Introducción

Las enfermedades respiratorias pueden alterar la capacidad de los pulmones para intercambiar tanto el oxígeno como el gas carbónico con el medio. Por esta razón existen métodos artificiales tanto para la administración de oxígeno suplementario como para facilitar la ventilación pulmonar ¹. Una de las técnicas más comunes de tratamiento respiratorio es la nebulización de medicamentos para administrarlos por vía inhalada mediante un gas propelente ^2,3. El oxígeno presurizado es el gas propelente más utilizado en los dispositivos de micronebulización.

El oxígeno es un fármaco que requiere una dosis para obtener los efectos beneficiosos esperados, pero también puede precipitar efectos adversos difíciles de evitar si no se controla dicha dosis ⁴. Un problema clínico frecuente es que los pacientes requieran oxígeno suplementario al mismo tiempo que reciben la nebulización de otro fármaco. Esto obliga a nebulizar con oxígeno como propelente, o administrarlo simultáneamente mediante cánulas nasales. Estas estrategias pueden inducir hiperoxia iatrógena y precipitar hipoventilación alveolar, aumento del contenido arterial de CO₂ y depresión del sistema nervioso central ^5,6. Existe evidencia clínica que 15% de los pacientes que acuden con insuficiencia respiratoria a un servicio de atención médica desarrollan encefalopatía hipercápnico-hiperóxica grave. Consecuentemente estos pacientes pueden requerir ventilación mecánica, asociándose a incrementos de los costos de atención y de la morbimortalidad ⁷.

El control de la fracción inspirada de oxígeno puede disminuir el riesgo de hiperoxia durante la nebulización de fármacos. Este control puede obtenerse mediante el uso de dispositivos de tipo Venturi para oxigenoterapia. A los efectos de esta investigación, el principio Venturi produce aspiración de aire ambiente a través de un(os) orificios, dado que el oxígeno en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión y aumenta su velocidad al pasar por una menor sección. El tamaño y disposición de los orificios permite modificar las proporciones de la mezcla. Como resultado se obtendrá una mezcla con menor fracción de oxígeno. Sin embargo, no existe un sistema, hasta donde podemos conocer, que permita nebulizar soluciones y fármacos en respiración espontánea utilizando el oxígeno como propelente y que simultáneamente incluya un control preciso de la fracción inspirada de este gas. Con la intención de resolver este problema clínico, pertinente y relevante, desarrollamos el presente estudio de conceptualización, diseño, prototipado funcional y evaluación perceptual de un dispositivo integrado de micronebulización y control preciso de la fracción inspirada de oxígeno para el uso en humanos, al cual denominamos CONTROLizer.

Métodos

Diseño del dispositivo dual

Se diseñó un dispositivo que fue denominado con el acrónimo CONTROLizer (Controlled Oxygen Fraction Nebulizer), que en forma esquemática se muestra en la Figura 1. Inicialmente se realizó un diseño conceptual de un primer componente con base en las propiedades del efecto Venturi que permitiría controlar la fracción inspirada de oxígeno. Posteriormente se diseñó un segundo componente conceptual representado por un recipiente que permitiría obtener una micronebulización de soluciones. Estos dos componentes se analizaron individualmente y ensamblados mediante simulaciones tridimensionales de micronebulización mediante gas presurizado. Esta metodología permitió evaluar múltiples variantes morfológicas y su impacto tanto sobre el flujo de oxígeno como sobre la mezcla. Los cambios de flujo dentro del dispositivo (asumiendo igualdad de flujo de masa a la entrada y a la salida) dependieron principalmente del área de sección transversa.

Figura 1  Fundamentos del diseño conceptual de los dos componentes del dispositivo CONTROLizer. Esquema conceptual del nuevo sistema con aplicación dual, dada por el acople en serie de un dispositivo fundamentado en el principio Venturi con un dispositivo para micronebulización basado en aceleración de gas presurizado. El sistema así concebido fue denominado con el acrónimo CONTROLizer.  

Componente para mezcla de gases. En la Figura 2 se observa la geometría de los ocho dispositivos Venturi diseñados que mostraban el mejor comportamiento según los resultados del análisis de la mecánica de fluidos. La simulación mediante elementos finitos se inició con una operación de 'mallado' de cada pieza, lo que creó puntos estratégicos (nodos) de análisis, intercomunicados, los cuales formaban una red sobre la cual se evaluó el comportamiento del fluido. Este análisis se realizó con base en la geometría propia de cada dispositivo, sus parámetros de entrada, y las características físicas del fluido y del entorno ^8,9. Para tales efectos se utilizó el software especializado SolidWorks (SolidWorks, Dassaut Systèmes, SolidWorks Corporation, Delaware, Massachusets, USA). Se construyeron sendos prototipos funcionales mediante una impresión 3D utilizando como material el ácido poliláctico (PLA). La fase de estudio funcional incluyó la medición de la FiO₂ y sus cambios en cada dispositivo tras tres minutos de estabilidad en cada condición mediante un equipo con sensor galvánico de oxígeno (sensibilidad 0-100%, precisión >2%) (AII 2000^a-Oxygen Analyzer, Analytical Industries Inc., Pomona, CA, USA). El diseño seleccionado final de acuerdo con los criterios de eficiencia de control de mezcla de oxígeno-aire aparece en la Figura 2f.

Figura 2  Diseño de los dispositivos de tipo venturi y gráficas demostrativas de flujo interno. Figuras (a, b, c, d, e, f, g y h) representativas de los ocho mejores dispositivos de tipo Venturi que se obtuvieron entre una multitud de diseños conceptuales en software. Estos Venturi mostraban mayor eficiencia para obtener mezclas con fluido externo, menor recirculación, y menor turbulencia interna de acuerdo al diseño y estudio dinámico de fluidos bajo software especializado de análisis de elementos finitos (SolidWorks, Dassaut Systèmes, SolidWorks Corporation, Delaware, Massachusets, USA). A continuación se procedió al prototipado mediante impresiones en 3D (material ácido poliláctico) para realizar los estudios funcionales. Al culminar estas fases de estudio, el dispositivo (f) fue el que cumplía con todos los requisitos funcionales predefinidos para la eventual utilización en el escenario clínico. Para más detalles técnicos, favor dirigirse al texto y registro de patente del dispositivo.  

Componente para micronebulización de fluido. En cuanto al nebulizador, este consta de un recipiente donde se introduce el fármaco por nebulizar, y una tobera interna que genera la nube de gas debido a la aceleración del oxígeno (o aire) que se precipita al pasar por una menor área, localizada en el orificio de la parte superior. La aceleración del gas disminuye su presión al salir de la reducción del orificio, obteniéndose el efecto de succión del líquido contenido en el recipiente. Este líquido sube por capilaridad entre el pequeño espacio que existe entre la superficie de la tobera interna de la boquilla central del recipiente y la superficie interior del cono central de la pieza llamada tobera. El oxígeno es inyectado a una alta presión por el conducto de entrada que posee el recipiente del micronebulizador en su parte inferior. El recipiente del nebulizador incluye demarcación equivalente de 1, 2, 3, 4, 5 y 6 cc del líquido de acuerdo con el volumen del recipiente. Una vez definido el modelo conceptual se procedió a elaborar un modelo funcional del dispositivo para evaluarlo tanto en individuos sanos como pacientes voluntarios. Finalmente, con los resultados obtenidos en esta fase se elaboraron los moldes para inyección plástica y se continuó con la fase de producción.

Tabla 1  Relaciones entre el flujo de oxígeno y presión ejercida en el dispositivo CONTROLizer.  

Resultados

Prototipo funcional, validación y diseño definitivo del dispositivo CONTROLizer. El aspecto general del sistema y sus componentes se muestran en la Figura 3. El diseño del componente de micronebulización se basó en un recipiente, el cual implica alta presión continua del gas propelente para establecer flujo hasta de 10/min. El flujo de entrada ideal para la micronebulización de suero fisiológico se encuentra en el rango de 6-8/min (Figura 4). Las relaciones entre el flujo de gas y las presiones generadas dentro del dispositivo de micronebulización aparecen especificadas en la Tabla 1. El componente de regulación continua de la fracción de oxígeno se acopló en el extremo distal del recipiente. Se regula la FiO₂ de salida mediante un sistema de cierre de las ventanas laterales al Venturi entre 21-99%. Existen múltiples posiciones intermedias del elemento regulador que, al estar demarcados, permiten modificar y controlar la FiO₂ que se entrega al paciente. La FiO₂ se mantiene estable ante cambios de posición extremos entre verticalidad (90°) e inversión a 180° (cambio FiO₂<0,5%), así como ante el uso continuado durante horas. Para una descripción más detallada del dispositivo, el lector puede remitirse al documento de patente disponible en internet con acceso público ¹¹.

Figura 3  Aspecto general del dispositivo y sus componentes funcionales. Aspecto general del sistema de micronebulización con control de la fracción inspirada de O ₂ . Se muestran los tres elementos funcionales del dispositivo definidos como (a) conector a la tubuladura procedente de la fuente de gas a presión; (b) recipiente de micronebulización de las soluciones líquidas mediante aceleración de alta velocidad del gas propelente; y (c) elemento de control de la mezcla del gas propelente (aire comprimido u O ₂ ) con aire ambiental (FIO ₂ =0,21) para modificar la fracción de O ₂ que el dispositivo puede aportar al paciente. Para más especificaciones técnicas remitirse al apartado de Métodos. 

Figura 4  Fracción de O ₂ otorgada por el dispositivo ante flujos constantes de 6 y 8 l/min de O ₂ absoluto. Gráfico de dispersión que muestra la correlación de los valores de fracción de O ₂ otorgada por el dispositivo cuando se utiliza como propelente el O ₂ absoluto de una fuente hospitalaria convencional regulada mediante caudalímetros de pared. Mientras menor sea el grado de apertura de las toberas, menor es la entrada de aire ambiental (FiO ₂ =0,21) y viceversa, basado en el principio fundamental del efecto Venturi. Las fracciones inspiradas de O ₂ pueden ser modificadas desde un dintel mínimo de 21% hasta un máximo cercano al 100%. Los valores se ubican en su totalidad muy cercanos a la línea de identidad entre 6y 8 l/min. Estos resultados implican recomendar el uso del dispositivo en este rango de flujo entrante de O ₂ absoluto. Si el propelente es aire comprimido, la fracción de O2 será idéntica a la ambiental (0,21). Abreviaturas: Ref, fracción de O ₂ que se registra al utilizar aire comprimido; 1-7, codificación numérica arbitraria de las posiciones secuenciales de cierre de las toberas del dispositivo que permiten aumentar progresivamente la fracción entregada de O ₂ . 

Aspectos perceptuales y tolerancia del uso del dispositivo. La nebulización de suero fisiológico fue bien tolerada en todos los pacientes y no se presentaron cambios de relevancia clínica en las constantes vitales elementales de frecuencia cardiaca, presión arterial sistémica, frecuencia respiratoria, y saturación de la oxihemoglobina capilar. No se observaron cambios de relevancia clínica en ninguna de estas variables. Metodológicamente se exigió por consenso que el prototipo final se consideraría válido cuando obtuviera calificaciones perceptuales mayores al dintel mínimo predefinido en todos los dominios y todos los voluntarios (sanos y enfermos). En la escala de Osgood la media del valor perceptual de los siete dominios analizados fue 4.5+1.1 en voluntarios sanos y 5.1+0.9 en los enfermos. Resulta de interés que se detectaron diferencias en varios de los dominios evaluados a expensas de valores superiores en el grupo pacientes. En la escala de Likert, los valores medios de los dominios fueron de 3.1+0.9 en los voluntarios sanos, y 3.8+0.2 en los pacientes hospitalizados. También en este caso la estimación de la diferencia perceptual alcanzó significación estadística en diferentes dominios, con valores consistentemente mayores en el grupo pacientes. Para aportar un acercamiento en términos de comparabilidad de las dos escalas, se realizó una normalización de los valores en términos de porcentaje relativo al valor máximo posible en cada escala (Figura 5). En la escala Osgood, el promedio de las siete variables analizadas fue similar en ambas evaluaciones (5.1+0.9 en la primera y 5.5+ 0.3 en la segunda). En la misma línea, la escala Likert mostró un promedio acumulado para las siete variables de 3.8+0.2 u.a. en la primera medición, y 3.7+0.3 en la segunda medición (n.s). Estos resultados permiten considerar que las respuestas han sido concordantes intra-individualmente entre las dos mediciones. Un punto importante por resaltar es que se habían realizado previamente dos estudios perceptuales (datos no incluidos) con prototipos previos que denotaron calificación por debajo del dintel aceptable de 2 en el dominio de 'fugas o goteo'. Aunque los demás dominios fueron calificados siempre con valores >2 estos datos implicaron un rediseño y mejoras de construcción en el sistema de cierre del recipiente de los prototipos previos, lo que permitió resolver dichas fugas. En consecuencia, la última evaluación por duplicado del funcionamiento del prototipo obtuvo ya calificaciones medias muy por encima del dintel mínimo considerado previamente como aceptable.

Figura 5  Percepción de las características del dispositivo por parte de los individuos sanos y pacientes. Resultados normalizados (en términos de porcentaje respecto del máximo posible en la escala) de la percepción de las siete características del CONTROLIZER por parte de los usuarios (tanto sanos como pacientes). La figura incluye los resultados de las dos escalas utilizadas (Osgood y Likert). Es de resaltar que el 100% de las características evaluadas fueron calificadas por encima del valor mínimo aceptable, predefinido por el grupo investigador.  

Discusión

El presente estudio describe el proceso de invención, desarrollo y validación perceptual de un sistema dual de micronebulización con control preciso de la FIO₂, denominado CONTROLizer. Este dispositivo representa una solución razonable para la administración de tratamientos por vía inhalada y que permite mezclar de forma regulada aire con oxígeno durante el tiempo en que se nebulizan fármacos en solución. El sistema ha sido validado técnicamente en el laboratorio de bioingeniería demostrando una alta precisión y reproducibilidad en su funcionamiento. Además se ha comprobado la bondad del dispositivo en cuanto a aspectos perceptuales y seguridad, tanto en sujetos sanos como en pacientes ingresados en diversos niveles de atención.

Desde un punto de vista clínico, el resultado más relevante del presente estudio es que el uso del nuevo dispositivo otorga la posibilidad de controlar de forma precisa y permanente la fracción inspirada de oxígeno que se administra a los pacientes durante la micronebulización de fármacos ¹². Es posible que con esta forma de terapia se pueda prevenir el desarrollo de las complicaciones graves derivadas de la hipercapnia e hiperoxia en pacientes con enfermedades respiratorias. Esto es especialmente relevante, ya que no es posible identificar con precisión a los pacientes más susceptibles de desarrollar eventos adversos ante la administración de concentraciones elevadas de O₂. Algunos estudios previos de nuestro grupo (datos no publicados) han identificado que la hiperoxia iatrógena parece ser un aspecto fundamental en la evolución desfavorable de pacientes con EPOC grave descompensada, durante las primeras horas de atención. El oxígeno tiene efectos deletéreos a dosis elevadas sobre ciertos pacientes respiratorios ^13,14 y, sin embargo, este efecto es a menudo infravalorado en algunos ámbitos de atención (p.e. servicios de urgencias). Un aspecto complementario de asegurar una fracción inspiratoria de oxígeno preestablecida y constante, es su potencial impacto en el sistema de cobertura de salud, reduciendo el riesgo de que los pacientes requieran escalonamiento de las terapias respiratorias, así como prolongación de su estancia hospitalaria ¹⁵. Un segundo punto de interés clínico tiene que ver con la versatilidad del nuevo dispositivo en tres usos terapéuticos independientes o simultáneos. En primer lugar, el dispositivo permite administrar oxigenoterapia de forma más segura; segundo, permite la humidificación de secreciones en pacientes en que se haya indicado dicha medida; y tercero, permite la micronebulización de fármacos. Esta versatilidad deriva de que el dispositivo puede usarse para la oxigenoterapia de forma continuada sin incluir necesariamente la nebulización. Además, el sistema de humidificación convencional con vaso (adosado convencionalmente al caudalímetro de pared) también puede ser utilizado con el nuevo dispositivo. Una ventaja adicional del nuevo dispositivo es que puede utilizarse también conectándolo a compresores de aire ambiente para realizar la terapia respiratoria con humidificación y medicamentos nebulizados sin utilizar oxígeno como propelente. Por todo lo anterior, el nuevo dispositivo podría simplificar el manejo de los distintos elementos sin necesidad de intercambiar conexiones. Esto representará un consecuente ahorro en tubuladuras y disminución de los riesgos de la manipulación de las mismas.

Un tercer punto de interés clínico tiene relación con la posibilidad de aplicación del dispositivo en escenarios de diversos niveles de complejidad. Su sencillez permite el uso tanto en áreas de actividad asistencial especializada, como en recursos de asistencia ambulatoria y atención básica de salud en zonas urbanas o rurales. Elementos más prosaicos pero también importantes son la facilidad de manejo del dispositivo, sus elementos resistentes a la humedad, a los golpes y la corrosión, su solidez y reducido peso, la presencia de bordes romos en todos sus elementos, y su bajo coste. Por otra parte, los materiales plásticos utilizados cumplen con todas las normativas de bioseguridad para ser utilizados en seres humanos y pueden ser de un solo uso.

Cabe destacar que la evaluación de los aspectos perceptuales fue realizada tanto en voluntarios sanos como en pacientes hospitalizados. Además, estos últimos se hallaban ingresados en diversos niveles de complejidad de la atención (cuidados intensivos y sala de hospitalización convencional), correspondientes además a aquellos lugares en que suelen emplearse los dispositivos de oxigenoterapia y nebulización. Esto permitió disponer de las opiniones de sus potenciales usuarios en las diversas fases del diseño, lo que se complementó con la monitorización de las variables fisiológicas, permitiendo determinar el impacto y eventuales efectos adversos en términos objetivos. En cuanto a las dos escalas psicométricas hay que resaltar su validez en la evaluación perceptual de las características físicas y funcionales del dispositivo. Se trata de unas escalas robustas, utilizadas ampliamente en estudios de investigación psicométrica cualitativa ante un elemento definido. Sus mediciones en sistemas septuagesimal o sexagesimal permiten obtener elementos de evaluación tanto de percepciones como de sensaciones. Finalmente, otro punto por resaltar es la evidencia de que todos los voluntarios valoraron el prototipo final por encima del valor mínimo establecido previamente como válido. Esto permite asumir que no se requerían ya más modificaciones en sus características físicas (forma, tamaño, color, peso) o de funcionamiento (molestias, fugas). En conjunto se dispone así de una información funcional y perceptual robusta, que permite establecer que el diseño final del CONTROLizer es seguro, adecuado, suficiente, cómodo y práctico.

El presente estudio tiene algunas limitaciones que deben ser mencionadas. Aunque no disponemos aún de estudios farmacoeconómicos todo parece sugerir que el potencial impacto de la utilización del dispositivo no incrementará los costes asistenciales de la terapia respiratoria. Al contrario, puede disminuirlos al evitar complicaciones. Algunas de las limitaciones del presente estudio están representadas por la ausencia de información en cuanto al rendimiento del sistema de micronebulización en términos de distribución espacial de las partículas, diámetro de masa mediana aerodinámica, ni otros parámetros en cuanto a calidad del aerosol. Al igual que en los demás recipientes de micronebulización existentes, el componente de nebulización del dispositivo no incluye un sistema activo de recirculación o filtro para partículas de mayor tamaño. Finalmente, futuros estudios de coste-eficiencia tendrán un interés central para la eventual difusión del sistema, que ya ha sido patentado a nivel del país de origen.

Conclusiones

CONTROLizer es un dispositivo funcional y eficaz para el control de la fracción de O₂ inspirada durante la nebulización de soluciones de fármacos. Así mismo, el dispositivo es percibido en términos de cualidad y funcionamiento como adecuado y seguro por individuos sanos y pacientes ingresados tanto en salas de cuidados intensivos como de hospitalización convencional. Las complicaciones y accidentes durante su ensamblaje, carga y nebulización han sido nulos. En consecuencia, se trata de un dispositivo que puede ofrecer un sistema de oxigenoterapia segura y nebulización apropiada a pacientes con enfermedades respiratorias, tanto en régimen ambulatorio como institucionalizados.