COVID-19: Motore lineare come polmone artificiale nei test sulle mascherine
10. Gennaio 2022
I ricercatori nel campo della biofluidodinamica stanno studiando l'effetto protettivo delle mascherine: le mascherine chirurgiche possono contribuire a ridurre la diffusione del virus COVID-19. Semplici accorgimenti aggiuntivi possono aumentare significativamente questo effetto protettivo.
Ciò è stato confermato da studi sistematici e riproducibili condotti dall'OTH Regensburg utilizzando un simulatore polmonare dotato di Motori lineari di LinMot rissaQuest'ultimo ha permesso ai ricercatori di allestire la configurazione di prova in pochi giorni e di avviare la serie di test.
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Maggiori informazioniVideo di un respiro. Prima senza mascherina, poi con mascherina (Video: OTH Regensburg)
La luce rivela la verità: nel laboratorio del Prof. Dr.-Ing. Lars Krenkel, il laser a fascio diffuso visualizza chiaramente il fumo che fuoriesce da sotto i bordi di una mascherina chirurgica. Questo fumo è composto da particelle di dimensioni comprese tra 200 nm e 2 μm ed è quindi adatto a simulare gli aerosol espirati dagli esseri umani. Nel test, il fumo risulta particolarmente evidente sopra le guance e ai lati delle pieghe nasolabiali del manichino utilizzato. Ciò suggerisce che il personale medico, come paramedici o anestesisti, che trascorre lunghi periodi di tempo sopra o direttamente accanto alla testa di un paziente malato, è a rischio di infezione, anche se il paziente indossa una mascherina. "Le mascherine non possono offrire una protezione al 100%, principalmente a causa di potenziali errori da parte dell'utilizzatore. Tuttavia, sarebbe sbagliato negare completamente qualsiasi effetto protettivo", afferma il Prof. Krenkel, che dirige il gruppo di insegnamento e ricerca di Meccanica dei Biofluidi presso la Facoltà di Ingegneria Meccanica dell'OTH di Regensburg. "Con semplici accorgimenti di ottimizzazione, è possibile raggiungere un tasso di ritenzione fino all'85% per gli aerosol e circa il 95% per le goccioline con le mascherine mediche per bocca e naso, aumentando così significativamente l'effetto protettivo."
Gli aerosol contaminati sono potenzialmente pericolosi
Gli epidemiologi prestano particolare attenzione agli aerosol quando esaminano le vie di trasmissione perché possono penetrare in profondità nei polmoni e rimanere sospesi nell'aria per lunghi periodi per convezione. Gli aerosol sono definiti come particelle di dimensioni comprese tra circa 100 nm e 5 μm. Possono raggiungere i bronchi e, se infetti da virus, possono causare polmonite.
Le particelle di dimensioni comprese tra 5 e 10 μm, invece, raggiungono al massimo la glottide. Le goccioline più grandi, fino a circa 100 μm, si depositano addirittura nel naso o nella gola e quindi generalmente causano solo lievi disturbi. Sono soggette alle leggi della balistica e non possono rimanere sospese nell'aria per lunghe distanze (circa 1,5 m). Il pericolo rappresentato dalle goccioline contaminate è quindi generalmente considerato basso o facilmente controllabile. Le particelle di dimensioni superiori a 100 μm non possono essere inalate in circostanze normali.
Per coprire tutte le vie di trasmissione rilevanti delle particelle, il team del Prof. Krenkel sta studiando i meccanismi di propagazione sia degli aerosol che delle goccioline nelle condizioni più realistiche possibili: "L'obiettivo della nostra ricerca, in collaborazione con gli ospedali universitari di Amburgo Eppendorf e Regensburg, è quello di studiare la funzione protettiva delle mascherine in un'ampia varietà di condizioni, nonché di identificare e quantificare le misure di ottimizzazione".
I motori lineari aiutano i ricercatori
Dall'apertura del laboratorio per i flussi biomedici e biologici all'inizio del 2014, il team guidato dal Prof. Krenkel ha già maturato una vasta esperienza nella realizzazione di apparecchiature di prova per l'indagine sperimentale e numerica dei flussi in sistemi biologici/medici, ma anche tecnici.
I ricercatori hanno quindi simulato e analizzato i processi sia del sistema circolatorio umano che delle vie respiratorie. Per studiare i processi respiratori, i ricercatori necessitavano, tra le altre cose, di un "polmone passivo" con cui replicare il comportamento pressione-volume dell'organo respiratorio umano. Poiché la curva pressione-volume non è lineare a causa della compliance del tessuto polmonare, ma piuttosto a forma di S (sigmoide), e differisce durante l'inspirazione e l'espirazione, dispositivi semplici come un ventilatore o strumenti simili si sono rivelati inadatti. Ciò valeva anche per la simulazione del cuore.
Anche in questo caso, i sistemi semplici raggiungono rapidamente i loro limiti. Le pompe eccentriche azionate da motori passo-passo, ad esempio, consentono solo la rappresentazione di dipendenze lineari e offrono ai ricercatori poca libertà in altri casi. "Avevamo quindi bisogno di qualcosa che potesse essere controllato in modo rapido e preciso", riassume il Prof. Krenkel, delineando i requisiti per la soluzione desiderata.
Sistema motopompa applicabile universalmente
I ricercatori hanno infine utilizzato due Motori lineari LinMot I motori lineari sono del tipo PS01-48x240F-C con grado di protezione IP67, ciascuno dei quali aziona il pistone di un sistema di pompaggio lineare cilindrico. Un sistema di valvole consente la regolazione della pressione e l'introduzione di fluidi (aria, sostituto del sangue) per cilindro. I motori lineari sono alimentati da controllori LinMot e controllati e coordinati da un controllore industriale comunemente utilizzato nei macchinari.
Nel loro lavoro, i ricercatori sfruttano la flessibilità offerta dai motori lineari. Ciò consente al sistema di simulare in modo realistico e riproducibile il comportamento continuo e pulsatile della relazione pressione-volume sia di un cuore sano che di un cuore malato, nell'ambiente di prova.
I ricercatori hanno utilizzato lo stesso sistema per simulare un polmone passivo in grado di replicare anche gli effetti di alterazioni patologiche. Ciò include, ad esempio, la ridistribuzione dell'aria tra i polmoni.
Ricevi i primi risultati del test più velocemente
La flessibilità del sistema si è recentemente rivelata preziosa per i ricercatori quando la pandemia acuta di COVID-19 ha reso necessaria una rapida ricerca di risposte all'urgente questione dell'idoneità delle mascherine chirurgiche per la protezione degli operatori sanitari. Quando, all'inizio di marzo 2020, gli ospedali si sono rivolti al team del professor Krenkel con questa domanda, i ricercatori hanno sviluppato in pochi giorni un'apposita configurazione di test, in cui i motori lineari svolgono un ruolo cruciale. In questa configurazione, essi costituiscono il cuore di un sistema di respirazione artificiale, generando un flusso d'aria variabile. Grazie alla programmabilità dei parametri "accelerazione", "velocità di traslazione" e "corsa", i ricercatori sono stati in grado di implementare diversi scenari respiratori, come la respirazione normale, la tosse o la respirazione ipossica, con il minimo sforzo. Hanno creato diversi profili di movimento utilizzando lo strumento di progettazione e configurazione LinMot Talk. Questi profili possono essere salvati e recuperati direttamente dal programma di controllo in qualsiasi momento, in qualsiasi ordine e, se necessario, anche durante l'esecuzione del programma tramite l'interfaccia utente del controllore industriale. Nella creazione dei profili, i ricercatori hanno sfruttato il fatto che la relazione corsa-volume per la combinazione motore lineare-pompa lineare è proporzionale, in modo che le curve frequentemente presenti in letteratura, in cui il volume è rappresentato in funzione del tempo, possano essere facilmente trasferite.
Automazione dei test con componenti industriali
“Dal nostro punto di vista, è vantaggioso poter combinare i motori LinMot con sistemi altamente versatili e sofisticati come i controllori di aziende come Beckhoff o B&R, che a loro volta offrono una vasta gamma di moduli I/O e di interfaccia”, spiega il Prof. Krenkel. “Questo ci permette di automatizzare completamente l'intera procedura di test, sincronizzare i sistemi e garantire così un'elevata riproducibilità”. Ad esempio, il generatore di aerosol e la valvola che controlla l'accesso alla pompa lineare sono collegati a un terminale di uscita a 24 V, garantendo che le particelle vengano aspirate nel pistone della pompa esattamente al momento giusto.
Conclusione
“A metà maggio 2020, i dati mostravano che le mascherine mediche, a seconda del loro design, potevano trattenere dal 65 al 75% degli aerosol sul piano primario. Sul piano secondario, l'effetto filtrante dipendeva in larga misura dalla vestibilità della mascherina e dalla corporatura di chi la indossava”, riassume il Prof. Krenkel, riferendosi ai risultati della serie di test durata sei settimane. “Semplici accorgimenti, come fissare o sigillare i lati delle mascherine con del nastro adesivo, possono trattenere l'85% degli aerosol e impedire completamente la fuoriuscita di aria non filtrata dai lati”. Il fatto che il ricercatore sia stato in grado di presentare i primi risultati riproducibili in pochi giorni è stato possibile anche grazie all'utilizzo del sistema di motori lineari altamente flessibile di LinMot. Questo sistema può essere impiegato in molti ambiti della biofluidodinamica, riducendo i tempi e gli sforzi necessari per impostare scenari di test complessi. Il Prof. Krenkel intende quindi utilizzare sempre più spesso il sistema di motori lineari nei futuri progetti di ricerca.