Betere beademing door zelflerende algoritmes TU Eindhoven

Alexander Pil
8 februari

Kunstmatige beademing met een beademingsapparaat kan voor patiënten die onvoldoende zelf kunnen ademhalen levensreddend zijn. TUE-werktuigbouwkundige Joey Reinders ontwikkelde zelflerende algoritmes waardoor het beademingsapparaat precies de juiste luchtdruk kan leveren en zich kan aanpassen aan de patiënt. Hij verdedigde zijn promotieonderzoek op vorige week aan de TUE-faculteit Mechanical Engineering.

De experimentele opstelling met beademingsmodule en patiëntsimulator van TUE-onderzoeker Joey Reinders.

Waar zijn collega’s bij ingenieursbureau Demcon zich aan het begin van de coronapandemie inzetten om binnen een maand een nieuw beademingsapparaat van tekentafel naar ziekenhuisbed te krijgen, was TUE-promovendus Reinders al bezig met nieuwe ontwikkelingen voor de volgende generatie beademingsapparatuur. In een combinatieproject van de TUE en Demcon onderzocht hij hoe een beademingsapparaat zich aan een patiënt kan aanpassen. Hoewel hij ruim voor de Covid-19-crisis van start ging, plaatst dat zijn beademingsonderzoek sindsdien toch in een ander perspectief.

Als een patiënt wordt beademd, brengt een beademingsmachine zuurstof in de longen en wordt koolzuurgas verwijderd. Veel patiënten op de intensive care worden kunstmatig beademd. Bij de start van zijn promotieonderzoek keek Reinders enkele dagen mee in het Erasmus MC op de afdeling van ic-baas Diederik Gommers en raakte nog gemotiveerder om betere beademingsapparatuur te ontwikkelen. ‘Er wordt op de ic ontzettend hard gewerkt. Door de coronapandemie heeft iedereen wel een beeld gekregen van de ic en het beademen’, zegt Reinders. ‘Het dreigende tekort aan beademingsapparatuur voor coronapatiënten hield lange tijd de wereld in zijn greep. De werkelijkheid is heftiger dan de beelden die je op het journaal voorbij ziet komen, op de IC balanceren patiënten op het randje van de dood. En ook al sta je als ingenieur niet rechtstreeks aan het bed, het laat wel zien hoe maatschappelijk relevant technologische ontwikkelingen zijn. Mijn onderzoek wordt vaak gekoppeld aan de coronapandemie, maar ook los daarvan hoop ik dat ik kan bijdragen aan het verlagen van de werkdruk op de ic en het verbeteren van de patiëntzorg.’

Ventilatortje

In de basis is een beademingsapparaat niet meer dan een klein ventilatortje dat lucht onder druk de longen inblaast, legt Reinders uit. ‘De arts stelt een specifiek drukprofiel in. Voor een inademing betekent dat een hogere druk, met een uitademing wordt de druk verlaagd. Voor een zo optimaal mogelijke behandeling van de patiënt is het belangrijk dat dit drukprofiel zo nauwkeurig mogelijk wordt gevolgd, zonder al te veel schommelingen.’

Daartoe verbeterde Reinders in eerste instantie de regeltechniek van het beademingsapparaat, zodat de door de arts ingestelde druk ook daadwerkelijk aan de patiënt wordt aangeboden. Een uitdaging, want de verscheidenheid aan patiënten is groot – van prematuur tot volwassene – met elk een eigen beademingsbehoefte. Vervolgens ging hij aan de slag met zelflerende algoritmes, om het apparaat te kunnen aanpassen aan de patiënt.

De techniek die Reinders hiervoor gebruikte heet repetitive control, dat kan leren van gemeten apparaatfouten tijdens eerdere ademhalingen en deze vervolgens in een aantal ademhalingen kan aanpassen. In simulaties met kunstlongen in een laboratorium-setting bleek dat met deze techniek het ingestelde drukprofiel nauwkeuriger kan worden gevolgd dan met de huidige beademingsapparatuur.

Ook ontwikkelde Reinders enkele zelflerende algoritmes die kunnen helpen bij het kiezen van de optimale behandeling voor gedeeltelijk zelf-ademende ic-patiënten. ‘Bij gesedeerde patiënten is de ademhaling heel regelmatig. Maar als de patiënt mee-ademt, is interactie met het apparaat des te belangrijker. De nieuwe algoritmes kunnen daarom de ademhaling van de patiënt inschatten en bepalen of patiënt en ventilator synchroon ademen.’

Autonome beademing

Reinders en zijn collega’s hopen dat deze zelflerende algoritmes de opstap kunnen zijn naar autonome beademing. ‘Kort gezegd betekent dat: de patiënt intuberen, het apparaat aanzetten dat bepaalt wat de beste behandeling is, totdat deze enkele dagen later het bericht geeft dat de patiënt van de beademing afgehaald kan worden.’

Ic-artsen en -verpleegkundigen zijn in eerste instantie niet zo happig op zelfsturende systemen en geven aan zelf de regie in handen te willen houden, merkte Reinders tijdens zijn meeloopdagen op de ic-afdeling van Gommers. Door de coronapandemie is daar verandering in gekomen en zijn specialisten gaan inzien dat apparatuur met meer autonomie de zorglast wel degelijk kan verlagen en tot een optimalere behandeling van de patiënt kan leiden. In een vervolgstudie werken onderzoekers van de TUE en Demcon nu met het Erasmus MC verder aan de zelflerende algoritmes van Reinders. ‘We streven gezamenlijk naar meer adem voor verpleegkundige én patiënt.’