PNEUMA

The development of an artificial breathing simulator aiming represent the functioning of the human lungs as accurately as possible.

To build an artificial breathing simulator (ABS) with self-regulated breathing amplitude and frequency, mimicking the CO₂ gas exchange of the human lungs.

The development of a scalable control strategy for an experimental breathing system based on human CO₂ generation rates.

O1. The construction of an artificial breathing simulator (ABS) allowing CO₂ gas exchange in its interior volume.

O2. The development of a control system for the breathing frequency and amplitude of the ABS.

O3. Calibration of the ABS based on experimental comparisons with existing human CO₂ generation rate data.

O4. The implementation of an automated real-time control strategy for the ABS based on recorded data.

The PNEUMA project aims to design an artificial breathing simulator (ABS) to aid in studies concerning indoor air quality. Indoor air quality (IAQ) is often assessed based on the carbon dioxide (CO₂) concentration. Professional research groups and organizations such as REHVA are working to raise awareness of the importance of IAQ in the pandemic context and to propose tools for estimating indoor infection risks. The indoor concentration of CO₂ has seen use as an indicator of  pathogen dispersion correlated to increased risk of infection. The role of ventilation systems in the spread of pathological agents is nowadays intensively studied in regards to the human breath. However, several issues are found with the methods used to describe the human breathing process.

The primary issue is related to the definition of the breathing zone (BZ) of a human, in which air quality is to be evaluated. The BZ represents the spatial region where the breath influences the accumulation of CO₂, particles and pathogens. The issue is that human measurements have lead to diverging definitions of the BZ, indicating that a framework for evaluation is necessary.

The second crucial issue is the experimental representation of the human breath. Medical literature describes the breathing process in terms of the pulmonary ventilation rate (PVR [l/min]), a parameter equal to the product of the volume of inhaled air (Tidal Volume – TV [ml]) and the frequency of the human breath (bf [min^-1]). Studies aiming to simulate a complete breathing cycle need to alternate the breathing flow rate in order to represent both exhalation and inhalation. This is most commonly done through a sine function of the breathing flow rate applied to either the experimental apparatus or the numerical boundary conditions. While a sine function is an obvious choice for the purpose of representing the breath, two issues arise due to its use: an overestimation of peak exhalation/inhalation velocities and the false assumption that the breathing frequency is fixed. The breathing model would be improved if both the breath frequency and the tidal volume varied with each breath in order to meet certain criteria of gas exchange within the lungs as the human body does.

The third issue is that artificial breathing simulators used in thermal manikins generally evacuate polluted air after analyzing its gas concentrations instead of re-exhaling it. This type of system is inadequate when studying any sort of contaminant as it removes the possibility of re-contaminating the breathing zone through pollutant exhalation.

The PNEUMA project aims to conceive and develop a framework for the evaluation of the human breath based on an experimental platform (the artificial breathing simulator) which can represent the functioning of the human lungs as accurately as possible. The results are aimed at enriching the capabilities of human thermal manikins in studies concerning air quality and pollutant/pathological agent transfer.

Proiectul PNEUMA are ca scop proiectarea unui simulator de respirație artificială (ABS) pentru a ajuta la studiile privind calitatea aerului interior. Calitatea aerului interior (IAQ) este adesea evaluată pe baza concentrației de dioxid de carbon (CO₂). Grupuri profesionale de cercetare și organizații precum REHVA depun eforturi pentru a crește gradul de conștientizare a importanței IAQ în contextul unei pandemii și pentru a propune instrumente de estimare a riscurilor de infecție în interiorul clădirilor. Concentrația de CO₂ a fost utilizată ca indicator al dispersiei agenților patogeni corelat cu un risc crescut de infecție. Rolul sistemelor de ventilație în răspândirea agenților patologici este în prezent studiat intensiv în ceea ce privește respirația umană. Cu toate acestea, există mai multe probleme legate de metodele utilizate pentru a descrie procesul de respirație.

Problema principală este legată de definirea zonei de respirație (BZ) a unui om, în care trebuie evaluată calitatea aerului. BZ reprezintă regiunea spațială în care respirația influențează acumularea de CO₂, particule și agenți patogeni. Problema este că măsurătorile umane au condus la definiții divergente ale BZ, ceea ce indică faptul că este necesar un cadru obiectiv de evaluare.

A doua problemă crucială este reprezentarea experimentală a respirației umane. Literatura medicală descrie procesul de respirație în termeni de rată de ventilație pulmonară (PVR [l/min]), un parametru egal cu produsul dintre volumul de aer inhalat (volumul curent - TV [ml]) și frecvența respirației umane (bf [min^-1]). Studiile care au ca scop simularea unui ciclu respirator complet trebuie să alterneze debitul respirator pentru a reprezenta atât expirația, cât și inhalarea. Acest lucru se face cel mai frecvent printr-o funcție sinusoidală a debitului respirator aplicată fie pe aparatul experimental, fie la condițiile la limită în studiile numerice. Deși o funcție sinusoidală este o alegere evidentă pentru reprezentarea respirației, apar două probleme din cauza utilizării sale: o supraestimare a vitezelor maxime de expirație/inhalație și presupunerea falsă că frecvența respirației este fixă în timp. Modelul de respirație ar fi îmbunătățit dacă atât frecvența respirației, cât și volumul curent ar varia cu fiecare respirație, pentru a îndeplini anumite criterii de schimb de gaze în plămâni, așa cum face corpul uman.

Cea de-a treia problemă este că simulatoarele de respirație artificială utilizate în manechinii termici evacuează în general aerul poluat după ce analizează concentrațiile de gaze ale acestuia în loc să îl reexpire. Acest tip de sistem este inadecvat atunci când se studiază orice fel de contaminant, deoarece elimină posibilitatea de a recontamina zona de respirație prin exhalarea poluantului.

Proiectul PNEUMA își propune să conceapă și să dezvolte un cadru de evaluare al respirației umane bazat pe o platformă experimentală (simulatorul de respirație artificială) care poate reprezenta cât mai exact funcționarea plămânilor umani. Rezultatele vizează îmbogățirea capacităților manechinilor termici umani în studiile privind calitatea aerului și transferul de poluanți/agenți patologici.

Dr. Ing. Matei-Răzvan Georgescu - https://www.brainmap.ro/matei-razvan-georgescu

Dr. Ing. Ilinca Năstase - https://www.brainmap.ro/nastase-ilinca

Poster Sessions

PNEUMA - Adaptive control strategies for an artificial simulator of the human respiratory system, CLIMA 2022: the 14th REHVA HVAC World Congress, Rotterdam, The Netherlands. https://clima2022.org/

Conference Presentations

Paul Danca, M.-R. Georgescu, Florin Bode, Razvan Calota, Costin Ioan Coşoiu, and Ilinca Nastase, Advanced Personalized Ventilation strategies in aircraft cabins for enhanced protection against airborne pathogens, ASHRAE Winter Meeting, Chicago, January 2024

Conference Proceedings

M.-R. Georgescu, I. Nastase, Experimental evaluation of the variation of human breathing flow parameters for multiple test subjects, The 8th Conference of the Sustainable Solutions for Energy and Environment, EENVIRO 2022, Bucharest, Romania. https://www.eenviro.ro/

M.-R. Georgescu, I. Năstase, Design Proposal for Artificial Breathing Simulators for Human Thermal Manikins, The 11th International Conference on Energy and Environment, CIEM 2023, Bucharest, Romania. http://ciem.upb.ro/2023/

M.-R. Georgescu, A. Cernei, I. Năstase, P. Dancă, D.-I. Guță, I. Ursu, Development and Use of a New Architecture of Thermal Manikin for Assessing Local Thermal Comfort, The 11th International Conference on Energy and Environment, CIEM 2023, Bucharest, Romania. http://ciem.upb.ro/2023/

M.-R. Georgescu, Paul Danca, Alexandru Cernei, Frédéric Thevenet, Marie Verriele, Ilinca Nastase, Advanced thermal manikin for assessing local thermal comfort in aircraft cabin, KGH, 54 International, HVAC R Congress and Exhibition, December 2023

Paul Danca, M.-R. Georgescu, Florin Bode, Razvan Calota, Costin Ioan Coşoiu, and Ilinca Nastase, An Overview Of The Airplanes Cabin Ventilation – Exploring The Feasability Of Protective Ventilation, KGH, 54 International, HVAC R Congress and Exhibition, December 2023

Research Papers

Cristiana Croitoru, Florin Bode, Razvan Calota, Charles Berville, M.-R. Georgescu, Harnessing Nanomaterials for Enhanced Energy Efficiency in Transpired Solar Collectors: A Review of Their Integration in Phase-Change Materials, Energies 17(5), 1239, 2024. (IF 3.2) https://doi.org/10.3390/en17051239

PNEUMA Progress Report #1 - Technical Documentation and Material Requirements

PNEUMA Progress Report #2 - ABS Testing and Basic Automation

PNEUMA Final Scientific Report - ABS Measurement Results

Matei-Răzvan Georgescu - mateirazvangeorgescu@gmail.com

Address: Faculty of Building Services, Bd. Pache Protopopescu, No. 66, S2, Bucharest, Romania