DE102013215640A1

DE102013215640A1 - Anordnung zur Entnahme von Atemgasproben

Info

Publication number: DE102013215640A1
Application number: DE201310215640
Authority: DE
Inventors: Brigitte Förster; Andreas Kappel; Erhard Magori; Roland Pohle; Oliver Von Sicard
Original assignee: Siemens Healthcare Diagnostics Products GmbH; Siemens AG; Siemens Corp; Siemens Healthcare Diagnostics Inc
Current assignee: Siemens Healthcare Diagnostics Products GmbH; Siemens AG; Siemens Corp; Siemens Healthcare Diagnostics Inc
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2015-02-12
Also published as: US20160174875A1; EP3001804A1; JP2016529496A; JP6180636B2; CN105578959A; WO2015018856A1

Abstract

Es wird eine Anordnung zur Entnahme von Atemgasproben angegeben, umfassend: – einen Behälter zur Aufnahme einer Atemprobe, – einen im Behälter verschiebbar und gasabdichtend schließend angeordneten Kolben, – eine mit einem Mundstück verbindbare Gaszuführung in den Behälter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Entnahme von Atemgasproben.
Bisher gibt es keine zuverlässige und zugleich kostengünstige Methode, um Krankheiten wie beispielsweise Tuberkulose zu diagnostizieren. Die Messung von für bestimmte Krankheiten charakteristischen Markergasen in der menschlichen Ausatemluft stellt eine nicht invasive Technik mit hohem Potential dar, auch kostengünstig umsetzbar zu sein, um Krankheiten wie Tuberkulose und metabolische Fehlfunktionen zu erkennen. Die Analyse der Ausatemluft kann beispielsweise mit Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC/MS) vorgenommen werden. Dafür muss die Ausatemluft vorher aufgenommen und gespeichert werden. Die Speicherung passiert im Stand der Technik mit sogenannten Adsorptionsröhrchen. Diese Speicherung funktioniert auch über Wochen hinweg sicher, was beispielsweise ein weltweites Verschicken ermöglicht.
Um ausreichend Moleküle in einem Adsorptionsröhrchen zu sammeln, muss eine gewisse Menge an Atemluft (ca. 1 l) durch das Adsorptionsröhrchen geleitet werden. Dabei sollte eine bestimmte Flussrate kontinuierlich eingehalten werden (etwa 100 ml/min), damit das Gas eine ausreichend lange Verweildauer in dem Adsorptionsröhrchen verbringt und die Moleküle am Adsorbens anhaften können. Diese Randbedingungen sind für direkte Entnahme beim Ausatmen nicht einzuhalten, da die Röhrchen einerseits einen hohen Strömungswiderstand haben, sodass es nicht möglich ist, direkt durch die Röhrchen auszuatmen und andererseits die Entnahme der Atemprobe in etwa 10 Minuten dauert. Zur Lösung des Problems werden als Atemspeicher Kunststoff-Beutel verwendet. Diese haben wiederum den Nachteil, dass sie Gase freisetzen, die die Probe der Ausatemluft erheblich verfälschen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Entnahme von Atemgasproben anzugeben, die den genannten Nachteil vermeidet. Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Entnahme von Atemgasproben umfasst einen Behälter zur Aufnahme einer Atemgasprobe, einen im Behälter verschiebbar und gasabdichtend schließend angeordneten Kolben sowie eine mit einem Mundstück verbindbare Gaszuführung in den Behälter. Bei dem Behälter kann es sich beispielsweise um einen Zylinder handeln.
Behälter und Kolben bilden zusammen ein Speichervolumen für eine Atemgasprobe, das durch ein Herausschieben des Kolbens aus dem Behälter vergrößerbar ist. Das maximale Speichervolumen beträgt bevorzugt zwischen 0,1 l und 3 l, insbesondere zwischen 0,5 l und 1,5 l.
Dabei sind Behälter und Kolben bevorzugt so gestaltet, dass die der Atemgasprobe zugewandten, also inneren Oberflächen Materialien aufweisen, die keine oder so gut wie keine Ausgasungen verursachen, beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethen), Glas oder Metall. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass eine im Behälter gespeicherte Atemgasprobe nicht oder nicht erheblich verunreinigt wird. Es ist möglich, dass der Behälter und/oder der Kolben hierzu eine Beschichtung mit dem entsprechenden Material aufweisen. Der Behälter und/oder der Kolben können auch komplett oder im Wesentlichen komplett aus dem Material gefertigt sein.
Vorteilhaft ist die so geschaffene Anordnung zwischen verschiedenen Befüllungsvorgängen gut spülbar, sodass keine Rückstände im System verbleiben. Mit anderen Worten ist der Behälter wiederverwendbar. Damit entfällt beispielsweise das Auswechseln eines Speicherbeutels bei der Aufnahme einer Atemgasprobe, wodurch der Aufwand reduziert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen der Behälter und/oder der Kolben auf den Flächen, die das jeweils andere Element berühren, eine PTFE-Oberfläche auf. Dadurch wird ein besonders reibungsarmes Verschieben des Kolbens im Behälter ermöglicht. Gleichzeitig wird auch ein Ausgasen weiterhin vermieden. Das reibungsarme Verschieben ist besonders vorteilhaft, um das Befüllen des Behälters mit der Atemgasprobe mit dem menschlichen Ausatemdruck zu erleichtern, wobei der Kolben beim Befüllen durch den Ausatemdruck verschoben werden muss.
Zweckmäßig umfasst die Anordnung eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme eines Adsorptionsröhrchens und Mittel zur Leitung der Atemgasprobe aus dem Behälter zum Adsorptionsröhrchen. Die Mittel sind dabei zweckmäßig eines oder mehrere Ventile. Damit wird ermöglicht, die im Behälter zwischengespeicherte Atemgasprobe kontrolliert in ein austauschbares Adsorptionsröhrchens zu leiten. Vorteilhaft umfasst die Anordnung hierzu eine Pumpe zur gesteuerten Führung der Atemgasprobe aus dem Behälter.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Anordnung ein Ventilsystem, das ausgestaltet ist, einen ersten Anteil des zugeführten Ausatemgases in die Umgebung abzuleiten und einen zweiten, auf den ersten folgenden Teil des zugeführten Ausatemgases in den Behälter zu leiten. Hiermit wird erreicht, dass Komponenten des zugeführten Ausatemgases, die beispielsweise aus dem Mund, Rachenraum und Luftröhre stammen und die Atemprobe verfälschen könnten, nicht oder nur in geringfügiger Menge dem Behälter zugeführt werden. Ein typischer zu verwerfender erster Teil des Ausatemgases umfasst zwischen 0,25 l und 0,75 l, idealerweise 0,5 l.
Dabei wird der Atem zunächst in einen Bypass geleitet. Das Volumen des eingeblasenen Atems wird mit einem Flusssensor gemessen (Integral über den Fluss). Nachdem ein gewünschtes Volumen erreicht ist, schalten die Ventile den Atemfluss vom Bypass in den Speicherkolben um. Vorstellbar ist eine Anordnung, in der der Atemspeicher mit einem vorgespannten Passiv-Ventil geschlossen ist. Zunächst wird der Atem in einen "Bypass-Atemspeicher" mit gewünschtem Bypass-Volumen geleitet. Wenn dieser Bypass-Atemspeicher voll ist, steigt der Druck im System und das Passiv-Ventil zum Haupt-Atemspeicher öffnet sich. Somit wird der Haupt-Atemspeicher erst befüllt, wenn ein gewünschtes Volumen in den Bypass-Atemspeicher geflossen ist. Diese Lösung spart das Volumengesteuerte Umschalten beim Einblasen ein.
Die Anordnung kann einen Durchflusssensor umfassen. Mit dem Durchflusssensor kann beispielsweise die Geschwindigkeit des Einströmens des Ausatemgases überprüft werden und somit eine Überwachung der Befüllung des Behälters vorgenommen werden. Sofern die Anordnung beispielsweise eine steuernde Elektronik umfasst, ist damit ein Messwert für die Steuerung vorhanden.
Die Anordnung kann eine Drossel zur Erzeugung eines Gegendrucks von im Bereich von etwa 150 Pa (entsprechend 15 mmH2O) umfassen. Ein Gegendruck in diesem Bereich schließt vorteilhaft das Velum (Gaumensegel) und verhindert oder verringert damit das Eindringen störender Atemgas-Komponenten aus den Nebenhöhlen. Dabei ist es zweckmäßig, den Gegendruck der Drossel mit dem ohnehin in der Anordnung beispielsweise bedingt durch die Verschiebung des Kolbens vorliegenden Gegendruck abzugleichen, um insgesamt einen möglichst niedrigen Gegendruck zu bewahren.
Ist eine Drossel vorgesehen, kann der Durchflusssensor vorteilhaft durch Drucksensoren vor und hinter der Drossel realisiert werden. Die Drucksensoren können den Differenzdruck zwischen ihren jeweiligen Orten ermitteln und damit unter Zuhilfenahme der Eigenschaften der Drossel einen rechnerischen Rückschluss auf den Durchfluss ermöglichen. Dabei können konkret die Drucksensoren ausgestaltet sein, zweimal den Absolutdruck zu bestimmen, wobei der Differenzdruck dann berechnet wird. Ebenso kann einer oder beide der Drucksensoren ausgestaltet sein, direkt den Differenzdruck zu ermitteln.
Es ist vorteilhaft, wenn die Anordnung eine Heizeinrichtung umfasst. Durch eine Temperierung von Behälter, Kolben und/oder Leitungssystem wird eine Adsorption von Gaskomponenten in den beheizten Bereichen verringert oder vermieden. Dadurch bleibt die Atemgasprobe besser in ihrer Gaszusammensetzung erhalten und Verschmutzungen durch Gasreste vorheriger Atemgasproben werden verringert.
Die Anordnung kann weiterhin einen Sensor zur Ermittlung des vom Kolben zurückgelegten Wegs umfassen. Damit ist eine Überwachung und Kontrolle der Befüllung des Behälters möglich. Alternativ oder zusätzlich kann im Behälter ein Drucksensor vorgesehen sein. Dieser ermöglicht ebenfalls eine Kontrolle der Befüllung.
Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale stark schematisiert und nicht maßstäblich dargestellt. Dabei zeigt 1 ein Probennahmesystem 10 für Atemgasproben.
Das Probennahmesystem 10 umfasst ein Mundstück 11, durch das ein Proband eine Atemgasprobe abgeben kann, also in das Probennahmesystem 10 ausatmen kann. Das Probennahmesystem 10 im eigentlichen Sinn umfasst dabei nur eine Aufnahmeeinrichtung für das Mundstück 11, das Mundstück 11 selbst ist ein austauschbares Element. Das Mundstück 11 ist verbunden mit einem System aus Gasleitungen 40, die die weiteren Elemente des Probennahmesystems 10 untereinander verbinden und die Weiterleitung und Verteilung der Atemgasprobe und anderer Gase erlauben. Auf das Mundstück 11 folgt ein Bakterienfilter 12, durch den die Atemgasprobe von Bakterien gereinigt wird. Auch das Bakterienfilter 12 ist zweckmäßig austauschbar.
Auf das Bakterienfilter 12 folgt in einer Einströmrichtung 41, die eine Atemgasprobe im Wesentlichen nimmt, ein erstes Ventil 13. Weiter folgen ein erster Knotenpunkt 16a, eine Drossel 14 mit einem Durchmesser von 0,3 mm und ein zweiter Knotenpunkt 16b. Der erste und zweite Knotenpunkt 16a, b sind für den Anschluss eines Durchflussmessgeräts 15 ausgestaltet. Beispielsweise sind an den beiden Knotenpunkten 16a, b Drucksensoren angeordnet, die wiederum derart zusammengeschaltet sind, dass ein Differenzdruck zwischen den beiden Knotenpunkten 16a, b ausgegeben wird. Eine in 1 nicht dargestellte Steuerungseinrichtung bestimmt aus dem Differenzdruck den Durchfluss durch die Drossel 14.
Auf den zweiten Knotenpunkt 16b folgt in der Einströmrichtung 41 ein dritter Knotenpunkt 17, von dem aus über ein zweites Ventil 18 ein Gasauslass 19 erreichbar ist. In der Einströmrichtung 41 folgen auf den dritten Knotenpunkt 17 ein vierter Knotenpunkt 20, ein drittes Ventil 21 und ein fünfter Knotenpunkt 22. Mit dem fünften Knotenpunkt 22 direkt verbunden ist ein Zylinder 27, in dem auf einer Achse ein verschiebbarer Kolben 28 angeordnet ist. Auf der Einmündungsseite, auf der die Gasleitung 40 in Einströmrichtung 41 in den Zylinder 27 mündet, bildet der Zylinder 27 mit dem Kolben 28 ein Atemgaszwischenspeicher-Volumen 43.
Auf der der Einströmung abgewandten Seite des Zylinders 27 wird die Gasleitung fortgesetzt zu einem sechster Knotenpunkt 29, der über ein viertes Ventil 30 zu einem zweiten Gasauslass 31 führt. Weiterhin ist der sechste Knotenpunkt 29 über ein fünftes Ventil 32 mit einem siebten Knotenpunkt 33 verbunden. Zwischen dem siebten Knotenpunkt 33 und dem vierten Knotenpunkt 20 besteht über ein sechstes Ventil 35 eine weitere Verbindung. Schließlich führt noch eine Gasleitung 40 vom fünften Knotenpunkt 22 zu einer Einrichtung 23 zur Aufnahme eines Adsorptionsröhrchens 24. Nach dem Adsorptionsröhrchen 23 führt die Gasleitung 40 weiter über eine zweite Drossel 25 mit einem Durchmesser von 0,1 mm zu einem siebten Ventil 26 und von dort zum siebten Knotenpunkt 33. Schließlich ist der siebte Knotenpunkt 33 mit einer Pumpe 34 verbunden.
Der Zylinder 27 ist in diesem Beispiel aus Edelstahl gefertigt, wobei die Innenflächen mit PTFE beschichtet sind. Der Kolben wiederum ist aus PTFE gefertigt. Hierdurch wird eine geringe Reibung beim Verschieben gewährleistet und gleichzeitig dafür gesorgt, dass keinerlei Ausgasungen aus Kolben 28 oder Zylinder 27 für eine Verunreinigung der Atemgasprobe sorgen.
Aus dem gleichen Grund ist es sinnvoll, wenn die weiteren Elemente, soweit möglich, aus PTFE, Glas oder Metall bestehen. Beispielsweise können die mit dem Gas in Berührung stehenden Elemente der Ventile 13, 18, 21, 26, 30, 32, 35 aus Edelstahl bestehen und als Gasleitungen 40 Teflon-Schläuche verwendet werden.
Zur Aufnahme einer Atemgasprobe werden die folgenden Schritte durchgeführt.
Zuerst werden alle Komponenten des Probennahmesystems 10 gespült, um sie von Resten eventueller vorheriger Proben zu reinigen. Dazu werden die Ventile 13, 18, 21, 26, 30, 32, 35 geeignet angesteuert und mittels der Pumpe 34 Luft von außen durch das Probennahmesystem 10 gesaugt.
Der Kolben 28 wird im Zylinder 27 zur weiteren Vorbereitung in eine Stellung geschoben, in der das Atemgaszwischenspeicher-Volumen 43 soweit möglich minimiert ist. Schließlich wird für den Probanden ein Mundstück 11 auf die Aufnahmeeinrichtung für das Mundstück 11 geschoben sowie ein Adsorptionsröhrchen 24 in die Einrichtung 23 eingesetzt.
Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass ein Proband kräftig in das Mundstück 11 ausatmet/pustet. Eine Steuereinrichtung für das Probennahmesystem 10 schaltet zu Anfang die Ventile 13, 18, 21, 26, 30, 32, 35 so, dass der erste Viertelliter der Atemgasprobe, der aus dem Mund/Rachenraum stammt, nicht in den Zylinder gelangt. Hierzu werden das erste und zweite Ventil 13, 18 geöffnet und das dritte und sechste Ventil 21, 35 geschlossen. Mittels des Durchflusssensors 15 kann wird die Menge an Atemgas, das durch die Drossel 14 strömt und damit in dem Moment verworfen wird, kontrolliert. Ist der erste Viertelliter der Atemgasprobe durch die Drossel 14 geströmt, werden die Ventile umgeschaltet, um das Atemgas entlang der Einströmrichtung 41 in den Zylinder 27 zu leiten. Dazu werden das erste und dritte Ventil 13, 21 geöffnet und das zweite, sechste und siebte Ventil 18, 35, 26 geschlossen.
Durch den vom Probanden ausgeübten Ausatemdruck wird der Kolben 28 im Zylinder 27 verschoben, um der Ausatemluft im Atemgaszwischenspeicher-Volumen 43 Platz zu bieten. Die Atemgasprobe ist damit im Atemgaszwischenspeicher-Volumen 43 gespeichert. Nachdem eine festlegbare Menge an Luft in den Zylinder 27 geflossen ist, beispielsweise ein Liter zusätzlich zu dem anfänglich verworfenen Viertelliter, beendet die Steuerungseinrichtung die Aufnahme von Atemgas, indem wenigstens das erste Ventil 13 schließt.
In der Folge wird die Atemgasprobe so durch das Adsorptionsröhrchen 24 geführt, dass eine möglichst gute Adsorption von enthaltenen Gasen stattfindet. Dazu werden das dritte, sechste und fünfte Ventil 21, 35, 32 geschlossen und das siebte und vierte Ventil 26, 30 geöffnet. Die Pumpe sorgt für einen entsprechenden Druckaufbau, der die Atemgasprobe aus dem Atemgaszwischenspeicher-Volumen 43 durch das Adsorptionsröhrchen 24 zieht. Die zweite Drossel 25 sorgt dabei wiederum für einen ausreichend hohen Flusswiderstand, also ausreichend niedrigen Durchfluss, der eine gute Adsorption der Gase im Adsorptionsröhrchen 24 ermöglicht.
Danach kann das Adsorptionsröhrchen entnommen werden und steht beispielsweise für eine GC/MS-Analyse zur Bestimmung der Konzentration von Markergasen zur Verfügung. Mit dem ersten beschriebenen Schritt kann das Probennahmesystem 10 für einen weiteren Probanden vorbereitet werden.
Um Kondensation im Probennahmesystem 10 zu vermeiden, kann das Gerät auf eine Temperatur oberhalb des Taupunkts von Atemluft geheizt werden. Alternativ kann auch ein Entfeuchter im Mundstück, beispielsweise Silikagel verwendet werden. Der Entfeuchter darf jedoch keine relevanten Markergase adsorbieren. Alternativ kann Kondensation von Atemluft toleriert werden. Das sich sammelnde Kondensat kann über ausreichende Spülvorgänge wieder entfernt werden. Alternativ oder zusätzlich können im Probennahmesystem 10 Ablaufvorrichtungen vorgesehen sein.
Vorteilhaft für eine spätere Auswertung ist es, wenn als Adsorptionsröhrchen 24 ein Adsorptionsröhrchen 24 verwendet wird, das bevorzugt Kohlenwasserstoffe adsorbiert und die Adsorption von Wasser vermindert, um bei der späteren Auswertung der Gasbestandteile den hohen Anteil von Wasser und die damit verbundene Beeinflussung der Messung zu verringern.
Um die Ablaufsteuerung zu erleichtern, kann im Bereich des Atemgaszwischenspeicher-Volumens 43 ein Drucksensor vorgesehen sein. Der Drucksensor registriert beispielsweise einen Druckanstieg, wenn die Bewegungsmöglichkeit des Kolbens 28 im Zylinder 27 ausgeschöpft ist, also der Zylinder 27 vollständig mit Atemgas gefüllt ist. Die Steuerungseinrichtung kann daraufhin die Probennahme beendet werden. Ebenso kann das Leerpumpen des Zylinders 27 überwacht werden.

Claims

Anordnung zur Entnahme von Atemgasproben, umfassend: – einen Behälter zur Aufnahme einer Atemprobe, – einen im Behälter verschiebbar und gasabdichtend schließend angeordneten Kolben, – eine mit einem Mundstück verbindbare Gaszuführung in den Behälter, – eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme eines Adsorptionsröhrchens – Mittel zur Leitung der Atemprobe aus dem Behälter zum Adsorptionsröhrchen.
Anordnung gemäß Anspruch 1, bei der das von Behälter und Kolben gebildete Volumen zwischen 0,1 l und 3 l beträgt, insbesondere zwischen 0,5 l und 1,5 l.
Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Behälter innenseitig eine PTFE-Oberfläche aufweist.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Kolben auf den den Behälter berührenden Außenflächen eine PTFE-Oberfläche aufweist.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Behälter auf den der Atemprobe zugewandten Innenflächen eine Glas- oder Metalloberfläche aufweist.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Kolben auf der der Atemprobe zugewandten Fläche eine Glas- oder Metalloberfläche aufweist.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Pumpe zur gesteuerten Führung der Atemprobe aus dem Behälter.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Ventilsystem, ausgestaltet, einen ersten Anteil des zugeführten Ausatemgases in die Umgebung abzuleiten und einen zweiten, auf den ersten folgenden Teil des zugeführten Ausatemgases in den Behälter zu leiten.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Durchflusssensor.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Drossel zur Erzeugung eines Gegendrucks von 15mm Wassersäule.
Anordnung gemäß Anspruch 9 und 10, bei dem der Durchflusssensor Drucksensoren zur Ermittlung der Differenz zwischen den Drücken vor und nach der Drossel umfasst.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Heizeinrichtung.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Sensor zur Ermittlung des vom Kolben zurückgelegten Wegs.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Drucksensor im Behälter.