Laboratorio del Prof. Dr. Ing. Lars Krenkel

COVID-19: Motores lineales utilizados como pulmones artificiales durante las pruebas sobre la eficacia de las mascarillas

Las investigaciones sobre la eficacia protectora de las mascarillas quirúrgicas que comenzó en el laboratorio del Prof. Dr.-Ing. Lars Krenkel en el 2014, y que hoy día han sido conclusivas para demostrar su eficacia utilizan dos motores lineales LinMot para simular los flujos respiratorios y circulatorios del corazón y los pulmones en un maniquí.
Laboratorio del Prof. Dr. Ing. Lars Krenkel
Investigadores de biofluidos prueban la eficacia protectora de las mascarillas

 

Está probado que las mascarillas quirúrgicas pueden ayudar a reducir la propagación del virus COVID-19. La OTH Regensburg ha confirmado en investigaciones sistemáticas y reproducibles que las medidas adicionales en investigaciones aumentan significativamente su eficacia protectora, de forma que mediante un simulador de pulmón accionado por motores lineales, ayudaron a configurar y ejecutar pruebas en solo días.

Revelado a la luz

 

En el laboratorio del Profesor Doctor en Ingeniería Lars Krenkel, el láser en forma de abanico hace visible claramente el humo que se escapa por debajo de los bordes de una mascarilla. Este consiste en partículas que oscilan entre 200 nm y 2 μm y, por lo tanto, es adecuado para modelar los aerosoles exhalados por las personas. El maniquí muestra como la mayor cantidad de humo se escapa de las áreas por encima de las mejillas y adyacentes a los pliegues naso labiales. Esto deja en claro, que el personal médico, como los paramédicos o anestesistas, quienes pasan mucho tiempo encima o muy cerca de la cabeza de un paciente enfermo, están expuestos a un riesgo de infección incluso si el paciente usa este tipo de máscara.

 

Las mascarillas son fundamentalmente incapaces de brindar una protección al 100%, aunque solo sea por la posibilidad de usarlas incorrectamente. Sin embargo, sería incorrecto decir que no ofrecen protección alguna”, dice el profesor Krekel, jefe de enseñanza e investigación para el campo de la Mecánica de Biofluidos en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la OTH Regensburg. “Las simples medidas de optimización para las mascarillas quirúrgicas nasales y bucales pueden proporcionar hasta un 85% de retención con respecto a los aerosoles y alrededor del 95% para las gotas, lo que aumenta sustancialmente su eficacia protectora“.

 

Imagen respirando aire con mascarilla
Imagen respirando aire con mascarilla
Imagen respirando aire sin mascarilla
Imagen respirando aire sin mascarilla

Aerosoles contaminados potencialmente más peligrosos

 

Durante la investigación del origen de la infección, los epidemiólogos se dedicaron a observar el comportamiento de los aerosoles de cerca, y concluyeron que estos son respirables y pueden permanecer en el aire durante mucho tiempo debido a la convección.

 

Los aerosoles incluyen partículas en la escala de aproximadamente 100 nm a 5 µm. Estos penetran hasta los bronquios y, si son portadores de un virus, pueden provocar infecciones pulmonares. Las partículas en el rango de 5 a 10 μm, por el contrario, no penetran más allá de la glotis. Las gotas más grandes, de hasta aproximadamente 100 μm, se capturan en la nariz o la garganta, por lo que generalmente solo causan una enfermedad leve. Están sujetos a las leyes de balística y no pueden permanecer en el aire a grandes distancias (solo alrededor de 1,5 m). Además, se estima que el riesgo que representan las gotitas contaminadas es bajo en general y más fácil de manejar.

 

Las partículas de tamaño superior a 100 μm no se pueden inhalar en absoluto en circunstancias normales. Para cubrir todas las rutas de transmisión relevantes para las partículas, el equipo del Profesor Krenkel está investigando los mecanismos de propagación de aerosoles y gotas en las condiciones más realistas posibles. “Nuestra investigación, en cooperación con las clínicas universitarias en Hamburgo Eppendorf y Regensburg, se centra en investigar la función protectora de las máscaras en diversas condiciones de contorno, y en identificar y cuantificar las medidas de optimización de estas“.

Los motores lineales LinMot de gran ayuda para los investigadores

 

Desde que se inauguró el laboratorio de pruebas de flujo biomédicas y biológicas en 2014, el equipo del profesor Krekel ha adquirido una amplia experiencia en la creación de dispositivos de ensayo para pruebas de flujo experimentales y numéricas en sistemas biológicos, médicos y técnicos. De modo que los investigadores han emulado y analizado procesos en el torrente sanguíneo y las vías respiratorias humanas. Sin embargo, para investigar los procesos de las vías respiratorias, los investigadores necesitaban un “pulmón pasivo” que pudiera simular el comportamiento de presión y volumen del órgano respiratorio humano. Debido a la distensibilidad del tejido pulmonar, la curva presión-volumen no es lineal, sino en forma de S (sigmoidea), y además es diferente para la inhalación que para la exhalación. Esto significaba que un recipiente de aire o un aparato similar no funcionaría para este propósito.

Los motores lineales LinMot de gran ayuda para para investigar la eficacia protectora de las mascarillas
Los motores lineales LinMot de gran ayuda para investigar la eficacia protectora de las mascarillas en la lucha contra la propagación del virus COVID-19. (Foto: Rossmann)

La misma situación ocurría con el corazón, donde los sistemas simples siempre tienen limitaciones. Las bombas excéntricas impulsadas por motores paso a paso, por ejemplo, solo pueden simular dependencias lineales y dan a los investigadores poca flexibilidad. “Necesitábamos algo que se pueda controlar de forma rápida, pero precisa”, dice el profesor Krekel, resumiendo los requisitos para la solución deseada.

Sistema de motobomba universal

 

Los investigadores finalmente se decidieron por dos motores lineales LinMot, modelo PS01-48x240F-C, con clase de protección IP67, para accionar los pistones de un sistema de bomba lineal cilíndrica. Un sistema de válvulas proporciona regulación en la presión y la introducción de medios (aire, sustituto de sangre) en cada cilindro. Los motores lineales son suministrados con controladores LinMot, y además, son monitoreados y controlados por una unidad de control industrial, como por ejemplo, un autómata o PLC.

 

Los investigadores se benefician de la flexibilidad que proporcionan los motores lineales. El sistema de prueba puede simular de manera realista y fiel al comportamiento de presión-volumen de las pulsaciones continuas de un corazón sano, o también de uno enfermo.

 

Los investigadores utilizaron el mismo sistema para simular un pulmón pasivo que es capaz de reproducir las consecuencias de los cambios debidos a una enfermedad. Esto incluye la distribución de aire entre los lóbulos de los pulmones.


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Resultados de la prueba inicial más rápidos

 

La flexibilidad del sistema ayudó recientemente a los investigadores cuando la pandemia aguda de COVID-19 impulsó la búsqueda de respuestas rápidas a la pregunta urgente de qué tan bien pueden proteger al personal médico las mascarillas nasales y bucales.

 

A principios de marzo de 2020, los hospitales plantearon esta pregunta al equipo de investigación del profesor Krenkel, que desarrolló una configuración de prueba adecuada en unos pocos días. Los motores lineales volvieron a jugar un papel importante. Son el núcleo de un sistema respiratorio artificial y producen un flujo de aire variable.

dos motores lineales LinMot, modelo PS01-48x240F-C usados para la investigación
Flexibles y eficientes: los motores lineales de LinMot proporcionan la base para simular flujos respiratorios y circulatorios. (Foto: Rossmann)

Con parámetros programables para “aceleración”, “velocidad” y “carrera” (distancia del recorrido realizado), los investigadores pudieron implementar fácilmente varios escenarios de respiración, como la respiración normal, la tos y la hipoxia.

 

Utilizaron la herramienta de ingeniería y configuración LinMot Talk para crear varios perfiles de movimiento. Desde la interfaz de usuario del controlador industrial, los investigadores pueden guardar estos perfiles y llamarlos directamente desde el programa de control, en cualquier orden y, si es necesario, incluso mientras se ejecuta el programa. Al crear los perfiles, a los investigadores les ayudó el hecho de que la relación carrera-volumen es proporcional para la combinación de un motor lineal y una bomba lineal, por lo que las curvas que se encuentran con frecuencia en la literatura que muestran el volumen a lo largo del tiempo fueron fáciles de implementar.

Automatización de pruebas con componentes industriales

 

También nos pareció beneficioso poder combinar los motores LinMot con sistemas muy universales y muy avanzados, como los controladores Beckhoff o B&R. Estas empresas también ofrecen una amplia gama de diferentes módulos de interfaz y E/S”, explica el Prof. Krenkel. “Podemos automatizar completamente toda la ejecución de la prueba, sincronizar los sistemas y, por lo tanto, garantizar una alta reproducibilidad“. Por ejemplo, el generador de aerosoles y la válvula que controla la entrada a la bomba lineal están conectadas a un módulo de salidas de 24 V, de modo que las partículas pueden ser aspiradas por la bomba en el momento preciso.


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Resumen

 

A mediados de mayo de 2020, los datos muestran que las mascarillas médicas pueden retener entre un 65% y un 75% de los aerosoles en el nivel primario, según su diseño. A nivel auxiliar, la eficacia del filtro depende en gran medida de qué tan bien se ajusta la mascarilla y de la constitución física del usuario”, dice el profesor Krenkel, resumiendo los resultados de una serie de pruebas realizadas durante seis semanas. “Con medidas simples, como colocar la mascarilla con cinta adhesiva en los lados, se puede retener el 85% de los aerosoles y se puede evitar por completo el escape de aire sin filtrar por los lados“.

Prof. Dr.-Ing. Lars Krenkel, jefe de las áreas de enseñanza e investigación de Mecánica de Biofluidos en el departamento de Ingeniería Mecánica de la OTH Regensburg: “Como hemos podido demostrar con la ayuda de los motores lineales LinMot, simples medidas de optimización para mascarillas quirúrgicas de nariz y boca puede alcanzar una tasa de retención de hasta el 85% con respecto a los aerosoles y alrededor del 95% para las gotas, aumentando así sustancialmente la eficacia protectora”.

Imagen respirando aire sin mascarilla
Profesor Doctor en Ingeniería Lars Krenkel y su investigación para probar la eficacia protectora de las mascarillas

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