Dispositivo de medición y procedimiento para analizar un gas de muestra por medio de espectroscopía de absorción infrarroja.

Dispositivo de medición (100) para analizar un gas de muestra por medio de espectroscopía de absorción infrarroja,

que presenta:

- una cámara de medición (2) con el gas de muestra que va a analizarse,

- un láser (1), que está dispuesto con respecto a la cámara de medición (2) de tal manera que luz emitida por el láser atraviesa la cámara de medición (2),

- un dispositivo de detección (61) que detecta la luz emitida por el láser (1) y que atraviesa la cámara de medición (2) y

- una unidad de evaluación (8) que evalúa las señales generadas por el dispositivo de detección (61) con respecto a una absorción de luz que tiene lugar en la cámara de medición (2), en donde

- el láser (1) es un láser de emisión en banda estrecha, cuya anchura de línea es menor o igual a la anchura de una línea de absorción infrarroja que va a medirse del gas de muestra y es inferior a 0,2 cm-1, en donde

- el láser (1) está diseñado y configurado de tal manera que la frecuencia de láser se varía periódicamente dentro de un intervalo espectral definido, seleccionándose la frecuencia de láser y su variación de tal manera que al menos una línea de absorción infrarroja que va a medirse del gas de muestra se encuentra en el intervalo espectral definido, y en donde

- el dispositivo de detección (61) está diseñado y configurado de tal manera que detecta la luz emitida por el láser (1) y que atraviesa la cámara de medición (2) con resolución temporal de tal manera que la absorción de luz puede determinarse dentro del intervalo espectral definido con resolución de frecuencia,

caracterizado por que el dispositivo de detección (61) está diseñado y configurado para detectar, en el intervalo espectral definido, una pluralidad de puntos de medición, que corresponden en cada caso a una medición de absorción individual, y para llevar a cabo cada medición de absorción individual en el plazo de 10-5 s o más rápido, y por que el dispositivo de medición (100) es adecuado y está configurado para, como gas de muestra, medir el gas respiratorio de un ser humano o de un animal, presentando el dispositivo de medición (100) una estructura abierta sin válvulas, que podrían impedir el flujo del gas de muestra, y una sección transversal constante para el gas que fluye entre entrada de gas en el dispositivo de medición y salida de gas del dispositivo de medición, de modo que el gas respiratorio se cambia sólo por la respiración del ser humano o del animal en la cámara de medición (2) y la resistencia respiratoria del dispositivo de medición (100) es inferior a 6 kPa (60 mbar).

Dispositivo de medición y procedimiento para analizar un gas de muestra por medio de espectroscopia de absorción infrarroja

La invención se refiere a un dispositivo de medición para analizar un gas de muestra por medio de espectroscopia de absorción infrarroja de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 así como a un procedimiento correspondiente.

Dese hace siglos se conoce que el olor en el aliento puede ser un indicador de una posible enfermedad, el ejemplo más prominente es el olor dulzón-afrutado, provocado por acetona en diabetes mellitus tipo 1. Incluso el aliento de seres humanos sanos contiene varios cientos de compuestos químicos volátiles, denominados "volatile organic compounds" (compuestos orgánicos volátiles) (VOC), en baja concentración (intervalo de ppm a ppt). Algunos de ellos desempeñan un papel importante en procesos fisiológicos o fisiopatológicos. Si existe una enfermedad, aumenta la concentración de determinados gases traza en el aliento. En algunas enfermedades pueden detectarse también gases que no están presentes en el organismo sano. Por lo tanto, el análisis del gas respiratorio ofrece un gran potencial para el diagnóstico clínico y monitorización de la terapia. No obstante, la concentración de gases traza es con frecuencia tan baja que no puede medirse con suficiente precisión con los procedimientos analíticos de gases disponibles.

Existen procedimientos de detección altamente sensibles, tal como por ejemplo las espectroscopia de masas o la espectroscopia FTIR en células de muestra Multipass. No obstante, tales aparatos de detección no pueden utilizarse directamente en el paciente y por lo tanto no tienen importancia para la rutina clínica. Esto se basa también en que la evaluación dura varios días y en que mediante el transporte de la muestra aparecen fuentes de error incalculables. Estructuras móviles en el intervalo de la espectroscopia de absorción infrarroja con láseres de diodo (por ejemplo láseres de sal de plomo) como fuentes de luz se usan así mismo desde hace varios siglos, en cambio, hasta el momento no alcanzaron la estabilidad necesaria a lo largo de un periodo de tiempo más largo para la detección sensible de gases, de modo que también en este caso sigue estando limitado el uso en la investigación básica médica.

Un método alternativo es el denominado procedimiento NDIRS (NDIRS: espectroscopia de IR no dispersiva). Éste detecta variaciones de densidad en el gas de muestra que se resuelven mediante absorción de luz infrarroja. Este procedimiento de detección es sensible y puede llevar a cabo una medición cada dos minutos y medio. No obstante, los resultados de medición se falsean por otros gases tal como por ejemplo oxígeno, de modo que este método sólo puede utilizarse de manera limitada en la rutina clínica.

Un método adicional se utiliza por la empresa Oridion Systems Ltd. con el nombre BreathlD ®. En este caso se usa como fuente de luz una lámpara de presión de C2. No obstante, este método está fuertemente limitado en su sensibilidad y rapidez por variaciones de anchura de línea que se producen (en la lámpara y en el gas de muestra), bajas intensidades de luz y fluctuaciones espectrales y de esta manera no proporciona ningún resultado de medición altamente sensible en poco tiempo. El método de NDIRS y el método de Oridion Systems Ltd. son muy adecuados por ejemplo para la detección de la bacteria Helicobacter pylori en el estómago de un paciente. La presencia de la bacteria se detecta cualitativamente a través de un contenido en 13C2 elevado en el aire exhalado después de la administración de un agente de diagnóstico marcado con 13C.

Los procedimientos de ensayo cualitativos pierden importancia cuando el ensayo se encuentra en el mismo segmento de precio que el tratamiento. Una estrategia adicional para garantizar la detección rápida y sencilla de compuestos químicos volátiles, es el uso de microchips sensibles de superficie, que seleccionan y se unen a gases traza especiales del aire respiratorio. Por lo tanto es posible una detección sensible de los compuestos químicos volátiles y puede tomarse la decisión cualitativa de que el paciente está enfermo o no.

La detección pura de una enfermedad es reveladora, no obstante no proporciona ninguna información acerca de la terapia adecuada. Por lo tanto, el futuro del análisis de gas respiratorio está en la determinación cuantitativa del grado de enfermedad que pone a mano del médico ayudas en las decisiones directas para la terapia. Cuando tales pruebas pueden llevarse a cabo de manera sencilla y rápida, y los resultados se encuentran de inmediato en forma comprensible para el médico, puede establecerse la prueba en la rutina clínica.

Los requisitos en cuanto a las pruebas cuantitativas de gas respiratorio son altos: para la identificación unívoca de los gases traza es necesaria una alta selectividad y sensibilidad de detección, dado que la concentración se encuentra en la mayoría de los casos en el intervalo de ppm a ppb. La determinación exacta cuantitativa de la cantidad de gases traza debe garantizarse. Además, las mediciones deberán tener lugar en línea y en tiempo real, para evitar una recogida de muestras costosa y propensa a errores (por ejemplo en bolsas o en corriente lateral). Para un uso practicable y económico han de exigirse una fácil maniobrabilidad, compacidad, robustez, bajo coste de mantenimiento y/o una relación de coste-aprovechamiento favorable. Estos altos y múltiples requisitos no pueden satisfacerse por completo por el momento por ningún procedimiento de análisis de gases.

El aire exhalado de seres humanos presenta un porcentaje en volumen de dióxido de carbono del 2 % al 4 % y se exhala en 1 a 2 respiraciones por minuto, en niños pequeños y recién nacidos incluso en 25 a 5 respiraciones por minuto. La presión respiratoria del ser humano asciende aproximadamente a de 5 kPa (5 mbar) hasta como máximo 16 kPa (16 mbar), con un volumen de aproximadamente ,5 litros. Del aire respiratorio llega sólo aproximadamente el 7 % a los pulmones, de modo que también sólo en aproximadamente el 7 % del volumen de gas existe un porcentaje de dióxido de carbono claramente elevado. En el volumen de gas restante, el volumen de espacio muerto, puede descender la concentración de dióxido de carbono hasta la concentración del aire del entorno de aproximadamente el ,4 %. Esto lleva a que la concentración de dióxido de carbono del aire respiratorio pueda oscilar alrededor de los órdenes de magnitud del ,4 % al 4 %. Las concentraciones de dióxido de carbono de más del 5 % son tóxicas y pueden llevar por ejemplo a dolores de cabeza y calambres.

La cantidad de dióxido de carbono producida depende del metabolismo individual de cada ser humano individual. Se usan distintos procedimientos de aproximación para estimar la producción de dióxido de carbono de un ser humano. Los parámetros, que entran en los mismos, son por ejemplo el peso y la superficie corporal. La superficie corporal se estima en la mayoría de los casos a su vez con el peso y el tamaño corporal, de modo que en la Medicina se calcula con frecuencia con magnitudes sólo moderadamente exactas, lo que limita considerablemente o incluso hace imposible una evaluación cuantitativa del resultado.

Para la determinación directa cuantitativa de procesos metabólicos o metabolizaciones es necesario seguir con resolución temporal la dinámica del proceso, del mejor modo, en tiempo real. Si la dinámica de metabolización presenta una cinética que puede representarse mediante una ecuación diferencial de 1er orden (dinámica de 1er orden), entonces, mediante la resolución de la ecuación diferencial o mediante el ajuste de una función exponencial: y(t)=A*exp(-t/tau) puede determinarse el máximo de la cinética A y la constante de tiempo tau. A partir de las variables A y tau pueden determinarse entonces parámetros metabólicos cuantitativamente. La resolución de la dinámica de metabolización se consigue en el mejor de los casos mediante una iniciación temporalmente corta, por ejemplo la administración iv de un agente de diagnóstico o la liberación de un agente de diagnóstico mediante exposición a luz / irradiación.

Si la liberación o el inicio de la dinámica dura más que la pendiente tau o que una respiración, entonces la dinámica de la liberación tiene que determinarse de otro modo y desarrollarse por la dinámica de metabolización. Un Ejemplo de un inicio de metabolización rápido es la administración iv del agente de diagnóstico 13C-metacetina en bolo. Se distribuye en el organismo con la sangre (aproximadamente 6 latidos por minuto) y llega en aproximadamente un segundo al hígado, donde se metaboliza para dar paracetamol y 13C2.... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de medición (1) para analizar un gas de muestra por medio de espectroscopia de absorción infrarroja, que presenta:

- una cámara de medición (2) con el gas de muestra que va a analizarse,

- un láser (1), que está dispuesto con respecto a la cámara de medición (2) de tal manera que luz emitida por el láser atraviesa la cámara de medición (2),

- un dispositivo de detección (61) que detecta la luz emitida por el láser (1) y que atraviesa la cámara de medición (2) y

- una unidad de evaluación (8) que evalúa las señales generadas por el dispositivo de detección (61) con respecto a una absorción de luz que tiene lugar en la cámara de medición (2), en donde

- el láser (1) es un láser de emisión en banda estrecha, cuya anchura de línea es menor o igual a la anchura de una línea de absorción infrarroja que va a medirse del gas de muestra y es inferior a ,2 cm"1, en donde

- el láser (1) está diseñado y configurado de tal manera que la frecuencia de láser se varía periódicamente dentro de un intervalo espectral definido, seleccionándose la frecuencia de láser y su variación de tal manera que al menos una línea de absorción infrarroja que va a medirse del gas de muestra se encuentra en el intervalo espectral definido, y en donde

- el dispositivo de detección (61) está diseñado y configurado de tal manera que detecta la luz emitida por el láser (1) y que atraviesa la cámara de medición (2) con resolución temporal de tal manera que la absorción de luz puede determinarse dentro del intervalo espectral definido con resolución de frecuencia, caracterizado por que el dispositivo de detección (61) está diseñado y configurado para detectar, en el intervalo espectral definido, una pluralidad de puntos de medición, que corresponden en cada caso a una medición de absorción individual, y para llevar a cabo cada medición de absorción individual en el plazo de 1'5 s o más rápido, y por que el dispositivo de medición (1) es adecuado y está configurado para, como gas de muestra, medir el gas respiratorio de un ser humano o de un animal, presentando el dispositivo de medición (1) una estructura abierta sin válvulas, que podrían impedir el flujo del gas de muestra, y una sección transversal constante para el gas que fluye entre entrada de gas en el dispositivo de medición y salida de gas del dispositivo de medición, de modo que el gas respiratorio se cambia sólo por la respiración del ser humano o del animal en la cámara de medición (2) y la resistencia respiratoria del dispositivo de medición (1) es inferior a 6 kPa (6 mbar).

2. Dispositivo de medición (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la frecuencia de láser y su variación se seleccionan de tal manera que al menos dos líneas de absorción infrarrojas del gas de muestra se encuentran en el intervalo espectral definido y por que la unidad de evaluación (8) está diseñada y configurada para, por medio de la absorción de luz que tiene lugar en las dos líneas de absorción, determinar en tiempo real la relación de dos isótopos, elementos o moléculas del gas de muestra.

3. Dispositivo de medición (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el dispositivo de medición (1) está diseñado y configurado de tal manera que tiene lugar una detección de luz con resolución temporal mediante el dispositivo de detección (61) mientras el gas de muestra atraviesa la cámara de medición (2).

4. Dispositivo de medición (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por un espirómetro (5) que detecta el flujo volumétrico del gas de muestra que fluye a través de la cámara de medición (2).

5. Dispositivo de medición (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por una antecámara (4) que está diseñada para calentar o enfriar el gas de muestra hasta una temperatura determinada y para reducir el contenido en vapor de agua del gas de muestra.

6. Dispositivo de medición (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de detección (61) está diseñado y configurado para medir, por intervalo espectral en el que varía la frecuencia de láser, más de 2 puntos de medición, en particular más de 1 puntos de medición, en particular más de 5 puntos de medición.

7. Dispositivo de medición (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la señal de láser es pulsada con una duración de impulso de preferentemente menos de 2 ns, en particular de menos de 1 ns.

8. Dispositivo de medición (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de detección (61) está diseñado y configurado para llevar a cabo una medición de absorción para cada impulso de luz emitido del láser (1).

9. Dispositivo de medición (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de detección (61) está diseñado y configurado para leerse con una frecuencia que es el doble de grande que la frecuencia con la que el láser (1) emite impulsos de luz.

1. Dispositivo de medición (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de medición está diseñado de tal manera que la luz emitida por el láser (1) se divide en dos rayos parciales, en donde un rayo parcial atraviesa la cámara de medición (2) y el otro rayo parcial es detectado por un dispositivo de detección de referencia (62), y en donde la unidad de evaluación (8) evalúa las señales del dispositivo de detección de referencia para la normalización de la intensidad de señal del láser (1).

11. Dispositivo de medición (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el dispositivo de medición (1) está diseñado y configurado para determinar en tiempo real la concentración de dióxido de carbono del gas respiratorio en el intervalo entre el ,8 % y el 8 % en el flujo de paso.

12. Dispositivo de medición (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de medición está diseñado y configurado para determinar la anchura de línea de una línea de absorción infrarroja del gas de muestra en función de la concentración de gas.

13. Procedimiento para analizar un gas de muestra por medio de espectroscopia de absorción infrarroja en un dispositivo de medición (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, con las etapas de:

- irradiar una cámara de medición (2) con luz, que emite un láser de banda estrecha (1), cuya anchura de línea es menor o igual a la anchura de una línea de absorción infrarroja que va a medirse de un gas de muestra que se encuentra en la cámara de medición (2) y se encuentra por debajo de ,2 cm"1, en donde la frecuencia de láser varía periódicamente dentro de un intervalo espectral definido y la frecuencia de láser y su variación se seleccionan de tal manera que al menos una línea de absorción infrarroja que va a medirse del gas de muestra se encuentra en el intervalo espectral definido,

- detectar con resolución temporal la luz emitida por el láser (1) y que atraviesa la cámara de medición (2), en donde en el intervalo espectral definido se detecta una pluralidad de puntos de medición, que corresponden en cada caso a una medición de absorción individual, y en donde se lleva a cabo una medición de absorción individual en el plazo de 1'5 s o más rápido, y

- evaluar las señales detectadas con respecto a una absorción de luz que tiene lugar en la cámara de medición (2), en donde la absorción de luz se determina dentro del intervalo espectral definido con resolución de frecuencia,

caracterizado por que el gas de muestra es el gas respiratorio de un ser humano o de un animal, en donde el gas respiratorio se cambia sólo por la respiración del ser humano o del animal en la cámara de medición (2) y en donde la resistencia respiratoria del dispositivo de medición (1) es inferior a 6 kPa (6 mbar).

14. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado por que se determina la relación de dos isótopos, elementos o moléculas del gas de muestra, que presentan líneas de absorción que se encuentran en el intervalo espectral definido.