Núcleo de Ing. Biomédica Fac. de Medicina e Ingeniería Universidad de la República Ventilación Mecánica Ing. Daniel Geido

Ventilación Mecánica La Ventilación Mecánica o Artificial, es una técnica de apoyo a la respiración, cuyo objetivo es realizar el movimiento de gas hacia y desde los pulmones, para que en los alvéolos se lleve a cabo el intercambio gaseoso con la sangre. La Ventilación Mecánica puede sustituir tanto total como parcialmente la función ventilatoria (dependiendo del modo ventilatorio utilizado). El Ventilador Mecánico o Respirador realiza esa tarea, en pacientes que no pueden hacerlo normalmente debido enfermedades, traumatismos, drogas (anestesia), etc.

Objetivos del diseño de un Ventilador Mecánico Suplir el control de la ventilación. Posibilitar el intercambio de gases. Reducir el trabajo respiratorio. Facilitar la recuperación muscular (destete). Permitir sedación, anestesia.

Tipos y generaciones de ventiladores De presión negativa extratoráxica, el pulmón de acero:

De presión positiva (IPPV):

Primera generación (60’s)  Eran muy simples.  Enteramente neumáticos, dependían de una fuente de aire comprimido externa.  Ciclados solo por presión.  No poseían modos ventilatorios ni alarmas. PR2 – Puritan Bennett

Segunda generación (70’s)  Poseen electrónica discreta.  Tienen blenders o mezcladores externos (Aire, O2).  Poseen algún tipo de monitoreo y pocas alarmas.  Aparecen los modos ventilatorios (SIMV, CPAP, etc) MA1 – Puritan BennettServo 900 – Siemens

Tercera generación (80’s hasta hoy)  Son controlados por microprocesadores (permite agregado de nuevos modos ventilatorios y updates de software).  Válvulas solenoidales y sensores de flujo y presión.  Pueden ser ciclados por tiempo, presión, volumen o flujo.  Mezcladores Aire, O2 internos.  Monitorización de múltiples parámetros y despliegue de curvas de flujo, presión, volumen, bucles, etc.  Potentes sistemas de alarmas y controles de seguridad con múltiples alarmas – Puritan Bennett Servo SiemensGraph - Neumovent

Conceptos Básicos

Ventilador, circuito y paciente

La presión disminuye en el sentido del flujo. Se define R=(P1-P2)/flujo (suponiendo flujo laminar). No es lineal, para flujos mayores, mayor es el cambio de presión. Tomando P1=Pva y P2 =Palv, se define Rva del paciente Rva=(Pva-Palv)/flujo, Rva=Pres/flujo. Donde Rva tiene un componente del paciente y otro de la cánula de intubación No vale calcular Rva para un flujo dado y luego usarlo con otros flujos. Flujo (l/m) P2-P1 (cmH2O) R (cmH2O/l/s) Resistencia de las vías aéreas Rva

Complacencia del sistema respiratorio Csr El sistema pulmonar presenta propiedades elásticas. Al aumentar la presión dentro de los pulmones el volumen también aumenta, se define así la complacencia como el cambio de volumen obtenido para dicho diferencial de presión. Se define la PEEP como la presión remanente en los pulmones al final de la expiración debida en este caso a la Rva. La complacencia total es la complacencia pulmonar mas la de la caja toráxica. Palv-PEEP = P elástica y V = Vol corriente. Asi Csr = Vc/Pel Se debe medir cuando el flujo es 0 ya que en este caso Pva=Palv

Ecuación de movimiento Pva = Pres + Pel + PEEP Pva = Rva.flujo + Vol/Csr + PEEP

Curvas respiratorias  Se utilizan curvas de flujo, presión y volumen en el tiempo para tener un análisis detallado del funcionamiento del ventilador.  Paw, flujo y volumen obtenido como la integral del flujo.  Parámetros importantes: Vcorriente Ppico PEEP Frespiratoria Tinspiratorio Tespiratorio Relación I:E Volumen minuto = 0,5l = 35cmH2O = 5cmH2O = 15 resp/min = 1s = 3s = 1:3 = Vc x Fresp = 7,5l/min

Ejemplo  Flujo constante: 30l/min.  Volumen: 0.5l  PEEP: 5cmH2O  Aplico ec. de mov. Para cada instante de tiempo:  1s) Pva1=20.0,5+0/0,025+5=15cmH2O Pva2=25cmH2O  1.5s) Pva1=20.0,5+0,25/0,025+5=25cmH2O Pva2=30cmH2O  2s antes) Pva1=20.0,5+0,5/0,025+5=35 Pva2=35  La presión dentro de los pulmones del paciente 1 es 25 mientras que para el paciente2 es 15. Para iguales P pico.  2s después) PEEP=20.flujo1+0,5/0,025+PEEP entonces flujo1=-1l/s=-60l/min flujo2=-0,25l/s=-15l/min

Constante de tiempo T En la exalación el tiempo necesario para el vaciado de los pulmones dependerá de Rva y Csr. Se define así la constante de tiempo T=Rva.Csr Observar similitud con descarga de un condensador. El vaciado sigue ley exponencial y se considera completo luego de 5T (0,7%). Para el paciente1 T=0,5s y para paciente2 T=2s. Si comienza otra insp. Antes de alcanzar los 5T se produce auto PEEP ya que Pins inicial es mayor a PEEP base.

Cálculos de Raw y Csr a partir de las curvas:  El secreto esta en realizar la medida en la pausa inspiratoria.  Durante la pausa: Pva = Pel + PEEP = Palv = Pplat. Ya que flujo=0 (Pres=0).  Csr=Vol/Pel  Rva=Pres/flujo

Modos ventilatorios Existen dos grandes clasificaciones:  Modos básicos: tipos de ciclos disponibles (controlado, asistido (sensado por flujo o por presión), espontáneos (SIMV, CPAP))  Modos de control: tipo de control ejercido sobre los ciclos (por volumen, por presión, presión soporte)

Modos básicos

Resumen modos básicos TIPO DE CICLO MODOControladoAsistidoEspontáneo ControladoX Asist./Cont.XX SIMVXXX CPAPX

Modos de control

Diseño de ventiladores

Funciones a cumplir por el equipo Proveer una mezcla del gases determinada según condiciones de tiempo, volumen, flujo, presión, etc. Acondicionar dicho gas, filtrándolo, adecuando su temperatura y humedad, etc. Permitir entregar medicación por vía respiratoria (nebulización, etc). Monitorizar la ventilación del paciente y su mecánica ventilatoria. Debe poseer sistemas de seguridad para situaciones anormales que puedan surgir (apnea, etc). Detectar y alertar al operador mediante alarmas tanto auditivas como visuales toda situación anormal.

Componentes de un ventilador Sistema de control (servocontrol) Sistema de control Sistema de suministro de gases Suministro de energía Interfaz con el paciente Interfaz con el operador Ingreso de gasesAl paciente Sistema de monitorización Señal de error Al operador 6 2

1. Sistema de control Es el cerebro del equipo. Interactúa con todos los demás sistemas:  Recibe ordenes del operador y las transforma en acciones del ventilador.  Toma y procesa información proveniente de los sensores.  Maneja las alarmas.  Decide el uso de ventilación de respaldo o emergencia.  Etc. Fue cambiando a lo largo de las diversas generaciones:  Primera: puramente neumático, muchas limitaciones.  Segunda: electrónica discreta.  Tercera: microprocesadores y sistemas digitales avanzados. Memorias con firmware que puede ser actualizado para mejorar performance y agregar nuevas funcionalidades y modos ventilatorios.

2. Suministro de energía Eléctrica  Red eléctrica  fuentes conmutadas.  Baterías Internas: para traslados o cortes de energía, todos deberían tenerla, conmutación automática. Externas: ambulancias, etc. Neumática: ventiladores de emergencia o de traslado

3. Sistema de suministro de gases Entradas de alta presión (2 – 5 bar):  Aire y O2  N2O (en carros de anestesia). Central, balón o compresor interno. Sistema de mezcla (Blender)  Externo.  Interno.  Válvulas proporcionales (solenoides o motor de pasos), no hay blender.

Control de flujo Sistema de pistón:

Sistema de fuelle:

Sistemas modernos con válvulas inspiratorias de control de flujo.

Mediante microprocesadores se regula la apertura de las válvulas solenoidales. Ejemplo para PB7200:  Apertura máx.: 0.7mm.  Pasos: 4000 posiciones diferentes. Uso de dos válvulas (O2 y Aire) o una con un mixer.

Válvulas de exhalación

4. Sistema de monitorización Qué monitorizar, dónde y cómo hacerlo?. Qué:  Flujo y volumen.  Presión vías aéreas.  Otros: temperatura, O2, alimentación, presión de suministro de gases, fugas, etc.

Rama inspiratoria - A Rama espiratoria - B En la Y del paciente - C Dónde:

Transductores de flujo:  De hilo caliente. El hilo de platino se calienta a una temp. Cte. mediante un circuito electrónico, al pasar el flujo, el hilo se enfría entonces el circuito provee mas corriente, dicha corriente será proporcional al flujo de gas que esta pasando. Debo tener un termistor que sense la temperatura del gas para compensar. Ventajas: baja resistencia, escaso desgaste y mantenimiento nulo. Desventajas: problemas para detectar flujo direccional, muy sensible a la humedad, sensible a fatiga, difícil limpieza. Cómo:

 Neumotacógrafo (o de pantalla) El gas atraviesa una malla que le ofrece una determinada resistencia R, midiendo la diferencia de presión a ambos lados de la malla, se obtiene el flujo Ventajas: buena respuesta en frecuencia, larga duración. Desventajas: requieren mantenimiento periódico, uso de diferentes tipos según el tipo de paciente a tratar.

 Por ultrasonido El gas pasa por un orificio creando turbulencias (vortices) que son sensadas por ultrasonido, el grado de turbulencia es proporcional al flujo. Ventajas: Precisos. Desventajas: Alta resistencia  De turbina El gas pasa a travez de una turbina cuyo a velocidad de giro es medida mediante un emisor y detector ópticos. La velocidad de giro es proporcional al flujo. Ventajas: robustos. Desventajas: sistema mecánico con mucha inercia y muy mala sensibilidad (20 a 30%), solo utilizado en espirómetros.

Transductores de presión:  Piezoresistivos. Se utiliza una membrana con una resistencia adosada que varia su valor al estirarse ésta. Temperatura:  Termistores.  RTDs: Pt o nt. O2:  Celdas de oxígeno.

5. Interfaz con el operador Comunicación bidireccional entre equipo y paciente:  Programación del equipo.  Despliegue de parámetros y curvas.  Mensajes y alarmas.

Programación del equipo:  Selección del modo ventilatorio: VCV, PCV, SIMV, CPAP, PSV, VMM, VTAseg, APRV, BiPAP, etc.  Selección de los parámetros: Principales: f, Ti, I:E, VC o VT, VM, Pmax, PEEP, FiO2, triger, etc. Límites de alarmas, por defecto según tipo de paciente, automático (%encima y %debajo), manual. Opcionales: suspiros, pausas, etc. Tipos de flujos:

Despliegue de parámetros y curvas.  Parámetros ventilatorios medidos: f, Ti, I:E, VC, Pmax, PEEP, O2, etc.  Curvas: flujo, presión, volumen, bucles.

Mensajes y alarmas:  Su función es avisar tanto auditiva como visualmente alteraciones en los parámetros de ventilación, problemas de programación, malfuncionamiento, alteraciones del paciente, etc.  Fijas de fábrica: Suministro eléctrico. Baja presión de aire y O2. Falla válvula exhalatoria. Etc.  Programables por el usuario: Alarmas de presión. Alarmas de volumen. Alarmas de apnea. Alarma de oxígeno. Etc.

6. Interfaz con el paciente Funciones:  Conducir el gas hacia y desde el paciente, tubuladuras reusables o descartables, esterilización (autoclave, oxido de etileno, etc).  Acondicionar el gas inspirado, temp, humedad (humidificadores, narises).  Eliminar excesos de humedad (trampas de agua).  Suministro de medicaciones (nebulizador).  Uso de filtros bacterianos.  Etc.