IT201800005692A1

IT201800005692A1 - Dispositivo per la misurazione della anidride carbonica in un gas di lavoro

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Publication number: IT201800005692A1
Application number: IT102018000005692A
Authority: IT
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2019-11-24
Also published as: CN112153993B; WO2019224735A1; EP3801676A1; CN112153993A; EP3801676B1; JP2021524582A; US20210236707A1

Description

Descrizione di Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo: “DISPOSITIVO PER LA MISURAZIONE DELLA ANIDRIDE CARBONICA IN UN GAS DI LAVORO”.

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per la misurazione della anidride carbonica in un gas di lavoro, particolarmente in ambito medicale.

Una delle possibili applicazioni in ambito medicale di questo tipo di dispostivi è all’interno dei circuiti per la circolazione extracorporea del sangue. E’ noto che durante gli interventi cardiochirurgici viene instaurata una circolazione extracorporea del sangue che ha come scopo principale la perfusione degli organi vitali, ossia l’irrorazione degli stessi mediante sangue ossigenato, per garantirne la corretta funzionalità, ed allo scopo uno degli apparecchi compresi nel circuito extracorporeo è costituito da un ossigenatore nel quale il sangue proveniente dalla linea venosa di prelievo dal paziente viene arricchito di ossigeno prima di essere immesso nella linea arteriosa di ritorno al paziente.

In particolare, l’ossigenatore presenta un canale di ingresso ed un canale di uscita di un gas di lavoro destinato a fornire ossigeno al sangue e/o a rimuovere anidride carbonica dallo stesso.

La quantità di anidride carbonica rimossa dall’ossigenatore risulta perciò un parametro di primaria importanza per valutare l’efficacia e l’andamento della circolazione extracorporea.

A questo scopo, ovvero di rilevare la quantità di anidride carbonica rimossa dal sangue in arrivo dal paziente, vengono generalmente utilizzati dei dispositivi definiti, in gergo, “capnometri”.

Tali dispositivi sono posizionati in corrispondenza del canale di uscita del gas di lavoro e comprendono un emettitore di un segnale ottico atto ad attraversare il flusso del gas in uscita dall’ossigenatore ed un ricevitore del segnale ottico contrapposto all’emettitore. Poiché le particelle di anidride carbonica assorbono energia nel campo della lunghezza d’onda dell’infrarosso, risulta facilmente intuibile come dal segnale rilevato sia possibile risalire alla quantità di anidride carbonica presente.

Poiché l’eventuale presenza di condensa sui dispositivi ottici, ovvero sull’emettitore o sul ricevitore, può alterare la misurazione effettuata, alcuni capnometri di tipo noto prevedono l’utilizzo di mezzi di riscaldamento atti appunto a prevenire la formazione di condensa.

Anche questi dispositivi di tipo noto presentano però alcuni inconvenienti. In particolare, studi effettuati dimostrano una diminuzione della potenza del segnale ottico emesso al crescere della temperatura. Come facilmente intuibile, questo comporta anche un’alterazione nella valutazione della quantità di anidride carbonica rilevata.

Il compito principale della presente invenzione è quello di escogitare un dispositivo per la rilevazione della quantità di anidride carbonica in circuiti per la circolazione extracorporea del sangue che consenta di rilevare in modo efficace ed affidabile la quantità di anidride carbonica rimossa dal sangue.

All’interno di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di effettuare una rilevazione continua nel tempo.

Altro scopo del presente trovato è quello di escogitare un dispositivo per la rilevazione dell’anidride carbonica in circuiti per la circolazione extracorporea del sangue che consenta di superare i menzionati inconvenienti della tecnica nota nell’ambito di una soluzione semplice, razionale, di facile ed efficace impiego e dal costo contenuto.

Gli scopi sopra esposti sono raggiunti dal presente dispositivo per la rilevazione dell’anidride carbonica in un gas di lavoro secondo la rivendicazione 1.

Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un dispositivo per la rilevazione dell’anidride carbonica in un gas di lavoro, illustrata a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui:

la figura 1 è una rappresentazione schematica di un circuito per la circolazione extracorporea secondo il trovato;

la figura 2 è una vista assonometrica in esploso di un dispositivo per la rilevazione dell’anidride carbonica secondo il trovato;

la figura 3 è una vista assonometrica di una porzione del dispositivo di figura 2;

la figura 4 è una rappresentazione schematica della logica di controllo di un dispositivo secondo il trovato.

Con particolare riferimento a tali figure, si è indicato globalmente con il numero di riferimento 1 un dispositivo per la rilevazione dell’anidride carbonica in un gas di lavoro.

Il dispositivo 1 comprende un corpo tubolare 7, all’interno del quale viene convogliato un gas di lavoro, ad esempio del tipo di una miscela di gas, almeno un emettitore 8 di un segnale ottico disposto in corrispondenza del corpo tubolare 7 ed almeno un ricevitore 9 del segnale ottico disposto in corrispondenza del corpo tubolare 7 da parte opposta rispetto all’emettitore 8. Il corpo tubolare 7 è disposto all’interno di un corpo scatolare 20a,20b. Nella forma di realizzazione rappresentata in figura 2, il corpo scatolare 20a,20b è costituito dalle porzioni 20a e 20b, le quali sono tra loro collegate mediante organi filettati 21.

Opportunamente, l’emettitore 8 ed il ricevitore 9 sono del tipo di fotodiodi ad infrarosso. L’emettitore 8 ed il ricevitore 9 sono ad esempio costituiti da diodi del tipo InAsSb/InAs.

Più particolarmente, il corpo tubolare 7 è del tipo di una “cuvette” realizzata in materiale trasparente.

Il dispositivo 1 comprende poi mezzi di riscaldamento 10,11 disposti in corrispondenza di almeno uno tra l’emettitore 8 ed il ricevitore 9.

I mezzi di riscaldamento 10,11 comprendono almeno primi mezzi di riscaldamento 10 disposti in corrispondenza dell’emettitore 8.

Preferibilmente, i mezzi di riscaldamento 10,11 comprendono anche secondi mezzi di riscaldamento 11 disposti in corrispondenza del ricevitore 9.

Vantaggiosamente, i mezzi di riscaldamento 10, 11 sono costituiti da un relativo elemento riscaldante provvisto di almeno un foro 12 passante che si affaccia sul corpo tubolare 7 ed all’interno del quale si inserisce il corrispondente emettitore 8 o ricevitore 9. L’elemento riscaldante 10,11 è provvisto di una relativa resistenza 19 collegata a mezzi di alimentazione elettrica. L’elemento riscaldante 10,11 è opportunamente realizzato in un materiale conduttore di calore, ad esempio in un materiale metallico. I mezzi di riscaldamento comprendono, quindi, due elementi riscaldanti 10, 11, disposti da parti opposte rispetto al corpo tubolare 7 e tra loro affacciati, dei quali un primo elemento riscaldante 10 provvisto di un relativo foro 12 all’interno del quale è inserito l’emettitore 8 ed un secondo elemento riscaldante 11 provvisto di un relativo foro 12 all’interno del quale è inserito il ricevitore 9.

Anche i mezzi di riscaldamento 10, 11 sono disposti all’interno del corpo scatolare 20a, 20b. Tra il corpo scatolare 20a, 20b ed il corpo tubolare 7 e tra quest’ultimo ed i mezzi di riscaldamento 10, 11 sono opportunamente interposti dei mezzi di tenuta 22, ad esempio del tipo di O-ring.

Nella forma di realizzazione rappresentata nelle figure 2 e 3, i mezzi di riscaldamento 10, 11 sono fissati a relativi elementi di supporto 23a, 23b disposti all’interno del corpo scatolare 20a, 20b.

Secondo il trovato, il dispositivo 1 comprende almeno un sensore 13,14 di temperatura posizionato in prossimità dei mezzi di riscaldamento 10,11 ed almeno una unità di controllo 15 operativamente collegata all’emettitore 8, al ricevitore 9, ai mezzi di riscaldamento 10,11 ed al sensore 13,14.

Il dispositivo 1 comprende almeno un primo sensore 13 di temperatura disposto in prossimità dei primi mezzi riscaldanti 10. Più in particolare, il primo sensore 13 è associato al primo elemento riscaldante 10.

Preferibilmente, il dispositivo 1 comprende anche un secondo sensore 14 di temperatura disposto in prossimità dei secondi mezzi riscaldanti 11. Più in particolare, il secondo sensore 14 è associato al secondo elemento riscaldante 11.

L’unità di controllo 15 comprende mezzi di correzione configurati per correggere il valore del segnale ottico rilevato dal ricevitore 9 in funzione della temperatura rilevata da almeno uno dei sensori 13,14.

Vantaggiosamente, l’unità di controllo 15 comprende primi mezzi per calcolare un segnale ottico filtrato Sf, corrispondente alla media dei segnali ricevuti dal ricevitore 9 in un primo intervallo di tempo dinamico, secondi mezzi per calcolare una temperatura filtrata Tf, corrispondente alla temperatura media rilevata dal sensore 13,14 di temperatura in un secondo intervallo di tempo dinamico, e terzi mezzi per calcolare un segnale ottico corretto Sc secondo la seguente formula:

Sc = Sf (Tr – Tf) x C

dove Sf corrisponde al segnale ottico filtrato, Tr corrisponde ad una temperatura di riferimento preimpostabile, Tf corrisponde alla temperatura filtrata e C corrisponde ad un coefficiente preimpostabile.

Con il termine “intervallo di tempo dinamico” si intende un intervallo di tempo di ampiezza predefinita mobile nel tempo, ovvero l’intervallo di tempo all’interno del quale viene calcolato il valore medio del corrispondente segnale si sposta con l’avanzare del tempo.

L’impiego di intervalli di tempo dinamici per calcolare il segnale ottico filtrato e la temperatura filtrata consente di correggere eventuali oscillazioni di temperatura dovute ai limiti costruttivi dei mezzi di riscaldamento ed alla imprecisione nella rilevazione della temperatura dovuta alla distanza tra il sensore 13,14 ed il relativo dispositivo ottico 8,9. Preferibilmente, la temperatura filtrata Tf corrisponde alla temperatura media rilevata dal primo sensore 13 di temperatura nel secondo intervallo di tempo dinamico.

La temperatura di riferimento Tr è preferibilmente compresa tra 41°C e 43°C, ad esempio pari a 42°C.

Il coefficiente C è preferibilmente compreso tra 81 e 81,5, ad esempio pari a 81,2.

Opportunamente, il dispositivo 1 comprende mezzi di controllo 17,18 della temperatura dei mezzi di riscaldamento 10,11. I mezzi di controllo 17,18 sono configurati per mantenere la temperatura dei mezzi di riscaldamento 10,11 sostanzialmente ad un valore predefinito. Tale valore di temperatura predefinito è ad esempio impostabile da un operatore tramite mezzi hardware.

I mezzi di controllo 17,18 sono configurati l’innalzamento della temperatura dei mezzi di riscaldamento 10,11 fino al raggiungimento della temperatura prefissata. Una volta superata la temperatura prefissata, i mezzi di controllo 17,18 interrompono il passaggio di corrente sulle relative resistenze 19. Quando la temperatura dei mezzi di riscaldamento 10,11 scende al disotto della temperatura prefissata i mezzi di controllo 17,18 attivano nuovamente il passaggio di corrente sulle resistenze 19. I mezzi di controllo 17,18 sono operativamente collegati a dei sensori di temperatura, distinti dai sensori 13, 14 e non visibili in dettaglio nelle figure, disposti in prossimità dei mezzi di riscaldamento 10,11.

Più in dettaglio, i mezzi di controllo 17,18 comprendono primi mezzi di controllo 17 dei primi mezzi di riscaldamento 10 e secondi mezzi di controllo 18 dei secondi mezzi di riscaldamento 11.

Nella forma di realizzazione di figura 1, il dispositivo 1 è inserito all’interno di un circuito per la circolazione extracorporea del sangue, identificato con il numero di riferimento 30, comprendente un ossigenatore 2 del sangue provvisto di almeno una luce di ingresso 3 del sangue da ossigenare, di almeno una luce di uscita 4 del sangue ossigenato, di almeno un canale di ingresso 5 e di almeno un canale di uscita 6 di un gas di lavoro, ad esempio aria od ossigeno, destinato a fornire ossigeno al sangue e/o a rimuovere anidride carbonica dallo stesso. Più particolarmente, il corpo tubolare 7 è collegato al canale di uscita 6.

Vantaggiosamente, il circuito 30 comprende anche mezzi di misurazione 16 della portata del gas di lavoro, ad esempio del tipo di un flussimetro, associati al canale di ingresso 5.

Più in dettaglio, i mezzi di misurazione 16 sono operativamente collegati all’unità di controllo 15, la quale comprende quarti mezzi per calcolare la percentuale di anidride carbonica rimossa dal sangue in funzione della portata del gas di lavoro misurata e del segnale ottico corretto Sc.

La relazione tra il segnale ottico filtrato Sc e la quantità di anidride carbonica presente è di tipo lineare, ed è rappresentata dal grafico a linee spezzate riportato qui sotto, il quale riporta in ascissa la concentrazione di anidride carbonica e in ordinata la potenza del segnale elettrico ricevuto espresso in mV.

I primi, secondi, terzi e quarti mezzi per calcolare sono implementati mediante un software e/o un hardware dedicati.

Il funzionamento del dispositivo nell’esecuzione del metodo secondo il trovato è il seguente.

Occorre innanzitutto prevedere la fornitura almeno dell’emettitore 8 e del ricevitore 9 di un segnale ottico.

Più particolarmente, si provvede a fornire un dispositivo secondo quanto sopra descritto e provvisto, quindi, di un corpo tubolare 7 collegabile al canale di uscita 6 dell’ossigenatore 2, da parti opposte del quale vengono posizionati l’emettitore 8 ed il ricevitore 9.

Una volta che la circolazione extracorporea del sangue viene attivata, si provvede, mediante l’emettitore 8, all’emissione di un segnale ottico atto ad attraversare il gas di lavoro uscente dall’ossigenatore 2 ed alla ricezione del segnale stesso mediante il ricevitore 9.

Il metodo oggetto della presente invenzione prevede poi il riscaldamento di almeno uno tra l’emettitore 8 ed il ricevitore 9, al fine di evitare la formazione di condensa su di essi, la rilevazione della temperatura dell’emettitore 8 e/o del ricevitore 9 riscaldati, e la correzione del segnale ottico in funzione della temperatura rilevata.

Vantaggiosamente, la fase di correzione comprende a sua volta le seguenti fasi di:

- calcolo del segnale ottico filtrato Sf corrispondente alla media dei segnali ricevuti dal ricevitore 9 in un primo intervallo di tempo dinamico;

- calcolo della temperatura filtrata Tf, corrispondente alla temperatura media rilevata dell’emettitore 8 e/o del ricevitore 9 in un secondo intervallo di tempo dinamico;

- impostazione di una temperatura di riferimento Tr;

- impostazione di un valore costante C;

- calcolo di un segnale ottico corretto Sc secondo la formula:

Sc = Sf (Tr – Tf) x C

dove Sf corrisponde al segnale ottico filtrato, Tr corrisponde alla temperatura di riferimento, Tf corrisponde alla temperatura filtrata e C corrisponde al valore costante.

Preferibilmente, la temperatura filtrata Tf corrisponde alla temperatura media rilevata dell’emettitore 8.

Il segnale ottico calcolato Sc viene poi elaborato, attraverso il confronto con il segnale ottico emesso, per determinare la quantità di anidride carbonica presente nel gas di lavoro.

Si provvede inoltre a misurare la portata del gas di lavoro entrante nell’ossigenatore ed a calcolare la percentuale di anidride carbonica in uscita dall’ossigenatore stesso.

Si è in pratica constatato come il trovato descritto raggiunga gli scopi proposti e in particolare si sottolinea il fatto che il dispositivo per la misurazione dell’anidride carbonica oggetto della presente invenzione consente di ottenere un segnale, relativo alla quantità di anidride carbonica presente nel gas di lavoro uscente dall’ossigenatore di un circuito extracorporeo, che tiene in considerazione l’effetto del riscaldamento applicato ai relativi dispositivi ottici (emettitore e ricevitore).

In particolare, il dispositivo secondo il trovato consente limitare l’errore di rilevazione della temperatura dei dispositivi ottici, imputabile sia all’oscillazione della temperatura dei mezzi di riscaldamento, sia al fatto che la temperatura viene rilevata in corrispondenza dei mezzi di riscaldamento stessi e non dei dispositivi ottici.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo (1) per la misurazione della anidride carbonica in un gas di lavoro comprendente: - un corpo tubolare (7) all’interno del quale viene convogliato un gas di lavoro; - almeno un emettitore (8) di un segnale ottico disposto in corrispondenza di detto corpo tubolare (7); - almeno un ricevitore (9) di detto segnale ottico disposto in corrispondenza di detto corpo tubolare (7) da parte opposta di detto emettitore (8); - mezzi di riscaldamento (10, 11) disposti in corrispondenza di almeno uno tra detto emettitore (8) e detto ricevitore (9); caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un sensore (13, 14) di temperatura posizionato in prossimità di detti mezzi di riscaldamento (10, 11), almeno una unità di controllo (15) operativamente collegata a detto emettitore (8), a detto ricevitore (9), a detti mezzi di riscaldamento (10, 11) e a detto sensore (13, 14), detta unità di controllo (15) comprendendo mezzi di correzione configurati per correggere il valore del segnale ottico rilevato da detto ricevitore (9) in funzione della temperatura rilevata da detto sensore (13, 14) di temperatura.
2) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di correzione comprendono primi mezzi per calcolare un segnale ottico filtrato (Sf), corrispondente alla media dei segnali ricevuti da detto ricevitore (9) in un primo intervallo di tempo dinamico, secondi mezzi per calcolare una temperatura filtrata (Tf), corrispondente alla temperatura media rilevata da detto sensore (13, 14) di temperatura in un secondo intervallo di tempo dinamico, e terzi mezzi per calcolare un segnale ottico corretto (Sc) secondo la seguente formula: Sc = Sf (Tr – Tf) x C dove Sf corrisponde a detto segnale ottico filtrato, Tr corrisponde ad una temperatura di riferimento preimpostabile, Tf corrisponde a detta temperatura filtrata e C corrisponde ad un coefficiente preimpostabile.
3) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di riscaldamento (10, 11) comprendono almeno primi mezzi di riscaldamento (10) disposti in corrispondenza di detto emettitore (8) e dal fatto di comprendere almeno un primo sensore (13) di temperatura disposto in prossimità di detti primi mezzi di riscaldamento (10), e dal fatto che detta temperatura filtrata (Tf) corrisponde alla temperatura media rilevata da detto primo sensore (13) di temperatura in detto secondo intervallo di tempo dinamico.
4) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di riscaldamento (10, 11) comprendono secondi mezzi di riscaldamento (11) disposti in corrispondenza di detto ricevitore (9) e dal fatto di comprendere almeno un secondo sensore (14) di temperatura disposto in prossimità di detti secondi mezzi di riscaldamento (11).
5) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di riscaldamento (10, 11) comprendono almeno un relativo elemento riscaldante provvisto di almeno un foro (12) passante che si affaccia su detto corpo tubolare (7) ed all’interno del quale si inserisce detto emettitore (8) o detto ricevitore (9).
6) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto sensore (13, 14) di temperatura è associato a detto elemento riscaldante (10, 11).
7) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 2 a 6, caratterizzato dal fatto che detta temperatura di riferimento (Tr) è compresa tra 41°C e 43°C.
8) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 2 a 7, caratterizzato dal fatto che il valore di detto coefficiente (C) preimpostabile è compreso tra 81 e 81,5.
9) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti emettitore (8) e ricevitore (9) sono del tipo di fotodiodi ad infrarosso.
10) Circuito (30) per la circolazione extracorporea del sangue comprendente: un ossigenatore (2) del sangue provvisto di almeno una luce di ingresso (3) del sangue da ossigenare, almeno una luce di uscita (4) del sangue ossigenato, almeno un canale di ingresso (5) ed almeno un canale di uscita (6) di un gas di lavoro destinato a fornire ossigeno al sangue e/o a rimuovere anidride carbonica dallo stesso; caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo (1) per la misurazione dell’anidride carbonica secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, dove detto corpo tubolare (7) è collegato a detto canale di uscita (6) del gas di lavoro.
11) Circuito (30) secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di misurazione (16) della portata del gas di lavoro associati a detto canale di ingresso (5).
12) Circuito (30) secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di misurazione (16) sono operativamente collegati a detta unità di controllo (15), quest’ultima comprendendo quarti mezzi per calcolare la percentuale di anidride carbonica rimossa dal sangue in funzione della portata del gas di lavoro misurata e di detto segnale ottico corretto (Sc).
13) Metodo per la misurazione dell’anidride carbonica in un gas di lavoro, comprendente le seguenti fasi di: - fornitura di almeno un corpo tubolare (7) all’interno del quale viene convogliato un gas di lavoro; - fornitura di almeno un emettitore (8) di un segnale ottico e di almeno un ricevitore (9) di detto segnale ottico; - emissione di un segnale ottico che attraversa detto corpo tubolare (7); - ricezione di detto segnale ottico mediante detto ricevitore (9); - riscaldamento di almeno uno tra detto emettitore (8) e detto ricevitore (9); caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi di: - rilevazione della temperatura di detto emettitore (8) e/o di detto ricevitore (9) riscaldato; - correzione di detto segnale ottico ricevuto in funzione di detta temperatura rilevata in modo da ottenere un segnale ottico corretto (Sc); - elaborazione di detto segnale ottico corretto (Sc) per determinare la quantità di anidride carbonica presente nel gas di lavoro che attraversa detto corpo tubolare (7).
14) Metodo secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detta correzione comprende le seguenti fasi di: - calcolo di un segnale ottico filtrato (Sf) corrispondente alla media dei segnali ottici ricevuti da detto ricevitore (9) in un primo intervallo di tempo dinamico; - calcolo di una temperatura filtrata (Tf), corrispondente alla media della temperatura rilevata in un secondo intervallo di tempo dinamico; - impostazione di una temperatura di riferimento (Tr); - impostazione di un coefficiente (C) predefinito; - calcolo di detto segnale ottico corretto (Sc) secondo la formula: Sc = Sf (Tr – Tf) x C dove Sf corrisponde a detto segnale ottico filtrato, Tr corrisponde a detta temperatura di riferimento, Tf corrisponde a detta temperatura filtrata e C corrisponde a detto coefficiente predefinito.
15) Metodo secondo la rivendicazione 13 o 14, caratterizzato dal fatto che detta temperatura rilevata è relativa alla temperatura di detto emettitore (8).
16) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 13 a 15, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: - fornitura di almeno un circuito per la circolazione extracorporea del sangue comprendenti un ossigenatore (2) del sangue provvisto di almeno una luce di ingresso (3) del sangue da ossigenare, almeno una luce di uscita (4) del sangue ossigenato, almeno un canale di ingresso (5) ed almeno un canale di uscita (6) del gas di lavoro, quest’ultimo essendo destinato a fornire ossigeno al sangue e/o a rimuovere anidride carbonica dallo stesso; - collegamento di detto corpo tubolare (7) a detto canale di uscita (6).