters automatisch ausgewählt wird, ob das Verfahren in der Standardisierungsfunktion oder in einer Komfortfunktion durchgeführt werden soll.
Das elektronische Steuergerät ist eingerichtet, um die Pumpe des Systems mittels des Verfahrens zu steuern und/oder zu regeln. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch das Sammeln von Atemluftaerosolen und
Atemluftkondensaten eines Nutzers mittels eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Systems zum Sammeln von
Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Um Atemluftaerosole und Atemluftkondensate eines Nutzers P zu sammeln, ist in einem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass dieser durch ein System 1 zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten ausatmet. Ein Einatmen über das System kann wahlweise über einen zweiten Luftpfad erfolgen. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist dieses System 1 eine Atemluftleitung 11 auf, die sich teilweise durch ein Einwegteil 12 des Systems erstreckt und die sich im übrigen System 1 fortsetzt. In dem
Einwegteil 12 beginnt die Atemluftleitung 11 an einem Mundstück 121. Ein Speichelfänger 122 ist in der Atemluftleitung 11 zwischen dem Mundstück 121 und einer Sammeleinheit 123 angeordnet, die sich ebenfalls in dem Einwegteil 12 befindet. Er verhindert, dass Speichel in die Sammeleinheit 123 gelangt. Die Sammeleinheit 123 ist als Fliehkraftabscheider 1231 in Form eines
Tangentialzyklonabscheiders ausgeführt, der in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel an seiner Unterseite ein Sammelgefäß 1232 aufweist.
Dieses kann mit einer physiologischen Pufferlösung gefüllt sein oder kann Puffersalze als Feststoff vorgelegt enthalten. Die Pufferlösung enthält Salze zur Einstellung der lonenstärke und des pH-Werts .Darüber hinaus können
Hemmstoffe für Proteasen vorgelagert sein. In einem anderen, nicht
dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Sammelgefäß auch den Zyklonkörper des Tangentialzyklonabscheiders darstellen. Der Fliehkraftabscheider 1231 und der Bereich der Atemluftleitung 11 zwischen der Sammeleinheit 123 und dem Mundstück 121 können an ihrer Innenseite eine hydrophobe Beschichtung aufweisen. Zwischen dem Mundstück 121 und dem Speichelfänger 122 verzweigt sich die Atemluftleitung 11 optional zu einem
Rückschlagventil 124, hinter dem ein Lufteinlass 125 angeordnet ist. Das Rückschlagventil 124 ist so ausgeführt, dass es ein Einatmen des Nutzers P durch das System 1 in der Weise ermöglicht, dass Luft durch die Einlassöffnung 125 und die Atemluftleitung 11 in das Mundstück 121 strömt. Beim Ausatmen des Nutzers P schließt das Rückschlagventil 124, so dass die ausgeatmete Luft in die Sammeleinheit 123 strömt. In einem nicht dargestellten
Ausführungsbeispiel können die Elemente 124 und 125 auch entfallen, wenn der Mund des Nutzers P das Mundstück 121 zum Einatmen verlässt. Stromabwärts der Sammeleinheit 123 ist im Einwegteil 12 eine Entfeuchtungseinheit 126 vorgesehen.
Stromabwärts des Einwegteils 12 sind in der Atemluftleitung 11 nacheinander ein, ein Durchflussmesser 13, ein Lufttank 14, eine Pumpe 15 und ein
Luftauslass 16 angeordnet. Beim Ausatmen des Nutzers P werden in der Sammeleinheit 123 Atemluftaerosole und Atemluftkondensate aus dem ausgeatmeten Luftstrom abgetrennt. Dieser passiert dann die
Entfeuchtungseinheit 126 und den Durchflussmesser 13, mit dem der
Luftvolumenstrom oder der Luftmassenstrom gemessen werden kann. Er passiert weiterhin den Lufttank 14 und die Pumpe 15 und verlässt das System 1 durch den Luftauslass 16. Der Lufttank 14 erhöht das in der Atemluftleitung 11 enthaltene Luftvolumen, so dass sprunghafte Druckänderungen in der
Atemluftleitung 11 beim Erhöhen oder Absenken der Leistung der Pumpe 15 vermieden werden und dient weiterhin zur Dämpfung der Pulsation der Pumpe 15.
Ein elektronisches Steuergerät 17 liest die Sensoren aus, steuert bzw. regelt die Pumpe und verarbeitet Nutzereingaben. Es kann beispielhaft eine Hauptplatine 171 mit einem Mikrocontroller 172 und einen TEC-Controller 173 (TEC = Thermoelectrical Cooler) aufweisen. Das elektronische Steuergerät 17 kann an eine externe Energiequelle 2 angeschlossen werden, welche das elektronische Steuergerät 17 und die weiteren Komponenten des Systems 1 mit elektrischer Energie versorgt. Weiterhin ein Benutzerinterface 3 wie zum Beispiel ein
Touchscreen an das elektronische Steuergerät 17 angeschlossen werden, um von Sensoren des Systems 1 gesammelte Daten anzuzeigen und
Benutzereingaben an das elektronische Steuergerät weiterzuleiten. Die
Sensoren umfassen neben dem Durchflussmesser 13 einen Drucksensor 18, der außerhalb des Einwegteils 12 so an der Atemluftleitung 11 angeordnet ist, dass er den Druck zwischen dem Mundstück 121 und der Sammeleinheit 123 im Einwegteil 12 messen kann. Der TEC-Controller 173 regelt ein Peltierelement 191 in einer Kühleinheit 19. Wenn das Einwegteil 12 in das System 1 eingesetzt ist, ist die Sammeleinheit 123 in der Kühleinheit 19 angeordnet. In Fig. 2 sind die Kühleinheit 19 und die Sammeleinheit 123 der Übersichtlichkeit halber getrennt dargestellt. Die Kühleinheit 19 weist weiterhin einen Temperatursensor 192 auf, der mit dem TEC-Controller 173 verbunden ist. Mittels der Funktion des
Peltierelements 191 als elektrothermischem Wandler und der Überwachung der
Temperatur in der Sammeleinheit 123 mittels des Temperatursensors 192 kann der TEC-Controller 173 die Temperatur der Kühleinheit 19 regeln. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich zur Überwachung der
Temperatur an der Außenseite der Peltierelemente ein weiterer nicht
dargestellter Temperatursensor, der eine Überhitzung oder Fehlfunktion erkennt und vermeidet.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Probennahme mittels des Systems 1 in einer Standardisierungsfunktion. Wenn sich das Rückschlagventil 124 geschlossen hat, wird ein Beginn eines
Ausatemmanövers des Nutzers P erkannt, sobald der mittels des Drucksensors 18 gemessene Druck einen ersten Schwellenwert von beispielsweise 300 Pascal überschreitet. Über einen ersten Zeitraum von 0,2 s wird die Pumpe 15 eingeschaltet und ihre Leistung auf einen Wert hochgefahren, bei dem ein mittels des Durchflussmessers 13 gemessener Luftvolumenstrom in der Atemluftleitung
11 einen Wert von beispielsweise 10 slm erreicht wird. Dieser Luftvolumenstrom ist optimal für den Betrieb des Fliehkraftabscheiders 1231. Er ermöglicht außerdem eine standardisierte Probennahme, bei der Aerosole im
Fliehkraftabscheider 1231 abgeschieden und im Sammelgefäß 1232 gesammelt werden. Um den Luftvolumenstrom konstant zu halten, wird die Leistung der Pumpe 15 verringert, wenn der Nutzer P stärker ausatmet und erhöht, wenn sich die Ausatemleistung des Nutzers P verringert. Wenn der nach der Zeit integrierte Luftvolumenstrom einen Wert von beispielsweise 40 sl erreicht, wird die Leistung der Pumpe 15 über einen zweiten Zeitraum von 0,5 s auf Null abgesenkt und die Probennahme auf diese Weise beendet. Durch Entnehmen des Einwegteils 12 aus dem System 1 ist nun ein Zugriff auf die Probe im Sammelgefäß 1232 möglich. Für die nächste Probennahme wird dann ein neues Einwegteil 12 in das System 1 eingesetzt. Während der Probennahme werden kontinuierlich mittels des Durchflussmessers
13 der Luftvolumenstrom in der Atemluftleitung 11 und mittels des Drucksensors 18 kontinuierlich der Druck zwischen dem Mundstück 121 und der
Sammeleinheit 123 gemessen. Aus diesen Werten wird im elektronischen Steuergerät 17 ein Atemmuster des Nutzers P ermittelt. Dieses kann mittels des Benutzerinterfaces 3 ausgelesen und/oder an einen PC übertragen werden.
Aus dem Atemprofil kann sich die Information ergeben, dass die Probennahme in einer Komfortfunktion wiederholt werden sollte, weil der Nutzer P die
Probennahme in der Standardisierungsfunktion aus physiologischen oder gesundheitlichen Gründen nicht korrekt abschließen konnte. Hierzu kann im elektronischen Steuergerät 17 ein Umschalten in ein anderes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen. Der
Umschaltbefehl kann über das Benutzerinterface 3 gegeben werden. Wenn in diesem Ausführungsbeispiel der Beginn des Ausatemmanövers des Nutzers P mittels des Drucksensors 18 erkannt wurde, wird die Pumpe 15 wiederum über den ersten Zeitraum eingeschaltet. Die Leistung der Pumpe 15 wird dabei allerdings nicht im Hinblick auf einen konstanten Luftvolumenstrom am
Durchflussmesser 13, sondern im Hinblick auf einen konstanten Druck am Drucksensor 18 geregelt. Dieser wird in der Komfortfunktion auf einem Wert von beispielsweise 200 Pascal gehalten. Hierzu wird der Durchsatz der Pumpe 15 erhöht, wenn der Nutzer P stärker ausatmet und die Leistung der Pumpe 15 reduziert, wenn sich die Ausatemleistung des Nutzers P verringert. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird die Probennahme allerdings erst dann beendet, wenn der integrierte Luftvolumenstrom den Wert von beispielsweise 100 Pascal erreicht hat. Das Beenden der Probennahme erfolgt auch in diesem Ausführungsbeispiel, indem die Pumpe 15 über den zweiten Zeitraum abgeschaltet wird. Das Entnehmen der Probe und das Auslesen von Daten über das Atemmuster des Nutzers P erfolgt ebenfalls wie in dem ersten
Ausführungsbeispiel des Verfahrens.

Claims

Ansprüche
System (1) zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten, aufweisend ein Mundstück (121) und eine Atemluftleitung (11), in der mindestens eine Sammeleinheit (123) für Atemluftaerosole und
Atemluftkondensate und mindestens eine Pumpe (15) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (18) an der Atemluftleitung (11) zwischen einschließlich dem Mundstück (121) und einschließlich der Sammeleinheit (123) angeordnet ist, wobei ein elektronisches Steuergerät (17) eingerichtet ist, um die Pumpe (15) in Abhängigkeit von Sensordaten des Drucksensors (18) zu steuern oder zu regeln.
System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Durchflussmesser (13) in der Atemluftleitung (11) zwischen der Sammeleinheit (123) und der Pumpe (15) angeordnet ist.
System (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronisches Steuergerät (17) eingerichtet ist, um die Pumpe (15) in Abhängigkeit von Sensordaten des Durchflussmessers (13) zu steuern oder zu regeln.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mundstück (121) und die Sammeleinheit (123) als abnehmbare
Einwegelemente (12) des Systems (1) angeordnet sind.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinheit (123) einen Fliehkraftabscheider (1231) und ein
Sammelgefäß (1232) aufweist.
System (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Kühlvorrichtung (191) eingerichtet ist, um den Fliehkraftabscheider (1231) und das Sammelgefäß (1232) zu kühlen, ein Temperatursensor (192) so angeordnet ist, dass er die Temperatur im Fliehkraftabscheider (1231) misst und ein elektronisches Steuergerät (17) eingerichtet ist, um die Kühlvorrichtung (191) in Abhängigkeit von Sensordaten des Temperatursensors (192) zu regeln.
7. System (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Oberfläche der Atemluftleitung (11) zwischen dem Mundstück (121) und der Sammeleinheit (123) und eine Oberfläche des Fliehkraftabscheiders (1231) jeweils eine hydrophobe Oberflächenbeschichtung aufweist.
8. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Atemluftleitung (11) stromabwärts der Sammeleinheit (123) eine Entfeuchtungseinheit (126) angeordnet ist.
9. Verfahren zum Sammeln von Atemluftaerosolen und Atemluftkondensaten mittels eines Systems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (15) auf Basis von Sensordaten des
Drucksensors (18) angesteuert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (15) eingeschaltet wird, wenn ein Druck, der von dem Drucksensor (18) gemessen wird, einen ersten Schwellenwert überschreitet, und dass die Pumpe (15) ausgeschaltet wird, wenn der Druck einen zweiten Schwellenwert
unterschreitet.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
eingeschaltete Pumpe (15) so geregelt wird, dass in der Atemluftleitung (11) ein vorgegebener Luftmassenstrom oder Luftvolumenstrom vorliegt.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
eingeschaltete Pumpe (15) so geregelt wird, dass an einer definierten Stelle in der Atemluftleitung (11) ein vorgegebener Druck vorliegt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Leistung der Pumpe (15) nach ihrem Einschalten über einen vorgegebenen ersten Zeitraum auf einen Wert erhöht wird, bei dem der vorgegebene
Luftmassenstrom oder der vorgegebene Luftvolumenstrom oder der vorgegebene Druck in der Atemluftleitung vorliegt, und die Leistung der Pumpe (15) bei ihrem Abschalten über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum auf Null abgesenkt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammeln der Atemluftaerosolen und Atemluftkondensate beendet wird, wenn ein integrierter Luftmassenstrom oder Luftvolumenstrom durch die Atemluftleitung (11) einen dritten Schwellenwert erreicht.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass während des Sammeln der Atemluftaerosolen und Atemluftkondensate ein Druck und ein Luftmassenstrom oder Luftvolumenstrom in der Atemluftleitung (11) erfasst werden und aus diesen Werten ein Atemmuster charakterisiert wird.
16. Elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, um die Pumpe (15) eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 15 zu steuern und/oder zu regeln.
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