care sunt

Tratarea celor mai grave cazuri de COVID-19 necesită utilizarea ventilatoarelor. Am auzit cu toții acest lucru și, de asemenea, că există o lipsă a acestor dispozitive. Dar nu există un singur tip de ventilator și acel tip de mașină nu este singura opțiune atunci când vine vorba de respirația asistată folosită în tratament. Informația este o putere și o mai bună înțelegere a acestui subiect ne va ajuta pe toți să înțelegem mai bine situația.

Recent am scris despre un grup de Facebook axat pe ventilatoare open source și alte tehnologii care ar putea ajuta la pandemia COVID-19. A existat o revărsare de sprijin și, deși comunitatea este excelentă atunci când vine vorba de construirea lucrurilor, este clar că cu toții avem nevoie de mai multe informații despre problemele cu care se confruntă medicii în prezent și despre modul în care echipamentul existent a fost conceput pentru a le rezolva.

Totuși, este un subiect lung și complicat, așa că mergi să iei ce a mai rămas din gustările tale de carantină și hai să săpăm.

Pe măsură ce cercetăm, să abordăm un punct comun de confuzie în terminologie: aparatele respiratorii sunt măști concepute pentru a proteja purtătorul, cum ar fi menținerea lucrătorilor din domeniul sănătății de la inhalarea particulelor care transportă Coronavirus, în timp ce ventilatoarele sunt dispozitive utilizate de pacienți pentru a-i ajuta să respire adecvat.

Cum funcționează plămânii noștri

Sistemul nostru respirator face două lucruri; aduce oxigen în organism și elimină dioxidul de carbon din organism. Face acest lucru prin preluarea aerului din atmosferă și trecerea acestuia prin structuri din ce în ce mai mici din plămâni, terminând în capilare; acestea sunt minuscule „vene” care sunt capabile să treacă molecule individuale în și din fluxul sanguin.

Cea mai simplă modalitate de a imagina acest sistem respirator este ca un copac inversat: un trunchi mare (traheea) se ramifică iar și iar (bronșiole), care se termină în frunze mici (alveole) care efectuează transferul de gaze. Alveolele sunt structuri minuscule, cum ar fi ciorchini de struguri și sunt acoperite de capilare. Capilarele difuzează molecule de O2 în fluxul sanguin, unde sunt transportate de celulele sanguine și elimină CO2. Acest mecanism este determinat de diferențele de presiune dintre concentrațiile de O2 și CO2 din celulele sanguine în comparație cu aerul. Partea importantă este suprafața, cu cât suprafața capilară este mai mare pentru a efectua transferul de gaz, cu atât mai bine, motiv pentru care plămânii sunt o mulțime de sfere mici în loc de două cavități uriașe.

Transferul de gaze este asistat de respirație (respirație în interior și în exterior). Organismul trebuie să expulze în mod constant aerul bogat în dioxid de carbon și să aducă aer proaspăt bogat în oxigen, iar acest lucru se realizează prin schimbarea volumului plămânilor. Diafragma (sub plămâni) și mușchii intercostali (între coaste) efectuează ambele lucrări de extindere a plămânilor. Acest lucru mărește volumul plămânilor și aerul se precipită pentru a umple acel volum în fiecare dintre alveolele mici. Expirația este un proces majoritar pasiv; mușchii se relaxează și revin la starea lor naturală, la fel ca o bandă de cauciuc întinsă care revine la starea sa naturală. Expirarea activă necesită efort din partea mușchilor suplimentari.

Există păruri mici, numite cili și celule producătoare de mucus, în interiorul acestui sistem. Sarcina lor este de a captura deșeurile și particulele străine care au fost inhalate și de a le împinge în sus și în afară, unde traversează esofagul și sistemul digestiv.

Există o mulțime de lucruri care pot cauza probleme cu acest sistem delicat. Dacă ramurile sunt blocate, spuneți cu prea mult mucus, atunci există mai puțină suprafață disponibilă pentru transferul de gaz, iar persoana nu poate obține suficient aer cu aceeași cantitate de respirație. Dacă bronhiolele sau capilarele devin rigide (de exemplu, din cauza fumatului) sau cicatrizate, atunci devine dificil să stoarceți aerul. Dacă plămânii se deteriorează, alveolele se pot descompune și suprafața pulmonară este redusă, astfel încât difuzia este afectată. Dacă plămânii se inflamează, căile respiratorii se restrâng și devine dificil să treci un volum suficient de mare în și din plămâni pentru transferul de gaze. Dacă persoana respira prea repede și mișcă mult aer, sau prea lent și nu mișcă suficient aer, atunci concentrațiile de gaze din sânge ies din lovitură. Prea mult dioxid de carbon în sânge și corp devine acid, ceea ce este o problemă pe care alte organe trebuie să o rezolve.

Există alte probleme care se pot întâmpla în acest sistem, cum ar fi creierul care nu primește semnalele corecte despre cantitatea de dioxid de carbon și oxigen din sânge sau creierul uitând că îi spune corpului să respire. Acestea nu se întâmplă cu COVID-19.

De ce respirația devine o problemă

CDC are un ghid bun privind managementul clinic al pacienților, care oferă statistici despre modul în care se prezintă boala și despre ce tipuri de îngrijire au nevoie. La pacienții care prezintă cele mai grave simptome ale COVID-19, problemele sunt pneumonia (infecția care duce la umplerea plămânilor cu lichid), dispneea (respirație dificilă sau dificilă) și sindromul de detresă respiratorie acută (ARDS). În termeni simpli, pacienții nu pot respira suficient de bine.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:New_Pneumonia_cartoon.jpg

Pacientul se luptă să respire, deoarece pneumonia provoacă exces de producție de mucus și infecție celulară, umple alveolele și blochează ramurile și reduce suprafața disponibilă pentru transferul de gaze. Alveolele accesibile încă funcționează, dar nu sunt suficiente pentru a susține pacientul. Rezultatul este o respirație dificilă și un transfer insuficient de gaz, care poate duce la moarte.

Potrivit OMS, aproximativ 14% dintre infectați necesită spitalizare și sprijin pentru oxigen, iar 5% necesită internare în UCI. Privind la Bergamo, Italia, că 14% din întreaga populație este copleșitoare spitale, în timp ce în locuri mai bine pregătite sau în care curba este aplatizată, sistemul de sănătate este mai puțin stresat.

Medicii din Italia sugerează că spitalele devin epicentrele pentru transmiterea virusului și că îngrijirea la domiciliu poate fi preferată, dacă este posibil, mai ales că nu dispun de toate resursele de care au nevoie. Aceasta este ceea ce determină comunitatea DIY să caute modalități de a dezvolta rapid unele dintre aceste resurse.

Cum oferim respirație asistată

Există trei modalități principale de a ajuta persoanele care au dificultăți în a introduce O2 în sânge și CO2:

  1. Deschideți căile respiratorii pentru a crește suprafața
  2. Creșteți conținutul de oxigen din aer
  3. Faceți-le mai ușor să respire în volume mari de aer

Deoarece aerul are 78% azot, 1% argon și 21% oxigen (cu urme de alte gaze), există mult spațiu pentru îmbunătățirea transferului de gaze prin creșterea procentului de oxigen. Dioxidul de carbon se difuzează mult mai ușor decât oxigenul, deci de obicei nu este o problemă să scoți CO2. Acasă acest lucru se face cu un concentrator de oxigen sau cu rezervoare livrate. Într-un spital acest lucru se face cu O2 central.

Un alt lucru de făcut este să deschideți mai multe dintre aceste pasaje și să clarificați blocajele și să obțineți toate acele alveole. Un mod de a face acest lucru este același mod în care funcționează pentru apneea în somn; presiunea aerului pozitivă. Punând presiune pozitivă a aerului în toate ramurile, ajută la menținerea căilor respiratorii deschise la fel cum suflând ușor un balon îl împiedică să se prăbușească. Singurul lucru este că „balonul” despre care vorbim aici este realizat dintr-un țesut delicat care este deja stresat, iar suprapresurizarea este catastrofală.

De asemenea, contribuim la obținerea unui transfer mai mare de gaz în alveole care sunt încă accesibile. Acest lucru se poate face asistând pacientul cu efortul de inhalare, din nou cu presiune pozitivă a aerului. La pacienți, respirația dificilă înseamnă că se epuizează doar încercând să obțină suficient aer, deci este necesară asistență la inhalare și de multe ori ventilatoarele devin parte a tratamentului.

Scopul final al acestor trei lucruri este de a oferi pacientului timp pentru a dezvolta anticorpi și pentru a combate virusul și pentru a elimina plămânii, astfel încât pacientul să poată beneficia de asistență mecanică timp de până la două săptămâni.

Fanul

Ventilatorul vă poate ajuta cu aceste lucruri. Nu produce oxigen, ci trece oxigenul furnizat prin el și către pacient. Există mai multe tipuri, în funcție de gravitatea infecției. În mod ideal doriți NIV sau ventilație neinvazivă care utilizează o mască externă. Ventilația invazivă necesită o traheostomie sau un tub endotraheal introdus în nas sau gură în jos în plămâni, care este un proces incredibil de dificil și riscant, care poate fi realizat doar de un medic calificat într-un cadru medical și poate duce la alte complicații.

O mașină CPAP creează o presiune de aer încălzită, umidificată, pozitivă în căile respiratorii printr-o mască de față sigilată. De PruebasBMA - Lucrare proprie, CC BY-SA 3.0, Link

Pentru a explica cel mai bine un fan, să începem cu un CPAP și să mergem mai departe. Scurt pentru presiunea pozitivă continuă a căilor respiratorii, un CPAP preia aer normal și îl comprimă și prezintă o presiune mai mare a aerului printr-un furtun până la o mască. De obicei presiunea este cuprinsă între 4-20cm H2O. Dacă nu ați folosit-o niciodată, gândiți-vă cum ar fi să creșteți într-o piscină cu capul deasupra apei, unde plămânii împing în mod constant apa pentru a respira și apoi, după ani, ieșiți a bazinului. Mușchii tăi trebuie să facă mult mai puțină muncă pentru a aduce aerul și se grăbește cu ușurință. CPAP este același concept; prin furnizarea unei presiuni mai mari a aerului, plămânii lucrează mai puțin pentru a inspira decât ar face altfel și pot respira mai profund. Mai important, presiunea împiedică colapsarea pasajelor. Expirația este puțin mai dificilă, dar amintiți-vă că acesta este un proces majoritar pasiv; elasticitatea naturală a plămânilor și a mușchilor poate depăși presiunea crescută, în limitele desigur.

BiPAP este următorul nivel. Cu unele simțiri fanteziste, este posibil să detectați începutul expirației și apoi să scădeți nivelul de presiune în jos pentru expirație, facilitând expirarea. Veți vedea un număr IPAP și un număr EPAP, care este presiunea de inhalare și presiunea de expirație. Rețineți că în ambele cazuri este încă o presiune pozitivă a aerului; nu putem avea nici pasajele care se prăbușesc la expirație. Celălalt avantaj este că, cu o diferență mai mare de presiuni, puteți avea un volum mareal mai mare (cantitatea de aer care intră și iese în fiecare respirație, de obicei aproximativ 500mL sau 7mL/kg de masă corporală) deoarece IPAP mai mare permite mai mult, iar EPAP inferior permite expirarea mai ușoară.

Ventilatorul este următorul pas logic. Poate regla presiunea fie reactiv, fie proactiv, sau ambele cu limite speciale. De exemplu, ar putea permite pacientului să respire pe cont propriu cu suport asemănător BiPAP, dar asigură faptul că pacientul respiră cel puțin un anumit număr de respirații pe minut sau poate prelua în întregime procesul de respirație și crește și reduce presiunea la momente specifice pentru a face pacientul să respire atunci când altfel nu ar putea altfel de unul singur.

Unele ventilatoare sunt proiectate pentru uz casnic, unde sistemul evacuează aerul expirat direct de la pacient, iar pacientul este relativ stabil. Cu aceste ventilatoare, tubul poate fi conectat la o mască sau la un tub de traheostomie.

Alte ventilatoare sunt destinate utilizării spitalelor acute. Acestea au interfețe mult mai complexe pentru varietatea modurilor de tratament pentru care sunt capabili. De obicei, fac o ventilație invazivă în care un tub endotraheal este introdus în nas sau gură și în jos în plămâni. Cel mai mare factor aici este că aerul expirat este captat de sistem și filtrat înainte de a fi eliberat. Într-o aplicație în care pacientul are o boală transmisibilă, acest punct este deosebit de important.

Majoritatea acestor mașini au un port suplimentar care preia oxigenul furnizat. Acestea pot fi tancuri, dar nu probabil din cauza debitului mare necesar. Un concentrator de oxigen poate furniza doar aproximativ 10L/min. În cazul ventilatoarelor acute de spital, poate fi necesar mult mai mult. Majoritatea spitalelor au O2 central, capabil să furnizeze până la 50L/min.

Multe provocări ale proiectării ventilatoarelor

Acum, că aveți elementele de bază din spatele tehnologiei, iată câteva provocări specifice.

Utilizarea ventilatoarelor necesită lucrători medicali cu înaltă calificare

Pe lângă constrângerile fizice ale unei mașini, aveți nevoie de medici instruiți pentru a monitoriza pacienții. DACĂ ați putea obține o soluție DIY, acestea sunt celelalte lucruri de luat în considerare.

Eforturile actuale de fabricație

Companiile care produc utilajele necesare sunt bine conștiente de această problemă și accelerează producția cât de repede pot. În plus față de creșterea producției de tipuri potrivite de ventilatoare, se uită la CPAP și BiPAP și ventilatoare care nu suportă viața și explorează modalități de a lua aceste dispozitive medicale cu toate mecanismele de siguranță și certificările adecvate deja în vigoare și liniile de producție deja înființat și încercând să găsească modalități de a le adapta la nevoile specifice pentru COVID-19.

Una dintre cele mai mari probleme ale lor este acum lanțul de aprovizionare. China a fost închisă mult timp. Rutele de transport sunt dezordonate, companiile aeriene având mai puține zboruri, țările care închid frontierele și chiar și în cele mai bune momente, transportul pe mare durează o lună. Știu că GE a deschis locuri de muncă pentru ca muncitorii să lucreze pe linia de asamblare din Madison, WI, unde scriu acest articol, și presupun că alții din întreaga lume accelerează producția în măsura posibilităților lor. Se adaugă schimbări, procese paralelizate acolo unde este posibil și matrițe de injecție încălzite. Configurarea liniilor de fabricație suplimentare ar putea ajuta, dar este nevoie de timp pentru ca toate echipamentele specializate să fie necesare. Chiar dacă noile fabrici s-ar putea reconstrui rapid, dirijarea componentelor poate fi factorul cel mai limitativ și este foarte posibil ca o componentă specializată să fie un factor limitativ pentru întreaga industrie. Dacă producția depinde de o anumită piesă, iar o linie de asamblare consumă deja acea parte cât de repede poate fi realizată, adăugarea unei a doua linii de asamblare nu „face copilul” mai rapid.

Unii caută modalități creative de multiplexare a ventilatoarelor existente, chiar săptămâna trecută l-am văzut pe Dr. Charlene Babcock demonstrează o modalitate de a converti un singur ventilator pentru a fi utilizat cu patru pacienți pe baza unui studiu de fezabilitate al medicamentelor de urgență. Ca exercițiu, încercați să vă sincronizați respirația cu cineva din apropiere și să o mențineți. Chiar dacă îl puteți face să funcționeze pentru o perioadă extinsă de timp, ar trebui să luați în considerare faptul că într-un spital toți pacienții ar trebui să fie pe toate aceleași setări, cu respirații sincronizate de același volum, toți trebuie să aibă aceeași rezistență și orice modificare a oricăreia dintre ele ar putea însemna că pacientul nu mai este compatibil cu ceilalți pacienți de pe ventilator. Practic, funcționează numai dacă îi faceți inconștienți și chiar atunci doar pe scurt.

Concluzii

Comunitatea DIY este fantastică și are o mulțime de oameni străluciți, care sunt foarte capabili de o varietate de lucruri. Am văzut deja piese imprimate 3D venind în ajutor. Echipamentul de protecție personală (PPE) este piratat împreună în ordine rapidă de către hackerspaces și companii de imprimare 3D. Ventilatoarele, totuși, sunt o fiară cu totul nouă, cu o complexitate similară cu suportul de viață într-o navă spațială, deși suficient de diferită încât să ceri unei companii de automobile să facă una este ca și cum ai cere unei companii de fani să se reorganizeze pentru a face o mașină. Totuși, este logic să ceri unei companii auto să facă PIESE pentru a ajuta la problemele lanțului de aprovizionare. Consultați cerințele stabilite de Marea Britanie pentru o soluție de ventilator pentru un ghid mai amănunțit despre ceea ce este necesar.

Speranța mea nu este să descurajez în întregime; sper că acest 101 va ajuta să ghideze puțin, astfel încât eforturile să nu fie irosite pe soluții care nu pot funcționa. Există un argument potrivit căruia „dacă nu sunt suficiente ventilatoare și pacienții sunt întorși, aș prefera să am o șansă redusă cu o soluție piratată decât o șansă fără nicio soluție. Realitatea este mai aproape de „dacă nu există destule ventilatoare, o soluție spartă cel mai probabil va face mai mult daune decât bine, va ocupa prea mult timp din resursele de îngrijire a sănătății deja tensionate și ar putea duce la moarte”. Întrucât comunitatea Hackaday nu este una care să se ferească de o provocare, totuși, dacă veți începe undeva, ar trebui să începeți cu soluțiile existente care sunt aproape și în cantități reduse, cum ar fi generatoarele de oxigen și BiPAP și unele tipuri de ventilatoare, și căutați cum ar putea fi modificate fără a ocoli mecanismele de siguranță încorporate în ele, mai degrabă decât să înceapă de la zero. Ca comunitate, putem și ar trebui să ajutăm ori de câte ori este posibil. Să o facem alături de îndrumarea profesioniștilor din domeniul sănătății instruiți, care au abilitățile de a naviga nevoile și riscurile respirației asistate.