Informações Técnicas

Descrição Geral do Projeto

Diante da previsão de urgência em oferecer dispositivos de ventilação pulmonar que possam ser produzidos em massa, apresentamos nossa proposta em domínio público para desenvolvimento de um Ventilador Pulmonar simples e facilmente replicável. Não se trata de dispositivo certificado para uso, mas, eventualmente, pode ser usado em pacientes com COVID-19, como última opção de respirador.

Na Figura 1 é apresentado um esquema da montagem do protótipo, o qual emprega um modo ventilatório híbrido com fluxo constante limitado a pressão. O VExCO pode ser dividido em subsistema da eletrônica de controle e monitoração, e em subsistemas de alta e baixa pressão, constituídos por:

Reguladores de pressão conectados às linhas de gases (ar comprimido e O₂ medicinais), válvulas de esfera, retentores, e um reservatório misturador (blender).
Uma válvula solenoide, a qual ajusta o fluxo da driving pressure durante a inspiração.
Uma válvula pop-off para impedir que a pressão no interior do sistema ultrapasse níveis considerados perigosos.
Uma válvula solenoide (tudo-ou-nada, normalmente fechada) que será acionada por um circuito temporizador programado para estabelecer a frequência respiratória e a razão TI:TE (razão entre tempo inspiratório e tempo expiratório – duty cycle da onda).
Válvulas agulha independentes.
Um filtro trocadores de calor e umidade (Heat and Moisture Exchanger - HMEF), para evitar contaminação, que conecta o dispositivo ao paciente.

Figura 1: Diagrama do Projeto (o sinal de fluxo foi medido entre o filtro HMEF e o modelo mecânico).

Funcionamento do protótipo

Os reguladores de pressão são ajustados para o valor de 1 kgf/cm² na montagem do produto, e seu manômetro fica visível para que o usuário possa conferir as pressões de linha. O valor do percentual de O₂ na mistura é feito por combinações de posicionamentos das duas válvulas de esferas, uma para cada gás. Essas válvulas são robustas e funcionam unicamente nas posições aberta ou fechada e, portanto, permitem o ajuste de 3 concentrações de O₂: 21 %, 60 % e 100 %. Estas válvulas de esfera também ficam visíveis para o ajuste do usuário e são rotuladas. A tabela de concentração também fica identificada no corpo do protótipo. As válvulas de retenção impedem os gases de retornar à linha em caso de ajuste inadequado dos reguladores ou falha de fornecimento de uma das linhas de gases. O reservatório do misturador tem volume de 750 ml e alimenta o circuito pneumático de baixa pressão, fornecendo o pico de vazão necessária para o sistema respiratório. Com isto, ele reduz a demanda da rede de alta pressão, oscilações e transitórios.

A montante da válvula de esfera do ar comprimido, o circuito apresenta uma bifurcação para produzir os sinais de ajuste da Positive End-Expiratory Pressure (PEEP) e da driving pressure, os quais são fluxos ajustados por válvulas de agulha independentes, que se somam e passam por uma resistência pneumática. A passagem deste fluxo pela resistência produz uma pressão de pilotagem da válvula Ins/Exp. O fluxo para a PEEP se mantém constante durante todo o ciclo respiratório, enquanto o fluxo de ajuste da driving pressure é chaveado durante a inspiração. Desta forma, durante a expiração há uma pressão de pilotagem pequena (PEEP) e durante a inspiração há uma pressão de pilotagem maior (PEEP somada a driving pressure).

Da saída do reservatório, outra válvula solenoide controla o chaveamento do fluxo inspiratório, cuja amplitude também pode ser ajustada por outra válvula de agulha. Este fluxo é aplicado ao circuito do paciente por uma das entradas da válvula unidirecional. O fluxo passa também pela válvula Ins/Exp, pelo filtro HMEF (filtra partículas, bactérias e vírus, além de reter umidade e calor) e vai para o paciente. Se a pressão nas vias aéreas do paciente ficar maior que a PEEP somada à driving pressure, a válvula Ins/Exp abre gradativamente, deixando escapar ar para o ambiente, mantendo a pressão aproximadamente constante no interior do sistema respiratório. Durante a expiração, a pressão de pilotagem dessa válvula Ins/Exp é reduzida pelo fechamento de uma das válvulas solenoides do circuito de pilotagem, de modo que a válvula deve se abrir para que se dê a expiração relaxada. Quando a pressão das vias aéreas do sistema respiratório ficar menor que a pressão definida pelo circuito de pilotagem como a pressão de PEEP, a válvula Ins/Exp se fecha. Na montagem do protótipo, o fluxo inspiratório máximo é inicialmente ajustado para 0,6 l/s, o suficiente para permitir 500 ml de volume durante a ventilação com frequência de 30 ciclos por minuto e razão I:E de 1:1 (volume estimado para uma pessoa com 80 kg de massa corporal predita em ventilação protetora). Este fluxo é menor do que os picos de fluxo demandados pelo modo PCV (Ventilação Controlada a pressão) convencional, mas alto o suficiente para que o limitador de pressão atue, mesmo em frequências elevadas, para manter a driving pressure estipulada.

Se uma condição de falta elevar a pressão no interior do sistema a níveis considerados perigosos, uma válvula pop-off, instalada no corpo da válvula unidirecional, é acionada, limitando a pressão em 60 cmH₂O. Adicionalmente, ciclos de respiração espontânea são permitidos por meio da válvula unidirecional sempre que o protótipo não esteja em uma inspiração mandatória. O sistema de controle microprocessado também é capaz de alarmar em outras condições de falta como a desconexão do paciente, ventilação diferente da ajustada no painel, falta de pressão na linha, falta de energia na rede elétrica entre outros.

A Figura 2 mostra as formas de onda de vazão (chamado de fluxo na área médica) e pressão. A vazão está em L/s e a pressão em cmH₂O. Nos ensaios, o chaveamento do solenoide foi manual, portanto a frequência respiratória não permaneceu constante. A excursão do sinal (variação da pressão na inspiração) é regulada pelo fluxo que passa pela válvula pneumática.

Figura 2: Formas de onda de fluxo e pressão .

Valores normais para as grandezas físicas

A fonte de pressão é comum nos hospitais e costuma estar na faixa de 2 até 4 kgf/cm^2.
Deseja-se que a pressão máxima no sistema respiratório não ultrapasse 40 cmH₂O.
Frequências são da ordem de 10 ciclos por minuto.
Razão TI:TE da ordem de 1:2 ou 1:1.
PEEP até 15 cmH₂O.
Fluxo (vazão) inspiratório máximo da ordem de 30 L/min.
Modelo de pulmão/sistema respiratório: resistência da ordem de 20 cmH₂0/L/s e complacência de 0,05 L/cmH₂O.

Existem vários conjuntos de especificações tornados públicos por diversas entidades, como os exemplos abaixo:

Primeiros resultados

Testes iniciais foram realizados com o paciente simulado pelo modelo mecânico de sistema respiratório TTL® (Michigan Instruments, EUA), com resistência parabólica n° 20 e complacência nominal de 0,05 L/cmH₂O (resultados semelhantes foram encontrados para modelo com resistência de 10 cmH₂O/L/s e complacência de 0,04 L/cmH₂O, conforme sugerido na literatura para modelo deste tipo de lesão – Síndrome do Desconforto Respiratório Agudo (SDRA)). Os sinais foram medidos na entrada de vias aéreas do paciente simulado. Os níveis de PEEP obtidos com essa montagem cobrem uma faixa do histograma apresentado em [1]. O volume corrente (respirado a cada ciclo respiratório) ficou em torno de 500 mL, pois a excursão de pressão escolhida foi em torno de 10 cmH₂O (neste modo ventilatório o volume é uma consequência das características mecânicas do sistema respiratório e da excursão de pressão escolhida, mas protege o pulmão contra pressões excessivas que podem agravar a lesão pulmonar). O sinal de vazão (ou fluxo, no jargão clínico) – com formato típico do modo Ventilação com Controle de Pressão (Pressure Controlled Ventilation - PVC) – e o sinal de pressão na entrada das vias aéreas (boca) são apresentados na Figura 2 (as unidades são L/s e cmH₂O respectivamente). Nos ensaios, o chaveamento do solenoide foi manual, portanto a frequência respiratória não permaneceu constante.

[1] https://www.esicm.org/blog/?p=2628.