DE2938856C2

DE2938856C2 -

Info

Publication number: DE2938856C2
Application number: DE2938856A
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Phys. 6057 Dietzenbach De Gebhart; Gerhard Ing.(Grad.) 6050 Offenbach De Heigwer; Joachim Dipl.-Phys. 6000 Frankfurt De Heyder; Willi Dipl.-Phys. 6830 Bad Homburg De Stahlhofen
Original assignee: GESELLSCHAFT fur STRAHLEN- und UMWELTFORSCHUNG MBH 8000 MUENCHEN DE
Current assignee: GESELLSCHAFT fur STRAHLEN- und UMWELTFORSCHUNG MBH 8000 MUENCHEN DE
Priority date: 1979-09-26
Filing date: 1979-09-26
Publication date: 1988-12-08
Also published as: DE2938856A1; US4370986A

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Ermitteln der Differenz einer Partikelzahl und/oder der Größenverteilung der Partikel, die als Gase oder Aerosole im In- und Exhalatstrom eines Atemtraktes enthalten sind, wobei Partikel mittels eines Lichtbündels bestrahlt und von den Partikeln ausgehende Streustrahlung über ein Abbildungssystem optisch erfaßt und detektiert wird.

Eine derartige Vorrichtung ist aus Aerosol Science, 1973, Vol. 4, Seite 194-196 bekannt.

Im Rahmen der generellen Fragestellung über biologisch-medizinische Einflüsse von Umweltstoffen spielt die Schadstoffexposition auf dem Wege der Inhalation eine große Rolle. Zwei wichtige Teilaspekte, die in diesem Zusammenhang untersucht werden müssen sind:

a) Welcher Anteil der in der Atemluft enthaltenen partikelförmigen Materie wird im menschlichen Atemtrakt abgeschieden und von welchen Parametern hängt dies ab? Derartige Ergebnisse sind wichtig, um geeignete Präventivmaßnahmen einleiten zu können.
b) Wie kann man krankhafte Veränderungen der Atemwege als Folge einer längeren Schadstoffexposition rechtzeitig erkennen?

In ersten Arbeiten zur Untersuchung der Ablagerung von Aerosolteilchen in der Lunge bediente man sich der Filtertechnik. Aus In- und Exhalat wurden getrennte Filterproben genommen und die Partikelkonzentration auf beiden Filtern miteinander verglichen. Unkontrollierbare Teilchenverluste in den Sammel- und Probennahmesystemen können jedoch bei diesen Verfahren die eigentlich zu messende Teilchenablagerung in der Lunge erheblich verfälschen. Ein wesentlicher Fortschritt wurde erreicht, als nach dem e. g. Vorschlag von Altshuler et al, der ausführlich in A. M. A. Arch. Ind. Hlth 15, 1957, 293 beschrieben wurde, die Anzahlkonzentration der Partikel in der in- und exhalierten Atemluft in einem Photometer direkt vor dem Mund der Versuchsperson gemessen und kontinuierlich registriert wurde. Aus der gleichzeitig von einem Expirographen aufgezeichneten Volumen kurve der Atemluft wurde sodann mittels graphischer Integration das Verhältnis von exhalierter zu inhalierter Teilchenzahl, N _e /N _i, pro Atmung bestimmt. Die Integration wurde von Heyder et al, (1973, J. Aerosol Science 4, 191-208), auf elektronische Basis umgestellt, indem neben der Partikelkonzentration, c, (Photometrie) auch der Volumenstrom, , der Atemluft (Pneumotachographie) kontinuierlich gemessen wurde. Für das Verhältnis von exhalierter zu inhalierter Teilchenzahl pro Atemzug ergibt sich dann der Ausdruck:

wobei t _e (t _i ) die Zeitdauer der Exhalation (Inhalation) ist. Trotz der kontinuierlichen Registrierung der Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel vor dem Mund der Versuchsperson und der Automation in der Auswertung bleibt die sog. Analog- Methode zur Bestimmung einer Teilchenzahl, N, gemäß Gleichung (1) mit einer Reihe von Nachteilen behaftet:

- Sie ist auf monodisperse Aerosole beschränkt. Jeder Untergrund einer anderen, unerwünschten Größenfraktion trägt jedoch ebenfalls zum Photometerwert bei.
- Partikel mit hygroskopischen Schichten auf der Oberfläche lagern im Atemtrakt Wasser an und verändern dadurch ihre optischen Eigenschaften. Somit kann das Photometer nicht mehr unterscheiden zwischen einer Änderung der Anzahlkonzentration, c, und einer Änderung der Streueigenschaften der Partikel.
- Um die Konzentration kontinuierlich aufzeichnen zu können, ist eine relativ hohe Partikelkonzentration erforderlich.

Neben den klinischen Standard-Methoden zur Durchführung von Lungentests mit dem Körperplethysmographen (Lungenvolumina, Atemwegswiderstand) ist man in den letzten Jahren auch dazu übergegangen, inerte Gase oder kurze Pulse derartiger Gase zu inhalieren und aus den Auswaschkurven dieser Gase bzw. der Dispersion dieser Gas-Pulse im Exhalat Rückschlüsse auf das Ventilationsverhalten einer Lunge und damit auf mögliche krankhafte Veränderungen zu ziehen.

Diese Verfahren erfordern eine kontinuierliche Messung von Gaskonzentrationen in der Atemluft von Versuchspersonen. Für derartige Messungen sind bisher hauptsächlich drei physikalische Prinzipien herangezogen worden:

1. Massenspektroskopie
2. Infrarot-Absorption bei spezifischen Absorptionslinien der Gase
3. Änderung eines Thermo-Widerstandes in einem Umgebungsgas mit veränderter Wärmeleitfähigkeit.

Alle diese Methoden besitzen jedoch den Nachteil, daß sie die Konzentrationsmessung des Gases nicht direkt im Hauptstrom der Atemluft vornehmen. Vielmehr muß kontinuierlich eine repräsentative Probe entnommen werden, wodurch die zeitliche und volumetrische Auflösung des Konzentrationsverlaufs beeinträchtigt wird.

Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht nunmehr darin, die Vorrichtung der e. g. Art derart auszubilden, daß es gelingt, sowohl die Ablagerung von mono- und polydispersen Partikeln in einem Atemtrakt als auch die Funktionsfähigkeit des Atemtrakts mit hoher Empfindlichkeit zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels der Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung an.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach ein spezielles Photometer hoher Empfindlichkeit, das die Teilchen direkt im Hauptstrom der Atemluft zählt, indem die von den einzelnen Teilchen ausgehenden Streulicht-Impulse registriert und zusätzlich aus der Höhe der Impulse auf die Teilchengröße geschlossen wird. Außerdem ist die Empfindlichkeit des Photometers so gesteigert, das zwischen der Rayleigh-Streuung verschiedener Gase unterschieden werden kann. Für Gase, deren Streueigenschaften sich von Luft unterscheiden, können somit Konzentrationsmessungen direkt im Hauptstrom der Atemluft vorgenommen werden.

Die Bestimmung der Zahl der in- und exhalierten Teilchen mittels direkter Zählung im Hauptstrom der Atemluft hat erfindungsgemäß eine Reihe von Vorteilen gegenüber den früher angewandten indirekten Methoden.

- Durch getrennte Speicherung der Größenspektren von inhalierten und exhalierten Teilchen kann festgestellt werden, ob und in welchem Umfang hygroskopische Partikel im Atemtrakt angewachsen sind.
- Teilchengrößen außerhalb eines vorgebbaren Größenintervalls können von der Zählung ausgeschlossen werden, so daß man auch mit Hilfe polydisperser Aerosole die Ablagerungswahrscheinlichkeit von jeweils engen Größenfraktionen im menschlichen Atemtrakt ermitteln kann.
- Bei der Zählmethode kommt man mit sehr geringen Anzahl-Konzentrationen von weniger als 10^T/cm³ aus, so daß die Lunge einer Versuchsperson praktisch nicht belastet wird.

Aus dieser erfindungsgemäß angewendeten digitalen Zählmethode ergibt sich das Verhältnis von exhalierter zu inhalierter Teilchenzahl pro Atemzug nach Gleichung (2) zu:

ist die entsprechende Zählrate (Teilchenstrom) während In- und Exhalation.

In der nachstehenden Tabelle ist zusammengestellt, um welchen Faktor sich die Rayleigh-Streuung einiger Gase von der der Luft unterscheidet. Für einige dieser Gase wie z. B. He, Ne, Kr und Xe kann die Konzentrationsmessung in der Atemluft mit Hilfe des erfindungs gemäßen Photometers vorgenommen werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mittels der Fig. 1-5 näher erläutert.

Ein wesentlicher Fortschritt bei der Lösung der eingangs gestellten Meßaufgabe wird erfindungsgemäß durch folgenden optischen und mechanischen Aufbau erreicht. Das parallele Lichtbündel 1 (Fig. 1) eines Ar-Ionen-Lasers (3 Watt) wird mit Hilfe von Zylinderlinsen 2 in ein Lichtband 3 umgeformt und so in den Einlaßschlitz 4 eines Gehäuses 5 eingeführt, daß die Stelle 6 seiner engsten Einschnürung (Dicke: 80 µm; Breite: 15 mm) in der Mitte eines senkrecht dazu verlaufenden Aerosolkanals liegt. Die Querschnittsebene des Aerosol kanals 7 und die Ebene des Lichtbandes bilden dabei einen Winkel von 30°. Die Lage des Beobachtungssystems 12 zum Lichtband 3 sowie zum Aerosolkanal 7, mit Mundstück 21 zur Erzeugung des In- und Exhalatstromes 22 und Flußmesser 23, ist schematisch dargestellt. Der Eingang des Einlaßschlitzes 4 ist mit einer Glasscheibe 8 abgeschlossen. Nachdem das Lichtband 3 den Aerosolkanal 7 durchlaufen hat, verschwindet es durch eine weitere Öffnung 9 mit Dichtungsflansch 10 in einer Lichtfalle 11.

Die Ebene des Lichtbandes 3 innerhalb des Aerosolkanals 7 ist gleichzeitig Gegenstandsebene des Mikroskop-Objektives 12 (s. Fig. 2), das die Partikel 14 in die Ebene einer Gesichtsfeldblende 13 abbildet. Dadurch daß Gegenstandsebene und Ebene des Lichtbandes 3 zusammenfallen, werden nur solche Partikel 14 beleuchtet und damit zur Lichtstreuung angeregt, die auch scharf in die Ebene der Gesichtsfeldblende 13 abbildbar sind. Diese scharfe Abbildung wiederum gewährleistet, daß die Streulichtsignale identischer Partikel 14 vom Beobachtungsstrahlengang 15 auch in gleich große Meßsignale umgewandelt werden. Im Falle einer unscharfen Abbildung hingegen, können Partikel, die am Rand der Gesichtsfeldblende 13 liegen, partiell abgeschattet werden. Dadurch hängt die Höhe der Streulicht-Impulse nicht nur von der Größe der Partikel 14, sondern auch von deren Position im Gesichtsfeld ab und eine Partikelzählung mit gleichzeitiger Größenanalyse ist wegen der schlechten Auflösung nicht durchführbar. Die Größe der Gesichtsfeldblende 13 ist so bemessen, daß ein repräsentativer Anteil des Querschnitts des Aerosolkanals 7 (ca. 40%) beobachtet werden kann. Eine Feldlinse 16 innerhalb des Beobachtungsstrahlengangs 15 bildet die Ausgangsöffnung des Mikroskop-Objektivs 12 auf die Kathodenfläche 17 des den Detektor bildenden Photomultipliers 18 ab, der die Streulichtsignale in elektrische Impulse umwandelt, die dann nach entsprechender Verstärkung einem elektronischen Zähler 19 (EZ) oder einem Vielkanal-Impulshöhen-Analysator 20 (VIHA) zugeführt werden.

Ein im Aerosolkanal 7 eingebauter Flußmesser 23 zeigt die Richtung des Flusses des In- oder Exhalationstromes 22 an und steuert den Zähler 19 oder den Vielkanal-Impulshöhen-Analysator 20 in der Weise, daß die Meßsignale von Inhalation und Exhalation getrennt abgespeichert und verarbeitet werden.

Diese digitale Zählmethode ist durchführbar, solange sich im Mittel nur jeweils eine Partikel 14 im Gesichtsfeld befindet, was für diese Anordnung nur für Partikelkonzentrationen C < 5^T/cm³ gewährleistet ist. Für Partikelkonzentrationen C < 10^2T/cm³ und bei der Messung der Rayleigh-Streuung von Gasen liefert der Photomultiplier 18 anstelle von einzelnen Stromimpulsen einen kontinuierlichen Photostrom, der von einem Schreiber (nicht dargestellt) während In- und Exhalation aufgezeichnet wird und ein analoges Maß für die Konzentration des Aerosols oder eines bestimmten Gases in der Atemluft darstellt.

Um zur Untersuchung von Lungenfunktionen dem Inhalat einen definierten Impuls eines Aerosols oder eines inerten Gases beimischen zu können, ist ein Aufbau (schematisch) nach Fig. 3 vorgesehen. Dem Aerosolkanal 7 der Atemluft 27 wird nunmehr Reinluft über den Seitenkanal 24 und die Ringkammer 28 zugeführt, die die Versuchsperson in- und exhaliert. Eine Pulskammer 25 von 150 cm³ Inhalt wird unter Überdruck (0,5-1,5 bar) mit einem Aerosol oder einem inerten Gas gefüllt. In einer vorgebbaren Phase während der Inhalation öffnet sich plötzlich das Magnetventil 26, der Inhalt der Pulskammer 25 entspannt sich und mischt sich in Form eines Impulses über die Ringkammer 29 der Atemluft bei. Die verbrauchte Atemluft 27 entweicht über den Kanal 30.

Fig. 4 zeigt einen derartigen Aerosolimpuls 31 (Partikeldurchmesser 0,5 µm) im Inhalat einer Versuchsperson und seine anschließende Verformung 32 im Exhalat. Diese Verformung gibt dem medizinischen Fachmann Auskunft über die Funktionsfähigkeit des Atemtraktes.

In Fig. 5 ist die Schreiberkurve 33 für die Rayleigh-Streuung der Luft wiedergegeben, die durch einen plötzlichen Impuls 34 eines CO₂-Gases unterbrochen ist. Man erkennt aus der Höhe des Impulses von etwa 4 Volt, wie empfindlich die Photometer-Anordnung auf verschiedene Gase reagiert.

Claims

1. Vorrichtung zum Ermitteln der Differenz einer Partikelzahl und/oder der Größenverteilung der Partikel, die als Gase oder Aerosole im In- und Exhalatstrom eines Atemtraktes enthalten sind, wobei Partikel mittels eines Lichtbündels bestrahlt und von den Partikeln ausgehende Streustrahlung über ein Abbildungssystem optisch erfaßt und detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbündel (1) in ein Lichtband (3) umgeformt ist, welches eine Stelle (6) engster Einschnürung aufweist, daß der In- bzw. Exhalatstrom (22) mit den Partikeln (14) das Lichtband (3) an dieser Stelle (6) kreuzt, wobei eine Schnittebene entsteht, daß diese Schnittebene (6) gleichzeitig die Gegen standsebene des Beobachtungssystems (12) bildet, und daß der Detektor (18) entweder die von den einzelnen Partikeln (14) ausgehenden Einzelimpulse oder die von den Gasen und Aerosolen ausgehende Streustrahlung mißt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (5), das zumindest einen Eintrittsschlitz (4) für das Lichtband (3) aufweist, an dem ein Aerosolkanal (7) bzw. Mundstück (21) derart angeordnet sind, daß der In- bzw. Exhalatstrom (22) das Lichtband (3) in der Schnittebene (6) durchquert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flußmesser (23) zur Bestimmung der Strömungsrichtung des In- und Exhalatstromes (22) im Aerosolkanal (7) untergebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beigabe von Aerosol- und Gasimpulsen zum Inhalat (22) eine Pulskammer (25) am Aerosolkanal (7) angeordnet ist, die unter Überdruck mit einem Aerosol oder Gas füllbar und zu einem vorgebbaren Zeitpunkt während der Inhalation über ein Magnetventil (26) in Richtung des Atemflusses wieder entspannbar ist.