Diseño Ventilador Mecánico: 8 Pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Introducción

Este proyecto busca crear un circuito neumático, electrónico y eléctrico, para la construcción de un prototipo de Ventilador mecánico encargado de prestar soporte vital a personas con problemas respiratorios. Con el objetivo de crear un mecanismo más robusto, propone una serie de sensores y actuadores sensores de análisis del ritmo respiratorio. Con esto en mente, mira los siguientes parámetros: Porcentaje de oxígeno y aire (Blender), control de presión y flujo, análisis de volumen, análisis exhalatorio, humedad del gas y visualización de gráficos del proceso. Todo esto regido por las directrices establecidas por la OMS (Organización Mundial de la Salud) expuestas el 2 de marzo de 2020

Enlace de descarga:

Realizare un código base y lo subiré en los próximos días

Los archivos neumáticos y electrónicos están disponibles para su descarga, si encontramos algún error o algún comentario agradecería el comentario, de esta manera llegar a tener un proyecto más completo.

Sin mas que decir empecemos….

Paso 1: Concepto De Ventilador Mecánico

Definición

La VM es un procedimiento de respiración artificial que sustituye o ayuda a la función ventilatoria de los músculos inspiratorios. No es una terapia, es una intervención de apoyo, una prótesis externa y temporal que ventila al paciente mientras se corrige el problema que provoca su instauración.

Objetivos

Fisiológicos

• Proporcionar una ventilación alveolar adecuada. • Mejorar la oxigenación arterial.

• Abrir y distender la vía aérea y unidades alveolares. • Aumentar la capacidad residual funcional, impidiendo el colapso alveolar y el cierre de la vía aérea al final de la espiración.

• Descargar los músculos ventilatorios.

Clínicos

Revertir la hipoxemia.

• Corregir la acidosis respiratoria.

• Aliviar la disnea y el sufrimiento respiratorio.

• Prevenir o resolver atelectasias.

• Revertir la fatiga de los músculos respiratorios.

• Permitir la sedación y el bloqueo neuromuscular.

• Disminuir el consumo de O2 sistémico o miocárdico.

• Reducir la presión intracraneal.

• Estabilizar la pared torácica.

Fuente:

Paso 2: Diferencia De Ventiladores

En el mercado se encuentra una gran variedad de ventiladores. En este caso especificaremos dos, los Ambu y los Ventiladores Mecánicos (El que se desea realizar)

El resucitador ambu es un dispositivo que proporciona soporte vital al paciente por medio de una bomba o balón autohinchable cumpliendo la función de tomar aire del exterior y bombearlo al sistema respiratorio del paciente mediante la compresión del balón y gracias a una válvula anti retorno o discrecional evita que el aire exhalado del paciente retorne al balón, este sistema también puede replicar de manera automatizada, sin embargo es un sistema controlador, es decir da un soporte ventilador completo, suple la función respiratoria del paciente en su completo, en tratamientos largos sistema puede afectar el sistema respiratorio del paciente generando dependencia del respirador.

El ventilador mecánico, es un sistema automatizado para soporte vital respiratorio, se caracteriza por tener sensores de presión y flujo, especificación de análisis el comportamiento del sistema respiratorio del paciente y del sistema interno de la máquina, licuadora (unión de oxígeno y aire), interfaz gráfica, control de volumen y presión programable. La principal ventaja de utilizar un Ventilador Mecánico es la capacidad de realizar diversos sistemas de control: controladora, controladora asistido, con relación IE invertida, diferencial o pulmonar independiente, etc. corto mediano y largo plazo. El diseño presentado cumple con las especificaciones sugeridas por la OMS (Organización Mundial de la Salud) descritas en la imagen.

Mas informacion:

especialidades.sld.cu/enfermeriaintensiva /…

www.paho.org/es/documentos/especificacione…

Paso 3: Sistema Neumático- Licuadora

Licuadora

Es el encargado de unir el aire y el oxigeno en porcentajes específicos, para esto se hace un análisis por medio de sensores y manualmente se controla el porcentaje por medio de las válvulas Puesto que el mezclador es un equipo costo se propone el siguiente sistema q constante Delaware:

Válvulas estranguladores: Son las encargadas de determinar la cantidad de flujo que pasa de oxigeno y de aire por el sistema y controlar el porcentaje de cada una de las mismas

Sensores de presión y flujo: Son los encargados de análisis el porcentaje de flujo y presión (la referencia del sensor especificada contemplar las presiones modificadas en hospitales para dichos gases) y mostrarlo en forma de porcentaje en el hmi o interfaz gráfica mientras se controla manualmente por el funcionario de salud

Válvulas anti retorno: Encargadas de evitar que los gases choquen y el retorno de los mismos

Acumulador: Cumple la función de retención de los gases unidos hasta que requiera el paciente

Paso 4: Sistema Neumático-Humidificador

Humidificador

Cumple la función de aportar humedad a los gases reduciendo el riesgo de que se multipliquen los microorganismos causantes de múltiples infecciones respiratorias, y facilita la inhalación del paciente.

Partes de humidificador (no descritas en el plano porque se encuentra comercialmente con facilidad)

• Resistencia: Encargada de evaporar agua estéril
• Recipiente: Recipiente metálico capaz de transmitir el calor de la resistencia
• Motor: Desplaza el vapor
• Intercambiador: Combina el vapor y el gas

Unidad de mantenimiento: Control de presión que llega al paciente

Llaves de paso: Encargadas de determinar si la línea principal pasa por el Humudificador o directo a vía principal

Paso 5: Sistema Neumático- Control

Controlar

Específicamente para el control de los ventiladores mecánicos se utiliza una válvula proporcional o una válvula servontrolada para determinar el flujo del gas, sin embargo puesto que estas válvulas no son de fácil acceso y tienen un costo elevado, se propone la utilización de válvulas estranguladoras acopladas a un motor paso a paso.

Válvulas estranguladoras: Permiten el paso regulado de flujo de aire manualmente por tornillo

Motor nema 17: Motor paso a paso de 200 pasos 1, 8 grados / paso con una velocidad recomendada de 1ms por paso (se especifica el circuito en la parte electrónica)

Acople rígido: encargado de unir la válvula estranguladora con el motor paso a paso

En la imagen se puede observar el método de conexión entre los tres componentes identificados y el símbolo en el circuito neumatico

Paso 6: Sistema Neumático- Ventilador Paciente

Ventilador paciente

Esta propuesta es muy variable, puede cambiar la mayoría de Electro válvulas 2/2 por otras válvulas como 3/2 o de escape rápido. Esta es mi propuesta

Línea Principal

• Sensores de presión y flujo en la parte izquierda: encargados de analizar la presión (en este caso tiene un rango acorde a lo especificado por la OMS) y volumen del gas que ingresa al paciente,
• Sensores de presión y flujo de la derecha: se encargan de analizar la respiración del paciente, el sensor de presión de este punto analiza las presiones negativas para hacer análisis de la exhalación (todas las referencias están expuestas en cada uno de los planos)
• Electro válvula 2/2: permite el paso del gas, activar / desactivar, colocar el control de la presión y el volumen previamente establecido
• Válvulas anti retorno: evita que retorne el gas y permite en la exhalación analizar presiones negativas

Líneas anexas a la principal

• Electro válvula 2/2 superior: permite que el paciente respire directamente del ambiente, esta puede ser remplazada con diversas válvulas, esta es una de las opciones
• Electro válvula 2/2 inferior: Se utiliza para disminuir la presión en caso de ser muy alta y del sistema de seguridad, al igual q la anterior se puede reemplazar por diversas válvulas

Línea de exhalación (línea que va desde los pulmones hacia abajo)

• Válvula anti retorno: permite que en la inhalación no pase aire ambiente
• Electro válvula 2/2: permite el escape de aire

Los filtros utilizados en todo el circuito son para limpieza del gas

Paso 7: Electrónica- Eléctrica

Electrónica eléctrica

El funcionamiento del sistema consta de 5 partes: controlador, potencia, adquisición de datos, hmi (interfaz usuario maquina) y control. Archivo listo para descarga en PDF

Controlador

ESP32: Verifique la utilización de esta plataforma por su velocidad de procesamiento, su capacidad para interrupciones físicas y de tiempo, su bajo costo, facilidad de programación, opciones de comunicación inalambrica, número de pinos, y fácil adquisición

Adquisición de datos

• Sensores de presión: Las tres referencias de sensores, son diferenciales, en todos los casos se tratan el diferencial con respecto al ambiente, su conexión es sencilla 5V, GND, y Salida de señal, como se especifica en el circuito
• ADS1115: Es un convertidor análogo digital de 16 bits (realmente es de 15) con resolución una de 0.15 mV, de 0V a 5V dc, gracias a esto es posible leer la señal de los sensores de presión sin la necesidad de un amplificador operacional, este tiene una comunicación de I2C
• Sensores de flujo: Los sensores vistos en el esquemático funcionan con pulsos, estos pulsos (1 giro) se deben analizar con un temporizador, relacionando la cantidad de giros con respecto al tiempo. sin embargo aconsejo cambiarlos por un sensor de hilo caliente, para mejor precisión y mejor higiene a la hora de limpiar y hacer mantenimiento al equipo
• TXS0108: Conversor de nivel lógico se utiliza para convertir comunicación Serie e I2C de señales de 5V a 3.3V y viceversa

Potencia

Se realiza dos etapas de potencia tomando en cuenta el tipo de solenoide ya sea AC o DC segun lo requerido el fabricante

California

• SSR40D: Es un rele de estado sólido, se caracteriza por tener una larga vida útil, y una buena resistencia a las altas frecuencias de conmutación
• Solenoide AC: es el encargado de hacer conmutar la válvula, en este caso se energiza a 110V AC

corriente continua

• IRF520N: Es un Mosfet de potencia, utilizado para la conmutación del solenoide de 24V, se acciona desde 3.3V
• Solenoide DC: es el encargado de hacer conmutar la válvula, en este caso se energiza a 24V DC

HMI

• Pantalla NEXTION: es una pantalla táctil capaz de mostrar gráficas en tiempo real, se comunica por serie y tiene una gran facilidad de programación gracias a tener su propia interfaz para la misma
• Codificador: Se utiliza para determinar en el menú mostrado en la pantalla la opción requerida, esto con el fin de dar más vida útil a la pantalla
• Pulsador: Son los encargados realizan la opción de retorno y paro de emergencia del equipo.

Controlar

• Motor nema 17: Es un motor paso a paso con 200 pasos por vuelta, encargado de mover la válvula estranguladora, según requisitos de la persona encargada
• Driver A4988: Es el encargado de la potencia del motor y el control, este se maneja con dos pines dir (direccion) step (paso)

Fuente

Se aconseja utilizar una fuente de computador puesto que contiene todos los voltajes requeridos para el circuito

Los archivos neumáticos y electrónicos los pueden descargar directamente por esta plataforma de forma directa

Enlace de descarga:

www.mediafire.com/file/3jvqzmoegv177sn/Ventilador_Mec%25C3%25A1nico.rar/file