Evaluación de una Técnica de Nebulización para la Administración de Surfactante en la Población Neonatal. Establecimiento de las Pautas para el Diseño de un Nuevo Dispositivo.

The current treatment to cure neonatal Respiratory Distress Syndrome (RDS) entails several risks for the preterm infant. This treatment requires the intubation of the patient and the administration of an intratracheal bolus of surfactant. The current trend in neonatology is towards the development of a more gradual and less invasive treatment. In this regard, administering aerosolized surfactant in conjunction with a non-invasive respiratory support is a promising technique. This thesis has been developed in the experimental and numerical fields. Firstly, an experimental or in vitro study of an existing nebulizer was carried out to determine the feasibility of generating surfactant aerosols above the vocal chords in preterm infants. In addition, a mathematical model that predicts the behavior of the aerosol within the neonatal physical model of the trachea was constructed. Finally, some guidelines have been proposed in order to improve the design of this nebulizer. The experimental evaluation of the nebulizer, that is an inhalation catheter, has been made by means of a high speed camera, a pneumotach, an aerodynamic particle sizer, a precision balance and a hot-wire anemometer. Moreover, two physical models of the neonatal upper airways have been manufactured by rapid prototyping; one of them represents the neonatal trachea whereas the other one represents the respiratory system from the trachea to the third generation. An experimental deposition study has been carried out within these physical models, placing the aerosol generation tip at the beginning of the trachea. Experimental results show that surfactant aerosolization seems to be feasible to treat neonatal RDS using an inhalation catheter. Regarding the modeling, a mathematical model that predicts the behavior of the aerosol produced by the inhalation catheter within the neonatal model of the trachea has been constructed. This mathematical model has been validated making a comparison between numerical and experimental results. This model has allowed for the making of a numerical study on the influence of the aerosol characteristics, such as the particle diameter or the surfactant mass flow rate, in the deposition of the particles. After analyzing the numerical and experimental results, some guidelines have been recommended to improve the design of this inhalation catheter and, consequently, the surfactant administration efficiency in neonates.El tratamiento que se utiliza en la actualidad para curar el Síndrome de Distrés Respiratorio (SDR) que se da en bebés prematuros conlleva riesgos que pueden causar daños permanentes en el bebé. Este tratamiento consiste en intubar al neonato para someterlo a ventilación mecánica y en administrarle surfactante pulmonar mediante instilación intratraqueal. Para evitar los riesgos de este tratamiento se están investigando métodos alternativos más seguros. En esta línea, una posible alternativa que permite manipular lo menos posible las vías respiratorias del neonato es la administración del surfactante en forma de aerosol simultaneándolo con un método de ventilación no-invasivo. La presente tesis se ha desarrollado en el campo experimental y el campo numérico. Primero, se ha realizado el estudio experimental in vitro de una técnica de nebulización para generar aerosoles de surfactante de forma menos invasiva en neonatos. También, se ha definido un modelo matemático basado en técnicas de CFD para su aplicación en la mejora del diseño de este dispositivo nebulizador. Por último, se han establecido las pautas a seguir para realizar este nuevo diseño. Para la evaluación del dispositivo de nebulización, concretamente un catéter de inhalación, se han realizado medidas experimentales mediante diversos equipos, entre ellos una cámara de alta velocidad, un neumotacógrafo, un equipo de medición de tamaño de las partículas, una balanza de precisión y un anemómetro de hilo caliente. Para complementar el estudio se han fabricado dos tipos de modelos de las vías respiratorias superiores neonatales mediante la tecnología de prototipado rápido, uno de ellos representa la tráquea neonatal mientras que el otro representa las vías desde la tráquea hasta la tercera generación. Se ha llevado a cabo un estudio de deposición generando el aerosol de surfactante a la entrada del modelo. Los resultados experimentales han demostrado que es viable utilizar este catéter de inhalación para una nebulización eficiente de surfactante en neonatos. En la parte de modelado, se ha construido un modelo matemático para predecir mediante técnicas de CFD el comportamiento del aerosol producido por el catéter de inhalación a la entrada del modelo neonatal de la tráquea. Este modelo matemático ha sido validado comparando los resultados numéricos con los resultados experimentales. Como conclusión se ha obtenido un modelo matemático validado que predice el comportamiento a través del modelo neonatal del flujo de aire y de las partículas del aerosol ya generadas. Este modelo matemático ha permitido realizar un estudio numérico de la influencia de los principales parámetros del aerosol, como el flujo másico o el tamaño de las partículas, en la eficiencia de la deposición de las partículas de surfactante. Tras analizar los resultados tanto experimentales como numéricos se han determinado las pautas a seguir para realizar un nuevo diseño del dispositivo y mejorar la eficiencia de la administración de surfactante nebulizado en neonatos manipulando lo menos posible sus vías respiratorias