Introducción

El presente desarrollo se realiza en el marco de una situación excepcional de emergencia médica, planteada por la aparición del Covid-19, y la consiguiente declaración de pandemia mundial por parte de la OMS. En dicho contexto se asume que los componentes y suministros médicos tradicionales utilizados en ventiladores y/o respiradores de alta complejidad serán escasos. Paralelamente, el transporte se verá afectado o aún interrumpido, y se deberán utilizar suministros y equipos no médicos disponibles en comercios locales, a los efectos de atender situaciones de emergencias en condiciones anormales.

Se presenta aquí un diseño de ventilador automatizado para uso humano de código abierto y arquitectura de fabricación abierta, desarrollado por investigadores y docentes del Departamentos de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Bahía Blanca (FRBB).

Este proyecto se desarrolla para abordar la escasez prevista de ventiladores debido a la pandemia de COVID-19, cuya ingeniería es de para distribución libre y gratuita. Se encuentra en proceso la gestión ante ANMAT para obtener la “Autorización de Uso de Emergencia” del VAUTeN BHI.

detalle del diseño

Se trata de un ventilador automático de presión positiva que facilita la operación de una Bolsa de Reanimación Manual (bolsa AMBU) en casos excepcionales (Ilustración 1), ya sea durante el traslado de un paciente en ambulancia, o mientras se produce la espera en sala de emergencias, hasta que se decida la necesidad o no de su internación en una unidad de terapia intensiva (UTI) y la consiguiente necesidad de utilización de un respirador de alta complejidad.

El objetivo principal del sistema es relevar al operador de la necesidad de operar manualmente la bolsa ambu, evitando el cansancio muscular que provoca y permitiendo que pueda realizar otras actividades en el lugar que requiera la emergencia, manteniendo la operación del ventilador bajo observación constante.

Cuenta con tres acciones de control posibles:

  • Control de volumen entregado: en función del porcentaje del volumen máximo transmitido por el sistema bajo la condición de máxima compresión posible de la bolsa (0 a 100%).
  • Control de la relación [I/E]: relación entre los tiempos de ingreso y egreso de aire.
  • Control de la frecuencia de operación: se refiere a la cantidad de insuflaciones por minuto, que varía de acuerdo a lo establecido en la Tabla 2.
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El diseño elegido se realizó con la intención de que resulte estructuralmente robusto, de bajo costo y fácil montaje. La mayoría de las piezas pueden ser impresas mediante tecnología 3D; disponiéndose de forma libre y gratuita en el link ARCHIVOS de esta página. Los archivos forman parte de la tecnología de disponibilidad social abierta ofrecida por la Universidad.


Formas de los componentes del equipo y la sencillez de su ensamblaje.

En el link archivos se encuentran todas las carpetas mencionadas


especificaciones técnicas

Generalidades

Este prototipo se basa en la automatización de la compresión/descompresión de una bolsa AMBU. La misma fue diseñada para ser accionada por profesional médico, en una situación de emergencia, mientras monitorea los parámetros clínicos del paciente mediante aparatología adicional.

Este mecanismo solo tiene la función de reemplazar al médico/enfermero en el accionar de la bolsa dentro de ciertos parámetros de ventilación mecánica (VOL, BPM y [I/E]) y en situación de emergencia. Los parámetros médicos seguirán siendo monitoreados por el profesional de la misma manera.



Características Principales De Ventilación Mecánica

Los controles posibles llevados por el equipo tienen en cuenta los siguientes parámetros


a) Volumen de aire (VOL %): de 0% al 100% en pasos de 101 .

b) Respiraciones por minuto (BPM): de 8 a 30 en pasos de 12 .

c) Relación Inspiración/Expiración ([I:E]): 1:1, 1:2, 1:3 y 1:43 .


En la Tabla 2 podemos ver las respiraciones por minuto (BMP) en relación a los distintos volúmenes de aire posibles y para distintas frecuencias de operación

1Está en porcentual relativo al accionamiento de la máquina y no del aire suministrado. Falta establecer la relación entre éste con la cantidad de aire entregado

2Los valores de BPM máximos están en relación con la relación [I/E]. Ver Tabla 2

3El tiempo de Inspiración es de 0,6 segundos, aproximadamente

Tabla 2: Respiraciones por minuto en relación al volumen y la frecuencia
VOL (%) [I:E]
1:1 1:2 1:3 1:4
10 30 30 30 30
20 30 30 30 30
30 30 30 30 30
40 30 30 30 30
50 30 30 30 27
60 30 30 28 24
70 30 30 26 22
80 30 29 24 20
90 30 27 22 18
100 30 25 20 26

Circuito Eléctrico

El control del dispositivo se realiza mediante la plataforma de creación de electrónica de código abierto Arduino, tipo Nano y un controlador para motores paso a paso bipolares, modelo El TB6600. Asimismo, se tiene una pantalla de visualización de datos LCD con retroiluminación azul de 2 líneas con 16 caracteres cada una de ellas.

El sistema completo se conecta directamente a la red de alimentación de 220 Vca. En la Ilustración 2, se observa la forma de conexión de los dispositivos mencionados. El programa del Arduino Nano, como así todas las configuraciones se encuentran disponibles en el link ARCHIVOS de esta página.

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Ilustración 2: Circuito eléctrico del sistema de alimentación y controlador

Características Eléctricas

Las características eléctricas del equipo se resumen
en la Tabla 3.

Tabla 3: Características eléctricas
Parámetro Valor
Tensión de Operación 30
Corriente máxima 30
Frecuencia 30

ensayo realizado

Generalidades

Se realizó un ensayo del equipo mediante la utilización de espirómetro en las instalaciones del “Instituto de Alergia e Inmunología del Sur”, sito en 25 de mayo 44, de la ciudad de Bahía Blanca. El mismo fue llevado a cabo por personal idóneo del mencionado Instituto.

Instrumento Utilizado Y Software

Para realizar el ensayo de comportamiento del equipo se utilizó un Espirómetro con sensor a turbina con interrupción infrarroja y rejilla protectora, portátil, marca MIR mod. Spirobank G USB. Calibrado (Ilustración 3).

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El mismo se conectó mediante interfaz USB a un PC de escritorio y los resultados fueran tomados y analizados por un software WinspiroPRO, versión 7.5.

Responsables Del Ensayo

El ensayo del equipo fue realizado por el Dr. Germán D, Ramon, especialista en Neumología (MP 1532) con la asistencia de la enfermera Gabriela Rech.

Condiciones Del Ensayo

El ensayo, realizado en fecha 28/05/2020, se plasmó en condiciones ambientales óptimas de temperatura, presión y humedad. Se analizaron dos condiciones generales:

  • Paciente adulto masculino, caucásico, de 175 cm de altura y 80 kg de peso, no fumador.
  • Paciente infantil masculino, caucásico, de 110 cm de altura y 40 kg de peso, no fumador. Con 24 respiraciones por minuto (BMP).

Para el primer caso. La prueba se llevó a cabo teniendo en cuenta el volumen corriente, con cuatro diferentes configuraciones del respirador: al 70%, 80%, 90% y 100%. (En la Ilustración 5 se muestra cada uno de estas configuraciones)

Para el segundo caso, la prueba se realizó con volumen corriente, pero con seis diferentes configuraciones del respirador: al 50%, 60%, 70%, 80%, 90% y 100%. (En la Ilustración 6 se muestra cada una de estas configuraciones)

Resultados

Paciente Adulto

En la Ilustración 5 podemos observar la gráfica y los valores obtenidos de volumen corriente para cada una de las configuraciones porcentuales del respirador, para un paciente adulto como el mencionado anteriormente.

Como observación podemos decir que a partir del 80% se asegura un volumen minuto a 18 respiraciones por minuto de más de 6 litros de aire ventilado. Este valor cumple con la requisitoria de volumen corriente necesario para un adulto, por lo que no se justifica trabajarlo por encima del mismo.

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Paciente Infantil

En la Ilustración 6 podemos observar la gráfica y los valores obtenidos de volumen corriente para cada una de las configuraciones porcentuales del respirador, para un paciente infantil como el mencionado anteriormente

En este caso el equipo también logra asegurar un volumen minuto a 18 respiraciones por minuto de más de 6 litros de aire ventilado

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Participantes del Proyecto

Agradecimientos

Las siguientes personas han colaborado en distintas etapas del desarrollo realizado:

Al Almirante Marcelo Tarapow (ARA) por las gestiones para el préstamo de una primera bolsa AMBU con la cual se realizaron las primeras pruebas de concepto.

A los médicos Quispe, Adolfo y Bracco, J. (UTI-HMABB) por sus contribuciones a la performance del dispositivo

A los doctores Gustavo Tombolini, Leonardo Ondjian y a la doctora Nuñez, (HNPB), por sus sugerencias y críticas constructivas.

A los Dres. Germán y Darío Ramón (IAIS) por los ensayos espirométricos

A Dow Argentina, por el aporte de fondos para solventar diversos elementos.

A Gastón Romero, estudiante de ingeniería, por la confección de los primeros bocetos en CAD

Equipo de Desarrollo

El proyecto fue desarrollado por investigadores y docentes del Departamentos de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Bahía Blanca. Dicho grupo esta conformado por:

Ing. Borja Fernando

D.I. Gallego Danna

Mg. Ing. Guillermo Eduardo

Ing. Mainetti Carlos

Dr, Piovan Marcelo

Ing. Pistonesi Carlos

Ing. Romero Andres