Il ventilatore Meccanico Milano (MVM)

La rapida ed estesa diffusione dell’epidemia Covid-19 ha creato una domanda urgente di ventilatori su base globale, che supera le attuali capacità produttive nazionali e di approvvigionamento da altre nazioni, specialmente in alcune zone dalle quali le importazioni sono problematiche.

Questa esigenza ha motivato un team costituito da ricercatori, scienziati e imprese a sviluppare un progetto per un ventilatore meccanico chiamato MVM (Mechanical Ventilator Milano), dispositivo affidabile e facile da usare, che può essere prodotto rapidamente e su larga scala, utilizzando componenti disponibili sul mercato. L’idea alla base del progetto MVM è ispirata dal ventilatore ideato da Roger Manley nel 1961, che si basava sulla possibilità di utilizzare la pressione dei gas di una macchina anestetica come forza motrice di un semplice apparato per ventilare i polmoni dei pazienti.

Il ventilatore è basato sullo stesso principio di semplicità ma non utilizza un sistema di misurazione del volume fornito al paziente direttamente a ogni ciclo respiratorio; utilizza invece un sistema per misurare il flusso espiratorio di picco e medio. È basato su un sistema di vavole elettro-meccaniche e di sensori di pressione e di ossigeno, collegati a una centralina elettrica. Il cuore del dispositivo è costituito da un microcontrollore che implementa la logica per la gestione del processo respiratorio e dialoga con un chip che contiene un processore. La Graphic User Interface è fornita da un display LCD che provvede al monitor dei parametri del paziente e rende possibili le impostazioni del sistema da parte del personale medico. La fig. 1 mostra un’illustrazione del ventilatore MVM e il circuito di respirazione.

L’ampio spettro di conoscenze necessarie per costruire un ventilatore polmonare elettromeccanico vanno dalla medicina all’elettronica, dalla sensoristica alla sviluppo di software: è pertanto indispensabile per il successo dell’iniziativa la collaborazione tra un’ampia rete di organismi di ricerca e aziende attive nei settori pertinenti al progetto. Il progetto MVM è nato su idea e iniziativa di alcuni ricercatori della collaborazione internazionale Global Argon Dark Matter (GADM) impegnata in attività di ricerca sulla materia oscura, una componente invisibile dell’universo, con esperimenti ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN e nei laboratori canadesi di SNOLAB e TRIUMF. Sono impegnati nel progetto oltre 150 ricercatori provenienti da Italia, Canada, USA e vari paesi europei; per l’Italia attualmente partecipano fisici, ingegneri (meccanici, elettrici, elettronici) e medici provenienti da INFN, CNR, GSSI, otto atenei (Unibg, Unibs, Unimi, Unimib, Unina, Unipv, Unica e Uninsubria) e da sette industrie: Azpneumatica, Belpower, Caen, Camozzi, Elemaster, Nuclear Instruments e Saturn Magnetic.

Un prototipo del dispositivo MVM (fig. 2) è stato realizzato nelle settimane scorse presso l’azienda Elemaster sulla base delle raccomandazioni dei medici, in particolare pneumologi e anestesisti rianimatori. Il progetto è attualmente nella fase di svolgimento dei test, richiesti per le certificazioni CE e FDA (Food and Drug Administration), eseguiti da ricercatori italiani e di altri paesi. Il prototipo MVM utilizza un meccanismo di ventilazione a pressione controllata (PCV) e può essere utilizzato in due diverse modalità, indipendente o assistita dal paziente. Il sistema si collega direttamente a una linea di ossigeno medico pressurizzato e si basa sulla regolazione del flusso necessario per fornire una miscela di aria e ossigeno al paziente alla pressione adeguata. Le caratteristiche rilevanti dell’MVM sono:

a) Numero ridotto di componenti: l’MVM è costituito da valvole elettromeccaniche, un flussimetro per cure mediche per la regolazione diretta della portata massima, un umidificatore per ossigenoterapia, sensori di pressione e di ossigeno, valvole manuali e tubi di uso medicale. L’alimentazione di backup per il sistema di controllo è fornita da una batteria VDC;
b) Facilità di approvvigionamento: le parti necessarie per la costruzione dell’MVM sono state selezionate in base a quelle disponibili in molte nazioni a livello globale. Le parti selezionate sono inoltre caratterizzate dalla facilità d’uso nelle fasi di produzione e di assemblaggio del dispositivo su larga scala;
c) Semplicità costruttiva: il montaggio delle parti in un MVM completo sarà realizzabile sulla base di un piccolo set di istruzioni chiare. Il software è open source e disponibile per la personalizzazione da parte degli utenti finali;
d) Contenimento dei costi: la stima preliminare del costo totale dei componenti è incoraggiante se confrontata con il prezzo di mercato di questo genere di dispositivi;
e) Semplicità di installazione: il dispositivo richiede solo il collegamento a una linea di ossigeno in pressione e a un’alimentazione elettrica CA standard (220 V o 110 V); questa caratteristica rende possibile non solo l’uso in cliniche con sistemi centralizzati di fornitura di ossigeno e aria (ospedali COVID-19 o aree di assistenza COVID-19 negli ospedali generali), ma anche l’assistenza domiciliare e l’uso in ambulanze;
f ) Personalizzazione: grazie allo sviluppo di specifici algoritmi, l’MVM può operare in diverse modalità di ventilazione: indipendente e assistita dal paziente. I parametri operativi potranno essere regolati dall’operatore tramite una semplice interfaccia utente; inoltre, verranno implementati software in grado di aumentare la versatilità dell’interfaccia grafica e di offrire impostazioni personalizzabili al singolo paziente, con possibilità di controllo da remoto dei parametri del dispositivo;
g) Affidabilità: l’MVM è progettato per essere facilmente riparabile, sostituendo le singole parti eventualmente non funzionanti;
h) Consumo di ossigeno limitato: il consumo di ossigeno con questo dispositivo non supererà i 6 LPM.

Il risultato finale del progetto sarà la disponibilità di un ventilatore certificato e pronto per la produzione di massa in tempi rapidi. Le caratteristiche saranno definite anche sulla base dell’esperienza clinica effettuata con i prototipi mano a mano disponibili e con l’obiettivo di realizzare una macchina che possa seguire la cura del paziente COVID-19 dal primo all’ultimo giorno di degenza. Tutte le conoscenze prodotte dal progetto saranno messe a disposizione in modalità open access per garantire la più ampia possibilità di riproduzione del dispositivo senza vincoli di proprietà intellettuale.

L’esempio del ventilatore MVM sottolinea ancora una volta il ruolo strategico della ricerca di base nel nostro paese, che in tempi estremente brevi si è mobilitata per offrire un contributo concreto per affrontare questa emergenza. Nei momenti cruciali, grazie anche ai ricercatori e alle ricercatrici che normalmente si dedicano allo studio della fisica delle astroparticelle e delle particelle elementari, possono essere messe a disposizione del paese non solo le conoscenze ma anche le infrastrutture tecnologiche degli enti di ricerca e delle università. Oltre all’iniziativa MVM, diverse altre iniziative sono state sviluppate nelle ultime settimane per contrastare l’epidemia Covid-19: nell’INFN il CNAF ha messo a disposizione la propria potenza di calcolo e di data-storage per studi dedicati allo sviluppo di nuovi farmaci e alla comprensione dei meccanismi di formazione di alcune proteine legate alla diffusione di infezioni. Un gruppo di lavoro sta svolgento quotidianamente l’analisi statistica dei dati della pandemia, mentre ai Laboratori Nazionali del Sud sono stati realizzati, in collaborazione con l’Università di Catania, laboratori per la verifica delle qualità funzionali di tessuti destinati alla realizzazione di mascherine per la prevenzione del contagio. In questo contesto drammatico appare evidente, ancora una volta, l’impatto positivo sulla società degli investimenti nel settore ricerca ed è auspicabile che nella fase post-Covid ne venga tenuto conto.

Eugenio Scapparone
INFN, Sezione di Bologna