El IPN desarrolla ventiladores no invasivos BPAP

Como una respuesta a la emergencia por COVID-19 en el mundo


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Figura 1. Principio de operación del BPAP

Diseño y funcionamiento


Los sistemas de ventilación mecánica proveen flujos de aire a presión P1 (Pmáx) y Volumen V1 (Vmáx) y durante el tiempo de inspiración y flujos de presión P2 (Pmín) y Volumen V2 (Vmín) en tiempos de espiración, estos tiempos definen las variables de Fase.

Dentro de las variables de Fase, se tiene A: Disparo, se refiere a quien inicia el ciclo de respiración, este puede ser iniciado por el Paciente (Asistida) por la Máquina (Programada) o puede ser accionado por: Volumen, Presión, Flujo, Tiempo, por un sensor externo como un sensor de impedancia o de forma Manual como es el caso de los globos.

La variable B: Límite es con la que se controla el Volumen, Presión y Flujo mínimo y máximo configurado para ser proporcionado al paciente. La variable C: Ciclo tiene como objetivo configurar el ciclo respiratorio del paciente en tiempos y con Volumen, Presión y Flujo controlados y en ciclos por minuto, finalmente D: Línea base para definir los tiempos de PEEP, y NEEP.

PEEP: Presión  Positiva al final de la espiración
NEEP: Presión Negativa al final de la espiración

Figura 2. Diagrama de fase


En la tabla 1, se pueden observar las variables y sus respetivos límites inferior y superior para el diseño de ventiladores no invasivos.

El equipo  consta de los siguientes bloques funcionales:

Sistema de Ventilación BiPAP

  1. Una turbina – tanque de aire con una entrada y dos salidas
  2. Electroválvulas para controlar Volumen, Presión y Flujo de aire
  3. Lógica de control de presión diferencial
  4. Mini PC/ Pantalla /Ratón
  5. Instrumentos virtuales para configuración y calibración del equipo

Sistema de soporte

  1. Máscara de respiración de silicona
  2. Pieza de nariz con entrada (inspiración) y salida (espiración).
  3. Filtro de entrada
  4. Transductores de flujo respiración (inspiración-espiración)
  5. Sello de agua
Tabla 1. Variables y Rangos


Además de las variables de control son Presión, Volumen y Flujo, como se ilustra en la figura 3, adicionalmente se deben controlar también las variables de Fase, estas variables de fase representan los tiempos de inspiración y espiración, la rampa para alcanzar el límite superior de las variables de control (Presión, Volumen y Flujo), el Ciclado o los tiempos de Inspiración (Presión, Volumen y Flujo), Espiración (Presión, Volumen y Flujo) y  Reposo, y la línea base  (Presión, Volumen y Flujo) para (PEEP, SEEP, NEEP), mostrado en la figura 2.

Tabla 2. Elementos neumáticos
Figura 3. Variables de Control
Un sistema de ventilación no invasivo, puede construirse a partir del siguiente diagrama. Logicamente todos los dispositivos sensores, reportan la información a un sistema de adquisición de datos conectado a una CPU, y los dispositivos actuadores  (válvulas) son controlados por la misma CPU.  
Figura 4. Sistema de Ventilación No invasivo

Turbina

La turbina es un ventilador de baja-inercia acoplada a un motor de DC sin escobillas (Brushless) con lo que se proporciona un flujo continuo de aire que responde a la configuración de las variables de presión y flujo procesadas por controladores PID en la CPU. La turbina (motor-ventilador) tiene una velocidad angular máxima de 50,000 RPM y debe proporcionar un flujo de hasta 240 lpm a un rango de presión de 70 cmH20 a 90 cmH20, Un sensor de temperatura tipo resistivo reside en el reservorio de la turbina, el CPU debe apagar la turbina si la temperatura alcanzara los 70° C mientras la velocidad de la turbina sea menor a 1000 RPM.

Válvula solenoide de oxigeno

La válvula solenoide de oxígeno es una válvula de 24 V DC de dos vías, normalmente cerrada, es usada para prevenir acumulación de oxigeno dentro del ventilador, esta abre cuando el ventilador este energizado y ventilando y cierra cuando el ventilador está en Stan-by o apagado. El CPU también cierra esta válvula si hay una condición de alarma por calentamiento de la turbina.

Válvula de entrada de oxígeno de baja presión

Este conector hembra de entrada incluye una válvula interna para prevenir fugas cuando conectas y desconectas una fuente de oxígeno. La máxima presión de la fuente de oxigeno es de aproximadamente 7 psi (50kPa) a 15 lps de flujo. Un acoplamiento especial con el ventilado es necesario para conectar la maguera de la fuente de oxigeno al conector de entrada.

Sensor de flujo de inspiración

Un sensor de flujo de masa de aire mide el flujo inspiratorio. El sensor mide una parte del flujo inspirado utilizando un elemento sensor por calor y usa un circuito interno para determinar el flujo. La CPU utiliza esta medición de flujo para controlar la turbina durante la ventilación de volumen, determinar cuándo se produce un disparado de flujo inspiratorio y el comienzo de la exhalación (según la configuración de sensibilidad espiratoria) y también calcula el volumen inspirado.

Sensor de presión de válvula de espiración (válvula interna)

El sensor de presión de exhalación, se utiliza como una característica de seguridad para detectar la presencia y el funcionamiento adecuado de la válvula de exhalación del circuito del paciente. El puerto de la válvula de exhalación en el bloque inspiratorio proporciona la vía para la medición de la presión.

Sensor de presión inspiratoria

El sensor de presión inspiratoria, mide la presión del gas a medida que sale del ventilador. El ventilador sustituye esta medición de presión por la medición de presión proximal como respaldo de seguridad en caso de que el tubo de presión proximal se desconecte.

Bloque inspiratorio

Es el conector para flujo inspiratorio y tambien provee puertos para medición de presión, crea con una "pared" una pequeña caída de la presión, es usado para desviar el gas inspirado al sensor de flujo de inspiración. Este gas fluye a través de un puerto de entrada en el bloque, a través del sensor de flujo, regresando a la corriente de gas a través de un puerto en el otro lado de "pared", luego sale del ventilador al puerto del paciente. Los puertos de presión para las mediciones de presión inspiratoria, proximal y de espiración también se encuentran en el bloque de inspiración.

Válvula solenoide de espiración

Es una válvula proporcional de 3-vias electromagnética, se usa para controlar la presión en el diafragma de la válvula espiración del circuito del paciente a través del ciclo de respiración o de fase. La presión proporcionada desde un puerto de la turbina conecta a un puerto (Puerto 1) de la válvula solenoide. El puerto 2 de la válvula solenoide direcciona la presión al bloque inspiratorio y de ahí hacia el diafragma de la válvula de espiración del circuito del paciente para cerrar la válvula de espiración.

El voltaje en la válvula solenoide de espiración esta bajo control de lazo cerrado por el CPU respiración a respiración, usando las mediciones del sensor de flujo de inspiración. Durante la inspiración la turbina inyecta flujo de aire del puerto 1 al puerto 2 para aplicar presión al diafragma para cerrar completamente la válvula de espiración. En el inicio de espiración el flujo de la turbina es ventilado del puerto 2 al 3 aliviando presión sobre el diafragma de la válvula de espiración. Esto permite una purga del flujo inicial y acompaña un flujo parcial para limpiar el aire espirado o exhalado por el paciente, desde el circuito del paciente, con una duración igual a la espiración.

Durante la espiración sin PEEP el camino del flujo del puerto 2 al puerto 3 es completamente abierto permitiendo la purga y flujo parcial. Durante la espiración con PEEP el flujo es directamente enviado del puerto 1 a puerto 2 para aplicar presión parcial de espiración a la válvula de espiración del circuito del paciente. Mientras puerto 2 y puerto 3 son abiertos simultáneamente permitiendo purga y flujo parcial. El máximo flujo parcial no excede 40 lpm después de un período de estabilización de 15 ciclos de respiración.

Sensor de flujo de espiración

El sensor de flujo de exhalación es un sensor de flujo de masa de aire que mide el flujo de exhalación en el orificio en el bloque de exhalación. Una parte del flujo de exhalación se desvía a través del sensor que contiene un elemento sensor por calentamiento que convierte la masa de aire que fluye a través del elemento en un voltaje. El flujo regresa al bloque de exhalación después de pasar por el sensor de flujo de exhalación. La CPU utiliza la medición de flujo para calcular el volumen exhalado.

Sensor de presión proximal

El sensor de presión proximal, (ubicado en el PCBA de la CPU) mide la presión en el conector tipo Y del paciente a través de un tubo que se conecta desde el conector tipo Y al puerto de presión proximal en el bloque inspiratorio. Esta medición de presión se utiliza en el circuito de retroalimentación para controlar la velocidad de la turbina durante los modos de ventilación por presión.

Sensor de presión barométrica

Existe un sensor de presión barométrica (no se ilustra en el digrama) se usa para corregir las mediciones de flujo cuando la función de Compensación por altitud del dispositivo está habilitada.

Bloque espiratorio

Cuando se utiliza un circuito de paciente de dos ramas, el bloque de exhalación proporciona los medios para medir el flujo exhalado. Se crea una caída de presión cuando el gas exhalado pasa a través de un orificio en el bloque de exhalación. Las válvulas de presión, ubicados a ambos lados del orificio, proporcionan las conexiones al sensor de flujo de exhalación. El flujo medido se utiliza para calcular el volumen exhalado.

Interfaz de usuario

La interfaz de usario de los ventiladores, o la UI (para los programadores), debe proveer el ambiente al que ya esta acostumbrado el personal de salud. Aqui hay una link para que puedan ver y utilizar algunos simuladores de entrenamiento que algunas empresas de equipos de ventilación propoprcionan a sus usuarios para entrenamiento. 

Nota: Se recomienda Microsoft Edge para ejecutar los simuladores o Google Crome en modo incognito, pues algunos de estos se han desarrollado con Flash y requieren de alguna configuracion adicional en sus navegadores.