Als reactie op een dringende behoefte aan meer ventilatoren om ernstig zieke COVID-19-patiënten te behandelen, een team onder leiding van ingenieurs van de Johns Hopkins University ontwikkelt en prototypeert een 3D-geprinte splitter waarmee een enkele ventilator meerdere patiënten kan behandelen. Hoewel medische professionals hun bezorgdheid hebben geuit over de veiligheid en effectiviteit van het delen van ventilatoren, het team heeft deze tool ontworpen om deze zorgen weg te nemen.

"Er ligt op dit moment de nadruk op het gebruik van engineering om open source-oplossingen te ontwikkelen voor veel aspecten van de COVID-19-crisis, maar vooral voor het ontwerp en de productie van ventilatoren, " zei Sung Hoon Kang, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Johns Hopkins Whiting School of Engineering, die een team leidt dat bestaat uit ICU-intensivisten en longspecialisten van de Johns Hopkins School of Medicine. "Een benadering is om één beademingsapparaat te gebruiken om meerdere patiënten te behandelen. Hoewel dit haalbaar is, het moet veilig zijn voor alle patiënten. Dat betekent ervoor zorgen dat elke patiënt de zorg krijgt die hij nodig heeft, zonder iemand tekort te doen. Dit is wat we wilden creëren."

Een ernstige longaandoening die acuut respiratoir distress syndroom wordt genoemd, of ARDS, is de belangrijkste doodsoorzaak voor COVID-19-patiënten. Bij personen met ARDS, vocht hoopt zich op in de longen, het beperken van de hoeveelheid zuurstof in de bloedbaan en het beroven van vitale organen van de zuurstof die ze nodig hebben om goed te kunnen functioneren. De aandoening moet worden beheerd door een ventilator.

Naarmate de uitbraak van COVID-19 zich verspreidt, veel zorginstellingen kampen met een tekort aan machines die nodig zijn om de ziekste patiënten te behandelen. Dergelijke tekorten hebben het gezondheidszorgsysteem in Italië al ingestort, die momenteel het hoogste aantal COVID-19-gerelateerde sterfgevallen ter wereld meldt met meer dan 13, 000.

Sommige medische professionals hebben hun bezorgdheid geuit over de praktijk van het delen van ventilatoren. Eerst, het aansluiten van meerdere patiënten op hetzelfde beademingsapparaat kan ziektekiemen verspreiden en een kans op kruisbesmetting creëren. Een andere zorg is dat een beademingsapparaat dat door meerdere mensen wordt gedeeld, ze niet allemaal het benodigde zuurstofniveau zou geven, wat kan leiden tot slechte resultaten voor de patiënt en hoge sterftecijfers.

Volgens Kang, het nieuwe ontwerp van het team is gericht op bescherming tegen deze risico's. Het nieuwe ontwerp omvat een luchtstroomregelaar en stroommeters, waardoor clinici de luchtstroom voor elke patiënt kunnen controleren en aanpassen. De luchtvolumeregelaar is een belangrijke toevoeging omdat elke geïntubeerde patiënt een andere stroomregeling vereist. Het team voegt ook een filter toe dat is ontworpen om kruisbesmetting tussen patiënten te voorkomen - belangrijk omdat vroege rapporten suggereren dat degenen die worden blootgesteld aan meerdere geïnfecteerde mensen slechtere resultaten ervaren.

De splitter moet ook eenvoudig in te zetten zijn, gezien de urgentie van de behoefte.

"We hebben een robuust ontwerp nodig, maar een die kan worden geproduceerd met een relatief eenvoudig productieproces zoals 3D-printen, " zegt Christopher Shallal, een lid van het team en een junior met als hoofdvak biomedische technologie. "We houden ook rekening met de verschillende omstandigheden en instellingen waarin mensen de ventilatorsplitters kunnen printen. ze hebben mogelijk geen printer met hoge resolutie beschikbaar. Daarom houden we bij het ontwerpen rekening met schaalbaarheid."

Het splitsen van ventilatoren is een experimentele spoedbehandeling die eerder is toegepast onder erbarmelijke omstandigheden, zoals tijdens de nasleep van de schietpartij in Las Vegas in 2017, toen splitters werden gebruikt om gewonde maar verder gezonde jonge volwassenen te stabiliseren. Maar het splitsen van een beademingsapparaat om meerdere patiënten in verschillende stadia van longfalen te behandelen, biedt een nieuwe en enigszins ontmoedigende reeks ontwerpuitdagingen, volgens Julie Caffrey, assistent-professor plastische en reconstructieve chirurgie bij Johns Hopkins Medicine en een lid van het team.

"Het gebruik van dezelfde beademingsinstellingen voor ARDS-patiënten met verschillende longcomplianties kan erg onveilig zijn. De ene patiënt krijgt mogelijk te veel lucht, de andere krijgt misschien niet genoeg, " legt Caffrey uit. "Met ARDS, beademingsstrategieën voor het verbeteren van de overleving worden vaak gebruikt om een ​​laag ademvolume en hogere druk toe te dienen. Als je daar niet mee om kunt gaan, je riskeert verder trauma te veroorzaken aan longen die al erg kreupel zijn. Het is erg belangrijk dat als we een ventilator splitsen, we kunnen de ventilator nog steeds op die specifieke patiënt instellen."

Het team heeft het prototype geproduceerd en hoopt binnen enkele weken het ontwerp op modellongen af ​​te ronden en te testen. Eenmaal goedgekeurd door de FDA, ze zijn van plan hun open-sourceontwerp te publiceren zodat anderen het kunnen gebruiken.

"Het doel hier is om deze technologie snel naar ziekenhuizen over de hele wereld te krijgen - en rechtstreeks naar de mensen die het het meest nodig hebben, " zegt Helen Xun, een lid van het team en een derdejaars geneeskundestudent aan de Johns Hopkins School of Medicine.