Investigadores desarrollan herramientas sencillas y económicas para tratar a pacientes de manera más eficaz y prevenir transmisión de enfermedades en los hospitales

La rápida propagación del COVID-19 abruma a los hospitales que no siempre alcanzan a lidiar con el creciente número de pacientes, muchos de los cuales requieren ventiladores y otros cuidados intensivos. Tales condiciones pueden poner en riesgo a los trabajadores de la salud. Actualmente los investigadores están estudiando métodos para mejorar la seguridad y eficacia de los hospitales durante la pandemia.

La escasez de ventiladores que salvan vidas, que normalmente cuestan alrededor de US $30,000 cada uno, afecta severamente a los hospitales.

Al construir un ventilador simple y barato, podemos ayudar a aliviar esta carga para el personal médico“, dijo Mohamed Amine Abassi, estudiante de doctorado en mecánica de fluidos.

Basado en un prototipo diseñado por su asesor, el profesor de ingeniería Xiaofeng Liu, Abassi encabezó un esfuerzo con colegas de la Universidad Estatal de San Diego y la Universidad de California en San Diego para construir un dispositivo de este tipo a partir de piezas disponibles con facilidad:

  • Tubos de plástico
  • Válvulas de presión
  • Humidificador
  • Un suministro de aire

Posteriormente lo probaron y presentaron resultados preliminares en la 73ª Reunión Anual de la División de Dinámica de Fluidos de la Sociedad Estadounidense de Física. En donde sugieren que el ventilador cumple con los requisitos esenciales establecidos por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos. Es totalmente controlable en 3 parámetros:

  1. Presión de aire
  2. Tiempo de inspiración
  3. Presión espiratoria final positiva (PEEP)

Y cuentan con planes para incorporar más controles.

Abassi y Liu prevén que los ventiladores ayuden a los hospitales abrumados en los Estados Unidos y también a los países en desarrollo y las áreas rurales con una infraestructura médica limitada. “Si pueden construirlo en casa, pueden usarlo“, dijo Abassi. “Y puede construir muchos de estos ventiladores en muy poco tiempo“.

Los pacientes con ventiladores que tienen algunas afecciones pulmonares relevantes para COVID-19 como enfermedades pulmonares crónicas subyacentes, a menudo recibirán medicamentos como albuterol a través de un tubo endotraqueal. Este tratamiento relaja los músculos bronquiales y mejora el flujo de aire hacia las vías respiratorias pulmonares constreñidas.

Un grupo de la Universidad de Lehigh y la Universidad de Arkansas para Ciencias Médicas buscó los métodos más efectivos para administrar albuterol a través de un ventilador.

Ariel Berlinski y su grupo, realizaron experimentos de caracterización de aerosoles en la Universidad de Arkansas. Rahul Rajendran de la Universidad de Lehigh estudio los resultados para investigar la administración de fármacos mediante cálculos.

El objetivo de la investigación era evaluar la eficiencia de la administración de fármacos cuando se variaba el tipo de nebulizador y su ubicación en el circuito del ventilador“, dijo Arindam Banerjee, miembro del grupo y profesor de ingeniería mecánica de Lehigh.

Los investigadores encontraron que un nebulizador de malla vibratoria (en lugar de un chorro) colocado en el lado seco del humidificador administra la dosis más alta al pulmón. La administración de albuterol mediante intubación es más eficaz para partículas más pequeñas, mientras que la administración oral es más eficaz para partículas más grandes.

Nuestros resultados son vitales para el tratamiento basado en ventiladores mecánicos“, dijo Banerjee.

Incluso en circunstancias óptimas, los trabajadores de la salud aún corren un riesgo de contraer COVID-19. Un nuevo aparato respiratorio podría reducir los aerosoles exhalados, lo que resulta relevante, ya que se ha comprobado que dichos aerosoles, transmiten el virus que causa la enfermedad.

Investigadores de Liberty University y Vapotherm se preguntaron cómo los tratamientos respiratorios comunes afectarían las emisiones de aerosoles. Entonces decidieron probar un diseño propuesto para una mascarilla de PVC conectada a la succión, agregando una cánula de insuflación nasal de alta velocidad, un tipo de dispositivo con tubo que suministra oxígeno a la nariz.

Trabajando con modelo computacional

Luego, con la aportación de expertos médicos, hicieron un modelo de una habitación de hospital con 2 pacientes y 4 cuidadores utilizando técnicas computacionales altamente sofisticadas. Según su modelo, cuando los pacientes usan el nuevo aparato, da como resultado que menos partículas llegan a los trabajadores de la salud.

Representa una forma económica de reducir la propagación del contagio aéreo utilizando suministros que ya se encuentran comúnmente en las habitaciones de los hospitales“, explica el candidato a doctorado en ingeniería Reid Prichard. “Esta seguirá siendo una herramienta importante incluso después de que termine la pandemia“.

Otro grupo de la Universidad del Sur de Florida, dirigido por el estudiante de doctorado en ingeniería mecánica Anthony Pérez, está investigando qué sucede con los contaminantes en aerosol que los pacientes emiten en una sala de aislamiento de un hospital y qué tan rápido estos contaminantes abandonan la habitación.

Como muchos hospitales están alcanzando su capacidad, el garantizar que una habitación del hospital sea segura para ingresar después de un procedimiento generador de aerosol, o después de la remoción de un paciente anterior para que los trabajadores de higiene puedan preparar la habitación, requiere un tiempo de inactividad significativo“, informó Pérez.

Recomendaciones CDC

De acuerdo con los investigadores, las recomendaciones de ventilación de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de los Estados Unidos asumen que los aerosoles que contienen patógenos están perfectamente mezclados dentro de una habitación. Usando simulaciones numéricas, el grupo encuentra que las condiciones de mezcla imperfectas afectan significativamente la rapidez con que la ventilación elimina los patógenos de una habitación.

Es a la vez sorprendente y algo preocupante que la norma para la desinfección del aire se base en lo que muchos considerarían un cálculo en el reverso de un sobre“, dijo Pérez.

Resultados de las simulaciones

Las simulaciones sugieren que los contaminantes en aerosol pueden permanecer en “zonas muertas” durante unos 10 minutos en una sala de aislamiento típica de un hospital. Mientras tanto, los “cortocircuitos” expulsan algunos paquetes de contaminantes rápidamente antes de que puedan dispersarse.

Nuestra investigación ilustra la necesidad de un marco más preciso, pero económico, para la predicción de concentraciones de aerosoles en una habitación de hospital, especialmente al evaluar el nivel de exposición de los trabajadores de la salud“, declaró Pérez.

Crédito de la imagen: Mohamed Amine Abassi

Referencias

  • 73rd Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics.
    • Design, Build and Test of an In-House Made Ventilator System; POSTER: 11:30 a.m. CST, Tuesday, November 24, 2020; ABSTRACT: http://meetings.aps.org/Meeting/DFD20/Session/Y01.8; CONTACT: Xiaofeng Liu, Xiaofeng.Liu@sdsu.edu
    • Albuterol Delivery Through An Adult Ventilator Circuit To A Patient-Specific Tracheobronchial Airway Model; POSTER: 5:45 p.m. CST, Sunday, November 22, 2020; ABSTRACT: http://meetings.aps.org/Meeting/DFD20/Session/H01.6; CONTACT: Rahul Rajendran, rrr311@lehigh.edu Arindam Banerjee, arb612@lehigh.edu
    • Novel Use of a Common Respiratory Treatment: Diminishing COVID-19 Transmission; POSTER: 3:55 p.m. CST, Sunday, November 22, 2020; ABSTRACT: https://meetings.aps.org/Meeting/DFD20/Session/F09.14; CONTACT: Wayne Strasser, wstrasser@liberty.edu and Reid Prichard, rprichard@liberty.edu
    • Numerical Investigation of the Role of Air Ventilation Rate in Reducing Healthcare Worker Exposure to Infectious Aerosols in a Hospital Isolation Room; POSTER: 10:00 a.m. CST, Tuesday, November 24, 2020; ABSTRACT: http://meetings.aps.org/Meeting/DFD20/Session/W10.7; CONTACT: Anthony Perez, aperez37@usf.edu

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