Model of the effect of oxygen fraction in gas mixture on arterial blood oxygen saturation during respiratory support of a newborn

Předčasně narození novorozenci často trpí hypoxémickými stavy, které vyžadují léčbu suplementárním kyslíkem, což může vyústit naopak v hyperoxémii. Pro udržení oxygenace krve ve správném rozmezí jsou vyvíjeny automatizované zpětnovazební systémy vyžadující matematický model řízené soustavy. Cílem práce bylo navrhnout, implementovat a otestovat matematický model popisující vliv frakce kyslíku ve vdechované ventilační směsi (FiO2) na saturaci arteriální (SaO2) a periferní (SpO2) krve kyslíkem u předčasně narozených novorozenců. Hlavními částmi modelu jsou dýchací soustava, alveolo-kapilární membrána, oběhová soustava, konvenční ventilátor, ventilátor nCPAP a pulzní oxymetr. Správnou funkci modelu se podařilo úspěšně ověřit na navržených testovacích protokolech, porovnáním s jinými existujícími modely a porovnáním výstupů modelu s daty z klinické praxe. Při porovnání výstupu modelu s daty z klinické praxe bylo zjištěno vysoké R2 až 0,89.Preterm neonates often suffer from hypoxemic conditions that require a supplementary oxygen therapy, which can conversely result in hyperoxemia. For maintaining the blood oxygenation in a proper range, automatic feedback control systems requiring a mathematical model for their testing are developed. The aim of this thesis was to design, implement and test a mathematical model describing the effect of oxygen fraction in gas mixture (FiO2) on arterial (SaO2) and peripheral capillary (SpO2) blood oxygen saturation of preterm infants. The main parts of the model are respiratory system, alveolar-capillary membrane, circulatory system, conventional ventilator, nCPAP ventilator and pulse oximeter. The correct function of the model was successfully verified by means of self-designed testing protocols, comparison with other existing models and comparison of the model output with data from clinical practice. Comparing the output of the model with the clinical data, R-squared as high as 0.89 was reached