ITBG20100042A1 - Sistema e metodo per la misura dell'impedenza meccanica del sistema respiratorio - Google Patents

Sistema e metodo per la misura dell'impedenza meccanica del sistema respiratorio Download PDF

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ITBG20100042A1 IT000042A ITBG20100042A ITBG20100042A1 IT BG20100042 A1 ITBG20100042 A1 IT BG20100042A1 IT 000042 A IT000042 A IT 000042A IT BG20100042 A ITBG20100042 A IT BG20100042A IT BG20100042 A1 ITBG20100042 A1 IT BG20100042A1
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Alessandro Gobbi
Antonio Pedotti
Pasquale Pio Pompilio
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Milano Politecnico
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Description

“Sistema e metodo per la misura dell’impedenza meccanica del sistema respiratorio.â€
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un sistema e ad un metodo per la misura dell’impedenza meccanica del sistema respiratorio ed in particolare ad un sistema e a un metodo per la registrazione delle misure di pressione e di flusso dell'aria. Tale sistema e metodo misurano i parametri legati all’impedenza meccanica del sistema respiratorio ed al breathing pattern attraverso l'utilizzo della tecnica delle oscillazioni forzate (FOT o oscillometria).
La tecnica delle oscillazioni forzate à ̈ una metodologia di misura delle proprietà meccaniche del polmone e delle vie aeree che si basa sull’analisi della loro risposta a piccoli stimoli di pressione generati esternamente e sovrapposti al respiro spontaneo. Sebbene queste tecniche siano state introdotte nel 1956, per molti anni hanno suscitato una limitata attenzione dal mondo clinico a causa delle difficoltà tecniche collegate alla loro implementazione. Negli ultimi 20 anni, grazie ai progressi tecnologici, l’utilizzo di tecniche oscillometriche per la misura delle proprietà meccaniche e funzionali del sistema respiratorio ha iniziato a suscitare un crescente interesse da parte del mondo clinico come potenziale nuovo strumento di diagnosi e monitoraggio. Infatti, poiché non richiedono la collaborazione del paziente, tali tecniche potrebbero essere molto utili per applicazioni su bambini, pazienti anziani o molto malati o affetti da disturbi neuro-muscolari.
In oscillometria, le caratteristiche meccaniche del sistema respiratorio sono misurate sottoponendo lo stesso ad uno stimolo meccanico esterno e derivando la sua impedenza meccanica (Z) definita come rapporto complesso tra pressione (Ρ30)e flusso (<v>„0) misurati all’ingresso delle vie aeree alla frequenza f di stimolo:
zm-M-Hm+ixw
Yao \
L’impedenza meccanica à ̈ un numero complesso la cui parte reale, chiamata resistenza (R(f)), sintetizza la proprietà dissipative del sistema, mentre la parte immaginaria, chiamata reattanza (X (f) ) , sintetizza la capacità del sistema di immagazzinare energia e quindi à ̈ determinata congiuntamente dalle proprietà elastiche e inerziali del sistema.
Sono noti dispositivi per la misura dell’impedenza meccanica del sistema respiratorio in cui l’onda di stimolo viene fornita attraverso dispositivi esterni come altoparlanti o sistemi cilindro/pistone, rispettivamente come descritto nel brevetto EP 1 551 293 e nel brevetto US 3,713,436.
Sono anche noti sistemi che utilizzano degli attuatori per occludere parzialmente o totalmente le vie aeree durante respiro spontaneo in modo da provocare delle perturbazioni di pressione all’interno del circuito, dove l’energia di stimolazione à ̈ generata dai muscoli respiratori, come descritto nel brevetto US 6,066,101.
Sebbene i dispositivi appartenenti a quest'ultima categoria siano più economici e meno ingombranti, essi, a differenza di quelli appartenenti alla precedente, non funzionano per flussi espirati e inspirati bassi (es. a fine inspirazione e fine espirazione) . Questo li rende inadatti per misurare le variazioni di meccanica respiratoria che avvengono durante il ciclo respiratorio.
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di provvedere ad un sistema ed a un metodo per la misura dell'impedenza meccanica del sistema respiratorio durante il respiro spontaneo, ed in particolare ad un sistema e a un metodo per la generazione di stimoli di pressione di forma predefinita, per la registrazione delle misure di pressione e di flusso dell’aria e per l'elaborazione numerica necessaria a derivare l’impedenza meccanica del sistema respiratorio che sia compatto e a basso costo.
In accordo con la presente invenzione, tali scopi ed altri ancora vengono raggiunti da un sistema per misura dell’impedenza meccanica del sistema respiratorio caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema per la misura dirette o indirette di pressione e di flusso dell’aria ed un sistema per la generazione di stimoli di pressione comprendente: una cavità; un motore che aziona una ventola; detto motore e detta ventola sono posti in detta cavità; detta cavità comprende una estremità iniziale ed un estremità finale, entrambe di accesso all’esterno; detta ventola preleva aria da detta estremità finale; detta estremità iniziale comprende mezzi di misura di pressione deM’aria e di flusso deM'aria; detto sistema comprende una memoria per memorizzare i valori misurati da detti mezzi di misura.
Tali scopi vengono anche da un Metodo per la misura dell’impedenza meccanica del sistema respiratorio comprendente la fase di registrare le misure di pressione e di flusso dell’aria; detta fase di registrare comprende le fasi di variare la velocità di rotazione di una ventola posta in una cavità in modo da forzare un flusso d’aria all’interno di detta cavità per generare in prossimità dell’apertura delle vie aeree oscillazioni di pressione di forma e ampiezza predefinita; misurare la pressione ed il flusso di aria in detta cavità in prossimità delle vie aeree del soggetto; memorizzare detti valori misurati.
Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono descritte nelle rivendicazioni dipendenti.
Rispetto ad analoghe tecnologie la presente soluzione ha i seguenti vantaggi.
Non richiede un percorso ad alta inertanza per il respiro spontaneo.
Non richiede l’utilizzo di una linea di aspirazione per ridurre l’accumulo di anidride carbonica nel dispositivo.
Può essere utilizzato per la misura dell’impedenza meccanica del sistema respiratorio durante tutto il ciclo respiratorio del paziente.
Può essere utilizzato a casa dal paziente senza la presenza di personale specializzato.
Può essere utilizzato per la misura delle variazioni di impedenza intra-respiro.
Le suddette caratteristiche rendono possibile la realizzazione di un dispositivo per la misura della meccanica oscillatoria del sistema respiratorio, durante respiro spontaneo, compatto e a basso costo.
Il sistema qui proposto à ̈ costituito da una cavità contenente un motore rotativo collegato ad una ventola (assiale o centrifuga) alloggiato all’interno del circuito idraulico attraverso cui il paziente respira.
Preferibilmente, il sistema include un boccaglio progettato in modo da sostenere le guance durante la misura per ridurre gli effetti di shunt delle vie aeree superiori sulla misura di impedenza.
All’interno del circuito, preferibilmente in prossimità dell’apertura delle vie aeree del paziente, sono posti uno o, preferibilmente, più sensori di pressione e flusso. I segnali di pressione (Pao) e flusso ( Vao) misurati in maniera diretta o indiretta all’apertura delle vie aeree vengono digitalizzati e registrati utilizzando preferibilmente un sistema elettronico basato su microprocessore (Î1⁄4Ρ) e utilizzati per il calcolo dell’impedenza di ingresso del sistema respiratorio e delle sue variazioni durante respiro spontaneo. Preferibilmente tali algoritmi verificano il corretto rapporto segnale-rumore durante la misura e, se necessario, agiscono sul motore accelerando e decelerando la sua velocità di rotazione in modo da variare l’ampiezza e la forma dello stimolo di pressione in prossimità dell’apertura delle vie aeree del paziente in modo da migliorare la qualità della misura.
Le caratteristiche e i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua possibile forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali:
la figura 1 mostra una rappresentazione schematica di un sistema per la misura dell'impedenza meccanica del sistema respiratorio applicato ad un paziente, in accordo alla presente invenzione;
la figura 2 mostra una rappresentazione schematica del solo sistema per la misura dell'impedenza meccanica del sistema respiratorio, in accordo alla presente invenzione;
la figura 3 mostra una rappresentazione schematica del boccaglio per sostenere le guance durante la misura dell’impedenza meccanica del sistema respiratorio, visto da tre lati, in accordo alla presente invenzione.
Riferendosi alle figure allegate, un sistema per la misura dell'impedenza meccanica del sistema respiratorio, in accordo alla presente invenzione, comprende un motore 10 collegato ad una ventola 11 assiale.
Il motore 10 e la ventola 11 sono posti in una cavità 12 (circuito idraulico) sostanzialmente a forma conica, avente una estremità iniziale 13 ed un estremità finale 14.
In particolare, la cavità 12 può essere descritta come un elemento tubolare a forma di cono, vuoto all’interno.
L'estremità iniziale 13 à ̈ predisposta ad essere portata alla bocca del paziente e quindi ha un diametro di circa 3-4 cm. L’estremità finale 14 ha un diametro maggiore, rispetto alla estremità iniziale 13, e pari a circa 10-20 cm, in quanto deve contenere la ventola 11. Superato l’ingrossamento per contenere la ventola 11 , la cavità 12 ha una riduzione di diametro fino ad arrivare ad un diametro di circa 5-10 cm, che determina l’apertura esterna della cavità 12.
Nel caso in cui il volume della cavità 12 sia superiore a 50 ml_ essa comprende preferibilemte una o più valvole 15 di sfiato (o fori), posti a circa metà della distanza tra l’estremità iniziale 13 l'estremità finale 14, necessari a eliminare il flusso espirato e con una resistenza tale da poter permettere un flusso di aria uscente pari almeno a 15 L/min.
In accordo ad una possibile forma di realizzazione, la cavità 12 comprende anche un sensore 16 di pressione
(Pao) ed un sensore 17 di flusso ( Y,u), posti in stretta vicinanza della estremità iniziale 13. In un'altra forma di realizzazione la cavità 12 comprende solamente un sensore 16 di pressione (Ρ30), posto in stretta vicinanza della estremità iniziale 13 e utilizza i valori di assorbimento elettrico del motore e/o la sua velocità di rotazione per la misura indiretta del flusso all'interno di detta cavità.
Associato alla cavità 12 vi à ̈ un sistema di elaborazione e controllo 20, a microprocessore, alimentato da rete o da batterie ricaricabili, che riceve i segnali dai sensori 16 e 17, e li memorizza nella sua memoria ed effettua le elaborazioni necessarie al calcolo dell’impedenza meccanica del sistema respiratorio. Inoltre, comprende il circuito di pilotaggio del motore 10, ed una porta per il collegamento esterno del sistema 20, e poter prelevare le misure effettuate.
In accordo ad una forma di realizzazione il dispositivo di elaborazione e controllo 20, per la gestione delle misure effettuate, comprende solo una memoria ed una porta per poter prelevare i dati. In un'altra forma di realizzazione esso comprende oltre alla memoria anche di un sistema di elaborazione dei dati e quindi fornisce direttamente di dati già elaborati.
Il motore 10 può essere ad esempio di tipo brushed la cui velocità di rotazione à ̈ controllata a titolo di esempio utilizzando un segnale di corrente modulato mediante tecnica PWM (Pulse-Width Modulation).
Tale tecnica permette di controllare la velocità del motore attraverso la modulazione del duty cycle di un’onda quadra oscillante a frequenza pari a ÌPWM- Si definisce duty cycle
Duty-cycle =
Dove tonrappresenta il tempo in cui l’onda quadra à ̈ nello stato logico alto.
Preferibilmente, il valore del duty cycle à ̈ controllato, dal sistema di controllo 20, mediante un algoritmo di controllo in anello chiuso di tipo PID che utilizza la misura della pressione (sensore 16) in prossimità dell’apertura delle vie aeree come variabile di ingresso, la confronta con una forma d'onda di riferimento e produce in uscita i valori di duty cycle da utilizzare per controllare la velocità di rotazione del motore 10 necessari a variare la pressione secondo la forma dell’onda di riferimento.
La velocità di rotazione del motore 1 0 à ̈ variata in modo da forzare aria esterna all’interno della cavità 12 per produrre in prossimità dell’apertura delle vie aeree, e quindi dell’estremità 13, variazioni di pressione di ampiezza massima pari a 5 cmH20 picco-picco di forma predefinita. A titolo di esempio si varia la velocità di rotazione del motore 10 in modo da applicare un flusso continuo di 20 L/min ed una oscillazione di pressione sinusoidale di 5 cmH20 picco-picco.
Per permettere al paziente di respirare attraverso il circuito con minimo sforzo, la cavità contenente il complesso motore-ventola à ̈ progettata in modo da avere un’impedenza massima pari a 1 cmH20/L/s in condizioni statiche.
Questo requisito può essere soddisfatto ottimizzando il numero e l’area totale delle pale nel caso di ventole assiali, oppure le dimensioni relative dell'area della ventola rispetto alla cavità che la contiene e all'apertura della stessa nel caso di ventole di tipo centrifugo inline.
La misura dell’impedenza di ingresso del sistema respiratorio effettuata all'apertura delle vie aeree à ̈ affetta dalla presenza di un cammino parallelo costituito dalla vie aeree superiori. Per ridurre tale effetto, à ̈ richiesto al paziente o al medico di supportare le guance con le mani. Il sistema oggetto del presente brevetto prevede l'utilizzo di un boccaglio ferma-guance specificatamente progettato per ridurre il movimento delle guance e quindi dei relativi effetti negativi sul risultato della misura.
Lateralmente ad un boccaglio 21 , che si trova all'estremità iniziale 13 della cavità 12, sono poste due placche 22 di forma sostanzialmente triangolare e leggermente concave che, con il boccaglio 21 in bocca, si posizionano sulle guance del paziente ed esercitano una leggera pressione (intrinseca delle placche) tenendole ferme.
L'utilizzo del sistema per la misura dell’impedenza meccanica del sistema respiratorio qui descritto à ̈ molto semplice. Si accende l'apparato (il sistema di controllo 20), per una durata e con un periodo di ripetizione dell’operazione secondo le indicazioni terapeutiche. Il paziente appoggia il boccaglio 21 alla bocca ed effettua una serie di respiri. Nel frattempo, il sistema di controllo 20 aziona il motore 20 come programmato, e vengono calcolati i parametri di meccanica oscillatoria e di breathing pattern utilizzando i valori di pressione e flusso che, in accordo alla presente forma realizzativa, sono misurati dai sensori 16 e 17.
All’occorrenza à ̈ possibile scaricare i valori memorizzati e calcolati.
Il calcolo dell'impedenza del sistema respiratorio può essere effettuato utilizzando un algoritmo basato sull'ottimizzazione ai minimi quadrati riportato da Horowitz (Comput Biomed Res 1983 December;1 6(6):499-521 .) e Kackza (Ann Biomed Eng 1999 May;27(3):340-55) e perfezionato recentemente da Deliaca et al. (EP1551293). Tale algoritmo si basa sulla decomposizione dei segnali di pressione e flusso nelle loro componenti dovute alla normale attività respiratoria e quelle dovute alla stimolazione esterna. Queste ultime sono a loro volta scomposte nelle loro armoniche costitutive e su ognuna di esse viene applicato una procedura di calcolo iterativo per l’identificazione dei coefficienti fasoriali di ognuna di esse.
Il calcolo procede parallelamente sui segnali di pressione e flusso in modo iterativo: ad ogni iterazione viene processato una finestra temporale di N campioni centrata sul campione k. All’interno di ogni finestra i segnali filtrati possono essere considerati come composti da una onda sinusoidale e un rumore residuo:
S(t) - r(r) tf„ ACOS(2^?) - bser(27ft) = r(t) au+ Rea/[(tf jb)e<J>~^'\ Poiché i segnali sono stati digitalizzati la stessa equazione può essere riscritta nella seguente forma matriciale: S = A X R
con
dove
ω = pulsazione di stimolo
k = indice dell’iterazione
N = lunghezza della finestra temporale
l = k+window/2 se N Ã ̈ pari oppure k+(N-1 )/2 se N dispari
Risolvendo tale sistema, si ottiene la seguente espressione per la matrice dei coefficienti fasoriali del segnale:
X = (A ' Ay<[>A<l>S
La matrice A e quindi anche la matrice (A A) A (jjpencj o n o Soio dalla frequenza di stimolo e quindi rimangono invariate durante l’esecuzione di tutto il calcolo.
Applicando la suddetta equazione su finestre di dati di pressione e d i flusso si ottengono i rispettivi coefficienti fasorial i:
Dai coefficienti fasoriali dei segnali di pressione e flusso si ottiene:
»,·(/) v<'>M0
|Y
Alla fine del calcolo la finestra à ̈ spostata in avanti di un campione e la procedura prima descritta viene reiterata.
Tale calcolo à ̈ effettuato per ognuna delle componenti armoniche di cui il segnale dì stimolo à ̈ costituito. I l risultato f inale à ̈ composto da un numero di tracce di impedenza pari al doppio delle frequenze componenti il segnale che variano nel tempo.
In pratica, i materiali utilizzati per il sistema per la misura dell'impedenza meccanica del sistema respiratorio, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a secondo delle esigenze e dello stato della tecnica.

Claims (8)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema per misura dell’impedenza meccanica del sistema respiratorio caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema per la misura diretta o indiretta di pressione e di flusso deN'aria ed un sistema per la generazione di stimoli di pressione comprendente: una cavità; un motore che aziona una ventola; detto motore e detta ventola sono posti in detta cavità; detta cavità comprende una estremità iniziale ed un estremità finale, entrambe le estremità aventi un accesso all’esterno; detta ventola preleva aria da detta estremità finale; detta estremità iniziale comprende mezzi di misura di pressione dell’aria e di flusso dell’aria; detto sistema comprende una memoria per memorizzare i valori misurati da detti mezzi di misura.
  2. 2. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta cavità comprende una unità di calcolo per le elaborazioni necessarie all’ottenimento dell'impedenza del sistema respiratorio.
  3. 3. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta cavità comprende uno o più fori posti tra detta estremità iniziale e detta estremità finale.
  4. 4. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto motore à ̈ controllato e alimentato in modo che g iri ad una velocità variabile.
  5. 5. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto motore à ̈ controllato in modo che fornisca un flusso variabile di aria tale da generare all'interno della cavità valori di pressione secondo un andamento prefissato.
  6. 6. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere due placche fissate a detta estremità iniziale di detta cavità.
  7. 7. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di misu ra comprendono un sensore di pressione ed un sensore di flusso deH'aria.
  8. 8. Metodo per la misura dell’ impedenza meccanica del sistema respiratorio comprendente la fase di registrare le misure di pressione e d i flusso dell’aria; detta fase di registrare comprende le fasi di variare la velocità di rotazione di una ventola posta in una cavità in modo da forzare un flusso d’aria all'interno di detta cavità per generare in prossimità dell'apertura delle vie aeree oscillazion i di pressione di forma e ampiezza predefinita; misurare la pressione ed il flusso di aria in detta cavità in prossimità delle vie aeree del soggetto; memorizzare detti valori misurati.
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