Pokaż menu

Firmy z okładek

Multiprojekt  FESTONapędy i Sterowanie

Reklama

Współpraca

COVID-19. Silniki liniowe jako sztuczne płuca do testowania masek





Badacze biofluidów testują skuteczność ochronną masek
Maska medyczna może zapobiec rozprzestrzenianiu się wirusa COVID-19. Dodatkowo proste kroki znacząco zwiększają jej skuteczność ochronną. Zostało to potwierdzone w systematycznych badaniach przeprowadzanych przez uczelnię OTH Regensburg, podczas których zastosowano symulator płuc z silnikami liniowymi LinMot. Silniki te pomogły naukowcom przygotować oraz rozpocząć testy w ciągu zaledwie kilku dni.

W laboratorium profesora Larsa Krenkela okazało się, że wiązka lasera w kształcie wachlarza sprawia, że dym wydostający się spod maseczki jest wyraźnie widoczny. Dym składa się z cząsteczek od 200 nm do 2 µm, zatem jest odpowiedni do modelowania aerozoli wydychanych przez ludzi. Testy na manekinie wykazały, że najwięcej dymu wydobywa się z okolic nad policzkami i sąsiadującej bruzdy nosowo-wargowej. Potwierdza to personel medyczny, taki jak ratownicy medyczni czy anestezjolodzy, którzy spędzają dużo czasu blisko głów chorych pacjentów i są narażeni na infekcję, nawet jeśli pacjenci noszą maskę.

– Maski zasadniczo nie są w stanie zapewnić 100% ochrony, choćby ze względu na nieprawidłowe ich użycie. Niemniej jednak byłoby błędem powiedzieć, że nie zapewniają absolutnie żadnej ochrony – mówi profesor Krekel, kierownik działu dydaktyki i badań z dziedziny Mechaniki Biofluidu na Wydziale Mechanicznym OTH Regensburg. – Proste działania optymalizacyjne masek medycznych mogą zatrzymać do 85% aerozolu oraz około 95% kropelek, a co za tym idzie – znacznie zwiększają ich skuteczność ochronną.


Wydychanie powietrza bez maski oraz z maską. Fot.: OTH Regensburg
Wydychanie powietrza bez maski oraz z maską  (Fot.: OTH Regensburg)



Zanieczyszczone aerozole potencjalnie bardziej niebezpieczne
Podczas badania ścieżki infekcji epidemiolodzy dokładnie obserwowali aerozole, które są respirabilne i z powodu konwekcji mogą pozostać w powietrzu przez długi czas.  Zawierają one cząsteczki w zakresie od 100 nm do 5 µm, przenikające do oskrzeli, i jeśli przenoszą wirusa, mogą spowodować infekcję płuc. Cząsteczki w przedziale od 5 do 10 µm nie przenikają dalej niż do głośni. Większe kropelki, do około 100 µm, zatrzymują się w nosie lub gardle, więc zazwyczaj powodują tylko łagodne choroby. Ponadto nie przenoszą się w powietrzu na dalekie odległości (tylko do 1,5 m). Szacuje się, że niebezpieczeństwo stwarzane przez zanieczyszczone kropelki jest niskie i łatwe do opanowania. W normalnych warunkach cząsteczek powyżej 100 µm nie można w ogóle wdychać. W celu zabezpieczenia wszystkich istotnych ścieżek transmisji cząsteczek zespół profesor Krenkela, w warunkach najbardziej zbliżonych do rzeczywistych, bada mechanizm propagacji zarówno aerozoli, jak i kropelek.

– Nasi badacze, we współpracy z Uniwersyteckim Centrum Medycznym Hamburg Eppendorf i Regensburg, są skupieni na badaniu funkcji masek ochronnych w różnych warunkach oraz na określaniu i oszacowaniu optymalizacji działań.


Silniki liniowe pomagają pracownikom naukowym
Od czasu otwarcia w 2014 roku laboratorium biomedycznych i biologicznych testów przepływu zespół profesora Krekela zdobył szerokie doświadczenie przy tworzeniu zestawów testowych w systemach medycznych. Naukowcy naśladowali i przeanalizowali procesy, które zachodzą w ludzkim krwiobiegu oraz w drogach oddechowych. Do badania procesów zachodzących w drogach oddechowych potrzebowali „pasywnych płuc” mogących symulować zmiany ciśnienia i objętości ludzkiego narządu oddechowego. Ze względu na podatność tkanki płucnej pętla ciśnienie – objętość nie jest liniowa, ale bardziej o kształcie S (sigmoidalnym) oraz jest inna dla wdechu i wydechu. Oznacza to, że pompa i podobne aparatury nie będą jej dobrze odzwierciedlać. Ta sama sytuacja dotyczy symulacji serca. Także w tym przypadku proste systemy wkrótce napotkają ograniczenia. Przykładowo mimośrodkowe pompy napędzane przez silniki krokowe mogą symulować tylko liniowe zależności, dając naukowcom niewielką elastyczność.

– Potrzebowaliśmy czegoś, co można szybko, ale precyzyjnie kontrolować – mówi profesor Krekel, podsumowując wymagania dotyczące odpowiedniego rozwiązania.


Pracownicy naukowi z OTH Regensburg używają fantomu do badania skuteczności ochronnej masek w walce przeciwko rozprzestrzenianiu się wirusa COVID-19. Fot.: Rossmann
Pracownicy naukowi z OTH Regensburg używają fantomu do badania skuteczności ochronnej masek w walce przeciwko rozprzestrzenianiu się wirusa COVID-19 (Fot.: Rossmann)



Wszechstronny system pompa – motor
W rezultacie naukowcy zdecydowali się na dwa egzemplarze silników liniowych LinMot – PS01- 48x240F-C z klasą ochronną IP67 do napędzania tłoków pompy liniowej. Układ zaworów zapewnia regulację ciśnienia oraz wprowadzenie środków (powietrza, substytutu krwi) do każdego cylindra. Silniki liniowe są zasilane przez sterownik oraz monitorowane i koordynowane przez, często używany w maszynach, przemysłowy zespół sterujący, dzięki czemu zapewniają pracownikom naukowym dużą elastyczność. System testowy może w sposób realistyczny oraz odtwarzalny symulować zależność ciśnienie – objętość zdrowego i chorego serca. Naukowcy zastosowali system do symulacji pasywnych płuc, który jest w stanie odtworzyć konsekwencje zmian spowodowanych przez chorobę. Obejmuje to rozmieszczenie powietrza między płatami płuc.


Elastyczne i wydajne: silniki liniowe LinMot stanowią podstawę do symulacji przepływów oddechowych i krążeniowych
Elastyczne i wydajne: silniki liniowe LinMot stanowią podstawę do symulacji przepływów oddechowych i krążeniowych



Szybsze wstępne wyniki testów
Elastyczność systemu pomogła naukowcom w czasie, gdy pandemia COVID-19 wymagała szybkich odpowiedzi na ważne pytanie – jak dobrze maseczka medyczna chroni personel szpitala? Na początku marca szpitale zwróciły się z tym pytaniem do zespołu profesora Krekela, który w ciągu kilku dni opracował właściwą konfigurację badania, w którym silniki liniowe odegrały ważną rolę. Są one trzonem sztucznego układu oddechowego i regulacji przepływu powietrza. Z programowalnymi wartościami przyspieszenia, prędkości jazdy i skoku badacze z łatwością mogli wdrożyć różne przypadki oddychania, takie jak normalne oddychanie, kaszel i niedotlenienie. Użyli do tego narzędzia konfiguracyjnego LinMot Talk, tworzącego liczne profile ruchu. Za pomocą interfejsu użytkownika danego sterownika przemysłowego naukowcy mogli zapisać poszczególne przypadki oraz przywołać je w dowolnej kolejności bezpośrednio z aplikacji.


Automatyzacja testów przy pomocy elementów przemysłowych
– Okazało się również, że możemy połączyć silniki szwajcarskiego producenta z bardzo uniwersalnymi i wysoce zaawansowanymi systemami sterowników Beckhoff  lub B&R. Firmy te oferują także szeroki wybór różnych modułów I/O oraz interfejsu – wyjaśnił profesor Krenkel. – Możemy całkowicie zautomatyzować cały przebieg testów, synchronizować system, tym samym gwarantując wysoką powtarzalność.

Przykładowo generator aerozolu i zawór regulujący dopływ do pompy liniowej są podłączone do wyjścia 24 V, tak aby cząsteczki mogły być pobierane przez tłok pompy w odpowiednim czasie.
 

Profesor Lars Krekel, Kierownik nauczania i badań z dziedziny mechaniki biofluidu w Wydziale Mechanicznym OTH Regensburg: „Jak pokazaliśmy, z pomocą silników liniowych łatwe kroki optymalizacyjne masek medycznych mogą osiągnąć współczynnik retencji do 85% odnośnie do aerozoli i około 95% dla kropelek, tym samym zwiększając skuteczność ochronną”
Profesor Lars Krekel, Kierownik nauczania i badań z dziedziny mechaniki biofluidu w Wydziale Mechanicznym OTH Regensburg: „Jak pokazaliśmy, z pomocą silników liniowych łatwe kroki optymalizacyjne masek medycznych mogą osiągnąć współczynnik retencji do 85% odnośnie do aerozoli i około 95% dla kropelek, tym samym zwiększając skuteczność ochronną”

 

Podsumowanie
– Dane zbierane od połowy maja pokazują, że maski medyczne mogą zatrzymać 65% do 75% aerozoli na poziomie podstawowym, w zależności od konstrukcji. Na poziomie dodatkowym w dużej mierze skuteczność filtra zależy od tego, jak dobrze maska jest dopasowana, oraz od budowy fizycznej człowieka noszącego maskę – mówi profesor Krenkel, podsumowując wyniki serii testów przeprowadzonych w ciągu 6 tygodni. – Używając prostych kroków, takich jak przymocowanie maski po bokach za pomocą taśmy, 85% aerozoli może być zatrzymanych, a ucieczce nieprzefiltrowanego powietrza można całkowicie zapobiec.

Fakt, że wstępne i odtwarzalne wyniki testów były dostępne dla badaczy w ciągu kilku dni, częściowo wynikał z zastosowania układu silnika liniowego LinMot, który może być stosowany w wielu obszarach mechaniki biofluidu, redukując czas i trud niezbędny do stworzenia złożonych wariantów testowych. W związku z tym profesor Krenkel zamierza częściej stosować układ silnika liniowego w kolejnych projektach badawczych.

Artykuł opublikowany za zgodą firmy LinMot.


Multiprojekt Automatyka Sp. z o.o.
ul. Cystersów 20 A, I Piętro
31-553 Kraków
tel. 12 413 90 58
fax 12 376 48 94
e-mail: info@multiprojekt.pl
www.multiprojekt.pl



Reklama