Design, development and validation of an e-HFPV blower-based ventilator for improving gas exchange

The primary role of the respiratory system is to supply cells with oxygen (O2) and remove the carbon dioxide (CO2) created during cellular respiration. However, a number of respiratory diseases and complications, such as acute respiratory syndrome (ARDS), chronic obstructive pulmonary diseases (COPD) or premature birth in infants, are known to disrupt the physiological process of respiration, often requiring the usage of a mechanical ventilator as external support to ensure the correct functioning of the respiratory system. This thesis project aims at designing, developing and validating a mechanical ventilation system capable of delivering both high-frequency oscillatory ventilation (HFOV) and high-frequency percussive ventilation (HFPV) to the subject, which are ventilatory modalities that have been shown to be an effective way to improve respiratory gas exchange thanks to a combination of conventional tidal lung expansions to maintain the lung open and the added high-frequency oscillations, which facilitates axial gas mixing and alveolar recruitment. The ventilator was validated in vitro at the TechRes LAB of Politecnico di Milano University and tested on two pilot animal studies at the Department of physics and informatics of the University of medicine of Szeged, Hungary, showing to correctly generate the desired ventilation waveforms and to accurately assess lung mechanics by means of respiratory oscillometry.

Il ruolo primario del sistema respiratorio è fornire alle cellule ossigeno (O2) e rimuovere l'anidride carbonica (CO2) prodotta durante la respirazione cellulare. Tuttavia, diverse malattie e complicanze respiratorie, come la sindrome respiratoria acuta (ARDS), le malattie polmonari ostruttive croniche (COPD) o la nascita prematura nei neonati, sono note per interrompere il processo fisiologico della respirazione, richiedendo spesso l'uso di un ventilatore meccanico come supporto esterno per garantire il corretto funzionamento del sistema respiratorio. Questo progetto di tesi mira a progettare, sviluppare e validare un sistema di ventilazione meccanica in grado di fornire al soggetto sia la high-frequency oscillatory ventilation (HFOV) che la high-frequency percussive ventilation (HFPV), modalità ventilatorie che si sono dimostrate efficaci nel migliorare lo scambio gassoso respiratorio grazie a una combinazione di espansioni polmonari volumetriche di tipo convenzionale per mantenerli dilatati e di oscillazioni ad alta frequenza sovraimposte, che facilitano la miscelazione assiale dei gas e il reclutamento alveolare. Il respiratore è stato validato in vitro al TechRes LAB del Politecnico di Milano e testato in seguito con studi pilota eseguiti su due animali al Dipartimento di fisica e informatica dell’Università di medicina di Szeged, Ungheria, mostrando di poter generare correttamente le forme d’onda ventilatorie richieste e di stimare correttamente le caratteristiche meccaniche polmonari tramite oscillometria respiratoria.