Respirador portátil fácil de construir para pacientes de COVID-19: concepto y retos

Introducción

Las enfermedades e insuficiencias respiratorias son un importante problema de salud pública tanto en los países desarrollados como en los países en desarrollo. Este problema global se ha acentuado enormemente con la pandemia de COVID-19, que ha generado una necesidad urgente de respiradores adicionales (Tian et al. 2020). Incluso países desarrollados como España, Italia y Estados Unidos sufren una escasez de estos costosos dispositivos respiratorios, cuya fabricación además requiere un tiempo relativamente largo (Folmer 2020).

Existen dos tipos de respiradores. Un tipo se limita a impulsar mecánicamente un cierto volumen de aire hacia los pulmones, sin tener en cuenta si el paciente quiere introducir aire en su cuerpo o expulsarlo. Casi todos estos dispositivos se basan en el uso del resucitador manual convencional con bolsa y mascarilla (BVM, por sus siglas en inglés) (Hess y Kacmarek 1996). Un BVM es una bolsa de plástico que un profesional de cuidados clínicos puede comprimir manualmente con las manos y que, por tanto, ofrece un modo barato y sencillo de forzar la entrada de aire en los pulmones. De hecho, los equipos de primera intervención aplican los BVM a pacientes que no respiran, en lugar de practicar la respiración boca a boca. Todos los respiradores basados en un BVM son, en esencia, brazos robóticos que aprietan la bolsa una y otra vez a una frecuencia fija. Estos dispositivos pueden fabricarse con rapidez y en grandes cantidades, pero, como se trata simplemente de bombas que fuerzan la entrada de aire en los pulmones del paciente, solo pueden utilizarse con pacientes bajo anestesia general o con quienes están cerca de la muerte y tienen los pulmones inoperantes. Aplicar un dispositivo así a un paciente consciente supondría un riesgo de muerte por barotrauma, que se produce cuando el cuerpo humano se expone a una presión de aire inadecuada (Diaz y Heller 2020).

El segundo tipo de respirador es más avanzado. Estos dispositivos se utilizan actualmente en las unidades de reanimación para tratar a pacientes de COVID-19 (y de otras enfermedades), ya que son lo bastante inteligentes como para discernir si el paciente quiere aspirar aire o expulsarlo y ayudarle entonces a lograr la acción deseada (Medtronic 2020a). Un respirador de este tipo cuenta con numerosos sensores que interactúan con el cuerpo humano, y el aire se suministra al paciente de forma deliberada y precisa a partir de los datos de los sensores. Por ejemplo, el respirador mecánico Puritan Bennett 980, un equipo de alto rendimiento y máxima gama, ofrece herramientas avanzadas de sincronía que ayudan al médico a configurar el respirador para que se adapte a las necesidades individuales de cada paciente y proporcione así el nivel de apoyo adecuado durante toda la respiración (Medtronic 2020b). Sin embargo, estos dispositivos son maquinaria muy complicada, lo que los hace muy costosos y lentos de fabricar en grandes cantidades.

Debido a la escasez de respiradores provocada por la epidemia de COVID-19, el mundo compite actualmente por desarrollar un sistema de ventilación viable que sea barato y fácil de fabricar. Muchos ingenieros entusiastas que quieren ayudar ofrecen voluntariamente sus conocimientos para desarrollar un respirador de bajo coste que pueda construir cualquier planta de fabricación convenientemente adaptada (Pearce et al. 2020; Powers y Miller 2020). La inmensa mayoría de las soluciones propuestas utilizan un BVM y se basan en un artículo de investigación del MIT publicado en 2010 (Al Husseini et al. 2010). Un ejemplo es el resucitador manual automatizado propuesto por el MIT E-Vent Project Team (2020). Sin embargo, algunas soluciones, como el diseño singular que proponemos en el presente artículo, son diseños de respirador completamente nuevos. En Internet circulan varios conceptos nuevos, pero muchos de ellos se basan en un movimiento de vaivén del motor, que requiere un sistema de control relativamente complejo. Para maximizar la disponibilidad de respiradores (y minimizar la complejidad de su producción), creemos que es importante crear un diseño basado en un movimiento unidireccional. Por ello, en nuestra reciente nota técnica publicada en Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration (revista de Springer Nature), proponemos un nuevo diseño de respirador, sencillo y fácil de construir. Esta nota técnica ha sido escrita por Badre El Majid, Aboubakr El Hammoumi, Saad Motahhir, Ambar Lebbadi y Abdelaziz El Ghzizal.

Concepto de diseño

El concepto singular del respirador propuesto se muestra en las Figs. 1 y 2. Consta de un depósito de aire de plástico, dos círculos de madera o de plástico (discos fijo y móvil), un alambre flexible, dos válvulas antirretorno, un motor de corriente continua y una caja de soporte (cilindro guía).

Fig. 1. Vista en 3D del respirador montado.

Fig. 2. Vista en 3D de los elementos del respirador

Como se muestra en la Fig. 1, el motor está fijado al centro del círculo superior. En el estado de encendido (Fig. 3a), el motor se activa y hace girar el círculo superior en una dirección. El movimiento del motor hace que el alambre se doble. Esto tira del círculo inferior hacia arriba, lo que presuriza el aire del interior del depósito. Este aire presurizado se dirige a continuación hacia los tubos a través de la válvula antirretorno. Este estado corresponde a la fase de inspiración.

 En el estado de apagado (Fig. 3b), se libera el motor. El círculo inferior se desplaza entonces hacia abajo por efecto de su propio peso y de la liberación de la tensión del alambre, que vuelve a su posición inicial. Como la presión en los pulmones es mayor que la presión en el depósito de aire, el dispositivo aspirará aire de los pulmones del paciente. Así, el estado de apagado corresponde a la fase de espiración. La alternancia de los estados de encendido y apagado induce la respiración. Por otra parte, el movimiento del alambre flexible hacia su posición inicial hace que el motor gire en sentido contrario, de modo que el motor puede utilizarse como dinamo para generar electricidad y recargar así la batería. Esto haría que nuestra solución dependiera menos de una fuente de alimentación externa.

Fig. 3 Vista del respirador en estado de encendido (a) y apagado (b).

También podrían incluirse componentes adicionales, no presentados en la Fig. 2, para mejorar nuestro concepto. Algunos ejemplos de estos componentes son:

• Un sensor de temperatura (como el económico DS18B20) en el círculo inferior para medir la temperatura del aire
• Una resistencia calefactora en el círculo superior para controlar la temperatura del aire
• Un sensor de presión (como el económico MPXV5050GP) para medir la presión en el depósito de aire
• Una pequeña batería recargable para el suministro de energía
• Un zumbador que genere alarmas sonoras cuando, por ejemplo, el motor no funcione correctamente o la batería esté baja
• Dos LED (rojo y verde) que indiquen el estado de la batería (nivel de carga bajo o alto)
• Una pantalla LCD (de 20 × 4 caracteres) para mostrar los datos de funcionamiento del sistema (temperatura en el depósito de aire, estado de la batería, etc.)
• Un botón de parada/arranque del sistema.

Todos los componentes estarían controlados por una placa integrada de bajo coste, como un Arduino o un ESP32 (una placa de control y adquisición de datos).

Retos

A partir de los resultados prometedores del trabajo inicial de desarrollo del concepto de respirador sin precedentes presentado en esta invención, se está trabajando para optimizar diversos aspectos del respirador y garantizar la seguridad del paciente durante su funcionamiento. En concreto, este trabajo incluye:

• Determinar las dimensiones óptimas del conjunto, en particular el diámetro del disco y la altura del depósito de aire en función del volumen máximo de aire requerido.
• Determinar el diámetro y el material óptimos del alambre flexible, así como el número óptimo de alambres.
• Elegir un motor de corriente continua adecuado (par, velocidad).
• Cuando se aplica el par del motor a cada alambre, la distancia entre el disco fijo y el disco móvil depende de la rigidez a la flexión del alambre. Cambiar la distancia entre los discos modifica el volumen de aire del depósito. Por tanto, es necesario realizar cálculos analíticos que relacionen el par con los parámetros del alambre (por ejemplo, número, diámetro, módulo de Young y longitud).
• Hay que estudiar y optimizar la fricción entre el disco superior y el soporte, ya que el ajuste entre ambos debe ser lo bastante firme como para evitar cualquier fuga de aire significativa, pero no tanto como para frenar el motor y el ascenso del disco inferior durante el estado de encendido.
• Es necesario utilizar de inmediato el Internet de las cosas (IoT) y una de sus herramientas más innovadoras, la cadena de bloques (blockchain), para allanar el camino al diseño de respiradores innovadores en un futuro próximo.
• Añadir sensores precisos y rentables (para medir, por ejemplo, la presión, el volumen y el flujo) que proporcionen información que el usuario pueda emplear para controlar y vigilar el volumen corriente, la presión inspiratoria, los ciclos por minuto y la relación inspiración/espiración, manteniendo así la seguridad del paciente y administrando el aire de forma deliberada y precisa.
• Este novedoso sistema de ventilación se desarrollará de acuerdo con normas médicas como ISO 80601, ISO 5367 e IEC 62304.

Autor: Saad Motahhir (ENSA, Universidad SMBA, Fez, Marruecos.)