Valutazione del rebreathing di CO2 in pazienti ventilati in maniera non invasiva: un approccio computazionale = Evaluation of CO2 rebreathing in non-invasively ventilated patients: a computational approach

Con la comparsa del SARS-CoV-2, la ventilazione non invasiva (Non Invasive Ventilation, NIV) si è rivelata uno strumento importante per i pazienti con sindrome da distress respiratorio acuto. Alcuni studi hanno dimostrato che in Italia circa il 50% dei pazienti trattati con NIV ha evitato la necessità di una ventilazione meccanica invasiva. Il rischio di diffondere infezioni utilizzando ventilatori meccanici ha portato allo sviluppo di un dispositivo a circuito chiuso per la ventilazione a pressione positiva continua (Continuous Positive Airway Pressure, CPAP) non invasiva. Questa tecnologia era già utilizzata in campo anestesiologico e ha migliorato le prestazioni della NIV, riducendo al minimo la contaminazione ambientale da virus e il consumo di ossigeno e aumentando la percentuale di FiO2. Tuttavia, il rebreathing di CO2 è uno dei principali rischi legati alla NIV, soprattutto con un sistema a circuito chiuso, in quanto può causare distress respiratorio e complicazioni fisiologiche. La geometria dell'interfaccia e la posizione delle porte di espirazione possono influenzare la percentuale di CO2 ri-respirata. Questo lavoro propone uno studio di fluidodinamica computazionale (Computational Fluid Dynamics, CFD) per caratterizzare accuratamente il flusso del fluido nell'interfaccia di una maschera total-face. Il design della maschera è stato ricostruito con uno scanner 3D ed è stato poi perfezionato con Ansys SpaceClaim 2023 R1. Sono state studiate due configurazioni: quella originale, con la porta di espirazione e quella di inspirazione nella stessa posizione sulla parte frontale della maschera, e quella modificata, con due porte differenti per l'afflusso e il deflusso. Anche la testa è stata scansionata in 3D a partire da un manichino, e successivamente è stato aggiunto ad essa un tubo a simulare la trachea, collegato all'apertura della bocca. Le narici non sono state prese in considerazione, poiché nella ventilazione CPAP la maggior parte del flusso d'aria passa attraverso la bocca, mantenuta aperta dalla pressione positiva. È stata quindi generata una mesh (prima bidimensionale, poi tridimensionale) con Hypermesh 2022.3, svolgendo un'analisi di sensibilità per selezionarne le dimensioni corrette. La modellazione del flusso d'aria è stata eseguita ipotizzando un flusso transitorio attraverso le vie aeree della bocca, utilizzando il codice commerciale CFD Ansys Fluent 2023 R1. Un ciclo respiratorio è stato analizzato dopo diversi cicli per garantire la stabilizzazione della distribuzione dei gas all'interfaccia. È stata quindi studiata la distribuzione dell'anidride carbonica, con particolare attenzione alla zona della bocca. Parametri come la percentuale media di CO2 all'interfaccia e la percentuale di CO2 inalata durante la fase inspiratoria sono stati scelti per analizzare il flusso d'aria al fine di studiare le prestazioni dei dispositivi. Il lavoro mira a verificare se il design modificato della maschera possa ridurre la ri-respirazione di CO2 rispetto al modello originale e anche rispetto ai risultati ottenuti in altri studi in silico con interfacce diverse, come i caschi. È stato inoltre importante considerare che non sempre il rebreathing di CO2 porta a esiti patologici, quindi è stato esaminato in letteratura quali siano i limiti fisiologici che prevengono il distress respiratorio: è stata scelta una soglia che definisce il massimo rebreathing accettabile per esposizioni superiori alle 8 ore pari all'1%.