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Revolutionierung der Erkennung von Atemwegserkrankungen mit einer tragbaren E-Nose für die nicht-invasive Atemanalyse.
Seit dem Ausbruch der COVID-19-Pandemie sind Atemwegserkrankungen und ihre Erkennung zu einem großen globalen Problem geworden. Da COVID-19 nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) im Januar 2023 rund 6,7 Millionen bestätigte Todesfälle verursachte, schien die Erkennung, Diagnose und Prävention von Krankheiten noch nie so wichtig zu sein.
Neben COVID bleibt Lungenkrebs weltweit eine der häufigsten Todesursachen, während Atemwegserkrankungen wie chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) und Asthma die Lebensqualität der Betroffenen erheblich einschränken und Kosten für die Gesundheitssysteme verursachen.
Derzeit stützen sich die Erkennung und Überwachung von Atemwegserkrankungen auf eine Reihe von Methoden, darunter körperliche Untersuchungen, Blutgasanalysen, Lungenbildgebung, Bronchoskopie und Laboruntersuchungen. Alle diese Tests erfordern den Besuch eines Krankenhauses und viele sind invasiv oder aufdringlich.
Die Tatsache, dass die ausgeatmete Luft Marker enthalten kann, die auf Krankheiten hinweisen, bedeutet, dass sie möglicherweise als nicht-invasiver, bequemer und wirksamer Test für eine Reihe von Atemwegserkrankungen eingesetzt werden könnte. Durch die Durchführung von Atemtests unterwegs könnten Arztbesuche überflüssig werden und so ein besser personalisiertes Gesundheitsmanagement ermöglicht werden.
Atemwegserkrankungen nicht-invasiv erkennen
In ein aktuelles Papier veröffentlicht in Fortschrittliche Sensorforschung, Ein Team von Wissenschaftlern, zu dem auch Qiaofen Chen vom Labor für Nanomedizin und Omic-basierte Diagnose im Fachbereich Chemie der Zhejiang-Universität, China, gehörte, stellt einen mobilen E-Nose-Prototyp zum Nachweis flüchtiger Verbindungen in der ausgeatmeten Atemluft vor.
„Bei dem in dieser Arbeit vorgeschlagenen Gerät handelt es sich um einen handgehaltenen E-Nose-Prototyp für die nicht-invasive Atemanalyse“, erklärte Chen. „Das E-Nose-Gerät ist tragbar und einfach zu bedienen und soll eine nicht-invasive und bequeme Möglichkeit für ein personalisiertes tägliches Gesundheitsmanagement in Echtzeit bieten.“
Das Gerät besteht aus drei Hauptkomponenten. Erstens verfügt die E-Nose über eine Gasspeichereinheit zum Sammeln von Atemproben. Die nächste Hauptkomponente ist eine Gasdetektionseinheit, die aus einer Mikropumpe zur Gasförderung, einem Gassensor-Array auf Graphenbasis, das eine Vielzahl flüchtiger Verbindungen erkennen und mit ihnen kreuzreagieren kann, und einem Analog-zu-Digital-Gerät besteht Konverter, der digitale Signale ausgibt.
Die dritte Hauptkomponente ist eine Datenübertragungs- und Analyseeinheit, die für die Aufzeichnung der vom Sensorarray generierten Daten und deren Analyse mithilfe von Algorithmen für maschinelles Lernen verantwortlich ist, um Atemmuster zu identifizieren, die möglicherweise mit dem Gesundheitszustand verknüpft sind.
Laut Chen tragen die acht Sensormaterialien im Array dazu bei, einige der Empfindlichkeitsprobleme anderer Atemanalysatoren zu begrenzen und die Genauigkeit der Diagnose zu erhöhen. Das Gesamtdesign der E-Nose gewährleistet ein tragbares und benutzerfreundliches Gerät, insbesondere im Vergleich zu großen Atemanalysegeräten wie Gaschromatographie-Massenspektrometern.
Natürlich wäre ein ergonomisches Design kein großer Trost, wenn die E-Nose nicht die erwartete Leistung erbringen würde, aber glücklicherweise deuten vorläufige Tests darauf hin, dass dies nicht der Fall ist.
Testen Sie die E-Nose
Chen äußerte sich optimistisch über die vorgeschlagene E-Nose und erklärte, dass sie ein erhebliches Potenzial bei der Analyse von Atemwegserkrankungen gezeigt habe. In der Arbeit berichten Chen und Kollegen, dass die E-Nose in einer Online-Atemteststudie mit 401 Fällen Patienten mit Atemwegserkrankungen mit einer Gesamtgenauigkeit von über 80 % von gesunden Personen unterschied.
Sie fügten hinzu, dass sie bei der Klassifizierung von Atemproben zwischen Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung und gesunden Personen eine Genauigkeit von über 85 % erreichten. „Wir waren überrascht, dass der E-Nose-Prototyp verschiedene Subtypen von Atemwegserkrankungen anhand der Muster flüchtiger Verbindungen in den Atemproben erkennen konnte“, sagte Chen.
„Dies ist von Bedeutung, da es darauf hindeutet, dass der E-Nose-Prototyp das Potenzial hat, bei der personalisierten Behandlungsplanung für Personen mit Atemwegserkrankungen zu helfen“, fuhr er fort. Darüber hinaus könnte die Methode der Atemanalyse möglicherweise über die Erkennung von Atemwegserkrankungen hinausgehen.
„Das Vorhandensein bestimmter Chemikalien oder Verbindungen im Atem kann auf das Vorliegen bestimmter Krankheiten oder Zustände hinweisen“, sagte Chen. „Zum Beispiel können hohe Acetonwerte in der Atemluft auf unkontrollierten Diabetes hinweisen, hohe Ammoniakwerte auf Leber- oder Nierenprobleme und hohe Stickoxidwerte auf eine Atemwegsentzündung.“
Er betonte jedoch schnell, dass dies kein Allheilmittel für die Erkennung von Krankheiten sei. „In den meisten Fällen gibt es keine spezifischen einzelnen Biomarker in der Ausatemluft, die in direktem Zusammenhang mit der Krankheit stehen“, fügte Chen hinzu. „Wir können nur krankheitsbedingte Unterschiede im gesamten Gasfingerabdruck beobachten, einschließlich der Art, Konzentration und relativen Häufigkeit charakteristischer Moleküle.“
Chen sagte, um die Genauigkeit der E-Nose zu überprüfen, müsse das Gerät zunächst mit größeren und vielfältigeren Testgruppen weiter getestet werden. Das Team arbeitet derzeit auch daran, die Empfindlichkeit des Sensorarrays zu verbessern, um eine viel höhere Genauigkeit zu erreichen und die E-Nose auf breitere Anwendungsmöglichkeiten zu bringen.
„Es ist sehr wichtig, das Design des Sensorarrays und des Gerätebetriebsverfahrens fertigzustellen, um die Konsistenz der Testdaten zu bestimmen. Dies kann dazu beitragen, die Konsistenz der Ergebnisse sicherzustellen und Vergleiche zwischen Studien zu erleichtern“, schloss Chen. „Drittens die behördliche Genehmigung. Der E-Nose-Prototyp muss von den zuständigen Behörden genehmigt werden, um sicherzustellen, dass er bestimmte Qualitäts- und Sicherheitsstandards erfüllt.“
Referenz: Chen. Q., et al., Ein mobiler E-Nose-Prototyp für die Online-AtemanalyseAdvanced Sensor Research (2023), DOI: 10.1002/adsr.202300018
Bildnachweis des Beitrags: Yourialka auf Pixabay
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