PT109617A

PT109617A - Sistema para recolha controlada e seletiva de ar exalado e respetivo método de operação

Info

Publication number: PT109617A
Application number: PT109617A
Authority: PT
Inventors: Boríssovna Vassilenko Valentina; Henrique Da Costa Santos Paulo
Original assignee: Faculdade De Ciencias E Tecnologia Da Univ Nova De Lisboa; Nmt Tecnologia Inovacao E Consultoria S A
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2018-03-12
Also published as: EP3509488A1; WO2018047058A1

Abstract

O PRESENTE PEDIDO DESCREVE UM SISTEMA (1) E RESPETIVO MÉTODO DE FUNCIONAMENTO, PARA RECOLHA CONTROLADA E SELETIVA DE AR EXALADO, DE UMA PARTE PREDETERMINADA DA ÁRVORE RESPIRATÓRIA. O SISTEMA (1) É COMPOSTO POR DOIS MÓDULOS ACOPLÁVEIS: UM DISPOSITIVO DE RECOLHA PORTÁTIL (3) E O MÓDULO DE HARDWARE (12), CONTROLADOS POR UM SOFTWARE DE APRENDIZAGEM AUTOMÁTICA (16) CARREGADO NUM DISPOSITIVO DE PROCESSAMENTO. A TECNOLOGIA DESENVOLVIDA DETETA E IMPÕE UM RITMO RESPIRATÓRIO AO SUJEITO DE ACORDO COM SUAS CARACTERÍSTICAS (IDADE, GÉNERO E CONDIÇÃO FISIOLÓGICA) E SINCRONIZA O CICLO RESPIRATÓRIO DO SUJEITO COM UM CICLO RESPIRATÓRIO REPRESENTATIVO MODELADO USANDO UM PROCESSO DE APRENDIZAGEM AUTOMÁTICA. ENTÃO, SÃO PREVISTOS OS INSTANTES PARA ABRIR/FECHAR A VÁLVULA (9) PARA CONDUZIR A PORÇÃO DE AR EXALADO SELECIONADA PARA O ANALISADOR (17) OU COLETOR (18). O SISTEMA (1) PROPOSTO PERMITE MONITORIZAR, DIAGNOSTICAR E AVALIAR CONDIÇÕES MÉDICAS DO PACIENTE, BEM COMO AVALIAR O GRAU DE INFLAMAÇÃO DAS VIAS RESPIRATÓRIAS DO SUJEITO.

Description

substâncias no ar exalado varia de acordo com a origem respiratória do ar exalado a ser analisado, incluindo-se o ar da cavidade oral e nasal, o ar esofágico e o ar alveolar. A concentração da maioria dos VOCs presentes no ar exalado é muito baixa (partes por bilhão (ppbv) ou micrograma por litro (pg/L) a partes por trilião (pptv) ou nanograma por litro (ng/L)). A deteção destas quantidades tão pequenas, em frações de ar exalado de diferentes origens respiratórias, tem-se revelado um dos novos desafios a serem superados pelos dispositivos de recolha/monitorização respiratórios pulmonares mais recentes.

Até agora, vários aparelhos e métodos são utilizados para recolha de ar exalado e posterior análise da sua composição química como instrumentos/testes de diagnóstico não-invasivos para as doenças acima mencionadas e outras. Alguns dos problemas relacionados com os testes de respiração atuais podem ser sumarizados da seguinte forma: i.Incapacidade de selecionar precisamente a fração de ar exalado a recolher ou analisar; ii.Incapacidade de recolher/analisar apenas uma fração de ar exalado, dado que a grande maioria dos sistemas usa procedimentos de capnografia. A capnografia, definida como o método de monitorização da concentração ou pressão parcial de dióxido de carbono (CO2) na mistura de gases respiratórios, tem algumas limitações porque varia com (a) a inerente variação da composição do ar exalado e a concentração de cada constituinte ao longo do ciclo respiratório; (b) a velocidade da respiração, que afeta a composição da mistura entre o ar alveolar e o ar do espaço morto; (c) a profundidade e a frequência respiratórias, que controlam as mudanças de respiração autónoma para a respiração consciente, quando uma pessoa é convidada a fornecer uma amostra de ar exalado, iii.Alguns procedimentos de análise de ar exalado, como os utilizados na análise de VOCs, precisam de procedimentos especiais para recolher e preparar as amostras e evitar fontes de erro indesejadas. Tais erros podem surgir da presença de VOCs nos gases ambientais e da presença de fatores indesejados que afetem as amostras, como a adsorção de compostos exalados nas paredes do dispositivo. Inconveniência do sujeito para estar ligado a um instrumento de teste respiratório por um longo tempo; iv.Ineficiente utilização do instrumento de teste respiratório, que não é rentável para um único sujeito o utilizar por várias horas; Vários documentos de patente discutem o estado da arte na recolha de ar exalado para sua análise. Por exemplo, em WO 2014/110181 AI e WO 2015/143384 Al, são descritos vários métodos e sistemas para obter e analisar automaticamente uma amostra pulmonar gasosa a partir da respiração de uma pessoa para análise composicional. O documento WO 2015/143384 Al introduz a imposição e controlo da frequência respiratória dependente das caracteristicas do sujeito (sexo e idade). No entanto, estes sistemas e métodos não compreendem um software de controlo inteligente que "aprende" e se adapta de acordo com as caracteristicas respiratórias do sujeito, como contém a tecnologia agora desenvolvida. Além disso, esta permite uma análise simultânea de múltiplos compostos do ar exalado em vez de analisar um único composto de cada vez como sugerido pelos documentos mencionados. Embora as divulgações apresentadas revelem a possibilidade de medir a temperatura do ar das vias aéreas respiratórias, a possibilidade de avaliar o grau de inflamação das vias respiratórias não é proporcionada, como é divulgado no presente pedido.

Os documentos US 2006/0200037 Al e US 2015/065901 Al descrevem um processo físico de aquisição de ar exalado, que compreende um sensor (que mede uma característica do ar exalado), válvulas e um módulo de controlo. Estes componentes facultam um mecanismo de feedback para avaliar o estado da operação ou um processador para medir a aceitabilidade do sinal respiratório. Além dos componentes similares, a tecnologia agora desenvolvida compreende um software de controlo inteligente que permite a definição de variáveis globais do processo, impõe uma taxa respiratória ao sujeito (de acordo com as caracteristicas do sujeito) e sincroniza o ciclo respiratório do sujeito com um ciclo respiratório representativo e modelado, que aprende e se adapta às caracteristicas de respiração do sujeito. Portanto, a precisão na predição dos instantes de recolha de ar exalado é aumentada. Adicionalmente, a tecnologia agora desenvolvida também permite a análise de compostos de ar exalado em tempo real, acoplando o dispositivo a um analisador analítico.

Adicionalmente, o sistema desenvolvido também inclui um elemento de aquecimento dos tubos condutores do ar exalado de modo a impedir a adsorção de compostos às paredes do dispositivo; e inclui também a avaliação do grau de inflamação das vias aéreas respiratórias com base na medição da temperatura do ar exalado.

Portanto, existe a importante necessidade de um aparelho de amostragem respiratória que supere algumas das desvantagens supramencionadas relativas aos procedimentos atuais de recolha de amostras de ar exalado. Os problemas restantes a serem resolvidos compreendem a questão de como obter uma recolha precisa, seletiva e repetitiva, como garantir um manuseamento fácil e seguro e, talvez o mais importante, a questão de estabilidade da amostra para permitir uma análise química adequada.

SUMÁRIO 0 presente pedido descreve um sistema para recolha controlada e seletiva de ar exalado, caracterizado por compreender: - Um dispositivo de recolha portátil, compreendendo pelo menos um sensor de ar e uma válvula de desvio; - Um módulo de hardware, conectado ao dispositivo de recolha portátil, configurado para receber, processar e transmitir dados do pelo menos um sensor de ar, e para acionar a válvula de desvio; - Um dispositivo de processamento que compreende meios de interface e meios de processamento, estando o referido dispositivo de processamento configurado para operar o módulo de hardware de acordo com um algoritmo de aprendizagem automática, com base nos dados enviados pelo módulo de hardware.

Num modo particular de realização do sistema, o dispositivo de recolha portátil possui uma cavidade interna em forma de T, formada por: - Uma conduta longitudinal compreendendo uma conduta do sensor de ar na sua porta de entrada, onde se encontra instalado pelo menos um sensor de ar, e uma conduta de eliminação de ar na sua porta de saída; - Uma conduta vertical, conectada à conduta longitudinal, compreendendo uma conduta de recolha de ar onde a válvula de desvio está instalada, e onde a saída da conduta vertical é conectada a meios de recolha de ar;

Num modo particular de realização do sistema, o dispositivo de recolha portátil compreende um componente de aquecimento que cobre as superfícies internas da conduta do sensor de ar, da conduta de eliminação de ar e da conduta de recolha de ar.

Num modo particular de realização do sistema, os meios de recolha de ar são de tipo reservatório ou tipo de analisador.

Num modo particular de realização do sistema, um bocal descartável sem retorno é ligado à porta de entrada longitudinal.

Num modo particular de realização do sistema, o sensor de ar é um sensor de temperatura.

Num modo particular de realização do sistema, o módulo de hardware compreende: - Um circuito de condicionamento de sinal, configurado para receber e processar o sinal do sensor de ar; - Uma unidade de processamento e comunicação, configurada para gerir a aquisição e a comunicação de sinais para o dispositivo de processamento; - Um circuito de comutação de fluxo automático configurado para operar a válvula de desvio do dispositivo de recolha portátil. 0 presente pedido descreve igualmente um método de operação do sistema para recolha controlada e seletiva de ar exalado, tal como descrito anteriormente, caracterizado por ser independente da produção metabólica de C02 do sujeito e por compreender as seguintes etapas: a) Inicialização dos meios de interface do dispositivo de processamento; b) Configuração de variáveis relacionadas ao sujeito no dispositivo de processamento, nomeadamente idade, género e condições fisiológicas do sujeito, tais como, mas não limitado a, sentado, deitado ou sob testes de esforço; c) Configuração de variáveis globais do processo de aquisição no dispositivo de processamento, incluindo: - A fração de interesse do ar exalado para amostra, de acordo com a origem do mesmo; - A percentagem da abertura da válvula que conduz o ar exalado dentro de um dispositivo de recolha portátil; - 0 número de ciclos respiratórios para o cálculo do tempo médio de expiração por um algoritmo de aprendizagem automática. d) Aquisição de ar exalado através de bocal descartável e sem retorno, para pelo menos um ciclo respiratório e até regularizar, de acordo com um ritmo previamente definido pelo referido algoritmo de aprendizagem automática e demonstrado por uma interface gráfica, com base em nas referidas variáveis relacionadas ao sujeito, recolhidas na etapa b); e) Medição do fluxo de ar exalado, identificando a fração endógena do ar exalado, independentemente do metabolismo do dióxido de carbono do sujeito, através da variação de temperatura medida por um sensor de temperatura, para o cálculo do fluxo de ar exalado pelo referido algoritmo de aprendizagem automática; f) Medição da frequência respiratória e do tempo médio do ciclo respiratório, que compreende as fases inspiratória e expiratória, pelo algoritmo de aprendizagem automática; g) s incronização do ciclo respiratório adquirido com o ciclo respiratório aprendido e modelado durante as etapas d) a f) pelo algoritmo de aprendizagem automática; h) Cálculo do tempo médio de expiração, pelo algoritmo de aprendizagem automática para o ajuste do ciclo respiratório representativo e modelado; i) Previsão dos instantes de recolha da fração de ar exalado de interesse pelo algoritmo de aprendizagem automática; j) Aquecimento das partes internas da conduta do sensor de ar, a conduta de eliminação de ar e a conduta de recolha de ar do referido dispositivo de recolha portátil, por meio do componente de aquecimento; k) Envio dos instantes para aquisição de ar exalado previsto em i) para a unidade de processamento e comunicação do módulo de hardware; D A referida unidade atua sobre uma válvula do dispositivo que, quando fechada, conduz a fração de ar exalado de interesse para uma saída de eliminação do referido dispositivo de recolha portátil e quando aberta conduz a fração de ar exalado de interesse para uma saída de recolha do referido dispositivo; m) Recolha da fração de ar exalado de interesse pelo dispositivo de recolha portátil.

Num modo particular de realização do método, a fração de ar exalado de interesse para ser recolhida possui várias origens, nomeadamente o ar da boca, nasal, esofágico e alveolar.

Num modo particular de realização do método, a fração de ar exalado de interesse é recolhido e derivado de um único ciclo respiratório, estando disponível para análise em tempo real pelo equipamento analítico.

Num modo particular de realização do método, a fração de ar exalado de interesse é recolhido e derivado de múltiplos ciclos respiratórios a serem conduzidos para um reservatório de amostra. 0 presente pedido divulga igualmente a utilização do sistema descrito anteriormente para recolher a fração de ar exalado de interesse para análise da sua composição química. É divulgado também, a utilização do sistema descrito anteriormente para a deteção do estado inflamatório das vias respiratórias através da medição da temperatura do ar exalado pelo sensor de temperatura durante um ciclo respiratório.

DESCRIÇÃO GERAL 0 presente pedido refere-se a um sistema e ao seu respetivo método de operação, para seletiva e controladamente recolher ar exalado Hi ferpntps nriapns rpRDÍ ratórias. nomeadamente. mas não limitado a, cavidade oral, ar esofágico e ar alveolar, independentemente da produção metabólica de CO2 do sujeito. A fração de ar está disponível para análise da sua composição química em tempo real ou simplesmente recolhida para futuras análises. 0 sistema é composto por dois módulos acopláveis: o dispositivo de recolha portátil e o módulo de hardware, controlados por um software de aprendizagem automática carregado num dispositivo de processamento. 0 dispositivo de recolha portátil é composto por uma cavidade interna em forma de "T" que pode ser dimensionada e moldada para incluir pelo menos um sensor de ar e uma válvula de desvio. Além disso, o dispositivo de recolha portátil pode incluir várias condutas de ar, tais como, mas não limitado a uma conduta do sensor de ar, uma conduta de eliminação de ar e uma conduta de recolha de ar. Um bocal descartável sem retorno está ligado a uma entrada longitudinal do dispositivo de recolha portátil. 0 referido sensor de ar do dispositivo de recolha portátil está configurado para detetar, direta ou indiretamente, as diferentes fases do ciclo respiratório de um sujeito, usando vários tipos de sensores, tais como, mas não limitados a sensores de fluxo, sensores de pressão das vias aéreas, capnómetros, sensores de som da respiração e sensores térmicos. Devido à possibilidade de correlacionar a variação da temperatura do ar exalado com o fluxo de ar exalado e, uma vez que a temperatura é um marcador de fatores patológicos e importante como medida de eventos fisiológicos, o dispositivo de recolha portátil pode compreender um sensor de temperatura. Dependendo da variação da temperatura do ar exalado registada no sensor de temperatura do dispositivo de recolha portátil será produzida uma saída diferente. Também está configurado para ser capaz de ser conectado ao dispositivo de recolha portátil na conduta do sensor de ar, e a sua substituição é permitida após um número significativo de utilizações, de modo a manter as capacidades completas do dispositivo. A válvula do dispositivo de recolha portátil pode ser configurada para responder a um sinal de porta transmitido pelo módulo de hardware, indicado pelo software de aprendizagem automática, e para alterar automaticamente a sua posição de acordo com este sinal de porta. 0 tipo de válvula automática que pode ser usada para este fim pode variar. Dado que o módulo de hardware do sistema é um dispositivo eletrónico, uma válvula solenoide pode ser acionada electromecanicamente controlando uma corrente elétrica que flui através de uma bobina e que permuta a saída do fluxo de ar exalado entre duas saídas da válvula. Pode ser apreciado que esta tecnologia não é limitada a este respeito e qualquer válvula elétrica ou mecânica adequada pode ser usada para desviar o ar exalado no dispositivo de recolha portátil. Por padrão, o fluxo de ar exalado é direcionado para a porta normalmente aberta quando a referida válvula não é operada. Quando o algoritmo do software de aprendizagem automática determina a mudança de posição da referida válvula, da posição a (fechada) para a posição b (aberta), a referida válvula pode conduzir seletivamente uma fração pré-determinada de fluxo de ar exalado através da conduta longitudinal de eliminação de ar para a respetiva saída de eliminação do dispositivo de recolha portátil, ou através da conduta de recolha de ar para a saída vertical. Quando a válvula está na posição a, o fluxo de ar exalado que circula através da conduta do sensor de ar é então dirigido através da conduta longitudinal e sai através da saída de eliminação longitudinal do dispositivo de recolha portátil. Além disso, se a válvula estiver na posição a, o fluxo de ar exalado que passa pela conduta de recolha de ar, abaixo da válvula, é inexistente. No entanto, quando a válvula está na posição b, o fluxo de ar exalado circula através da conduta do sensor de ar e é então desviado através da conduta de recolha de ar disposta verticalmente, onde a fração do fluxo de ar exalado pode ser recolhido no reservatório de amostra de ar ou analisado diretamente e em tempo real no analisador analítico acoplado ao sistema. 0 analisador analítico pode ser selecionado do grupo de analisadores: químicos, elétricos, óticos e cromatográficos. Pode notar-se que a tecnologia não é limitada a este respeito e qualquer analisador adequado pode ser utilizado para determinar precisamente a composição química das amostras de ar exalado. 0 dispositivo de recolha portátil também compreende um componente de aquecimento que cobre a sua superfície interna. 0 referido componente de aquecimento está configurado para atuar durante o processo geral de aquisição de ar exalado de modo a evitar a condensação de partículas e a adsorção de constituintes de ar exalado nas paredes internas das condutas de ar do dispositivo de recolha portátil. 0 módulo de hardware é configurado para controlar totalmente o sistema, modelando o sinal adquirido pelo sensor de ar e determinando as ações a realizar de modo a afetar a direção do ar exalado, controlada pela posição da válvula. 0 referido módulo de hardware é, portanto, responsivo ao sensor de ar e ao software de aprendizagem automática do sistema, dado que recebe, processa e transmite sinais entre os demais componentes do sistema. Este módulo de hardware contém: - Um circuito de condicionamento de sinal, configurado para receber e processar o sinal do sensor de ar do referido dispositivo de recolha portátil, de modo a permitir uma melhor utilização do conversor analógico-digital (ADC) obtendo um sinal amplificado; - Uma unidade de processamento e comunicação que gere a aquisição e a comunicação do sinal para o dispositivo de processamento onde o software de aprendizagem automática é carregado; - E um circuito automático de comutação de fluxo que afeta a direção do fluxo de ar exalado pela válvula. A unidade de processamento e comunicação está configurada para criar um sinal de porta quando a saída digital do ADC transita para um nível lógico alto, tornando-se o transístor do circuito de comutação de fluxo automático em saturação, permitindo a passagem da corrente para a válvula e fazendo passar o fluxo de ar através da conduta de recolha de ar. Se a saida digital ADC estiver num nível lógico baixo, o transístor está ao corte e não há fluxo de corrente para a válvula, implicando uma saída do fluxo de ar através da conduta de eliminação. 0 sistema também inclui um software de aprendizagem automática que responde ao módulo de hardware e contém uma interface gráfica para interagir com o sujeito/operador, permitindo a definição de características globais e avaliação do estado da operação. 0 referido software de aprendizagem automática também inclui um algoritmo interno para controlar o funcionamento do dispositivo e determinar o momento preciso para amostrar seletivamente o ar exalado, através de um processo de aprendizagem automática. 0 algoritmo implementado no software de aprendizagem automática do sistema compreende um filtro digital para adquirir o sinal obtido a partir do sensor de ar com o mínimo de ruído possível, garantindo, ao mesmo tempo, não haver perda de informação. 0 algoritmo está configurado para: - Calcular o fluxo respiratório e identificar a fração endógena de ar exalado, independentemente do metabolismo do dióxido de carbono do sujeito, através do sinal processado do sensor de ar, calculando assim o fluxo de ar exalado; - Detetar efetivamente a frequência respiratória do sujeito; - Distinguir as fases inspiratória e expiratória da respiração, com base na deteção de máximos e mínimos do sinal processado do sensor de ar; - Sincronizar o ciclo de respiração do sujeito com um ciclo de respiração representativo e modelado através de, pelo menos, três ciclos respiratórios completos. A imposição de um ritmo de ritmo de respiração ao sujeito, pela interface gráfica e de acordo com as características globais do sujeito, permite uma sincronização rápida dos ritmos da respiração e, consequentemente, um menor tempo de aquisição da porção de ar exalado pré-determinada. - Determinar o tempo médio de expiração de modo a selecionar uma fração pré-determinada do intervalo de expiração, dependente da oriqem respiratória do ar exalado; - Calcular o tempo médio de expiração do sujeito, definido pela diferença de temporal entre um máximo e um mínimo subsequente, de acordo com uma série de ciclos de respiração que o operador seleciona na interface qráfica do software de aprendizagem automática. 0 processo de aprendizagem automática relacionado com o sistema baseia-se no cálculo contínuo e no armazenamento dos valores do tempo médio de expiração, permitindo a predição do tempo de ocorrência de uma nova expiração e, consequentemente, a previsão precisa da janela temporal para a aquisição da fração de ar exalado a amostrar. Esta habilidade, associada ao mecanismo de sincronização, torna o sistema capaz de interpretar diferentes ritmos de respiração de sujeito para sujeito e permite uma aquisição mais precisa e menos demorada da porção de ar exalado pré-determinada.

Após a previsão dos momentos de recolha de ar exalado durante a exalação, o software de aprendizagem automática está configurado para transmitir essa informação ao módulo de hardware que opera na válvula, através de um sinal de porta, como descrito acima. A interface gráfica software de aprendizagem automática pode ser usada para definir as variáveis operacionais globais, tais como, mas não limitado a fração de ar exalado para recolher/analisar, percentagem de abertura da válvula e número de ciclos respiratórios utilizados para determinar o tempo médio de expiração. A referida interface gráfica do software de aprendizagem automática também permite definir variáveis relacionadas ao sujeito, tais como, mas não limitado a género, idade e condições fisiológicas (sentado, deitado ou sob testes de esforço), para iniciar e parar o processo de aquisição e para guardar dados para posterior análise. A interface gráfica também fornece simultaneamente indicadores de resposta para comunicar com o sujeito/operador. Os referidos indicadores de resposta representam uma parte central da presente tecnologia, uma vez que assim, o ritmo de respiração pode ser seguido pelo sujeito, de acordo com as variáveis globais relacionadas com o sujeito previamente definidas, assim como o estado de funcionamento da válvula (aberta ou fechada). Esta informação pode ser exibida de forma animada (para a sincronização dos ciclos respiratórios) ou graficamente, como para o sinal processado obtido pelo sensor de ar, que pode ser usado como indicador de resposta. No entanto, esta tecnologia não é limitada a este respeito e outros tipos de indicadores podem ser usados com essa finalidade.

Após a conexão de todos os componentes ao dispositivo de processamento, a interface gráfica é iniciada. 0 operador primeiro define as variáveis operacionais globais e as variáveis relacionadas com o sujeito. As variáveis operacionais globais incluem, mas não estão limitadas a seleção da fração de ar exalado a recolher/analisar (boca, ar nasal, esofágico ou alveolar); percentagem de abertura da válvula; e o número de ciclos respiratórios para determinar o tempo médio de expiração pelo algoritmo. As referidas variáveis relacionadas com o sujeito incluem, mas não estão limitadas a género, idade e condições fisiológicas do sujeito (sentado, deitado ou sob testes de esforço). 0 sujeito é então solicitado a exalar para o bocal descartável sem retorno, que já está ligado ao dispositivo de recolha portátil. Durante este passo, e à medida que o sujeito exala para o dispositivo de recolha portátil através do bocal, o operador deve verificar se o ritmo de respiração do sujeito segue um comportamento regular, de acordo com o ritmo de respiração, previamente definido pelas variáveis relacionadas com o sujeito e exibidas na interface gráfica. Em seguida, o sinal elétrico produzido pelo sensor de ar é então processado e transmitido pelo módulo de hardware para o algoritmo de aprendizagem automática. 0 referido algoritmo determina então um conjunto de parâmetros, através da análise do sinal produzido pelo sensor de ar e transmitido pelo módulo de hardware. Os referidos parâmetros são críticos para o procedimento de recolha da fração de ar exalado de interesse e incluem (i) o fluxo respiratório, com identificação da fração endógena do ar exalado, independentemente do metabolismo do dióxido de carbono do sujeito; (ii) o fluxo de ar exalado; (iii) a frequência respiratória e (iv) o tempo médio do ciclo respiratório, que compreende as fases, inspiratória e expiratória.

Posteriormente, a sincronização entre o ciclo respiratório do sujeito e um ciclo de respiração representativo e modelado do algoritmo é avaliada pelo algoritmo de aprendizagem automática. Se esta sincronização não ocorrer durante três ciclos respiratórios completos, o sujeito é informado pela interface gráfica para que corrija seu ciclo de respiração, através da imposição de um ritmo respiratório. Assim que a referida sincronização ocorrer, o tempo médio de expiração é calculado pelo algoritmo de aprendizagem automática, para o número de ciclos previamente pré-definidos, permitindo o processo de aprendizado automática e a previsão dos momentos exatos para a recolha da fração de ar exalado. A predição dos referidos momentos exatos para a recolha da fração de ar exalado de interesse está relacionada com a região de interesse, do sinal respiratório do sujeito, durante a exalação. Essas regiões de interesse para a recolha da fração de interesse do ar exalado são definidas de acordo com uma percentagem da exalação do sujeito durante seu ciclo respiratório. Após essa previsão, o indicador de resposta "estado de abertura da válvula (fechado ou aberto)" é comunicado ao operador. 0 software de aprendizagem automática transmite então os momentos de aquisição de ar exalado para a unidade de processamento e comunicação do módulo de hardware, que atua no circuito de comutação de fluxo automático gerando e transmitindo um sinal de porta para a válvula, durante um periodo de tempo dependente da fração de ar exalado de interesse a recolher. A válvula pode então direcionar seletivamente a fração de interesse de fluxo de ar exalado. A referida fração de fluxo de ar exalado de interesse pode ser armazenada num reservatório de amostra de ar ou analisada diretamente no analisador analítico. Por fim, a presença de compostos químicos na fração de interesse do ar exalado pode ser detetada, seja offline ou em tempo real. Em seguida, o operador pode, opcionalmente, escrever comentários decorridos durante o processo de aquisição e guardá-los juntamente com os dados de aquisição.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Para uma compreensão mais fácil da tecnologia desenvolvida são anexadas algumas figuras, que representam formas de realização preferidas que, no entanto, não se destinam a limitar o objeto da presente aplicação.

As FIGURAS 1 e 2 ilustram uma vista esquemática do sistema para a recolha controlada e seletiva do ar exalado, em que (1) representa o sistema, (2) o bocal, (3) o dispositivo de recolha portátil que compreende: a entrada (4), o sensor de ar (5), a conduta do sensor de ar (6), a conduta de eliminação de ar (7), a saída de eliminação (8), a válvula (9), a conduta de recolha de ar (10) e a saída de recolha (11) · O módulo de hardware do dispositivo (12) compreende: o circuito de condicionamento de sinal (13), a unidade de processamento e comunicação (14) e o circuito de comutação de fluxo automático (15) . Em ambas as figuras é também representado o software de aprendizagem automática (16), o analisador analítico (17), o reservatório de amostra de ar (18) e o componente de aquecimento (19) . A FIGURA 3 ilustra uma vista esquemática do método para a recolha seletiva de ar exalado, em que os sinais de referência representam os passos de: 20 - Definição de variáveis para o processo e do sujeito; 21 - Sujeito exala através do bocal durante múltiplas exalações; 22 - Deteção da temperatura do ar exalado do sujeito; 23 - Determinação dos parâmetros respiratórios e fases (inspiração e expiração); 24 - O ciclo de respiração do sujeito está sincronizado com o simulado matematicamente; 25 - Comunicar com o sujeito para impor um ritmo respiratório constante; 26 - Previsão dos momentos para aquisição de ar exalado; 27 - Gerar sinal de porta por período de tempo pré-determinado ; 28 - Passagem seletiva de uma porção pré-determinada de fluxo de ar exalado; 29 - Iniciar a aquisição seletiva de uma porção pré-determinada de fluxo de ar exalado para o reservatório de recolha; 30 - Iniciar a aquisição seletiva de uma porção pré-determinada de fluxo de ar exalado para o analisador analítico; 31 - Detetar a presença de compostos químicos em uma porção pré-determinada de ar exalado. A FIGURA 4 mostra uma representação gráfica da sincronização entre o sinal respiratório adquirido de um sujeito para um ritmo de respiração normal (32), com o sinal do ciclo respiratório representativo e modelado (33) contido no algoritmo do software de aprendizagem automática (16) , obtido pela imposição do ritmo de respiratório ao sujeito e o mecanismo de aprendizagem automática. Na FIGURA 4, e como exemplo, também é representada a janela temporal relacionada com a recolha de ar alveolar (34).

DESCRIÇÃO DETALHADA 0 presente pedido refere-se a um sistema (1) e ao respetivo método de operação, para seletiva e controladamente recolher ar exalado proveniente de diferentes origens respiratórias, nomeadamente, mas não limitado a, cavidades oral e nasal, ar esofágico e ar alveolar, independentemente da produção metabólica de CO2. A fração de interesse de ar exalado está disponível para análise da sua composição química em tempo real ou é simplesmente recolhida para futuras análises, sem adaptar a configuração do sistema. Numa forma de realização preferida, o sistema (1) é composto por dois módulos acopláveis: o dispositivo de recolha portátil (3) e o módulo de hardware (12), controlados por um software de aprendizagem automática (16) carregado num dispositivo de processamento. 0 dispositivo de recolha portátil (3) inclui uma cavidade interna em forma de T que pode ser dimensionada e moldada para incluir pelo menos um sensor de ar (5) e uma válvula de desvio (9). Além disso, o dispositivo de recolha portátil (3) pode incluir várias condutas de ar, tais como, mas não limitado a uma conduta do sensor de ar (6), uma conduta de eliminação de ar (7) uma conduta de recolha de ar (10) . Um bocal descartável sem retorno (2) está ligado a uma entrada longitudinal (4) do dispositivo de recolha portátil (3).

Na presente forma de realização, o referido sensor de ar (5) do dispositivo de recolha portátil (3) está configurado para detetar indiretamente um fluxo de ar exalado de um sujeito, através da temperatura. 0 referido sensor de ar (5) pode ser, mas não está limitado a um sensor de temperatura de estado sólido revestido e de precisão, capaz de ler temperaturas que variam de 0o a 70°C. A válvula (9) do dispositivo de recolha portátil (3) pode ser configurada para responder a um sinal de porta transmitido pelo módulo de hardware (12), indicado pelo software de aprendizagem automática (16), e para alterar automaticamente a sua posição de acordo com este sinal de porta. Nesta forma de realização preferida, o dispositivo de recolha portátil (3) compreende uma válvula solenoide (9) que tem uma entrada comum e duas saldas: uma normalmente fechada e outra normalmente aberta. Por padrão, o fluxo de ar exalado é direcionado para a porta normalmente aberta quando a referida válvula (9) não é operada. Quando o algoritmo do software de aprendizagem automática (16) determina a mudança de posição da referida válvula (9), da posição a (fechada) para a posição b (aberta), a referida válvula (9) pode conduzir seletivamente uma fração pré-determinada de fluxo de ar exalado através da conduta longitudinal de eliminação de ar (7) para a respetiva saida de eliminação (8) do dispositivo de recolha portátil (3) , ou através da conduta de recolha de ar (10) para a saida vertical (11) . Quando a válvula (9) está na posição a, o fluxo de ar exalado que circula através da conduta do sensor de ar (6) é então dirigido através da conduta longitudinal (7) e sai através da saida de eliminação longitudinal (8) do dispositivo de recolha portátil (3) . Além disso, se a válvula (9) estiver na posição a, o fluxo de ar exalado que passa pela conduta de recolha de ar (10), abaixo da válvula (9), é inexistente. No entanto, quando a válvula (9) está na posição b, o fluxo de ar exalado circula através da conduta do sensor de ar (6) e é então desviado através da conduta de recolha de ar (10) disposta verticalmente, onde a fração do fluxo de ar exalado pode ser recolhido no reservatório de amostra de ar (18) ou analisado diretamente e em tempo real no analisador analítico (17) acoplado ao sistema (1). 0 dispositivo de recolha portátil (3) também compreende um componente de aquecimento (19) que cobre a sua superfície interna. 0 referido componente de aquecimento (19) está configurado para atuar durante o processo geral de aquisição de ar exalado. 0 módulo de hardware (12) é configurado para controlar totalmente o sistema (D, modelando o sinal adquirido pelo sensor de ar (5) e determinando as ações a realizar de modo a afetar a direção do ar exalado, controlada pela posição da válvula (9) . 0 referido módulo de hardware (12) é, portanto, responsivo ao sensor de ar (5) e ao software de aprendizagem automática (16) do sistema (D, dado que recebe, processa e transmite sinais entre os demais componentes do sistema (1). Este módulo de hardware (16) contém: - Um circuito de condicionamento de sinal (13) , configurado para receber e processar o sinal do sensor de ar do referido dispositivo de recolha portátil (3), de modo a permitir uma melhor utilização do conversor analógico-digital (ADC) obtendo um sinal amplificado; - Uma unidade de processamento e comunicação (14) que gere a aquisição e a comunicação do sinal para o dispositivo de processamento onde o software de aprendizagem automática (16) é carregado; - E um circuito automático de comutação de fluxo (15) que afeta a direção do fluxo de ar exalado pela válvula (9). A unidade de processamento e comunicação (14) está configurada para criar um sinal de porta quando a saida digital do ADC transita para um nível lógico alto, tornando-se o transístor do circuito de comutação de fluxo automático (15) em saturação, permitindo a passagem da corrente para a válvula (9) e fazendo passar o fluxo de ar através da conduta de recolha de ar (10). Se a saída digital ADC estiver num nível lógico baixo, o transístor está ao corte e não há fluxo de corrente para a válvula (9), implicando uma saída do fluxo de ar através da conduta de eliminação (7). De acordo com a forma de realização preferida apresentada na Figura 1, o módulo de eletrónico (12) também inclui uma ligação com o dispositivo de recolha portátil (3) e com o dispositivo de processamento onde o software de aprendizagem automática (16) correspondente é carregado. O sistema (D também inclui um software de aprendizagem automática (16) que responde ao módulo de hardware (12) e contém uma interface gráfica para interagir com o sujeito/operador, permitindo a definição de caracteristicas globais e avaliação do estado da operação, e um algoritmo interno para controlar o funcionamento do sistema (1) e determinar o momento preciso para amostrar seletivamente o ar exalado. 0 algoritmo implementado no software de aprendizagem automática (16) do sistema (1) compreende um filtro digital para adquirir o sinal de temperatura com o minimo de ruido possível, garantindo, ao mesmo tempo, não haver perda de informação. 0 algoritmo está configurado para: - Calcular o fluxo respiratório e identificar a fração endógena de ar exalado, independentemente do metabolismo do dióxido de carbono do sujeito, através do sinal processado do sensor de ar (5), calculando assim o fluxo de ar exalado; - Detetar efetivamente a frequência respiratória do sujeito; - Distinguir as fases inspiratória e expiratória da respiração, com base na detecção de máximos e mínimos do sinal de temperatura processado; - Sincronizar o ciclo de respiração do sujeito com um ciclo de respiração representativo e modelado através de, pelo menos, três ciclos respiratórios completos. A imposição de um ritmo de ritmo de respiração ao sujeito, pela interface gráfica e de acordo com as caracteristicas globais do sujeito, permite uma sincronização rápida dos ritmos da respiração e, consequentemente, um menor tempo de aquisição da porção de ar exalado pré-determinada. - Determinar o tempo médio de expiração de modo a selecionar uma fração pré-determinada do intervalo de expiração, dependente da origem respiratória do ar exalado; - Calcular o tempo médio de expiração do sujeito, definido pela diferença de temporal entre um máximo e um mínimo subsequente, de acordo com uma série de ciclos de respiração que o operador seleciona na interface gráfica do software de aprendizagem automática (16) . 0 processo de aprendizagem automática relacionado com o sistema (D baseia-se no cálculo continuo e no armazenamento dos valores do tempo médio de expiração, permitindo a predição do tempo de ocorrência de uma nova expiração e, consequentemente, a previsão precisa da janela temporal para a aquisição da fração de ar exalado a amostrar.

Após a previsão dos momentos de recolha de ar exalado durante a exalação, o software de aprendizagem automática (16) está configurado para transmitir essa informação ao módulo de hardware (12) que opera na válvula (9), através de um sinal de porta, como descrito acima. A interface gráfica software de aprendizagem automática (16) pode ser usada para definir as variáveis operacionais globais, tais como, mas não limitado a, - Fração de ar exalado para recolher/analisar, - Percentagem de abertura da válvula (9); - E número de ciclos respiratórios utilizados para determinar o tempo médio de expiração. A interface gráfica do software de aprendizagem automática (16) também permite definir variáveis relacionadas ao sujeito, tais como, mas não limitado a género, idade e condições fisiológicas (sentado, deitado ou sob testes de esforço), para iniciar e parar o processo de aquisição e para guardar dados para posterior análise. A interface gráfica também fornece simultaneamente indicadores de resposta para comunicar com o sujeito/operador, tanto mostrando a animação da sincronização de ciclos respiratórios ou o sinal tratado obtido pelo sensor de temperatura (5) . Nesta forma de realização preferida, o procedimento operacional começa com a conexão de todos os componentes a um dispositivo de processamento onde o software de aprendizagem automática (16) é carregado. A interface gráfica do software de aprendizagem automática (16) tem de ser iniciada. 0 operador primeiro define as variáveis operacionais globais e as variáveis relacionadas com o sujeito (20). As variáveis operacionais globais incluem a seleção da fração de ar exalado a recolher/analisar (boca, ar nasal, ar esofágico ou ar alveolar), a percentagem de abertura da válvula (9) e o número de ciclos respiratórios para determinar o tempo médio de expiração pelo algoritmo. As variáveis relacionadas com o sujeito incluem, género, idade e condições fisiológicas do sujeito (sentado, deitado ou sob testes de esforço) . O sujeito é então solicitado a exalar (21) para o bocal descartável sem retorno (2), que já está ligado ao dispositivo de recolha portátil (3). Durante este passo (21), e à medida que o sujeito exala para o dispositivo de recolha portátil (3) através do bocal (2), o operador deve verificar se o ritmo de respiração do sujeito segue um comportamento regular, de acordo com o ritmo de respiração, previamente definido pelas variáveis relacionadas com o sujeito e exibidas na interface gráfica do software de aprendizagem automática (16). Em seguida, a temperatura do ar exalado é sentida pelo sensor de temperatura (5) na forma de um sinal elétrico (22) que é então processado e transmitido pelo módulo de hardware (12) para o software de aprendizagem automática (16) . 0 algoritmo do software de aprendizagem automática (16) determina então um conjunto de parâmetros (23), através da análise do sinal produzido pelo sensor de ar (5) e transmitido pelo módulo de hardware (12) . Os referidos parâmetros são críticos para o procedimento de recolha da fração de ar exalado de interesse e incluem (i) o fluxo respiratório, com identificação da fração endógena do ar exalado, independentemente do metabolismo do dióxido de carbono do indivíduo; (ii) o fluxo de ar exalado; (iii) a frequência respiratória e (iv) o tempo médio do ciclo respiratório, que compreende as fases, inspiratória e expiratória.

Posteriormente, a sincronização entre o ciclo respiratório do sujeito (32) e um ciclo de respiração representativo e modelado (33) do algoritmo é avaliada (24) pelo algoritmo de aprendizagem automática (16) . Se esta sincronização não ocorrer durante três ciclos respiratórios completos, o sujeito é informado pela interface gráfica (25) para que corrija seu ciclo de respiração, através da imposição de um ritmo respiratório. Assim que a referida sincronização ocorrer, o tempo médio de expiração é calculado (26) pelo algoritmo de aprendizagem automática (16), para o número de ciclos previamente pré-definidos, permitindo o processo de aprendizado automática e a previsão dos momentos exatos para a recolha da fração de ar exalado (26). Como exemplo, a predição dos referidos momentos exatos para a recolha d ar alveolar está relacionada com a região de interesse (34), do sinal respiratório do sujeito (32), durante a exalação. Após essa previsão, o indicador de resposta "estado de abertura da válvula (fechado ou aberto)" é comunicado ao operador. 0 software de aprendizagem automática (16) transmite então os momentos de aquisição de ar exalado para a unidade de processamento e comunicação (14) do módulo de hardware (12), que atua no circuito de comutação de fluxo automático (15) gerando e transmitindo um sinal de porta para a válvula (9), durante um período de tempo dependente da fração de ar exalado de interesse a recolher (27) . A válvula (9) pode então direcionar seletivamente a fração de interesse de fluxo de ar exalado. A referida fração de fluxo de ar exalado de interesse pode ser armazenada num reservatório de amostra de ar (29) ou analisada diretamente no analisador analítico (30) . Por fim, a presença de compostos químicos na fração de interesse do ar exalado pode ser detetada (31), seja offline (29) ou em tempo real (30). Em seguida, o operador pode, opcionalmente, escrever comentários decorridos durante o processo de aquisição e guardá-los juntamente com os dados de aquisição.

Embora a tecnologia tenha sido descrita em relação às suas formas de realização preferidas, deve entender-se que inúmeras modificações, mudanças, variações, substituições e equivalentes podem ser feitas por alguém especializado na técnica, sem se afastar do âmbito da tecnologia.

EXAMPLOS DE APLICAÇÃO A habilidade de recolher precisamente uma fração de interesse do ar exalado de acordo com sua origem respiratória, permite análises em tempo real ou posterior (on-line ou offline) da composição da referida fração de ar exalado. 0 conhecimento desta composição permite monitorizar e ajuda a diagnosticar várias doenças com base na concentração anormal de biomarcadores já conhecidos relacionados a tais doenças. A análise composicional das amostras da fração de ar exalado pode estar relacionada a uma ampla diversidade de doenças que incluem: inflamação respiratória crónica e doenças dos pulmões, cancro, diabetes, disfunção renal, insuficiência hepática, intoxicações, e infeções virais ou bacterianas, doenças intestinais entre outras.

Além disso, a avaliação da temperatura do ar exalado durante um único ou múltiplos ciclos respiratórios permite a deteção do estado inflamatório das vias respiratórias do sujeito.

REFERÊNCIAS

[1] WO 2014/110181 Al - Breath selection for analysis [2] WO 2015/143384 Al - Selection, segmentation and analysis of exhaled breath for airway disorders assessment [3] US 2006/0200037 Al - System and method for selectively collecting exhaled air [4] US 2015/065901 Al - Universal breath sampling and analysis device

Lisboa, 4 de setembro de 2017.

REINVIDICAÇÕES 1. Um sistema para recolha controlada e seletiva de ar exalado, caracterizado por compreender: - Um dispositivo de recolha portátil (3), compreendendo pelo menos um sensor de ar (5) e uma válvula de desvio (9); - Um módulo de hardware (12), conectado ao dispositivo de recolha portátil (3) , configurado para receber, processar e transmitir dados do pelo menos um sensor de ar (5), e para acionar a válvula de desvio (9);

Um dispositivo de processamento que compreende meios de interface e meios de processamento, estando o referido dispositivo de processamento configurado para operar o módulo de hardware (12) de acordo com um algoritmo de aprendizagem automática, com base nos dados enviados pelo módulo de hardware (12). 2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dispositivo de recolha portátil (3) possuir uma cavidade interna em forma de T, formada por: - Uma conduta longitudinal compreendendo uma conduta do sensor de ar (6) na sua porta de entrada (4), onde se encontra instalado pelo menos um sensor de ar (5) , e uma conduta de eliminação de ar (7) na sua porta de saída (8); - Uma conduta vertical, conectada à conduta longitudinal, compreendendo uma conduta de recolha de ar (10) onde a válvula de desvio (9) está instalada, e onde a saída da conduta vertical é conectada a meios de recolha de ar; 3. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o dispositivo de recolha portátil (3) compreender um componente de aquecimento (19) que cobre as superfícies internas da conduta do

Claims

sensor de ar (6), da conduta de eliminação de ar (7) e da conduta de recolha de ar (10).
4. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por os meios de recolha de ar são de tipo reservatório (18) ou tipo de analisador (17).
5. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizador por um bocal descartável sem retorno (2) ser ligado à porta de entrada longitudinal (4).
6. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizador por o sensor de ar (5) é um sensor de temperatura.
7. Sistema de acordo com as reivindicações 1-6, caracterizado por o módulo de hardware compreender: - Um circuito de condicionamento de sinal (13), configurado para receber e processar o sinal do sensor de ar (5); - Uma unidade de processamento e comunicação (14) , configurada para gerir a aquisição e a comunicação de sinais para o dispositivo de processamento; - Um circuito de comutação de fluxo automático (15) configurado para operar a válvula de desvio (9) do dispositivo de recolha portátil (3) .
8. Método de operação do sistema para recolha controlada e seletiva de ar exalado, reivindicado nas reivindicações 1 a 7, caracterizado por ser independente da produção metabólica de C02 do sujeito e por compreender as seguintes etapas: a) Inicialização dos meios de interface do dispositivo de processamento; b) Configuração de variáveis relacionadas ao sujeito no dispositivo de processamento, nomeadamente idade, género e condições fisiológicas do sujeito, tais como, mas não limitado a, sentado, deitado ou sob testes de esforço; c) Configuração de variáveis globais do processo de aquisição no dispositivo de processamento, incluindo: - A fração de interesse do ar exalado para amostra, de acordo com a origem do mesmo; - A percentagem da abertura da válvula (9) que conduz o ar exalado dentro de um dispositivo de recolha portátil (3); - 0 número de ciclos respiratórios para o cálculo do tempo médio de expiração por um algoritmo de aprendizagem automática. d) Aquisição de ar exalado através de bocal descartável e sem retorno (2) , para pelo menos um ciclo respiratório e até regularizar, de acordo com um ritmo previamente definido pelo referido algoritmo de aprendizagem automática e demonstrado por uma interface gráfica, com base em nas referidas variáveis relacionadas ao sujeito, recolhidas na etapa b); e) Medição do fluxo de ar exalado, identificando a fração endógena do ar exalado, independentemente do metabolismo do dióxido de carbono do sujeito, através da variação de temperatura medida por um sensor de temperatura (5), para o cálculo do fluxo de ar exalado pelo referido algoritmo de aprendizagem automática; f) Medição da frequência respiratória e do tempo médio do ciclo respiratório, que compreende as fases inspiratória e expiratória, pelo algoritmo de aprendizagem automática; g) s incronização do ciclo respiratório adquirido com o ciclo respiratório aprendido e modelado durante as etapas d) a f) pelo algoritmo de aprendizagem automática; h) Cálculo do tempo médio de expiração, pelo algoritmo de aprendizagem automática para o ajuste do ciclo respiratório representativo e modelado; i) Previsão dos instantes de recolha da fração de ar exalado de interesse pelo algoritmo de aprendizagem automática; j) Aguecimento das partes internas da conduta do sensor de ar (6), a conduta de eliminação de ar (7) e a conduta de recolha de ar (10) do referido dispositivo de recolha portátil (3), por meio do componente de aquecimento (19); k) Envio dos instantes para aquisição de ar exalado previsto em i) para a unidade de processamento e comunicação (14) do módulo de hardware (12); D A referida unidade (14) atua sobre uma válvula (9) do dispositivo (3) que, quando fechada, conduz a fração de ar exalado de interesse para uma saída de eliminação (8) do referido dispositivo de recolha portátil (3) e quando aberta conduz a fração de ar exalado de interesse para uma saída de recolha (11) do referido dispositivo (3); m) Recolha da fração de ar exalado de interesse pelo dispositivo de recolha portátil (3).
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a fração de ar exalado de interesse para ser recolhida possui várias origens, nomeadamente o ar da boca, nasal, esofágico e alveolar.
10. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a fração de ar exalado de interesse ser recolhido e derivado de um único ciclo respiratório, estando disponível para análise em tempo real pelo equipamento analítico (17).
11. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a fração de ar exalado de interesse ser recolhido e derivado de múltiplos ciclos respiratórios a serem conduzidos para um reservatório de amostra (18).
12. Sistema, de acordo com as reivindicações 1 a 7, usado para recolher a fração de ar exalado de interesse para análise da sua composição química.
13. Sistema, de acordo com as reivindicações 1-7, usado para a deteção do estado inflamatório das vias respiratórias através da medição da temperatura do ar exalado pelo sensor de temperatura (5) durante um ciclo respiratório. Lisboa, 4 de setembro de 2017.