PRINCIPI DI INGEGNERIA NELLA VENTILAZIONE POLMONARE

1. OMNIA GROUP
PRINCIPI DI INGEGNERIA NELLA
VENTILAZIONE POLMONARE

2. Il gruppo di lavoro
Ing. Cristian VERALDI
Specialista dispositivi medici – OMNIA Group

3. Descrizione
Nell’ambito della categoria Award “Formazione continua e training professionale”
si è deciso di aprire un focus su un tema ampiamente discusso negli ultimi anni
con l’avanzata della pandemia, ossia la ventilazione polmonare, riassumendo
alcuni aspetti fondamentali in ambito ingegneristico.
Comprendere il significato fisiologico della meccanica respiratoria e portarla su un
aspetto tecnico/ingegneristico consente di assimilare in modo chiaro cosa ruoto
attorno alla ventilazione meccanica e conseguentemente comprendere i principi
di funzionamento di un moderno ventilatore polmonare.
Pertanto dopo un brevissimo excursus sui principi fisiologici che regolano la
meccanica respiratoria si tenterà di far comprendere le analogie con le nozioni
elementari di elettrotecnica al fine di introdurre il comportamento basilare di un
ventilatore polmonare.

4. Obiettivi e destinatari del lavoro
OBIETTIVI:
Descrivere i principi chiave che regolano la meccanica respiratoria che stanno alla
base di un ventilatore polmonare.
Comprendere pertanto i principi di ingegneria che regolano la fisiologia
polmonare e introdurre quindi le basi tecniche che governano un ventilatore
polmonare.
DESTINATARI:
Tutti gli ingegneri clinici e biomedici che si occupano di ventilazione polmonare.
Tutti gli attori coinvolti nel vasto mondo dell’ingegneria clinica afferenti alle
società di gestione, agli enti ospedalieri e ad agli istituti privati.
Tutti gli attori del comparto clinico interessati ad approfondire le basi della
ventilazione polmonare

5. Descrizione
La ventilazione polmonare dipende dai
cambiamenti di pressione all'interno
della cavità toracica aumentando il
volume della cavità toracica sotto
l'azione dei muscoli inspiratori.
Per generare il flusso è necessario un
gradiente di pressione.
RESPIRAZIONE
SPONTANEA
DP → pressione alveolare – pressione atmosferica
Quando il diaframma si contrae, il volume
della cavità toracica aumenta, la pressione
diminuisce (legge di Boyle) e i polmoni si
espandono automaticamente richiamando
aria.
𝑃1 ∗ 𝑉1 = 𝑃2 ∗ 𝑉2
La variazione di volume degli alveoli
genera dei flussi d’aria da e per gli aveoli e
per la legge di Hagen-Poiseuille:
𝐹 =
∆𝑃
𝑅

6. Descrizione
VENTILAZIONE MECCANICA
▪ In condizioni patologiche con un drive
respiratorio del paziente compromesso, è
necessario l’ausilio di un dispositivo esterno che
si sostituisca alla ventilazione spontanea.
▪ In anestesia, invece, è il medico anestesista ad
indurre una meccanica respiratoria inattiva sul
paziente con la sedazione e la curarizzazione, ed
è pertanto necessario un ventilatore esterno,
nella fattispecie, la macchina per anestesia per
garantire il processo di respirazione.
In entrambi i casi la
ventilazione meccanica
deve essere protettiva
per non danneggiare il
polmone e contribuire a
migliorare l'esito del
paziente.
Ventilazione che può essere controllata o assistita e a
sua volta può essere controllata a volume o a pressione

7. Descrizione
Analogie con
elettrotecnica
Esistono delle analogie tra le grandezze caratteristiche della
fisiologia polmonare e le grandezze elettriche: è possibile
equiparare la carica elettrica ad un volume di gas, la
corrente elettrica al flusso di gas, la differenza di potenziale
ad un gradiente pressorio, la capacità elettrica di un
condensatore alla compliance polmonare e la resistenza
elettrica alla resistenza delle vie aeree.
Considerando l’Equazione caratteristica di
moto del sistema respiratorio e
derivandola rispetto al tempo si ottiene
una equazione esponenziale funzione del
tempo
ሶ
𝑉 𝑡 = ሶ
𝑉0𝑒−
𝑡
𝑅𝐶
Dove ሶ
𝑉0 è il flusso all’inizio della fase
di inspirazione e RC = costante di
tempo t
Circuito equivalente
sistema respiratorio

8. Descrizione
L’analogia appena descritta, partendo dal circuito equivalente di un sistema respiratorio,
ci porta a comprendere l’analogia con i principi che regolano la carica e la scarica di un
condensatore simile al sistema polmonare.
t il tempo richiesto per caricare il
condensatore attraverso il resistore al
63,2 % della sua capacità di carica totale;
oppure per scaricarlo al 36,8 % della sua
differenza di potenziale (in volt).
t è il tempo necessario al polmone per svuotarsi del 63,2%
Curva di flusso in modalità a
Volume controllato
Curva di flusso in modalità a
Pressione controllata
Un ventilatore polmonare è composto tipicamente da un
circuito pneumatico, un motore elettrico e un
microprocessore che regola e riceve informazioni da
trasduttori di flusso, trasduttori di pressione e valvole.

9. Risultati
Si è tentato di stimolare il lettore a capire le analogie tra la meccanica respiratoria
e l’elettrotecnica fornendo dei principi essenziali che governano l’intero processo
fisiologico, al fine di comprendere i principi ingegneristici che regolano il
funzionamento di un moderno ventilatore polmonare.
Il percorso descritto rappresenta uno degli skills tipici per un ingegnere
biomedico/clinico ossia quello di utilizzare le conoscenze tecniche tipiche
dell’ingegneria per applicarle nella medicina, al fine di comprendere i fenomeni
biologici e trovare le migliori soluzioni progettuali.

10. Ing. Cristian VERALDI
criveraldi@gmail.com – cristian.veraldi@omniahospital.it – cristian.veraldi@aiic.it
Specialista dispositivi medici – OMNIA Group