Simple procedure for evaluation of the frequency response of flow transducers used in spirometry / Procedimento simples para avaliação da resposta em frequência de transdutores de vazão usados em espirometria

In this research, we present a simple mechanical assembly for evaluation of frequency response of flow transducers. Also, two pneumotachometer/pressure transducer (PPT) ensembles were evaluated with this setup. The accuracy of the measurements depended mainly on the physical dimensions of a piston, without need for a closed-loop control for the generated flow, which would demand a pre-calibrated electronic pressure transducer or an optical position detection device. The gain and phase curves found for both evaluatedPPTs are presented. We conclude that the presented mechanism is suitable to evaluate the dynamic response of these PPTs in the range between 1.0 and 50.0  Hz. Regarding the evaluated PPTs, we concluded that the gain curves in the whole dynamic range of both assemblies were 0 and +2.63  dB for PPT assembly 1, and 0 and +6.70  dB for PPT assembly 2.

Este trabalho apresenta um sistema mecânico simples para levantamentoda resposta em freqüência de transdutores de vazão de gás. Dois conjuntos de pneumotacômetro/transdutor de pressão (PPT) foram avaliados com este sistema. A exatidão das medidas dependeu principalmente das dimensões de um pistão, sem a necessidade de controle com malha fechada da vazão gerada, o que demandaria o uso de um transdutor de pressão eletrônico pré-calibrado ou um dispositivo óptico para detecção de posição. As curvas de ganho e defasagem dos dois conjuntos PPT avaliados são apresentadas. É possível concluir que o mecanismo apresentado é capaz de avaliar a resposta dinâmica destes PPTs na faixa de 1,0 a 50,0  Hz. Em relação à avaliação dos PPTs, concluiu-se que as curvas de ganho em toda a faixa dinâmica avaliada em ambos PPTs ficaram entre 0 e +2,63  dB para o conjunto PPT 1 e entre 0 e +6,70  dB para o conjunto PPT 2.

Spectral analysis of respiratory flow and gas concentrations / Análise espectral de fluxo e concentrações de gases respiratórios

In this research we obtained samples of human respiratory flow, oxygen concentration and carbon dioxide concentration signals from 20 healthy subjects and evaluated the average power spectral density (PSD) of these signals. For each subject,the respiratory samples were acquired in four progressive levels of exercise in a cycle ergometer. Auto regressive moving average models were designed to represent the PSD found in each phase. An average PSD of the four levels was also calculated. Results have shown that the bandwidth of O2 concentration, CO2 concentration and flow signals was 8  Hz, 7 Hz, and 15  Hz, respectively, within the dynamic range of 50  dB. The PSD curves found can be used for optimal filter design for signal enhancing in fast on-line measurement of these signals.

Nesta pesquisa foram registradas amostras dos sinais respiratórios de fluxo, concentração de oxigênio e concentração de gás carbônico em 20 voluntários saudáveis. A densidade espectral de potência (DEP) média foi então calculada. Para cada voluntário, as amostras dos sinais foram registradas em quatro intensidades progressivas de esforço físico em uma bicicleta ergométrica. Para representar a DEP encontrada em cada fase foram ajustados modelos auto-regressivos de média móvel. Uma DEP média entre as quatro intensidades também é fornecida. Os resultados mostraram que as larguras de banda dos sinais de concentração de O2, concentração de CO2 e fluxo foram 8  Hz, 7  Hz e 15  Hz, respectivamente, dentro de uma faixa dinâmica de 50  dB. As curvas de DEP encontradas podem ser usadas em projetos de filtros ótimos para equalização destes sinais em medições em tempo real.

Improvement of gas exchange measurements in ergospirometry with the use of optimal filters for O2 and CO2 transducers

O aperfeiçoamento da acurácia em dedições de trocas gasosas respiração-a-respiração em seres humanos requer um método adequado de compensação da estreita banda de passagem dos transdutores de gás utilizados. Apesar de um projeto de filtros ótimos para estes transdutores requerer técnicas como filtragem de Wiener ou aproximações recursivas por mínimos quadrados, estas técnicas ainda não têm sido aplicadas em trnsdutores para ergoespirometria. Neste trabalho é proposto um método para projetos de filtros digitais para tais transdutores com aplicação em ergoespirometria. Os filtros obtidos foram aplicados em sinais adquiridos com transdutores de dióxido de carbono, transdutores de oxigênio eletroquímicos e um transdutor de oxigênio paramagnético. Duas técnicas foram avaliadas com sucesso: um algoritmo adaptativo NLMS modificado e um filtro FFT-Wiener modificado. Os filtros ótimos foram projetados utilizando o critério de mínimo erro quadrático médio. A densidade espectral de potência média dos sinais de concentrações de oxigênio e dióxido de carbono foi considerada no cálculo dos filtros ótimos. O desempenho dos filtros foi avaliado com um mecanismo simulador de respiração com as trocas gasosas controladas. As medidas de trocas gasosas obtidas com e sem os filtros ótimos foram comparadas com os valores preditos pelo simulador. Os resultados mostraram que os filtros ótimos podem reduzir em até 8 vezes a subestimação média nas medições das trocas gasosas. A tendência de aumento do erro de medição com o aumento da freqüência respiratória também foi reduzida em até 65 por cento.