Ingeniería Biomédica 2009

1. Ingeniería Biomédica 2009 Instrumentación para medidas respiratorias Prof. Agr. Ing. Franco Simini Núcleo de Ing. Biomédica Facultades Medicina e Ingeniería simini@fing.edu.uy www.nib.fmed.edu.uy

2. Lo que se sabe sobre la mecánica ventilatoria deriva de lo que se puede medir: • presiones • flujos de aire • volúmenes

3. Desarrollo de instrumentos para medir, documentar y controlar parámetros de la mecánica ventilatoria

4. 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)

5. Elementos para proyectar equipos de estimación de parámetros de la mecánica ventilatoria: Transductores Modelos matemáticos Capacidad de procesamiento Presentación Comandos

6. Ing. Biomédica - Respiratorio Transductores Neumotacógrafo Transductor de presión Piezoresistivo

7. 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

8. neumotacógrafo Transforma un flujo aéreo en una delta P proporcional al flujo • flujo laminar • evitar condensación

11. Principio del transductor piezoresistivo: Cambio de resistividad de un material que se deforma por efecto de una diferencia de presión entre sus dos caras

12. Op Amp regul V presión P1 resistores remachesss 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 transductor de presión piezoresistivo La resistencia de un cristal piezoresistivo varía con la presión ejercida sobre él. Se mide luego con un puente.

13. Principios de medidas de volumen pulmonar • Integración de flujo aéreo • Pletismografía

14. Vc=500 mL Volumen INSPIRACION ESPIRACION INSPIRACION ESPIRACION Tiempo

15. Séñales tomadas de MONICLI flujo aéreo volumen = integral de flujo

16. flujo aéreo volumen = integral de flujo Séñales tomadas de MONRES

17. 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)

19. Ing. Biomédica - Respiratorio Señales

22. 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

23. CPT capacidad pulmonar totalVR volumen residualCRF capacidad funcional residual CV cap. vital =CPT-VRVc volumen corrienteVRI volumen residual inspVRE volumen residual esp

24. Ing. Biomédica - Respiratorio 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)

25. Ing. Biomédica - Respiratorio 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).

26. f Vc VE Vc/Ti Ti Ti/Ttot P0.1 12.5  2.7 cpm = 0.2 Hz 0.53  0.15 Litros 6.54  1.91 L/min 266  60 ml/s 1.97  0.33 s 0.41  0.06 1.06  0.3 cm H2O Orden de magnitud de valores del “Patrón Ventilatorio Normal”

27. Ing. Biomédica - Respiratorio Bucles Volumen (x) – Flujo (y) Resistencia Presión (x) – Volumen (y) Trabajo Complacencia C

28. Trabajo We+Wrárea 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.

30. Ing. Biomédica - Respiratorio Modelos Modelo RC Flujo = corriente Diferencia de presiones = ddp R resistencia de vías aéreas C complacencia (L parámetro inductivo)

31. Si se considera el sistema lineal: Pao = Z(w)V´(w) Pao presión de vía aérea “air opening” = bocaZ(w) impedanciaV´(w) flujo

32. R delta P C flujo aéreo

33. Estimación de Z(w) • En respiración normal • En ventilación asistida • Estimulando con señales de presión “de banda ancha” (parlantes, pistones, etc.)

34. Ing. Biomédica - Respiratorio Diseño de un Equipo de medida en ventilación espontánea

35. 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.)

36. adaptación aislación Pes Pa V’ trans. piezo. trans. piezo. trans. piezo. difer. adquisición A/D procesamiento señales en pantalla informe archivo y red

37. Tomado de MECVENT. 1987

38. Tomado de MONRES, 1995

39. Tomado de Jason Bates Pulm Mechan. 2006

40. Ing. Biomédica - Respiratorio Equipos de medida MECVENT PREMAX MONICLI MONRES Ver www.nib.fmed.edu.uy

41. Bibliografía • Pablo Lucerna, Monografía 2004 “Transductores de presión y de flujo”. plucerna@adinet.com.uy • Webster J. “Encyclopedia of Biomedical Engineering”, Wiley 6 vol, 2006 • Simini F. “Ing. Biom.”, UR, 2007

42. Núcleo de Ing. Biomédica www.nib.fmed.edu.uy