Introduzione al Ventilatore
Un ventilatore è un dispositivo medico utilizzato per assistere la respirazione dei pazienti che non sono in grado di farlo da soli a causa di varie condizioni, come la sindrome da distress respiratorio, la BPCO, l’apnea ostruttiva del sonno e l’asma. In sostanza, il ventilatore fa entrare e uscire l’aria dai polmoni, aiutando il paziente a respirare.
Principi del Ventilatore
Un ventilatore funziona fornendo un flusso di aria o ossigeno ai polmoni, consentendo al paziente di assumere ossigeno ed espellere anidride carbonica. Questo è particolarmente importante per chi soffre di malattie respiratorie, in quanto può aiutarli a mantenere i livelli di ossigeno nel flusso sanguigno.
Componenti di un Ventilatore
Il ventilatore è una miscela di circuiti elettronici e circuiti meccanici dell’aria. La sua struttura generale è composta da nove parti: fonte di ossigeno, elettrovalvola, dispositivo di miscelazione dell’aria, valvola di limitazione della pressione, circuito di controllo della temperatura e dell’umidificatore, misuratore di resistenza delle vie aeree, valvola di respirazione, scatola di segnalazione e circuito di controllo dell’elettrovalvola.
Fonte di ossigeno
È un dispositivo di stoccaggio dell’ossigeno progettato per fornire al paziente l’ossigeno di cui ha bisogno per inalare. Solitamente fornito da un cilindro di ossigeno ad alta pressione o aria compressa.
Elettrovalvola
L’elettrovalvola è una valvola di apertura e chiusura per la “fonte di ossigeno”. La differenza tra questa e la valvola di regolazione meccanica è che è controllata elettricamente, ovvero controllando l’accensione e lo spegnimento della corrente della bobina dell’elettrovalvola per controllare l’apertura e la chiusura della valvola, in modo da far fluire o interrompere l’aria. Il suo principio di funzionamento è in qualche modo simile a quello delle normali staffette.
Miscelazione dell'aria
Il dispositivo di miscelazione dell’aria utilizza il principio della riduzione della pressione laterale del fluido ad alta velocità e inietta ossigeno dall’ugello ad alta velocità per generare un’area di pressione negativa. La pressione dell’aria su entrambi i lati è maggiore dell’area di pressione negativa e l’aria viene coinvolta nell’ossigeno che scorre ad alta velocità.
Valvola di limitazione della pressione
La valvola di limitazione della pressione è un dispositivo di limitazione della pressione del gas che garantisce che il gas venga erogato a una certa pressione. Quando la macchina lascia la fabbrica, è generalmente regolata a un’altezza di 6 kPa (60 cmH2O). Se la pressione dell’aria in uscita dalla macchina supera questo valore, il gas verrà rilasciato automaticamente per garantire la sicurezza del paziente.
Circuito di controllo della temperatura e dell'umidificatore
È un dispositivo a temperatura costante con acqua e gas a temperatura costante che possono entrare e uscire. Il dispositivo può evitare la stimolazione dei polmoni del paziente da parte dell’aria fredda, evitare la disidratazione della mucosa delle vie respiratorie e svolgere il ruolo di umidificazione, filtrazione e calore simile alle vie respiratorie umane. Il circuito di controllo della temperatura è un circuito utilizzato per regolare la temperatura dell’acqua nell’umidificatore e mantenerla costante.
Tabella di resistenza delle vie aeree
Questa tabella è un dispositivo utilizzato per indicare la resistenza delle vie aeree del paziente. Dalla resistenza delle vie aeree e dalla pressione della fonte di ossigeno, è possibile calcolare rispettivamente il contenuto di ossigeno (escluso il contenuto di ossigeno nell’aria) e il volume corrente.
Valvola di respirazione
È un dispositivo che utilizza metodi pneumatici per azionare due valvole per realizzare la combinazione organica di tre segnali di espirazione, decrittazione del chip IC e inalazione e pressione negativa. Quando si inspira, la valvola inspiratoria viene aperta e la macchina fornisce aria al paziente in una direzione. Quando si espira, la valvola inspiratoria viene chiusa e il gas espirato viene scaricato attraverso il tratto espiratorio.
Scatola di segnalazione
La scatola del segnale è composta da una coppia di contatti elettrici sigillati azionati da un diaframma elastico sensibile. Quando la pressione negativa di aspirazione raggiunge un certo valore, il contatto viene disconnesso e la scatola del segnale emette un segnale di impulso. In questo modo, la pressione negativa inspiratoria del paziente viene convertita in un segnale elettrico e immessa nel “circuito di controllo della valvola a solenoide” per realizzare l’effetto di controllo sulla valvola a solenoide.
Circuito di controllo della valvola a solenoide
È un sistema di controllo logico composto da circuiti digitali a impulsi, utilizzato per controllare l’apertura o la chiusura della valvola a solenoide. Infine, attraverso il circuito pneumatico, vengono realizzati la frequenza respiratoria richiesta, il rapporto tempo-respiro controllato dalla macchina, la respirazione sincronizzata e la conversione automatica tra respirazione attiva e passiva.
Tipi di ventilatori
Esistono diversi tipi di ventilatori che variano in termini di caratteristiche e capacità. I tipi di ventilatori più comunemente utilizzati includono:
Ventilatore a pressione positiva:
Il tipo di ventilatore più comune è il ventilatore a pressione positiva, che utilizza una combinazione di pressione dell’aria e flusso per fornire ossigeno ai polmoni. Questo tipo di ventilatore è spesso utilizzato nelle unità di terapia intensiva, dove le condizioni del paziente sono molto critiche. La pressione dell’aria aiuta a mantenere aperte le vie aeree in modo che l’aria possa fluire dentro e fuori dai polmoni. Alcuni ventilatori a pressione positiva possono essere utilizzati sia per la ventilazione a breve che a lungo termine.
Ventilatore a volume:
Questo tipo di ventilatore è progettato per fornire un volume specifico di aria ai polmoni del paziente. Questo tipo di ventilatore è tipicamente utilizzato per la ventilazione a lungo termine, come nei casi di insufficienza respiratoria cronica.
Ventilatore a controllo di pressione:
Questo tipo di ventilatore è progettato per controllare la pressione dell’aria fornita ai polmoni del paziente. Questo tipo di ventilatore è utilizzato per la ventilazione a breve termine, come nei casi di insufficienza respiratoria acuta.
Ventilatore a flusso variabile:
Questo tipo di ventilatore è progettato per variare il flusso di aria o ossigeno fornito ai polmoni del paziente. Questo tipo di ventilatore è utilizzato per la ventilazione a lungo termine, come nei casi di insufficienza respiratoria cronica.
Ventilatore non invasivo:
Questo tipo di ventilatore è progettato per fornire aria o ossigeno al paziente senza la necessità di intubazione o tracheostomia.
Progettazione del ventilatore
I ventilatori sono disponibili in una varietà di design, ma generalmente tutti hanno alcune caratteristiche comuni. Il design di un ventilatore è costituito da un sistema di flusso d’aria, una maschera, un sistema di controllo e un monitor. Il sistema di flusso d’aria è responsabile della fornitura dell’aria o dell’ossigeno che viene fornito al paziente. La maschera è la parte del ventilatore che viene posizionata sul viso del paziente, consentendo all’aria di essere fornita ai polmoni. Il sistema di controllo è responsabile della regolazione del flusso d’aria e del controllo della sua pressione, mentre il monitor viene utilizzato per monitorare la frequenza respiratoria del paziente e i livelli di ossigeno.
Ecco un esempio di design dal sistema di ventilazione PB560 di Medtronic.
Diagramma a blocchi
Schema
Struttura CAD
Uno degli elementi più importanti nella progettazione di un ventilatore è la sicurezza. Il dispositivo deve essere progettato tenendo presente la sicurezza, assicurando che il paziente non sia esposto ad alti livelli di pressione dell’aria o di ossigeno che potrebbero essere potenzialmente pericolosi. Inoltre, il dispositivo deve essere progettato per essere facile da usare e da mantenere, per ridurre al minimo il rischio di uso improprio accidentale.
Negli ultimi anni, sono stati fatti molti progressi nella progettazione dei ventilatori. Molti ventilatori moderni sono progettati per essere portatili, consentendo loro di essere utilizzati in una varietà di ambienti. Inoltre, molti ventilatori ora includono funzionalità come il monitoraggio automatico della pressione, impostazioni di pressione variabili e allarmi per avvisare l’utente se i livelli di ossigeno diventano troppo bassi.
Conclusione
Questo post introduce il principio, le parti e la progettazione del ventilatore. È un metodo importante per prevenire e curare l’insufficienza respiratoria o altri trattamenti di supporto. Se desideri realizzare una progettazione o un reverse engineering dei ventilatori, allora contattaci per supporto.
