PT101016A - Processos de seleccao de filtros e de deteccao da concentracao de gases para capnografos - Google Patents

Description

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MEMÓRIA DESCRITIVA

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

Este pedido é uma continuação em parte do nosso pedido de patente US Ns. de série 07/522,208, apresentado em 11 de Maio de 1990, ainda pendente, que é, por sua vez, uma continuação em parte do nosso pedido de patente US Na. de série 07/401,952, apresentado em 1 de Setembro de 1989, agora abandonado.

ANTECEDENTES DO INVENTO

Campo do invento O presente invento refere-se a processos e aparelhos para a selecção de filtros e para cálculo da concentração dos constituintes dos gases respiratórios de um paciente medidos utilizando um analisador de gases de infravermelhos (IV). Mais preferivelmente, o aparelho do presente invento é empregue para selec-cionar filtros ópticos que permitem algum grau de sobreposição de canal com o mínimo de interferência e calcular as concentrações de C02 e de N20 da corrente terminal de um paciente.

Descricão da arte anterior

Tem, frequentemente, importância crítica monitorizar a concentração de dióxido de carbono (C02) nos gases inspirados e expirados por um paciente sob anestesia, para o C02 expirado a concentração é um indicador seguro da concentração de dióxido de carbono no sangue arterial. Num ambiente clínico, a monitorização do C02 evita que os maus funcionamentos dos aparelhos de anestesia de respiração em circuito fechado fiquem por detectar e se forneçam quantidades excessivas de C02 ao paciente. A respiração em circuito fechado dos gases de anestesia é bastante económica e ambientalmente desejável, mas são difíceis de manter as concentrações exactas de C02 no circuito do paciente sem uma monitorização da concentração. 74 493 YELD-0109

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Sabe-se que, dirigindo radiação infravermelha através de uma amostra de uma mistura gasosa e medindo a radiação incidente que ilumina um dispositivo de detecção, pode ser obtida uma medição da absorção de infravermelhos do gás. Os sinais eléctri-cos, produzidos por um dispositivo de detecção de um tal modo, são assim indicativos da absorção de infravermelhos do gás e podem ser processados para produzirem uma saída, que indica a concentração de um ou mais dos constituintes do gás a ser analisado. Este tipo de analisador de gás funciona com base no princípio de que vários gases apresentam características de absorção substancialmente aumentadas em comprimentos de onda específicos no espectro de infravermelhos e que concentrações de gás mais elevadas apresentam proporcionalmente maior absorção.

Os analisadores de gás de infravermelhos da arte anterior, tais como os descritos na patente US Na. 4,648,396 de Raemer, utilizam detectores de termopilha para analisarem as concentrações de gás. Um detector de termopilha é composto por um certo número de termopares. Os detectores térmicos tais como as termopilhas são utilizados principalmente para a detecção de infravermelhos e respondem à energia total incidente que os ilumina. 0 número de termopares deve ser suficiente para desenvolver tensão suficiente para desenvolver uma relação entre o sinal e o ruído adequada. É utilizado um termistor para calcular o coeficiente de Seebeck, que relaciona a tensão desenvolvida pela termopilha com o diferencial de temperatura entre as junções "quente" e "fria" da termopilha. Este coeficiente é utilizado para escalonar o sinal de saída do detector, para indicar os valores absolutos da concentração de gás.

No entanto, os detectores de termopilha são conhecidos como sendo uma classe que sofre de desvio térmico. O desvio térmico provoca uma variação lenta da saída de tensão DC dos detectores e conduz a imprecisões de medição. Reamer supera este problema utilizando acoplamento AC entre as termopilhas. Esta solução para o problema do desvio térmico toma, no entanto, o analisador incapaz de medir concentrações de gás absolutas e constantes. Em vez disso, tais dispositivos são apenas capazes de 74 493 YELD-0109 -3- c r,.:

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responderem a mudanças nas concentrações dos gases a serem medidos.

Um processo que tentou obter as concentrações absolutas de gás envolvia a modulação, ou "corte", do feixe de energia incidente. Esta técnica é descrita na patente US N2. 4,423,739 de Passaro. Para conseguir a modulação requerida, são empregues por Passaro meios mecânicos tais como um dispositivo de corte. O analisador resultante é grande e está, portanto, sujeito a avarias, quando as partes móveis do aparelho modulador de feixe forem desgastadas. Tais avarias podem ter consequências catastróficas tornando o analisador inoperativo.

Um processo alternativo de modular um feixe de energia é a construção de uma fonte modulada. Os dispositivos deste tipo são descritos, por exemplo, na US Na. 3,745,349 de Liston. No entanto, até à data, os analisadores que empregam fontes moduladas têm apresentado de tempos de resposta lentos, devido ao período relativamente longo requerido para as emissões de infravermelhos enfraquecerem, após ter sido removida a potência de excitação. Um outro inconveniente das fontes moduladas, familiar aos peritos na arte, é a relativa instabilidade da sua saída de energia.

Adicionalmente, o desequilíbrio entre os sinais de excitação dos dois detectores tem sido utilizado como um mecanismo de detecção no campo dos detectores de infravermelhos. Nestes dispositivos, são dispostos dois detectores e os seus sinais combinados, de modo que resulte um sinal nulo, quando os detectores são excitados de modo idêntico. Qualquer mudança no ambiente que provoque a mudança do sinal de saída de uma quantidade diferente da do outro detector resulta num sinal diferencial diferente de zero. Assim, subtraindo os dois sinais de saída de dois detectores idênticos, pode ser medido um desequilíbrio na excitação de entrada dos dois detectores. Uma aplicação do processo de subtracção de dois sinais de saída de detector, talvez numa tentativa para estabilizar o desvio térmico, envolve o bloqueamento total de um dos detectores de termopilha com uma película metálica. Esta abordagem, no entanto, é indesejável por 74 493 YELD-0109 -4-

causa dos resultados de aquecimento irregular do substrato, provocando assim que seja introduzido um sinal de erro na saída.

Assim, neste momento, os dispositivos disponíveis proporcionam concentrações absolutas com o compromisso ou da diminuição da segurança, no caso dos dispositivos mecanicamente obturados, ou da lentidão dos tempos de resposta, no caso dos dispositivos de fonte modulada. A eliminação destes inconvenientes, utilizando detectores de termopilha convencionais resulta num dispositivo propenso a imprecisões devidas ao desvio térmico, ou a um dispositivo incapaz de determinar as concentrações absolutas, se o desvio térmico for estabilizado utilizando técnicas AC. Consequentemente, seria altamente desejável um analisador de gás seguro, que utilize termopilhas que sejam tanto imunes ao desvio térmico como capazes de proporcionarem concentrações de gás absolutas. SUMÁRIO DO INVENTO. É um objectivo do presente invento proporcionar processos e aparelhos para a detecção da concentração absoluta dos constituintes de uma corrente de gás, utilizando detectores de termopilha. Um outro objectivo do presente invento é eliminar o desvio térmico, do qual se sabe que sofrem os detectores de termopilha, enquanto que se retém a capacidade de medir as concentrações absolutas de gás. É ainda um outro objectivo do presente invento desenvolver um processo de seleccionar filtros ópticos sobrepostos, que tenha em conta que os filtros são afectados pela temperatura. De preferência, o invento proporciona ainda uma técnica de cálculo que permite que tais filtros sejam utilizados para medirem a concentração de uma pluralidade de constituintes no gás medido. É um objectivo adicional do presente invento conseguir os objectivos atrás mencionados sem modulação ou "corte1" do feixe de energia incidente.

Consequentemente, o presente invento proporciona um YELD-0109 ^y// —··-·-" < j* * * capnógrafo sem obturador, compreendendo um aparelho, que não tenha partes móveis, que não requeira uma fonte modulada de radiação infravermelha, e que não sofra de desvio térmico, proporcionando por isso um dispositivo que supera as limitações da arte anterior. Os aperfeiçoamentos proporcionados por este invento são proporcionados através de uma nova técnica de estabilização óptica aplicada aos detectores de termopilha. Uma concretização preferida do invento proporciona um capnógrafo de infravermelhos altamente preciso, estável, seguro, leve e económico, o qual permitirá aumentar a monitorização clínica e de diagnóstico das concentrações absolutas de dióxido de carbono, óxido de azoto, ou outros gases, presentes na corrente de ar expirada de um paciente. O presente invento proporciona aparelhos, que compreendem um ou mais canais de um analisador de gás de infravermelhos sem obturador, para detectar(em) a(s) concentração(ões) de, pelo menos, um componente gasoso de uma corrente de escoamento substancialmente gasoso. 0 aparelho compreende, pelo menos, dois detectores de infravermelhos, que produzem sinais eléctricos quando iluminados por energia óptica, e meios para iluminarem os detectores com radiação infravermelha. São proporcionados meios para dirigirem, pelo menos, uma porção do gás a ser analisado, para uma localização entre os detectores e a fonte de infravermelhos, conjuntamente com meios para atenuarem a energia infravermelha que ilumina, pelo menos, um dos detectores e circuitos para combinarem os sinais produzidos pelos detectores para produzirem um sinal estabilizado opticamente. Se desejado, o aparelho pode ainda comporem detectores, atenuadores e circuitos adicionais, suficientes para compreenderem os canais separados de um dispositivo de canais múltiplos. 0 aparelho pode funcionar também em conjugação com um computador residente para armazenar, processar e exibir a informação medida.

Como mencionado atrás, o desvio, usualmente associado aos detectores de termopilha, é produzido por uma variação na temperatura de junção de referência. Na construção normal, um detec-tor de termopilha é composto por uma série de pares de junção de /, Q-~ 74 493 YELD-0109 -6-termopar. Um elemento de cada par é fixo a um substrato (tipicamente cerâmico) e chamado a junção de referência, enquanto que o outro elemento não está fixo, mas está suspenso sobre uma abertura, e é chamado o elemento sensível. A radiação incidente ilumina o elemento sensível incidente e eleva a sua temperatura. Desenvolve-se uma tensão que está relacionada com a diferença de temperatura entre os elementos suspensos e os fixos no substrato. 0 desvio aparece, no entanto, porque a radiação incidente e as variações da temperatura ambiente mudam a temperatura das junções de referência. 0 diferencial de temperatura entre a junção sensível (quente) e a junção de referência (fria) é assim alterado; esta condição provoca por sua vez que a tensão de saída mude ou se desvie.

Uma concretização preferida do presente invento inclui um par, substancialmente, idêntico de detectores de termopilha montados no mesmo substrato cerâmico e ligados em oposição série. Nesta configuração, a radiação incidente equilibrada e igual, que ilumina o par não produzirá qualquer sinal. Devido à junções de referência de ambos os detectores estarem no mesmo substrato cerâmico e substancialmente à mesma temperatura, o desvio da temperatura do substrato não produzirá mudança apreciável no sinal de saída, superando assim os problemas atrás mencionados. Para fazer com que o sistema responda à radiação incidente, é colocado um filtro óptico, ou atenuador, com um coeficiente de transmissão de aproximadamente 0,50 (isto é 50% de transmissão) sobre um dos elementos de termopilha no par. Com o filtro no lugar o sistema responde à radiação incidente, mas é substancialmente insensível a outras mudanças térmicas. No presente invento, os sinais de saída dos dois detectores de termopilha são também subtraídos. Isto não é feito com a finalidade de medir qualquer desequilíbrio nos sinais que excitam os detectores, mas em vez disso para eliminar o efeito de uma variação nos sinais de suporte. Por exemplo, as variações devidas ao desvio térmico são anuladas, uma vez que as mesmas são comuns a ambos os detectores. 0 problema do aquecimento irregular descrito atrás, em -7- 74 493 YELD-0109 0t

Si Z'// ligação com o processo de bloqueio de um dos detectores é eliminado, no presente invento, pela utilização dos filtros de atenuação que não provocam aquecimento irregular do substrato. Estes filtros têm coeficientes de transmissão conhecidos, mas diferentes, de modo que o sinal de excitação incidente possa ser determinado com precisão a partir do sinal diferencial, como estabelecido com mais pormenor adiante.

Para permitir a análise dos gases específicos, são dispostos entre os detectores e os meios de detecção de gás filtros passa banda ópticos, que permitem a transmissão dos comprimentos de onda dentro de uma largura de banda específica (isto é, os absorvidos pelo gás de interesse), filtrando por isso a radiação antes da mesma embater nos detectores. Uma vez que o comprimento de onda central e a largura de banda dos filtros ópticos varia com a temperatura, devia ser considerado o desvio térmico, quando se projectam os filtros passa banda. Ê descrito aqui um processo preferido para seleccionar os filtros passa banda.

De acordo com uma concretização preferida do invento, o processo de selecção de um filtro óptico para utilização num analisador, que mede a concentração de um constituinte gasoso predeterminado, de acordo com o invento compreende os passos de: (a) seleccionar um comprimento de onda central nominal, para o filtro óptico, que coincida com um comprimento de onda prontamente absorvido pelo constituinte; (b) seleccionar uma largura de banda de meia potência nominal apenas suficientemente larga para deixar passar substancialmente todos os comprimentos de onda absorvidos pelo constituinte; (c) fazer variar o comprimento de onda central nominal, de modo a minimizar a mudança de modulação, quando o filtro óptico é deslocado através de uma gama predeterminada de comprimentos de onda; J#/· r

74 493 YELD-0109 -8- (d) fazer variar o comprimento de onda central nominal e a sua largura de banda, de modo a minimizar as interferências entre o constituinte e os outros constituintes; e (e) fazer variar o comprimento de onda central nominal e a sua largura de banda, de modo a minimizar as interferências, quando o filtro óptico é deslocado através da dita gama pré-definida de comprimentos de onda.

De acordo com o processo do invento, a largura de banda de meia potência é seleccionada, de preferência, de modo a ter uma largura de banda maior do que aproximadamente 0,1 μια por razões de fabrico, enquanto que a mudança de modulação é minimizada através de um deslocamento de filtro de 0,3 μια., um deslocamento típico devido à mudança de temperatura durante o funcionamento normal. 0 constituinte gasoso respiratório predeterminado é, de preferência, C02, quando a modulação de interferência para o C02 pelo N20 for menor do que, aproximadamente, 0,7%. Por outro lado, o constituinte predeterminado do gás respiratório pode ser N20 e a modulação de interferência para o N20 pelo C02 é menor do que, aproximadamente, 1,0%. Também os passos (c) - (e) são executados por simulação de computador.

Os circuitos para o processamento dos sinais produzidos pelos detectores convertem estes sinais numa razão, que está relacionada com a concentração absoluta do gás constituinte a ser medido. Como um resultado disso, o capnógrafo do presente invento não é, substancialmente, afectado pelas mudanças na temperatura do ambiente, no qual o mesmo funciona. A técnica descrita atrás, para a combinação e processamento dos sinais do detector, é aqui referida como "estabilização óptica".

Um capnógrafo feito de acordo com o presente invento pode compreender ainda pares adicionais dos detectores de termopilha, atenuadores e filtros passa banda ópticos e meios de circuito adicionais semelhantes, de modo a formar um dispositivo de canais múltiplos, para determinar as concentrações de mais do que um constituinte gasoso. Numa tal concretização de canais 74 493 YELD-0109

múltiplos, cada um dos canais tem um filtro óptico que permite a transmissão da radiação com a largura de banda de absorção do constituinte a ser monitorizado.

Numa concretização preferida do invento, as concentrações de constituintes dos constituintes gasosos múltiplos são calculadas de acordo com as técnicas de "estabilização óptica" do invento, seleccionando o filtro óptico de acordo com os passos (a) - (e) para a medição da concentração de um primeiro constituinte, tal como o C02 e repetindo os passos (a) - (e) para selecci-onar um filtro óptico adicional, para medir a concentração de úm segundo constituinte tal como N20. Depois, podem ser calculadas as concentrações em tempo real de C02 e N20, de acordo com o invento, através da correcção da concentração de C02 e da concentração de N20 em relação a uma referência. De preferência, um tal passo de correcção compreende o passo de separação da concentração medida de C02 e N20, utilizando uma técnica matemática de ajustamento polinomial ou uma técnica de ajustamento de mínimos quadrados. Assim, o passo de cálculo da concentração de gás, de acordo com o invento pode calcular as concentrações de C02 e de N20, de acordo com as seguintes equações: C02 = Ac + (Bc * LC) + (Cc * LC2) + (Dc * LC3) + (EC * LN) + (FC * LN2) + (Gc * LN3) + (Hc * CP), e N20 = An + (Bn * LC) + (Cn * LC2) + (Dn * LC3) + (En * LN) + (Fn * LN2) + (Gn * LN3) + (Hn * CP); em que Ac, Bc, Cc, Dc, Ec, Fc, Gc e Hc, e An, Bn, Cn, Dn, En, Fn, Gn e Hn são constantes e em que LC é o logaritmo natural do dito sinal de C02 gerado dividido pelo dito sinal de referência, LN é o logaritmo natural do dito sinal de N20 gerado dividido pelo dito sinal de referência, e CP é o produto de LC e LN.

Em particular, um processo para determinar as concentrações em tempo real de C02 e N20, utilizando um analisador de gases respiratórios, de acordo com o invento compreende, de preferência, os passos de:

74 493 YELD-0109 -10- detectar a concentração de C02 e de N20 no ar expelido por um paciente, fazendo passar energia infravermelha através do ar expirado e através de respectivos filtros ópticos, que deixam passar as respectivas frequências da energia infravermelha prontamente absorvida pelo C02 e N20; gerar sinais representativos da concentração de C02 e de N20 no ar expirado do paciente; determinar simultaneamente as razões dos sinais de C02 e de N20 relativamente a um sinal de referência; e calcular as concentrações gasosas de co2 e de N20 em tempo real no ar expirado do paciente, utilizando ponderações variadas e termos de produto de C02 e de N20, de modo a compensar o desvio do filtro, a interferência dos gases e o alargamento da colisão dos respectivos filtros ópticos, devidos às variações de temperatura ao longo do tempo.

Um sistema de capnógrafo feito de acordo com o presente invento pode ter também um sistema residente para recolher e processar os dados recolhidos pelos detectores. Um tal sistema de capnógrafo pode também incluir um dispositivo para indicar a concentração absoluta do constituinte ou constituintes a serem monitorizados, proporcionando assim a necessária informação de concentração numa forna utilizável. É também descrito um detector de energia infravermelha preferido, para utilização num capnógrafo feito de acordo com o presente invento. 0 detector utiliza termopilhas emparelhadas precedidas por um filtro passa banda analítico ou de referência, com um filtro neutro de densidade colocado também no circuito óptico de um detector no par. Assim, são proporcionados, de preferência, dois canais - um analítico e um de referência -para permitir a realização das medições, enquanto os efeitos do suporte são anulados.

Mais preferivelmente, será utilizado um capnógrafo feito de 74 493 YELD-0109

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acordo com o presente invento para determinar as concentrações absolutas de dióxido de carbono e/ou de óxido de azoto na corrente do ar inspirado e expirado de um paciente. No entanto, os detectores estabilizados opticamente descritos não necessitam de ser limitados dessa maneira, e podem ser utilizados para determinarem as concentrações de qualquer dos vários constituintes, como será evidente para um perito na arte, a partir da descrição seguinte.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A fig. 1 é uma vista isométrica parcial de um conjunto detector de termopilha do presente invento; a fig. 2 é uma vista plana parcialmente esquemática de um analisador de gás e dos circuitos relacionados, construídos de acordo com o presente invento? a fig. 3 é uma vista esquemática de circuitos adicionais, representando a utilização do presente invento em conjugação com um computador residente; a fig. 4 é uma representação esquemática de um detector e do seu circuito óptico, construído de acordo com o presente invento; a fig. 5 é uma representação esquemática do processamento executado no sinal detectado pelo aparelho da fig. 4? a fig. 6 é uma vista em perspectiva de um detector construído de acordo com a representação esquemática da fig. 4; a fig. 7 é uma vista explodida do detector da fig. 6; e a fig. 8 é uma representação esquemática de uma concretização alternativa do detector do presente invento. 74 493 YELD-0109 -12-

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS A. Detector de termopilha estabilizado opticamente A fig. l representa uma construção detector de termopilha de acordo com o invento. Pode ser visto que um tal detector de termopilha é, efectivamente, um grupo de termopares ligados em série. Como mostrado, o presente invento utiliza um primeiro conjunto de termopares, compreendendo uma primeira termopilha 12, e um segundo conjunto de termopares, compreendendo uma segunda termopilha 14, ambos montados, de preferência, num substrato cerâmico comum 10, como mostrado. As junções quentes, ou sensoras, dos termopares, são, tipicamente indicadas por H, enquanto que as junções frias, ou de referência, são indicadas por C. Mais preferivelmente, os termopares 12 e 14 são do tipo compreendendo um circuito metálico depositado numa película de poliéster, tal como "Mylar", ou outro substrato adequado. Uma concretização preferida utiliza termopares, tendo uma espessura de substrato de 0,0254 mm. É mostrado também na fig. 1 a colocação dos filtros neutros de densidade (atenuação) 16 e 18, tendo cada um deles um coeficiente de transmissão diferente. Numa concretização preferida, o filtro 16 tem um coeficiente de transmissão de 1,00 e o filtro 18 um coeficiente de transmissão de 0,50.

Numa concretização preferida do invento, o detector 12 está electricamente ligado ao detector 14 em oposição série. O sinal de diferença resultante será apenas indicativo da radiação incidente. Os sinais provocados pelas mudanças de temperatura do substrato serão anulados, desde que a temperatura seja uniforme através do substrato. Este aspecto do invento será explicado mais completamente em relação à derivação matemática proporcionada adiante.

Assim, numa concretização preferida, os detectores de termopilha 12 e 14 são "opticamente estabilizados". Esta concepção supera o requisito de modulação de fonte descritos atrás, tornando o detector substancialmente imune ao desvio térmico. Uma vez que cada um dos detectores de termopilha 12 e /0 -¾ -13- 74 493 YELD-0109 14 é exposto ao mesmo feixe de energia incidente, mas têm filtros de atenuação 16 e 18 diferentes em série com a energia, o sinal diferencial vindo dos dois detectores é, consequentemente, relacionado apenas com a energia incidente e os coeficientes de transmissão dos filtros neutro de atenuação de densidade. A técnica de estabilização descrita pelo presente invento é útil para uma diversidade de detectores, tais como os do modelo DR34 fabricados pela Dexter Research Inc., Ann Arbor, Michigan. Além disso, uma vez que os detectores opticamente estabilizados do presente invento são sensíveis a uma ampla gama de comprimentos de onda e são relativamente baratos e fortes, podem ser utilizados beneficamente num capnógrafo de infravermelhos sem obturador para monitorizar os gases respiratórios.

Na fig. 4, é mostrado o circuito óptico de uma concretização de um detector 200, construído de acordo com os princípios do presente invento. A energia infravermelha é emitida por uma fonte de IV 300 e feita passar através do gás a ser analisado, o qual neste exemplo é o C02. Alguma energia infravermelha é absorvida pelo gás em frente da fonte IV 300, enquanto que o remanescente da energia infravermelha embate num grupo de filtros, incluindo um filtro neutro de densidade 210, um filtro analítico de C02 212 e um filtro de referência 214. O filtro neutro de densidade 210 atenua uniformemente todos os comprimentos de onda da energia que incidem no filtro. O filtro analítico de C02 212 é um filtro passa banda que deixa passar uma banda de energia estreita, incluindo os comprimentos de onda absorvidos pelo C02. 0 filtro de referência 214 é também um filtro passa banda que deixa passar uma banda de energia que exclui os comprimentos de onda absorvidos pelo C02.

Como mostrado, o filtro neutro de densidade 210 sobrepõe-se ou obscurece os filtros analíticos e de referência 212 e 214 subsequentes, bem como dois dos detectores de termopilha 216 e 218, o detector de C02 B 220 e o detector de referência B 222. Assim, cada detector A 216 e 218 receberá a energia que foi transmitida pelo seu respectivo filtro analítico 212 ou filtro de referência 214, mas não o filtro neutro de densidade 210. -14- 74 493 YELD-0109

Cada detector B 220 e 222, recebe, por outro lado, energia deixada passar pelo seu respectivo filtro analítico 212 ou filtro de referência 214, bem como pelo filtro neutro de densidade 210. A seguir aos filtros está uma abertura ou janela 230, a qual transmite energia apenas para as áreas de detector do substrato, no qual são formados os detectores. As saídas dos detectores são feitas passar para um processador 240 para a produção de um sinal de saída 242 representativo da concentração de C02 no gás a ser analisado. A finalidade principal do filtro neutro de densidade 210 é proporcionar sinais, os quais permitem distinguir o sinal desejado dos sinais de interferência, tais como os efeitos de suporte (térmicos locais). Foram feitas várias tentativas na arte anterior para tratar estes efeitos. Por exemplo, a patente US Ns. 4,772,790 de Aldridge tenta isolar estes efeitos, utilizando dez termopilhas para cada canal de detector, sendo utilizada apenas uma porção central da área para desenvolver um sinal utilizável. Adicionalmente, a patente US Na. 3,539,804 de Bil-letdeaux et al. tenta tratar o problema através do aquecimento e protecção do detector, e inclui também um atenuador neutro rotativo como um mecanismo de reposição em zero no equilíbrio do conjunto de um detector de C02. Em contraste, numa concretização do presente invento, os efeitos térmicos locais são eliminados, desenvolvendo sinais, dos quais resulta a anulação destes efeitos, quando os sinais são combinados.

Por exemplo, um exame do canal de C02 revela que os detectores de C02 A 216 e B 220 estão muito próximos um do outro no mesmo substrato cerâmico 10 e portanto experimentam efeitos similares do suporte e de outras fontes de radiação locais. Cada detector produz um sinal de saída contendo um componente I, o sinal de infravermelhos incidente desejado, e um componente b devido aos efeitos do suporte. Na falta da presença do filtro neutro de densidade 210, os detectores de C02 216 e 220 produziriam sinais com a forma de:

Det. A = R(Ia + b), e Det. B = R(Ib + b), 74 493 YELD-0109

-15- em que R é a resposta dos detectores.

Deseja-se maximizar o componente sinal I desejado, o que pode ser feito seleccionando um filtro neutro de densidade 210, que transmite cerca de 100% no comprimento de onda de absorção para o C02. Neste caso A seria igual a B. O componente de sinal I seria maximizado, mas a diferença dos dois sinais de saída de detector produziriam zero. Correspondentemente, se o filtro neutro de densidade fosse escolhido de modo a ser um filtro de 100% de bloqueio (isto é, com 0% de transmissão, 1^ = 0) no comprimento de onda de absorção, a sua diferença seria A - B = = RI&. Isto teria o efeito indesejável de obscurecer o detector B 220 de toda a radiação vinda da fonte de IV 300, bloqueando por isso o detector B 220 da recepção da energia incidente, e estabeleceria adicionalmente um diferencial térmico indesejado entre os dois detectores. Além disso, nenhuma destas duas escolhas conduz à capacidade de distinguir adequadamente e eliminar os efeitos do suporte.

Se, no entanto, for escolhido o filtro neutro de densidade 230, de modo a ter uma transmissibilidade de cerca de 50%, o componente de energia incidente desejado I seria, por exemplo, diferenciado e os efeitos de suporte seriam, substancialmente, anulados. Um filtro neutro de densidade com este carácter produziria sinais com a forma:

Det. A = R(I + b), e Det. B = R(0,51 + b).

Assim, quando é tomada a diferença de A menos B, o resultado é 0,51 anulando os efeitos de suporte b. Podem ser descritas outras características de transmissibilidade tendo em consideração os níveis de energia incidente e os efeitos térmicos do obscurecimento pelo filtro neutro de densidade 210. Por exemplo, pode ser utilizado um filtro com 0% de transmissão.

Os pormenores do processador 240 da fig. 4 são mostrados na fig. 5. Como mostrado, os sinais de saída dos detectores A e B 216 e 220 para o C02 e para os canais de referência 218 e 222 são subtraídos, respectivamente, nos subtractores 242 para eliminar a radiação do suporte e os efeitos de temperatura do 74 493 YELD-0109 'i & C\ -16- .-V . ·· substrato, como explicado imediatamente atrás. Numa concretização preferida do presente invento, este passo de subtracção em 242 é conseguido ligando os detectores de termopi-lha em oposição série, de modo que a subtracção das suas saídas seja inerente na sua interligação. É então tirada uma razão 244 dos sinais incidentes após esta anulação dos efeitos térmicos. A razão 244 dos sinais analítico e de referência elimina os efeitos proporcionados da absorção espúria, tais como os que resultam da acumulação de matéria em partículas indesejável nos componentes e nos detectores. Por exemplo, para um sinal de radiação incidente tendo um valor normalizado de 0,8 de C02 e filtros que estão contaminados com substâncias que absorvem alguma da radiação a ser medida, a transmissibilidade dos circuitos ópticos é reduzida de 0,9 da transmissibilidade total. 0 sinal de saída seria, assim, o produto destas perdas, ou 0,72 de C02. Quando o canal de referência é sujeito à mesma contaminação, a qual pode ser substancialmente conseguida pela grande proximidade dos detectores e filtros, o mesmo factor de 0,9 estaria presente em sinais do canal de referência. Portanto, a razão entre os sinais de C02 e de referência conteria o factor 0,9 tanto no numerador como no denominador, dando uma razão de um, eliminando os efeitos da contaminação.

Os cálculos são feitos sobre a razão calculada, para refinar adicionalmente a medição do C02. A medição da temperatura absoluta do substrato, proporcionada pelo termistor 246 no detector, e o coeficiente de Seebeck 248 apropriado são factores tomados em consideração neste cálculo. A medição da temperatura é incluída no presente invento, como mostrado no diagrama funcional de blocos da fig. 5. Como será compreendido pelos peritos normais na arte, a medição resultante do C02 é obtida resolvendo a bem conhecida equação da lei de Bier, a qual tem a forma de I = I0e“xac, em que IQ é um coeficiente constante, x é o comprimento do circuito, a é o coeficiente de absorção para o C02 e c é a concentração. 0 canal de referência produz um valor para I, uma vez que o coeficiente de absorção e a concentração do C02 no canal de referência são zero devido à eliminação dos comprimentos de onda de C02 da passa banda do filtro de referên- 74 493 YELD-0109

yVV /

-17- cia. 0 sinal de saída do detector fornece o valor para I, e a equação é resolvida para c, a concentração do C02 no gás a ser medida. Os cálculos atrás são, de preferência, executados por um sistema de processamento residente, do tipo descrito adiante em relação à fig. 3.

Numa concretização preferida, é empregue um segundo canal analítico para o N20. Este canal é idêntico ao canal de C02 da fig. 4, excepto que o filtro analítico 212 é escolhido de modo a deixar passar os comprimentos de onda representativos da absorção da energia infravermelha pelo N20 em vez do C02· As saídas dos detectores A e B para o canal de N20 são combinadas para eliminarem os efeitos térmicos do suporte e do substrato e as saídas de canal de referência são combinadas para produzirem uma medição da concentração de N20, como no cálculo do C02 estabelecido imediatamente atrás. Adicionalmente, tais concentrações de N20 podem ser utilizadas de acordo com a técnica descrita por Severinghaus, M.D., Larson, M.D. e Eger, M.D., num artigo intitulado "Correction Factors for Infrared Carbon Dioxide Pressure Broadening by Nitrogen, Nitrous Oxide and CyclopropaneH em Anesthesioloqy. Maio-Junho, 1961, págs. 429-432, para corrigir os erros de alargamento de colisão induzidos no cálculo da concentração de gás C02 pelo óxido de azoto.

As figs. 6 e 7 representam, respectivamente, em vistas em perspectiva de conjunto e explodida um detector construído de acordo com o presente invento. 0 detector 200 emprega os mesmos princípios e circuitos ópticos mostrados na fig. 4. Como mostrado na perspectiva do detector montado 200, mostrado na fig. 7, o filtro neutro de densidade 210 está disposto acima do filtro de referência 214 e dos filtros analíticos 212 e 213. Na concretização do presente invento mostrada, são proporcionados os filtros analíticos 212 e 213 seleccionados para analisarem C02 e N20, bem como o filtro de referência 214. Cada um destes três filtros é "obscurecido" ou bloqueado pelo filtro neutro de densidade 210 como explicado atrás com referência à fig. 4.

Os pormenores adicionais da construção do detector são

,./#V 18- ,./#V 18- £f; > 74 493 YELD-0109 mostrados na vista explodida do detector de infravermelhos 200 na fig. 7. Por debaixo dos filtros 210, 212, 213, 214 encontra--se a abertura de filtro 230. Os detectores de termopilha de película fina 216, 218, 220 e 222 estão ensanduichados entre dois espaçadores cerâmicos 215 e 225.

Na fig. 7, não são visíveis os detectores de N20 224 e 226. É proporcionado um suporte de película metálica 245 por debaixo da sanduícha de espaçador cerâmico/termopilha, para bloquear a passagem adicional da radiação incidente, mas o mesmo permite que o calor seja conduzido através do dispositivo. Finalmentè, por debaixo do suporte de película metálica 245 está disposto um termistor 246, o qual, como explicado atrás, proporciona um indicação de temperatura absoluta. Os componentes atrás mencionados são montados num colector TO-8 de 12 pinos 250, como mostrado.

Apesar das concretizações representadas serem mostradas para o emprego de detectores de termopilha, os princípios do presente invento podem ser também aplicados através da utilização de outros dispositivos de detecção de infravermelhos, tais como, por exemplo, termistores, termopares, detectores piroeléctricos, células de Golay, fotodetectores de PbSe. No entanto, a disposição mostrada tem o benefício de que a mesma é fácil de fabricar, tem pequeno tamanho e é leve. B. Derivação matemática A saída de sinal ou tensão, S, de um detector de termopilha pode ser expressa como:

S=(T*I*R)+B em que T é o coeficiente de transmissão de filtro, assumindo que o filtro está entre o detector e a fonte de energia, I representa a energia incidente da fonte, R é a resposta do detector, e B é o componente do sinal atribuído ao "ruído" de suporte, incluindo as variações de temperatura ambiente e de temperatura do invólucro de detector. Numa concretização preferida do presente invento, são montados dois detectores 12 e 14 num substrato 74 493 YELD-0109

-19- comum 10, como mostrado na fig. 1, criando uma condição em que o valor de B em cada detector é igual. Os detectores 12 e 14 são utilizados para monitorizarem simultaneamente um feixe de energia incidente. Os filtros 16 e 18, tendo coeficientes de transmissão conhecidos, mas diferentes, são colocados entre cada detector 12 e 14 e a fonte de energia incidente.

As duas equações que descrevem as saídas S1 e S2 dos dois detectores 12 e 14 são combinadas e resolvidas para I, produzindo a seguinte equação, que é independente do valor de B:

Si - s2 I = - (T-l * R-l) - (T2 * R2)

Numa concretização mais preferida, o numerador da equação atrás, - S2, que representa o sinal de diferença, é calculado, ligando os detectores 12 e 14 em oposição série. Deve ser evidente para um perito na arte, no entanto, que o sinal de diferença podia ser calculado utilizando um computador digital ou outro circuito electrónico. A equação demonstra que a técnica de estabilização do presente invento elimina os efeitos do termo de suporte, B, da saída final do circuito, tornando por isso um dispositivo substancialmente insensível aos efeitos da temperatura ambiente. c. Desvio da fonte

Como será compreendido pelos peritos normais na arte, as variações, ou desvio, na fonte de infravermelhos podem causar também desvio nos sinais de saída dos detectores de termopilha 12, 14, 22, 24, 32 e 34 representados na fig. 2. Este desvio pode ser eliminado utilizando dois filtros analíticos, tendo o primeiro a sua transmissão no comprimento de onda do gás a ser analisado, e um segundo projectado para transmitir em qualquer outro comprimento de onda não absorvido. A energia numa banda não absorvida serve como uma referência. Esta técnica de referenciação é bem conhecida e está descrita nos livros de texto, ver, por exemplo, Mullard Limited, "Applications of Infrared Detector", ISBN # 901232 22X, capítulo 10, cujas partes

74 493 YELD-0109 -20-pertinentes são aqui incorporadas, por referência como se aqui estabelecidas. D. Analisador de gás estabilizado opticamente

Uma construção típica de uma concretização preferida do analisador de gás do presente invento está representada na fig. 2. Como mostrado, os circuitos e os outros componentes, que estão compreendidos no presente invento, serão em geral montados dentro de um alojamento 50, apropriadamente configurado para permitir aos vários componentes funcionarem como descrito abaixo. Os peritos normais na arte serão alertados para os parâmetros de projecto associados com o alojamento dos dispositivos feitos de acordo com o presente invento. Algumas das considerações relevantes para o projecto do alojamento 50 são: o projecto de interface externa, os requisitos de arrefecimento, as características de protecção e de isolamento, o tamanho e o peso, a integração num tubo de respiração, a célula de amostra ou os outros meios de fornecimento de uma amostra do ar expirado pelo paciente, e as considerações estéticas e de utilidade.

Um sinal de saida 80, vindo do processador residente ou de outra fonte é transmitido através do híbrido analógico 42, cujo sinal excita uma fonte de radiação infravermelha 40. É proporcionado um reflector 52 para dirigir, eficientemente, um feixe incidente da radiação infravermelha. A radiação incidente passa para através de uma janela óptica 54 e para dentro da região da corrente de gás a ser analisada 58. A própria corrente de gás pode ser contida no aparelho, tal como um tubo transparente ou estrutura tipo tubo (não mostrado), que dirige uma porção do fluxo gasoso através da região de medição 58. Após a radiação infravermelha incidente ter passado através da corrente de gás, a mesma passará através de uma outra janela óptica 56, dos filtros passa banda 60, 61 e 62 e dos filtros neutros de densidade 16, 18, 26, 28, 36 e 38 antes de atingir finalmente os detectores de termopilha 12, 14, 22, 24, 32 e 34. A concretização representada na fig. 2 é projectada para V. / -21- 74 493 YELD-0109 medir a concentração de dois gases e pode ser denominada como um detector de três canais, servindo um canal como um canal de referência, como será apreciado pelos peritos normais na arte, os detectores podem ser construídos tendo um ou vários canais, dependendo do número de gases constituintes a serem detectados e analisados. Assim, por exemplo, na fig. 2, para além dos detectores 12 e 14, são utilizados segundo e terceiro conjuntos detectores 22 e 24 e 32 e 34 para criar três canais. Um filtro passa banda 60, 61 e 62 está posicionado acima de cada conjunto de detector, empregando cada canal um filtro passa banda diferente. Assim, compreende-se que um primeiro canal compreende òs detectores 12 e 14, os filtros de atenuação 16 e 18, e o filtro passa banda 60. Um segundo canal compreende os detectores 22 e 24, os filtros de atenuação 26 e 28, e o filtro passa banda 61, e assim por diante. 0 sinal de saída para cada canal, isto é, o sinal de diferença descrito atrás, é feito passar através do seu respec-tivo amplificador 20 e transmitido para um multiplexador 44, o qual recebe também um sinal vindo de um sensor de temperatura 41. 0 multiplexador 44 faz sair então um sinal de detector 45, o qual é também combinado com um sinal vindo de um dispositivo de memória apenas de leitura programável e apagável (EEPROM) 46 para modelar um sinal de saída 90. 0 coeficiente de Seebeck, descrito atrás, é armazenado na EEPROM 46, e é utilizado para escalonar o sinal de detector 45, para indicar os valores de concentração gás absolutos.

Os filtros de atenuação 16, 18, 26, 28, 36 e 38 são montados directamente no substrato cerâmico. Consequentemente, a saída do sensor de temperatura 41 reflectirá a temperatura dos filtros de atenuação, bem como a temperatura da junção de referência dos termodetectores. É também mostrado um aquecedor que pode regular adicionalmente a temperatura do aparelho, se desejado. 74 493 YELD-0109

-22- r7_ ' >j sp. _· ..·/ ^íy ‘ c” (/

E. Filtros passa banda

Os filtros passa banda 60, 61 e 62 são colocados a uma distância igual na frente dos seus detectores associados, isto é, são colocados num plano comum, de modo que os três detectores de termopilha tenham um campo de visão igual. Cada filtro é caracterizado pelo seu comprimento de onda central e pela largura de banda de meia potência. Como descrito por Conlon et al. na patente US Ns. 4,914,719, por exemplo, a abordagem convencional para especificação dos filtros passa banda seria centrar os filtros na banda de absorção de interesse e tornar a largura de banda tão larga quanto a banda de absorção. O presente invento faz, no entanto, uma abordagem diferente da de Conlon et al. e utiliza filtros de passa banda, tendo comprimentos de onda centrais deslocados do centro da banda de absorção e larguras de banda mais largas do que a banda de absorção. O processo de especificar os filtros de passa banda, de acordo com o presente invento, é descrito com mais pormenor na secção seguinte. A deslocação e o alargamento do filtro passa banda, de acordo com o presente invento, minimiza a interferência entre os canais e minimiza os efeitos das variações de temperatura e das tolerâncias de fabrico nos filtros.

Por exemplo, numa concretização preferida do invento, é utilizado um canal para detectar o C02, é utilizado um outro canal para detectar o N20 e é utilizado um terceiro canal como um canal de referência. A banda de absorção do C02 está centrada em 4,256 micron, e o comprimento de onda de meia potência é 0,180 micron. Numa concretização preferida do presente invento, no entanto, o filtro passa banda utilizado para o canal de C02 é centrado a 4,2624 micron com uma largura de banda de meia potência de 0,2088 micron. Devido às tolerâncias de fabrico, os comprimentos de onda de meia potência podem variar de mais ou menos 0,03 micron no bordo de comprimento de onda curto, e de mais 0,03 micron a 0,05 micron no bordo de comprimento de onda longo. A banda de absorção para o N20 está centrada em 4,5400 -23- -23- (dJ. 74 493 YELD-0109 micron, com um largura de banda de 0,3 micron. Pelas razões atrás indicadas, numa concretização preferida, o filtro passa banda para o canal de N20 é escolhido de modo a ter um comprimento de onda central de 4,5397 micron e uma largura de banda de 0,3190 micron. 0 ponto de meia potência de comprimento de onda curto pode ser de mais 0,01 micron a menos 0,03 micron. 0 ponto de meia potência de comprimento de onda longo varia de mais ou menos 0,03 micron. 0 filtro de referência tem um comprimento de onda central de 4,8265 micron e uma largura de banda de meia potência de 0,2088 micron. Os bordos de largura de banda curto e longo podem variar de mais ou menos 0,03 micron. A largura de banda é pro-jectada de modo a estar tão perto quanto possível da largura de banda do filtro de C02. Isto minimiza os gradientes térmicos através do substrato, uma vez que a energia total, que passa através deste filtro, se aproximará da energia total, que passa pelo filtro de C02. O comprimento de onda central é seleccionado de modo a estar tão próximo quanto possível do centro das bandas de C02 e de N20, enquanto que, ao mesmo tempo, mantêm o isolamento entre estes dois canais e o canal de referência. Assim, a técnica do invento toma um filtro que responde, principalmente, ao C02, mas a algum N20 e um filtro que responde, principalmen-te, ao N20, mas a algum C02, e combina as suas saídas. Como será descrito em maior pormenor na secção F adiante, isto é conseguido utilizando ponderações variadas, que permitem aos sinais de C02, de N20 e de referência serem processados simultaneamente, utilizando, por exemplo, uma técnica de algoritmo de ajustamento polinomial ou de ajustamento de mínimos quadrados, para gerar os factores de ponderação. Pode ser então feita correr uma calibração de regressão para imprimir os factores de ponderação, que são ajustados à polinomial, para se obter os coeficientes desejados. Assim, esta nova utilização do deslocamento de banda e do alargamento, para minimizar a interferência e os efeitos do deslocamento térmico e as tolerâncias de fabrico, no projecto dos filtros passa banda 60, 61 e 62, é integrada para a realização da concretização preferida. 24- 24- (ft) / 'c 74 493 YELD-0109 1. Especificação do filtro passa banda analítico

Esta secção descreve um processo para a especificação de filtros passa banda para uma concretização preferida de um capnógrafo estabilizado opticamente, de acordo com o presente invento. 0 exemplo seguinte descreve a especificação dos filtros passa banda empregues pelos canais de C02, N20 e de referência de um analisador de três canais. O processo descrito não trata da construção dos filtros, mas em vez disso de um novo processo de especificação de filtros passa banda para utilização em analisadores de gás de infravermelhos, ou capnógrafos. a. Técnica convencional A partir da arte anterior, como representado pela patente US Na. 4,914,719 de Conlon et al., por exemplo, pode ser sumari-zada uma técnica para a especificação de filtros passa banda de infravermelhos. Podem ser descritas as orientações, ou passos como se segue. 1. Especificação de um filtro que tem o seu comprimento de onda central coincidente com o comprimento de onda central do gás que se destina a ser analisado. Isto é feito para produzir a máxima especificidade e a mínima interferência. 2. Especificação da largura de banda de meia potência suficientemente larga para incluir todos os comprimentos de onda absorvidos pelo gás de interesse. Isto optimiza a modulação ou a quantidade de energia feita passar pelo filtro e absorvida pelo gás.

Na prática compreende-se que os comprimentos de onda centrais mudem com a temperatura. Isto é mostrado na pág. 41 do OCLI Infrared Handbook (1970), Optical Coating Laboratory Inc.. Na construção dos analisadores de gás que incluem as concepções de filtro, os engenheiros superaram este deslocamento de filtro operando os filtros num ambiente de temperatura controlada. Uma tal concepção é descrita pela patente US N2. 4,423,739 de Passa- -25- 74 493 YELD-0109 ,// C ,7 - ro. Esta abordagem, no entanto, é cara e complicada. É também reconhecido que as tolerâncias de fabrico em filtros passa banda de infravermelhos podem resultar numa gama de comprimentos de onda centrais de uma única produção. Isto é expresso como uma tolerância +/- tipicamente de 1/2% a 1% no comprimento de onda central. A acomodação desta variação é frequentemente conseguida pela calibração individual de cada analisador. Esta prática é também cara.

Na especificação dos filtros de C02 e de N20 de acordo com o presente invento, os dois primeiros passos consistem nõs passos 1 e 2 da técnica convencional; isto é, são especificados filtros convencionais. No presente invento, foram utilizados os espectros de gás da SADTLER INDEX. Os filtros convencionais resultantes são caracterizados pelas seguintes especificações de filtro, intituladas VER 1.2. As mesmas seguem em tabelas que mostram os filtros quando especificados e quando deslocados de + 0,03 /xm, o que é aproximadamente 0,7%. o mesmo corresponde ao deslocamento que seria produzido por uma aumento de temperatura de cerca de 50°C. Corresponde também à tolerância de fabrico especificada. Para referência são também incluídos nos gráficos os espectros de co2 e de N20. b. Análise e simulação de rendimento por computador

Seguindo o desenvolvimento das especificações do VER 1.2, foi desenvolvida uma técnica de simulação de computador, pelos inventores do presente invento, para testar a validade da especificação teórica do filtro, fazendo a predição matemática da modulação da luz, como se a mesma tivesse passado através do gás e subsequentemente através dos filtros especificados. Foi utilizado um espectrofotómetro de Perkin Elmer 1640 FTIR (PE 1640) para medir o espectro de absorção dos gases de interesse, C02 e N20. Os gases estavam à pressão atmosférica e numa célula com o comprimento de circuito de 12,7 mm. Foram utilizados 5,0% de C02 e 50% de N20 equilibrados com 02. Os dados dos espectros foram transferidos para um computador pessoal, com dados referentes a cada 0,1 /m. Estes espectros foram combinados num -26- 74 493 YELD-0109 listagem de programa com os modelos matemáticos dos filtros para permitir a multiplicação e divisão fáceis dos valores registados. Foram calculadas as percentagens de modulação pela multiplicação dos espectros de gás pelos modelos de filtro e dividindo o resultado pelo produto dos espectros e de um modelo de transmissão de 100%. Foram estudados a modulação, a interferência, e os efeitos das deslocações de filtro.

Os resultados desta análise serão explicados adiante na secção sobre a comparação do rendimento. A análise mostrou que, para ir de encontro aos objectivos da concepção do projecto, quer a calibração individual quer o controlo de temperatura dos filtros ou ambos, teriam de ser especificados. Decidiu-se opti-mizar as especificações de filtro para evitar estas complicações, alterando matematicamente o filtro sob investigação, enquanto que se preservou uma forma realista da passa banda. c. Especificação óptima do filtro

De acordo com o invento, as especificações de filtro convencionais foram então optimizadas pelos três passos seguintes. 3. Foi feito variar o comprimento de onda central do filtro, de modo a minimizar a mudança de modulação quando o filtro se desloca de 0,3 μιη. 4. 0 comprimento de onda central e a largura de banda do filtro foram feitos variar para minimizar a interferência. 5. 0 comprimento de onda central e a largura de banda do filtro foram feitos variar para minimizar a mudança de interferência que ocorreu devido à deslocação do filtro de 0,3 μια.

Para proporcionar uma forma real ao filtro passa banda simulado, foi medida a transmissão de um filtro passa banda de infravermelhos real com o PE 1640. Foi criado um ficheiro de dados que preservou os bordos acrescentados e cortados do filtro real, mas substituída a secção do meio com uma transmissão plana YELD-0109 -27-

de 80%. Um programa mudou a largura do filtro simulado, alterando a largura do topo plano, para permitir o teste das várias larguras de banda do filtro. 0 filtro simulado foi restringido às larguras de banda de meia potência maiores do gue 0,1 /xm, para assegurar que o filtro optimizado resultante era fabricável. Com os espectros de gás em memória e o ficheiro do filtro ideal ajustável preparado, foi programado um computador pessoal para varrer todas as combinações de filtro possíveis para os filtros de CC>2 e de N2O e seleccionar a melhor combinação como indicado por: 1. modulação máxima; 2. mudança de modulação mínima no deslocamento de filtro de 0,3 /xm, 3. modulação de interferência menor do que 0,7% para o CO2 (equivalente ao efeito de cerca de 1 moHg de C02 na célula de amostra de analisador); e 4. modulação de interferência menor do que 1,0% para o N20 (equivalente ao efeito de cerca de 10 mmHg de N2O na célula de amostra de analisador) d. Rendimento e comparação dos filtros VER 1.2 e VER 2.1 (i) Modulação 0 filtro optimizado VER 2.1 tem ligeiramente menos modulação do que a versão convencional. VER 1.2 VER 2.1 5% de C02 CANAL DE C02 40,3%

CANAL DE C02 36,0% MODULAÇÃO 50% de N20 CANAL DE N20 65,4%

CANAL DE N20 58,9% MODULAÇÃO

Isto é devido ao facto de que os filtros VER 2.1 tanto de C02 como de N20 são ligeiramente mais estreitos do que os filtros VER 1.2 convencionais e não centrados no centro da absorção Ι/ι, 28- 74 493 YELD-0109 para o C02 e N20, respectivamente. Esta redução é de pequeno ou nenhum significado na concepção total do analisador. (ii) Erro de deslocação do filtro 0 sacrifício em modulação foi ultrapassado por um rendimento muito melhorado em relação aos erros, quando os filtros se deslocam. MUDANÇA VER 1.2 NORMAL MOD em % DESLOCADO MOD em % MOD em MUDANÇA % mmHg 5% de C02 CANAL de C02 40,3 41,5 1,2 1,7 50% de N20 0,2 0,3 0,1 0,1 5% de C02 CANAL de N20 0,8 0,7 -0,1 -1,0 50% de N20 65,4 54,2 -11,2 -112,0 MUDANÇA VER 1.2 NORMAL MOD em % DESLOCADO MOD em % MOD em MUDANÇA % mmHg 5% de C02 CANAL de C02 36,0 36,3 0,3 0,4 50% de N20 0/4 0,5 0,1 0,1 5% de C02 CANAL de N20 1,0 0,8 -0,2 -2,0 50% de N20 58,9 56,3 -2,6 -26,0 0 erro de C02 da especificação de filtro optimizada devido a uma deslocação de 0,3 p é reduzido de 1,7 mmHg para 0,4 e o erro de N20 foi de 112 para 26 mmHg. YELD-0109 (iii) Interferência

A interferência aumentou ligeiramente do VER 1.2 para o VER ERRO DE INTERFERÊNCIA 50% de N20 5% de C02 VER 1.2 MOD em % mmHg CANAL de C020,2 CANAL de N200,8 VER 2.1 MOD em % mmHg 0,3 8,0 0,4 1,0 0,6 10,0 e. Sumário 0 processo produziu um conjunto de filtro que é ligeiramente diferente do seleccionado pelos processos convencionais e, de acordo com as simulações, melhor adequado para produzir um analisador de gás fabricável com pequeno ou sem ajustamento individual. As especificações de filtro preferidas são estabelecidas na Tabela I, seguinte.

TABELA I ESPECIFICAÇÃO DE FILTRO DE INFRAVERMELHOS TODOS OS FILTROS:

Dimensões : 4,7498 mm X 3,9624 mm, +/” 0,0762 0,508 mm, +/- 0,0254 mm de espessura

Irregularidades de bordo: <0,127 mm Deslocamento de temp. : 0,01 por grau c.

Deslocamento angular : 0,001 por grau angular

Transmissão no centro : 80%

Inclinações de acrescento e corte: 3%

Resistência à humidade de acordo MIL-C-675A Resistência à abrasão de acordo MIL-C-675A Aderência de revestimento de acordo com MIL-M-13508B -30- -30- βλ/Sr-:; 74 493 YELD-0109

As caracteristicas espectrais adiante aplicam-se com 0 graus de incidência e a 30 graus C.

Filtro 1: Centro 4,255 micron +/- 0#03 micron

Largura de banda de meia potência 0,180 micron +/- 1%

Filtro 2; Centro 4,540 micron +/- 0,05 micron

Largura de banda de meia potência 0,300 micron +/- 1%

Filtro 3; Centro 3,600 micron +/- 0,03 micron

Largura de banda de meia potência 0,180 micron +/- 1% F. Analisador de gás estabilizado opticamente utilizado com um processador residente A fig. 3 representa uma concretização preferida de certos circuitos de processamento de sinal 100, utilizados para realizarem o presente invento em conjugação com um sistema residente. Os sinais de entrada e de salda do aparelho detector 80 e 90 são feitos passar através de um subsistema de isolamento e de filtragem 140, para assegurar a segurança do paciente. O sinal de saída 90 do detector flui através do subsistema de isolamento 140 para o detector com conversor AD 130, onde o mesmo é digitalizado, antes de entrar para o microprocessador 120. Finalmente, o microprocessador transmite a saída de detector processada - como um valor de concentração para o respectivo gás constituinte - para a interface 110 do sistema residente, e para dentro do sistema residente (não mostrado). O sinal de saída final pode ser monitorizado, registado, armazenado ou ainda manipulado. Alternativamente, um sinal do sistema residente para o aparelho detector, mostrado na fig. 2, pode ser transmitido para a interface 110 do sistema hospedeiro, depois para o microprocessador 120, através do subsistema de isolamento e filtragem 140 e, finalmente, para a entrada 80 do

74 493 YELD-0109 -31- aparelho detector. 0 sinal do sistema residente não é convertido da forma digital para a analógica antes de ser feito entrar para o aparelho detector.

De acordo com uma concretização preferida do invento, a concentração efectiva de gás é calculada a partir dos valores medidos, utilizando suporte lógico adequado, operando no sistema residente. São descritos módulos de suporte lógico de amostra para a concretização preferida, em que é calculada a concentração em tempo real de C02 e de N20 numa célula de amostragem. Como será evidente para os peritos na arte, os módulos seguintes aplicam todas as correcções requeridas para proporcionar uma medição precisa da concentração de gás, para o caso em que a concentração medida seria, de outra maneira, afectada pelo desvio de temperatura dos componentes. Excluindo o módulo O (INICIAÇÃO), os módulos destinam-se a correr em sequência no processador residente cada 10 ms (100Hz).

MÓDULO 0: INICIAÇÃO

No instante de iniciação (ligação) este módulo lê as variáveis de calibração da EEPROM 46 (fig. 2). As variáveis na EEPROM 46 são, de preferência, especificamente calculadas para cada sensor com a calibração de fábrica. Este módulo inicia também as variáveis de operação do capnógrafo e inclui a verificação de auto-calibração das razões de ganho de suporte físico para C02/REF e N20/REF. Estas razões são, de preferência, armazenadas como valores CERAT e NERAT, respectivamente.

MÓDULO 1: AQUISIÇÃO DE SINAL

Este módulo lê as tensões analógicas e depois actualiza e armazena os valores como se segue: 74 493 YELD-0109 -32 CHê SINAL CHI co2 CH2 REF CH3 n2o CH4 FONTE DE TEMP. CH5 TEMP. DE REF. CH6 DETECTOR DE TEMP. CH7 ERRO DE ESP. DE TEMP CH8 PRESSÃO CH9 Alimentação de + 12 CHIO Alimentação de + 5 CH11 TEMP. DE PLACA CHI 2 PICO DE C02 CHI 3 PICO DE REF. CHI 4 PICO DE N20

SÍMBOLO

VC

Vr

Vn

VST

VTR

VDT

VSTE VPb

V

V

Vbt

V

V

V

De preferência, as frequências de amostra são ponderadas de tal modo que os canais 1-3 são amostrados a 100 Hz e tirada a média para uma frequência média de 50 Hz (2 médias). Por outro lado, os canais remanescentes podem ser amostrados a 20 Hz e tirada a média para uma frequência média de 2 Hz (10 médias).

MÓDULO 2: CÁLCULO DE TEMPERATURAS

Este módulo calcula a temperaturas da fonte e do detector.

Passo um: cálculo das resistências de sensor de acordo com as seguintes equações:

Rth = (VTR/VDT - 1) * RTHSERIES e Rpt = (VTR/VST - 1) * RPTSERIES em que RTHSERIES e RPTSERIES são coeficientes de calibração da EEPROM 46 e são específicos para cada sensor. Numa concretização preferida, uma aproximação a estes coeficientes é RTHSERIES = = resistência série de termistor de detector, ou, por exemplo 200 000 ohm e RPTSERIES = resistência série RTD de fonte, ou, por exemplo, 2 700 ohm. 74 493 YELD-0109

s·

-33-

Passo dois: cálculo das temperaturas de sensor de acordo com as seguintes equações:

Dtmp = DtO + (Dtl * Rth) + (Dt2 * Rth2) + (Dt3 * Rth3) e Stmp = StO + (Stl * Rpt) + (St2 * Rpt2) + (St3 * Rpt3) em que DtO, Dtl, Dt2, Dt3 e StO, Stl, St2 e St3 são os coeficiente da EEPRQM 46 e são específicos para cada sensor. Numa concretização preferida, é uma aproximação a estes coeficientes:

DtO = 81,65593

Dtl = -0,0474753

Dt2 = 1,21559 E-5

Dt3 = 1,228346 E-9

StO = -205,4541 Stl = 1,921956

St2 = 2,432033 E-3

St3 = -1,183539 E-6

Passo 3: Calcular a temperatura de placa de acordo com a seguinte equação:

Btmp = vbt * BTSF em que BTSF é o factor de escalonamento de temperatura de placa e é o mesmo para cada placa de processador.

MÓDULO 3: CALCULAR A PRESSÃO BAROMÉTRICA

Este módulo calcula a pressão barométrica, utilizando um transdutor de pressão montado na placa de processador de sinal de acordo com a seguinte equação:

Pb = Vpb * BAROFCTR, em que Pb tem unidades em mmHg e BAROFCTR é uma constante e é a mesma para cada transdutor.

MÓDULO 4: CALCULAR 0 GRADIENTE DE TEMPERATURA DE DETECTOR

Este módulo calcula a frequência da mudança de temperatura do detector dDtmp/dT. Este valor é utilizado no cálculo dos -34- :·'_· -34- :·'_· YELD-0109 C_ f . /; r — . - factores SPAN no módulo 5 e é calculado de acordo comprimento de onda a seguinte equação:

DTgrad = Dtmp(-l) - Dtmp(O) / dT em que DTgrad está em unidades de grau c/min; Dtmp (-1) é a temperatura do último detector; Dtmp(O) é a temperatura do detector de corrente e dT é o intervalo de tempo entre as leituras.

MÓDULO 5: CALCULAR OS FACTORES SPAN DE TEMPERATURA

Os factores span são utilizados para corrigirem as razões de VCO2/VREF e VN2O/VREF através das variações de temperatura. Isto corrige o desvio de filtro passa banda de IV e desvios de emissão de fonte. Esta correcção estabiliza a leitura de zero do instrumento. Estes factores são utilizados no módulo seguinte. 0 factor de span de CO2 é calculado de acordo com a seguinte equação: C02TSF = DTSFO + (DTSF1 * Dtmp) + (DTSF2 * Dtmp2) + (DTSF3 * Dtmp3) + (DGSF1 * DTgrad) + (DGSF2 * DTgrad2) + (DGSF3 * DTgrad3) em que DTSFO, DTSF1, DTSF2, DTSF3 e DGSF1, DGSF2, DGSF3 são coeficientes da EEPROM 46 e são específicos para cada sensor. Numa concretização preferida, uma aproximação a estes coeficientes é: DTSFO = 0,930592 DTSF1 = 0,000904 DTSF2 =2,6 E-8 DTSF3 = -4,8 E-12 DGSF1 = -0,01603 DGSF2 = -0,001258 DGSF3 = -4,7 E-5 O factor de span de N2O é calculado de acordo com a seguinte equação: N2OTSF = NDTSFO + (NDTSF1 * Dtmp) + (NDTSF2 * Dtmp2) + (NDTSF3 * Dtmp3) + (NDGSF1 * DTgrad) + (NDGSF2 * DTgrad2) + (NDGSF3 * DTgrad3) YELD-0109 em que NDTSFO, NDTSF1, NDTSF2, NDTSF3 e NDGSF1, NDGSF2, NDGSF3 são coeficientes da EEPROM 46 e são específicos para cada sensor. Numa concretização preferida, uma aproximação a estes coeficientes é: NDTSFO = 0,40924 NDTSF1 = 2,0482 E-2 NDTSF2 = -4,7731 E-4 NDTSF3 = 3,7300 E-6 NDGSF1 = -2,7813 E-4 NDGSF2 = 2,0171 E-3 NDGSF3 = -8,0728 E-6

MÓDULO 6: CALCULAR A CONCENTRAÇÃO DE GÁS

Este módulo calcula as concentrações de gás C02 e de N20 em mmHg de acordo com os passos seguintes:

Passo um: Ajustamento dos deslocamentos do sensor de acordo com as seguintes equações:

Cst = Vc - Coff?

Nst = Vn - Noff;

Rst = Vr - Roff; em que Coff, Noff, Roff são coeficientes da EEPROM 46 e são específicos para cada sensor.

Passo dois: Calcular as razões e ajustar utilizando facto-res de span e razões de suporte físico electrónico de acordo com as seguintes equações:

Rcr = (Cst/Rst) * C02TSF * CERAT, e

Rnr = (Nst/Rst) * N20TSF * NERAT;

Passo três: Calcular o logaritmo das razões e os termo do produto cruzado de acordo com as seguintes equações LC = Ln(Rcr), LN = Ln(Rnr), e CP = LC * LR; em que LN é o logaritmo natural.

Passo quatro: Calcular a concentração de gás utilizando -36- 74 493 YELD-0109 tanto a razão de CO2, LC, como a razão de N20, LN, bem como o termo de produto, CP. A utilização de todos os termos em vez de apenas o C02 no cálculo da concentração, de acordo com o invento elimina o efeito da sobreposição espectral e do alargamento da colisão. A concentração de gás de acordo com o invento é assim calculada como se segue:

Cmmhg = Ac + (Bc * LC) + (Cc * LC2) + (Dc * LC3) + (Ec * LN) + (Fc * LN2) + (Gc * LN3) + (Hc * CP), e

Nmmhg = An + (Bn * LC) + (Cn * LC2) + (Dn * LC3) + (En * LN) + (Fn * LN2) + (Gn * LN3) + (Hn * CP), em que Ac ... Hc e An ... Hn são coeficientes específicos de sonda, armazenados na EEPROM de sensor 46. Numa concretização preferida, um valor aproximado destes coeficientes é:

Ac = 0,443786 Bc = -76,7717 Cc = -114,067 Dc = -2141,64 EC = 42,41146 FC = 100,6197 GC = 57,52443 HC = -127,204 An = -8,58349 Bn = -299,769 Cn = -2176,12 Dn = -3553,64 En = -2206,24 Fn = -6026,76 Gn = -4604,05 Hn = -116,256

MÓDULO 7: VERIFICAÇÃO DE ERROS

Este módulo verifica para as mesmas condições de erro conhecidas e estabelece marcas que conduzem a acções. Tais 7' -37- 74 493 YELD-0109 condições de erro podem incluir: 1. Sinais IV abaixo de 1,0 Volt; 2. Temperatura de fonte abaixo de 350°C (típico é 360°C); 3. Temperatura de detector acima de 60°C; 4. Concentração de gás Cmmhg inferior a -2; 5. Concentração de gás Nmmhg inferior a -20; 6. Alimentação de energia fora da gama; e 7. Temperatura de placa fora da gama 0 - 40°C.

Podem ser adicionados módulos adicionais para o cálculo das variável derivadas a partir das concentrações de gás em tempo real descritas atrás. Além disso, podem ser calculadas as concentrações de C02 e N20 inspirados e de corrente final e o ritmo respiratório. Podem também ser calculadas as percentagens dos valores em mmHg e a pressão barométrica, de acordo com técnicas bem dentro da perícia dos peritos na arte. Pode também ser proporcionado, evidentemente, o sistema de comunicações para permitir ao capnógrafo comunicar com o sistema residente.

Apesar de terem sido aqui descritas certas concretizações preferidas do presente invento, deverá ser compreendido que o invento não está limitado às mesmas. Por exemplo, a fig. 8 mostra uma representação esquemática de uma porção alternativa de um detector de acordo com o invento. Como explicado atrás com referência à fig. 4, a emissão vinda de uma fonte de radiação infravermelha 300 cai no detector 202. No entanto, na concretização da fig. 8, as funções dos filtros neutros de densidade e analítico, descritos atrás, são combinadas dentro do mesmo elemento. Especificamente, são proporcionados um primeiro filtro 260 tendo uma transmissibilidade de 100% e um segundo filtro tendo uma transmissibilidade de 50%. O remanescente do detector 202 é o mesmo que o descrito atrás com referência à fig. 4, isto é, são proporcionados de novo uma abertura ou janela 230, detectores 216 e 220 e um processador 240. A porção de referência do circuito pode ser construída como mostrado na fig. 4, ou utilizando um par de filtros 50%/l00%, como mostrado na fig. 8. Assim, os filtros analíticos podem ser combinados funcionalmente com o filtro neutro de densidade como um elemento YELD-0109 -38- de filtro.

Assim, muitas de tais variações das concretizações específicas descritas até aqui estão dentro do âmbito do presente invento como definido nas reivindicações seguintes.

Lisboa, Qyi 1992

Por CRITIKON, INC. - 0 Agente Oficial -

Claims (11)

1. 74 493 YELD-0109 -1- REIVINDICAÇÕES 1 - Processo de selecção de um filtro óptico para utilização num analisador de gás, que mede a concentração de um constituinte gasoso predeterminado, caracterizado por compreender os passos de: (a) seleccionar um comprimento de onda central nominal, para o dito filtro óptico, que coincide com um comprimento de onda prontamente absorvido pelo dito constituinte; (b) seleccionar uma largura de banda de meia potência nominal apenas suficientemente larga para deixar passar substancialmente todos os comprimentos de onda absorvidos pelo dito constituinte; (c) fazer variar o dito comprimento de onda central nominal, de modo a minimizar a mudança de modulação, quando o dito filtro óptico é deslocado através de uma gama predeterminada de comprimentos de onda; (d) fazer variar o dito comprimento de onda central nominal e a sua largura de banda, de modo a minimizar as interferências entre o dito constituinte e os outros constituintes; e (e) fazer variar o dito comprimento de onda central nominal e a sua largura de banda, de modo a minimizar as interferências, quando o dito filtro óptico é deslocado através da dita gama pré-definida de comprimentos de onda.
2. 2 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a largura de banda de meia potência ser seleccionada para ter uma largura de banda maior do que aproximadamente 0,1 Mm.
3. 3 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a mudança de modulação ser minimizada através de uma deslocação de 0,3 μι do filtro.
4. 4 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado

   74 493 YELD-0109 por o constituinte predeterminado dos gases respiratórios ser C02 e a modulação de interferência pelo N20 ser menor do que aproximadamente 0,7% para o C02.
5. 5 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o constituinte predeterminado dos gases respiratórios ser N20 e a modulação de interferência pelo C02 ser menor do que aproximadamente 1,0% para o N20.
6. 6 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os passos (c) - (e) serem executados por simulação de computador .
7. 7 - Processo de detecção em tempo real das concentrações dos respectivos componentes gasosos de uma corrente gasosa respiratória, caracterizado por compreender os passos de: transmitir um feixe de radiação infravermelha através da dita corrente gasosa respiratória; detectar a intensidade da dita radiação infravermelha, após a mesma ter passado através da dita corrente gasosa respiratória e ser parcialmente absorvida pela mesma, e ter passado através dos respectivos filtros ópticos sintonizados para as respectivas frequências de detecção de infravermelhos, as quais são prontamente absorvidas pelos ditos componentes gasosos da dita corrente gasosa respiratória; gerar respectivos sinais de intensidade representativos da intensidade da radiação infravermelha detectada nas ditas respectivas frequências de detecção; determinar simultaneamente as razões dos ditos respectivos sinais de intensidade relativamente a um sinal de referência; e processar os ditos respectivos sinais de intensidade com razões determinadas, para produzir as concentrações de gás em tempo real dos ditos componentes gasosos, da dita corrente 74 493 YELD-0109 i C.

   -3- gasosa respiratória, utilizando ponderações variadas e termos de produto dos ditos respectivos componentes gasosos, de modo a compensar o desvio de filtro, a interferência dos gases e o aumento da colisão dos ditos respectivos filtros ópticos, devido às variações de temperatura ao longo do tempo.
8. 8 - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por os ditos respectivos componentes gasosos serem C02 e N20 e os ditos respectivos filtros ópticos deixarem passar, respecti-vamente, a radiação às respectivas frequências de detecção de infravermelhos, nas quais o C02 e o N20 são prontamente absorvidos.
9. 9 - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o dito passo de processamento compreender o passo de separação das intensidades detectadas dos ditos respectivos componentes gasosos, utilizando uma técnica matemática de ajustamento polinomial.
10. 10 - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o dito passo de processamento compreender o passo de separação das intensidades detectadas dos ditos respectivos componentes gasosos, utilizando uma técnica matemática de ajustamento de menores quadrados.
11. 11 - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o dito passo de processamento compreender o passo de calcular as concentrações de gás dos respectivos componentes gasosos X e Y, de acordo com as seguintes equações; X = Ac + (Bc * LX) + (Cc * LX2) + (Dc * LX3) + (Ec * LY) + (Fc * LY2) + (Gc * LY3) + (Hc * CP), e Y = An + (Bn * LX) + (Cn * LX2) + (Dn * LX3) + (En * LY) + (Fn * LY2) + (Gn * LY3) + (Hn * CP); em que Ac, Bc, Cc, Dc, Ec, Fc, Gc e Hc, e An, Bn, Cn, Dn, En, Fn, Gn e Hn são constantes e em que LX é o logaritmo natural de um sinal detectado de intensidade para o componente gasoso X - YELD-0109 -4- dividido pelo dito sinal de referência, LY é de um sinal detectado de intensidade para o dividido pelo dito sinal de referência, e CP LY. o logaritmo natural componente gasoso Y é o produto de LX e Lisboa, za m 1992 Por CRITIKON, INC. - 0 Agente Oficial -