Alternativer til traditionelle ventilatorer kunne være mulige med en 3-D printer og et par enkle værktøjer

Ligesom læger i hele landet, Benjamin Nicholson, M.D., ved, at stigningen kommer.

Lægen på akutafdelingen har set forudsigelserne for spredningen af ​​COVID-19 og ved, at der findes et begrænset udbud af ventilatorer over hele landet for at understøtte det stigende antal patienter, der oplever luftvejssymptomer på den nye coronavirus.

Nicholson, som også er klinisk instruktør ved Virginia Commonwealth University's School of Medicine, havde en idé:Hvad hvis han kunne tage en manuel genoplivning, poseventilmasken brugt af første respondenter og set på alle medicinske tv -serier, og automatisere det? Og hvad nu hvis han kunne gøre planerne tilgængelige for andre sundhedssystemer eller udbydere, nogen med adgang til et par værktøjer og en 3-D printer?

Enheden skulle være enkel og kunne samles hurtigt. "Og det skal være noget, som nogen med mit niveau af teknisk baggrund kunne sammensætte, "Sagde Nicholson.

For tre uger siden, han kontaktede Charles Cartin, Ph.D., en lektor i mekanisk og nuklear teknik og direktør for makerspaces i VCU's College of Engineering, og Adam Hamel, teknikeren for Mechanical and Nuclear Engineering Innovation Lab, med den idé. Snart, specialister i åndedrætspleje, kodere, ingeniører, grafiske designere, sygeplejersker, virksomhedsadministratorer, fakultet og studerende fra hele VCUs campus var klar til at designe og promovere et produkt, de håber vil redde liv i Virginia og i hele landet.

Det er et af mange projekter, der er sat i gang siden COVID-19-krisen begyndte, der udnytter den tværfaglige forsknings- og innovationsinfrastruktur, der allerede er på plads på VCU-og i tjeneste for det samfund, der er afhængig af VCU Health.

"En kasse med dele og en trin-for-trin proces til at sætte dem sammen"

I alvorlige tilfælde af virussen, det inficerer og betænder lungerne, fylde dem med væske og affald. En ventilator, i det væsentlige, erstatter mekanisk den rolle, lungerne ville spille, bringe ilt ind i kroppen og fjerne kuldioxid.

For at gøre Nicholsons idé til virkelighed, Cartin og Hamel havde brug for at designe de fysiske elementer (pagajer, håndtag, osv.) af en simpel enhed, der passer til en manuel genoplivning.

"Vi greb det an på samme måde, som vi uddanner ingeniørstuderende, "Cartin sagde." De har brug for et sæt materialer og klare instruktioner. Det er lidt, som det var, da du gik i butiksklassen på gymnasiet. Vi giver dig en kasse med dele og en trin-for-trin proces til at sætte dem sammen."

Peter Pidcoe, Ph.D., D.P.T., en professor og assisterende stol i Institut for Fysioterapi i VCU's College of Health Professions, skrev softwaren, der fortæller enheden, hvad den skal gøre.

En udfordring, blandt andre, var et element af præcision. Førstehjælpere og andre sundhedsudbydere skal pumpe poseventilmasker i hånden, så mængden af ​​luft, en patient modtager, afhænger af pressets styrke og hyppighed. Patienter, der oplever lungebesvær forårsaget af COVID-19, har brug for noget mere præcist og præcist, som den automatiserede enhed kan. Holdet er begejstret over tidlige test af deres enhed.

"Det er utroligt præcist, " sagde Nicholson, som dimitterede fra VCU's School of Medicine i 2015. "Vores test … viste maskinens konsistens; vi var på 1 til 2 milliliters volumenforskel fra åndedræt til åndedræt."

En udfordring, de ikke havde:At få det hele til at ske på tværs af flere discipliner på rekordtid.

"Det er dette netværk af mennesker på VCU, jeg bliver begejstret for, " sagde Pidcoe, direktør for Engineering and Biomechanics Lab. "Jeg sendte e-mails ud til fem personer og sagde:"Jeg har denne idé, jeg har brug for hjælp." Inden for en time, Jeg fik 12 svar fra folk, som jeg ikke engang sendte en e-mail med, "Hvordan kan vi hjælpe, og hvad har du brug for?"

Enheden til at understøtte poseventilmasken forventes at koste omkring $500 at samle. Nogle dele kan købes i en lokal byggemarked; andre kan udskrives i 3D. Montering kræver en unbrakonøgle, en skruetrækker, et par trådskærere, en hacksav og lim.

"Det er som en mini-ventil, " sagde Pidcoe. "Den har ikke alle de klokker og fløjter, som en ventilator har, men det er bestemt passende til at vedligeholde og administrere nogen."

Teamet er i kontakt med en producent i det vestlige Virginia, der er interesseret i at producere og sælge dem til kostpris. Og holdet håber, at andre vil følge trop.

Reagerer hurtigt på medicinske behov

Enheden er et af to ventilatorprojekter i værker af forskerteam ved VCU. Pidcoe arbejder også på et separat design til en splitter, der vil modificere en almindelig ventilator, så pumpen kan tåle op til fire patienter.

"Vi har skabt en samarbejdskultur på VCU, der giver folk mulighed for at starte projekter som disse på græsrodsniveau, "sagde Henry J. Donahue, Ph.D., Alice T. og William H. Goodwin Jr. Professor og fornem formand for Institut for Biomedicinsk Teknik og medlem af operationsudvalget ved C. Kenneth og Dianne Wright Center for Klinisk og Translationel Forskning, som understøtter kliniske forsøg og medicinsk forskning på VCU.

Afdelingens tilstedeværelse, samt Institut for Ingeniørvidenskab og Medicin, som Donahue medinstruerer, inden for College of Engineering og School of Medicine egner sig til tværfaglige projekter, han tilføjede.

Ventilatorenhederne er kun en del af VCU-samfundets hurtige reaktion på medicinske behov og patientbehov i lyset af pandemien. Forskere begyndte kliniske forsøg med et eksperimentelt behandlingslægemiddel i marts. Time magazine præsenterede for nylig en VCU-kandidatstuderende for sit hurtige arbejde med 3D-udskrivning af ansigtsskærme til læger. Og i sidste måned udviklede VCU Healths kliniske mikrobiologiske laboratorium uafhængigt en COVID-19-test.

Fra teknik, Nicholsons projekt fandt vej til Brent Fagg på VCU's Innovation Gateway. Fagg hjalp med at patentere Nicholsons enhed, selvom de har til hensigt at gøre skemaerne gratis at downloade for alle.

"Patentet og ophavsretten giver os mulighed for at give andre mennesker tilladelse til at bruge det, selvom det er gratis, " sagde Fagg. "Men at downloade og samle det er ikke praktisk for nogle hospitaler lige nu, så vi kigger også på produktionspartnere for hurtigt at skalere produktionen."

Det er her, VCU School of the Arts kommer ind i billedet.

Matt Woolman, skolens midlertidige associerede dekan for forskning, innovation og kandidatstudier, vil udarbejde og designe monteringsvejledninger og manualer til de producenter og brugere, der søger at fremstille enheden. Woolman rekrutterede en kollega i Center for Kreativ Økonomi, Garreth Blackwell, Ph.D., at udvikle en hjemmeside, og sammen skaber de navngivningsmuligheder i deres egenskab af usability-eksperter og brugeroplevelsesdesignere.

"Ingeniører er gode til at komme med en løsning og udvikle et resultat, der løser et problem, og hvor vi kommer ind, hjælper ingeniører med at menneskeliggøre produktet, " sagde Woolman, som også er administrerende direktør for VCU's Center for Kreativ Økonomi. "I dette særlige projekt, vi hjælper andre med at fremstille delene, Saml produktet og brug det sikkert og effektivt."

VCU's Wright Center bidrager med ekspertise og vejledning gennem den komplekse Food and Drug Administration -proces. College of Health Professions åbner op for sine uddannelsesområder for test af udstyr. Virginia's Health Innovation Consortium leverede afgørende tidlig finansiering. Og VCU's da Vinci Center for Innovation leder et team, der tackler spørgsmålet om forsyningskæden:Sådan sikrer du dig, at de simple forsyninger, som denne enhed har brug for, ikke løber tør.

"I dette tilfælde, med al hardware, komponenter til medicinsk udstyr og 3D-trykte dele i hånden, man bør have en fungerende ventilator inden for få timer, "Sagde Cartin.

Forberedelse til stigningen

FDA-godkendelse af Nicholsons enhed afventer stadig, og han er hurtig til at bemærke, at ingen af ​​disse enheder erstatter en almindelig ventilator. Imidlertid, han ønsker, at sundhedssystemer og udbydere skal være forberedte på et værst tænkeligt scenarie, som han håber ikke vil blive til virkelighed.

Samarbejdsoplevelsen har været inspirerende for Nicholson, som vendte tilbage til VCU sidste år efter sit ophold i Boston.

"Det har helt ærligt været ret fantastisk at se det hele fungere, " han sagde.