In einer kürzlich veröffentlichten Studie in KommunikationsmaterialienWissenschaftler untersuchten aktuelle Forschungsergebnisse zur Verwendung tragbarer Atemsensoren zur Überwachung von Atemparametern wie Temperatur, Luftstrom und Luftfeuchtigkeit sowie zur Erkennung verschiedener Biomarker der Atemwege.

Sie untersuchten auch den Einsatz dieser Sensoren bei der Erkennung von Krankheiten und der Beobachtung von Atemmustern.

Studie: Aktuelle Entwicklungen bei tragbaren Atemsensoren für die Gesundheitsüberwachung. Bildnachweis: metamorworks/Shutterstock.com

Hintergrund

Bei klinischen Diagnosen wurden häufig Atemanalysen eingesetzt, um Rückschlüsse auf die systemische Gesundheit zu ziehen.

Die Atemanalyse bietet eine nicht-invasive Methode zur Erkennung und Analyse der verschiedenen chemischen Signaturen in der ausgeatmeten Luft, einschließlich des Vorhandenseins halbflüchtiger und flüchtiger organischer Moleküle, Lipide, Proteine, Viren, Bakterien und Desoxyribonukleinsäure (DNA), die Indikatoren sind pathologischer und physiologischer Zustände.

Rasante Fortschritte in der Medizintechnik, Nanotechnologie und Materialwissenschaft haben zu einer breiteren Palette tragbarer Geräte geführt, die intelligente Sensoren zur Überwachung physiologischer Parameter enthalten.

Durch die Hinzufügung von Algorithmen für maschinelles Lernen verfügen diese Geräte über ein breites Spektrum an Überwachungsfunktionen. Die Entwicklung tragbarer Atemsensoren, wie z. B. kleine Pflaster und Sensoren in Masken, ermöglicht die kontinuierliche Erfassung und Analyse von Atemdaten in Echtzeit.

In dieser Übersicht diskutierten die Forscher die traditionellen Methoden der Atemanalyse und die jüngsten Entwicklungen bei tragbaren Atemanalysegeräten, mit denen eine Echtzeitüberwachung der systemischen Gesundheit durchgeführt werden kann.

Methoden der Atemanalyse

Bei der Überprüfung wurden die verschiedenen Methoden der Atemerfassung oder -probenahme bewertet, die zu den allgemeinen Kategorien der direkt in das Gerät oder Gerät ausgeatmeten oder mithilfe eines Polymerbeutels oder anderer Arten von Behältern gesammelten Atemluft gehören.

Einige dieser Geräte sind in Gesichtsmasken integriert und bieten eine tragbare Methode zum Sammeln von ausgeatmetem Atemkondensat und ausgeatmeten Atemaerosolproben.

Angesichts der plötzlichen Zunahme von Gesichtsmasken aufgrund der Coronavirus-Pandemie 2019 (COVID-19) werden flexible Atemsammelmembranen, beispielsweise aus porösem Polycarbonat, intensiv erforscht, um tragbare Atemsammelgeräte zu entwickeln.

Die Forscher diskutierten verschiedene Methoden, wie z. B. Festphasen-Mikroextraktion, thermische Desorptionsröhrchen und Nadelfallenmethoden, die zur Entwicklung tragbarer Geräte zur Atemprobenentnahme eingesetzt werden.

In der Übersicht wurden auch herkömmliche Atemanalysemethoden wie die Massenspektrometrie mit ausgewählten Ionenströmungsrohren, die mit Massenspektrometrie gekoppelte Gaschromatographie und die Massenspektrometrie mit Protonentransferreaktion erörtert. In jüngsten Studien wurden auch Methoden wie die Verwendung optischer Absorptionsspektroskopie und oberflächenverstärkter Raman-Streuung untersucht, die sich beim Nachweis von Biomarkern in Atemproben als wirksam erwiesen haben.

Elektrochemische Methoden unter Verwendung von Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren bieten alternative Methoden zur Analyse von Gasen und flüchtigen organischen Verbindungen.

Biomarker-Erkennung

Obwohl herkömmliche Atemanalysetechniken eine quantitative Analysemethode für Biomarker mit hoher Spezifität und Empfindlichkeit bieten, erschweren die umständlichen Instrumente und hohen Kosten die Zugänglichkeit und schränken ihren Anwendungsbereich ein.

Tragbare Atemsensorgeräte mit integrierten Methoden zur Erkennung von Biomarkern ermöglichen eine einfache und komfortable Echtzeitüberwachung.

Diese Geräte können verschiedene Biomarker wie Sauerstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Wasserstoffperoxid und zahlreiche Krankheitserreger analysieren. Drastische Veränderungen des Sauerstoffgehalts können dabei helfen, Hyperoxie oder Hypoxie zu erkennen – beides Indikatoren für eine schlechte Gesundheit.

Ebenso sind Hyperkapnie und Hypokapnie – ein Überschuss bzw. ein Mangel an Kohlendioxid in der Atemluft – Indikatoren für eine respiratorische Azidose oder Alkalose, die beide zu schwerwiegenden Gesundheitszuständen und Atemstillstand führen können.

Ein Anstieg des Ammoniakspiegels in der Atemluft ist ein Indikator für Nieren- und Lebererkrankungen oder Störungen im Zusammenhang mit dem Harnstoffzyklus. Wasserstoffperoxid in der Ausatemluft weist häufig auf oxidativen Stress und eine Entzündung der Atemwege hin.

Die Überprüfung ergab auch, dass sich die jüngste Forschung auf die Entwicklung von Atemschutzmasken mit Atemsensoren zur Erkennung von Atemwegsviren wie dem schweren akuten respiratorischen Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) konzentriert hat.

Überwachung der Atemparameter

Neben Biomarkern können tragbare Atemsensoren auch eine kontinuierliche Echtzeitüberwachung von Gesundheitsparametern wie Temperatur, Luftstrom und Feuchtigkeitsgehalt der ausgeatmeten Atemluft ermöglichen, die allesamt wichtige Indikatoren für die allgemeine Gesundheit sind.

Tragbare Sensoren zur Überwachung des Luftstroms und der Luftfeuchtigkeit basieren entweder auf einem ohmschen oder kapazitiven Luftstrom. Luftstromsensoren können auch mithilfe des triboelektrischen oder piezoelektrischen Effekts autark betrieben werden. Temperatursensoren nutzen Thermistoren mit Nickeloxid-Nanopartikeln oder kalorimetrische oder pyroelektrische Sensoren.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde in der Übersicht die bestehende und aktuelle Forschung zu tragbaren Atemanalysegeräten untersucht und ein breites Anwendungsspektrum dieser Geräte umfassend erörtert, einschließlich der Echtzeit- und kontinuierlichen Probenahme und Analyse von Biomarkern und Atemwegsparametern, die Indikatoren für Krankheiten und Beschwerden sind Gesundheit.

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• Quelle: https://www.news-medical.net/news/20240326/Emerging-trends-in-wearable-breath-sensors-aim-at-personalized-healthcare-solutions.aspx