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Introducción

El consumo de alcohol (etanol) y su efecto adverso sobre la habilidad de conducir vehículos ha sido ampliamente estudiado y reportado (Dry, et al., 2012; Ogden, 2004; Watson, 2013; Elvik, 2009). Las secuelas de su consumo alteran el normal funcionamiento neurológico del individuo, aun con consumos muy bajos de alcohol, y aumentan exponencialmente con la dosis (OMS, 2015). La Organización Mundial de la Salud (OMS) establece como buena práctica la aplicación de legislación y fiscalización de la conducción bajo efectos del alcohol dado que representa un medio efectivo para la reducción de accidentes de tránsito asociados al consumo de alcohol (OMS, 2015). Los límites máximos de consumo de alcohol para conductores, expresado como concentración de alcohol en sangre, aplican desde hace 80 años; el primer antecedente es el de Noruega, en el año 1936 (Voas, 1990). Sin una tolerancia máxima explícita, la evidencia para el procesamiento de conductores bajo efecto del alcohol no puede ser más que conductual; esto puede ser subjetivo y ambiguo y no constituye una base sólida para tomar acciones legales (Mann, 2001).

A partir del primer descubrimiento que relacionó la presencia de sustancias volátiles en sangre y su exhalación a través de los pulmones, se han realizado esfuerzos para aplicar este concepto al control del alcohol en sangre en el marco de la seguridad vial y laboral (Harger, 1950a; Zuba, 2008). Las ventajas de realizar análisis de aliento en lugar de análisis de sangre son varias: se obtienen resultados rápidamente, no es invasivo y los costos asociados son módicos (Vaz, et al., 2001). Por otro lado, las mediciones de alcohol en aliento requieren la cooperación activa del individuo evaluado, lo cual no siempre es posible, por lo que las mediciones en sangre son aún ampliamente utilizadas, tanto de forma comparativa, a solicitud del evaluado, como cuando no se consigue la cooperación activa (Pavlic, et al., 2006).

La exactitud de las mediciones de alcohol en aliento es crítica para poder asegurar sanciones justas y la seguridad de otros individuos, y depende estrechamente de la fuente de calibración utilizada para verificar el correcto funcionamiento de los instrumentos de medición (Vaz, et al., 2001). Según el vocabulario internacional de metrología (BIPM, 2012), la calibración de un instrumento refiere al establecimiento de «una relación entre los valores y sus incertidumbres de medida asociadas obtenidas a partir de los patrones de medida y las correspondientes indicaciones con sus incertidumbres asociadas». En términos simples, durante la calibración se compara la lectura de un instrumento contra un valor de referencia proveniente de un patrón trazable, y se determina la diferencia entre ellos, o el error. Esto no debe confundirse con el ajuste del instrumento, el cual busca minimizar dicho error.

La información obtenida en la calibración no es de utilidad sin la evaluación objetiva por parte del usuario del instrumento. A partir de esta información se debe definir si el desempeño del instrumento es adecuado al propósito, por ejemplo, comparando el error de medición con tolerancias obtenidas a partir de recomendaciones internacionales. A su vez, esta calibración muestra la situación puntual de un espirómetro, que puede variar en función del tiempo por deriva, desgaste, malfuncionamiento, entre otros factores, lo cual implica que el proceso de calibración y subsecuente evaluación de resultados debería realizarse periódicamente. La calibración de espirómetros puede realizarse de dos maneras: por vía «húmeda» o por vía «seca».

La calibración por vía «húmeda» se realiza mediante el uso de simuladores de soplo. Se basa en la ley de Henry: si una solución acuosa diluida de alcohol se pone en equilibrio con aire, la presión parcial del alcohol en la fase vapor es una función de la concentración de alcohol en la fase líquida y la temperatura del sistema (Dubowski, 1979). En este caso, los patrones de medida son soluciones de etanol en agua. En la calibración por «vía seca» se utilizan mezclas gaseosas de etanol en balance de nitrógeno. La única forma de asegurar que un patrón de medida es confiable es mediante su trazabilidad a las unidades del Sistema Internacional (SI) o referencias internacionales reconocidas. Esta confiabilidad se origina al vincular un resultado puntual con una referencia internacional a través de una serie de pasos ininterrumpidos. Esto, junto con comparaciones internacionales, lo hace comparable con otros resultados obtenidos análogamente, en otro momento, en otro lugar o por otro analista.

Además de brindar garantías tanto al evaluado como al fiscalizador, esta característica del resultado permite la armonización de criterios (por ejemplo, en los límites máximos de alcohol en sangre), a partir de estudios científicos de diversas procedencias, o recopilación de datos reales. La información generada a través del procesamiento estadístico de estos datos permite reafirmar políticas nacionales en seguridad vial o proporcionar evidencias en la adopción de nuevas.

Adicionalmente, existen recomendaciones internacionales desarrolladas por la Organización Internacional de Metrología Legal (OIML), las cuales establecen requisitos técnicos básicos para los analizadores y métodos de evaluación inicial y periódica de los mismos.

En Uruguay, en setiembre de 1994 el parlamento sancionó la ley 16.585 (Uruguay, 1994), que estableció un máximo de alcoholemia permitida para conductores de cualquier tipo de vehículos, 0,8 g/L, a excepción de los conductores de vehículos de pasajeros (CIPA, 2006). En 2007, la nueva legislación estableció una disminución gradual de la tolerancia máxima hasta 0,3 g/L, valor alineado a las buenas prácticas de seguridad vial de la OMS (OMS, 2015), que fue nuevamente modificada a fines de 2015, cuando entró en vigencia la «tolerancia cero» de alcohol en tránsito (Uruguay, 2007).

Las últimas estadísticas nacionales reflejan una «tendencia al descenso en la cantidad de fallecidos anuales» (Unidad Nacional de Seguridad Vial, 2016a), acompañado de «un descenso del 23,1 % en espirometrías con presencia de alcohol en sangre en conductores que participaron en siniestros de tránsito» (Unidad Nacional de Seguridad Vial, 2016b).

En la publicación de la Comisión Coordinadora Intersectorial de Políticas de Alcohol (CIPA, 2006), la Junta Nacional de Drogas de Presidencia de la República definió al espirómetro como el instrumento que permite definir «responsabilidades civiles y/o penales para quien es medido (…) así como para quien solicita esa exploración». Con base en esto declaró necesario que el proceso de medición presente garantías a ambas partes, para lo cual la confirmación metrológica y la calidad de estos instrumentos es crucial.

En este marco, la Dirección de Metrología Científica e Industrial del Laboratorio Tecnológico del Uruguay (LATU), en su rol de diseminar la trazabilidad a las unidades del SI a través de la calibración, se planteó como objetivo el desarrollo del servicio de calibración de espirómetros, antes inexistente a nivel nacional. Para esto, desde 2013 el Área Orgánica dentro del Departamento de Metrología Química ha llevado a cabo las siguientes actividades: desarrollo del servicio de calibración de espirómetros por vía húmeda basado en la recomendación internacional OIML R126 (OIML, 2012) y según la Norma ISO/IEC 17025 (International Organization for Standarization, 2005) y producción de Materiales de Referencia Certificados de etanol en agua para la calibración de los espirómetros dentro de un Sistema de Gestión según la Guía ISO 34 (International Organization for Standarization, 2009) y la Norma ISO/IEC 17025 (International Organization for Standarization, 2005). Adicionalmente, con el advenimiento de la «tolerancia cero» se han realizado ensayos adicionales para dar sustento a la reglamentación de control de espirómetros en proceso de redacción.

Esta publicación se focalizará en el análisis de esas actividades y sus resultados.

Materiales y métodos

Preparación de Materiales de Referencia Certificados de etanol en agua

La fuente de trazabilidad para la calibración de espirómetros proviene de los patrones químicos que se utilicen. Para poder implementar este servicio fue preciso contar con grandes cantidades de Materiales de Referencia Certificados (MRC) de etanol en agua. En este sentido, el Departamento de Metrología Química implementó un Sistema de Gestión de Calidad según la Guía ISO 34 (International Organization for Standarization, 2009). Dentro de este marco, se prepararon cuatro lotes piloto de 9 a 19 unidades, sobre los cuales se realizaron estudios de homogeneidad, estabilidad acelerada (a 4 °C y 50 °C, emulando condiciones de transporte) y estabilidad a largo tiempo (vida útil), hasta 30 meses. Con base en esta información se prepararon lotes de 19 a 39 unidades que fueron caracterizados a partir de los datos de preparación gravimétrica y el análisis confirmatorio por cromatografía gaseosa (GC-FID con inyector Cool On-Column). La competencia técnica para la determinación de etanol en agua y la preparación de MRCs fue evaluada durante una revisión de pares ejecutada en 2016, en la que expertos técnicos y de gestión de otros Institutos Nacionales de Metrología (INM) realizaron una auditoría en base a la Norma ISO/IEC 17025 (International Organization for Standarization, 2005) y la Guía ISO 34 (International Organization for Standarization, 2009). La documentación del Sistema de Gestión, junto con los hallazgos de esta auditoría, fueron presentados al Quality System Task Force (QSTF), del Sistema Interamericano de Metrología (SIM), en noviembre de 2016. En esta instancia se determinó que el Sistema de Gestión de la Calidad del Departamento de Metrología Química cumplía con los requisitos del Acuerdo de Reconocimiento Mutuo del Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM). Adicionalmente, se participó con desempeño satisfactorio en una comparación clave (key comparison en inglés) para la determinación de etanol en agua (SIM.QM-K27), en la cual participaron otros INM de Latinoamérica, Europa, Asia y África. Esta evidencia recabada se presentará a fines de 2017 frente al Comité Consultativo de Cantidad de Materia (CCQM) del Bureau Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) para la declaración de las Capacidades de Medición y Calibración (CMC) en el apéndice C de la base datos de comparaciones clave del BIPM. En la Tabla 1 y Figura 1 se observan ejemplos de lotes de MRC de etanol en agua.

Optimización y validación del método de calibración por vía húmeda

Método de calibración de espirómetros

Para la optimización y validación de la calibración de espirómetros por vía húmeda se utilizaron dos simuladores de soplo 10-4D (Guth Laboratories, Inc) conectados en serie, como se muestra en la Figura 2. Para los estudios de límites de detección y cuantificación se utilizó un sistema simple, donde solo se utiliza un simulador. Los sensores de temperatura son calibrados anualmente para verificar que su error no supere 0,1 °C, dada la alta dependencia de la partición del etanol entre la solución y la fase gaseosa con la temperatura. El suministro de aire para la simulación del aliento provino de cilindros de aire sintético comercial, y se controló por un flujímetro de división 0,1 L/min. Para las pruebas de optimización del método de calibración de espirómetros se utilizó un equipo con detección de celda de combustible (Alco-Sensor FST, Intoximeters, Inc.).

Cálculo de valor de referencia con simulador de soplo

A partir de la ecuación experimental propuesta por Harger (OIML, 2012), la relación entre la concentración de etanol en la solución acuosa (MRC) y el vapor generado por el simulador de soplo se rige por la Ecuación 1, mediante una constante de partición KHARGER dependiente de la temperatura. A 34 °C, la temperatura estimada del aliento humano (Harger, et al., 1950b), la KHARGER toma el valor indicado en la Ecuación 3.

La concentración de etanol en vapor (simulando el aire exhalado) se vincula con la concentración de etanol en sangre mediante la ley de Henry, donde K es el coeficiente de partición e indica cómo el alcohol se distribuye entre la fase líquida (sangre) y la fase gaseosa (aire alveolar). Este valor es tomado como referencia en la calibración.

Un valor de K de 2100 es considerado promedio para el sistema alcohol-sangre-aire alveolar in vivo (Harger, et al., 1950a). Esto significa que el contenido de etanol de 2100 mL de aire en un alvéolo será igual al contenido de alcohol de 1 mL de sangre que está en equilibrio con el aire a través de la membrana semipermeable del alvéolo.

Agotamiento de las soluciones de etanol en agua

Uno de los puntos más críticos de la calibración con simulador de soplo es el agotamiento de la solución, el fenómeno por el cual la concentración de etanol en el vapor que emana desde el simulador de soplo disminuye a medida que transcurren las mediciones. Para estudiar la influencia de este fenómeno se realizaron 40 mediciones en un sistema de dos simuladores de soplo en serie, utilizando soluciones de etanol en agua preparadas gravimétricamente a cuatro fracciones de masa equivalentes a 0,4, 0,7, 0,9 y 3,9 gramos de etanol por litro de sangre: [C1], [C2], [C3] y [C4], respectivamente. A partir de estos datos se realizó un estudio de significancia de pendiente basado en el análisis estadístico para estudio de estabilidad según la Guía ISO 35:2006 (International Organization for Standarization, 2006), en la sección 8.3.1.

Para los n pares de datos (X, Y), donde X es el número consecutivo de indicación del espirómetro e Y el valor que toma dicha indicación, se estimó un modelo de regresión lineal que los vincula, donde la estimación de la pendiente y del intercepto se realizaron según las Ecuaciónes 5 y 6, respectivamente. La desviación estándar de la pendiente se calculó según las Ecuaciones 7 y 8.

Se considera que la pendiente (tendencia) no es significativa si |b|< t_0,95;n-2 * _sb, donde t es el estadístico t de Student, con probabilidad de 0,95 y n - 2 grados de libertad.

Exactitud

Para evaluar la exactitud del método, se utilizaron soluciones de etanol en agua preparadas gravimétricamente (MRCs de producción interna) y se determinó el error para cada nivel. Además, se analizaron dos Materiales de Referencia Certificados del Instituto Metrológico Nacional de Brasil (INMETRO). La diferencia obtenida entre el promedio de las indicaciones del espirómetro (n=5) y el valor de referencia, calculado según la Ecuación 4, fue utilizado como estimador de sesgo del método (Ecuación 9) y la desviación estándar relativa de las indicaciones, como estimador de repetibilidad (Ecuación 10).

Límite de detección y cuantificación

Para determinar el límite de detección y cuantificación de la medición con espirómetro se prepararon gravimétricamente soluciones de etanol en agua en el rango de fracción de masa de 0,005 a 0,05 g/100 g, lo que equivale a un rango de concentración de etanol en sangre de 0,04 a 0,41 g/L (se asume que la densidad para estas soluciones es igual a la correspondiente a 0,05 g/100g). Estas soluciones fueron cargadas al simulador de soplo en configuración «simple», y luego del tiempo de estabilización se tomaron lecturas (n=15) a cada nivel.

Interferencias fisiológicas

Se analizó la respuesta del espirómetro frente a acetona, metanol e isopropanol de acuerdo a lo establecido en la OIML R126 (pruebas de influencia fisiológica). Para el análisis de respuesta frente a acetona, se preparó volumétricamente una solución acuosa de concentración 0,15 g/L equivalente a 0,5 mg/L en vapor, considerando una constante de K_HENRY para el sistema solución acuosa/vapor liberado por simulador de soplo de 365:1 según bibliografía (NHTSA, 1985). En cuanto al análisis de metanol e isopropanol, se preparó gravimétricamente una curva de calibración a tres niveles para cada alcohol: etanol, metanol e isopropanol. Se analizaron las soluciones mediante espirómetro con detector de celda de combustible y se graficaron los resultados. Se compararon las pendientes entre dichas curvas.

Resultados y discusión

Optimización y validación del método de calibración por vía húmeda

Agotamiento

El agotamiento de las soluciones de etanol en agua utilizadas en los simuladores de soplo puede explicarse por el arrastre preferencial del etanol en la fase gaseosa mediante la corriente de aire sintético que atraviesa la solución. En condiciones no controladas esta disminución afecta la concentración de etanol en vapor a la salida. Los resultados se pueden apreciar en el Gráfico 1. Como se muestra en la Tabla 2 se observó que la tendencia a la disminución de los valores es significativa para las concentraciones [C2] y [C3], si bien la diferencia máxima fue considerablemente mayor para [C4]. Esto sugiere que cuanto mayor fue la concentración de ensayo, el agotamiento ocurrió más rápidamente. Si bien el agotamiento de las soluciones se pudo evidenciar por esta tendencia, la diferencia máxima fue menor al Error Máximo Permisible (EMP) para los niveles de ensayo. Como herramienta de control de calidad, se implementó una evaluación del agotamiento tomando una medida con el espirómetro de control entre espirómetros a calibrar.

Exactitud

En las Tablas 3 y 4 se muestran los resultados obtenidos en los estudios de exactitud utilizando MRCs tanto de producción interna (LATU) como externa (INMETRO).

Para que este método de calibración sea adecuado al propósito es necesario detectar el cumplimiento de los EMP y S_máx., de acuerdo a la OIML R126 (OIML, 2012). A partir de los datos obtenidos en el estudio de exactitud se puede apreciar que para todas las concentraciones, el sesgo y la desviación estándar fue menor a la mitad de los EMP y S_máx. a sus correspondientes concentraciones. Esto aplica de igual forma si se utilizan los MRC del LATU o INMETRO (Tablas 1 y 2). En el Gráfico 2 se observa la correlación entre los valores de referencia y las lecturas, con pendiente igual a 1 y una linealidad de respuesta buena (R² > 0,9999).

Límite de detección y cuantificación

Con el advenimiento de la tolerancia cero para el consumo de alcohol en el tránsito es importante verificar el desempeño de los equipos de fiscalización a niveles aún más bajos. Las mediciones de ausencia absoluta representan un desafío metrológico, ya que a este nivel se debe considerar la incertidumbre de medición. Una posible estrategia es el enmascaramiento de las indicaciones por debajo de la mínima lectura confiable. Otra estrategia es considerar como una lectura diferente de cero aquella que supere el error instrumental. En este caso, para el cumplimiento de los requisitos de la recomendación OIML R 126 (OIML, 2012), los espirómetros en uso tienen un error máximo permisible de 0,063 g/L. Según esta estrategia, se podría considerar una lectura positiva de espirometría aquella que supere este EMP. En el estudio de límite de detección y cuantificación se buscó evaluar el desempeño de cuantificación cerca del EMP para equipos en uso.

En la Tabla 5 y el Gráfico 3 se presentan los resultados obtenidos para el estudio de límite de detección y cuantificación.

Los resultados permiten evidenciar que la mínima concentración de prueba a la cual el espirómetro responde fue 0,073 g/L (en sangre), mientras que en la concentración de prueba por debajo de este valor la respuesta fue nula. Adicionalmente, por encima de este nivel la desviación estándar y el error cumplieron los requisitos de exactitud necesarios (EMP/2 y Smáx./2), lo cual evidenció un buen desempeño de cuantificación. Este resultado implica que durante medidas en tránsito este espirómetro no indicaría una lectura mayor a cero en el rango en el cual se pondría en duda si la lectura «es o no» cero gramos de alcohol por litro de sangre.

Interferencias fisiológicas

La ausencia de interferencias es un requisito importante para la correcta implementación del límite reglamentario de cero gramo de alcohol por litro de sangre. Para comprobar esto se estudió la respuesta del espirómetro frente a los potenciales interferentes más comunes: acetona, metanol e isopropanol.

Acetona

Según la publicación de NHTSA (NHTSA, 1985), las personas propensas a generar cuerpos cetónicos, por ejemplo aquellas en ayunos prolongados o con diferentes grados de diabetes, pueden presentar un valor promedio de cantidad de acetona expirada de 0,3 mg/L, la cual podría ser una interferencia en el análisis de etanol en aliento según se ha reportado anteriormente (Crawford, et al., 2011). En este sentido, la recomendación OIML R 126 (OIML, 2012) introduce pruebas de influencia fisiológica en las que los espirómetros son evaluados utilizando una concentración de 0,5 mg/L de acetona en vapor, el cual se puede analizar por «vía seca» utilizando mezcla de gases, o por «vía húmeda» con simuladores de soplo. Para esto es necesario contar con la constante de partición de acetona entre la solución acuosa y el vapor generado por simulador de soplo; este valor se reporta como 365:1 en la publicación de la NHTSA (NHTSA, 1985).

La solución de prueba de acetona fue cargada en el simulador de soplo y se tomaron 10 lecturas con el espirómetro, indicando para todas las réplicas 0,00 g/L de sangre. La falta de respuesta de este tipo de detector (celda de combustible) implica que a una concentración de acetona en vapor exhalado superior a la que pudiese encontrarse en personas propensas a producción endógena de acetona (0,4 mg/L de acetona en vapor), no provocaría una interferencia o falso positivo durante las espirometrías.

Metanol e isopropanol

En vista de que la Ley 18.191 (Uruguay, 2007) dictamina en su artículo 45 la inhabilitación de conductores que posean «concentración de alcohol en sangre» superior a 0,0 g/L, la presencia de metanol e isopropanol no puede definirse como un falso positivo, ya que estarían incluidos dentro de la definición de «alcohol» y presentan un efecto embriagante. No obstante, es necesario evaluar si la sensibilidad del espirómetro frente a metanol e isopropanol no supera la del etanol, de lo contrario, frente a la presencia de concentración en sangre de metanol y/o isopropanol, la señal del espirómetro podría ser diferente a cero, incluso cuando la concentración de etanol se encontrara por debajo del límite de detección estudiado.

A partir de los resultados de las mediciones (Tabla 6, Gráfico 4) es posible concluir que el espirómetro con detector de celda de combustible presentó sensibilidad a metanol e isopropanol además de etanol. Dados los dos pasos de partición que gobiernan el análisis de alcohol en aliento, se definen dos coeficientes que los describen: F₁ para la partición del alcohol entre solución acuosa y vapor, y F₂ para la partición del alcohol entre sangre y el aire alveolar, los cuales no han sido reportados para metanol e isopropanol. Es posible observar que la respuesta del espirómetro fue mayor para metanol que para etanol y este fue a su vez mayor que para isopropanol, de acuerdo a las pendientes de las respectivas curvas de calibración. Suponiendo que F_{1,2 metanol} y F_{1,2 isopropanol} son independientes de la concentración, como sucede para etanol en este rango, es posible inferir directamente que el detector mostró mayor sensibilidad para metanol (2,2 veces) y menor que para isopropanol (0,67 veces). Esto podría significar que para cantidades equivalentes de etanol y metanol en aliento la señal del espirómetro podrá verse exacerbada e inducir un sesgo positivo cuando se lo compare contra el resultado de un análisis en sangre. No obstante, la bibliografía indica la presencia natural de metanol en el aire exhalado a concentraciones bajas —0,21 a 0,70 µg/L según Jones (1985)—, lo cual equivaldría a una máxima lectura de 0,003 g/L en sangre si se suponen los factores de conversión de etanol y el factor adicional de 2 determinado experimentalmente. Por lo tanto, en situaciones de salud normal la señal producida por la presencia de metanol no superaría la tolerancia de 0,063 g/L. En el caso particular del isopropanol, se han reportado casos de personas bajo dietas de muy bajas calorías que generarían cantidades significativas de acetona que se metaboliza a isopropanol por reducción (Jones, et al., 2007), el cual en este caso daría una señal dependiendo de su concentración. En casos en los que exista esta posibilidad, el análisis cromatográfico confirmatorio diferenciaría ambos alcoholes y eliminaría la fuente de error.

Conclusión

Este artículo describe la validación de un servicio de calibración de espirómetros y la producción de Materiales de Referencia Certificados de etanol en agua para este propósito. El equipo ensayado muestra un límite de detección y cuantificación que permite la medición confiable de pruebas de espirometría positivas, es decir, una lectura por encima del error máximo permisible para espirómetros en uso según la OIML R126 (OIML, 2012). Las pruebas de interferencias fisiológicas demuestran que la presencia en cantidades típicas de acetona, metanol e isopropanol en aliento no generarían una señal por encima del EMP del espirómetro. Cabe destacar que los estudios fueron realizados sobre un espirómetro particular con detección de celda de combustible. Estos resultados no son necesariamente extrapolables a otras tecnologías.

Reconocimientos

Al Departamento de Metrología Legal del LATU, por la colaboración. A los compañeros del Departamento de Metrología Química, en especial Ramiro Pérez y Simone Fajardo, por la revisión y el apoyo. A colaboradores del área orgánica actuales y pasados, por la realización de los ensayos.

Referencias

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