Electronic computer-based model of combined ventilation using a new medical device

Abstract

Introducción: La mayor demanda de ventilación mecánica provocada por la pandemia de COVID-19 podría generar una situación crítica en la que los pacientes podrían perder el acceso a ventiladores mecánicos. La ventilación combinada, en la que dos pacientes son ventilados simultáneamente, pero de forma independiente con un solo ventilador se ha propuesto como un puente para salvar vidas mientras se espera la disponibilidad de nuevos ventiladores. Han surgido nuevos dispositivos para facilitar esta tarea y permitir la individualización de los parámetros ventilatorios en la ventilación combinada. En este trabajo realizamos simulaciones eléctricas por computadora de ventilación combinada. Presentamos un modelo eléctrico de un dispositivo mecánico propuesto que está diseñado para individualizar los parámetros ventilatorios y lo probamos en diferentes circunstancias. Métodos: Con un programa simulador de circuitos electrónicos, se creó un modelo eléctrico de ventilación combinada utilizando circuitos resistor-capacitor. Se añadió al modelo eléctrico un dispositivo que es capaz de individualizar los parámetros ventilatorios de dos pacientes conectados a un mismo ventilador. Mediante simulación computacional, el modelo se prueba en diferentes escenarios con el objetivo de lograr una ventilación adecuada de dos sujetos en diferentes circunstancias: 1) dos sujetos idénticos; 2) dos sujetos con el mismo tamaño, pero diferente distensibilidad pulmonar; y 3) dos sujetos con diferentes tamaños y distensibilidad. El objetivo es lograr la carga establecida por unidad de tamaño en cada capacitor bajo diferentes niveles de voltaje al final de la espiración (como un análogo a la presión al final de la espiración). Los datos recopilados incluyeron la carga del capacitor, el voltaje y la carga normalizada al peso del paciente simulado. Resultados: Las simulaciones muestran que es posible proporcionar la carga adecuada a cada capacitor en diferentes circunstancias utilizando una matriz de componentes eléctricos como equivalente a al dispositivo mecánico propuesto para la ventilación combinada. Si el par de capacitores conectados tienen diferentes capacitancias, se deben realizar ajustes en el voltaje de la fuente y/o la resistencia del dispositivo para proporcionar la carga adecuada para cada capacitor. En la simulación de presión control, aumentar el voltaje al final de la espiración en un capacitor requiere aumentar el voltaje de la fuente y la resistencia del dispositivo asociado con el otro paciente simulado. Por otro lado, en la simulación de volumen control, solo se requiere intervenir en la resistencia del dispositivo. Conclusiones: Bajo las condiciones simuladas, este modelo eléctrico permite la individualización de la ventilación mecánica combinada.

Introduction: The increased demand for mechanical ventilation caused by the COVID-19 pandemic could generate a critical situation where patients may lose access to mechanical ventilators. Combined ventilation, in which two patients are ventilated simultaneously but independently with a single ventilator has been proposed as a life-saving bridge while waiting for new ventilators availability. New devices have emerged to facilitate this task and allow individualization of ventilatory parameters in combined ventilation. In this work we run computer-based electrical simulations of combined ventilation. We introduce an electrical model of a proposed mechanical device which is designed to individualize ventilatory parameters, and tested it under different circumstances. Materials and Methods: With an electronic circuit simulator applet, an electrical model of combined ventilation is created using resistor-capacitor circuits. A device is added to the electrical model which is capable of individualizing the ventilatory parameters of two patients connected to the same ventilator. Through computational simulation, the model is tested in different scenarios with the aim of achieving adequate ventilation of two subjects under different circumstances: 1) two identical subjects; 2) two subjects with the same size but different lung compliance; and 3) two subjects with different sizes and compliances. The goal is to achieve the established charge per unit of size on each capacitor under different levels of end-expiratory voltage (as an end-expiratory pressure analog). Data collected included capacitor charge, voltage, and charge normalized to the weight of the simulated patient. Results: Simulations show that it is possible to provide the proper charge to each capacitor under different circumstances using an array of electrical components as equivalents to a proposed mechanical device for combined ventilation. If the pair of connected capacitors have different capacitances, adjustments must be made to the source voltage and/or the resistance of the device to provide the appropriate charge for each capacitor under initial conditions. In pressure control simulation, increasing the end-expiratory voltage on one capacitor requires increasing the source voltage and the device resistance associated with the other simulated patient. On the other hand, in the volume control simulation, it is only required to intervene in the device resistance. Conclusions: Under simulated conditions, this electrical model allows individualization of combined mechanical ventilation.