Поскольку медицинские работники во всем мире оказывают помощь тем, кто инфицирован SARS-CoV-2 и его многочисленными разновидностями, нехватка медицинского кислорода продолжает оказывать серьезное влияние на больницы, которые и без того истощены. В то время как портативные концентраторы кислорода принесли некоторое облегчение многим людям с респираторной недостаточностью, эти устройства иногда не производят достаточного количества медицинского кислорода для удовлетворения меняющихся потребностей пациента с ухудшающимися симптомами, что требует их повторной госпитализации.
Предвидя растущую потребность в более совершенных концентраторах кислорода по мере того, как бушует борьба с COVID-19, исследователи из Техасского университета A&M заложили вычислительную основу для разработки наиболее оптимального концентратора для фильтрации окружающего воздуха и производства кислорода, который может масштабироваться в зависимости от потребностей пациентов.
«Пандемия COVID-19 вызвала значительный стресс в наших медицинских учреждениях и учреждениях неотложной помощи и увеличила поток людей, нуждающихся в медицинской помощи , а в больницах имеется ограниченное количество вентиляционного оборудования», - сказал доктор Фарук Хасан, доцент и Ким МакДивитт '88. и Филлип МакДивитт '87 научный сотрудник факультета химического машиностроения Арти Макферрина. «Но мы могли бы предотвратить некоторые случаи госпитализации, если бы разработали более совершенный, компактный и портативный кислородный концентратор, который имеет гибкие рабочие условия, чтобы доставлять столько кислорода, сколько требуется пациенту».
Исследователи отметили, что концентраторы кислорода, основанные на их конструкции, также могут помочь тем, кто страдает другими респираторными заболеваниями, такими как хроническая обструктивная болезнь легких, пневмония и астма.
Описание исследования появилось в Интернете в журнале Nature Scientific Reports .
В отличие от кислородных баллонов, которые обеспечивают пациентам непрерывную подачу чистого кислорода, портативные кислородные концентраторы удаляют азот из окружающего воздуха. Удаление азота происходит из-за процесса, называемого адсорбцией, при котором определенные виды молекул воздуха попадают в ловушку на поверхности твердых тел. Среди множества вариантов, доступных для адсорбентов, природные или синтетические материалы, известные как цеолиты, действуют как сита, удерживая азот, позволяя при этом проходить кислороду.
Но, несмотря на их общие преимущества, концентраторы кислорода часто разрабатываются с фиксированными техническими характеристиками, что ограничивает их использование для удовлетворения потребностей в кислороде, вызванных изменением состояния здоровья или активности пациента. Например, потребности пациента в кислороде могут различаться как по скорости потока, так и по чистоте, а существующие концентраторы кислорода нельзя использовать для нескольких разных пациентов в одной и той же больнице, которым требуется очень разная вентиляция.
«В идеальном случае нам нужна система, которая может быстро переключаться между различными рабочими режимами для производства кислорода по требованию при одновременном выполнении различных спецификаций продукта», - сказал доктор Ахил Арора, бывший аспирант лаборатории Хасана и ведущий автор исследования.
Чтобы улучшить конструкцию современных медицинских концентраторов кислорода, Арора сначала выбрал для своего анализа три типа цеолитов - LiX, LiLSX и 5A. Затем он провел моделирование на основе физики, которое смоделировало различные свойства цеолитов наряду с характеристиками концентратора кислорода, включая размер адсорбционной камеры и различные стадии в процессе адсорбции.
Затем, используя высокопроизводительный вычислительный кластер в Texas A&M, он изменил все эти входные данные моделирования одновременно, чтобы достичь наиболее оптимального рабочего диапазона, который позволил бы получить компактный, простой в транспортировке и высокопроизводительный медицинский концентратор кислорода. В частности, он обнаружил, что LiLSX работает лучше, чем цеолиты LiX и 5A, производя с высокой скоростью 90% чистого кислорода. Кроме того, исследователи обнаружили, что систему на основе LiLSX можно использовать для создания различных уровней чистоты кислорода и скорости потока.
Эксперты заявили, что их исследование также является первым шагом в создании портативных киберфизических систем для домашнего использования, которые могут изменять подачу кислорода в зависимости от потребностей пациента. Таким образом, если пациенту требуется больше кислорода по мере ухудшения симптомов, встроенные алгоритмы могут анализировать данные с датчиков кислорода, чтобы предсказать, требуется ли дополнительная вентиляция, и передавать эту информацию врачам за пределами учреждения, которые затем могут использовать свое мнение для удаленного изменения настроек на концентратор кислорода медицинский.
«В настоящее время необходимы медицинские работники для подачи кислорода в зависимости от состояния пациента, поэтому мониторинг на дому невозможен», - сказал Хасан. «Мы надеемся разработать более экономичный, гибкий, управляемый медицинский концентратор кислорода, который сможет обеспечить индивидуальную подачу кислорода в домашних условиях».
