Ventiladores Mecánicos ante el COVID-19 (Parte II)

Anteriormente (ver artículo El Sistema Respiratorio y el COVID-19), discutimos brevemente sobre la fisiología de la respiración y cómo es afectada por el COVID-19. Para muchos, los síntomas de COVID-19 son leves; para otros, es mortal. La capacidad pulmonar de intercambiar oxígeno por dióxido de carbono disminuye y cada respiración se vuelve más pesada hasta que la habilidad de respirar de manera independiente se pierde.

Estos pacientes necesitan alguna intervención médica, pero no existe una cura (al momento de escritura). Lo mejor que se puede hacer es asistir su deficiencia pulmonar con un ventilador mecánico, ello ha provocado un alza en la necesidad de ventiladores dejando a los hospitales incapaces de responder.

Muchos ingenieros altruistas desean aportar diseñando ventiladores de bajo costo, pero hay más detrás de la ventilación que solo introducir aire al paciente. Para eso, primero hay que entender lo que existe detrás de un ventilador.

¿Qué es un ventilador?

También conocido como un respirador, este es un dispositivo médico que ventila los pulmones de pacientes incapaces de inspirar normalmente. Esta incapacidad puede ser parcial o total y es el resultado de una afección pulmonar como el COVID-19.

En vez de jalar aire desde dentro, como lo harían los pulmones, un ventilador fuerza la entrada de aire; semejante a una bomba de aire y una pelota. Esta ventilación puede suceder de dos maneras: espontánea o mandatoria.

Ventilación Espontánea y Mandatoria

La ventilación espontánea se utiliza cuando el paciente tiene la capacidad de respirar, pero necesita un poco de apoyo para poder terminar la acción. Funcionan con un médico estableciendo un umbral de presión, que al ser alcanzado provoca la activación del ventilador. Cuando el paciente comienza a inhalar por su cuenta, el cambio de presión sobrepasa el umbral que es detectado por el dispositivo y comienza a asistir al paciente.

La ventilación mandatoria se utiliza cuando el paciente ha perdido gran capacidad de respirar por su cuenta. El ventilador se encarga de regular el volumen corriente (los volúmenes inspirados y expirados normalmente), frecuencia de respiración, presión y concentración de oxígeno. Existen dos formas de controlar este tipo de ventilación:

El control de ventilación por volumen se enfoca en definir un volumen corriente que se entregará al paciente durante cada fase inspiratoria.
El control mediante presión se refiere a la elevación de la presión en las vías aéreas superiores para incitar un flujo de aire.

Do It Yourself

Todo esto es una sobresimplificación de estas complejas máquinas. Parece ser que muchos entusiastas, con buenas intenciones, se enfocan en crear sobresimplificaciones de los ventiladores. Muchos de los diseños que se pueden ver están basados en un pedazo de quipo: la bolsa ambú.

Los diseños operan con una bolsa ambú y algún sistema mecánico que cada cierto tiempo aprieta la bolsa para forzar aire dentro del paciente.

No es así de sencillo. Forzar aire dentro de una persona puede causar barotrauma, daño por presión.

Recordemos las delicadas estructuras que se encargan del intercambio gaseoso, los alvéolos. Estas pequeñas estructuras son delgadas para facilitar el intercambio con los capilares, pero eso las deja vulnerables a daños por cambios en presión. Durante la afección pulmonar los alvéolos están llenos de fluido, lo que complica el intercambio gaseoso y aumenta probabilidad de que el alvéolo colapse. Esto en parte es por la falta de surfactante que se deja de producir con la muerte de los neumocitos. Cada inspiración y espiración aumenta el riesgo de barotrauma.

Ante esta situación, los ventiladores de grado médico tienen una configuración que se llama Presión Final de Espiración Positiva o PEEP (por sus siglas en inglés). Mientras la persona esté entubada, siempre habrá una presión positiva constante para evitar el colapso alveolar. En pacientes con manifestaciones severas de COVID-19, se requiere mantener un control riguroso del PEEP para mantener los niveles de oxígeno y la integridad del pulmón.

Esto es algo que no se puede lograr con una simple bolsa ambú y un motor. Hay más implicaciones en la ventilación que no se mencionaron, como la importancia de la humidificación y calentamiento del aire, pero que requieren mucha precisión, control y conocimiento. Si bien la ventilación con ambú puede salvar una vida en una situación crítica, la ventilación prolongada puede causar barotrauma. Las intenciones de los diseñadores están en el lugar correcto y este artículo es solo una invitación a que exploren más sobre diseño de ventiladores.

¿Existen otras opciones?

El ingenio persiste, y más en tiempos de necesidad. Así como miles de ingenieros altruistas buscan diseñar un ventilador simple y de bajo costo, otros buscan readaptar tecnologías médicas ya existentes. Las máquinas de anestesia son otro dispositivo sumamente complejo, pero que en fundamento se encarga de proporcionar aire a pacientes. Otro grupo de ingenieros está buscando adaptar estas máquinas de anestesia para ventilación mecánica. Al igual que los ventiladores mencionados, esto conlleva varias implicaciones que se explorarán más adelante.

Siguiente sección (parte III):

¿Las máquinas de anestesia pueden reemplazar a los ventiladores?

Referencias:

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Bronzino, J.D. ed., 2006. Medical devices and systems. CRC Press.
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