Misure di portata e di parametri termoigrometrici in ventilazione artificiale neonatale

In newborns and in particular in premature births, since the respiratory system is not fully developed, mechanical ventilation is often necessary in order to maintain sufficient pulmonary gas exchange (sufficient CO2 removal and sufficient oxygenation) reducing lung work. This PhD is born from the ever-growing interest in neonatal ventilation. A first line of research proposes the creation of a sensor for monitoring the flow of gas blown to the patient. This operation is essential to achieve correct ventilation and, if the patient is a newborn or a premature baby, this importance increases, given the risk of barotrauma or volutrauma due to the small size of the patient. Four different flow sensors have been designed and built. The first is a linear resistance sensor with circular section capillaries of well-defined length, diameter and number. The peculiar geometry of the sensor allows to obtain very interesting characteristics for the application of interest: it has small dimensions, an important feature in order not to significantly increase the dead space of the patient circuit; a good sensitivity, important to allow the detection of the modest flow rates that characterize neonatal ventilation; good repeatability. Aimed at the same field of application, an innovative sensor has been developed which is based on the use of optical fibers. The advantages related to the use of optical fibers are numerous: high resolution and accuracy, small size, high sensitivity and wide bandwidth, immunity from interference electromagnetic, low sensitivity to temperature variations, easy transport of the light signal, flexibility, use of inert and thermally stable materials (glass and particular polymers) which make them interesting in terms of biocompatibility. Furthermore, they are instruments that do not require electrical connections with the human body and are therefore safe. Interesting results have been obtained from the experimental tests carried out on a first developed prototype that lead to further developments of the sensor. A third type of flow sensor has been designed with the aim of obtaining symmetrical behavior regardless of the direction of the flow: three orifice sensors with a particular geometry have been created. Presenting a symmetrical behavior is a very important characteristic since the volumes of gas blown are calculated, act by act, from the numerical integration of the measured flow signal and the main source of error in the evaluation of the volume is the error related to the flow measurement. . One of the main causes is the not perfectly symmetrical behavior of the flow sensors: for each breath the quantity of gas inhaled is equal to the quantity of gas exhaled, therefore at the end of each exhalation the curve representing the respiratory volume should assume the value assumed at the beginning of the previous inspiration, due to the imperfect symmetry in the flowmeter behavior, compensations are made using software to bring the volume signal back to the reference value. A second line of research has dealt with another important problem in artificial ventilation: the humidification of the gas blown to the patient. The conditioning of the gas blown to the patient, carried out with a humidifier placed in correspondence with the inspiratory circuit, is essential since, during the artificial ventilation, the upper airways are bypassed, which deal with the humidification and heating of the inspired air. Patients ventilated with inadequately humidified gases may experience heat and fluid loss, and this loss, in turn, can lead to changes in lung function such as decreased surfactant activity, airway obstruction, and decreased respiratory compliance. These adverse effects are particularly critical in pediatric and neonatal applications. In order to improve the effectiveness of the type of humidifiers most used in artificial ventilation (hot plate humidifiers), a theoretical model has been developed to evaluate the physical quantities that most influence humidifier performance. From the theoretical study and from a subsequent experimental validation it is clear that the quantities that have a significant influence on the relative humidity of the gas leaving the humidification chamber are: the temperature of the gas leaving the chamber, the temperature of the water present in the chamber. humidification, the flow of gas blown. This result highlights all the shortcomings of the humidifier control system on the market, since they do not consider all three of the described quantities. Experimental tests were carried out to evaluate the performance of a hot plate humidifier by making a control that takes into account all three variables of influence by measuring the temperatures of the gas leaving the humidification chamber and of the water present in the chamber with two thermocouples and measuring the flow rate with an ad hoc flowmeter. The gas leaving the humidifier using the control system just described has been found to have much better thermohygrometric characteristics (relative humidity between 85% and 95%) than the gas leaving the same humidifier that uses the control system currently present on the device and which is based only on the temperature of the gas leaving the chamber. The sensor developed for measuring the flow rate out of the chamber uses two commercial transistors (2n2222), from the same manufacturer (Philips), with different packages as sensitive elements. The two transistors are powered reaching an overtemperature with respect to the gas, object of the measurement, which strikes them. Having different physical and geometric characteristics, the two transistors reach one different equilibrium temperature which depends on the flow rate of the gas that hits them. The base-emitter voltage of the two transistors depends on the temperature and therefore the difference between the base-emitter voltages of the two transistors is used as an indirect measure of flux. A constraint to be respected in the realization of the sensor is the reduced cost. This is because in mechanical ventilation, in order to significantly reduce the risk of infection and increase safety, disposable patient circuits are used. To avoid the sterilization or disinfection process the flow sensor must be single-patient and therefore very economical. Another important feature is the high sensitivity at low flow rates, considering the area of use.

Nei neonati e in particolare nei nati prematuri, non essendo completamente sviluppato il sistema respiratorio, spesso è necessaria la ventilazione meccanica al fine di mantenere un sufficiente scambio gassoso polmonare (sufficiente rimozione della CO2 e sufficiente ossigenazione) riducendo il lavoro polmonare. Dall'interesse sempre crescente rivolto alla ventilazione neonatale nasce questo dottorato di ricerca. Una prima linea di ricerca si propone la realizzazione di un sensore per il monitoraggio della portata di gas insufflato al paziente. Tale operazione è di essenziale importanza per realizzare una corretta ventilazione e, se il paziente è un neonato oppure un prematuro, tale importanza aumenta, stante il rischio di barotraumi o volutraumi a causa delle piccole dimensioni del paziente. Sono stati progettati e realizzati quattro differenti sensori di portata. Il primo è un sensore a resistenza lineare con dei capillari a sezione circolare di lunghezza, diametro e numero ben definiti. La peculiare geometria che presenta il sensore permette di ottenere caratteristiche molto interessanti per l'applicazione di interesse: presenta dimensioni contenute, caratteristica importante per non incrementare notevolmente lo spazio morto del circuito paziente; una buona sensibilità, importante per permettere la rilevazione delle modeste portate che caratterizzano la ventilazione neonatale; una buona ripetibilità. Rivolto allo stesso campo applicativo è stato sviluppato un sensore innovativo che si basa sull'utilizzo di fibre ottiche. I vantaggi legati all'utilizzo di fibre ottiche sono numerosi: alta risoluzione e accuratezza, dimensioni ridotte, alta sensibilità e ampia banda passante, immunità da interferenze elettromagnetiche, bassa sensibilità a variazioni di temperatura, facile trasporto del segnale luminoso, flessibilità, impiego di materiali inerti e termicamente stabili (vetro e particolari polimeri) che li rendono interessanti sul piano della biocompatibilità. Si tratta, inoltre, di strumenti che non richiedono connessioni elettriche con il corpo umano e per questo sicuri. Dalle prove sperimentali realizzate su di un primo prototipo sviluppato sono stati ottenuti risultati interessanti che spingono a realizzare ulteriori sviluppi del sensore. Un terzo tipo di sensore di portata è stato progettato con lo scopo di ottenere un comportamento simmetrico indipendentemente dal verso del flusso: sono stati realizzati tre sensori a orifizio con una particolare geometria. Presentare un comportamento simmetrico è una caratteristica molto importante poiché i volumi di gas insufflato vengono calcolati, atto per atto, dall'integrazione numerica del segnale di flusso misurato e la principale sorgente di errore nella valutazione del volume è l'errore legato alla misura del flusso. Una delle principali cause è il comportamento non perfettamente simmetrico da parte dei sensori di flusso: per ogni atto respiratorio la quantità di gas inspirato è pari alla quantità di gas espirato, quindi alla fine di ogni espirazione la curva che rappresenta il volume respiratorio dovrebbe assumere il valore assunto all'inizio dell'inspirazione precedente, per la non perfetta simmetria nel comportamento del flussimetro, per riportare il segnale di volume al valore di riferimento si effettuano delle compensazioni tramite software. Una seconda linea di ricerca si è occupata di un'altra importante problematica presente nella ventilazione artificiale: l'umidificazione del gas insufflato al paziente. Il condizionamento del gas insufflato al paziente, realizzato con un umidificatore posto in corrispondenza del circuito inspiratorio, è essenziale poiché, durante la ventilazione artificiale, vengono bypassate le vie aeree superiori che si occupano dell'umidificazione e del riscaldamento dell'aria inspirata. I pazienti ventilati con gas inadeguatamente umidificati possono subire perdita di calore e liquidi e tale perdita, a sua volta, può comportare variazioni delle funzioni polmonari come riduzione dell'attività del surfactant, ostruzione delle vie aeree e riduzione della compliance respiratoria. Questi effetti negativi sono particolarmente critici nelle applicazioni pediatriche e neonatali. Al fine di migliorare l'efficacia della tipologia di umidificatori più utilizzata in ventilazione artificiale (gli umidificatori a piatto caldo) è stato sviluppato un modello teorico per valutare le grandezze fisiche che influenzano maggiormente prestazioni dell'umidificatore. Dallo studio teorico e da una successiva validazione sperimentale si evince che le grandezze che hanno notevole influenza sull'umidità relativa del gas in uscita dalla camera di umidificazione sono: la temperatura del gas in uscita dalla camera, la temperatura dell'acqua presente nella camera di umidificazione, la portata di gas insufflato. Tale risultato mette in risalto tutte le lacune dei sistema di controllo degli umidificatori in commercio, poiché essi non considerano tutte e tre le grandezze descritte. Sono state realizzate delle prove sperimentali per valutare le performance di un umidificatore a piatto caldo realizzando un controllo che tiene in conto tutte e tre le variabili di influenza misurando le temperature del gas in uscita dalla camera di umidificazione e dell’acqua presente nella camere con due termocoppie e misurando la portata con un flussimetro realizzato ad hoc. Il gas in uscita dall'umidificatore utilizzando il sistema di controllo appena descritto è risultato avere caratteristiche termoigrometriche molto migliori (umidità relativa compresa tra 85% e 95%) del gas in uscita dallo stesso umidificatore che utilizza il sistema di controllo attualmente presente sul dispositivo e che si basa soltanto sulla temperatura del gas in uscita dalla camera. Il sensore sviluppato per la misura della portata in uscita dalla camera utilizza come elementi sensibili due transistor commerciali (2n2222), della stessa casa costruttrice (Philips), con package differente. I due transistor vengono alimentati raggiungendo una sovratemperatura rispetto al gas, oggetto della misura, che li investe. Avendo caratteristiche fisiche e geometriche differenti i due transistor raggiungono una temperatura di equilibrio differente che dipende dalla portata del gas che li investe. La tensione base-emettitore dei due transistor dipende dalla temperature e quindi ladifferenza tra le tensioni base-emettitore dei due transistor viene utilizzata come una misura indiretta di flusso. Un vincolo da rispettare nella realizzazione del sensore è il costo ridotto. Questo perché nella ventilazione meccanica, al fine di ridurre notevolmente i rischi di infezione e aumentare la sicurezza, vengono utilizzati circuiti paziente monouso. Per evitare il processo di sterilizzazione o di disinfezione il sensore di flusso deve essere monopaziente e quindi molto economico. Un’altra caratteristica importante è l’elevata sensibilità a basse portate, considerato l'ambito di utilizzo.