Informações
Nível de aprovação pela UnB
Aprovado pela UnB
Nome Completo do Proponente
Sanderson César Macêdo Barbalho
Matrícula UnB
1060422
Unidade acadêmica da UnB
sandersoncesar@unb.br
Link Cúrriculo Lattes
Título da Proposta
Desenvolvimento de respirador mecânico de baixo custo com sistemas de controle em volume e pressão e adequado às condições sanitária para pacientes em UTI devido ao Covid-19
Sumário Executivo da Proposta
A pandemia do Coronavirus é bem conhecida da sociedade mundial e dispensa maiores apersentações aqui. O nosso projeto é resultado de uma parceria desenvolvida entre engenheiros mecânicos e eletrônicos com grande histórico de trabalho na indústria de equipamentos médicos, professores de medicina em pneumologia intensiva e professores da Universidade de Brasília e IFB nas áreas de controle, engenharia mecânica e mecatrônica. Será desenvolvido um sistema em que as entradas de O2 e AR comprimido de uma instalação hospitalar serão estabilizadas em valores de trabalho do sistema de válvulas utilizado. A mistura será consolidada em um sistema venturi e inserida no circuito de pressão para a inspiração do paciente. O sistema vai controla a PEEP, a pressão de platô e o fluxo, de maneira a permitir inicialmente um modo de ventilação controlada por volume decrescente. Assim se conseguirá uma solução mais rápida e de baixo custo. Um sistema de controle garantirá elementos de segurança para o caso de o paciente solicitar maior fluxo que o setado no sistema, e ainda para eventos de tosse. O ritmo de respiração será também controlado pelo médico via painel de interface. Filtros garantirão que o ar expirado não contamine o ambiente com o COVID-19.
A proposta se entende da etapa de projeto, passando pelos primeiros protótipos para validação, até um lote inicial de cerca de 30 unidades, a definir.
Tipo da Proposta
Palavras-chave
respirador mecânico, sistemas de controle, unidade de terapia intensiva
Número de Integrantes da Equipe
12
Nome dos Integrantes da UnB
Sanderson César Macêdo Barbalho, Alexandre Reis, Fábio Ferreira Amorim, Sérgio Henrique Evangelista, Gabriel Silva, João Victor B. A. Teixeira, Guilherme Tabatinga, Fábio Henrique, Renato Sampaio, Rafael Feijó, Carlos Llanos, Marcos Vinícius Miranda Cruz
Há integrantes externos à UnB?
Sim
Possui apoio de Grupo de Pesquisa Certificado pela UnB no CNPq?
Sim
Nome/Link do Grupo de Pesquisa certificado no CNPq pela UnB
Grupo de Pesquisa em Inovação, Projetos e Processos / https://gpipp.com.br/
Público alvo
Análise do Contexto
No final de 2019, um novo coronavírus foi identificado como causa de pneumonia na cidade chinesa de Wuhan. Esse surto de doença pelo coronavírus 2019 (COVID-19) se espalhou para se tornar uma pandemia global. Em 30 de março de 2020, haviam mais de 700.000 casos confirmados com 35.000 mortes, sendo 139 mortes no Brasil. A forma mais severa da doença evolui para insuficiência respiratória aguda com desenvolvimento de síndrome de desconforto respiratório agudo. Ainda sem terapia antiviral com eficácia comprovada, o manejo inclui cuidados de suporte, em especial a ventilação mecânica invasiva. Essa situação tem levado a aumento excessivo da demanda por serviços de saúde. Hospitais de diversos países têm relatado escassez de ventiladores mecânicos. Desse modo, viabilizar a produção desses equipamentos, que incluam recursos que permitam uma ventilação protetora, com disponibilização rápida aos serviços de saúde é crucial para o atendimento durante a pandemia em nosso país.A ventilação mecânica invasiva é definida como a liberação de pressão positiva nos pulmões por meio de um tubo endotraqueal ou de traqueostomia.
Durante a ventilação mecânica, uma mistura predeterminada de ar (oxigênio e outros gases) é forçada nas vias aéreas centrais e depois flui para os alvéolos. À medida que os pulmões inflam, a pressão intra-alveolar aumenta. Um sinal de terminação (a ciclagem), que pode ser pelo volume corrente, tempo inspiratório, fluxo ou pressão, faz com que o ventilador pare de forçar o ar nas vias aéreas centrais e a pressão nas vias aéreas centrais diminui. A expiração segue passivamente, com o ar fluindo dos alvéolos de maior pressão para as vias aéreas centrais de menor pressão. É mais frequentemente usada para substituir total ou parcialmente as funções da respiração espontânea, realizando o trabalho de ventilação alveolar, promovendo as trocas gasosas em pacientes com insuficiência respiratória aguda. É importante ressaltar que, independentemente da indicação, a ventilação mecânica invasiva deve ser considerada no início do curso da doença e não deve ser adiada até que a necessidade se torne urgente.
Os Modos comumente usados são ventilação com volume controlado, ventilação com pressão controlada e ventilação com pressão de suporte, sendo os dois primeiros comumente utilizados na abordagem inicial e o último no processo de retirada da ventilação mecânica.
Embora, a ventilação mecânica seja um recurso capaz de salvar vidas, seu uso deve ser criterioso e com monitorização estrita dos parâmetros aplicados, uma vez que pode levar a lesão pulmonar. Especialmente, pacientes com síndrome de desconforto respiratório agudo apresentam risco aumentado de desenvolverem essa lesão, que é chamada de lesão pulmonar induzida pelo ventilador (VILI). Ela pode resultar de diversos mecanismos como barotrauma, volutrauma, atelectrauma, biotrauma e ergotrauma, o que leva a piora da função pulmonar e agravamento da hipoxemia, podendo prolongar a ventilação mecânica, levar à disfunção orgânica de vários sistemas e aumentar a mortalidade. Portanto, adotar uma estratégia de ventilação que reduza o VILI é um objetivo importante no manejo ventilatório.
Desse modo, tendo em vista o desafio da provável ocorrência de escassez de ventiladores mecânicos em nossos serviços de saúde para o cuidado de usuários afetados pelo COVID-19, viabilizar a produção de ventiladores mecânicos, que incluam recursos que permitam uma ventilação protetora, e permitir sua disponibilização rápida aos serviços de saúde é crucial para o atendimento durante a pandemia em nosso país.
Breve Fundamentação Teórica
O processo de ventilação mecânica por ventiladores ou respiradores mecânicos em unidades de terapia intensiva (UTI) aplica-se à solução ou sistema para suporte da vida e é usada para manter a função pulmonar em padrão adequado para os pacientes em condições críticas de saúde. Sua operação baseia-se em princípios pneumáticos pelos quais é gerido o fluxo de gases a serem entregues ao paciente.
O equipamento é alimentado por linhas pneumáticas independentes de ar comprimido e oxigênio puro. No circuito, cada gás tem sua pressão reduzida na linha por meio de redutores de pressão, sendo sua pressão ajustada em válvulas proporcionais. Depois, os gases são misturados com o estabelecimento de uma dosagem chamada fração de oxigênio inspirado. Até a entrega ao paciente, o gás ao longo do circuito restante passará pela válvula inspiratória e será filtrado no filtro de barreira para depois ser inalado.
Na exalação, o gás retorna pelo ramo expiratório do circuito, passando por um filtro de barreira, pela válvula de exalação e então para a atmosfera. A válvula de exalação é controlada de forma a manter-se fechada no período de inalação, o que permite a inflação dos pulmões e manutenção a um patamar adequado da pressão positiva ao final da expiração (PEEP).
Objetivos e Metas
O escopo deste projeto é definido por: construir 02 protótipos de bancada e 30 unidades do ventilador mecânico proposto como lote piloto. O equipamento deverá ser controlado de forma simples, o que deverá cumprir as funções mínimas, necessidades médicas e com respeito aos limites de segurança funcional, sanitária e geral do paciente. Deverá ser implementado o padrão de controle a volume e a pressão. O controlador deverá ser simplificado devido às restrições de custo e testes de validação. Entretanto, ele deverá ser confiável e apoiado nas experiências já registradas sobre aplicações críticas. Os componentes gerais do equipamento deverão também ser robustos e confiáveis em compromisso com custos acessíveis, bem como com a acessibilidade a compra ou aquisição no mercado nacional, mesmo considerando-se as limitações e riscos não contemplados nesta presente crise. Então, diz-se que o equipamento deverá ser de baixo custo, de fácil integração/montagem e com escopo reduzido de testes para aceitação conforme a agência reguladora. Junto a isto, a entrega dos equipamentos deverá ser coerente com a necessidade dos hospitais da região. Isto habilita a descrição do objetivo geral deste projeto, voltado à construção dos equipamentos segundo o escopo declarado acima com suas diversas condições citadas.
Como metas para alcance deste objetivo, estão previstos: realização de estudos para descrição conceitual do equipamento; realização de compras técnicas; integração dos protótipos; preparação de programa computacional do controlador; realização de testes laboratoriais, de campo e de certificação; fabricação do lote piloto; avaliação e elaboração de documentação.
Metodologia
A metodologia do projeto será basicamente: (1) desenvolvimento de especificações com base no conjunto de válvulas do circuito de pressão; (2) detalhamento do projeto eletrônico, de software e mecânico; (3) aquisição dos principais componentes; (4) fabricação de protótipos de bancada; (5) ciclos de testes em bancada; (6) validação em uso; (7) fabricação do lote piloto; (8) certificação fast-track ANVISA; (9) testes do lote piloto.
Resultados Esperados
Os resultados do projeto podem ser consolidados em dois:
1. desenvolvimento, fabricação, montagem, teste e validação de 02 protótipos de bancada do respirador
2. fabricação, certificação e teste de 30 unidades de lote piloto
Área de Conhecimento
Subárea de Conhecimento
Há previsão de Orçamento proveniente na unidade acadêmica?
Não
Cronograma da Execução
1. Definição de principais componentes: 5 dias
2. Projeto mecânico: 7 dias a partir da atividade (1)
3. Projeto eletrônico e software: 20 dias a partir da atividade (1)
4. Aquisição de materiais: 10 dias a partir de (1)
5. Fabricação de peças mecânicas: 7 dias a partir da atividade (2)
6. Teste dos protótipos: 20 dias a partir das atividades (3), (4), (5).
7. Validação dos protótipos: 7 dias a partir de (6)
8. Fabricação de lote piloto: 20 dias a partir de (7)
9. Testes do lote piloto: 15 dias a partir de (8)
10. Certificação fast track: 10 dias a partir de (7)
11. Encerramento do projeto: 1 dia a partir de (10)
Tempo total de execução previsto
4
