MedicinaStampa 3D per l'emergenza COVID-19

In che modo la stampa 3D può aiutare ad affrontare la carenza di dispositivi di ventilazione salvavita COVID-19

Dozzine di organizzazioni e centinaia di aziende manifatturiere additive stanno correndo per aiutare i governi e le istituzioni sanitarie di tutto il mondo a far fronte alla carenza di ausili di ventilazione salvavita per i pazienti con terapia intensiva COVID-19 che hanno difficoltà a respirare autonomamente. La stampa 3D dei dispositivi COVID-19 può essere un’opzione praticabile in alcuni casi e 3dpbm ha riportato molti di questi. Tuttavia esiste un flusso limitato di informazioni accurate sulla differenza tra i vari tipi di macchinari utilizzati in base alla gravità di ogni situazione.

Per ovviare a questa generale mancanza di informazioni chiare, 3dpbm ha consultato specialisti in terapia intensiva che hanno fornito una panoramica delle diverse opzioni di respirazione assistita disponibili per il trattamento di diversi tipi di insufficienza respiratoria. Si noti che i materiali a basse prestazioni come il PLA e le stampanti 3D desktop di base non offrono generalmente garanzie sufficienti in termini di durata (come media del settore AM talvolta lo diamo per scontato). Potrebbe essere necessario fare riferimento ai produttori di dispositivi medici tradizionali o agli operatori sanitari al fine di convalidare l’efficienza e confermare l’effettiva necessità di parti stampate in 3D.

L’insufficienza e l’incapacità respiratoria sono una condizione in cui il sangue non ha abbastanza ossigeno o troppa anidride carbonica. Quando si respira, i polmoni assorbono ossigeno che attraverso il sangue arriva agli organi. Quando si espira invece viene espulsa l’anidride carbonica. Gli organi necessitano di sangue ricco di ossigeno e un tasso troppo alto di anidride carbonica può danneggiarli. Diverse condizioni che influenzano la respirazione possono causare insufficienza respiratoria e il COVID-19  la provoca colpendo direttamente i polmoni.

Quando un paziente soffre di insufficienza respiratoria ci sono due tipi principali di approcci terapeutici, che dipendono dalla gravità delle condizioni del paziente. Si dividono principalmente tra metodi non invasivi e invasivi. A causa della natura particolarmente delicata della ventilazione invasiva – quando i pazienti che non sono in grado di respirare da soli vengono sedati e l’ossigeno viene pompato direttamente nei loro polmoni attraverso un tubo tracheale intraorale – la maggior parte delle attività relative alla stampa 3D dovrebbero concentrarsi su metodi non invasivi . Questi sono anche ulteriormente suddivisi in dispositivi a flusso basso e flusso elevato per la respirazione non assistita o assistita.

Dispositivi di ventilazione non invasivi (NIMV)

I metodi non invasivi possono essere suddivisi in tre categorie principali: quelli che forniscono semplicemente una maggiore concentrazione di ossigeno ai pazienti che sono in grado di respirare autonomamente; quelli che forniscono una pressione positiva per aiutare i pazienti che hanno gravi difficoltà respiratorie; e quelli che richiedono assistenza per i pazienti che soffrono di insufficienza respiratoria acuta o cronica.

Cannule nasali (NC)

La cannula nasale (NC) è un dispositivo utilizzato per fornire ossigeno supplementare o aumento del flusso d’aria a un paziente che necessita di aiuto respiratorio. Questo dispositivo è costituito da un tubo leggero che su un’estremità si divide in due punte, queste sono posizionate nelle narici in modo che una miscela di aria e ossigeno le attraversi. L’altra estremità del tubo è collegata a una fonte di ossigeno come un generatore di ossigeno portatile o una connessione a parete in un ospedale tramite un flussimetro e la cannula è generalmente fissata al paziente tramite il tubo che si aggancia attorno alle orecchie del paziente. La forma più antica e ampiamente utilizzata di cannula nasale per adulti trasporta massimo 1–3 litri di ossigeno al minuto. Questi non sono generalmente collegati ad un ventilatore ma piuttosto direttamente a una bombola di ossigeno o alla rete di distribuzione dell’ossigeno dell’ospedale.

Una cannula nasale

In che modo può aiutare la stampa 3D? La stampa 3D può essere utilizzata per produrre adattatori personalizzati per le narici di una persona, tuttavia, non si prevede che questo prodotto subirà drammatiche carenze poiché sono sistemi aperti che non sono raccomandati con pazienti altamente infettivi.

Maschera non rebreather (NRB) – Maschera con serbatoio di ossigeno

Una maschera non-rebreather è un dispositivo utilizzato in medicina per aiutare nella somministrazione di ossigenoterapia. Un NRB richiede che il paziente possa respirare senza assistenza ma, a differenza delle cannule nasali a basso flusso, il NRB consente il rilascio di concentrazioni più elevate di ossigeno. La maschera non rebreather copre sia il naso che la bocca del paziente e si attacca con l’uso di una corda elastica attorno alla testa del paziente. L’NRB ha un sacchetto attaccato, in genere di un litro, che si collega a un serbatoio di ossigeno esterno o un sistema di approvvigionamento di ossigeno sfuso. Prima di posizionare un NRB sul paziente, la sacca viene gonfiata a più di due terzi di ossigeno, ad una velocità superiore a 10 litri al minuto (lpm). Circa ¹⁄₃ dell’aria dal serbatoio si esaurisce mentre il paziente inala, e viene quindi sostituita dal flusso proveniente dall’alimentazione di O2. Se la sacca si sgonfia completamente, il paziente non avrà più una fonte d’aria per respirare.

In che modo può aiutare la stampa 3D? La stampa 3D può essere utilizzata per produrre adattatori e valvole personalizzati per collegare la maschera al serbatoio o alla fonte di ossigeno.

Ambu – Bag Valve Mask (BVM)

Una maschera per valvole a sacco (BVM), a volte conosciuta con il nome di Ambu bag o genericamente come rianimatore manuale, è un dispositivo portatile comunemente usato per fornire ventilazione a pressione positiva a pazienti che non respirano o che non riescono a farlo adeguatamente. Il dispositivo è una parte necessaria dei kit di rianimazione per professionisti addestrati in contesti extra-ospedalieri (come gli equipaggi delle ambulanze) ed è anche frequentemente utilizzato negli ospedali come parte delle attrezzature standard presenti su un carrello o in pronto soccorso. Questi rianimatori manuali vengono anche utilizzati all’interno dell’ospedale per la ventilazione temporanea di pazienti dipendenti da ventilatori meccanici quando questi devono essere esaminati per possibili malfunzionamenti o nei casi in cui i pazienti abbiano la necessità di essere trasportati all’interno dell’ospedale. Esistono due tipi principali di rianimatori manuali: una versione si riempie automaticamente di aria, sebbene sia possibile aggiungere ulteriore ossigeno (O2) non è necessario per il funzionamento del dispositivo. L’altro tipo principale di rianimatore manuale (flusso-gonfiaggio) è ampiamente utilizzato in applicazioni non di emergenza in sala operatoria per ventilare i pazienti durante l’induzione e il recupero dell’anestesia.

In che modo può aiutare la stampa 3D? La stampa 3D può essere utilizzata per produrre adattatori e valvole personalizzati per collegare la sacca Ambu alla maschera facciale e/o ad un ventilatore.

Maschera Venturi (Ventimask)

La maschera venturi, è un dispositivo medico per fornire una concentrazione di ossigeno ai pazienti in ossigenoterapia controllata. La maschera è stata inventata da Moran Campbell alla McMaster University Medical School in sostituzione del trattamento intermittente dell’ossigeno. Le maschere Venturi sono considerate dispositivi per ossigenoterapia ad alto flusso. Questo perché sono in grado di fornire un flusso inspiratorio totale a una specifica FiO2 (la concentrazione di ossigeno) alla terapia dei pazienti. I kit di solito includono getti multipli (valvole venturi), che in genere sono codificati a colori per impostare la FiO2 desiderata.

Alcune marche di maschere hanno un attacco rotante che controlla la finestra di trascinamento dell’aria, influenzando la concentrazione di ossigeno. Questo sistema viene spesso utilizzato con nebulizzatori a trascinamento d’aria per fornire umidificazione e ossigenoterapia. Il meccanismo d’azione è di solito erroneamente citato come dipendente dall’effetto venturi. Nonostante non ci siano prove per questo, molti libri di testo e articoli di riviste lo citano come meccanismo; tuttavia, un sistema di erogazione di ossigeno a prestazioni fisse, nonostante sia spesso chiamato maschera venturi, funziona secondo il principio della miscelazione a getto.

In che modo può aiutare la stampa 3D? La stampa 3D è stata utilizzata per produrre valvole venturi per affrontare i problemi della catena di approvvigionamento in caso di emergenza.

Maschera o casco per ventilazione a pressione positiva (CPAP), BiPAP e pressione fine espiratoria positiva (PEEP)

La pressione positiva continua delle vie aeree (CPAP) è una forma di ventilazione che applica una leggera pressione dell’aria su base continua. Si collega a un sistema di misuratore di portata per creare la pressione positiva necessaria per mantenere le vie aeree costantemente aperte nelle persone che sono in grado di respirare spontaneamente ma hanno bisogno di aiuto per mantenere libere le loro vie aeree. È un’alternativa alla pressione positiva di fine espirazione (PEEP). Entrambe le modalità usano una pressione positiva per gli alveoli dei polmoni aperti e quindi reclutare più area della superficie polmonare per la ventilazione. Mentre la PEEP si riferisce a dispositivi che impongono una pressione positiva solo alla fine dell’espirazione, i dispositivi CPAP applicano una pressione positiva continua delle vie aeree durante tutto il ciclo respiratorio. La maschera per lo snorkeling che è stata utilizzata da Isinnova, attraverso un adattatore personalizzato stampato in 3D è un esempio di sistema CPAP.

BiPap è un altro tipo di dispositivo di ventilazione a pressione positiva. Durante l’utilizzo di un BiPap si riceve una pressione dell’aria più elevata quando si inspira rispetto a quando si espira. Questa impostazione è diversa dalla pressione positiva continua delle vie aeree (CPAP), che fornisce la stessa quantità di pressione che inspiri ed espiri.

In che modo può aiutare la stampa 3D? La stampa 3D può essere utilizzata per produrre adattatori e valvole personalizzati per collegare la maschera o il casco CPAP a un ventilatore o altra fonte di ossigeno. In alternativa, la stampa 3D può essere utilizzata per decodificare e prototipare nuovi connettori e valvole in una catena di fornitura interrotta. La stampa 3D potrebbe anche essere utilizzata per produrre clip e accessori per il sistema di allacciatura che tiene premuta la maschera sul viso di un paziente.

Ventilazione semi-invasiva e invasiva

L’intubazione tracheale, di solito semplicemente definita intubazione, è il posizionamento di un tubo di plastica flessibile nella trachea per mantenere una via aerea aperta o fungere da condotto attraverso il quale somministrare determinati farmaci. Viene spesso eseguito in pazienti gravemente feriti, malati o anestetizzati per facilitare la ventilazione dei polmoni, inclusa la ventilazione meccanica, e per prevenire la possibilità di asfissia o ostruzione delle vie aeree.

Maschera Laringea (LMA)

La maschera laringea (LMA)  è un dispositivo medico che tiene aperte le vie respiratorie del paziente durante l’anestesia o l’incoscienza. È composto da un tubo per le vie aeree che si collega a una maschera ellittica con un bracciale che viene inserito attraverso la bocca del paziente, lungo la trachea. Una volta schierato, forma un sigillo ermetico sulla parte superiore della glottide (a differenza dei tubi tracheali che passano attraverso la glottide) permettendo a una via aerea sicura di essere gestita da un assistente sanitario.

Le LMA sono più comunemente usate per incanalare l’ossigeno gassoso nei polmoni di un paziente in ambito preospedaliero (ad esempio da paramedici e tecnici medici di emergenza) per pazienti incoscienti.

In che modo può aiutare la stampa 3D? La stampa 3D può essere utilizzata per produrre adattatori e valvole personalizzati per collegare l’LMA a una fonte di ossigeno o un tubo di espirazione. In caso di necessità, la stampa 3D potrebbe anche essere utilizzata dal produttore standard o da un distributore con problemi di catena di fornitura per produrre uno stampo al fine di fabbricare la maschera di silicio tramite un processo di stampa 3D indiretto.

Tubo tracheale

Un tubo tracheale è un catetere che viene inserito nella trachea allo scopo principale di stabilire e mantenere una via aerea aperta e non ostruita. I tubi tracheali sono spesso utilizzati per la gestione delle vie aeree in contesti di anestesia generale, terapia intensiva, ventilazione meccanica e medicina di emergenza. Sono disponibili molti diversi tipi di tubi tracheali, ognuno adatto a diverse applicazioni specifiche. Un tubo endotracheale è un tipo specifico di tubo tracheale che viene quasi sempre inserito attraverso la bocca (orotracheale) o il naso (nasotracheale). È un condotto respiratorio progettato per essere inserito nelle vie aeree di pazienti gravemente feriti, malati o anestetizzati al fine di eseguire una ventilazione meccanica a pressione positiva dei polmoni e prevenire la possibilità di aspirazione o ostruzione delle vie aeree. Il tubo endotracheale ha un raccordo progettato per essere collegato a una fonte di gas pressurizzato come l’ossigeno. All’altra estremità c’è un foro attraverso il quale tali gas sono diretti nei polmoni, la punta del tubo endotracheale è posizionata sopra la carena (prima che la trachea si divida in ciascun polmone) e sigillata all’interno della trachea in modo che i polmoni possano essere ventilati allo stesso modo. Un tubo tracheostomico è un altro tipo di tubo tracheale. La punta del tubo endotracheale è posizionata sopra la carena (prima che la trachea si divida in ciascun polmone) e sigillata all’interno della trachea in modo che i polmoni possano essere ventilati allo stesso modo. Un tubo tracheostomico è un altro tipo di tubo tracheale.

In che modo può aiutare la stampa 3D? La stampa 3D può essere utilizzata per produrre adattatori e valvole personalizzati per collegare la LMA a una sorgente di flusso di ossigeno regolata (dal ventilatore al paziente) o ad un tubo di espirazione (dal paziente al ventilatore).

Ventilatori per terapia intensiva

Sebbene i ventilatori meccanici siano generalmente classificati come ventilatori a pressione negativa e positiva, oggi i ventilatori a pressione negativa sono usati raramente. I primi ventilatori a pressione positiva apparvero negli anni ’40. Tuttavia, hanno iniziato a diffondersi dopo la riduzione della mortalità nei pazienti ventilati meccanicamente nelle epidemie di polio degli anni ’50. Gli sviluppi nell’ingegneria hanno consentito il passaggio dai dispositivi che inizialmente garantivano solo il volume corrente impostato a una certa frequenza respiratoria ai dispositivi utilizzati oggi, che monitorano le condizioni del paziente e le dinamiche respiratorie e adeguano i parametri respiratori alle esigenze del paziente.

Questi dispositivi, che inizialmente erano solo a volume controllato e non erano in grado di rilevare i respiri attivati ​​dei pazienti, non avevano un monitor o un allarme. Nei dispositivi di seconda generazione, era possibile il trigger dei pazienti e alcuni parametri come la frequenza respiratoria potevano essere monitorati. Poco dopo, cominciò ad essere utilizzata la ventilazione intermittente a pressione positiva (IMV) e nel corso della pratica clinica fu utilizzata la ventilazione controllata e assistita dalla pressione nel tempo. I dispositivi di terza generazione che utilizzano microprocessori sono stati prodotti con ulteriori sviluppi tecnologici, in questi dispositivi è stato introdotto il trigger di flusso, nonché l’erogazione e il monitoraggio del gas, la ventilazione meccanica intermittente sincronizzata (SIMV) e l’assistenza alla pressione. I dispositivi complessi e versatili di oggi sono noti come dispositivi di quarta generazione.

Maggiori informazioni su queste macchine molto complesse sono disponibili qui.

Le aziende che producono ventilatori includono GE Healthcare negli Stati Uniti, Medtronic in Irlanda, Acutronic e Hamilton Medical in Svizzera, Smiths Group nel Regno Unito, Drägerwerk e Siemens in Germania, Philips nei Paesi Bassi, Getinge in Svezia, Air Liquide in Francia, Dima in Italia, Avarasala in India, Aeonmed in Cina e Tritone in Russia. L’elenco completo dei produttori è disponibile qui.

In che modo può aiutare la stampa 3D? La stampa 3D potrebbe aiutare con la produzione di ventilatori per terapia intensiva solo entrando nella catena di approvvigionamento tradizionale al fine di fornire un’alternativa per le parti temporaneamente non disponibili che devono essere assemblate dai produttori tradizionali. Tuttavia, un modo in cui la stampa 3D potrebbe fornire un aiuto immediato è attraverso il rapido sviluppo e produzione di splitter personalizzati che consentirebbero a più pazienti di essere collegati a un singolo ventilatore.

Ventilatori a basso costo

Mentre la stampa 3D potrebbe aiutare con la produzione di ventilatori per terapia intensiva solo entrando nella tradizionale catena di approvvigionamento, sono emersi numerosi progetti open source e a basso costo che mirano a produrre ventilatori meccanici di emergenza adattando una sacca Ambu in un dispositivo attivato meccanicamente . Questi includono progetti presentati da MIT e Leitat, nonché una serie di iniziative collettive completamente open source. Mentre questi dispositivi possono effettivamente aiutare a salvare vite umane in caso di emergenza, possono essere considerati prodotti “dell’età della pietra” in termini di tecnologia medica. Se non esiste altra soluzione – e questo potrebbe benissimo essere il caso in alcune situazioni che potrebbero sorgere nel prossimo futuro – potrebbero significare la differenza tra vita e morte. Tuttavia, dovrebbero essere considerati un’ultima risorsa.

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Andrea Gambini

Mi piace leggere e scrivere da sempre. Ho iniziato a lavorare in redazione come giornalista sportivo nel 2008, poi la passione per il giornalismo e per il mondo della comunicazione in generale, mi ha permesso di ampliare notevolmente i miei interessi, arrivando negli anni a collaborare con le più svariate testate giornalistiche online. Mi sono poi avvicinato alla stampa 3D, colpito dalle grandissime potenzialità di questa nuova tecnologia, che giorno dopo giorno mi hanno spinto a informarmi sempre più su quella che considero una vera rivoluzione che si farà presto sentire in tantissimi campi della nostra vita quotidiana.

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