Ventilación Mecánica Asistida: un reto para los makers

Imagen tomada de la cuenta de Twitter de Resistencia Team (@reeesistenciaT)

Varios equipos de makers están intentando construir respiradores válidos para tratar a las personas que precisan ventilación mecánica asistida a causa de la neumonía por COVID-19. En redes sociales vemos varios diseños de máquinas que con un motor y una leva accionan una pala que comprime un ambú (un balón de los que se utilizan para resucitación cardiopulmonar). Pero el trabajo de estos magníficos makers no termina aquí. Mi hermano intensivista José Alfredo Astudillo nos cuenta por qué:

Para ventilar una persona con los pulmones sanos, vale cualquier aparato que meta una mezcla de aire y oxígeno. Así ocurre cuando alguien va a quirófano a operarse de apendicitis. Lo difícil es conseguir que un pulmón enfermo intercambie oxígeno. Sobre todo un pulmón cuyos alveolos están llenos de líquido inflamatorio. Porque esos alvéolos no están ventilados y no intercambian oxígeno, incluso aunque lo administres puro.

La solución es no dejar salir todo el aire que entra, manteniendo una presión positiva que evita el colapso de los alvéolos que ahora contienen O2. Solo aplicar esta técnica que se llama PEEP (presión positiva al final de la espiración) puede salvar la situación si se hace bien.

Pero no es tan sencillo como parece.

En primer lugar, la sangre llega al corazón ayudada por la presión negativa que se produce en el tórax al hacer el movimiento muscular de inspirar. Pero si te ponen un respirador cambiamos las presiones intratorácicas a positivas y la sangre no llega bien al corazón, por lo que hay que actuar sobre el aparato circulatorio también, fundamentalmente aumentando el aporte de volumen sanguíneo y utilizando drogas vasoactivas.

En segundo lugar, los alveolos son muy delicados y se rompen ante presiones altas (barotrauma pulmonar). Por eso el respirador debe limitar la presión adecuadamente.

En tercer lugar, si dejamos los alveolos poco llenos, con cada ciclo respiratorio las paredes se frotan entre sí y se lesionan (volutrauma).

Manejar bien un respirador es un arte. Y la principal ventaja de los respiradores de altas prestaciones es la cantidad de parámetros que puedes variar viendo el resultado en pantalla con las curvas de presión, volumen, y flujos. Toda esta tecnología precisa sensores y electrónica de control muy sofisticada, lo que hace que sean aparatos muy caros.

Se pueden fabricar respiradores que meten y sacan aire, pero se necesita mucho más control en los casos de afectación pulmonar, que acaban todos en una situación denominada SDRA (Síndrome de Dificultad Respiratoria Aguda) que solo se controla con aparatos de altas prestaciones.

Imagen tomada de https://www.medipuerto.com/2019/03/tratamiento-del-sdra-fundamentos.html

Todo lo anterior sería muy sencillo si tuviéramos un solo alveolo gigante.La realidad es que tenemos millones, pero se pueden agrupar en tres situaciones en un mismo pulmón:

Espacio muerto alveolar, situación ideal, y efecto shunt (diagrama: José Alfredo Astudillo)

Los alveolos situados más altos están bien ventilados. Pero les llega poco riego por lo que no intercambian O2. Si les colocas un respirador la presión en su interior supera la presión de la sangre por los capilares que lo rodean, y empeora la situación. A esta situación se la denomina espacio muerto alveolar. Y da igual que aporte oxígeno, porque no circula la sangre que lo tiene que recoger.

Los alveolos de abajo están muy bien irrigados, pero están comprimidos, y no les llega el gas administrado. A esta situación se la denomina efecto shunt. Y tampoco vale de nada aportar oxígeno, sobre todo si están inflamados y con líquido inflamatorio en su interior, con lavado del surfactante alveolar.

La zona central es la que está bien ventilada y perfundida, y es la condición que se busca con el respirador jugando con tiempos, flujos, presiones, PEEP, etc.

Hay varios tipos de respiradores dependiendo del sistema de ciclado (cuándo paran de meter aire):

Ciclado por presión: Meten aire hasta una presión determinada, momento en el que dejan de hacerlo. Son sencillos de fabricar, pero no servirían en caso de resistencias altas en la vía aérea como en el asma, ya que la presión sube mucho antes de alcanzar el alveolo.

Ciclado por volumen o volumétricos: Circulan cuando han entregado cierta cantidad prefijada de volumen o cuando se sobrepasa cierta presión, ya que llevan válvulas de seguridad ajustable

Ciclado por tiempo: Funcionan dejando un tiempo graduable a la inspiración pudiendo graduar el flujo también.

Los modernos tienen para ventilar con cualquier sistema de ciclado.

Mecanismos de acción y curvas de presión en la ventilación por volumen y la ventilación por presión (diagrama: José Alfredo Astudillo)

Comprimir un ambu es un buen método para producir una mezcla de aire y oxígeno. Se le puede añadir un reservorio de O2 a la entrada para enriquecer la mezcla hasta el 80%. También se le puede añadir una válvula de PEEP que viene comercializada para el ambu. Lo malo es que es muy cansado de manejar (ahí es donde una máquina puede ayudar) y no sabemos qué presión hay en el alveolo, pudiendo alcanzar niveles lesivos o resultar insuficiente. En los respiradores modernos se maneja bien este parámetro porque se ve y se mide. Un eventual respirador hecho por makers, por tanto, debería permitir conocer la curva de presión y regularla.

También tenemos que tener en cuenta la distribución en el tiempo de las fases de la ventilación. En cada respiración la inspiración dura un segundo, y la espiración debe durar el doble para dar tiempo a que salga todo el gas antes de la siguiente embolada. Así gastamos tres segundos en cada ciclo respiratorio de modo que resultan unas 20 respiraciones por minuto. Pero hay que tener en cuenta la constante de tiempo, y dejar una pausa después de meter el aire, para que se reparta incluso a los alveolos más comprimidos u obstruidos. La pausa se computa como tiempo inspiratorio.

En la gráfica de presiones que lleva la pantalla de un respirador profesional, vemos como la presión va subiendo y alcanza un pico que se corresponde con la resistencia debida a las vías aéreas, seguido de una meseta más baja durante el tiempo de pausa, que sí se corresponde con la presión en los alveolos (medida fundamental para no producir pequeñas lesiones alveolares que a la larga van a producir fibrosis irreversible). Esto ocurre con los respiradores volumétricos y nos permite aplicar la PEEP óptima en los respiradores reciclados por volumen.

Gráfica tomada de: https://litfl.com/pressure-versus-time-graph/

En los respiradores reciclados por presión también se usa la pausa para ver la presión alveolar.

Cuando la presión alveolar es muy alta lo que se hace es meter menos aire para descender la presión. Pero menos aire es aumentar el CO2 y hay que anestesiar y paralizar al paciente. Esta técnica se llama hipercapnia permisiva que se hace en los casos más graves. Otra técnica es el decúbito prono que consiste en dejar unas horas el paciente boca abajo para que no se acumulen las secreciones en las zonas más bajas. Esto, que parece trivial, es muy difícil sin personal entrenado, porque se deben conocer y forrar los nuevos puntos de apoyo sin que se suelten vías venosas etc. Si en esa maniobra se desintuba accidentalmente, podemos llegar a perder al paciente.

En definitiva, una máquina de ventilación asistida para un paciente con dificultad respiratoria aguda por neumonía debería permitir a los intensivistas practicar PEEP conociendo y regulando la presión alveolar. ¿Puede un equipo de open hardware basado en plataformas tipo Arduino o Raspberry Pi, y sensores y actuadores disponibles en cantidad en el mercado, conseguir un equipo de estas características? Sí. ¿Es trivial? No, en absoluto. ¿Es probable que una fabricación a escala suficiente de respiradores para cubrir la actual sobredemanda acabe siendo satisfecha antes por los fabricantes actuales? Bastante. Pero eso no quita que un problema tan complejo como este sea un estímulo extremadamente interesante para la comunidad maker y que sus esfuerzos merezcan toda nuestra atención y admiración.

Actualmente haciendo trabajo de campo etnográfico en Sol 3

Actualmente haciendo trabajo de campo etnográfico en Sol 3