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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Feld der diagnostischen Gasanalyse
und insbesondere die Bestimmung von endogenem Stickstoffoxid (NO) in
ausgeatmeten Atem von Menschen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Entdeckung von endogenem NO in ausgeatmeter Luft und seine Verwendung
als diagnostisches Kennzeichen von Entzündungen reicht zurück in die
frühen
1990er (siehe beispielsweise WO 93/05709; WO 59/02181). Heutzutage
ist die Bedeutung von endogenem NO weitgehend anerkannt und seit
wenigen Jahren ist ein klinischer Analysator auf dem Markt erhältlich (NIOX®,
der erste maßgeschneiderte
NO-Analysator zum routinemäßigen klinischen Einsatz
für Asthmapatienten,
AEROCRINE AB, Solna, Schweden).
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Im
Sommer 1997 veröffentlichte
das „European
Respiratory journal" Richtlinien
(ERS Task Force Report 10:1683–1693)
für die
Standardisierung von NO-Messungen, um ihre schnelle Einführung in
die klinische Praxis zu ermöglichen.
Auch die „American
Thoracic Society (ATS)" hat
Richtlinien für klinische
NO-Messungen veröffentlicht (American Thoracic
Society, Medical Section of the American Lung Association: Recommendations
for standardized procedures for the online and offline measurement
of exhaled lower respiratory nitric oxide and nasal nitric oxide
in adults and children – 1999,
in Am J Respir Crit Care Med, 1999; 160:2104–2117).
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Der
NIOX®-Analysator
zum klinischen Einsatz und andere hauptsächlich auf Forschung zielende
Anwendungen, basieren auf einer Chemilumineszenz-Bestimmung von
NO. Chemilumineszenz-Bestimmung von NO ist zwar hochgenau und hochzuverlässig, benötigt aber
ein hochentwickeltes Gerät mit
einem Ozon-Generator, einer Vakuumpumpe und Mittel zur Entfeuchtung
der ausgeatmeten Luft, um nur einige wenige Beispiele zu nennen.
Auch wenn Chemilumineszenz-Analysatoren sich signifikant weiterentwickelt
haben, sind sie immer noch ziemlich teuer und sperrig.
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Stand der
Technik
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WO
01/26547 offenbart ein tragbares Atem-NO-Messgerät mit einem widerstandsarmen Strömungspfad
durch die Vorrichtung. In diesem Pfad ist ein NO-Konzentrations-Sensor
platziert, welcher elektrische Signale als Funktion des momentanen
NO-Anteils erzeugt, wenn die Atemgase durch den Strömungspfad
hindurchgehen. Der NO-Sensor ist als Fluoreszenz-basierter Sensor
definiert, welcher bevorzugt eine Antwortzeit von weniger als oder gleich
200 ms und besonders bevorzugt weniger als oder gleich 100 ms besitzt.
Noch schnellere Antwortzeiten werden als wünschenswert genannt.
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Während dies
als Konzept attraktiv ist, so scheint es in der Praxis sehr schwierig,
wenn nicht unmöglich
zu sein, bei Verwendung einer Vorrichtung gemäß WO 01/26547 genaue und zuverlässige NO-Bestimmungen
im ppb-(parts per billion, Teile pro Milliarde)-Bereich zu erreichen.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine tragbare, vorzugsweise
in der Hand haltbare Vorrichtung zur diagnostischen Bestimmung von
NO bereitzustellen. Weitere Ziele umfassen die Zielsetzung, die
Vorrichtung bedienungsfreundlich, robust und zuverlässig zu
machen, während
die hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit der Chemilumineszenz-Analysatoren
beibehalten wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schnittstelle
zwischen den Parametern, welche durch physiologische Faktoren vorgegeben
sind (z. B. Ausatmungs-Strömungsrate,
Feuchtigkeit, Temperatur, etc.), Parametern, welche durch standardisierte
medizinische oder diagnostische Verfahren vorgegeben sind (Proben-Strömungsrate, Dauer,
etc.), und Sensor-abhängigen
Parametern bereitzustellen. Besonders die physiologischen Faktoren
können
zwischen verschiedenen Individuen in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht,
Körpergewicht und
Gesundheitszustand variieren. Mit dem Ausdruck „Sensor-abhängige Parameter" sind hier z. B. die
Temperaturerfordernisse des Sensors, die für zuverlässige Messungen notwendige
Messzeit, hohe und niedrige Schwellwerte für die Feuchtigkeit, etc. gemeint.
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Eine
besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
für diagnostische NO-Messungen
bereitzustellen, welche mit einem elektrochemischen Sensor arbeitet
und welche in Kliniken oder am Behandlungsort leicht einzusetzen
ist, ohne jedoch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen zu beeinträchtigen.
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Eine
andere Aufgabe ist es, eine in der Hand haltbare und robuste Vorrichtung
bereitzustellen, welche vorzugsweise eine vergleichsweise preiswerte
Vorrichtung ist, wiederum ohne die Genauigkeit und Zuverlässigkeit
der Messungen zu beeinträchtigen.
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Weitere
Aufgaben, welche durch die vorliegende Erfindung gelöst werden
und damit verbundene Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung und
den Beispielen ersichtlich.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch eine Vorrichtung
gemäß den angefügten Ansprüchen gelöst. Erfindungsgemäß umfasst die
Vorrichtung einen elektrochemischen NO-Sensor, einen Einlass/Auslass,
durch welchen ein Patient über
einen Wäscher
NO-freie Luft einatmet und ausgeatmete Luft mit einer vorbestimmten
Strömungsrate
und einem vorbestimmten Strömungsdruck
ausatmet, eine Pufferkammer zum zeitweiligen Speichern eines Teils
der ausgeatmeten Luft und Mittel zum Leiten des gespeicherten Teils
der Probe zu dem NO-Sensor über
eine Zeitraum, der länger
als die Dauer der Ausatmung ist und/oder mit einer Strömungsrate
weit unterhalb der Ausatmungs-Strömungsrate.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungsfiguren
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren in der
nachfolgenden Beschreibung, in den nicht-begrenzenden Beispielen
und in den Ansprüchen
näher beschrieben,
wobei:
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1 die Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
schematisch zeigt.
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Beschreibung
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Die
vorliegenden Erfinder haben überraschend
gezeigt, dass eine Schnittstelle zwischen physiologisch vorgeschriebenen
Parametern sowie durch standardisierte Verfahren vorgegebenen Parametern
und den Erfordernissen besonderer Sensoren geschaffen werden kann.
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Dies
wird durch die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung illustriert, in welcher elektrochemische Sensortechnologie
erfolgreich bei diagnostischen NO-Messungen angewendet wurde.
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Es
war jedoch nicht möglich,
einen beliebigen NO-Sensor, wie einen elektrochemische Sensor, auf
NO-Messungen direkt anzuwenden. Gegenwärtig besitzen elektrochemische
Sensoren eine beträchtlich
längere
Antwortzeit als andere, bisher verwendete NO-Sensoren, wie z. B.
die üblicherweise verwendeten
Chemilumineszenz-Sensoren.
Während
ein Chemilumineszenz-Sensor eine instantane Bestimmung der NO-Konzentration
in einer gasförmigen
Probe macht; benötigt
ein elektrochemischer Sensor eine längere Zeit zum Ausbilden eines
stabilen Signals. Weiterhin leiden elektrochemische Sensoren unter
einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen, einer
Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeitsvariationen,
einer möglichen Kreuz-Empfindlichkeit
gegenüber
Wasser oder anderen Verbindungen, einer niedrigen NO-Empfindlichkeit
sowie einer beträchtlichen
Temperatur- und Strömungsabhängigkeit.
Sind sie korrekt kalibriert, so sind Chemilumineszenz-Sen soren auch
hochgenau, bis hinunter zu ungefähr ± 1 ppb
(parts per billion, Teil einer Milliarde).
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Folglich
wurden elektrochemische Sensoren bisher für diagnostische NO-Messungen
nicht verwendet, u. a. wegen ihrer langen Antwortzeit, ihren relativ
hohen Detektionsschwellen (niedrige Empfindlichkeit) und der Interferenz
gegenüber
anderen Verbindungen.
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Als
ein Ergebnis der erfinderischen Bemühungen wurde es überraschend
möglich,
eine funktionierende Schnittstelle zwischen physiologisch vorgeschriebenen
Parametern, sowie durch standardisierte Verfahren vorgeschriebenen
Parametern und den Erfordernissen besonderer Sensoren zu schaffen.
Eine neuartige Vorrichtung wurde durch die vorliegenden Erfinder
entwickelt, um es zu ermöglichen, elektrochemische
Sensor-Technologie auf diagnostische NO-Messungen anzuwenden, in
welchen eine hohe Zuverlässigkeit
und Genauigkeit im unteren ppb-Bereich (0 bis 200 ppb, insbesondere
im Bereich von 0 bis ungefähr
50 ppb) benötigt
wird.
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Allgemein
besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung
die folgende Funktionalität
und/oder Mittel zur Durchführung
der genannten Funktionen, (siehe auch 1):
Die
Vorrichtung besitzt einen kombinierten Einlass/Auslass 1,
welcher einen Einwegfilter (nicht dargestellt) aufnehmen kann, durch
welchen der Patient zuerst NO-freie
Luft über
einen eingebauten Wäscher 3,
welcher NO aus der Umgebungsluft entfernt, einatmet und dann ausatmet,
wobei während
der Ausatmungsphase eine Probe für
die NO-Messung genommen wird und zu dem Sensor geleitet wird.
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Vorzugsweise
ist der Einlass der Vorrichtung so gestaltet, um einen Patienten-Einwegfilter/Mundstück-Filter
dicht aufzunehmen. Dieser Filter kann ein konventioneller Filter
sein, welcher Virus-/Bakterien-freie Luft während der Einatmung sicher
bereitstellen kann, wie ein 0,22-μ-Filter.
Der Filter ist vorzugsweise ein NIOX® PATIENT
FILTER, welcher durch Aerocrine AB, Solna, Schweden, vermarktet wird
(Katalog-Nr.:02–1201).
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Der
Patient atmet saubere, NO-freie Luft durch das Mundstück/den Filter
ein und atmet dann durch den selben Filter in die Vorrichtung aus.
Der Filter erfüllt
somit zwei Funktionen, indem er sowohl den Patienten als auch die
Vorrichtung vor Partikeln, Viren, Bakterien, Aerosolen, etc. schützt. Der
Einwegfilter hat den zusätzlichen
Vorteil der Vermeidung einer Verbreitung von Infektionen oder einer
Ansteckung von Patient zu Patient.
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In
der Nähe
des Einlasses/Auslasses 1 befindet sich ein Drucksensor 2.
Der Drucksensor hat die Funktion der Überwachung der Atmung, um sicherzustellen,
dass das Gaumensegel während
der Ausatmung geschlossen ist, um sicherzustellen, dass ein genauer
Ausatmungsdruck aufrechterhalten wird (die Möglichkeit, dem Patienten eine
Rückmeldung
zu geben, kann eingebunden werden) und um zu überprüfen, dass die Einatmung von
NO-freier Luft durch das Gerät
durchgeführt
wird, d. h. durch den NO-Wäscher 3.
Die Vorrichtung besitzt auch einen Einlass 4 für Umgebungsluft,
welcher zu dem Wäscher 3 führt. Der
Wäscher
ist wiederum über
ein Einwege-Ventil 5 mit dem Einlass/Auslass 1 verbunden, so
dass der Patient NO-freie Luft einatmen kann, aber verhindert wird,
dass ausgeatmete Luft durch das Einwege-Ventil hindurch tritt.
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Der
Wäscher
kann ein konventioneller chemischer NO-Wäscher sein, mit einem Einlass
und einem Auslass und einem Hauptkörper, welcher mit einem geeigneten
Filtermittel gefüllt
ist, beispielsweise einen KMnO4-basierten
Filtermittel, oder ein Kohlenstoff-basierter Filter mit geeigneten
chemischen Zusätzen.
Der Aufbau des Filters und Anordnungen zum Aufnehmen einer Null-Probe
ist Gegenstand einer weiteren anhängigen Patentanmeldung.
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Mit
dem Einlass/Auslass 1 steht weiterhin ein Strömungsregler 6 in
Verbindung, welcher die Funktion hat, den Ausatmungsstrom mit hoher
Genauigkeit von 20 bis 800 ml/sec, vorzugsweise mit 50 ml/sec (± 5 ml/sec)
zu steuern, wenn sich der Benutzer nach der von der Vorrichtung
gegebenen Rückmeldung
richtet. Der Strömungsregler
kann ein passiver Strömungsbegrenzer,
oder ein aktiver Regler sein, mit Mitteln zum Messen der Strömung und
zum Einstellen von Elementen des Reglers oder den Ausatmungsstrom
lenken indem eine Rückmeldung
an den Patienten gegeben wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
stellt der Strömungsregler
automatisch auf den Ausatmungsstrom ein und begrenzt Überschussströmung. Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
kann der Strömungsregler
während
einer Ausatmung oder während
zwei oder mehr aufeinanderfolgender Ausatmungen auf zwei oder mehr voreingestellte
Strömungswerte
einstellen.
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Die
Ausatmungsluft wird dann durch den Strömungsregler 6 zu einer
Pufferkammer 7 geleitet, an dessen Ende sich ein Spülventil 8 und
ein Dreiwegeventil 9 befinden. Während einer anfänglichen Phase
der Ausatmung ist das Spülventil 8 offen
und das Dreiwegeventil 9 geschlossen und die ausgeatmete
Luft wird somit in die Umgebungsatmosphäre geleitet. Zu einer vorbestimmten
Zeit schließt
das Spülventil 8 und
das Dreiwegeventil 9 öffnet,
so dass die in der Pufferkammer 7 gespeicherte Probe mit Hilfe
einer Probenpumpe oder eines Ventilators 10 durch das Dreiwegeventil 9 zu
dem Sensor 11 geleitet wird.
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Der
Sensor ist ein elektrochemischer Sensor.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die Probenpumpe 10 eine Tauchkolbenpumpe.
Dieser Pumpentyp hat die Vorteile, unempfindlich gegenüber Strömungsvariationen
zu sein, und erzeugt eine geringe, gleichmäßige Strömung mit hoher Genauigkeit.
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Vor
dem Erreichen des Sensors wird die Probe vorzugsweise durch eine
Einrichtung 12 zum Angleichen der Feuchtigkeit der Probe
an Umgebungsbedingungen und Mitteln 13 zum Angleichen der
Probentemperatur an die gleiche stabilisierte Temperatur wie die
des Sensors geleitet, welcher gemäß einem Ausführungsbeispiel
auf einer kontrollierten Solltemperatur, welche sich von der Umgebungstemperatur unterscheidet,
gehalten wird.
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Vorzugsweise
temperiert das Mittel 13 sowohl die Probe als auch den
Sensor, z. B. indem es den Sensor umgibt und indem ein großer Kontaktbereich
für den
Gasstrom ausgebildet wird. Alternativ werden die Temperatur der
Probe und/oder die des Sensors gemessen und die Ergebnisse bezüglich der Temperatur
gemäß den Spezifikationen
des Sensors kompensiert.
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Die
Vorrichtung umfasst weiterhin ein Mittel zum Steuern der Funktionen
des oben genannten Mittels wie beispielsweise Steuerelektronik 14,
welche Eingaben z. B. von den Sensoren und der Benutzerschnittstelle
empfangen und analysieren und die Ventile und die Probenpumpe steuern.
Das Mittel 14 übernimmt
ebenfalls die Da tenerfassung, die Signalverarbeitung, die Datenspeicherung,
die Kommunikation mit externen Einheiten und der Benutzerschnittstelle.
Externe Kommunikation kann unter Verwendung einer oder mehrerer
der folgenden Optionen durchgeführt
werden: eine Speicherkarte oder eine Mikroprozessorkarte, eine EEPROM-Karte,
im Folgenden als „Smartcard" bezeichnet, IR-Kommunikation,
BLUETOOTH® oder
andere Formen von schnurloser Kommunikation oder über einen
konventionellen seriellen oder parallelen Anschluss.
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Das
Vorsehen einer Smartcard hat neben anderen Vorteilen den besonderen
Vorteil, dass jeder Patient die Freiheit hat, eine beliebige erfindungsgemäße Vorrichtung
zu nutzen, und Information, welche auf den Patienten bezogen ist,
zusammen mit den Messergebnissen automatisch in der Vorrichtung gespeichert
wird. Gleichzeitig wird Information, welche sich auf die Vorrichtung
und den Sensor bezieht, zusammen mit den Messergebnissen automatisch auf
der Smartcard gespeichert. Dies gibt eine große zusätzliche Flexibilität ohne die
Dokumentations-Erfordernisse in diagnostischen Anwendungen zu beeinträchtigen.
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Die
Vorrichtung umfasst weiterhin eine Benutzerschnittstelle 15.
Eine Komponente dieser hat die Form einer Anzeige, beispielsweise
eine Flüssigkristall-Anzeige
(LCD, Liquid Cristal Display), vorzugsweise ein Berührungs-empfindlicher
Bildschirm zum Anzeigen von Daten für den Benutzer, und zum Empfangen
von Kommandos und Einstellungen von dem Benutzer, beispielsweise
zum Programmieren und/oder zum Parameter-Einstellen, zum Überprüfen der
Funktionalität
oder Ähnlichem,
welches durch einen qualifizierten Benutzer oder durch speziell
bestimmtes Servicepersonal durchgeführt wird. Alternativ können diese
Funktionen oder Teile davon über eine
konventionelle PC-Schnittstelle durchgeführt werden, beispielsweise über einen konventionellen seriellen
Anschluss (beispielsweise einen USB-Anschluss) oder einen parallelen
Anschluss.
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Die
Vorrichtung umfasst vorzugsweise auch Mittel zur Nachführung von
aktuellem Datum und aktueller Zeit sowie Mittel zum Einstellen des
aktuellen Datums und der aktuellen Zeit. Vorzugsweise gibt es auch
eine Alarm-Funktion, welche für
einzelne oder wiederkehrende Alarme eingestellt werden kann, beispielsweise
täglich
eine bestimmte Zeit. Es ist möglich,
die Alarm-Zeit und die Wiederkehr einzustellen sowie den Alarm an-/abzustellen.
Die Alarmfunktion hat den Vorteil die Mitarbeit der Patienten im
Hinblick auf die Überwachung
ihres Zustandes und hoffentlich auch im Hinblick auf die Behandlung
desselben zu verbessern.
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Zusammenfassend
besteht die Eingabe, welche das Mittel 14 erreicht, aus
Signalen des Drucksensors, des NO-Sensors, der Benutzerschnittstelle,
externer Kommunikationsschnittstellen und der Temperatursteuerung.
Die Ausgabe, welche das Mittel 14 verlässt, besteht aus Signalen,
welche die Stellung des Spülventils,
des Dreiwegeventils, die Probenpumpe, die Temperatursteuerung und
die Benutzerschnittstelle regulieren.
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In
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann die Probe von Ausatmungsluft in Übereinstimmung mit der standardisierten
Vorgehensweise für
Ausatmung (siehe ERS Guidelines 1997, ATS Guidelines 1999, supra)
gesammelt werden, wonach sie zeitweilig in einer Pufferkammer gespeichert
wird, was es möglich
macht, den Sensor einer Null-Probe oder einer Patientenprobe bei
einer gleichmäßigen Strömung während eines
verlängerten
Zeitraumes auszusetzen, um eine genaue Antwort von dem Sensor zu
erhalten.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst eine Pufferkammer und ein Mittel zum Befüllen der Pufferkammer während der
kontrollierten Ausatmung, womit eine Probe der ausgeatmeten Luft
zur NO-Messung genommen wird. Das Volumen der Pufferkammer wird
so gewählt,
dass sie ausreicht, um eine Probe zu halten, welche dann während eines verlängerten
Zeitraums an den Sensor weitergegeben werden kann, beispielsweise
ein Volumen von 150 ml. Das Mittel zum Füllen der Pufferkammer kann
ein Ventil oder ein Satz von Ventilen umfassen. Das Mittel zum Füllen der
Pufferkammer mit einer Probe ausgeatmeter Luft ist vorzugsweise
ein Ventil, welches es gestattet, dass ausgeatmete Luft die Pufferkammer
während
einer voreingestellten Dauer der Ausatmung füllt.
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Das
Mittel zum Zuliefern der Probe an den Sensor besteht vorzugsweise
aus einer Probenpumpe oder einem Ventilator.
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Weiterhin
gibt es Mittel zum Liefern von NO-freier Luft an den Sensor, wobei
diese Mittel vorzugsweise aus einer Pumpe oder einem Ventilator bestehen,
welche bzw. welcher Luft durch einen NO-Wäscher zieht. Diese Pumpe oder
dieser Ventilator können
identisch mit dieser bzw. mit diesem sein, welche bzw. welcher die
Probe an den Sensor liefert, wobei die Quelle des Gases (Patienten-Probe/Null-Probe) über ein
oder mehrere Ventile kontrolliert wird.
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Wenn
die Pufferkammer mit der gewünschten
Probe gefüllt
ist, wird das Mittel/werden die Mittel zum Liefern der Probe an
den Sensor aktiviert. Solche Mittel umfassen eine Probenpumpe oder
einen Ventilator, welcher den Sensor mit einer Strömung von
ungefähr
0,5 bis 15 ml/s versorgt, vorzugsweise von ungefähr 2 bis ungefähr 10 ml/sec
während
einer vorbestimmten Zeit, welche länger als die Ausatmungszeit
ist. Diese Zeit wird bezüglich
den Eigenschaften des Sensors, seiner Empfindlichkeit und seiner
Konfiguration eingestellt. Die Zeit kann in einem Intervall von
ungefähr
15 bis ungefähr
300 Sekunden gewählt
werden und vorzugsweise wenn die Strömung ungefähr 2 ml/sec beträgt, wird
die Zeit ungefähr
30 Sekunden oder ungefähr
50 Sekunden betragen, was wiederum von den Erfordernissen und Eigenschaften
des Sensors abhängt.
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Die
Pufferkammer ist ein Raum zur zeitweiligen Speicherung eines Teils
der ausgeatmeten Atmung, um diesen mit einer Strömung und während einer Zeitdauer, welche
an die Antwortzeit des Sensors angepasst ist, an den Sensor zu liefern.
Vorzugsweise ist die Pufferkammer ein Raum, welcher zumindest eines
der folgenden Erfordernisse erfüllt:
- – keine
signifikante Diffusion von NO in die Wände der Pufferkammer
- – keine
signifikante Diffusion von Substanzen, welche Auswirkungen auf die
NO-Messung haben
- – turbulente
Strömung
- – keine
signifikante Adhäsion
von NO an den inneren Wänden.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die Pufferkammer als langer Kanal mit kleinem
Querschnitt ausgebildet, beispielsweise einem Labyrinth mit rundem,
elliptischem, quadratischen oder rechteckigem Querschnitt, welches
beispielsweise in einem Block aus thermoplastischem Material geformt
ist.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel ist
die Pufferkammer als eine Rohrlänge
eines geeigneten, inerten Materials ausgebildet, wie beispielsweise
einem Polyolefin-Rohr.
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Gemäß einem
noch anderen Ausführungsbeispiel
ist die Pufferkammer als ein Zylinder mit einer beweglichen Endwand
oder einem Kolben ausgebildet. Durch Betätigen der Endwand oder des
Kolbens in Längsrichtung
wird eine Probe in den Zylinder hinein angesaugt oder aus diesem
heraus verdrängt.
Dieses Ausführungsbeispiel
kann exemplarisch durch eine Spritze erläutert werden, in welcher das
Volumen der Spritze mit dem Volumen der zu nehmenden Probe korrespondiert
und die Rate, mit welcher der Kolben die Probe verdrängt, gleich
der Rate ist, mit welcher die Probe zu dem Sensor geleitet wird.
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Gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
ist die Pufferkammer als Dehngefäß aus einem
geeigneten Material ausgebildet. Die Probe kann entweder durch Druck,
welcher durch den Patienten beim Ausatmen in die Vorrichtung ausgeübt wird,
oder unterstützt
durch mechanisches Expandieren des Dehngefäßes in das Dehngefäß eintreten. Die
Probe wird dann durch mechanisches Kompressieren des Dehngefäßes verdrängt.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel ist
die Pufferkammer für
sequentielle Speicherung ausgelegt, d. h. für die Speicherung vieler sequentieller
Proben. Der Kanal hat vorzugsweise eine Geometrie, welche Turbulenz
maximiert, um Mischen wegen laminarer Schichten zu minimieren, beispielsweise einen
Kanal mit variierendem Querschnitt oder mit gezielten Störungen der
Strömung.
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Bei
der Bestimmung der Stickoxid-Konzentration unter Verwendung eines
elektrochemischen Sensors sind sowohl die Temperatur des Sensors
als auch der Gasstrom kritische Faktoren. Die Temperatur des Sensors
beeinflusst seine Empfindlichkeit und folglich führen fluktuierende Temperaturen
zwischen verschiedenen Messungen zu schlechter Wiederholbarkeit
und reduzierter Präzision
und/oder Genauigkeit.
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Entsprechend
wird die Temperatur des Gasstroms, wenn dieser auf die Oberfläche des
Sensors trifft, die Temperatur des Sensors mit den oben genannten
Konsequenzen beeinflussen.
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In
der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann die Temperatur aufgezeichnet werden und die Ergebnisse unter
Verwendung eines Korrelationsfaktors an die Temperatur angepasst
werden. Vorzugsweise wird die Temperatur von sowohl dem Gas als
auch dem Sensor genau kontrolliert, indem der Sensor in einem Mittel
eingeschlossen wird, das sowohl den Sensor als auch das Probengas,
bevor dieses den Sensor erreicht, temperiert.
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Es
ist bekannt, dass elektrochemische Sensoren empfindlich bezüglich Fluktuationen
der Feuchtigkeit sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst vorzugsweise
Mittel zum Angleichen der Feuchtigkeit der als Probe genommenen
Ausatmungsluft wie auch der Nullprobe an die Umgebungsfeuchtigkeit.
Ein solches Mittel kann aus einer NAFION®-Rohrlänge bestehen,
durch welche die Probe geleitet wird (NAFION® ist
eine perfluorierte Polymer-Membran, die Marke ist Eigentum von E.
I. du Pont de Nemours & Co,
Delaware, USA). Der Vorteil davon liegt darin, dass die Patientenprobe
und die Nullprobe dieselbe Feuchtigkeit aufweisen, wenn sie den
Sensor erreichen.
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Elektrochemische
Sensoren neigen unglücklicherweise
wegen des Elektrolyt-Verbrauchs (depletion) dazu, eine begrenzte
Lebenszeit zu haben.
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Gemäß der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung ist die Lebenszeit des Sensors Teil einer zweifachen Überlegung.
Die Vorrichtung ist mit Mitteln ausgerüstet, welche das Produktionsdatum und/oder
das Kalibrierungsdatum und/oder das Verfalls datum des Sensors feststellen,
beispielsweise indem eine solche mit dem Sensor assoziierte Information
ausgelesen und die Verwendung des Sensors gemäß voreingestellter Kriterien
verhindert wird, beispielsweise wenn das Verfallsdatum erreicht
ist.
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Die
Vorrichtung ist weiterhin ausgestattet mit Mitteln zum Aufzeichnen
der Anzahl von Messungen, welche mit einem Sensor durchgeführt wurden,
und zum Verhindern der Verwendung des Sensors gemäß voreingestellter
Kriterien, beispielsweise der Detektion oder Bestimmung von notwendigen
Sensor-Parametern.
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Die
obengenannten Mittel und damit verbundenen Funktionen haben den
Vorteil, es zu ermöglichen,
dass jede Messung garantiert mit einem gut funktionierenden Sensor
durchgeführt
wird.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung hat eine neuartige, stark vereinfachte optische Schnittstelle.
Die optische Schnittstelle umfasst eine Anzeige, welche den Zustand
der Vorrichtung anzeigt (beispielsweise AN (ON)/ANLAUF (START-UP)/BEREIT (READY)/BESCHÄFTIGT (BUSY)/AUS
(OFF), etc.) und den Benutzer durch die Einatmung und/oder Ausatmung
leitet und die Messergebnisse präsentiert.
Diese Anzeige ist vorzugsweise eine konventionelle Anzeige, wie
beispielsweise eine Flüssigkristall-Anzeige
(LCD, Liquid Cristal Display). Besonders bevorzugt ist die Anzeige
ein so genannter Berührungs-sensitiver
Schirm (touch screen).
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Die
obengenannten Funktionen können
weiterhin durch optische und akustische Signale unterstützt werden,
wie beispielsweise einem oder mehreren blinkenden Licht/-ern, Benutzer-Nachrichten
auf der Anzeige, Signalen, welche aus verschiedenen Symbolen oder
Farben bestehen, einem akustischen Signal, welches den Klang oder
Rhythmus verändert, welche
alle von dem Zustand der Vorrichtung oder dem Verhalten des Patienten
beim Einatmen und/oder Ausatmen abhängen. Beispielsweise kann die
Vorrichtung in der ANLAUF-Betriebsart ein bestimmtes Symbol oder
eine bestimmte Farbe anzeigen und ein anderes Symbol oder Farbe,
wenn die ANLAUF-Betriebsart abgeschlossen ist und die Vorrichtung
für Messungen
bereit ist oder in die BEREIT-Betriebsart eintritt. Ebenso kann
die Vorrichtung ein erstes Symbol oder eine erste Farbe entweder
blinkend oder beständig
anzeigen, wenn der Benutzer falsch einatmet und/oder ausatmet, und
dann ein anderes zweites Symbol oder eine andere zweite Farbe oder
ein anderes zweites Signal, welches von dem ersten Symbol, der ersten
Farbe oder dem ersten Signal klar zu unterscheiden ist, anzeigen,
wenn die Einatmung und/oder die Ausatmung gemäß voreingestellter Erfordernisse
durchgeführt
wird, was eine gute Wiederholbarkeit der Messungen gewährleistet.
Parameter, welche überwacht
und mit optischen und/oder akustisch Signalen verknüpft werden sollen,
umfassen die Dauer und den Druck jeweils der Einatmung und der Ausatmung.
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Die
obengenannten Mittel und damit verknüpften Funktionalitäten machen
die Vorrichtung geeignet für
eine Verwendung durch alle Patienten, entweder alleine oder unter
der Aufsicht von medizinischem Personal, beispielsweise ihrem behandelnden
Arzt oder einer Krankenschwester, für Verwendung am Behandlungsort
genauso wie für
die Heimanwendung durch einzelne Patienten, welche ihre Krankheit überwachen.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung besitzt vorzugsweise die Fähigkeit, auf vielen Weisen
mit ihrer Umgebung zu kommunizieren. Mit dem Patienten kommuniziert
die Vorrichtung akustisch und/oder optisch, und zeigt grundlegende
Funktionen, den Bereitschaftszustand, richtige Verwendung (Einatmen,
Ausatmen) und das Ergebnis der Messung an. Es ist möglich, beispielsweise
Konfigurationsda ten zwischen einer externen Software und einer Smartcard über die
Vorrichtung zu senden.
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Weiterhin
umfasst die Vorrichtung vorzugsweise einen Infrarot-Anschluss zur
Kommunikation mit einem Computer, beispielsweise zum Speichern von
Patientendaten in einer Datenbank, für weitere Analyse der Daten,
oder mit einem separaten Infrarot-Drucker zum Messberichts-Ausdruck.
Der Infrarot-Anschluss kann auch dazu dienen, die Vorrichtung in
einem lokalen Netzwerk einzubinden, was die Verwendung von lokalen
Druckern oder die Behandlung von Messergebnissen und Patienteninformationen
auf andere Weisen gestattet.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst vorzugsweise auch eine Smartcard-Schnittstelle zum Eingeben und Speichern
individueller Patientendaten. Wenn die Vorrichtung außerhalb
eines klinischen Rahmens verwendet wird, würde jedem Benutzer eine persönliche Smartcard
gegeben werden. Vorzugsweise würden
die Smartcards vorprogrammiert sein, um die für verschiedene Patientengruppen
relevanten Daten zu enthalten, beispielsweise männlich, weiblich, Kind, oder
die Einstellungen, welche für
Patienten mit verschiedener Rasse, mit verschiedenem Alter oder
mit verschiedenem Körpergewicht
relevant sind, um Unterschieden im Totraum oder anderen physiologischen
Unterschieden Rechnung zu tragen.
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Die
NO-Messergebnisse würden
dann auf dem internen Vorrichtungsspeicher und auf der Smartcard
abgespeichert werden, zusammen mit Informationen betreffend die
Identität
der in der Messung verwendeten Vorrichtung und des in der Messung
verwendeten Sensors, dem Datum und der Zeit der Messung und optional
der Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
würde die
Smartcard ausgebildet sein, um die Patientengeschichte und NO-Werte
zu transpor tieren, optional zusammen mit Informationen betreffend Medikation,
Dosen, Krankheitsparameter und subjektiven Informationen, wie dem
Gesundheitszustand, wie er durch den Patienten oder durch den behandelnden
Arzt oder die behandelnde Krankenschwester erfasst wird.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel wird
die Smartcard konfiguriert, während
diese in der Vorrichtung eingesetzt ist, jedoch unter Verwendung externer
Software.
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Die
Vorrichtung kann vorzugsweise auch mit externer Software kommunizieren,
welche auf einem externen Computer, wie einem PC, installiert ist.
Es ist dann möglich,
beispielsweise Messungen und andere gespeicherte Daten von einer
Smartcard (über die
erfindungsgemäße Vorrichtung)
an die externe Software zu senden.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist es auch möglich,
Messdaten und andere gespeicherte Daten von dem internen Vorrichtungsspeicher
an externe Software zu senden.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel ist
es ebenso möglich,
Software-Aktualisierungen (updates) von externer Software auf die
erfindungsgemäße Vorrichtung
herunterzuladen.
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Es
ist vorzugsweise weiterhin möglich,
Service- und Unterstützungs-Parameter,
wie beispielsweise ein Fehlerprotokoll, von der erfindungsgemäßen Vorrichtung
an externe Software zu senden.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann weiterhin einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler
(AC/DC-Wandler) umfassen, vorzugsweise einen externen Wandler, welcher
die Vorrichtung mit Gleichstrom versorgt. Die Vorrichtung kann weiterhin
eine wiederaufladbare Batterie und eine Leistungseinheit enthalten,
welche die benötigte Spannung
zu den Komponenten der Vorrichtung liefert. Ebenso umfasst das System
eine Batterie als Puffer (back up) von Speicher und Sensor.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst vorzugsweise einen internen Speicher, vorzugsweise mit der
Möglichkeit,
Daten von zumindest 2.000 Messungen zu speichern. Alternativ oder
zusätzlich
zu dem internen Speicher kann die Vorrichtung Informationen auf
einem Wechsel-Datenmedium speichern, wie einer sogenannten Smartcard,
einer Speicherkarte, einer Mikroprozessor-Karte, einem EEPROM, einer
Mini-Disc, einer Diskette oder Ähnlichem.
Die Daten, welche in dem internen Speicher und/oder auf einer Smartcard
oder Ähnlichem
gespeichert werden, können
umfassen:
- – Patientenidentifikation
- – Datum
und Zeit der Messung
- – gemessenes
FENO
- – Sensor-ID-Nummer
- – Vorrichtungs-ID-Nummer
- – Krankheits-
und Komfort-Parameter-Eingaben in einer fortgeschrittenen Betriebsart
- – Medikations-Parameter-Eingaben
in einer fortgeschrittenen Betriebsart
-
Optional,
wenn der Messdatenspeicher voll ist, wird eine Warnung ausgegeben
und nach der Bestätigung
der Warnung können
die ältesten
Daten mit neuen Daten überschrieben
werden.
-
Vorzugsweise
wird in entweder dem internen Speicher oder auf der Smartcard oder
doppelt auf beiden eine Fehlerliste geschaffen, welche aus zumindest
den folgenden Einträgen
besteht:
- – Fehlernummer
- – Zeitstempel
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die Patientenkonfiguration auf der Smartcard gespeichert. Die
Patienteninformation kann eine allgemeine Information sein, welche
sich auf verschiedene Patientengruppen wie männlich/weiblich, Kind/Erwachsener/Senior
und weitere Informationen bezieht, wenn diese diagnostisch relevant
sind. Vorzugsweise sind die Smartcards farbcodiert, wobei jede Farbe
einer Patientengruppe entspricht. Vorzugsweise sind die Smartcards
mit einer klar sichtbaren Zahl oder einem klar sichtbaren Code bedruckt, so
dass individuelle Karten unterschieden werden können. Vorzugsweise haben die
Smartcards einen Bereich, in welchen der Name des Patienten gedruckt
oder per Hand geschrieben werden kann.
-
Die
Patienteninformation kann auch eine individuelle Information sein,
welche einen bestimmten Patienten betrifft. In beiden Fällen kann
die Information umfassen:
- – empfohlener maximaler FENO-Wert
- – empfohlener
minimaler FENO-Wert
- – eine
der vorhandenen Patienten-Alter-Gruppen-Betriebsarten (über die
gewählte
Smartcard).
-
Der
interne Speicher der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorzugsweise
sowohl NO-Messungen als auch Benutzereingabe speichern, umfassend
Eingaben beispielsweise durch den Hersteller und Informationen für Wartungspersonal.
Beispielsweise kann die Vorrichtung Fehler in dem internen Speicher
speichern.
-
Die
Vorrichtung kann vorzugsweise auch Konfigurationsparameter in dem
internen Speicher speichern, wie:
- – Herstellungsdatum
- – Kalibrationsdatum
- – Sensor-Eingabe-Kalibrations-Parameter
-
Die
Vorrichtung kann vorzugsweise auch Einstellungen und Betriebsparameter
in dem internen Speicher speichern, wie:
- – Intensität der oberen
Leuchtdiode (LED)
- – Lautstärke
- – Kontrast
- – Alarmzeit
- – aktuelle
Zeit und aktuelles Datum
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der elektrochemische NO-Sensor in einem Schaltkreis integriert,
welcher einen Speicher, im Folgenden Sensorspeicher genannt, umfasst.
Dies ist vorzugsweise ein Speicherschaltkreis vom EEPROM-Typ.
-
Der
Sensorspeicher kann mit dem internen Speicher und den Steuerschaltkreisen
der Vorrichtung kommunizieren und/oder zusammenarbeiten.
-
Mit
anderen Worten, ist es möglich,
Daten von dem Sensorspeicher zu lesen, wie:
- – Sensor-Kalibrations-Daten
- – Verfallsdatum
- – Sensor-Verbrauchs-Kontroll-Parameter
- – Sensor-Intaktheits-Daten
-
Es
ist auch möglich,
die Anzahl der für
den noch verbleibenden Messungen mit der Rate, mit welcher Messungen
durchgeführt
werden, herunterzuzählen.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
anzeigen, wenn das Verfallsdatum des Sensors sich nähert oder
wenn die Anzahl der noch verbleibenden Messungen einen vorbestimmten
niedrigen Wert erreicht und den Benutzer warnen. Wenn das Verfallsdatum
erreicht ist oder wenn die Anzahl der Messungen ausgeschöpft ist,
blockiert die Vorrichtung eine weitere Verwendung des Sensors und
warnt den Benutzer.
-
Erfindungsgemäß führt die
Vorrichtung die aktuelle Zeit und das aktuelle Datum nach. Es ist auch
möglich,
die aktuelle Zeit und das aktuelle Datum einzustellen und die aktuelle
Zeit und das aktuelle Datum wird während eines Pufferbatterie-Betriebs beibehalten.
-
Mit
dem Vorsehen eines Sensorspeichers sind eine Vielzahl von Vorteilen
verbunden. Einer ist Sicherheit, da das Verfallsdatum automatisch überprüft wird
und die Ver wendung des Sensors automatisch blockiert wird, wenn
dieses Datum vorüber
ist. Eine andere Sicherheitsfrage ist die automatische Kontrolle
der Anzahl von Messungen, wobei die Verwendung des Sensors automatisch
blockiert wird, wenn eine maximale Anzahl von Messungen erreicht ist.
-
Ebenso
kann eine Einrichtung zur Messung des Umgebungs-NO-Wertes mit der
Vorrichtung vorgesehen sein. Der Umgebungs-Messprozess kann aus
Umgebungs-Stabilisierungs-,
Umgebungs-Messungs-, Null-Stabilisierungs- und Null-Messungs-Phasen
in der genannten Reihenfolge bestehen. Der Prozess ist ähnlich zu
dem der diagnostischen NO-Messung, mit dem Unterschied, dass die Probenpumpe
verwendet wird, um die Probe direkt aus der Umgebungsluft zu extrahieren.
-
Das
Messergebnis wird unter Berücksichtigung
von Kalibrierungs-Konstanten berechnet, um den ppb-Wert zu erhalten.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst vorzugsweise Mittel und Funktionen zur Temperaturkontrolle.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
besteht das Mittel zur Temperaturkontrolle aus einem Peltier-Element.
Die Sensortemperatur wird auf einem Wert gehalten, welcher im internen
Konfigurationsspeicher eingestellt ist: Falls die gemessene Temperatur
außerhalb
der eingestellten Verwendungsbedingungen ist, ist das Element ausgeschaltet.
-
Die
Temperatur wird als ungültig
betrachtet, falls diese für
eine voreingestellte Zeitdauer außerhalb des kontrollierten
Temperaturbereiches lag. Falls die Temperatur für eine voreingestellte Zeitdauer
ungültig
war, wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
-
Erfindungsgemäß wird der
Druck immer relativ zum Umgebungsdruck gemessen. Der Umgebungsdruck
ist definiert als der Druck, wenn der Benutzer eine Messung anfordert.
Während
einer voreingestellten Dauer der Einatmung wird erfordert, dass
der Druck unterhalb eines, im internen Konfigurationsspeicher eingestellten
Wertes gehalten wird. Während
der Ausatmungsphase wird weiterhin erfordert, dass der Druck innerhalb
von Maximal- und Minimalwerten, welche in dem internen Konfigurationsspeicher
eingestellt sind, gehalten wird. Während der Ausatmungsphase wird
eine Warnung ausgegeben, falls der Druck nicht innerhalb eines Bereiches
liegt, welcher durch in dem internen Konfigurationsspeicher eingestellte
Höchst-
und Niedrigstwerte definiert ist. Während der Verarbeitungsphase,
nach einer voreingestellten Übergangszeit,
wird gefordert, dass der Druck auf dem Umgebungswert bleibt.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
umfasst die Vorrichtung eine Smartcard-Schnittstelle. Die Smartcard
wird durch den Benutzer beim Aktivieren der Vorrichtung oder bevor
eine Messung durchgeführt
wird, eingesetzt, und soll während
des gesamten Messprozesses eingesetzt bleiben. Falls die freie Messspeicher-Kapazität auf der
Smartcard weniger als 10% beträgt,
wird der Benutzer vor der Messung darauf hingewiesen.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst vorzugsweise auch eine Selbsttest-Funktion. Falls der Selbsttest fehlschlägt, wird
eine Fehlernachricht ausgegeben.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
werden Fehler immer in einer Datenbank auf einem Hauptplatinenspeicher
protokolliert. Falls eine Patienten-Smartcard eingesetzt ist, wenn
ein Fehler auftritt, so wird der Fehler auf der Smartcard protokolliert.
-
Wichtig
ist, dass der Benutzer darauf hingewiesen wird, wenn ein Fehler
auftritt.
-
Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung bietet viele Vorteile. Viele Fehlerquellen werden vermieden
oder minimiert.
-
Beispielsweise
wenn die Vorrichtung den negativen Druck registriert, wenn ein Patient
durch die Vorrichtung einatmet und somit über den NO-Wäscher NO-freie
Luft liefert, wird das korrekte Einatmungssverhalten kontrolliert.
Die Drucküberprüfung wird
durch Rückmeldungen
ergänzt,
welche den Patienten zur Durchführung
einer korrekten Einatmung und Ausatmung leiten oder den Patienten
informieren wenn die Einatmung und Ausatmung korrekt war und wenn
die Atmungs-Vorgänge
unzureichend waren.
-
Die
Vorrichtung hat weiterhin eingebaute Mittel und Funktionen oder
Operationen, welche beständig
sicherstellen, dass der elektrochemische Sensor richtig funktioniert.
-
Ein
Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist die Tatsache, dass es möglich
wird, von einem Patienten eine Probe gemäß Parametern, welche durch
die Physiologie des Patienten diktiert werden, und gemäß Parametern,
welche durch in der Medizin und Diagnostik gültigen standardisierten Prozeduren
diktiert werden, zu nehmen, während
die Analyse der Probe gemäß Parametern,
welche für den
gewählten
Sensor optimiert sind, durchgeführt wird.
-
Dies
wird hier illustriert durch eine Vorrichtung zur Analyse von NO
in ausgeatmetem Atem unter Verwendung eines elektrochemischen Sensors. Die
vorliegende Er findung ist auch für
die Analyse von NO oder anderen Komponenten in anderen Proben als
ausgeatmeter Luft anwendbar.
-
Auch
wenn die Erfindung im Hinblick auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, welche die gegenwärtig den Erfindern beste bekannte
Vorgehensweise darstellt, versteht sich, dass vielfältige Änderungen
und Modifikationen, welche für
den Fachmann naheliegen, vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Zweck
der vorliegenden Erfindung abzuweichen.