ES2197157T3 - Analizador del metabolismo. - Google Patents

Abstract

UN ANALIZADOR DE TASAS METABOLICO QUE CONSTA DE UN DETECTOR DE CO2 (30), UN DETECTOR DE O2 (31), UNA RESISTENCIA DE FLUJO (38), UN TRANSDUCTOR DE PRESION DIFERENCIAL (40), UNA VALVULA DE MEDICION ACCIONADA POR SOLENOIDE (33) PARA PRODUCIR UNA MUESTRA VOLUMETRICAMENTE PROPORCIONAL DE GAS RESPIRADO, UN REGULADOR DE VACIO (34) PARA RECIBIR LA MUESTRA, UNA BOMBA (35) PARA RETIRAR LA MUESTRA DEL REGULADOR DE VACIO Y UN PROCESADOR (36) PARA MUESTREAR PERIODICAMENTE LA SEÑAL DE PRESION DIFERENCIAL Y PROPORCIONAR UNA SEÑAL DE FLUJO, PARA MODULAR LA POTENCIA APLICADA A LA VALVULA DE MEDICION ACCIONADA POR SOLENOIDE (33) Y PROPORCIONAR UNA MEDIDA DEL VOLUMEN TOTAL DE GAS RESPIRADO. EL PROCESADOR CORRELACIONA EL VOLUMEN TOTAL DE GAS RESPIRADO, EL CONTENIDO DE O2 Y EL CONTENIDO DE CO2 PARA PROPORCIONAR UNA MEDIDA DE LA TASA METABOLICA. EL FLUJO SE RECICLA ENTRE LA BOMBA (35) Y EL REGULADOR (35) PARA OBTENER UNA FUENTE DE GAS RESPIRADO MEZCLADO PARA SU ANALISIS Y LA INTEGRACION DIGITAL DE LA SEÑAL DE FLUJO PROPORCIONA UNA MEDIDA DEL VOLUMEN TOTAL DE GAS RESPIRADO. UN GENERADOR DE IMPULSOS ACCIONADO POR UN MICROPROCESADOR (36) VARIA LA FRECUENCIA DE LOS IMPULSOS APLICADOS A LA VALVULA DE MEDICION Y EL ANCHO DE IMPULSO PARA PROPORCIONAR UN MUESTREO VOLUMETRICAMENTE PROPORCIONAL Y CONTROLAR EL VOLUMEN DE MUESTRA EFECTIVO DEL ANALIZADOR RESPECTIVAMENTE. EL PROCESADOR DETERMINA LA INCLINACION DE LA SEÑAL DE FLUJO Y AUMENTA Y REDUCE LA VELOCIDAD DE MUESTREO PERIODICO CUANDO LA INCLINACION AUMENTA PARA PROPORCIONAR UN AUMENTO DERIVATIVO DEL PERIODO DE MUESTRA.

Description

Analizador del metabolismo.

La invención se relaciona en general con la técnica del análisis de gases y, más particularmente, está dirigida a analizadores de la función metabólica.

Todos los procesos que tienen lugar en el cuerpo se traducen finalmente en la producción de calor. La producción de calor y el metabolismo se pueden considerar en un contexto similar. En la calorimetría directa, la producción de calor se mide directamente para proporcionar una medida de la velocidad o función metabólica.

Todo el metabolismo energético del cuerpo depende finalmente del uso de oxígeno. La calorimetría indirecta comprende medir el consumo de oxígeno (O_{2}) y la producción de dióxido de carbono (CO_{2}) para proporcionar una estimación indirecta del metabolismo energético. Existen muchas técnicas de análisis de gases diferentes utilizadas en el estado de la técnica en relación con la calorimetría indirecta. Estas técnicas de análisis de gases son utilizadas por médicos por motivos clínicos, por atletas para medir su rendimiento y por entrenadores para medir los niveles de preparación.

Desde hace algún tiempo se sabe que el análisis del aire respirado por un individuo proporciona información valiosa respecto al estado físico del individuo. Las cuatro variables más medidas normalmente son el volumen respiratorio, el consumo de oxígeno, la producción de dióxido de carbono y la relación de intercambio respiratorio (RQ), la cual es la relación de dióxido de carbono producido con respecto al oxígeno consumido.

Uno de los primeros intentos realizados para efectuar el análisis indirecto de la función metabólica implicó el uso de la llamada Bolsa de Douglas. La técnica de análisis de la función metabólica mediante la Bolsa de Douglas comprendía la recogida cronometrada de respiración expirada en una bolsa cauchotada, medición del volumen de gas expirado recogido y análisis de la composición gaseosa contenida dentro de la bolsa cauchotada respecto al contenido en O_{2} y CO_{2}.

Se calculan entonces las funciones metabólicas a partir de los datos obtenidos. La técnica de la Bolsa de Douglas requiere tiempo, está expuesta a errores y únicamente podrá ser realizada en individuos relativamente estacionarios en laboratorios bien equipados. Igualmente, esta técnica no es muy adecuada para la medición de oscilaciones momentáneas de corta duración de las funciones metabólicas.

Dado que los datos obtenidos a partir del análisis del gas de respiración son tan valiosos a la hora de diagnosticar una disfunción cardiopulmonar y evaluar la aptitud cardiovascular en general, se han realizado intensos esfuerzos hacia el desarrollo de analizadores del metabolismo más sencillos, más rápidos y automatizados. El fuerte interés en la preparación física y en el ejercicio aeróbico, tal como el ejercicio de marcha o carrera, ha ayudado a dirigir un esfuerzo más en este campo. En la actualidad se dispone de muchos instrumentos para la determinación del volumen total de aire respirado por un individuo que está siendo estudiado. Estos dispositivos incluyen espirómetros, pletismógrafos y neumotacógrafos. También son disponibles numerosos instrumentos para determinar el contenido en O_{2} y el contenido en CO_{2} en el gas respirado. Algunas de las técnicas más recientes comprenden el uso de un sensor de O_{2} a base de óxido de zirconio discreto y de un analizador de gases por infrarrojos no dispersivos (NDIR) para determinar el contenido en CO_{2}. Si bien tales instrumentos son precisos, los mismos son grandes, voluminosos, requieren frecuentes calibraciones y una pericia especial para su funcionamiento. Normalmente, dichos instrumentos son tan grandes que los mismos se incorporan en un carro provisto de ruedas, el cual únicamente se utiliza en una instalación clínica o de laboratorio.

La WO-A-90-14043 describe un sistema para el análisis metabólico de gas exhalado.

De acuerdo con la presente invención, estos y otros problemas del estado de la técnica son solucionados mediante la provisión de un analizador de la función metabólica que comprende un detector de CO_{2} para determinar el contenido en CO_{2}de un gas respirado; un detector de O_{2} para determinar el contenido en O_{2} del gas respirado; un detector del flujo para proporcionar una señal del flujo representativa del flujo del gas respirado; una válvula dosificadora para suministrar muestras del gas respirado que tienen una relación volumétrica conocida con la velocidad de flujo instantáneo del gas respirado; una bomba para extraer las muestras del gas respirado de la válvula dosificadora y suministrarlas a los detectores de CO_{2} y O_{2}; y un procesador para convertir la señal del flujo en una señal de muestreo que es aplicada a la válvula dosificadora para proporcionar dicha muestra de gas respirado, estando dispuesto el procesador para determinar el volumen total de gas respirado, para derivar una relación volumétrica entre las muestras y el volumen total del gas respirado y correlacionar el volumen total, el contenido en CO_{2} y el contenido en O_{2} para proporcionar una medida de la función metabólica; caracterizado porque la válvula dosificadora es una válvula dosificadora del flujo que es controlada por el procesador para proporcionar muestras de gas respirado a una velocidad de muestreo que es dependiente de la velocidad de cambio instantáneo de la velocidad de flujo del gas respirado.

Preferentemente, el procesador utiliza la señal del flujo para modular la energía eléctrica aplicada a un solenoide que acciona a la válvula dosificadora para proporcionar una muestra de gas respirado que tiene una relación volumétrica conocida con el volumen total de gas respirado. El procesador determina entonces el volumen total de gas respirado y correlaciona el volumen total de gas respirado, el contenido en CO_{2} y el contenido en O_{2} para proporcionar una medida de la función metabólica.

En una construcción preferida, la bomba está provista de una primera salida y de una segunda salida. La primera salida de la bomba se dirige de nuevo al regulador para proporcionar un flujo en circuito de gas respirado mixto. La segunda salida de la bomba está dirigida al detector de CO_{2} y al detector de O_{2} para suministrar una muestra de gas respirado mixto a los mismos. Está previsto un generador de impulsos que tiene una frecuencia variable y una salida de duración del impulso variable, las cuales son controladas por el procesador y por una señal del flujo derivada de la señal de presión diferencial. La frecuencia de la salida del generador de impulsos aumenta con el incremento de la señal del flujo y disminuye con el descenso de la señal del flujo. La salida del generador de impulsos se aplica a la bobina de accionamiento de la válvula dosificadora accionada por solenoide para producir una muestra volumétricamente proporcional. El procesador integra la señal de flujo para proporcionar una medida del volumen total de gas respirado. El procesador controla la señal de flujo para determinar la velocidad de respiración y controla la duración de impulso de la salida del generador de impulsos. La duración del impulso aumenta cuando la velocidad de respiración es baja y disminuye cuando la velocidad de respiración es alta para controlar el volumen eficaz de muestras del analizador. El procesador tiene un periodo variable para el muestreo de la señal de presión y el procesador determina la pendiente de la señal de flujo para aumentar el periodo cuando la pendiente aumenta y disminuir el periodo cuando la pendiente disminuye, efectuando así un aumento derivativo del periodo de muestreo.

En una construcción particularmente preferida, se emplea un analizador de gases por infrarrojos no dispersivos (NDIR) de un solo haz para efectuar análisis de CO_{2}, representativo de una técnica de calibración automática. Más particularmente, un cuerpo que tiene una absorción conocida de energía infrarroja correspondiente a un contenido específico en CO_{2} del gas se dispone para asumir movimiento alternativo en el recorrido óptico entre la fuente de infrarrojos (IR) y el detector IR. Durante la calibración automática del analizador de la función metabólica, se pasa aire del ambiente al interior del sistema para ajustar el detector de oxígeno y se desplaza el cuerpo de movimiento alternativo hacia el recorrido óptico del analizador NDIR de CO_{2} para calibrar automáticamente el analizador sin necesidad de hacer referencia a un gas de calibración, una pila de referencia o similar.

La invención se puede poner en práctica de varias formas pero se describirá ahora, a modo de ejemplo, un analizador de la función metabólica construido de acuerdo con la invención, con referencia a los dibujos adjuntos, en donde:

La figura 1 es una vista en perspectiva del analizador de la función metabólica.

La figura 2 es un diagrama funcional del analizador de la función metabólica.

La figura 3 es una vista en planta de una placa con orificio en el detector de flujo del analizador de la función metabólica.

La figura 4 es una vista en alzado, parcialmente en sección, de un regulador de vacío del analizador de la función metabólica.

La figura 5 es un trazado gráfico del flujo versus tiempo para una respiración típica.

La figura 6 es un trazado gráfico del flujo versus tiempo en condiciones de flujo elevado y de alta velocidad de respiración.

La figura 6(a) es una vista aumentada de la figura 6, ilustrando el aumento derivativo y una duración estrecha de los impulsos asociados con las condiciones de flujo elevado y de alta velocidad de respiración de la figura 6.

La figura 6(b) es un trazado gráfico de una señal digital del flujo proporcional a la frecuencia que activa a la válvula dosificadora accionada por solenoide.

La figura 7 es un trazado gráfico del flujo versus tiempo en condiciones de flujo bajo y de baja velocidad de respiración (basal), ilustrando el aumento derivativo y la modulación de la duración de los impulsos para adaptarse a bajas velocidades de flujo.

La figura 7(a) es una vista aumentada de una parte del gráfico de la figura 7 con respecto al aumento derivativo ilustrado y a las velocidades de impulsos más amplios utilizadas en condiciones de flujo basal para aumentar el volumen eficaz de muestras del analizador de la función metabólica.

La figura 8 es un diagrama funcional del microprocesador del analizador de la función metabólica.

La figura 9 es un conjunto en despiece del detector de O_{2} y CO_{2}.

La figura 10 es un trazado gráfico de la señal digital proporcional a la frecuencia que activa a la válvula dosificadora accionada por solenoide a 0,5 Hz.

La figura 11 es un trazado gráfico de la señal digital proporcional a la frecuencia que activa a la válvula dosificadora accionada por solenoide a 75 Hz.

Con referencia ahora a las figuras y en particular a la figura 1, el analizador de la función metabólica viene ilustrado en general en 10. En la modalidad preferida, el analizador comprende una consola 11, un detector de flujo 12 y una pluralidad de tubos de presión y/o muestreo 13 que interconectan la consola 11 con el detector de flujo 12. El detector de flujo 12 comprende un cuerpo generalmente cilíndrico 15 que tiene una pieza de boquilla elastómera 16 que se mantiene en la boca del usuario. Una sujeción para la nariz, no ilustrada aquí, se coloca normalmente en la nariz del usuario para asegurar que todo el gas respirado por el usuario se descargue a través de la boquilla 16. La consola 11 es pequeña y portátil. La consola resulta adecuada para su transporte manual. Es posible realizar una miniaturización adicional de los componentes, pero en esta modalidad preferida, el peso total es de alrededor de 3,2 kg (7 libras), incluyendo una fuente de alimentación eléctrica por pilas recargables internas, y la huella de la consola 11 es menor de 930 cm^{2} (un pie cuadrado). Esto representa una notable reducción del tamaño, peso y coste final de los analizadores de la función metabólica, dado que los analizadores de la función metabólica convencionales son generalmente adecuados para su uso en establecimientos públicos o en clínicas, y con frecuencia se incorporan en carros provistos de ruedas que no son adecuados para su transporte manual.

La consola incluye además un teclado 20, un dispositivo visualizador de cristal líquido 21, un puerto RS232 en 22 para la interconexión con un ordenador externo, y un puerto de impresora 23 para activar una impresora externa durante la realización de estudios metabólicos de larga duración.

Con referencia ahora a la figura 2, en la misma se ilustra esquemáticamente el analizador de la función metabólica. El analizador comprende un detector de CO_{2} en 30. En la modalidad preferida, el detector de CO_{2} es un analizador de gases por infrarrojos no dispersivos (NDIR) de un solo haz, el cual se describirá más adelante. Dichos detectores NDIR de CO_{2} son conocidos en la técnica y el detector usado en la modalidad preferida es suministrado comercialmente por DynaTech Electro Optics de Saline, Michigan, USA. Un detector de O_{2} está dispuesto en 31. El detector de O_{2} es con preferencia del tipo de pila galvánica. El detector de O_{2} de esta modalidad preferida es suministrado comercialmente por City Technology Ltd., una compañía británica. El detector de flujo se ilustra en 12. Una válvula dosificadora accionada por solenoide está dispuesta en 33 para suministrar una muestra medida de gas respirado desde la boquilla 16 del detector de flujo 12. Un regulador de vacío está dispuesto en 34 para recibir la muestra de gas respirado. Una bomba en 35 extrae la muestra de gas respirado del regulador de vacío y suministra la muestra a los detectores 30 y 31 de CO_{2} y O_{2}. Un microprocesador en 36 convierte una señal de presión diferencial derivada del detector de flujo 12 en una señal de muestreo que se aplica a la válvula dosificadora 33 para proporcionar una muestra de gas respirado que tiene una relación volumétrica conocida con el volumen total de gas respirado que pasa a través del detector de flujo 12. El procesador determina el volumen total de gas respirado y luego correlaciona el volumen total, el contenido en CO_{2} y el contenido en O_{2} para proporcionar una medida de la función metabólica.

Siguiendo con la figura 2, el detector de flujo 12 incluye una restricción del flujo 38 en forma de una placa con orificio que proporciona una restricción al flujo de gas respirado. Una placa con orificio habitual 38 se ilustra con mayor detalle en la figura 3, ilustrándose directamente las dimensiones nominales en milímetros. La placa con orificio 38 está formada con una lámina de acero inoxidable de 0,127 mm (0,005 pulgadas) de espesor. Las dimensiones de la placa con orificio 38 ilustrada en la figura 3 son las óptimas para realizar el estudio de una persona adulta. Un transductor de presión diferencial en 40, figura 2, detecta la caída de presión de un lado a otro o en lados opuestos de la placa con orificio 38 por medio de tubos flexibles 41 y 42. De este modo, el transductor de presión diferencial 40 proporciona una señal que es representativa de la caída de presión de un lado a otro de la placa con orificio 38. Esta señal de presión diferencial tiene una relación conocida con el flujo de gas respirado que pasa a través de la placa con orificio 38.

En esta modalidad preferida, se proporciona una placa con orificio 38 que comprende un orificio pronunciado. Las características de flujo de un orificio pronunciado previsto en una placa son ya conocidas en la técnica. Aunque podrían utilizarse otras restricciones del flujo que tienen una relación conocida, tales como aquellas asociadas con una boquilla de flujo o con un venturi, se prefiere el uso del orificio pronunciado en la placa. Dicho orificio pronunciado produce una señal de presión diferencial que es proporcional al cuadrado del flujo de gas respirado en el detector de flujo 12. El microprocesador 36 proporciona una señal de flujo que es representativa del flujo de gas respirado a través del detector de flujo 12 tomando la raíz cuadrada de la señal de presión diferencial. La señal de presión diferencial se alimenta al microprocesador 36 por la línea 43 y a un convertidor analógico-digital (A/D), no ilustrado en la figura 2. Con referencia de nuevo a la figura 3, en la misma se ilustra que la placa con orificio 38 está provista de un orificio 45 que tiene forma de cruz, lo cual reduce la resistencia al flujo a través del detector de flujo 12 al mismo tiempo que proporciona un comportamiento comparable al de un orificio pronunciado clásico.

El microprocesador 36 controla la salida de un generador de impulsos o de un circuito activador de una válvula, no ilustrado en la figura 2, que envía un tren de impulsos por la línea 46 a la válvula dosificadora 33 accionada por solenoide. La potencia aplicada a la válvula dosificadora 33 accionada por solenoide es proporcional a la señal de flujo calculada por el microprocesador, de manera que a través de la válvula dosificadora 33 pasa, por la línea 47, una muestra pequeña pero representativa del gas respirado que tiene una relación volumétrica conocida con el volumen total de gas respirado descargado a través de la boquilla. La válvula dosificadora accionada por solenoide 33 está cerrada normalmente y una segunda válvula accionada por solenoide 48 es abierta por el microprocesador 36 por medio de la línea 49 únicamente cuando ha de introducirse aire del ambiente al interior del sistema para ajustar y/o calibrar los sensores de O_{2} y CO_{2} durante la puesta en marcha del analizador de la función metabólica.

La bomba 35 está provista de una primera salida en la línea 51 y de una segunda salida en la línea 52. La primera salida de la bomba 35 en la línea 51 se dirige de nuevo al regulador de vacío 34 para proporcionar un circuito de gas respirado mixto que circula a través del regulador de vacío 34 y bomba 35. La segunda salida 52 de la bomba 35 se dirige a los analizadores 31 y 30 de O_{2} y CO_{2}, respectivamente, para suministrar una muestra del gas respirado mixto cuando los impulsos emitidos por el microprocesador 36 accionan a la válvula dosificadora accionada por solenoide 33 para admitir gas de muestra en el regulador de vacío 34, alterando el equilibrio de flujo en el circuito cerrado, representado por las líneas 53 y 51, que se extiende entre el regulador de vacío 34 y la bomba 35. La salida del regulador de vacío 34 en la línea 53 se mantiene normalmente en un vacío constante, en este caso de aproximadamente 127 mm (5 pulgadas) de mercurio. Cuando la válvula dosificadora 33 está cerrada, el flujo de la bomba 35 se descarga a través de la segunda salida 52 hasta que se alcanza el valor de salida prefijado del regulador de vacío 34. De este modo, se establece un flujo en circuito cerrado del gas respirado mixto hasta que se abre la válvula dosificadora 33, admitiendo más gas de muestra en el circuito y dando ello como resultado la correspondiente descarga del aire respirado mixto a través de la línea 52 hacia los detectores de O_{2} y CO_{2}.

Con referencia ahora a la figura 4, en la misma se ilustra el regulador de vacío 34 con mayor detalle. El regulador de vacío 34 comprende un cuerpo de regulador 60 que define una cámara de gas en 61. Un orificio de entrada del regulador está dispuesto en 62. El orificio de entrada recibe el flujo de la línea 50 para conectar la salida de la válvula dosificadora 33 con el regulador 34. Un orificio de salida del regulador está dispuesto en 63 para suministrar gas de muestra a un vacío predeterminado a la línea 53 y entrada de la bomba 35. Un orificio de reciclo está dispuesto en 64 para recibir la primera salida de la bomba 35 en la línea 51. Un diagrama flexible 65 está dispuesto entre el orificio de entrada 62 del regulador y el orificio de salida 63 del regulador para dividir la cámara de gas 61 en un lado de entrada 68 y en un lado de salida 69 en comunicación fluídica con el orificio de entrada 62 del regulador y con el orificio de salida 63 del regulador, respectivamente. Un orificio dosificador 70 está dispuesto en el diafragma 65 para establecer una comunicación fluídica entre el lado de entrada 68 y el lado de salida 69 de la cámara de gas. Un orificio de transferencia 71 está dispuesto en un asiento previsto en el lado de salida 69 de la cámara de gas. El diafragma 65 es solicitado elásticamente por el muelle helicoidal cargado por compresión 72 para acoplarse con el orificio de transferencia 71 y mantener cerrado normalmente el orificio de transferencia a excepción del orificio dosificador 70 que se extiende a través del mismo. Un tornillo 74 ajusta la solicitación elástica del muelle helicoidal cargado por compresión 72 para ajustar la fuerza de obturación del diafragma 65 contra el asiento que contiene al orificio de transferencia 71.

Como se ha indicado anteriormente, el regulador de vacío 34 mantiene la salida en la línea 53 a un vacío conocido, el cual es establecido por la presión del muelle helicoidal 72 contra el diafragma flexible 65. El flujo se descarga a través de la segunda salida 52 de la bomba 35, ilustrada en la figura 2, hasta que se alcanza el punto fijo de vacío predeterminado de la salida del regulador 34. El equilibrio de flujo dentro del circuito cerrado, que incluye el orificio de salida 63 del regulador, la bomba 35 y el orificio de reciclo 51 del regulador, se interrumpe cuando la válvula dosificadora 33 admite más gas de muestra al interior del lado de entrada 68 de la cámara de gas 65. El gas de muestra adicional se dosifica a través del orificio dosificador 70 y se descarga a través del orificio de salida 63 del regulador para sumarse al flujo de la línea 53 que entra en la bomba 35. Esto aumenta la presión en el lado de salida de la bomba 35, aumentando la presión lineal alimentada al orificio de reciclo 64 en la línea 51, levantando el diafragma flexible 65 y aumentando la salida total de la bomba 35 de manera que una muestra de gas respirado mixto del mismo volumen que la cantidad de gas de muestra adicional liberado por la válvula dosificadora 33, se descarga en la segunda salida 52 de la bomba 35 para su análisis en los detectores de O_{2} y CO_{2}, respectivamente.

Como se ha indicado anteriormente, la salida del detector de flujo es proporcional al cuadrado del flujo de gas respirado a través del detector de flujo. De este modo, el microprocesador produce una señal de flujo representativa del flujo en tiempo real de gas respirado a través del detector de flujo tomando la raíz cuadrada de la salida del transductor de presión diferencial. Con referencia al gráfico de la figura 5 de la señal de flujo (V) versus (T), en 80 se ilustra una curva típica de flujo de respiración. El área por debajo de la curva 80 es representativa del flujo total de gas respirado y se determina sumando las señales periódicas de flujo, dividiendo por el número de muestras de señal de flujo tomadas y multiplicando por el tiempo transcurrido. Esta técnica sumatoria se aproxima así a la integral de la curva 80 mediante suma y operación en la señal de flujo en la longitud de la curva 80.

Como se ha descrito anteriormente, la señal de flujo generada por el microprocesador se utiliza para controlar la salida de un generador de impulsos que tiene una salida con una frecuencia variable y con una duración de impulso también variable. La frecuencia de la salida del generador de impulsos es controlada por el microprocesador para que sea proporcional al flujo de gas respirado, de manera que, a través de la válvula dosificadora del analizador, se pasa una muestra pequeña pero volumétricamente proporcional de gas respirado.

Con referencia ahora a las figuras 6 y 6(a), se ilustra que el aumento derivativo se emplea para aumentar la velocidad de muestreo periódico del microprocesador cuando la pendiente de la curva de flujo 81 es alta y para disminuir la velocidad de muestreo cuando la pendiente de la curva de flujo 81 es baja. Además, en las figuras 6(a) y 7 se ilustra que la duración de impulso varía de acuerdo con la velocidad de respiración determinada por el microprocesador. La figura 6 ilustra una curva de flujo típica 81 para un individuo que respira rápida y profundamente. En las figuras 6 y

\hbox{6  (a)}

, la duración del impulso es pequeña, aproximadamente 2,5 microsegundos, y el procesador compara la señal de flujo en V2 y V1 para determinar el régimen de tiempo de cambio o pendiente de la curva 81 y determinar así cuando ha de tomarse la siguiente muestra. Cuando la pendiente aumenta rápidamente como en el segmento 83, también aumenta la velocidad de muestreo. A medida que la pendiente disminuye como en el segmento 84 de la curva, disminuye la velocidad de muestreo. Esto incrementa la resolución o precisión de la integración de la curva 81 para mejorar el cálculo del volumen total de gas respirado.

Con referencia ahora a las figuras 7 y 7(a), se ilustra que, en condiciones de bajo flujo y de baja velocidad de respiración, tales como las ilustradas por la curva 87, la duración del impulso aumenta a 10 microsegundos aproximadamente para aumentar de un modo eficaz el volumen de las muestras y compensarlo en relación con estas condiciones de flujo bajo. Por tanto, se emplea un muestreo variable electrónico para variar la relación volumétrica proporcional entre la muestra y la respiración mediante la realización de un análisis de la velocidad de flujo y de respiración. Esto y el aumento derivativo incrementa la resolución y precisión del analizador de la función metabólica.

Con referencia ahora a la figura 6(b), se ilustra que la señal analógica 81 de la figura 6 es convertida por el microprocesador y por un circuito accionador de una válvula (generador de impulsos), más adelante descrito, en un tren de impulsos o señal digital 200 que es proporcional en frecuencia a la amplitud de la forma de onda 81. Este tren de impulsos se aplica a la válvula dosificadora accionada por solenoide 33. La frecuencia del generador de impulsos tiene un límite inferior de 0,5 Hz y un límite superior de 75 Hz. El límite superior del generador de impulsos se determina por la frecuencia máxima de la válvula dosificadora accionada por solenoide 33. La válvula dosificadora no es accionada por encima de una frecuencia que impide que la válvula se cierre por completo entre los impulsos. Durante el funcionamiento del analizador, a medida que la señal de flujo ilustrada en 82 en la figura 6 aumenta desde cero, el generador de impulsos proporciona una salida inicial de 0,5 Hz. A medida que aumenta el flujo, la frecuencia de la salida del generador de impulsos aumenta proporcionalmente al incremento del flujo de gas respirado. A medida que disminuye el flujo, la frecuencia del generador de impulsos disminuye de manera correspondiente, como se ilustra en la figura 6(b). En esta modalidad, la escala completa para el detector de flujo se establece en 75 Hz, muy por encima de la velocidad de flujo máxima pronosticada para una persona adulta. De este modo, las señales analógicas de flujo tales como aquellas ilustradas en 81 en la figura 6 (alta velocidad de respiración y alto flujo) y en 87 en la figura 7 (baja velocidad de respiración y bajo flujo) se convierten a señales digitales, proporcionales en cuanto a la frecuencia, que activan a la válvula dosificadora accionada por solenoide 33 para proporcionar una muestra de gas respirado que es volumétricamente proporcional al flujo detectado de gas respirado.

Con referencia ahora a las figuras 10 y 11, se ilustra con mayor detalle la duración de impulso variable del generador de impulsos. Como se ha indicado anteriormente, se genera una señal digital, proporcional en cuanto a frecuencia, que tiene un valor de umbral bajo en 0,5 Hz (figura 10) y un valor de umbral alto en 75 Hz (figura 11). En el caso en donde el microprocesador detecta altas velocidades de respiración, la duración del impulso se establece en 2,5 microsegundos en el transcurso de cualquier ciclo de respiración del individuo o en el transcurso de todo el ciclo de procesado (20 segundos). Sin embargo, el procesador actualiza de forma continua la velocidad de respiración, mediante el control de la señal de flujo, y cuando las velocidades de respiración son lentas, por ejemplo cuando se aproximan a las velocidades basales, la duración del impulso se aumenta proporcionalmente a un máximo de 10 microsegundos. En las figuras 10 y 11, las líneas sólidas ilustran el tren de impulsos en 0,5 Hz y 75 Hz, respectivamente, durante una velocidad de respiración alta. Las líneas de trazos en las figuras 10 y 11 ilustran la ampliación de los impulsos del tren de impulsos en 0,5 Hz y 75 Hz, respectivamente, durante un periodo de velocidad de respiración baja.

Puesto que la duración del impulso no varía durante el transcurso de la respiración de un individuo, se mantiene la relación volumétricamente proporcional entre la muestra y el flujo total de gas respirado. La importancia de la variación de la duración del impulso reside en el conocimiento de la respuesta dinámica del analizador. El analizador establece un circuito cerrado de gas respirado mixto que tiene un volumen constante. El tiempo de lavado de este circuito cerrado debe ser compaginado con la velocidad de flujo del individuo. La presencia de altas velocidades de flujo podrían lavar el circuito cerrado rápidamente, dando ello lugar a un flujo con estancamiento a través del sistema en el caso de que no se module la duración del impulso para reducir el volumen de muestra. De manera similar, las bajas velocidades de flujo podrían traducirse en un volumen de muestra que es pequeño con respecto al volumen del circuito cerrado, lo cual podría afectar a la precisión del analizador en el seguimiento de flujos bajos salvo que se modulara la duración del impulso para aumentar el volumen de muestra cuando se detectan bajas velocidades de flujo y de respiración.

Las señales de apertura y cierre para los circuitos activadores y para el periodo de muestreo son todas ellas controladas por un microprocesador. Con referencia ahora a la figura 8, se ilustra en 36 un diagrama funcional del microprocesador. El microprocesador 36 incluye un convertidor A/D 89 y un multiplexor en 90 para alimentar una señal de presión diferencial, una señal de CO_{2}, una señal de O_{2}, una señal de temperatura, una señal de batería y canales auxiliares no ilustrados en la figura 8. El convertidor A/D convierte estas entradas a entradas digitales para un procesador central 91. Los circuitos activadores de las válvulas en 93 convierten la salida del microprocesador 91 en señales que activan todas las funciones controladas por solenoide del analizador. Por ejemplo, el microprocesador genera señales de apertura/cierre para controlar el accionador de voltaje-a-frecuencia que genera una serie de impulsos en la línea 46 hacia la bobina de accionamiento 94 de la válvula dosificadora accionada por solenoide 33. También se pueden proporcionar entradas digitales directas, tal como la salida de un monitor 96 de la función cardiaca. Está previsto un puerto RS232 en 97 para descargar información de la función metabólica directamente a un ordenador personal para su procesado adicional y/o almacenamiento, y está previsto un puerto de impresora en 98 para imprimir la salida prolongada del analizador de la función metabólica. Además, puede proporcionarse un convertidor digital-analógico (D/A) en 99 para producir una señal de salida adecuada para variar la intensidad del ejercicio proporcionado por una bicicleta fija o por una cinta rodante para mantener a los pacientes cardiacos bajo una carga de trabajo constante.

Una memoria de solo lectura está prevista en 100. La memoria de solo lectura comprende una memoria de solo lectura programable, borrable (EPROM). El software operativo para el microprocesador 91 reside en la EPROM 100 y se carga en el microprocesador 91 durante la puesta en marcha. Una memoria de acceso aleatorio (RAM) está dispuesta en 101 para proporcionar memoria a corto plazo para el microprocesador 91 y para almacenar varios señalizadores y valores en una base temporal. La RAM es activada y es capaz de almacenar memoria solo cuando el microprocesador 91 está activado. Una memoria no volátil o RAM está dispuesta en 102 para almacenar datos que deben quedar retenidos cuando se corta la alimentación de corriente. Por ejemplo, la RAM no volátil 102 se emplea para almacenar factores de calibración que han sido calculados debido a que no es conveniente efectuar una calibración de la unidad cada vez que se conecta el analizador. Otros tipos de datos almacenados en la RAM no volátil incluyen el número de serie del analizador, una constante asociada con una ventana de calibración de CO_{2}, el peso del individuo, etc. La mayor parte de la RAM no volátil es RAM asistida por batería. Sin embargo, se puede proporcionar alguna memoria más permanente para datos importantes tal como el número de serie. Después de la puesta en marcha, el procesador recibe datos en tiempo real del convertidor A/D 89 y del multiplexor 90 (CO_{2}, O_{2}, \DeltaP, temperatura, batería). El operario puede también alimentar datos o introducir instrucciones operativas a través del teclado 104. La salida en tiempo real del microprocesador 91 comprende señales de apertura/cierre que controlan los circuitos de activación de las válvulas 93, la salida dirigida a un visualizador de cristal líquido (LCD) en 103, la salida dirigida a otro procesador a través del puerto RS232 97, la salida a través de un puerto de impresora Centronics 98 o la salida a través de un convertidor D/A 99 que controla el nivel de trabajo de una máquina de ejercicio tal como una bicicleta fija o una cinta rodante. Los dispositivos de almacenamiento de datos 101 ó 102 pueden estar provistos de suficiente capacidad para almacenar horas de datos de metabolismo para su impresión o para su representación visual más tarde a través del visualizador 103 o de una impresora conectada al puerto 98. El microprocesador 91 es un microprocesador para funciones especiales, basado en EPROM, que incluye los temporizadores, puertos, etc., que tradicionalmente están asociados con tales miniordenadores.

Con referencia ahora a la figura 9, el conjunto detector de O_{2} y CO_{2} se ilustra en general en 105. El gas procedente de la salida 52 de la bomba 35 se alimenta a una cámara de análisis de gases 106 dispuesta en el cuerpo 107 del detector. El gas de muestra se descarga de la unidad a través de una salida dispuesta en 109. El cuerpo 107 del detector está bifurcado e incluye un cierre 110 que, junto con la junta tórica 111, proporciona una cámara de muestras 106 estanca a los gases. Un detector de O_{2} de tipo galvánico 115 está dispuesto en el cierre 110. El cierre se asegura en el cuerpo 107 del detector por medio de varios tornillos 116 o por otros medios adecuados. El detector de O_{2} 115 se extiende al interior de la cámara de muestras 106 y consiste en un tipo de detector que reacciona directamente con el oxígeno atómico contenido en la muestra par proporcionar una salida que es proporcional al contenido en O_{2} del gas de muestra. Un detector de IR del tipo de pila termoeléctrica está dispuesto en 117 en el elemento de cierre 110 rodeado por una junta 118. En el lado opuesto de la cámara de muestras 106, está dispuesta una fuente de IR en 120 rodeada por una junta 121. La fuente de IR 120 establece un haz de energía infrarroja que se extiende a través de la cámara de muestras 106 e incide sobre el detector de IR 117. La fuente de IR 120 está provista de un filtro de paso de banda en forma de una ventana en la cara de la fuente, que emite un haz estrecho de radiación infrarroja a través de la cámara de muestras 106 a una longitud de onda que presenta una absorción conocida por CO_{2}. De este modo, la atenuación del haz emitido por la fuente de IR 120 reflejado en la salida del detector 117 es directamente proporcional, o presenta una relación conocida, con respecto al contenido en CO_{2} de la muestra contenida dentro de la cámara 106.

El detector de O_{2} 115 es ajustado introduciendo aire del ambiente en la cámara de muestras 106 mediante la apertura de la válvula de solenoide 48 normalmente cerrada, ilustrada en la figura 2. El detector NDIR (infrarrojos no dispersivos) formado por la fuente 120 y el detector 117 se calibra mediante la provisión de un cuerpo de plástico o ventana de calibración 130, que está dispuesta pivotalmente dentro de la cámara de muestras 106. La ventana de calibración 130 está formada de un material plástico duro que tiene una característica de absorción conocida de CO_{2} en el ancho de banda de interés para el análisis de CO_{2}. El material plástico se proporciona en un espesor predeterminado lo cual da lugar automáticamente a un grado de atenuación comparable a un contenido conocido en CO_{2} dentro de la cámara de muestras 106. De este modo, la ventana de calibración 130, durante la calibración automática del analizador de la función metabólica, se desplaza al interior del recorrido óptico entre la fuente de IR 120 y el detector de IR 117 para atenuar automáticamente el haz de IR en una cantidad predeterminada que corresponde a un contenido predeterminado en CO_{2} dentro de la cámara del gas de muestra. De este modo, se consigue la calibración automática de la salida del detector de IR 117 sin tener que hacer referencia a un gas de calibración o a una pila de referencia. La ventana de calibración 130 se dispone para asumir movimiento alternativo dentro de la cámara de gas 106 fijando la ventana 130 en un eje rotativo 131, articulado en el cuerpo 117 del detector. El eje 131 está conectado a un accionador de solenoide lineal 133 mediante el cigüeñal 134. La ventana 130 se acopla en el extremo del eje 131 mediante tornillos de fijación 135. De este modo, cuando el accionador de solenoide lineal es pulsado por el circuito activador 93 del microprocesador durante la calibración, el cigüeñal 134 desplaza al eje 131 y al cuerpo de material plástico 130. El eje 131 está rodeado por una junta adecuada en 136 y por un cojinete 138.

Claims (25)

1. Un analizador (10) de la función metabólica del tipo que comprende: un detector de CO_{2} (30) para determinar el contenido en CO_{2} de un gas respirado; un detector de O_{2} (31) para determinar el contenido en O_{2} del gas respirado; un detector de la velocidad de flujo (12) para proporcionar una señal de flujo representativa del flujo del gas respirado; una válvula dosificadora (33) para suministrar muestras del gas respirado que tienen una relación volumétrica conocida con la velocidad de flujo instantáneo del gas respirado; una bomba (35) para extraer las muestras de gas respirado de la válvula dosificadora (33) y suministrarlas a los detectores de CO_{2} y O_{2}; y un procesador (36) para convertir la señal de flujo en una señal de muestreo que se aplica a la válvula dosificadora para proporcionar dichas muestras de gas respirado, estando dispuesto el procesador (36) para determinar el volumen total del gas respirado, para derivar una relación volumétrica entre las muestras y el volumen total del gas respirado y para correlacionar el volumen total, el contenido en CO_{2} y el contenido en O_{2} para proporcionar una medida de la función metabólica; caracterizado porque la válvula dosificadora (33) es controlada por el procesador (36) para proporcionar muestras de gas respirado a una velocidad de muestreo que es proporcional a la velocidad de flujo instantáneo del gas respirado.

2. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un regulador (34) para recibir cada una de las muestras del gas respirado procedentes de la válvula dosificadora (33) y para suministrar dichas muestras a la bomba (35).

3. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 2, caracterizado porque la bomba (35) está provista de una primera salida (51) y de una segunda salida (52), estando dirigida la primera salida (51) hacia el regulador (34) para proporcionar un flujo en circuito de gas respirado mixto y estando dirigida la segunda salida (52) hacia los detectores de CO_{2} y O_{2} para proporcionar una muestra de gas respirado mixto.

4. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque el regulador (34) comprende un regulador de vacío que tiene un orificio de salida (63) mantenido a un vacío predeterminado.

5. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 4, caracterizado porque el regulador (34) tiene un orificio de entrada (62) conectado a la válvula dosificadora para recibir gas respirado.

6. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque el regulador (34) comprende además un orificio de reciclo (64) y porque la bomba (35) está provista de una entrada y de una salida, estando conectada la entrada de la bomba al orificio de salida (63) del regulador y estando conectada la salida de la bomba al orificio de reciclo (64) del regulador para proporcionar así un circuito para mezclar el gas respirado.

7. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 6, caracterizado porque la salida de la bomba está conectada también al detector de CO_{2} (30) y al detector de O_{2} (31) para proporcionar una muestra de gas respirado mixto a los detectores de CO_{2} y O_{2} (30, 31) cuando la válvula dosificadora (33) libera el gas respirado hacia el regulador de vacío (34).

8. Un analizador de la función metabólica según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, caracterizado porque comprende una válvula de calibración (48) conectada al regulador (34) para introducir aire del ambiente para ajustar y calibrar los detectores de CO_{2} y O_{2} (30, 31).

9. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 2, caracterizado porque el regulador es un regulador de vacío (34) y comprende: un cuerpo (60) que define una cámara de gas (61); un orificio de entrada (62) para recibir gas respirado procedente de la válvula dosificadora (33); un orificio de salida (63) para suministrar gas respirado a la bomba (35); un diafragma flexible (65) dispuesto entre el orificio de entrada (62) y el orificio de salida (63), cuyo diafragma (65) divide a la cámara de gas (61) en un lado de entrada (68) y en un lado de salida (69) en comunicación fluídica con el orificio de entrada (62) del regulador y con el orificio de salida (63) del regulador, respectivamente; un orificio de dosificación (70) dispuesto en el diafragma (65) para establecer comunicación fluídica entre el lado de entrada y el lado de salida de la cámara de gas (61); un orificio de reciclo (64) en comunicación fluídica con el lado de salida del regulador; un orificio de transferencia (71) dispuesto en el lado de salida de la cámara de gas (61) para suministrar gas respirado al orificio de salida (63) del regulador, siendo solicitado el diafragma (65) por un resorte (72) contra el orificio de transferencia (71) para mantener el orificio de transferencia (71) normalmente cerrado, a excepción del orificio de dosificación (70) que se extiende a través del mismo; estando provista la bomba (35) de una entrada y de una salida, estando conectada la entrada de la bomba al orificio de salida (63) del regulador y estando conectada la salida de la bomba al orificio de reciclo (64) del regulador para formar un circuito para mezclar el gas respirado; y estando conectada la salida de la bomba al detector de CO_{2} (30) y al detector de O_{2} (31) para proporcionar una muestra del gas respirado mixto a los detectores de CO_{2} y O_{2} (30, 31) cuando la válvula dosificadora (33) introduce un volumen de gas respirado en el lado de entrada de la cámara de gas (61) del regulador de vacío (34).

10. Un analizador de la función metabólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el detector de flujo (12) comprende un orificio (45) que proporciona una restricción al flujo de gas respirado, y un transductor de presión diferencial (40) para determinar la caída de presión de un lado a otro del orificio.

11. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 10, caracterizado porque el orificio (45) está dispuesto en una placa (38) y comprende un orificio pronunciado.

12. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 11, caracterizado porque el transductor de presión diferencial (40) proporciona una señal de flujo que es proporcional al cuadrado del flujo de gas respirado a través del orificio (45).

13. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque el orificio (45) presenta la forma de una cruz.

14. Un analizador de la función metabólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un generador de impulsos que tiene una salida con una frecuencia variable, siendo controlada la frecuencia de salida del generador de impulsos por el procesador (36) en dependencia de la señal de flujo, de manera que la frecuencia de salida del generador de impulsos es proporcional al flujo de gas respirado.

15. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 14, caracterizado porque el generador de impulsos tiene una salida con una duración de impulso variable, porque el procesador (36) determina la velocidad de respiración de un individuo que está siendo examinado mediante el control de la señal de flujo, y porque el procesador controla la duración del impulso de la salida del generador de impulsos en dependencia de la velocidad de respiración, con lo que la duración del impulso disminuye cuando la velocidad de respiración es alta y la duración del impulso aumenta cuando la velocidad de respiración es baja, con el fin de controlar el volumen de muestra eficaz del analizador de la función metabólica.

16. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 14 ó 15, caracterizado porque la válvula dosificadora (33) es sensible a la salida del generador de impulsos para suministrar una muestra volumétricamente proporcional de gas respirado.

17. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 16, caracterizado porque la válvula dosificadora (33) comprende una válvula de solenoide, solicitada por resorte, normalmente cerrada, que tiene una bobina de accionamiento que contrarresta la solicitación por el resorte cuando la salida del generador de impulsos se aplica a la bobina de accionamiento, con lo que se abre así la válvula dosificadora (33) para suministrar una muestra volumétricamente proporcionada de gas respirado.

18. Un analizador de la función metabólica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el procesador (36) determina periódicamente valores de la velocidad de flujo para el gas respirado a partir de las señales de flujo y suma los valores de la velocidad de flujo para proporcionar una medida del volumen total de gas respirado mediante la integración eficaz del flujo de gas respirado con respecto al tiempo.

19. Un analizador del flujo metabólico según la reivindicación 18, caracterizado porque el detector de flujo (12) comprende un orificio pronunciado (45) en una placa y un transductor de presión diferencial (40), constituyendo la salida del transductor (40) la señal de flujo, siendo representativa la raíz cuadrada de la señal de flujo del valor de la velocidad de flujo del gas respirado, cuyo procesador (36) muestrea periódicamente la señal de flujo, toma la raíz cuadrada de la señal de flujo para formar un valor de la velocidad de flujo, suma los valores de las velocidades de flujo, divide por el número de valores de velocidad de flujo formados y multiplica por el tiempo transcurrido para proporcionar una medida del volumen de gas respirado mediante integración digital.

20. Un analizador de flujo metabólico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el procesador (36): recibe y muestrea periódicamente la señal de flujo; determina periódicamente un valor de velocidad de flujo y compara los valores de las velocidades de flujo para determinar un régimen de tiempo de cambio (pendiente) para los valores de la velocidad de flujo; incrementa su velocidad de muestreo periódico cuando la pendiente aumenta; y disminuye su velocidad de muestreo periódico cuando la pendiente disminuye; proporcionando con ello un aumento derivativo de la muestra del analizador de la función metabólica.

21. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 20, caracterizado porque el detector de flujo (12) comprende un orificio pronunciado (45) en una placa y un transductor de presión diferencial (40) cuya salida comprende la señal de flujo; la raíz cuadrada de la señal de flujo comprende el valor de la velocidad de flujo; y el procesador (36) determina periódicamente la raíz cuadrada de la señal de flujo y la pendiente de la raíz cuadrada de la señal de flujo.

22. Un analizador de la función metabólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el detector de O_{2} (31) comprende una pila galvánica.

23. Un analizador de la función metabólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el detector de CO_{2} (30) comprende un analizador de gases por infrarrojos no dispersivos (NDIR).

24. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 23, caracterizado porque el analizador NDIR comprende además: una fuente (120) de energía de infrarrojos (IR) en un ancho de banda que tiene una absorción conocida por CO_{2}; una cámara de muestra (106) a través de la cual pasa el gas respirado; y un detector (117) de IR; estando dispuesta la fuente (120) de IR en uno de los lados de la cámara de muestra (106) y estando dispuesto el detector (117) de IR en el otro lado de la cámara de muestra (106) para medir la absorción de IR debido al contenido en CO_{2} del gas respirado y para proporcionar una señal representativa del contenido en CO_{2} del gas respirado.

25. Un analizador de la función metabólica según la reivindicación 23 ó 24, caracterizado porque el analizador de gases NDIR comprende además un cuerpo (130) que tiene una absorción conocida para la energía IR que corresponde a un contenido predeterminado en CO_{2} en un gas que está siendo examinado, y un transportador mecánico (131, 133, 134) para colocar alternativamente el cuerpo (130) entre la fuente (120) y el detector (117) para calibrar el analizador NDIR.