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Novedoso ventilador entrega más que oxígeno

Desde la computadora Apple hasta la aspiradora Dyson y los dibujos animados de Disney, a veces se hacen inventos novedosos, no en el laboratorio o el lugar de trabajo, sino en el garaje. Tal fue el caso de los investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah (Kaust), el Dr. Adnan Qamar y Ahad Syed, cuyo ventilador de mochila, Ventibag, se desarrolló en el garaje de Qamar en el apogeo de la pandemia en 2020. Con los laboratorios de la Universidad en hibernación En ese momento, trasladaron las operaciones al hogar para trabajar en un novedoso diseño de ventilador respetando las medidas de seguridad y el distanciamiento social.

La unidad respiratoria móvil está diseñada para ayudar a los pacientes que padecen enfermedades pulmonares. Funciona extrayendo y entregando oxígeno puro de la atmósfera a niveles personalizados según las necesidades de las personas. Se diferencia de otros ventiladores en que tiene una escala para ser portátil y utiliza tecnología y sensores de Inteligencia Artificial (IA) en tiempo real para monitorear las condiciones fisiológicas y ajustar el soporte. Los datos vitales se cargan en la nube con transmisiones en vivo para los médicos que tienen acceso para realizar ajustes en tiempo real o proporcionar comentarios sin estar realmente con el paciente.

El prototipo es el resultado del Desafío de innovación Kaust Covid-19, un desafío de $ 20,000 ofrecido en junio de 2020 por Kaust Innovation para que los miembros de la comunidad universitaria desarrollen “soluciones innovadoras a los desafíos enfrentados durante la pandemia”. La propuesta de Qamar y Syed fue una de las seis que recibieron el premio.

Con el producto final completado y una patente pendiente, los investigadores ahora están avanzando el trabajo a la etapa de prueba para aplicaciones médicas.

Las habilidades complementarias de los dos colaboradores le dan a su invención la ventaja necesaria para el éxito. Qamar tiene experiencia en ingeniería biomédica y mecánica y trabaja como especialista en modelado de sistemas y datos en el Centro de Reutilización y Desalación de Agua de Kaust. Su experiencia dio forma al diseño del sistema del ventilador, el análisis de datos de parámetros críticos y los patrones de datos aplicados al aprendizaje automático efectivo. Syed se especializa en electrónica y sistemas eléctricos, y es uno de los líderes del equipo en el Laboratorio de Núcleo de Nanofabricación de Kaust. Avanzó el hardware del sistema mientras lo programaba para una extracción y redistribución eficiente del gas.

En los hospitales, el oxígeno se canaliza a los pacientes a través de puertos integrados en el edificio. Los médicos asistentes monitorean constantemente las condiciones fisiológicas de los pacientes y ajustan la configuración en consecuencia, un arreglo que, según Qamar, hace que los pacientes dependan tanto de la instalación como del personal.

La carcasa del VENTIBAG está dividida en dos compartimentos: la parte superior contiene la unidad de generación de oxígeno, que también se puede operar manualmente a través de diferentes niveles de configuración. La parte inferior encapsula el sistema electromecánico que se controla mediante una pantalla táctil. En el lado derecho de la pantalla táctil, las condiciones fisiológicas del paciente se monitorean en vivo a través de varios sensores instalados. El sistema también rastrea todos los parámetros vitales en términos de gráficos visuales, indicativos de control de hardware de IA. Todos los datos de transmisión se pueden registrar en la nube para el entrenamiento en línea de redes neuronales profundas

El primer desafío para desarrollar un sistema independiente fue para Qamar y Syed diseñar un dispositivo que pudiera producir oxígeno por sí mismo. Para ello, la pareja personalizó una tecnología (Pressure Swing Absorption) que genera oxígeno in situ para aerolíneas comerciales, y también se utiliza en otros procesos industriales.

Un componente principal en el diseño de Ventibag es un material natural llamado zeolita, cuya estructura porosa actúa como un tamiz para filtrar los gases. Cuando se introduce aire a presión en un cilindro, la zeolita absorbe el nitrógeno. Qamar y Syed idearon una forma de eliminar el nitrógeno, dejando un gas comprimido que es 95-96% de oxígeno. El resultado es una unidad pequeña que funciona silenciosamente y suministra oxígeno puro en el lugar según sea necesario.

La inteligencia artificial es la novedad. El aprendizaje automático fue su solución para reemplazar a un médico en el lugar por tecnología inteligente. Construyeron un controlador de inteligencia artificial con dos redes neuronales profundas (DNN): una para leer e interpretar los datos recibidos de los sensores de un paciente; el segundo para administrar la configuración del hardware.

Comparó esta tecnología con otras unidades de oxígeno que suministran oxígeno puro, pero de forma indiscriminada, no en función de la necesidad, y que, como resultado, pueden dañar a las personas de forma inadvertida. Además, los tanques cilíndricos convencionales que muchas personas usan en sus hogares no generan oxígeno, y los tanques deben reemplazarse cuando se agota el oxígeno. La falta de acceso al oxígeno fue uno de los problemas que se enfrentaron en India (el país de origen de Qamar y Syed) durante la segunda ola pandémica, cuando cientos de pacientes afectados murieron en las calles.

La enfermedad pulmonar es la tercera causa principal de muerte en todo el mundo. En este sentido, Qamar y Syed ven la necesidad de su máquina más allá del impacto de Covid-19, especialmente en áreas remotas, como comunidades rurales o zonas de guerra donde la experiencia y los recursos pueden no estar fácilmente disponibles.

La finalización de la carcasa y el hardware fue un logro importante para Qamar y Syed hacia la certificación.

Debido a que Ventibag es una máquina de vida o muerte, se necesita un estricto cumplimiento de las regulaciones para garantizar su seguridad y funcionalidad. La adquisición de datos del paciente es el siguiente paso esencial. Con este fin, están trabajando con médicos para obtener datos de referencia, que usarán para refinar los parámetros del sistema de inteligencia artificial.

Los calibradores de pulmón son máquinas que replican la respiración humana. Comenzarán con calibradores y luego avanzarán a animales y humanos, un proceso que requerirá fondos y tiempo adicionales.

Más información: KAUST

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