Detrás de la Ciencia – Murphy y el aliento de la vida

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Entonces Yahvé Dios formó al hombre con polvo del suelo, e insufló en sus narices aliento de vida, y resultó el hombre un ser viviente. Génesis 2:7

Aunque en este pasaje bíblico queda explícita la relación entre el aire que respiramos y la vida, la ciencia ha permitido comprender este proceso después de varios siglos de reflexiones y estudios, iniciando por aquellos que datan de las escuelas de medicina griegas con Hipócrates, Empédocles, Platón y Aristóteles (s. V-IV a.C.). Imaginen que algunos postulaban que el aire ingresaba al cerebro y no a los pulmones o que lo hacía a través de los poros de la piel, no obstante, estos cuestionamientos trazaron el camino para conocer, siglos después, los detalles más precisos sobre la respiración.

Fue el prolífico químico, biólogo y economista francés Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794) quien descubrió la relación entre el oxígeno presente en el aire y la producción de energía, tanto en la combustión como en la respiración de los organismos. Lamentablemente, sus grandes contribuciones no evitaron que fuera ejecutado en la guillotina durante la Revolución Francesa, todo por andar cobrando impuestos para el Rey Luis XVI. Cien años después, los trabajos de Carl Ludwig, Christian Bohr, John Haldane y Marie Krogh, por mencionar algunos, dilucidaron los mecanismos que permiten la absorción de oxígeno en los pulmones.

En la combustión de un motor, el encendido de la gasolina (ej. octano C8H18) causado por la chispa de una bujía, hace que reaccione con el oxígeno (O2), produciendo agua (H2O), bióxido de carbono (CO2) y energía (2C8H18 + 25O2 Þ 18H2O + 16CO2 + energía). Hoy sabemos que la respiración que ocurre en nuestras células para obtener energía y mantenerse vivas, es también una forma de combustión que utiliza como fuente primaria de “gasolina” a la glucosa (C6H12O6), reaccionando con el oxígeno y produciendo también agua, bióxido de carbono y energía (C6H12O6 + 6O2 Þ 6H2O + 6CO2 + energía).

Ahora bien, para que la respiración celular ocurra se requiere el ingreso de O2 a nuestra sangre. Esto ocurre ventilando los pulmones, es decir, inspirando aire (que contiene 21% de O2), absorbiendo el O2 hacia la sangre e intercambiándolo por CO2 en unas estructuras llamadas alvéolos y posteriormente expulsando el aire utilizado (que tendrá menos O2 y más CO2 que el que entró. Esto lo hacemos generalmente de 12 a 20 veces por minuto en reposo.

En la enfermedad de COVID-19, la infección con el virus SARS-CoV2 afecta la función de las células pulmonares (neumocitos) que se encuentran en los alvéolos, justo donde se absorbe el O2, provocando que en los casos más graves pueda reducirse la concentración de O2 en el cuerpo (hipoxia), incluso a pesar de realizar esfuerzos (jadear) para ingresar más aire. En estas situaciones, los ventiladores respiratorios son máquinas que sustituyen o auxilian la ventilación natural, permitiendo mover aire de la atmósfera a los pulmones y viceversa.

Desafortunadamente, no estábamos preparados para el número de pacientes graves que requerirán de estos equipos, por lo que diversas iniciativas se están presentando para diseñarlos a bajo costo, para producirse a nivel nacional y atender la creciente demanda de esta tecnología. En este sentido, tuvimos el placer de entrevistar al Ing. Eduardo Murphy Arteaga quien nos platicó sobre su iniciativa para diseñar y producir ventiladores que atiendan esta carencia tecnológica.

Eduardo, ¿cuál es tu formación profesional y qué te llevo a ello? Soy Ing. Mecánico Electricista y realizo análisis de vibraciones de maquinaria y estructuras. Gran parte de mi interés en la interacción de la electrónica e instrumentación con el campo de la medicina se lo debo a mi familia. Durante la carrera trabajé en el Laboratorio de Patología y Medicina Nuclear de mi papá, médico Anatomo-Patólogo. Nuestras funciones eran las de un Técnico en Medicina Nuclear, se llevaban a cabo pruebas de funcionamiento de tiroides y se realizaban gammagramas (un estudio que permite determinar la función de distintos órganos mediante el empleo de radiofármacos). Por otra parte, mi mamá trabajaba en el Departamento de Medicina Nuclear en el Instituto Nacional de Nutrición “Salvador Zubirán” y con ella tuve algunos acercamientos desde la secundaria a equipos electrónicos como contadores y graficadores aún de bulbos. Cuando mi esposa Tere estaba embarazada de mi primer hijo, fabricamos un estetoscopio electrónico para amplificar la señal de los latidos del bebé “chu-cu, chu-cu,…” léase a 120 latidos por minuto.

¿Qué te motivó a generar un equipo de trabajo para diseñar ventiladores? La convocatoria COVID-19 recientemente emitida por el CCyTEM (Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Morelos) y la falta de actividades remunerativas durante esta pandemia. El grupo está integrado por familiares y conocidos que incluyen doctores en medicina, ciencias, biólogos, químicos, ingenieros mecánicos y mecatrónicos, economistas y maestros en artes visuales.

¿Qué tipos de ventiladores hay? Invasivos y no invasivos. En los primeros, el paciente se encuentra anestesiado hasta casi la parálisis. En el ventilador “invasivo” se emplea una cánula para poder suministrar una mezcla de aire-oxígeno a través de la tráquea y al ritmo, presión y volumen programados en el ventilador. En un ventilador de tipo “no Invasivo”, se emplea una mascarilla (normalmente nariz y boca) para suministrar la mezcla. El paciente está o no ligeramente sedado, es decir, la frecuencia de la respiración está determinada por el mismo. Con el fin de auxiliar el proceso de respiración, este tipo de ventiladores tiene que “sincronizarse” con el periodo de respiración del paciente. Esto es lo que lo vuelve un equipo más complejo.

Para la sincronía, existen varios métodos: Detectar baja presión al momento de la inspiración, detectar flujo de la mezcla y -mediante electrodos- detectar el momento de la contracción del diafragma. Hemos decidido ir por la primera opción: Detectar baja presión. Al momento de detectar baja presión, el ventilador debe mandar una orden al actuador que proporciona la mezcla de gases durante la inspiración. Notemos que la presión negativa se hará positiva por efecto del actuador en pocos milisegundos. La sincronía tiene por objeto mandar un volumen determinado de la mezcla durante la inspiración y no durante la espiración.

Los componentes que integran un ventilador de este tipo son: Una mezcladora (aire-oxígeno), un regulador de presión cero (como los que se emplean en los tanques de gas doméstico), fuelles con válvulas “check” (permiten paso en una sola dirección, como las de botellas de tequila, que solo permiten el flujo de la botella al caballito) a la entrada y salida y un actuador mecánico que comprima y extienda los fuelles en forma cíclica. Este actuador es impulsado por un motoreductor y a la vez, el motor por un variador de frecuencia, el cual es gobernado por la tarjeta de adquisición y salida análoga para variar su velocidad. La tarjeta, a su vez es gobernada por el software en la computadora. Una de las entradas análogas a la tarjeta es la proveniente del sensor de presión.

Mediante el software se detecta la presión negativa al inicio de la inspiración. Se requiere otro ciclo para poder establecer la frecuencia de la respiración y así poder establecer la frecuencia a la que trabajará el actuador. El periodo tiene que medirse en tiempo cuasi real para realizar los ajustes requeridos. Lo descrito es el funcionamiento básico, pero pueden incorporarse funciones adicionales como alarmas en caso de que el paciente deje de respirar, no funcione el actuador, etc.

¿Cuáles son los principales retos? Tener un ventilador funcional a corto plazo basado en tarjetas comerciales, laptops comunes y equipo de uso industrial como moto-reductores, sensores de baja presión y reguladores comunes (gas, uso doméstico). Logrando además que el presupuesto de los materiales sea de una cuarta parte a una mitad del costo de los equipos comerciales.

Estamos orgullosos de que en Morelos se esté integrando un equipo de esta naturaleza, honrado de participar con ellos, deseamos mucho éxito al equipo del Ing. Murphy y que sea una gran oportunidad para invertir en nuestro talento nacional para enfrentar con toda la fuerza a esta terrible pandemia.

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