ES2970505T3 - Dispositivo compacto de análisis de gases y método - Google Patents

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Abstract

Un dispositivo de análisis de gases adecuado, por ejemplo, para análisis médicos del aliento exhalado de un sujeto. Una entrada de gas recibe una muestra de gas a una trayectoria de flujo para guiar la muestra de gas a dos o más separadores de gas, por ejemplo columnas de cromatografía de gases, con respectivas propiedades de selectividad molecular que son diferentes. Uno o más detectores, cada uno con un sensor, están dispuestos para generar respuestas respectivas a las salidas de los dos o más separadores de gas. Un módulo de comunicación genera datos de salida en respuesta a las respuestas respectivas de uno o más detectores, por ejemplo, datos indicativos de moléculas seleccionadas en la muestra de gas, por ejemplo, datos indicativos de una o más enfermedades identificadas como resultado de biomarcadores identificados en la muestra de gas. El dispositivo es adecuado como dispositivo compacto, por ejemplo un dispositivo portátil de análisis del aliento, ya que el uso de varios separadores de gas permite el uso de separadores de gas muy específicos de moléculas que se pueden implementar con un tamaño pequeño. Por ejemplo, se puede utilizar un camino de flujo con varios caminos paralelos, cada uno de los cuales comprende uno o más separadores de gas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo compacto de análisis de gases y método
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere en general al análisis de gases. En concreto, la invención se refiere a un método y un dispositivo adecuados para el análisis médico de gases, por ejemplo, el aliento exhalado de una persona o gases basados en muestras de piel, orina o heces.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El análisis del aliento exhalado en la salud y la enfermedad es un área de creciente interés clínico. Utilizar el aliento como muestra biológica resulta atractivo, ya que la recogida de aliento es barata, fácil de realizar y no invasiva. Los Compuestos Orgánicos Volátiles (VOC) se excretan por la piel, la orina, las heces y, sobre todo, a través del aliento exhalado. Además del origen pulmonar, los VOC también proceden de la sangre, lo que refleja cualquier proceso bioquímico fisiológico, patológico o relacionado con patógenos en todo el cuerpo. El análisis del aliento exhalado puede permitir la impresión dactilar metabólica de procesos de enfermedad en cualquier lugar dentro del cuerpo.
Varios estudios han demostrado el potencial diagnóstico de estas técnicas en subconjuntos claramente definidos de pacientes con diversas enfermedades. Los volátiles el aliento exhalado cambian cuando hay una afección, y los marcadores específicos pueden relacionarse con enfermedades concretas. La detección de estos marcadores específicos en cantidades muy bajas en una matriz compleja de otros compuestos volátiles presentes en el aliento exhalado es un reto incluso para las técnicas de análisis del estado de la técnica.
Los métodos de la técnica anterior suelen incluir una etapa de separación y otra de detección, si es necesario con un preconcentrador para aumentar la concentración.
El estado actual de la técnica en el análisis del aliento son las llamadas narices electrónicas, por un lado, y los sistemas de espectrometría de masa-cromatografía de gases (GC-MS), por el otro. Las narices electrónicas constan de un conjunto de detectores diferentes que reaccionan de forma distinta ante un tipo determinado de compuesto. La combinación de señales del conjunto puede utilizarse como una especie de método de impresión dactilar para identificar el tipo de compuesto. La sensibilidad y selectividad de estos detectores no son adecuadas para identificar un marcador específico en la matriz del aliento exhalado compleja.
Por otro lado, los sistemas GC-MS de gama alta utilizados para este fin comprenden una columna cromatográfica que separa los compuestos individuales de la matriz, y un detector de espectrometría de masas que puede detectar con precisión cada compuesto que se separa, proporcionando la selectividad y especificidad necesarias. Estos sistemas GC-MS son muy caros y voluminosos, y requieren técnicos altamente cualificados para su manejo, así como calibración y limpieza regulares. Por tanto, estos equipos de gama alta no son adecuados para su uso, por ejemplo, en un hospital cercano a los pacientes.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Siguiendo lo anterior, los inventores de la presente invención han apreciado que es ventajoso un dispositivo y un método mejorados para el análisis de gases. Específicamente, dicho método y dispositivo permiten preferentemente el análisis del aliento exhalado de una persona o animal que respira con un dispositivo pequeño, por ejemplo, un dispositivo portátil, y aun así con una especificidad que permita la identificación o el diagnóstico de una o más enfermedades seleccionadas.
En particular, puede considerarse un objeto de la presente invención proporcionar un dispositivo y un método que resuelvan los problemas mencionados anteriormente, u otros problemas, del estado de la técnica.
La invención proporciona un dispositivo de análisis de gases de acuerdo con la reivindicación 1, un uso del mismo de acuerdo con la reivindicación 6 y un método correspondiente de acuerdo con la reivindicación 7. Otras modificaciones ventajosas se definen en las reivindicaciones dependientes.
Dicho dispositivo de análisis de gases es ventajoso, ya que los inventores se han dado cuenta de que el uso de una pluralidad de separadores de gases dispuestos en la trayectoria de flujo, que se divide en trayectorias en serie y/o paralelas, permite el uso de separadores de gases en miniatura, por ejemplo, columnas GS en miniatura, cada una de ellas sintonizada con diferentes propiedades de selectividad de moléculas. Esto permite disponer de un dispositivo compacto, por ejemplo, de mano, capaz de identificar, diagnosticar o controlar enfermedades específicamente seleccionadas, como la tuberculosis o la neumonía, cuando se analizan los datos de salida del dispositivo. Por ejemplo, el dispositivo puede incluir un procesador preparado para realizar el diagnóstico, la identificación o el seguimiento de la enfermedad, y el módulo de comunicación está preparado para comunicar el resultado del diagnóstico o la identificación de la enfermedad, por ejemplo, mediante una pantalla y/o un altavoz y/o una interfaz por cable o inalámbrica para comunicar dicha información a otro dispositivo, por ejemplo, un teléfono inteligente, una tableta o similar. En el caso de un dispositivo portátil, el propio dispositivo portátil puede tener una pantalla, pero de forma alternativa o adicional, el dispositivo puede comunicar un resultado de análisis de gases para su visualización en un monitor de paciente o una pantalla en un dispositivo ventilador o similar.
La invención se basa en la idea de que el espacio disponible para los separadores de gases necesarios (por ejemplo, columnas GS) puede reducirse significativamente, ya que cada uno de ellos sólo necesita ser capaz de identificar un rango específico de moléculas. Aun así, en combinación, la pluralidad de separadores de gases puede permitir la identificación de biomarcadores específicos para identificar una o más enfermedades seleccionadas.
En comparación con los separadores de gases de laboratorio, por ejemplo, utilizando grandes columnas GS, las columnas GS más pequeñas separan peor los volátiles. Sin embargo, para poder seguir detectando las moléculas por separado, se pueden utilizar varias columnas GS más pequeñas para la separación. Supongamos que la molécula A de interés tiene dos vecinas más cercanas, la molécula B y C. Si la primera columna se ajusta para separar la molécula A de la molécula B, pero no de la molécula C, y la segunda columna se ajusta para separar la molécula A de la molécula C, pero no de la molécula B, aún es posible deducir las abundancias individuales de la molécula A, B y C.
Preferiblemente, el detector o detectores pueden proporcionar al menos un espectro cromatográfico. Diferentes moléculas eluyendo en un punto diferente en el tiempo. Para los distintos separadores de gases, las moléculas que eluyen y el tiempo de elución pueden ser diferentes. Además, el detector o detectores pueden proporcionar información adicional sobre las moléculas identificadas, por ejemplo, con respecto a la masa, u otra, dependiendo del tipo de sensor utilizado en el detector o detectores.
El dispositivo de análisis de gases puede utilizarse para separar mezclas gaseosas en múltiples mezclas que pueden analizarse posteriormente. Esto puede utilizarse en un entorno clínico, tomando muestras de aliento directamente de la corriente lateral del tubo de un ventilador mecánico, por ejemplo, en unidades de cuidados intensivos, o tomando muestras de una bolsa que contenga una muestra de aliento de pacientes que puedan respirar por sí mismos. También puede utilizarse en otras aplicaciones en las que sea necesario analizar gases para detectar la presencia de componentes específicos. Debe entenderse que el dispositivo puede utilizarse también para analizar VOCs en gases a partir de muestras de piel, orina o heces. Además, el dispositivo puede utilizarse en general para analizar gases también para aplicaciones no médicas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Se describirán realizaciones de la invención, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos , en los que
la figura 1 ilustra de forma esquemática una realización de análisis de gases,
la figura 2 ilustra otra realización con ramas paralelas de una pluralidad de separadores de gases con un detector para cada rama,
la figura 3 ilustra otra realización con ramas paralelas de una pluralidad de separadores de gases con un detector común para todas las ramas paralelas,
la figura 4 ilustra una realización con un detector intermedio que sirve para controlar una válvula, permitiendo así detener el flujo de gases en caso de material nocivo que pueda dañar los separadores de gases situados aguas abajo en la trayectoria del flujo,
la figura 5 ilustra una realización del método.
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES
Las realizaciones mostradas en las figuras 1-3 no forman parte de la invención reivindicada, pero, no obstante, son útiles para comprender los principios subyacentes de la invención, que se ilustra con referencia a la figura 4. La figura 1 muestra en forma esquemática un dispositivo portátil de análisis de gases con una carcasa CS que tiene una entrada de gases dispuesta para recibir una muestra de gas G_S en forma de muestra de aliento exhalado, o VOCs de otras fuentes, por ejemplo, piel, orina, heces, etc. de un animal o una persona. La carcasa CS aloja una trayectoria de flujo FP conectada a la entrada de gases para guiar la muestra de gas a un conjunto de tres separadores de gases GS1, GS2, GS3 en una conexión de trayectoria de flujo en serie. En una realización preferida, los separadores de gases GS2, GS2, GS3 se implementan como Columnas de Cromatografía de Gases (GC) con diferentes propiedades de selectividad de moléculas respectivas, por ejemplo, con diferentes recubrimientos químicos, y/u otras propiedades físicas o químicas que sirven para permitir la detección de un rango específico de moléculas. La carcasa CS aloja además un detector DT común para los tres separadores de gases GS1, GS2, GS3 que comprende un sensor dispuesto para detectar las salidas de los separadores de gases GS1, GS2, GS3, y para generar las respectivas primera, segunda y tercera respuestas a las salidas de los respectivos separadores de gases GS1, GS2, GS3 en respuesta a sus salidas. El detector DT puede ser del tipo de los detectores de espectrometría de masas; sin embargo, si se prefiere, pueden utilizarse otros detectores, por ejemplo, sensores de óxido metálico, sensores electroquímicos, detectores de emisión de plasma (PED), detectores de conductividad térmica (TCD).
La carcasa CS alberga además un módulo de comunicación CM, por ejemplo, para la comunicación inalámbrica por radiofrecuencia, por ejemplo, wi-fi, de los datos de salida O_D indicativos de las respuestas del detector DT, a fin de permitir que un dispositivo externo, por ejemplo, un ordenador o un teléfono inteligente o similar, reciba el resultado del análisis de gases realizado en la muestra de gas. El dispositivo portátil también puede incluir un procesador dispuesto para recibir las respuestas del detector DT con el fin de calcular si una o un conjunto de moléculas específicas están presentes en la muestra de gas, y en el que este resultado se comunica a continuación por el módulo de comunicación CM, por ejemplo, que comprende una pantalla visible en la superficie de la carcasa CS.
La figura 2 ilustra en una representación esquemática una realización con una trayectoria de flujo FP que tiene ramas paralelas cada una que tiene una pluralidad de los separadores del gases<g>S1_1 a GS3_n conectados en una trayectoria serial. Como se ve, se ven tres conexiones paralelas cada una con una conexión en serie de tres separadores de gases, sin embargo "n" indica que el dispositivo de análisis de gases puede en general comprender más de tres ramas paralelas, y cada rama puede comprender más de tres separadores de gases en conexión en serie.
La entrada de gases en esta realización está conectada a un pre concentrador PCN dispuesto para aumentar la concentración de moléculas de interés antes de que la muestra de gas G_S sea guiada a los separadores de gases GS1_1 a GS3_n. Especialmente, los revestimientos de los separadores de gases GS1_1 a GS3_n pueden ajustarse de tal manera que favorezcan un rango específico de moléculas, por ejemplo, en forma de GC con propiedades químicas/físicas respectivas. Al final, la salida de cada serie de separadores de gases se mide mediante detectores separados DT1, DT2, DT3. La combinación de las respuestas específicas de los sensores de los detectores DT1, DT2, DT3 combinada con la separación de los VOC proporcionará la entrada para filtrar los datos de análisis relevantes para la enfermedad o afección que necesita ser diagnosticada. Dicho procesamiento puede ser realizado por un procesador PR incluido en el dispositivo de análisis de gases, y el resultado final del análisis de gases se comunica entonces como datos de salida O_D desde el módulo de comunicación CM.
La figura 3 ilustra una versión alternativa de la realización de la figura 2, donde la diferencia es que los separadores de gases GS1_1 a GS3_n están conectados a un detector común DT, que detecta respuestas de los separadores de gases individuales GS1_1 a GS3_n separadas en el tiempo, concretamente detectadas a los tiempos t, t+1, t+n-1, es decir, temporalmente separadas para cada una de las ramas paralelas de separadores de gases. Como alternativa al preconcentrador PCN mostrado, cada flujo paralelo puede tener su propio preconcentrador dedicado. Esto permitirá (1) ajustar las propiedades del preconcentrador a los respectivos separadores de gases (por ejemplo, columnas) en la rama paralela, y (2) liberar secuencialmente los VOC adsorbidos en el preconcentrador mediante desorción térmica. La desorción térmica secuencial facilita la conmutación del detector DT entre las diferentes vías de flujo, sin que se pierda ningún compuesto.
La figura 4 ilustra una realización con una válvula controlada por una unidad de control C_U. El uso de varios separadores de gases, por ejemplo, GC, con diferentes propiedades aumenta la selectividad del sistema completo. El recubrimiento de algunos de los GC se elige preferentemente de forma que los biomarcadores objetivo se separen de forma óptima del resto de compuestos presentes. Sin embargo, el resto de los compuestos pueden incluir moléculas agresivas que potencialmente pueden dañar el recubrimiento sensible de los GC. Por lo tanto, en la realización de la figura 4, la muestra de gas G_S, por ejemplo, el aliento exhalado, se preconcentra en el preconcentrador PCN. Posteriormente, el flujo de gases se canaliza a través de un primer separador de gases GS 1, y el resultado de este separador de gases GS1 se controla mediante un detector intermedio DT1. En función del resultado del detector intermedio DT1 (que incluye el tiempo de retención, la intensidad iónica y posiblemente también los espectros de masas), una unidad de control C_U cierra o abre una válvula en la trayectoria del flujo entre los separadores de gases GS2 y GS3. Así, la unidad de control (C_U) está dispuesta para abrir o cerrar la válvula en respuesta a dicha respuesta del primer detector (DT1), a fin de proporcionar selectivamente flujo o no flujo de gases al segundo separador (GS3) en respuesta a una salida del primer separador (GS1). De este modo, se puede garantizar que sólo la parte interesante del cromatograma se introduce en los separadores de gases sensibles GS3 a GSn. Todos los demás compuestos se bloquean y/o se ventilan hacia el exterior. Esto prolonga la vida útil de los separadores de gases sensibles GS3 y más. La unidad de control C_U puede calcular una decisión relativa al cierre o apertura de la válvula mientras el gas viaja a través del separador GS2. Un detector separado DT2 está dispuesto aguas abajo de la válvula y está dispuesto para detectar las salidas de los separadores de gases GS2, GS3 y GSn.
El concepto de válvula controlable descrito anteriormente y mostrado en la figura 4 puede aplicarse por otras razones que no sean las moléculas agresivas. En general, una o más válvulas pueden ser controladas por un primer análisis inicial de la muestra utilizando un primer separador de gases en la trayectoria de flujo. Basándose en esta primera columna inicial y en la detección, por ejemplo, se puede analizar y, basándose en el resultado, se puede determinar si la muestra de gas aplicada procede, por ejemplo, del aliento o de la orina. En caso de que se determine que la muestra de gas procede del aliento, la muestra de gas puede guiarse a través de la válvula a una trayectoria A a través de uno o más separadores de gases, y si se determina que procede de la orina, la válvula puede controlarse para guiar la muestra de gas a otra trayectoria B, etc.
Se entiende que el principio con una válvula en la trayectoria de flujo puede ser extendido o combinado por más corrientes separadoras de gases paralelas y/o en serie como se muestra en las realizaciones de las figuras 1-3.
La figura 5 ilustra los pasos de una realización de un método para el análisis del aliento exhalado de un sujeto, utilizando un dispositivo como el ilustrado en la figura 4. El método comprende recibir una muestra R_EB de aliento exhalado obtenido del sujeto, por ejemplo, en forma de una bolsa de gases con aliento exhalado obtenido del sujeto. El método comprende además guiar dicha muestra en una trayectoria de flujo a un primer separador de gases G_ GS1 y guiar la muestra de gas a un segundo separador de gases G_GS2. Los primer y segundo separadores de gases están diseñados para tener primera y segunda propiedades de selectividad de moléculas respectivas, en las que las primera y segunda propiedades de selectividad de moléculas son diferentes. La siguiente etapa es detectar las respectivas primera y segunda respuestas D_MLC a las salidas de los primer y segundo separadores de gases, y preferiblemente determinar la presencia o no de una o más moléculas preseleccionadas de acuerdo con las primera y segunda respuestas. Por último, se genera y comunica una salida CM_MLC en respuesta a dicha determinación de molécula(s).
Se entiende que el método puede comprender el diagnóstico de una enfermedad basado en un resultado del análisis del aliento exhalado de un sujeto de acuerdo con el método de análisis de gases. El método puede comprender además iniciar una terapia específica, por ejemplo, un tratamiento médico de la Tuberculosis. Además, el análisis de VOC en el aliento puede utilizarse para el seguimiento/análisis del cáncer de pulmón, cáncer de mama, otros tipos de cáncer o infecciones respiratorias. Además, el análisis de la aliento puede aplicarse para controlar enfermedades como el asma y la Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica (COPD), por ejemplo, la respuesta al tratamiento o el control de las exacerbaciones. Además, el análisis del aliento puede aplicarse para controlar el nivel de glucosa en la diabetes. Aún más, un ejemplo de aplicación puede ser el control de sepsis y enterocolitis necrotizante (NEC) a partir del análisis de VOC basado en el análisis de gases basado en heces en neonatos.
Aunque la invención se ha ilustrado y descrito en detalle en los dibujos y en la descripción anterior, dicha ilustración y descripción deben considerarse ilustrativas o ejemplares y no restrictivas; la invención no se limita a las realizaciones divulgadas. Los expertos en la técnica pueden entender y efectuar variaciones de las realizaciones descritas en la práctica del principio y técnicas descritas en el presente documento, a partir de un estudio de los dibujos, la descripción y las reivindicaciones adjuntas. En las reivindicaciones, la palabra "que comprende" no excluye otros elementos o etapas, y el artículo indefinido "un" o "una" no excluye una pluralidad. Un solo procesador u otra unidad puede cumplir las funciones de varios elementos enumerados en las reivindicaciones. El mero hecho de que determinadas medidas se mencionen en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que una combinación de estas medidas no pueda utilizarse con ventaja. Un programa informático puede ser almacenado/distribuido en un medio adecuado, como un medio de almacenamiento óptico o un medio de estado sólido suministrado junto con o como parte de otro hardware, pero también puede distribuirse de otras formas, como por Internet u otros sistemas de telecomunicaciones alámbricos o inalámbricos. Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no debe interpretarse como una limitación del alcance.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo de análisis de gases que comprende
- una entrada de gases dispuesta para recibir una muestra de gas (G_S),
- una trayectoria de flujo (FP) conectada a la entrada de gases y dispuesta para guiar la muestra de gas (G_S) hacia al menos un primer y un segundo separadores de gases (GS1, GS2, GS3) con respectivas primera y segunda propiedades de selectividad de moléculas, siendo diferentes las primera y segunda propiedades de selectividad de moléculas,
- al menos un detector (DT) que comprende un sensor dispuesto para generar primera y segunda respuestas respectivas a las salidas de los primer y segundo separadores de gases, y
- un módulo de comunicación (CM) dispuesto para generar datos de salida (O_D) en respuesta a las primera y segunda respuestas del al menos un detector (DT),
en la que la trayectoria de flujo (FP) comprende una trayectoria de flujo en serie entre el primer y el segundo separadores de gases (GS1, GS3) y una válvula dispuesta en dicha trayectoria de flujo en serie, en la que un primer detector (DT1) está dispuesto para generar una respuesta a una salida del primer separador de gases (GS1), y en la que una unidad de control (C_U) está dispuesta para abrir o cerrar la válvula en respuesta a dicha respuesta del primer detector (DT1), a fin de proporcionar selectivamente flujo o no flujo de gases al segundo separador de gases (GS3) en respuesta a la salida del primer separador de gases (GS1).
2. Dispositivo de análisis de gases de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el primer y segundo separadores (GS1, GS2, GS3) comprenden diferentes propiedades de selectividad molecular para favorecer respectivamente diferentes gamas de moléculas.
3. Dispositivo de análisis de gases de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el primer y segundo separadores de gases (GS1, GS2, GS3) comprenden primera y segunda columnas de cromatografía de gases respectivas.
4. Dispositivo de análisis de gases de acuerdo con la reivindicación 3, en el que dichas primera y segunda columnas de cromatografía de gases (GS1, GS2, GS3) tienen diferentes propiedades de selectividad de moléculas con respecto a al menos una de las siguientes: superficie química, diámetro, espesor de la superficie y longitud.
5. Un dispositivo portátil de análisis del aliento que comprende un dispositivo de análisis de gases de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la entrada de gases está dispuesta para recibir el aliento exhalado (G_S) de un sujeto, y en el que la trayectoria de flujo (FP), el al menos un detector (DT) y el módulo de comunicación (CM) están dispuestos dentro de una carcasa común (CS).
6. Uso de un dispositivo de análisis de gases de acuerdo con la reivindicación 1 para el análisis de una muestra de aliento exhalado de un sujeto.
7. Un método para el análisis del aliento exhalado de un sujeto, comprendiendo el método
- recibir (R_EB) una muestra de aliento exhalado obtenida del sujeto,
- guiar dicha muestra en una trayectoria de flujo hacia al menos un primer (G_GS1) y un segundo (G_GS2) separadores de gases con primera y segunda propiedades de selectividad de moléculas respectivas, en la que las primera y segunda propiedades de selectividad de moléculas son diferentes, en la que la trayectoria de flujo comprende una trayectoria de flujo en serie entre el primer y el segundo separadores de gases y una válvula dispuesta en dicha trayectoria de flujo en serie,
- generar una respuesta a una salida del primer separador de gases, y abrir o cerrar la válvula en respuesta a dicha respuesta, para proporcionar selectivamente flujo o no flujo de gases al segundo separador de gases en respuesta a la salida del primer separador de gases,
- detectar (D_MLC) las respectivas primera y segunda respuestas a las salidas de los primer y segundo separadores de gases, y
- generar datos de salida (CM_MLC) en respuesta a dichas primera y segunda respuestas.
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