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Ingeniería Biomédica 2009
Instrumentación para medidas respiratorias
Prof. Agr. Ing. Franco Simini
Núcleo de Ing. Biomédica
Facultades Medicina e Ingeniería
[email protected]
www.nib.fmed.edu.uy
Lo que se sabe sobre la mecánica ventilatoria
deriva de lo que se puede medir:
•
•
•
presiones
flujos de aire
volúmenes
Desarrollo de instrumentos para
medir, documentar y controlar
parámetros de la mecánica
ventilatoria
Ing. Biomédica - Respiratorio
Uso de medidas respiratorias y ventilatorias:
• Tamisaje de pacientes, seguimiento de
tratamientos, medicina del deporte (PREMAX)
• Evaluar cambios y seguimiento de tratamientos
en RN y en ventilación asistida (MECVENT)
• Monitoreo de pacientes graves (MONICLI,
MONRES)
Elementos para proyectar equipos de estimación
de parámetros de la mecánica ventilatoria:
• Transductores
• Modelos matemáticos
• Capacidad de procesamiento
• Presentación
• Comandos
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Transductores
• Neumotacógrafo
• Transductor de presión
– Piezoresistivo
Principio del neumotacógrafo:
• Medir la diferencia de presión provocada
por una resistencia al flujo conocida y
constante.
• Condición que sea flujo laminar
• Validez en un rango dado de flujos
neumotacógrafo
Transforma un flujo aéreo
en una delta P
proporcional al flujo
•flujo laminar
•evitar condensación
Principio del transductor piezoresistivo:
Cambio de resistividad de un material que se
deforma por efecto de una diferencia de
presión entre sus dos caras
transductor de
presión piezoresistivo
La resistencia de un cristal
piezoresistivo varía con la
presión ejercida sobre él. Se
mide luego con un puente.
Op
Amp
regul V
resistores
presión
P1
remaches
ss
chip piezo
y tubo
presión
P2
tapa del tubo
del chip
tapa superior
epoxy
transistor de potencia
contactos entrada y salida
punto de prueba interno
termistor
Vc/Te
circuito
impreso
Principios de medidas de volumen pulmonar
• Integración de flujo aéreo
• Pletismografía
Volumen
Vc=500 mL
INSPIRACION
ESPIRACION
INSPIRACION
ESPIRACION
Tiempo
flujo aéreo
volumen = integral de flujo
Séñales tomadas de MONICLI
flujo aéreo
volumen = integral de flujo
Séñales tomadas de MONRES
Pletismografía
• Caja hermética de 600 litros
• Paciente respira aire externo
• Dos modalidades de medida de V:
– Cambios de presión permiten deducir el V (Ley
de Boyle-Mariotte pV=k)
– Integración del aire que entra y sale de la caja
(no es una R en serie con la vía aérea)
Ing. Biomédica - Respiratorio
Señales
Ing. Biomédica - Respiratorio
Señal de volumen V = f(t)
• CPT (TLC) capacidad pulmonar total
• VR (RV) volumen residual
• CFR (FRC) capacidad funcional residual
• CV (VC) cap.vital =TLC-RV
• Vc (VT) volumen corriente (“tidal” de “tide”=corr)
referencia es el pulmón totalmente colapsado
CPT capacidad pulmonar total
VR volumen residual
CRF capacidad funcional residual
CV cap. vital =CPT-VR
Vc volumen corriente
VRI volumen residual insp
VRE volumen residual esp
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patrón respiratorio
Son los parámetros del ciclo respiratorio
• volumen corriente Vc (500 mL)
• frecuencia respiratoria f (12 por minuto)
• ventilación minuto VE = f Vc (6 L/min)
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patrón respiratorio
VE = Vc x (1/Ttot) multiplicando por (Ti/Ti) y reordenando
VE = Vc x (1/Ttot) x (Ti/Ti)
VE = (Vc/Ti) x (Ti/Ttot)
flujo medio inspiratorio (Vc/Ti)
período inspiratorio útil (Ti/Ttot).
Orden de magnitud de valores del “Patrón Ventilatorio Normal”
f
12.5  2.7
cpm = 0.2 Hz
Vc
0.53  0.15
Litros
VE
6.54  1.91
L/min
Vc/Ti
266  60
ml/s
Ti
1.97  0.33
s
Ti/Ttot
0.41  0.06
P0.1
1.06  0.3
cm H2O
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Bucles
• Volumen (x) – Flujo (y)
– Resistencia
• Presión (x) – Volumen (y)
– Trabajo
– Complacencia C
Trabajo We+Wr
área rayada es la integral (en t) de V x P
Wr se disipa en cada ciclo,
We es acumulado en las
estructuras anatómicas
deformadas y vuelven a
su estado de reposo.
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Modelos
Modelo RC
Flujo = corriente
Diferencia de presiones = ddp
R resistencia de vías aéreas
C complacencia
(L parámetro inductivo)
Si se considera el sistema lineal:
Pao = Z(w) V´(w)
Pao presión de vía aérea “air opening” = boca
Z(w) impedancia
V´(w) flujo
R
delta P
C
flujo aéreo
Estimación de Z(w)
• En respiración normal
• En ventilación asistida
• Estimulando con señales de presión “de
banda ancha” (parlantes, pistones, etc.)
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Diseño de un Equipo de medida en
ventilación espontánea
funciones del equipo para el usuario
• Presentación de las señales adquiridas f(t) y bucles
• Alarma de ausencia o deterioro de señales
• Cálculo y presentación del patrón respiratorio en
ventilación espontánea o mecánica
• Almacenado de señales en archivos para revisión
• Generación de informes sobre el estado ventilatorio
• Generación de curvas normalizadas para la historia
clínica electrónica (normas HL7, OpenHR etc.)
Pes
adaptación
aislación
Pa
V’
trans.
piezo.
trans.
piezo.
trans.
piezo.
difer.
adquisición A/D
procesamiento
señales en pantalla
informe
archivo y red
Tomado de MECVENT. 1987
Tomado de MONRES, 1995
Tomado de Jason Bates Pulm Mechan. 2006
Ing. Biomédica - Respiratorio
Equipos de medida
MECVENT
PREMAX
MONICLI
MONRES
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Bibliografía
• Pablo Lucerna, Monografía 2004
“Transductores de presión y de flujo”.
[email protected]
• Webster J. “Encyclopedia of Biomedical
Engineering”, Wiley 6 vol, 2006
• Simini F. “Ing. Biom.”, UR, 2007
Núcleo de Ing. Biomédica
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