بای پپ بسیار کارآمد و برای جلوگیری از عفونت های بیماری همه گیری کرونا

بیماران  در موارد بحرانی مثل  COVID-19 نیاز به حمایت تنفسی دارند که عمدتاً توسط دستگاه های تنفس مصنوعی ارائه می شود. اما طبق روند فعلی حدود 15 درصد موارد نیاز به بستری شدن دارند و کمتر از 5 درصد موارد معمولی هستند. با توجه به تعداد انبوه موارد COVID-19 در سراسر جهان، نیاز به ونتیلاتور در حال افزایش است و این ونتیلاتورهای سنتی بسیار گران هستند و برای موارد بحرانی کمیاب می‌شوند، بنابراین در تعداد محدودی در دسترس هستند. در این راستا، پشتیبانی تهویه Bilevel Positive Airway Pressure (Bilevel Positive Airway Pressure) یا همان دستگاه کمک تنفسی بای پپ را می توان برای موارد کمتر بحرانی که بیماران نیازی به لوله گذاری intube توسط پرستاران متخصص ندارند و همچنین به حداقل رساندن خطر عفونت در حین انجام عمل مورد استفاده قرار داد. هدف مقاله  ارائه طرحی از  BiPAP بای پپ ارزان قیمت با خروجی بدون عفونت است. BiPAP بای پپ یک حالت تهویه است که فشار مثبت را برای ورودی هوا حفظ می کند و فشار کم یا صفر برای بازدم ایجاد می شود. BiPAP بای پپ پیشنهادی در این مقاله از یک دمنده هوا که از طریق یک کنترل کننده سرعت به مادربورد متصل است، استفاده می کند، سطح فشار و میزان تنفس در بورد برنامه ریزی شده است. بنابراین، دمنده در حالت BiPAP بای پپ عمل می کند. ماسک سه بعدی که در اینجا پیشنهاد شده است از طراحی منحصر به فردی برای دم و بازدم هوا تشکیل شده است و دارای سه اندازه است که برای همه بزرگسالان مناسب است و در عین حال از هرگونه نشتی جلوگیری می کند.

عفونت و بای پپ

طرح پیشنهادی برای استفاده اورژانسی بهینه سازی شده است تا از چهار بیمار با استفاده از یک BiPAP پشتیبانی کند. تولید انبوه آن تقریباً هزینه دارد.
همه‌گیری COVID-19 چالش بی‌سابقه‌ای را برای خدمات بهداشتی و درمانی در سراسر جهان ایجاد کرده است. آخرین داده های موجود WHO نشان می دهد که حدود 0.7 تخت بیمارستانی به ازای هر 1000 نفر در هند در دسترس است (بانک جهانی 2020)، این تعداد کمتر از آنچه توسط WHO توصیه شده است. COVID-19 بسیار مسری است و مرگ و میرها با سرعت هشدار دهنده ای در حال افزایش است. بنابراین، امکانات مراقبت های بهداشتی باید به طور مناسب برای گنجاندن افزایش ناگهانی بیماران مجهز شوند. طبق مطالعات اخیر، حدود 15٪ از بیماران COVID-19 نیاز به بستری شدن دارند و کمتر از 5٪ از بیماران نیاز به مراقبت های ویژه و حمایت تنفسی از طریق ونتیلاتورهایی دارند که به تعداد محدود در دسترس هستند. تهویه مکانیکی معمولی یک روش تهاجمی است و باید برای موارد بسیار بحرانی استفاده شود. حمایت طولانی مدت از ونتیلاتور باعث آسیب ریه می شود و ماهیت تهاجمی آن باعث عفونت می شود . پشتیبانی غیرتهاجمی تنفسی جایگزین از جمله دستگاه‌های بای پپ  BiPAP نیاز به تهویه را کاهش می‌دهد. یک دستگاه BiPAP  بای پپ اگرچه معمولاً برای درمان آپنه خواب استفاده می شود، می تواند برای موارد کم بحرانی که نیازی به ونتیلاتور ندارند و برای موارد بحرانی در انتظار پشتیبانی از ونتیلاتور استفاده شود. از این رو، خرید بای پپ، سیستم‌های پشتیبانی تنفسی جایگزین تعداد ونتیلاتورهای مورد نیاز را کاهش می‌دهند. کارکرد دستگاه کمک تنفسی بای پپ  BiPAP در مقایسه با ونتیلاتورها بسیار ساده تر و ارزان تر است. BiPAP بای پپ هایی که استفاده می شوند  بدلیل اینکه ماسک ها شامل دفع بازدم به محیط اطراف می شوند و خطر ابتلا به عفونت را برای کارکنان مراقبت های ویژه را افزایش می دهد. انواع مختلف ماسک های غیر تهاجمی تجاری در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که در شکل 1 مشخص است، همه انواع ماسک های غیرتهاجمی تجاری دارای یک پورت برای ورودی هستند اما یک پورت مجزا برای خروجی ندارند. از این رو، هیچ پیش بینی برای فیلتر کردن هوای بازدمی وجود ندارد.

کدام بای پپ مقرون به صرفه می باشد؟

یک BiPAP که از این پس در این مقاله به آن اشاره می شود، دستگاه BiPAP پیشنهادی است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. مقاله حاضر یک دستگاه BiPAP مقرون به صرفه، فشرده و بدون عفونت را پیشنهاد می‌کند که شامل یک ماسک با اندازه جهانی با فیلتر HEPA (هوای ذرات با کارایی بالا) است. یک فیلتر HEPA ذرات عامل COVID-19 را مسدود می کند، که در طول شیوع سارس در سال 2003 ایجاد شد (کیم و همکاران 2008). ماشین‌های تهویه غیرتهاجمی تجاری ماسکی ندارند که هوای بازدمی را فیلتر کند (Castro-Codesal et al. 2019; Wilke and Ghamande 2013). مکانیزم تجاری BiPAP بسیار پیچیده است، و طراحی پیشنهادی حداقل، کارکرد آسان، از قطعات الکترونیکی/مکانیکی به راحتی در دسترس و مقرون به صرفه ساخته شده است. ثابت شده است که یک دستگاه تنفس مصنوعی می تواند چندین بیمار را پشتیبانی کند، مشروط بر اینکه جریان هوا کافی باشد (نیمن و ایروین 2006). FDA استفاده از اسپلیترها را برای حمایت از چهار بیمار در یک دستگاه تنفس مصنوعی در مواقع اضطراری تایید کرد (ECRI 2020). بنابراین، استفاده از اسپلیترها می تواند به بخش پزشکی کمک کند تا منابع و زمان مورد نیاز برای مهار کمبود قریب الوقوع ونتیلاتور را کاهش دهد. بیمارستان‌های مختلف در ایالات متحده از اسپلیترها در صورت کمبود ونتیلاتور استفاده کرده‌اند (Baskauf and Nalpathanchil 2020). استفاده از اسپلیترها در BiPAP ها برای غیر بحرانی در مقایسه با ونتیلاتورهای سنتی به دلیل نیاز به فشار کم و پیچیدگی محدود قطعات الکترونیکی در مقایسه با ونتیلاتورها ایمن تر است. طراحی نهایی برای پشتیبانی از چهار بیمار با استفاده از یک BiPAP پیش بینی شده است. BiPAP در نظر گرفته شده است تا در بیمارستان ها برای درمان موارد غیر بحرانی COVID-19 و به عنوان پشتیبان تنفسی برای موارد بحرانی تا زمانی که یک ونتیلاتور مکانیکی معمولی در دسترس باشد، راه اندازی شود. کار ساده BiPAP بیمارستان های راه دور را با پشتیبانی تنفسی که متخصص بیهوشی آموزش دیده ندارند، تقویت می کند.

طراحی و کار دستگاه
BiPAP یک حالت تهویه است که فشار مثبت را برای ورودی هوا حفظ می کند که فشار راه هوایی مثبت دمی (IPAP) نامیده می شود و فشار کم یا صفر برای بازدم ایجاد می شود که به عنوان فشار راه هوایی مثبت بازدمی (EPAP) یا فشار انتهای بازدمی مثبت شناخته می شود. PEEP). بخش مهم BiPAP میکروکنترلر است که جریان هوا را به داخل ماسک دیکته می کند. یک آردوینو به دلیل ویژگی‌های کاربری آسان و نرم‌افزار منبع باز به عنوان میکروکنترلر انتخاب می‌شود. یک دمنده هوای DC بدون جاروبک از طریق یک کنترل‌کننده سرعت الکترونیکی به آردوینو متصل می‌شود. نمودار مدار در شکل 2 نشان داده شده است. سانتی متر H2O، شیرهای کاهش فشار به صورت تجاری در دسترس هستند و اغلب در هواکش های دستی استفاده می شوند. در صورت نیاز به فشار بالا برای موارد اضطراری می توان به راحتی شیر را غیرفعال کرد. کنترل کننده سرعت الکترونیکی دستوراتی را به موتور موجود در دمنده ارائه می دهد و این دستورات در آردوینو برنامه ریزی می شوند. چرخه BiPAP سرعت تنفس حدود 16 تنفس در دقیقه را حفظ می کند که برای یک بزرگسال سالم طبیعی است (Cretikos et al. 2011). از این رو، دمنده برای ایجاد IPAP برای 2 ثانیه و PEEP 2 ثانیه برنامه ریزی می شود و این چرخه BiPAP ادامه می یابد (شکل 3). سوئیچ ضامن برای تغییر IPAP به 5 سطح یا بیشتر استفاده می شود در حالی که PEEP ثابت نگه داشته می شود. محدوده IPAP از 5 تا 30 سانتی متر H2O متفاوت است و PEEP در 5 سانتی متر H2O نگه داشته می شود. محدوده فشار زیر 30 سانتی متر H2O نگه داشته می شود تا از آسیب بافت جلوگیری شود. انتخاب دمنده بسیار مهم است زیرا نیاز حجم جزر و مدی ریه ها باید برآورده شود و از آسیب های مرتبط با ریه جلوگیری شود. حجم جزر و مد در نظر گرفته شده است که زیر 6 میلی لیتر بر کیلوگرم نگه داشته شود، که یک عمل عمومی در بیهوشی در نظر گرفته می شود (Putensen and Wrigge 2007). BiPAP پیشنهادی در حالت کنترل فشار عمل می کند. اطلاعات فوق در آردوینو که نمودار فعالیت آن در شکل 4 ذکر شده است برنامه ریزی خواهد شد.
توضیحات دقیق ماسک در شکل 5 نشان داده شده است، ماسک به گونه ای طراحی شده است که قسمت پایینی روی چانه و قسمت بالایی روی بینی کاربر باشد. یک پیوست اضافی به بدنه ماسک اضافه می شود تا ارتفاع ماسک را به ترتیب 115 و 85 میلی متر برای اندازه های بزرگ و کوچک تغییر دهد تا برای همه بزرگسالان مناسب باشد. محدوده ابعاد بحرانی بدنه ماسک در جدول 1 ارائه شده است. درگاه ورودی حاوی یک سوپاپ برگشت است که تنها به هوای تحت فشار ورودی از دمنده هوا اجازه می دهد و هیچ هوای بازدمی از طریق این درگاه عبور نمی کند تا احتمال اختلاط را نفی کند. هوای بازدم شده با هوای ورودی و جلوگیری از هرگونه جریان برگشتی. قطر دریچه ورودی در مقایسه با ماسک های معمولی بیشتر است تا اثر افزایش فشار به دلیل کاهش سطح موجود در نتیجه مکانیزم شیر چک را به حداقل برساند. فراتر از شیر چک، دهانه پورت دارای اندازه استاندارد است. سوپاپ خروجی تنها اجازه می دهد تا هوای خروجی جریان داشته باشد، اندازه بزرگتر دریچه های خروجی در مقایسه با ماسک معمولی اجازه دمیدن راحت هوا را در نتیجه کاهش فشار ریه می دهد. بلافاصله پس از شیر چک خروجی، یک محفظه فیلتر وجود دارد، شیرهای چک و محفظه فیلتر قابل جدا شدن هستند که دسترسی آسان برای تمیز کردن و استریل کردن را تضمین می کند. برای اطمینان از تناسب جهانی، یک لایه فوم پلی یورتان ضخیم وجود دارد، و در نتیجه ماهیت بسیار فشرده آن، فوم قادر است اطراف طیف گسترده ای از ویژگی های صورت فشرده شود. شکل بدنه ماسک به گونه ای طراحی شده است که ویژگی های اساسی صورت را بپوشاند، آب بندی باقی مانده توسط لایه فوم تضمین می شود. به دنبال لایه فوم یک لایه سیلیکونی وجود دارد که اجازه خروج هوا را نمی دهد و در نتیجه یک مهر و موم در اطراف ماسک ایجاد می کند. مواد لازم برای بستن ماسک در اطراف صورت در پایه های روی بدنه ماسک موجود است. ماسک باید محکم بسته شود تا از اتصال مناسب اطمینان حاصل شود. پی وی سی به دلیل ماهیت غیر سمی، تمیز کردن آسان و قابلیت ساخت آسان به عنوان ماده ای برای بدنه ماسک، بدنه شیر چک و کیس فیلتر انتخاب می شود. شیرهای چک در ورودی و خروجی هوا مکانیزم کاری یکسانی دارند، با این تفاوت که جهت جریان هوای مجاز و مسدود شده معکوس است و قطر دریچه ورودی دو برابر درگاه خروجی است. شیر چک و محفظه فیلتر در شکل 6 نشان داده شده است. شیر برگشتی شامل سه قسمت است، قسمت میانی قسمت متحرکی است که جریان هوا را در یک جهت مسدود می کند و در مقابل آن اجازه می دهد. پوشش لاستیکی قسمت متحرک اثر آب بندی بهبود یافته مکانیزم را تضمین می کند. محفظه فیلتر حاوی یک لولا است که برای تسهیل تعویض آسان فیلتر HEPA که در شیار قرار گرفته است باز می شود.

تست دستگاه و ارتقاء مقیاس
نمونه اولیه باید تحت آزمایش فشار و حجم جزر و مدی قرار گیرد، آزمایش فشار با استفاده از یک مانومتر U-tube ساده و ظرفیت حجمی در طول عملیات BiPAP که توسط یک فلومتر اندازه‌گیری می‌شود، رضایت‌بخش است. برای اطمینان از مناسب بودن دستگاه برای استفاده طولانی مدت، باید تست های قابلیت اطمینان انجام شود. تست در محل و تایید توسط کارشناسان برای موفقیت دستگاه بسیار مهم است. BiPAP نهایی باید با استانداردهای مختلفی از جمله IEC 60601-1 (الزامات عمومی برای ایمنی اولیه و عملکرد ضروری تجهیزات الکتریکی پزشکی)، ISO 80601-2-70 (تجهیزات درمان تنفسی آپنه خواب) و غیره قبل از عرضه محصول مطابقت داشته باشد. . برای ارتقاء نمونه اولیه به مرحله محصول نیاز به تغییرات طراحی و مواد ارائه شده توسط متخصصان این صنعت است. در محصول نهایی، قطعات پرینت سه بعدی باید برای انطباق با فرآیندهای تولید مرسوم، دوباره طراحی شوند. به طور مشابه، میکروکنترلر و کنترل کننده موتور بر اساس نیازهای تولید انبوه انتخاب می شوند.

نمونه اولیه، همانطور که تاکنون تعریف شده است، به دلیل ظرفیت کم دمنده برای یک بیمار در نظر گرفته شده است، اما با انجام تغییرات اندک در طراحی، یعنی با افزایش ظرفیت دمنده و اصلاح ورودی دمنده، یک BiPAP واحد قادر به پشتیبانی از چهار دستگاه است. بیماران به طور همزمان این اصلاح با قرار دادن یک اتصال بر روی خروجی دمنده انجام می شود که آن را به چهار قسمت تقسیم می کند، از این رو، یک دمنده برای تامین چهار بیمار استفاده می شود. طراحی این اصلاح در شکل 7 نشان داده شده است، مکانیزم کوپلینگ برای اتصال لوله های ورودی ماسک به فیتینگ و انتهای دیگر به خروجی دمنده BiPAP وصل شده است. اتصالات حاوی فیلتری است که از آلوده نشدن هوای استنشاقی برای جلوگیری از آلودگی متقابل اطمینان می دهد. اگرچه اتصال اتصال به دمنده با ظرفیت افزایش یافته نیاز دارد، اما هزینه کلی ارائه پشتیبانی تنفسی به طور قابل توجهی کاهش می یابد زیرا یک دستگاه منفرد چندین بیمار را به طور همزمان پشتیبانی می کند. تنظیمات فشار بالا و فشار پایین BiPAP باید با توجه به تعداد بیماران ارائه شده اصلاح شود. اگر فقط دو بیمار نیاز به حمایت داشته باشند، دو پورت بسته می‌شوند و فشارهای حفظ شده نیمی از فشار مورد نیاز برای چهار بیمار است. از آنجایی که BiPAP برای فشار غیر بحرانی که کمتر از فشار ونتیلاتور سنتی است استفاده می شود، راه اندازی چند بیمار بسیار ایمن تر است. علاوه بر این، اجزای حداقل منجر به راه اندازی آسان برای پشتیبانی چند بیمار می شود. BiPAP باید آزمایشات و آزمایشات بیشتری را برای افزودن این تغییرات در طراحی نهایی انجام دهد.

نتیجه
همه گیر COVID-19 چالش بزرگی را برای خدمات مراقبت های بهداشتی در سراسر جهان ایجاد کرده است که نیازمند راه حل های نوآورانه و فوری است. هدف دستگاه BiPAP ارائه شده در مقاله حاضر ارائه یک پشتیبانی تنفسی مقرون به صرفه و کاربرپسند برای بیماران غیر بحرانی و یک منبع پشتیبان برای بیمارستان‌هایی است که با کمبود تهویه مواجه هستند. طراحی نهایی BiPAP می تواند چهار بیمار را به طور همزمان پشتیبانی کند و دارای فیلتراسیون برای هوای ورودی و خروجی است تا خطر عفونت را به حداقل برساند.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7305860/