Projekt 13709/01

Mobiles Atemanalyse- und Datenerfassungsgerät für medizinische und umwelttechnische Anwendungen

Projektdurchführung

WWU Wissenschaftliche Werkstattfür Umweltmesstechnik GmbH
Brunnenkoppel 3
22041 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Langzeitbeobachtung der wichtigsten Körperfunktionen ist eine notwendige Aufgabe der künftigen medizinischen Vorsorge. Ein Teilgebiet der Erfassung medizinischer Daten ist die Kontrolle der Atemfunktion sowie die Analyse der ausgeatmeten Luft. Der Gehalt von Sauerstoff, Kohlendioxid und Aceton beim Ausatmen sind Parameter, die vielfältige Hinweise auf den Gesundheitszustand eines Menschen geben.
Die bisherigen Möglichkeiten, die Atemluft zu analysieren, beschränken sich auf stationäre Geräte. Andere Messungen, wie z. B. der Puls, Blutdruck und EKG, können mit mobilen Geräten erfasst werden.
Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, kleine, mobile und vielseitige Datenerfassungsgeräte für die Atem-luftanalyse und Erfassung medizinischer Daten auf dem Markt anzubieten.
Die Aufgabe des Projektes soll es daher sein, ein solches Datenerfassungsgerät zu entwickeln. Es soll flexibel einsetzbar sein und die Möglichkeit bieten, zusätzlich zur Analyse der Atemluft auch andere Parameter erfassen zu können. Dieses Gerät soll an der Kleidung oder direkt am Körper des Patienten an-gebracht werden, ohne den Patienten jedoch in seinem Bewegungsablauf zu behindern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenGrundsätzlich ist zu berücksichtigen, dass ein tragbares Gerät zu entwickeln ist, das den Benutzer möglichst wenig beeinträchtigen soll. Das Projekt kann in Aufgabenbereiche eingeteilt werden, bei denen jeweils bestimmte Schwerpunkte besonders berücksichtigt werden müssen.
- Bei der Weiterentwicklung der Messdatenerfassung und der IR-Gasanalyse liegt der Schwerpunkt auf der Miniaturisierung und auf Energieeinsparungsmaßnahmen. Der Aufbau und Einsatz einer Mul-tireflexionsküvette ist für die Miniaturisierung zwingend erforderlich.
- Die Realisierung der mechanischen Konstruktion erfordert die Anpassung an ergonomische Bedürfnisse. Besonders schwierig ist der Aufbau einer geeigneten Gasaufbereitung in Miniaturbauweise.
- Die Realisierung eines Gasanalysators ohne Küvettenrohr erfordert die Weiterentwicklung von flüssigkeitsgefüllten Lichtwellenleitern. Diesen Projektabschnitt übernimmt der Kooperationspartner.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes wurde eine anspruchsvolle aber auch kostengünstige Analyseeinheit erarbeitet und entwickelt, die es ermöglicht, Aceton in Konzentrationen von 8 ppm nachzuweisen. Von Seiten des Institutes für Lasermedizin war dies durch die Neugestaltung des Designs der optischen Bauelemente möglich. Dazu zählen Auswahl, Untersuchung und die Entwicklung neuer Lichtübertragungssysteme, die Berechnung und Gestaltung parabolischer Reflektoren zur optimalen Lichteinkopplung. Bei der WWU GmbH wurde die Steuer- und Auswerteelektronik neu entwickelt. Durch ein neues Platinenlayout konnte die Signalqualität verbessert werden. Im Bereich der Auswertesoftware konnte durch ein neues Korrekturverfahren die Qualität der Messergebnisse erheblich gesteigert werden.
Die Miniaturisierung konnte nicht im gewünschten Maße durchgeführt werden, da es nicht gelang, eine funktionsfähige Multireflexionsküvette zu bauen. Aus diesem Grund konnte kein tragbares Gerät entwickelt werden, das die Analyse der Atemluft ohne größere Beeinträchtigungen für den Patienten ermöglicht.
Die Neugestaltung der Analyseeinheit führte allerdings zu einer stationären Lösung. Die Küvette ist in Modulbauweise ausgelegt, so dass sich die Absorptionsstrecke beliebig variieren lässt. Strahlquelle und Detektor sind direkt an der Küvette befestigt. Mit diesem Aufbau und dem Einsatz des speziellen Korrekturverfahrens wurde der Nachweis von Aceton in Konzentrationen von 8 ppm möglich. Durch weitere Verbesserungen (höhere Strahlerleistung, längere Küvette) sollten auch Konzentrationen von 4 ppm, eventuell noch geringer, detektierbar sein.
Mit dem stationären Mess-System könnten z. B. Patienten auf einer Intensivstation permanent überwacht werden.
Verschiedene Schwierigkeiten bei der Entwicklung der Lichtübertragungssysteme und die zusätzliche Neugestaltung der Küvette als Modulsystem haben dazu geführt, dass der Zeitplan des Projektes um et-wa 6 Monate überschritten wurde. Dabei konnte jedoch die ursprüngliche Kostenkalkulation eingehalten werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die während des Projektes erzielten Ergebnisse, insbesondere im Bereich der Lichtübertragungssysteme, wurden zum Teil in zwei Diplomarbeiten und einem Praktikumbericht veröffentlicht.
Darüber hinaus ist geplant, die gesamten Projektergebnisse auf Messen und sonstigen Ausstellungen zu präsentieren und als Kurzbroschüre zu veröffentlichen. Auch im Internet soll die Möglichkeit geschaffen werden, die Ergebnisse einzusehen und weitere Informationen anzufordern.


Fazit

Mit der neuen Analyseeinheit steht eine nicht zu teure, aber mit hochwertigen optischen Komponenten ausgestattete Messapparatur für medizinische und umwelttechnische Anwendungen zur Verfügung.
Es hat sich gezeigt, dass die Entwicklung einer Multireflexionsküvette erheblichen Aufwand notwendig macht, wenn eine hohe Qualität der Messsignale erreicht werden soll. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieses Projektes lediglich ein hochwertiges optisches System in konventioneller Bauweise eingesetzt. Für die Zukunft ist die Miniaturisierung des Messgerätes in einem Verbundprojekt zur Mikrosystemtechnik geplant.