La lucha contra la COVID-19, ventilador a ventilador

En respuesta a la pandemia de la COVID-19, el proyecto del ventilador Winnipeg tuvo que tomar algunas decisiones críticas en el diseño y en la selección de componentes, especialmente para el motor utilizado en la bomba mecánica.

Ante al aumento de los casos de COVID-19 en todo el mundo, el gobierno de Canadá comenzó a preocuparse por el número de ventiladores que tenía disponibles y que serían insuficientes si se vieran desbordados por los casos hospitalarios. A pesar de que la Organización Mundial de la Salud (OMS) indica que casi el ochenta por ciento de las personas que se contagian del virus mejoran solos, una vez que un paciente ingresa en el hospital, las probabilidades de que necesite un respirador se incrementan considerablemente. Esencialmente, un ventilador requiere el entubado del paciente (se inserta un tubo más allá de las cuerdas vocales hasta las vías respiratorias y se sella para asegurar el flujo correcto), que permite que una bomba introduzca y extraiga aire de los pulmones, como sucede en la respiración normal, hasta que el paciente se recupere. Ante la necesidad mundial, los países se apresuraron a intentar equiparar el número de pacientes que necesitaban un ventilador con el número de ventiladores disponibles.

El Winnipeg Ventilator 2.0 (diseñado y fabricado por StarFish Medical) es un ventilador mecánico para su uso en situaciones de emergencia, para complementar la disponibilidad de los ventiladores actualmente aprobados y comercializados, si se produce un aumento de los casos que supere la capacidad normal. El ventilador debía ser muy flexible para satisfacer las diferentes necesidades de los pacientes en distintos momentos. Los pulmones, por ejemplo, pueden ser muy rígidos o no serlo en absoluto, y los requisitos en estas condiciones pueden variar considerablemente. Un ventilador también debe ser lo suficientemente versátil para proporcionar una variedad de modos y concentraciones de oxígeno en función de la respuesta del paciente a los tratamientos.

El ventilador Winnipeg es un sistema montado en un carro y controlado digitalmente mediante el uso de un firmware integrado y una interfaz de usuario formada por varios botones, ruedecillas e interruptores. Los parámetros medidos se muestran al usuario en las pantallas analógicas y digitales, lo que permite realizar un ajuste preciso según las necesidades de cada paciente. El dispositivo monitoriza el volumen de corriente inspiratorio, la presión en las vías respiratorias, la concentración de O2 y la frecuencia respiratoria. También incluye un número de alarmas pensadas para detectar la caída de los valores de medición por debajo de los parámetros admisibles. La duración de uso prevista por paciente es de hasta catorce días de ventilación continua.

Algunas características clave del Winnipeg Ventilator 2.0 incluyen la compatibilidad con fuentes de suministro de oxígeno tanto de pared como de botella, el uso de aire ambiente, en lugar de requerir un suministro de aire, y una interfaz intuitiva y fácil de usar. Los usuarios necesitaban tener acceso a todos los parámetros y ajustes sin complicados requisitos de configuración. Cada una de las unidades dispone de un sistema integrado de alimentación de reserva por batería y es fácil de maniobrar y transportar.

Era fundamental que StarFish Medical pudiera obtener el volumen de componentes —incluidos los motores— necesario para producir el gran número de unidades requeridas.

Selección del motor

StarFish Medical ya había utilizado motores maxon para una serie de proyectos, que resultaron ser altamente eficientes y, lo que es mucho más importante, fiables. Los motores se suministraron con una gran cantidad de prácticos datos técnicos en cada modelo, lo que normalmente permite reducir las opciones a unas pocas posibilidades. Sin embargo, el proyecto fue avanzando tan rápidamente que el equipo de StarFish Medical se vio obligado a decidirse en un principio por un motor antes de determinar los requisitos exactos del proyecto. El objetivo primario en ese momento era encontrar un motor que estuviera fácilmente disponible y que ofreciera un rango de prestaciones adecuado para garantizar el éxito.

La asistencia técnica de maxon, en colaboración con el equipo de diseño de StarFish Medical, propuso un motor brushless sin reductor, el cual se eligió de acuerdo con los requisitos de la aplicación y la disponibilidad para suministrar el motor en un breve plazo de entrega. Corea del Sur garantizó la capacidad de producción de StarFish Medical para cumplir el plan inicial de demanda. 

La adaptación del diseño original para utilizar un motor DC brushless añadió algunos desafíos interesantes al proceso de diseño. Por suerte, el equipo de StarFish Medical ya tenía experiencia en la realización de este tipo de ajustes y fue capaz de adaptar los planos de diseño ya existentes para incorporar el cambio con rapidez y sencillez. En contrapartida a las capacidades de diseño, StarFish Medical encontró que el motor eléctrico de maxon era fácil de usar. StarFish Medical desarrolló software y hardware personalizados para aprovechar al máximo el motor seleccionado, en lugar de usar una opción de serie estandarizada.

Tras evaluar cuidadosamente el diseño, StarFish Medical se decidió a usar motores EC-i 52 de maxon para el proyecto del ventilador Winnipeg.

Requisitos del motor del ventilador y funcionamiento

El motor acciona un actuador de husillo de bolas, el cual controla la posición del émbolo para proporcionar al paciente «respiraciones» desde el ventilador. El equipo StarFish Medical eligió un motor de 200 W, lo que les dejaba un cierto margen de maniobra para introducir variaciones del par y la velocidad. Los requisitos incluían una velocidad máxima de 215 mm/s, una aceleración máxima de 7,2 m/s², una rampa de aceleración/deceleración a la velocidad máxima de 0,05 s y un número de ciclos de 1,5 a 15 millones. Uno de los requisitos flexibles para el funcionamiento era que el sistema pudiera cambiar rápidamente de una carrera de inhalación a una de exhalación si el ventilador detectaba que el cliente tenía dificultades respiratorias.

StarFish Medical hizo un primer pedido de 7500 motores EC-i52 con sensores ENX de efecto Hall (en la imagen). Gracias al anillo magnético optimizado, estos motores ofrecen una densidad de par muy alta y un bajo par de arranque. El rotor interno multipolo es extremadamente dinámico. En conjunto, el diseño robusto del motor, cuyas bridas y carcasa son de acero, hacen que sea adecuado para un amplio rango de aplicaciones en las que se requieren un buen rendimiento y largos ciclos de funcionamiento.

A veces, la elección del motor correcto para el diseño puede dar un giro brusco si la disponibilidad se convierte en un factor fundamental. La colaboración con un socio que tenga la experiencia y los conocimientos del sector industrial en cuestión y que se muestre receptivo a las necesidades de entrega es un aspecto clave a la hora de tomar una decisión para satisfacer los requisitos. En el caso del ventilador Winnipeg, maxon fue capaz de utilizar su experiencia y conocimientos, adquiridos durante muchos años de trabajo con empresas médicas, para ayudar con sugerencias que permitieran elegir el producto adecuado para las urgentes necesidades de StarFish Medical.