Partikelfysikere designer forenklet ventilator til COVID-19-patienter

Et internationalt team af partikelfysikere har standset deres søgen efter mørkt stof for at fokusere på behovene hos ofre for den globale pandemi - især, deres behov for at trække vejret.

I alvorlige tilfælde, COVID-19 kan føre til lungebetændelse, der kræver mekanisk ventilation, men verdens udbud af ventilatorer har vist sig at være for lille til den eksponentielt stigende efterspørgsel.

"Det offentlige sundhedssystem i Lombardiet er måske det stærkeste i Europa, men det var tæt på at knække, "sagde Cristian Galbiati, en professor i fysik ved Princeton University, der har ledet designet af en forenklet mekanisk ventilator, der kan masseproduceres ved hjælp af let tilgængelige komponenter.

Han og hans samarbejdspartnere - mere end 250 fysikere, ingeniører, læger og andre fra 12 lande rundt om i verden - kalder deres enhed for den mekaniske ventilator Milano (MVM). Driften kræver kun elektricitet og en kilde til komprimeret ilt (eller en blanding af ilt og medicinsk luft), og kontrol- og overvågningsenheden i hjertet udvikles og programmeres af "de bedste udviklere" fra partikelfysik nationale laboratorier i USA, Canada, Italien og mange andre nationer, sagde Galbiati.

Selvom det kan lyde underligt for en forsker i mørke sager at have taget medicinsk fremstilling, det giver mere mening, når man udtrykker det på en anden måde:En ekspert i at konstruere følsomme instrumenter til komprimeret argon besluttede at eksperimentere med komprimeret ilt og nitrogen.

Galbiati og hans kolleger i DarkSide-20k-projektet har brugt 15 år på at designe og forfine udstyr, der bruger en stærkt trykbærende flydende form af ædelgassen til at detektere en partikel af mørkt stof. De skiftede fra astrofysik til medicin bare i de sidste par uger.

Efter forskningsrejser til Italien fik Galbiati fast i landet, han sendte en sms til en ven, hvis familie ejer et større gasdistributionsselskab for at lykønske familien med deres donation til en hurtigt opført afdeling for COVID-19-patienter i Milano. Han var chokeret over at høre, at familiens ordre til ventilatorer til støtte for afdelingen blev annulleret. Galbiati talte derefter med sin bror Filippo, en skadestue læge på Niguarda Hospital i Milano, hvis praksis på det tidspunkt havde begrænset sig til kun COVID-19 patienter. Den anden Dr. Galbiati forklarede fysikprofessoren den stadig vanskeligere situation, som italienske læger står over for, der havde brug for at behandle ilt-sultede patienter med begrænsede ventilatorer på toppen af ​​den lokale epidemi.

"Vi laver så mange komplekse projekter med tekniske gasser, "sagde professor Galbiati. Han ville bruge sin ekspertise" til at finde den bedste måde - en måde, der er mere skalerbar - til at putte ilt i folks lunger, når de har brug for det. "

Galbiati nåede ud til den samme ven, hvis firma også kommercialiserer og reparerer ventilatorer, og fik tilladelse fra den italienske regering til at udføre test på hans vens facilitet. Når de havde et design, han sikrede regeringens tilladelse til at bygge og teste en prototype. Derefter rakte han ud til DarkSide-20k-holdet.

"Partikelfysikere er en mærkelig flok mennesker, "sagde Fernando Ferroni, formand for det italienske nationale institut for kernefysik og en førende samarbejdspartner på MVM, samt kommunikationsdirektør for projektet. "Vi har en særlig affinitet til intellektuelle problemer. Vi har et problem? Vi er nødt til at løse det." Ud over, han tilføjede, en fordel ved et globalt samarbejde er, at nogen altid er vågne, at fortsætte projektet 24 timer i døgnet.

Teamet søgte input fra italienske anæstesilæger. "De tilbragte de sidste fire uger på frontlinjen, pasning af patienter, bare blive ødelagt af dette, "Sagde Galbiati." De giver en utrolig oplevelse. De ved præcis, hvad der skal gøres for at redde patienterne - og for at hjælpe dem med at komme sig. "

En funktion, som lægerne foreslog, er enkelttastadgang til procedurer til måling af parametre, der har vist sig at være afgørende for at indstille den bedste restitutionsvej for COVID-19-patienter. "I de fleste traditionelle maskiner, designet til en mere generel anvendelse, disse procedurer kræver, at der trykkes på fem eller seks eller syv knapper, eller skifte mellem forskellige driftstilstande, "sagde Galbiati.

"Som anbefalet af Dr. [Giuseppe] Foti og Dr. [Giacomo] Bellani fra San Gerardo Hospital i Monza, vi arbejder på at implementere avancerede funktioner som måling af enkeltknapper af plateau-trykket, trykket nået inde i alveolerne ved slutningen af ​​inspirationscyklussen, og af 'AutoPEEP, 'normalt omtalt som luftindfangning i udåndingsfasen som kan være nul for de fleste raske patienter eller væsentligt forskellig fra nul for patienter, der har forhindringer i udåndingskanalen, som muligvis genereret af sekreter, " han sagde.

MVM-teamet har delt deres design via open-source science repositories arXiv (udtales "arkiv") og medRχiv ("med arkiv"), både for at formidle det konceptuelle design bredt og for at fremskynde feedback fra det videnskabelige og medicinske samfund. På dette tidspunkt, de har avanceret fra designfasen, gennem prototypefasen, og til forberedelser til masseproduktion. Materialer til de første 1, 000 MVM'er skulle ankomme om en uge. De arbejder tæt sammen med United States Air Force, den amerikanske Food and Drug Administration, Health Canada, og italienske reguleringsorganer for at sikre godkendelser.

"At skabe noget, der er konstrueret af let tilgængelige dele, det er enkelt, men i stand til at gøre alt, hvad der er nødvendigt i vejen for en ventilator - det var Cristians oprindelige vision, og jeg synes, det går rigtig godt, "sagde Arthur McDonald, et centralt medlem af MVM -teamet og en modtager af Nobelprisen i fysik i 2015. Han er emeritus fysikprofessor ved Queen's University i Canada, der var på Princeton -fakultetet fra 1982 til 1989.

De første ventilatorer vil gå direkte til italienske hospitaler, efterfulgt kort af dem i USA og Canada, sagde McDonald, men teamet håber også på at sikre finansiering til at bygge og distribuere MVM'er i lande, der ikke har råd til at bygge deres egne, sagde McDonald. "Vi er alle meget bevidste om, at på længere sigt, de mindre udviklede dele af verden kommer til at blive hårdt ramt af denne epidemi, og der vil være et stort behov rundt om i verden. "