RESPIRATOR OSTATNIEJ SZANSY 

W odpowiedzi na problem braku respiratorów w szpitalach w czasie szerzącej się obecnie pandemii COVID-19 wiele osób, czujących powagę sytuacji, próbuje opracować urządzenie mogące w tych trudnych warunkach zapewnić podstawowe wymagania funkcjonalne respiratora szpitalnego. W wielu krajach działania takie mają wsparcie instytucji państwowych, które wezwały jednostki naukowe i grupy badawcze, jak również przemysł do współpracy w opracowaniu urządzenia, które spełniało by podstawowe funkcje respiratora. Urządzenie taki musi być przede wszystkim bezpieczne dla pacjenta, łatwe w obsłudze dla personelu, a ponadto możliwe do wykonania w dużej ilości w jak najprostszy sposób i w jak najkrótszym czasie.   

Podstawowe założenia projektu

Analiza rożnych projektów „respiratorów ostatniej szansy” doprowadziła nas do wniosku, że jedyną możliwość zbudowania w bardzo krótkim czasie funkcjonalnego urządzenia, które mogłoby zostać zaakceptowane przez personel medyczny daje wykorzystanie ręcznego resuscytatora  (ambu bag) i dobudowanie do niego jak najprostszego, niezawodnego i bezpiecznego napędu. W takim rozwiązaniu cały system dostarczania powietrza do płuc pacjenta jest już gotowy i wykonany z materiałów certyfikowanych medycznie. Posiada możliwość podłączenia wzbogacania powietrza tlenem, nadciśnieniowy zawór bezpieczeństwa oraz, co niezwykle ważne, możliwość podłączenia zastawki PEEP o regulowanym zakresie ciśnienia otwarcia. Urządzenie ma pracować w trybie wymuszonej wentylacji mechanicznej (CMV) z zadawaną objętością wdechową (tidal volume, Vt) i kontrolą ciśnienia.

Obecny model funkcjonalny respiratora, który zaraz pokrótce przedstawimy powstał w warunkach domowych z wykorzystaniem bardzo prostych, ogólnie dostępnych komponentów i jest wynikiem własnych przemyśleń, popartych jednak szerokim rozpoznaniem podobnych tego typu projektów, o których informacje są powszechnie dostępne. Jest również wynikiem rozmów z lekarzami na temat niezbędnej minimalnej funkcjonalności. Ta minimalna funkcjonalność została też zdefiniowana na podstawie wymagań określonych przez MHRA (UK) dla projektu OxVent  (realizowany w Oxford). Projekt ten jest w tej chwili najbardziej zaawansowany i przechodzi proces certyfikacji medycznej. Dopiero po jej ukończeniu projekt ma zostać upowszechniony. Może to zająć sporo czasu, dlatego w międzyczasie postanowiliśmy zbudować urządzenie działające na podobnej zasadzie.

Realizacja

Napęd dla ambu bag stanowi układ pneumatyczny: ambu bag jest zamknięty w szczelnej komorze, w której wytwarzane jest cyklicznie nadciśnienie. Powietrze niezbędne do tego celu jest dostarczane ze źródła zewnętrznego  (szpitalna instalacje sprężonego powietrza lub dowolny niewielki (cichy!) kompresor). Podobne rozwiązanie zastosowano w projekcie OxVent.

Pierwszym elementem jest reduktor ciśnienia, dostosowujący ciśnienie z układu sprężonego powietrza (dowolna wartość w przedziale 1-8 bar) do ustalonej wartości ciśnienia roboczego (przyjęliśmy 200 mbar). Następnym elementem jest zawór regulacji przepływu z rotametrem. Dzięki temu, przy określonym czasie wdechu można zadać objętość powietrza sprężającego ambu, co wystarczająco dobrze określa Vt. Czasy wdechu i wydechu określa prosty timer, sterujący zaworem doprowadzającym powietrze do komory nadciśnieniowej ambu oraz zaworem spustu powietrza z komory nadciśnieniowej. Ciśnienie w komorze jest wskazywane za pomocą manometru i na podstawie jego odczytu można z dużym przybliżeniem oszacować ciśnienie powietrza dostarczanego do płuc pacjenta (różnica wynika jedynie ze niewielkiego oporu sprężystego ambu). Ciśnienie PEEP zadawane jest za pomocą regulowanej zastawki PEEP na wyposażeniu ambu (warianty 0-10 mbar lub 5-20 mbar), natomiast maksymalne ciśnienie powietrza określa zawór bezpieczeństwa ambu (60 mbar). Informacja o wzroście ciśnienia powyżej optymalnego możliwa jest oczywiście przez odczyt ciśnienia w komorze nadciśnieniowej. Nadmierny wzrost tego ciśnienia daje informację o koniecznej korekcie zadanej wartości Vt oraz nastaw timera.

Liczbę wdechów na minutę (RR) oraz odpowiedni timing  (I:E ratio) definiuje prosty timer elektroniczny, będący w tej chwili jedynym elementem elektronicznym systemu.

Obecny demonstrator jest bardzo minimalistyczny i został zbudowany z ogólnie dostępnych komponentów.  Rozważamy zastąpienie prostego timera nieco bardziej zaawansowanym sterownikiem mikroporcesorowym oraz dodanie ew. czujnika ciśnienia, co umożliwiłoby rozszerzenie funkcjonalności  (zaprogramowanie maksymalnego ciśnienia i automatyczna korekta czasów; możliwa synchronizacja z oddechem pacjenta), jednak ze względu na presję czasu ma to sens tylko w przypadku, kiedy te funkcje są rzeczywiście niezbędne.

Poniżej prezentacja zawierająca film ilustrujący działanie:

Czego oczekujemy?

Przedstawiając niniejszy projekt liczymy na opinię środowiska medycznego, czy urządzenie, które powstało ma realne szanse zastosowania go w obecnej sytuacji kryzysowej. Liczymy również na wsparcie w procesie testowania, oraz w perspektywie, zastosowania takich urządzeń w warunkach szpitalnych, po niezbędnych modyfikacjach. 

Liczymy również na firmy lub zakłady produkcyjne, które pragnęłyby się włączyć w perspektywie w wytwarzanie takich urządzeń w celu przekazania ich szpitalom. 

Chcielibyśmy podkreślić, że nasz projekt jest w swoich założeniach od początku niekomercyjny. W przypadku aprobaty projektu poszukiwalibyśmy zatem firm mogących wesprzeć wytwarzanie urządzeń na zasadach non-profit.

Wojciech Piasecki, Maciej Piasecki

O autorach projektu:

Kim jesteśmy?

dr inż. Wojciech Piasecki – pracownik naukowy ośrodka badawczego koncernu ABB w Krakowie, z wykształcenia inżynier elektronik (AGH) i doktor biofizyki (UJ)

Maciej Piasecki – student Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej.  

Konsultacje merytoryczne: Dr hab. n. med. Jacek Lorkowski, Lek. Anna Trojan-Królikowska

Specjalne podziękowania dla SPL (Tomasz Sendyka)  za wsparcie naszego projektu i wiele stymulujących dyskusji 

Referencje:

1. Strona projektu OxVent:

http://www.ox.ac.uk/news/2020-03-31-ventilator-project-oxvent-gets-green-light-uk-government-proceed-next-stage-testing

2. Wymagania dla projektu Rapidly Manufactured Ventilator System (RMVS):

https://www.gov.uk/government/publications/coronavirus-covid-19-ventilator-supply-specification/rapidly-manufactured-ventilator-system-specification

Poniżej ciekawy link dotyczący podobnego rozwiązania na MIT:
https://eur03.safelinks.protection.outlook.com/?url=https%3A%2F%2Fe-vent.mit.edu%2F&data=02%7C01%7Cwojciech.piasecki%40pl.abb.com%7C5643d134bcef47a12ad508d7e6c73b37%7C372ee9e09ce04033a64ac07073a91ecd%7C0%7C0%7C637231615668105172&sdata=QSgPJ3ei4VorifhQKj25vBA1GGO1kf24G%2BqJeZA1Eyg%3D&reserved=0