BR102012023837A2 - Método e aparato de mensuração de uma substância em uma amostra gasosa - Google Patents

Abstract

MÉTODO E APARATO DE MENSURAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA EM UMA AMOSTRA GASOSA. A presente invenção se refere ao método e aparato de mensuração de uma substância em uma amostra gasosa, compreendendo o uso da tecnologia de espectroscopia fotoacústica (PAS), mais especificamente, a presente invenção descreve capnógrafo que utiliza a tácnica PAS para a mensuração do CO~ 2~ presente no ar expirado por um indivíduo. O sistema fotoacústico é mais estável, possui calibração mais constante, quando comparado com a tecnologia convencional, e apresenta uma melhor resposta dos sensores.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção

Método e Aparato de Mensuração de uma Substância em uma

Amostra Gasosa

Campo da Invenção

A presente invenção se refere ao método e aparato de espectroscopia fotoacústica (PAS) sendo utilizado para mensuração de uma substância em uma amostra gasosa, mais especificamente, ao aparato de capnografia. A presente invenção se situa no campo da medicina e engenharia.

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Antecedentes da Invenção

O fenômeno do efeito fotoacústico pertence ao grupo de fenômenos denominados fenômenos fototérmicos. O fenômeno ocorre quando uma Iuz incide sobre um material, este por sua vez sofrerá uma expansão, seguida de uma contração, acarretando-se em um deslocamento de ar, o qual é interpretado como uma onda sonora.

Capnógrafo é um dispositivo que permite analisar o conteúdo de CO2 expirado. O equipamento de capnografia é utilizado dentro de ambiente hospitalar nas mais diversas situações, envolvendo procedimentos desde a 20 sedação com máscara orofacial, até procedimentos complexos com circuito fechado de suporte ventilatório e anestesia inalatória, com a utilização de tubo endotraqueal.

O monitoramento contínuo da EtC02 (concentração de CO2 no final da exalação) em pessoas submetidas à entubação endotraqueal, acordadas ou agitadas permite identificar qualquer anormalidade que ocorra, identifica-se a gravidade da hipoxemia, alterações na ventilação perfusão.

O capnógrafo permite a confirmação científica do correto posicionamento do tubo endotraqueal. Em pacientes traqueostomizados possibilita um rápido alerta no caso de desconexão da prótese ventilatória, permitindo sempre identificar o correto posicionamento da mesma. O gás carbônico difunde-se rapidamente através da membrana alvéolo capilar, se a ventilação e perfusão estiverem uniformemente distribuídas no pulmão, a concentração de CO2 arterial e alveolar deveria ser praticamente igual. Acontece que nos pulmões a relação V/Q não é uniformemente 5 distribuída. Desta maneira, existe pequena diferença entre o valor de CO2 alveolar e o sanguíneo.

Embora a concentração de CO2 no alvéolo não possa ser medida diretamente, acredita-se que todo o gás existente nas vias aéreas proximais ao final da expiração seja composto basicamente por gás alveolar. Assim, a concentração expiratória final do gás se aproxima da concentração alveolar e arterial.

Neste sentido, a capnografia mede a concentração máxima de CO2 ao final da expiração. Variações do padrão ventilatório normal: respiração irregular, expiração incompleta, freqüência ventilatória elevada, alteração V/Q 15 falsear a PeCO2 (Auler e Cols). Auler e Cols, concluíram em seu estudo que a capnografia representa importante método de monitorização não invasiva da função ventilatória, pois o gradiente observado foi respectivamente de 1,1 mmHg para pacientes normotérmicos, 2,46 para os hipotérmicos e 1,49 para todos os pacientes. Como a diferença de 5 mmHg é considerada adequada na 20 comparação entre o CO2 obtido por via direta e indireta, consideraram válidos seus resultados na comparação proposta.

Os capnógrafos existentes mensuram a capacidade de absorção de CO2 na região infravermelha de um espectro eletromagnético, permitindo a avaliação da quantidade de CO2 expirado através da quantificação dessa 25 mesma absorção a qual pode gerar uma curva, sendo medido no final da expiração (EtCO2). Existe também o capnógrafo volumétrico que permite identificar a concentração de CO2 no volume de ar expirado.

Os capnógrafos podem se dividir em dois grupos, conforme é realizada a leitura da quantidade de CO2. Num dos métodos, o sensor do capnógrafo está conectado diretamente à via aérea artificial no final do tubo endotraqueal. O ar expirado atravessa que avalia a quantidade de CO2 existente. O outro método consiste em desviar continuamente amostras de ar através de um adaptador conectado à via aérea artificial conduzido por um sistema ao sensor de análise de CO2. As limitações deste método são as obstruções freqüentes com as secreções e a imprecisão na avaliação de EtCO2 em recém nascidos e crianças.

No âmbito patentário, alguns documentos descrevem materiais compreendendo capnógrafos e seu uso.

O documento US 20030106553 apresenta um sistema para a administração de medicamentos fluidos ao paciente simultaneamente ao 10 monitoramento das condições fisiológicas do paciente, dentre esses parâmetros monitorados, a taxa de CO2 da expiração. O documento cita que o monitoramento da concentração de CO2 é realizado com o uso de um capnógrafo que utiliza a técnica de espectroscopia.

O documento US 20030106553 difere da presente invenção por não apresentar um capnógrafo em si, ou dispositivo semelhante, entretanto, a mesma cita o uso de um capnógrafo como uma das unidades do sistema que compreende o seu documento.

O documento US 20040207529 descreve um dispositivo de monitoramento da concentração gasosa, de um gás específico, de um paciente apresentando os valores obtidos através de um display. O referido documento relata o uso de um capnógrafo, o qual utiliza a técnica de espectroscopia para a determinação da concentração de CO2.

O documento US 20040207529 difere da presente invenção pelo fato de utilizar um capnógrafo com sistema de detecção da concentração de CO2 pelo técnica de espectroscopia de infravermelho (IR).

O documento US 7,871,394 descreve método e sistema de infusão de medicamentos fluidos em um paciente, mais especificamente, um método e sistema para a auto-medicação de analgésicos ao paciente enquanto monitora seus parâmetros fisiológicos. O referido documento relata o uso de um capnógrafo como instrumento de monitoração da concentração de CO2 nos gases da expiração do paciente, e cita que tal dispositivo pode realizar a mensuração da concentração de CO2-

O documento US 7,871,394 difere da presente invenção por não apresentar a concretização de um capnógrafo, limitando-se a utilização de um capnógrafo, independente da técnica de espectroscopia utilizada, no sistema que compreende a sua invenção.

Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.

Sumário da Invenção

A presente invenção descreve o método de mensuração de uma substância gasosa em uma amostra gasosa, compreendendo as etapas de:

a. emissão de radiação infravermelha pulsada em um comprimento

de onda que cause ressonância na dita substância de mensuração;

b. análise do fluxo de ar na câmara;

c. aquisição do sinal;

d. amplificação do sinal;

e. encaminhamento do sinal.

Em uma realização preferencial, o método de mensuração compreende a substância CO2.

Em uma realização preferencial, o dito comprimento de onda consisti de 4,26 μιτι.

Em uma realização preferencial, a etapa de análise do fluxo de ar na câmara é compreendida por um sensor de pressão diferencial.

Em uma realização preferencial, a etapa de aquisição do sinal é compreendida por um microfone.

Em uma realização preferencial, a etapa de amplificação do sinal

compreende um amplificador Lock-ln. Em uma realização preferencial, a etapa de encaminhamento de sinal compreende o encaminhamento do sinal ao computador para análise dos dados.

É adicionalmente objeto da presente invenção, aparato de mensuração de uma substância em uma amostra gasosa que compreende:

a. câmara fotoacústica;

b. emissor infravermelho;

c. microfone;

d. sensor de temperatura;

e. sensor de pressão;

f. sensor de umidade;

g. bomba de vácuo;

h. filtro óptico; e

i. placa de controle.

Em uma realização preferencial, a mensuração é compreendida em

aparatos de mensuração de gases da expiração ou inspiração em um indivíduo.

Em uma realização preferencial, a câmara fotoacústica compreende ser feita de alumínio ou aço inox.

Em uma realização preferencial, o emissor infravermelho compreende

ser ajustado para um comprimento de onda de 4,26 pm quando a dita substância de mensuração for CO2.

Em uma realização preferencial, o sensor de temperatura compreende uma faixa de medição entre -55°C e 125°C.

Em uma realização preferencial, o sensor de pressão compreende uma

faixa de operação de 760 a 770 mmHg para um temperatura de operação entre 15°C e 30°C.

Em uma realização preferencial, o sensor de umidade compreende uma faixa de medição entre 0 a 100% de umidade relativa e temperatura de trabalho

entre -40°C e 85°C. Em uma realização preferencial, a bomba de vácuo compreende uma faixa de frequência entre 5 Hz e 30 Hz1 com fluxo de 150 ml/min de ar na pressão ambiente.

Em uma realização preferencial, o filtro óptico compreende um comprimento de onda central de 4,26 μπι e transmissão mínima de 70% quando a dita substância de mensuração for CO2.

Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serão descritos em detalhes suficientes para sua reprodução na descrição a seguir.

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Breve Descrição das Figuras

Figura 1 apresenta 0 fluxo da análise fotoacústica.

Figura 2 apresenta a estrutura de Ressonadores de Helmholtz.

Figura 3 apresenta uma imagem tridimensional da câmara.

Figura 4 apresenta blocos da geração do sinal fotoacústico dos sensores

presentes na câmara, conforme ilustrado figuras 5 e 6.

Figura 5 apresenta gráficos do sinal gerado.

Figura 6 apresenta o sinal adquirido com 0 osciloscópio.

Figura 7 apresenta um fluxograma com os modos de operação da

bomba.

Descrição Detalhada da Invenção

Os exemplos aqui mostrados têm o intuito somente de exemplificar uma das inúmeras maneiras de se realizar a invenção, contudo sem limitar, 0

escopo da mesma.

O capnógrafo é um dispositivo capaz de medir a quantidade de CO2 presente em uma determinada amostra de gás. Particularmente a capnografia por Espectroscopia Fotoacústica Ressonante pode ser resumida pelo fluxograma abaixo.

Luz => absorção => aquecimento => expansão térmica => onda de pressão => detecção acústica Na capnografia fotoacústica ressonante, o gás é irradiado com uma Iuz infravermelha pulsada que possui um comprimento de onda adequado ao gás a ser analisado. A expansão e contração periódica do gás, causada pela irradiação infravermelha, produz uma flutuação da pressão de frequência 5 audível, sendo detectado por um microfone. O efeito fotoacústico em gases pode ser dividido em seis fases, como descrito no fluxograma da figura 1.

A amostra de gás a ser analisada é iluminada por um feixe de Iuz infravermelha cuidadosamente calibrado na freqüência de ressonância do gás a ser medido. Para o caso específico do CO2, tal feixe deve ser ajustado para um comprimento de onda de 4,26 pm, região onde o CO2 apresenta um pico de absorção.

A energia absorvida pelas moléculas de CO2 provoca um aumento da rotação e vibração moleculares o que aumenta a freqüência de colisões intermoleculares que por sua vez provoca um aquecimento da amostra de gás. Finalmente, o aumento da temperatura provoca um aumento da pressão da amostra de gás.

O feixe de Iuz incidente deve, no entanto, ser modulado, de forma que a Iuz incidente na amostra apresente uma variação de amplitude (intensidade) ao longo do tempo. Tal variação de amplitude irá provocar uma variação na 20 absorção de energia pelo CO2 que devido as perdas do sistema provocará sucessivos aquecimentos e resfriamentos da amostra de gás, e, portanto ocasionará sucessivas expansões e compressões térmicas da amostra.

Esse fenômeno provoca, em última análise, ondas de pressão que são percebidas sob a forma de som. Esse som emitido pela amostra pode ser detectado por meio de microfones de alta sensibilidade, fornecendo assim uma medida da concentração de CO2 na amostra.

Exemplo 1. Realização Preferencial

O ar expirado pelo paciente é levado à câmara fotoacústica por meio de uma bomba. Para a medição correta do sinal fotoacústico é necessário que não haja fluxo de gás dentro da câmara no momento da medição, já que ao se movimentar o gás provoca vibrações na membrana do microfone gerando um sinal elétrico que seria erroneamente interpretado como sinal acústico. Dessa forma, é necessário interromper a bomba antes de cada medição.

Um sensor de pressão diferencial foi instalado entre a bomba e a 5 câmara agindo como sensor de fluxo. A bomba é modulada numa frequência alta o suficiente para que se possa levantar a curva de capnografia, mas baixa o suficiente para que se permita a estabilização do fluxo de ar na câmara (idealmente em torno de 30Hz para se obter um capnograma de boa qualidade). O sensor de fluxo verifica então o momento em que não há mais 10 fluxo de gás e autoriza a aquisição do sinal do microfone.

O sinal adquirido é extremamente fraco, por este motivo se utiliza microfone de alta sensibilidade, além de amplificador de sinal. O sinal adquirido pelo microfone passa por uma etapa de pré-amplificação e é enviado para o amplificador Lock-ln. O amplificador Lock-In extrai uma única componente de 15 frequência deste sinal. Essa frequência é fornecida pela placa de controle e deve ser exatamente a mesma utilizada para modular o laser. Idealmente essa frequência deve também ser a frequência de ressonância da câmara acústica de modo a gerar um sinal acústico mais intenso.

O amplificador Lock-In extrai o módulo da componente de frequência desejada, que é então digitalizada pelo DAQ e enviada ao PC para processamento. O processamento desse sinal acústico fornece então a concentração de CO2 presente na amostra do ar expirado pelo paciente a cada vez que a bomba é acionada.

Para se obter os valores da concentração de CO2 é necessário compensar a variação de umidade, pressão e temperatura do gás. Esses valores são adquiridos pela placa de controle e digitalizados pelo DAQ para posterior processamento.

O equipamento conta ainda com uma célula Peltier para manter a temperatura da câmara em torno de 40°C e assim evitar a formação de condensado. Por fim, um speaker é instalado na câmara para permitir a avaliação da frequência de ressonância do conjunto.

A faixa de frequência de ressonância da câmara que é a mesma do laser. Frequência de ressonância da câmara: de 2kHz a 10kHz. O Laser foi modulado na freqüência de 3,2 kHz que é a freqüência de ressonância acústica da câmara.

A faixa de frequência da bomba (foi citado uma frequência específica de 30Hz). Frequência de acionamento da bomba: de 5Hz a 30 Hz;

Amplificador Lock-ln. É um tipo de amplificador que utiliza uma técnica 10 conhecida como detecção sensível à fase. A partir de uma referência de frequência e fase, o amplificador é capaz de extrair uma componente de frequência em um sinal extremamente ruidoso. Medidas precisas podem ser obtidas mesmo que o sinal esteja imerso em um ruído milhares de vezes superior.

CÂMARA

Material alumínio com dimensões externas de 70mmX40mmX25 mm, apresentando dois furos internos que atravessam a câmara em formato cilíndrico com diâmetro de 10 mm X 40 mm de comprimento, não possuem interconexões que formam as duas cavidades ressonantes da câmara. Cada 20 cavidade possui 2 tubos de 2 mm de diâmetro externo e 1 mm de orifício interno, totalizando 4 tubos (2 entradas e 2 saídas), que são utilizados como entrada e saída de amostras gasosas. Em uma entrada do orifício possui um microfone, do outro lado uma fonte de Iuz infravermelho de comprimento de onda adequado.

Dois materiais diferentes: um em alumínio e outro em aço inox. O

objetivo da utilização destes materiais foi permitir a comparação do desempenho do sistema para um material mais denso (aço inox) e para um material menos denso (alumínio). A câmara fotoacústica deve ser construída com material que permita uma melhor reflexão do sinal acústico, desta forma, 30 fora utilizado o aço inox, além de este possuir o benefício do menor custo em relação ao alumínio. A câmara fotoacústica projetada utiliza, como fonte luminosa, um emissor IR do tipo blackbody e um emissor do tipo LED.

Claims (16)

Método e Aparato de Mensuração de uma Substância em uma Amostra Gasosa

1. Método de mensuração de uma substância em uma amostra gasosa, caracterizado por compreender: a. emissão de radiação infravermelha pulsada em um comprimento de onda que cause ressonância na dita substância de mensuração; b. análise do fluxo de ar na câmara; c. aquisição do sinal; d. amplificação do sinal; e. encaminhamento do sinal.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita mensuração ser de CO2.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo dito comprimento de onda ser de 4,26 pm.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela análise do fluxo de ar ser realizada por um sensor de pressão diferencial.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela aquisição do sinal ser realizada por um microfone.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela amplificação do sinal ser realizada por um amplificador Lock-ln.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo sinal ser encaminhado ao computador para análise dos dados.

8. Aparato de mensuração de uma substância em uma amostra gasosa, caracterizado por compreender: a. câmara fotoacústica; b. emissor infravermelho; c. microfone; d. sensor de temperatura; e. sensor de pressão; f. sensor de umidade; g. bomba de vácuo; h. filtro óptico; e i. placa de controle.

9. Aparato, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pela dita mensuração ser realizada em aparatos de mensuração de gases da expiração ou inspiração em um indivíduo.

10.Aparato, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pela câmara fotoacústica ser de alumínio ou aço inox.

11. Aparato, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo emissor infravermelho ser ajustado para um comprimento de onda de 4,26 pm quando a dita substância de mensuração for CO2.

12. Aparato, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo sensor de temperatura ter uma faixa de medição entre -55°C e 125°C.

13. Aparato, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo sensor de pressão operar de 760 a 770 mmHg para um temperatura de operação entre 15°Ce30°C.

14. Aparato, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo sensor de umidade ter uma faixa de medição entre 0 a 100% de umidade relativa e temperatura de operação de -40°C a 85°C.

15. Aparato, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pela bomba de vácuo ser modulada em uma faixa de frequência compreendida entre 5 Hz a 30 Hz, com fluxo de 150 ml/min de ar na pressão ambiente.

16. Aparato, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo filtro óptico possuir um comprimento de onda central de 4,26 pm e transmissão mínima de 70% quando a dita substância de mensuração for CO2.