Dynamic Modelling of the Patient Circuit for High Frequency Ventilation

Autor: Eriksson, Samuel
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
Druh dokumentu: Text
Popis: Artificial breathing is vital when it comes to treatment of critically ill patients where the natural breathing mechanism is insufficient. With the help of mechanical ventilators, the natural breathing mechanism of the patient can be assisted or even exchanged with the artificial breathing from the machine. Small errors and unexpected events in these systems may lead to serious damages on the patients, causing even more harm than good. Therefore, these systems require a lot of testing and monitoring to ensure functionality. With the use of accurate simulation models, testing time can be reduced by running test in the simulation environment instead of on the actual machine. The simulation models can also be used for monitoring functions in real time, making sure the ventilation of the patient is working as expected. When it comes to simulating a ventilator system controlled with high frequency ventilation techniques, the existing simulation models fail to reproduce the high frequency dynamics that appear during high frequency ventilation. This paper proposes a modelling approach for mechanical ventilator systems exposed to high frequency dynamics. Focus is placed on modeling the patient circuit including the inspiratory and expiratory tubes, the humidifier with the dry line tube, the Y-piece, the tracheal tube and the patient lungs. The model is based on mathematical models representing the thermodynamic and pneumatic behaviour of the system. It is built using Simulink with regular and customized building blocks from Simscape. Compared to pre-existing simulation models, this model includes the inertia effects of the gas which is crucial when it comes to accurately modeling the system while being exposed to fast changes in flow and pressure. To evaluate the model performance, the simulated pressure and flow at the patient port are compared to measured data from an experimental setup. From the results of this thesis it was seen that the model is very sensitive to the patient model used in the simulation environment, which means that the patient model has to be remodeled in order to archive a better model performance. Compared to the pre-existing model used for comparison in this thesis, it is seen that an increased parameter model produces more accurate results.
Konstgjord andning är livsavgörande när det kommer till behandling av kritiskt sjuka patienter där den naturliga andningsmekanismen inte fungerar som den ska. Med hjälp av mekanisk ventilation kan den naturliga andningsmekanismen hos patienten assisteras eller helt ersättas av denna konstgjorda andning. Små fel eller oväntade händelser i dessa system kan vara livsfarliga för patienten och kan orsaka mer skada än nytta. Detta gör att dessa system kräver mycket testning och övervakning för att säkerställa att allt fungerar som tänkt. Med hjälp av noggranna simuleringsmodeller kan testtiden minskas samtidigt som dessa simuleringsmodeller kan användas för övervakning av systemet i realtid, detta för att säkerställa systemets funktion. När det kommer till simulering av ventilatorsystem som ventileras med högfrekventa ventilationstekniker, misslyckas de befintliga simuleringsmodellerna att återskapa den högfrekventa dynamik som uppstår under högfrekvent ventilation. Denna uppsatts föreslår en modelleringsmetod för att kunna modellera mekaniska ventilatorsystem som utsätts för högfrekvent dynamik. Fokus för projektet har varit att modellera patientkretsen inklusive inandnings- och utandningsslangarna, luftfuktaren med torrlinjeslangen, Y-kopplingen, trakealtuben och patientens lungor. Modellen är baserad på matematiska modeller som representerar systemets termodynamiska och pneumatiska beteende. Den är byggd i Simulink med existerande och anpassade block från Simscape. Jämfört med redan existerande simuleringsmodeller inkluderar denna modell gasens tröghetseffekter, vilket är avgörande när det gäller att noggrant modellera systemet samtidigt som det utsätts för snabba förändringar i flöde och tryck. För att utvärdera modellens prestanda jämförs det simulerade trycket och flödet vid patientporten med uppmätta data från en experimentell uppställning i labbmiljö. Resultaten från detta projekt visar att modellen är väldigt känslig för patientmodellen som används i simuleringsmiljön, vilket innebär att patientmodellen måste rekonstrueras för att uppnå en bättre prestanda för modellen. Jämfört med den redan existerande modellen som används för jämförelse i denna avhandling, syns det att en ökad parametermodell ger ett resultat närmare de uppmätta signalerna från det verkliga systemet.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: