Sistema di misura in fibra ottica per la valutazione delle prestazioni di ventilatori polmonari neonatali

Abstract

Il ventilatore polmonare è un dispositivo di supporto per la vita dei pazienti che si sostituisce, in tutto o in parte, alle funzioni meccaniche del sistema respiratorio, incapace di assolvere da solo al proprio compito per motivi di natura patologica o per effetto di anestesia generale praticata per consentire l’esecuzione di un intervento chirurgico. Dagli anni ‘80, grazie all’impiego del microprocessore, i ventilatori polmonari sono diventati molto più sofisticati e complessi, consentendo, oltre al miglioramento delle condizioni di sicurezza per il paziente e per l’operatore medico e paramedico, sia l’incremento delle loro capacità e prestazioni terapeutiche, sia la possibilità di perseguire ulteriormente l’avanzamento tecnologico, tutt’ora in corso di sviluppo come dimostrato dalle numerose e recenti ricerche scientifiche presenti in letteratura. Nonostante tale progresso ed i significativi miglioramenti tecnologici, i metodi utilizzati nelle procedure di collaudo e di verifica funzionale dei ventilatori polmonari sono considerati inadeguati: gli attuali standard normativi più comuni, infatti, sono per lo più diretti ai costruttori e non all’utente finale (tecnico o componente del Servizio di Ingegneria Clinica) che non sempre ha a disposizione la strumentazione necessaria per effettuare le misurazioni. Inoltre, i considerati standard nell’ambito della valutazione funzionale delle prestazioni dei ventilatori polmonari rimandano alle raccomandazioni dei costruttori. D’altra parte, alcune metodologie di collaudo proposte da alcuni costruttori sono considerate inadeguate perché si riferiscono a prove effettuate senza simulare la presenza del paziente collegato al ventilatore e/o in condizioni non particolarmente rappresentative di un ammalato con patologie all’apparato respiratorio. Pertanto, al fine di ridurre i succitati inconvenienti, nel presente lavoro è stato realizzato e caratterizzato un sistema di misura innovativo per la verifica prestazionale di ventilatori polmonari neonatali per terapia intensiva nell’ambito delle correnti attività di un Servizio di Ingegneria Clinica (SIC); tale sistema è basato sul monitoraggio dei principali parametri della ventilazione polmonare (flusso, volume, pressione, temperatura ed umidità relativa della miscela gassosa erogata dal ventilatore polmonare al paziente). La catena di misura del dispositivo proposto è stata completata con dei trasduttori il cui principio di funzionamento è basato principalmente su metodi ottici e non su metodi elettrici e/o elettromagnetici, impiegati nella maggior parte dei dispositivi di uso corrente: i sensori in fibra ottica, grazie alle loro proprietà di isolamento elettrico e di immunità alle interferenze elettromagnetiche consentono rispettivamente di ridurre gli accorgimenti tecnici che il costruttore deve mettere in atto al fine di garantire la sicurezza elettrica per il paziente e gli operatori, e di effettuare le misurazioni anche all’interno dei locali in cui si compiono gli esami di risonanza magnetica e nei locali in cui viene praticata l’elettrochirurgia mediante l’impiego dell’elettrobisturi. In particolare il sistema proposto per la valutazione delle prestazioni di ventilatori polmonari è stato completato con due sensori in fibra ottica per la misura del flusso, del volume e della pressione, realizzati allo scopo e caratterizzati da un principio di funzionamento innovativo, e da due dispositivi commerciali (un termistore ed un igrometro) impiegati per la misura della temperatura ed umidità relativa. Il sensore di flusso proposto è costituito da una fibra ottica disposta trasversalmente in un condotto, con una estremità incastrata e con l’altra estremità libera. La fibra ottica viene deflessa per azione del flusso presente all’interno del condotto: lo spostamento dell’estremità libera della fibra ottica emettitrice viene misurato mediante l’impiego di un array lineare di fotodiodi, posizionato di fronte all’estremità libera della fibra ottica emettitrice al fine di misurare il profilo di intensità all’uscita della fibra stessa. Contrariamente ai sensori basati sulla modulazione dell’intensità affetti dagli errori dovuti alle fluttuazioni dell’intensità indipendenti dalla grandezza fisica che si vuole misurare, il principio di funzionamento proposto è caratterizzato dal fatto che l’informazione sensoriale è contenuta all’interno della distribuzione di intensità luminosa e della posizione in cui si misura il suo valore massimo, che non dipende né dal livello totale di luce né dalle variazioni di intensità luminosa indipendenti dal misurando. Di conseguenza, se l’intensità varia durante un flusso costante, il valore massimo del profilo di intensità cambia, ma la posizione del fotodiodo dell’array maggiormente illuminato rimane praticamente invariata, confermando l’indipendenza del flusso misurato dalle variazioni di intensità luminosa. Dopo aver ricavato la curva di graduazione del sensore di flusso in fibra ottica ed aver progettato e realizzato la catena di misura, sono state effettuate delle prove sperimentali per la determinazione delle caratteristiche metrologiche del sistema di misura, che è stato successivamente impiegato preliminarmente in prove spirometriche dinamiche, condotte in ambiente strutturato, rilevando che i dati forniti da tale sensore sono in accordo con quelli ottenuti da un sensore di flusso di riferimento. Le caratteristiche metrologiche ottenute evidenziano come il sensore di flusso proposto consente di misurare flussi tra -18 l/min e +18 l/min, ossia i valori di portata volumetrica normalmente incontrati nella ventilazione polmonare neonatale e con pazienti di massa fino a 10 kg. In seguito, al fine di valutare le prestazioni del sensore di flusso in fibra ottica nell’ambito delle applicazioni di ventilazione polmonare neonatale, sono state effettuate delle prove sperimentali in ambiente clinico non strutturato impiegando dei ventilatori polmonari neonatali e la strumentazione tipicamente utilizzata nelle unità di terapia intensiva neonatali. I risultati delle prove sperimentali in cui il sensore di flusso in fibra ottica è stato sottoposto alle tipiche forme d’onda di portata volumetrica che si verificano durante l’impiego di un ventilatore polmonare neonatale, hanno evidenziato che quest’ultimo fornisce delle misure in accordo con quelle del sensore di riferimento. Il sensore di pressione differenziale in fibra ottica proposto è basato su un principio di funzionamento simile a quello impiegato con il sensore di flusso in fibra ottica e prevede anch’esso l’impiego di un array di fotodiodi. Il sensore è costituito da un’asta di trasmissione con l’estremità inferiore posizionata al centro di una capsula e l’estremità superiore connessa ad una fibra ottica emettitrice alimentata da un LED: il movimento lineare della capsula, dovuto alla pressione differenziale, mediante l’asta di trasmissione agente sulla fibra ottica disposta nella configurazione di cantilever, determina lo spostamento dell’estremità libera della fibra stessa che viene misurato mediante un array di fotodiodi posizionato di fronte all’estremità emettitrice della fibra ottica stesso. Dopo aver realizzato la catena di misura, sono state effettuate delle prove sperimentali per la determinazione delle caratteristiche metrologiche del sistema di misura, che è stato successivamente impiegato preliminarmente in prove spirometriche dinamiche, condotte in ambiente strutturato, rilevando che i dati forniti da tale sensore sono in accordo con quelli ottenuti da un sensore di pressione differenziale di riferimento. Le caratteristiche metrologiche ottenute evidenziano come il sensore di pressione differenziale proposto consente di misurare pressioni differenziali tra -15 cmH2O e +15 cmH2O, ossia i valori normalmente incontrati nella ventilazione polmonare neonatale. Successivamente, al fine di valutare le prestazioni del sensore di pressione differenziale in fibra ottica sottoposto alle tipiche forme d’onda di pressione che si verificano durante l’impiego di un ventilatore polmonare neonatale, sono state effettuate delle prove sperimentali in ambiente clinico non strutturato impiegando dei ventilatori polmonari neonatali e la strumentazione tipicamente utilizzata nelle unità di terapia intensiva neonatali. I risultati delle suddette prove sperimentali hanno evidenziato che il sensore di pressione differenziale in fibra ottica fornisce delle misure in accordo con quelle del sensore di pressione differenziale di riferimento. Dopo aver ottenuto i suddetti risultati, dai quali è possibile constatare che i sensori in fibra ottica proposti possiedono caratteristiche metrologiche tali da renderli particolarmente adatti per le applicazioni di ventilazione polmonare neonatale, è stato implementato lo schema del sistema di misura in fibra ottica per la valutazione delle prestazioni dei ventilatori polmonari neonatali: tale sistema è stato impiegato in ulteriori prove sperimentali verificando che i parametri impostati sul ventilatore polmonare fossero in accordo con i risultati forniti dai sensori (di flusso e di pressione) del succitato sistema in fibra ottica. Infine, il suddetto sistema per condurre la valutazione delle prestazioni dei ventilatori polmonari neonatali è stato completato impiegando sensori commerciali per la misura della temperatura e dell’umidità relativa della miscela gassosa erogata dal ventilatore: pertanto il sistema integrato discusso è stato impiegato in ulteriori prove sperimentali verificando la funzionalità del sistema costituito da un ventilatore polmonare neonatale e di un umidificatore connesso ad esso. Gli sviluppi futuri del presente lavoro potranno essere indirizzati al miglioramento delle caratteristiche metrologiche dei sensori di flusso e di pressione differenziale in fibra ottica proposti, allo sviluppo di sensori in fibra ottica innovativi per la misura di temperatura e di umidità relativa e all’implementazione di una procedura ad hoc per condurre, mediante il sistema di misura proposto, la valutazione delle prestazioni di ventilatori polmonari neonatali.