用于识别和/或测量患者的呼出气中的物质浓度的系统和方法与流程

说明书

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于识别和/或测量患者的呼出气中的物质浓度的系统，并且涉及用于测量患者的呼出气中的物质浓度的方法。

这种系统包括用于对从患者的呼出气中获得的采样气体流执行离子迁移谱测量的测量设备。本文中的测量设备包括漂移检测器和连接至漂移检测器的至少一个气体回路，所述至少一个气体回路用于引导采样气体流的样本可注入到其中的分析气体流朝向漂移检测器的入口端以及/或者用于引导漂移气体流朝向漂移检测器的出口端。在本文中，至少一个气体回路包括分子筛过滤器，该分子筛过滤器包括用于过滤分析气体流和/或漂移气体流的过滤材料。

机械通气被用在常规的全身麻醉过程中，例如被用在手术中心中或被用在医院的重症监护室中对危重患者的长期镇静过程期间。在这样的全身麻醉过程的情况下，用气管内导管给患者插管，以便一方面提供通气并且另一方面施用气态麻醉剂。

作为使用气态麻醉剂的吸入麻醉过程的替选，在静脉麻醉的情况下，例如在所谓的全凭静脉麻醉(tiva)过程的情况下，将诸如异丙酚的麻醉剂静脉内地施用于患者。例如对于重症监护室中的长期镇静过程而言，这样的静脉麻醉也可能是优选的。

特别是在例如使用异丙酚作为麻醉剂的静脉麻醉的情况下，能够监测患者体内的麻醉剂的浓度及其相关作用特别是关于麻醉影响是非常有意义的。通常，可以通过监测患者的呼出空气中的麻醉剂和相关物质的存在和浓度来得出关于患者体内的药物浓度的结论。使用合适的模型例如药代动力学/药效动力学模型，可以根据呼出空气中的药物浓度来预测患者体内的药物浓度。然而，这样的预测一方面需要精确的模型并且另一方面需要对呼出空气中的物质浓度的精确测量。

已经提出了特别是在使用诸如异丙酚的麻醉剂时使用气相色谱离子迁移谱(gc-ims)进行患者的呼出气中的物质的检测，以用于在麻醉过程期间进行监测。在离子迁移谱内，气体样本的成分借助于离子分子反应被电离，并且被注入到漂移检测器的电漂移场中。通过向漂移检测器施加相当大的电场强度例如每厘米几百伏，电离的成分被驱动朝向检测器，该检测器被构造成在电离的成分到达时生成测量信号。取决于例如电离的成分的形状和截面，电离的成分在行进通过漂移检测器时会遇到相反的力——该力源自流过同一漂移检测器但沿相反方向的漂移气体——因此为电离的成分有效地提供了障碍。

通常，电离的成分通过漂移检测器的漂移时间取决于施加的电压、漂移检测器中的温度和压力、电离的成分的质量、电离的成分的形状和电荷等，使得不同的成分表现出不同的速度，因此不同的成分将以不同的漂移时间行进通过漂移检测器。因此，不同的电离的成分将在不同的时间到达检测器，使得可以在检测器处检测在时间上分离且与不同的电离的成分有关的信号，从而产生包含与气体样本的不同成分有关的峰的所谓的漂移谱(漂移时间内的信号强度)。

在gc-ims内，将离子迁移谱与气相色谱相结合，其中，在将分析气体流注入到漂移检测器中之前，将分析气体流引导通过形成毛细管柱的分离柱，分析气体流的不同成分在分离柱中彼此分离，原因是不同成分由于它们的化学性质而以不同的行进时间(所谓的滞留时间，其指示特定成分在分离柱中停留的时间)行进通过分离柱。借助于气相色谱，分析气体流的不同成分在不同时间进入漂移检测器中，使得所述成分在进入漂移检测器之前被分离，这改善了成分的特异性并因此改善了成分在测得的漂移谱中的识别。

例如从de19856784b4和de10228912c1已知一种气相色谱离子迁移谱(gc-ims)系统。

为了确定患者的呼吸中的关注的物质例如麻醉剂特别是异丙酚的浓度，可以识别与关注的物质有关的漂移谱中的峰，并且可以根据峰的高度得出关于从患者的呼出气获得的气体样本中的关注的物质的浓度的结论。通常，使用合适的校准，峰的高度可能与关注的物质的浓度有关，使得可以根据峰的高度直接估计出浓度。

然而，浓度值通常在十亿分之几(ppb)的范围内，使得检测到的信号可能干扰分析气体流和漂移气体流中的某些污染。因此，浓度测量的精度尤其对于分析气体流和漂移气体流中的污染敏感。特别地，要确保分析气体流和漂移气体流不包括任何剩余的异丙酚含量，并且另外具有非常低的水含量(例如，低于1ppm)。

为此，已经提出了使用分子筛(也被称为摩尔筛)过滤器，该分子筛过滤器既用于从相关联的气体流中除去异丙酚，又通过吸附来降低气体流中的水含量。

因为分子筛过滤器中会随着时间而积水，所以过滤器性能可能随着时间而劣化，从而使得有必要定期更换和更新过滤器。在本文中，期望使用具有长耐久性的过滤器，因此在需要更换和更新过滤器之前提供长的使用时间。

本发明的目的是提供用于测量患者的呼出气中的物质浓度的系统和方法，所述系统和方法允许使用离子迁移谱特别是气相色谱离子迁移谱(gc-ims)进行精确的测量。

该目的借助于包括权利要求1的特征的系统来实现。

因此，分子筛过滤器的过滤材料包括沸石nay。

因此，过滤材料全部或部分地由沸石材料即nay构成。

常规上，按指示它们的结构类型的类别对沸石进行分组。在本情况中被用作过滤材料的沸石材料属于类别“y”。

类别为“y”的沸石是具有如下晶体结构的合成生产的晶体物质，所述晶体结构由借助于六角棱柱相互连接的所谓的方钠石笼组成。以这种方式，规则形状和大小的孔被形成，最大孔的直径约为7a(埃)，对应于约0.7nm。

“na”指示沸石的结构的修改，nay也被表示为“na形式的沸石y”。在nay内，钠离子嵌入到y沸石的晶体结构中。

在本上下文中，nay可以以不同形式——例如以包含粘合剂的颗粒或无粘合剂的颗粒的形式(在后一种情况下也被表示为naybfk)——被用作过滤材料。

包括例如呈颗粒形状的nay或由例如呈颗粒形状的nay组成的过滤材料表现出用于吸附水的相当大的动态吸附能力，例如在20％和30％之间，例如大约25％。

nay过滤材料的孔大小可以在0.6nm和0.8nm之间，例如0.7nm，

对应于约7a。

令人惊讶地发现，利用nay过滤材料，可以有效地实现从气体流中除去关注的物质特别是异丙酚并且从气体流中除去水，过滤材料提供了构造具有大的水吸附能力的过滤器的可能性，并因此提供了允许长的使用时间例如长于一年的使用时间的过滤器。

分子筛过滤器可以例如具有直径在1cm和10cm之间的范围内例如在3cm和6cm之间的范围内的圆柱形形状。该过滤器可以例如是10cm至20cm长，分子筛过滤器包括包围过滤材料的壳体，该壳体例如由不锈钢材料制成。过滤器的容积填充有nay过滤材料，操作中要过滤的气体流通过过滤材料，以便从气体流中除去水和期望的关注的物质特别是异丙酚。

在一个实施方式中，至少一个气体回路在引导(仅)分析气体流的部分以及在引导分析气体流和漂移气体流的组合气体流的部分二者中都包括分子筛过滤器，每个分子筛过滤器包括用于过滤相关联的气体流的nay过滤材料。在本文中，至少一个气体回路可以另外包括另一过滤器装置，例如炭过滤器，该另一过滤器装置用于提供例如关于有机化合物的分析气体流的进一步过滤。

在一个实施方式中，至少一个气体回路包括一个或多个流体管线，所述一个或多个流体管线至少部分地由ptfe材料制成，所述至少一个气体回路用于引导分析气体流和/或漂移气体流。流体管线可以完全由ptfe材料制成，或者流体管线可以包括ptfe材料的涂层，从而防止在流体管线的内侧上形成水滴。流体管线可以例如包括在1mm和3mm之间的范围内例如2mm的内径。

在一个实施方式中，被实施为引导分析气体流的至少一个气体回路的一部分包括分离柱，该分离柱用于在将分析气体流注入到漂移检测器的入口端中之前使分析气体流的成分彼此色谱法地分离。因此，将离子迁移谱和气相色谱相结合，以便提供要分析的气体流的成分的明显分离。在将分析气体流注入到漂移检测器中之前，分析气体流经过分离柱，该分离柱具有例如长度在0.5m和5m之间例如约1m的毛细管通道。形成分离柱的毛细管通道的内壁例如包括液相，以提供不同成分在分离柱内的不同滞留时间，使得分析气体流的不同成分需要不同的时间行进通过分离柱。因此，分析气体流的不同成分在不同时间被注入到漂移检测器中，使得在将分析气体流的不同成分注入到漂移检测器中之前分析气体流的不同成分已经被分离。行进通过漂移检测器后并在漂移检测器内进一步分离后，由漂移检测器的出口端处的合适检测电路系统检测不同的成分，从而允许检测分析气体流内的不同成分并通过测量与关注的物质特别是异丙酚相关联的检测到的信号中的峰的峰高度来测量浓度。

分离柱有益地被加热到预定义的温度，特别地，被加热到80℃以上的温度，例如85℃以上的温度，以便提供分析气体流的不同成分之间的滞留时间特别是水(h2o)和异丙酚的滞留时间上的适当差异。

通过将气相色谱和离子迁移谱结合使用，可以实现快速的测量时间，例如允许以1分钟以下的测量时间可靠地测量患者的呼吸中的关注的物质特别是异丙酚的浓度。

在一个实施方式中，系统包括附加的采样气体回路，该附加的采样气体回路用于引导从患者的呼吸中获得的采样气体流。从采样气体流中获得样本，并且借助于阀装置将样本注入到分析气体流中，该阀装置是可切换的，使得可以通过将至少一个气体回路连接至采样气体回路来经由阀装置将采样气体流(具有例如1ccm的容积)的样本注入到分析气体流中。

在一个实施方式中，采样气体回路还包括至少部分地由ptfe材料制成、用于引导采样气体流的一个或多个流体管线，采样气体回路例如连接至导管装置，通过该导管装置提供患者的通气。流体管线可以完全由ptfe材料制成，或者流体管线可以包括ptfe涂层等。

在一个实施方式中，至少一个气体回路包括第一泵装置，该第一泵装置用于朝向漂移检测器的入口端泵送分析气体流。泵装置可以例如是隔膜泵。当沿着分析气体流的流动方向看时，第一泵装置可以在至少一个气体回路内，特别地位于分离柱之前的位置处，使得第一泵装置产生压力，以使分析气体流通过分离柱朝向漂移检测器的入口端移动。

在一个实施方式中，至少一个气体回路包括第二泵装置，该第二泵装置用于泵送漂移气体流和分析气体流的组合气体流，第二泵装置例如也是隔膜泵。借助于隔膜泵，特别地，可以朝向分离器泵送组合气体流，该分离器将组合气体流分成分析气体流和漂移气体流，然后漂移气体流被引导朝向漂移检测器的出口端，以在与源于分析气体流的离子化的成分在入口端处注入到漂移检测器中相反的方向上漂移通过漂移检测器。漂移通过漂移检测器的漂移气体流有益地由清洁空气组成。

在一个实施方式中，至少一个气体回路形成用于引导分析气体流和/或漂移气体流的闭合回路。因此，分析气体流和漂移气体流沿闭合环路流过至少一个气体回路，使得不需要将气体从外部源特别地馈送到气体回路中。相应的气体流沿闭合环路流过气体回路，相应的气体在再次被注入到漂移检测器中之前、在经过漂移检测器之后借助于相关联的过滤器装置被清洁。在本文中，呼出气的样本气体的样本在经过分离柱之前以及在被注入到漂移检测器中之前被注入到分析气体流中，以便测量样本中的物质浓度。

借助于该系统，可以确定与一个或多个漂移谱有关的特性值，然后可以使用所述特性值、利用合适的校准来输出指示气体样本中的物质浓度的浓度估计。关注的(一种或多种)物质可以特别是至少一种麻醉剂例如异丙酚，使得系统可以特别适于在麻醉过程或镇静过程期间提供监测，例如在麻醉过程中，麻醉剂被静脉内地施用于患者，并且在患者的呼出气的气体样本上使用离子迁移谱来监测患者体内的麻醉剂的浓度。

为此，可以连续地或周期性地获得气体样本，以便监测患者的呼出气中的至少一种麻醉剂特别是异丙酚的(一个或多个)浓度。

该目的还通过一种用于测量患者的呼出气中的物质浓度的方法来实现，该方法包括：从患者的呼出气中获得采样气体流，以及借助于测量设备执行采样气体流的离子迁移谱测量，测量设备包括漂移检测器和连接至漂移检测器的至少一个气体回路，所述至少一个气体回路用于引导分析气体流朝向漂移检测器的入口端以及/或者引导漂移气体流朝向漂移检测器的出口端，采样气体流的样本能够注入到分析气体流中，其中，至少一个气体回路包括分子筛过滤器，该分子筛过滤器包括用于过滤相关联的气体流的过滤材料。在本文中，过滤材料包括沸石nay。

上面针对系统描述的优点和有利实施方式同样也适用于该方法，使得其应当在上文被提及。

随后将参考附图中所示的实施方式更详细地描述本发明的基本构思。在本文中：

图1示出了包括气管内导管和用于向患者提供通气的通气系统的系统的示意图；

图2a示出了通过使用gc-离子迁移谱来针对从患者的呼出气中获得的样本随着时间记录的多个漂移谱的图形表示；

图2b示出了从图2a的漂移谱获得的组合漂移谱的图形表示；

图3是用于测量患者的呼出气中的物质浓度的系统的布局的示意绘图；以及

图4是用于过滤相关联的气体流的过滤器装置的示意绘图。

图1示出了如它通常可以例如在麻醉过程的情况下被使用的系统的实施方式。

例如，在静脉麻醉过程中，诸如异丙酚的麻醉剂被静脉内地施用于患者4，并且因此进入到患者的血流中。为了监测患者体内的麻醉物质的浓度，以侧流布置连接至气管内导管1的连接件11的气体检测器2连续地或周期性地测量经由气管内导管1的被插入到患者4的气管40中且可能连接至用于提供患者4的通气的通气系统3的导管10从患者的肺41获得的气态流中的药物浓度。因此，借助于这样的浓度测量，可以进行对患者4的呼出空气中的物质浓度的监测，从而允许例如使用合适的药代动力学/药效动力学模型等得出关于患者体内的麻醉物质的浓度的结论。

在实施方式中，气体检测器2包括处理装置21和测量设备20，测量设备20被设计成：对经由在端口110处连接至气管内导管1的连接件11的侧流管线12获得的气体样本进行离子迁移谱测量。

借助于侧流管线12，可以以连续的或周期性的方式从流经连接件11的气体流中获得气体样本。为了测量从患者4的呼出气中获得的气体样本中的关注的物质的浓度，使用离子迁移谱，其中气体样本的成分被电离并且被注入到漂移检测器中，通过漂移检测器，所述成分被相当大的电压例如每厘米大于100伏或甚至几百伏的电压驱动朝向检测器漂移。借助于检测器获得测量信号，测量信号由到达检测器并在检测器处引起低电压信号的电离的成分产生。因为不同的成分通过漂移检测器表现出不同的漂移速度——例如取决于漂移检测器中的温度和压力、成分的质量以及成分的形状和电荷——所以不同的成分将在不同的漂移时间处到达检测器，从而引起以下漂移谱，在所述漂移谱中出现了与不同成分的不同漂移时间有关的峰。因此，根据与和关注的物质有关的特定成分有关的峰处的信号强度，可以得出关于从气体流中获得的气体样本中的关注的物质的浓度的结论。

为了得出关于气体样本中的物质浓度的结论，确定与漂移谱有关的特性值，这样的特性值允许推断出浓度估计(例如通过在初始校准阶段中将特性值的范围校准到浓度值的范围)。然而，根据离子迁移谱获得的记录的数据通常会受到噪声的影响，使得不可能立即以足够的准确性准确地确定特性值，例如在漂移谱中与关注的物质有关的峰的高度。

图2a和图2b示出了使用气体检测器2的测量设备20通过离子迁移谱测量获得的记录的漂移谱s的示例。本文中的图2a示出了针对从患者4的呼出气中获得的样本随着时间记录的多个漂移谱s，其具体示出了在所测得的漂移谱s中与关注的物质在当前情况下是异丙酚有关的峰随着时间如何演化。图2b示出了从图2a的漂移谱(例如通过求和)获得的组合漂移谱s。如在图2b中可见的，所得到的漂移谱s包含各种峰，不同的峰与气体样本的不同成分有关，关注的峰p与例如异丙酚有关。

图3示出了具有测量设备20和处理装置21的检测装置2的布局的实施方式，测量设备20和处理装置21用于通过使用结合气相色谱的离子迁移谱信息(所谓的gc-ims)来测量患者的呼出气的样本中的关注的物质特别是异丙酚的浓度。

测量设备20包括用于引导来自和朝向漂移检测器22的不同气体流的气体回路。

采样气体回路25借助于流体管线251用于引导患者4(见图1)的呼出气的侧流通过导管装置1的侧流管线12朝向检测装置2，采样气体回路25例如包括呈隔膜泵形状、用于将采样气体流a输送通过采样气体回路25的泵装置250。

采样气体回路25借助于阀装置230可连接至分析气体回路23，阀装置230可切换成使得流过采样气体回路25的采样气体流a(具有例如1ccm的体积)的样本可以被注入到分析气体回路23中以进行分析。

分析气体回路23借助于流体管线235引导分析气体流b通过分离柱231并从分离柱231朝向漂移检测器22以在入口端220处注入到漂移检测器22中。在入口端220处注入到漂移检测器22中之后分析气体流b的成分b'借助于电离辐射被电离，并且被施加至漂移检测器22的电压驱动，通过漂移检测器22朝向出口端221漂移，在出口端221处，由合适的检测电路系统记录离子化的成分b'的到达时间，以获得如图2所示的漂移谱，并且借助于处理装置21进行分析。

分离柱231在分析气体流b注入到漂移检测器22中之前提供分析气体流b的成分的分离。分离柱231通过形成毛细管柱来提供气相色谱，该毛细管柱具有例如在0.5m和5m之间例如在1m的范围内的长度，并且该毛细管柱具有例如在0.1mm和1mm之间例如约0.5mm的内径。在毛细管柱内，提供了使成分滞留在毛细管柱内的液相，该液相引起不同成分在毛细管柱内的不同滞留时间，使得成分由于它们的不同滞留时间而在不同的时间离开分离柱231。

因此，当分析气体流b被注入到漂移检测器22中时，分析气体流b的相关成分b'已经及时被分离，由于离子化和驱动电压而通过漂移检测器22的漂移提供了成分b'的进一步分离，然后借助于在出口端221处与处理电路系统21有关的合适的检测电路系统可检测出离子化的成分b'。

分析气体流b的没有被电离的这样的气体部分在入口端220处离开漂移检测器22，并进入漂移气体回路24中，在漂移气体回路24中，分析气体流b与漂移气体流c一起被引导。借助于漂移气体回路24，分析气体流b和漂移气体流c的组合气体流被引导朝向分离器243，在分离器243处，分析气体流b和漂移气体流c被分开，以清洁空气形状的漂移气体流c被引导朝向漂移检测器22的出口端221并且在出口端221处被注入到漂移检测器22中，使得漂移气体流c在与分析气体流b的离子化成分b'由施加的电场驱动而漂移通过漂移检测器22相反的方向上流过漂移检测器22，以便在漂移检测器22内为离子化成分提供(恒定)逆流。漂移气体回路24包括呈隔膜泵形状、用于驱动分析气体流b和漂移气体流c的组合气体流的泵装置240和呈分子筛过滤器形状的过滤器装置241。流体管线242用于引导朝向和来自漂移检测器22的组合气体流、经由分离器243朝向漂移检测器22的出口端221流动以注入到漂移检测器22中的漂移气体流c。

在借助于分离器243将分析气体流b与漂移气体流c分离之后，由呈隔膜泵形状的泵装置232驱动分析气体流b通过过滤器装置233、234，过滤器装置233被成形为分子筛过滤器，并且过滤器装置234被成形为炭过滤器，以用于清除分析气体流b中的水以及物质特别是异丙酚。然后，分析气体流b(现在以基本上清洁的空气存在)再次进入阀装置230，能够经由阀装置230将采样气体流a的样本注入到分析气体流b中。

系统的流体管线235、242、251各自可以全部或至少部分地由ptfe材料制成。例如，流体管线235、242、251可以全部由ptfe材料制成。可替选地，流体管线235、242、251可以在其内侧处包括ptfe涂层。通过这样的材料选择，可以防止在流体管线235、242、251内形成水滴。

在分析气体回路23内，分析气体流b在流过阀装置230之前并因此在处理采样气体流a的(另一)样本之前被清洁，以借助于分离柱231和漂移检测器22进行分析。特别地，在将采样气体流a的另一样本注入到分析气体流b中之前，清除分析气体流b中的水以及关注的物质即异丙酚，使得分析气体流b在流过阀装置230之前基本上不含水和异丙酚。为了获得准确的测量结果，这对于分析气体流b中的异丙酚的浓度指示患者4的呼吸中的异丙酚浓度是必要的。

另外，漂移气体流c也必须基本上不含水和关注的物质即异丙酚。

为此，分析气体回路23和漂移气体回路24都包括呈分子筛过滤器形状的过滤器装置233、241，如图4中示意性地示出的，过滤器装置233、241包括例如由不锈钢材料制成、包围包括nay或由nay组成的过滤材料26的壳体260。

沸石nay过滤材料26提供从相应的气体流中除去水和异丙酚，并表现出大的水吸附能力，因此允许在更换过滤器装置233、241之前系统的相当长的使用时间。

沸石nay可以以颗粒的形状被使用，其中可以使用含有粘合剂的颗粒或无粘合剂的颗粒(naybfk)。

特别地，通过使用这样的过滤材料，可以使相应的气体流中的水含量保持在百万分之一以下，关注的物质(异丙酚)基本上从相应的气体流中完全被除去。

如图4中所示，分子筛过滤器具有圆柱形状，该圆柱形状具有例如在1cm和10cm之间特别是在3cm和6cm之间的直径d以及例如在10cm和20cm之间的长度l。过滤器装置的容积填充有过滤材料26，根据用于获得期望的过滤器性能的所需容积来选择过滤器的尺寸d、l。

在图3中示出的实施方式中，分析气体回路23和漂移气体回路24被形成为组合气体回路，其表示闭合回路。本文中的分析气体回路23的分离柱31被加热直到80℃以上的温度，有益地，85℃以上的温度，从而提供在由分离柱231形成的毛细管柱内对成分的有效分离。

本发明隐含的构思不限于上述实施方式，而是可以以完全不同的方式被实现。

借助于所提出的设计，可以提供紧凑的系统，该紧凑的系统允许以1分钟以下的测量时间来测量患者的呼吸中的关注的物质特别是异丙酚的浓度，因此可以例如在麻醉过程的情况下进行在线检查和控制。

附图标记列表

1气管内导管

10导管

11连接件

110端口

12侧流管线

2检测装置

20测量设备

21处理装置

22漂移检测器

220，221端

23分析气体回路

230阀装置

231分离柱

232泵装置

233过滤器装置(分子筛过滤器)

234过滤器装置(炭过滤器)

235管线

24漂移气体回路

240泵装置

241过滤器装置(分子筛过滤器)

242管线

243分离器

25采样气体回路

250泵装置

251管线

26沸石过滤材料

260壳体

3通气系统

4患者

40气管

41肺

a采样气体流

b分析气体流

b'离子化的成分

c漂移气体流

d直径

l长度

p关注(异丙酚)的峰

s漂移谱