COVID-19: Motor lineal como pulmón artificial en pruebas de mascarillas
10. Enero 2022
Investigadores de biofluidos estudian el efecto protector de las mascarillas: las mascarillas médicas pueden ayudar a reducir la propagación del virus COVID-19. Medidas adicionales sencillas pueden aumentar significativamente este efecto protector.
Esto ha sido confirmado por estudios sistemáticos y reproducibles realizados por OTH Regensburg utilizando un simulador pulmonar equipado con Motores lineales de LinMot arbeitetEsto último ayudó a los investigadores a configurar el sistema de pruebas en pocos días y a comenzar la serie de pruebas.
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Más informaciónVídeo de una respiración. Primero sin mascarilla, luego con mascarilla (Vídeo: OTH Regensburg)
La luz revela la verdad: en el laboratorio del Prof. Dr.-Ing. Lars Krenkel, el láser de haz extendido visualiza claramente el humo que escapa por debajo de los bordes de una mascarilla médica. Este humo está compuesto por partículas de entre 200 nm y 2 μm, por lo que resulta adecuado para modelar los aerosoles exhalados por los humanos. En la prueba, el humo es particularmente pronunciado sobre las mejillas y a los lados de los pliegues nasolabiales del maniquí utilizado. Esto sugiere que el personal médico, como paramédicos o anestesiólogos, que pasan largos periodos de tiempo sobre o junto a la cabeza de un paciente enfermo, corren riesgo de infección, incluso si el paciente lleva puesta una mascarilla. «Las mascarillas no ofrecen una protección del 100 %, principalmente debido a posibles errores del usuario. Sin embargo, sería erróneo negarles por completo cualquier efecto protector», afirma el Prof. Krenkel, director del grupo de docencia e investigación en Mecánica de Biofluidos de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la OTH Regensburg. "Mediante sencillas medidas de optimización, se puede lograr una tasa de retención de hasta el 85 % para los aerosoles y de aproximadamente el 95 % para las gotitas con las mascarillas médicas bucales y nasales, aumentando así significativamente el efecto protector."
Los aerosoles contaminados son potencialmente peligrosos.
Los epidemiólogos prestan especial atención a los aerosoles al examinar las vías de transmisión, ya que pueden penetrar profundamente en los pulmones y permanecer en suspensión durante largos periodos por convección. Los aerosoles se definen como partículas con un tamaño que oscila entre aproximadamente 100 nm y 5 μm. Pueden llegar a los bronquios y, si están infectados con virus, pueden causar neumonía.
Por otro lado, las partículas de entre 5 y 10 μm alcanzan, como máximo, la glotis. Las gotas más grandes, de hasta aproximadamente 100 μm, se depositan incluso en la nariz o la garganta, provocando generalmente solo síntomas leves. Estas gotas se rigen por las leyes de la balística y no pueden permanecer suspendidas en el aire a grandes distancias (aproximadamente solo 1,5 m). Por consiguiente, el peligro que representan las gotas contaminadas se considera generalmente bajo o fácil de controlar. En circunstancias normales, las partículas de más de 100 μm no pueden inhalarse.
Para abarcar todas las vías de transmisión relevantes de partículas, el equipo del profesor Krenkel está investigando los mecanismos de propagación tanto de aerosoles como de gotitas en las condiciones más realistas posibles: "El objetivo de nuestra investigación, en colaboración con los hospitales universitarios de Hamburgo Eppendorf y Ratisbona, es investigar la función protectora de las mascarillas en una amplia variedad de condiciones límite, así como identificar y cuantificar medidas de optimización".
Los motores lineales ayudan a los investigadores
Desde la inauguración del laboratorio de flujos biomédicos y biológicos a principios de 2014, el equipo dirigido por el profesor Krenkel ya ha adquirido una amplia experiencia en el establecimiento de sistemas de prueba para la investigación experimental y numérica de flujos en sistemas biológicos/médicos, pero también técnicos.
Los investigadores simularon y analizaron procesos tanto en el sistema circulatorio humano como en el tracto respiratorio. Para investigar los procesos respiratorios, necesitaban, entre otras cosas, un "pulmón pasivo" que les permitiera replicar el comportamiento presión-volumen del órgano respiratorio humano. Dado que la curva presión-volumen no es lineal debido a la distensibilidad del tejido pulmonar, sino que tiene forma de S (sigmoidal) y difiere durante la inhalación y la exhalación, dispositivos sencillos como un medidor de presión de aire o instrumentos similares resultaron inadecuados. Esto también se aplicó a la simulación del corazón.
Aquí también, los sistemas sencillos alcanzan rápidamente sus límites. Las bombas excéntricas accionadas por motores paso a paso, por ejemplo, solo permiten representar dependencias lineales y ofrecen poca libertad a los investigadores en otros aspectos. «Por lo tanto, necesitábamos algo que pudiera controlarse de forma rápida y precisa», resume el profesor Krenkel, describiendo los requisitos de la solución deseada.
Sistema de bomba-motor de aplicación universal
Los investigadores finalmente utilizaron dos Motores lineales LinMot Los motores lineales son del tipo PS01-48x240F-C con protección IP67, y cada uno acciona el pistón de un sistema de bomba lineal cilíndrica. Un sistema de válvulas permite la regulación de la presión y la introducción de fluidos (aire, sustituto de sangre) en cada cilindro. Los motores lineales se alimentan mediante controladores LinMot y son controlados y coordinados por un controlador industrial comúnmente utilizado en maquinaria.
En su trabajo, los investigadores se benefician de la flexibilidad que ofrecen los motores lineales. Esto permite que el sistema simule de forma realista y reproducible el comportamiento pulsátil continuo de presión-volumen tanto de un corazón sano como de uno enfermo en el banco de pruebas.
Los investigadores utilizaron el mismo sistema para simular un pulmón pasivo capaz de reproducir incluso los efectos de cambios patológicos. Esto incluye, por ejemplo, la redistribución del aire entre los pulmones.
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La flexibilidad del sistema resultó invaluable para los investigadores cuando la pandemia aguda de COVID-19 obligó a buscar respuestas rápidas a la pregunta crucial sobre la idoneidad de las mascarillas médicas para proteger al personal sanitario. A principios de marzo de 2020, cuando los hospitales plantearon esta pregunta al equipo del profesor Krenkel, los investigadores desarrollaron un sistema de prueba en tan solo unos días, donde los motores lineales desempeñan un papel fundamental. En este sistema, constituyen el núcleo de un sistema de respiración artificial, generando un flujo de aire variable. Gracias a la programabilidad de los parámetros "aceleración", "velocidad de desplazamiento" y "recorrido", los investigadores pudieron implementar diversos escenarios respiratorios, como respiración normal, tos o respiración hipóxica, con un mínimo esfuerzo. Crearon diferentes perfiles de movimiento utilizando la herramienta de ingeniería y configuración LinMot Talk. Estos perfiles se pueden guardar y recuperar directamente del programa de control en cualquier momento, en cualquier orden y, si es necesario, incluso durante la ejecución del programa a través de la interfaz de usuario del controlador industrial. Al crear los perfiles, los investigadores se beneficiaron del hecho de que la relación carrera-volumen para la combinación motor lineal-bomba lineal es proporcional, de modo que las curvas que se encuentran frecuentemente en la literatura, en las que el volumen se representa en función del tiempo, se pueden transferir fácilmente.
Automatización de pruebas con componentes industriales
“Desde nuestra perspectiva, también es ventajoso poder combinar los motores LinMot con sistemas altamente versátiles y sofisticados, como los controladores de Beckhoff o B&R, empresas que, a su vez, ofrecen una amplia gama de módulos de E/S e interfaz”, explica el profesor Krenkel. “Esto nos permite automatizar completamente todo el procedimiento de prueba, sincronizar los sistemas y, por lo tanto, garantizar una alta reproducibilidad”. Por ejemplo, el generador de aerosoles y la válvula que controla el acceso a la bomba lineal están conectados a un terminal de salida de 24 V, lo que garantiza que las partículas sean aspiradas por el pistón de la bomba en el momento preciso.
Conclusión
“A mediados de mayo de 2020, los datos muestran que las mascarillas médicas, según su diseño, pueden retener entre el 65 y el 75 % de los aerosoles en el plano primario. En el plano secundario, el efecto de filtrado depende en gran medida del ajuste de la mascarilla y del tipo de cuerpo del usuario”, resume el profesor Krenkel, refiriéndose a los resultados de la serie de pruebas de seis semanas. “Medidas sencillas, como asegurar o sellar los laterales de las mascarillas con cinta adhesiva, pueden retener el 85 % de los aerosoles y evitar por completo la fuga de aire sin filtrar por los laterales”. El hecho de que el investigador pudiera presentar resultados de pruebas iniciales reproducibles en tan solo unos días se debió también al uso del sistema de motor lineal altamente flexible de LinMot. Este sistema puede utilizarse en muchas áreas de la biomecánica de fluidos, lo que reduce el tiempo y el esfuerzo necesarios para configurar escenarios de prueba complejos. Por lo tanto, el profesor Krenkel tiene la intención de utilizar cada vez más el sistema de motor lineal en futuros proyectos de investigación.