Un respirateur portable facile à construire pour les patients atteints de la COVID-19 : concept et défis

Introduction

Les maladies et insuffisances respiratoires constituent un enjeu majeur de santé publique, tant dans les pays développés que dans les pays en développement. Ce problème mondial a été considérablement accentué par la pandémie de COVID-19, qui a créé un besoin urgent de respirateurs supplémentaires (Tian et al. 2020). Même des pays développés comme l’Espagne, l’Italie et les États-Unis souffrent d’une pénurie de ces appareils respiratoires coûteux, dont la fabrication demande en outre un temps relativement long (Folmer 2020).

Il existe deux types de respirateurs. Le premier se contente de pousser mécaniquement un certain volume d’air dans les poumons, sans tenir compte du fait que le patient veuille aspirer l’air ou le rejeter. Presque tous ces appareils reposent sur l’usage du ballon-masque classique (bag valve mask, BVM) (Hess et Kacmarek 1996). Un BVM est une poche en plastique que le soignant peut comprimer manuellement avec les mains, et qui offre donc un moyen peu coûteux et simple de forcer l’air à entrer dans les poumons. De fait, les BVM sont utilisés par les premiers intervenants sur des patients qui ne respirent pas, plutôt que de pratiquer le bouche-à-bouche. Tous les respirateurs fondés sur un BVM sont essentiellement des bras robotisés qui compriment la poche encore et encore à une fréquence donnée. Ces appareils peuvent être fabriqués rapidement et en grand nombre, mais comme ces respirateurs ne sont que de simples pompes qui forcent l’air dans les poumons du patient, ils ne peuvent être utilisés que pour des patients sous anesthésie générale ou proches de la mort et dont les poumons ne fonctionnent plus. Appliquer un tel appareil à un patient conscient l’exposerait à un risque de décès par barotraumatisme, qui survient lorsque le corps humain est exposé à une pression d’air inadaptée (Diaz et Heller 2020).

Le second type de respirateur est plus avancé. Ces appareils sont actuellement utilisés dans les services de réanimation pour traiter les patients atteints de la COVID-19 (et d’autres maladies), car ils sont assez intelligents pour discerner si le patient veut aspirer ou rejeter l’air, puis l’aider à réaliser l’action souhaitée (Medtronic 2020a). Un respirateur de ce type comporte de nombreux capteurs qui interagissent avec le corps humain, et l’air est fourni au patient de manière délibérée et précise en fonction des données des capteurs. Par exemple, le ventilateur mécanique Puritan Bennett 980, un modèle haut de gamme très performant, fournit des outils de synchronisation avancés qui aident le clinicien à régler l’appareil pour qu’il s’adapte aux besoins individuels de chaque patient et offre ainsi le soutien approprié tout au long de la respiration (Medtronic 2020b). Cependant, ces appareils sont des machines très complexes, ce qui les rend très coûteux et longs à fabriquer en grandes quantités.

En raison des pénuries de respirateurs provoquées par l’épidémie de COVID-19, le monde est actuellement lancé dans une course pour développer un système de ventilation viable, bon marché et facile à fabriquer. De nombreux ingénieurs enthousiastes, désireux d’aider, mettent bénévolement leur expertise au service de la conception d’un respirateur à bas coût qui pourrait être construit par n’importe quel site de fabrication convenablement adapté (Pearce et al. 2020 ; Powers et Miller 2020). La grande majorité des solutions proposées utilisent un BVM et s’appuient sur un article de recherche du MIT publié en 2010 (Al Husseini et al. 2010). Un exemple est le ressuscitateur manuel automatisé proposé par l’équipe du MIT E-Vent Project (2020). Certaines solutions, comme la conception originale que nous proposons dans le présent article, sont toutefois des conceptions de respirateurs entièrement nouvelles. Divers nouveaux concepts circulent sur Internet, mais beaucoup reposent sur un mouvement de va-et-vient du moteur, ce qui exige un système de commande relativement complexe. Afin de maximiser la disponibilité des respirateurs (et de minimiser la complexité de leur production), nous estimons qu’il est important de créer une conception fondée sur un mouvement unidirectionnel. C’est pourquoi, dans notre récente note technique publiée dans l’Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration (revue de Springer Nature), nous proposons une conception de respirateur nouvelle, simple et facile à construire. Cette note technique a été rédigée par Badre El Majid, Aboubakr El Hammoumi, Saad Motahhir, Ambar Lebbadi et Abdelaziz El Ghzizal.

Concept de conception

Le concept original du respirateur proposé est illustré par les figures 1 et 2. Il comprend un réservoir d’air en plastique, deux disques en bois ou en plastique (un disque fixe et un disque mobile), un fil flexible, deux clapets anti-retour, un moteur à courant continu et un boîtier de support (cylindre de guidage).

Fig. 1. Vue 3D du respirateur assemblé.

Fig. 2. Vue 3D des éléments du respirateur

Comme le montre la figure 1, le moteur est fixé au centre du disque supérieur. À l’état activé (ON, fig. 3a), le moteur est enclenché et fait tourner le disque supérieur dans un sens. Le mouvement du moteur fait plier le fil. Cela tire le disque inférieur vers le haut, ce qui met sous pression l’air contenu dans le réservoir. Cet air sous pression est ensuite dirigé dans des tuyaux à travers le clapet anti-retour. Cet état correspond à la phase d’inspiration.

 À l’état désactivé (OFF, fig. 3b), le moteur est relâché. Le disque inférieur descend alors sous l’effet de son propre poids et du relâchement de la tension du fil, qui retrouve sa position initiale. Comme la pression dans les poumons est supérieure à celle du réservoir d’air, l’appareil aspire l’air des poumons du patient. L’état OFF correspond donc à la phase d’expiration. L’alternance des états ON et OFF induit la respiration. Par ailleurs, le retour du fil flexible vers sa position initiale fait tourner le moteur dans le sens opposé, de sorte que le moteur peut servir de dynamo pour produire de l’électricité et recharger ainsi la batterie. Notre solution dépendrait ainsi moins d’une alimentation externe.

Fig. 3 Vue du respirateur à l’état ON (a) et OFF (b).

Des composants supplémentaires, non représentés sur la figure 2, pourraient aussi être ajoutés pour améliorer notre concept. Par exemple :

• Un capteur de température (comme le capteur bon marché DS18B20) sur le disque inférieur pour mesurer la température de l’air
• Une résistance chauffante sur le disque supérieur pour contrôler la température de l’air
• Un capteur de pression (comme le capteur bon marché MPXV5050GP) pour mesurer la pression dans le réservoir d’air
• Une petite batterie rechargeable pour l’alimentation
• Un buzzer pour générer des alarmes sonores lorsque, par exemple, le moteur ne fonctionne pas correctement ou que la batterie est faible
• Deux LED (rouge et verte) indiquant l’état de la batterie (niveau de charge faible ou élevé)
• Un écran LCD (20 × 4 caractères) pour afficher les données de fonctionnement du système (température dans le réservoir d’air, état de la batterie, etc.)
• Un bouton d’arrêt/démarrage du système.

Tous les composants seraient commandés par une carte embarquée bon marché, comme un Arduino ou un ESP32 (une carte de commande et d’acquisition de données).

Défis

Sur la base des résultats prometteurs des premiers travaux de développement du concept inédit de respirateur présenté dans cette invention, des travaux sont en cours pour optimiser différents aspects du respirateur et garantir la sécurité du patient lors de son utilisation. Plus précisément, ces travaux consistent à :

• Déterminer les dimensions optimales de l’ensemble, en particulier le diamètre du disque et la hauteur du réservoir d’air en fonction du volume d’air maximal requis.
• Déterminer le diamètre et le matériau optimaux du fil flexible, ainsi que le nombre optimal de fils.
• Choisir un moteur à courant continu adéquat (couple, vitesse).
• Lorsque le couple du moteur est appliqué à chaque fil, la distance entre le disque fixe et le disque mobile dépend de la rigidité en flexion du fil. Modifier la distance entre les disques modifie le volume d’air dans le réservoir. Il est donc nécessaire d’effectuer des calculs analytiques reliant le couple aux paramètres du fil (par exemple le nombre, le diamètre, le module de Young et la longueur).
• Le frottement entre le disque supérieur et le support doit être étudié et optimisé : l’ajustement entre le disque supérieur et le support doit être assez serré pour empêcher toute fuite d’air significative, sans l’être au point de ralentir le moteur et la montée du disque inférieur à l’état ON.
• L’Internet des objets (IoT) et l’un de ses outils les plus innovants, la blockchain, doivent être employés dès maintenant pour ouvrir la voie à la conception de respirateurs innovants dans un avenir proche.
• Ajouter des capteurs précis et économiques (pour mesurer, par exemple, la pression, le volume et le débit) qui fournissent des informations permettant à l’utilisateur de contrôler et de surveiller le volume courant, la pression inspiratoire, le nombre de respirations par minute et le rapport inspiration/expiration, afin de préserver la sécurité du patient et d’administrer l’air de manière délibérée et précise.
• Ce nouveau système de respirateur sera développé conformément aux normes médicales telles que ISO 80601, ISO 5367 et IEC 62304.

Auteur : Saad Motahhir (ENSA, université SMBA, Fès, Maroc)