เครื่องช่วยหายใจ (ventilator) สำหรับสู้ภัยโควิด-19 มีหลักการทำงานอย่างไร

6 สิงหาคม 2564

 

  

 

เครดิต https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/ventilatorventilator-support

 

       สถานการณ์การระบาดทั่วของโควิด-19 (COVID-19) ในประเทศไทยในกลางเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 2021 ค่อนข้างน่าเป็นห่วง มีผู้ติดเชื้อใหม่รายวันมากกว่าวันละหนึ่งหมื่นคนและมีผู้เสียชีวิตใหม่บางวันมากกว่าวันละหนึ่งร้อยคน ในผู้ป่วยเข้าขั้นวิกฤตต้องใช้เครื่องช่วยหายใจเป็นจำนวนมาก แต่เครื่องช่วยหายใจนั้นมีปริมาณจำกัดและมีราคาค่อนข้างสูง ซึ่งอาจจะไม่เพียงพอต่อจำนวนความต้องการ โรงพยาบาลบางแห่งเริ่มใช้หลักเกณฑ์การพิจารณาไม่ใส่ท่อช่วยหายใจ (withholding intubation) ข้อมูลจากเว็บไซต์ TPBS ณ เดือนเมษายน ค.ศ. 2020 ประเทศไทยมีเครื่องช่วยหายใจประมาณหนึ่งหมื่นเครื่อง ในบทความนี้จะอธิบายพื้นฐานหลักการทำงานของเครื่องช่วยหายใจและอธิบายว่ามันมีความสำคัญอย่างไร

 

       เครื่องช่วยหายใจ (ventilator) คืออุปกรณ์ทางการแพทย์ชนิดหนึ่งที่ช่วยในการนำอากาศที่สามารถใช้หายใจได้เข้าและออกจากปอดในร่างกายของผู้ป่วยที่ไม่สามารถหายใจเองได้หรือการหายใจไม่มีประสิทธิภาพเช่นผู้ป่วยโควิด-19 ที่มีอาการหนักหรือการเจ็บป่วยอื่นที่ทำให้เกิดภาวะการหายใจล้มเหลว (respiratory failure) ซึ่งเรามักพบอุปกรณ์นี้ตั้งอยู่ในหน่วยรักษาพยาบาลผู้ป่วยขั้นวิกฤต (ICU)

 

       เพื่อที่จะทำให้เราเข้าใจหลักการทำงานของเครื่องช่วยหายใจ เราควรมาทำความเข้าใจเรื่องความดันกันก่อน ความดันในทางฟิสิกส์หมายถึงขนาดของแรงที่กระทำตั้งฉากต่อ 1 หน่วยพื้นที่ของพื้นที่ผิว หน่วยของความดันเป็นนิวตันต่อตารางเมตรหรือพาสคัลในระบบเอสไอ ความดันเป็นปริมาณสเกลาร์ นั่นหมายความว่ามันไม่มีคุณสมบัติทางทิศทาง ความดันของบรรยากาศในระดับน้ำทะเลนั้นมีค่า 1.0*10^5 พาสคัล ขณะที่โดยปรกติความดันอากาศในยางของล้อรถยนต์มีค่าประมาณ 2.0*10^5 พาสคัล โดยเราสามารถเขียนสมการของความดันได้เป็น

 

                   (1)

                                                   

โดย p,F,A คือความดันมีหน่วยเป็นพาสคัล แรงมีหน่วยเป็นนิวตันและพื้นที่นิยมใช้หน่วยตารางเมตร ตามลำดับ

 

 

ปอดเหล็ก (iron lung) เป็นเทคนิคที่นิยมใช้กับผู้ป่วยในอดีต

เครดิต https://www.theguardian.com/society/2020/may/26/last-iron-lung-paul-alexander-polio-coronavirus

 

       เครื่องช่วยหายใจใช้ความรู้เรื่องความดันนี้เองมาช่วยในการนำอากาศที่สามารถใช้หายใจได้เข้าและออกจากปอดในร่างกายของผู้ป่วย มี 2 วิธีหลักคือ 1.เทคนิคการใช้ความดันลบ ซึ่งเทคนิคนี้นิยมใช้กันในสมัยก่อนโดยสร้างวัตถุแบบหุ้มปิดครอบทั้งตัวของผู้ป่วยตั้งแต่คอลงไปสร้างเป็นห้องอากาศและสูบอากาศภายในนั้นออกทำให้มันจะช่วยลดความดันอากาศด้านในห้องอากาศ เวลาผู้ป่วยหายใจก็จะทำให้ช่องอก (chest cavity) ช่องในทรวงอกซึ่งมีอวัยวะสำคัญคือปอดสามารถขยายตัวได้ง่ายขึ้นกว่าเดิม ความดันลบในที่นี้หมายความว่าความดันด้านนอกมากกว่าความดันด้านในห้องอากาศ แต่ปัญหาของวิธีการนี้คือมันเป็นอุปกรณ์ขนาดใหญ่และการสร้างวัตถุครอบตัวผู้ป่วยไว้ทำให้ดูแลรักษาผู้ป่วยลำบาก ในสารคดีเราอาจเคยเห็นเป็นอุปกรณ์ที่เรียกว่าปอดเหล็ก (iron lung) แต่ปัจจุบันไม่นิยมกันแล้วนิยมใช้อีกวิธีกันมากกว่าคือ 2.การสูบอากาศเข้าไปในปอดโดยใช้เครื่องช่วยหายใจความดันบวก คือสูบอากาศผ่านเข้าไปในหลอดลมและเข้าไปในปอดของผู้ป่วยโดยใช้ความดันอากาศเป่าอากาศที่มีแก๊สออกซิเจนเพิ่มมากขึ้นกว่าปรกติเข้าไป (ในอากาศปรกติมีออกซิเจนอยู่ประมาณร้อยละ 21) และเครื่องช่วยหายใจยังยอมให้ผู้ป่วยหายใจออก ทำให้ผู้ป่วยได้รับแก๊สออกซิเจนและขับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาเกิดวงจรการหายใจเข้าและการหายใจออก ในกรณีที่ผู้ป่วยไม่วิกฤตมากจะสามารถใช้หน้ากากได้ แต่ในกรณีผู้ป่วยที่มีอาการหนักจะต้องใช้การใส่ท่อช่วยหายใจโดยใช้ท่อหลอดลมคอ (endotracheal tube) ซึ่งในกรณีของผู้ป่วยโควิด-19 มักจะเป็นกรณีนี้ หรืออีกกรณีหนึ่งคือการเจาะคอ (tracheotomy)

 

 

กระบวนการทำงานของเครื่องช่วยหายใจเบื้องต้น

เครดิต https://www.cbc.ca/news/canada/british-columbia/ventilator-faq-covid-19-1.5515678

 

       โดยส่วนประกอบของเครื่องช่วยหายใจนี้จะมีหน้าจอแสดงผล อ่านที่ตรวจจับได้ต่างๆจากร่างกายและสัญญาณชีพแสดงผลอย่างต่อเนื่องบนหน้าจอขณะผู้ป่วยหายใจ มีพัดลมควบคุมการไหลของอากาศ มีตัวควบคุมออกซิเจนของอากาศ มี humidifier ซึ่งจะเพิ่มอุณหภูมิและความชื้นของอากาศให้เหมือนกับอุณหภูมิของผู้ป่วย ท่ออากาศไหลเข้าและท่ออากาศไหลออกที่ป้องกันไวรัสหรือเชื้อโรคอื่นๆไม่ให้ออกไปสู่อากาศภายนอก

 

       เครื่องช่วยหายใจยังมีระบบการป้องกัน โดยมีการส่งสัญญาณเตือนในกรณีเช่นอากาศรั่วไหล ปัญหาพลังงานไฟฟ้า หรือในกรณีที่เกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์ต่างๆของผู้ป่วยเช่น อัตราการหายใจ ค่าpeak inspiratory pressure ปริมาตรอากาศที่ไหลเข้าและออกจากปอดต่อการหายใจ 1 ครั้ง (tidal volume) ปริมาตรอากาศที่หายใจเข้าหรือออกทั้งหมดใน 1 นาที (respiratory minute volume) โดยเราสามารถตั้งการเตือนเฉพาะค่าลิมิตบน (upper limit) ค่าลิมิตล่าง (lower limit) หรือทั้งค่าลิมิตบนและค่าลิมิตล่างก็ได้

 

       โดยในการหายใจจะมีกลไกการควบคุมแก๊สในการหายใจเข้าไม่ให้เกิดค่าที่กำหนดไว้เพื่อให้มีการหยุดจ่ายแก๊สเพื่อเปลี่ยนเป็นการหายใจออก เมื่อผู้ป่วยมีการหายใจเข้า เครื่องช่วยหายใจจะตรวจจับได้โดยอาจจะใช้การตรวจสอบค่าความดันลบตามที่ตั้งกำหนดไว้หรือเวลากำหนดไว้หรืออัตราการไหลของอากาศตามที่กำหนดไว้ โดยระยะการหายใจเข้าเครื่องช่วยหายใจก็จะตรวจสอบไม่ให้เกินค่าที่กำหนดไว้โดยอาจจะดูจากปริมาตร ความดัน หรืออัตราการไหลของอากาศที่หายใจ เมื่อผู้ป่วยหายใจออกวาล์วการหายใจออกก็จะเปิดจนกระทั้งถึงระยะการสิ้นสุดการหายใจออก วาล์วการหายใจออกก็จะถูกปิด

 

 

ชนิดของการบำบัดด้วยออกซิเจน (oxygen therapy) หรือออกซิเจนเสริม

เครดิต https://www.aljazeera.com/news/2021/5/11/covid-19-why-how-and-when-is-medical-oxygen-used

 

       เครื่องช่วยหายใจทำให้ผู้ป่วยยังสามารถหายใจต่อไปได้ แต่ไม่ได้ช่วยรักษาโรคแต่มันช่วยเพิ่มเวลาให้กับผู้ป่วยในการต่อสู้กับโควิด-19 ซึ่งจากรายงานของ Intensive Care National Audit and Research Centre ของประเทศอังกฤษบอกว่ามีผู้ป่วยที่ใช้เครื่องช่วยหายใจร้อยละ 66 จะเสียชีวิตนี่ถือว่าเป็นอัตราส่วนที่ค่อนข้างสูง แต่ในปัจจุบันมีวัคซีนโควิด-19 ออกมาแล้วซึ่งน่าดีใจที่การฉีดวัคซีนจะช่วยลดความเสี่ยงในการติดเชื้อ การเจ็บป่วยเข้าโรงพยาบาลและการเสียชีวิตได้ สุดท้ายนี้ผู้เขียนหวังว่าวิกฤตโควิด-19 นี้จะสิ้นสุดลงโดยเร็วและเราทุกคนจะผ่านพ้นวิกฤตนี้ไปด้วยกัน

 

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์

 

นักศึกษาระดับปริญญาเอก

ภาควิชาฟิสิกส์คณะวิทยาศาสตร์

มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

 

อ้างอิง

 

https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/ventilatorventilator-support

https://www.usatoday.com/in-depth/news/2020/04/10/coronavirus-ventilator-how-works-why-covid-19-patients-need/2942996001/

https://www.bbc.com/news/health-52036948

https://youtu.be/yDtKBXOEsoM

https://news.thaipbs.or.th/content/291130

http://www.thaiphysoc.org/article/246

http://www.chulalongkornhospital.go.th/nurse/images/CARDIOVASCULAR_NURSING/Ventilator/Ventilator_New-GN_2015.pdf

 

แหล่งที่มา : thaiphysoc

บทความย้อนหลัง

เครื่องช่วยหายใจ (ventilator) สำหรับสู้ภัยโควิด-19 มีหลักการทำงานอย่างไร


หน้ากากผ้า


ฟิสิกส์ของการผัดข้าวผัด


ภาวะโลกร้อน: มุมมองเชิงฟิสิกส์


สนามแม่เหล็กโลก – สลับขั้ว?


ไฟฟ้ากับแมลง


กราฟีน : วัสดุมหัศจรรย์ประโยชน์อนันต์


การกำจัดขยะด้วยพลาสมาร้อน


คาร์บอน-14


ดวงอาทิตย์กับกลศาสตร์ควอนตัม


กลศาสตร์ควอนตัมในชีวิตประจำวัน


การบำบัดรักษาด้วยลำอนุภาคโปรตอน (Proton Therapy)


เรื่องของหลอดไส้


เตาอบไมโครเวฟ


เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารอบตัวเราที่ชื่อว่าไวฟาย (WiFi)


ประกวดออกแบบตราสัญลักษณ์ ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์


ฟิล์มกันความร้อนติดรถยนต์


ฟิสิกส์ของรถจักรยาน


วิธีคลายร้อนให้เมือง


ทำไมคนเราถึงเดินแกว่งมือ


แอลอีดีความเข้มสูง (High Brightness LED)


บทความทั้งหมด