Ventilatoare 101 Ce fac și cum funcționează Hackaday

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:

Deschideți căile respiratorii pentru a crește suprafața
Creșteți conținutul de oxigen din aer
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.