Oransal valfli puls oksimetre geri beslemeli PLC denetimli ventilatör (pozitif basınçlı yapay solunum cihazı) tasarımıve gerçekleştirilmesi
Design and implementation of proportional valve pulse oximeter feedback PLC controlled ventilator (positive pressure artificial respirator)
Yazar: SAMİ KAR
Danışman: PROF. DR. HİLMİ KUŞÇU
Trakya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Ventilatör cihazları, solunum sistemi zarar görmüş veya herhangi bir sebepten
belli bir süre soluk alıp verme işini yerine getiremeyecek şekilde farklı komplikasyonların
geliştiği durumlarda, geçici süreliğine veya sürekli olarak bireyin akciğerlerindeki gaz
değişiminin gerçekleştirilmesi veya bu iş yükünün hafifletilmesi maksadı ile kullanılan
cihazlardır. Tarihsel süreçte negatif basınçlı ventilatörler, pozitif basınçlı ventilatörler ve
yüksek frekanslı ventilatörlerin (Daha çok infantlarda kullanılmaktadır. Deneysel
çalışmalar devam etmektedir.) çok farklı çeşitleri denenmiş kullanılmış ve tecrübe
edilmiştir. Bu çalışmada solunum desteğine ihtiyaç duyan bireyler için pozitif basınçlı
ventilatör cihazını gerçekleştirmek amaçlanmıştır.
Bu çalışmamızda pozitif basınçlı ventilatör cihazı ve bu cihaza bir takım eklentiler
ile hastanın ihtiyaç duyacağı optimum havayı elde etmek ve hastanın ihtiyaç duyduğu
oksijene solunum fizyolojisine uygun optimum sürede ulaşmasını sağlamak
hedeflenmiştir. İçinde bulunduğumuz pandemi sürecinde bu cihazlara olan ihtiyacın
artması bu cihazlar ile alakalı çalışmalar yapmaya sevk etmiştir. Bu ventilatörde sistem
sensörler yardımı ile sürekli geri beslenerek istenen ventilasyon modunda gerçek
solunuma en yakın veya tedaviyi en iyi şekilde destekleyecek optimum ventilasyonun
sağlanması amaçlanmıştır.
v
Geliştirilen ventilatör cihazımız basitçe şu şekilde çalışmaktadır. Medikal
kompresörlerden alınan medikal hava regülatör yardımı ile belirli basınç seviyelerine
kadar indirilerek inspirasyon hattı girişine verilmiştir. Bu havanın oksijen bakımından ne
kadar zengin olduğu Oksijen sensörü yardımı ile ölçülmüştür. Hastadan puls oksimetre
yardımı ile alınan bilgide dikkate alınarak hem hava hattı hem oksijen hattı ihtiyaç
duyulan seviyeler için oransal valfler yardımı ile oransal olarak kontrol edilerek ihtiyaca
uygun oksijence zengin hava inspirasyon hattına iletilmiştir. İletilen havanın basıncı ve
akımı hassas basınç ve akış sensörleri ile sürekli olarak ölçülerek PLC nin analog input
modülü geri beslenmiştir. Bu geri beslenen bilgiler ile istenen basınç veya volüm hedefine
ulaşılmıştır. Ekspirasyon fazında ise ekspirasyon hattındaki basınç ve akış sensörlerinden
alınan bilgiler PLC nin analog modülüne geri besleme olarak kullanılmıştır. Ekspirasyon
valfi pilot kontrollü olup istenen PEEP desteğini sağlayabilmesi için valfin pilotu 4-20mA
lik bir oransal basınç regülatörü ile kontrol edilmiştir. Talep edilen PEEP ayarları
toleranslar içerisinde sağlanmıştır.
Solunum fizyolojisi gereği hastanın fiziksel ölçüleri, yaşı ve hastalık durumuna
göre hastaya verilmesi gereken optimum hava debisi, hacmi ve basıncı oransal valfler ile
iyi seviyede kontrol edilebilmiştir. Puls oksimetre yardımı ile hastanın yeterli seviyede
oksijene ulaşıp ulaşmadığı oksijen satürayonu (SpO2) kontrol edilerek çıktılar cihaza geri
beslenmiştir. Kritik seviyeler için cihaza alarmlar konulmuştur. Kritik seviyenin
düzeltilebilmesi için cihaz ekranı üzerinden klinisyene gerekli FiO2 miktarını arttırıp
arttırmaması sorulmuştur. Klinisyenin onaylaması durumunda oksijen valfi otomatik
olarak istenen FiO2 yi sağlayacak miktarda açılmıştır. Dilerse red edip FiO2 oranını
manuel ayarlayabilmektedir. Cihaz hem hacim hem de basınç hedefli modların her ikisini
de kapsayacak şekilde gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Ventilator devices: These are devices that are used to perform gas exchange in the
lungs of the individual or to alleviate this workload in cases where the respiratory system
is damaged or the respiratory system cannot perform the breathing work for a certain
period of time. In the historical process, many different types of negative pressure
ventilators, positive pressure ventilators and high frequency ventilators (mostly used in
infants. Experimental studies are ongoing.) Have been tried and experienced. In this
study, it was aimed to realize positive pressure ventilator device for individuals who need
respiratory support.
In this study, it was aimed to obtain the optimum air needed by the patient with
some additions to the positive pressure ventilator device and to ensure that the patient
reaches the oxygen he needs in the optimum time suitable for respiratory physiology. The
increasing need for these devices during the pandemic process we are in has led to studies
on these devices. In this ventilator, the system will be continuously fed back with the help
of sensors, and optimum ventilation will be provided in the desired ventilation mode, as
close to real breathing or to support the treatment in the best way.
vii
Simply, our developed ventilator device works as follows. The medical air taken
from medical compressors is lowered to certain pressure levels with the help of a regulator
and given to the inspiration line entrance. How rich this air is in terms of oxygen was
measured with the help of the oxygen sensor. Considering the information received from
the patient with the help of pulse oximetry, both the air line and the oxygen line are
proportionally controlled with the help of proportional valves for the required levels
Oxygen rich air suitable for the need was delivered to the inspiration line. The pressure
and flow of the transmitted air are continuously measured by sensitive pressure and flow
sensors, and the analog input module of the PLC is fed back. With this feedback, the
desired pressure or volume target has been reached. In the expiration phase, the
information received from the pressure and flow sensors in the expiration line was used
as a feedback to the analog module of the PLC. The exhalation valve is pilot controlled
and the pilot of the valve is controlled with a proportional pressure regulator of 4-20 mA
in order to provide the desired PEEP support. The requested PEEP settings were provided
within tolerances.
The necessity for respiratory physiology, the optimum air flow, volume and
pressure that should be given to the patient according to the physical measurements, age
and disease status of the patient could be well controlled with proportional valves. With
the help of pulse oximetry, the oxygen saturation (SpO2) was checked whether the patient
reached sufficient oxygen and the output were fed back to the device. Alarms have been
placed on the device for critical levels. In order to correct the critical level, the clinician
was asked whether to increase the required FiO2 amount or not on the device screen.