ITRM970314A1 - Sistema portatile per la misura respiro per respiro dei parametri metabolici di un soggetto, con trasmissione dei dati in telemetria e - Google Patents
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Description
Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo: SISTEMA PORTATILE PER LA MISURA "RESPIRO PER RESPIRO" DEI PARAMETRI METABOLICI DI UN SOGGETTO, CON TRASMIS-SIONE DEI DATI IN TELEMETRIA E MEMORIZZAZIONE PER ANALISI SUCCESSIVE";
TESTO DELLA DESCRIZIONE
L'invenzione concerne un sistema portatile per la misura "respiro per respiro" dei parametri metabolici di un soggetto, con trasmissione dei dati in telemetria e memorizzazione per analisi successive.
E' noto che, attualmente, lo studio della risposta metabolica di un soggetto viene effettuato nei laboratori utilizzando apparecchiature stazionarie in grado di misurare principalmente i seguenti parametri: consumo di ossigeno (VO2), produzione di Anidride Carbonica (VCO2 ), Quoziente Respiratorio (RQ= VCO2/VO2) e frequenza cardiaca.
I sistemi da laboratorio consentono di condurre test metabolici facendo svolgere una attività fisica al paziente su un ergometro (ciclo ergometro, nastro trasportatore...), cioè un dispositivo che permetta di simulare le attività che vengono svolte in condizioni reali di libero movimento.
La grande limitazione di questa metodica risiede nel fatto che la maggior parte delle attività sportive e non, quali, per esempio, lo^sci, il pattinaggio, il tennis, l’alpinismo o attività come il lavoro quotidianamente svolto in ufficio o la conduzione di una sedia a rotelle, non possono essere simulate correttamente in laboratorio.
Fino ad alcuni anni fa non esistevano sistemi portatili per test metabolici; lo strumento descritto nel brevetto US 4,658,832 del 21 aprile 1987, sviluppato dalla stessa azienda titolare della presente invenzione, è stato il primo modello introdotto sul mercato di dimensioni realmente contenute.
Negli ultimi anni,peraltro, la misura dei parametri metabolici da parte dei dispositivi da laboratorio ha subito una evoluzione,passando dalla metodica "mixing chamber" a quella "breath by breath".
La prima, come è noto, fornisce i risultati come valore medio di tutti respiri effettuati in un determinato intervallo di tempo (tipicamente 30 secondi), mentre la seconda fornisce i risultati in corrispondenza di ogni respiro ed è descritta in dettaglio nelle seguenti pubblicazioni:
Beaver, Wasserman, Whipp, JAP, 34(1): 128-132, 1973 "On line computer analysis and breath by breath graphical display of exercise function tests"; Sue, Hansen, Blis, Wasserman, JAP, 49(3), 1980 : 456-461 "Measurement and analysys of gas exchange.using a programmable calculator"; Wasserman et AI, 1994 "Principies of exercise testing and interpretation, 2' edition.
All'origine delle due metodiche c'è un motivo strettamente tecnologico: la misura del consumo di ossigeno e della produzione di anidride carbonica, in corrispondenza ad ogni atto respiratorio ( "breath by breath"), richiede l'utilizzo di analizzatori di gas con tempo di risposta (tempo necessario per passare dal 10% al 90% del valore finale del segnale di uscita in seguito ad una sollecitazione a gradino del sensore) inferiore a 200 millisecondi. Quando analizzatori cosi rapidi non sono disponibili, è possibile mescolare l'aria espirata in una camera di mescolamento (mixing chamber) allo scopo di "mediare" le concentrazioni dei due gas, rallentandone le transizioni per poter poi essere misurate con analizzatori lenti (tempo di risposta di alcuni secondi).
Lo studio dei parametri metabolici con la metodica "mixing chamber" ha però grandi limitazioni: non consente il rilevamento di transizioni rapide delle funzioni metaboliche in seguito a variazioni repentine del carico di lavoro; non consente di analizzare lo scambio gassoso di ogni respiro ma solamente il valore medio di numerosi respiri complessivamente; non permette la misura di alcuni parametri importanti (FetCO2 , VD/Vt..)·
Allo stato attuale, sebbene siano disponibili, nello stato dell'arte, sistemi portatili per la misura dei parametri metabolici in condizioni reali, non ne esistono in grado di effettuare le misure con metodica "respiro per respiro". La principale limitazione è dovuta alla assenza di analizzatori di ossigeno sufficentemente rapidi ( Tr< 200 msec) con caratteristiche di ingombro, consumo energetico e pesi accettabili.
Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema per il monitoraggio in telemetria del metabolismo di un soggetto (consumo di ossigeno, produzione di andidride carbonica, frequenza cardiaca, ventilazione e parametri da essi derivati) secondo la metodica del "respiro per respiro" ed in condizioni reali, ovvero senza alterare in modo significativo la prestazione fisica durante il test.
L’invenzione è esposta più in dettaglio nel seguito con l'aiuto dei disegni che ne rappresentano un esempio di esecuzione.
La fig. 1 rappresenta, in assonometria e in parziale esploso, i componenti del sistema secondo l'invenzione.
In fig. 2 è indicato lo schema a blocchi elettronico.
La fig. 3 mostra un grafico dell'uscita del sensore di ossigeno,in seguito ad una sollecitazione a gradino prima e dopo l'elaborazione numerica.
Le figure rappresentano un sistema portatile per la misura "respiro per respiro" dei parametri metabolici di un soggetto, con trasmissione dei dati in telemetria e memorizzazione per analisi successive, composto, sostanzialmente da:
- una unità portatile 1 che viene trasportata dal soggetto durante il test fissata ad un giubbetto anatomico 2; una pompa di campionamento al suo interno preleva una frazione del gas espirato dal soggetto tramite un capillare 9 posto in prossimità della bocca trasportandolo negli analizzatori di gas (O2 e CO2) per effettuare la misura delle concentrazioni di ossigeno e di anidride carbonica in modo continuo; i segnali elettrici provenienti dal flussimetro a turbina 3-4-8 vengono elaborati per consentire la misura dei volumi di aria ventilati dal paziente; un circuito rilevatore riceve gli impulsi magnetici trasmessi dal cardiofrequenzimetro a fascia 10 per effettuare la misura della frequenza cardiaca; i segnali acquisiti vengono elaborati dal microprocessore a bordo dell'unità e trasmessi via radio all'unità ricevente 12 o memorizzati in una memoria interna e successivamente trasferiti su un Personal Computer 14 per l'analisi dei risultati; l'unità portatile viene alimentata tramite una batteria ricaricabile 11 fissata sulla parte posteriore del giubbetto 2 per un corretto bilanciamento dei pesi;
- un flussimetro 3-4-8, in cui l'aria ventilata dal paziente attraversa una turbina 3 composta da due convogliatori elicoidali che ne imprimono una rotazione di intensità e verso proporzionali rispettivamente al flusso ed alla direzione del respiro; una paletta libera di ruotare su un asse parallelo alla direzione del flusso e perpendicolare ai convogliatori, assume una rotazione di intensità e verso, misurabili attraverso le interruzioni dei raggi all'infrarosso trasmessi da tre fotodiodi e rilevati da altrettanti fototransistor; i segnali impulsivi provenienti dal lettore optoelettronico vengono acquisiti dall'unità portatile ed elaborati; una calotta aerodinamica 8 fissata anteriormente al flussimetro ha il compito di evitare che, quando il paziente è in movimento, la misura della ventilazione venga alterata dal flusso di aria entrante nello stesso;
- una maschera facciale 5-6-7 connessa al flussimetro, di materiale antiallergico, dotata di due valvole inspiratorie 7 che hanno il compito di ridurre la resistenza inspiratoria e di favorire l'eliminazione del sudore del viso e in cui il complesso maschera- flussimetro viene fissato alla testa del paziente tramite un caschetto anatomico 6;
- una unità batterie 11 con cui l'unità portatile 1 viene alimentata da una batteria ricaricabile 11 e fissata sulla parte posteriore del giubbetto 2 in modo da bilanciarne il peso;
- una fascia cardiaca 10 in cui la misura della frequenza cardiaca viene effettuata tramite un cardiofrequenzimetro a fascia 10, i cui elettrodi a contatto con il torace del paziente, rilevano i battiti cardiaci; un circuito elettronico amplifica gli impulsi elettrici generati dal cuore e li trasforma in impulsi magnetici che possono essere trasmessi all'unità portatile 1 senza alcuna connessione fisica;
- una unità ricevente 12, in cui le misure effettuate dall'unità portatile 1, sebbene vengano memorizzate nella memoria non volatile della stessa per un successivo trasferimento al Personal Computer, vengono inoltre trasmesse via radio in modulazione di frequenza all'Unità ricevente 12; questa, una volta adattati i livelli del segnale allo standard RS232, trasferisce le informazioni alla seriale del PC 14.
Il funzionamento del sistema, con riferimento allo schema a blocchi della fig. 2, può essere così descritto:
- il gas espirato dal paziente viene prelevato tramite un capillare 9 posto all'uscita del flussimetro 3-4; una micropompa 15 determina la depressione necessaria per far transitare il gas attraverso gli analizzatori di ossigeno 16 e anidride carbonica 17 in serie al circuito pneumatico che rilevano istantaneamente le concentrazioni di O2 e di CO2;i segnali di uscita sono convertiti in forma digitale ed elaborati dal microprocessore;
- gli impulsi provenienti di flussimetro 3-4 vengono contati per ottenere la misura dei volumi e ne viene misurata la larghezza per ricavare il flusso; poiché i segnali impulsivi sono distribuiti su tre linee separate e il flussometro contiene tre emettitori e tre ricevitori all'infrarosso, rilevando l'ordine con cui questi vengono ricevuti, è possibile determinare il verso di rotazione della turbina 3 e quindi individuare se il paziente espira od inspira;
- un rivelatore magnetico 18, costituito in sostanza da una induttanza e da un circuito elettronico di condizionamento, rileva gli impulsi magnetici generati dalla fascia cardiaca 10 in corrispondenza di ogni battito cardiaco, trasformandoli in transizioni elettriche che, contate dal microprocessore, consentono la misura della frequenza cardiaca;
- tutte le operazioni effettuate durante l'uso del sistema (calibrazione, configurazione, esecuzione del test..)» vengono comandate attivando i pulsanti della tastiera 19 e controllando i messaggi presentati dal display LCD 21 o tramite i comandi inviati via RS232 dal personal computer 14 eventualmente collegato;
- le misure effettuate durante il test vengono memorizzate in una memoria non volatile, memoria flash, e contemporaneamente inviate attraverso il trasmettitore 20 a bordo all'unità ricevente 12 collegata ad un personal computer 14 per consentire il controllo in tempo reale della risposta metabolica del paziente;
- le elaborazioni effettuate sui segnali di flusso, O2 e CO2 per ottenere la misura dei principali parametri metabolici VO2, VCO2, RQ..., sono analoghe a quelle ampiamente descritte in letteratura, tuttavia la particolare elaborazione del segnale di concentrazione di ossigeno costituisce una peculiarità di questa invenzione.
Peraltro, come suaccennato, il tempo di risposta degli analizzatori di O2 e CO2 deve essere inferiore a 200 msec per poter effettuare correttamente la misurazione con metodica "respiro per respiro", e di conseguenza l'analizzatore 17 di CO2 si basa sul principio dell'assorbimento della radiazione infrarossa da parte dell'anidride carbonica ed è sufficientemente rapido per soddisfare il requisito precedente.
L'analizzatore 16 di O2 sfrutta invece la tecnologia delle pile chimiche ed ha un tempo di risposta dell'ordine di 800 msec.
L’elaborazione numerica effettuata sul segnale di O2% consente di "velocizzare" la caratteristica dinamica del sensore portando il tempo di risposta ad un valore prossimo a 130 msec.
Il grafico della fig. 3, che illustra l'uscita del sensore di ossigeno 16 in seguito ad una sollecitazione a gradino (commutazione istantanea dal campionamento dell'aria ambiente al gas proveniente da una bombola di miscela nota), prima e dopo l'elaborazione numerica, consente di constatare che il complesso sensore di Ossigeno lento, insieme alla elaborazione numerica, è equivalente a tutti gli effetti ad un ipotetico sensore di Ossigeno con tempo di risposta sufficientemente breve ed ingombro e consumo energetico compatibili con le specifiche richieste ad un sistema portatile.
Claims (7)
- RIVENDICAZIONI 1) Sistema portatile per la misura "respiro per respiro" dei parametri metabolici di un soggetto, con trasmissione dei dati in telemetria e memorizzazione per analisi successive, caratterizzato da: - una unità portatile 1, trasportata dal soggetto durante il test, fissata ad un giubbetto anatomico 2, con una pompa di campionamento al suo interno che preleva una frazione del gas espirato tramite un capillare 9 posto in prossimità della bocca, trasportandolo negli analizzatori di gas (O2 e CO2 ) per effettuare la misura delle concentrazioni di ossigeno e di anidride carbonica in modo continuo, mentre i segnali elettrici provenienti dal flussimetro a turbina 3-4-8 vengono elaborati per consentire la misura dei volumi di aria ventilati dall'utente e un circuito rilevatore riceve gli impulsi magnetici trasmessi dal cardiofrequenzimetro a fascia 10 per effettuare la misura della frequenza cardiaca, in modo tale che i segnali acquisiti vengono elaborati dal microprocessore a bordo dell'unità e trasmessi via radio all'unità ricevente 12 o memorizzati in una memoria interna e successivamente trasferiti su un Personal Computer 14 per l'analisi dei risultati; un flussimetro 3-4-8, in cui l'aria ventilata dal paziente attraversa una turbina 3 composta da due convogliatori elicoidali che le imprimono una rotazione di intensità e verso proporzionali rispettivamente al flusso ed alla direzione del respiro, mentre una paletta libera di ruotare su un asse parallelo alla direzione del flusso e perpendicolare ai convogliatori, assume una rotazione di intensità e verso, misurabili attraverso le interruzioni dei raggi all'infrarosso trasmessi da tre fotodiodi e rilevati da altrettanti fototransistor, in modo tale che i segnali impulsivi provenienti dal lettore opto elettronico vengono acquisiti dall'unità portatile ed elaborati e mentre una calotta aerodinamica 8 fissata anteriormente al flussimetro evita che, quando il paziente è in movimento, la misura della ventilazione venga alterata dal flusso di aria entrante nello stesso; una maschera facciale 5-6-7 connessa al flussimetro, di materiale antiallergico, dotata di due valvole inspiratorie 7 che hanno il compito di ridurre la resistenza inspiratoria e di favorire l'eliminazione del sudore del viso e in cui il complesso maschera-flussimetro viene fissato alla testa del paziente tramite un caschetto anatomico 6; - una unità batterie 11 con cui l'unità portatile 1 viene alimentata, fissata sulla parte posteriore del giubbetto 2 in modo da bilanciarne il peso; - una fascia cardiaca 10 in cui la misura della frequenza cardiaca viene effettuata tramite un cardiofrequenzimetro a fascia 10, i cui elettrodi a contatto con il torace del paziente, rilevano i battiti cardiaci, mentre un circuito elettronico amplifica gli impulsi elettrici generati dal cuore e li trasforma in impulsi magnetici che possono essere trasmessi all'unità portatile 1 senza alcuna connessione fisica; - una unità ricevente 12, in cui le misure effettuate dall'unità portatile 1, sebbene vengano memorizzate nella memoria non volatile della stessa per un successivo trasferimento al Personal Computer, vengono inoltre trasmesse via radio in modulazione di frequenza all'Unità ricevente 12 che, una volta adattati i livelli del segnale allo standard RS232, trasferisce le informazioni alla seriale del PC 14.
- 2) Sistema portatile secondo la riv.l caratterizzato dal fatto che il gas espirato dal paziente viene prelevato tramite un capillare 9 posto all'uscita del flussometro 3-4, mentre una micropompa 15 determina la depressione necessaria per far transitare il gas attraverso gli analizzatori di ossigeno 16 e anidride carbonica 17 in serie al circuito pneumatico, i quali rilevano istantaneamente le concentrazioni di O2 e di CO2, mentre i segnali di uscita vengono convertiti in forma digitale ed elaborati dal microprocessore.
- 3) Sistema portatile secondo la riv. 1 caratterizzato dal fatto che gli impulsi provenienti di flussimetro 3-4 vengono contati per ottenere la misura dei volumi e ne viene misurata la larghezza per ricavare il flusso, poiché i segnali impulsivi sono distribuiti su tre linee separate e il flussometro contiene tre emettitori e tre ricevitori all'infrarosso, in modo tale che, rilevando l'ordine con cui questi vengono ricevuti, è possibile determinare il verso di rotazione della turbina 3 e quindi individuare se il paziente espira od inspira.
- 4) Sistema portatile secondo la riv. 1 caratterizzato dal fatto che un rivelatore magnetico 1B costituito in sostanza da una induttanza e da un circuito elettronico di condizionamento, rileva gli impulsi magnetici generati dalla fascia cardiaca 10 in corrispondenza di ogni battito cardiaco trasformandoli in transizioni elettriche che, contate dal microprocessore, consentono la misura della frequenza cardiaca.
- 5) Sistema portatile secondo la riv. 1 caratterizzato dal fatto che tutte le operazioni effettuate durante l'uso del sistema vengono comandate attivando i pulsanti della tastiera 19 e controllando i messaggi presentati dal display LCD 21 o tramite i comandi inviati via RS232 dal personal computer 14 eventualmente collegato.
- 6) Sistema portatile secondo la riv. 1 caratterizzato dal fatto che le misure effettuate durante il test vengono memorizzate in una memoria non volatile, memoria flash, e contemporaneamente inviate attraverso il trasmettitore 20 a bordo all'unità ricevente 12 collegata ad un personal computer 14 per consentire il controllo in tempo reale della risposta metabolica del paziente.
- 7) Sistema portatile secondo la riv. 1 caratterizzato dalla elaborazione del segnale di concentrazione di ossigeno proveniente da un analizzatore di gas lento in grado di ridurne il tempo di risposta ad un valore di 130 msec circa.
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