BR102021021781A2

BR102021021781A2 - PORTABLE BIOFEEDBACK DEVICE AND SYSTEM FOR HYPOXIA GENERATION

Info

Publication number: BR102021021781A2
Application number: BR102021021781-2A
Authority: BR
Inventors: Marcelo Papoti
Original assignee: Universidade De São Paulo - Usp
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2023-05-23

Abstract

A presente invenção compreende um gerador de hipóxia integrado a um sistema de biofeedback, que utiliza o ar ambiente para estabilização das cargas internas (SpO2) e externas (FiO2) de hipóxia por um longo período por meio de uma circuitaria pneumática específica e que pode ser utilizado durante sessões de treinamento com diferentes intensidades de exercício, dentro ou fora do ambiente clínico e laboratorial, com possibilidade de configuração para ser utilizado em humanos e animais. A presente invenção é capaz de reduzir progressivamente a concentração de O2 por meio da reinalação do ar expirado e da utilização do ar ambiente e para gerar doses específicas de hipóxia de modo automático. Além de, manter controlada as concentrações de CO2 por meio de absorvedores de CO2 que são eletronicamente monitorados. O gerador de hipóxia proposto ainda apresenta diferentes configurações para utilização por humanos por humanos em exercícios terrestres e aquáticos, cavalos em repouso e exercício e roedores.

The present invention comprises a hypoxia generator integrated with a biofeedback system, which uses ambient air to stabilize the internal (SpO2) and external (FiO2) hypoxia loads for a long period by means of a specific pneumatic circuit, which can be used during training sessions with different exercise intensities, inside or outside the clinical and laboratory environment, with the possibility of configuration to be used in humans and animals. The present invention is capable of progressively reducing the O2 concentration by means of rebreathing expired air and using room air and to automatically generate specific doses of hypoxia. In addition to keeping CO2 concentrations controlled by means of CO2 absorbers that are electronically monitored. The proposed hypoxia generator still has different configurations for use by humans in land and water exercises, horses at rest and exercise and rodents.

Description

PORTABLE BIOFEEDBACK DEVICE AND SYSTEM FOR HYPOXIA GENERATION

Field of invention:

[001] A presente invenção se insere no campo das tecnologias médicas, mais especificadamente na área de dispositivos geradores de hipóxia voltados para tratamentos médicos e treinamento de atletas, em que compreende um gerador de hipóxia integrado a um sistema de biofeedback, que utiliza o ar ambiente para estabilização das cargas internas (SpO2) e externas (FiO2) de hipóxia por um longo período, e que pode ser utilizado durante sessões de treinamento com diferentes intensidades de exercício, dentro ou fora do ambiente clínico e laboratorial, com possibilidade de configuração para ser utilizado em humanos, cavalos e roedores.[001] The present invention is part of the field of medical technologies, more specifically in the area of hypoxia generating devices aimed at medical treatments and athlete training, which comprises a hypoxia generator integrated with a biofeedback system, which uses air environment for stabilizing internal (SpO2) and external (FiO2) hypoxia loads for a long period, and which can be used during training sessions with different exercise intensities, inside or outside the clinical and laboratory environment, with the possibility of configuration for be used in humans, horses and rodents.

Fundamentals of the invention:

[002] A hipóxia é considerada como a redução da concentração de oxigênio nos tecidos. Quando o organismo se encontra em um ambiente hipóxico ocorre a ativação do fator induzível de hipóxia (HIF), que se localiza dentro das células, sendo os HIF-1 e HIF-2 os mais estudados.[002] Hypoxia is considered as the reduction of oxygen concentration in tissues. When the organism is in a hypoxic environment, the activation of the hypoxia inducible factor (HIF) occurs, which is located inside the cells, with HIF-1 and HIF-2 being the most studied.

[003] Em estado de normóxia o HIF passa por processo de hidroxilação e posteriormente se liga ao fator Von Hippel Lindau, com posterior ubiquitinação e degradação, respectivamente. No entanto, em condição de hipóxia, o HIF1α passa a se acumular no citoplasma e se dirige para o núcleo da célula se ligando ao HIF-1β para formar o complexo [HIF-1α/HIF-1β] , responsável pela ativação da transcrição de importantes genes para diversas respostas fisiológicas [12] .[003] In a state of normoxia, HIF undergoes a hydroxylation process and subsequently binds to Von Hippel Lindau factor, with subsequent ubiquitination and degradation, respectively. However, under hypoxic conditions, HIF1α starts to accumulate in the cytoplasm and goes to the cell nucleus, binding to HIF-1β to form the complex [HIF-1α/HIF-1β] , responsible for activating the transcription of important genes for several physiological responses [12] .

[004] Tem sido sistematicamente demonstrado que a estabilização do HIF-1α inicia a transcrição de genes envolvidos com a angiogênese (Fator de crescimento endotelial (VEGF), Síntese de oxido nítrico, Leptina, LDL-receptor-relacionado à proteína 1), eritropoiese (eritropoietina (EPO)), com o metabolismo glicolítico anaeróbio (transportadores de glicose (GLUT1/3), hexoquinase 1 e 2 (HK1/2), fosfofrutoquinase (PFK), Piruvato quinase muscular (PDK1) e lactato desidrogenase (LDH)) e reguladores de pH (Anidrase e transportadores de lactato (MCT4)), sendo portanto, considerado o fator chave das adaptações “anaeróbias” provenientes do exercício intermitente de alta intensidade [18] .[004] It has been systematically demonstrated that the stabilization of HIF-1α initiates the transcription of genes involved in angiogenesis (Endothelial Growth Factor (VEGF), Nitric Oxide Synthesis, Leptin, LDL-receptor-related protein 1), erythropoiesis (erythropoietin (EPO)), with anaerobic glycolytic metabolism (glucose transporters (GLUT1/3), hexokinase 1 and 2 (HK1/2), phosphofructokinase (PFK), muscle pyruvate kinase (PDK1) and lactate dehydrogenase (LDH)) and pH regulators (anhydrase and lactate transporters (MCT4)), thus being considered the key factor of “anaerobic” adaptations resulting from high-intensity intermittent exercise [18] .

[005] A “dose” de hipóxia, ou seja, a relação entre a severidade da hipóxia e o tempo em que o usuário fica exposto a ela, apesar de algumas variações, tem sido calculada de duas formas. Na primeira, que pode ser entendida como “dose externa de hipóxia”, multiplica-se a altitude em que o usuário é exposto pelo tempo de exposição, geralmente em horas, por exemplo, considerando que uma pessoa permaneceu cinco dias a uma altitude equivalente a 3000m, sua “dose externa de hipóxia” corresponderá a 360km.h, ou seja, 120 horas (tempo em horas equivalente a 5 dias) vezes 3km (que foi a altitude em que a pessoa foi exposta). Ainda é possível calcular a dose externa de hipóxia a partir da equivalência da fração de oxigênio inspirada pelo usuário para uma determinada altitude, por exemplo, se um usuário respirar um total de 10 horas um ar hipóxico correspondente a uma FiO2 de 13% de O2, que resulta em uma redução na SpO2 para aproximadamente 88% (FiO2 de 13% corresponde a uma altitude de aproximadamente 3000m), sua dose externa de hipóxia corresponderá a aproximadamente 30km.h (10horas vezes 3km).[005] The “dose” of hypoxia, that is, the relationship between the severity of hypoxia and the time the user is exposed to it, despite some variations, has been calculated in two ways. In the first, which can be understood as “external dose of hypoxia”, the altitude at which the user is exposed is multiplied by the exposure time, usually in hours, for example, considering that a person spent five days at an altitude equivalent to 3000m, your “external dose of hypoxia” will correspond to 360km.h, that is, 120 hours (time in hours equivalent to 5 days) times 3km (which was the altitude at which the person was exposed). It is still possible to calculate the external dose of hypoxia from the equivalence of the fraction of oxygen inspired by the user for a given altitude, for example, if a user breathes a total of 10 hours of hypoxic air corresponding to an FiO2 of 13% of O2, which results in a reduction in SpO2 to approximately 88% (FiO2 of 13% corresponds to an altitude of approximately 3000m), your external dose of hypoxia will correspond to approximately 30km.h (10 hours times 3km).

[006] No entanto, diferentes usuários respirando o mesmo ar hipóxico, podem apresentar diferentes respostas fisiológicas, especialmente às relacionadas a dessaturação de oxigênio. Em outras palavras, se dois usuários (usuários A e B) respirarem um ar contendo uma FiO2 de 13% (aproximadamente 3000) por um período de 24 horas, é possível que um apresente uma redução na saturação periférica de O2 de 98% para 89% (usuário A) enquanto o usuário B, pode apresentar uma redução de 98% para 83%. Isso significa que a mesma dose externa de hipóxia resultou em um maior estresse fisiológico ao usuário B em comparação ao usuário A. Por esse motivo, é conveniente se determinar a “dose interna de hipóxia”.[006] However, different users breathing the same hypoxic air may have different physiological responses, especially those related to oxygen desaturation. In other words, if two users (users A and B) breathe air containing an FiO2 of 13% (approximately 3000) for a period of 24 hours, it is possible for one to experience a decrease in peripheral O2 saturation from 98% to 89 % (user A) while user B, can present a reduction from 98% to 83%. This means that the same external dose of hypoxia resulted in greater physiological stress for user B compared to user A. For this reason, it is convenient to determine the “internal dose of hypoxia”.

[007] Pelos motivos apresentados anteriormente, “dose interna de hipóxia (DIH)” tem sido determinada como o produto da diferença entre a SpO2 em repouso, assumido como sendo 98% pelo SpO2 durante a exposição [DIH = (98% -SpO2) x tempo (horas)] . Esse cálculo permite o monitoramento e prescrição individualizada das doses de hipóxia. Desse modo, apesar de no exemplo anterior, ambos os usuários (A e B) apresentaram a mesma dose externa de hipóxia, 72 km.h (24 horas vezes 3 km), a DIH do usuário A foi de 216%.h [DIH = (98% - 89%) vezes 24 horas] em comparação ao usuário B, que foi de 360%.h [DIH = (98% - 83%) vezes 24 horas] .[007] For the reasons given above, “internal dose of hypoxia (IDH)” has been determined as the product of the difference between SpO2 at rest, assumed to be 98% by SpO2 during exposure [IDH = (98% -SpO2) x time (hours)] . This calculation allows monitoring and individualized prescription of hypoxia doses. Thus, despite the fact that in the previous example both users (A and B) had the same external dose of hypoxia, 72 km.h (24 hours times 3 km), user A's IHD was 216%.h [IDH = (98% - 89%) times 24 hours] compared to user B, which was 360%.h [DIH = (98% - 83%) times 24 hours] .

[008] Dependendo da dose de hipóxia (interna e/ou externa) [26] , podem-se obter diferentes respostas fisiológicas que são de grande interesse e aplicação nas áreas da saúde [14,18,23,24,32] e ciências do esporte [10,21,33] .[008] Depending on the dose of hypoxia (internal and/or external) [26] , different physiological responses can be obtained that are of great interest and application in the areas of health [14,18,23,24,32] and science of sport [10,21,33] .

[009] Na área da saúde, a hipóxia tem sido utilizada de modo isolado e/ou como estímulo adicional ao exercício [27– 29] , para o tratamento não farmacológico de doenças cardiovasculares [29] , obesidade [4,23,32] , aumento da neurogênese [15] , controle glicêmico [5,17,20,22] , da sarcopenia [16] e, mais recentemente, como um estímulo adicional na profilaxia [7,25,30] e recuperação de pessoas convalescentes do COVID-19. Nesse caso particular, devido ao elevado potencial da hipóxia em estimular aumentos da EPO e, consequentemente, na melhora do transporte de oxigênio e do consumo máximo de oxigênio (VO2max) pelos tecidos.[009] In the health area, hypoxia has been used in isolation and/or as an additional stimulus to exercise [27–29] , for the non-pharmacological treatment of cardiovascular diseases [29] , obesity [4,23,32] , increased neurogenesis [15] , glycemic control [5,17,20,22] , sarcopenia [16] and, more recently, as an additional stimulus in prophylaxis [7,25,30] and recovery of convalescent people from COVID -19. In this particular case, due to the high potential of hypoxia to stimulate increases in EPO and, consequently, to improve oxygen transport and maximum oxygen consumption (VO2max) by tissues.

[010] Na área das ciências do esporte, a hipóxia tem sido utilizada a cerca de seis décadas por atletas que competem em provas denominadas de longa duração e para melhora do rendimento esportivo [3,14] . Classicamente, o modelo de treinamento em altitude denominado “Viver e treinar em altitude (2.200 -2.500 m)” (VATA) tem sido utilizado para melhora do desempenho ao nível do mar [1,6] . A combinação de treinamento e exposição à hipóxia foi amplamente incorporada na preparação de atletas de elite. No entanto, devido às limitações impostas pelo modelo VATA, devido à menor intensidade de treinamento na altitude, o paradigma mudou para o modelo “Viver alto e treinar baixo” (VATB) [31] . Neste modelo, os atletas vivem e dormem em um ambiente hipóxico, de cerca de 2500 m a 3000 m, mas treinam em baixas altitudes para garantir as elevadas intensidades dos treinamentos.[010] In the field of sports science, hypoxia has been used for about six decades by athletes who compete in so-called long-duration events and to improve sports performance [3,14] . Classically, the altitude training model called “Living and training at altitude (2,200 -2,500 m)” (VATA) has been used to improve performance at sea level [1,6] . The combination of training and hypoxia exposure has been widely incorporated in the preparation of elite athletes. However, due to the limitations imposed by the VATA model, due to the lower training intensity at altitude, the paradigm shifted to the “Live high and train low” (VATB) model [31]. In this model, athletes live and sleep in a hypoxic environment, from about 2500 m to 3000 m, but train at low altitudes to ensure high training intensities.

[011] A confecção de concentradores de nitrogênio, denominados hipoxicadores, permitem gerar um ambiente hipóxico em tendas que podem ser configuradas facilmente para residências e alojamentos, favorecendo a popularização do modelo VATB.[011] The manufacture of nitrogen concentrators, called hypoxicizers, allow the generation of a hypoxic environment in tents that can be easily configured for homes and accommodation, favoring the popularization of the VATB model.

[012] Uma variação dos métodos de exposição à hipóxia para elevar o desempenho é a realização do treinamento intermitente de alta intensidade em hipóxia (TIH). Esse método tem recebido grande atenção da comunidade científica, especialmente pelo fato de promover modificações na performance a partir de adaptações hematológicas e, especialmente, não hematológicas [9,11] .[012] A variation on hypoxia exposure methods to enhance performance is to perform high-intensity hypoxia intermittent training (HIT). This method has received great attention from the scientific community, especially due to the fact that it promotes changes in performance based on hematological and, especially, non-hematological adaptations [9,11] .

[013] O TIH baseia-se na repetição de sprints de curta duração (menores que 30 s) em intensidade máxima, em hipóxia e com períodos de recuperação incompleta [8] . O diferencial desse modelo de treinamento é o fato de a intensidade ser máxima e, portanto, permitir a manutenção do recrutamento de fibras musculares de contração rápida, que podem ainda ser potencializadas com a hipóxia [9] .[013] The HIT is based on the repetition of short duration sprints (less than 30 s) at maximum intensity, in hypoxia and with periods of incomplete recovery [8] . The differential of this training model is the fact that the intensity is maximum and, therefore, allows the maintenance of the recruitment of fast-twitch muscle fibers, which can still be potentiated with hypoxia [9] .

[014] Os geradores de hipóxia podem ser divididos em geradores de hipóxia cabeáveis (hipoxicadores), compostos por um compressor e um sistema de separação de membrana, e os denominados auto-hipoxicadores (Aut-Hip) [1,2,3] . Portanto, denominam-se hipoxicadores, equipamentos capazes de gerar hipóxia a partir de dispositivos que contêm compressores de ar e que retiram o oxigênio por meio de filtros de membranas ou pela diluição do oxigênio, a partir da adição de nitrogênio no meio em que o usuário irá respirar.[014] Hypoxia generators can be divided into cabled hypoxia generators (hypoxicators), composed of a compressor and a membrane separation system, and the so-called auto-hypoxiators (Aut-Hip) [1,2,3] . Therefore, hypoxicators are equipment capable of generating hypoxia from devices that contain air compressors and that remove oxygen through membrane filters or by diluting oxygen, from the addition of nitrogen in the environment in which the user will breathe.

[015] Diferentemente, os “auto hipoxicadores” (Auto-Hip) são dispositivos em que o ar hipóxico é gerado pelo próprio usuário a partir da reinalação do ar que é expirado. Devido aos processos metabólicos inerentes ao processo de respiração, se o usuário em repouso, inspirar ar ambiente, isto é, contendo 20,9% de O2, o ar expirado irá conter menos O2. Desse modo, se o usuário inspirar novamente o mesmo ar que foi expirado, a cada inspiração ocorrerá uma sobreposição na redução de oxigênio e uma elevação de aproximadamente concomitante na concentração do CO2.[015] In contrast, “auto hypoxicators” (Auto-Hip) are devices in which hypoxic air is generated by the user himself from the rebreathing of the air that is expired. Due to the metabolic processes inherent to the breathing process, if the user, at rest, inhales ambient air, that is, containing 20.9% of O2, the exhaled air will contain less O2. Thus, if the user inhales again the same air that was exhaled, with each inspiration there will be an overlap in the reduction of oxygen and an approximately concomitant increase in the concentration of CO2.

[016] Os auto-hipoxicadores são normalmente utilizados em circuito fechado, em que o ar expirado do próprio usuário é recirculado no sistema. No entanto, nessas condições há um aumento significativo do teor de CO2 no ar reinalado, resultando em uma hiperventilação e consequentemente, na incapacidade de o indivíduo permanecer respirando no circuito fechado antes que ocorra uma redução importante na saturação periférica de oxigênio (SpO2). Durante as reinalações do ar contido no circuito fechado, a concentração de oxigênio é gradualmente reduzida em função do tempo de reinalação, inicialmente de 21%, até valores de aproximadamente 12-9%, que corresponde a uma redução na SpO2 de 98% para aproximadamente 78-85%.[016] Autohypoxicators are normally used in a closed circuit, in which the user's own exhaled air is recirculated in the system. However, under these conditions, there is a significant increase in the CO2 content in the rebreathed air, resulting in hyperventilation and, consequently, the individual's inability to remain breathing in the closed circuit before a significant reduction in peripheral oxygen saturation (SpO2) occurs. During rebreathing of the air contained in the closed circuit, the oxygen concentration is gradually reduced as a function of the rebreathing time, initially from 21%, to values of approximately 12-9%, which corresponds to a reduction in SpO2 from 98% to approximately 78-85%.

[017] Buscando resolver o referido problema do excesso de CO2, é comum a inclusão de filtros contendo absorvedores de CO2, como por exemplo, filtros com cal sodada, de modo muito semelhante aos utilizados em equipamentos de anestesia [13] . Entretanto, uma importante limitação deste tipo de tecnologia está no momento da substituição desses absorvedores, que atualmente é realizado de modo visual pelo usuário a partir da mudança de cor nos grânulos da cal sodada [13] .[017] Seeking to solve the mentioned problem of excess CO2, it is common to include filters containing CO2 absorbers, such as filters with soda lime, in a very similar way to those used in anesthesia equipment [13] . However, an important limitation of this type of technology is when replacing these absorbers, which is currently done visually by the user based on the color change in the soda lime granules [13] .

[018] Além disso, outras limitações destes tipos de tecnologias são a robustez dos dispositivos que impossibilitam a sua implementação em treinamentos em ambientes abertos e o frequente monitoramento e ajustes do dispositivo dificultando a concentração do atleta no treinamento.[018] In addition, other limitations of these types of technologies are the robustness of the devices that make it impossible to implement them in training in open environments and the frequent monitoring and adjustments of the device, making it difficult for the athlete to concentrate in training.

[019] Os ajustes manuais existentes nos Aut-Hip apenas aumentam o espaço morto e, concomitantemente, a quantidade de ar e de O2 neles contidos permitindo uma manutenção grosseira da FiO2 e SpO2 entre 12-9% e 89-92%, respectivamente, por um período de 3 a 4 minutos. É importante mencionar que essas regulagens são relativamente funcionais somente se o usuário estiver em repouso.[019] The existing manual adjustments in the Aut-Hip only increase the dead space and, concomitantly, the amount of air and O2 contained in them, allowing a rough maintenance of the FiO2 and SpO2 between 12-9% and 89-92%, respectively, for a period of 3 to 4 minutes. It is important to mention that these adjustments are relatively functional only if the user is at rest.

[020] Na presente invenção a principal inovação está na resolução do problema da falta de estabilidade e controle fino dos níveis de hipóxia a partir da adição de motores de ar e vácuo nos Aut-Hip, que funcionam de modo integrado aos sensores de FiO2 e SpO2.[020] In the present invention, the main innovation is in solving the problem of the lack of stability and fine control of hypoxia levels from the addition of air and vacuum motors in the Aut-Hip, which work in an integrated way with the FiO2 sensors and SpO2.

[021] Conforme relatado anteriormente, outra importante limitação dos dispositivos do estado da técnica refere-se ao período de validade dos absorvedores de CO2, essa substância apresenta uma mudança de cor, de branco para azul, quando sua capacidade de absorver CO2 é reduzida. Porém, a mudança de cor não ocorre de modo homogêneo nos grânulos da cal sodada, resultando na diminuição da precisão do momento da substituição dos filtros.[021] As previously reported, another important limitation of prior art devices refers to the period of validity of CO2 absorbers, this substance has a color change, from white to blue, when its ability to absorb CO2 is reduced. However, the color change does not occur homogeneously in the soda lime granules, resulting in a decrease in the accuracy of the time to replace the filters.

[022] Deste modo, a presente invenção compreende a adição de motores de ar e vácuo nos auto-hipoxicadores, para garantir a estabilização automática e precisa dos níveis de hipóxia em repouso e durante o exercício; o uso do ar ambiente para regular a dose de hipóxia e; a adição de um sensor de CO2, com a finalidade de sinalizar o momento da troca dos absorvedores de CO2.[022] Thus, the present invention comprises the addition of air and vacuum motors in autohypoxicators, to ensure automatic and precise stabilization of hypoxia levels at rest and during exercise; the use of room air to regulate the dose of hypoxia and; the addition of a CO2 sensor, with the purpose of signaling when to change the CO2 absorbers.

[023] Por meio da presente invenção a individualização das doses de hipóxia, a partir da fixação de faixas com limites estreitos de SpO2 e FiO2, permite o uso dos Aut-Hip por um longo período e durante as sessões de treinamento com diferentes demandas de O2, ou seja, diferentes intensidades de exercício. Além disso, realizar a prescrição das cargas internas e externas de hipóxia durante o repouso e exercício em tempo real sem que o usuário tenha que parar de respirar e sem a necessidade de reservatório extra de ar comprimido contendo O2.[023] By means of the present invention, the individualization of hypoxia doses, from the setting of ranges with narrow limits of SpO2 and FiO2, allows the use of Aut-Hip for a long period and during training sessions with different demands of O2, that is, different exercise intensities. In addition, prescription of internal and external hypoxia loads during rest and exercise in real time without the user having to stop breathing and without the need for an extra reservoir of compressed air containing O2.

State of the art:

[024] Alguns dispositivos auto-hipoxicadores utilizam absorvedores de CO2 com sistemas de segurança, no qual destaca-se o AltiPower Pro que possui a opção de conectar sensores de oxigênio para o monitoramento da fração inspirada de O2 (FiO2) e um oxímetro de pulso que fornecem informações ao usuário a respeito das alterações na saturação periférica de O2 (SpO2) [2,19] . No entanto, estes sensores quando acoplados aos Aut-Hip, funcionam somente de modo passivo, isto é, servem apenas para alertar o usuário.[024] Some self-hypoxicating devices use CO2 absorbers with safety systems, in which the AltiPower Pro stands out, which has the option of connecting oxygen sensors for monitoring the fraction of inspired O2 (FiO2) and a pulse oximeter that provide information to the user about changes in peripheral O2 saturation (SpO2) [2,19] . However, these sensors, when coupled to the Aut-Hip, function only passively, that is, they only serve to alert the user.

[025] Os documentos UA 57257 e UA 44179 descrevem autohipoxicadores com recursos que permitem regulagem do volume do reservatório de ar, de acordo com os parâmetros antropométricos de cada paciente e, consequentemente, da quantidade de hipóxia. No entanto, tais ajustes obrigatoriamente são realizados manualmente, a partir da fixação do sifão do fole de ar em uma determinada posição ou por movimento em espiral da mola dentro do dispositivo. Deste modo, não é capaz de garantir a estabilidade dos níveis de hipóxia, devido ao fato de não possuírem um sistema de infusão e retirada de ar integrados a sistemas de biofeedback, de modo aumentar e/ou diminuir a FiO2 e SpO2 de acordo com a necessidade do usuário ou devido as alterações nas necessidades de oxigênio, que são frequentemente observados durante o exercício.[025] Documents UA 57257 and UA 44179 describe autohypoxicators with resources that allow adjustment of the volume of the air reservoir, according to the anthropometric parameters of each patient and, consequently, the amount of hypoxia. However, such adjustments must be performed manually, by fixing the air bellows siphon in a certain position or by spiraling the spring inside the device. Thus, it is not able to guarantee the stability of hypoxia levels, due to the fact that they do not have an infusion and air withdrawal system integrated with biofeedback systems, in order to increase and/or decrease FiO2 and SpO2 according to the user's need or due to changes in oxygen requirements, which are often observed during exercise.

[026] O documento WO 2012005712 descreve um sistema complexo de sensores que possibilita, dentre outras aplicações, a troca do ar com menor quantidade de O2 com o ar rico em O2, contido em um reservatório extra que permite a regulação da respiração com misturas gasosas hipóxicas. No entanto, trata-se de um sistema de alta complexidade e com a necessidade de cilindros extras de ar-comprimido, limitando sua utilização a apenas ambientes clínicos e laboratoriais. Além disso, sua utilização limita-se aos hipoxicadores e não aos Aut-Hip.[026] Document WO 2012005712 describes a complex system of sensors that allows, among other applications, the exchange of air with a lower amount of O2 with air rich in O2, contained in an extra reservoir that allows the regulation of breathing with gaseous mixtures hypoxic. However, it is a highly complex system and requires extra compressed air cylinders, limiting its use to clinical and laboratory environments only. Furthermore, its use is limited to hypoxicants and not to Aut-Hip.

[027] Apesar desses avanços resolverem parcialmente o problema da redução de O2, os hipoxicadores ainda apresentam importantes limitações na impossibilidade de garantir a manutenção da FiO2 eficiente e sem a utilização de cilindros extras de O2, impossibilitando, portanto, a utilização desses dispositivos para gerar níveis estáveis de hipóxia durante um longo período e sob diferentes necessidades de O2, como as que se impõe durante o exercício. Destaca-se ainda que o documento WO 2012005712, diferentemente da presente invenção, não utiliza o ar ambiente dentro do sistema para ajustar as concentrações de O2.[027] Despite these advances partially solving the problem of O2 reduction, hypoxicers still have important limitations in the impossibility of guaranteeing the maintenance of an efficient FiO2 and without the use of extra O2 cylinders, making it impossible, therefore, to use these devices to generate stable levels of hypoxia over a long period and under different O2 needs, such as those imposed during exercise. It is also noteworthy that document WO 2012005712, unlike the present invention, does not use ambient air within the system to adjust O2 concentrations.

[028] Os documentos US 406923 e US 7814908 apesar de descrever um dispositivo que possibilita a absorção do CO2 e a geração de um ambiente hipóxico, diferem substancialmente da presente invenção em diversos fatores, dentre os quais destacam-se, impossibilidade de controle fino e em tempo real dos níveis de hipóxia, impossibilidade de monitoramento individual da hipóxia de acordo com as demandas do usuário e sob diferentes intensidades de exercício e, especialmente, no tocante à retirada e adição prática dos gases expirados e inspirados com o ar ambiente de modo a garantir níveis estáveis de hipóxia. Também, não mencionam qualquer dispositivo para otimização do uso dos absorvedores de CO2, que na presente invenção é realizado a partir da emissão de sinais de alerta ao usuário quando sua capacidade de absorver CO2 for reduzida.[028] Documents US 406923 and US 7814908 despite describing a device that enables the absorption of CO2 and the generation of a hypoxic environment, differ substantially from the present invention in several factors, among which stand out, impossibility of fine control and real-time monitoring of hypoxia levels, impossibility of individual monitoring of hypoxia according to the user's demands and under different exercise intensities and, especially, with regard to the practical removal and addition of expired and inspired gases with room air in order to ensure stable levels of hypoxia. Also, they do not mention any device for optimizing the use of CO2 absorbers, which in the present invention is carried out by issuing warning signals to the user when their ability to absorb CO2 is reduced.

[029] O documento US 20050072429 compreende um sistema que similarmente à presente solicitação, conta com sensores para identificação das concentrações de O2 e CO2 e alternativamente, ainda pode conter um absorvedor de CO2. No referido sistema, a hipóxia pode ser gerada por meio de mistura do ar expirado do usuário e/ou do ar ambiente com nitrogênio contido em um cilindro. Alternativamente, é possível, de modo grosseiro, utilizar o ar ambiente a partir do acionamento de válvulas solenoides, que se abrem durante dois segundos quando os indicadores de O2 ou CO2 encontramse fora dos valores pré-determinados. Porém, esse procedimento, não permite ajustes finos durante diferentes intensidades de exercício e, consequentemente, a individualização das doses de hipóxia. Além disso, não apresenta nenhuma integração com sensores de saturação periférica de O2 (SPO2).[029] Document US 20050072429 comprises a system that, similarly to the present request, has sensors to identify the concentrations of O2 and CO2 and alternatively, may also contain a CO2 absorber. In that system, hypoxia can be generated by mixing the user's expired air and/or ambient air with nitrogen contained in a cylinder. Alternatively, it is possible, roughly speaking, to use room air by activating solenoid valves, which open for two seconds when the O2 or CO2 indicators are outside the predetermined values. However, this procedure does not allow fine adjustments during different exercise intensities and, consequently, the individualization of hypoxia doses. Furthermore, it does not feature any integration with peripheral O2 saturation (SPO2) sensors.

[030] Na presente invenção, diferentemente do documento US 20050072429, o ajuste a hipóxia é gerado exclusivamente pela mistura do ar exalado pelo usuário e o ar ambiente, em que a entrada e saída dos gases contidos no ambiente e dispositivo não são controlados por válvulas, mas por motores de ar e vácuo, que são controlados por microcontroladores integrados a um sensor de O2 e um sensor para SpO2 localizado diretamente no usuário. Essas diferenças são fundamentais para gerar hipóxia e ainda permitir a manutenção das concentrações de O2 estáveis sob diferentes situações de consumo de O2, especialmente as que ocorrem durante o exercício. Outra importante diferença, é que o sensor de CO2 não é utilizado para ajuste dos níveis de hipóxia, pois conforme apresentado anteriormente, isso é realizado em tempo real e de modo individual com a mistura do ar ambiente com o ar exalado pelo usuário. Na presente invenção, o sensor de CO2 é utilizado para otimização dos absorvedores de CO2, ou seja, como indicador da capacidade funcional dos mesmos.[030] In the present invention, unlike document US 20050072429, the adjustment to hypoxia is generated exclusively by mixing the air exhaled by the user and the ambient air, in which the entry and exit of gases contained in the environment and device are not controlled by valves , but by air and vacuum motors, which are controlled by microcontrollers integrated with an O2 sensor and an SpO2 sensor located directly on the user. These differences are fundamental to generate hypoxia and still allow the maintenance of stable O2 concentrations under different O2 consumption situations, especially those that occur during exercise. Another important difference is that the CO2 sensor is not used to adjust hypoxia levels, because, as previously shown, this is done in real time and individually by mixing the ambient air with the air exhaled by the user. In the present invention, the CO2 sensor is used to optimize the CO2 absorbers, that is, as an indicator of their functional capacity.

[031] O documento US 2017/0157461 descreve um dispositivo para tratamentos médicos e não médicos para gerar gases inalatórios com baixa concentração de O2 e/ou altas de CO2. Em linhas gerais, trata-se de um dispositivo que tem como objetivo possibilitar o treinamento respiratório hipóxico-hipercápnico, bem como o treinamento com aumento da resistência à inalação/exalação por meio de uma pluralidade de válvulas. As referidas válvulas permitem alterar as quantidades de CO2 e O2 de modo a gerar hipercapnia para o treinamento hipóxico-hipercápnico, e permitem ajustar a resistência do ar inspirado e expirado, de modo independente das concentrações dos gases (CO2 e O2), possibilitando o treinamento respiratório.[031] Document US 2017/0157461 describes a device for medical and non-medical treatments to generate inhalation gases with low concentrations of O2 and/or high concentrations of CO2. In general terms, it is a device that aims to enable hypoxic-hypercapnic respiratory training, as well as training with increased resistance to inhalation/exhalation through a plurality of valves. Said valves allow changing the amounts of CO2 and O2 in order to generate hypercapnia for hypoxic-hypercapnic training, and allow adjusting the resistance of the inspired and expired air, independently of the gas concentrations (CO2 and O2), enabling training respiratory.

[032] Sendo assim, diferentemente da presente invenção o referido dispositivo descrito na anterioridade não utiliza motores de ar e vácuo ou qualquer outra circuitaria eletrônica que permite o ajuste, individualizado e em tempo real das concentrações de O2 e CO2, de modo a possibilitar sua utilização em diferentes situações de demandas de oxigênio, como as que ocorrem durante o exercício. Na realidade, a anterioridade trata-se de um dispositivo para exercício respiratório hipóxico-hipercápnico, que possui sistemas de ajustes das concentrações de O2 e CO2 e das resistências dos fluxos de ar expirado e inspirado, per se, não possibilitando ao usuário utilizá-lo durante a realização de exercícios.[032] Therefore, unlike the present invention, said device described above does not use air and vacuum motors or any other electronic circuitry that allows the adjustment, individualized and in real time of the concentrations of O2 and CO2, in order to enable its use in different situations of oxygen demand, such as those that occur during exercise. In fact, the former is a device for hypoxic-hypercapnic breathing exercise, which has systems for adjusting the concentrations of O2 and CO2 and the resistance of the expired and inspired air flows, per se, not allowing the user to use it while performing exercises.

[033] Em suma, as únicas similaridades do documento US 20170157461 com a presente invenção são o número de câmaras e a capacidade de gerar hipóxia. No entanto, corresponde a um dispositivo com funcionalidades e objetivos substancialmente distintos. Além disso, as características técnicas do sistema utilizado para gerar hipóxia, não possibilitam atingir nenhum dos objetivos propostos na presente invenção.[033] In short, the only similarities of document US 20170157461 with the present invention are the number of chambers and the ability to generate hypoxia. However, it corresponds to a device with substantially different functionalities and objectives. Furthermore, the technical characteristics of the system used to generate hypoxia do not make it possible to achieve any of the objectives proposed in the present invention.

[034] Por fim, nenhum documento revela uma tecnologia similar e com as mesmas vantagens propostas pela presente invenção.[034] Finally, no document reveals a similar technology and with the same advantages proposed by the present invention.

Brief description of the invention:

[035] A presente invenção compreende um gerador de hipóxia integrado a um sistema de biofeedback, que utiliza o ar ambiente para estabilização das cargas internas (SpO2) e externas (FiO2) de hipóxia por um longo período por meio de uma circuitaria pneumática específica e que pode ser utilizado durante sessões de treinamento com diferentes intensidades de exercício, dentro ou fora do ambiente clínico e laboratorial, com possibilidade de configuração para ser utilizado em humanos e animais.[035] The present invention comprises a hypoxia generator integrated into a biofeedback system, which uses ambient air to stabilize internal (SpO2) and external (FiO2) hypoxia loads for a long period through a specific pneumatic circuitry and which can be used during training sessions with different exercise intensities, inside or outside the clinical and laboratory environment, with the possibility of configuration to be used in humans and animals.

[036] A presente invenção é capaz de reduzir progressivamente a concentração de O2 por meio da reinalação do ar expirado e da utilização do ar ambiente e para gerar doses específicas de hipóxia de modo automático. Além de, manter controlada as concentrações de CO2 por meio de absorvedores de CO2 que são eletronicamente monitorados.[036] The present invention is able to progressively reduce the concentration of O2 through rebreathing expired air and the use of ambient air and to automatically generate specific doses of hypoxia. In addition to keeping CO2 concentrations controlled by means of CO2 absorbers that are electronically monitored.

[037] O gerador de hipóxia proposto ainda apresenta diferentes configurações para utilização por humanos em exercícios terrestres e aquáticos, cavalos em repouso e exercício e roedores.[037] The proposed hypoxia generator still has different configurations for use by humans in land and water exercises, horses at rest and exercise and rodents.

Brief description of the figures:

[038] Para obter uma total e completa visualização do objeto desta invenção, são apresentadas as figuras as quais se faz referências, conforme se segue.[038] To obtain a full and complete view of the object of this invention, the figures to which references are made are presented, as follows.

[039] A Figura 1 descreve o diagrama do percurso de condução do ar expirado e inspirado pelo usuário durante a utilização do auto-hipoxicador, em que é compreendido por um filtro de CO2 (1), sensor de CO2 (2), câmara de insuflação e mistura (3), bomba de ar (4) e motor de vácuo (5), câmara rígida de mistura (6), sensor de O2 (7), microcontrolador (8) e tela (9), e também está conectado a um oxímetro, conectado ao usuário para medida da saturação periférica de oxigênio (SpO2) (10).[039] Figure 1 describes the diagram of the conduction path of the expired and inspired air by the user during the use of the autohypoxicator, which is comprised of a CO2 filter (1), CO2 sensor (2), chamber of inflation and mixing (3), air pump (4) and vacuum motor (5), rigid mixing chamber (6), O2 sensor (7), microcontroller (8) and display (9), and is also connected to an oximeter connected to the user to measure peripheral oxygen saturation (SpO2) (10).

[040] A Figura 2 descreve o detalhamento do filtro de CO2 (1).[040] Figure 2 describes the details of the CO2 filter (1).

[041] A Figura 3 apresenta a visão geral lateral (a) e frontal (b) da câmara de insuflação e mistura (3).[041] Figure 3 shows the side (a) and front (b) overview of the insufflation and mixing chamber (3).

[042] A Figura 4 apresenta o detalhamento da câmara rígida de mistura (6).[042] Figure 4 shows the details of the rigid mixing chamber (6).

[043] A Figura 5 apresenta a visão geral frontal (a) e lateral (b) da configuração preferencial do auto-hipoxicador para o repouso e exercício, em que é possível visualizar a adição de um conector em Y (15), cápsula de suporte, mangueira corrugada, bocal (14) e alça vestível.[043] Figure 5 shows the front (a) and side (b) overview of the preferred configuration of the autohyperoxidant for rest and exercise, where it is possible to visualize the addition of a Y-connector (15), capsule of bracket, corrugated hose, mouthpiece (14) and wearable strap.

[044] A Figura 6 apresenta uma ilustração de um usuário humano vestindo o auto-hipoxicador configurado para condição de repouso e exercício em terra seca, como por exemplo corrida, ciclismo, etc.[044] Figure 6 shows an illustration of a human user wearing the autohyperoxicator configured for rest and exercise conditions on dry land, such as running, cycling, etc.

[045] A Figura 7 apresenta uma representação da adição de uma máscara de mergulho e de uma plataforma flutuante ao auto-hipoxicador de modo a possibilitar sua utilização durante exercício de natação.[045] Figure 7 shows a representation of the addition of a diving mask and a floating platform to the auto-hypoxicator in order to enable its use during swimming exercise.

[046] A Figura 8 apresenta uma ilustração de um usuário humano vestindo o auto-hipoxicador configurado para utilização durante exercício de natação.[046] Figure 8 shows an illustration of a human user wearing the self-hyperoxidant configured for use during swimming exercise.

[047] A Figura 9 apresenta uma representação da configuração para utilização do auto-hipoxicador em cavalos em condição de repouso e exercício a partir da adição de dois auto-hipoxicadores por meio de plataforma de fixação, fivelas do tipo sela e máscara facial.[047] Figure 9 shows a representation of the configuration for the use of the auto-hypoxicator in horses in rest and exercise condition from the addition of two auto-hypoxicators by means of a fixation platform, saddle-type buckles and face mask.

[048] A Figura 10 apresenta uma ilustração de um cavalo vestindo o auto-hipoxicador configurado para utilização durante repouso e exercício.[048] Figure 10 shows an illustration of a horse wearing the auto-hypoxiator configured for use during rest and exercise.

[049] A Figura 10 apresenta uma ilustração do autohipoxicador configurado para utilização de roedores em condição de repouso, a partir da utilização de uma caixahipóxica.[049] Figure 10 shows an illustration of the autohypoxiator configured for the use of rodents in resting condition, from the use of a hypoxic box.

Detailed description of the invention:

[050] A presente invenção tem como objetivo gerar de modo automático e controlado doses predeterminadas de hipóxia ao usuário e/ou ambiente. Além de apresentar dimensões reduzidas conferindo a possibilidade de ser utilizado dentro ou fora de ambientes fechados e com meios automáticos de controle para que o usuário foque apenas no treino.[050] The present invention aims to automatically and controlled generate predetermined doses of hypoxia to the user and/or environment. In addition to having reduced dimensions, giving the possibility of being used indoors or outdoors and with automatic means of control so that the user can focus only on training.

[051] O gerador de hipóxia proposto compreende em sua configuração preferencial em pelo menos:
um filtro de CO2 (1);
um sensor de CO2 (2);
uma câmara de insuflação e mistura (3);
uma bomba de ar (4);
um motor de vácuo (5);
uma câmara de mistura (6);
um sensor de O2 (7);
um microcontrolador (8);
uma tela (9);
um oxímetro de pulso (10);
uma válvula unidirecional para expiração (11);
uma válvula unidirecional para inspiração (12);
fonte de alimentação 12 v (13); e
um bocal respiratório (14).[051] The proposed hypoxia generator comprises in its preferred configuration at least:
a CO2 filter (1);
a CO2 sensor (2);
an inflation and mixing chamber (3);
an air pump (4);
a vacuum engine (5);
a mixing chamber (6);
an O2 sensor (7);
a microcontroller (8);
a screen (9);
a pulse oximeter (10);
a one-way valve for exhalation (11);
a one-way valve for inspiration (12);
12V power supply (13); It is
a breathing mouthpiece (14).

[052] O filtro de CO2 (1) compreende um recipiente preferencialmente cilíndrico contendo um espaço interno para adição de grânulos absorvedores de CO2, uma tampa hermética (1.1), conector com rosca (1.2), local para adição de válvula unidirecional (11), conector (1.3) para câmara flexível de insuflação e mistura (3), aparato para fixação (1.4) do sensor de CO2 (2) e fundo do filtro de CO2 (1.5), composto por poros, semelhante a uma peneira que possibilita a passagem de ar, porém impede a passagem de fragmentos dos grânulos dos absorvedores de CO2.[052] The CO2 filter (1) comprises a preferably cylindrical container containing an internal space for adding CO2 absorber granules, a hermetic lid (1.1), threaded connector (1.2), place for adding a one-way valve (11) , connector (1.3) for the flexible insufflation and mixing chamber (3), attachment apparatus (1.4) for the CO2 sensor (2) and bottom of the CO2 filter (1.5), composed of pores, similar to a sieve that allows the passage of air, but prevents the passage of granule fragments from CO2 absorbers.

[053] Considerando que durante a expiração é comum que o fluxo de ar escoe por caminhos de menor resistência, na borda lateral do absorvedor são adicionados obstáculos, preferencialmente, formados por anéis que servem para gerar um fluxo turbulento. A dimensões do filtro podem variar de acordo com a finalidade de sua aplicação. No entanto, sugerem-se preferencialmente filtros cilíndricos com capacidade de cerca de 0.00113 m3, configurados com raio e altura de cerca de 6 e 10 cm, respectivamente, para humanos. Para cavalos sugerem-se preferencialmente, filtros cilíndricos com capacidade de 0.01528 m3, configurados com raio e altura de 16 e 19 cm, respectivamente.[053] Considering that during expiration it is common for the air flow to flow through paths of least resistance, obstacles are added to the side edge of the absorber, preferably formed by rings that serve to generate a turbulent flow. Filter dimensions may vary according to the purpose of its application. However, preferably cylindrical filters with a capacity of about 0.00113 m3, configured with a radius and height of about 6 and 10 cm, respectively, are suggested for humans. For horses, preferably cylindrical filters with a capacity of 0.01528 m3, configured with a radius and height of 16 and 19 cm, respectively, are suggested.

[054] Considerando que a capacidade de absorção da cal sodada é de aproximadamente 15 L para cada 100 g, sugere-se, preferencialmente, o volume do filtro de CO2 (1) entre 0,9 e 1,5 L para humanos e entre 8 e 16 L para uso com cavalos.[054] Considering that the absorption capacity of soda lime is approximately 15 L for every 100 g, it is suggested, preferably, the volume of the CO2 filter (1) between 0.9 and 1.5 L for humans and between 8 and 16 L for use with horses.

[055] Assumindo que, apesar das grandes variações, uma sessão de treinamento com duração de cerca de uma hora e intensidade de aproximadamente 50% do consumo máximo de oxigênio, a produção de CO2 é de aproximadamente 2,5 L/min para humanos e de 26 L/min para cavalos. O dimensionamento proposto, permite à presente invenção realizar treinamentos na faixa de 40 a 140 min, preferencialmente 60 min.[055] Assuming that, despite the large variations, a training session lasting about an hour and intensity of approximately 50% of the maximum oxygen consumption, the production of CO2 is approximately 2.5 L/min for humans and of 26 L/min for horses. The proposed sizing allows the present invention to perform training in the range of 40 to 140 min, preferably 60 min.

[056] As dimensões dos filtros (1) podem variar de acordo com a finalidade de sua aplicação, ou seja, têm sido observados valores aproximados do volume expirado de CO2 durante o repouso de 0,5 L/min para humanos, 4,0 L/min para cavalos e 0,03 L/min para roedores, e em exercício de 5,0 L/min, 52,0 L/min e 0,08 L/min na intensidade do consumo máximo de oxigênio de humano, cavalo e roedores, respectivamente.[056] The dimensions of the filters (1) may vary according to the purpose of their application, that is, approximate values of the expired volume of CO2 during rest of 0.5 L/min for humans, 4.0 L/min for horses and 0.03 L/min for rodents, and in exercise 5.0 L/min, 52.0 L/min and 0.08 L/min at peak oxygen consumption intensity of human, horse and rodents, respectively.

[057] Quanto os absorvedores, podem ser utilizados três tipos de absorvedores de CO2, a cal sodada, cal baritada, cal de hidróxido de cálcio. Adicionalmente, a cal de hidróxido de cálcio apresenta maior custo e menor capacidade absortiva, sendo, portanto, recomendado o uso da cal sodada como absorvedor de CO2.[057] As for absorbers, three types of CO2 absorbers can be used, soda lime, barite lime, calcium hydroxide lime. Additionally, calcium hydroxide lime has a higher cost and lower absorptive capacity, therefore, the use of soda lime as a CO2 absorber is recommended.

[058] O sensor de CO2 (2) compreende em um sensor elétrico de detecção do CO2 com sensibilidade na faixa de medição entre 0 a 999 ppm, temperatura de operação de -10 a 50oC e resolução de 1 ppm. Recomendam-se sensores de CO2 com tecnologia infravermelho, faixa entre 0 e 150 mmHg, resolução de 1 mmHg e tempo de resposta inferior a 1 s, taxa de fluxo de amostragem mínima de 50 ml/min, faixa de frequência respiratória de 2 a aproximadamente 150 respiração/minuto e fonte de alimentação elétrica DC 5V.[058] The CO2 sensor (2) comprises an electrical CO2 detection sensor with sensitivity in the measurement range between 0 and 999 ppm, operating temperature from -10 to 50oC and resolution of 1 ppm. CO2 sensors with infrared technology, range between 0 and 150 mmHg, resolution of 1 mmHg and response time of less than 1 s, minimum sampling flow rate of 50 ml/min, respiratory rate range of 2 to approximately 150 breaths/minute and DC 5V electrical power supply.

[059] A câmara de insuflação e mistura (3) compreende um espaço flexível igual a uma expiração máxima do usuário, com um volume entre 4 e 15 L, sendo preferencialmente recomendado volume entre 5 e 6 L, confeccionado em material polimérico, metálico, policloropreno ou compósito, sendo preferencialmente recomendado o policloropreno e pode apresentar pelo menos uma parede rígida confeccionada em material polimérico, metálico ou compósito. É importante citar que a câmara (3) pode ser aplicada fragmentada ou em um recipiente único.[059] The insufflation and mixing chamber (3) comprises a flexible space equal to a maximum exhalation of the user, with a volume between 4 and 15 L, with a volume between 5 and 6 L being preferably recommended, made of polymeric material, metallic, polychloroprene or composite, with polychloroprene being preferably recommended and may have at least one rigid wall made of polymeric, metallic or composite material. It is important to mention that the chamber (3) can be applied fragmented or in a single container.

[060] A bomba de ar (4) é preferencialmente do tipo bomba de diafragma, é conectada à câmara flexível de insuflação e mistura (3) e tem como objetivo adicionar o ar do meio ambiente, contendo cerca de 20,9% de oxigênio, para dentro da câmara flexível de insuflação e mistura (3) e é controlado pelo microcontrolador (8). A bomba (4) apresenta uma capacidade de funcionamento na faixa de 5 a 250 l/min, porém pode ser configurada para atender especificadamente cada usuário. Recomendam-se bombas de ar DC 12 V, com fluxo de 5- 200 L/min, potência de 24 W, pressão positiva de cerca de 350 kPa e pressão negativa de cerca de -90 kPa. No entanto, considerando as especificidades do usuário, recomendam-se preferencialmente faixas de fluxo entre 05 e 5L/min, 80- 120L/min e 150 – 250L/min para roedores, humanos e cavalos, respectivamente.[060] The air pump (4) is preferably of the diaphragm pump type, is connected to the flexible inflation and mixing chamber (3) and aims to add ambient air, containing about 20.9% oxygen , into the flexible inflation and mixing chamber (3) and is controlled by the microcontroller (8). The pump (4) has an operating capacity in the range of 5 to 250 l/min, but it can be configured to suit each user specifically. DC 12 V air pumps are recommended, with a flow of 5-200 L/min, power of 24 W, positive pressure of about 350 kPa and negative pressure of about -90 kPa. However, considering the user's specificities, flow ranges between 05 and 5L/min, 80-120L/min and 150 – 250L/min are preferably recommended for rodents, humans and horses, respectively.

[061] O motor de vácuo (5) é posicionado na câmara flexível de insuflação e mistura (3), tem o objetivo de retirar o ar com baixa concentração de oxigênio da câmara flexível de insuflação e mistura (3) para o meio ambiente e é controlado pelo microcontrolador (8) e apresenta uma capacidade de funcionamento na faixa de 5 a 250 l/min, porém pode ser configurada para atender especificadamente cada usuário. No entanto, considerando às especificidades do usuário, recomendam-se preferencialmente faixas de fluxo entre 0,5 e 5L/min, 80-120L/min e 150 – 250L/min para roedores, humanos e cavalos, respectivamente.[061] The vacuum motor (5) is positioned in the flexible insufflation and mixing chamber (3), it aims to remove air with low oxygen concentration from the flexible insufflation and mixing chamber (3) to the environment and it is controlled by the microcontroller (8) and has an operating capacity in the range of 5 to 250 l/min, but it can be configured to suit each user specifically. However, considering the user's specificities, flow ranges between 0.5 and 5L/min, 80-120L/min and 150 – 250L/min are preferably recommended for rodents, humans and horses, respectively.

[062] A câmara rígida de mistura (6) compreende um espaço para homogeneização do ar a ser inspirado com tampa hermética (6.1) com rosca, conector com rosca (6.2), local para adição de válvula unidirecional, conector (6.3) para câmara flexível de insuflação e mistura (3) e aparato para fixação (6.4) do sensor de O2 (7). Em que, as dimensões da câmara podem variar de acordo com a finalidade de sua aplicação. No entanto, semelhante aos filtros de CO2, sugerem-se faixas entre 0.00100 e 0.01600 m3, porém, preferencialmente com capacidade de 0.00113 m3, configurado com raio e altura de 6 e 10 cm, respectivamente para roedores e humanos. Para cavalos sugerem-se preferencialmente, filtros câmaras com capacidade de cerca de 0.01528m3, configurado com raio e altura de 16 e 19 cm, respectivamente.[062] The rigid mixing chamber (6) comprises a space for homogenizing the air to be inspired with a hermetic lid (6.1) with thread, threaded connector (6.2), place for adding a unidirectional valve, connector (6.3) for chamber hose for insufflation and mixing (3) and apparatus for fixing (6.4) the O2 sensor (7). In which, the dimensions of the chamber may vary according to the purpose of its application. However, similar to CO2 filters, ranges between 0.00100 and 0.01600 m3 are suggested, however, preferably with a capacity of 0.00113 m3, configured with a radius and height of 6 and 10 cm, respectively for rodents and humans. For horses, preferably, chamber filters with a capacity of about 0.01528m3, configured with a radius and height of 16 and 19 cm, respectively, are suggested.

[063] O sensor de O2 (7) compreende em um sensor elétrico de detecção do O2 com sensibilidade de 0,1%, tempo de resposta menores que 1 s, faixa de pressão de operação de 80 a 120 kPa e amplitude entre 0% a 21%.[063] The O2 sensor (7) comprises an electrical O2 detection sensor with a sensitivity of 0.1%, response time less than 1 s, operating pressure range from 80 to 120 kPa and amplitude between 0% to 21%.

[064] O microcontrolador (8) tem a função de coordenar o funcionamento de todos os componentes a fim de manter as configurações dos regimes de hipóxia pré-programados e compreende em circuito integrado que contém um núcleo de processador, memória e periféricos programáveis de entrada e saída e de baixo consumo elétrico, podendo ser um Arduino ou raspberry, sendo preferencialmente o arduino.[064] The microcontroller (8) has the function of coordinating the operation of all components in order to maintain the settings of the pre-programmed hypoxia regimes and comprises an integrated circuit that contains a processor core, memory and programmable input peripherals and output and of low electrical consumption, which can be an Arduino or raspberry, preferably the arduino.

[065] O display e menu configuração (9) têm a função de fornecer meios de configuração e de expor as informações de configuração do dispositivo, compreende em um componente que permite a visualização dos valores de frequência cardíaca e saturação periférica de oxigênio (10) captados pelo oxímetro, que estará conectado ao usuário, valores da fração inspirada de oxigênio, que será captado pelo sensor de oxigênio (7), localizado na câmara rígida de mistura (6) e dos valores de CO2, que serão captados pelo sensor de CO2 (2), localizado na saída do ar do filtro de CO2 (1). O presente dispositivo ainda permite o monitoramento da dose de hipóxia e também a prescrição de diferentes protocolos de hipóxia.[065] The display and configuration menu (9) have the function of providing means of configuration and exposing the configuration information of the device, comprising a component that allows the visualization of heart rate and peripheral oxygen saturation values (10) captured by the oximeter, which will be connected to the user, values of the inspired oxygen fraction, which will be captured by the oxygen sensor (7), located in the rigid mixing chamber (6) and the CO2 values, which will be captured by the CO2 sensor (2), located at the CO2 filter air outlet (1). The present device also allows the monitoring of the hypoxia dose and also the prescription of different hypoxia protocols.

[066] O oxímetro de pulso (SpO2) (10) permite a coleta de sinais referentes a saturação periférica de oxigênio e de frequência cardíaca do usuário. Atualmente existem diversos sensores comerciais que podem ser integrados a microcontroladores. Recomendam-se sensores com exatidão da SpO2 entre 70 e 100%, exatidão da frequência de pulso, sem movimento entre 18 e 300bpm, sob baixa perfusão entre 40 e 240 e comprimentos de onda de medição e potência de saída (vermelho: potência média máxima entre 660 nm e 0,8 W; infravermelho: potência média máxima entre 910 nm e 1,2 mW). Apesar de termos disponíveis diversas marcas, recomendam-se os sensores “CJMCU-30100 MAX30102 Módulo de Biosensor”, “MAX30100 wearable pulse sensor with Arduino”. No entanto, também podem ser utilizados os sensores comerciais, compatíveis com DIXTAL com conector de 6 e 7 pinos, Dixtal, DX 405, DX 2010, DX 2020, DX 2021, DX 2022, DX 2023, DX 2405, DX 2515, DX 7100, DX 7300, DX 8100, além de outros sensores óticos para aplicações médicas.[066] The pulse oximeter (SpO2) (10) allows the collection of signals referring to peripheral oxygen saturation and heart rate of the user. Currently there are several commercial sensors that can be integrated into microcontrollers. Sensors with SpO2 accuracy between 70 and 100%, pulse rate accuracy, no movement between 18 and 300bpm, under low perfusion between 40 and 240 and measurement wavelengths and output power (red: maximum average power between 660 nm and 0.8 W; infrared: maximum average power between 910 nm and 1.2 mW). Although we have several brands available, we recommend the sensors “CJMCU-30100 MAX30102 Biosensor Module”, “MAX30100 wearable pulse sensor with Arduino”. However, commercial sensors compatible with DIXTAL with 6 and 7 pin connector, Dixtal, DX 405, DX 2010, DX 2020, DX 2021, DX 2022, DX 2023, DX 2405, DX 2515, DX 7100 can also be used , DX 7300, DX 8100, and other optical sensors for medical applications.

[067] Para as válvulas unidirecionais para expiração (11) e inspiração (12) de ar pode ser utilizado qualquer sistema unidirecional de passagem de ar. No entanto, recomendam-se as válvulas comumente utilizadas em respiradores mecânicos manuais. Recomenda-se válvula para ambu com diafragma de silicone e acionamento por fluxo. Apesar de existirem diferentes válvulas comerciais, recomendam-se as válvulas para ambu, com largura de cerca de 5,00 cm.[067] For unidirectional valves for exhalation (11) and inspiration (12) of air, any unidirectional air passage system can be used. However, valves commonly used in manual mechanical respirators are recommended. Ambu valve with silicone diaphragm and flow actuation is recommended. Although there are different commercial valves, valves for ambu are recommended, with a width of about 5.00 cm.

[068] A fonte de alimentação (13) de 12 V tem a função de fornecer energia para todos os componentes eletrônicos do dispositivo, compreende em qualquer fonte que forneça pelo menos 12 v de corrente contínua e 25 amperes, podendo ser baterias, pilhas, placas solares ou entrada de alimentação para rede doméstica com conversão para os parâmetros elétricos de funcionamento do dispositivo.[068] The 12 V power supply (13) has the function of supplying energy to all the electronic components of the device, comprising any source that provides at least 12 v of direct current and 25 amperes, which may be batteries, batteries, solar panels or home network power input with conversion to the electrical operating parameters of the device.

[069] Para o funcionamento da presente invenção o bocal respiratório (14) pode ser acoplado a uma máscara facial, máscara de mergulho ou até mesmo permanecendo dentro de uma caixa hipóxica em um sistema de circuito fechado, conforme ilustrado na figura 1. O ar expirado é conduzido até o filtro absorvedor de CO2 (1), contendo preferencialmente cal sodada. Em seguida, o ar expirado pelo usuário, que passou pelo filtro de CO2 (1) e que agora está livre do excesso de CO2, porém contendo quantidades importantes de O2, passa pelo sensor de CO2 (2) e posteriormente é conduzido, pelo fluxo das inspirações e expirações do usuário, até uma câmara de insuflação e mistura (3), que também possui motores de ar (4) e vácuo (5) anexados, de modo a permitir rápidos ajustes na concentração de O2 da câmara de insuflação e mistura (3), por meio da troca (subtração e/ou adição) de ar com o meio ambiente.[069] For the operation of the present invention, the breathing nozzle (14) can be attached to a face mask, diving mask or even remaining inside a hypoxic box in a closed circuit system, as shown in figure 1. The air expired breath is conducted to the CO2 absorber filter (1), preferably containing soda lime. Then, the air exhaled by the user, which passed through the CO2 filter (1) and which is now free of excess CO2, but containing significant amounts of O2, passes through the CO2 sensor (2) and is subsequently conducted through the flow of the user's inspirations and expirations, to an insufflation and mixing chamber (3), which also has air (4) and vacuum (5) motors attached, in order to allow quick adjustments in the O2 concentration of the insufflation and mixing chamber (3) through the exchange (subtraction and/or addition) of air with the environment.

[070] Na sequência o ar é então conduzido a uma câmara rígida de mistura (6) que contém um sensor de O2 (7), conectado ao microcontrolador (8) e a tela (9), e finalmente o ar contendo a concentração desejada de O2 retorna para ser inspirado pelo usuário.[070] In the sequence, the air is then led to a rigid mixing chamber (6) that contains an O2 sensor (7), connected to the microcontroller (8) and the screen (9), and finally the air containing the desired concentration of O2 returns to be inspired by the user.

[071] Como o sensor de CO2 também está integrado ao microcontrolador (8) e a tela (9), conforme representado na figura 1, é possível identificar com precisão o momento em que os absorvedores de CO2 devem ser substituídos.[071] As the CO2 sensor is also integrated into the microcontroller (8) and the screen (9), as shown in figure 1, it is possible to accurately identify the moment when the CO2 absorbers must be replaced.

[072] O usuário ainda terá a possibilidade de utilizar um oxímetro de pulso (10) integrado ao microcontrolador (8) e a tela (9). Desse modo é possível prescrever as doses de hipóxia fixando os valores de fração inspirada de O2 (FiO2) ou da saturação sanguínea de oxigênio (SpO2), que uma vez acionados, a bomba de ar (4) irá adicionar ar rico em O2 na câmara de insuflação e mistura (3) enquanto o motor de vácuo (5) irá retirar o ar pobre em O2 da mesma câmara.[072] The user will still be able to use a pulse oximeter (10) integrated into the microcontroller (8) and the screen (9). In this way, it is possible to prescribe the hypoxia doses by setting the inspired O2 fraction (FiO2) or blood oxygen saturation (SpO2) values, which once activated, the air pump (4) will add air rich in O2 in the chamber insufflation and mixing valves (3) while the vacuum motor (5) will remove the O2-poor air from the same chamber.

[073] Pelo fato de o sensor de O2 (7) estar localizado na parte inferior da câmara de mistura (6) e ser integrado ao microcontrolador (8) e à tela (9), é possível o monitoramento em tempo real da FiO2 e realizar rápidos ajustes da concentração de O2 a partir do acionamento imediato das bombas de ar (4) e motor de vácuo (5).[073] Because the O2 sensor (7) is located at the bottom of the mixing chamber (6) and is integrated into the microcontroller (8) and the screen (9), real-time monitoring of FiO2 and perform quick adjustments of the O2 concentration from the immediate activation of the air pumps (4) and vacuum motor (5).

[074] A cada inspiração e expiração do ar contido no circuito fechado, o O2 tende a diminuir devido às necessidades metabólicas do usuário e essa diminuição ocorre até os valores mínimos e/ou incapacidade de o usuário permanecer respirando no dispositivo, sendo normalmente necessário que ele respire ar ambiente.[074] With each inspiration and expiration of the air contained in the closed circuit, the O2 tends to decrease due to the metabolic needs of the user and this decrease occurs until the minimum values and/or the inability of the user to remain breathing in the device, normally being necessary that he breathes ambient air.

[075] Com a bomba de ar (4) e o motor de vácuo (5), funcionando de modo integrado aos sensores de O2 (7) e ao oxímetro (10) (conectado ao usuário), é ainda possível fixar faixas de valores máximos e mínimos de FiO2 (dose externa de hipóxia) e/ou SpO2 (dose interna de hipóxia) no dispositivo, a partir de uma configuração prévia na tela (9) que envia comandos específicos ao microcontrolador (8).[075] With the air pump (4) and the vacuum engine (5), working in an integrated way with the O2 sensors (7) and the oximeter (10) (connected to the user), it is also possible to set ranges of values maximum and minimum FiO2 (external dose of hypoxia) and/or SpO2 (internal dose of hypoxia) in the device, based on a previous configuration on the screen (9) that sends specific commands to the microcontroller (8).

[076] Quando a FiO2 ou a SpO2 for alterada para valores fora dos pré-fixados, o microcontrolador (8) aciona a bomba de ar (4) e motor de vácuo (5), a fim de trocar rapidamente o ar contido na câmara flexível de insuflação (3) com o ar ambiente, aumentando a concentração de O2 do ar na câmara de insuflação (3), que é conduzido até a câmara rígida de mistura (6) e, posteriormente até o usuário, de modo a garantir a manutenção da FiO2 ou SpO2, dentro de uma determinada faixa de interesse. Em ambos os casos relatados, imediatamente após os parâmetros (FiO2 e/ou SpO2) retornarem dentro da faixa dos valores pré-fixados, os motores são desligados.[076] When FiO2 or SpO2 is changed to values outside the preset values, the microcontroller (8) activates the air pump (4) and vacuum motor (5) in order to quickly change the air contained in the chamber flexible insufflation (3) with the ambient air, increasing the concentration of O2 in the air in the insufflation chamber (3), which is conducted to the rigid mixing chamber (6) and, subsequently, to the user, in order to guarantee the maintenance of FiO2 or SpO2 within a certain range of interest. In both reported cases, immediately after the parameters (FiO2 and/or SpO2) return within the range of preset values, the motors are turned off.

[077] O fluxo imposto pela bomba (4) e motor (5) pode ser controlado de acordo com os valores de FiO2 e SpO2, e é possível utilizar esse dispositivo durante o exercício em diferentes intensidades.[077] The flow imposed by the pump (4) and motor (5) can be controlled according to the values of FiO2 and SpO2, and it is possible to use this device during exercise at different intensities.

[078] Em uma outra característica da presente invenção, o sensor de CO2 (2) contido na câmara de insuflação (3) permite identificar o momento em que os filtros de absorção de CO2 (1) perdem sua funcionalidade e aciona um sinal de alerta que é enviado à tela (9), indicando a necessidade da substituição dos filtros.[078] In another feature of the present invention, the CO2 sensor (2) contained in the inflation chamber (3) allows identifying the moment when the CO2 absorption filters (1) lose their functionality and triggers an alert signal which is sent to the screen (9), indicating the need to replace the filters.

[079] A partir da adição e/ou substituição de acessórios será possível configurar o presente dispositivo para diferentes usuários (humanos, cavalos e roedores) de modo a permitir a realização de exercícios com diferentes doses de hipóxia fora do ambiente laboratorial e clínico, por um longo tempo sem a necessidade de interromper sua respiração e, especialmente, sob diferentes demandas de O2 (diferentes intensidades de treinamento), pois os valores fixados de FiO2 e SpO2 serão ajustados em tempo real pelo microcontrolador.[079] From the addition and/or replacement of accessories, it will be possible to configure the present device for different users (humans, horses and rodents) in order to allow the performance of exercises with different doses of hypoxia outside the laboratory and clinical environment, for example a long time without the need to interrupt your breathing, and especially under different O2 demands (different training intensities), as the fixed FiO2 and SpO2 values will be adjusted in real time by the microcontroller.

[080] O percurso do ar, conforme indicado na figura 1, será garantido com a adição de uma válvula unidirecional (11) na saída de ar do filtro de CO2 (1) e outra válvula unidirecional (12) conectada à câmara rígida de mistura (6).[080] The air path, as shown in figure 1, will be guaranteed with the addition of a one-way valve (11) at the CO2 filter air outlet (1) and another one-way valve (12) connected to the rigid mixing chamber (6).

[081] A partir da presente invenção, o auto-hipoxicador pode ser configurado para possibilitar sua utilização por humanos, em condição de repouso e exercícios, terrestres e aquáticos, cavalos e roedores.[081] From the present invention, the self-hyperoxicator can be configured to enable its use by humans, in rest and exercise condition, terrestrial and aquatic, horses and rodents.

[082] Sendo assim, os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.[082] Therefore, those versed in the art will value the knowledge presented here and will be able to reproduce the invention in the presented modalities and in other variants, covered in the scope of the attached claims.

Claims

PORTABLE BIOFEEDBACK DEVICE FOR HYPOXIA GENERATION characterized by the fact that it comprises at least:
a CO2 filter (1);
a CO2 sensor (2);
an inflation and mixing chamber (3);
an air pump (4);
a vacuum engine (5);
a mixing chamber (6);
an O2 sensor (7);
a microcontroller (8);
a screen (9);
a pulse oximeter (10);
a one-way valve for exhalation (11);
a one-way valve for inspiration (12);
power supply (13); It is
a breathing mouthpiece (14).

Portable device, according to claim 1, characterized in that the CO2 filter comprises a preferably cylindrical container, a hermetic lid (1.1), threaded connector, place for adding a unidirectional valve (11), connector for a flexible insufflation and mixing (3), apparatus for fixing the CO2 sensor (2) and CO2 filter bottom (1).

Portable device according to claim 1 or 2, characterized in that the CO2 filter comprises a volume between 0.9 and 1.5 L for humans and between 8 and 16 L for use with horses.

Portable device, according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the filter (1) uses soda lime, barite lime or calcium hydroxide lime, preferably soda lime as the CO2 absorber.

Portable device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the CO2 sensor (2) comprises an electrical CO2 detection sensor with sensitivity in the measurement range between 0 and 999 ppm, temperature -10 to 50oC and 1 ppm resolution.

Portable device, according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the insufflation and mixing chamber (3) comprises a flexible space equal to a user's maximum exhalation, with a volume between 4 and 15 L, preferably 5 and 6 L, and be applied fragmented or in a single container.

Portable device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the air pump (4) is preferably of the diaphragm pump type.

Portable device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the vacuum engine (5) is positioned in the flexible insufflation and mixing chamber (3).

Portable device, according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the rigid mixing chamber (6) comprises a space for homogenizing the air to be inspired with a hermetic screw cap, threaded connector, place for adding unidirectional valve, connector for flexible insufflation and mixing chamber (3) and apparatus for attaching the O2 sensor (7).

Portable device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the O2 sensor (7) comprises an electrical O2 detection sensor with a sensitivity of 0.1%, response time less than 1 s, range operating pressure from 80 to 120 kPa and range between 0% and 21%.

Portable device according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the microcontroller (8) comprises an integrated circuit with a processing core, memory and programmable input and output peripherals and low electrical consumption.

Portable device according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the display and configuration menu (9) provide configuration means and expose the device configuration information.

Portable device according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the pulse oximeter (SpO2) (10) collects signals relating to the peripheral oxygen saturation and heart rate of the user.

Portable device according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the device is coupled to a face mask, diving mask or hypoxic box in a closed circuit system.

PORTABLE BIOFEEDBACK SYSTEM FOR GENERATION OF HYPOXIA characterized by the fact that it comprises at least:
a CO2 filter (1);
a CO2 sensor (2);
an inflation and mixing chamber (3);
an air pump (4);
a vacuum engine (5);
a mixing chamber (6);
an O2 sensor (7);
a microcontroller (8);
a screen (9);
a pulse oximeter (10);
a one-way valve for exhalation (11);
a one-way valve for inspiration (12);
power supply (13); It is
a breathing mouthpiece (14).