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En este artículo, examinaremos el funcionamiento básico de un ventilador en la terminología de los sistemas de control, sensores y microcontroladores. Luego, examinaremos el diagrama de bloques de un ventilador básico con mayor detalle. Tenga en cuenta que este artículo está destinado a explorar el diseño de ventiladores de alto nivel y no representa una explicación médica del uso y funcionamiento del ventilador.

¿Qué es un ventilador?

Un ventilador es un sistema de control donde la salida es un flujo de aire enriquecido con oxígeno con ciertas especificaciones. Un ventilador mecánico es una máquina que ayuda a la respiración del paciente durante la cirugía o en situaciones en las que no puede respirar por sí solo debido a una enfermedad crítica.
Un ventilador es un sistema relativamente complejo que emplea varias válvulas y sensores junto con una unidad de procesamiento para implementar los algoritmos de control requeridos.

Operación básica de un ventilador

Un sistema de ventilador típico consta de tres subsistemas principales:
El "Sistema de suministro de flujo inspiratorio" es responsable de generar y manipular el aire enriquecido con oxígeno que se envía a los pulmones del paciente.
El "camino espiratorio" que proporciona un camino apropiado para la exhalación.
Un microcontrolador (MCU) se utiliza para controlar el funcionamiento de todo el sistema en función de la información obtenida de diferentes sensores y los parámetros que especifica el clínico.
Puede ver el funcionamiento básico de un ventilador ilustrado en la Figura 1.

Figura 1. Funcionamiento básico del ventilador de presión positiva.

Como se muestra en la figura, el ventilador está conectado a fuentes comprimidas de aire y oxígeno. Usando estos suministros de gas, la ruta inspiratoria genera un flujo de aire enriquecido con oxígeno. Varios parámetros del aire suministrado, como su presión, volumen, flujo y porcentaje de oxígeno, son de interés y deben ser controlados por el ventilador.

Respiradores de presión positiva versus presión negativa
El ventilador representado en la Figura 1 generalmente se conoce como un ventilador de presión positiva porque aplica aire inspiratorio con una presión mayor que la presión atmosférica (presión positiva) para empujar el aire hacia las vías respiratorias del paciente.
Por el contrario, un ventilador de presión negativa produce el flujo inspiratorio al generar una presión negativa alrededor del tórax del paciente. Los ventiladores de presión negativa tienen varias limitaciones y no son tan comunes en estos días.

Modos de operacion

Los ventiladores tienen diferentes modos de operación, como ventilación controlada por volumen, ventilación controlada por presión, etc. Dependiendo del modo de operación seleccionado, el ventilador debe poder suministrar aire inspiratorio con formas de onda de presión, volumen o flujo consistentes con algunas formas predefinidas deseadas. formas de onda
Por ejemplo, la Figura 2 muestra las formas de onda de presión y flujo para el modo de operación controlado por presión donde el ventilador mantiene la presión de la vía aérea del paciente en un nivel dado durante toda la inspiración. Cabe señalar que, en la práctica, el sistema podría no ser capaz de seguir perfectamente estas formas de onda deseadas debido a las diferentes no idealidades del sistema y las fuentes de ruido.

Figura 2. Formas de onda para describir la presión y el flujo de aire a través de un ventilador.

Las formas de onda de ejemplo representadas en la figura anterior corresponden a un modo de operación relativamente simple en el que el ventilador funciona independientemente de la reacción respiratoria del paciente. En realidad, necesitamos interacciones más sofisticadas entre el ventilador y el paciente.
En caso de que el paciente inicie una respiración, un ventilador sofisticado podrá sincronizar su funcionamiento con este cambio. Desde el punto de vista de la implementación, esto requiere algoritmos más complicados para controlar las válvulas dentro del sistema, así como un circuito de control de respuesta rápida. Estas pueden ser algunas de las diferencias clave entre un ventilador sofisticado y uno más simple.

Diagrama de bloques de un ventilador

El diagrama de bloques de un ventilador básico se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama de bloques de un ventilador.

Sistema de suministro de flujo inspiratorio

Los bloques verdes en la Figura 3 corresponden al "Sistema de suministro de flujo inspiratorio" en la Figura 1. Esta ruta está conectada a fuentes reguladas de aire y oxígeno. Los ventiladores también pueden tener reguladores internos (no se muestran en la Figura 3). Estos reguladores internos se utilizan para reducir la presión de gas proporcionada por la fuente de aire y oxígeno a un nivel inferior adecuado para el ventilador.
Como se muestra en la Figura 3, las fuentes de aire y oxígeno están conectadas a válvulas y sensores de flujo. La MCU monitorea la salida de los sensores de flujo y controla las válvulas en consecuencia. De esta manera, el ventilador produce aire enriquecido con oxígeno con una concentración de oxígeno especificada y lo conduce al "tanque". Durante la inspiración, el ventilador abre la "Válvula de inspiración" y cierra la "Válvula de caducidad". La "Válvula de inspiración" se controla de manera que el paciente reciba respiraciones consistentes con las formas de onda predefinidas deseadas.
Como puede ver, el factor clave es ajustar las válvulas para que los diferentes parámetros del sistema (como la concentración de oxígeno, el flujo y la presión) cumplan con las especificaciones. Para lograr esto, podemos emplear estrategias de diseño de controladores como la técnica de control proporcional-integral-derivada (PID). La Figura 3 muestra el circuito de control para ajustar las válvulas de aire y oxígeno.

Camino espiratorio

Durante el vencimiento, el ventilador abre la "Válvula de caducidad" y cierra la "Válvula de inspiración". El aire exhalado pasa por el "Sensor de flujo" y el "Mecanismo de ajuste de PEEP", donde PEEP significa presión positiva al final de la espiración. La MCU monitorea la salida del sensor de flujo para lograr las sofisticadas interacciones ventilador-paciente que se discutieron anteriormente.
PEEP es la presión positiva en los pulmones que existe al final de la espiración (por "positivo" queremos decir que la presión es mayor que la presión atmosférica). Con las formas de onda de ejemplo representadas en la Figura 2, la presión al final del vencimiento es cero (PEEP es cero); sin embargo, a veces preferimos mantener la presión de la vía aérea por encima del nivel atmosférico durante el vencimiento (PEEP diferente de cero). Esto evita que los pulmones del paciente colapsen.
Existen varios métodos para crear una PEEP distinta de cero. Una técnica eficiente es simplemente colocar una válvula controlada electrónicamente en la ruta espiratoria. Esta resistencia dinámica ocluye parcialmente la trayectoria del aire exhalado para que la presión de la vía aérea permanezca en el nivel deseado. La figura 4 muestra la estructura de dicha válvula.

Figura 4. Un ejemplo de válvula controlada electrónicamente. Imagen cortesía de Alex Yartsev.

Sensores

Además de los bloques que hemos discutido hasta ahora, un ventilador necesita algunos otros dispositivos. Se requieren un sensor de presión y un sensor de CO2 para controlar la vía aérea y proporcionar al paciente formas de onda y características de salida sofisticadas.
Además, dado que se elimina la humedad de las fuentes de gas comprimido, necesitamos un humidificador para agregar humedad al aire enriquecido con oxígeno que se entrega al paciente (el humidificador no se muestra en nuestro diagrama de bloques).
Además, un ventilador debe tener una pantalla gráfica para mostrar los ajustes, mediciones, cálculos y alarmas apropiados.

Conclusión

Un ventilador mecánico es un sistema relativamente complejo que emplea varias válvulas y sensores junto con una unidad de procesamiento para implementar los algoritmos de control requeridos.
Dependiendo del modo de operación seleccionado, el ventilador debe poder suministrar aire inspiratorio con formas de onda de presión, volumen o flujo consistentes con algunas formas de onda deseadas predefinidas. Por lo tanto, un ventilador es un sistema de control donde la salida es un flujo de aire enriquecido con oxígeno con ciertas especificaciones.
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