La optimización basada en simulación determina el diseño más propicio para los concentradores de oxígeno – ScienceDaily

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A medida que los profesionales de la salud de todo el mundo brindan atención a las personas infectadas con el SARS-CoV-2 y sus muchas variantes, la escasez de oxígeno médico continúa teniendo un impacto profundo en los hospitales que ya se ha minimizado. Si bien los concentradores de oxígeno portátiles han proporcionado alivio a muchas personas con dificultades respiratorias, estas máquinas a veces no generan suficiente oxígeno médico para satisfacer las necesidades fluctuantes de un paciente con síntomas que empeoran y que requieren reingreso.

Anticipándose a la creciente necesidad de mejores concentradores de oxígeno a medida que avanza la lucha contra el COVID-19, los investigadores de la Universidad de Texas A&M han creado un marco computacional para diseñar el concentrador más óptimo para filtrar el aire ambiental y producir oxígeno que pueda adaptarse a la pregunta del paciente.

«La pandemia de COVID-19 ha causado un estrés significativo en nuestras instalaciones médicas y de emergencia y una ola de personas que requieren atención médica y los hospitales tienen equipos de ventilación limitados», dijo el Dr. Faruque Hasan, profesor asociado y Kim McDivitt. 88 y Phillip McDivitt ’87 profesores becarios en el Departamento de Ingeniería Química Artie McFerrin. «Pero podríamos prevenir algunos casos de hospitalización si diseñáramos un concentrador de oxígeno más avanzado, compacto y portátil con condiciones de funcionamiento flexibles para proporcionar todo el oxígeno que necesita el paciente».

Los investigadores observaron que los concentradores de oxígeno basados ​​en su diseño también ayudarían a quienes padecen otras afecciones respiratorias, como enfermedad pulmonar obstructiva crónica, neumonía y asma.

Una descripción del estudio apareció en línea en la revista Nature.Informes científicos.

A diferencia de los cilindros de oxígeno que proporcionan a los pacientes un suministro continuo de oxígeno puro, los concentradores de oxígeno portátiles eliminan el nitrógeno del aire ambiente. La eliminación de nitrógeno se debe a un proceso llamado adsorción, mediante el cual algunas especies de moléculas de aire quedan atrapadas en la superficie de los sólidos. Entre las muchas opciones disponibles para los adsorbentes, los materiales producidos de forma natural o sintética, conocidos como zeolitas, actúan como tamices, reteniendo nitrógeno y permitiendo el paso del oxígeno.

Pero a pesar de sus beneficios generales, los concentradores de oxígeno a menudo se diseñan con especificaciones fijas, lo que limita su uso para satisfacer las demandas de oxígeno causadas por un cambio en la condición o actividad médica de un paciente. Por ejemplo, las necesidades de oxígeno de un paciente pueden variar tanto en el caudal como en la pureza, y los concentradores de oxígeno actuales no se pueden utilizar para diferentes pacientes en el mismo entorno hospitalario que requieren una ventilación muy diferente.

«Idealmente, necesitamos un sistema que pueda cambiar rápidamente entre regímenes operativos para producir oxígeno bajo demanda, al tiempo que cumple con diferentes especificaciones de producto», dijo el Dr. Akhil Arora, ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Hasan y autor principal del estudio.

Para mejorar el diseño de los concentradores de oxígeno médico actuales, Arora primero seleccionó tres tipos de zeolitas – LiX, LiLSX y 5A – para su análisis. A continuación, ejecutó una simulación basada en la física que modeló diferentes propiedades de las zeolitas junto con las características del concentrador de oxígeno, incluido el tamaño de la cámara de adsorción y los diferentes pasos dentro del proceso de adsorción.

Luego, utilizando un grupo informático de alto rendimiento en Texas A&M, varió simultáneamente todas estas entradas de simulación para llegar al rango operativo óptimo que produciría un concentrador de oxígeno médico compacto, fácil de transportar y de alto rendimiento. Específicamente, descubrió que LiLSX funcionaba mejor que las zeolitas LiX y 5A, produciendo 90% de oxígeno puro a alta velocidad. Además, los investigadores encontraron que el sistema basado en LiLSX podría usarse para generar diferentes niveles de pureza de oxígeno y tasas de flujo.

Los expertos dijeron que su estudio también es un primer paso en la creación de sistemas ciberfísicos portátiles para uso doméstico que pueden modificar el suministro de oxígeno de acuerdo con las necesidades del paciente. Entonces, si un paciente requiere más oxígeno a medida que los síntomas empeoran, los algoritmos incorporados podrían analizar los datos de los sensores de oxígeno para predecir si se necesita más ventilación, pasar esa información a los médicos externos que luego pueden usar su juicio para modificar de forma remota la configuración en el concentrador de oxígeno médico.

«En este momento, se necesitan profesionales médicos para administrar oxígeno según el estado del paciente, por lo que no es posible realizar un seguimiento en el hogar», dijo Hasan. «Esperamos diseñar un concentrador de oxígeno médico más asequible, flexible y controlable que pueda proporcionar un suministro de oxígeno personalizado en el hogar».

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Universidad Texas A & M. Original escrito por Vandana Suresh. Nota: el contenido se puede cambiar por estilo y longitud.

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