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Ventiladores respiratorios: ¿Qué hacen y cómo trabajan?

El tratamiento de los casos más graves de COVID-19 requiere el uso de ventiladores. Todos hemos escuchado esto, y también que hay una escasez de estos dispositivos. Pero no hay un solo tipo de ventilador, y ese tipo de máquina no es la única opción cuando se trata de la respiración asistida que se utiliza en el tratamiento. La información es poder y tener una mejor comprensión de este tema nos ayudará a todos a comprender mejor la situación.

Existe un grupo en Facebook centrado en ventiladores open source y otras tecnologías que podrían ayudar en la pandemia del COVID-19. Ha habido una gran cantidad de apoyo, y aunque la comunidad es excelente cuando se trata de hacer cosas, está claro que todos necesitamos más información sobre los problemas con los que los médicos están lidiando actualmente y cómo se diseñó el equipo existente para abordarlos.

Sin embargo, es un tema largo y complicado, así que ponte cómodo en tu asiento, ve a buscar lo que queda de tus bocadillos de cuarentena y analicemos.

Antes de profundizar, abordemos un punto común de confusión en la terminología: los respiradores son máscaras diseñadas para proteger al usuario, como evitar que los trabajadores de la salud inhalen partículas que transportan coronavirus, mientras que los ventiladores son dispositivos utilizados por los pacientes para ayudarlos a respirar adecuadamente.

Cómo trabajan nuestros pulmones

Nuestro sistema respiratorio hace dos cosas; trae oxígeno al cuerpo y expulsa dióxido de carbono del cuerpo. Esto lo hace tomando aire de la atmósfera y pasándolo a través de estructuras cada vez más pequeñas en los pulmones, terminando en capilares; estas son pequeñas ‘venas’ que pueden pasar moléculas individuales dentro y fuera del torrente sanguíneo.

La forma más sencilla de imaginar este sistema respiratorio es como un árbol invertido: un tronco grande (la tráquea) se ramifica una y otra vez (bronquiolos), terminando en pequeñas hojas (alvéolos) que realizan la transferencia de gases. Los alvéolos son pequeñas estructuras como racimos de uvas y están cubiertos de capilares. Los capilares difunden las moléculas de O2 (oxígeno) en el torrente sanguíneo donde son transportadas por las células sanguíneas y eliminan el CO2 (dióxido de carbono). Este mecanismo es impulsado por las diferencias de presión entre las concentraciones de O2 y CO2 en las células sanguíneas en comparación con el aire. La parte importante es el área de superficie, ya que cuanto mayor sea el área de superficie capilar disponible para efectuar la transferencia de gas, mejor, es por eso que los pulmones son muchas esferas pequeñas en lugar de dos cavidades gigantes.

La transferencia de gas es asistida por la respiración (inhalación y exhalación). El cuerpo necesita expulsar constantemente el aire rico en dióxido de carbono y traer aire fresco rico en oxígeno, y esto se hace cambiando el volumen de los pulmones. El diafragma (debajo de los pulmones) y los músculos intercostales (entre las costillas) realizan trabajos para expandir los pulmones. Esto aumenta el volumen de los pulmones y el aire se precipita para llenar ese volumen en cada uno de los pequeños alvéolos. La exhalación es un proceso principalmente pasivo; los músculos se relajan y vuelven a su estado natural, como una banda elástica que vuelve a su estado natural. La exhalación activa requiere esfuerzo de músculos adicionales.

Hay pequeños pelos llamados cilios y células productoras de moco en todo el interior de este sistema. Su trabajo es capturar desechos y partículas extrañas que se han inhalado, y empujarlos hacia arriba y hacia afuera, donde cruzan hacia el esófago y el sistema digestivo.

Hay muchas cosas que pueden causar problemas con este delicado sistema. Si las ramas están bloqueadas, digamos con demasiada mucosidad, entonces hay menos área de superficie disponible para la transferencia de gas, y la persona no puede obtener suficiente aire con la misma cantidad de respiración. Si los bronquiolos o capilares se vuelven rígidos (por ejemplo, por fumar) o cicatrizan, entonces es difícil expulsar el aire. Si los pulmones se dañan, los alvéolos pueden romperse y el área de la superficie pulmonar se reduce, por lo que la difusión se ve afectada. Si los pulmones se inflaman, las vías respiratorias se contraen y se hace difícil pasar un volumen lo suficientemente grande de aire dentro y fuera de los pulmones para la transferencia de gas. Si la persona respira demasiado rápido y mueve mucho aire, o demasiado lento y no mueve suficiente aire, entonces sus concentraciones de gases en la sangre se descontrolan. Demasiado dióxido de carbono en la sangre y el cuerpo se vuelve ácido, lo cual es un problema que otros órganos deben resolver.

Hay otros problemas que pueden suceder en este sistema, como que el cerebro no recibe las señales correctas sobre la cantidad de dióxido de carbono y oxígeno en la sangre, o que el cerebro se olvida de decirle al cuerpo que respire. Eso no es lo que está sucediendo con COVID-19.

¿Por qué la respiración se vuelve un problema?

Los CDC (Centros de Control y Prevención de Enfermedades) tienen una buena guía sobre manejo clínico de pacientes que brinda estadísticas sobre cómo se presenta la enfermedad y qué tipo de atención necesitan. En los pacientes que experimentan los peores síntomas de COVID-19, los problemas son neumonía (infección que hace que los pulmones se llenen de líquido), disnea (respiración difícil o dificultosa) y síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA). En términos simples, los pacientes no pueden respirar lo suficientemente bien.

El paciente está luchando por respirar porque la neumonía está causando un exceso de producción de moco e infección celular, llenando los alvéolos y bloqueando las ramas y reduciendo el área de superficie disponible para la transferencia de gases. Los alvéolos a los que se puede acceder todavía funcionan, pero no hay suficientes disponibles para mantener al paciente. El resultado es una respiración dificultosa y una transferencia de gas insuficiente, que puede conducir a la muerte.

Según la OMS, aproximadamente el 14% de los infectados requieren hospitalización y oxígeno, y el 5% requiere ingreso en la UCI (Unidad de Cuidados Intensivos). Mirando a Bérgamo, Italia, ese 14% de la población total está abrumando a los hospitales, mientras que en los lugares que están mejor preparados o donde la curva se aplana, el sistema de atención de la salud está menos estresado.

Los médicos en Italia están sugiriendo que los hospitales se están convirtiendo en epicentros para la transmisión del virus, y que la atención domiciliaria puede ser preferible si es posible, especialmente porque no tienen todos los recursos que necesitan. Esto es lo que hace que la comunidad de makers busque formas de desarrollar rápidamente algunos de esos recursos.

¿Cómo podemos ofrecer respiración asistida?

Hay tres formas principales de ayudar a las personas que tienen dificultades para introducir oxígeno en su sangre y sacar dióxido de carbono:

  1. Abrir sus vías respiratorias para aumentar el área de superficie.
  2. Aumentar el contenido de oxígeno del aire.
  3. Facilitar la respiración de grandes volúmenes de aire.

Dado que el aire es 78% de nitrógeno, 1% de argón y 21% de oxígeno (con rastros de otros gases), hay mucho margen para mejorar la transferencia de gas al aumentar el porcentaje de oxígeno. En casa, esto se puede lograr con un concentrador de oxígeno o tanques entregados. En un hospital esto se hace con una central de O2. El dióxido de carbono se difunde mucho más fácilmente que el oxígeno, por lo que generalmente no es un problema sacar el CO2.

Otra cosa que hacer es abrir más esos conductos y eliminar los bloqueos y llegar a todos esos alvéolos. Una forma de hacerlo es la misma que funciona para la apnea del sueño; presión de aire positiva. Al poner presión de aire positiva en todas las ramas, ayuda a mantener abiertas las vías respiratorias al igual que inflar suavemente un globo evita que se colapse. Lo único es que el “globo” del que estamos hablando aquí está hecho de tejido delicado que ya está estresado, y la sobrepresión es catastrófica.

También ayudamos a que se produzca más transferencia de gas en los alvéolos que aún son accesibles. Esto se puede hacer ayudando al paciente con el esfuerzo de inhalar, nuevamente con presión de aire positiva. En los pacientes, la respiración dificultosa significa que se agotan simplemente tratando de obtener suficiente aire, por lo que es necesaria la asistencia con la inhalación y aquí es donde los ventiladores se vuelven parte del tratamiento.

El objetivo final con estas tres cosas es darle al paciente tiempo para desarrollar anticuerpos y combatir el virus y limpiar los pulmones, entonces el paciente puede recibir asistencia mecánica por hasta dos semanas.

El ventilador

El ventilador puede ayudar con estas cosas. No produce oxígeno, pero pasa oxígeno provisto a través de él y al paciente. Hay varios tipos según la gravedad de la infección. Lo ideal es que desees NIV, o ventilación no invasiva que usa una máscara externa. La ventilación invasiva requiere una traqueotomía o un tubo endotraqueal insertado en la nariz o la boca hacia los pulmones, que es un proceso increíblemente difícil y arriesgado que solo puede realizar un médico calificado en un entorno de atención médica y puede provocar otras complicaciones.

CPAP: Una máquina CPAP crea presión de aire caliente, humidificada y positiva en las vías respiratorias a través de una máscara facial sellada.

Para explicar mejor un ventilador, comencemos con un CPAP y avancemos. CPAP son las iniciales en inglés de Continuous Positive Airway Pressure (presión positiva continua en las vías respiratorias, en español), un CPAP es un dispositivo mecánico que toma aire normal y lo comprime, y presenta esa presión de aire más alta a través de una manguera a una máscara. Por lo general, la presión está entre 4-20 cmH2O (centímetros de agua). Si nunca has usado uno, piensa en cómo sería crecer en una piscina con la cabeza fuera del agua, donde tus pulmones empujan constantemente el agua para respirar, y luego, después de años, sales de la piscina. Tus músculos tienen que hacer mucho menos trabajo para atraer el aire, y entra fácilmente. El CPAP es el mismo concepto; al suministrar aire a mayor presión, tus pulmones trabajan menos para inhalar de lo que lo harían de otra manera y pueden respirar más profundamente. Más importante aún, la presión evita que los conductos colapsen. Exhalar es un poco más difícil, pero recuerda que este es un proceso principalmente pasivo; la elasticidad natural de los pulmones y los músculos puede superar el aumento de la presión, dentro de los límites, por supuesto.

El BiPAP es el siguiente nivel. Con un poco de detección sofisticada, es posible detectar el comienzo de la exhalación y luego bajar el nivel de presión, lo que facilita la exhalación. Verás un número de IPAP y EPAP, que es la presión de inhalación y la presión de exhalación. Ten en cuenta que en ambos casos sigue siendo presión de aire positiva; tampoco podemos hacer que los conductos colapsen al exhalar. La otra ventaja es que con una mayor diferencia en las presiones, puedes tener un mayor volumen corriente (la cantidad de aire que entra y sale en cada respiración, típicamente alrededor de 500 ml o 7 ml / kg de masa corporal) porque el IPAP mayor permite entrar más, y el EPAP más bajo permite una exhalación más fácil.

Paciente con un BiPAP

El ventilador es el siguiente paso lógico. Éste puede ajustar la presión de forma reactiva o proactiva, o ambas con límites especiales. Por ejemplo, podría permitir que el paciente respire por sí solo con un soporte similar a BiPAP, pero asegura que el paciente respire al menos un cierto número de respiraciones por minuto, o podría hacerse cargo del proceso de respiración por completo y aumentar y disminuir la presión en momentos específicos para hacer que el paciente respire cuando no podría hacerlo por su cuenta.

Algunos ventiladores están diseñados para uso doméstico, donde el sistema ventila el aire exhalado directamente del paciente y el paciente es relativamente estable. Con estos ventiladores, el tubo se puede conectar a una máscara o a un tubo de traqueotomía.

Otros ventiladores están diseñados para uso hospitalario agudo. Estos tienen interfaces mucho más complejas para la variedad de modos de tratamiento para los que son capaces. Por lo general, realizan una ventilación invasiva en la que se inserta un tubo endotraqueal en la nariz o la boca y hacia los pulmones. El factor más importante aquí es que el aire espirado es capturado por el sistema y filtrado antes de ser liberado. En una aplicación donde el paciente tiene una enfermedad transmisible, este punto es particularmente importante.

La mayoría de estas máquinas tienen un puerto adicional que absorbe el oxígeno suministrado. Este puede estar en tanques, pero no es probable debido a la alta tasa de flujo necesaria. Un concentrador de oxígeno solo puede suministrar aproximadamente 10L / min. En el caso de los ventiladores hospitalarios agudos, se puede requerir mucho más. La mayoría de los hospitales tienen una central de O2, capaz de suministrar hasta 50L / min.

Los muchos desafíos del diseño de ventiladores

Ahora que tienes los conceptos básicos detrás de la tecnología, aquí hay algunos desafíos específicos.

  • Debes tener un buen sello en la máscara que la persona lleva puesta en la cara. Si no tienes un buen sello, la máscara tendrá fugas y no podrás mantener una presión positiva. El sellado deficiente es una de las principales razones por las que fallan este tipo de dispositivos.
  • Monitorear la exhalación es importante. La máscara facial debe permitir que salgan los gases expirados, de lo contrario, el paciente volverá a respirar su propio aire. La máquina sabe cuánto se ventila y lo tiene en cuenta al suministrar presión. Cuando el paciente exhala, el aire expirado no entra en la máquina, sale a través de los respiraderos de la máscara facial y sale al aire. En un entorno hospitalario, esto sería una aerosolización del virus, lo cual sería muy malo, por lo que existen diseños de ventiladores para hospitales que capturan el aire expirado a través de un tubo diferente y lo filtran.
  • Tienes que mantener el nivel de presión positiva de manera constante; si hay una fuga, tiene que subir para mantener el nivel de presión, y si la fuga está tapada, tiene que bajar de inmediato. Si superas el nivel de presión previsto, puedes dañar fácilmente los pulmones. Las presiones están típicamente en el rango de 4-40 cmH2O. Este es un requisito muy importante, porque estropearlo hace mucho daño rápidamente. –
  • Tienes que calentar y humedecer el aire. Por lo general, los senos paranasales hacen un buen trabajo, pero en un ventilador, esto no es posible porque los senos paranasales pueden pasarse por alto. Cuando el aire está demasiado seco, puede provocar hipotermia, broncoespasmo, producción adicional de moco (que es malo porque bloquea más conductos) u otros problemas.
  • Con los ambientes cálidos y húmedos viene el crecimiento de bacterias, y la enfermedad del legionario, una forma grave de neumonía causada por bacterias, es un riesgo grave en pacientes ya comprometidos. Tener un ambiente insalubre podría causar problemas más rápidamente que la enfermedad original.
  • Tienes que poder suministrar mucho oxígeno. Un concentrador de oxígeno portátil (POC) no funcionará por un par de razones; Primero, no extrae suficiente oxígeno para los pacientes que han necesitado O2 suplementario hasta ahora. En segundo lugar, solo dispensa oxígeno cuando detecta la respiración, pero dado que entra una presión de aire positiva, los sensores en el POC no funcionarán. Dependiendo de las necesidades del paciente, un concentrador de oxígeno más grande puede ser suficiente, pero cualquier diseño de ventilador debe permitir una entrada de oxígeno.
  • La buena noticia es que solo debe ser capaz de suministrar presión positiva; Los ventiladores no succionan el aire de los pulmones. Simplemente proporcionan niveles variables de presión positiva y permiten que la elasticidad de las costillas y el diafragma se encarguen de la exhalación.
  • Ya sea que necesites muchos sensores (PaCO2, TcCO2, SpO2, FiO2 además del flujo y la presión) y la capacidad de tener algoritmos complejos, o necesitarás un experto que monitoree constantemente al paciente. Si se dan la vuelta y aprietan el tubo, o se mueven y rompen el sello, o se agitan, o su condición cambia de alguna manera, puede ser necesario cambiar la configuración de la máquina. El software que se ejecuta en dispositivos existentes es complicado, con buenas razones. Es posible que no pienses en tu frecuencia respiratoria durante todo el día, pero tu cuerpo está ajustando regularmente la cantidad de aire que necesita, y el sistema tiene que dar cuenta de eso.
  • Un pulmón masculino adulto tiene un volumen de aproximadamente 5 litros, pero el volumen corriente es de aproximadamente 500 ml. Esto significa que el sistema debe ser capaz de suministrar aire a presión durante al menos 500 ml por inhalación, y es posible que deba seguir aplicando presión para la exhalación.
  • Cualquier diseño debe ser fabricable utilizando piezas existentes que estén fácilmente disponibles. La razón de la escasez de ventiladores ahora es que la demanda aumentó más rápido que las capacidades de los fabricantes para crear productos. Ya tienen cadenas de suministro, líneas de fabricación, moldes de inyección y diseños de trabajo que se prueban y prueban. Lo único que los detiene es su capacidad de obtener y ensamblar los componentes lo suficientemente rápido, y luego distribuirlos, y es mejor que creas que están lanzando todos los recursos que pueden, con la ayuda de cada gobierno, para resolver todos los problemas de la cadena de suministro que tienen ahora. El objetivo de aplanar la curva es dar a todos el mayor tiempo posible para resolver problemas.

El uso de ventiladores requiere trabajadores de atención médica altamente calificados

Además de las limitaciones físicas de una máquina, necesitas médicos capacitados para controlar a los pacientes. Si pudieras obtener una solución DIY, estas son otras cosas a tener en cuenta.

  • Cada paciente deberá ser valorado y ajustado regularmente. Este es el proceso de averiguar cuáles son los niveles correctos para dar tratamiento al paciente. Existen múltiples variables, como la presión de inhalación y la presión de exhalación, ya sea que la máquina lidere el ciclo de respiración o el humano, la frecuencia, la sensibilidad de los sensores. Existe un gran riesgo de dañar los pulmones del paciente por negligencia. Si la configuración no es exactamente la correcta, entonces el paciente podría terminar teniendo que hacer más trabajo luchando contra la máquina de lo que estaría haciendo sin la máquina, o tener un balance de gases en la sangre inadecuado. Por ejemplo, si la configuración de EPAP es demasiado alta, el paciente puede estar tomando más de lo que está exhalando, lo que claramente no es una solución sostenible.
  • Lo mismo ocurre con los niveles de O2 en el gas suministrado. Dado que el aumento de los niveles de O2 puede conducir a situaciones inflamables o explosivas, es importante que el sistema no tenga fugas y que haya sensores y protecciones para garantizar que el O2 vaya al lugar correcto en las cantidades correctas. Además, suministrar demasiado oxígeno puede suprimir el mecanismo de “impulso para respirar” del cerebro, la señal le indica al sistema respiratorio que inhale y exhale, lo que los lleva a dejar de respirar.
  • La limpieza es esencial, ya que podría causar problemas peores que la enfermedad original, y la capacidad de mantener limpia la máquina, incluso si solo se usa durante una semana, es crítica. – En la mayoría de los casos donde se necesita un ventilador, el paciente tiene comorbilidades (afecciones médicas adicionales) como hipertensión, diabetes, enfermedades cardiovasculares y enfermedades del sistema respiratorio (también aquí), lo que hace que el tratamiento sea más desafiante.
  • Lo más importante es que si las condiciones de la persona son tan severas que está en un respirador, entonces necesitará estar cerca de atención inmediata, lo que significa que la solución debe estar en un hospital. Incluso si tuviéramos un exceso de ventiladores, el número de camas de la UCI y el personal de cuidados críticos terminaría siendo el factor limitante. – Cualquier dispositivo nuevo requerirá la capacitación del cuidador, por lo que debe funcionar como las unidades existentes con las que están familiarizados o ser realmente fáciles de aprender.
  • Es necesario decir que la asignación adecuada de recursos es importante aquí. No podemos tener a nadie acumulando ventiladores para una necesidad anticipada mientras la gente muere sin ellos. Cada ventilador que sale de una línea de producción debe ir a un paciente que lo necesite, y debemos moverlo como podamos.

Esfuerzos actuales de fabricación

Las empresas que fabrican la maquinaria necesaria son conscientes del problema y están aumentando la producción lo más rápido posible. Además de aumentar la producción de los tipos correctos de ventiladores, están analizando los CPAP y BiPAP y los ventiladores sin soporte vital y explorando formas de llevar estos dispositivos médicos con todos los mecanismos y certificaciones de seguridad apropiados ya existentes y las líneas de producción ya establecidas, e intentar encontrar formas de adaptarlos a las necesidades específicas de COVID-19.

Uno de sus mayores problemas en este momento es la cadena de suministro. China estuvo cerrada por mucho tiempo. Las rutas de transporte están en desorden con las aerolíneas que cada vez tienen menos vuelos, los países que cierran fronteras e incluso en el mejor de los casos, el envío por mar tarda un mes. General Electric ha abierto ofertas de trabajo para trabajar en su línea de ensamblaje en Madison, WI, y seguramente otros en todo el mundo están aumentando la producción lo mejor que pueden. Se están agregando turnos, procesos paralelizados siempre que sea posible, y moldes de inyección calentados. La instalación de líneas de fabricación adicionales podría ayudar, pero lleva tiempo fabricar todo el equipo especializado necesario. Incluso si las nuevas fábricas pudieran actualizarse rápidamente, la ruta de los componentes puede ser el factor más limitante y es muy posible que un componente especializado sea un factor limitante para toda la industria. Si la producción depende de una parte específica, y una línea de ensamblaje ya está consumiendo esa parte tan rápido como se puede hacer, agregar una segunda línea de ensamblaje no hace el proceso más rápido.

Algunos están buscando formas creativas de multiplexar los ventiladores existentes, la semana pasada vimos a la Dra. Charlene Babcock demostrar una forma de convertir un solo ventilador para su uso con cuatro pacientes en base a un estudio de viabilidad de medicina de emergencia. Como ejercicio, intenta sincronizar tu respiración con alguien cercano y mantenerla. Incluso si puedes hacer que funcione durante un período prolongado de tiempo, debes tener en cuenta que en un hospital todos los pacientes tendrían que estar en la misma configuración, con respiraciones sincronizadas del mismo volumen, todos tiene que tener la misma resistencia, y cualquier cambio en cualquiera de ellos podría significar que el paciente ya no era compatible con los otros pacientes en el ventilador. Básicamente, solo funciona si los haces inconscientes, e incluso entonces solo brevemente.

Conclusiones

La comunidad maker es fantástica y tiene muchas personas brillantes que son muy capaces de una variedad de cosas. Ya hemos visto piezas impresas en 3D que vienen al rescate. Equipos de Protección Personal (PPE) están siendo hackeados rápidamente por hackerspaces y compañías de impresión 3D. Sin embargo, los ventiladores son una bestia completamente nueva con una complejidad similar al soporte vital en una nave espacial, aunque lo suficientemente diferentes como para pedirle a una compañía automotriz que haga uno, es como pedirle a una compañía de ventiladores que se reorganice para hacer un automóvil. Sin embargo, pedirle a una compañía de automóviles que fabrique PIEZAS para ayudar con los problemas de la cadena de suministro tiene sentido. Consulta los requisitos establecidos por el Reino Unido para una solución de ventilador para una guía más completa de lo que se necesita.

“Mi esperanza no es desanimar por completo; mi esperanza es que este artículo ayude a guiar un poco para que el esfuerzo no se desperdicie en soluciones que no pueden funcionar. Existe el argumento de que “si no hay suficientes ventiladores y los pacientes están siendo rechazados, prefiero tener una pequeña posibilidad con una solución hackeada que ninguna posibilidad sin solución”. La realidad está más cerca de “si no hay suficientes ventiladores, una solución hackeada probablemente hará más daño que bien, tomará demasiado tiempo de los recursos sanitarios ya agotados y podría provocar la muerte”. Sin embargo, como la comunidad de Hackaday no es apta para huir de un desafío, si vas a comenzar en algún lugar, debes comenzar con soluciones existentes que estén cerca y no escaseen, como generadores de oxígeno y BiPAPs y algunos tipos de ventiladores y observa cómo podrían modificarse sin pasar por alto los mecanismos de seguridad incorporados en ellos, en lugar de comenzar desde cero. Como comunidad, podemos y debemos ayudar siempre que sea posible. Hagámoslo junto con la orientación de profesionales de la salud capacitados que tengan las habilidades para navegar las necesidades y los riesgos de la respiración asistida.” Palabras de Bob Baddeley autor de esta guía y editor en Hackaday.


Artículo original de Hackaday