BR112012015680A2

BR112012015680A2 - dispositivo de medição e processo para analisar um gás de ensaio por espectroscopia de absorção de infravermelho

Info

Publication number: BR112012015680A2
Application number: BR112012015680-2A
Authority: BR
Inventors: Karsten Heyne; Tom Rubin
Original assignee: Humedics Gmbh
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2020-09-08
Also published as: EP2626128A1; CN102711605B; DE102009055320A1; CA2785489C; AU2010334907B2; WO2011076803A1; DE102009055320B4; CA2785489A1; PT2515756E; EA201200949A1; CN102711605A; US20110270113A1; HK1175386A1; EP2626128B1; EP2515756B1; EA022246B1; PL2515756T3; JP5797665B2; JP2013515950A; ES2531107T3

Abstract

Patente de Invenção: "DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO E PROCESSO PARA ANALSIAR UM GÁS DE TESTE POR MEIO DE ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO DE INFRAVERMELHO". A inversão refere-se a um dispositivo de medição para analisar um gás de teste por meio de espectroscopia de absorção de infravermelho. O dispositivo de medição apresente: uma câmara de medição (2) com o gás a ser analisado, um laser (1), que está disposto de tal modo em relação à câmara de medição (2) que a luz emitida pelo laser atravessa a câmara de medição (2), um dispositivo de tecção (61), que detecta a luz emitida pelo laser (1) e que atravessa a câmara de medição (2) , e uma unidade de avaliação (8), que avalia os sinais gerados pelo dispositivo de detecção (61), no que se refere a uma absorção de luz ocorrida na câmara de medição (2). Está previsto que o laser (1) é um laser que emite em banda estreita, cuja largura de linha é menor ou igual à largura de uma linhya de absorção de infravermelho a ser medida do gás de teste, o laser (1) está formado e ajustado de tal modo que a frequência de laser é variada periodicamente dentro de uma faixa espectral definida, sendo que a frequência do laser e a variação da mesmaq estão selecionadas de tal modo que pelo menos uma linha de absorção de infravermelho a ser medida do gás de teste se situa na faixa espectral definida, e o dispositivo de detecção (61) está formado e ajustado de tal modo que detecta, com resolução temporal, a luz emitida pelo laser (1) e que atravessa a câmara de medição (2), de tal modo que a absorção de luz pode ser determinada, com resolução de frequência,dentro da faixa espectral definida, sendo que o dispositivo de detecção (61) realiza uma única medição de absorção dentro de 10-5 s de modo mais rápido. Além disso, o dispositivo de medição é apropriado e ajustável para medir como gás de teste o gás respiratório de um humano ou animal, sendo que o gás respiratório é substituído na câmara de medição apenas pela respiração da pessoa ou do animal e a resistência respiratória do dispositivo de medição é de menos de 60 mbar.

Description

. Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVO

DE MEDIÇÃO E PROCESSO PARA ANALISAR UM GÁS DE ENSAIO POR ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO DE INFRAVERMELHO".

DESCRIÇÃO A presente invenção refere-se a um dispositivo de medição para análise de um gás de ensaio por meio de espectroscopia de infravermelho de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1, bem como um processo cor- respondente. Há séculos é sabido que o cheiro da respiração pode ser um in- —dicador de uma possível doença- o exemplo mais destacado é o cheiro ado- cicado-frutado, causado por acetona, em Diabetes mellitus do tipo 1. Mesmo a respiração de pessoas saudáveis contém várias centenas de compostos , químicos voláteis, os chamados “compostos orgânicos voláteis” (VOCs), em — pequena concentração (no âmbito de ppm até ppt). Alguns dos mesmos de- * 15 sempenham um papel importante em processos patofisiológicos. Havendo uma doença, aumenta a concentração de determinados gases de vestígio na respiração. Em algumas doenças também podem ser comprovados gases que não ocorrem no organismo saudável. Portanto, a análise de gás respira- tório oferece um grande potencial para o diagnóstico clínico e monitoramento de terapias. No entanto, a Concentração de gás de vestígio frequentemente é de tal modo pequena, que ela não pode ser medida de modo suficiente- mente preciso com os processos analíticos de gás disponíveis. Existem processos de comprovação altamente sensíveis, tais como, por exemplo, a espectroscopia de massa ou a espectroscopia de FTIR em células de teste de passagem múltipla. No entanto, esses apare- lhos de comprovação não podem ser usados diretamente no paciente e, por conseguinte, são sem importância para a prática clínica. Isso também se deve ao fato de que a avaliação leva vários dias e pelo transporte da amos- tra ocorrem fontes de erros incalculáveis. Elementos móveis na área da es- —pectroscopia de absorção de infravermelho com lasers de diodo (por exem- plo, lasers de sal de chumbo) como fontes de luz também estão em uso há várias décadas, mas, até agora, não atingiram a estabilidade necessária por

. um período mais longo para a comprovação sensível de gases, de modo que, também aqui, o uso ficou limitado à pesquisa de fundamentos medici- nais.

Um método alternativo é o chamado processo de NDIRS —(NDIRS -— Espectroscopia de IR Não Dispersiva). Ele comprova oscilações de densidade no gás de ensaio, que são provocadas por absorção de luz infravermelha.

Esse processo de comprovação é sensível e pode realizar uma medição a cada dois minutos e meio.

No entanto, os resultados de me- dição são adulterados por outros gases, tal como, por exemplo, oxigênio, de — modo que esse método só pode ser usado limitadamente na prática clínica.

Um outro método é usado pela empresa Oridion Systems Ltd. sob a designação de BreathlDG.

Aqui, é usada uma lâmpada de pressão de . CO, como fonte de luz.

No entanto, esse método é fortemente limitado em sua sensibilidade e rapidez por oscilações de largura de linha que se apre- Y 15 sentam (na lâmpada e no gás de ensaio), pequenas intensidades de luz e flutuações espectrais e, desse modo, não fornece resultados de medição altamente sensíveis em pouco tempo.

O método de NDIRS e o método de Oridion Systems Ltd. são bem apropriados, por exemplo, para comprovação da bactéria Heliobacter pylori no estômago do paciente a presença da bacté- riaé comprovada qualitativamente através de um teor de **CO> aumentado no ar de expiração, após a administração de um agente de diagnóstico mar- cado com "C.

Processos de teste qualitativos perdem a importância quando o teste está situado no mesmo segmento de preço como o tratamento.

Uma outra estratégia para garantir a comprovação simples e rápida de compostos químicos voláteis é o uso de microchips de superfície sensível, que selecio- nam e ligam gases de vestígio especiais do ar respiratório.

Com isso, é pos- sível uma comprovação sensível dos compostos químicos voláteis e e pode ser tomada a decisão qualitativa de se o paciente está ou não doente.

A mera comprovação de uma doença é informativa, no entanto ainda não dá nenhuma informação sobre a terapia apropriada.

Por esse mo- tivo, o futuro da análise de gás respiratório reside na determinação quantita-

r tiva do grau de adoecimento, que fornece ao médico meios auxiliares de de- cisão diretos para a terapia. Quando esses testes podem ser realizados de modo simples e rápido e os resultados estão imediatamente à disposição do médico de forma compreensível, o teste pode ser eficiente na prática clínica. As exigências a testes de gás respiratório quantitativos são al- tas: para a identificação clara dos gases de vestígio, é necessária uma alta seletividade e sensibilidade de comprovação, uma vez que, na maioria das vezes, a concentração situa-se no âmbito de ppm até ppb. A determinação quantitativa da quantidade de gás de vestígio precisa estar garantida. Além disso, as medições devem dar-se online e em tempo real, para evitar uma coleção de amostras complexa e sujeita a erros (por exemplo, em bolsas ou na corrente lateral). Para uma utilização praticável e econômica, devem ser . exigidos facilidade de manuseio, tamanho reduzido, robustez, pequeno es- forço de manutenção e/ou uma relação custo-benefício favorável. Essas exi- Y 15 gências altas e múltiplas, atualmente, não podem ser satisfeitas completa- mente por nenhum processo analítico de gás.

O ar expirado de humanos apresenta uma proporção em volume de dióxido de carbono de 2% a 4% e é expirado em 10 a 20 respirações, em bebês e recém-nascidos até em 25 a 50 respirações por minuto. A pressão da respiração da pessoa perfaz aproximadamente 5 KPa (50 mbar), até, no máximo, 16 KPa (160 mbar), a um volume de aproximadamente 0,5 litro. Do ar de respiração apenas aproximadamente 70% chegam ao pulmão, de mo- do que também só em aproximadamente 70% do volume de gás está pre- sente uma proporção de dióxido de carbono nitidamente aumentada. No vo- lume de gás restante — o volume de espaço morto — a concentração de dió- xido de carbono pode cair para a concentração do ar ambiente, de aproxi- madamente 0,04%. Isso leva ao fato de que a concentração de dióxido de carbono do ar de respiração pode oscilar em duas ordens de tamanho, de 0,04% a 4%. Concentrações de dióxido de carbono de acima de 5% são tó- xicase podem levar, por exemplo, a dores de cabeça e câimbras.

A quantidade de dióxido de carbono produzida depende do me- tabolismo individual de cada pessoa individual. São utilizados diversos pro-

T cessos de aproximação, para avaliar a produção de dióxido de carbono de uma pessoa. As variáveis ali utilizadas são, por exemplo, peso e superfície do corpo. A superfície do corpo, por sua vez, na maioria das vezes é avalia- da com o peso e o tamanho do corpo, de modo que medicina muitas vezes só é possível contar com variáveis moderadamente precisas, o que limita fortemente ou até mesmo torna impossível uma avaliação de resultado quantitativa.

Para a determinação quantitativa direta de processo de metabo- lismo ou metabolizações, é necessário acompanhar a dinâmica do processo com resolução temporal, do melhor modo, em tempo real. Quando a dinâmi- ca de metabolização apresenta uma cinética, que pode ser modelada por uma equação diferencial de primeira ordem (dinâmica de 1a. ordem), então . por solução da equação diferencial ou por adaptação de uma função expo- nencial: y(l=A*exp(-Vtau) são determinadas a máxima da cinética A e a . 15 constante de tempo tau. Das variáveis A e tau podem depois ser determina- dos quantitativamente parâmetros metabólicos. A ativação da dinâmica de metabolização é obtida, da melhor maneira, por uma iniciação temporalmen- te curta, por exemplo, a administração iv de um agente de diagnóstico ou a liberação de um agente de diagnóstico por exposição à luz ou irradiação. Quando a liberação ou o início da dinâmica dura mais do que o aumento tau ou do que uma respiração, então a dinâmica da liberação precisa ser deter- minada separadamente e ser desdobrada da dinâmica de metabolização. Um exemplo d um início de metabolização rápido é a administração iv do agente de diagnóstico 13C-metacetina no bolo. Ele é distribuído no sangue (cerca de 60 batimentos cardíacos por minuto) e chega em aproximadamen- te um segundo ao fígado, onde é metabolizado para paracetamol e 13CO2. O início da dinâmica é muito mais rápido do que o ritmo respiratório e leva, assim, a uma dinâmica de primeira ordem, que pode ser avaliada diretamen- te. No entanto, quando a 13C-metacetina é administrada oralmente, a ad- — sorção no estômago leva a um dobramento da dinâmica com a dinâmica de adsorção do estômago, que adultera significativamente a dinâmica. Para acompanhar a dinâmica de metabolização em tempo real,

7 cada espiração deve ser medida com sensibilidade muito alta. Isso significa que o ar de respiração na câmara d medição precisa ser trocado muito rapi- damente e que em menos do que dois segundos precisa ter ocorrido uma avaliação completa da respiração.

Um processo de análise, que possibilita uma determinação quantitativa da função hepática, está descrito no documento WO 2007/000145 A2. O processo baseia-se em uma inundação de substrato do substrato a ser metabolizado no fígado e na determinação da velocidade de conversão máxima do substrato, que possibilita informações sobre a capaci- dade de funcionamento hepática de um paciente. Do documento WO 2007/107 366 A1 é conhecido um dispositivo de acordo com o gênero para análise espectroscópica de um gás, no qual .- uma câmara de medição pode ser permeada continuamente com um gás de ensaio.

* 15 A presente invenção tem por base a tarefa de aperfeiçoar o dis- positivo de medição conhecido do documento WO 2007/107 366 A1 e o pro- cesso de medição ali utilizado, com o objetivo de poder realizar medições em tempo real.

Essa tarefa é solucionada de acordo com a invenção por um dispositivo de medição com as características da reivindicação 1 e um pro- cesso com as características da reivindicação 32. Configurações da inven- ção estão indicadas nas reivindicações secundárias. De acordo com as mesmas, a solução de acordo com a inven- ção prevê que seja usado um laser emissor de banda estreita. Como laser emissor de banda estreita é considerado um laser cuja largura de linha está selecionada de tal modo que ela é menor ou igual à largura da linha de ab- sorção a ser medida do gás de ensaio a ser medido. Está previsto, ainda, que a frequência de laser seja variada periodicamente dentro de uma faixa espectral definida, sendo que a frequência de laser e a variação da mesma estão selecionadas de tal modo que pelo menos uma linha de absorção a ser medida do gás de ensaio se situa na faixa espectral definida. A variação periódica da frequência de laser (também designada como afinação) está

" associada, nesse caso, com uma faixa espectral definida, que é medida du- rante cada período dessa variação de frequência. Nessa faixa espectral situ- a-se pelo menos uma linha de absorção a ser medida.

Está previsto, ainda, de acordo com a invenção, que o dispositi- vo de detecção esteja formado e ajustado para detectar, com resolução temporal, a luz emitida pelo laser e que atravessa a câmara de medição, de tal modo que a absorção de luz pode ser determinada, com resolução de frequência, dentro da faixa espectral definida. Nesse caso, dispositivo de detecção realiza uma única medição de absorção dentro de 10º s ou de modo mais rápido, particularmente, dentro de 10 ºsegundos ou de modo mais rápido. Pela medição rápida, pode ser detectada, com resolução de frequência, uma faixa espectral que é medida pela variação da frequência de - laser. A faixa espectral medida é medida, nesse caos, com uma pluralidade de pontos de medição, que correspondem, em cada caso, a uma medição - 15 de absorção, por exemplo, com 20, 100, 500 ou 1000 pontos de medição.

A alta resolução temporal das medições de absorção permite de- tectar, com resolução de frequência, uma faixa espectral, que é definida pela variação da frequência de laser e na qual situa-se pelo menos uma linha de absorção a ser medida, com uma alta densidade de pontos de medições individuais dentro da faixa espectral. Isso está associado a várias vantagens, Assim, a alta resolução temporal e a alta densidade de pontos dos valores de medição obtenível com isso de uma faixa espectral medida durante uma variação de frequência, está associada a uma alta precisão de medição. A mesma é ainda aumentada quando ocorre uma formação de média sobre vários espectros detectados um depois do outro, tal como está previsto em uma variante de modalidade.

A alta resolução temporal, a alta resolução espectral (obtida por uma alta densidade de pontos das medições individuais) e uma alta sensibi- lidade permitem medir linhas de absorção com uma sensibilidade no âmbito de ppb. Uma sensibilidade desse tipo é essencialmente necessária, por e- xemplo, para garantir um uso do dispositivo de medição para a comprovação quantitativa de substratos metabolizados.

" Além disso, o dispositivo de medição é particularmente apropria- do e ajustável para o fim de medir como gás de ensaio o gás respiratório de um humano ou animal, sendo que o gás respiratório é trocado na câmara de medição apenas pela respiração do humano ou do animal e a resistência à respiração do aparelho de medição situa-se em menos de 6 KPa (60mbar), particularmente, menos de 5 KPa (50 mbar) e, de modo particularmente pre- ferido, menos de 4 KPa (40 mbar). Isto é, não são necessárias bombas ou outros dispositivos para transportar o gás de ensaio através do dispositivo de medição. Expresso em outras palavras, a contrapressão formada pelo dis- positivo de medição perfaz menos de 6 KPa (60 mbar), particularmente, me- nos de 5 KPa (50 mbar) e, de modo particularmente preferido, menos de 4 KPa (40 mbar). Uma contrapressão de tal modo pequena pode ser superada - sem meios de auxílio técnico por uma pressão correspondentemente alta (que é gerada, por exemplo, pela respiração de um ser humano ou animal).

? 15 Na realização de medições na passagem do gás de ensaio pela câmara de medição, pode, além disso, ser detectadas, com alta resolução, modificações temporais na composição do gás de ensaio em tempo real. Por exemplo, é possível detectar modificações de relações de isótopos no gás respiratório, em tempo real, e isso a concentrações de dióxido de carbono do gásrespiratório no âmbito entre 0,08% e 8%.

Em uma configuração da invenção está previsto que a frequên- cia de laser e sua variação estejam selecionadas de tal modo que pelo me- nos duas linhas de absorção do gás de ensaio estão situadas na faixa es- pectral definida. Isso possibilita, por exemplo, determinar a relação de dois isótopos do gás de ensaio por meio da absorção de luz ocorrida em duas linhas de absorção. No caso dos isótopos, trata-se, por exemplo, de COz e 12CO,. Como isótopos são designados não apenas átomos com o mesmo número ordinal, mas com número de massa diferente, mas também molécu- las, que contêm esses átomos diferentes. Em vez da relação de dois isóto- pos, também pode ser determinada a relação de dois elementos (com núme- ros ordinais diferentes) ou de duas moléculas, por meio de duas ou mais linhas de absorção.

: A determinação da relação de dois isótopos, elementos ou mo- léculas permite, além disso, a determinação de valores absolutos dos res- pectivos isótopos, elementos e moléculas, também no caso de concentra- ções variáveis.

Por exemplo, a determinação do teor de CO, nas águas resi- duais, na respiração ocorrem oscilações na concentração do CO, de 0,04% a 4%. A medida da oscilação pode ser detectada pela determinação do teor absoluto de *?COs(por exemplo, por respiração). Com isso, também pode ser determinado o teor absoluto do isótopo **CO>, que está em uma relação na- tural, fixa, para "CO.

Adicionalmente, podem ser detectadas modificações, devido a uma metabolização adicional de "*CO,, através de avaliação da modificação da relação dos dois isótopos.

A alta resolução e densidade de pontos dos dispositivos de me- - dição de acordo com a invenção permitem determinar a relação de dois isó- topos, elemento ou moléculas em tempo real.

Isso é particularmente de inte- 7 15 resse quando a relação se modifica com o tempo.

Em uma configuração, à unidade de avaliação está associado um dispositivo de exibição, que repre- senta uma modificação da relação através do tempo.

O dispositivo de medição de acordo com a invenção pode estar formado sem espelhos, sendo que a luz emitida pelo laser atravessa a câ- marade medição exatamente uma vez.

Com isso, é posta à disposição uma estrutura óptica simples e pouco suscetível a defeitos.

Diferentemente do que na câmara de medição do documento WO 2007/107 366 A1, não há, portanto, espelhos na câmara de medição, nos quais a luz de laser seria re- fletida múltiplas vezes.

A câmara de medição apresenta apenas uma janela de entrada, através da qual a luz do laser entra na câmara de medição, e uma janela de saída, pela qual a luz transmitida sai da câmara de medição.

Em uma outra configuração, o dispositivo de medição apresenta meios de regulação de temperatura (particularmente meios de aquecimento), que regulam, particularmente, aquecem, a câmara de medição e janelas e- xistentes para uma temperatura constante, que está situada, por exemplo, acima de 35ºC.

Com isso, é impedido que vapor de água eventualmente e- xistente no gás de ensaio, embace a câmara de medição.

Também é conce-

: bível um esfriamento da câmara de medição.

Em uma outra configuração da invenção está previsto que a câ- mara de medição seja permeada continuamente ou intermitentemente por gás de ensaio. Para esse fim, a câmara de medição apresenta, em uma con- figuração, uma estrutura aberta, sem válvulas ou válvulas de ventilação, que poderiam obstruir o fluxo do gás de ensaio para dentro e para fora da câma- ra de medição. Além disso, em uma configuração está previsto que o dispo- sitivo de manutenção apresente, entre a entrada de gás no dispositivo de manutenção e a saída de gás do dispositivo de manutenção, substancial- mente, uma seção transversal para a permeação do gás de ensaio. Com isso, é posto à disposição um fluxo laminar em todos os pontos do dispositi- vo de medição e impedido que gás se acumule em determinados pontos e - não seja deslocado por gás de ensaio novo. Em uma variante, o dispositivo de medição apresenta, pelo me- 7 15 nosem seções, particularmente, dentro de toda a câmara de medição, uma seção transversal constante, de modo que, pelo menos, em partes, é garan- tido um fluxo laminar no dispositivo de medição. Quando, por exemplo, toda a câmara de medição apresenta uma seção transversal constante, em ope- ração, está garantido dentro de toda a câmara de medição, substancialmen- te, um fluxo laminar do gás de ensaio. Com isso, são possibilitadas medi- ções muito precisas, de modo particularmente vantajoso.

Em uma outra configuração dá-se uma alimentação de gás de ensaio à câmara de medição e uma descarga de gás de ensaio da câmara de medição em uma direção, que é perpendicular à direção na qual a luz atravessa a câmara de medição. Isso assegura que a alimentação e descar- ga de gás, bem como ligações correspondentes não perturbem a luz de la- ser. Nesse caso, a alimentação e a descarga de gás estão dispostas, de pre- ferência, de modo alternado, de modo que o gás de ensaio corre parcialmen- te na direção do raio laser pela câmara de medição.

O dispositivo de medição está formado, de preferência, de tal modo que se dá uma detecção de luz com resolução temporal pelo dispositi- vo de detecção, durante a passagem do gás de ensaio pela câmara de me-

| dição.

Medições de absorção de infravermelho são realizadas, portanto, em cada fase do fluxo de gás, particularmente também quando o gás de ensaio passa através da câmara de medição.

As medições de absorção ocorrem na passagem (portanto, na técnica de medição de passagem). Em uma outra configuração, o dispositivo de medição compre- ende um espirômetro, que detecta a corrente de volume do gás de ensaio, que corre pela câmara de medição.

Nesse caso, pode estar previsto que o gás de ensaio permeie o espirômetro, depois de passar pela câmara de me- dição, caso no qual ele sai, depois, pelo espirômetro do dispositivo de medi- ção Mas, em princípio, o espirômetro pode estar disposto em qualquer pon- to entre entrada de gás no dispositivo de medição e saída de gás do disposi- tivo de medição, no mesmo. . A medição da corrente de volume possibilita determinar quanti- dades totais absolutas de determinadas moléculas de uma determinada - 15 quantidade de gás, que corresponde, por exemplo, a uma respiração de um humano ou animal.

Particularmente, da absorção pode ser determinada, di- retamente, a concentração, uma vez que o coeficiente de extinção para cada linha de absorção é conhecido e também o comprimento da câmara de me- dição.

Como a absorção e a corrente de volume, por meio do espirômetro, podem ser acompanhados, com resolução temporal, em tempo real, pode ser determinada, em tempo real, a quantidade total por integração do produ- to de volume e concentração sobre o tempo.

Em uma configuração, está prevista, ainda, uma antecâmara, pela qual o gás de ensaio corre para a câmara de medição.

Nesse caso, a —antecâmara está formada, de preferência, para aquecer ou esfriar o gás de ensaio para uma determinada temperatura e, com isso, reduzir o teor de va- por de água do gás de ensaio.

Em uma outra configuração, a antecâmara está formada, de pre- ferência, alternativamente ou adicionalmente, para reduzir o teor de vapor de água do gás de ensaio para pelo menos 60% de umidade relativa do ar.

À redução do teor de vapor de água dá-se, de preferência, por membranas semipermeáveis, que permitem, exclusivamente, uma troca de vapor de á-

' gua (mas não de outras substâncias). O ar fora da membrana precisa apre- sentar uma umidade de ar relativa de menos de 50% de umidade de ar rela- tiva. Se o teor de vapor de água fora da antecâmara por menor do que den- tro, então o teor de vapor de água do gás de ensaio que permeia a antecâ- maraé reduzido. A área total da membrana determina a quantidade de troca de gás que pode ocorrer.

Como exemplo, é citada a aplicação do dispositivo de medição para a análise de respiração, na qual é examinada uma respiração individual (particularmente, uma respiração completa). A umidade do ar em uma respi- ração muitas vezes perfaz mais do que 90% de umidade de ar relativa, que é reduzida pela membrana semipermeável na antecâmara para menos de 50% de umidade de ar relativa. A área ativa da membrana semipermeável : pode perfazer, nesse caso, por exemplo, mais de 150 em?, particularmente, mais de 200 cm?, especialmente, mais de 250 em?.

7 18 Em uma outra configuração, a antecâmara está formada, de pre- ferência, alternativamente ou adicionalmente, para homogeneizar o gás de ensaio. A homogeneização do gás de ensaio individual dá-se por diversas (pelo menos duas) ramificações de comprimento e diâmetro diferentes, que são permeadas por partes do gás de ensaio. Depois da região das ramíifica- ções,as partesdo gás de ensaio não novamente reunidas. Nesse caso, é importante que a seção transversal total de todas as ramificações (portanto, as soma das seções transversais das ramificações individuais) apresente uma seção transversal de corrente maior ou do mesmo tamanho como o restante do dispositivo de medição, para que pelas ramificações não seja gerada uma resistência de pressão mais alta ou apenas ligeiramente mais alta para o fluxo do gás de ensaio no dispositivo de medição. Os comprimen- tos das diversas ramificações, pela quais corre o gás de ensaio, são selecio- nados de tal modo que volumes de gás de amostra com um tamanho de vo- lume determinado sejam misturados de modo ótimo. A mistura ocorre de — modo meramente passivo e utiliza unicamente a diferença de pressão para a saída do dispositivo de medição, que induz a corrente do gás de amostra.

Como exemplo, pode ser citado o uso do dispositivo de medição

: para a análise de respiração, na qual é homogeneizada uma única respira- ção (particularmente, completa). A expiração gera a diferença de pressão, que induz a corrente do gás de ensaio. O volume médio de uma respiração perfaz, aproximadamente, 500 ml. Já em ramificações com três tamanhos de diâmetro diferentes, com relações d3:d2:d1 = 3:2:1, a corrente de volume laminar mostra velocidades diferentes v3<v2<v1. Mantendo constante a mé- dia total para os tamanhos de diâmetros individuais d1, d2 e d3, pelo fato de serem selecionadas várias ramificações com tamanhos de diâmetro d1 e d2, então por todas as ramificações com diâmetro igual, corre, aproximadamen- te, omesmo volume (desprezando a fricção). Pelas velocidades de corrente diferentes do gás de ensaio, a quantidade de volume desejada (por exemplo, 500 ml) pode, agora, ser bem misturada por seleção do comprimento de ra- . mificação. O número de ramificações perfaz pelo menos duas. Quanto mais ramificações forem usadas, tanto mais homogeneamente o gás de ensaio Y 15 pode ser misturado. Uma boa mistura permite uma medição mais precisa e rápida de componentes de gás no gás de ensaio. Ele é importante, por e- xemplo, para medições altamente precisas com técnica de medição de pas- sagem. Os diâmetros das ramificações individuais são, de preferência, selecionados de tal modo que uma segunda ramificação apresenta um dià- metro maior em pelo menos 50%, particularmente, pelo menos 60%, particu- larmente, pelo menos 70%, particularmente, pelo menos 80%, particular- mente, pelo menos 90%, e, especialmente, pelo menos 100%, do que uma primeira ramificação.

O laser emissor em banda estreita apresenta em uma configura- ção da invenção uma largura de linha de menos de 0,2 cm”, particularmen- te, de menos de 0,05 cm”. Nesse caso, quanto menor for a largura da linha, tanto mais precisamente pode ser medida uma determinada faixa espectral. O laser é em um exemplo de modalidade um laser de cascateamento quân- tico de infravermelho, que emite luz, por exemplo, na faixa de frequência entre 2200 cm” e 2400 cm”, particularmente, na faixa entre 2295 cm” e 2305 cm”.

| Para a variação da frequência do laser, estão previstos meios para afinação do laser, que em uma modalidade aplicam uma tensão modu- lada periodicamente com uma frequência demodulação na cabeça de laser do laser, sendo que a tensão aplicada está associada a um aumento de temperatura de curto prazo e, com isso, a um deslocamento de frequência. Por uma modulação de tensão correspondente, pode ser obtida, portanto, um aumento de temperatura e redução de temperatura repetidos do laser. À afinação do laser está situada, nesse caso, de preferência, entre 0,5 eme 60 cm”, particularmente, em 1 em”, 2 em”, 6 em” ou 20 cm”*. A variação de frequência determina a faixa espectral, que é medida. A frequência de modu- lação determina com que frequência uma determinada faixa espectral é me- dida. A frequência de modulação está situada em uma configuração entre .- 100 e 500 Hz, particularmente, entre 10 e 100 Hz, particularmente, em apro- ximadamente 50 Hz. A tensão aplicada na cabeça de laser é em uma confi- É 15 guração uma tensão triangular, de modo que um espectro de frequência li- near definido é passado, primeiramente, para cima e, depois, novamente para baixo. Alternativamente, pode ser usada, por exemplo, uma tensão em dentes de serra.

Tal como já apresentado, o dispositivo de medição de acordo coma invenção apresenta uma alta resolução temporal das medições indivi- duais, que está correlacionada com uma alta densidade de pontos do espec- tro medido. O dispositivo de detecção, nesse caso, está formado e ajustado para medir, por faixa espectral, na qual a frequência de laser varia, portanto, durante um período da frequência de modulação, mais de 20 pontos de me- dição, de preferência, mais de 100 pontos de medição, de modo particular- mente preferido, mais de 500 pontos de medição.

O sinal de laser, que emite o laser, é, de preferência, pulsado e em uma configuração apresenta uma duração de pulso de menos de 200 ns, particularmente, de menos de 100 ns. O dispositivo de detecção está forma- doe ajustado, nesse caso, em uma configuração, para realizar uma medição de absorção para cada pulso de luz do laser emitido. Cada pulso d laser le- va, portanto, a um valor de medição de absorção.

] Pode estar previsto, ainda, que o dispositivo de detecção seja li- do com uma frequência, que tem do dobro do tamanho da frequência, com a qual o laser emite pulsos de luz. A leitura ocorre, portanto, com a quantidade de repetições de laser em dobro. Isso significa que só cada segundo proces- so de leitura refere-se a um pulso de luz medido. Os processos de leitura situados entre os mesmos não estão correlacionados com um sinal medido e reproduzem, apenas, o sinal de fundo. O sinal de fundo é, de preferência, deduzido diretamente. Isso possibilita aumentar adicionalmente o sinal de medição.

Para aumentar a precisão de medição, está previsto, ainda, em uma variante de modalidade, que a luz emitida pelo laser seja dividida em dois raios parciais, sendo que um raio parcial passa pela câmara de medição : e o outro raio parcial é detectado por um dispositivo de detecção de referên- cia. A unidade de avaliação avalia os sinais do dispositivo de detecção de f 15 referência, para normalização da intensidade de sinal do laser. Desse modo, podem ser calculadas oscilações de intensidade do laser, o que aumenta adicionalmente a exatidão das medições realizadas.

O dispositivo de medição de acordo com a invenção está ajusta- do em uma configuração para examinar como gás de ensaio o gás respirató- riodeum humano ou de um animal. O dispositivo de medição é, apropriado, particularmente, para determinar, com resolução temporal, a relação da con- centração de isótopos **CO2/2CO> no gás respiratório do humano ou do a- nimal. Pode ocorrer, ainda, uma medição quantitativa de um parâmetro de metabolismo no gás respiratório, em temporal. O dispositivo de medição está ajustado, por exemplo, para determinar a quantidade total de **CO, por res- piração. Em uma medição de várias respirações, consequentemente, isso pode dar-se com uma precisão de aproximadamente 10 ug. O dispositivo de medição está ajustado, ainda, para determinar, em tempo real, a concentra- ção de dióxido de carbono do gás respiratório no âmbito entre 0,08% e 8% napassagem.

Uma outra aplicação permite determinar, por meio do dispositivo de medição de acordo com a invenção, a largura de linha de uma linha de

Õ absorção do gás de ensaio, na dependência da concentração de gás. Assim, pela alta resolução temporal, pela alta resolução espectral e pela alta sensi- bilidade das medições de absorção realizadas pode ser determinada a largu- ra de linha de uma linha de absorção observada, na dependência da con- — centração de gás. Para esse fim, as larguras de linha são medidas a concen- trações de gás definidas, ajustadas previamente. A invenção refere-se, ainda, a um processo para analisar um gás de ensaio por meio de espectroscopia de absorção de infravermelho. O processo compreende os seguintes passos: - irradiação de uma câmara de medição com luz, que é emitida por um laser de banda estreita, cuja largura de linha é menor ou igual à lar- gura de uma linha de absorção de infravermelho a ser medida de um gás de - ensaio que se encontra na câmara de medição, sendo que a frequência do laser é variada periodicamente dentro de uma faixa espectral definida e a : 15 frequência de laser e a variação da mesma são selecionadas de tal modo que pelo menos uma linha de absorção de infravermelho do gás de ensaio está na faixa espectral definida, - detecção, com resolução temporal, da luz emitida pelo laser e que atravessa a câmara de medição, sendo que uma única medição de ab- sorção é realizada dento de 10º s ou de modo mais rápido, e - avaliação dos sinais detectados, referentes a uma absorção de luz ocorrida na câmara de medição, sendo que a absorção de luz é determi nada, com resolução de frequência, dentro da faixa espectral definida.

A invenção é explicada, a seguir, mais detalhadamente, sob re- ferência às figuras dos desenhos, por meio de vários exemplos de modali- dade. Mostram: figura 1 um exemplo de modalidade de um dispositivo de medi- ção, para analisar um gás de ensaio por meio de espectroscopia de absor- ção de infravermelho; figura 2 a medição de uma linha de absorção de **CO; a 2297,10cm”, por meio do dispositivo de medição da figura 1, sendo que a absorção está representada na dependência da frequência, em números de ondas, dentro de uma faixa espectral medida; figura 3 a medição simultânea das linhas de absorção de "?CO, e CO>, no decorrer de duas respirações sucessivas, sendo que a absorção está representada, por um lado, contra o tempo e, por outro lado, contra a frequência, em números de ondas; figura 4 a relação da concentração de **CO> para "?CO, na faixa de medição entre O DOB e 300 DOB, sendo que a abscissa representa uma relação de concentração ajustada de gases de teste e a ordenada, valores medidos pelo dispositivo de medição da figura 1; figura 5 o aumento de 13CO, em um indivíduo de teste, após a ingestão de metacetina marcado com 13C, na dependência de tempo; figura 6 larguras de linha das linhas de absorção de Co>, na de- - pendência da concentração de CO, do gás de ensaio, a uma pressão inalte- rada; ' 15 figura 7 uma representação esquemática de um processo de medição, para determinação da capacidade hepática, sob uso do dispositivo de medição da figura 1. A figura 1 mostra um dispositivo de medição 100 para analisar um gás de ensaio por meio de espectroscopia de absorção de infravermelho.

O dispositivo 100 compreende um laser 1, uma câmara de medição 2, dois detectores 61, 2, uma antecâmara 4, um espirômetro 5, um intensificador de carga 7e uma unidade de avaliação 8. O laser 1 é um laser de cascateamento quânticode infraverme- lho (QLC), que apresenta uma largura d elinha abaixo de 0,2 em, particu- larmente, uma largura de linha de 0,05 em”. À frequência fundamental do laser de cascateamento quântico é ajustada através da temperatura do mesmo.

A mesma é realizada sobre uma escala de tempo de aproximada- mente 0,05 a 0,5 s por meio de uma unidade de controle de laser 92. A fre- quência de laser pode ser adicionalmente variada periodicamente dentro de uma faixa espectral definida.

Para esse fim, é aplicada, adicionalmente, no laser de cascateamento quântico 1 uma tensão, que, a seguir, também é designada como “tensão de sweep”", por meio da unidade de controle de la-

À ser 92. A tensão de sweep e uma corrente de sweep correspondente à mesma provocam um aumento de temperatura de curto prazo durante o flu- xo de corrente adicional no laser e, com isso, deslocam a frequência. Os parâmetros do laser estão ajustados de tal modo que, de preferência direta- mente após o termino do fluxo de corrente, é novamente emitida a frequên- cia fundamental.

A tensão de sweep é aumentada continuamente, por exemplo, por meio de uma tensão triangular ou tensão em dentes de serra, e, depois, novamente reduzida, com o que ocorre uma variação de frequência conti- nua. Portanto, com base na frequência fundamental, a frequência do laser 1 é variada periodicamente. A variação de frequência está correlacionada com uma afinação do laser, que se situa em pelo menos 0,5 cm”. Exemplos para . a largura da afinação são 1, 2, 6, 20 ou 60 cm”. A afinação indica, nesse caso, uma faixa espectral, dentro da qual a frequência de laser é variada. A - À 15 frequência de modulação, com a qual a frequência de laser é variada perio- dicamente, situa-se no âmbito entre 1 e 500 Hz. A mesma defina a frequên- cia com que a faia espectral observada é medida. A seguir, parte-se, exem- plificadamente, de uma frequência de modulação de 50 Hz.

O laser 1 é um laser pulsado, que emite sinais de luz com uma duração de pulso de menos de 200 ns, particularmente, de 100 ns ou até mesmo mais curto. Com isso, a resolução temporal de uma medição está limitada a 200 ns ou 100 ns. O uso de durações de pulso relativamente cur- tas assegura, a esse respeito, larguras de linha espectralmente estreitas, uma vez que em pulsos de longa duração, ocorre um alargamento de linha, devido aum aumento de temperatura, que está associada a uma emissão comparativamente longa de luz de laser.

A quantidade de laser, isto é, o número dos pulsos que é emitido por segundo, situa-se, por exemplo, entre 10 e 100 Hz. A seguir, presume- se, exemplificadamente, uma quantidade de laser de 50 Hz.

O laser 1 está disposto em uma carcaça fechada, que impede um conato com o ar externo. Para esse fim, ele está disposto, por exemplo, em uma carcaça de TO3. Uma refrigeração com água 96 assegura uma re-

] frigeração do laser 1. Através da unidade de controle de laser 92 é aplicado, além dis- so, o sinal de comando para o laser de cascateamento quântico 1. A câmara de medição 2 apresenta uma janela de entrada 21 o- —blíqua, pela qual a luz de laser entra na câmara de medição 2, e uma janela de saída 22, dispôs perpendicularmente à direção do raio. A luz irradiada pelo laser 1 é guiada através de uma lente revestida com material antirrefle- xo 31 sobre a janela de entrada 21 oblíqua. Na janela de entrada 21 a luz é dividida em dois raios parciais. O raio transmitido atravessa a câmara de medição 1,deixaa câmara de medição 2 pela janela de saída 22 e, depois, depois de focalizado por uma outra lente 32 revestida com material antirre- flexo incide sobre um primeiro detector 61. As lentes revestidas com material - antirreflexo 31, 32, 33, que consistem, por exemplo, em ZnSe, safira, CaF2 ou BaF», estão conectadas diretamente com o laser 1 ou com os respectivos : 15 detectores 61,62, de modo que a estrutura de medição só consiste em qua- tro componentes, a saber, o laser, os dois detectores e a câmara de medi- ção. Isso leva a uma estrutura simples, robusta. A luz de laser atravessa apenas uma vez a câmara de medição 1, que esta formada sem espelhos. Isso aumenta adicionalmente a simplici- dadeea ausência de predisposição para defeitos da estrutura de medição. A câmara de medição 2 compreende um dispositivo de regula- ção de temperatura 23, que está formado, particularmente, como dispositivo de aquecimento e que é regulado através de um regulador de temperatura

27. O dispositivo de regulação de temperatura 23 assegura uma temperatura constante dentro da câmara de medição, que se situa, por exemplo, em 35ºC ou acima. Isso impede que vapor de água, eventualmente existente no gás de ensaio, que permeia a câmara de medição 2, embace a câmara de medição 2. A temperatura constante também pode situar-se abaixo da tem- peratura ambiente. Para alimentação de um gás de ensaio à câmara de medição, a mesma apresenta uma primeira ligação 24. A ligação 24 está disposta na carcaça da câmara de medição, que consiste, por exemplo, em alumínio.

! Através da ligação 24, é alimentado à câmara de medição 2 o gás de ensaio por uma antecâmara 4 através de um tubo flexível 43 ou similar.

À antecâ- mara 4 também está associado um dispositivo de aquecimento 41, que reali- za através de um regulador de temperatura 42 uma regulação da temperatu- radogásde ensaio alimentado à câmara de medição 2. Desse modo, o gás de ensaio já é aquecido na antecâmara 4 e tem seu teor de vapor de água reduzido.

Em vez do dispositivo de aquecimento 41, também poderia ser usado um dispositivo de regulação de temperatura 41, que, caso necessário, também poderia esfriar o gás de ensaio na antecâmara 4. Além disso, a câmara de medição 2 apresenta uma ligação 25 para o gás de ensaio que sai da câmara de medição 2. O gás de ensaio cor- re, nesse caso, por um tubo flexível 26 ou similar para um espirômetro 5, . que determina a corrente de volume, que corre pela câmara de medição 2. Depois d permear o espirômetro 5, o gás de medição sai do dispositivo de medição para o ambiente, sendo que o espirômetro 5 também pode estar disposto em um outro ponto no dispositivo de medição.

O gás de ensaio corre para a câmara de medição 2 perpendicu- larmente à direção, na qual a luz de laser atravessa a câmara de medição 2. Ele também corre, perpendicularmente à direção citada por último, nova- mente para fora da câmara de medição 2. Nesse caso, as ligações 24, 25 estão dispostas alternadamente na carcaça da câmara de medição.

Toda a estrutura de medição do dispositivo de medição é uma estrutura aberta, sem válvulas ou válvulas de ar, que poderiam obstruir o fluxo do gás de ensaio.

Pelo contrário, o gás de ensaio pode permear, sem empecilhos, a estrutura descrita.

Nesse caos, está previsto que a seção transversal na linha de alimentação 43, na câmara de medição, bem como na linha de descarga 26, seja substancialmente constante, de modo que em todos os pontos está garantido um fluxo laminar e não ocorrem acúmulos de gás em determinados pontos.

Pelo contrário, o gás de ensaio, que entra a- través da antecâmara 4 na câmara de medição 2, desloca completamente o gás de ensaio existente previamente para fora da estrutura de medição.

O gás de ensaio corre pela antecâmara 4 para a câmara de medição 2 e da

! câmara de medição 2, pelo espirômetro, 5 novamente para fora do dispositi- vo de medição.

As medições são realizadas à pressão normal. A câmara de me- dição 2, a antecâmara 4, a linha de alimentação 43, a linha de descarga 26 e oespirômetro5 são realizados de tal modo que eles são estanques até uma sobrepressão de até 20 KPa (200 mbar), em comparação com a pressão normal. Não havendo uma diferença de pressão entre a entrada de gás 24 e a saída de gás 25, o gás de ensaio ode permanecer inalterado, por até vá- rias dezenas de minutos, na câmara de medição 2.

As medições de absorção de infravermelho, ainda descritas mais detalhadamente, a seguir, são realizadas em cada fase do fluxo de gás ela câmara de medição 2, particularmente também, quando o gás de ensaio . permeia a câmara de medição 2. As medições realizadas ocorrem em pas- sagem real. Devido à estrutura abertura da câmara de medição 2, o gás de ? 15 ensaiona câmara de medição 2 pode ser trocado à rapidez desejada. Tal como ainda será exposto, o dispositivo de medição descrito é apropriado e ajustável para medir como gás de ensaio o gás respiratório de um humano ou animal. No caso do uso de gás respiratório como gás de ensaio, à pressão respiratória assegura que a nova respiração desloca a respiração antiga da câmara de medição e, nesse caso, a nova respiração é medida em tempo real. Com isso, a amostra de gás respiratório é trocada na câmara de medição, com a rapidez necessária, apenas pela respiração, in- dividualmente para cada paciente, sendo que medições ocorrem na passa- gem, em tempo real. A resistência à respiração do aparelho de medição está configurada de tal modo, nesse caso, que ela se situa para o fluxo de gás em menos de 6 KPa (60 mbar).

No caso dos detectores 61, 62, trata-se de detectores de MCT. Esses detectores são detectores semicondutores na base de mercú- rio(II)cádmio(lI) telurita. Os detectores 61, 62 estão, de preferência, refrige- rados pelo efeito de Peltier, com o que é possível dispensar detectores refri- gerados com nitrogênio líquido, a, apesar disso, uma alta sensibilidade. À dispensa de nitrogênio líquido para refrigeração amplia a área de uso do

' dispositivo de medição, por exemplo, na prática clínica.

Os dois detectores 61, 62 são lidos quase ao mesmo tempo. Cada detector 61, 62 mede, nesse caso, todo o espectro da luz emitida pelo laser. Desse modo, são evitados erros por variação da sensibilidade de de- tectorde detector para detector.

O sinal lido pelos detectores 61, 62 é primeiramente intensífica- do em um intensificador de potência 7 para cada detector e integrado. O si- nal intensificado é depois alimentado, em cada caso, através de um adapta- dor 91 a uma unidade de avaliação 8, que está realizada, por exemplo, por meiodeum PC comum e software apropriado. O sinal do detector 62 serve, nesse caso, apenas para a normalização da intensidade de sinal Assim, os- cilações de intensidade no detector 61, que são causadas por oscilações de intensidade do laser 1, podem ser corrigidas por meio do sinal do detector

62. Isso aumenta a exatidão da avaliação.

A unidade de avaliação 8 recebe, além disso, sinais do espirô- metro 5. Também pode estar previsto que a unidade de avaliação seja in- formada, através de um sensor não representado ou do regulador de tempe- ratura 42, 27, a temperatura do gás de ensaio e/ou a temperatura na câmara de medição 2. À unidade de avaliação 8 está associado um monitor 95.

A unidade de avaliação 8 gera sinais de controle para a unidade de controle de laser 92 com referência ao sinal de sweep, à temperatura do laser e a frequência de disparo. O monitor 95 pode servir para representar graficamente uma avaliação das medições de absorção realizadas. A unida- de de avaliação 8 pode, além disso, estar ligada a uma rede de telecomuni- cações,por exemplo, à Internet e/ou a uma rede telefônica.

Uma parte de rede 95, que está ligada através de um transfor- mador 94 a uma tomada de rede, assegura um abastecimento elétrico dos diversos elementos do dispositivo de medição.

Tal como exposto, a frequência do laser 1 é periodicamente va- riada A faixa espectral atravessada, nesse caso, é fixada pela tensão de sweep. A uma quantidade de laser de 50 kHz e a uma tensão de sweep de 50 Hz, podem ser medidos, por faixa espectral atravessada, 1.000 pulsos de r laser.

A faixa espectral observada é medida, nesse caso, 50 vezes por se- gundo.

As medições podem ter a média calculada sobre um determinado tempo, por exemplo, sobre o comprimento de uma respiração.

O detector 61 está formado de tal modo que ele realiza uma úni- camediçãode absorção dentro de 10—5 segundos ou de modo mais rápido, particularmente, dentro de 10º segundos ou de modo mais rápido.

Uma fai- xa de frequência total, isto é, a faixa de frequência da faixa espectral definida pela tensão de sweep, pode ser detectada em aproximadamente 0,002 a 1 segundo.

No exemplo de modalidade citado, a densidade de pontos por fai- xa espectral (por sweep) situa-se em 1.000 pontos.

Cada pulso de laser é detectado e transformado em um ponto de medição.

Alternativamente, a densidade de pontos também pode ser selecionada de modo menor, com - aproximadamente 500 pontos ou também só 20 pontos por faixa espectral.

A alta densidade de pontos ao atravessar a faixa espectral a ser ! 15 medida, associada à largura de linha espectral pequena do laser 1, possibili- ta uma resolução espectral de menos de 0,02 cm”. Isso significa que as bandas de absorção da amostra de gás podem ser detectadas e analisadas com muita precisão.

Por desdobramento ou outros processos matemáticos, a resolução espectral, opcionalmente, ainda pode ser aperfeiçoada adicio- nalmente.

A figura 2 mostra a medição de uma linha de absorção de **CO,, que se situa em uma frequência (em números de ondas) de 2.297,19 em”. À abscissa indica a modificação da frequência (devido à tensão de sweep) em relação à frequência fundamental do laser 1. A absorção está indicada em OD (densidade óptica). A densidade de pontos é suficientemente alta para poder determinar a linha de absorção muito precisamente.

Pode estar pre- visto ajustar a curva.

Uma adaptação da linha de absorção pode dar-se, por exemplo, com curvas de Lorenz.

O registro de dados ocorre, em cada caso, por meio de um car- tão analógico/digital, que está disposto na unidade de avaliação 8 e registro por microssegundo um ponto de dados ou mais.

A resolução, nesse caso, é melhor do que 12 bits.

1 A uma quantidade de laser de 50 kHz, uma frequência de modu- lação da corrente de sweep de 50 Hz, são medidos 50 espectros por segun- do. Por espectro são medidos 1.000 pontos. A quantidade de leitura dos detectores 61, 62 é, de preferência, selecionada de tal modo que ela em o dobro do tamanho da quantidade de laser. A uma quantidade de laser de 50 kHz, a quantidade de leitura dos de- tectores 61, 62 perfaz, assim, 100 kHz. Isso leva ao fato de que em cada processo de ativação só um sinal de luz detectado é lido. As medições que ocorrem entre os mesmos referem-se ao fundo ou ruído. A leitura dos detec- tores 61,62 com a quantidade de laser em dobro possibilita deduzir imedia- tamente o fundo, a cada medição de luz. Isso se dá, de preferência na uni- dade de avaliação 8 e aumenta adicionalmente a precisão da medição..

: Com o dispositivo de medição descrito, são medidos em tempo real espectros de absorção para uma faixa espectral definida, uma vez que : 15 por segundo uma pluralidade de espectros pode ser detectada. Opcional- mente, nesse caso, pode ser calculada a média sobre uma pluralidade de espectros, o que aumenta, adicionalmente, a precisão da medição. Com is- So, é possível uma detecção, em tempo real, de modificações da composi- ção de um gás de ensaio.

Para manter uma alta precisão, é necessária uma ala estabilida- de da frequência. Isso é obtido pelo fato de que o controle de temperatura da unidade de controle de laser 92 é controlado complementarmente por um software de medição. Nesse caso, a temperatura é reajustada em pequenos passos, de modo que sempre a mesma máquina de absorção de gás (por exemplo, de *CO>) está situada na mesma posição na região de medição. Além disso, está previsto que também a tensão de sweep seja reajustada, de modo que as outras linhas de absorção se situam na posição desejada na região de medição. Desse modo, as medições podem ser reproduzidas de modo ótimo e podem ter sua média calculada. Por números de média grandes é aperfeiçoada a relação de sinal-ruído. O software de medição também permite, de preferência, uma identificação automática de se a po- tência de laser está caindo e quando o laser 1 falha. O software de medição correspondente pode ser parte da unidade de avaliação 8 ou da unidade de controle do laser 92. Pode estar previsto, ainda, que uma avaliação rápida dos espec- tros se dê através de uma integração de faixas de frequência especiais, que devem ser associadas às linhas de absorção individuais. O levantamento de graus de aferição com amostras de gás, que são conhecidas em sua com- posição permite, nesse caso, a determinação simples e precisa do desvio, sem um ajuste dos dados. Como a estabilidade da frequência está ajustada de modo reprodutível, podem ser analisadas seletivamente regiões de fre- quência, das quais as concentrações são determinadas com alta precisão. Um ajuste das grandes quantidades de dados possivelmente iria retardar o processo de medição e, portanto, não é forçosamente necessário. : Pela alta seletividade de medição, a medição pode dar-se inde- pendentemente de gases de teste, tais como oxigênio ou outros gases anes- " 15 tésicos. Com a alta resolução existente, podem ser separadas influências de qualquer outro gás.

No exemplo de modalidade, o dispositivo de medição está otimi- zado para realizar medições de potência hepática, após a administração de metacetina marcado com "ºC. O **CO, é comprovado no ar respiratório. Isso está descrito detalhadamente no documento WO 2007/000145 A2, ao qual faz-se referência a esse respeito.

Tal como está representado esquematicamente na figura 7, um paciente a ser examinado usa uma máscara respiratória, que apresenta uma válvula de entrada de ar e uma válvula de saída de ar. Desse modo, o ar de inspiração é separado do ar de expiração. Ar expirado não pode ser nova- mente inspirado. Na válvula de saída de ar é ligado um tubo flexível de plás- tico, que guia todo o ar respiratório para o dispositivo de medição 100 e que está conectado com a antecâmara 4. A máscara e os tubos flexíveis também são estanques até uma sobrepressão de até 20 KPa (200 mbar), de modo —quetodoo ar respiratório core pelo dispositivo de medição 100.

Nesse caso, um software de medição identifica, automaticamen- te, quando a máscara não está corretamente ajustada sobre o rosto do paci-

: ente ou tiver escorregado. O software de medição também identifica se o paciente ainda está ou não respirando e, opcionalmente, emite um aviso. Além disso, está previsto que o software de medição identifique quando a medição pode ser terminada. Um software desse tipo também pode estar integrado na unidade de avaliação 8.

A frequência de laser do laser 1 e a faixa espectral definida pela tensão de sweep são, então, selecionadas de tal modo que pelo menos duas linhas de absorção do gás de amostra se situam na faixa espectral definida. No exemplo observado, as mesmas são uma linha de absorção de "*Coze umalinhade absorção de CO. Após a administração de metacetina mar- cada com "ºC, a mesma é dissociada no fígado e pode ser comprovada no ar respiratório. A dissociação está correlacionada com um aumento de **CO, - ar respiratório, o que leva a uma relação modificada de **CO, para ?CO>2. À relação é determinada pelo dispositivo de medição 100 por meio das medi- à: 15 ções de absorção e o curso temporal da mesma é representado sobre um monitor 93.

A figura 3 mostra a medição simultânea das linhas de absorção de CO, e CO» no decurso de duas respirações consecutivas. A modifica- ção de absorção está indicada em OD (densidade óptica). Ela está registra- daerepresentada tanto contra o tempo, em segundos, como também contra a frequência, em números de ondas. Vê-se, nitidamente, as fortes variações da absorção e, portanto, da concentração.

A figura 4 ilustra a precisão com a qual a relação da concentra- ção de *CO/2CO, pode ser medida. As relações de concentração foram ajustadas com gases de teste caracterizados exatamente e essas relações são verificadas por meio de medições de teste. A abscissa mostra, nesse ca- so, por um valor de DOB ajustado por gases de teste. A ordenada mostra o valor de DOB medido, que são determinados das relações de linhas de a- cordo com a figura 3. Nesse caso, 1 DOB designa uma modificação da rela- çãode CO, para *CO, por um milésimo acima da relação natural. Mostra- se que a relação da concentração de **CO, para "CO, pode ser determina- da com uma precisão de mais do que 5 DOB por respiração — na medição

' de várias respirações sucessivamente.

A região de medição estende-se de O DOB até acima de 1000 DOB na faixa de concentração de 0,08% até 8% de CO». Sobre toda a faixa a relação é medida com a mais alta precisão.

A figura 5 mostra a determinação da potência hepática após a ingestão de metacetina marcada com "*C. Está representado o aumento de *3CO> de um indivíduo de teste, que esta associado a uma modificação de absorção aumentada da linha de absorção de **CO,. Cada respiração foi medida e corresponde a um ponto de medição (isto é, os espectros medidos emuma respiração e da relação determinada dos mesmos foi calculada uma média para um ponto de medição). O aumento e a máxima da modificação de absorção podem ser determinados claramente e quantitativamente com - precisão. O agente de diagnóstico foi administrado aproximadamente a -3 minutos.

: 15 De modo correspondente, também pode ser determinada a rela- ção de outros isótopos, elementos ou moléculas.

O dispositivo de medição de acordo com a invenção permite, a- lém da medição da relação de determinados isótopos, também outras avali- ações. Por exemplo, pode ser medida a quantidade total de um produto de metabolismo, por exemplo, de **CO, na respiração. Assim, a corrente de vo- lume, que corre pela câmara de medição 2, é determinada com o espirôme- tro 5. Como o volume da câmara de medição 2 é constante e a absorção é determinada com resolução temporal, a quantidade de dióxido de carbono, que corre pela câmara de medição, pode ser determinada por integração sobreo tempo. Particularmente, da absorção pode ser determinada, direta- mente, a concentração, uma vez que o coeficiente de extinção para cada linha de absorção é conhecido, como também o comprimento da câmara de medição. Como o dispositivo de medição possibilita acompanhar a absorção com resolução temporal, em tempo real, e também a corrente de volume, com resolução temporal em tempo real, a quantidade total pode ser determi- nada, em tempo real, através de uma integração do produto de volume e concentração sobre o tempo.

! Pela medição da concentração de **CO, e da concentração de 12CO, pode, portanto, ser determinada, separadamente para **CO, e "2CO,>, a quantidade de dióxido de carbono, que está na câmara de medição. Parti- cularmente, pode ser determinada a quantidade total de **CO,> — na medição de váriasrespirações sucessivamente — para aproximadamente 10 ug, exa- tamente por respiração.

Uma outra aplicação determina a detecção da modificação das linhas de absorção de CO>, a uma concentração variável do CO, no ar respi- ratório, a uma pressão inalterada no ar respiratório. Com crescente concen- tração de gás e/ou pressão parcial que se modifica, também se modifica a largura de linha das linhas de absorção por meio de mecanismos de alarga- mento de linha, em si conhecidos. A largura de linha pode ser medida, a - concentrações de CO> conhecidas, diferentes, por meio do dispositivo de medição, compare as linhas de absorção das figuras 2 e 3.

A figura 6 mostra a largura de linha medida, na dependência da concentração de *?CO, do gás respiratório em por centos. A dependência determinada pode ser avaliada para redução de erros adicional.

A faixa de frequência para a medição de "*CO, e "CO, está si- tuada entre 2200 e 2400, particularmente, em 2295 a 2305 em”. Em geral, é usado, de preferência, um laser 1, que emite luz na faixa de frequência entre 2uma12um.

O uso do dispositivo de medição descrito não está limitado à medição do teor de CO, do ar respiratório. Com o aparelho de medição des- crito, qualquer amostra de gás desejada pode ser analisada. Nesse caso, — pode ser determinada, por exemplo, uma relação de isótopos de quaisquer gases, de modo altamente sensível e muito precisamente, em tempo real. O dispositivo de medição de acordo com a invenção possibilita uma medição quantitativa, dinâmica e com resolução temporal de parâmetros de metabo- lismo, em tempo real. Nesse caso, também podem ser realizadas análises de cargade um humano ou animal em tempo real.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo de medição para analisar um gás de ensaio por espectroscopia de absorção de infravermelho, que apresenta: - uma câmara de medição (2) com o gás a ser analisado, - um laser (1), que está disposto de tal modo em relação à câ- mara de medição (2) que a luz emitida pelo laser atravessa a câmara de medição (2), - um dispositivo de detecção (61), que detecta a luz emitida pelo laser (1) e que atravessa a câmara de medição (2), e - uma unidade de avaliação (8), que avalia os sinais gerados pe- lo dispositivo de detecção (61), no que se refere a uma absorção de luz o- corrida na câmara de medição (2), sendo que o laser (1) é um laser que emi- te banda estreita, cuja largura de linha é menor ou igual à largura de uma linha de absorção de infravermelho a ser medida do gás de ensaio e menos doque 0,2cm?, sendo que - o laser (1) está formado e ajustado de tal modo que a frequên- cia de laser é variada periodicamente dentro de uma faixa espectral definida, sendo que a frequência do laser e as variações da mesma estão seleciona- das de tal modo que pelo menos uma linha de absorção de infravermelho a ser medida do gás de ensaio situa-se na faixa espectral definida, e sendo que - o dispositivo de detecção (61) está formado e ajustado de tal modo que ele detecta, com resolução temporal, a luz emitida pelo laser (1) e que atravessa a câmara de medição (2), de tal modo que a absorção de luz possa ser determinada, com resolução de frequência, dentro da faixa espec- tral definida, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de detecção (61) é projetado e ajustado para reali- zar uma única medição de absorção para pelo menos cada pulso de luz emi- tidodolaser(1)e dentro de 10º s ou de modo mais rápido, e onde o disposi- tivo de medição é apropriado e ajustável para medir como gás de ensaio o gás respiratório de um ser humano ou animal, sendo que o gás respiratório é substituído na câmara de medição apenas pela respiração da pessoa ou do animal e a resistência respiratória do dispositivo de medição é de menos de 6 KPa (60 mbar).

2. Dispositivo de medição de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que a frequência de laser e a variação da mesma estão selecionadas de tal modo que pelo menos duas linhas de absorção de infravermelho do gás de ensaio situem-se na faixa espectral definida, e onde a unidade de avaliação (8) está projetada e ajustada para determinar a rela- ção de dois isótopos, elementos ou moléculas do gás de ensaio por meio da absorção de luz ocorrida nas duas linhas de absorção.

3. Dispositivo de medição de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a câmara de medição (2) apresenta uma es- trutura aberta, sem válvulas ou válvulas de ventilação, que iriam obstruir o fluxo do gás de ensaio para dentro e para fora da câmara de medição (2).

4, Dispositivo de medição de acordo com a reivindicação 3, ca- racterizado pelo fato de que o dispositivo de medição (2) apresenta, entre à entrada de gás no dispositivo de medição (2) e saída de gás do dispositivo de medição (2), substancialmente, uma seção transversal constante para à permeação do gás de ensaio.

5. Dispositivo de medição de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de medição está formado e ajus- tado de tal modo que se dá uma detecção de luz, com resolução temporal, pelo dispositivo de detecção (61), durante a permeação do gás de ensaio pela câmara de medição (2).

6. Dispositivo de medição de acordo com uma das reivindica- ções 1 a 5, caracterizado por um espirômetro (5), que detecta a corrente de volume do gás de ensaio, que corre pela câmara de medição (2).

7. Dispositivo de medição de acordo com uma das reivindica- ções 1 a 6, caracterizado por uma antecâmara (4), que está formada para aquecer ou esfriar o gás de ensaio para uma determinada temperatura e reduzir o teor de vapor de água do gás de ensaio.

8. Dispositivo de medição de acordo com uma das reivindica-

ções 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de detecção (61) es- tá formado e ajustado para medir, por faixa espectral, na qual a frequência de laser varia, mais de 20 pontos de medição, particularmente, mais de 100 pontos de medição, particularmente, mais de 500 pontos de medição.

9. Dispositivo de medição de acordo com uma das reivindica- ções 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o sinal de laser é pulsado, com uma duração de pulso, de preferência, de menos de 200 ns, particularmente, de menos de 100 ns.

10. Dispositivo de medição de acordo com uma das reivindica- çcõesla9, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de detecção (61) es- tá formado e ajustado para ser lido com uma frequência, que tem o dobro do tamanho da frequência, com a qual o laser emite pulsos de luz.

11. Dispositivo de medição de acordo com uma das reivindica- ções 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de medição está configurado de tal modo que a luz emitida pelo laser (1) seja dividida em dois raios parciais, sendo que um raio parcial atravessa a câmara de medição (2) e o outro raio parcial é detectado por um dispositivo de detecção de referên- cia (62), e sendo que a unidade de avaliação (8) avalia os sinais do disposi- tivo de detecção de referência para normalizar a intensidade de sinal do la- ser

12. Dispositivo de medição de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que o dispositivo de medição está formado e ajusta- do para determinar a concentração de dióxido de carbono do gás respiratório no âmbito entre 0,08% e 8% na permeação, em tempo real.

13. Dispositivo de medição de acordo com uma das reivindica- ções 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de medição está formado e ajustado para determinar a largura de linha de uma linha de ab- sorção de infravermelho do gás de ensaio, na dependência da concentração de gás.

14. Processo para analisar um gás de ensaio por espectroscopia de absorção de infravermelho em um dispositivo de medição, como definido em uma das reivindicações 1 a 13, com as etapas:

- irradiação de uma câmara de medição (2) com luz, que é emiti- da por um laser (1) de banda estreita, cuja largura da linha é menor ou igual à largura de uma linha de absorção de infravermelho a ser medida de um gás de ensaio que se encontra na câmara de medição (2) e menos do que 0,2cm?*, sendo que a frequência do laser é variada periodicamente dentro de uma faixa espectral definida e a frequência de laser e a variação da mesma são selecionadas de tal modo que pelo menos uma linha de absor- ção de infravermelho do gás de ensaio esteja na faixa espectral definida, - detecção, com resolução temporal, da luz emitida pelo laser (1) e que atravessa a câmara de medição (2), sendo que uma única medição de absorção é realizada para pelo menos cada pulso de luz emitido do laser e dentro de 10º s ou de modo mais rápido, e - avaliação dos sinais detectados, referentes a uma absorção de luz ocorrida na câmara de medição (2), sendo que a absorção de luz é de- terminada, com resolução de frequência, dentro da faixa espectral definida, caracterizado pelo fato de que o gás de ensaio é o gás respiratório de um ser humano ou ani- mal, sendo que o gás respiratório só é substituído pela respiração do ser humano ou do animal na câmara de medição,e sendo que a resistência res- piratóriado dispositivo de medição situa-se em menos de 6 KPa (60 mbar).

15. Processo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que é determinada a relação de dois isótopos, elementos ou moléculas do gás de ensaio, que apresentam linhas de absorção, que estão na faixa espectral definida.

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FIG 7 : i 3