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Optimisation method applied to the design of ventilators

  • A. K. Gupta
  • J. Sharma
  • P. Mukhopadhyay
Article

Abstract

An analysis of controlled ventilation, based on a linear, 1st-order model of the respiratory system has been performed. Different pressure waveforms are used as the driving source for the model of the ventilator. The respiratory system is represented by an electrical-circuit analogue with parameters that are representative of an adult patient. Optimal parameter settings for the ventilator are predicted, which would minimise the deleterious side effects of positive-pressure ventilation and constrain the ventilatory work done on the patient within the permissible limit. The system constraints are included through an exterior penalty factor and a nonlinear optimisation technique is used. The optimal input-pressure waveform is decided on the basis of the average and peak values of the alveolar pressures and the inspiratory time period.

Keywords

Forced ventilation Optimisation Ventilator parameter settings 

Sommaire

Une analyse de ventilation contrôlée, basée sur un modèle de premier ordre linéaire du système respiratoire, a été réalisée. Différentes ondes de pression sont utilisées comme source motrice pour le modèle de ventilateur. Le système respiratoire est représenté par un circuit électrique analogue aux paramètres qui symbolisent un malade adulte. Les réglages optimaux des paramètres sont prévus pour le ventilateur, ce qui réduirait au minimum les effets secondaires nuisibles d'aération de pression positive et maintiendrait, dans les limites admises, le travail de ventilation exercé sur le malade. Les contraintes du système sont comprises par l'intermédiaire d'un facteur pénal extérieur, et une technique d'optimisation non-linéaire est utilisée. L'onde de pression d'entrée optimale est décidée sur la base des valeurs moyennes et maximales des pressions alvéolaires et de la durée d'inspiration.

Zusammenfassung

Eine Analyse der geregelten Ventilation, die auf einem linearen oder einem erstrangigen Modell des Atmungssystem basiert, wurde durchgeführt. Es wreden druch verschiedene Drücke erzeugte Wellenformen als Antriebsquelle des Ventilatormodells verwendet. Das Atmungssystem wird durch einen elektrischen Schaltkreis dargestellt, der analog zu den Parametern, die denen eines erwachsenen Patienten entsprechen, ist. Die optimale Parametereinstellung für den Ventilator wird vorgewählt, wodurch die deletären Nebenerscheinungen der zwangsläufigen Druckventilation verringert werden und die am Patienten vorgenommene Belüftungsarbeit innerhalb der erlaubten Grenzen gehalten wird. Die Grenzwertbedingungen des Systems sind durch einen äußeren Penalty-Faktor gegeben, und es wird eine nicht lineare Optimierungstechnik angewendet. Die optimale Wellenform des Eingangsdrucks wird anhand der Durchschnitss- und Spitzenwerte der alveolüren Dräcke und der inspiratorischen Zietperiode festgelegt.

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References

  1. Campbell, D. andBrown, J. (1963) The electrical analogue of the lung.Brit. J. Anaesthesia 35, 684–693.Google Scholar
  2. Cournand, A., Motley, H. L., Werko, L., Rechards, J. R. andRechards, D. W. (1948) Physiological studies of the effects of intermittent positive pressure breathing on cardiac output in man.Am. J. Physiol. 152, 162–174.Google Scholar
  3. Finlay, W. E. I., Wightman, A. E., Adams, A. P. andSykes, M. K. (1970) The effects of variations in inspiratory: expiratory ratio on cardio respiratory function during controlled ventilation in, normohypo- and hyper-volaemic dogs.42, 936–940.Google Scholar
  4. Gray, J. S., Grodins, F. S. andCarter, E. T. (1970) Alveolar and total ventilation and the dead space problem.J. Appl. Physiol. 28, 113–116.Google Scholar
  5. Hooke, R. andJeeves, T. A. (1961) Direct search solution of numerical and statistical problems.J. Assoc. Comput. Mach. 8, 196–203.Google Scholar
  6. Jain, V. K. andGuha, S. K. (1970) A study of intermittent positive pressure ventilation.Med. & Biol. Eng. 8, 575–583.Google Scholar
  7. Jain, V. K. andGuha, S. K. (1972) Design for positive pressure respirators.10, 253–262.Google Scholar
  8. Mead, J. (1961) Control of respiratory frequency.J. Appl. Physiol. 15, 325–336.Google Scholar
  9. Mead, J. (1961) Mechanical properties of the lung.Physiol. Rev. 41, 281–330.Google Scholar
  10. Mitamura, Y., Mikami, T., Sugawara, H. andYoshimoto, C. (1971) An optimally controlled respirator.BME-18, 330–338.Google Scholar
  11. Morgan, B. C., Martin, W. E., Hornben, T. F., Crawford, E. W. andGuntheroth, W. G. (1966) Hemodynamic effects of intermittent positive pressure respiration.Anesthesiology 27, 584–590.Google Scholar
  12. Mushin, W. W., Baker, L. R., Thompson, P. W. andMapleson, W. W. (1969) In:Automatic Ventilation of the Lungs, pp. 14–16, Blackwell.Google Scholar
  13. Otis, A. B., Fenn, W. O. andRahn, H. (1950) Mechanics of breathing in Man.J. Appl. Physiol. 2, 592.Google Scholar
  14. Wald, A. A., Murphy, T. W. andMazzia, V. D. B. (1968) A theoretical study of controlled ventilation.IEEE Trans. BME-15, 237–248.Google Scholar
  15. Watson, W. E. (1962) Some observations on dynamic lung compliance during intermittent positive pressure respiration.Brit. J. Anaesthesia 34, 157.Google Scholar
  16. Yamashiro, S. M. andGrodins, F. S. (1971) Optimal regulation of respiratory airflow.J. Appl. Physiol. 30, 597–602.Google Scholar

Copyright information

© IFMBE 1978

Authors and Affiliations

  • A. K. Gupta
    • 1
  • J. Sharma
    • 1
  • P. Mukhopadhyay
    • 1
  1. 1.Department of Electrical EngineeringUniversity of RoorkeeIndia

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