كيف يعمل جهاز التنفس الصناعي؟

تعريف جهاز التنفس الصناعي:

جهاز التنفس الصناعي هو جهاز متطور لدعم الحياة مصمَّم لمساعدة أو استبدال التنفس التلقائي لدى الأفراد الذين يعانون من ضعف وظيفة الجهاز التنفسي، وتعمل هذه الآلة المعقدة من خلال نظام معقد من المكونات، مثل أجهزة الاستشعار والصمامات والمضخة الآلية التي يتم تنسيقها بواسطة خوارزميات متقدِّمة ودوائر إلكترونية.

الهدف الأساسي لجهاز التنفس الصناعي هو تنظيم توصيل الهواء والأوكسجين إلى رئتي المريض، والتحكم بدقة في المعلمات مثل ضغط الهواء، وحجمه في أثناء مرحلتي الشهيق والزفير.

يتم استخدام هذا الجهاز الذي يحافظ على الحياة في أماكن الرعاية الحرجة؛ إذ يستجيب ديناميكياً لاحتياجات المريض التنفسية من خلال الاعتبارات الرقمية، مثل القياسات بالملليمتر من الزئبق (mmHg) للضغط، والمليلتر (مل) للحجم، واللتر في الدقيقة (L/min) لمعدلات التدفق.

تؤدي أجهزة التنفس الصناعي دوراً حاسماً في الحفاظ على كمية كافية من الأوكسجين وإزالة ثاني أوكسيد الكربون، وهذا يجسد التقارب بين التكنولوجيا المتقدمة والعلوم الطبية والدقة العددية في توفير الدعم التنفسي الأساسي.

أهمية جهاز التنفس الصناعي:

تؤدي أجهزة التنفس الصناعي دوراً محورياً في طب الرعاية الحرجة، خاصةً في سياق دعم الجهاز التنفسي للمرضى الذين يعانون من ضائقة تنفسية حادة، وتكمن أهمية جهاز التنفس الصناعي في قدرته على تقديم تهوية ميكانيكية، وهذا يساعد الأفراد على التنفس عندما يتعرض نظامهم التنفسي للخطر.

يصبح هذا الجهاز الطبي المنقذ للحياة حاسماً في حالات مثل متلازمة الضائقة التنفسية الحادة (ARDS)، أو الالتهاب الرئوي، أو الحالات الأخرى التي تعوق التنفس الطبيعي، كما تتجلى أهمية أجهزة التنفس الصناعي في استخدامها على نطاق واسع خلال أزمات الصحة العامة، مثل جائحة (كوفيد-19).

خلال ذروة الوباء، احتاج ملايين الأفراد على مستوى العالم إلى دعم الجهاز التنفسي، وأصبحت أجهزة التنفس الصناعي لا غنى عنها في توفير دعم الحياة المتقدِّم لمن هم في حالة حرجة، ويؤكد الحجم الهائل لهذا الطلب على الدور الحاسم الذي تؤديه أجهزة التنفس الصناعي في الحفاظ على حياة الإنسان على نطاق غير مسبوق، وهذا قد يؤثر في ملايين المرضى في جميع أنحاء العالم.

إضافة إلى ذلك، فإنَّ تأثير أجهزة التنفس الصناعي يمتد إلى ما هو أبعد من الرعاية المباشرة للمرضى؛ إذ يساهم نشر أجهزة التنفس الصناعي مساهمة كبيرة في تعزيز مرونة البنية التحتية للرعاية الصحية، وهذا يسمح للمهنيين الطبيين بمعالجة الزيادات في حالات الجهاز التنفسي وتخفيف الضغط على أنظمة الرعاية الصحية.

لا تشمل الآثار طويلة الأمد لاستخدام جهاز التنفس الصناعي نتائج المرضى الفردية فحسب؛ بل تشمل أيضاً الرفاهية المجتمعية الأوسع، مع إمكانية التأثير في الإحصاءات الصحية وتخصيص موارد الرعاية الصحية على نطاق عددي هائل.

خطوات تصنيع جهاز التنفس الصناعي:

1. مواصفات التصميم:

وضع مواصفات تصميم شاملة، بما في ذلك البيانات الرقمية مثل الحدود المسموح بها داخل الميكروميتر للمكونات الهامة، واختبار الضغط حتى مئات المليمترات من الزئبق، ومعدلات التدفق التي تتم معايرتها بعشر لتر في الدقيقة.

2. اختيار المواد:

اختيار المواد ذات الخصائص العددية الدقيقة، مع الأخذ في الحسبان عوامل مثل المرونة، والمتانة، والتوصيل الحراري، وغالباً ما يتم تحديد هذه الخصائص بوحدات مثل "الميجاباسكال" (MPa)، و"الجيجاباسكال" (GPa)، والدرجات المئوية.

3. تصنيع المكونات:

استخدام تقنيات التصنيع الدقيقة، مع تحديد الشروط المسموح بها في التصنيع غالباً بالميكرومتر، فيجب تصنيع المكونات مثل الصمامات وأجهزة الاستشعار والمضخة الآلية بدقة تصل إلى أجزاء من المليمتر.

4. البرمجة الخوارزمية:

تطوير خوارزميات معقدة وبرمجة الدوائر الإلكترونية بدقة رقمية تصل إلى النقاط العشرية؛ إذ ستتحكم هذه الخوارزميات في التحكم التكيفي لجهاز التنفس في ضغط الهواء وحجمه وتركيز الأوكسجين.

5. عملية التجميع:

تجميع المكونات مع الاهتمام الدقيق بالتفاصيل الرقمية، وملاءمة جميع الأجزاء بسلاسة؛ إذ تُعَدُّ آليات التثبيت، ومواصفات عزم الدوران، وتفاوتات المحاذاة من الاعتبارات الرقمية الحاسمة.

6. اختبار مراقبة الجودة:

تنفيذ بروتوكولات اختبار مراقبة الجودة الصارمة، ومن ذلك اختبارات الضغط حتى مستويات زئبق ميللمترية محددة، واختبارات التدفق بدقة تبلغ أعشار اللتر في الدقيقة، والاختبارات الوظيفية للتحقق من صحة تزامن جميع المكونات.

شاهد بالفديو: 11 طريقة غير متوقعة للوقاية من نزلات البرد والإنفلونزا

تأثير جهاز التنفس الصناعي في حياة الإنسان:

1. التدخل المنقذ للحياة:

أجهزة التنفس الصناعي ضرورية للأفراد الذين يعانون من ضائقة تنفسية حادة، مثل المصابين بمتلازمة الضائقة التنفسية الحادة (ARDS) أو الالتهاب الرئوي، فإنَّها توفِّر التهوية الميكانيكية، وضمان الأوكسجين وإزالة ثاني أوكسيد الكربون، وهو أمر حيوي لاستدامة الحياة في المواقف الحرجة.

2. المضاعفات المحتملة:

على الرغم من فوائدها، إلا أنَّ أجهزة التنفس الصناعي قد تسبب مضاعفات، فالاستخدام المطول قد يؤدي إلى الالتهاب الرئوي المرتبط بجهاز التنفس الصناعي (VAP)، وهي حالة تتطور فيها العدوى في الرئتين بسبب وجود جهاز التنفس الصناعي، إضافة إلى ذلك، يوجد خطر حدوث تلف في الرئة، والصدمة الضغطية، والصدمة الحجمية، خاصةً إذا لم تتم إدارتها بعناية.

3. التأثير في وظيفة الرئة:

قد تؤثر التهوية الميكانيكية على وظيفة الرئة، وهذا قد يؤدي إلى إصابة الرئة الناجمة عن جهاز التنفس الصناعي (VILI)، وقد تنجم هذه الإصابة عن فرط تضخم الرئتين أو فتح وإغلاق الحويصلات الهوائية بشكل متكرر؛ إذ يسعى متخصصو الرعاية الصحية إلى تحقيق التوازن بين الحاجة إلى التهوية الكافية وتقليل الضرر المحتمل.

4. الإجهاد الفيزيولوجي:

قد يكون استخدام جهاز التنفس الصناعي مرهقاً للجسم، فقد يشعر المرضى بعدم الراحة، وقد تنطوي استجابة الجسم للتهوية الميكانيكية على تفاعل التهابي، فتُبذَل الجهود لإدارة التخدير وتقليل التوتر، مع إدراك أهمية راحة المريض عموماً.

5. المراقبة والتقدم:

المراقبة المستمرة أمر هام جداً لتقييم استجابة المريض للتهوية الميكانيكية، وتشتمل أجهزة التنفس الصناعي المتقدمة الآن على أنظمة مراقبة متطورة وأنماط تكيفية لتعزيز رعاية المرضى، وتحسين التوازن بين تقديم الدعم، ومنع المضاعفات المحتملة.

6. الرعاية الفردية:

يختلف تأثير جهاز التنفس الصناعي في صحة الإنسان اختلافاً كبيراً بين المرضى؛ إذ تساهم عوامل مثل العمر والظروف الصحية الأساسية والسبب المحدد للتهوية في النتيجة الإجمالية، وتُعَدُّ خطط الرعاية الفردية ضرورية لتخصيص إعدادات التنفس الصناعي واستراتيجيات الإدارة.

ميزات جهاز التنفس الصناعي:

1. أوضاع التهوية:

توفِّر أجهزة التنفس الصناعي أوضاع تهوية متنوعة مصمَّمة خصيصاً لتلبية احتياجات المرضى المختلفة، وتتضمن الأوضاع الشائعة التحكم المساعد، ودعم الضغط، والتهوية الإلزامية المتقطعة المتزامنة (SIMV)؛ إذ ينظم كل وضع التوقيت والضغط وحجم الأنفاس المقدَّمة للمريض.

2. التحكم في مستوى صوت المد والجزر:

تتيح هذه الميزة التحكم الدقيق في كمية الهواء التي يتم توصيلها مع كل نفس، فمن الضروري تخصيص التهوية بناءً على احتياجات الجهاز التنفسي للمريض، ومنع التضخم المفرط أو التهوية غير الكافية.

3. ضغط نهاية الزفير الإيجابي (PEEP):

يحافظ (PEEP) على ضغط إيجابي في الشعب الهوائية عند نهاية الزفير، وهذا يساعد على منع انهيار الرئة، وتحسين الأوكسجين، ويقلل من عمل التنفس، ويُعَدُّ ضبط (PEEP) أمراً حيوياً في إدارة حالات مثل متلازمة الضائقة التنفسية الحادة (ARDS).

4. التحكم في (FiO2):

يتيح إعداد جزء الأوكسجين الملهم (FiO2) تعديل تركيز الأوكسجين الذي يتم توصيله إلى المريض؛ إذ يُعَدُّ التحكم الدقيق أمراً ضرورياً لتجنب نقص الأكسجة أو تسمم الأوكسجين، خاصةً عند المرضى الذين يحتاجون إلى دعم جهاز التنفس الصناعي لفترة طويلة.

5. دعم الضغط:

يساعد وضع دعم الضغط على بذل جهود التنفس التلقائي من خلال توفير ضغط إضافي في أثناء الاستنشاق، وهذا يسهل الفطام من جهاز التنفس الصناعي ويوفر راحة المريض.

6. مشغل التدفق والحساسية:

يتيح تشغيل التدفق لجهاز التنفس الصناعي اكتشاف بدء المريض بالتنفس بناءً على تدفق الهواء؛ إذ تحدد إعدادات الحساسية مقدار الجهد الذي يحتاجه المريض لتشغيل جهاز التنفس الصناعي، ويؤدي ضبط هذه المعلومات إلى تحسين التزامن بين المريض وجهاز التنفس الصناعي.

عيوب جهاز التنفس الصناعي:

1. الانزعاج والتعب:

يسبب ارتداء جهاز التنفس الصناعي لفترات طويلة عدم الراحة والتعب، فقد يؤدي الختم المُحكَم المطلوب لتحقيق الفاعلية إلى الضغط على الوجه أو الأنف أو الرأس، وهذا يساهم في إرهاق مرتديه وتقليل الراحة.

2. تحديات التواصل:

تعوق أجهزة التنفس التواصل الواضح بسبب الكلام المكتوم وانخفاض رؤية تعبيرات الوجه، وفي أماكن العمل يكون التواصل الفعال ضرورياً للسلامة، فقد يشكل هذا القيد تحديات.

3. تراكم الحرارة:

يؤدي الاستخدام المطوَّل لأجهزة التنفس إلى تراكم الحرارة داخل القناع، وهذا يؤدي إلى عدم الراحة، وربما يساهم في الإجهاد المرتبط بالحرارة، خاصةً في البيئات الحارة والرطبة.

4. تراكم الرطوبة:

ينشئ التنفس في جهاز التنفس رطوبة داخل القناع، ومع مرور الوقت، قد تؤدي هذه الرطوبة إلى تهيج الجلد، خاصةً إذا تم ارتداء جهاز التنفس الصناعي لفترات طويلة دون انقطاع.

5. مجال الرؤية المحدود:

يمكن لأجهزة التنفس لكامل الوجه - على وجه الخصوص - أن تحد من مجال رؤية مرتديها، فقد يكون هذا القيد مصدر قلق في المواقف التي تكون فيها الرؤية المحيطية ضرورية للسلامة.

6. مشكلات الملاءمة والختم:

يُعَدُّ تحقيق الملاءمة والختم المناسب أمراً ضرورياً لفاعلية جهاز التنفس، فقد يواجه الأفراد الذين لديهم شعر في الوجه أو بعض ملامح الوجه صعوبة في تحقيق إغلاق مُحكَم، وهذا يعرض الحماية للخطر.

كيف يعمل جهاز التنفس الصناعي؟

1. أجهزة الاستشعار والحصول على البيانات:

تعمل أجهزة الاستشعار عالية الحساسية بدقة تصل إلى أعشار أو أجزاء من 100 على مراقبة المعلومات التنفسية للمريض بشكل مستمر، والكشف عن التغيرات في ضغط الهواء، ومستويات الأوكسجين، ومعدلات التدفق.

2. التحكم الخوارزمي:

تقوم خوارزميات متطورة مبرمجة بدقة تصل إلى النقاط العشرية بمعالجة البيانات من أجهزة الاستشعار في الوقت الفعلي، وتحدِّد هذه الخوارزميات ضغط الهواء الأمثل والحجم وتركيز الأوكسجين المطلوب لتلبية احتياجات الجهاز التنفسي للمريض.

3. تنظيم الصمامات:

تتحكم صمامات دقيقة تمت معايرتها للعمل بتفاوتات بالملليمتر في تدفق الهواء الداخل والخارج، وتضمن توصيل الأوكسجين بدقة في أثناء الاستنشاق وتسهيل إزالة ثاني أوكسيد الكربون في أثناء الزفير.

4. تشغيل المضخة الآلية:

تعمل المضخة الآلية ضمن نطاقات محددة لعدد الدورات في الدقيقة على توليد الضغط اللازم لتوصيل الهواء والأوكسجين إلى المريض؛ إذ تُعَدُّ سرعة المضخة وكفاءتها من العوامل العددية الحاسمة في الحفاظ على دعم الجهاز التنفسي.

5. تعديلات الضغط والحجم:

يقوم جهاز التنفس الصناعي بضبط ضغط الهواء ديناميكياً، وغالباً ما يتراوح بين 50-100 ملم زئبق، والحجم المقاس بالميليلتر، بناءً على الدورة التنفسية للمريض، وقد تم ضبط هذه التعديلات بدقة لتوفير تهوية فعالة.

6. التحكم في تركيز الأوكسجين:

يتم التحكم الدقيق في تركيز الأوكسجين، الذي يتراوح من 21% إلى 100%، من خلال آليات معايرة لتلبية الاحتياجات الفردية للمريض.

7. إدارة معدل التدفق:

تتم إدارة معدلات التدفق التي تقاس عادةً باللتر في الدقيقة (L/min) - وتتراوح من 5 إلى 20 لتراً في الدقيقة - بعناية؛ وذلك لضمان توفير إمدادات كافية من الأوكسجين مع تجنب المضاعفات مثل الرضح الضغطي.

في الختام:

إنَّ تشغيل جهاز التنفس الصناعي هو شهادة على دقة الهندسة الطبية وتطورها، ومن خلال التفاعل المنسق بعناية بين أجهزة الاستشعار والصمامات والمكونات الميكانيكية، تقوم هذه الأجهزة المنقذة للحياة بتكرار عملية التنفس المعقدة.

لا تقوم أجهزة التنفس الصناعي بتوصيل خليط متحكم فيه من الهواء والأوكسجين إلى رئتي المريض فحسب؛ بل تتكيف أيضاً مع الاحتياجات الفردية، وهذا يوفر الدعم الأساسي خلال المراحل الحرجة من الضائقة التنفسية.