Proposta de uma nova arquitetura de ventilador pulmonar mecânico parapequenos animais
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Henrique Resende Martins
Seleme Isaac Seleme Junior
Leonardo Antonio Borges Torres
Seleme Isaac Seleme Junior
Leonardo Antonio Borges Torres
Resumo
Ventiladores mecânicos são amplamente utilizados na pesquisa experimental em pequenos animais, tanto para estudos específicos sobre doenças pulmonares quanto para experimentos com diferentes finalidades em que seja necessário o procedimento de anestesia. Osequipamentos existentes para tal aplicação baseiam-se na tecnologia de pistão servocontrolado, que apresenta limitações em relação aos modernos ventiladores clínicos no estabelecimento de determinados modos de ventilação, como por exemplo, ventilação em pressão controlada. Este trabalho propõe uma nova arquitetura e modelo numérico de ventilador com o objetivo principal de gerar perfis de pressão e vazão de modos estabelecidos de ventilação clínica. A arquitetura contém uma válvula solenoide on-off para controle depressão ou vazão inspiratória por uma estratégia baseada em modos deslizantes, aliada a um sistema pneumático capaz de filtrar oscilações de alta frequência durante o escoamento. Uma arquitetura inicial considera chaveamento da válvula e esvaziamento de um reservatório para a atmosfera, além do estabelecimento da PEEP (positive end-expiratory pressure) por coluna dágua. Em uma modificação da arquitetura, adiciona-se a possibilidade de recuperação dos gases e de gerar a PEEP de forma automática. Simulações numéricas da dinâmica do sistema foram realizadas para as duas arquiteturas com o intuito de determinar os requisitos mínimos em termos do tempo de resposta das válvulas, desempenho devido à transferência de dados em tempo contínuo e discreto, e a robustez do sistema a ruídos de medição. Resultados satisfatórios no modo controlado à pressão foram obtidos na arquitetura modificada, considerando-se válvulas com tempo de resposta mínimo de 2 ms, configuração analógica ou digital (com frequência de amostragem de 1 kHz) e robustez a erros de medição de até 0,75 cmH2O. No modo controlado a volume, verificaram-se menores erros na Arquitetura Inicial, mas também a Arquitetura Modificada possibilita resultados adequados, com a vantagem de evitar desperdício dos gases.
Abstract
Mechanical ventilators are widely adopted for experimental research in small animals, both for specific studies about lung diseases as for experiments with different purposes requiring anesthesia procedure. The existing equipments for this application are based on servocontrolledpiston technology that presents limitations with respect to modern clinicalventilators in establishing certain modes of ventilation, for example, pressure controlled ventilation. This work proposes a new architecture and numerical model of ventilator with the main objective generate pressure and flow profiles relative to established modes of clinicalventilation. The architecture contains a solenoid on-off valve for control of inspiratory pressure or flow by a strategy based on sliding mode, combined with a pneumatic system able to filter high-frequency oscillations during flow. An initial architecture considers valveswitching and drain a reservoir to the atmosphere, in addition to the establishment of PEEP (positive end-expiratory pressure) by water column. In a modification of the architecture, it includes the possibility of gas recovery and generates PEEP automatically. Numerical simulations of the system dynamics were performed for the two architectures in order to determine the minimum requirements in terms of response time of the valves, performance due to the transfer of data in continuous and discrete time, and the system robustness due to the presence of measurement noise. Satisfactory results in the pressure controlled mode wereobtained in the modified architecture, considering valves with a minimum response time of 2 ms, analog or digital configuration (with sampling rate of 1 kHz) and robustness to measurement errors of up to 0.75 cmH2O. In the volume controlled mode, minor errors were found in the initial architecture, but also the modified architecture provides adequate results,with the advantage of avoiding the waste of gases.
Assunto
Veterinária de pequenos animais, Respiradores (Medicina), Engenharia elétrica, Valvulas
Palavras-chave
Pequenos animais, Modelagem de sistemas, Ventiladores mecânicos, Válvulas on-off