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Ventiladores pulmonares e concentradores e oxigênio – como funcionam (MA140)

Nesse momento em que milhões de pessoas são atacadas pelo Covid-19 ou Corona Vírus, a necessidade de se atender os casos mais graves leva imediatamente à dois equipamentos fundamentais para manutenção da vida: o ventilador pulmonar ou respirador e o concentrador de oxigênio. Com a expansão da doença e a entrada no mercado de milhares de unidades desses aparelhos, não só o conhecimento de seu princípio de funcionamento pelos que atendem as vítimas e operam os aparelhos é importante, como também
para os eventuais profissionais da área eletrônica que desejem fazer sua manutenção. Mais do que isso, os leitores com habilidades adicionais podem até fabricar esses aparelhos, iniciando assim uma atividade nova importante.
Neste artigo focalizamos o princípio de funcionamento destes equipamentos assim como damos algumas informações importantes para um eventual projeto.

 

Existem casos em que um paciente não consegue ter uma respiração conveniente por diversos motivos. Um deles é a incapacidade de ativar o pulmão de modo que ele bombeie o ar. Outro, como ocorre no caso do corona vírus é a presença de secreções que afetam a chegada do ar de forma apropriada.

Para estes casos, o ar deve então ser bombeado para que chegue até os pulmões, levando assim a oxigenação necessária.

Para esta finalidade, são usados equipamentos médicos denominados ventiladores pulmonares e concentradores de oxigênio cuja finalidade é forçar através de pressão o ar externo para que chegue aos pulmões do paciente, e ainda aumentar a concentração de oxigênio, produzindo assim a necessária oxigenação, que é responsável pela manutenção da vida.

Os ventiladores pulmonares podem ter os mais diversos graus de complexidade. Podem ser simples bombas de pressão, com alguns recursos de controle que impeçam o excesso de pressão capazes de causar danos, até os mais sofisticados que aumentam a concentração de oxigênio e possuem recursos que monitoram a oxigenação do paciente controlando assim o nível de pressão do ar que é forçado, além de outros.

Lembramos que o ar que respiramos contém apenas algo em torno de 20,8%, sendo 78% de nitrogênio, que é inerte e os 2,2% restantes de diversos outros gases como o gás carbônico, argônio, vapor d’água, etc.

Assim, num equipamento mais simples, em que bombeamos o próprio ar ambiente, devemos considerar que apenas 20% dele é oxigênio. Num caso em que o paciente necessite de mais oxigênio, o dispositivo deve ser capaz de concentrar também o oxigênio e não apenas bombeá-la, havendo então recursos para isso. Nesse caso, temos os concentradores de oxigênio. Vejamos então como funcionam.

 

Como funciona

No tipo básico, mais simples, o que temos é uma bomba de ar que retira o ar do próprio meio ambiente e fazendo com que ele passe através de filtros e válvulas que fazem a dosagem, para que pressão excessiva não venha causar danos ao paciente, o aplica através de um tubo ao pulmão do paciente. Também existem casos mais leves em que podem ser usadas máscaras.

 

Figura 1
Figura 1

 

 

Podemos, entretanto, ter tipos mais avançados em que a concentração de oxigênio pode ser obtida e controlada. Neste caso, podemos dizer que o dispositivo também é um concentrador de oxigênio.

Um tipo básico é mostrado na figura 2 em que se usam filtros para concentrar o oxigênio.

 

Figura 2
Figura 2 | Clique na imagem para ampliar |

 

Neste tipo de equipamento temos um motor que aciona um compressor que retira o ar do meio ambiente e através de válvulas solenoides de 4 vias o aplica em dois filtros. A proporção em que os filtros atuam determina a concentração do oxigênio, podendo ser ajustada em valores que chegam a 95%.

Os filtros são baseados em materiais denominados macroporosos que possuem poros cujas dimensões se comparam a de átomos ou moléculas individuais. Assim, uma “rede” feita com esses materiais pode deixar passar moléculas de forma seletiva, por exemplo, do oxigênio, mas impedindo a passagem de outros gases. São os denominados filtros moleculares.

Obtemos então oxigênio com diversos graus de pureza os quais podem então ser levados ao paciente.

 

A eletrônica em ação

Num projeto mais elaborado, com mais eletrônica, podemos agregar uma funcionalidade que leva a mais segurança e melhores efeitos.

Um exemplo é dado no diagrama de blocos de um ventilador que também concentra o oxigênio, usando um microcontrolador. (figura 3)

 

Figura 3 – Diagrama do Ventilador Mecânico – 1 – Ar Comprimido, 2 – Oxigênio Comprimido , 3 – Misturador , 4 – Filtros, umidificador, nebulizador, 5 – Paciente.
Figura 3 – Diagrama do Ventilador Mecânico – 1 – Ar Comprimido, 2 – Oxigênio Comprimido , 3 – Misturador , 4 – Filtros, umidificador, nebulizador, 5 – Paciente.

 

 

Neste projeto, por exemplo, em lugar de filtros concentradores foi usada uma fonte de oxigênio externa para se obter uma mistura com a proporção desejada.

Esta proporção é dada por informações captadas por sensores no paciente (oximetria) e levada a um microcontrolador. Esse microcontrolador, além de determinar a proporção de oxigênio que deve ser bombeada também atua sobre os controles de pressão e eventualmente aciona um alarme em caso de necessidade.

Numa variação deste projeto, podemos ter a obtenção da mistura através de filtro, sem a necessidade e de um balão externo de oxigênio. Evidentemente, os valores das concentrações, pressões, oxigênio monitorado devem ser obtidos de literatura apropriada, havendo algumas disponíveis na Internet, como o trabalho disponível em: http://www.peb.ufrj.br/teses/Tese0024_2005_12_09.pdf

O projeto de aluna da UFRJ que apresenta este trabalho, Andrea Fonseca da Cruz, foi originalmente criado para pequenos animais, mas serve perfeitamente como base para um projeto avançado como o que damos a seguir.

 

Projeto Avançado

Em nosso artigo ART4358, em que tratamos de projetos de equipamentos médicos com componentes da Texas Instruments, demos como exemplo um concentrador de oxigênio sofisticado, totalmente suportado pela empresa.

O diagrama de blocos deste respirador (ventilador) ou concentrador de oxigênio é dado na figura 4.

 

Figura 4 – Diagrama de blocos para diversas soluções usando componentes da Texas Instruments. Veja em > http://www.ti.com/solution/oxygen-concentrator.
Figura 4 – Diagrama de blocos para diversas soluções usando componentes da Texas Instruments. Veja em > http://www.ti.com/solution/oxygen-concentrator. | Clique na imagem para ampliar |

 

Neste projeto, obviamente, o elemento central é o microcontrolador. Indo ao site da Texas e clicando no microcontrolador, verificamos que existem muitas opções para um projetista. Ele pode usar um microcontrolador mais simples que tenha conexões por fios com os periféricos, tanto em versões de baixo consumo para um dispositivo portátil, como normais. As capacidades de processamento podem variar.

Da mesma forma temos opções de conectividade como, por exemplo, conexões sem fio com os sensores ou ainda acesso a rede WiFi para envio de dados em tempo real a uma equipe médica.

Imagine a equipe médica ter no celular o acesso a cada paciente que esteja usando o aparelho, recebendo informações em tempo real e até mesmo alertas.

Neste mesmo diagrama temos ainda as opções de controle para os motores usados que podem ser das mais diversas tecnologias como, motores de passo, motores sem escova, motores comuns, etc.

E, evidentemente temos ainda os componentes de apoio como os que fazem parte de uma fonte de alimentação, componentes de proteção contra surtos na rede de energia, amplificadores operacionais para serem usados com sensores e efetores e muito mais.

Existem ainda as aplicações específicas que estão disponíveis como, por exemplo, os circuitos usados na oximetria, medida de temperatura, medida de pressão e muito mais.

Veja que a sofisticação do projeto pode atingir altos graus, dependendo do que seja desejado. Desde uma máquina simples com o básico, e consequente redução do preço, até uma máquina sofisticada com todos os recursos que a tecnologia moderna pode dar.

 

Para os makers

O futuro está prometendo mudanças radicais no nosso modo de vida. A disruptura que o Corona Vírus está provocando está mostrando que, quando tudo passar, o mundo será diferente.

Muitas atividades que até então eram comuns vão deixar de existir. A rápida adoção da tecnologia digital, principalmente a Internet, imposta pela pandemia vai fazer com que não voltemos aos costumes anteriores.

Lojas vão desaparecer substituídas pelas compras pela Internet, eventos serão virtuais e muitas pessoas vão trabalhar exclusivamente em casa.

No entanto, o ser humano não vai mudar e quando estiver com problemas ainda vai procurar um médico ou um hospital. Os equipamentos médicos, não apenas vão se tornar mais sofisticados, como também conectados, fazendo parte de um mundo único em que o seu médico, monitora seu corpo através de um aparelho que serve de interface.

Os respiradores ou ventiladores pulmonares, os concentradores de oxigênio conectados são exemplos de equipamentos que vão fazer parte de nosso mundo futuro. Você pode ser o desenvolvedor, fabricante, vendedor ou responsável pela manutenção deles.

Nota: veja o artigo Oximetria de Pulso – MA035.

 

 

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