BR102020005895A2 - BREATHING MEASURING, MONITORING AND ANALYSIS SYSTEM AND INSTRUMENT FROM RESPIRATORY RESPIRATORY VARIABLES - Google Patents

BREATHING MEASURING, MONITORING AND ANALYSIS SYSTEM AND INSTRUMENT FROM RESPIRATORY RESPIRATORY VARIABLES Download PDF

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BR102020005895A2
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Brazil
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respiratory
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BR102020005895-9A
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Shirley Lima Campos
Geraldo Leite Maia Junior
Armele De Fatima Dornelas De Andrade
Herbert Albérico De Sá Leitão
Marcio Evaristo Da Cruz Brito
João Lucas Oliveira Canhoto
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Universidade Federal De Pernambuco
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/091—Measuring volume of inspired or expired gases, e.g. to determine lung capacity
    • A61B5/093—Measuring volume of inspired or expired gases, e.g. to determine lung capacity the gases being exhaled into, or inhaled from, an expansible chamber, e.g. bellows or expansible bag
    • A61B5/095—Measuring volume of inspired or expired gases, e.g. to determine lung capacity the gases being exhaled into, or inhaled from, an expansible chamber, e.g. bellows or expansible bag within a rigid container, e.g. the boundary being formed by a liquid surface

Abstract

sistema e instrumento de medição, monitorização e análise da respiração a partir de variáveis.respiratórias de repouso. a presente invenção consiste em um sistema com características de portabilidade, não invasivo e não radioativo, para medição, monitorização e análise de padrões ventilatórios em indivíduos respirando com via aérea fisiológica ou em uso de via aérea artificial, em diferentes cenários. o sistema visa identificar alterações de padrões da respiração a partir de informações qualitativas e quantitativas sobre variáveis respiratórias e constitui-se como meio auxiliar para implementação de padrões ventilatórios desejáveis a partir do treinamento de padrões ventilatórios específicos, sendo útil para avaliar a resposta a estratégias de ações que visem melhorias de disfunções respiratórias, a partir de informações qualitativas, quantitativas, gráficas e tendências das variáveis respiratórias.system and instrument for measuring, monitoring and analyzing breathing based on resting respiratory variables. The present invention consists of a system with portability, non-invasive and non-radioactive characteristics, for measuring, monitoring and analyzing ventilation patterns in individuals breathing with a physiological airway or using an artificial airway, in different scenarios. the system aims to identify changes in breathing patterns based on qualitative and quantitative information on respiratory variables and is an auxiliary means for implementing desirable ventilation patterns based on the training of specific ventilation patterns, being useful for evaluating the response to breathing strategies. actions aimed at improving respiratory dysfunctions, based on qualitative, quantitative, graphical information and trends in respiratory variables.

Description

SISTEMA E INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO, MONITORIZAÇÃO E ANÁLISE DA RESPIRAÇÃO A PARTIR DE VARIÁVEIS RESPIRATÓRIAS DE REPOUSOBREATHING MEASURING, MONITORING AND ANALYSIS SYSTEM AND INSTRUMENT FROM RESPIRATORY RESPIRATORY VARIABLES ➜ Campo da invenção➜ Field of invention

01. A presente invenção consiste em um sistema de medição e análise de variáveis do padrão respiratório em situação de repouso destinado para a avaliação e monitorização de alterações funcionais de padrões da respiração, independente da etiologia, temporalidade da doença, e da faixa etária, desde neonatologia e pediatria a adultos e idosos, respirando por via fisiológica (nariz e/ou boca) ou via aérea artificial (tubos endotraqueais e cânulas de traqueostomia). O instrumento também pode ser aplicado para medição de variáveis respiratórias na avaliação de indivíduos saudáveis, atletas e no processo de envelhecimento. Essas variáveis são apresentadas numericamente, graficamente e de forma qualitativa após serem captadas pelo instrumento portátil, de forma não invasiva e sem radiação. O tratamento de disfunções respiratórias, a partir do dispositivo proposto, pode-se dar com estratégias de gamification para o treinamento de padrões ventilatórios específicos e ajustáveis. Para tal, o instrumento possui hardware específico e software, com uso de diversas tecnologias, entre as quais, podendo ter aplicação de algoritmos matemáticos, inteligência artificial e redes neurais, entre outras, com as informações podendo ser integradas em rede e armazenadas num servidor remoto.01. The present invention consists of a system for measuring and analyzing variables of the breathing pattern at rest, intended for the assessment and monitoring of functional changes in breathing patterns, regardless of the etiology, temporality of the disease, and age group, from neonatology and pediatrics for adults and elderly, breathing physiologically (nose and/or mouth) or artificial airway (endotracheal tubes and tracheostomy tubes). The instrument can also be applied to measure respiratory variables in the assessment of healthy individuals, athletes and the aging process. These variables are presented numerically, graphically and qualitatively after being captured by the portable instrument, in a non-invasive way and without radiation. The treatment of respiratory disorders, based on the proposed device, can be done with gamification strategies for the training of specific and adjustable ventilatory patterns. To this end, the instrument has specific hardware and software, using various technologies, including the application of mathematical algorithms, artificial intelligence and neural networks, among others, with the information being networked and stored on a remote server .

➜ Fundamentos da invenção➜ Fundamentals of the invention

02. A avaliação do padrão respiratório é uma fonte importante de informação do sistema respiratório, cuja análise permite discriminar um status de normalidade ou alteração da função respiratória. O padrão respiratório pode ser analisado a partir das variáveis de volume e tempo, configuração e coordenação toracoabdominal e de forma associada com medidas de pressões respiratórias inspiratórias e expiratórias médias, medianas, máximas e percentuais. Em indivíduos sob respiração basal ou tranquila, a avaliação e monitorização do padrão respiratório comumente é executada por profissional de saúde durante a avaliação clínica com observação visual da amplitude de deslocamento do compartimento toracoabdominal durante a inspiração e expiração, de modo a inferir sobre o volume de ar deslocado e do ritmo e da frequência respiratória em determinado período de tempo, utilizando-se de estetoscópio ou ainda sem o mesmo, sendo passível de incertezas, diante de subjetividade e inexperiência por serem formas manuais. Diante das variáveis envolvidas no padrão respiratório, alguns instrumentos são descritos na literatura com diferentes estratégias de avaliação do padrão respiratório: i) ventilometria, no qual um avaliador com o instrumento e um relógio poderá obter o volume por minuto e a frequência respiratória, respectivamente, e a partir desses dados, calcular o volume corrente médio, a quantidade de ar deslocada em média a cada ciclo respiratório completo; ii) espirometria, de diversas modalidades, com sensores mecânicos ou de fluxo, é voltado para a avaliação de manobras respiratórias forçadas para identificação de alterações funcionais ou presença de doenças pulmonares obstrutivas, restritivas e mistas, sendo seu registro inventivo datado de 31/03/1965 por meio da patente US3343529; iii) medição de deslocamentos da caixa torácica durante as fases de inspiração e expiração num ciclo respiratório, com conceitos de aplicação da cirtometria torácica, cujo deslocamento toracoabdominal permite a identificação do tipo de padrão respiratório, segundo a predominância torácica, abdominal ou mista; iv) pletismografia respiratória por indutância, cujas medidas são baseadas em mudanças na área de secção transversa captadas por duas faixas de indutância, permite a identificação de variáveis do padrão respiratório em respirações basais ou de repouso, sendo limitado pela tecnologia em relação ao posicionamento para medição, não portabilidade e custo; v) registro de movimentos a partir de sensores posicionados na parede torácica e abdominal com uso de videocâmeras, que permite a identificação de variáveis do padrão respiratório em respirações basais ou de repouso a partir de modelos matemáticos e estimativas do deslocamento dos sensores posicionados no tórax, sendo limitado pela tecnologia em relação ao posicionamento para medição, não portabilidade e custo; vi) pletismografia optoeletrônica com reconstrução de imagens tridimensionais da caixa torácica e medição de seus volumes compartimentais, da mesma forma que o anterior, mede indiretamente as variáveis do padrão respiratório a partir de medidas torácicas e mudanças no volume torácico, sendo limitado pela tecnologia em relação ao posicionamento para medição, não portabilidade e custo. Há uma diversidade de formas para avaliação da respiração. As patentes descritas abaixo apresentam equipamentos voltados para pacientes com via aérea artificial em ventilação mecânica invasiva ou como monitores inclusos em aparelhos de ventilação mecânica não invasiva e ainda monitores multi-paramétricos fisiológicos, que envolvem a captação do sinal de frequência respiratória a partir de eletrodos na superfície torácica ou dispositivos que estimam variáveis respiratórias, tais como volume e frequência respiratória a partir de imagens, vídeos ou amostragem de análise de gás carbônico exalado em um sistema fechado ou aberto. Em 2011, são descritas as patentes WO 2011108985 A1, a qual detecta a respiração a partir de um diafragma, e WO 2011098944 A1, a qual determina a respiração com o uso de acelerômetro multiaxial posicionado no corpo. As patentes WO 2011127487 A2, US 8562526 B2 (2013) e US 8834364 B2 (2014) limitam-se a quantificar a frequência respiratória, a primeira por meio de captura de sequência de imagens da face humana e as seguintes pela captação de sinal biológico. As patentes WO 2011080701 A1 (2011), WO 2012114262 A1 (2012) e US 20130267862 A1 (2013), apresentaram formas de avaliação respiratória quantificando o gás carbônico exalado para aplicação em portadores de via aérea artificial. Também é descrita a patente WO 2015031848 A3, depositada em 2014, a qual se refere a um dispositivo de amostragem para análise da respiração universal, com objetivo de quantificar a composição de gases em uma ou mais respirações, além das patentes BR 10 2014 017909 7 A2 e BR 10 2014 011891 8 A2, ambas depositadas em 2014, que tratam de aparelho e dispositivo voltado para suporte ventilatório durante respiração artificial. Ambas depositadas no ano de 2012, as patentes WO 2012052951 A1 e US 8128569 B1 referem-se a diferentes formas e/ou sistemas de avaliação do padrão respiratório, por meio do sinal de eletrocardiograma para estimativa da frequência respiratória e pela detecção de variação respiratória em oximetria de pulso, respectivamente. Outra forma é descrita em 2015, por meio da patente WO 2014057399A1 / BR 11 2015 007636 0 A2, que descreveu um processo para quantificação da frequência respiratória a partir da captação da energia refletida de um transdutor no tórax e detectada por um Doppler. De modo que, até o momento, embora haja vários instrumentos para a avaliação da respiração, especificamente a avaliação e identificação de alterações de padrão respiratório em indivíduos respirando espontaneamente é incipiente. Os espirômetros fornecem medidas diretas oriundas de sensores de fluxo captadas com uso de bocal ou máscara na via aérea, mas destinam-se à avaliação de doenças pulmonares a partir de respirações forçadas de um indivíduo em ar ambiente, não sendo utilizado para avaliação do padrão respiratório em respirações basais ou de repouso. Já os pletismógrafos de indutância ou optoeletrônicos são os equipamentos capazes de registrar quantitativamente variáveis do padrão respiratório em indivíduos respirando espontaneamente, sem auxílio de máquinas, durante respirações basais ou de repouso, contudo suas medidas são indiretas, calculadas a partir da mensuração não invasiva da parede torácica, no contexto de avaliação da configuração e a coordenação toracoabdominal, necessitando de aparatos, como computadores, faixas, sensores diversos, câmeras, entre outros, que o torna limitado a centros de pesquisa, pelo custo e dimensionamento estrutural. No que se refere ao tratamento diante de alterações de padrão respiratório, o uso de padrões ventilatórios na assistência a portadores de disfunção cardiorrespiratória, de caráter funcional, agudo ou crônico, é muito comum e tem como objetivo melhorar as condições funcionais do aparelho respiratório, modificando ou ajustando os padrões de acionamento muscular e variáveis interligadas, propiciando o equilíbrio das tensões intrapulmonares e extrapulmonares, na disciplina e autodomínio ventilatório, na coordenação motora ventilatória e na conscientização dos movimentos ventilatórios e reeducação ventilatória, refletindo na melhora do desempenho das atividades da vida diária. Atualmente, na prática clínica, não são disponíveis comercialmente instrumentos, equipamentos ou aparelhos que auxiliem os profissionais de saúde e os pacientes no treinamento de um programa de reeducação ventilatória e na execução dos exercícios de padrões ventilatórios, respectivamente. Até o momento, a metodologia aplicada consiste na emissão do comando verbal pelo profissional, fornecendo instruções para a execução dos padrões ventilatórios e diante da cooperação e da compreensão do paciente, tem-se a realização do padrão ventilatório ensinado. Opcionalmente, alguns profissionais de saúde, além de emitirem o comando verbal, reproduzem o padrão ventilatório simultaneamente à execução pelo paciente a fim de favorecer a compreensão, incentivá-lo e conseguir melhores resultados quanto à qualidade da realização da técnica. O padrão respiratório é a forma como se processa a ventilação pulmonar em um determinado momento, levando-se em consideração alguns pontos fisiológicos como: relação de contribuição da caixa torácica e abdome, ritmo, frequência respiratória, amplitude ou profundidade ventilatória e trabalho ventilatório. Estes componentes básicos apresentam íntima relação entre si. De forma simplificada, são conhecidos os padrões respiratórios fisiológicos (costal ou torácico, abdominal ou diafragmático e misto ou costo-diafragmático) que deslocam um volume de ar que varia de 5 a 10 mL/Kg de peso corporal, numa frequência que varia conforme a idade e condição clínica, considerando a relação de um tempo inspiratório para cada dois tempos expiratórios. Diante de alterações dos compartimentos e músculos envolvidos, dos volumes pulmonares de ar, capacidades pulmonares, ritmo de respiração e/ou frequência respiratória tem-se padrões respiratórios anormais ou patológicos. Nestas condições, o tratamento pode ser baseado nas premissas de reeducação ventilatória por meio de padrões ventilatórios, nos quais exercícios respiratórios são aprendidos e executados pelos pacientes com colaboração do mesmo e comando verbal do profissional ou quando disponíveis, por meio de estratégias mecânicas mediadas por instrumentos. O treinamento de padrões ventilatórios visa a recuperação da capacidade vital e o domínio voluntário sobre o ato ventilatório, educando o organismo para o controle da ventilação, treinamento da excursão diafragmática e um trabalho progressiva e simetricamente dosado. O ponto-chave do treinamento de padrões ventilatórios consiste na orientação de exercícios com adequação do tempo inspiratório e expiratório e da profundidade ventilatória ao padrão muscular ventilatório mais adequado, com ajuste da frequência respiratória e do volume de ar deslocado. Além disso, essa orientação visa iniciar o paciente a utilizar corretamente a musculatura ventilatória e a fazê-lo entender os diferentes tipos de padrões ventilatórios, por meio de demonstração prática neste processo de orientação. Neste contexto, o treinamento compreende uma etapa complexa e difícil de um programa de reeducação ventilatória, pois em alguns casos, o avanço da disfunção ou doença torna o quadro praticamente irreversível, e em outros casos, há um déficit na capacidade de compreensão, memorização e colaboração ativa do paciente por questões multifatoriais e/ou a necessidade de uso de recursos e estratégias que otimizem o feedback para a aprendizagem. Seguindo a metodologia vigente, o treinamento e a execução de padrões ventilatórios podem estar relacionados a diversos erros sistemáticos e aleatórios, que comprometem o desempenho e o alcance dos objetivos do tratamento, consequentemente, podem afetar a resposta do paciente e o controle e/ou resolução do quadro sintomatológico. A variabilidade conceitual, diferenças técnicas profissionais individualizadas, tais como, experiência profissional e domínio da técnica, habilidade de ensinar e simular a realização da técnica, alterações no timbre de voz e das construções das frases para emissão dos comandos de voz e regionalismos são alguns exemplos de fatores associados ao profissional de saúde que podem influenciar na qualidade de execução do padrão ventilatório pelo paciente. Por outro lado, além da capacidade de cooperação, de compreensão e de memorização, a ansiedade do paciente também pode interferir no resultado final, fazendo com que o mesmo execute as manobras ventilatórias com variabilidade de intervalo de tempo, mais comumente, os pacientes realizam manobras sucessivas sem intervalos ou com intervalos muito próximos, o que pode ocasionar taquipneia, alcalose respiratória e tonturas. Assim, nesta forma tradicional de treinamento de padrões ventilatórios não há uma padronização da realização da técnica, o paciente não possui um sistema de feedback audiovisual que o auxilie/oriente quanto ao nível qualitativo e quantitativo de satisfação da execução das manobras ventilatórias e fatores relacionados aos profissionais de saúde e aos pacientes podem reduzir a repetibilidade, a reprodutibilidade e prejudicar a obtenção dos resultados esperados. A patente UM 6400897-5 Y1, depositada em 1984, denominada “Aparelho para exercício respiratório” é um modelo de utilidade de um recurso instrumental de origem americana, caracterizado por ser um incentivador respiratório cujo acionamento é dependente do fluxo inspiratório do paciente. O instrumento pode ser usado para avaliação e treinamento de exercício a partir da inspiração de ar por um bocal ligado a uma mangueira, ocorrendo a suspensão de esferas (no máximo, três esferas) que atingem uma escala previamente demarcada de fluxo e permite o cálculo do volume de ar deslocado. A patente US 2008099019, depositada em 2008 e intitulada “Apparatus with automatic respiration monitoring and display”, de origem alemã, trata de dispositivos e modelos de utilidade para aplicação de uma pressão positiva contínua nas vias aéreas (CPAP) e/ou modalidades de ventilação não invasiva, não devendo-se ao treinamento de padrões ventilatórios. Deve-se ressaltar que foram encontradas patentes que tratam de dispositivos que podem auxiliar na execução da respiração abdominal, mas limitam-se a recursos meramente mecânicos, como o descrito na patente alemã KR 20100092797, denominada “Abdominal breathing guidance apparatus”, depositada em 2010, que trata de um sistema de orientação da respiração abdominal, a partir de uma estrutura em faixa que é usada a fim de cobrir o abdômen e uma bolsa com fluido localizada entre a estrutura em faixa e a região abdominal, a qual pode ser comprimida ou expandida pela pressão do fluido determinada por uma bomba e controlada de acordo com o padrão respiratório. A pressurização e despressurização da bolsa do fluido sobre o abdômen induz a exalação e a inspiração. Em 2006, a invenção WO 2006039587 A1 propõe o fornecimento de fluxo de gás adicional ao paciente como forma e aparelho para tratamento do padrão respiratório de Cheyne-Stokes, evolutivamente, no ano de 2012, por meio da invenção US 2012088992 A1, foi registrado uma forma a ser utilizado em aparelhos de ventilação controlada, o qual determina automaticamente a ausência ou presença da respiração de Cheyne-Stokes, voltado para ventiladores mecânicos não invasivos em uso por portadores de apneia obstrutiva do sono, mas não se referem ao treinamento e reeducação ventilatória. As invenções WO 201207499 9 A1 e WO 2012069962 A1 propõem outras formas para tratamento de padrões respiratórios alterados, com uso de fármacos como estimulantes respiratórios diante de transtornos de controle de respiração e a invenção de um dispositivo e forma de estimulação “pacing” para a estimulação da atividade respiratória, respectivamente. A invenção depositada sob número US 2011311956, em 2011, trata de um sistema educacional interativo para ensinar cuidados aos pacientes, destinado ao público de estudantes ou indivíduos em formação profissional. Refere-se a um simulador de um recém-nascido incluindo um corpo e uma porção de cabeça móvel ligada a esta porção do corpo. O equipamento é operável com um dispositivo externo para fornecer o batimento cardíaco e o padrão respiratório simulado. Na atualidade, o mercado dispõe de dispositivos voltados para o treinamento dos músculos respiratórios visando o fortalecimento da musculatura respiratória e aumento das pressões respiratórias máximas com aplicação de cargas, tais como o Threshold (Respironics Inc, USA, com patente denominada “Inspirator muscle trainer” – US 4854574A, publicada em 1989) e POWERbreathe (Gaiam Ltd, UK, com patente intitulada “Respiratory muscle training device”, EP 2303417 B1, concedida em 2013), mas que não são destinados ao treinamento de padrões ventilatórios. Assim, encontramos limitações no estado da técnica relativos a dispositivos para avaliação e tratamento de alterações de padrão respiratório basal em indivíduos respirando espontaneamente. As lacunas encontradas no estado da técnica demandam a criação de novos produtos e processos capazes de suprilas.02. The assessment of the breathing pattern is an important source of information on the respiratory system, whose analysis makes it possible to discriminate between a normal status or an alteration in the respiratory function. The breathing pattern can be analyzed from the variables of volume and time, configuration and thoracoabdominal coordination, and associated with measurements of mean, median, maximum and percentage inspiratory and expiratory respiratory pressures. In individuals under basal or quiet breathing, the assessment and monitoring of the breathing pattern is commonly performed by a healthcare professional during clinical assessment with visual observation of the amplitude of displacement of the thoracoabdominal compartment during inspiration and expiration, in order to infer on the volume of dislocated air and the rhythm and respiratory rate in a certain period of time, using a stethoscope or even without it, being subject to uncertainty, given the subjectivity and inexperience because they are manual forms. In view of the variables involved in the breathing pattern, some instruments are described in the literature with different strategies for evaluating the breathing pattern: i) respiration, in which an evaluator with the instrument and a watch can obtain the volume per minute and the respiratory rate, respectively, and from these data, calculate the average tidal volume, the amount of air displaced on average for each complete respiratory cycle; ii) spirometry, of various modalities, with mechanical or flow sensors, is aimed at the assessment of forced respiratory maneuvers to identify functional changes or the presence of obstructive, restrictive and mixed pulmonary diseases, with its inventive record dated 03/31/ 1965 through patent US3343529; iii) measurement of displacements of the rib cage during the inspiration and expiration phases of a respiratory cycle, with concepts of application of thoracic cirtometry, whose thoracoabdominal displacement allows the identification of the type of breathing pattern, according to thoracic, abdominal or mixed predominance; iv) respiratory inductance plethysmography, whose measurements are based on changes in the cross-sectional area captured by two inductance bands, allows the identification of respiratory pattern variables in basal or resting breaths, being limited by technology in relation to the positioning for measurement , not portability and cost; v) recording of movements from sensors positioned on the chest and abdominal walls with the use of video cameras, which allows the identification of variables of the breathing pattern in basal or resting breathing from mathematical models and estimates of the displacement of sensors placed on the chest, being limited by technology regarding placement for measurement, not portability and cost; vi) optoelectronic plethysmography with reconstruction of three-dimensional images of the rib cage and measurement of its compartmental volumes, in the same way as the previous one, indirectly measures the variables of the breathing pattern from thoracic measurements and changes in the chest volume, being limited by the technology in relation to positioning for measurement, not portability and cost. There are a variety of ways to assess breathing. The patents described below present equipment aimed at patients with artificial airways undergoing invasive mechanical ventilation or as monitors included in non-invasive mechanical ventilation devices and also multi-parametric physiological monitors, which involve the capture of the respiratory rate signal from electrodes in the chest surface or devices that estimate respiratory variables such as volume and respiratory rate from images, videos or analysis sampling of exhaled carbon dioxide in a closed or open system. In 2011, patents WO 2011108985 A1 are described, which detect respiration from a diaphragm, and WO 2011098944 A1, which determine respiration using a multiaxial accelerometer positioned on the body. The patents WO 2011127487 A2, US 8562526 B2 (2013) and US 8834364 B2 (2014) are limited to quantifying the respiratory rate, the first by capturing a sequence of images of the human face and the following by capturing a biological signal. The patents WO 2011080701 A1 (2011), WO 2012114262 A1 (2012) and US 20130267862 A1 (2013), presented forms of respiratory assessment quantifying the exhaled carbon dioxide for application in artificial airway carriers. The patent WO 2015031848 A3 filed in 2014 is also described, which refers to a sampling device for analyzing the universal breath, with the objective of quantifying the composition of gases in one or more breaths, in addition to patents BR 10 2014 017909 7 A2 and BR 10 2014 011891 8 A2, both filed in 2014, dealing with apparatus and device aimed at ventilatory support during artificial respiration. Both filed in 2012, patents WO 2012052951 A1 and US 8128569 B1 refer to different ways and/or systems for evaluating the breathing pattern, through the electrocardiogram signal to estimate the respiratory rate and the detection of respiratory variation in pulse oximetry, respectively. Another way is described in 2015, through patent WO 2014057399A1 / BR 11 2015 007636 0 A2, which described a process for quantifying the respiratory rate from the capture of reflected energy from a transducer in the chest and detected by a Doppler. So, so far, although there are several instruments for the assessment of breathing, specifically the assessment and identification of changes in the breathing pattern in individuals breathing spontaneously is incipient. Spirometers provide direct measurements from flow sensors captured with the use of a mouthpiece or mask in the airway, but are intended for the assessment of lung diseases from an individual's forced breaths in room air, and are not used to assess the breathing pattern in basal or resting breaths. On the other hand, inductance or optoelectronic plethysmographs are equipment capable of quantitatively recording respiratory pattern variables in individuals breathing spontaneously, without the aid of machines, during basal or resting breathing, however their measurements are indirect, calculated from the non-invasive measurement of the wall chest, in the context of evaluation of configuration and thoracoabdominal coordination, requiring devices such as computers, bands, various sensors, cameras, among others, which makes it limited to research centers, due to the cost and structural dimensioning. With regard to treatment in the face of changes in the breathing pattern, the use of ventilatory patterns in the care of patients with cardiorespiratory dysfunction, whether functional, acute or chronic, is very common and aims to improve the functional conditions of the respiratory system, modifying or adjusting muscle activation patterns and interconnected variables, providing a balance of intrapulmonary and extrapulmonary tensions, ventilatory discipline and self-control, ventilatory motor coordination and awareness of ventilatory movements and ventilatory re-education, reflecting on improved performance in activities of daily living . Currently, in clinical practice, there are no commercially available instruments, equipment or devices that help health professionals and patients in the training of a ventilatory re-education program and in the execution of ventilatory pattern exercises, respectively. So far, the applied methodology consists of issuing a verbal command by the professional, providing instructions for the execution of the ventilatory patterns and, given the cooperation and understanding of the patient, the ventilatory pattern taught is carried out. Optionally, some health professionals, in addition to issuing the verbal command, reproduce the ventilatory pattern simultaneously with the patient's performance in order to favor understanding, encourage him or her and achieve better results regarding the quality of the technique. The breathing pattern is the way in which pulmonary ventilation is carried out at a given time, taking into account some physiological points such as: contribution ratio of the rib cage and abdomen, rhythm, respiratory rate, ventilatory amplitude or depth, and ventilatory work. These basic components are closely related to each other. In a simplified way, the physiological breathing patterns (costal or thoracic, abdominal or diaphragmatic and mixed or costo-diaphragmatic) are known that displace a volume of air ranging from 5 to 10 mL/kg of body weight, at a frequency that varies according to the age and clinical condition, considering the ratio of one inspiratory time for every two expiratory times. In the face of changes in the compartments and muscles involved, in the lung volumes of air, lung capacities, breathing rhythm and/or respiratory rate, abnormal or pathological respiratory patterns are found. Under these conditions, the treatment can be based on the premises of ventilatory re-education through ventilatory patterns, in which breathing exercises are learned and performed by the patients with their collaboration and the professional's verbal command or when available, through mechanical strategies mediated by instruments . Training in ventilatory patterns aims to recover vital capacity and voluntary mastery of the ventilatory act, educating the body to control ventilation, training in diaphragmatic excursion and progressive and symmetrically measured work. The key point of training in ventilatory patterns consists in the orientation of exercises with adequacy of the inspiratory and expiratory time and the ventilatory depth to the most adequate ventilatory muscle pattern, with adjustment of the respiratory rate and the volume of air displaced. In addition, this guidance aims to initiate the patient to correctly use the ventilatory muscles and make him understand the different types of ventilation patterns, through practical demonstration in this guidance process. In this context, training comprises a complex and difficult stage of a ventilatory re-education program, as in some cases, the advancement of the dysfunction or disease makes the condition practically irreversible, and in other cases, there is a deficit in the ability to understand, memorize and active patient collaboration due to multifactorial issues and/or the need to use resources and strategies that optimize feedback for learning. Following the current methodology, training and implementation of ventilatory patterns can be related to several systematic and random errors, which compromise the performance and the achievement of treatment goals, consequently, can affect the patient's response and the control and/or resolution of the symptomatological picture. Conceptual variability, individualized professional technical differences, such as professional experience and mastery of the technique, ability to teach and simulate the performance of the technique, changes in voice timbre and sentence constructions for issuing voice commands and regionalisms are some examples factors associated with the health professional that can influence the quality of performance of the ventilatory pattern by the patient. On the other hand, in addition to the capacity for cooperation, understanding and memorization, the patient's anxiety can also interfere with the final result, causing the patient to perform ventilatory maneuvers with variable time intervals, more commonly, patients perform maneuvers successive intervals without intervals or with very close intervals, which can cause tachypnea, respiratory alkalosis and dizziness. Thus, in this traditional form of training in ventilatory patterns, there is no standardization of the performance of the technique, the patient does not have an audiovisual feedback system that helps/guides him regarding the qualitative and quantitative level of satisfaction with the execution of ventilatory maneuvers and factors related to health professionals and patients can reduce repeatability, reproducibility and impair the achievement of expected results. Patent UM 6400897-5 Y1, filed in 1984, called “Respiratory exercise apparatus” is a utility model of an American instrumental resource, characterized by being a respiratory stimulator whose activation depends on the patient's inspiratory flow. The instrument can be used for exercise assessment and training from the inspiration of air through a mouthpiece connected to a hose, with the suspension of spheres (a maximum of three spheres) that reach a previously delimited flow scale and allow the calculation of volume of air displaced. Patent US 2008099019, filed in 2008 and entitled "Apparatus with automatic breathing monitoring and display", of German origin, deals with devices and utility models for applying continuous positive airway pressure (CPAP) and/or ventilation modalities non-invasive, not due to training in ventilatory patterns. It should be noted that patents were found dealing with devices that can assist in the execution of abdominal breathing, but they are limited to purely mechanical resources, such as the one described in the German patent KR 20100092797, called “Abdominal breathing guidance apparatus”, filed in 2010 , which deals with an abdominal breathing guidance system, from a band structure that is used to cover the abdomen and a bag with fluid located between the band structure and the abdominal region, which can be compressed or expanded by the fluid pressure determined by a pump and controlled according to the breathing pattern. Pressurizing and depressurizing the fluid pouch over the abdomen induces exhalation and inspiration. In 2006, the invention WO 2006039587 A1 proposes the supply of additional gas flow to the patient as a way and apparatus for the treatment of Cheyne-Stokes breathing pattern, evolutionarily, in 2012, through the invention US 2012088992 A1, a to be used in controlled ventilation devices, which automatically determines the absence or presence of Cheyne-Stokes breathing, aimed at non-invasive mechanical ventilators in use by patients with obstructive sleep apnea, but does not refer to training and ventilatory re-education . The inventions WO 201207499 9 A1 and WO 2012069962 A1 propose other ways to treat altered breathing patterns, with the use of drugs as respiratory stimulants in the face of respiratory control disorders and the invention of a device and form of stimulation "pacing" for stimulation of respiratory activity, respectively. The invention filed under number US 2011311956, in 2011, deals with an interactive educational system to teach patient care, aimed at students or individuals undergoing professional training. It refers to a newborn simulator including a body and a movable head portion attached to this body portion. The equipment is operable with an external device to provide the heartbeat and simulated breathing pattern. Currently, the market has devices aimed at training respiratory muscles, aiming at strengthening the respiratory muscles and increasing maximum respiratory pressures with the application of loads, such as the Threshold (Respironics Inc, USA, with a patent called "Inspirator muscle trainer" – US 4854574A, published in 1989) and POWERbreathe (Gaiam Ltd, UK, with a patent entitled “Respiratory muscle training device”, EP 2303417 B1, granted in 2013), but which are not intended for training ventilation patterns. Thus, we found limitations in the prior art regarding devices for the assessment and treatment of changes in the basal breathing pattern in spontaneously breathing individuals. The gaps found in the state of the art demand the creation of new products and processes capable of filling them.

➜ Breve descrição das figuras➜ Brief description of figures

03. A presente invenção é documentada por 5 figuras esquemáticas, enumeradas a seguir.03. The present invention is documented by 5 schematic figures, listed below.

04. A Figura 1 apresenta os principais blocos sistemáticos da invenção, assim como suas correlações, entre o servidor remoto, o instrumento em si e a unidade de processamento externa.04. Figure 1 shows the main systematic blocks of the invention, as well as their correlations, between the remote server, the instrument itself and the external processing unit.

05. A Figura 2 apresenta o instrumento em si, que realiza as medições respiratórias e transfere esses dados para processamento.05. Figure 2 shows the instrument itself, which performs respiratory measurements and transfers these data for processing.

06. A Figura 3 representa a unidade de processamento externa, que recebe os dados gerados pelo dispositivo central e realiza a primeira análise dos dados.06. Figure 3 represents the external processing unit, which receives the data generated by the central device and performs the first data analysis.

07. A Figura 4 representa desenho esquemático do funcionamento do sistema para o módulo de avaliação do padrão respiratório.07. Figure 4 represents a schematic drawing of the system operation for the breathing pattern assessment module.

08. A Figura 5 representa o desenho esquemático do funcionamento do sistema para o módulo de reeducação ventilatória e treinamento do padrão respiratório.08. Figure 5 represents the schematic drawing of the functioning of the system for the ventilatory re-education and respiratory pattern training module.

➜ Descrição da invenção➜ Description of the invention

09. A ideia desta invenção surgiu da necessidade de se aplicar formas reprodutíveis, objetivas, diretas e automatizadas para quantificação de variáveis respiratórias, considerando a captação de sinais por transdutores de fluxo e pressão de ar na via aérea, para avaliação do padrão respiratório em indivíduos respirando espontaneamente sob respiração basal ou de repouso, com via aérea fisiológica ou artificial. Esta invenção consiste no desenvolvimento de um instrumento a ser destinado para avaliação do padrão respiratório fisiológico e ferramenta de treinamento diante de alterações do padrão respiratório, auxiliando no processo de seleção e implementação de padrões ventilatórios, bem como fornecendo feedback de sua execução, de forma isolada, conjunta (vários tipos de padrões ventilatórios sequenciais) ou em programas de reeducação ventilatória, pulmonar ou cardíaca. O instrumento é capaz de avaliar de forma qualitativa e quantitativa diversas variáveis do padrão respiratório relacionadas a volume, fluxo e pressão durante um ou mais ciclos respiratórios, compreendidos por fases inspiratória e expiratória, apresentando-os em termos qualitativos de normalidade e alteração, e quantitativos, em termos de valores mínimos, máximos, média, variação e frações em uma escala de tempo, e graficamente, em termos de curvas simples no tempo e loops entre as variáveis, com emissão de relatório para auxiliar no raciocínio do usuário e do profissional. O instrumento é composto por sensor de fluxo, sensor de pressão, unidade de processamento interno, unidade de comunicação, com acoplamento via interface ao indivíduo e permitindo analise on e off line por meio de uma unidade de processamento externo utilizando de hardware e software especificamente desenvolvido para tal fim. O sistema necessita de uso de filtro de modo a proteger o instrumento de umidade, gotículas e com fins bacteriológicos. A invenção também utilizará um servidor remoto e aplicativos que podem ser colocados em aparelhos diversos. O servidor, por sua vez, é composto por vários módulos, a unidade de armazenamento que registra os dados de entrada e de saída, a unidade de processamento, que compara os dados de entrada com os dados de referência e a unidade de comunicação que transmite os relatórios para as unidades de processamento externo. No servidor remoto, estão armazenados os dados de referência de acordo com as especificidades de faixa etária, composição corporal, condições clínicas e fisiológicas em diferentes populações. Assim o sistema possui hardware específico e software, com uso de diversas tecnologias, entre as quais, aplicação de algoritmos matemáticos, inteligência artificial e redes neurais, entre outras, para integração das informações em rede. A invenção também visa de forma não invasiva, sem radiação e com portabilidade suportar o tratamento de disfunções respiratórias a partir do treinamento de padrões ventilatórios. O uso do instrumento para treinamento de padrões ventilatórios poderá ocorrer de forma automatizada conforme programa recomendado pelo próprio instrumento diante de um relatório de avaliação prévio ou das informações dos pacientes cadastradas e gravadas no sistema ou ser elaborado individualmente, de forma modulável, podendo ser selecionados modalidades de padrões ventilatórios e ajustes manuais nas variáveis do padrão respiratório. Após seleção do programa de tratamento (automático ou modulável individualmente), o usuário poderá escolher dois modos para execução dos exercícios respiratórios, na forma de repetição computadorizada de padrões seguindo instruções audiovisuais do software do equipamento ou na modalidade de jogos simulativos de padrões, para obtenção do padrão ventilatório desejado. Na modalidade de atribuição individualizada do programa de tratamento, o treinamento de padrões ventilatórios pode ocorrer com a execução de repetições isoladas de um padrão ventilatório específico e/ou exercícios respiratórios ou de forma conjunta, na modalidade de associação de vários tipos de padrões ventilatórios sequenciais ou ainda pode ter variáveis moduláveis e modificadas de acordo com a necessidade. Independente da modalidade de treinamento selecionada, repetição computadorizada de padrões ou com uso de jogos simulativos, o instrumento emite avisos, informações audiovisuais, como feedback sobre a execução do padrão ventilatório selecionado, associado a informações qualitativas e quantitativas. A idealização e construção do instrumento supracitado pretende solucionar os problemas associados a avaliação e treinamento de padrões ventilatórios.09. The idea of this invention arose from the need to apply reproducible, objective, direct and automated ways to quantify respiratory variables, considering the capture of signals by airway air flow and pressure transducers, to assess the respiratory pattern in individuals breathing spontaneously under basal or resting breathing, with physiological or artificial airway. This invention consists of the development of an instrument to be used for the assessment of the physiological breathing pattern and a training tool in the face of changes in the breathing pattern, assisting in the process of selection and implementation of ventilatory patterns, as well as providing feedback on its execution, in isolation , joint (various types of sequential ventilatory patterns) or in ventilatory, pulmonary or cardiac re-education programs. The instrument is able to qualitatively and quantitatively assess several variables of the breathing pattern related to volume, flow and pressure during one or more respiratory cycles, comprised of inspiratory and expiratory phases, presenting them in qualitative terms of normality and change, and quantitative , in terms of minimum, maximum, mean, variation and fractions on a time scale, and graphically, in terms of simple curves in time and loops between variables, with reporting to aid in the user's and professional's reasoning. The instrument is composed of a flow sensor, pressure sensor, internal processing unit, communication unit, coupled via the individual interface and allowing on and off line analysis through an external processing unit using specifically developed hardware and software for that purpose. The system requires the use of a filter in order to protect the instrument from moisture, droplets and bacteriological purposes. The invention will also use a remote server and applications that can be placed on different devices. The server, in turn, is composed of several modules, the storage unit that records the input and output data, the processing unit, which compares the input data with the reference data, and the communication unit that transmits the reports to the external processing units. On the remote server, reference data are stored according to the specifics of age group, body composition, clinical and physiological conditions in different populations. Thus, the system has specific hardware and software, using various technologies, including the application of mathematical algorithms, artificial intelligence and neural networks, among others, for the integration of information in a network. The invention also aims to non-invasively, without radiation and with portability, support the treatment of respiratory disorders based on training in ventilatory patterns. The use of the instrument for training ventilatory patterns can be automated, according to the program recommended by the instrument itself, in front of a previous assessment report or patient information registered and recorded in the system, or it can be prepared individually, in a modular way, and modalities can be selected of ventilatory patterns and manual adjustments in the breathing pattern variables. After selecting the treatment program (automatic or individually adjustable), the user can choose two modes to perform the breathing exercises, in the form of computerized repetition of patterns following audiovisual instructions from the equipment software or in the modality of simulative pattern games, to obtain of the desired ventilation pattern. In the individualized attribution modality of the treatment program, the training of ventilatory patterns can occur with the execution of isolated repetitions of a specific ventilatory pattern and/or breathing exercises or together, in the association modality of several types of sequential ventilatory patterns or it can still have variables that can be modified and modified as needed. Regardless of the selected training modality, computerized repetition of patterns or with the use of simulative games, the instrument issues warnings, audiovisual information, such as feedback on the execution of the selected ventilatory pattern, associated with qualitative and quantitative information. The idealization and construction of the aforementioned instrument intends to solve the problems associated with the assessment and training of ventilatory patterns.

10. O instrumento (Figura 1, item 2) realiza as medições respiratórias e transfere esses dados para uma unidade de processamento externa (Figura 1, item 3), a qual realiza a primeira análise dos dados. A partir daí, pode-se fazer uso de um servidor remoto (Figura 1, item 1) tanto para armazenar os dados adquiridos e tratados quanto para uma análise utilizando modelos matemáticos e padrões ventilatórios de referência armazenados no mesmo. O servidor oferece também a possibilidade de aprender novos padrões respiratórios sendo alimentado com instâncias de padrões respiratórios aquisitados pelo instrumento e correlacioná-los com irregularidades da saúde humana envolvendo alterações respiratórias. Na Figura 2 observa-se o diagrama interno do bloco do instrumento. O instrumento (2) é composto por sensor de fluxo (2a), sensor de pressão (2b), uma unidade de processamento (2c) e uma unidade de comunicação (2d). A sua unidade de processamento comunica-se, primordialmente, com outras unidades de processamento externo (como visto na Figura 1, item 3), porém sua unidade de comunicação também fornece interfaces que possibilitarão acoplamentos de outros sensores e dispositivos ao instrumento, permitindo futuras expansões e aprimoramentos das capacidades envolvidas na identificação de irregularidades na saúde humana relacionadas com alterações respiratórias. A Figura 3 ilustra os componentes internos do bloco do servidor remoto (Figura 1, item 1). O servidor (1) possui uma unidade de armazenamento (1.1) que será responsável por armazenar dados de referência (1.1a), dados de entrada (1.1b) provenientes do instrumento e dados de saída (1.1c) gerados pela unidade de processamento (1.2). Esta unidade de processamento executará uma inteligência artificial a fim de classificar os dados de entrada e identificar possíveis alterações respiratórias. A unidade de comunicação (1.3) servirá para interfacear o servidor (1) e as unidades de processamento externo (Figura 1, item 3). A Figura 4 apresenta os componentes para a avaliação e emissão de suporte a decisão pela invenção. O instrumento (2) funciona, primeiramente, acoplando-se uma interface (5) ao indivíduo (4). Depois os dados respiratórios são aquisitados pelo instrumento e, então, é feito um processamento dessas variáveis. Este processamento poderá ser feito no próprio instrumento (Figura 2, item 2c), na unidade de processamento externo (3), tais como, tablets, smartphones, computadores e similares ou no servidor remoto (1) do sistema, conforme escolha do usuário. Os dados lidos serão comparados com padrões de referência durante o processamento para emissão do padrão respiratório normal ou alterado (6), indicando os componentes do padrão respiratório que estão fora da faixa de referência padronizada para emissão de relatório (7). A Figura 5 esquematiza os procedimentos de treinamento de padrões ventilatórios utilizando a invenção em questão. O instrumento (2) aquisita a respiração do indivíduo (4) através de uma interface (5). O sistema pode, então, processar as informações conforme modalidades exibidas na descrição da Figura 4. Após essa fase, diante da detecção de padrões respiratórios alterados, por meio de algoritmos inclusos no sistema é gerado um programa automático de tratamento (9). O programa automático de tratamento também poderá ser gerado a partir de informações cadastradas manualmente pelo usuário no instrumento. Para execução dos padrões ventilatórios, o usuário poderá selecionar o programa automático recomendado ou modularizar individualmente o treinamento (8). Seguindo o processo, duas estratégias de execução são disponíveis, o usuário pode optar pela forma de treinamento com reprodução computadorizada de padrões ventilatórios (10) ou pela utilização de jogos simulativos destes (11). A partir da seleção desse último item, o sistema inicia o treinamento fornecendo feedback audiovisual para que o indivíduo possa executá-lo corretamente com geração de dados qualitativos e quantitativos da execução (12). Quanto às características funcionais do instrumento para avaliação de padrão ventilatório, estabelecem-se: (i) registra dados pré-estabelecidos de indivíduos, tais como, nome, idade, sexo, peso, altura, entre outros; (ii) grava características dos pacientes para análise e emissão de laudo de suporte a decisão; (iii) permite a visualização das curvas de fluxo, volume e pressão no tempo; (iv) quantifica diversas variáveis do padrão respiratório no tempo, tais como, frequência respiratória, volume por minuto, volume corrente e suas frações no ciclo respiratório, fluxo respiratório e suas frações no ciclo respiratório, tempos no ciclo respiratório, pressões respiratórias no ciclo respiratório, valores percentuais e índices combinados; (v) compara as curvas de padrão respiratório executadas pelos indivíduos com curvas padronizadas de padrões respiratórios normais e alterados presentes no armazenamento do sistema (interno ou externo ao instrumento); (vi) emite laudo de suporte a decisão identificando se o padrão respiratório encontra-se dentro da normalidade ou quando alterado, aponta para as variáveis do padrão respiratório que encontram-se fora da referência; (vii) diante da emissão de laudo de suporte a decisão alterado, a partir de algoritmos presentes no instrumento, o sistema informará a necessidade de treinamento de padrões ventilatórios; (viii) utilizando-se da informação do laudo de suporte a decisão gravado pelo instrumento, a partir dos algoritmos presentes será recomendado um tratamento automático contendo um programa de treinamento de padrões ventilatórios; (ix) caso não haja a intenção de seguir um padrão de tratamento automático a partir dos dados obtidos, poderão ser elaborados programas individuais, de acordo com a avaliação do profissional. Quanto às características funcionais do instrumento para treinamento de padrão ventilatório, estabelecem-se: (i) favorecer o desempenho e a qualidade técnica de execução dos diferentes tipos de padrões ventilatórios e o uso correto da musculatura respiratória, melhorando a adequação do tempo inspiratório, expiratório e uso de pausas respiratórias, quando se fizer necessário, favorecendo o ajuste da frequência respiratória e contribuindo com o deslocamento desejado de volume de ar para dentro e para fora dos pulmões; (ii) ao instrumentalizar o treinamento de padrões ventilatórios, contribui-se com a padronização e/ou normatização técnica, o que minimiza a variabilidade oriunda dos profissionais de saúde e dos pacientes na execução de cada padrão ventilatório em específico, restringindo o efeito do timbre do comando verbal e das construções das frases do profissional sobre a resposta da técnica, uma vez que, os comandos de orientação ao paciente serão uniformes para cada tipo de padrão ventilatório mediante a emissão de um único padrão de comando textual e de timbre sonoro gravado em memória do instrumento; (iii) tal uniformização de comando textual limita o efeito da variabilidade conceitual, das diferenças técnicas profissionais individualizadas e da habilidade do profissional de ensinar e simular a realização da técnica, bem como, os comandos verbais emitidos em intervalos de tempos regulares e padronizados favorecem a reeducação ventilatória e a adaptação do paciente aos comandos para execução da técnica, reduzindo o problema relacionado à execução de manobras com intervalo de tempo muito curto em indivíduos ansiosos; (iv) a repetição padronizada dos comandos verbais favorece a compreensão e memorização para realização de cada padrão ventilatório selecionado e prescrito pelo profissional de saúde, e, para efeito de treinamento de padrões ventilatórios, sistemas com jogos, desafios e metas estabelecidas, em estratégias de “gamificação” poderão ser selecionadas para orientar a execução do padrão ventilatório e dando feedback do resultado obtido; (v) oferecer um feedback audiovisual para cada padrão ventilatório a ser executado com informações qualitativas e quantitativas de desempenho, sendo que o instrumento apresentará duas modalidades de funcionamento, automática ou modulável e individualizada; (vi) a modalidade automática de funcionamento pode ser utilizada pelo usuário atendendo à recomendação do algoritmo presente no instrumento diante de um relatório prévio de suporte a decisão do padrão respiratório realizado pelo próprio instrumento ou a partir das informações dos pacientes cadastradas pelo usuário manualmente no sistema, desta forma, é gerado um programa de padrões ventilatórios a ser seguido ou não pelo usuário; (vii) na modalidade modulável e individualizada o usuário poderá optar por programar manualmente os padrões ventilatórios a serem executados, isto é, poderão ser selecionados diferentes tipos de padrões ventilatórios e/ou modulação de suas variáveis, tratando-se de outra vantagem adicional do instrumento, pois além de possibilitar a seleção de padrões ventilatórios pré-definidos (entre os quais, inspiração em tempos, expiração abreviada, desde capacidade residual funcional, desde volume residual, expiração forçada, durante o broncoespasmo, com retardo expiratório, diafragmático com e sem pausa, costo-diafragmático, apneia máxima pós-inspiratória, etc.), as variáveis de controle poderiam ser reajustadas, tais como volumes, tempos (inspiratório, expiratório e de pausa), fluxos, frequência, repetições, duração do treinamento, criando comandos condizentes com novos padrões ventilatórios e programas/protocolos de reeducação ventilatória, os quais poderão ser aplicáveis de acordo com a avaliação clínica e individualização das condições respiratórias de cada paciente, além de poderem ser usados em pesquisas na área; (viii) independente da modalidade de treinamento selecionada (automática ou modulável e individualizada), ambas podem dispor de seleção de acionamento do comando verbal (a critério) e do sistema de feedback audiovisual (a critério), sendo monitorado o desempenho qualitativo e quantitativo da execução do padrão ventilatório realizado espontaneamente pelo paciente e detectado por meio do sistema eletrônico do instrumento; (ix) selecionada a modalidade de funcionamento, o usuário poderá optar por duas estratégias de execução, com repetição computadorizada de padrões ou por meio de jogos simulativos para cada padrão ventilatório incluso no programa de treinamento; (x) o sistema de feedback permite que o paciente com déficit de cooperação receba um auxílio para a execução do padrão ventilatório a partir da informação detectada nos sensores de fluxo e pressão, perfazendo os objetivos fisiológicos semelhantemente aos que seriam obtidos com a realização espontânea e com cooperação do paciente; (xi) o desempenho e o alcance dos objetivos do tratamento poderão ser monitorados em tempo real por meio de medidas de repetibilidade das variáveis respiratórias. Trata-se de um avanço significativo no planejamento de estratégias de tratamento, pois o dispositivo também poderá ser utilizado para fins de ensino e pesquisa, permitindo inclusive a simulação experimental de padrões ventilatórios, que futuramente, poderão ser aplicados no tratamento de indivíduos com disfunções respiratórias.10. The instrument (Figure 1, item 2) performs respiratory measurements and transfers these data to an external processing unit (Figure 1, item 3), which performs the first data analysis. From there, a remote server can be used (Figure 1, item 1) both to store the acquired and processed data and for an analysis using mathematical models and reference ventilation patterns stored in it. The server also offers the possibility of learning new breathing patterns by being fed instances of breathing patterns acquired by the instrument and correlating them with human health irregularities involving respiratory alterations. Figure 2 shows the internal diagram of the instrument block. The instrument (2) is composed of a flow sensor (2a), pressure sensor (2b), a processing unit (2c) and a communication unit (2d). Its processing unit primarily communicates with other external processing units (as seen in Figure 1, item 3), but its communication unit also provides interfaces that will allow coupling of other sensors and devices to the instrument, allowing future expansions and improvements in the capabilities involved in identifying human health irregularities related to respiratory disorders. Figure 3 illustrates the internal components of the remote server block (Figure 1, item 1). The server (1) has a storage unit (1.1) that will be responsible for storing reference data (1.1a), input data (1.1b) from the instrument and output data (1.1c) generated by the processing unit ( 1.2). This processing unit will perform artificial intelligence in order to classify the input data and identify possible respiratory changes. The communication unit (1.3) will serve to interface the server (1) and the external processing units (Figure 1, item 3). Figure 4 shows the components for evaluating and issuing decision support for the invention. The instrument (2) works, firstly, by coupling an interface (5) to the individual (4). Afterwards, the respiratory data are acquired by the instrument and then these variables are processed. This processing can be done in the instrument itself (Figure 2, item 2c), in the external processing unit (3), such as tablets, smartphones, computers and similar, or in the remote server (1) of the system, as chosen by the user. The read data will be compared with reference standards during processing to issue the normal or altered breathing pattern (6), indicating the components of the breathing pattern that are outside the standardized reference range for reporting (7). Figure 5 outlines the training procedures for ventilatory patterns using the invention in question. The instrument (2) acquires the individual's breathing (4) through an interface (5). The system can then process the information according to the modalities shown in the description in Figure 4. After this phase, upon detection of altered breathing patterns, an automatic treatment program is generated through algorithms included in the system (9). The automatic treatment program can also be generated from information manually entered by the user in the instrument. To perform ventilation patterns, the user can select the recommended automatic program or individually modularize the training (8). Following the process, two execution strategies are available, the user can choose the form of training with computerized reproduction of ventilation patterns (10) or the use of simulative games of these (11). From the selection of this last item, the system starts the training providing audiovisual feedback so that the individual can perform it correctly with the generation of qualitative and quantitative data of the execution (12). As for the functional characteristics of the instrument for assessing the ventilatory pattern, the following are established: (i) it records pre-established data on individuals, such as name, age, sex, weight, height, among others; (ii) records patient characteristics for analysis and issuance of decision support report; (iii) allows the visualization of flow, volume and pressure curves over time; (iv) quantifies several variables of the respiratory pattern over time, such as respiratory rate, volume per minute, tidal volume and its fractions in the respiratory cycle, respiratory flow and its fractions in the respiratory cycle, times in the respiratory cycle, respiratory pressures in the respiratory cycle , percentage values and combined indices; (v) compares the breathing pattern curves performed by the individuals with standardized curves of normal and altered breathing patterns present in the system storage (internal or external to the instrument); (vi) issues a decision support report identifying whether the breathing pattern is within the normal range or, when altered, points to the breathing pattern variables that are outside the reference; (vii) upon the issuance of an altered decision support report, based on algorithms present in the instrument, the system will inform the need for training in ventilatory patterns; (viii) using the information from the decision support report recorded by the instrument, based on the present algorithms, an automatic treatment will be recommended, containing a training program for ventilatory patterns; (ix) if there is no intention of following an automatic treatment pattern based on the data obtained, individual programs may be created, according to the professional's assessment. Regarding the functional characteristics of the instrument for training the ventilatory pattern, the following are established: (i) to favor the performance and technical quality of the execution of different types of ventilatory patterns and the correct use of respiratory muscles, improving the adequacy of the inspiratory and expiratory times and use of breathing pauses, when necessary, favoring the adjustment of the respiratory rate and contributing to the desired displacement of air volume in and out of the lungs; (ii) by instrumentalizing the training of ventilatory patterns, the standardization and/or technical standardization is contributed, which minimizes the variability arising from health professionals and patients in the execution of each specific ventilatory pattern, restricting the timbre effect the verbal command and the construction of the professionals' sentences about the technique's response, since the patient orientation commands will be uniform for each type of ventilation pattern by issuing a single textual command pattern and sound timbre recorded in instrument memory; (iii) such textual command standardization limits the effect of conceptual variability, individualized professional technical differences and the professional's ability to teach and simulate the performance of the technique, as well as verbal commands issued at regular and standardized time intervals favor the ventilatory re-education and patient adaptation to the commands for performing the technique, reducing the problem related to performing maneuvers with a very short time interval in anxious individuals; (iv) the standardized repetition of verbal commands favors understanding and memorization to carry out each ventilatory pattern selected and prescribed by the health professional, and, for the purpose of training ventilatory patterns, systems with games, challenges and established goals, in strategies of “gamification” can be selected to guide the execution of the ventilatory pattern and giving feedback on the obtained result; (v) offer an audiovisual feedback for each ventilation pattern to be performed with qualitative and quantitative performance information, and the instrument will present two operating modes, automatic or modular and individualized; (vi) the automatic mode of operation can be used by the user, taking into account the recommendation of the algorithm present in the instrument in front of a previous report to support the decision of the breathing pattern performed by the instrument itself or from patient information manually registered by the user in the system , in this way, a program of ventilation patterns to be followed or not by the user is generated; (vii) in the modular and individualized mode, the user can choose to manually program the ventilation patterns to be performed, that is, different types of ventilation patterns and/or modulation of their variables can be selected, which is another additional advantage of the instrument , because in addition to enabling the selection of predefined ventilation patterns (among which, inspiration in times, abbreviated expiration, from functional residual capacity, from residual volume, forced expiration, during bronchospasm, with expiratory delay, diaphragmatic with and without pause , costo-diaphragmatic, maximum post-inspiratory apnea, etc.), the control variables could be readjusted, such as volumes, times (inspiratory, expiratory and pause), flows, frequency, repetitions, training duration, creating consistent commands with new ventilatory standards and ventilatory re-education programs/protocols, which may be applicable according to the evaluation clinical action and individualization of the respiratory conditions of each patient, in addition to being used in research in the area; (viii) regardless of the selected training modality (automatic or modular and individualized), both may have a selection of verbal command triggering (at their discretion) and the audiovisual feedback system (at their discretion), with the qualitative and quantitative performance of the execution of the ventilatory pattern performed spontaneously by the patient and detected through the instrument's electronic system; (ix) selected the operating mode, the user may choose two execution strategies, with computerized repetition of patterns or through simulative games for each ventilation pattern included in the training program; (x) the feedback system allows the patient with cooperation deficits to receive assistance in carrying out the ventilatory pattern based on the information detected in the flow and pressure sensors, fulfilling the physiological goals similar to those that would be obtained with spontaneous performance and with patient cooperation; (xi) the performance and achievement of treatment goals can be monitored in real time through measures of repeatability of respiratory variables. This is a significant advance in the planning of treatment strategies, as the device can also be used for teaching and research purposes, including allowing the experimental simulation of ventilatory patterns, which in the future can be applied in the treatment of individuals with respiratory disorders .

11. Esta invenção consiste no desenvolvimento de um instrumento a ser destinado para avaliação do padrão respiratório fisiológico e ferramenta de treinamento diante de alterações do padrão respiratório, auxiliando no processo de seleção e implementação de padrões ventilatórios, bem como fornecendo feedback de sua execução, de forma isolada, conjunta (vários tipos de padrões ventilatórios sequenciados) ou em programas de reeducação ventilatória, pulmonar ou cardíaca.11. This invention consists of the development of an instrument to be used for the assessment of the physiological breathing pattern and a training tool in the face of changes in the breathing pattern, assisting in the process of selection and implementation of ventilatory patterns, as well as providing feedback on its execution, isolated, combined form (various types of sequenced ventilatory patterns) or in ventilatory, pulmonary or cardiac re-education programs.

12. A primeira modalidade preferida é a implementação desta invenção com função de avaliação e treinamento do padrão ventilatório.12. The first preferred modality is the implementation of this invention with the function of evaluating and training the ventilatory pattern.

13. A segunda modalidade preferida é a implementação desta invenção de forma modular, com funcionamento exclusivo para avaliação ou para treinamento do padrão ventilatório.13. The second preferred modality is the implementation of this invention in a modular way, with exclusive functioning for evaluating or training the ventilation pattern.

14. A terceira modalidade preferida é a implementação desta invenção de forma modulável para uso não supervisionado por usuários, uso por profissionais de saúde, uso por instituições/hospitais, para ensino e fins de pesquisa e inovação.14. The third preferred modality is the implementation of this invention in a scalable form for unsupervised use by users, use by healthcare professionals, use by institutions/hospitals, for teaching and research and innovation purposes.

15. A quarta modalidade preferida é a implementação desta invenção com configuração modulável para adequação de algoritmos e padrões de referência em diferentes faixas etárias, populações e condições especiais.15. The fourth preferred modality is the implementation of this invention with a modular configuration for adapting algorithms and reference standards in different age groups, populations and special conditions.

16. A quinta modalidade preferida é a implementação desta invenção com função exclusiva de treinamento com repetição computadorizada de padrões ventilatórios fixos ou moduláveis ou com uso de jogos simulativos ou com estratégia completa com todas as funções.16. The fifth preferred modality is the implementation of this invention with the exclusive function of training with computerized repetition of fixed or modulating ventilation patterns or with the use of simulative games or with a complete strategy with all functions.

17. A sexta modalidade preferida é a implementação desta invenção para duas modalidades de análise dos dados: em tempo real (on line) e com arquivo armazenado na memória (off line) por meio de uma unidade de processamento externo utilizando de software especificamente desenvolvido para tal fim.17. The sixth preferred modality is the implementation of this invention for two modalities of data analysis: in real time (on line) and with a file stored in memory (off line) through an external processing unit using software specifically developed for such an end.

18. A sétima modalidade preferida é a implementação desta invenção ser composta por um sensor de fluxo e um sensor de pressão.18. The seventh preferred embodiment is for the implementation of this invention to comprise a flow sensor and a pressure sensor.

19. A oitava modalidade preferida é a implementação desta invenção, cujo instrumento pode ser acoplado a diferentes tipos de interface, tais como, bocal, máscara ou ainda até via aérea artificial, com uso de filtro, em indivíduos respirando espontaneamente.19. The eighth preferred modality is the implementation of this invention, whose instrument can be coupled to different types of interface, such as a mouthpiece, mask or even an artificial airway, with the use of a filter, in individuals breathing spontaneously.

➜ Exemplos de concretizações da invenção➜ Examples of embodiments of the invention

20. Os testes comparando as medidas de frequência respiratória e os volumes respiratórios, quando indivíduos mantiveram padrão respiratório basal em condições de repouso, estando no circuito respiratório em paralelo o dispositivo da presente invenção e o ventilômetro de Wright, com medida mecânica, devidamente calibrado, são apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 - Variáveis respiratórias mensuradas pelo dispositivo da invenção e o ventilômetro padrão

Figure img0001
(*) Siglas: fr – frequência respiratória, Vci - volume corrente inspiratório, Vce - volume corrente expiratório, Vmin - volume por minuto, Fluxo Ins - Fluxo inspiratório, Fluxo Ex- fluxo expiratório, Tins - tempo inspiratório, Tex - tempo expiratório, vent_fr - frequência respiratória marcada no ventilômetro, vent_vmin - volume por minuto marcado no ventilômetro.20. Tests comparing respiratory rate measurements and respiratory volumes, when individuals maintained a baseline breathing pattern at rest, with the device of the present invention and Wright's ventilometer, with mechanical measurement, duly calibrated, in the respiratory circuit in parallel. are presented in Table 1.
Table 1 - Respiratory variables measured by the device of the invention and the standard ventilator
Figure img0001
(*) Acronyms: fr - respiratory rate, Vci - inspiratory tidal volume, Vce - expiratory tidal volume, Vmin - volume per minute, Ins Flow - Inspiratory flow, Ex - expiratory flow, Tins - inspiratory time, Tex - expiratory time, vent_fr - respiratory rate marked on the ventometer, vent_vmin - volume per minute marked on the ventometer.

21. Na Tabela 1, observa-se que as medidas do novo dispositivo em teste são mais sensíveis e apresentam valores superiores, em relação ao dispositivo mecânico, que tem característica dependente do operador.21. In Table 1, it is observed that the measurements of the new device under test are more sensitive and present higher values, compared to the mechanical device, which has a characteristic dependent on the operator.

22. A Tabela 2 mostra a comparação específica da frequência respiratória e do volume por minuto coletados simultaneamente pelo dispositivo em invenção e o ventilômetro padrão. Identifica-se que a diferença de média entre os valores de frequência respiratória do dispositivo e do ventilômetro não é significante, mostrando que estatisticamente o dispositivo é comparável à medição pelo ventilômetro, a qual é dependente do operador. Enquanto há uma diferença significante na variável volume por minuto, mostrando com valores mais altos quando medidas pelo dispositivo, o que demonstra sua maior sensibilidade de detecção.
Tabela 2 - Comparação de médias de variáveis respiratórias mensuradas pelo dispositivo da invenção e o ventilômetro padrão

Figure img0002
(*) Siglas: FR - frequência, VM - volume por minuto; teste T para amostras pareadas.22. Table 2 shows the specific comparison of respiratory rate and volume per minute collected simultaneously by the device under invention and the standard ventilometer. It is identified that the mean difference between the respiratory rate values of the device and the ventilator is not significant, showing that the device is statistically comparable to the measurement by the ventilator, which is operator-dependent. While there is a significant difference in the volume per minute variable, showing higher values when measured by the device, which demonstrates its greater detection sensitivity.
Table 2 - Comparison of means of respiratory variables measured by the device of the invention and the standard ventilator
Figure img0002
(*) Acronyms: FR - frequency, VM - volume per minute; T test for paired samples.

Claims (9)

Instrumento para medição, monitorização e análise de variáveis do padrão respiratório humano, caracterizado por sensor de fluxo de ar, sensor de pressão, unidade de processamento, unidade de comunicação, com acoplamento via interface ao indivíduo e permitindo análise on e off line por meio de uma unidade de processamento utilizando-se de hardware e software especificamente desenvolvido para tal fim.Instrument for measuring, monitoring and analyzing variables of the human respiratory pattern, characterized by an air flow sensor, pressure sensor, processing unit, communication unit, with coupling via the individual interface and allowing on and off line analysis through a processing unit using hardware and software specifically developed for this purpose. Instrumento para medição, monitorização e análise de variáveis do padrão respiratório humano, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por adotar unidade de processamento externa.Instrument for measuring, monitoring and analyzing variables of the human respiratory pattern, according to Claim 1, characterized by adopting an external processing unit. Sistema de medição, monitorização e análise de variáveis do padrão respiratório humano, caracterizado por conter instrumento definido na Reivindicação 1, acoplado ao indivíduo, por meio de uma interface, que capta informações do usuário e que comunica-se com a unidade de processamento, unidade de comunicação, e um servidor remoto com unidade de memória responsável pela classificação e armazenamento dos sinais recebidos para diversas aplicações com padrões préformatados, que funcionam em conjunto para avaliação dos padrões respiratórios e treinamento de novos padrões ventilatórios.A system for measuring, monitoring and analyzing variables of the human breathing pattern, characterized by containing an instrument defined in Claim 1, coupled to the individual, through an interface, which captures user information and communicates with the processing unit, unit and a remote server with a memory unit responsible for classifying and storing the received signals for various applications with preformatted patterns, which work together to assess breathing patterns and train new ventilation patterns. Sistema de medição, monitorização e análise de variáveis do padrão respiratório humano, de acordo com Reivindicação 3, caracterizado pelo fato da unidade de processamento ser externa.System for measuring, monitoring and analyzing variables of the human respiratory pattern, according to Claim 3, characterized in that the processing unit is external. Sistema de medição, monitorização e análise de variáveis do padrão respiratório humano, de acordo com as Reivindicações 3 e 4, caracterizado por possuir um módulo de aquisição de sinais (fluxo e pressão), um módulo de comunicação e saída dos dados.System for measuring, monitoring and analyzing variables of the human respiratory pattern, according to Claims 3 and 4, characterized by having a signal acquisition module (flow and pressure), a communication module and data output. Sistema de medição, monitorização e análise de variáveis do padrão respiratório humano, de acordo com as Reivindicações 3 e 4, caracterizado por conter um módulo de geração de sinais para treinamento de padrões ventilatórios e um módulo de captação e armazenagem de padrões a serem treinados.System for measuring, monitoring and analyzing human respiratory pattern variables, according to Claims 3 and 4, characterized in that it contains a signal generation module for training ventilation patterns and a module for capturing and storing patterns to be trained. Sistema de medição, monitorização e análise de variáveis do padrão respiratório humano, de acordo com as Reivindicações 3 e 4, caracterizado por incorporar um módulo de processamento de sinais que interpreta os sinais de padrões respiratórios adquiridos.System for measuring, monitoring and analyzing variables of the human breathing pattern, according to Claims 3 and 4, characterized by incorporating a signal processing module that interprets the signals of acquired breathing patterns. Sistema de medição, monitorização e análise de variáveis do padrão respiratório humano, de acordo com as Reivindicações 3 e 4, caracterizado por incorporar um módulo de entrada de dados para definição de modelos moduláveis para diferentes faixas etárias, composições corporais, condições clínicas, diferentes populações e outras variações de modelos de interpretação de sinais.System for measuring, monitoring and analyzing variables of the human respiratory pattern, according to Claims 3 and 4, characterized by incorporating a data entry module for defining modular models for different age groups, body compositions, clinical conditions, different populations and other variations of signal interpretation models. Sistema de medição, monitorização e análise de variáveis do padrão respiratório humano, de acordo com as Reivindicações 3 e 4, caracterizado por fazer uso de aprendizagem de máquina para otimizar os resultados das unidades de processamento de sinais.Human breathing pattern variable measurement, monitoring and analysis system, according to Claims 3 and 4, characterized by making use of machine learning to optimize the results of the signal processing units.
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