Proof of concept of a novel non-invasive respiratory support device for low resource settings

Hypoxaemia is commonly associated with high mortality rates in developing countries. Every year, nearly 9 million children die mostly from preventable or treatable diseases, and more than 95% of these deaths occur in developing countries. Pneumonia is the leading cause of death in children aged <5 years, responsible for an estimated 18% of all deaths in this age category. Hypoxaemia is a major fatal complication of pneumonia, and the risk of death increases with increasing severity of hypoxaemia. The treatment for hypoxemia consists primarily of oxygen administration, but in developing countries most seriously ill newborns, children and adults do not have access to oxygen. Noninvasive positive pressure ventilation has been shown to reduce complications, duration of Intensive Care Unit (ICU) stays and mortality, but there are several obstacles to delivering high-quality care to patients, and they predominantly involve equipment, infrastructure, and human resources. The project aims to realize a device prototype which focuses on non-invasive ventilatory support, synchronized on patient's inspiratory effort, volume target ventilation and oxygen self-production. The prototype realized is divided into three main blocks: oxygen concentrator, ventilation unit and microcontroller board. The ventilation unit implement CPAP and bilevel ventilation by use of a blower, the volume attainment is realized by pressure adjustments in response to mismatches between the desired target volume and the measured one. The oxygen concentrator carries out oxygen extraction from ambient air by the pressure swing adsorption technique. The resulting product is delivered to the patient in boluses. The microcontroller board controls the ventilation and oxygen concentrator unit functioning and implements the communication with a graphical user interface. The three parts work synergistically to allow oxygen saving since the patient’s synchronization triggers both the ventilatory pressure level switch and bolus administration.

L'ipossiemia è comunemente associata ad un alto tasso di mortalità nei paesi in via di sviluppo. Ogni anno, quasi 9 milioni di bambini muoiono principalmente per malattie prevenibili o curabili e oltre il 95% di queste morti si verifica nei paesi in via di sviluppo. La polmonite è la principale causa di morte nei bambini di età <5 anni, responsabile di circa il 18% di tutti i decessi in questa categoria di età. L'ipossiemia è una delle principali complicazioni fatali della polmonite e il rischio di morte aumenta con l'aumentare della gravità dell'ipossiemia. Il trattamento per l'ipossiemia consiste principalmente nella somministrazione di ossigeno, ma nei paesi in via di sviluppo neonati, bambini e adulti più gravemente malati non hanno accesso a questa fonte. È stato dimostrato che la ventilazione non invasiva a pressione positiva riduce le complicanze e la durata dei soggiorni in unità di terapia intensiva (ICU) e la mortalità, ma ci sono diversi ostacoli alla fornitura di cure di alta qualità ai pazienti e coinvolgono principalmente attrezzature, infrastrutture e risorse umane. Il progetto mira a realizzare un prototipo di dispositivo che si concentra sul supporto ventilatorio non invasivo, sincronizzato sullo sforzo inspiratorio del paziente, sulla ventilazione con target di volume e sull'autoproduzione di ossigeno. Il prototipo realizzato è suddiviso in tre blocchi principali: concentratore di ossigeno, unità di ventilazione e scheda microcontrollore. L'unità di ventilazione implementa la CPAP e la ventilazione su due livelli di pressione mediante l'uso di una turbina, il raggiungimento del volume è realizzato mediante regolazione della pressione inspiratoria in risposta alla differenza tra volume tidale e target. Il concentratore di ossigeno realizza l'estrazione di ossigeno dall'aria ambiente mediante la tecnologia di assorbimento a pressione oscillante. Il prodotto risultante viene erogato alla bocca del paziente tramite boli. Il microcontrollore controlla il funzionamento dell'unità di ventilazione e concentratore di ossigeno, inoltre implementa la comunicazione con un'interfaccia grafica. Le tre parti lavorano in sinergia per consentire il risparmio di ossigeno in quanto la sincronizzazione del paziente attiva sia la pressione inspiratoria del ventilatore che la somministrazione del bolo.