Respirator wdmuchuje powietrze, pęcherzyki i całe płuca się powiększają, napełniają tlenem, po czym (po osiągnięciu pewnej wartości maksymalnej ciśnienia tłoczonego gazu) następuje jego odcięcie i klatka piersiowa biernie opada, następuje wydech. Na tym polega różnica między fizjologicznym stanem, kiedy ciśnienie w płucach jest niższe niż na zewnątrz a wentylacją mechaniczną, kiedy jest ono wyższe – opowiada dr inż. Katarzyna Kramek-Romanowska z Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN w Warszawie.
Dr inż. Katarzyna Kramek-Romanowska. Fot. arch. wł.
Ewa Stanek-Misiąg: Czy współczesny respirator ma jeszcze coś wspólnego z żelaznym płucem, którym nadal bywa nazywany?
Katarzyna Kramek-Romanowska: Żelazne płuco działało na trochę innej zasadzie. Ono usiłowało symulować oddychanie naturalne. Chorego umieszczano w tubie, z której wystawała mu tylko głowa, albo w zbroi obejmującej klatkę piersiową i generowano podciśnienie, które rozciągało klatkę piersiową tak, żeby powietrze z atmosfery mogło wejść do płuc (można to przyrównać do strzykawki, z której wysysane jest powietrze), po czym ciśnienie było zwalniane, żebra opadały i następował wydech, jak przy zwykłym oddychaniu.
Obecnie stosowane rozwiązania korzystają z dodatniego ciśnienia. To znaczy, że powietrze jest tłoczone pod większym ciśnieniem niż ciśnienie powietrza znajdującego się w płucach. Daje to większą możliwość sterowania, dobierania objętości przepływów. Jednocześnie jednak niesie pewne niebezpieczeństwo powikłań, takich jak rozedma, problemy z układem krążenia, ale też zapalenie płuc w wyniku zakażenia bakteryjnego wynikającego z obecności rurki dotchawiczej w drogach oddechowych.
Respirator jest złożonym urządzeniem i elementem systemu wentylacyjnego. To system wentylacyjny umożliwia prowadzenie mechanicznej wentylacji pacjenta. Funkcję respiratora można porównać do silnika, a system wentylacyjny do samochodu. Żeby samochód działał, musi mieć sprawny silnik, żeby silnik działał, trzeba mu dostarczać paliwo, w tym przypadku jest to stabilne zasilanie elektryczne oraz zasilanie pneumatyczne w sprężony tlen i powietrze. Dalej mamy obwody oddechowe, czyli mówiąc najprościej plastikowe rury, które łączą respirator ze sztucznymi drogami oddechowymi, czyli rurką dotchawiczą. Na samym końcu ścieżki mamy płuca pacjenta.
To auto samo nie pojedzie. Potrzebuje operatora (jest nim z reguły lekarz bądź wykwalifikowany członek personelu medycznego), który umie zmontować układ, podłączyć do niego pacjenta, dobrać odpowiednie parametry, jeśli chodzi m.in. o objętość i częstość oddechów generowanych przez respirator. Respirator ma funkcję monitorowania stanu pacjenta. Nie oznacza to jednak, że pacjenta można zostawić bez nadzoru. Kiedy włącza się alarm, operator powinien być w pobliżu, żeby szybko zareagować, np. skorygować ustawienia, gdy pojawia się niewydolność oddechowa, czy zatkanie spowodowane przypadkowym zagięciem obwodów oddechowych.
Respirator jest ratunkiem, ale niesie też pewne ryzyko. Internet huczał swego czasu o wybuchających płucach. Może nawet wciąż huczy…
Oddychanie składa się z fazy czynnej i biernej. Fazą czynną jest wdech. Dochodzi wtedy do skurczu mięśni międzyżebrowych zewnętrznych i przepony, co zwiększa przestrzeń w klatce piersiowej. Różnica ciśnień (w okolicach pęcherzyków płucnych ciśnienie jest mniejsze niż ciśnienie atmosferyczne) powoduje zasysanie powietrza do płuc. Wydech jest fazą bierną. Mięśnie wracają do pozycji spoczynkowej, powietrze jest wypychane na zewnątrz.
W czasie wentylacji mechanicznej w trybie wykorzystywanym obecnie najczęściej powietrze jest tłoczone pod ciśnieniem do płuc. Tylko tak można pokonać opór zwiotczałych mięśni. Przypomina to dmuchanie balonu. Respirator wdmuchuje powietrze, pęcherzyki i całe płuca się powiększają, napełniają tlenem, po czym (po osiągnięciu pewnej wartości maksymalnej ciśnienia tłoczonego gazu) następuje jego odcięcie i klatka piersiowa biernie opada, następuje wydech. Na tym polega różnica między fizjologicznym stanem, kiedy ciśnienie w płucach jest niższe niż na zewnątrz a wentylacją mechaniczną, kiedy jest ono wyższe.
Przy niewłaściwie dobranej objętości tłoczonego powietrza lub gdy ciśnienie będzie zbyt duże może dojść do uszkodzeń w płucach. Nie chodzi o żadną eksplozję. Człowiek to nie balon. Pęcherzyki płucne mogą utracić właściwość elastyczną, która pozwala im wracać do właściwego kształtu.
Może dojść np. do uszkodzeń nabłonka, powstania stanu zapalnego, wydzielania się płynu śródtkankowego, a w skrajnym przypadku „zalania” płuc i zupełnej utraty zdolności do wymiany gazowej. Rozważając użycie respiratora, trzeba brać pod uwagę także to, co dzieje się w drogach oddechowych chorego, czy nie ma tam np. zwężeń oskrzeli. Zmniejszenie średnicy oskrzeli powoduje, że powietrze nie jest w stanie pokonać zwiększonego oporu i mimo że respirator utrzymuje cały czas to samo dobrze ustawione na początku ciśnienie, wskaźnik oksygenacji spada. Teoretycznie radą na to mogłoby być zwiększenie ciśnienia, ale to z kolei wiąże się z ryzykiem tych przestrzeni, które nie są zwężone. Można to sobie wyobrazić na przykładzie nadmuchiwania rękawiczki lekarskiej, która ma zawiązane 2 palce. Powietrze wypełni pozostałe 3. Wypełni je bardziej niż wtedy, gdy miało dostęp do wszystkich 5 palców.
Lekarz dobiera parametry na podstawie wskazań monitorów i ogólnej wiedzy o stanie chorego, ale nie widzi tego, co się dzieje wewnątrz pacjenta (a są to często zmiany dynamiczne), dlatego doświadczenie kliniczne pracy z pacjentami wentylowanymi jest bezcenne.
Pacjenta pod respiratorem otacza plątanina rurek (nie znajduję lepszego słowa), wśród nich znajdują się nawilżacze i podgrzewacze?
Powietrze z otoczenia ma mniejszą wilgotność niż powietrze, które mamy w drogach oddechowych, gdzie panuje niemal 100-procentowa wilgotność. Naturalnie nawilżamy sobie powietrze, oddychając przez nos.
Mieszanka oddechowa podawana przez respirator jest sucha i w temperaturze co najwyżej pokojowej. Podawanie suchego i chłodnego gazu do dróg oddechowych działa na nie drażniąco, dlatego można dodatkowo stosować nawilżacze i ogrzewacze jako elementy systemu wentylacyjnego.
Z tego, co zauważyłam, w Polsce najczęściej używany jest tzw. sztuczny nos. Jest to filtr o dość dużej powierzchni, umieszczony pomiędzy obwodem oddechowym a rurką dotchawiczą, w którym osadza się para wodna z wydychanego powietrza. Para ta jest następnie porywana przez powietrze z respiratora w czasie wdechu. Sztuczne nosy są jednorazowe, łatwo się je wymienia, nie wymagają tyle pracy, co nagrzewacze i nawilżacze, które trzeba sterylizować, są też od nich tańsze.
Kieruje Pani projektem, którego celem jest skonstruowanie respiratora pozwalającego na osobną obsługę płuc?
Pracujemy nad rodzajem przystawki, która byłaby wmontowana pomiędzy respiratorem a pacjentem i pozwalała na dostarczenie w sposób kontrolowany mieszanki oddechowej do każdego płuca oddzielnie, w zależności od potrzeby. Czasami choroba czy wypadek wyłączają jedno płuco albo ograniczają jego pracę. Ale i płuca zdrowe z natury nie są symetryczne. Mamy 2 lewe płaty i 3 prawe płaty, co oznacza, że lewe płuco ma trochę inną objętość niż prawe.
Koncepcja przystawki powstała wiele lat temu w Instytucie Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza PAN, rozwija ją prof. Marek Darowski z zespołem. Nasz projekt ma za zadanie stworzenie nowszej wersji urządzenia, które umożliwi m.in. pewniejsze kontrolowanie dwóch strumieni powietrza podawanych jeden do prawego, drugi do lewego płuca.
Chcemy z tym związać jeszcze temat podawania leków inhalacyjnych. Płuca wydają się bardzo atrakcyjnym miejscem do aplikowania leków, przede wszystkim z powodu ich dużej powierzchni i cienkiej bariery, jaka jest w pęcherzykach między powietrzem a krwią. Teoretycznie przenikanie do krwiobiegu powinno być dzięki temu szybkie i łatwe. Dodatkowo, ten sposób pozwoliłby na uniknięcie metabolizowania leków przez wątrobę, jak to się dzieje przy podawaniu doustnym. Współpracujemy w tym aspekcie z kolegami z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej, którzy mają już wieloletnie i unikatowe w Polsce doświadczenie w kwestii badania i opracowywania nowych skutecznych technik podawania leków inhalacyjnych.
W opisie projektu pojawia się też pandemiczny – choć projekt pochodzi sprzed pandemii – pomysł jednoczesnej wentylacji jednym respiratorem dwóch pacjentów.
Miałaby to być nowsza wersja aparatu Ventil opracowanego w IBIBI PAN w kwietniu tego roku.
Jak najbardziej można wentylować dwóch pacjentów, używając jednego respiratora, ma to jednak pewne ograniczenia. Pacjenci nie mogą mieć własnej aktywności oddechowej, ponieważ mogliby sobie wzajemnie przeszkadzać.
Wprowadzenie urządzenia medycznego na rynek wymaga szeregu badań, testów na modelach zwierzęcych, potem na ludziach. Są to czasochłonne procedury. Ale konieczne. Trzeba dobrze zanalizować wyniki, które się otrzymuje, nie można mieć wątpliwości dotyczących bezpieczeństwa.
Rozmawiała Ewa Stanek-Misiąg
Dr inż. Katarzyna Kramek-Romanowska pracuje w Instytucie Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN, kieruje projektem UMO-LIDER/19/0107/L-8/16/NCBR/2017, System do niezależnej wentylacji płuc z funkcją podawania leków inhalacyjnych. Projekt jest finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu LIDER.
