CONCENTRACIÓN DE GAS XENÓN MÉDICO PARA MONITOREO UTILIZANDO ANALIZADOR DE GAS ULTRASÓNICO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un método y aparato que utiliza la propiedad especifica de gas de velocidad de sonido para monitorear la concentración de xenón en una mezcla de gas médico o medicinal con oxigeno, y opcionalmente, nitrógeno que recircula a través de un dispositivo médico introduciendo dióxido de carbono en la mezcla. Se conocen aparatos y métodos para determinar la concentración de componentes en las mezclas de gas que utilizan sistemas de transmisión/detección sónica o ultrasónica. La concentración puede determinarse por mediciones de fase o pulso (véase, por ejemplo, la US-A-6192739) y se conoce que utilizan el tiempo para un pulso para reflejarse una o más veces a través de un alojamiento internamente reflectante que tiene el transmisor y receptor ubicado en el mismo o diferentes extremos del alojamiento. Por ejemplo, la ÜS-B-5060514 describe un dispositivo de medición de gas ultrasónico que tiene un alojamiento cilindrico que tiene medios de transmisión y recepción proporcionados en las paredes extremas opuestas del alojamiento. El gas fluye axialmente a través del alojamiento a partir de una entrada en la pared extrema que tiene el transmisor a una salida en la pared extrema opuesta. Al menos en alguna ocasión durante su flujo a través del alojamiento, el flujo de gas se divide de manera que se reduce la turbulencia de flujo de gas. Los circuitos electrónicos en el dispositivo se diseñan para generar una señal que corresponde a la radiación ultrasónica detectada que ha pasado a través de la muestra de gas, que se compara con una señal de referencia provista en el transductor transmisor y la conversión de fase resultante utilizada para computar la concentración del gas. El dispositivo es particularmente aplicable en el análisis de la concentración de oxigeno en dispositivos médicos utilizados para pacientes respiratorios. En otro ejemplo, la US-B-6279378 describe un aparato y método que utiliza ondas ultrasónicas de alta frecuencia, en particular de aproximadamente 0.5 MHz, para analizar gases para medir cantidades de traza de gases en una muestra aérea. La muestra se extrae a través de una cámara acústica que utiliza una bomba de aire de velocidad baja y la velocidad de sonido y atenuación acústica de ondas de sonido que viajan a través de la mezcla de gas/aire comparada con aquella de aire solo. La cámara acústica del dispositivo es pequeña, la distancia ejemplificada entre un par de transmisores/receptores normalmente es de 0.64 cm. , pero la onda se refleja para adelante y para atrás a través de la cámara varias veces, por ejemplo cinco reflexiones. La velocidad de sonido y el tiempo de trayectoria (TOF) sobre 11.43 cm. se lista para varios gases, que incluye el xenón, junto con la diferencia en TOF cuando se compara con el aire solo. El xenón ha sido conocido durante mucho tiempo como un gas anestésico utilizado en mezcla con oxigeno y opcionalmente también helio, pero no ha sido extensamente utilizado como tal. Más recientemente, ha habido interés en otros usos medicinales para el xenón. En particular, la WO-A-0053192 describe el uso de xenón para tratar neurointoxicaciones tales como las provocadas por apoplejía, abuso de drogas, deficiencia de oxígeno durante el nacimiento, enfermedad de Parkinson, esquizofrenia, síndrome de Giulles de la Tourette, trauma cráneccerebral o migraña y se refiere al uso de xenón en máquina de desvío cardiopulmonar . Además, la O-A-0108692 describe el uso de xenón como un antagonista de NMDA para, por ejemplo, proporcionar neuroprotección, alivio de dolor neuropático o inhibir plasticidad sináptica. El xenón ha limitado la disponibilidad en que se extrae usualmente a partir de aire, en donde constituye únicamente 0.000039 por ciento en peso (0.0000087 por ciento por volumen) . Por consiguiente, es deseable recuperar o reutilizar el xenón en cualquier aplicación y la necesidad de tal recuperación o reutilización se incrementará con la demanda incrementada para el xenón. En particular, es deseable recircular xenón a través de dispositivos médicos. Sin embargo, es necesario monitorear cuidadosamente, y ajustar la concentración de xenón en un gas medicinal recirculante y por consiguiente existe la necesidad para un medio simple y relativamente barato para proporcionar un monitoreo rápido y razonablemente exacto de concentración de xenón en gas medicinal recirculante. Aunque los métodos ultrasónicos han sido propuestos para medir la concentración de xenón como un contaminante, la concentración activa de xenón en gases medicinales es sustancialmente más elevada que el nivel contaminante y la presencia de dióxido de carbono introducido por el dispositivo médico interferirá con las mediciones de concentración de xenón que utiliza mediciones ultrasónicas . De acuerdo a un primer aspecto de la invención, se proporciona un método para monitorear la concentración de xenón en una mezcla de gas medicinal de xenón, como un componente activo, con una composición conocida de oxigeno y, opcionalmente, nitrógeno y/o helio que recircula a través de un dispositivo médico en donde el dióxido de carbono se introduce en la mezcla que resulta en una mezcla de gas contaminado con dióxido de carbono, el método comprende remover dióxido de carbono a partir de la mezcla de gas contaminado con dióxido de carbono corriente abajo del dispositivo médico para proporcionar una mezcla de gas libre de dióxido de carbono y subsecuentemente corriente arriba del dispositivo médico la concentración de xenón se monitorea midiendo el tiempo de propagación entre la transmisión de un pulso ultrasónico ultraelevado de al menos aproximadamente 100 kHz axialmente a través de la mezcla de gas libre de dióxido de carbono en una cámara de muestra cilindrica internamente reflectante a partir de una ubicación en un extremo de la misma y la reflexión axialmente del pulso a partir del otro extremo del respaldo de la cámara a la ubicación . En un segundo aspecto, la presente invención proporciona un aparato para recircular una mezcla de gas medicinal de xenón con una composición conocida de oxigeno y, opcionalmente, nitrógeno y/o helio a través de un dispositivo médico en donde el dióxido de carbono se introduce en la mezcla, el aparato comprende: un circuito para flujo recirculatorio de la mezcla de gas medicinal para y desde dispositivo médico; un absorbedor de dióxido de carbono corriente abajo a partir del dispositivo médico para remover dióxido de carbono a partir del gas medicinal contaminado con dióxido de carbono ; un analizador corriente arriba del dispositivo médico para monitorear la concentración de xenón en la mezcla de gas medicinal libre de dióxido de carbono que recircula dentro del circuito; el analizador comprende: una cámara de muestra cilindrica internamente reflectante que tiene una entrada de gas, un transmisor ultrasónico de frecuencia ultraelevada ubicado en un extremo de la cámara de muestra para emitir pulsos ultrasónicos de al menos aproximadamente 100 kHz axialmente a través de la cámara de muestra, un receptor ubicado en el extremo de la cámara de muestra para recibir radiación ultrasónica reflejada axialmente a partir del otro extremo de la cámara de muestra, y medios de procesamiento para determinar el tiempo de propagación entre la transmisión y la recepción de un pulso ultrasónico por el transmisor y el receptor respectivamente y correlacionando el retraso con datos de referencia para indicar la concentración de xenón en la mezcla de gas medicinal en la cámara de muestra, y medios de reabastecimiento de gas para introducir componentes de gas dispuesto a la mezcla de gas medicinal para controlar la composición del mismo. Usualmente, los medios de reabastecimiento de gas comprenderán entradas respectivas separadas en el circuito recirculatorio para oxigeno y para una mezcla de xenón/oxigeno y, opcionalmente, una entrada separada en el circuito recirculatorio para aire. Los medios volumétricos pueden proporcionarse para monitorear el volumen de la mezcla de gas medicinal libre de dióxido de carbono en el circuito recirculatorio y/o un analizador para monitorear concentración de oxigeno en la mezcla de gas medicinal libre de dióxido de carbono en el circuito recirculatorio. Cuando el gas recirculante comprende nitrógeno y/o helio usualmente se proporcionará un medio adicional para monitorear su concentración. En un tercer aspecto de la invención, se proporciona un analizador para uso en el método de la invención, el analizador comprende: una cámara de muestra cilindrica internamente reflectante que tiene una entrada de gas y una salida de gas ubicada en ubicaciones separadas axial y periféricamente en las paredes laterales de la misma con la entrada de gas detrás de la superficie de transmisión del transmisor por lo que el flujo de gas a través de la cámara tiene un componente axial; un transmisor ultrasónico de frecuencia ultraelevada ubicado en un extremo de la cámara de muestra para emitir pulsos ultrasónicos de al menos aproximadamente 100 kHz axialmente a través de la cámara de muestra; un receptor ubicado en el extremo de la cámara de muestra para recibir radiación ultrasónica reflejada axialmente a partir del otro extremo de la cámara de muestra; y medios de procesamiento para determinar el tiempo de propagación entre la transmisión y la recepción de un pulso ultrasónico por el transmisor y el receptor respectivamente y correlacionando el retraso con datos de referencia para indicar la concentración del xenón en una mezcla de gas en la cámara de muestra. El analizador preferiblemente opera en una presión de hasta aproximadamente 250 milibares de calibre (mbarg) (125 kPa) , más preferiblemente hasta aproximadamente 150 mbarg (115 kPa) y el aparato puede proporcionar gas en el dispositivo médico en una presión de hasta aproximadamente 100 mbarg (110 kPa) , pero de preferencia de aproximadamente 30 mbarg (103 kPa) . El transmisor y receptor puede separarse, pero preferiblemente se utiliza un solo transmisor/receptor combinado . La frecuencia de radiación ultrasónica ultraelevada utilizada en el método es mayor de aproximadamente 100 kHz y más preferiblemente mayor de aproximadamente 250 kHz.
Preferiblemente, la frecuencia es menor de aproximadamente
400 kHz y aún más de preferencia de aproximadamente 380 kHz.
El uso de radiación ultrasónica ultraelevada permite un haz muy estrecho de pulsos para transmitirse, el cual disminuye múltiples reflexiones y así mejora la exactitud de la medición. Se permite también que la cámara de muestra se disminuya en tamaño mientras que se mantiene el nivel deseado de exactitud en la medición. Preferiblemente, la cámara de muestra se hace a partir de un material de expansión térmica baja, pulido y es preferiblemente de una sección transversal circular. Se prefiere también tener un volumen de menos de aproximadamente 500 cm3 y más preferiblemente menor de aproximadamente 200 cm3. Preferiblemente, la medición del contenido de gas es de una exactitud de menos de aproximadamente ±5%, más preferiblemente menos de aproximadamente ±2%, aún más preferiblemente menos de aproximadamente ±1% y más preferiblemente menos de aproximadamente ±0.5%. La exactitud de la medición es independiente en ínter alia de la longitud de trayectoria de pulso, el volumen total de la cámara de muestra y la frecuencia de la radiación ultrasónica ultraelevada. Sin embargo, si se disminuye el tamaño de la cámara de muestra es importante en el uso del analizador, tal como proporcionar información rápida con respecto a los cambios en la composición de un mezcla de gas medicinal circulante, el nivel de exactitud puede comprometerse para permitir análisis rápidos de la composición.
Preferiblemente, para reducir el riesgo de afectar la medición por deflexión refractiva del haz, como puede ocurrir si un chorro de gas a partir de la entrada de gas se introduce directamente hacia la superficie de transmisión en el transmisor, la entrada de gas a la cámara de muestra está detrás de la superficie de transmisión. Más preferiblemente, la entrada de gas y la salida de gas de la cámara de muestra se ubican en ubicaciones separadas axial y periféricamente en las paredes laterales de las mismas por lo que el flujo de gas a través de la cámara tiene un componente axial. La exactitud de la medición proporcionada por el método y aparato de la invención se afecta únicamente de manera ligera por pequeñas variaciones en temperatura y puede corregirse fácilmente de manera aproximada por una señal de corrección derivada de un componente electrónico sensible a la temperatura. De manera similar, a condición de que se logre un patrón de flujo de gas razonable, se cree que la medición no se afecta significativamente por variaciones en la velocidad de flujo. Sin embargo, para aumentar la exactitud en la medición, el dispositivo puede calibrarse antes del uso pasando xenón puro a través de la cámara de muestra en aproximadamente la velocidad de flujo que va a utilizarse . El método y aparato de la presente invención es particularmente aplicable a la medición de mezclas de gas utilizadas en oxigenadores de desviación cardiopulmonar o ventiladores artificiales. Cuando, como con frecuencia en el caso de gases medicinales consumidos, la mezcla de gas contiene, además de dióxido de carbono, vapor de agua y/o otros componentes que absorben energía en frecuencias ultrasónicas elevadas, es usualmente necesario remover, o al menos reducir, el contenido de los componentes anteriores para analizar o evitar interferencia con los análisis. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Lo siguiente es una descripción a manera de ejemplo únicamente y con referencia a los dibujos anexos de las modalidades actualmente preferidas de la invención. En los dibuj os : La Figura 1 es una vista en sección transversal de un analizador de acuerdo con la presente invención y La Figura 2 es una representación esquemática del uso del analizador de la Figura 1 en un sistema de recirculación de gas para proporcionar gas en un oxigenador de desviación cardiopulmonar. Con referencia a la Figura 1, el analizador de gas (generalmente designado 1) para determinar la composición de una mezcla de gas comprende un cilindro 17 de acero inoxidable internamente liso, hueco, que define un espacio 2 de muestra para la muestra de gas que va a analizarse, y tiene una entrada 3 de gas y una salida 5 de gas y una abertura 7. Un calibre 11 ultrasónico de frecuencia ultraelevada se mantiene en la abertura 7 por sello 9 de anillo y la pared 15 opuesta del cilindro 17 refleja pulsos ultrasónicos emitidos por el calibre. El calibre 11 comprende un transductor 13, para emitir radiación ultrasónica, en la superficie 19 más baja del calibre 11. El transductor también actúa como un receptor ultrasónico y se conecta a un microprocesador (no mostrado) para linearizar los datos generados por el analizador. En uso, el analizador se utiliza para medir la proporción de un gas en una mezcla, preferiblemente oxigeno y xenón, para emitir radiación ultrasónica en 380 KHz a partir del transductor 13 a través de la cámara 2 de muestra, que contiene la mezcla de gas que pasa a través del dispositivo a través de la entrada 3 de gas y la salida 5 de gas, y recibiendo la radiación reflejada a partir de la pared opuesta, con el receptor 19. Los datos se transfieren al microprocesador en donde se manipula para mostrar las proporciones relativas de gases en la mezcla. Con referencia a la Figura 2, una mezcla de xenón/oxigeno en una proporción de 80% de xenón a 20% de oxigeno se alimenta en el circuito 102 principal del aparato (generalmente designado 101) a partir de un suministro de xenón/oxigeno en el espacio 119 de gas reciente del contenedor 121 a través del controlador 123 de flujo de masa de xenón (MFC) . El contenido de oxígeno de circuito 102 principal se cubre a partir del cilindro 125 de oxígeno a través del regulador 127 y el controlador 129 de flujo de masa de oxígeno (MFC) . Uno o más (preferiblemente cuatro) bombas 117 de diafragma bombea la mezcla de xenón/oxígeno alrededor del circuito 102 a una velocidad de hasta 20 litros por minuto (1/min.) en una presión de hasta 150 milibares de calibre (115 kPa) . La composición gaseosa se alimenta al oxigenador 103 de desviación cardiopulmonar (CPB) a través del conducto 105 de suministro de dispositivo médico, el cual se regula por la válvula 139 de control de flujo, que puede situarse aun nivel deseado por el operador. El oxigenador 103 CPB, que es normalmente un oxigenador de membrana, se alimenta de sangre desoxigenada a desde un paciente 107 a través de un conducto 109 de sangre desoxigenada y regresa al paciente 107 a través del conducto 111 de sangre oxigenada. El gas consumido a partir del oxigenador 103 CPB se alimenta a través del conducto 113 de regreso de gas consumido y luego a través de una trampa 147 de agua y el absorbedor 135 de dióxido de carbono principal para regresar al circuito 102 principal corriente arriba de la o las bombas 117. El gas que pasa a través del circuito 113 de retorno de gas consumido y el conducto 105 de suministro del dispositivo médico a través de los filtros 115 bacteriales respectivos para proteger al paciente 107 de la contaminación del aparato 101 y viceversa. Para asegurar que un flujo constante de gas en la presión determinada se suministre al oxigenador 103 y de este modo disponible en la sangre del paciente, el gas circula a través del circuito 102 principal a través de la válvula 141 que mantiene la presión corriente abajo a partir de la salida del conducto 105 de suministro de dispositivo médico. La válvula 141 que mantiene la presión es una válvula que permite el flujo de gas únicamente cuando la presión excede un nivel predeterminado, por ejemplo 30 mbarg (103 kPa) y por consiguiente mantiene una presión constante entre las bombas 17 y la válvula 141. Corriente bajo de la válvula 141 que mantiene la presión, la composición gaseosa se analiza por contenido de xenón utilizando el analizador 143 de xenón ultrasónico de la Figura 1. En una disposición alternativa (no mostrada) el analizador de xenón se ubica corriente arriba de la válvula 141 que mantiene la presión. El gas se alimenta entonces a través de fuelles 145, que se expanden para ocupar cualquier volumen adicional de gas en el aparato o contraerse para compensar la pérdida de volumen en el aparato, y recibir el gas consumido corriente arriba de la o las bombas 117. La concentración de oxigeno en el circuito 102 principal se monitorea por el sensor 131 de célula energética de oxigeno que se muestra ubicado en el circuito 102 principal corriente abajo de la o las bombas 117, pero podría ubicarse corriente abajo de la válvula 141 que mantiene la presión- El gas se alimenta entonces a través del absorbedor 133 de dióxido de carbono de soporte, que remueve dióxido de carbono residual a partir del gas recirculante. El dióxido de carbono removido por los absorbedores 133 y 135 ha entrado a través del oxigenador 103 después de enjuagarse a partir de la sangre del paciente. Al menos el absorbedor 135 debe reemplazarse con cada uso del sistema. Corriente abajo del absorbedor 133 de dióxido de carbono de respaldo, una pequeña muestra de gas se extrae del circuito 102 principal y alimenta a la unidad 137 analizadora para analizarse para el dióxido de carbono, a través de un analizador de gas infrarrojo, para asegurar que los absorbedores de dióxido de carbono están trabajando eficientemente y para el oxigeno, a través de un analizador de gas paramagnético, como un respaldo al sensor 131 de célula energética de oxigeno. La muestra se regresa al circuito 102 principal corriente arriba de la o las bombas El conducto 149 de recuperación de gas alimenta selectivamente al menos una porción de gas a partir del circuito 102 principal en un punto corriente abajo del absorbedor 133 de dióxido decarbono de soporte al espacio 151 hueco del contenedor 121, a través de la válvula 153 de recuperación y el compresor 155. Este contenedor 121 es de la clase descrita en la Solicitud de Patente UK co-pendiente No. 0210022.0 presentada el lo. de mayo del 2002 y la Solicitud de Patente PCT correspondiente de fecha uniforme con la presente solicitud (referencia de archivo P8943WO) . ün conducto de ventilación 157 atmosférico a partir de los fuelles 145 permite al gas dentro del aparato ventilarse a la atmósfera si se desea. Existe un dispositivo 159 de equilibrado del tubo en forma de U en el conducto 113 de retorno de gas consumido para proteger al oxigenador 103 y al paciente 107 en el caso de cualquier contrapresión del aparato 101. Se controla la adición de gas reciente al aparato por un circuito electrónico análogo (no mostrado) entre el sensor 131 de célula energética de oxigeno y MFC 129 de oxigeno por adición de oxigeno reciente y por un circuito electrónico análogo entre un sensor 146 de nivel ultrasónico que mide la posición de los fuelles y el MFC 123 de xenón para adición de mezcla de xenón/oxigeno reciente.
Así como se verifica la concentración de oxígeno en el circuito 102 principal, el sensor 131 de célula energética de oxígeno permite a la concentración de oxígeno que va a controlarse. El operador puede elegir un punto establecido en el sensor 131 que corresponde a la concentración de oxígeno deseada. Cuando la concentración de oxígeno medida por el sensor 131 cae por debajo del punto establecido, MFC 129 de oxígeno se acciona para alimentar el oxígeno reciente en el circuito 102 principal en una velocidad proporcional a la diferencia entre el punto establecido de nivel de oxígeno y el sensor 131 de oxígeno medido a través de un circuito de ganancia elevada que conecta MFC 129 de oxígeno al sensor 131. Normalmente, el circuito de control de oxígeno de ganancia elevada (no mostrado) tendrá una ganancia de 1, que corresponde a una velocidad de flujo de oxígeno a través de MFC 129 de oxígeno y en el circuito 102 principal de 1 1/min. para cada 1% de diferencia entre el punto establecido de oxígeno y el nivel de oxígeno medido. La concentración de xenón del circuito principal se controla por el sensor 146 de nivel de fuelles ultrasónicos. El operador puede establecer el nivel deseado en un potenciómetro (no mostrado) conectado al sensor 146, que corresponde a un nivel expandido de los fuelles 145. Este nivel corresponde al volumen en el sistema y, dado que la concentración de oxigeno se conoce, a una concentración deseada de xenón. Cuando el sensor 146 detecta que los fuelles 145 han caído debajo del nivel deseado, el MFC 123 de xenón se acciona par alimentar la mezcla de oxígeno/xenón reciente en el circuito 102 principal a una velocidad proporcional a la diferencia entre el punto establecido de potenciómetro y el nivel medido por el sensor 146 de fuelles, a través de un circuito de ganancia baja (no mostrada) que se conecta el sensor 146 a MFC 123 de xenón. Normalmente, el circuito de ganancia baja de xenón tendrá una ganancia de 0.1, que corresponde a un flujo de mezcla de xenón/oxígeno reciente en el circuito 102 principal de 0.1 1/min. para cada 1% de diferencia entre el punto establecido del potenciómetro y el nivel medido por el sensor 146 de fuelles. Las diversas lecturas de sensor y velocidades de flujo se despliegan en una unidad de monitoreo (no mostrada) . En uso, el oxígeno se consume y reemplaza por dióxido de carbono a través del oxigenador 103 CPB. El operador puede seleccionar la velocidad de flujo en el oxigenador 103 utilizando la válvula 139 de control de flujo. Esto efectivamente controla la velocidad que el dióxido de carbono se enjuaga a partir de sangre del paciente en el aparato y por lo tanto proporciona algún control como la acidez o alcalinidad del paciente 107.
El dióxido de carbono se absorbe por el absorbedor 135 de dióxido de carbono principal y la reducción en el nivel de oxigeno se detecta por el accionamiento del sensor 131 de célula energética, a través del circuito de ganancia elevada, reabastecimiento de niveles de oxigeno bajo el control de MFC 129 de oxigeno. El sensor 149 de xenón mide la concentración de xenón en el circuito 102 principal. Esta lectura puede compararse a otras lecturas para alcanzar varias conclusiones. Por ejemplo, si la concentración de oxigeno medida por el oxigeno, el sensor 131 de célula energética no es igual a 100 menos la concentración de xenón medida por el sensor 143 de xenón, es indicativa de contaminación, por ejemplo por dióxido de carbono o nitrógeno, y el operador puede alertarse para ventilar el aparato a la atmósfera o recuperar el gas utilizado. Alternativamente, esto puede hacerse automáticamente en un nivel pre-establecido . El sensor 143 de xenón se utiliza también para monitorear la concentración de xenón prevista a partir del nivel de los fuelles. De manera similar, si estas dos lecturas no se acuerdan, esto puede ser indicativo de demasiado dióxido de carbono, nitrógeno u oxigeno. Como un resultado, el operador puede nuevamente elegir ventilar a la atmósfera o recuperar el gas utilizado. Si el volumen de gas en el aparato se incrementa, el nivel de fuelles 145 se incrementa. Si el nivel de fuelles 145 excede un nivel pre-establecido, el gas se ventila a partir del aparato, nuevamente ya sea manual o automáticamente a través del conducto 157 atmosférico y/o válvula 153 de recuperación de xenón. Opcionalmente, el sensor 146 puede conectarse al analizador 143 ultrasónico de manera que cuando se excede el nivel superior de los fuelles 145, el conducto de ventilación 157 o válvula 153 se abren selectivamente dependiendo del contenido de xenón del gas medido por el analizador 143. Aunque ilustrado y descrito en la presente con referencia a ciertas modalidades especificas, la presente invención a pesar de todo no se pretende limitarse a los detalles mostrados. Más bien, varias modificaciones pueden hacerse en los detalles dentro del espíritu y alcance de las siguientes reivindicaciones.