COVID-19: Motor lineal como pulmón artificial para pruebas con mascarilla

Investigadores de Biofluid prueban el efecto protector de las mascarillas: las mascarillas médico-bucales pueden ayudar a reducir la propagación del virus COVID-19. Unas sencillas medidas adicionales aumentan significativamente el efecto protector. Así lo confirman las pruebas sistemáticas y reproducibles realizadas por la OTH Regensburg con ayuda de un simulador pulmonar que funciona con motores lineales de LinMot. Esto último contribuyó a que los investigadores pudieran crear el montaje de la prueba en pocos días y empezar con las series de pruebas.

Vídeo de una respiración. Primero sin máscara, luego con máscara (Vídeo: OTH Regensburg)

La luz lo saca a la luz: el láser en abanico del laboratorio del Prof. Dr.-Ing. Lars Krenkel hace claramente visible el humo que escapa por debajo de los bordes de una mascarilla médico-bucal-nariz. Está formado por partículas de 200 nm a 2 μm y, por tanto, es adecuado para modelizar los aerosoles que exhalan las personas. En la prueba, el humo sale con especial intensidad por encima de las mejillas y hacia el lado de los pliegues nasolabiales del maniquí utilizado. Esto sugiere que el personal médico, como paramédicos o anestesistas, que pasa largos periodos de tiempo encima o directamente junto a la cabeza de un paciente enfermo se expone al riesgo de infección, incluso si el paciente lleva una mascarilla de este tipo. «En principio, las máscaras no pueden ofrecer una protección del 100%, aunque sólo sea por los posibles errores de aplicación. No obstante, sería un error negarles por completo un efecto protector», afirma el profesor Krenkel, que dirige el área de enseñanza e investigación de mecánica de biofluidos en la Facultad de Ingeniería Mecánica de la OTH de Ratisbona. «Con sencillas medidas de optimización, es posible lograr un índice de retención de hasta el 85 % para los aerosoles y de aproximadamente el 95 % para las gotas en el caso de las mascarillas médico-bucales, aumentando así significativamente el efecto protector.»

Aerosoles contaminados de sustancias potencialmente peligrosas
Las epidemiologías prestan especial atención a los aerosoles cuando consideran las vías de infección porque son respirables y pueden permanecer en el aire durante mucho tiempo por convección. Se entiende por aerosoles las partículas cuyo tamaño oscila entre unos 100 nm y 5 μm. Penetran en los bronquios y pueden causar neumonía si están contaminados con virus. En cambio, las partículas de 5 a 10 μm llegan como máximo hasta la glotis. Las gotitas más grandes, de hasta unos 100 μm, se depositan incluso en la nariz o la garganta, por lo que normalmente sólo causan cursos leves de la enfermedad. Están sujetos a las leyes de la balística y no pueden permanecer en el aire a grandes distancias (aproximadamente sólo 1,5 m). Por lo tanto, se considera que el peligro global que suponen las gotitas contaminadas es bajo o más fácil de controlar. Las partículas mayores de 100 μm ni siquiera pueden inhalarse en circunstancias normales. Para cubrir todas las vías de transmisión de partículas relevantes, el equipo del Prof. Krenkel está investigando los mecanismos de dispersión tanto de aerosoles como de gotas en condiciones lo más realistas posible: «El objetivo de nuestro trabajo de investigación en colaboración con los hospitales universitarios de Hamburgo Eppendorf y Ratisbona es investigar la función protectora de las mascarillas en una amplia gama de condiciones límite, así como identificar medidas de optimización y cuantificarlas.»

Los motores lineales ayudan a los investigadores
Desde la inauguración del laboratorio de flujos biomédicos y biológicos a principios de 2014, el equipo del profesor Krenkel ya ha adquirido una amplia experiencia en la creación de dispositivos de ensayo para la investigación experimental y numérica de flujos en sistemas biológicos/médicos, pero también técnicos. Por ejemplo, los investigadores han simulado y analizado procesos en la circulación sanguínea humana, así como en las vías respiratorias. Para investigar los procesos respiratorios, los investigadores necesitaban, entre otras cosas, un «pulmón pasivo» con el que pudieran simular 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, los dispositivos simples como un recipiente de aire o similar estaban fuera de lugar. Esto también se aplica a la simulación del corazón. También en este caso, los sistemas sencillos alcanzan rápidamente sus límites. Las bombas excéntricas accionadas por motor paso a paso, por ejemplo, sólo permiten la asignación de dependencias lineales y también ofrecen a los investigadores sólo algunas otras libertades. «Por eso necesitábamos algo que fuera rápido y, al mismo tiempo, controlable con precisión», explica el profesor Krenkel, resumiendo los requisitos de la solución que buscaban.

Los investigadores de la OTH Regenburg están utilizando un entrenador respiratorio para investigar el efecto protector de las mascarillas buconasales en la lucha contra la propagación del virus COVID-19. (Foto: Rossmann)

Sistema motor-bomba universal
Los investigadores utilizaron finalmente dos motores lineales LinMot del tipo PS01-48x240F-C con protección IP67, cada uno de los cuales acciona el pistón de un sistema de bomba lineal cilíndrica. Un sistema de válvulas permite controlar la presión e introducir medios (aire, sustituto de la sangre) por cilindro. Los motores lineales se alimentan a través de controladores LinMot y se controlan y coordinan mediante un controlador industrial que se suele utilizar en máquinas. En su trabajo, los investigadores se benefician de la flexibilidad que ofrecen los motores lineales. Por ejemplo, el sistema puede utilizarse para simular de forma realista y reproducible el comportamiento de presión-volumen pulsátil continuo de un corazón sano, pero también enfermo, en la configuración de prueba. Los investigadores han utilizado el mismo sistema para simular un pulmón pasivo capaz de reproducir incluso las consecuencias de cambios patológicos. Esto incluye, por ejemplo, las redistribuciones de aire entre los lóbulos pulmonares.

Resultados iniciales más rápidos
La flexibilidad del sistema volvió a resultar útil a los investigadores recientemente cuando, debido a la pandemia aguda de COVID 19, se buscó respuesta a corto plazo a la pregunta urgente de hasta qué punto las mascarillas médico-bucales son adecuadas para proteger al personal médico. Cuando los hospitales plantearon esta cuestión a los investigadores dirigidos por el profesor Krenkel a principios de marzo de 2020, éstos desarrollaron en pocos días el correspondiente montaje de prueba, en el que los motores lineales también desempeñan un papel importante. En el montaje de prueba, forman el corazón de un sistema respiratorio artificial y generan un flujo respiratorio variable. Gracias a la programabilidad de los parámetros «aceleración», «velocidad de desplazamiento» y «carrera», los investigadores pudieron implementar con poco esfuerzo distintos escenarios de respiración, como la respiración normal, la tos o la respiración hipóxica. Para ello, crearon varios perfiles de movimiento con la herramienta de ingeniería y configuración LinMot Talk. Los investigadores pueden guardar estos perfiles y llamarlos en cualquier momento directamente desde el programa de control, en cualquier orden y, si es necesario, también 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 suelen encontrarse en la bibliografía, en las que el volumen se representa a lo largo del tiempo, pueden transferirse fácilmente.

Automatización de pruebas con componentes industriales
«Desde nuestro punto de vista, también es ventajoso que podamos combinar los motores LinMot con sistemas muy universales y maduros, como los controladores de Beckhoff o B&R; empresas, en otras palabras, que a su vez tienen en su programa una amplia gama de diferentes módulos de E/S e interfaces», explica el profesor Krenkel. «De este modo, podemos automatizar completamente toda la secuencia de pruebas, sincronizar los sistemas y garantizar así una alta reproducibilidad». Por ejemplo, el generador de aerosol y la válvula que controla el acceso a la bomba lineal están conectados a un terminal de salida de 24 V para que el pistón de la bomba aspire las partículas en el momento exacto.

Conclusión
«A mediados de mayo de 2020, la situación de los datos es que las mascarillas médicas pueden retener entre el 65 y el 75% de los aerosoles en el plano principal, dependiendo del diseño. En el plano secundario, el efecto de filtrado depende mucho de lo bien ajustada que esté la mascarilla y de la constitución corporal del usuario», resume el Prof. Krenkel los resultados de la serie de pruebas realizadas durante seis semanas. «Con medidas sencillas, como fijar o pegar los laterales de las mascarillas con cinta adhesiva, se puede retener el 85% de los aerosoles y evitar por completo la salida de aire no filtrado por los laterales». El hecho de que el investigador pudiera presentar los primeros resultados reproducibles de las pruebas en pocos días se debió también al uso del sistema de motor lineal altamente flexible de LinMot, que puede utilizarse en muchos campos de trabajo de la mecánica de biofluidos, donde reduce el tiempo y el esfuerzo necesarios para configurar escenarios de pruebas complejos. Por ello, el profesor Krenkel tiene la intención de hacer un mayor uso del sistema de motor lineal en futuros proyectos de investigación.

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