¹ Dpto. de Ingeniería Electrónica, UNEXPO Vicerrectorado Puerto Ordaz

² Dpto. de Ingeniería Metalúrgica, UNEXPO Vicerrectorado Puerto Ordaz

(Recibido septiembre 2012, Aceptado noviembre 2012)

El aire entra y sale de los pulmones como resultado de cambios en la presión pulmonar que, a su vez, resultan de cambios en el tamaño de la cavidad torácica.

La Rehabilitación pulmonar es un programa para personas con enfermedades pulmonares crónicas como la enfisema, bronquitis crónica, asma, bronquiectasia y enfermedad intersticial pulmonar. La mayoría de los programas de rehabilitación pulmonar incluyen control médico, educación, apoyo emocional, ejercicio, re-entrenamiento respiratorio y terapia de nutrición. El propósito de la rehabilitación pulmonar es ayudar a las personas a vivir una vida completa y satisfactoria y a recuperarse de manera que puedan funcionar al nivel más alto posible de sus capacidades, es común encontrar hoy en día una serie de aparatos muy novedosos los cuales, a grandes rasgos, simulan el comportamientos de los pulmones, estos son llamados intercambiadores de gases.

El intercambiador de gases de componentes implica una combinación de muchos procesos que tienen lugar en los pulmones, el sistema vascular, y los tejidos corporales. Sin embargo, como una primera aproximación y como planta que cubre los sufrientes aspectos para este trabajo, vamos a restringir nuestra atención sólo a intercambio de gases se producen en los pulmones.

No es objetivo del artículo presentar estrategias nuevas de control, sobre las vías respiratorias sino inducir al lector a los posibles problemas desde un punto de vista de control automático, teniendo en mente una futura implementación experimental de estos modelos y algoritmos mostrados.

Las características de funcionamiento del intercambiador de gas son obtenidas al derivar las ecuaciones de balance de masa de CO₂ y O₂. Se inicia teniendo en cuenta el intercambio de CO₂,

Se supone que la tasa metabólica de producción de CO₂ es VC0₂, lo que es la velocidad a la que el CO₂ se entrega a la a los pulmones de la sangre que se irriga en la circulación pulmonar.

El aire entra y sale de los pulmones como resultado de cambios en la presión pulmonar que, a su vez, resultan de cambios en el tamaño de la cavidad torácica.

a) El aire entra a través de la nariz o de la boca y pasa a la faringe, entra en la laringe y sigue hacia abajo por la tráquea, bronquios y bronquiolos hasta los alvéolos de los pulmones.

b) Los alvéolos, de los que hay aproximadamente 300 millones en un par de pulmones, son los sitios de intercambio gaseoso.

c) El oxígeno y el dióxido de carbono difunden a través de la pared de los alvéolos y de los capilares sanguíneos. [1]

La eficacia del intercambio pulmonar de gases depende de:

1. Ventilación alveolar (Es la renovación periódica del gas alveolar).

2. Difusión alveolo – capilar (Implica el movimiento de las moléculas de O₂ y CO₂ entre el gas alveolar y la luz capilar.

3. Perfusión capilar Es el pasaje continuo de sangre a través de la circulación capilar pulmonar.

4. Relación ventilación / Perfusión La eficacia del intercambio gaseoso es máxima cuando dicha relación equivale a la unidad.

Además también depende de:

• Control de la ventilación (Adecuación al consumo de O₂ y a la producción de CO₂.

• Sistema de transporte de O₂ el cual depende de 2 factores:

-Contenido arterial de O₂.[2]

-Gasto cardíaco.

El funcionamiento de un intercambiador de gases genérico se muestra en las Figuras 2 y 3

Consta de dos simples partes:

La mecánica ventilatoria es explicada gráficamente en la Figura 4 de manera sencilla, el CO₂ se muestra en flechas blancas y el O₂ en flechas coloreadas.

Con 15 inspiraciones por minuto de 500 ml de aire tenemos una ventilación de 7500 ml por min.

Pero, ya que el volumen de aire que ventila el espacio muerto anatómico (150 ml) no participa en el intercambio de gases la ventilación efectiva o alveolar equivale a:

Además la Ventilación pulmonar es un proceso de respiración puede dividirse en 4 etapas:

1. Ventilación pulmonar (Es el movimiento de entrada y salida del aire).

2. Difusión de CO₂ y O₂ entre la atmósfera y los alvéolos.

3. Transporte de O₂ y CO₂ en sangre.

4. Regulación de la respiración y otros aspectos.

El pulmón flota en la cavidad torácica, ya que no tiene medios de fijación, excepto en la zona hiliar, a su vez, está rodeado por el líquido pleural que lubrica sus movimientos [3].

La ventilación alveolar representa la porción de la ventilación total V_E, que en realidad participa en el proceso de intercambio de gas. Parte de V_E se "desperdicia" en ventilar el gas no-intercambiado de las vías respiratorias en los pulmones; este flujo se conoce como "ventilación del espacio muerto", V_o. Por lo tanto, tenemos en la ecuación 1

Esta conversión se logra mediante el uso de la ecuación de gas ideal mostrada en la ecuación 3:

La ecuación anterior asume la temperatura del cuerpo va ser 37 ° C o 310ºK y una presión de vapor saturado de agua parcial de 47 mmHg a esa temperatura.

P_B representa la presión barométrica en las que el proceso de intercambio gaseoso se lleva a cabo, a nivel del mar, esto es 760 mmHg, pero el valor disminuye con el ascenso a gran altura. Al reordenarla ecuación, se obtiene la siguiente expresión para k mostrada en la ecuación 4:

El controlador respiratorio es un dispositivo que incluye quimiorreceptores, los circuitos neuronales en el cerebro bajo inciden o participan en la generación del ritmo respiratorio así como el manejo neural para respirar, y el control de los músculos respiratorios.

La respuesta de controladores de CO₂ ha sido mostrada en muchos textos y páginas web a los largo de la red, por lo general son lineales dentro del rango fisiológico.

Ante la falta de vigilancia, como por ejemplo durante el sueño, el control de salida cae rápidamente a cero (es decir, la apnea central tiene lugar) P_aCO2 cuando disminuye ligeramente por debajo de niveles normales de reposo estando despierto. La exposición a la hipoxia (es decir, cuando P_aO2 disminuye por debajo de 100 mmHg) conduce a un aumento en la inclinación de respuesta de CO₂, así como el control de salida ventilatorio. Por lo tanto, existe una fuerte interacción entre el CO₂ y O₂ a nivel del controlador [3].

Cunningham en 1974 ha modelado la salida del controlador ventilatorio (Vc) como la suma de una parte 0₂-independiente y un término en el que hay una interacción multiplicativa entre la hipoxia y hipercapnia:

Teniéndose en cuenta que la expresión anterior se convierte en cada vez menos válido cada vez que P_aO2 se aproxima al valor asintótico de 38,6, en el caso que Vc se convertiría en lo infinitamente grande. Entre las precauciones que tienen que ser tomadas para asegurar que P_aO2 no caiga por debajo de un intervalo fisiológicamente realista [4-5]

A continuación se muestra el intercambiador de gases implementado, en azul el subsistema encargado del intercambio CO₂ - O₂

El inicialmente bajo los valores de V_E podría producir un P_aCO2 y los niveles i los niveles de un bajo P_aO2, podrían actuar en la producción controlada de valores de Vc altos.

Sin embargo, a medida que aumenta V_E, los niveles de químicos en unidad disminuiría, en cambio, la disminución de Vc:

El punto de equilibrio en estado estacionario se establece en esa combinación de P_aCO2 y P_aO2 dos valores donde el nivel de V_E se vuelve igual a Vc.

Los resultados de dos simulaciones Simulink son mostrados en la Figura siguiente. En el primer caso (Figura 7), P_iO2 se fija igual a 150 mmHg (es decir, generalmente 21 ° ambiente) mientras P_ICO2 se fija igual a cero. Debido al valor de V_E inicialmente bajo, P_ICO2 y P_IO2 son inicialmente (aprox. 67 y aprox 65) mmHg, respectivamente, mientras que Vc es mayor que 20 Lmin^-1

Como V_E se incrementa, disminuye P_aCO2 mientras P_aO2 sube. La simulación se termina cuando se vuelve igual a Vc a V_E Esto ocurre a V_E = V_C = 6 Lmin^-1, P_ACO2 = 40 mmHg y P_AO2 = 100 mmHg.

En el caso (b), se simula una mezcla de inhalación de gas que contiene sólo 15% de O₂ o, equivalentemente, un paso ascendente a una altitud de 8500ft. Así, P_IO2 se fija igual a 107 mmHg mientras que P_ICO2 se deja en cero.

2. El modelado matemático obtenido mostró ser válido para simular la respuesta respiratoria.

3. El modelo permite conocer los cambios fisiológicos y sus repercusiones cuando los parámetros del ventilador son modificados.

4. El presente modelo se realizó con la limitación de que sólo predice la conducta de sistemas que cumplan con los criterios de inclusión en el trabajo (adultos, sin patología pulmonar subyacente.