IT202000013012A1

IT202000013012A1 - Sistema di ventilazione artificiale e relativo metodo di controllo

Info

Publication number: IT202000013012A1
Application number: IT102020000013012A
Authority: IT
Inventors: Antonino Conti; Giuseppe Conti; Sergio Lassola; Matteo Zucco; Francesco Cianflone
Original assignee: Antonino Conti; Giuseppe Conti; Sergio Lassola; Matteo Zucco; Francesco Cianflone
Priority date: 2020-06-01
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2021-12-01
Also published as: EP4157409A1; WO2021245516A1; US20230256187A1; CN115715211A

Description

SISTEMA DI VENTILAZIONE ARTIFICIALE E RELATIVO METODO DI CONTROLLO

DESCRIZIONE

Settore tecnico dell?invenzione

La presente invenzione attiene ad un sistema di ventilazione artificiale e ad un relativo metodo di controllo. In particolare, il sistema di ventilazione ? idoneo per l?applicazione a caschi respiratori CPAP (Continuous Positive Airway Pressure). Cos? operando ? possibile praticare una ventilazione artificiale a un paziente con difficolt? respiratorie destinato alle cosiddette terapie ?sub-intensive?.

Tecnica nota

Sono noti caschi respiratori del tipo a ventilazione meccanica a pressione positiva continua, i quali permettono di fornire ventilazione artificiale a un paziente con difficolt? respiratorie. Ne esistono numerosi modelli prodotti da diverse aziende ed hanno tutti un aspetto che ricorda quello di un elmo da palombaro, in associazione ad una pluralit? di tubi che portano ossigeno ed espellono anidride carbonica. I caschi di tipo noto, sono completamente trasparenti e si fissano attorno alla testa con cinghie che possono passare sotto le ascelle. Sono dispositivi portatili, sufficientemente comodi e leggeri, che hanno un costo abbastanza ridotto per un dispositivo medico. Il volume interno ? di diversi litri (permette il movimento agevole della testa) e i modelli pi? confortevoli pesano poche centinaia di grammi; sono tutti provvisti di vari sistemi di sicurezza, come manometri per misurare la pressione interna e valvole anti-soffocamento. Diversi studi clinici ne hanno dimostrato l'efficacia nel trattare varie condizioni che determinano l'insufficienza respiratoria, dunque i caschi CPAP sono dispositivi versatili e potenzialmente molto utili per far fronte all'emergenza da COVID-19. Tali strumenti vengono utilizzati per i pazienti che richiedono assistenza respiratoria ma non sono cos? gravi da rendere necessario il ricovero in terapia intensiva.

I sistemi di ventilazione artificiale del tipo noto, tuttavia richiedono controlli molto frequenti da parte di infermieri o di medici, per la loro supervisione e monitoraggio. La regolazione dei flussi dei respiratori dei sistemi noti avviene per lo pi? secondo processi di controllo manuali, richiedendo quindi la presenza quasi costante di un operatore, ossia di personale sanitario specializzato. Non sono noti sistemi di ventilazione artificiale completamente automatici ed allo stesso tempo estremamente sicuri ed efficienti.

Esiste pertanto l?esigenza di definire un sistema di ventilazione artificiale ed un relativo metodo di controllo che siano esenti dagli inconvenienti sopra menzionati.

Sintesi dell?invenzione

Uno scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un sistema di ventilazione artificiale completamente automatizzato che non richieda controlli frequenti da parte di personale medico specializzato.

Pertanto, secondo la presente invenzione viene realizzato un sistema di ventilazione artificiale con le caratteristiche enunciate nelle rivendicazioni di prodotto annesse.

Secondo un altro scopo ? descritto un metodo di controllo del sistema di ventilazione artificiale. Tale metodo permette un controllo automatico dell?intero sistema di ventilazione artificiale ed implementa innovative strategie di controllo.

Pertanto, secondo la presente invenzione viene realizzato un metodo di controllo del sistema di ventilazione artificiale con le caratteristiche enunciate nella rivendicazione di procedimento annesse.

Ulteriori modi di attuazione dell?invenzione preferiti e/o particolarmente vantaggiosi, sono descritti secondo le caratteristiche enunciate nelle rivendicazioni dipendenti annesse.

Breve descrizione dei disegni

L?invenzione verr? ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi dell?elemento di alloggiamento, in cui:

- la figura 1 mostra schematicamente un sistema di ventilazione artificiale secondo un primo modo di attuazione della presente invenzione, - la figura 2 mostra schematicamente un sistema di ventilazione artificiale in un secondo modo di attuazione della presente invenzione, - la figura 3 ? un diagramma logico che rappresenta un metodo di controllo del sistema di ventilazione artificiale secondo le figure 1 e 2, in una sua prima variante,

- la figura 4 ? un diagramma logico che rappresenta un metodo di controllo del sistema di ventilazione artificiale secondo le figure 1 e 2, in una sua seconda variante, e

- le figure 5a, 5b e 5c rappresentano un dettaglio del sistema di ventilazione di cui alle figure 1 e 2.

Descrizione dettagliata

Facendo ora riferimento alla figura 1, di seguito si descrive a titolo puramente esemplificativo una prima forma di attuazione del sistema di ventilazione artificiale 100 secondo la presente invenzione. Il sistema comprende un casco respiratorio 13, ad esempio, un casco respiratorio cosiddetto CPAP (acronimo dall?inglese Continuous Positive Airway Pressure) di tipo noto e pertanto non ulteriormente descritto se non per quanto si dir? nel seguito a proposito di un dispositivo che potr? essere implementato al suo interno. Il casco respiratorio 13, indossato da un paziente che necessita di ventilazione artificiale, sar? alimentato da una miscela di aria e ossigeno ed eventualmente anche da un gas medico secondario, ad esempio ozono per mezzo di un condotto di adduzione 14, secondo lo schema idraulico che si descriver? ed espeller? l?aria contenente anidride carbonica emessa dal paziente per mezzo del condotto di scarico 15.

L?adduzione della miscela aria/ossigeno si realizza in un sistema di approvvigionamento del gas 50. In particolare, l?adduzione ? realizzata grazie ad un opportuno mezzo di aspirazione che, nell?esempio di figura 1 ? un eiettore 5 che funziona applicando il noto principio di Venturi. L?aria ? prelevata dall?ambiente esterno mentre l?ossigeno ? contenuto in pressione in un serbatoio 1. Preferibilmente, il serbatoio 1 potrebbe essere una bombola di ossigeno compresso. Una prima valvola di controllo 2 regola la miscelazione tra aria o ossigeno e da essa si dipartono due condotti 3? e 3?. Il primo condotto 3? costituisce la linea di alimentazione all?eiettore 5, mentre il secondo condotto 3? alimenta il flusso secondario all?eiettore 5. Com?? noto, per il funzionamento dell?eiettore secondo il principio di Venturi, i due flussi in ingresso all?eiettore 5 dovranno avere pressione differenti, in quanto il fluido a pressione maggiore dovr? ?trascinare? il fluido a pressione inferiore avendosi in uscita dall?eiettore 5 un flusso unico a pressione intermedia. La differenza di pressione tra i due condotti 3? e 3? e quindi tra i due flussi in ingresso all?eiettore 5 si realizza per mezzo di un orifizio calibrato 3 interposto tra i due condotti. Una seconda valvola di controllo 4 determina la portata del flusso secondario di aria e ossigeno all?eiettore 5. Quindi, la concentrazione di ossigeno nell?aria ? determinata dalla prima valvola di controllo 2 mentre la portata della miscela aria/ossigeno ? determinata dalla seconda valvola di controllo 4. La miscela di aria e ossigeno in uscita dall?eiettore 5, quindi dopo essere uscita dal sistema di approvvigionamento del gas 50, raggiunge un plenum 6, dopo aver attraversato un elemento filtrante 7 che sar? descritto nel seguito.

Vantaggiosamente, il plenum 6 potr? essere provvisto di un dispositivo luminoso 11 a radiazione ultravioletta che garantisce la sterilizzazione della miscela aria/ossigeno, evitando la diffusione di un eventuale contagio.

Preferibilmente, la miscela di aria ossigeno potrebbe essere integrata con la presenza di un secondo gas medicale, ad esempio, ozono. Com?? noto infatti, l?ozono ? un ottimo sanificante per eliminare germi e batteri. Il suo altissimo potere ossidante lo rende un igienizzante e deodorante efficace, sicuramente di interesse nell?attuale contingenza di lotta al Covid 19. L?adduzione di questo gas secondario ? molto simile a quella della miscela aria/ossigeno. Sar? infatti sufficiente prevedere un serbatoio 1A di questo ?Secondary Medical Gas? (SMG) in pressione e un circuito analogo a quello descritto per la miscela aria/ossigeno in cui saranno presenti una prima valvola di controllo 2A per provvedere alla miscelazione di aria e SMG, un orifizio calibrato 3A per ottenere la desiderata caduta di pressione e una seconda valvola di controllo 4A che regoler? la portata di questa seconda miscela aria/SMG. L?effetto aspirante anche per questa seconda miscela sar? sempre garantito dall?eiettore 5.

Dal plenum 6, la miscela aria/ossigeno (eventualmente, la miscela aria/ossigeno/SMG) raggiunge il casco respiratorio 13 per mezzo del condotto di adduzione 14, lungo il quale ? presente una prima valvola di non ritorno 9 che impedisce il riflusso della miscela. La miscela cos? alimentata ? quindi a disposizione dell?inspirazione da parte del paziente che indossa il casco 13.

Infine, l?aria esausta, ovvero l?aria ricca di anidride carbonica (CO2) espirata dal paziente, ? fatta defluire per mezzo del condotto di scarico 15 e la portata ? regolata da una terza valvola di controllo 8. Una seconda valvola di non ritorno 10 impedisce il riflusso dell?anidride carbonica verso il casco respiratorio 13. La miscela aria/CO2 ? quindi filtrata nell?elemento filtrante 7 e l?aria cos? depurata dalla CO2 si ricongiunge al flusso principale della miscela aria/ossigeno diretta al plenum 6.

Il sistema di ventilazione artificiale 100, come si vedr? nel seguito, potr? essere controllato in modo automatico e a tale scopo include anche un?unit? di controllo 12 che potr? gestire dati di ingresso e comandare gli opportuni attuatori. I dati in ingresso potranno essere, secondo un elenco non esaustivo, la portata e la pressione della miscela aria/ossigeno (eventualmente, della miscela aria/ossigeno/SMG), la concentrazione dell?ossigeno e della CO2 nel casco respiratorio 13, nonch? pressione e temperatura sempre all?interno del casco. Inoltre, fondamentale anche il dato della saturazione dell?ossigeno SpO2 al quale potranno aggiungersi ulteriori parametri biomedici, quali il battito cardiaco e la frequenza respiratoria. L?unit? di controllo 12, secondo strategie che saranno illustrate nel seguito, azioner? la prima valvola di controllo 2 e la seconda valvola di controllo 4 per regolare la concentrazione di ossigeno e la portata della miscela aria/ossigeno nel condotto di adduzione 14 (nonch?, analogamente la prima valvola di controllo 2A e la seconda valvola di controllo 4A per regolare la concentrazione di SMG e la portata della miscela aria/SMG, qualora sia presente un secondo gas medicale). L?unit? di controllo 12 azioner? anche la terza valvola di controllo 8 per regolare la portata di aria esausta nel condotto di scarico 15.

La figura 2 illustra un sistema di ventilazione artificiale 200 in un secondo modo di attuazione dell?invenzione. Il sistema di ventilazione 200, cos? come il precedente, comprende il casco respiratorio 13. In pratica, i sistemi di ventilazione di cui alle figure 1 e 2 differiscono per il sol fatto che nello schema di figura 2 ? presente un differente sistema di approvvigionamento del gas 50? che si differenzia dal precedente per il solo mezzo di aspirazione che, secondo questa forma di attuazione, ? un ventilatore elettrico 25. Il ventilatore crea una sovrappressione per la ventilazione del paziente all'interno del casco 13 e crea una bassa pressione per l'aspirazione dell'aria respirata (ricca di CO2) dal casco. La scelta del mezzo di aspirazione, eiettore piuttosto che ventilatore o altri mezzi similari, sar? dettata dalle specifiche applicazioni: l?eiettore, organo statico, potr? risultare pi? affidabile, laddove un ventilatore elettrico potrebbe garantire una maggiore flessibilit? nell?ambito della prevalenza necessaria.

Il sistema di ventilazione artificiale 100, 200, vantaggiosamente, pu? essere provvisto di un layout particolare che coinvolge il condotto di adduzione 14, il condotto di scarico 15 e il casco respiratorio 13, come illustrato nelle figure da 5a a 5c.

In tali figure si osserva che il condotto di adduzione 14 e il condotto di scarico 15 sono integrati in primo involucro 16 che si collega ad un secondo involucro 17 interno al casco respiratorio 13. Il primo involucro 16 ? a sua volta integrato in un bocchettone 18 che pu? essere agganciato al casco respiratorio 13 per mezzo di attacco a baionetta o per mezzo di collegamenti filettati. Vantaggiosamente il bocchettone pu? essere provvisto di sensori 19 in comunicazione con l?unit? di controllo 12 per la trasmissione dei parametri coinvolti nelle strategie di controllo, come descritte.

Il primo involucro 16, come si diceva, raggruppa il condotto di adduzione 14 della miscela aria/ossigeno (eventualmente aria/ossigeno/SMG) e il condotto di scarico 15 dell?aria esausta, ricca di CO2. All?interno del primo involucro 16 i due flussi restano evidentemente separati per mezzo di un setto di separazione 20, come visibile nella figura 5b. Allo stesso modo anche all?interno del secondo involucro 17 i due flussi resteranno separati da un analogo setto di separazione (non visibile dai disegni). Il secondo involucro 17, interno al casco respiratorio 13, ? provvisto di una doppia pluralit? di fori. Una prima pluralit? di fori 17? consente alla miscela aria/ossigeno di fuoriuscire all?interno del casco 13, mentre la seconda pluralit? di fori 17? serve per l?ingresso nel secondo involucro 17 dell?aria esausta, quella espirata dal paziente e quindi ricca di CO2. La conformazione a ?flauto? del secondo involucro 17 ? vantaggiosa per una migliore circolazione dei due flussi (ossigeno in ingresso al casco, CO2 in uscita dal casco).

Inoltre questo layout presenta ulteriori vantaggi:

- la possibilit? di personalizzare il bocchettone 18 con tutta la sensoristica necessaria a seconda dell?applicazione specifica; - la possibilit? di smontare e sanificare il bocchettone 18 ed i relativi sensori, laddove il casco respiratorio potr? essere sanificato separatamente.

In particolare, con riferimento alla figura 5c, la sanificazione del bocchettone 18 e dei sensori 19 si realizza smontando il bocchettone 18 dal casco respiratorio 13, sigillandolo con un apposito tappo 21 e lasciando in funzione il sistema di ventilazione artificiale. In questo modo, la miscela di aria e ossigeno continuer? a circolare sterilizzando i sensori grazie al passaggio della stessa attraverso il dispositivo luminoso 11 a radiazione ultravioletta.

Come anticipato, il sistema di ventilazione artificiale 100, 200 secondo uno dei modi di attuazione appena descritti pu? essere gestito e controllato in automatico per mezzo dell?unit? di controllo 12.

Un primo metodo di controllo 300 del sistema di ventilazione artificiale ha due livelli di priorit? ed ? basato su un controllo ad anello chiuso.

Secondo un primo e pi? importante livello di priorit?, l?unit? di controllo mantiene la saturazione di ossigeno SpO2 del paziente al livello desiderato, ovvero al di sopra di un primo valore di soglia e, allo stesso tempo, limita la concentrazione di CO2 all?interno del casco al di sotto di un secondo valore di soglia.

Con una priorit? di secondo livello, il metodo di controllo ottimizza il consumo di ossigeno fornito dall?esterno nonch? il comfort del paziente, mantenendo l'ingresso della miscela aria/ossigeno all?interno del casco e la pressione e la temperatura del casco in corrispondenti intervalli predeterminati.

Il primo metodo di controllo 300 ? illustrato nella figura 3 che ne rappresenta un suo diagramma a blocchi. Una prima linea di controllo 310 ha per obiettivo la completa automazione della gestione del casco respiratorio 13 secondo il primo livello di priorit?.

La linea di controllo 310 comprende un controllore 320 ad anello chiuso, ad esempio un controllore proporzionale-integrativo-derivativo (PID), che regola la saturazione dell?ossigeno del paziente confrontando la saturazione SPO2 in ingresso (il valore attuale) con il livello desiderato, al di sopra di un primo valore di soglia; il regolatore 330 che gestisce la sequenza dell?attuazione delle valvole di controllo; gli attuatori 340 e 350 asserviti al regolatore 330 che ricevono il comando logico dal regolatore 330 e impartiscono un comando elettrico, rispettivamente, alla terza valvola di controllo 8 che regola la portata del flusso in uscita dal casco 13 (e quindi la portata di CO2) e alla seconda valvola di controllo che regola il flusso della miscela di aria/ossigeno; il controllore della CO2 360 che gestisce e sorveglia la quantit? di CO2 all?interno del casco; un interruttore logico 370 che alternativamente collega l?attuatore 350 con il regolatore 330 o con il controllore della CO2360.

Una volta che il controllore PID 320 ha calcolato il valore desiderato di SPO2, lo comunica al regolatore 330 che imposta la sequenza dell?attuazione delle valvole di controllo, che potr? essere nell?ordine: dapprima regolazione del flusso di aria esausta (contenente CO2) per mezzo dell?attuatore 340 che aziona la terza valvola di controllo 8 e successivamente, qualora risultino esauriti i margini di manovra sul controllo del flusso di aria esausta (in altre parole, se la terza valvola di controllo 8 si trovi in una posizione di estremo e non sia pi? ulteriormente regolabile), regolazione del flusso della miscela di aria/ossigeno per mezzo dell?attuatore 350 che aziona la seconda valvola di controllo 4.

Questa strategia ? attiva, secondo la modalit? appena presentata, allorquando il valore della concentrazione di CO2 si mantiene al di sotto di un secondo valore di soglia, monitoraggio presieduto dal controllore della CO2 360. Qualora la concentrazione di CO2 dovesse superare il secondo valore di soglia, il controllore della CO2 360 ha l?autorit? per invertire la logica di attuazione delle valvole di controllo. In particolare, il regolatore 330, su ?ordine? del controllore della CO2360, utilizzer? l?interruttore logico 370 per asservire l?attuatore 350 al controllo della concentrazione di CO2.

Quest?ultimo andr? quindi ad attuare la seconda valvola di controllo 4 per regolare (in questo caso aumentare) il flusso della miscela aria/ossigeno all?interno del casco respiratorio 13. Il controllo ad anello chiuso della saturazione dell?ossigeno del paziente resta attivo per mezzo del controllore 320, ma in questo caso il regolatore 330 gestir? soltanto l?attuatore 340 che aziona la terza valvola di controllo 8 per regolare la portata di aria esausta.

Come si diceva, una seconda linea di controllo 380 a priorit? inferiore pu? essere dedicata al comfort del paziente e contiene opportuni algoritmi di monitoraggio di alcuni suoi parametri biomedici. La seconda linea di controllo 380 procede in parallelo rispetto alla prima linea di controllo 310, di priorit? superiore, evidentemente subordinata al buon funzionamento dei parametri controllati dalla prima linea di controllo 310.

Con riferimento alla figura 4, si descrive ora una seconda variante del metodo di controllo del sistema di ventilazione artificiale 100, 200 secondo la presente invenzione.

Il secondo metodo di controllo 400 utilizza un modello dinamico del processo per prevedere la sua evoluzione futura e scegliere la migliore azione di controllo.

Anche in questo secondo caso, il metodo di controllo del sistema di ventilazione artificiale ha due livelli di priorit?:

- primo livello di priorit?. Il metodo di controllo mantiene la saturazione di ossigeno SpO2 del paziente al livello desiderato, ovvero al di sopra di un primo valore di soglia e, allo stesso tempo, limita la concentrazione di CO2 all?interno del casco al di sotto di un secondo valore di soglia;

- secondo livello di priorit?. Il metodo di controllo ottimizza il consumo di ossigeno fornito dall?esterno, il comfort del paziente, mantenendo l'ingresso della miscela aria/ossigeno all?interno del casco e la pressione e la temperatura del casco in corrispondenti intervalli predeterminati, nonch? ulteriori parametri legati al funzionamento del controllo stesso.

Lo schema a blocchi di figura 4 mostra:

- il controllore 420 che ? un basato su di un modello predittivo atto a descrivere alcuni aspetti del sistema di ventilazione da controllare e su altri parametri d?ingresso che saranno di seguito definiti e pu? ottimizzare una funzione obiettivo multivariabile con le condizioni al contorno che saranno di seguito definite. Il controllore 420 azioner? direttamente gli attuatori che gestiscono il flusso di ossigeno e la concentrazione di CO2;

- gli attuatori 340 e 350 asserviti al controllore 420 che ricevono il comando logico dal controllore 420 e impartiscono un comando elettrico, rispettivamente, alla terza valvola di controllo 8 in prossimit? del casco respiratorio 13 e alla seconda valvola di controllo 4 del sistema di approvvigionamento gas 50, 50? per regolare la portata del flusso in uscita dal casco 13 (e quindi la portata di CO2) e il flusso della miscela di aria/ossigeno;

- un osservatore di stato 410 che, in particolare, provvede alla stima di parametri fisiologici di funzioni polmonari e li inoltra al controllore 420.

Pi? in particolare, l?osservatore di stato 410 riceve come dati d?ingresso (si veda la figura 4):

A: parametri misurati sul paziente. Ad esempio, la saturazione dell?ossigeno SpO2, la frequenza respiratoria, la frequenza cardiaca, ecc. Il paziente sar? infatti opportunamente dotato di idonei saturimetri, rilevatori del battito cardiaco, ecc.

B: parametri misurati nel casco respiratorio 13 grazie alla presenza di idonei sensori. Ad esempio, pressione, temperatura, concentrazione di ossigeno, flusso della miscela aria/ossigeno, concentrazione di CO2, ecc.

Il modello di stima implementato nell?osservatore di stato 410 consente invece di avere come dati di uscita, a titolo esemplificativo, i seguenti parametri fisiologici di funzioni polmonari:

C: flussi di ossigeno e CO2 negli alveoli polmonari e nei compartimenti ematici, volume istantaneo dei polmoni, pressione negli alveoli, ecc.

I parametri indicati con A, B e C costituiscono dati d?ingresso per il controllore 420. Inoltre, il controllore 420 pu? gestire:

D: parametri definiti dall?operatore del sistema di ventilazione. Ad esempio i pesi delle variabile che costituiscono la funzione obiettivo da ottimizzare;

E: parametri manipolabili. Ad esempio, la posizione, in un determinato istante di tempo, della seconda valvola di controllo 4 e della terza valvola di controllo 8.

Basandosi su tutti i parametri A, B, C, D e E, il controllore 420 ? in grado di calcolare i valori ottimali della saturazione di ossigeno e della concentrazione di CO2 e di prevedere l'evoluzione dei risultati del modello su un orizzonte temporale definito da un numero N di passi temporali, utilizzando una predeterminata sequenza di parametri manipolabili E all?interno dello stesso orizzonte temporale.

L?algoritmo ? basato sull?ottimizzazione di una funzione obiettivo, che valuta la distanza del sistema di controllo dagli obiettivi e dai vincoli di controllo ottimali, minimizzando tale distanza. Gli obiettivi del controllo sono valutati nel predeterminato intervallo temporale in cui si definiscono opportune penalit? sulla capacit? del sistema di controllo di seguire i suoi obiettivi e sullo sforzo di attuazione delle valvole di controllo.

Un esempio di funzione obiettivo cos? strutturata ? il seguente:

ove:

SpO2 ? il valore di saturazione dell?ossigeno,

Max CO2 ? la soglia di concentrazione massima predeterminata della CO2,

Comando valvola 4 e comando valvola 8 rappresentano l?attivit? dei comandi imposti, rispettivamente, alla seconda valvola di controllo 4 e alla terza valvola di controllo 8,

w1, w2, w3, w4 sono rispettivi pesi dei termini della funzione obiettivo, impostabili dall?utilizzatore. In pratica i parametri definiti come D.

In altre parole, la funzione obiettivo tende a far raggiungere alla saturazione di ossigeno il suo valore massimo pari a 100, cos? come a tenere la concentrazione di Co2 al di sotto della sua soglia massima. Questi due obiettivi rappresentano, come nel caso del primo metodo di controllo 300, il primo livello di priorit?.

Secondo un livello di priorit? inferiore, il processo di ottimizzazione della funzione obiettivo dovr? tener conto di ulteriori vincoli di controllo legati a:

- attivit? dei comandi sulle valvole di controllo 4, 8. In pratica la funzione obiettivo cercher?, per quanto possibile, di minimizzare anche la variazione del grado di apertura della seconda valvola di controllo 4 e della terza valvola di controllo 8,

- mantenimento della portata di miscela aria/ossigeno e della temperatura all?interno del casco all?interno di predeterminati intervalli predeterminati.

In ogni predeterminato istante temporale t il controllore 420 trover? la sequenza ottimale dei parametri manipolabili E (posizione della seconda valvola di controllo 4 e della terza valvola di controllo 8) che minimizzano la funzione obiettivo nell'intervallo temporale N. Evidentemente, sar? utilizzata solo la prima attivazione ottimale, quindi il controllore 420 agir? sulla regolazione del flusso di aria esausta per mezzo dell?attuatore 340 che aziona la terza valvola di controllo 8 e sulla regolazione del flusso della miscela di aria/ossigeno per mezzo dell?attuatore 350 che aziona la seconda valvola di controllo 4.

La procedura sar? ripetuta al successivo istante temporale t+1. Come si ? visto, il primo metodo di controllo 300 e il secondo metodo di controllo 400 discendono entrambi da una metodologia unica che presenta una strategia basata su almeno due livelli di priorit?. Essi sono declinati secondo approcci differenti e potranno essere utilizzati alternativamente a seconda delle applicazioni.

Il primo metodo di controllo 300 ? sicuramente pi? semplice da implementare, non richiede modellazioni specifiche (ad esempio, modelli matematici delle funzioni polmonari) e non richiede elevate capacit? di calcolo.

Il secondo metodo di controllo 400 ? pi? complesso, richiede una sofisticata modellazione delle funzioni polmonari e una pi? elevata capacit? di calcolo. Al contrario, per?, consente in un quadro unico di monitorare e assistere i pazienti con gravi problemi respiratori. Inoltre, a causa del suo approccio predittivo e stimando gli stati interni delle funzioni respiratorie, risulta pi? veloce nel reagire a eventuali peggioramenti della situazione del paziente. Infine, risulta maggiormente adattabile a una pi? ampia classe di patologie.

Il metodo di controllo 300, 400 per il sistema di ventilazione artificiale 100, 200 potr? subire ulteriori variazioni, senza per questo uscire dall?ambito della presente invenzione. Ad esempio, potr? essere in grado di controllare anche una miscela costituita da aria/ossigeno/SMG, in questo caso agendo anche sulla valvola di controllo 4A della miscela aria/SMG.

In definitiva, il sistema di ventilazione artificiale oggetto della presente invenzione presenta indubbi vantaggi: non necessita di alcuna infrastruttura fissa essendo necessari soltanto il casco respiratorio, almeno una bombola per l?ossigeno compresso, la circuiteria elettroidraulica, il dispositivo a raggi ultravioletti e l?elettronica di controllo. Il sistema di ventilazione artificiale risulta pertanto completamente portatile e dotato di ampia flessibilit? per qualsivoglia applicazione. Inoltre il sistema ? completamente controllabile in automatico, con strategie di controllo anche basate su sofisticati algoritmi predittivi, e non necessita della presenza in loco di un operatore sanitario.

Oltre ai modi di attuazione dell?invenzione, come sopra descritti, ? da intendere che esistono numerose ulteriori varianti. Deve anche intendersi che detti modi di attuazione sono solo esemplificativi e non limitano l?oggetto dell?invenzione, n? le sue applicazioni, n? le sue configurazioni possibili. Al contrario, sebbene la descrizione sopra riportata rende possibile all?uomo di mestiere l?attuazione della presente invenzione almeno secondo una sua configurazione esemplificativa, si deve intendere che sono concepibili numerose variazioni dei componenti descritti, senza che per questo si fuoriesca dall?oggetto dell?invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate, interpretate letteralmente e/o secondo i loro equivalenti legali.

Claims

RIVENDICAZIONI

1. Sistema di ventilazione artificiale (100, 200) caratterizzato da:

- un casco respiratorio (13),

- un mezzo di aspirazione (5, 25) che preleva l?aria dall?ambiente esterno,

- un serbatoio (1) per il contenimento dell?ossigeno in pressione, - una prima valvola di controllo (2) che regola la miscelazione tra aria/ossigeno,

-una seconda valvola di controllo (4) che regola la portata della miscela aria/ossigeno,

- un plenum (6) per il contenimento della miscela di aria e ossigeno in uscita dal mezzo di aspirazione (5),

- un condotto di adduzione (14) che permette alla miscela aria/ossigeno di raggiunge il casco respiratorio (13),

- una prima valvola di non ritorno (9) che impedisce il riflusso della miscela aria/ossigeno dal condotto di adduzione (14),

- un condotto di scarico (15) della miscela aria/CO2 la cui portata ? regolata da una terza valvola di controllo (8),

- un elemento filtrante (7) della miscela aria/CO2 in comunicazione fluida con il plenum (6),

- un?unit? di controllo (12) per controllare almeno saturazione di ossigeno e concentrazione di anidride carbonica all?interno del casco respiratorio (13).

2. Sistema di ventilazione artificiale (100, 200) secondo la rivendicazione 1, laddove il condotto di adduzione (14) e il condotto di scarico (15) sono integrati in primo involucro (16) che si collega ad un secondo involucro (17) interno al casco respiratorio (13).

3. Sistema di ventilazione artificiale (100, 200) secondo la rivendicazione 2, laddove il primo involucro (16) ? integrato in un bocchettone (18).

4. Sistema di ventilazione artificiale (100, 200) secondo la rivendicazione 2 o 3, laddove all?interno del primo involucro (16) e del secondo involucro (17) i due flussi restano separati per mezzo di un setto di separazione (20).

5. Sistema di ventilazione artificiale (100, 200) una delle rivendicazioni da 2 a 4, laddove il secondo involucro (17), comprende una prima pluralit? di fori (17?) che consente alla miscela aria/ossigeno di fluire all?interno del casco respiratorio (13) e una seconda pluralit? di fori (17?) per l?ingresso nel secondo involucro (17) dell?aria esausta ricca di CO2.

6. Sistema di ventilazione artificiale (100, 200) secondo una delle rivendicazioni da 3 a 5, laddove il bocchettone (18) ? provvisto di sensori (19) in comunicazione con l?unit? di controllo (12).

7. Sistema di ventilazione artificiale (100, 200) secondo una delle rivendicazioni precedenti, laddove il plenum (6) comprende un dispositivo luminoso (11) a radiazione ultravioletta per la sterilizzazione della miscela aria/ossigeno.

8. Sistema di ventilazione artificiale (100, 200) secondo una delle rivendicazioni precedenti, laddove il mezzo di aspirazione ? un eiettore (5) alimentato da un flusso principale proveniente da un primo condotto (3?) e da un flusso secondario proveniente da un secondo condotto (3?) e un orifizio calibrato (3) interposto tra i due condotti (3?, 3?) realizza una differenza di pressione tra il flusso secondario e il flusso principale.

9. Sistema di ventilazione artificiale (200) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, laddove il mezzo di aspirazione (5) ? un ventilatore elettrico (25) che crea una sovrappressione per la ventilazione all'interno del casco respiratorio (13) e una bassa pressione per l'aspirazione dell'aria respirata dal casco respiratorio (13).

10. Sistema di ventilazione artificiale (100, 200) secondo la rivendicazione 1 o 2, laddove alla miscela di aria/ossigeno ? addizionata una seconda miscela di aria/gas medicale e il sistema di ventilazione artificiale (100, 200) comprende un secondo serbatoio (1A), una prima valvola di controllo (2A) per provvedere alla miscelazione dell?aria e del gas medicale, un secondo orifizio calibrato (3A) per ottenere una caduta di pressione e una seconda valvola di controllo (4A) che regola la portata di questa seconda miscela aria/gas medicale.

11. Metodo di controllo (300, 400) di un sistema di ventilazione artificiale (100, 200) secondo una delle rivendicazioni precedenti, il metodo essendo operato da un controllore (320, 420) di un?unit? di controllo (12), e comprendente le seguenti fasi:

a. controllare la saturazione di ossigeno in ingresso al casco respiratorio (13) in modo che risulti superiore ad un primo valore di soglia e la concentrazione di CO2 nel casco respiratorio (13) in modo che risulti inferiore ad un secondo valore di soglia, e

b. mantenere secondo un livello di priorit? inferiore rispetto alla fase a. l'ingresso della miscela aria/ossigeno all?interno del casco respiratorio (13) e la pressione e la temperatura del casco respiratorio (13) in corrispondenti intervalli predeterminati.

12. Metodo di controllo (300) secondo la rivendicazione 11, laddove la fase a. comprende le seguenti fasi operate da un controllore (320):

- regolare per mezzo di un regolatore (330) il flusso di aria esausta per mezzo dell?azionamento di una terza valvola di controllo (8),

e, successivamente,

- regolare per mezzo del regolatore (330)il flusso della miscela di aria/ossigeno per mezzo dell?azionamento di una seconda valvola di controllo (4),

se la terza valvola di controllo (8) si trovi in una posizione estrema e non sia pi? ulteriormente regolabile,

oppure

- invertire la logica di attuazione della seconda valvola di controllo (4) e della terza valvola di controllo (8) per mezzo di un interruttore logico (370) in modo che un controllore della CO2 (360) azioni la seconda valvola di controllo (4) per regolare il flusso della miscela aria/ossigeno all?interno del casco respiratorio (13), e, contemporaneamente,

- azionare per mezzo del regolatore (330) la terza valvola di controllo (8) per regolare la portata di aria esausta,

se la concentrazione di CO2 supera il secondo valore di soglia.

13. Metodo di controllo (400) secondo la rivendicazione 11, laddove la fase a. comprende la seguente fase:

- regolare la saturazione di ossigeno e la concentrazione di CO2 per mezzo di un controllore (420) che agisce in base ad uno o pi? set di parametri, laddove detti parametri si suddividono in:

- parametri misurati su un paziente (A),

- parametri fisici (B) misurati nel casco respiratorio (13), - parametri fisiologici di funzioni polmonari (C),

- parametri definiti da un operatore del sistema di ventilazione (100, 200),

- parametri manipolabili dal controllore (420),

laddove detti parametri fisiologici di funzioni polmonari (C) sono determinati per mezzo di un modello di stima implementato in un osservatore di stato (410).