Migliorare il supporto respiratorio per COVID

31 luglio 2020

di Henk Van Appeven, Università della Tecnologia di Eindhoven

Mentre la pandemia continua a devastare il mondo, i ventilatori meccanici sono vitali per la sopravvivenza dei pazienti affetti da COVID-19 che non possono respirare da soli. Una delle maggiori sfide è monitorare e controllare la pressione dei ventilatori, per garantire che i pazienti ricevano esattamente la quantità di aria di cui hanno bisogno. I ricercatori dell'Università della Tecnologia di Eindhoven (TU/e) hanno sviluppato una tecnica basata su algoritmi di autoapprendimento che migliora di dieci volte le prestazioni del controller. I risultati sono stati presentati all’IFAC2020, un’importante conferenza internazionale sul controllo automatico.

Un ventilatore meccanico pompa l'aria dentro e fuori dai polmoni del paziente, quando non è più in grado di respirare (sufficientemente) da solo. Il flusso alternato d'aria consente ai polmoni di scambiare la CO2 con l'O2 nel sangue, garantendo così la sopravvivenza del paziente. Per garantire che i pazienti ricevano la quantità d’aria di cui hanno bisogno, è fondamentale che la pressione dell’aria segua esattamente le istruzioni dei medici. In caso contrario, potrebbe comportare una maggiore mortalità.

Questo non è un problema banale. Non tutti i pazienti sono uguali e i tubi e i sistemi di soffiaggio utilizzati per immettere l'aria nel paziente possono variare, determinando incongruenze indesiderate. Sono state quindi svolte molte ricerche per correggere questo problema, utilizzando tecniche come il controllo del feedback adattivo. Tuttavia, queste tecniche si basano su modelli di pazienti accurati, che nella pratica non sono sempre disponibili, perché non tutti i pazienti sono uguali.

I ricercatori della TU/e ​​utilizzano una tecnica di controllo alternativa che il professore associato Tom Oomen del Dipartimento di Ingegneria Meccanica sta sviluppando per applicazioni nell'industria high-tech, come stampanti e scanner per wafer. Questa tecnica si basa su algoritmi di autoapprendimento e sfrutta il fatto che la respirazione nei pazienti sedati (come sono molti pazienti affetti da COVID-19) tende ad essere molto regolare, proprio come molti processi nell’industria.

La tecnica, chiamata Controllo Ripetitivo, può apprendere dagli errori della macchina e ha la capacità di correggerli in poche iterazioni, utilizzando i dati misurati dai sensori della macchina. In questo modo, per un ventilatore meccanico, è possibile aumentare la precisione della pressione e del flusso forniti dal ventilatore di un fattore dieci dopo pochi respiri, anche quando la capacità polmonare del paziente non è nota.

La tecnica è stata testata su polmoni artificiali in laboratorio. In tutti e tre gli scenari (un neonato, un bambino e un adulto), le prestazioni del rilevamento della pressione erano superiori a quelle dei dispositivi esistenti.

"Grazie all'algoritmo di autoapprendimento che applichiamo, siamo in grado di raggiungere livelli di pressione molto accurati, indipendentemente dal paziente collegato al dispositivo. Ciò rende il trattamento molto più costante", afferma Joey Reinders, Ph.D. candidato nella sezione Dinamica e Controllo del dipartimento di Ingegneria Meccanica e uno dei ricercatori coinvolti.

Reinders e i suoi colleghi hanno svolto la maggior parte delle loro ricerche nel 2019, quando per molte persone la pandemia di coronavirus era ancora una fantasia distopica. "Quando abbiamo iniziato la nostra ricerca non avevamo idea che sarebbe diventata così rilevante", afferma. "Sono quindi molto soddisfatto dei risultati, che un giorno potrebbero rivelarsi una salvezza per i pazienti affetti da coronavirus."

Sottolinea che sono necessarie ulteriori ricerche prima che la tecnica possa essere utilizzata nella pratica. Reinders e i suoi colleghi hanno testato solo su pazienti sedati, per i quali il controllo ripetitivo funziona meglio perché i loro schemi respiratori sono molto regolari. Tuttavia, i ventilatori vengono utilizzati anche su pazienti ancora coscienti e che potrebbero iniziare a respirare inaspettatamente. Anche il controller del ventilatore deve essere in grado di far fronte a tali situazioni.