Zoals artsen in het hele land, Benjamin Nicholson, MD, weet dat de golf eraan komt.

De arts van de afdeling spoedeisende hulp heeft de voorspellingen voor de verspreiding van COVID-19 gezien en weet dat er in het hele land een eindige voorraad ventilatoren bestaat om het groeiende aantal patiënten met luchtwegsymptomen van het nieuwe coronavirus te ondersteunen.

Nicholson, die ook klinisch instructeur is aan de Virginia Commonwealth University's School of Medicine, had een idee:wat als hij een handmatige beademingsballon zou kunnen nemen, het zakventielmasker dat wordt gebruikt door eerstehulpverleners en te zien is in elke medische tv-show, en automatiseren? En wat als hij de plannen beschikbaar zou kunnen stellen aan andere gezondheidsstelsels of aanbieders, iemand met toegang tot een paar tools en een 3D-printer?

Het apparaat moest eenvoudig zijn en snel in elkaar te zetten. "En het moet iets zijn dat iemand met mijn technische achtergrond kan samenstellen, ' zei Nicholson.

Drie weken geleden, hij nam contact op met Charles Cartin, doctoraat, een universitair hoofddocent mechanische en nucleaire engineering en directeur van makerspaces in VCU's College of Engineering, en Adam Hamel, de technicus voor het Mechanical and Nuclear Engineering Innovation Lab, met dat idee. Spoedig, respiratoire specialisten, codeurs, ingenieurs, grafische ontwerpers, verpleegsters, bedrijfsbeheerders, docenten en studenten van alle VCU-campussen stonden klaar om een ​​product te ontwerpen en te promoten waarvan ze hopen dat het levens zal redden in Virginia en in het hele land.

Het is een van de vele projecten die in gang zijn gezet sinds het begin van de COVID-19-crisis en waarbij gebruik wordt gemaakt van de interdisciplinaire onderzoeks- en innovatie-infrastructuur die al aanwezig is bij VCU – en ten dienste van de gemeenschap die op VCU Health vertrouwt.

'Een doos met onderdelen en een stapsgewijs proces om ze in elkaar te zetten'

In ernstige gevallen van het virus, het infecteert en doet de longen ontsteken, vullen ze met vloeistof en puin. een ventilator, in essentie, vervangt mechanisch de rol die de longen zouden spelen, zuurstof in een lichaam brengen en koolstofdioxide verwijderen.

Om Nicholsons idee werkelijkheid te maken, Cartin en Hamel moesten de fysieke elementen (peddels, hendels, enz.) van een eenvoudig apparaat dat rond een handmatige beademingsballon zou passen.

"We benaderden het op dezelfde manier waarop we ingenieursstudenten opleiden, ' Zei Cartin. 'Ze hebben een set materialen en duidelijke instructies nodig. Het is een beetje zoals het was toen je in de winkelklas op de middelbare school zat. We geven je een doos met onderdelen en een stapsgewijs proces om ze in elkaar te zetten."

Peter Pidcoe, doctoraat, DPT, een professor en assistent-voorzitter bij de afdeling Fysiotherapie van VCU's College of Health Professions, schreef de software die het apparaat vertelt wat het moet doen.

Een uitdaging, onder andere, was het element van precisie. Eerstehulpverleners en andere zorgverleners moeten zakventielmaskers met de hand pompen, dus de hoeveelheid lucht die een patiënt krijgt, hangt af van de kracht en frequentie van het knijpen. Patiënten die de door COVID-19 veroorzaakte longnood ervaren, hebben iets nauwkeuriger en nauwkeuriger nodig, wat het geautomatiseerde apparaat kan doen. Het team is enthousiast over de vroege tests van hun apparaat.

"Het is ongelooflijk nauwkeurig, " zei Nicholson, die in 2015 afstudeerde aan de VCU's School of Medicine. "Onze tests … toonden de consistentie van de machine aan; we hadden een volumeverschil van 1 tot 2 milliliter van adem tot ademhaling."

Eén uitdaging die ze niet hadden:alles in recordtijd in meerdere disciplines laten gebeuren.

"Van dit netwerk van mensen bij VCU word ik enthousiast, " zei Pidcoe, directeur van het Engineering and Biomechanics Lab. "Ik stuurde e-mails naar vijf mensen die zeiden:"Ik heb dit idee; ik heb hulp nodig." Binnen een uur, Ik kreeg 12 reacties van mensen die ik niet eens per e-mail had gemaild met de mededeling:"Hoe kunnen we helpen en wat heb je nodig?'"

Het apparaat om het zakventielmasker te ondersteunen, zal naar verwachting ongeveer $ 500 kosten om te monteren. Sommige onderdelen kunnen worden gekocht bij een plaatselijke ijzerhandel; andere kunnen in 3D worden geprint. Montage vereist een inbussleutel, een schroevendraaier, een paar draadknippers, een ijzerzaag en lijm.

"Het is als een mini-ventilatie, "zei Pidcoe. "Het heeft niet alle toeters en bellen die een ventilator heeft, maar het is zeker geschikt om iemand te onderhouden en te managen."

Het team heeft contact met een fabrikant in West-Virginia die geïnteresseerd is om ze tegen kostprijs te produceren en te verkopen. En het team hoopt dat anderen zullen volgen.

Snel reageren op medische behoeften

Het apparaat is een van de twee beademingsprojecten in de maak door teams van onderzoekers van VCU. Pidcoe werkt ook aan een apart ontwerp voor een splitter die een reguliere ventilator zou aanpassen, zodat de pomp maximaal vier patiënten zou kunnen dragen.

"We hebben bij VCU een samenwerkingscultuur gecreëerd die mensen in staat stelt om dit soort projecten op basisniveau te starten, " zei Henry J. Donahue, doctoraat, de Alice T. en William H. Goodwin Jr. Professor en Distinguished Chair van de afdeling Biomedical Engineering en een lid van het operatiecomité van het C. Kenneth and Dianne Wright Center for Clinical and Translational Research, die klinische proeven en medisch onderzoek bij VCU ondersteunt.

aanwezigheid van de afdeling, evenals die van het Institute for Engineering and Medicine, die Donahue mede regisseert, binnen het College of Engineering and School of Medicine leent zich voor interdisciplinaire projecten, hij voegde toe.

De beademingsapparatuur is slechts een onderdeel van de snelle reactie van de VCU-gemeenschap op medische en patiëntbehoeften in het licht van de pandemie. Onderzoekers begonnen in maart met klinische proeven voor een experimenteel behandelingsmedicijn. In Time magazine stond onlangs een VCU-afgestudeerde student voor zijn snelle werk in 3D-geprinte gezichtsschermen voor medisch personeel. En vorige maand ontwikkelde het klinisch microbiologisch laboratorium VCU Health zelfstandig een COVID-19-test.

Van techniek, Nicholsons project vond zijn weg naar Brent Fagg bij VCU's Innovation Gateway. Fagg hielp het apparaat van Nicholson te patenteren, hoewel ze van plan zijn de schema's voor iedereen gratis te downloaden.

"Het patent en het copyright stellen ons in staat om andere mensen toestemming te geven om het te gebruiken, ook al is het gratis, " zei Fagg. "Maar het downloaden en monteren ervan is op dit moment voor sommige ziekenhuizen niet praktisch, dus we kijken ook naar productiepartners om de productie snel op te schalen."

Dat is waar de VCU School of the Arts om de hoek komt kijken.

Matt Wolman, de adjunct-decaan van de school voor onderzoek, innovatie en graduate studies, zal montagerichtlijnen en handleidingen opstellen en ontwerpen voor de fabrikanten en gebruikers die het apparaat willen maken. Woolman rekruteerde een collega in het Centrum voor de Creatieve Economie, Garreth Blackwell, doctoraat, het ontwikkelen van een website, en samen creëren ze naamgevingsopties in hun hoedanigheid van bruikbaarheidsexperts en ontwerpers van gebruikerservaringen.

"Ingenieurs zijn geweldig in het bedenken van een oplossing en het ontwikkelen van een resultaat dat een probleem oplost, en waar we binnenkomen is het helpen van ingenieurs om het product te vermenselijken, " zei Wolman, die tevens directeur is van VCU's Centre for the Creative Economy. "Bij dit specifieke project we zullen anderen helpen de onderdelen te vervaardigen, product in elkaar zetten en veilig en efficiënt gebruiken."

Het Wright Center van VCU levert expertise en begeleiding door het complexe Food and Drug Administration-proces. Het College voor Gezondheidsberoepen stelt zijn trainingsruimten open voor het testen van apparatuur. Virginia's Health Innovation Consortium zorgde voor cruciale vroege financiering. En het da Vinci Center for Innovation van VCU leidt een team dat zich bezighoudt met het probleem van de toeleveringsketen:hoe ervoor te zorgen dat de eenvoudige benodigdheden die dit apparaat nodig heeft, niet opraken.

"In dit geval, met alle hardware, medische apparaatcomponenten en 3D-geprinte onderdelen in de hand, men moet binnen enkele uren een werkende ventilator hebben, ' zei Kartin.

Voorbereiden op de golf

FDA-goedkeuring op Nicholson's apparaat is nog in behandeling, en hij merkt snel op dat geen van deze apparaten een gewone ventilator vervangt. Echter, hij wil dat gezondheidsstelsels en zorgverleners voorbereid zijn op een worstcasescenario waarvan hij hoopt dat het niet uitkomt.

De samenwerkingservaring was inspirerend voor Nicholson, die vorig jaar terugkeerde naar VCU na zijn residentie in Boston.

"Het was eerlijk gezegd best verbazingwekkend om dit allemaal te zien werken, " hij zei.