Los ventiladores mecánicos se utilizan para ventilar artificialmente los pulmones de pacientes que no pueden respirar de forma natural. Los ventiladores mecánicos utilizan una variedad de componentes sofisticados, como microprocesadores, válvulas servo controladas de respuesta rápida y transductores de precisión, para llevar a cabo la tarea de ventilar los pulmones. Se pueden clasificar a los ventiladores en dos grandes grupos. El primer grupo abarca los ventiladores de cuidados intensivos utilizados principalmente en hospitales para apoyar a pacientes después de ciertos procedimientos quirúrgicos o para ayudar a pacientes con trastornos respiratorios agudos. El segundo grupo incluye máquinas menos complicadas que se utilizan principalmente en el hogar para tratar a pacientes con trastornos respiratorios crónicos.

El nivel de diseño y sofisticación de los ventiladores de cuidados intensivos es mayor que el de los ventiladores utilizados para el tratamiento crónico. Muchos de los conceptos de ingeniería empleados en el diseño de ventiladores de cuidados intensivos también pueden aplicarse en las unidades de tratamiento crónico más simples.

Fig. 1: Pulmón de acero tipo Drinker en Londres, 1930s. Atribuciones a Science Museum Group Collection.

Los casos de poliomielitis (polio) comenzaron a aumentar a proporciones epidémicas en Europa y América del Norte, alcanzando su punto máximo en los Estados Unidos en 1952, con 57,628 casos en un año. Uno de los peores síntomas de la polio aguda era la parálisis muscular. Si la parálisis afectaba a los músculos del pecho, el paciente no podía respirar por sí mismo.

Philip Drinker y Louis Agassiz Shaw, ambos investigadores de la Escuela de Salud Pública de Harvard, inventaron el primer pulmón de acero. Desarrollaron este respirador mecánico, también conocido como el respirador Drinker, a principios de la década de 1920. El pulmón de acero desempeñó un papel crucial al proporcionar apoyo respiratorio a personas afectadas por la poliomielitis (polio) y otras condiciones que causaban parálisis respiratoria. El dispositivo utilizaba cambios en la presión del aire para ayudar a la respiración del paciente y se convirtió en una tecnología que salvó vidas durante las epidemias de polio.

El pulmón de acero es específicamente un ventilador de presión negativa. En este diseño de ventilador, el flujo de aire hacia los pulmones se crea generando una presión negativa alrededor de la caja torácica del paciente. La presión negativa hace que las paredes torácicas se expandan hacia afuera, aumentando el volumen intratorácico y reduciendo la presión dentro de los pulmones.

Fig. 1: Pulmón de acero tipo Emerson, 1960. Atribuciones a CDC Public Health Image Gallery.

El gradiente de presión entre la atmósfera y los pulmones provoca el flujo de aire atmosférico hacia los pulmones. Las fases inspiratoria y espiratoria de la respiración se controlan mediante el ciclo de la presión dentro de la cámara corporal, alternando entre un nivel subatmosférico (inspiración) y el nivel atmosférico (exhalación). El flujo de la respiración saliendo de los pulmones durante la exhalación se produce debido al retroceso de los músculos torácicos.

En 1931, John Haven Emerson mejoró el diseño del 'Drinker' al facilitar el acceso al paciente. Hizo que la cama se deslizara dentro y fuera del gabinete y añadió puertos a los lados para permitir el acceso al paciente sin pérdida de presión de aire. Drinker y la Universidad de Harvard consideraron que el respirador de Emerson era demasiado similar al original y demandaron a Emerson por infringir sus patentes. En el tribunal, los abogados de Emerson demostraron que todas las tecnologías utilizadas por Drinker ya existían y, por lo tanto, no podían ser patentadas. Emerson ganó el caso y todas las patentes fueron declaradas inválidas. El juez también estuvo de acuerdo con Emerson en que una tecnología que salvaba vidas debería ser compartida por todos.

Cuando estalló una epidemia de polio en Australia en 1937, el costo de comprar y transportar los respiradores Drinker desde Estados Unidos era tan alto que el Departamento de Salud de Australia del Sur le pidió al ingeniero biomédico Edward Both que ideara una alternativa más económica. El respirador Both estaba hecho de contrachapado. No solo era económico, sino también más fácil de construir y transportar.

Fig. 1: Pulmón de acero tipo Both, 1950-1955. Atribuciones a Science Museum Group Collection.

Después del desarrollo de una vacuna efectiva contra la polio en la década de 1950, los casos de infección disminuyeron drásticamente, reduciendo la necesidad de las antiguas máquinas pulmón de acero en hospitales. Estas fueron reemplazadas gradualmente por ventiladores modernos, utilizados actualmente en unidades de cuidados intensivos y salas de emergencia. A diferencia de las máquinas de pulmón de acero, los ventiladores permiten un acceso completo al paciente y monitorean y registran sus signos vitales.

Además de su uso en pacientes polio, los ventiladores también se han utilizado en cirugías desde la década de 1950. Los cirujanos, al utilizar medicamentos para relajar los músculos durante las operaciones, necesitaban ventiladores para garantizar la continuidad de la respiración del paciente. En general, los ventiladores han evolucionado y se han convertido en dispositivos esenciales en entornos médicos para brindar soporte respiratorio y monitorear la salud de los pacientes.

Los ventiladores modernos son máquinas compactas ubicadas junto a la cama del paciente, y se denominan Sistemas de Ventilación a Presión Positiva (PPVS). Estos sistemas implican el envío de aire directamente a los pulmones del paciente a través de la intubación de las vías respiratorias. Curiosamente, las raíces del sistema moderno de ventilación se remontan a las epidemias de polio. El primer dispositivo PPVS fue creado en Copenhague, Dinamarca, en respuesta a un brote de polio en 1952.