Desenvolvimento de um protótipo físico para a simulação do sistema respiratório humano

Dissertação de mestrado em Engenharia MecatrónicaO Sistema Respiratório pode ser definido como um conjunto de órgãos e estruturas anatómicas que trabalham de forma coordenada possibilitando a respiração pulmonar, ou seja, a troca de substâncias gasosas (O2 e CO2) entre o exterior e o interior do corpo humano. São diversas as patologias inerentes ao mau funcionamento deste sistema e, muitas delas, podem ser diagnosticadas e avaliadas analisando os princípios da mecânica respiratória de cada paciente. A análise de parâmetros, como o fluxo de ar inspirado o volume pulmonar e, a espirometria, permitem fazer o despiste de algumas patologias respiratórias. O funcionamento do Sistema Respiratório nem sempre é assimilado de forma simples, dado que, este possui uma mecânica complexa mesmo, quando a ventilação não é espontânea mas sim assistida - Ventilação Mecânica. Durante esta dissertação, o estudo esteve direcionado para a elaboração de um modelo matemático representativo do Sistema Respiratório Humano onde seja contemplado o maior número de características possíveis e, através do qual, seja possível obter informações respiratórias de diferentes tipos de pacientes com patologias distintas, com respiração assistida ou com respiração espontânea. Após ultrapassadas algumas dificuldades encontradas, relativas ao estudo de um modelo matemático que não cumpriu os objetivos definidos, foi estudado um segundo modelo matemático representativo do Sistema Respiratório através do seu equivalente elétrico. A função de transferência do circuito foi implementada em Matlab e, alterando os parâmetros de entrada, foi possível obter um modelo que represente o Sistema Respiratório e que permite obter os gráficos de volume e fluxo de ar, movimentado de pacientes saudáveis com respiração espontânea e com patologia. Com base no modelo anterior foi construído uma interface gráfica com o intuito de aumentar a interatividade com o utilizador e permitir simular um estado fisiológico pretendido. Para tal, o utilizador pode definir qual o sinal de pressão nas vias aéreas de entre as opções pretendidas ou inserir os dados que pretende simular.The Respiratory System can be defined as a group of organs and anatomical structures that work in a coordinated manner enabling the pulmonary respiration, in other words, the exchange of gaseous substances (O2 and CO2) between the exterior and interior of the human body. There are several pathologies inherent to the malfunction of this system and, many of them can be diagnosed and evaluated by analyzing the respiratory mechanics of each patient. The analysis of parameters like the inhaled air flow, the pulmonary volume and, by spirometer, allow the screening of some respiratory pathologies. The operation of the Respiratory System is not always assimilated simply because this has a mechanical complex even when the ventilation is not spontaneous but rather assisted- Mechanical Ventilation. During this study, work has been directed to the preparation of a representative mathematical model of the respiratory system where the largest number of possible characteristics is contemplated and, through which it is possible to obtain respiratory information of different types of patients with different pathologies with assisted respiration or spontaneous respiration. After overcome some difficulties, found along the work, relatively of mathematical model mod2, that not fulfilled defined objectives, was studied a new model, mod 4. The transfer function of the circuit was implemented in Matlab and by changing the input parameters it was possible to obtain a model that represents the Respiratory System and graphs the volume and movement air flow of healthy patients with spontaneous respiration and pathology. Based on the previous model, mod4, a graphical interphase was built in order to increase interactivity with the user and allow to simulate a desired physiological state. To do this, the user can define the sign of airway pressure from the options given, or enter the data they want to simulate