Desenvolvimento de sistema de aquecimento e umidificação ativa de ar para pacientes em uso de ventilação mecânica invasiva em Unidades de Tratamento Intensivo (UTI)

Abstract

Resumo: O estudo apresenta o desenvolvimento de um sistema de aquecimento e umidificação ativa do ar inspirado para pacientes submetidos à ventilação mecânica invasiva em unidades de terapia intensiva (UTI). Durante a ventilação mecânica, o desvio das vias aéreas superiores compromete os mecanismos fisiológicos de filtração, umidificação e aquecimento do ar inspirado, funções essenciais para a proteção do trato respiratório inferior e da mecânica pulmonar. Para suprir essa deficiência, são empregados dispositivos de aquecimento e umidificação dos gases inspirados, usualmente classificados como passivos ou ativos. O presente estudo concentra-se no desenvolvimento de um sistema ativo que utiliza controle por lei de potência para manter a temperatura e a umidade dentro de valores alvo previamente definidos. O sistema foi inicialmente avaliado em bancada experimental, utilizando regimes de fluxo contínuo e intermitente que simulam as condições ventilatórias de um paciente adulto, e posteriormente testado em ambiente hospitalar, conectado a um ventilador mecânico Puritan Bennett™ 840. Os resultados indicam que o sistema desenvolvido é capaz de atingir a temperatura alvo de 34 °C em aproximadamente 6 minutos, além de manter a umidade relativa próxima a 100%, com oscilações térmicas inferiores a 1 °C. O controle por lei de potência mostrou-se superior ao controle do tipo on–off, ao reduzir sobressinais térmicos e otimizar o consumo energético por meio do aproveitamento da inércia térmica do sistema, evidenciando potencial para aplicação clínica

Abstract: The study presents the development of an active inspired air heating and humidification system for patients undergoing invasive mechanical ventilation in intensive care units (ICUs). During mechanical ventilation, the bypass of the upper airways compromises the physiological mechanisms responsible for air filtration, humidification, and heating—functions that are essential for protecting the lower respiratory tract and preserving pulmonary mechanics. To compensate for this deficiency, devices for heating and humidifying inspired gases are employed, commonly classified as passive or active. The present study focuses on the development of an active system that employs a power-law control strategy to maintain temperature and humidity within previously defined target values. The system was initially evaluated on an experimental bench using continuous and intermittent airflow regimes that simulate the ventilatory conditions of an adult patient, and subsequently tested in a hospital environment while connected to a Puritan Bennett™ 840 mechanical ventilator. The results indicate that the developed system is capable of reaching the target temperature of 34 °C in approximately 6 minutes, while maintaining relative humidity close to 100%, with thermal oscillations below 1 °C. The power-law control strategy proved superior to on–off control by reducing thermal overshoot and optimizing energy consumption through effective utilization of the system’s thermal inertia, thereby demonstrating potential for clinical application