Research on Biomedical Engineering
https://rbejournal.org/article/5889fb755d01231a018b4638
Research on Biomedical Engineering
Original Article

Controlador automático da ventilação pulmonar mecânica: projeto e simulação

Automated control of the mechanical pulmonary ventilation: design and simulation

Jandre, Frederico C.; Pino, Alexandre Visintainer; Ascoli, Fabio; Giannella-Neto, Antonio

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Resumo

Um controlador em malha fechada da ventilação pulmo nar mecânica foi projetado, para (a) controlar a pressão parcial de CO2 no fim da expiração (Pet CO2 ), e (b) varrer a pressão positiva de fim de expiração (PEEP) em busca da mínima elastância estimada do sistema respiratório ( E ˆ ). O algoritmo incluiu um controlador proporcional mais in tegral (PI) para a meta (a) e descida de gradiente usando o método dos mínimos quadrados recursivo (MQR) para a meta (b). Uma função objetivo afim à proteção pulmonar inseriu uma restrição ao controlador PI, forçando uma ra zão fixa entre pressão alveolar e pressão resistiva de pico (Palv /Pres. ). Um simulador numérico do controlador foi implementado para testar seu desempenho em um mode lo animal. Os ganhos do controlador foram otimizados pela minimização da integral do sinal de erro quadrático da medida da Pet CO2 . A simulação mostrou que o controlador atinge os objetivos, sem oscilações sustenta das e com erro nulo na PEEP e na Pet CO2 .

Palavras-chave

Controle automático, ventilação mecâni ca, sistema respiratório, lesão pulmonar, simulação.

Abstract

A closed-loop controller for the mechanical lung ventilation was designed, seeking (a) to control the end-tidal CO2 partial pressure (Pet CO2 ) and (b) to scan the positive end-expiratory pressure (PEEP) to find the minimal estimated elastance of the respiratory system ( E ˆ ). The algorithm included a proportional plus inte gral (PI) controller for aim (a) and a gradient descent method using the recursive least squares (RLS) for aim (b). A protection related objective function was inserted as a constraint to the PI controller, forcing a fixed ratio between peak alveolar to peak resistive pressure (Palv /Pres. ). A numerical simulator of the controller was implemented to test its performance in an animal model. The controller gains were optimized by the minimization of the integral squared Pet CO2 error. The simulation showed that the controller achieved its goals, without sustained oscillations and with zero steady-state error in PEEP and Pet CO2 .

Keywords

Automatic control, mechanical ventilation, respiratory system, lung injury, simulation
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