Research on Biomedical Engineering
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Research on Biomedical Engineering
Original Article

Aprimoramento de medição de trocas gasosas em ergoespirometria com o uso de filtros ótimos para transdutores de O2 e CO2

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

Garcia, Marcelo Alexandre; Nascimento, Vítor Heloiz; Moraes, José Carlos Teixeira de Barros

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Resumo

O aperfeiçoamento da acurácia em medições de trocas gasosas respi ração-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 apro ximações recursivas por mínimos quadrados, estas técnicas ainda não têm sido aplicadas em transdutores para ergoespirometria. Neste trabalho é proposto um método para projetos de filtros digi tais para tais transdutores com aplicação em ergoespirometria. Os filtros obtidos foram aplicados em sinais adquiridos com transduto res 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 projeta dos utilizando o critério de mínimo erro quadrático médio. A den sidade 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 me didas 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 respi ratória também foi reduzida em até 65%.

Palavras-chave

Ergoespirometria, Compensação de resposta dinâmica, Filtros adaptativos, Filtros FFT-Wiener, Análise respi ração-a-respiração.

Abstract

The improvement of human gas exchange measurement accu racy in breath-by-breath analysis requires a suitable compen sation method for the narrow passband of the gas transduc ers used. Despite the fact that the design of optimal filters for these transducers requires techniques such as Wiener filtering or recursive least squares approximation, these techniques have not yet been applied to ergospirometry transducers. In this paper we propose a method for designing digital filters for such transducers with application in ergospirometry. The designed filters were applied to signals acquired with infrared carbon dioxide transducers, electrochemical oxygen transduc ers and a paramagnetic oxygen transducer. Two techniques were successfully evaluated: a modified normalized least mean square (NLMS) adaptive algorithm and a modified FFT Wiener filtering. The optimal filters were designed with least mean-square error criteria. The average power spectral densi ties of oxygen and carbon dioxide concentration signals were used in the computation of the optimal filters. Filter perform ance was evaluated with a breathing simulator mechanism with controlled oxygen and carbon dioxide exchange rates. Gas exchange measurements obtained with and without the optimal filters were compared to the values predicted for the simulator setup. Results have shown that the optimal filters can reduce the average gas exchange underestimation by up to 8 times. The increase of measurement error with an increase of respiratory rate was also reduced by up to 65%.

Keywords

Ergospirometry, Dynamic response compensa tion, Adaptive filtering, FFT-Wiener filtering, Breath-by breath analysis.
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