Microinfusori portatili ad alto rendimento

La maggior parte delle persone non è forse consapevole del fatto che il corpo umano può contenere fino all'85% di acqua. Non sorprende quindi che una delle prime linee di trattamento per pazienti traumatizzati, come ad esempio nel caso dei soldati feriti, consista proprio nella sostituzione controllata, spesso in grandi quantità, dei liquidi nel corpo. Il problema consiste nel fatto che i microinfusori convenzionali solitamente sono progettati per fornire piccole quantità di liquidi con un’elevata precisione, ad es. 100 ml nell’arco di un’ora o più, cosa che non basta assolutamente per il trattamento dei traumi. Quando l’esercito americano si mise alla ricerca di un’unità da campo portatile in grado di funzionare a 100ml/min, l’allora Infusion Dynamics (ora Zoll Medical Corp.) ricorse agli efficienti servomotori C.C. con coppia elevata di FAULHABER dotati di controllo di posizione, per rispondere a tali esigenze.

Il design è costituito da una pompa modulare con una cartuccia usa e getta collocata nella parte superiore. L’unità è alimentata da sei batterie AAA per un totale di 9 V. L’obiettivo dell’esercito era quello di far bastare un set di batterie per la somministrazione a un paziente. Il dispositivo finale è così efficiente che può funzionare dalle otto alle dieci ore alla massima velocità somministrando a più pazienti con un singolo set di batterie.

La parte meccanica dell’unità di pompaggio è composta da un telaio in alluminio anodizzato, su cui è montato un giogo con due flange sul lato inferiore in una configurazione a forcella. La cartuccia usa e getta, collocata sopra a tale giogo, è composta essenzialmente da due tubi di plastica paralleli trasparenti, dotati entrambi di valvole di non ritorno passive sulle estremità opposte. Questo produce un flusso unidirezionale in quanto i tubi sono compressi. La forcella sul lato inferiore del giogo è a cavallo di una camma eccentrica rotante che la fa scorrere avanti e indietro. Quando ciò avviene, una costa sul lato superiore di entrambe le parti comprime il tubo della cartuccia sovrastante. Questa azione fa defluire il liquido all’interno della cartuccia immettendolo nella linea intravenosa del paziente.

Per massimizzare la durata delle batterie, il team che si è occupato della progettazione si è concentrato innanzitutto sull’efficienza. Ogni volta che uno dei tubi viene compresso immagazzina energia potenziale. Una volta che il liquido è stato espulso, questa energia potenziale si converte in energia cinetica poiché l’espansione del tubo vuoto spinge il giogo a spostarsi verso l’altro lato così da iniziare a comprimere l’altro tubo. “Si tratta di un sistema incredibilmente efficiente” afferma Michael Loughnane, attuale presidente di Instech Labs nonché membro del team che ha progettato l’unità. “Se fosse stato usato un unico tubo si sarebbe ottenuto un determinato flusso ad una determinata potenza. Aggiungendo il secondo, i requisiti di potenza non aumentano di molto ma il flusso raddoppia. Usiamo questa azione di pompaggio bilanciata per ottenere dal meccanismo il massimo rendimento”.

La pompa è stata progettata in modo tale che questo movimento non provochi mai un’ostruzione completa dei tubi. Infatti tale occlusione, tipica delle pompe peristaltiche, consuma energia sia per la compressione che per il controllo del flusso inverso. All’interno del corpo della cartuccia è installato un filtro per l'eliminazione dell’aria composto da due membrane: una idrofila e una idrofoba. L’aria viene espulsa forzatamente attraverso la membrana idrofoba. Questa parte della cartuccia impedisce alle bolle d’aria di entrare nella linea intravenosa. “Anche nel caso in cui la sacca dovesse cadere a terra, il sistema espellerebbe tutta l’aria e finirebbe poi di pompare il liquido nella sacca”, asserisce Kenneth Cook, co-progettista del microinfusore.

Per far muovere tale giogo, il team aveva bisogno di un motoriduttore C.C. in grado di fornire una coppia sufficiente per comprimere i tubi ma abbastanza piccolo da soddisfare i vincoli dati dalle dimensioni della pompa. Prima di tutto doveva essere efficiente. “Usando un modello matematico, abbiamo determinato il miglior rapporto di trasmissione, la migliore velocità e quindi abbiamo scelto il motoriduttore e i rapporti di trasmissione appropriati per soddisfare tali criteri”, afferma Loughnane. La scelta è ricaduta su un servomotore di FAULHABER da 13 mm di diametro e 31 mm di lunghezza, dotato di un riduttore da 15 mm di diametro per un rapporto di riduzione di 76:1. “Ci siamo rivolti anche ad altre aziende”, ha aggiunto. “Abbiamo riscontrato che, di tutti i motori che abbiamo testato, quelli di FAULHABER erano i più efficienti”.

Inizialmente l’azienda aveva realizzato dei prototipi con dei motori a 9 V per poi scoprire che le prestazioni erano migliori sottoalimentando un modello da 12 V. “Solitamente l’assorbimento di corrente del motore è migliore se non si lavora ad elevato regime”, dice Loughnane. «Si tratta di un design più efficiente rispetto a quello di un motore progettato per funzionare a 9 V e che viene fatto funzionare a 9 V”. Il team ha apportato una modifica al motoriduttore, aggiungendo un cuscinetto esterno sull’estremità distale dell’albero per fornire un supporto aggiuntivo.

Una volta ultimato il design della parte meccanica, il problema successivo riguardava il controllo. Il dispositivo non doveva emettere interferenze elettromagnetiche, escludendo dunque la possibilità di utilizzare un microprocessore convenzionale. Al posto di quest’ultimo, il team ha optato per una logica discreta e un controllo analogico basato sul feedback della forza contro-elettromotrice. Il selettore che regola la velocità della pompa determina un voltaggio a cui deve corrispondere la forza contro-elettromotrice amplificata. Il circuito analogico fa variare il segnale di comando inviato al motore a seconda dei risultati, fornendo un controllo della velocità a circuito chiuso.

“Per determinare a quale velocità stia funzionando il motore abbiamo bisogno della costante della forza contro-elettromotrice”, afferma Loughnane. «Uno degli aspetti che ci piace dei motori di FAULHABER è che le costanti di forza contro-elettromotrice sono rimaste ben al di sotto del 10% atteso, e sono in realtà ancora meglio. Se tale valore avesse mostrato delle variazioni da motore a motore, questo sarebbe un problema, ma invece il valore si è rivelato corretto e coerente”.

Nel tentativo di ottenere un rendimento ancora migliore, il controllo di velocità fa soltanto muovere in avanti il motore. Non cerca di mantenere costante la velocità del motore durante tutto il ciclo. Al contrario, se dopo aver raggiunto la compressione di picco il motore presenta un funzionamento leggermente più rapido per via dell’energia potenziale immagazzinata, il circuito gli consente di andare a ruota libera (elettricamente parlando).

Un vantaggio collaterale di questo approccio di controllo è che la corrente richiesta per far funzionare il motore è direttamente correlata al grado di occlusione presente nei tubi. Se la corrente aumenta oltre una certa soglia perché la pompa è ostruita, l’unità si arresta automaticamente. Analogamente, se il tubo intravenoso è collegato ad un ago sottodimensionato che esercita una pressione di ritorno, l’unità smette di funzionare. A detta di Loughnane, gli aghi da 18 G sono ottimali per i pazienti di traumatologia; l’arresto automatico può prevenire degli errori.

Il design prevede anche dei perni in acciaio inox che formano un conduttimetro nel percorso del liquido. Nel caso in cui l’aria dovesse riempire il tubo per via di un malfunzionamento del filtro per l'eliminazione dell’aria, la resistenza salirebbe causando l’arresto della pompa. Il medico deve intervenire per far fuoriuscire tutta l’aria e quindi riavviare la pompa. Il misuratore è altresì in grado di rilevare se si stia usando o meno il liquido giusto: una soluzione salina o un’altra soluzione con una concentrazione di sale fisiologico.