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Los sensores de presión son elementos clave de la ventilación mecánica. En un artículo anterior, discutimos que se requiere un sensor de presión para monitorear la presión de la vía aérea para que podamos administrar respiraciones con presión específica o perfiles de flujo al paciente.
En este artículo, veremos otras aplicaciones de sensores de presión en ventilación mecánica. Además de los usos comunes de los sensores de presión, veremos una aplicación interesante de este tipo de sensor donde la detección de presión se usa para ajustar la concentración de oxígeno en la mezcla de aire y oxígeno.

Sensores de presión en ventilación mecánica

El diagrama de bloques de un ventilador se muestra en la siguiente figura. Consulte mi primer artículo sobre ventiladores mencionado anteriormente para obtener más detalles.

Figura 1. Un diagrama de bloques de un ventilador.

Tenga en cuenta que la imagen de arriba muestra un diagrama de bloques simplificado. Diferentes ventiladores pueden emplear varios otros sensores de presión además del que mide la presión de la vía aérea. Por ejemplo, algunos ventiladores tienen reguladores internos antes de las válvulas de aire y O2. Estos ventiladores pueden necesitar un sensor de presión entre el filtro y el regulador interno como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Un diagrama de bloques del ventilador que utiliza un sensor de presión.

Además, los ventiladores generalmente necesitan medir la presión barométrica (la presión de la atmósfera) para compensar las variaciones no deseadas en las mediciones que pueden ser causadas por la ubicación física del ventilador.
Además de estos usos relativamente sencillos de los sensores de presión, existen otras dos aplicaciones interesantes para estos sensores: ajustar la concentración de oxígeno en la mezcla de aire y oxígeno y medir el flujo de gas.
En este artículo, discutiremos la primera aplicación. La medición del flujo de gas con un sensor de presión se analizará en un artículo futuro.

Uso de un sensor de presión para ajustar la concentración de oxígeno

Si bien podemos usar un sensor de oxígeno para medir la concentración de oxígeno en el "tanque", existe otra técnica que detecta la concentración de oxígeno simplemente monitoreando la presión del gas. Para comprender mejor este método, primero debemos revisar un concepto básico en química llamado la ley de presiones parciales de Dalton.
Pero, ¿qué es la presión parcial?
Considere una mezcla de dos o más gases no reactivos mantenidos en un recipiente con un volumen dado. La presión ejercida por las moléculas de un gas individual se denomina presión parcial de ese gas. En otras palabras, la presión parcial de cada gas es la presión que ejercería el gas si fuera el único gas en el recipiente.
Por ejemplo, suponga que tenemos una mezcla de O2 y N2 en un recipiente como se muestra en la Figura 3 (a). La presión parcial de O2 es la presión que obtenemos para el mismo número de moléculas de O2 con todas las moléculas de N2 eliminadas como se muestra en la Figura 3 (b).
Suponemos que el volumen del recipiente y la temperatura no cambian en este experimento mental.

Figura 3. (a) Una representación de una mezcla de O2 y N2. (si) La presión parcial restante para las mismas moléculas de O2 con N2 eliminado.

Ley de Dalton de presiones parciales

Según la ley de Dalton de presiones parciales, la presión total de una mezcla de gases no reactivos es igual a la suma de las presiones parciales de cada gas constituyente de la mezcla.
En el ejemplo anterior, suponga que las presiones parciales de oxígeno y nitrógeno son 2 atm y 1 atm, respectivamente. De acuerdo con la ley de presiones parciales de Dalton, la presión de la mezcla será:

(P_ {mezcla} = P_ {N2} + P_ {O2} = 1 ; atm + 2 ; atm = 3 ; atm )

Ley de gas ideal

La ley de los gases ideales es otro concepto básico en química que necesitamos para comprender completamente la técnica de ajuste de concentración de oxígeno. De acuerdo con la ley de los gases ideales, la presión P, el volumen V y la temperatura T de un gas están relacionados por la siguiente ecuación:

(PV = nRT )

donde n es el número de moles del gas y R es la constante de gas ideal que es (0.08205 frac {L cdot atm} {mol cdot K} ). Ahora, veamos cómo podemos usar los conceptos anteriores para ajustar la concentración de oxígeno.

Ajuste de la concentración de oxígeno

El método que discutiremos en esta sección se emplea en un diseño de referencia de NXP. En este caso, eliminamos los sensores de flujo que se incluyen en el lado de salida de las válvulas de aire y oxígeno, y se utiliza un sensor de presión para controlar la presión del tanque.
Por lo tanto, el diagrama de bloques de esta parte del ventilador se cambia al que se muestra en la Figura 4.

Figura 4. El diagrama de bloques del ventilador sin los sensores de flujo pero con un sensor de presión.

Suponga que la mezcla de gases que está inicialmente en el tanque tiene una presión de P1. Por ahora, no nos preocupemos por la concentración de oxígeno de este gas inicialmente almacenado. Solo queremos controlar adecuadamente las válvulas de aire y O2 para que la mezcla de gases que se va a agregar al tanque tenga la concentración correcta de oxígeno.
Dividiremos el proceso de control en dos fases diferentes:
Fase 1, donde se agrega oxígeno, y
Fase 2, en el que el aire se conduce al "tanque".

Fase 1: Agregar oxígeno
En esta fase, abrimos la válvula de oxígeno (V1) y cerramos la válvula de aire (V2). La válvula de oxígeno estará abierta hasta que la presión del tanque aumente de su valor inicial P1 a P2. El oxígeno que agreguemos en esta fase, así como el aire que se agregará en la siguiente fase, ocupará el volumen del tanque VT.
Suponga que la temperatura del tanque es TT. Si podemos determinar la presión del oxígeno agregado suponiendo que se almacena en un recipiente con volumen VT a una temperatura de TT, podemos aplicar la ecuación de gas ideal para calcular los moles de oxígeno agregado.
Cuando se agrega esta cantidad desconocida de gas al tanque, la presión del tanque aumenta de P1 a P2. Por lo tanto, con base en la ley de Dalton de presiones parciales, concluimos que la presión parcial del oxígeno agregado es P2-P1.
Por lo tanto, cuando el volumen del gas agregado es VT, ejerce una presión de P2-P1 a una temperatura de TT. Aplicando la ecuación de gas ideal, tenemos:

( left (P_2-P_1 right) V_T = n_ {O2} RT_T )
Ecuación 1

donde (n_ {O2} ) denota los moles de oxígeno agregado.

Fase 2: Agregar aire
En esta fase, cerramos la válvula de oxígeno y abrimos la válvula de aire. La válvula de aire se mantendrá abierta hasta que la presión del tanque aumente de su valor anterior P2 a P3.
El aire es una mezcla de varios gases como el nitrógeno y el oxígeno, pero por ahora, supongamos que se compone solo de nitrógeno. Con un análisis similar al discutido anteriormente, podemos aplicar la ecuación de gas ideal y calcular los moles de nitrógeno agregado:

((P_3-P_2) V_T = n_ {N2} RT_T )
Ecuación 2

donde (n_ {N2} ) denota los moles de nitrógeno agregado. Dividir la ecuación 1 por la ecuación 2 nos lleva a

( frac {P_2-P_1} {P_3-P_2} = frac {n_ {O2}} {n_ {N2}} )

Para tener una concentración de oxígeno de A%, deberíamos tener:

( frac {P_2-P_1} {P_3-P_1} = frac {n_ {O2}} {n_ {N2} + n_ {O2}} = frac {A} {100} )

Por lo tanto, obtenemos:
(P_2 = P_1 + left (P_3-P_1 right) times frac {A} {100} )
Ecuación 3

Esto es lo mismo que la ecuación 9 en la página 18 del diseño de referencia NXP.
Resumamos el procedimiento de control y luego analicemos su diagrama de estado en detalle. El procedimiento de control comienza con la presión del tanque en P1. Agregamos suficiente oxígeno para aumentar la presión del tanque a P2.
A continuación, se conduce aire al tanque para que la presión del tanque alcance un valor final de P3. Si elegimos P2 en base a la Ecuación 3, la concentración de oxígeno debería ser A%.

Diagrama de estado de control de las válvulas

Con base en la discusión anterior, podemos usar el diagrama de estado que se muestra en la Figura 5 para controlar las válvulas.

Figura 5

Los círculos magenta de este diagrama de estado corresponden a una fase de inicialización donde la presión inicial del tanque se incrementa a P1 cuando se enciende el ventilador. Los círculos verdes implementan el método de ajuste de concentración de O2 que se describió anteriormente.

Fase de inicialización
¿Por qué necesitamos una fase de inicialización?
Durante el funcionamiento normal del sistema, sabemos que la presión del tanque debe estar entre P1 y P3. Sin embargo, imagine la primera vez que encendemos el ventilador. En este caso, la presión del tanque podría estar por debajo de P1.
Aunque este es probablemente un caso de una sola vez, debemos tenerlo en cuenta en nuestro diagrama de estado. Cuando el sistema está encendido y la presión del tanque está por debajo de P1 (inicio = 1 && Ptank P1), la máquina de estado debe pasar al estado "Mezcla de gas disponible". En este estado, la válvula de salida (V3) se abre para suministrar al sistema el aire enriquecido en oxígeno requerido.
Mientras el sistema esté en el estado de "Mezcla de gas disponible", verificará continuamente la presión del tanque. Mientras Ptank sea mayor que P1, el sistema tiene una cantidad suficiente de aire enriquecido con oxígeno, por lo tanto, permanecerá en este estado. Cuando entregamos respiraciones al paciente, la presión del tanque se reducirá gradualmente. Cuando la presión del tanque se reduce a P1 (Ptank = P1), sabemos que el tanque se está quedando sin suficiente aire enriquecido con oxígeno. Por lo tanto, el sistema debe ir al estado de "Fase 1" donde V1 se abre para agregar oxígeno al tanque. En este estado, la salida y las válvulas de aire (V2 y V3) están cerradas. Permaneceremos en este estado hasta que la presión del tanque alcance P2 dada por la Ecuación 3.
Cuando Ptank = P2, el sistema irá a la "Fase 2" para agregar aire al tanque. Esto abrirá la válvula de aire (V2) y cerrará las válvulas de oxígeno y salida (V1 y V3). El aire se agregará hasta que la presión del tanque alcance P3. En este punto, el sistema puede nuevamente suministrar al paciente el aire enriquecido con oxígeno especificado. Por lo tanto, la máquina de estado pasará al estado "Mezcla de gas disponible" y el ciclo se repetirá.

La limitación principal

La técnica discutida mezcla los gases de las dos entradas con el porcentaje especificado; Sin embargo, esto no es lo que realmente queremos lograr.
Debemos tener en cuenta que el parámetro deseado es la concentración de oxígeno que solo se controla indirectamente por el método anterior. Alrededor del 21% del aire es oxígeno, por lo tanto, observamos que la "Fase 2" del diagrama de estado también puede contribuir al contenido de oxígeno del tanque.
Repitamos el análisis anterior suponiendo que el 21% del aire agregado en la "Fase 2" consiste en oxígeno. Según la Ecuación 1, los moles de oxígeno agregado durante la "Fase 1" son proporcionales a P2-P1:

(n_ {O2, Phase1} = frac { left (P2-P1 right) V_T} {RT_T} )

¿Cuántos moles de oxígeno se agregan durante la "Fase 2"? La mezcla de gases que se agrega en esta fase aumenta la presión del tanque en P3-P2. Dado que el 21% de este gas es aire, podemos concluir que los moles de oxígeno agregado en esta fase están dados por

(n_ {O2, Phase2} = 0.21 times frac { left (P_3-P_2 right) V_T} {RT_T} )

Los moles totales de oxígeno serán:

(n_ {O2} = left ( left (P_2-P_1 right) +0.21 times left (P_3-P_2 right) right) times frac {V_T} {RT_T} )
Ecuación 4

Los moles de nitrógeno añadidos en la "Fase 2" serán:

(n_ {N2} = 0.79 times frac { left (P_3-P_2 right) V_T} {RT_T} )
Ecuación 5

Dividiendo la Ecuación 4 por la Ecuación 5 nos lleva a:

( frac {n_ {O2}} {n_ {N2}} = frac { left (P_2-P_1 right) +0.21 times left (P_3-P_2 right)} {0.79 times left ( P_3-P_2 right)} )

Para tener una concentración de oxígeno de A%, deberíamos tener:

( frac {n_ {O2}} {n_ {N2} + n_ {O2}} = frac { left (P_2-P_1 right) +0.21 times left (P_3-P_ 2 right)} { left (P_3-P_1 right)} = frac {A} {10} )

Por lo tanto, obtenemos:

(P_2 = frac {1} {0.79} times left (P_1-0.21 times P_3 + P_3-P_1 times frac {A} {100} right) )
Ecuación 6

Por lo tanto, si tomamos en cuenta el oxígeno agregado en la "Fase 2", debemos usar la Ecuación 6, que es considerablemente diferente de la Ecuación 3. Además, pequeñas variaciones en el contenido de oxígeno del suministro de aire causarían que la Ecuación 6 sea menos precisa . Por lo tanto, el método discutido está limitado por su incapacidad para medir y controlar directamente la concentración de oxígeno.

Conclusión

En este artículo, analizamos las aplicaciones de los sensores de presión en la ventilación mecánica. Además de los usos comunes de los sensores de presión, observamos una aplicación interesante donde la detección de presión se usa para ajustar la concentración de oxígeno en la mezcla de aire y oxígeno. Examinamos las derivaciones matemáticas y el diagrama de estado del proceso de control. La principal limitación de este método es que solo se asegura de que los gases de las dos entradas se agreguen con el porcentaje especificado. Y no puede controlar directamente la concentración de oxígeno.
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