COVID-19: Silniki liniowe jako sztuczne płuca do testowania masek

Maska medyczna może zapobiec rozprzestrzenianie się wirusa COVID-19. Dodatkowo proste kroki znacząco zwiększają jej skuteczność ochronną

Badacze biofluidów testują skuteczność ochronną masek

Maska medyczna może zapobiec rozprzestrzenianie się wirusa COVID-19. Dodatkowo proste kroki znacząco zwiększają jej skuteczność ochronną. Zostało to potwierdzone w systematycznych i badaniach przeprowadzonych przez uczelnię OTH Regensburg, podczas których zastosowano symulator płuc z silnikami liniowymi LinMot. Silniki te pomogły naukowcom przygotować oraz rozpocząć testy w przeciągu zaledwie kilku dni.

W laboratorium profesora Larsa Krenkela, okazało się, że wiązka lasera w kształcie wachlarza sprawia, że dym wydostający się spod maseczki jest wyraźnie widoczny. Dym składa się z cząsteczek od 200 nm do 2 µm, zatem jest odpowiedni do modelowania aerozoli wydychanych przez ludzi. Testy na manekinie wykazały, że najwięcej dymu wydobywa się z okolic nad policzkiem i sąsiadującej bruzdy nosowo-wargowej. Pokazuje, to że personel medyczny taki jak ratownicy medyczni czy anestezjolodzy, którzy spędzają dużo czasu blisko głów chorych pacjentów, są narażeni na infekcję, nawet jeśli pacjenci noszą maskę. „Maski zasadniczo nie są w stanie zapewnić 100% ochrony, choćby ze względu na nieprawidłowe ich użycie. Niemniej jednak, byłoby błędem powiedzieć, że nie zapewniają absolutnie żadnej ochrony.” mówi profesor Krekel, kierownik działu dydaktyki i badań z dziedziny Mechaniki Biofluidu w Wydziale Mechanicznym OTH Regensburg. Proste działania optymalizacyjne masek medycznych mogą zatrzymać do 85% aerozolu oraz około 95% kropelek, znacznie zwiększając ich skuteczność ochronną.”    

Zanieczyszczone aerozole potencjalnie bardziej niebezpieczne

Podczas badania ścieżki infekcji, epidemiolodzy dokładnie obserwowali aerozole, które są respirabilne i z powodu konwekcji mogą pozostać w powietrzu przez długi czas.  Zawierają one cząsteczki w zakresie od 100 nm do 5 µm. Przenikają do oskrzeli i jeśli przenoszą wirusa, mogą spowodować infekcję płuc. Cząsteczki w przedziale od 5 do 10 µm, nie przenikają dalej niż do głośni. Większe kropelki, aż do około 100 µm, zatrzymują się w nosie lub gardle, więc zazwyczaj powodują tylko łagodne choroby. Ponadto podlegają prawom balistyki i nie mogą utrzymać się w powietrzu na dalekie odległości (tylko 1,5 m). Szacuje się, że niebezpieczeństwo stwarzane przez zanieczyszczone kropelki jest niskie i łatwiejsze do opanowania. W normalnych warunkach, cząsteczek powyżej 100 µm nie można w ogóle wdychać. W celu zabezpieczenia wszystkich istotnych ścieżek transmisji cząsteczek, zespół profesor Krenkela, w najbardziej rzeczywistych warunkach, bada mechanizm propagacji zarówno aerozoli jak i kropelek. „Nasi badacze, we współpracy z Uniwersyteckim centrum medycznym Hamburg Eppendorf i Regensburg, są skupieni na badaniu funkcji ochronnych masek, w różnych warunkach granicznych oraz na określaniu i oszacowaniu optymalizacji działań.”

Silniki liniowe pomagają pracownikom naukowym

Od czasu otwarcia w 2014 laboratorium biomedycznych i biologicznych testów przepływu,  zespół Profesora Krekela zdobył szerokie doświadczenie przy tworzeniu zestawów testowych do eksperymentalnych i numerycznych testów przepływu w systemach biologicznych, medycznych i biologicznych. Naukowcy naśladowali i przeanalizowali procesy, które zachodzą w ludzkim krwiobiegu oraz w drogach oddechowych. Do badania procesów zachodzących w drogach oddechowych, potrzebowali „pasywnych płuc” mogących symulować zmiany ciśnienia i objętości ludzkiego narządu oddechowego. Ze względu na podatność tkanki płucnej, pętla ciśnienie-objętość nie jest liniowa, ale bardziej o kształcie S (sigmoidalnym) oraz jest inna dla wdechu i wydechu. Oznacza to, że pompa i podobne aparatury nie będą jej dobrze odzwierciedlać. Ta sama sytuacja dotyczy symulacji serca. Także w tym przypadku proste systemy wkrótce napotkają ograniczenia. Przykładowo, mimośrodkowe pompy napędzane przez silniki krokowe, mogą symulować tylko liniowe zależności, dając naukowcom niewielką elastyczność. „Potrzebowaliśmy, czegoś co można szybko, ale precyzyjnie kontrolować”, mówi profesor Krekel, podsumowując wymagania dotyczące pożądanego rozwiązania.

Wszechstronny system pompa-motor

W rezultacie naukowcy zdecydowali się na dwa egzemplarze silników liniowych LinMot – PS01- 48x240F-C z klasą ochronną IP67, do napędzania tłoków pompy liniowej. Układ zaworów zapewnia regulację ciśnienia oraz wprowadzenie środków (powietrza, substytutu krwi) do każdego cylindra. Silniki liniowe są zasilane przez sterownik oraz monitorowane i koordynowane przez, często używany w maszynach, przemysłowy zespół sterujący. Silniki liniowe zapewniają pracownikom naukowym dużą elastyczność. System testowy może w sposób realistyczny oraz odtwarzalny symulować nieustannie pulsujące zachowanie ciśnienie-objętość zdrowego i chorego serca. Naukowcy zastosowali ten sam system do symulacji pasywnych płuc, który jest w stanie odtworzyć konsekwencje zmian spowodowanych przez chorobę. Obejmuje to rozmieszczenie powietrza między płatami płuc.

Szybsze wstępne wyniki testów

Elastyczność systemu pomogła naukowcom, w czasie gdy pandemia COVID-19 wymagała szybkich odpowiedzi na ważne pytanie – jak dobrze maseczka medyczna chroni personel szpitala. Na początku marca, szpitale zwróciły się z tym pytaniem do zespołu profesora Krekel’a, który w przeciągu kilku dni opracował właściwą konfigurację badania. Znowu silniki liniowe odegrały ważną rolę. Są one trzonem sztucznego układu oddechowego i regulacji przepływu powietrza. Z programowalnymi wartościami przyśpieszenia, prędkości jazdy i skoku, badacze z łatwością mogli wdrożyć różne przypadki oddychania, takie jak normalne oddychanie, kaszel i niedotlenienie. Użyli do tego narzędzia konfiguracyjnego LinMot Talk, tworzącego liczne profile ruchu. Za pomocą interfejsu użytkownika danego sterownika przemysłowego, naukowcy mogą zapisać te profile oraz przywołać je w dowolnej kolejności bezpośrednio z aplikacji, nawet wtedy gdy program jest uruchomiony. Podczas tworzenia profili, naukowcom pomógł fakt, że zależność pomiędzy skokiem, a objętością jest proporcjonalna do kombinacji silnika liniowego i pompy liniowej tak, że krzywe pokazujące wolumen w czasie były łatwe do wdrożenia.

 Automatyzacja testów przy pomocy elementów przemysłowych

Okazało się również, że możemy połączyć silniki szwajcarskiego producenta z bardzo uniwersalnymi i wysoce zaawansowanymi systemami sterowników Beckhoff  lub B&R. Firmy te oferują także szeroki wybór różnych modułów I/O oraz interfejsu,” wyjaśnił profesor Krenkel. „Możemy całkowicie zautomatyzować cały przebieg testów, synchronizować system , tym samym gwarantując wysoką powtarzalność.” Przykładowo, generator aerozolu i zawór regulujący dopływ do pompy liniowej są podłączone do wyjścia 24 V, tak aby cząsteczki mogły być pobierane przez tłok pompy w odpowiednim czasie.

Podsumowanie

Dane zbierane od połowy maja pokazują, że maski medyczne mogą zatrzymać 65% do 75% aerozoli  na poziomie podstawowym, w zależności od konstrukcji. Na poziomie dodatkowym, w dużej mierze skuteczność filtra zależy od tego jak dobrze maska jest dopasowana oraz od budowy fizycznej człowieka noszącego maskę,” mówi profesor Krenkel, podsumowując wyniki serii testów przeprowadzonych w przeciągu 6 tygodni. „Używając prostych kroków, takich jak przymocowanie maski po bokach za pomocą taśmy, 85% aerozoli może być zatrzymanych, a ucieczce nieprzefiltrowanego powietrza można całkowicie zapobiec.” Fakt, że wstępne i odtwarzalne wyniki testów były dostępne dla badaczy w przeciągu kilku dni, częściowo wynikało z zastosowania układu silnika liniowego LinMot. Może być stosowany w wielu obszarach mechaniki biofluidu, redukując czas i trud niezbędny do stworzenia złożonych wariantów testowych. W związku z tym profesor Krenkel zamierza częściej stosować układ silnika liniowego w kolejnych projektach badawczych.

Obserwuj nas na:

Facebooku – www.facebook.com/multiprojekt

LinkedIn – www.linkedin.com/company/multiprojekt

Instagramie – www.instagram.com/multiprojekt.pl