DE102009038238A1 - Sensor-Plattform für die Atemgasanalyse - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft, aufweisend eine Einlassöffnung zum Einbringen von Ausatemluft (Mundstück), mindestens eine Messkammer zum Aufnehmen einer Sensoreinheit, eine Leitung, welche eine fluidische Verbindung von der Öffnung zu der Messkammer schafft, wobei abhängig von dem zu messenden Gasanalyten eine Sensoreinheit mit einem entsprechenden Gassensor in die Aufnahme eingebracht werden kann.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Analyten im Atemgas und ein Verfahren zur Messung der Konzentration von NO.
- Geräte zur Atemgasanalyse für medizinische Diagnostik, Therapie-Monitoring oder Lifestyle-Anwendungen kommen zunehmend auf den Markt. Vor allem die Entwicklung von preisgünstigen, selektiven und hochsensitiven Sensoren ermöglicht künftig die Entwicklung von kleinen, tragbaren und preisgünstigen Geräten. Allerdings wird bisher die Entwicklung für jede Anwendung, wie z. B. Asthma-Monitoring und Blutalkohol, getrennt durchgeführt.
- Es gibt eine Vielzahl von Biomarkern, Stoffwechselprodukten und anderen Substanzen, die im Atemgas gemessen werden können, die Auskunft über Entzündungserkrankungen, Krebserkrankungen, Stoffwechselerkrankungen oder Vergiftungserscheinungen des Patienten geben können, siehe z. B. Pleil in J Toxicol Environ Health B Crit Rev. 2008 Oct; 11(8): 613–29. Role of exhaled breath biomarkers in environmental health science oder Buszewski et al, Human exhaled air analytics: biomarkers of diseases, Biomed Chromatogr. 2007 Jun; 21(6): 553–66. Review. Konkret kommt die Atemgasanalyse bereits bei der Diagnose von Vergiftungen, Asthma, Diabetes, Lungenkrebs, entzündlichen Atemwegserkrankungen und Nieren- oder Leberversagen zum Einsatz.
- Bisher wird Atemgasanalyse für eine breite Palette von Zielgasen nur an sehr großen und teuren Apparaturen, wie z. B. einem Massenspektrometer oder Gaschromatographen vor allem für die medizinische Forschung durchgeführt. Kleine tragbare Geräte im mittleren Preisniveau sind bisher auf dem Markt nur für einzelne Nischenanwendungen, wie z. B. die NO-Bestimmung für das Asthma-Monitoring oder Alkoholmessungen, verfügbar.
- Außerdem sind ”elektronische Nasen” entwickelt worden, die mehrere Sensoren in einem Gerät integrieren, um komplexe Gerüche messtechnisch identifizieren zu können. Allerdings werden für elektronische Nasen Arrays von unspezifischen Sensoren verwendet, und nicht hochselektive Sensoren für einzelne Zielgase.
- Gleichzeitig werden immer kleinere und leistungsfähigere Sensoren entwickelt, z. B. FET-Sensoren zum Nachweis von NO, IR-Sensoren, elektrochemische Sensoren etc.
- Das Marktpotential für die Atemgasanalyse könnte erheblich erweitert werden, wenn eine modulare Plattformtechnologie zur Verfügung stehen würde, die auf derselben Gerätebasis eine beliebige Kombination von Zielgasen aus einer breiten Optionspalette erlauben würde.
- Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, in einer modularen Basisplattform alle Funktionalitäten für Atemgasanalyse zu integrieren, die allen möglichen Messanwendungen gemeinsam sind.
- Die Erfindung umfasst insbesondere die Gegenstände der folgenden nummerierten Absätze:
- 1. Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft, aufweisend eine Einlassöffnung zum Einbringen von Ausatemluft, mindestens eine Messkammer zum Aufnehmen einer Sensoreinheit, eine Leitung, welche eine fluidische Verbindung von der Öffnung zu der Messkammer schafft, wobei abhängig von dem zu messenden Gasanalyten eine Sensoreinheit mit einem entsprechenden Gassensor in die Aufnahme eingebracht werden kann.
- 2. Vorrichtung nach Absatz 1, aufweisend eine Mehrzahl von Messkammern.
- 3. Vorrichtung nach Absatz 1 oder 2, ferner aufweisend ein Ventil zum selektiven Verbinden einer Messkammer oder einer Untergruppe von Messkammern der Gesamtzahl von Messkammern mit der Einlassöffnung.
- 4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Absätze, ferner aufweisend mindestens eine Gaskonditionierungseinrichtung.
- 5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Absätze, eine Partitionierungeinrichtung zum Partitionieren der eingelassenen Ausatemluft und, optional zum Zuleiten einer vorbestimmten Partition zu der Messkammer oder zum Zuleiten einer vorbestimmten Partition zu einer vorbestimmten Messkammer von einer Mehrzahl von Messkammern.
- 6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Absätze, ferner aufweisend eine Einrichtung zum Zuleiten eines bestimmten Volumens an Ausatemgas zu einer bestimmten Messkammer.
- 7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Absätze, ferner aufweisend ein Partikelfilter.
- 8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Absätze, ferner aufweisend ein Einwegventil, so dass ein Benutzer einmal in die Vorrichtung ausgeatmete Luft nicht mehr ansaugen und wieder einatmen kann.
- 9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Absätze, wobei der mindestens eine Gasanalyt Stickstoffmonoxid ist und die Einrichtung zur Gaskonditionierung eine Einrichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid ist.
- 10. Vorrichtung nach Absatz 9, wobei der Gassensor ausgewählt ist aus der Gruppe Gas-sensitiver FET-Sensor, IR-Sensor, Metalloxidsensor.
- 11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Absätze, aufweisend eine Kalibriergaseinrichtung zum Beaufschlagen der Messkammer mit mindestens einem Kalibriergas.
- 12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Absätze, aufweisend eine Temperiereinrichtung zur Temperierung mindestens einer Messkammer.
- 13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Absätze, wobei mindestens eine Messkammer thermisch isoliert ist.
- Die Messkammer bildet eine Aufnahme, in welcher die Sensoreinheit aufgenommen werden kann, so dass eine Fluidverbindung von der Leitung zum Gassensor gewährleistet ist.
- Bevorzugt sind 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, oder 10 Messkammern vorgesehen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist eine Messkammer eine Mehrzahl von Aufnahmen für eine Mehrzahl von Sensoreinheiten auf.
- Bei mehreren Messkammern können Zuleitungen unterschiedlichen effektiven Durchmessers vorgesehen sein, so dass bestimmte Messkammern bestimmte Anteile des Gasstroms erhalten.
- Eine Gaskonditionierungseinrichtung kann eine Einrichtung zur Luftentfeuchtung, zum Filtern von Atemaerosolen, eine Oxidationseinrichtung, eine Heizung, ein Filter oder ähnliches sein, um die Ausatemluft stromaufwärts von einer (oder der einen) Messkammer für die Messung zu konditionieren. Die Gaskonditionierungseinrichtung kann ebenfalls modular in einer dafür vorgesehen Aufnahme angebracht sein. Dadurch kann sie beispielsweise bei Verbrauch einfach ausgetauscht werden, bzw. je nach Messerfordernis kann das System mit einer oder mehreren unterschiedlichen Gaskonditionierungseinrichtungen ausgestattet werden. Die Gaskonditionierungseinrichtung wird stromaufwärts von der Messkammer angeordnet.
- Eine Partitionierungeinrichtung kann mit einfachen mechanischen Elementen oder auch mit einer (z. B. elektronischen) Steuerung mit Zeit- oder volumenabhängiger Partitionierung des Ausatemstromes realisiert sein. Dazu kann beispielsweise ein verzweigtes Leitungssystem vorgesehen sein, wobei über ein Drei- oder Mehrwegeventil eine bestimmte Partition über einen jeweiligen Leitungszweig zu der entsprechenden Messkammer geleitet werden kann.
- Die Einrichtung zum Zuleiten eines bestimmten Volumens an Ausatemgas kann mit einfachen mechanischen Elementen oder auch mit einer (z. B. elektronischen) Steuerung realisiert sein.
- Bevorzugt kann die Sensoreinheit von außen in die Messkammer eingebracht werden, ohne dass das Atemmessgerät geöffnet werden muss. Besonders bevorzugt kann die Sensoreinheit ohne zusätzliches Werkzeug, z. B. durch eine Steckverbindung, eingebracht oder ausgetauscht werden.
- Durch eine thermische Isolierung der Messkammer können mehrere Gassensoren jeweils in ihrem Temperaturoptimum betrieben werden, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen.
- Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin die folgenden Merkmale umfassen:
- – Mundstück und/oder Gasflusskanäle zur Probenentnahme aus dem Atemgas
- – Einen Prozessor z. B. zur Messsteuerung, Messwertaufnahme und/oder Datenverarbeitung
- – Ventile und Pumpen zur Gasflusssteuerung und zum Ausspülen des Messgases (z. B. mit Hilfe von Umgebungsluft)
- – Ggf. Referenzgaseinrichtungen zur Kalibrierung, z. B. in Form eines Gasspeichers oder Gasgenerators.
- – Filter zum Reinigen und Entfeuchten des Atemgases
- – Filter zum Reinigen des Spülgases
- – Vorrichtungen zur Qualitätskontrolle der Messung, z. B. Volumenkontrolle, Feuchtigkeitskontrolle, Temperaturkontrolle u. ä.
- – Datenausgabevorrichtung, z. B. ein Display
- Als Kalibriergas kann gereinigte Luft verwendet werden, die z. B. erzeugt wird, indem Außenluft über einen reinigenden Gasfilter angesaugt wird. Dieser kann z. B. Aktivkohle enthalten.
- Diese modulare Messplattform ist so ausgestaltet, dass ohne weiteren konstruktiven Aufwand eine beliebige Auswahl von Gassensoren aus einer vorgegeben Palette von Zielgasen im selben Gerät integriert werden kann. Typischerweise werden Sensoren von 2 bis 4 Zielgasen in der modularen Plattform gemeinsam montiert.
- Bevorzugt kann die Messkammer durch Ventile in der Phase der Nichtbenutzung des Gerätes gasdicht abgeschlossen werden, so dass in dieser Zeit keine Umgebungsluft zum Sensor gelangen kann.
- Bei einer Mehrzahl von Messkammern und einem Verzweigungssystem von Leitungen liegt die jeweilige Anordnung von Gaskonditionierungseinrichtungen, Ventilen, Partionierungseinrichtungen, Einrichtungen zum Messen eines Volumens an Atemgas im Ermessen des Fachmanns.
- Eine typische Auswahl von Gasanlyten ist z. B.
- – NO für das Asthma-Monitoring
- – CO2 für die Diagnostik der Fertilität
- – H2 zur Diagnostik einer Heliobacter-Pylori-Infektion
- – Kohlenmonoxid (CO) zur Diagnose von entzündlichen Atemwegserkrankungen
- – Volatile organische Verbindungen, z. B. Alkohole, Aldehyde, Carbonsäuren oder Ketone, z. B. Alkohol zur Bestimmung des Blutalkohol-Spiegels aus dem Atemgas oder z. B. Aceton zur Optimierung des Fitness-Trainings
- Dies ermöglicht die Kombination von 2 oder mehr Sensoren gleichen oder unterschiedlichen Typs (z. B. Gas-FET, IR-Sensor, Metalloxid-Sensor) in einem Gerät, wodurch das Gerät an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann.
- Bevorzugt ist ein Ventilsteuerungssystem vorgesehen, das die gezielte Auswahl einer bestimmten Partition des Ausatemstromes (z. B. nur end-expiratorische Partition oder gesamter Atemstrom) über die Sensoren leitet, wobei die Partition für jedes Zielgas unterschiedlich sein kann.
- Das Grundgerät ist so modular aufgebaut, dass es mit unterschiedlichen Sensoren für unterschiedliche Zielgase bestückt werden kann, und z. B. mittels Software in einem Steuerprozessor an die unterschiedlichen Messaufgaben angepasst werden kann.
- Bevorzugt enthält die Vorrichtung einen Gasauslass, der verhindert, dass bei einem nach dem Lufteinbringen anhaltenden Messvorgang Außenluft in die Messkammer eindringt und die Messung verfälscht.
- Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ein oder mehrere Ventile, um die Messkammer während des Messvorgangs gasdicht abzuschliesen.
- Die Messkammern können derart thermisch isoliert sein, dass sie bei erhöhten Temperaturen betrieben werden können, um ein unerwünschtes Anhaften von Gasmolekühlen an der Messkammerwand zu verhindern. Die Gasmessung kann auch bei unterschiedlich temperierten Sensoren mit lokalen Temperaturunterschieden bis zu mehreren Hundert Grad durchgeführt werden. Die Sensoren können in einer gemeinsamen Messkammer oder in unterschiedlichen Messkammern untergebracht werden.
- Hat das Gerät zwei oder mehrere Messkammern, so wird der Eingangsgasstrom durch ein entsprechendes Verzweigungssystem vor den Messkammern aufgeteilt und die Teilmengen jeweils unterschiedlichen Messkammern zugeführt. Hierbei kann ein Gaskonwerter (z. B. für die Konversion von NO in NO2) nur in einem der mehreren Zuleitungswege eingebaut sein.
- Einer oder mehrere der Sensoren kann verwendet werden, um hochspezifisch andere Gase als die Zielgase zu messen, wobei die Sensoren für die Zielgase Querempfindlichkeiten zu den anderen Gasen aufweisen, und die zusätzlichen Messwerte von den hochspezifischen anderen Sensoren verwenden werden, um die Messwerte der Zielgas-Sensoren zu korrigieren.
- Die erfindungsgemäß vorgeschlagene modulare Messplattform zur Atemgasanalyse ermöglicht ein vergrößertes Marktpotential für die Atemgasanalytik, in dem der Entwicklungsaufwand für neue Atemgasanalysegeräte deutlich verringert wird, und die Geräte somit deutlich preiswerter hergestellt werden können.
- Preiswerte NO-Sensoren mit der erforderlichen Empfindlichkeit im ppb-Bereich waren bisher nicht am Markt verfügbar. Ein neu entwickelter NO2-Sensor auf Basis der „Suspended Gate FET”-Technologie entspricht den genannten Anforderungen.
- Allerdings muss einem derartigen Sensor eine Gaskonditionierungseinrichtung zur Umwandlung des NO im Atemgas zu NO2, welches vom Sensor detektiert werden kann, vorgeschaltet werden. Sie sollte idealerweise mehrere Monate oder gar Jahre halten, preiswert sein und NO mit höchstmöglicher und konstanter Umwandlungsrate in NO2 konvertieren.
- Die Umsetzung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid erfolgt gemäß der folgenden Reaktionsgleichung:
2NO + O2 ↔ 2NO2, - Die Umsetzung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid kann in einem Atemgassensorgerät durch eine Gaskonditionierungseinrichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid erfolgen, z. B. durch Durchleiten der (Atem-)-Luft durch ein Oxidationsmittel (z. B. Kaliumpermanganat) oder einen Oxidationskatalysator, der Luftsauerstoff oder Restsauerstoff der Atemluft zur Oxidation nutzt.
- Ein weiteres Problem ist die Tatsache, dass sich NO2 wesentlich besser in Wasser löst als NO. Daher wird ein Verfahren benötigt, um die Konzentration des konvertierten NO2 im feuchten Atemgas möglichst konstant und quantitativ messbar zu halten. Aufgrund der höheren Löslichkeit von NO2 in Wasser wird in (Atem-)Luft mit hohem Feuchtigkeitsgehalt ein Teil des (konvertierten) NO2 in Wasser gelöst, die Konzentration des messbaren NO2 sinkt und es wird ein scheinbar zu niedriger NO Gehalt gemessen.
- Um eine quantitative Messung des NO-Gehaltes zu ermöglichen sollte beispielsweise eine weitere Gaskonditonierungseinrichtung zur Luftentfeuchtung und anschließend eine Einrichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid gewählt werden.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet hierbei die Möglichkeit, Messkammern für mehrere Sensoren vorzusehen und weitere Aufnahmen für mehrere Gaskonditionierungseinrichtungen vorzusehen, so dass die Vorrichtung wie in obigem Beispiel jeweils an die Messanwendung angepasst werden kann.
- Sowohl das Mundstück, die Gaskonditionierungseinrichtung und die Sensoreinheit können als Verbrauchsartikel (Disposable) ausgestaltet sein, das nach einmaliger Verwendung oder nach einer begrenzten Anzahl von Verwendungen ausgetauscht werden kann.
- Je nach Anwendung kann das Befüllen der Messkammer deutlich schneller ablaufen als der eigentliche Messvorgang des Sensors. Hier muss beachtet werden, daß während des noch andauernden Messvorganges keine Außenluft in die Messkammer eindringt und die Messung dadurch verfälscht. Während des Messvorganges muss also in diesem Fall die Messkammer abgeschlossen sein. Dies kann ausgeführt werden indem eine Zu- und Ableitung von bzw. zu der Messkammer verwendet wird, die einen ausreichend hohen Widerstand gegenüber Luftbewegung hat. Alternativ kann die Messkammer mit einem oder zwei Ventilen während des Messvorganges abgeschlossen werden.
- Manche der für die genannten Zwecke interessanten Sensoren verwendbaren Sensoren können in der Ruhephase mit Bestandteilen der Umgebungsluft reagieren, was zu einer Verfälschung der Sensoranzeige, z. B. in Form einer Veränderung des Sensornullpunktes, führen kann. Dies wird vorteilhafterweise vermieden, indem Vorrichtungen wie z. B. Ventile vorgesehen sind, die während der Nichtbenutzung des Gerätes den Zutritt von Außenluft zu in der Messkammer befindlichen Sensoren unterbindet.
- Wesentliche Vorteile des Gesamtsystems liegen darin, dass eine nicht invasive Messmethode verwendet wird. Die Messungen sind in großer Anzahl wiederholbar und können somit auch zur Verlaufskontrolle bei Therapien, bei der Diagnose unterschiedlicher Krankheiten etc. genutzt werden. Das hier vorgestellte System ist deshalb auch für den Einsatz außerhalb von Kliniken und Arztpraxen geeignet.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Pleil in J Toxicol Environ Health B Crit Rev. 2008 Oct; 11(8): 613–29 [0003]
- - Role of exhaled breath biomarkers in environmental health science oder Buszewski et al, Human exhaled air analytics: biomarkers of diseases, Biomed Chromatogr. 2007 Jun; 21(6): 553–66. Review [0003]
Claims (13)
- Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft, aufweisend eine Einlassöffnung zum Einbringen von Ausatemluft, mindestens eine Messkammer zum Aufnehmen mindestens einer Sensoreinheit, eine Leitung, welche eine fluidische Verbindung von der Öffnung zu der Messkammer schafft, wobei abhängig von dem zu messenden Gasanalyten eine Sensoreinheit mit einem entsprechenden Gassensor in die Aufnahme eingebracht werden kann.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend eine Mehrzahl von Messkammern.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend ein Ventil zum selektiven Verbinden einer Messkammer oder einer Untergruppe von Messkammern der Gesamtzahl von Messkammern mit der Einlassöffnung.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens eine Gaskonditionierungseinrichtung.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, eine Partitionierungeinrichtung zum Partitionieren der eingelassenen Ausatemluft und, optional zum Zuleiten einer vorbestimmten Partition zu der Messkammer oder zum Zuleiten einer vorbestimmten Partition zu einer vorbestimmten Messkammer von einer Mehrzahl von Messkammern.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Einrichtung zum Zuleiten eines bestimmten Volumens des Ausatemgases zu einer bestimmten Messkammer.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Partikelfilter.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Einwegventil, so dass ein Benutzer einmal in die Vorrichtung ausgeatmete Luft nicht mehr ansaugen und wieder einatmen kann
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Gasanalyt Stickstoffmonoxid ist und die Einrichtung zur Gaskonditionierung eine Einrichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Gassensor ausgewählt ist aus der Gruppe NO2-sensitiver FET-Sensor, IR-Sensor, Metalloxidsensor.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Kalibiriergaseinrichtung zum Beaufschlagen der Messkammer mit mindestens einem Kalibriergas.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Temperiereinrichtung zur Temperierung mindestens einer Messkammer.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Messkammer thermisch isoliert ist.
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