DE69826117T2

DE69826117T2 - Nachweis von medizinischen zuständen durch die analyse von ausgeatmetem gas- oder dampf

Info

Publication number: DE69826117T2
Application number: DE69826117T
Authority: DE
Inventors: Alfred Peter Knutsford PAYNE; Chandra Krishna Cheadle PERSAUD; John Allan Lach Dennis SYMS
Original assignee: Osmetech PLC
Current assignee: Osmetech PLC
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2018-03-07
Also published as: ATE275636T1; EP0972070B1; US20020151814A1; DE69826117D1; US6620107B2; WO1998039470A1; EP0972070A1; GB9704676D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen des Auftretens eines Zustands in einem atmenden Subjekt, insbesondere auf ein Verfahren, das die Erfassung von emittierten Atemgasen aufweist.
Es ist bekannt, dass der Atemgeruch eine Anzeige für bestimmte Zustände geben kann. Ein direktes Beispiel ist das von Mundgeruch oder "schlechtem Atem".
Ein anderes Beispiel ist Ketose, bei der die Anwesenheit von süß riechenden Ketonen und Aldehyden im Atem eine Anzeige für Diabetes sein kann. Es ist aus Patent Abstracts of Japan, Band 96, Nr. 4, JP 07 323034 bekannt, dass die Anwesenheit von Helicobacter Pylori in einem Subjekt erfasst werden kann durch Verabreichen von Harnstoff bei dem Subjekt und Erfassen des nachfolgend entwickelten Ammoniaks mit einem Ammoniaksensor. US 4 314 564 offenbart eine Vorrichtung zum Erfassen von Alkohol im Atem eines Subjekts.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen zahlreicher Zustände aus in dem Atem vorhandener gasförmiger oder flüchtiger Spezies. Um Zweifel zu vermeiden, werden die Begriffe "Gas" und "Gase" so verwendet, dass sie jegliche Spezies umfassen, die in der Gasphase vorhanden sind, einschließlich Dämpfe von flüchtigen Flüssigkeiten.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen des Auftretens eines Zustands in einem atmenden Subjekt vorgesehen, das die Schritte aufweist:
Einführen von emittierten Atemgasen des Subjekts in eine Anordnung von Gassensoren;
Erfassen bestimmter Spezies, die in den emittierten Atemgasen des Subjekts vorhanden sind, durch die Gassensoranordnung; und
Korrelieren der Anwesenheit der Spezies mit dem Auftreten des Zustands.
Das Verfahren ist schnell, da die Analyse direkt ist – es besteht keine Notwendigkeit, zeitraubende Kultivierungsschritte durchzuführen. Weiterhin sieht das Verfahren nichtinvasives klinisches Überprüfen und Überwachen vieler Zustände vor.
Das atmende Subjekt kann ein Mensch sein.
Die Gassensoranordnung kann eine Anordnung von halbleitenden organischen Polymer-Gassensoren sein.
Die Gassensoranordnung kann ein gasempfindliches Material haben, von dem eine elektrische Eigenschaft sich ändern kann, wenn es Gasen ausgesetzt ist. Das gasempfindliche Material kann halbleitendes organisches Polymer aufweisen.
Die Gassensoranordnung kann ein Massenspektrometer oder eine GC-MS-Vorrichtung aufweisen.
Die emittierten Atemgase können von einem Ventilator erhalten sein. Auf diese Weise ist eine Online-Überwachung hinsichtlich des Auftretens eines Zustands oder die Überwachung des Fortschreitens eines Zustands möglich.
Die emittierten Atemgase des Subjekts können direkt in die Gassensoranordnung eingeführt werden.
Das Auftreten einer Infektion oder eines Krankheitszustands kann erfasst werden.
Das Auftreten einer Lungenkrankheit kann erfasst werden, welche Lungenentzündung, Tuberkulose oder eine Hefepilzinfektion sein kann.
Das Auftreten einer Infektion des Verdauungstraktes kann erfasst werden.
Das Auftreten von Diabetes kann erfasst werden.
Die Anwesenheit von Alkohol kann erfasst werden.
Das Auftreten von Phenylketonurie kann erfasst werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein De tektor zum Erfassen des Auftretens eines Zustands in einem atmenden Subjekt vorgesehen, der eine Gassensoranordnung und Mittel zum Einführen von emittierten Atemgasen des Subjekts in die Gassensoranordnung aufweist, welche Anordnung ausgebildet ist zum Erkennen des Auftretens eines Zustands in dem Subjekt, wenn bestimmte Spezies, die in den emittierten Atemgasen vorhanden sind, erfasst werden;
bei dem die Mittel zum Einführen von Atemgasen in die Anordnung von Gassensoren einen Ventilator aufweisen.
Die Gassensoranordnung kann direkt mit dem Ventilator verbunden sein.
Verfahren und Vorrichtungen gemäß der Erfindung werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 zeigt einen ersten Detektor nach der Erfindung;
2 zeigt einen zweiten Detektor nach der Erfindung; und
3 zeigt eine Antwort auf einer Zeitfunktion für zwei Patienten, die einen weiß schimmernden Lungenzustand zeigten (Pulmonary Albicans).
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erfassen des Auftretens eines Zustands in einem atmenden Subjekt, das die Schritte aufweist:
Einführen von emittierten Atemgasen des Subjekts in eine Anordnung von Gassensoren;
Erfassen bestimmter Spezies, die in den emittierten Atemgasen des Subjekts vorhanden sind, mit der Gassensoranordnung; und
Korrelieren der Anwesenheit der Spezies mit dem Auftreten des Zustands.
Das Verfahren ist primär für Menschen bestimmt, obgleich augenscheinlich ist, dass es für die Erfassung von Zuständen bei vielen Tieren geeignet ist.
Die Gassensoranordnung 10 umfasst eine Anordnung 12 von halbleitenden organischen Polymer-Gassensoren 14, wobei die Anwesenheit von Gasen durch Überwachen von Veränderungen in den Gleichstromwiderständen dieser Sensoren 14 erfasst wird. Derartige Anordnungen werden beispielsweise von AromaScan plc, Crewe, UK hergestellt. Es gibt viele halbleitende organische Polymere, die für derartige Anordnungen geeignet sind: Beispiele enthalten Polypyrrol und Polyindol und substituierte Varianten hiervon. Es ist eine Eigenschaft eines derartigen Polymers, dass die Adsorption von bestimmten (gewöhnlich polaren) Gasen messbare Leitfähigkeitsänderungen bewirken, und daher können solche Gase erfasst werden durch Überwachung von Änderungen des Gleichstromwiderstands des Polymers. Da jedes Polymer typischerweise ziemlich breite Bandempfindlichkeiten zeigt, wird eine Anordnung von Gassensoren verwendet. Dies ermöglicht eine selektive Identifizierung eines weiten Bereichs von Gasen durch Erkennen des charakteristischen "Fingerabdrucks" der Antwort über die Anordnung (siehe beispielsweise JV Hatfield, P Neaves, PJ Hicks, K Persaud und P Travers, Sensors & Actuators B, 18–19 (1994) 221–228). Das Ausgangssignal der Sensoren 14 wird durch Analysemittel 22 analysiert, die das Ausgangsmuster der Sensorantwort mit dem Auftreten bestimmter Zustände korrelieren. Die Analysemittel 22 sind gewöhnlich ein Computer oder Mikroprozessor. Eine einzelne derartige Vorrichtung kann verwendet werden, um eine Anzahl von Zuständen zu erkennen. Die Verwendung eines trainierten neuralen Netzwerks ist in dieser Hinsicht besonders vorteilhaft.
Es ist auch möglich, halbleitende organische Polymere abzufragen durch Anlegen eines elektrischen Wechselstromsignals an diese und Überwachen einer Impedanzgröße der Polymere oder von Veränderungen einer derartigen Impedanzgröße als eine Funktion der Frequenz des angelegten elektrischen Wechselstromsignals (siehe beispielsweise Britisches Patent GB 2 203 553 und M E H Amrani, R M Dowdeswell, P A Payne und K C Persaud, Proceedings of Eurosensors X, Band 2, (1996) Seiten 66f–668). Bei Anwendung dieser Maßnahme kann ein einzelner halbleitender organischer Polymersensor Informationen liefern, die denjenigen gleichwertig oder tatsächlich überlegen sind, die von einer Anordnung derartiger Sensoren erhalten werden, die durch die Gleichstrom-Widerstandstechnik abgefragt werden.
Andere Typen von Gassensoren, die ein gasempfindliches Material aufweisen, können verwendet werden, wie eine Metall-Oxid-Halbleiter(MOS)-, Quarzresonator- oder akustische Oberflächenwellen(SRW)-Vorrichtung. Eine Anordnung, die mehrere derartiger Vorrichtungen aufweist, kann verwendet werden. Alternativ können eine Massenspektrometrie- oder eine GC-MS-Vorrichtung verwendet werden. Weiterhin können alternativ spektroskopische Techniken wie Infrarotspektroskopie angewendet werden.
Vorteilhaft werden die emittierten Atemgase des Subjekts direkt in die Gassensoranordnung 10 eingeführt. Wie in 1 gezeigt ist, kann dies erreicht werden, indem ein Subjekt 16 in ein Rohr 18 ausatmet, wobei das Rohr 18 in Verbindung mit einem Bereich 20 ist, der die Gassensoranordnung 10 enthält. Die Gassensoranordnung 10 kann mit einem inerten Gas wie Stickstoff gereinigt sein, und ein Einwegventil kann zwischen dem Rohr 18 und der Gassensoranordnung 10 angeordnet sein, um die Atmosphäre von inertem Gas zurückzuhalten, bis das Subjekt 16 ausatmet. Alternativ kann das Subjekt 16 in einen Behälter wie eine Tasche ausatmen, die versiegelbar ist, um einen Luftraum zurückzuhalten, der nachfolgend in die Gassensoranordnung 10 eingeführt werden kann. Der gesamte Detektor, aufweisend die Gassensoranordnung 10 und die Mittel 18 zum Einführen von Atemgasen in die Gassensoranordnung 10 kann als eine tragbare, möglicherweise in der Hand gehaltene Vorrichtung vorgesehen sein.
Die emittierten Atemgase können von einem Ventilator erhalten sein. 2 zeigt eine derartige Anordnung, bei der emittierte Atemgase von dem Ausgang 52a eines Ventilators 52 abgegeben werden. Eine Anordnung von Gassensoren 50 ist direkt mit dem Ausgang 52a des Ventilators verbunden und tastet somit kontinuierlich die Atemgase des Subjekts ab. Wie vorstehend beschrieben ist, kann ein einzelner Gassensor vorgesehen sein. Die Gassensoranordnung ist die durch die Gassensoren 50, die Messvorrichtung 54 zum Messen der Antwort der Gassensoren 50 und einen Computer 56, der zur Steuerung des gesamten Gasabtastvorgangs und für Zwecke der Datenanalyse verwendet wird, definiert. Es kann erforderlich sein, Filter oder Verdichter in das System einzusetzen. Es ist möglich, den Wassergehalt zu reduzieren oder niedrige Pegel von wichtigen flüchtigen Stoffen unter Verwendung von Tenax-Rohren, Affinitätssäulen und anderen Reinigungs- und Verschlusssystemen zu konzentrieren.
Beispiel
Messungen wurden bei den Atemgasen, die von Ventilatoren erhalten wurden, von zwei Patienten mit pulmonarer candida albicans durchgeführt, wobei ein halbleitendes Polymerinstrument mit zweiunddreißig Sensoren (AromaScan A32S) verwendet wurde. Messungen von Antwortmustern wurden einmal am Tag während einer Periode von fünf Tagen durchgeführt.
3 zeigt die Ergebnisse in der Form einer Sammon-Karte (in der Antwortmuster auf eine zweidimensionale Koordinate reduziert sind), wobei die Rechtecke 60 die Messungen der Atemgase eines ersten Patienten darstellen, und die Dreiecke 62 die Messungen der Atemgase eines zweiten Patienten darstellen. Die von dem zweiten Patienten erhaltenen Daten sind ziemlich stabil, wobei die Antwortmuster in einem engen Haufen gruppiert sind. Dies korreliert mit dem Umstand, dass der Patient sehr stabil war und sich nachfolgend ausgezeichnet erholte. Demgegenüber variieren die von dem ersten Patienten erhaltenen Antwortmuster stark von Tag zu Tag. Dies korreliert mit dem Umstand, dass der Patient sehr instabil war und an dem fünften Tag der Messungen starb.
Es gibt zahlreiche Zustände, die unter Verwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung erfasst werden können. Beispiele enthalten Lungenkrankheiten wie Lungenentzündung, Lungenkrebs, Tuberkulose oder Hefepilzinfektionen wie candida albicans, sowie In fektionen des Verdauungstrakts wie durch Helicobakter bewirkte. Zusätzlich kann Diabetes über den Atem eines Patienten erfasst werden, aufgrund der Anwesenheit von charakteristischen Aldehyden und Ketonen, und die Anwesenheit von Alkohol in dem System des Patienten kann erfasst werden durch Erfassen desselben in dem Atem. Mundgeruch kann auch erfasst werden, wie bei dem Auftreten der Leberkrankheit PKU (Phenylketonurie). Die letztgenannte wird gegenwärtig durch Urinprüfungen erfasst. Andere Infektionen oder Krankheitszustände wie Herzkrankheiten könnten erfassbar sein. Die Technik kann für Überwachungszwecke verwendet werden, beispielsweise bei vorklinischen Versuchen oder bei der Erfassung von Drogen.
Wenn die Überwachung online unter Verwendung eines Ventilators durchgeführt wird, ist es möglich, eine Schnittstelle des Systems mit einem Arzneimittel-Zuführungssystem zu bilden, so dass optimale Mengen von Antibiotika oder anderen Medikamenten verabreicht werden. Es ist möglich, auszuwählen, welche Medikamente verabreicht werden, abhängig von der bei den Atemgasen durchgeführten Analyse. Alternativ oder zusätzlich ist eine Datenfusion möglich, bei der die durch die vorliegende Erfindung erhaltenen Daten mit Daten von anderen Quellen kombiniert werden, wie der Temperatur, dem Blutdruck, Kohlendioxidpegeln, Sauerstoffpegeln, Daten über Anästhesiegase und Daten über chemische Blutzusammensetzung, um einen Lebenssymptomindex zu geben.

Claims

Verfahren zum Erfassen des Auftretens einer Infektion oder eines Krankheitszustands bei einem atmenden Subjekt, welches die Schritte aufweist: Einführen von emittierten Atemgasen des Subjekts in eine Anordnung von Gassensoren; Erfassen bestimmter Spezies, die in den emittierten Atemgasen des Subjekts vorhanden sind, durch die Anordnung von Gassensoren; und Korrelieren der Anwesenheit der Spezies mit dem Auftreten der Infektion oder des Krankheitszustands.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Subjekt ein Mensch ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Gaserfassungsvorrichtung ein gasempfindliches Material aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem eine elektrische Eigenschaft des gasempfindlichen Materials sich verändert, wenn es Gasen ausgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das gasempfindliche Material ein halbleitendes organisches Polymer aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die emittierten Atemgase des Subjekts von einem Ventilator erhalten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die emittierten Atemgase des Subjekts direkt in die Anordnung von Gassensoren eingeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem das Auftreten einer Lungenkrankheit erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Lungenkrankheit Lungenentzündung, Tuberkulose oder eine Hefepilzinfektion ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem das Auftreten einer Infektion des Verdauungstraktes erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem das Auftreten von Diabetes erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem das Auftreten von Phenylketonurie erfasst wird.
Detektor zum Erfassen des Auftretens einer Infektion oder eines Krankheitszustands bei einem atmenden Subjekt, der eine Anordnung von Gassensoren und Mittel zum Einführen von emittierten Atemgasen des Subjekts in die Anordnung von Gassensoren aufweist, welche Anordnung von Gassensoren ausgebildet ist zum Erkennen des Auftretens einer Infektion oder eines Krankheitszustands bei dem Subjekt, wenn bestimmte Spezies, die in den emittierten Atemgasen vorhanden sind, erfasst werden; bei dem die Mittel zum Einführen von Atemgasen in die Anordnung von Gassensoren einen Ventilator aufweisen.
Detektor nach Anspruch 13, bei dem die Anordnung von Gassensoren direkt mit dem Ventilator verbunden ist.