Ventilazione polmonare meccanica: dai CPAP ai ventilatori impiantabili

Durante la pandemia da SARS-CoV-2 il supporto respiratorio per i pazienti affetti da polmonite interstiziale da Coronavirus è stato sempre più necessario. La crisi sanitaria causata dalla pandemia ha evidenziato la mancanza di tecnologie innovative per la ventilazione meccanica.

Il supporto alla respirazione non è necessario solo per il trattamento di infezioni polmonari dovute da Coronavirus ma anche per pazienti con insufficienza respiratoria cronica. Ad esempio, i pazienti affetti da SLA o distrofia muscolare hanno bisogno di ventilazione meccanica permanente a causa di disfunzioni e paralisi del diaframma.

I dispositivi di ventilazione meccanica, come CPAP e BiPAP, e i ventilatori polmonari sono fondamentali come supporto alla ventilazione in pazienti con insufficienza respiratoria. Questi dispositivi possono essere meno o più invasivi e si utilizzano in casi differenti. Vediamo le differenze tra le tecnologie.

Obiettivi della ventilazione meccanica

La respirazione è un gesto naturale e involontario che permette di procurare ossigeno ed eliminare anidride carbonica. La respirazione si può riassumere in tre fasi: trasferimento dell’ossigeno nell’alveolo polmonare; trasporto di ossigeno ai tessuti; eliminazione dell’anidride carbonica. Se le fasi non avvengono correttamente si ha insufficienza respiratoria.

I pazienti con insufficienza respiratoria non riescono a respirare autonomamente poiché i polmoni non riescono a far entrare abbastanza ossigeno nel sangue. Se l’insufficienza respiratoria diventa cronica, si deve optare per la ventilazione meccanica permanente o in caso contrario sottoporsi a cure palliative.

La ventilazione meccanica ha il compito di assicurare uno scambio adeguato di O2 e CO2 riducendo lo sforzo del paziente, e può essere di due tipi:

• invasiva: un tubo viene inserito attraverso il naso o bocca del paziente tramite intubazione o direttamente nella trachea tramite tracheostomia;
• non invasiva: utilizzando una maschera facciale o un casco;

La ventilazione meccanica è indicata in terapia intensiva, nelle gravi insufficienze respiratorie che rischiano di compromettere le funzioni vitali del paziente; in anestesia durante interventi chirurgici o a domicilio in pazienti che non sono in grado di respirare autonomamente (come pazienti affetti da SLA).

CPAP e BiPAP: cosa sono e quando si utilizzano

La CPAP è una macchina a pressione continua positiva delle vie aeree, che utilizza l’alta pressione per spingere l’aria nelle vie aeree generalmente attraverso una maschera facciale così creando un flusso continuo di aria a pressione costante. Le BiPAP sono una versione più recente che può essere utilizzata sia in ospedale che a domicilio. Quest’ultime sono simili alle CPAP ma forniscono due tipi di pressione dell’aria durante la respirazione: spingono l’aria all’interno dei polmoni ma poi riducono la pressione per consentire l’espirazione dell’aria.

CPAP e BiPAP sono sistemi di ventilazione meccanica non invasive, che possono essere utilizzate sia a domicilio sia in terapia intensiva in caso di edema polmonare acuto cardiogeno e in altre forme di insufficienza respiratoria acuta.

A domicilio sono utilizzate dai pazienti affetti da OSAS durante la notte. L’OSAS (Sindrome delle apnee ostruttive del sonno) è un disturbo del sonno provocato dal restringersi delle vie aeree superiori che determina apnee (interruzioni del flusso d’aria) o ipopnee (riduzioni), seguite da micro-risvegli.

Ventilazione meccanica tramite ventilatori polmonari

I ventilatori polmonari si utilizzano per casi di insufficienza respiratoria più grave, quando il paziente non è in grado di respirare autonomamente. In queste situazioni il ventilatore garantisce una controllata quantità di ossigeno al paziente e l’eliminazione di anidride carbonica.

I ventilatori polmonari spingono l’aria dentro e fuori dai polmoni grazie a dei tubi che vengono inseriti dirattamente in bocca o in trachea. L’inserimento dei tubi nelle vie aeree è un’operazione abbastanza invasiva che richiede un intervento chirurgico.

Durante il Coronavirus molte aziende hanno investito sull’innovazione di ventilatori polmonari a causa dell’enorme richiesta sanitaria. Anche la Ferrari insieme all’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), ha sviluppato il ventilatore FI5, ideato per ottimizzare il consumo di ossigeno.

Rischi della ventilazione meccanica

La ventilazione meccanica comporta diversi rischi per i pazienti, come:

• infezioni associate al ventilatore che possono causare polmoniti;
• alterazioni emodinamiche: riduzione della gittata cardiaca. Questo porta a conseguenze a livello cardiovascolare;

La ventilazione meccanica invasiva comporta maggiori rischi, soprattutto se prolungata. In questi casi sarebbe utile una soluzione permanente che permetta di vivere tranquillamente senza limitare il paziente nelle attività quotidiane.

Una rivoluzione nella ventilazione assistita è data dai ventilatori polmonari impiantabili. Il team del MIT (Massachuttes Istitute of technology) ha appena testato un ventilatore polmonare impiantabile su maiali anestetizzati.

Il futuro sono i ventilatori polmonari impiantabili

Contrariamente ai ventilatori tradizionali, il ventilatore polmonare impiantabile è a pressione negativa così da aumentare la funzione normale del diaframma. Non interviene sulle vie aeree come i ventilatori polmonari tradizionali, ma sul diaframma.

Il sistema è costituito da due tubi flessibili impiantati sul diaframma collegati ad una pompa esterna ed a un sistema di controllo. L’attivazione sincronizzata dell’impianto di assistenza al diaframma aumenta i volumi correnti e mantiene le velocità del flusso di ventilazione entro il range normale. La pompa innesca la prima contrazione in modo che tutto il sistema funzioni ad una determinata frequenza fisiologica.

Dopo aver testato il prototipo su maiali, i risultati ottenuti sono abbastanza promettenti e questo è un primo passo per l’utilizzo di questi sistemi su umani. Con questa tecnologia la quantità di aria aspirata dai maiali è stata tre volte superiore a quella che avrebbero aspirato senza questo ausilio.

Ora il team sta lavorando sulla biomeccanica e sull’ottimizzazione dei vari componenti in modo da rendere più confortevole l’utilizzo. Alcuni componenti potrebbero essere miniaturizzati oppure si potrebbero creare sistemi indossabili per la pompa ed il sistema di controllo. In commercio ci sono già le pompe cardiache impiantabili per cui lavorando con analogia sarebbe possibile sviluppare ventilatori impiantabili miniaturizzati.