Ingeniører udvikler 3-D-printede ventilatorsplittere

Som svar på et presserende behov for flere ventilatorer til at behandle kritisk syge COVID-19 patienter, et team ledet af Johns Hopkins University ingeniører er ved at udvikle og prototypere en 3-D-printet splitter, der vil tillade en enkelt ventilator at behandle flere patienter. Selvom læger har udtrykt bekymring over sikkerheden og effektiviteten ved at dele ventilatorer, holdet har designet dette værktøj til at imødekomme disse bekymringer.

"Der er lige nu en vægt på at bruge teknik til at udvikle open source-løsninger til mange aspekter af COVID-19-krisen, men især til ventilatordesign og produktion, " sagde Sung Hoon Kang, en assisterende professor i maskinteknik ved Johns Hopkins Whiting School of Engineering, der leder et team, der omfatter intensivafdelinger og lungespecialister ved Johns Hopkins School of Medicine. "En tilgang er at bruge én ventilator til at behandle flere patienter. Selvom dette er muligt, det skal være sikkert for alle patienter. Det betyder at sikre, at hver patient får den pleje, de har brug for, uden at forkorte nogen. Det er det, vi har sat os for at skabe."

En alvorlig lungesygdom kaldet akut respiratorisk distress syndrom, eller ARDS, er den førende dødsårsag for COVID-19-patienter. Hos personer med ARDS, væske ophobes i lungerne, begrænse mængden af ​​ilt i blodbanen og fratage vitale organer den ilt, de har brug for for at fungere korrekt. Tilstanden skal håndteres af en ventilator.

Efterhånden som COVID-19-udbruddet breder sig, mange sundhedsinstitutioner kæmper med mangel på de maskiner, der er nødvendige for at behandle de sygeste patienter. Sådanne mangler har allerede effektivt styrtet sundhedssystemet i Italien, som i øjeblikket rapporterer verdens højeste antal COVID-19-relaterede dødsfald på mere end 13, 000.

Nogle læger har udtrykt bekymring over praksis med at dele ventilatorer. Først, at tilslutte flere patienter til den samme ventilator kan sprede bakterier og skabe en chance for krydskontaminering. En anden bekymring er, at en ventilator, der deles af flere mennesker, ikke ville give dem alle det nødvendige niveau af ilt, hvilket kan føre til dårlige patientresultater og høje dødelighedsrater.

Ifølge Kang, holdets nye design har til formål at sikre mod disse risici. Det nye design inkluderer en luftstrømsregulator og flowmålere, giver klinikere mulighed for at overvåge og justere luftstrømmen for hver patient. Luftmængderegulatoren er en vigtig tilføjelse, fordi hver intuberet patient kræver forskellig flowkontrol. Holdet tilføjer også et filter designet til at forhindre krydskontaminering mellem patienter - vigtigt, fordi tidlige rapporter tyder på, at de, der udsættes for flere inficerede mennesker, oplever værre resultater.

Splitteren skal også være nem at installere, på grund af behovets presserende karakter.

"Vi har brug for et robust design, men en, der kan produceres med en relativt simpel fremstillingsproces som 3-D-print, " siger Christopher Shallal, et medlem af teamet og en junior med speciale i biomedicinsk teknik. "Vi overvejer også de forskellige forhold og indstillinger, hvor folk kan udskrive ventilatorsplitterne. F.eks. de har muligvis ikke en højopløsningsprinter tilgængelig. Så vi har skalerbarhed i tankerne, når vi designer."

Splitting ventilatorer er en eksperimentel nødbehandling, der er blevet brugt før under barske omstændigheder, såsom under kølvandet på skyderiet i Las Vegas i 2017, når splittere blev brugt til at stabilisere skadede, men ellers raske unge voksne. Men at opdele en ventilator til at behandle flere patienter i forskellige stadier af lungesvigt giver et nyt og noget skræmmende sæt designudfordringer, ifølge Julie Caffrey, assisterende professor i plastik og rekonstruktiv kirurgi ved Johns Hopkins Medicine og et medlem af teamet.

"Det kan være meget usikkert at bruge de samme ventilatorindstillinger til ARDS-patienter med forskellige lungekomplianser. Én patient kan modtage for meget luft; den anden modtager muligvis ikke nok, " Caffrey forklarer. "Med ARDS, Ventilatorstrategier til forbedring af overlevelse bruges ofte til at administrere lavt tidalvolumen og højere tryk. Hvis du ikke kan klare det, du risikerer at forårsage yderligere traumer til lunger, der allerede er meget forkrøblede. Det er meget vigtigt, at når vi opdeler en ventilator, vi kan stadig indstille ventilatoren til den specifikke patient."

Holdet har produceret prototypen og håber at færdiggøre og begynde at teste deres design på modellunger inden for få uger. Når først godkendt af FDA, de planlægger at udgive deres open source-design, som andre kan bruge.

"Målet her er hurtigt at få denne teknologi til hospitaler rundt om i verden - og lige til de mennesker, der har mest brug for det, " siger Helen Xun, et medlem af teamet og en tredjeårs medicinstuderende ved Johns Hopkins School of Medicine.