Can you or cannot put more than one patient on the same ventilator? Using traditional methods, it just isn’t possible.

This is a major limitation for intensive care units which have had to, very suddenly, deal with a large number of patients over recent months.

Giuseppe Baselli and his research group at the Politecnico di Milano (Francesco Casella, Simone Cinquemani, Gianfranco Beniamino Fiore, Roberto Viganò), together with a team from IRCCS Ca’ Granda Ospedale Maggiore Policlinico, are designing a multi-patient ventilator which will be able to provide assisted ventilation for up to 10 patients at the same time.

The heart of the MEV is an inherently safe supply of an oxygen gas mixture at peak inspiratory pressure (Ppeak), which prevents mechanical damage to the ventilator. Controlled pressure ventilation is provided equally to all patients receiving assisted ventilation which, in the current design, can be up to 10. The mechanical system consists of a bell jar system (BJS) with water seal and a pressure blower system (PBS). The inverted stainless steel bell, with a diameter of 50 cm and a height of 60/70 cm, is inserted into a cylinder (which can be glass or Plexiglas) filled with water. Oxygen is contained in the bell, which in turn is connected to intubated patients by means of simple steel tubes, such as the classic tubes used for gas delivery. These tubes can be assembled in one hour and are modular, allowing them to be adapted to different environments, such as triage, field hospitals, tents and traditional hospitals.

There are no seals or lubricants, thereby avoiding a combustion hazard resulting from these materials coming into contact with oxygen. It is the water which, according to Archimedes’ principle, maintains the pressure inside the bell and allows excess gas to be released; if the pressure becomes too high, it would exit the bell and be discharged through the water. “The volumes of air involved in pulmonary ventilation are very small compared to volumes required by any industrial system and this circumvents the problem of not being able to connect several patients to a single ventilator. The idea is to centralize the drop in pressure from 2/3 atmospheres to that required for ventilation, the equivalent of 1/100, and bring oxygen to patients by means of steel tubes. This system is inherently safe, because the sensitive part of ventilation, maintaining control, concerns transpulmonary pressure; pressure that is higher than necessary produces what is called barotrauma, which can create irreversible injury”.

At the moment, in order to intubate multiple patients in parallel, it is necessary to limit intubation to patients who require the same peak respiratory pressure; clinical studies are underway which, according to the simulations, will be able to demonstrate that this is not a major limitation. MEV is therefore a highly flexible therapeutic support able to perform the entire controlled ventilation cycle, from intubation to weaning, for a high number of patients. The design includes an electronic module able to control each patient individually; it will contain sensors which are capable of monitoring the entire respiratory cycle (inspiratory flow rate, inspiratory pressure and expiratory pressure) and the threshold levels that indicate the transition from the inspiratory to the expiratory phase in assisted ventilation. These sensors can be easily integrated into existing monitors to oversee all patient parameters (saturation, ECG, etc.) by simply integrating the controls with the ventilator valves. In this way, any monitor from the ICU or pre-ICU can be adapted to the ventilation control.

The only made-to-measure part’ in the MEV design is the bell. All mechanical parts can be stored for an indefinite period of time and sterilized for immediate use when needed, unlike traditional ventilators which, if stored for too long, require maintenance before use which can take up to one month; especially in times of a large-scale emergency, such as the one that occurred in Italy in March, MEV could prevent the bottleneck in maintenance companies and provide emergency intubation for a large number of patients simultaneously.

Estimates indicate that the mechanical component of the MEV would cost approximately 2,000 to 3,000 euros (with the capacity to ventilate up to 10 patients at the same time), while traditional ventilators (one per patient) can cost between 10 and 40,000 euros.

This would allow intensive and pre-intensive treatment with very large reserve volumes and, in the simulations performed up to now, would not present any problems in treating multiple patients. It could therefore represent an emergency back-up solution with regards to the need for a complete ventilator, especially for patients who are not yet in intensive care, such as those in triage.

All the material related to the project is available on the website of the Department of Electronics, Information and Bioengineering, and can be consulted by those who wish to use it for both industrialization and production, as well for use in emergency situations. Click on this link to consult the documentation.

SMEs in Lombardy were contacted to begin production of the prototype, for both the mechanical component and the implementation of the electronic control unit.

The project is currently being prepared for publication.

Watch the Digital Talks – 18 June 2020

VERSIONE ITALIANA

Si può o non si può attaccare tanti pazienti allo stesso respiratore? Con i metodi tradizionali non è possibile.
Questo è un grosso limite per le terapie intensive, che hanno dovuto far fronte, in questi mesi, a un alto numero di pazienti in modo del tutto improvviso.

Giuseppe Baselli con un gruppo di ricerca del Dipartimenti di Meccanica e del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano (Francesco Casella, Simone Cinquemani, Gianfranco Beniamino Fiore, Roberto Viganò), insieme a un team del IRCCS Ca’ Granda Ospedale Maggiore Policlinico guidato dal prof. Alberto Zanella, stanno progettando un ventilatore multiplo, che sarebbe in grado di provvedere alla ventilazione assistita di fino a 10 pazienti contemporaneamente.

Il cuore di MEV è una fonte di una miscela di ossigeno a pressione inspiratoria massima intrinsecamente sicura (Ppeak), per prevenire il danno da ventilatore meccanico. La ventilazione a pressione controllata è fornita in modo uguale a tutti i pazienti assistiti, che nel progetto attuale possono essere fino a 10. Il sistema meccanico è composto da un sistema a campana di pressione (BJS) con tenuta ad acqua e un sistema a soffiatore di pressione (PBS). La campana rovesciata, in acciaio inox, del diametro di 50 cm e con una altezza si 60/70 cm, è inserita all’interno di un cilindro (che potrebbe essere di vetro o di plexiglas) pieno d’acqua. L’ossigeno è contenuto nella campana, collegata ai pazienti intubati da semplici tubi di acciaio, come quelli classici utilizzati per l’erogazione del gas, montabili in un’ora e modulari per poter essere adattati a diversi ambienti, come triage, ospedali da campo, tendoni, ospedali normali.

Non ci sono guarnizione né lubrificanti, il che evita problemi di combustione dovuti al contatto di questi materiali con l’ossigeno. È l’acqua che, per il principio di Archimede, mantiene la pressione all’interno della campana e lascia fuoriuscire l’eccesso di gas: nel caso in cui la pressione diventasse troppo alta, esso uscirebbe dalla campana verrebbe espulso attraverso l’acqua. “I volumi d’aria che si trattano per la ventilazione polmonare sono molto piccoli rispetto a quelli che si trattano in qualsiasi impianto industriale e questo aggira il problema di non poter collegare più pazienti a un unico respiratore. L’idea è centralizzare la caduta di pressione da 2/3 atmosfere a quella che è necessaria per la ventilazione, che equivale a un centesimo di questa, e portare l’ossigeno ai pazienti con tubi di acciaio. Questo sistema è intrinsecamente sicuro, perché la parte delicata della ventilazione, quella di tenere sotto controllo, riguarda le pressioni polmonari: una pressione più alta del necessario produce quello che si chiama barotrauma, che può creare lesioni irreversibili.”

Al momento, per intubare tanti pazienti in parallelo, è necessario limitarsi a pazienti che richiedano la medesima pressione di picco respiratorio; sono in corso studi clinici che, secondo quanto previsto dalle simulazioni, riusciranno a dimostrare che questo non è un grosso limite. MEV si configura quindi come un supporto terapeutico molto flessibile e in grado di seguire tutto ciclo da ventilazione controllato, dall’intubazione allo svezzamento, per un alto numero di pazienti. Nel progetto è previsto un modulo elettronico in grado di controllare ogni paziente individualmente: dovrà contenere sensori in grado di monitorare tutto il ciclo respiratorio (portata inspiratoria, pressione inspiratoria, portata espiratoria e pressione espiratoria) e i livelli di soglia che indicano il passaggio dalla fase inspiratoria a quella espiratoria nella ventilazione assistita. Questi sensori possono essere facilmente integrati nei monitor già in uso per monitorare tutti i parametri del paziente (saturazione, ECG ecc.), inserendo semplicemente i comandi alle valvole di ventilazione. In questo modo, qualsiasi monitor da ICU o pre-ICU può essere adattato al controllo della ventilazione.

L’unico “pezzo su misura” nel progetto del MEV è la campana. Tutte le parti meccaniche possono essere conservate in magazzino per un tempo indefinito e sanificate per essere usate subito nel momento del bisogno, al contrario dei ventilatori tradizionali che, se conservati troppo a lungo, prima dell’uso hanno bisogno di una manutenzione che può durare fino a un mese: specialmente in momenti di emergenza su larga scala, come quella occorsa in Italia nel mese di marzo, MEV potrebbe evitare il congestionamento delle aziende di manutenzione e provvedere all’intubazione di emergenza di un alto numero di pazienti contemporaneamente.

Le stime indicano che la parte meccanica del MEV avrebbe un costo nell’ordine di grandezza dei 2/3000 euro (con la capacità di ventilare contemporaneamente fino a 10 pazienti), mentre i ventilatori tradizionali (uno per paziente) possono costare tra i 10 e i 40.000 euro.

Questo permetterebbe di avere terapie intensive e pre-intensive con volumi di riserva molto ampi e, nelle simulazioni fatte finora, non presenterebbe alcun problema nel trattamento dei pazienti in batteria. Può quindi rappresentare una soluzione di emergenza, di back up rispetto alla necessità di un ventilatore completo, in particolare per pazienti che non sono ancora in terapia intensiva, per esempio in triage.

Tutto il materiale relativo al progetto è disponibile sul sito del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria, consultabile da quanti vorranno utilizzarlo sia per l’industrializzazione e produzione, sia per l’impiego in situazioni emergenziali. Potete consultarlo a questo link.

Sono state contattate PMI della Lombardia per avviare la produzione del prototipo, sia per quanto riguarda la parte meccanica sia per l’implementazione dell’elettronica di controllo.

Il progetto è in corso di pubblicazione.

Guarda il Digital Talks del 18 Giugno 2020

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