Development and in vitro validation of a novel respiratory device to study lung mechanics during high-g flights

Acceleration atelectasis is a pathological condition affecting fighter jet pilots during flight, characterized by partial collapse of the basal lung regions, which can lead to respiratory system damage, causing chronic cough, shortness of breath, and inspiratory pain. It typically results from lung compression due to high cranio-caudal accelerations, inhalation of air with a high FiO2 percentage and abdominal compression performed by anti-G suits. Currently, the only countermeasure consists in applying a positive pressure to the pilot’s airways through a facemask. Integrating positive pressure ventilation with real-time diagnostic monitoring for atelectasis detection would be beneficial. Thus, the Forced Oscillation Technique (FOT) emerges as a suitable solution for detecting the onset of atelectasis by real-time computation of the respiratory system's impedance. The current project, conducted in collaboration with the Mayo Clinic Human Integrative and Environmental Physiology Laboratory headed by Bruce D. Johnson (Rochester, MN, USA), aims to develop a ventilation device that combines positive pressure respiratory support and FOT, suitable for high-G applications. This thesis focuses on the design of the respiratory support device, starting from an already existing prototype fabricated at TechRes Lab (Politecnico di Milano) and adapting it to be used effectively during fighter jet flights. For this purpose, a custom-made simulation platform capable of replicating high accelerations has been developed to test the device in a real-flight scenario. The accuracy in computing respiratory system impedance of the FOT ventilator under high acceleration was validated by performing in vitro tests ranging from 0 g to 10 g. The device has demonstrated its effectiveness in delivering positive pressure while measuring the mechanical properties of the respiratory system through FOT, thus providing a useful diagnostic tool for detecting acceleration atelectasis under extreme conditions experienced by pilots during flight.

L'atelectasia da accelerazione è una condizione patologica che colpisce i piloti di jet durante il volo ed è caratterizzata dal parziale collasso delle regioni basali dei polmoni, il quale può causare danni al sistema respiratorio, provocando tosse cronica, dispnea e dolore inspiratorio. Tipicamente essa deriva dalla compressione dei polmoni causata da alte accelerazioni in direzione cranio-caudale, in combinazione con l'inalazione di aria con un’elevata concentrazione di FiO2 e la compressione toracica provocata dalle tute anti-G. Attualmente, l'unica contromisura impiegata consiste nell'applicare una pressione positiva alle vie aeree del pilota tramite una maschera facciale. Combinare tale supporto respiratorio con un metodo diagnostico in tempo reale consentirebbe il trattamento e il monitoraggio dell’insorgenza di atalectasie. La tecnica delle oscillazioni forzate (FOT) si candida ad essere uno strumento diagnostico adatto a questo scopo tramite il calcolo in tempo reale dell'impedenza del sistema respiratorio. Questo progetto, condotto in collaborazione con lo Human Integrative and Environmental Physiology Laboratory diretto da Bruce D. Johnson (Mayo Clinic, Rochester, MN, USA) ha come scopo quello di sviluppare un dispositivo di ventilazione in grado di combinare supporto respiratorio e FOT e che sia utilizzabile in condizioni di alte accelerazioni. Il presente lavoro di tesi si è focalizzato sulla progettazione del dispositivo di supporto respiratorio, partendo da un prototipo esistente presso il TechRes Lab (Politecnico di Milano), adattandolo per essere utilizzato nel contesto nel quale i piloti di jet operano. Inoltre, è stata sviluppata una piattaforma di simulazione personalizzata in grado di riprodurre alte accelerazioni, in modo da poter testare il dispositivo in un ambiente simile a quello presente durante le manovre di volo. L'accuratezza del dispositivo nel calcolare l'impedenza del sistema respiratorio è stata validata attraverso dei test in vitro con accelerazioni comprese tra 0 g e 10 g. I risultati hanno dimostrando la sua efficacia nel fornire una pressione positiva e contemporaneamente nel calcolare con precisione le proprietà meccaniche del sistema respiratorio tramite FOT nelle condizioni estreme sperimentate dai piloti durante il volo.