Ventilatore portatile facile da costruire per i pazienti COVID-19: concetto e sfide

Introduzione

Le malattie e le insufficienze respiratorie sono un grave problema di salute pubblica sia nei Paesi sviluppati sia in quelli in via di sviluppo. Questo problema globale è stato fortemente accentuato dalla pandemia di COVID-19, che ha creato un’urgente necessità di ventilatori aggiuntivi (Tian et al. 2020). Anche Paesi sviluppati come Spagna, Italia e Stati Uniti soffrono della carenza di questi costosi dispositivi respiratori, che richiedono inoltre tempi di produzione relativamente lunghi (Folmer 2020).

Esistono due tipi di ventilatori. Un tipo si limita a spingere meccanicamente un certo volume di aria nei polmoni, senza tenere conto del fatto che il paziente voglia inspirare o espirare. Quasi tutti questi dispositivi si basano sull’uso del tradizionale pallone autoespandibile con maschera (BVM, bag valve mask) (Hess e Kacmarek 1996). Un BVM è una sacca di plastica che l’operatore sanitario può comprimere manualmente con le mani, e offre quindi un modo economico e semplice per forzare l’aria nei polmoni. I BVM sono infatti utilizzati dai soccorritori sui pazienti che non respirano, al posto della respirazione bocca a bocca. Tutti i ventilatori basati su un BVM sono essenzialmente bracci robotici che comprimono la sacca ripetutamente a una frequenza prestabilita. Questi dispositivi possono essere prodotti rapidamente e in grandi numeri, ma poiché sono semplici pompe che forzano l’aria nei polmoni del paziente, possono essere usati solo su pazienti in anestesia generale o in condizioni prossime alla morte, con polmoni non funzionanti. Applicare un dispositivo del genere a un paziente cosciente comporterebbe il rischio di morte per barotrauma, che si verifica quando il corpo umano è esposto a una pressione dell’aria inadeguata (Diaz e Heller 2020).

Il secondo tipo di ventilatore è più avanzato. Questi dispositivi sono attualmente utilizzati nei reparti di rianimazione per trattare i pazienti COVID-19 (e altri), perché sono abbastanza intelligenti da distinguere se il paziente vuole inspirare o espirare e aiutarlo a compiere l’azione desiderata (Medtronic 2020a). Un ventilatore di questo tipo ha molti sensori che interagiscono con il corpo umano e l’aria viene fornita al paziente in modo mirato e preciso in base ai dati dei sensori. Ad esempio, il ventilatore meccanico Puritan Bennett 980, un modello di fascia alta ad alte prestazioni, offre strumenti avanzati di sincronia che aiutano il clinico a impostare il ventilatore in funzione delle esigenze individuali di ciascun paziente, garantendo così il livello di supporto adeguato durante tutto l’atto respiratorio (Medtronic 2020b). Tuttavia, questi dispositivi sono macchinari molto complessi, e dunque molto costosi e lunghi da produrre in grandi quantità.

A causa della carenza di ventilatori indotta dall’epidemia di COVID-19, il mondo è oggi in corsa per sviluppare un sistema di ventilazione valido, economico e facile da realizzare. Moltissimi ingegneri entusiasti, desiderosi di dare una mano, mettono a disposizione la propria competenza per sviluppare un ventilatore a basso costo che possa essere costruito da qualsiasi impianto di produzione opportunamente adattato (Pearce et al. 2020; Powers e Miller 2020). La stragrande maggioranza delle soluzioni proposte utilizza un BVM e si basa su un articolo di ricerca del MIT pubblicato nel 2010 (Al Husseini et al. 2010). Un esempio è il rianimatore manuale automatizzato proposto dal MIT E-Vent Project Team (2020). Alcune soluzioni, come l’esclusivo progetto che proponiamo in questo articolo, sono invece ventilatori completamente nuovi. Su Internet circolano vari concetti inediti, ma molti si basano su un movimento alternato avanti e indietro del motore, che richiede un sistema di controllo relativamente complesso. Per massimizzare la disponibilità dei ventilatori (e ridurre al minimo la complessità della loro produzione), riteniamo importante creare un progetto basato su un moto unidirezionale. Per questo, nella nostra recente nota tecnica pubblicata sull’Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration (rivista di Springer Nature), proponiamo un nuovo progetto di ventilatore semplice e facile da costruire. La nota tecnica è stata scritta da Badre El Majid, Aboubakr El Hammoumi, Saad Motahhir, Ambar Lebbadi e Abdelaziz El Ghzizal.

Concetto progettuale

Il concetto esclusivo del ventilatore proposto è illustrato nelle Figg. 1 e 2. Comprende un serbatoio d’aria in plastica, due dischi in legno o plastica (disco fisso e disco mobile), un filo flessibile, due valvole di non ritorno, un motore a corrente continua e una scatola di supporto (cilindro guida).

Fig. 1. Vista 3D del ventilatore assemblato.

Fig. 2. Vista 3D dei componenti del ventilatore

Come mostra la Fig. 1, il motore è fissato al centro del disco superiore. Nello stato ON (Fig. 3a) il motore è attivo e fa ruotare il disco superiore in un senso. Il movimento del motore piega il filo. Questo tira verso l’alto il disco inferiore, che mette in pressione l’aria all’interno del serbatoio. L’aria pressurizzata viene quindi convogliata nei tubi attraverso la valvola di non ritorno. Questo stato corrisponde alla fase di inspirazione.

 Nello stato OFF (Fig. 3b) il motore viene rilasciato. Il disco inferiore si sposta quindi verso il basso per effetto del proprio peso e del rilascio della tensione nel filo, che torna alla posizione iniziale. Poiché la pressione nei polmoni è superiore a quella nel serbatoio dell’aria, il dispositivo aspira aria dai polmoni del paziente. Lo stato OFF corrisponde quindi alla fase di espirazione. L’alternarsi degli stati ON e OFF induce la respirazione. D’altra parte, il movimento del filo flessibile verso la posizione iniziale fa ruotare il motore in senso opposto, per cui il motore può essere usato come dinamo per generare elettricità e ricaricare così la batteria. Ciò renderebbe la nostra soluzione meno dipendente dall’alimentazione esterna.

Fig. 3 Vista del ventilatore negli stati ON (a) e OFF (b).

Per migliorare il nostro concetto si potrebbero includere componenti aggiuntivi non illustrati nella Fig. 2. Ad esempio:

• Un sensore di temperatura (come il sensore economico DS18B20) sul disco inferiore per misurare la temperatura dell’aria
• Una resistenza riscaldante sul disco superiore per controllare la temperatura dell’aria
• Un sensore di pressione (come l’economico MPXV5050GP) per misurare la pressione nel serbatoio dell’aria
• Una piccola batteria ricaricabile per l’alimentazione
• Un cicalino che generi allarmi acustici quando, ad esempio, il motore non funziona correttamente o la batteria è scarica
• Due LED (rosso e verde) che indicano lo stato della batteria (livello di carica basso o alto)
• Un display LCD (20 × 4 caratteri) per mostrare i dati operativi del sistema (temperatura nel serbatoio dell’aria, stato della batteria e così via)
• Un pulsante di arresto/avvio del sistema.

Tutti i componenti sarebbero controllati da una scheda embedded economica come Arduino o ESP32 (una scheda di controllo e acquisizione dati).

Sfide

Sulla base dei risultati promettenti del lavoro di sviluppo iniziale sull’inedito concetto di ventilatore presentato in questa invenzione, è in corso un lavoro per ottimizzare vari aspetti del ventilatore e garantire la sicurezza del paziente durante il suo funzionamento. In particolare, questo lavoro comprende:

• Determinare le dimensioni ottimali dell’insieme, in particolare il diametro del disco e l’altezza del serbatoio dell’aria in funzione del volume massimo d’aria richiesto.
• Determinare il diametro e il materiale ottimali per il filo flessibile, nonché il numero ottimale di fili.
• Scegliere un motore a corrente continua adeguato (coppia, velocità).
• Quando la coppia del motore viene applicata a ciascun filo, la distanza tra il disco fisso e il disco mobile dipende dalla rigidezza flessionale del filo. Modificare la distanza tra i dischi cambia il volume d’aria nel serbatoio. È quindi necessario eseguire calcoli analitici che mettano in relazione la coppia con i parametri del filo (ad esempio numero, diametro, modulo di Young e lunghezza).
• L’attrito tra il disco superiore e il supporto deve essere studiato e ottimizzato, perché l’accoppiamento tra il disco superiore e il supporto deve essere abbastanza stretto da impedire perdite d’aria significative, ma non così stretto da rallentare il motore e la salita del disco inferiore durante lo stato ON.
• L’Internet delle cose (IoT) e uno dei suoi strumenti più innovativi, la blockchain, devono essere utilizzati subito per aprire la strada alla progettazione di ventilatori innovativi nel prossimo futuro.
• Aggiungere sensori precisi ed economici (per misurare, ad esempio, pressione, volume e flusso) in grado di fornire informazioni che l’utente può impiegare per controllare e monitorare il volume corrente, la pressione inspiratoria, i respiri al minuto e il rapporto inspirazione/espirazione, mantenendo così la sicurezza del paziente e somministrando l’aria in modo mirato e preciso.
• Questo innovativo sistema di ventilazione sarà sviluppato secondo standard medici come ISO 80601, ISO 5367 e IEC 62304.

Autore: Saad Motahhir (ENSA, SMBA University, Fez, Marocco.)