ES3043389T3 - System for breath analysis - Google Patents

Abstract

Un sensor de gas consta de un detector de luz, una estructura de soporte hermética que lo encierra, una ventana ubicada en dicha estructura y una fuente de luz montada en ella. En la estructura de soporte se coloca un área de muestra para recibir el gas que se va a analizar. La fuente de luz se alinea con la ventana, el área de muestra y el detector de luz para transmitir la luz desde la fuente de luz, a través del gas en el área de muestra, hasta el detector de luz. El sensor puede incorporarse en un aparato de muestreo en amplitud que desvía el gas hacia una ruta de derivación para que solo una parte del gas llegue al sensor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCÍON

[0002] Sistema para análisis del aliento

[0003] Descripción

[0004] Antecedentes de la divulgación

[0005] Campo de la divulgación

[0006] La presente divulgación se refiere a sensores. Más particularmente, la presente divulgación se refiere a un sensor NDIR para el análisis del aliento y a un conjunto de muestreo del aliento.

[0007] Antecedentes de la técnica relacionada

[0008] Un sensor de infrarrojos no dispersivos (NDIR) mide la absorción de luz IR (infrarrojo) dentro de un intervalo de longitud de onda estrecho entre la fuente y el detector debido a la presencia del gas de interés. Cuanto mayor sea la concentración de gas, mayor será la absorción y menor será la señal detectada por los detectores de IR. Este procedimiento se ha utilizado antes de incluirlo en una variedad de productos comerciales. Por ejemplo, Amphenol Advanced Sensors fabrica un sensor de CO2 de alta concentración, modelo T6617. Sin embargo, este sensor no tiene un tiempo de respuesta rápido ni características que lo hagan aplicable a la monitorización del aliento en tiempo real.

[0009] Además, Capnostat ofrece un sensor utilizado para mediciones del aliento. El gas se muestrea mediante muestreo de flujo principal en el que todo el aliento pasa a través de una célula de muestra. Esta célula de muestra presenta un trozo de plástico reemplazable, ya que puede ensuciarse con el tiempo. El elevado consumo de energía, el largo tiempo de calentamiento, el estrecho intervalo de temperatura de funcionamiento, la necesidad de recalibración periódica y la necesidad de piezas reemplazables desechables hacen que no sea ideal para mediciones portátiles y aplicaciones a nivel de consumidor.

[0010] Estos diseños utilizan componentes que consumen mucha más energía (calentadores) y un elemento desechable (trampas de agua y tubos de muestreo), para hacer frente a la condensación de agua. En el documento de patente US 5464 982 A, se proporciona un ejemplo de un sensor óptico utilizado junto con un conjunto de muestreo de aliento. Un ejemplo de un conjunto de muestreo de aliento se proporciona en el documento de patente US 6955650 B2.

[0011] Sumario de la divulgación

[0012] Un sensor de gas presenta un detector de luz, una estructura de soporte estanca a los gases que encierra el detector de luz, una ventana posicionada en dicha estructura de soporte y una fuente de luz montada en la estructura de soporte. Una zona de muestra está posicionada en la estructura de soporte para recibir un gas que va a someterse a ensayo. La fuente de luz está alineada con la ventana, el área de muestra y el detector de luz para hacer pasar luz desde la fuente de luz a través del gas en el área de muestra al detector de luz. El sensor está previsto en un aparato de muestreo de aliento según la invención que ha desviado gas a una ruta de derivación de modo que solo una parte del gas alcanza el sensor.

[0013] Breve descripción de las figuras

[0014]

[0015] La figura 1 es una vista explosionada en perspectiva de un sensor como un ejemplo de la divulgación.

[0016] La figura 2 es una vista explosionada en perspectiva de la ventana utilizada en la figura 2. 1.

[0017] La figura 3A es una vista en sección transversal tomada a lo largo de las líneas A - - A de la figura 3A. 3C que muestra una forma de realización del sistema de muestreo de aliento utilizando el conjunto de sensor de gas de la figura 3C. 1.

[0018] La figura 3B muestra el flujo de aire a través del sistema de la figura 3B. 3A.

[0019] Figura 3C es una vista lateral del sistema de muestreo de aliento.

[0020] Figura 3D es una vista en perspectiva del sistema de muestreo de aliento.

[0021] La figura 4 es una vista explosionada en perspectiva del sistema de muestreo de aliento y elconjunto de sensor de gas.

[0022] Descripción detallada de las formas de realización preferidas

[0024] Al describir las formas de realización preferidas ilustrativas, no limitativas de la divulgación ilustrada en los dibujos, se recurrirá a terminología específica para una mayor claridad. Sin embargo, la divulgación no pretende limitarse a los términos específicos seleccionados de este modo, y debe entenderse que cada término específico incluye todos los equivalentes técnicos que funcionan de manera similar para lograr un propósito similar. Se describen varias formas de realización preferidas de la divulgación con fines ilustrativos, entendiéndose que la divulgación puede realizarse en otras formas no mostradas específicamente en los dibujos.

[0026] Volviendo a los dibujos, en la figura 1 se muestra un conjunto de sensor de gas de infrarrojos no dispersivos (NDIR) 100, que no forma parte de la invención. El sensor de NDIR 100 puede combinarse con un sistema de muestreo 200, tal como se muestra en las figuras 3-4. Un conjunto de ventana óptica 5 hidrófila, calentada o no calentada se coloca dentro de una cámara de medición de sensor NDIR para eliminar los efectos de condensación que pueden producirse debido al elevado contenido de humedad en el aire exhalado. El diseño presenta un amplio intervalo de temperaturas debido a la sinergia de diversas características que trabajan juntas para no tener problemas de condensación incluso a temperaturas frías.

[0028] El conjunto de sensor 100 incluye un soporte 6, unos detectores 7, un conjunto de ventana 5 y un ensamblaje de banco óptico 3. En la forma de realización de ejemplo no limitativa mostrada, el soporte 6 es un sustrato llano que es plano y puede presentar, por ejemplo, una forma generalmente cuadrada o rectangular. El soporte 6 presenta un primer lado que forma una superficie superior y un segundo lado que forma una superficie inferior, estando el primer lado opuesto al segundo lado. En una forma de realización, el soporte 6 puede ser un ensamblaje de placa de circuito impreso (PCBA). El soporte 6 forma una base mecánica que retiene componentes tanto eléctricos como mecánicos. Los componentes eléctricos de PCBA 6 incluyen típicamente el detector (por ejemplo, un detector de infrarrojos (IR)) 7, un controlador o microprocesador 9 y unos dispositivos de acondicionamiento de señales 10, tales como, por ejemplo, un regulador de voltaje para regular el voltaje de entrada, un circuito de controlador de fuente de IR para modular la fuente de IR, un circuito de amplificador de detector para proporcionar la ganancia de señal de IR, un convertidor analógico a digital para medición, y un chip integrado de microprocesador o de tipo ASIC.

[0030] El detector 7 está montado sobre la superficie superior del PCBA 6. Puede estar previsto cualquier número adecuado de detectores 7, y en el ejemplo mostrado hay dos detectores montados en el PCBA 6 uno al lado del otro. El detector 7 puede ser un detector de infrarrojos, tal como, por ejemplo, fotodiodos, detectores piroeléctricos y de termopila. Los detectores 7 pueden tener unos filtros de paso de banda que detectan energía en longitudes de onda precisas. Por ejemplo, los filtros de detección de CO2 están diseñados a menudo para una longitud de onda de 4.26+/-0.1 micrómetros. Un segundo detector de referencia presenta una longitud de onda central de 3.9+/-0.1 micrómetros.

[0032] La figura 2 es una vista detallada del conjunto de ventana óptica 5. El conjunto de ventana 5 presenta una ventana de longitudes de onda IR (infrarrojo) 52, un calentador 54 y un sensor de temperatura 51 ópticamente transparente. La ventana 52 es plana y planar con un primer lado que presenta una superficie superior y un segundo lado que presenta una superficie inferior, y puede presentar la forma general de un cuadrado o rectángulo, aunque pueden utilizarse otras formas adecuadas. El conjunto de ventana 5 está montado sobre el uno o más detectores 7, y la ventana 52 está dimensionada para encajar sobre el uno o más detectores 7 y cubrirlos completamente.

[0034] La ventana 52 sirve como protección para los detectores 7 contra el choque térmico que se produce durante la exhalación (especialmente si la prueba de respiración se realiza en el exterior en condiciones frías) y de la humedad en el aire exhalado que alcanza niveles de condensación. Tanto el choque térmico como la humedad de condensación podrían evitar de otro modo que los detectores 7 midieran con precisión la absorción de radiación por el gas CO2 y en consecuencia, midieran la concentración de gas CO2. No hay ningún sellado entre la ventana 52 y el PCBA 6, pero está previsto una junta de estanqueidad 4 entre el ensamblaje de banco óptico (OBA) 3 y el conjunto de ventana 5. Esta junta de sellado (la junta de estanqueidad es opcional en función del diseño específico) 4 impide que el aire exhalado entre por debajo de la ventana 5 en la zona en la que están ubicados los detectores 7. Esto aísla eficazmente los detectores 4 con respecto al aire exhalado.

[0036] La ventana 52 tiene propiedades hidrófobas o hidrófilas, por ejemplo, la ventana 52 puede presentar un dióxido de titanio u otro revestimiento hidrófilo en uno o ambos lados de la ventana 52. En la mayoría de las condiciones, el revestimiento es suficiente para reducir el efecto de posible condensación de agua a partir del aire exhalado dentro de la cámara de medición. El revestimiento hidrófilo reduce los efectos de condensación que puedan producirse incluso con el flujo de gas cuidadosamente controlado. La ventana 52 puede presentar un revestimiento hidrófobo, un revestimiento antirreflectante (el revestimiento antirreflectante también puede ser hidrófilo o hidrófobo) o ningún revestimiento. La propia ventana 52 puede estar realizada en cualquier material adecuado que sea transparente en el intervalo de longitud de onda de interés, en el ejemplo preferido es de un intervalo de 3 a 5 micras.

[0037] Haciendo referencia a las figuras 1, 2, el elemento de calentamiento 54 y el sensor de temperatura 51 pueden montarse en la superficie superior de la ventana 52 y/o en la superficie inferior de la ventana 52. El elemento de calentamiento 54 (por ejemplo, una resistencia) se adapta a amplios intervalos de temperatura, de modo que el sensor 100 puede funcionar a temperaturas ambientales próximas a la congelación. El elemento de calentamiento 54 calienta la ventana 52, y no todo el conjunto de sensor 100, lo que permite un calentamiento extremadamente rápido y un bajo consumo de energía. El calentador 54 calienta la ventana 52.

[0039] El aire que tiene mucha humedad no alcanza los detectores 7 debido al sellado formado entre el OBA 3 y la ventana 52 por la junta de sellado 3 y 4. Sin embargo, puede producirse una condensación no deseada en la superficie exterior de la ventana 52 (que está orientada hacia arriba en la figura 1. 1). Para evitar esta condensación, el calentador 54 calienta la ventana 52 a temperaturas que son necesarias para eliminar la condensación (por ejemplo, por lo menos 33 grados C). Dependiendo del uso previsto del analizador, el calentador 54 puede no ser necesario (cuando el analizador se utiliza solo en interiores, por ejemplo). Debido al pequeño tamaño, la conductividad a alta temperatura de la ventana 52 y a la suficiente potencia de calentamiento, la ventana 52 puede calentarse en un intervalo de tiempo de segundos (por ejemplo, 2-10 segundos). Es posible realizar una medición y después el calentador 54 se apaga hasta la siguiente medición. Debido a que solo se calienta la ventana 52, y dado que la ventana 52 puede calentarse intermitentemente, se ahorra energía significativa y se permite un funcionamiento prolongado en una batería.

[0041] El calentador 54 y el sensor 51 están conectados eléctrica o inalámbricamente al microprocesador 9. El elemento de detección de temperatura 51 (por ejemplo, un termistor) proporciona unas mediciones de temperatura de ventana al microprocesador 9, que puede controlar el funcionamiento del elemento de calentamiento 54. El conjunto de ventana 5 presenta una junta 4 que está comprimida entre la superficie superior de la ventana 52 y el ensamblaje de banco óptico (OBA) 3. La junta 4 se extiende alrededor del perímetro externo de la ventana 52 y presenta una abertura central para el sensor 51 y el calentador 54.

[0043] La ventana 5 puede tener diferentes opciones en función de la aplicación. En el ejemplo no limitativo mostrado en la figura 2, la ventana 52 es un elemento o panel cuadrado o rectangular plano que está realizado a partir de un material (tal como, por ejemplo, zafiro) que es transparente en el rango de longitud de onda de IR de interés. Un circuito impreso eléctri

[0044] la temperatura para controlar la temperatura de la ventana 52 mediante el microcontrolador 9 (figura 1). Los pasadores conductores 53 montan la ventana 52 en el PCBA 6 (figura 1) y al mismo tiempo proporcionan conexiones eléctricas necesarias (con cualquier línea de plomo necesaria) para el resistor de calentamiento 54 y el termistor 51. En un ejemplo, la ventana 52 está solada a los cabezales de pasador 53, y los pasadores 53 están soldados al PCBA 6. La ventana 52 no flota sobre los detectores 7, sino que está fijada al PCBA 6 por encima de los detectores 7. Pueden proporcionarse otras configuraciones adecuadas, por ejemplo, la ventana 52 puede apoyarse sobre los detectores 7 que están siendo presionados desde la parte superior por la junta 4 (si no se necesitan conexiones eléctricas (calentador 54)).

[0046] En otros ejemplos, la ventana 52 puede estar realizada en silicio, u otro material de IR ópticamente transparente que incluye materiales poliméricos de plástico. La ventana puede presentar un revestimiento antirreflectante para mejorar sus propiedades ópticas. La ventana puede presentar un revestimiento hidrófilo (tal como dióxido de titanio) o revestimientos hidrófobos para ayudar a hacer frente a una posible condensación. También es posible disponer de un revestimiento que sirve para ambos fines, como revestimiento antirreflectante y revestimiento hidrófilo (o revestimiento hidrófobo) al mismo tiempo. El dióxido de titanio es uno de los materiales que pueden utilizarse como recubrimiento tanto antirreflectante como hidrófilo.

[0048] Volviendo a la figura 1, el ensamblaje de banco óptico (OBA) 3 es un soporte estructural que retiene una fuente de luz u óptica 1, tal como una fuente de infrarrojos, y alinea la fuente de IR 1 con el gas que va a detectarse y los detectores de luz u ópticos 7, tales como detectores de infrarrojos. El OBA 3 está montado en el PCBA 6, tal como mediante uno o más elementos de fijación como tornillos 8, o alternativamente adhesivos o plástico con características de cierre a presión o adhesivo o una combinación de estos métodos. El OBA 3 encierra por lo menos los detectores 7 y el conjunto de ventana 5, y también puede encerrar el dispositivo de acondicionamiento de señal 10 y/o el microprocesador 9. El OBA 3 está construido opcionalmente con un ABS cargado con fibra de carbono para ofrecer un blindaje EMC para componentes sensibles de acondicionamiento de señal y recorrido de adquisición de datos que incluyen los detectores de IR 7 y el dispositivo de acondicionamiento de señal 10. Alternativamente, el o Ba 3 puede construirse con plástico metalizado, o metal. También puede utilizarse un ABS regular o plástico similar sin revestimiento metálico o relleno de carbono. Esto puede ser posible cuando el sensor se utiliza en las aplicaciones con requisitos de EMC menos exigentes. Además, el OBA 3 puede incluir superficies reflectantes para mejorar la propagación de radiación óptica desde la fuente de IR 1 hasta los detectores de IR 7. Estas superficies reflectantes pueden incluir todo el interior de OBA y/o reflectores especialmente dispuestos.

[0050] [0020]En el ejemplo de la figura 1, el OBA 3 es una estructura de alojamiento que se extiende sobre los detectores 7, así como el conjunto de ventana 5 y el dispositivo de acondicionamiento de señal 10. El OBA 3 es un elemento o cuerpo de una sola pieza 30 que incluye una parte de base 32, una parte central 34 y una parte de cabeza 36. La parte de base 32 coopera con la PCB 6 para formar un recinto que protege los componentes sensibles (es decir, detectores de IR 7 (hay dos de ellos) y el dispositivo de acondicionamiento de señal 10). Esto proporciona un alto nivel de resistencia a la interferencia electromagnética (EMI). La parte de base 32 presenta una plataforma plana y uno o más lados o paredes laterales que se extienden hacia abajo desde la plataforma plana. Los bordes distales de las paredes laterales entran en contacto con la superficie superior del PCB<a>6 y forman un sellado hermético a los gases y hermético a la humedad entre los mismos para proporcionar un recinto hermético a los gases y/o al agua alrededor de los detectores de IR 7. El sellado entre el PCBA 6 y la parte de base 32 es hermético a los gases en la zona de la junta 4, para aislar el gas de interés en el área específica del OBA, y es hermético a la humedad para evitar la acumulación de humedad debajo de la ventana 52 de modo que contiene pequeñas cantidades de condensado que se evaporarán por el calentador 54. La base 32 define un espacio interior entre la plataforma plana, las paredes laterales y la superficie superior del PCBA 6, y los componentes (detectores 7, dispositivo de acondicionamiento de señal 10, conjunto de ventana 5) se reciben en ese espacio interior.

[0052] La plataforma plana presenta una abertura que está alineada con la ventana 52 y los detectores de IR 7. La parte central 34 del cuerpo 30 se extiende hacia arriba (en el ejemplo de la figura 1) alrededor de la abertura de la plataforma plana. La parte central 34 tiene cuatro lados o paredes laterales, y un espacio central o zona de muestra de gas. Las aberturas 38 están posicionadas sobre uno o más, y aquí se muestran como dos lados opuestos, de la parte central de OBA 3. La muestra de gas puede pasar a través de las aberturas y al interior del espacio central. Los filtros hidrófobos de difusión 2 cubren las aberturas 38, y permiten que la muestra de gas pase al tiempo que evitan que el polvo y las gotitas de agua entren en el espacio central de la parte central 34.

[0054] La parte superior o de cabeza 36 del OBA 3 está posicionada en la parte superior de la parte central. El cabezal 36 presenta una plataforma plana y unas paredes laterales que se extienden hacia arriba. La plataforma plana presenta una abertura que está alineada con la parte central 34. Un PCBA plana está posicionada en la parte superior de la parte de cabeza y forma una cubierta. El PCBA presenta una fuente emisora de infrarrojos 1 que es modulada por el microcontrolador 9 y el circuito de accionamiento. Las fuentes adecuadas para su montaje en esta PCB son conjuntos de lámpara de filamento de tungsteno en miniatura, fuentes de IR basadas en MEM<s>y LED que emiten energía en las longitudes de onda de interés. La PCB de fuente de IR puede fijarse de manera amovible a la parte de cabezal 36, por ejemplo, la PCB de fuente de IR puede recibirse en canales o en ranuras formadas en la parte superior interior de las paredes laterales de la cabeza 36.

[0056] Por tanto, el cuerpo 30 está configurado para ofrecer un recorrido lineal continuo para que la luz se desplace de manera ininterrumpida desde la fuente de IR 1 en la parte de cabezal 36, a través de la abertura en la plataforma de cabezal, a través del espacio central en la parte central 34 donde entra en contacto con el gas que se está muestreando, a través de la abertura en la plataforma plana de base 32, a continuación a través del conjunto de ventana 5, hasta el detector 7 encerrado por la parte de base 32. La parte central 34 permite que entre gas en el OBA 3, pero los filtros 2 evitan que el polvo, las gotitas de agua y otros contaminantes entren en el OBA 3 e interfieran con la medición. El conjunto de ventana 5 cubre la abertura en la parte inferior de la parte central 34 en la plataforma plana de la parte de base 32, y sella el espacio central de la parte central 34 de la base 32. La ventana 5 y la junta 4 evitan que el gas u otros elementos pasen al interior de la parte de base y el espacio interior de la parte de base donde están ubicados el detector de IR 7 y el dispositivo de acondicionamiento de señal 10, al tiempo que permiten que la señal de IR pase de manera ininterrumpida desde la fuente de IR 1 al detector de IR 7. El volumen entre la fuente de IR 1 y la ventana 5 así como las paredes de OBA forman la cámara de muestreo en la que se mide la concentración de CO2 utilizando el método típico de NDIR. El calentador 54 y el termistor 51 están situados en el centro entre los dos detectores 7, de modo que no ocultan la señal óptica.

[0058] La ventana 5 también protege los detectores de IR sensibles 7 y la electrónica frente a choques térmicos que se producen cuando el sensor comienza a funcionar y el gas caliente (no acondicionado) (denominado indistintamente en la presente memoria “aire”) entra en el sensor. Además, la ventana 5 evita que entre humedad en el área donde están ubicados los detectores y los componentes electrónicos. Además, la ventana 5 evita la condensación en la superficie de la ventana 5 debido a la elevada HR del aire exhalado. Además, la ventana 5 y la junta 4 evitan que el CO2 entre en el espacio debajo de la ventana, lo cual no es deseable en absoluto, porque el CO2 atrapado podría afectar al tiempo de respuesta y a la precisión del sensor.

[0059] Dispositivos de prueba de respiración

[0061] Las figuras 3, 4 muestran una forma de realización de un sistema de muestreo de aliento o gas 200 según la invención. Tal como se muestra mejor en las figuras. 3A, 3B, 4, el sistema de muestreo de aliento 200 tiene un cuerpo 250 que aloja un conjunto de sensor, mostrado en la presente memoria como el conjunto de sensor 100 de las figuras 3A, 3B, 4. 1-2. Sin embargo, puede utilizarse cualquier conjunto de sensor adecuado. El conjunto de sensor 100 y el sistema de muestreo de aliento 200 tienen una utilidad independiente y pueden utilizarse de manera independiente entre sí o juntos. Es decir, el conjunto de sensor 100 puede utilizarse con cualquier sistema de muestreo de aliento, y el sistema de muestreo de aliento 200 puede utilizarse con cualquier conjunto de sensor.

[0063] [0026]El sistema de muestreo 210 presenta una entrada 201, unos deflectores 202, una abertura de entrada de sensor 203, unos canales o rutas de derivación 204, 205, 206, una zona de sensor 207 para recibir el sensor 100, un escape 208,un punto de estrangulamiento de entrada 209, una entrada de derivación 210, un escape de derivación 211 y un punto de estrangulamiento de escape 212. Tal como se muestra en la figura 4, el cuerpo 250 presenta una parte de cuerpo delantera 252 y una parte de cuerpo trasera 254 y está configurado para crear el flujo de aire X mostrado en la figura 1. 3B. En la figura 4, la parte delantera 252 y la parte trasera 254 son cuerpos discretos separados que están acoplados entre sí mediante elementos de fijación o similares. Alternativamente, las partes delantera y trasera 252, 254 pueden estar formadas como un único alojamiento de una sola pieza. El conjunto de sensor 100 está situado sustancialmente en la zona central del cuerpo 250 en una parte de cuerpo intermedia donde se unen las partes delantera y trasera 252, 254. El cuerpo 250 está sustancialmente alargado y presenta un eje longitudinal que se extiende desde la entrada 201 hasta el escape 208. El cuerpo 250 presenta un espacio central interno continuo que se extiende desde la entrada 201 hasta el escape 208 entre las paredes laterales y la parte superior e inferior de modo que un gas puede pasar desde la entrada 201 a través de la abertura central hasta el escape 208. Se puede reorganizar un diseño similar no alargado sino “plegado”, “envuelto”, “girado” y cualquier otra configuración, siendo la alargada la más simple.

[0065] La entrada principal 201 está en la parte delantera 252 del cuerpo 250 y forma una boquilla que está conformada para coincidir con la boca de una persona. Es decir, la boquilla forma una abertura alargada oblonga que es más ancha que alta de modo que la entrada 201 puede encajar fácil y cómodamente en la boca del usuario. La entrada 201 presenta una zona de recepción definida por dos lados, una parte superior y una parte inferior. Los lados se estrechan fuertemente hacia dentro para formar un punto de estrangulamiento 209.

[0067] En el punto de estrangulamiento 209, pueden estar previstos uno o más divisores (uno representado) o paredes divisoras 213. El divisor 213 está alargado y curvado para crear la entrada de derivación 210, la ruta de derivación 206 y el escape de derivación 211. El divisor 213 y la ruta de derivación 206 se extienden sustancialmente paralelos al eje longitudinal del cuerpo 250, y se extienden completamente desde la parte superior hasta la parte inferior del cuerpo 250. Tal como se muestra, la ruta de derivación 206 está formada entre el divisor 213 y una de las paredes laterales, entre la parte superior e inferior del cuerpo 250. La ruta de derivación 206 presenta una primera curva hacia el exterior que se curva suavemente hacia el exterior en dirección a la pared lateral más próxima (hacia abajo en la forma de realización de la figura 1. 3A) y lejos de un centro del cuerpo 250, y una segunda curva hacia dentro que se curva fuertemente hacia el interior en dirección al centro del cuerpo 250. La ruta de derivación 206 se extiende desde antes del lado de entrada del área de recepción de sensor 207 hasta después del lado de salida del área de recepción de sensor 207, de modo que el gas que se desplaza en la ruta de derivación 206 está aislado completamente del sensor 100 y evita al sensor 100 y la zona de recepción de sensor 207.

[0069] La cara de extremo de ataque del divisor 213 crea dos entradas, la entrada de derivación 210 y la entrada de punto de estrangulamiento 209. El tamaño de las respectivas entradas 210, 209, la forma y el tamaño de la ruta de derivación 206, y la forma y el tamaño de la cara de extremo de ataque del divisor 213 pueden ajustarse para controlar la cantidad (volumen) de gas que se desplaza a través de la ruta de derivación 206 y la cantidad (volumen) de gas que se desplaza a través de la entrada del punto de estrangulamiento 209.

[0071] El gas que pasa a través de la entrada del punto de estrangulamiento 209 entrará en la zona de recepción del sensor. El uno o más deflectores 202 están ubicados en la zona de recepción del sensor. Un primer deflector o deflector delantero 202a está posicionado justo en la entrada a la zona de recepción del sensor detrás del punto de estrangulamiento 209, y el segundo deflector o deflector trasero 202b está posicionado detrás del primer deflector 202a y justo antes de la abertura del sensor 203 de modo que haya un espacio entre la abertura 203 y el deflector 202b. Los deflectores 202 se muestran como paredes que pueden extenderse sustancialmente de manera transversal a las paredes laterales y al eje longitudinal. Los deflectores 202 pueden desconectarse de la pared lateral, tal como se muestra por el primer deflector 202a, o pueden conectarse a por lo menos una de las paredes laterales, tal como se muestra con el segundo deflector 202b.

[0073] Los deflectores 202 funcionan para crear un diferencial de presión que ralentiza el desplazamiento del gas a través de la zona de recepción del sensor y provoca que se dirija más gas desde la zona de recepción de admisión hacia el interior de la ruta de derivación 206. El deflector trasero 202b no bloquea completamente el paso de sensor 203, y no bloquea completamente los pasos de derivación 204, 205. Por consiguiente, el aire circula allí alrededor de una manera organizada, tal como se muestra en la figura 1. 3B. Desde el momento en que la persona respira en la entrada, los niveles de CO2 y el flujo se estabilizan (figura 3B) dentro del sensor y, sin embargo, no proporcionan condensación dentro del sensor. El objetivo en este caso es llevar una cantidad mínima de aire exhalado a la cámara sensora, al tiempo que se asegura el tiempo de respuesta más rápido posible. Es necesario llevar muestras de 0.5 cm3 del aire de escape en la cámara sensora en un segundo intervalo de tiempo mientras se está produciendo la exhalación.

[0075] [0032]Un alojamiento o isla de sensor 214 está posicionado dentro de la zona de recepción de sensor y define un primer recorrido de derivación 204 en un primer lado de la isla de sensor 214 (por encima de la isla en la forma de realización de la figura 1. 3A) y un segundo recorrido de derivación 205 en un segundo lado de la isla de sensor 214 (debajo de la isla en la forma de realización de la figura 3A). La isla 214 incluye un canal o abertura de sensor 203 en la parte delantera de la isla que conduce al sensor 100 posicionado en la zona de recepción de sensor 207 en la parte trasera de la isla. El gas que entra en el canal de sensor 203 pasará a través de la abertura en la parte central 34 del ensamblaje de banco óptico 3, luego saldrá a través de una abertura de escape trasera 216 en la isla. La abertura trasera ha expuesto el OBA 3, sin embargo, el OBA 3 no está completamente expuesto, ya que la abertura presenta un tamaño que impide que el flujo de aire pase a través de 205 para cortocircuitar dentro del OBA 3 desde la parte trasera, lo que afectará negativamente al tiempo de respuesta del sensor. La abertura de escape 216 puede estar alineada o desplazada con respecto a la abertura 38 del OBA 3. En una forma de realización, la isla 214 también puede presentar una pared trasera 215 que es de menor altura y que no alcanza la parte superior del cuerpo 250. El gas que no entra en el canal de sensor 203 pasará alrededor de la isla de sensor 214 y saldrá en el punto de estrangulamiento de escape 212 donde se encuentra con el gas que sale del escape de derivación 211. En el punto de estrangulamiento de escape 212, las paredes laterales se estrechan suavemente hacia fuera hasta el escape 208, que puede presentar una forma circular, tal como se muestra mejor en las figuras. 3C, 3D, 4.

[0077] En funcionamiento, las mediciones del aliento se logran eludiendo la mayor parte del aire de manera que el caudal de la muestra de gas crea una caída de presión para arrastrar la muestra de gas a través del OBA 3 para un tiempo de respuesta rápido. Este tipo de disposición se utiliza, porque el sensor 100 presenta resistencia debido a los filtros de difusión que se utilizan para evitar la contaminación y que las gotitas de agua entren en el sensor de OBA 3. La muestra de gas entra en el lado de entrada del cuerpo 250 que podría ser una boquilla para la exhalación del usuario. La geometría en este caso puede variar, pero la muestra de gas converge en el punto de estrangulamiento 209 (aunque se puede proporcionar más de uno) para aumentar la velocidad y crear una caída de presión. La entrada de derivación 210 continúa en una ruta de derivación 206 y el escape de derivación 211 sirve como derivación para la mayor parte del flujo de aire.

[0079] El punto de estrangulamiento 209 es necesario para equilibrar correctamente el flujo de aire entre el punto de estrangulamiento 209 y la derivación 210, 206. El punto de estrangulamiento de escape 212 sirve para el mismo fin, y trabajan juntos. Cuando la persona exhala o inhala, la presión alrededor del sensor no cambia significativamente, lo que se logra mediante esta configuración con los dos puntos de estrangulamiento. La prueba de respiración puede incluir la inhalación y la exhalación, que es el motivo por el cual el diseño es simétrico/reversible, aunque al inhalar haya menos restricción sobre la cantidad de aire que entra en la cámara de medición del sensor, porque no hay peligro de condensación.

[0081] El ajuste del tamaño de sección transversal de este punto de estrangulamiento 209 y la ruta de derivación 206 puede ajustar el rendimiento del sistema para un intervalo de caudales y presión deseada. El punto de estrangulamiento 209 sirve como suministro de aire para el sensor. Una vez que la muestra pasa por el punto de estrangulamiento 209, puede haber una serie de uno o más deflectores 202 que manipulan el flujo para una mejor derivación del sensor 100 con la mayor parte del flujo de aire. Una pequeña abertura 203 más allá de los deflectores 202 permite un recorrido hacia el sensor 100 para la muestra de gas. La mayor parte del aire fluye a través de las rutas de derivación 206, 205 y 204 alrededor del sensor 100. Las tres trayectorias del aire alrededor del sensor 203, 204, 205 convergen con la derivación 210, 206, 211 delante de un punto de estrangulamiento de escape 212 y el escape 208. Las trayectorias convergentes de aire en el punto de estrangulamiento de escape 212 son importantes para un tiempo de respuesta rápido, no para generar presión en el sensor 100 y para la prevención de la condensación.

[0083] La configuración interna del cuerpo 250 lleva el sensor aproximadamente al 0.1% del escape total en una cantidad mínima de tiempo y controles. Se encontró que un único punto de estrangulamiento (y/o sin deflectores 202) hacía ruido (por ejemplo, silbato) o condensaba agua. Si el flujo de aire no está equilibrado correctamente, pueden ocurrir las siguientes cosas: (a) el diseño será sensible a la presión de entrada y al volumen exhalado, y este dispositivo será utilizado por diferentes personas en diferentes situaciones; (b) demasiado cambio de presión en la cámara sensora (queremos mantenerla a presión ambiente); (c) el tiempo de respuesta del sensor dependerá en gran medida de las variaciones de forma individual a individual; (d) demasiado aire que pasa a través de la cámara sensora, provocando alteraciones térmicas y condensación. La mayor parte del aliento evita el sensor, el recorrido hacia el sensor se realiza alrededor de los deflectores, limitados e indirectos.

[0085] Por tanto, el cuerpo 250 proporciona un recorrido obstruido al sensor 100. Sin embargo, el sistema de muestreo de gas 200 presenta varias rutas de derivación 206, 204, 205 que en general proporcionan una baja resistencia al proceso de respiración de modo que el usuario pueda respirar a través de este sistema 200 mientras el sensor 100 realiza las mediciones. Los puntos de estrangulamiento no solo equilibran el flujo, sino que también proporcionan la resistencia requerida (controlada). El conjunto de sensor 100 que se representa en la figura 1 se ensambla con el sistema de muestreo 200 de manera que el sensor OBA 3 encaje en la zona 207.

[0087] La figura 4 ilustra cómo todo encaja entre sí en la forma de realización actual con el sensor 100 montado dentro del sistema de muestreo de gas con una disposición sencilla de tornillo y tuerca.

[0089] [0039]Este sistema permite que el usuario respire a través de este sistema de muestreo y al mismo tiempo, crea condiciones de flujo de aire para mediciones consistentes. También asegura que solo la cantidad mínima necesaria de aire alcance la ubicación OBA del sensor 207. Esto minimiza la cantidad de humedad que entra en el sensor OBA 3 y permite eliminar la condensación con una potencia eléctrica mínima en la ventana calentada 5, o ninguna potencia eléctrica adicional en condiciones en las que la ventana hidrófila pueda ser suficiente. La cantidad de aire que alcanza el OBA es mínima, pero permite la dinámica del aire exhalado en tiempo real. Además, el sistema de muestreo de gas de sensor 100, 200 tiene un tiempo de respuesta rápido utilizando una célula de medición de sensor que está protegida por unos filtros de difusión 2 (figura 1). La solución del tiempo de respuesta rápido con filtros hidrófobos de difusión en el sensor permite una larga vida útil del sensor sin necesidad de piezas reemplazables o de calibración periódica y frecuente.

[0091] La divulgación proporciona un sistema de muestreo de bajo coste y un conjunto de sensor que se pueden utilizar en un amplio intervalo de temperatura ambiente (10-40 grados C), bajo coste, tiempo de respuesta rápido, bajo consumo de energía, tamaño de bolsillo en miniatura (<) que permitirá que un dispositivo portátil de medición del aliento conveniente para ser utilizado por individuos en lugar de tener que tomar muestras de aliento en un hospital, u oficina donde podría haber el equipo más caro y menos portátil. Esto permite que más personas, investigadores e individuos tengan la capacidad de recopilar estos datos y de aprender a resolver problemas relacionados con la salud.

[0093] No es necesario un tiempo de calentamiento prolongado ni una potencia elevada, lo que permite aplicaciones portátiles alimentadas por batería. La adición del elemento calefactor dentro del OBA en la ventana óptica evita la condensación a temperaturas incluso más bajas. Debido al tamaño muy reducido de la ventana calentada, tanto la potencia eléctrica como el tiempo de calentamiento de este diseño son todavía bajos y aceptables para la aplicación portátil alimentada por batería.

[0095] El diseño mecánico del sistema de muestreo minimiza el flujo de aire a través del sensor, pero logra un tiempo de respuesta < 1 segundo. Esto es posible debido a que el aire no está siendo forzado ni bombeado a través del sensor 100, sino que la mayor parte del aliento está eludiendo el sensor. Esta derivación respiratoria en combinación con los puntos de estrangulamiento crea un diferencial de presión para arrastrar la muestra de gas a través del sensor. Este enfoque tampoco genera presión en la célula sensora, por lo que la presión será aproximadamente la presión ambiental. Esto es importante, porque la precisión de las mediciones depende de la presión del gas.

[0097] La divulgación proporciona un sensor de gas de infrarrojos no dispersivos (NDIR) y/o un método y sistema de muestreo que muestrea con precisión la respiración humana y mide la dinámica de la concentración de CO2 con una resolución de tiempo superior a 0.3 segundos. Juntos forman un innovador analizador de respiración humana portátil de pequeño tamaño desarrollado para ser utilizado por consumidores habituales en una diversidad de entornos.

[0099] Las mediciones se realizan directamente en el aire exhalado. La respiración humana contiene un nivel elevado de humedad. La divulgación permite medir la concentración de CO2 directamente en aire exhalado con un elevado contenido de humedad de manera precisa y rápida y sin necesidad de deshumidificación. La divulgación elimina la necesidad de piezas reemplazables y puede utilizarse para el análisis del aliento durante años sin necesidad de servicio. Además, la divulgación funciona en una amplia variedad de entornos de temperatura ambiente, incluyendo exteriores y características de baja potencia, tamaño pequeño y tiempo de respuesta rápido. El sistema de muestreo de sensores puede medir con precisión las muestras sin condensación que afecten a las mediciones en estos entornos.

[0101] Este diseño puede medir cualquier gas que pueda detectarse con un sensor NDIR, gases también conocidos como gases de efecto invernadero, esto incluye vapor de agua (H2O), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos (CxHy), hidrofluorocarbonos, refrigerantes que incluyen hidrofluorocarbonos (HCFC y HFC) y clorofluorocarbonos (CFC). Aunque el sensor de CO2 NDIR se muestra en una forma de realización de esta divulgación, el mismo enfoque puede utilizarse con otras tecnologías de detección, siempre que el gas analizado tenga un elevado contenido de humedad en un amplio intervalo de temperaturas.

[0103] El sistema de medición de gas 100, 200 permite mediciones directas de la concentración de CO2 en la respiración humana, que presentan un tiempo de respuesta rápido (<1 s) a cambios en la concentración y, al mismo tiempo, que son insensibles a los gradientes de temperatura y condensación que puedan producirse cuando una muestra de aire exhalado húmedo caliente entra en una cámara de muestra relativamente fría.

[0105] [0047]El sistema 100, 200 proporciona: (a) un tiempo de respuesta rápido de medición (100 milisegundos y menos de 1 segundo) para permitir mediciones dinámicas del aliento; (b) el tiempo de calentamiento después de encender el sistema es muy corto, casi instantáneo a <1 s sin utilizar el calentador y <10 s utilizando el calentador, lo que hace que resulte atractivo utilizarlo en aplicaciones alimentadas por batería; (c) insensibilidad al contenido elevado de humedad en el aire exhalado que podría alcanzar el 100% de HR; (d) un funcionamiento en una amplia variedad de condiciones de temperatura, lo que lo hace utilizable en la mayoría de los entornos prácticos en interiores y exteriores; (e) una baja potencia que permite el funcionamiento en baterías de tamaño pequeño; y (f) sin necesidad de piezas reemplazables, trampas de agua, tubo de Nafion, o filtros diseñados para eliminar agua de la muestra de aliento, o bombas de aire para controlar una muestra de flujo. El diseño del sistema da como resultado mediciones precisas del aliento en un amplio intervalo de temperatura ambiente sin necesidad de piezas desechables (a menudo, necesarias en sistemas de muestras de flujo principal) y calibraciones frecuentes.

[0107] Un sistema de muestreo de bajo coste que puede utilizarse en un intervalo de temperatura ambiente más amplio, de bajo coste, con un tiempo de respuesta rápido, bajo consumo de energía, tamaño de bolsillo en miniatura (tamaño de bolsillo) permitirá que un dispositivo portátil conveniente de medición del aliento sea utilizado cómodamente por las personas, en lugar de tener que tomar muestras de aliento en un hospital u oficina donde puede haber un equipo más caro y menos portátil.

[0109] El análisis de las mediciones del aliento exhalado es una manera no invasiva y esperanzadora de monitorizar y diagnosticar a individuos. Un objetivo de la divulgación es proporcionar un analizador de respiración humana que pueda monitorizar CO2 (y otros gases si es necesario) que pueda ser utilizado por consumidores habituales de manera similar a otros productos de consumo, en una variedad de condiciones sin necesidad de realizar mantenimiento o de disponer de partes replicables y sin manipulación especial. Este diseño es adecuado y de bajo coste, de manera que puede ser utilizado por personas en la comodidad de su hogar, durante un día normal o cuando viajan.

[0111] El CO2 y el CO y los niveles en el aliento pueden proporcionar mucha información sobre la salud de un individuo. Las mediciones de CO2, por ejemplo, en el aliento, tienen aplicaciones de salud conocidas y desconocidas para las cuales este sistema de muestreo y este sensor pueden ser útiles en su detección. Esto incluye, pero no se limita a funciones metabólicas, a quemar grasa,digestión, eficacia del medicamento, monitorización de la respuesta de un paciente a procedimientos o medicamentos, medición del volumen pulmonar, medición del espacio muerto de las vías respiratorias, diagnóstico y monitorización de enfermedades respiratorias tales como asma y bronquitis crónica (EPOC).

[0113] Las mediciones de CO pueden ser biomarcadores de enfermedad, estrés oxidativo, inflamación y enfermedades respiratorias. El CO en el aliento puede ser útil como herramienta para ayudar a los fumadores a dejar el tabaco, ya que un nivel alto sería proporcional al CO en la sangre. De manera similar, una persona que ha estado expuesta a C<o>puede presentar un C<o>elevado en el aliento y monitorizarlo a lo largo del tiempo es una manera no invasiva de realizar un seguimiento de la recuperación. Además del valor absoluto de los gases en el aliento exhalado, la forma de la respuesta de aliento o los cambios dinámicos dentro de una única respiración proporciona información sobre el sujeto. La respuesta rápida del sensor permite medir con precisión el perfil de respiración. La forma del CO2 en la exhalación proporciona mucha información sobre la persona sometida a la prueba.

[0115] Se reconocerá que la geometría del sistema de muestreo de la presente divulgación puede adoptar muchas formas. Una característica importante sobre el diseño es que la gran mayoría del gas de muestra evita el sensor y los deflectores 202, los canales 205 y 204, el paso 203 y el punto de estrangulamiento 211 están sintonizados para proporcionar el flujo de aire necesario a través de la zona de sensor 207 al tiempo que lo hace insensible a las variaciones de flujo de aire individuales del usuario. Estas proporciones pueden ajustarse basándose en caudales y requisitos de tiempo de respuesta de la aplicación. De este modo, por ejemplo, pueden colocarse calentadores en lugares que no sean la ventana en el conjunto óptico, en la práctica esto es lo que se está haciendo en los productos disponibles en el mercado actualmente.

[0117] Se observa además que la descripción y las reivindicaciones utilizan varios términos geométricos o relacionales, tales como lineal, curvado, alargado, circular, oblongo, cónico, paralelo, perpendicular, transversal, planar y plano. Además, la descripción y las reivindicaciones utilizan varios términos direccionales o de posicionamiento y similares, tales como anterior, posterior, delantero, trasero, por encima, por debajo, superior, inferior, lateral, izquierdo, derecho, arriba, abajo, interior, exterior, distal y proximal. Esos términos se utilizan únicamente por comodidad para facilitar la descripción en función de las formas de realización mostradas en las figuras. Estos términos no pretenden limitar la divulgación. Por tanto, debe reconocerse que la divulgación puede describirse de otras maneras sin esos términos geométricos, relacionales, direccionales o de posicionamiento. Además, los términos geométricos o relacionales pueden no ser exactos. Por ejemplo, las paredes pueden no ser exactamente perpendiculares o paralelas entre sí, pero pueden seguir considerándose sustancialmente perpendiculares o paralelas debido, por ejemplo, a rugosidades de las superficies, tolerancias permitidas en la fabricación, etcétera. Además, pueden proporcionarse otras geometrías y relaciones adecuadas sin apartarse del espíritu y alcance de la divulgación.

[0119] La descripción y los dibujos anteriores deben considerarse solo ilustrativos de los principios de la divulgación. La divulgación puede estar configurada en una variedad de formas y tamaños y no está destinada a estar limitada por la forma de realización preferida. A los expertos en la materia, se les ocurrirán fácilmente numerosas aplicaciones de la divulgación. Por lo tanto, no se desea limitar la divulgación a los ejemplos específicos divulgados o a la construcción y funcionamiento exactos, mostrados y descritos. Por el contrario, se puede recurrir a que todas las modificaciones y equivalentes adecuados se encuentran dentro del alcance de la divulgación.

[0121] La invención está definida por las reivindicaciones adjuntas 1 a 12.

Claims (12)

1. REIVINDICACIONES

1. Conjunto de muestreo de aliento (200) que comprende:

- un alojamiento (250) que presenta:

- un extremo de entrada (201) para recibir el aliento de un usuario;

- un punto de estrangulamiento de entrada (209), en el que los lados del alojamiento se estrechan hacia dentro desde el extremo de entrada para definir el punto de estrangulamiento de entrada;

- una parte central que presenta un sensor de gas y uno o más deflectores (202) dispuestos para desviar el aliento del usuario hacia el sensor de gas y un resto del aliento se aísla del sensor de gas y evita el mismo; - un punto de estrangulamiento de escape (212); y

- un extremo de salida (208) para expulsar el aliento del usuario una vez que ha pasado la parte central, en el que los lados del alojamiento se estrechan hacia fuera desde el punto de estrangulamiento de escape hasta el extremo de salida;

en el que el punto de estrangulamiento de entrada y el punto de estrangulamiento de escape están configurados para generar en combinación con la desviación del aliento, una caída de presión para arrastrar la parte del aliento del usuario en el sensor de gas y a través del mismo.

2. Aparato de muestreo de aliento según la reivindicación 1, en el que dicha parte central presenta unos canales (204, 205, 206) y unas cavidades.

3. Aparato de muestreo de aliento según la reivindicación 1 o 2, presentando dicho alojamiento un espacio interno, que comprende además una pared de separación (213) posicionada en dicho espacio interno para definir un canal de derivación (206) que evita el sensor de gas de modo que solo una parte del aliento del usuario alcanza el sensor de gas.

4. Aparato de muestreo de aliento según la reivindicación 3, que comprende además un alojamiento de sensor (207) posicionado en el espacio interno y que presenta un canal de sensor (203) que dirige el aliento del usuario hacia el sensor de gas.

5. Aparato de muestreo de aliento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, comprendiendo dicho sensor de gas un detector de luz, una estructura de soporte estanca a los gases que encierra dicho detector de luz, una ventana posicionada en dicha estructura de soporte y una fuente de luz montada en dicha estructura de soporte alineada con dicha ventana y dicho detector de luz para pasar luz desde dicha fuente de luz hasta dicho detector de luz.

6. Aparato de muestreo de aliento según la reivindicación 1, en el que la parte central define una zona de sensor (207), comprendiendo además el aparato:

- una isla de sensor (214) dispuesta en la zona de sensor y que aloja el sensor de gas, en la que se permite que la parte del aliento del usuario pase dentro de la isla de sensor y hacia el sensor de gas;

- un primer paso de recorrido de derivación (204) dispuesto para dirigir una parte del resto del aliento del usuario a través de la zona de sensor sobre un primer lado de la isla de sensor para evitar el sensor de gas; y

- un segundo paso de recorrido de derivación (205) dispuesto para dirigir otra parte del resto del aliento del usuario a través de la zona de sensor sobre un segundo lado de la isla de sensor para evitar el sensor de gas.

7. Aparato de muestreo de aliento según la reivindicación 6, en el que por lo menos un deflector de entre uno o más deflectores está dispuesto para bloquear parcialmente un flujo a través del segundo paso de recorrido de derivación.

8. Aparato de muestreo de aliento según la reivindicación 6 o 7, que comprende además una pared de separación (213) dispuesta dentro de la parte central y que define una ruta de derivación (206) que evita la isla de sensor, el primer paso de recorrido de derivación y el segundo paso de recorrido de derivación, estando la ruta de derivación configurada para recibir el resto del aliento.

9. Aparato de muestreo de aliento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que todas las partes del aliento del usuario están unidas entre sí en el punto de estrangulamiento de escape.

10. Aparato de muestreo de aliento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada deflector del uno o más deflectores está dispuesto aguas arriba de la isla de sensor dentro de la zona de sensor y aguas abajo del punto de estrangulamiento de entrada.

11. Aparato de muestreo de aliento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una geometría de estrechamiento interno en el extremo de salida presenta una forma circular.

12. Aparato de muestreo de aliento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el uno o más deflectores y el sensor de gas están configurados de manera que la parte del aliento del usuario desviada al sensor de gas comprende el 0.1% del volumen de flujo total del aliento del usuario.