Automação, Biologia, Eletrônica, Instrumentação, Mecânica, Medicina

Como funciona um ventilador pulmonar para COVID-19?

O assunto deste post é o funcionamento do ventilador pulmonar ou respirador, para tratamento de pacientes com COVID-19 ou Corona vírus.

Processo de respiração

Os músculos que atuam neste processo são: O diafragma e os músculos intercostais, estes ficam entre as costelas.

músculos intercostais

Durante a inspiração, o diafragma e os músculos intercostais se contraem, aumentando o volume dos pulmões e reduzindo a pressão destes, permitindo a entrada de ar. Na expiração, o volume dos pulmões é reduzido com o relaxamento do diafragma e dos músculos intercostais. Logo, a pressão se torna maior que a atmosférica.

respitação

A troca de gases acontece nos vasos capilares e alvéolos pulmonares, são sacos muito finos e flexíveis. O excesso de dióxido de carbono (CO_{2}) no sangue produz uma acidez tóxica para as células. 70% do CO_{2} no sangue fica no plasma na forma de íon bicarbonato (HCO_{3}^{-}), 7% é dissolvido no plasma e 23% fica na carbamino-hemoglobina (Hb\cdot CO_{2}). Quando o sangue venoso chega nos alvéolos, ocorre a chamada hematose pulmonar.

alveólos
Localização dos alvéolos pulmonares
troca de gases
PO2 e PCO2 são as pressões parciais do oxigênio e gás carbônico respectivamente.

A pressão do CO_{2} no sangue é maior do que dentro do alvéolo. Portanto, o CO_{2} dissolvido no plasma entra nos alvéolos por difusão e a outra parte se separa da hemoglobina. Os íons bicarbonatos entram nas hemácias para formar o ácido carbônico, este se degrada em CO_{2} e H_{2}O para entrar nos alvéolos.

CO_{2}+H_{2}O\rightleftharpoons H_{2}CO_{3}\rightleftharpoons H^{+}+HCO_{3}^{-}

Quanto ao oxigênio, 98,5% se junta com a hemoglobina formando a seguinte reação.

Hb+O_{2}\rightleftharpoons HbO_{2}

O resto do oxigênio é dissolvido no plasma.

Problema respiratório do COVID-19

O que acontece com o paciente com COVID-19, assumindo que ele não seja saudável para resistir ao vírus? O vírus infecta os alvéolos, gerando a resposta imunológica que causa inflamação. Logo, o interior do alvéolo fica com um fluido que dificulta a troca de gases.

Pneumonia
Fonte: Tua saúde.

A inflamação também pode atingir os brônquios e bronquíolos. Este é um vídeo do Hospital da Universidade George Washington, mostrando os pulmões com COVID-19. As partes danificadas estão em verde e amarelo.

Funcionamento do ventilador pulmonar para COVID-19

Vamos agora para a parte eletrônica. A função do ventilador pulmonar é levar oxigênio e tirar dióxido de carbono do paciente. Um saco plástico é pressionado regularmente por um mecanismo, cuja frequência é controlada eletronicamente.

ventilador pulmonar
Fonte: Caracol Radio.

O tubo que guia o ar para a pessoa pode ser não-invasivo, com uma máscara, ou invasivo, com um tubo colocado na traqueia, dependendo da situação da pessoa.

ventilador com máscara
Fonte: Techtudo.

Barotrauma e volutrauma

Estes são efeitos colaterais da respiração com ventilador pulmonar. Barotrauma é uma lesão no tecido pulmonar causada por pressão excessiva. O ventilador opera em uma frequência que não depende da pessoa, consequentemente, pode se tornar desconfortável. Se não entrar em sincronia com o diafragma e os músculos intercostais, vai aumentar a pressão nos alvéolos, podendo causar inflamação ou ruptura. Volutrauma é a lesão causada pela sobredistensão dos alvéolos. Pacientes com COVID-19 estão mais sujeitos a estas lesões.

Controle do ventilador pulmonar

Apenas injetar ar em uma faixa de frequência não é o suficiente. É preciso regular o fluxo de ar com um sistema de controle de loop fechado. Um sensor que detecta a atividade elétrica do diafragma, sensores de pressão e fluxo de ar são necessários para o controle de ar.

respirador
A tela do respirador mostra gráficos da pressão durante a inspiração (P), fluxo de ar (F) e o volume inspirado (V). Fonte: Auto+.

Outros componentes

diagrama do ventilador
Diagrama de blocos básico do ventilador pulmonar. Fonte: (Glowacki, 2011).

O fluxo de ar para o paciente é controlado por válvulas. Estas precisam de microcontroladores rápidos para responder às reações do corpo no momento certo. O misturador serve para o ar obter a quantidade certa de oxigênio. Antes de entrar na pessoa, o ar precisa ter um filtro para barrar bactérias, ser umedecido e aquecido para evitar danos ao tecido pulmonar. Por isso, possuem umidificador e nebulizador.

 

Liked it? Take a second to support Electrical e-Library on Patreon!

About Pedro Ney Stroski

1 thought on “Como funciona um ventilador pulmonar para COVID-19?

  1. Respondendo a alguns questionamentos sobre o respirador ser um saco plástico pressionado:
    O saco plástico pressionado vem da BVM (bolsa-máscara-válvula), um instrumento para injetar ar manualmente, que substitui a respiração boca-a-boca. Em algumas situações é usado por ser uma forma mais simples e barata. A ideia do saco plástico pressionado por um mecanismo é para reduzir custos de fabricação de ventiladores. Como expliquei no post, apenas injetar ar não é o suficiente, é preciso ter sensores, válvulas reguladoras, microcontroladores, filtro, etc.
    No final do post, o diagrama de blocos do aparelho não utiliza um saco plástico. Talvez deveria ter explicado porque muitos projetos de respiradores consistem em um saco plástico e da importância do PEEP, a pressão residual após a expiração. Obrigado pelo feedback.
    Se tiverem mais informações a acrescentar, me enviem e talvez possa virar um post, farei citações.

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *