Miño et al., Algoritmos para el control de parámetros ventilatorios en equipos mecánicos  
ALGORITMOS PARA EL CONTROL DE PARÁMETROS  
VENTILATORIOS EN EQUIPOS MECÁNICOS EMERGENTES  
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Miño Carlos ., Cuaycal Andrés ., Quiroga Josue ., Gómez Karen ., Portilla Karla  
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calolomino@gmail.com , andres.cuaycal@epn.edu.ec , josueesteban_12@hotmail.com ,  
karen.gomez@ingbiotec.com , karlapaola_portilla@yahoo.es  
https://orcid.org/0000-0001-6664-2215 , https://orcid.org/0000-0002-6425-9930 , https://orcid.org/0000-0001-  
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819-56743, https://orcid.org/0000-0003-0824-4862 , ,https//orcid.org/0000-0002-3069-4256 .  
Universidad Tecnológica Israel, Ingeniería Electrónica Digital y Telecomunicaciones  
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Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica  
,
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Universidad Politécnica Salesiana, Facultad de Ingeniería Electrónica  
4
Universidad Manuela Beltrán, Facultad de Ingeniería Biomédica.  
Recibido (12/05/20), Aceptado (22/05/20)  
Resumen: En este trabajo se presentan algoritmos para el control de parámetros requeridos  
en equipos de ventilación mecánica, considerando la emergencia sanitaria ocasionada por  
COVID-19. Estos algoritmos permiten el control de variables como el pico de presión inspiratoria  
(
PIP), Presión Positiva al Final de la Espiración (PEEP), Frecuencia Respiratoria (FR), Tiempo  
Inspiratorio (Ti), Pausa Inspiratoria (Pause ins), Sensibilidad de Disparo (Trigger), Apnea en Modo  
Espontáneo (Apnea). El conjunto de estos parámetros ventilatorios se han implementación de  
un equipo de carácter emergente que permite asistir a pacientes con deficiencia respiratoria aguda.  
Palabras Clave: Ventilador mecánico, Presión Positiva al Final de la Espiración (PEEP), Presión límite  
(PIP) , COVID-19.  
VENTILATORY CONTROLALGORITHMS  
IN EMERGING MECHANICAL EQUIPMENT  
Abstract: This work presents algorithms for the control of parameters required in mechanical  
ventilation equipment, considering the health emergency caused by COVID-19. These algorithms  
allow the control of variables such as Peak inspiratory pressure (PIP), Positive end-expiratory  
pressure (PEEP), Respiratory Frequency (FR), Inspiring Time (Ti), Inspiring pause (Pause ins),  
Trigger Sensitivity, Apnea in Spontaneous Mode (Apnea). All these ventilatory parameters have been  
implemented by an emergent team that allows assisting patients with acute respiratory deficiency.  
Keywords: Mechanical Ventilator, Positive end-expiratory pressure (PEEP), Peak inspiratory pressure (PIP),  
COVID-19.  
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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Numero Especial Nº 01 2020 (pp. 123-129)  
Miño et al., Algoritmos para el control de parámetros ventilatorios en equipos mecánicos  
I.INTRODUCCIÓN  
Distress Respiratorio del Adulto (SDRA) y en el Edema  
Durante el proceso de soporte vital por ventilación Agudo Pulmonar (EAP) Cardiogénico. Como desven-  
mecánica, es necesario el control de ciertos parámetros tajas de la aplicación de esta presión, se disminuye el  
que garanticen el correcto funcionamiento de estos equi- gasto cardíaco, lo que puede producir sobredistensión  
pos. En el diseño de ventiladores de carácter emergente, y barotrauma. [2]  
se deben desarrollar algoritmos que permitan configurar  
Presión inspiratoria máxima (PIP), es el nivel más  
el trabajo del equipo de acuerdo al criterio profesional. alto de presión aplicado a los pulmones durante la inha-  
Estos parámetros son descritos a continuación.  
lación [1]. En ventilación mecánica, el número refleja  
una presión positiva en centímetros de presión de agua  
(cmH2O). En la respiración normal, a veces puede de-  
A.Ventilador Mecánico  
Un ventilador pulmonar artificial es un equipo mé- nominarse presión máxima inspiratoria (IPO), que es un  
dico diseñado para forzar una mezcla de gases (oxígeno valor negativo [7].  
y aire comprimido seco) en los pulmones con el fin de  
saturar la sangre con oxígeno y eliminar el dióxido de quier resistencia de la vía aérea [8]. Los factores que  
carbono de los pulmones. pueden aumentar la PIP, son el aumento de las secrecio-  
La presión inspiratoria máxima aumenta con cual-  
El ventilador se puede usar tanto para la invasión nes, el broncoespasmo, la mordida en el tubo de ven-  
(a través de un tubo endotraqueal insertado en las vías tilación y la disminución de la distensibilidad pulmo-  
respiratorias del paciente o a través de la traqueotomía) nar. La PIP nunca debe ser crónicamente superior a 40  
como para la ventilación no invasiva de los pulmones, a (cmH2O) a menos que el paciente tenga síndrome de  
través de una máscara. Los ventiladores modernos son dificultad respiratoria aguda [9,10].  
equipos médicos de alta tecnología los cuales propor-  
Tiempo inspiratorio (Ti) es el tiempo a lo largo del  
cionan soporte respiratorio para el paciente tanto en vo- cual hay un flujo inspiratorio hacia los pulmones. En  
lumen como en presión. [1,2].  
este lapso se genera presión efectiva. Por lo general  
debe tener una relación con el tiempo espiratorio (re-  
lación I:E).  
B.Parámetros de control ventilatorio  
Los parámetros comunes a todos los modos de ope-  
Relación inspiración/espiración (I/E), Es la fracción  
ración del ventilador son: Frecuencia respiratoria (FR), de tiempo que se dedica a la inspiración y la espiración  
Presión positiva al final de la espiración (PEEP) [3], en cada ciclo respiratorio. Habitualmente se utiliza una  
Presión inspiratoria máxima (PIP), Tiempo inspiratorio relación I/E de 1/2 a 1/3. La programación de la rela-  
(
Ti), Relación inspiración/espiración (I/E), Pausa ins- ción I/E es muy diferente según el modelo de respirador  
piratoria, Sensibilidad de disparo (Trigger), Volumen [11], [12]. En unos se programa la FR y la relación I/E;  
Corriente (VC). en otros, el Ti y el espiratorio en segundos; en otros,  
La Frecuencia respiratoria (FR), es la cantidad de la FR y el porcentaje de Ti y de Te en porcentaje, y en  
respiraciones por minuto o, más formalmente, la canti- otros, la FR y el Ti en segundos.  
dad de movimientos indicativos de inspiración y espi-  
El Tiempo posterior al tiempo inspiratorio se deno-  
ración por unidad de tiempo. En la práctica, la frecuen- mina Pausa inspiratoria, en el cual ocurre un cierre de  
cia respiratoria se determina, contando la cantidad de las válvulas tanto inspiratoria como espiratoria del ven-  
veces que el cofre sube o baja por minuto. El objetivo tilador mecánico [13], produciendo de esta manera que  
de medir la frecuencia respiratoria es determinar si las el volumen inspiratorio se mantenga por un lapso de  
respiraciones son normales, anormalmente rápidas (ta- tiempo en los pulmones [14].  
quipnea), anormalmente lentas (bradipnea) o inexisten-  
La Sensibilidad de disparo o Gatillaje (Trigger) co-  
tes (apnea) [4].  
rresponde al esfuerzo umbral que debe hacer el paciente  
La Presión positiva al final de la espiración (PEEP), para que el ventilador entregue un período ventilatorio  
indica la presión residual en el sistema respiratorio lue- (en este caso una respiración asistida). Este valor um-  
go de la espiración, evitando crear un vacío en el mismo bral es lo que se conoce como sensibilidad. Según el  
y prepararlo para la siguiente inspiración. Para mante- mecanismo de gatillaje, los ventiladores (o sus moda-  
nerla en el paciente, se usa una válvula que crea resis- lidades) pueden ser controlados por Flujo o presión de  
tencia con umbral en la rama espiratoria del circuito. acuerdo al requerimiento clínico. [16],[17]  
Esta resistencia permite la salida de gas sólo cuando  
Volumen corriente (VC), Es la cantidad de gas que  
éste supera una presión prefijada impidiendo que la pre- el respirador manda al paciente en cada respiración. Se  
sión en vías aéreas llegue a cero, su función es mejorar programa en las modalidades de volumen y en modali-  
la oxigenación [5,6]. Está indicada en el Síndrome de dades de doble control. Lo habitual es programar un VC  
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de 7–10ml/ kg (excepto en recién nacidos y pacientes II.DESARROLLO  
con enfermedad pulmonar hipoxémica, en que se pro-  
Basado en criterios sobre el manejo de equipos de  
graman volúmenes menores). Hay que tener en cuenta ventilación mecánica, y considerando los criterios del  
que algunos respiradores compensan automáticamente apartado anterior, se desarrollaron e implementaron los  
el volumen de las tubuladuras (volumen de compresión) algoritmos que se presentan a continuación y que co-  
y otros no, por lo que, con el mismo volumen programa- rresponden al desarrollo del ventilador “SURKAN”, de  
do, el volumen efectivo puede ser diferente.  
diseño y fabricación ecuatoriana.  
Modo de ventilación controlada por presión (VCP)  
A continuación, se presentan los algoritmos utiliza-  
es una modalidad común tanto en adultos como en pe- dos para el control de los parámetros de ventilación.  
diatría. Normalmente está disponible tanto en ventila-  
La PIP que se proporciona hacia los pulmones debe  
ción obligatoria continua con control de presión (PC- ser suficiente para expandirlos sin ocasionar daños al  
CMV) como en ventilación obligatoria intermitente con tejido pulmonar y es controlada por el algoritmo de la  
control de presión (PC-IMV), que también es una carac- Figura 1. En cuyo proceso, se inicia leyendo el estado  
terística de otros modos de uso común. Un profesional del ciclo, cuyo valor de 1, indica inspiración y 0, espi-  
clínico establecerá la presión inspiratoria máxima para ración. La presión sensada hace referencia a la presión  
ayudar en la distensión de los alvéolos. Sin embargo, obtenida del sensor de inspiración ubicado en la línea  
el volumen administrado puede variar debido a la ca- de entrada de aire al paciente. Está presión es utilizada  
pacidad respiratoria intrínseca del paciente, el cumpli- en conjunto con la presión configurada para el cálculo  
miento torácico, la resistencia de las vías respiratorias e del error que ingresa al controlador PID que regula la  
incluso otros ajustes del ventilador, como la relación I:E apertura y cierre de la válvula de inspiración.  
y el tiempo de elevación.[1].  
Figura 1. Algoritmo de control de la presión PIP  
La PEEP es la encargada de mantener una presión ción, se lee continuamente la presión del pulmón la es-  
residual que se en los pulmones luego del proceso de piración y en el momento en que se alcance la presión  
espiración. En la Figura 2 se puede visualizar el algorit- PEEP, se cierra la válvula de espiración lo que permite  
mo empleado para controlar la PEEP. Se inicia leyendo mantener una presión residual en el pulmón.  
el ciclo cuyo valor es 0 para la espiración. A continua-  
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Figura 2. Algoritmo para el control de la presión PEEP  
Se consideró la FR, solamente para el cálculo de los cutarse un ciclo inhalatorio-espiratorio. Posteriormente,  
tiempos de inhalación, pausa inspiratoria y espiración restamos dicho resultado del tiempo inhalatorio que es  
en cada ciclo, considerando la actualización de estos ingresado por el usuario para conseguir el tiempo espi-  
valores sin el uso de un bucle. En la Figura 3 se puede ratorio.  
visualizar el algoritmo empleado para identificar la FR Adicionalmente el usuario puede configurar una pau-  
y los cálculos correspondientes.  
sa inspiratoria en cada ciclo, si es así, esta pausa será  
Así pues, se divide la frecuencia para 60 obteniendo calculada y restada del tiempo inspiratorio igualmente  
el tiempo completo en segundos en la cual debe eje- configurado.  
Figura 3. Algoritmo para el control de la Frecuencia Respiratoria, tiempo inspiratorio y Pausa inspiratoria  
El tiempo Ti y la pausa inspiratoria, son parámetros con la lectura del ciclo con valor de 0 para la espiración,  
dependientes de la frecuencia respiratoria configurada posteriormente, realiza la lectura continua de la presión  
a través de la interfaz con el usuario. En la Figura 3 se del pulmón y si ésta es menor al valor configurado de  
puede visualizar el algoritmo empleado para identificar Trigger, se inicia el ciclo de inspiración. Además, se  
el tiempo inspiratorio y la pausa inspiratoria.  
configura una variable que tome en cuenta la existencia  
Para el control del (Trigger) se utiliza el algoritmo de apnea, y se inicia un contador de tiempo. Si el pa-  
mostrado en la Figura 4 y es sensible al esfuerzo del ciente deja de respirar por su propia cuenta se producirá  
paciente para respirar y según el cual, el equipo le asiste una alarma.  
iniciando el ciclo inspiratorio. El algoritmo comienza  
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Figura 4. Algoritmo para activar el disparo Trigger.  
III.METODOLOGÍA  
clo respiratorio comandado por el paciente.  
Para el desarrollo inicialmente se desplegó la lógica  
Una vez que se ha controlado de manera indepen-  
de programación por cada uno de los procesos a con- diente cada uno de los parámetros de ventilación reque-  
trolar por separado [18]. Se empezó con el control de ridos, se integró todo en un solo código a ejecutarse.  
las válvulas de apertura y cierre según los tiempos de Manejando procesos independientes pero que se comu-  
inspiración, pausa inspiratoria y frecuencia respiratoria, nican entre sí para un control completo de los paráme-  
obteniendo el tiempo de espiración mediante cálculos.  
tros en el equipo y evitar retardos en operación.  
Para el acondicionamiento de los sensores usados  
El desarrollo realizado tomó en cuenta el criterio de  
para este fin se tuvo en cuenta; uno para presión neta- expertos en el uso de las alarmas, las mismas que se  
mente a la inspiración, dos sensores que entregan un incorporaron dependiendo de los valores obtenidos por  
diferencial de presión los cuales permiten la estimación cada sensor y estos, no se encuentran en el rango espe-  
del valor de flujo inspiratorio y espiratorio, finalmente cificado, activan alarmas de carácter visible y sonora  
un sensor de nivel de oxígeno FiO2. Se utilizó un con- en el equipo. Las alarmas incorporadas son por presión  
vertidor análogo digital para obtener sus valores en vol- alta y baja, desconexión del circuito paciente, cuando  
taje, que luego son transformados a valores de presión, el paciente intenta realizar respiraciones espontáneas y  
flujo o niveles de oxígeno respectivamente.  
niveles críticos de FiO2.  
Se inició el control, empezando con el valor de pre-  
sión obtenida y por medio de un control PID [19] para IV.RESULTADOS  
controlar la PIP. Adicionalmente se configuró el pará-  
Los algoritmos de control mostrados en la Sección  
metro PEEP y por comparación con el valor del sensor, III se desarrollaron tomando en cuenta la facilidad de  
se controló dicho valor en el equipo. De similar manera, implementación en una plataforma embebida y la inter-  
el trigger o sensibilidad de disparo, se configuró de tal faz del usuario. De acuerdo a consideraciones propias  
manera que al detectar un esfuerzo de respiración por de la ventilación mecánica controlada por presión y con  
parte del paciente, éste, genera una presión negativa que recomendación de médicos se eligieron y probaron los  
es detectada por el sensor de presión y es posible iniciar, rangos de los parámetros de control. Los algoritmos  
dependiendo el nivel de esta sensibilidad, un nuevo ci- propuestos son fácilmente implementables en una pla-  
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taforma embebida y se comprobó su eficiencia en un  
El uso de un controlador PID, para alcanzar la PIP  
ventilador mecánico emergente mostrando resultados solicitada por el usuario, permite seguir la referencia en  
satisfactorios tomado en cuenta las pruebas realizadas un tiempo menor a se ha utilizado un controlador PID  
en pulmones artificiales y en simuladores humanos de permitiendo alcanzar el parámetro de presión a un valor  
alta fidelidad. A continuación se muestran los paráme- adecuado de acuerdo al tiempo de inspiración seleccio-  
tros de ventilación con sus respectivos rangos de traba- nado.  
jo.  
Los parámetros de PEEP, FR, Ti y Trigger, al ser  
El algoritmo presentado en la Figura 1 permitió con- controlados en procesos separados, permiten realizar el  
figurar la PIP en un rango de 5 hasta 40 cmH2O. con modo de ventilación mecánica asistido/controlado por  
ayuda del algoritmo de la figura 2 se configuró la PEEP presión. La inclusión de los sensores mencionados a  
en un rango de 5 hasta 25 cmH2O.  
más de ellos, sirven de base para futuras implementa-  
El algoritmo mostrado en la Figura 3 permite con- ciones de control por volumen que será implementado  
figurar la FR en un rango de 5 hasta 40 rpm, el tiem- en trabajos futuros.  
po inspiratorio en un rango es de 0.1 hasta 3 segundos,  
mientras que la pausa inspiratoria variaría entre 25%  
hasta 75 %.  
REFERENCIAS  
[1]V.. García, A. Sandoval., C. Días., C. Salgado., "  
EL control de activación del disparo Trigger, se lo- Ventilación mecánica invasiva en EPOC y asma Invasi-  
gró con el algoritmo de la figura 4, actuando cuando se ve mechanical ventilation in COPD and asthma.", Re-  
determina en un rango de -0.5 hasta -2.5 cmH2O. Se searchgate, Enero 2017.  
tomó en cuenta una presión negativa ya que ésta se da [2]F. Gutierrez, “Ventilación mecánica”, Acta Médica  
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inspiración.  
[3]M. Sánchez, M. Quintana, D. Palacios, V. Hortigue-  
Los algoritmos de control mencionados a lo largo la, C. Schulk, J. Garcia, A. Canabal, M.J. Pérez, A.  
del documento fueron probados en el ventilador mecá- Velasco, M.A. Arrense, “Relación entre el gradiente al-  
nico emergente mostrado en la Figura 5. Este ventilador veolo-arterial de oxígeno y la PaO2/FiO2 introduciendo  
cuenta con los componentes electrónicos, mecánicos y la PEEP en el modelo.”, Medicina Intensiva, vol. 36,  
neumáticos para la correcta implementación de los al- no. 5, Junio- Julio 2012.  
goritmos mostrados en el presente trabajo.  
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dentro de los rangos descritos con anterioridad y lo- Bernucci, “Recomendaciones para el manejo de pacien-  
grando un adecuado control por presión del ventilador. tes con COVID-19 con indicación terapéutica de venti-  
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[
RESUMEN CURRICULAR  
Carlos Miño, Ingeniero en Electrónica  
Dig ital y Telecomunicaciones "Universidad  
Tecnológica Israel" Ecuatoriano. Intereses  
enfocados en Electrónica, Programación,  
Sistemas embebidos.  
Karen Gómez Ambrosio, Ingeniera  
Bio méd ica “Universidad Manuela Beltrán”  
Colombiana. Intereses enfocados en  
Desarrollo, producción y mantenimiento de  
Equipo médico.  
Andrés Cuaycal, Ingeniero Electrónica y  
Control de la “Escuela Po litécnica Nacional”  
Ecuatoriano. Intereses enfocados en sistemas  
embebidos y robótica.  
Karla Portilla, Ingeniera Electrónica y  
Control de la “Escuela Politécnica  
Nacional” Ecuatoriana. Intereses enfocados  
en mantenimiento de equipamiento médico.  
Josué Quirog a, Ingeniero Electrónico  
“
Universidad  
Politécnica  
Salesiana”  
enfocados en  
Ecuatoriano.  
Intereses  
Simulación Médica, Electrónica, Biomédica.  
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