ES2309882T3

ES2309882T3 - Metodo para la determinacion del retardo temporal entre un sensor de flujo ultrasonico de corriente principal y un analizador de gas de corriente lateral.

Info

Publication number: ES2309882T3
Application number: ES06019343T
Authority: ES
Inventors: Christian Buess; Georg Harnoncourt
Original assignee: NDD Medizintechnik AG
Current assignee: NDD Medizintechnik AG
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2008-12-16
Anticipated expiration: 2026-09-15
Also published as: DK1764036T3; DE602006002693D1; JP2007111517A; EP1764036B1; ATE407623T1; PL1764036T3; EP1764036A1; PT1764036E; JP5008362B2

Abstract

Dispositivo que consiste en un sensor ultrasónico de flujo de gas y de masa molar, para aplicaciones médicas, basado en el método de tiempo de tránsito o de tiempo de vuelo, un tubo de flujo intercambiable o fijo, con boquilla, combinado con uno o varios sensores de gas de corriente lateral, es decir sensores de gas que están retirados respecto del flujo principal de gas y están colocados en un flujo de gas de corriente lateral que transporta solo una fracción del flujo de gas de corriente principal, caracterizado porque el retardo temporal entre la señal de salida del sensor de gas de corriente lateral, y la señal del flujo de corriente principal, se determina mediante correlacionar la señal de masa molar con la señal procedente del sensor o sensores de gas de corriente lateral.

Description

Método para la determinación del retardo temporal entre un sensor de flujo ultrasónico de corriente principal y un analizador de gas de corriente lateral.

En los diagnósticos de la función pulmonar así como en la monitorización de la función pulmonar, ha de medirse la cantidad de gas que fluye entrando y saliendo del pulmón del paciente. Usualmente, esto se consigue mediante el uso de medidores de flujo de gas (también denominados neumotacógrafos) combinados con analizadores de gas específicos. Un ejemplo es la espirometría en ejercicio, donde se mide la ventilación de los pacientes mientras estos hacen ejercicio. En este caso ha de determinarse la absorción de oxígeno, es decir el volumen de oxígeno consumido por el cuerpo. La absorción de oxígeno se calcula por medio de medir la velocidad del flujo F y la concentración de oxígeno f_{O2}. Mediante integrar en el tiempo la velocidad del flujo multiplicada por la concentración de oxígeno, puede determinarse el volumen de oxígeno inspiratorio y espiratorio. La absorción de oxígeno se calcula finalmente mediante restar el volumen de oxígeno espiratorio, del volumen de oxígeno inspiratorio.

El documento EP 0 646 346 revela un dispositivo que consiste en sensores ultrasónicos de flujo de gas y de masa molar, para aplicaciones médicas.

Para la mayoría de las medidas de la función pulmonar, se muestrea concentraciones de flujo y de gas a una frecuencia de aproximadamente 100 a 200 Hz (tiempo de muestreo, de 10 a 5 ms). Para llevar a cabo correctamente la integración mencionada arriba, del flujo multiplicado por la concentración del gas de oxígeno, el retardo temporal entre las dos señales no debe exceder la frecuencia de muestreo.

En los sistemas actuales, el retardo entre un sensor de flujo de corriente principal y un sensor de gas de corriente lateral, se determina normalmente mediante una de las siguientes formas:

1.: Asumir un retardo temporal fijo calculado a partir de la velocidad de flujo de la corriente lateral, y el volumen de espacio muerto entre la corriente principal y el sensor del flujo lateral. El retardo calculado por este método asume una velocidad constante del flujo lateral y un espacio muerto constante. Debido a varios factores como la condensación de vapor de agua en los conductos de flujo lateral y a las viscosidades cambiantes del gas, ambas asunciones no son aplicables para la mayoría de las aplicaciones.

2.: Introducir un marcador bien definido en la corriente de gas, y medir el tiempo que el marcador necesita para ser detectado por el sensor de gas de corriente lateral.

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Los métodos descritos, o bien requieren equipamiento físico adicional que es necesario introducir, o bien no son muy fiables en un uso cotidiano.

La invención presentada puede utilizarse para determinar automáticamente y de forma fiable, el retardo temporal entre un sensor de flujo de corriente principal, y uno o varios sensores de gas de corriente lateral. La figura 1 muestra un diagrama de bloques, de un sistema que puede ser utilizado para determinar la absorción de oxígeno. El sistema consiste en un sensor ultrasónico de flujo y un sensor de gas de corriente lateral. El funcionamiento del medidor ultrasónico de flujo está descrito en muchas publicaciones (véase [1], [2], [3]). El sensor de flujo consiste en dos transductores ultrasónicos 4a, 4b montados sobre lados opuestos del flujo de gas 7, una caja apropiada 5 y un tubo respiratorio intercambiable 1 que tiene unida una boquilla 2. La velocidad del flujo se determina en una unidad de proceso que utiliza los tiempos de tránsito (tiempo de vuelo) de los trenes de impulsos ultrasónicos 6 transmitidos en sentidos corriente arriba y corriente bajo respecto del flujo de gas. Los trenes de impulsos son transmitidos y recibidos por los transductores ultrasónicos. Los trenes de impulsos viajan a lo largo del trayecto de transmisión del sonido, a través de partes 3 del tubo de flujo permeables a los ultrasonidos (por ejemplo mallas, filtros, etc.). La velocidad del flujo se determina usando la siguiente ecuación:

1

donde F es la velocidad del flujo de gas, t_{1} y t_{2} representan los tiempos de tránsito en sentidos corriente arriba y corriente abajo, y k es una constante que depende de las dimensiones mecánicas del sensor de flujo.

En el extremo del tubo de respiración 1, una pequeña parte del flujo de corriente principal es suministrada a un sistema de corriente lateral. Mediante el uso de una bomba de gas 12, el flujo de corriente lateral 9 atraviesa uno o varios analizadores de gas 11. Los conductos 9 entre el sensor de flujo y el analizador de gas de flujo lateral, pueden consistir en conductos normales de plástico, o en conductos especiales que equilibran el vapor de agua. Ejemplos de sensores de corriente lateral, son los sensores para oxígeno o dióxido de carbono que pueden ser utilizados para el análisis de datos de espirometría en ejercicio, o sensores para helio o CH_{4} utilizados para la medida de la capacidad residual funcional (FRC) o de la capacidad de difusión del pulmón (DLCO).

La figura 2 muestra una configuración alternativa, en la que el flujo de gas de corriente lateral se muestrea exactamente en el centro del trayecto de transmisión del sonido. Esta disposición evita diferencias en el retardo temporal provocado por la velocidad del flujo y por la dirección del flujo.

La figura 3 muestra otra configuración alternativa, en la que el flujo de corriente lateral se muestrea a través de la cámara lateral del sensor ultrasónico de flujo. Las ventajas de este método son las siguientes: 1) menos contaminación del flujo de corriente lateral, puesto que el flujo de corriente lateral pasa a través del filtro o malla frente a la cámara lateral, y 2) no hay piezas que se atasquen en el tubo del flujo principal.

Además del flujo, la unidad de proceso del sensor ultrasónico de flujo (figuras 1, 8) puede determinar la masa molar del gas dentro del sensor de flujo. La masa molar se determina normalmente utilizando la siguiente ecuación:

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donde M es la masa molar, T en la temperatura media a lo largo del trayecto de transmisión del sonido, R es la constante del gas, \kappa es la relación entre las capacidades caloríficas específicas (c_{p}/c_{v}) del gas, k es una constante que depende de las dimensiones mecánicas del sensor, y t_{1} y t_{2} representan los tiempos de tránsito (véase [2]). La temperatura T puede determinarse mediante una o varias medidas de temperatura a lo largo del trayecto de transmisión del sonido; puede determinarse mediante una combinación de una medida de la temperatura y un modelo matemático; o puede ser un valor constante.

Por contraste con otros métodos que utilizan medidas de flujo y medidas de composición del gas (respectivamente, concentración del gas), la medida del tiempo de tránsito ultrasónico determina la masa molar total de la mezcla de gas, y no la concentración de un gas específico. Sin embargo, las señales de flujo y de masa molar están siempre alineadas en el tiempo, es decir no hay retardo temporal entre las señales de flujo y de masa molar.

En la presente invención, el retardo temporal entre la concentración de gas en la corriente lateral f_{x} y el flujo F, se determina mediante el uso de información contenida en la señal de masa molar. Para la mayoría de los gases utilizados en el análisis de los gases respiratorios, la forma de onda de la señal de masa molar es similar a la forma de onda del gas específico medido en el sensor de gas de corriente lateral. El retardo temporal entre el flujo y la señal de gas procedente del sensor de corriente lateral, puede determinarse por varios métodos:

\bullet: Correlación matemática cruzada, entre la señal de masa molar medida y la concentración del gas de corriente lateral.

\bullet: Detección automática de puntos claramente definidos en la curva, por ejemplo el cambio de concentración de las entre inspiración y espiración, o el cambio entre espiración e inspiración.

Utilizando estos métodos, puede determinarse el retardo temporal entre la señal de la masa molar y la señal de gas de corriente lateral. La figura 4 muestra las formas de onda en el tiempo, de la señal de masa molar (MM) de la corriente principal y en la señal de gas (SG) del flujo lateral, y el retardo temporal (\Deltat) determinado mediante los métodos descritos arriba. Puesto que las señales de corriente principal de flujo y de masa molar son síncronas, el retardo temporal corresponde al retardo temporal entre las medidas del flujo y de la concentración del gas en la corriente lateral.

El método descrito puede implementarse en un dispositivo autónomo, por ejemplo en un sistema manual, puede implementarse en un dispositivo utilizado en unidades de cuidado intensivo, por ejemplo en un ventilador que incluye medida del gas respiratorio, o puede alternativamente implementarse en un dispositivo basado en ordenador, donde un sensor ultrasónico de flujo y de masa molar, y uno o varios sensores de gas de corriente lateral, están interconectados en un ordenador que se utiliza para análisis de datos y representación de datos.

El retardo temporal puede calcularse sobre un esquema respiración a respiración, o alternativamente puede determinarse una sola vez para una serie de respiraciones, o una vez para cada adquisición completa de datos.

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Referencias citadas en la descripción

La lista de referencias citadas por el solicitante es solo para comodidad del lector. No forma parte del documento de Patente Europea. Aunque se ha tomado especial cuidado en recopilar las referencias, no puede descartarse errores u omisiones y la EPO rechaza toda responsabilidad a este respecto.

Documentos de patente citados en la descripción

\bullet EP 0 646 346 A [0002].

Claims

1. Dispositivo que consiste en un sensor ultrasónico de flujo de gas y de masa molar, para aplicaciones médicas, basado en el método de tiempo de tránsito o de tiempo de vuelo, un tubo de flujo intercambiable o fijo, con boquilla, combinado con uno o varios sensores de gas de corriente lateral, es decir sensores de gas que están retirados respecto del flujo principal de gas y están colocados en un flujo de gas de corriente lateral que transporta solo una fracción del flujo de gas de corriente principal, caracterizado porque el retardo temporal entre la señal de salida del sensor de gas de corriente lateral, y la señal del flujo de corriente principal, se determina mediante correlacionar la señal de masa molar con la señal procedente del sensor o sensores de gas de corriente lateral.

2. Dispositivo acorde con la reivindicación 1, en el que el retardo temporal se determina mediante correlación matemática cruzada de la señal completa de masa molar de la corriente principal, o por partes de la señal de masa molar de la corriente principal, con correspondientes partes de la señal del sensor de gas de corriente lateral.

3. Dispositivo acorde con la reivindicación 2, en el que el retardo temporal se determina mediante correlacionar puntos claramente definidos en la señal de masa molar de la corriente principal, con los puntos apropiados en la señal o señales de gas de corriente principal, es decir al comienzo de la inspiración y al comienzo de la espiración.

4. Dispositivo acorde con la reivindicación 3, en el que el método utiliza una masa molar nativa, donde se asume una temperatura fija para el cálculo de la masa molar, o una masa molar normal mediante el uso de un modelo de temperatura, de una o varias medidas de la temperatura, o de una combinación de ambos, para el cálculo de la temperatura a lo largo del trayecto de transmisión del sonido.

5. Dispositivo acorde con la reivindicación 4, en el que el método se utiliza para el análisis de pruebas de ejercicio o de esfuerzo.

6. Dispositivo acorde con la reivindicación 5, en el que el método se utiliza para el análisis de la capacidad residual funcional (FRC), del volumen alveolar (V_{A}) o de la capacidad de difusión del pulmón (DLco).

7. Dispositivo acorde con la reivindicación 6, en el que el método se utiliza para la monitorización de pacientes, a saber para aplicaciones de cuidados intensivos o en anestesia.

8. Dispositivo acorde con la reivindicación 7, en el que el sensor de gas externo es un sensor ultrasónico de flujo de corriente lateral y de masa molar, o una combinación de un sensor de gas y de un sensor ultrasónico de flujo y de masa molar.

9. Dispositivo acorde con la reivindicación 8, en el que la muestra de gas se toma desde el punto central del trayecto de medida del flujo y de la masa molar, evitando por lo tanto cualesquiera diferencias adicionales de retardo temporal provocadas por la velocidad del flujo y/o por la detención del flujo.

10. Dispositivo acorde con la reivindicación 8, en el que la muestra de gas se toma a través del filtro, o de la red o malla, que cubre la cámara lateral del montaje de transductor ultrasónico del sensor ultrasónico del flujo de corriente principal, evitando por lo tanto cualquier diferencia adicional de retardo temporal, provocada por la velocidad del flujo y/o por la dirección del flujo, y adicionalmente reduciendo o evitando la contaminación de los sensores de corriente lateral.