Come i medici di tutto il paese, Benjamin Nicholson, M.D., sa che l'ondata sta arrivando.

Il medico del pronto soccorso ha visto le previsioni per la diffusione di COVID-19 e sa che esiste una fornitura limitata di ventilatori in tutto il paese per supportare il numero crescente di pazienti che manifestano sintomi respiratori del nuovo coronavirus.

Nicholson, che è anche istruttore clinico presso la School of Medicine della Virginia Commonwealth University, avuto un'idea:e se potesse prendere un rianimatore manuale, la maschera con valvola a sacco usata dai primi soccorritori e vista in ogni programma televisivo medico, e automatizzarlo? E se potesse mettere i piani a disposizione di altri sistemi sanitari o fornitori, qualcuno con accesso a pochi strumenti e una stampante 3D?

Il dispositivo doveva essere semplice e in grado di essere assemblato rapidamente. "E deve essere qualcosa che qualcuno con il mio livello di background tecnico possa mettere insieme, ", ha detto Nicholson.

Tre settimane fa, ha contattato Charles Cartin, dottorato di ricerca, professore associato di ingegneria meccanica e nucleare e direttore dei makerspace presso il College of Engineering della VCU, e Adam Hamel, il tecnico del Laboratorio di Innovazione di Ingegneria Meccanica e Nucleare, con quell'idea. Prossimamente, specialisti in cure respiratorie, programmatori informatici, ingegneri, grafici, infermieri, amministratori aziendali, docenti e studenti di tutti i campus della VCU erano pronti a progettare e promuovere un prodotto che sperano salverà vite in Virginia e in tutto il paese.

È uno dei tanti progetti avviati dall'inizio della crisi COVID-19 che utilizza l'infrastruttura interdisciplinare di ricerca e innovazione già in atto presso VCU e al servizio della comunità che si affida a VCU Health.

"Una scatola di pezzi e un processo passo passo per assemblarli"

Nei casi gravi di virus, infetta e infiamma i polmoni, riempiendoli di liquido e detriti. Un ventilatore, in sostanza, sostituisce meccanicamente il ruolo che giocherebbero i polmoni, portare ossigeno in un corpo e rimuovere l'anidride carbonica.

Per realizzare l'idea di Nicholson, Cartin e Hamel avevano bisogno di progettare gli elementi fisici (palette, leve, ecc.) di un semplice dispositivo che si adatterebbe a un rianimatore manuale.

"Ci siamo avvicinati allo stesso modo in cui educhiamo gli studenti di ingegneria, " Cartin ha detto. "Hanno bisogno di una serie di materiali e di istruzioni chiare. È un po' come quando eri a lezione di bottega al liceo. Ti forniamo una scatola di parti e un processo passo-passo per assemblarli."

Peter Pidcoe, dottorato di ricerca, D.P.T., professore e assistente alla cattedra presso il Dipartimento di Terapia Fisica del College of Health Professions della VCU, ha scritto il software che dice al dispositivo cosa fare.

una sfida, tra gli altri, era l'elemento di precisione. I primi soccorritori e altri operatori sanitari devono pompare a mano le maschere delle valvole a sacco, quindi la quantità di aria che un paziente riceve dipende dalla forza e dalla frequenza della compressione. I pazienti che soffrono di sofferenza polmonare causata da COVID-19 hanno bisogno di qualcosa di più accurato e preciso, che il dispositivo automatizzato può fare. Il team è entusiasta dei primi test del proprio dispositivo.

"È incredibilmente preciso, "disse Nicholson, che si è laureato alla Scuola di Medicina della VCU nel 2015. "I nostri test … hanno mostrato la consistenza della macchina; eravamo a 1 o 2 millilitri di differenza di volume da respiro a respiro."

Una sfida che non avevano:far accadere tutto in più discipline in tempi record.

"È questa rete di persone alla VCU di cui sono entusiasta, " disse Pidcoe, direttore del Laboratorio di Ingegneria e Biomeccanica. "Ho inviato e-mail a cinque persone dicendo:"Ho questa idea, ho bisogno di aiuto." In un'ora, Ho ricevuto 12 risposte da persone a cui non ho nemmeno inviato un'e-mail dicendo:"Come possiamo aiutarti e di cosa hai bisogno?"

Il dispositivo per supportare la maschera della valvola a sacca dovrebbe costare circa $ 500 per il montaggio. Alcune parti possono essere acquistate presso un negozio di ferramenta locale; altri possono essere stampati in 3D. Il montaggio richiede una chiave a brugola, un cacciavite, un paio di tronchesi, un seghetto e colla.

"È come un mini-ventilatore, " Disse Pidcoe. "Non ha tutte le campane e i fischietti che ha un ventilatore, ma è certamente appropriato per mantenere e gestire qualcuno."

Il team è in contatto con un produttore della Virginia occidentale interessato a produrli e venderli al costo. E la squadra spera che altri seguano l'esempio.

Rispondere rapidamente alle esigenze mediche

Il dispositivo è uno dei due progetti di ventilazione nelle opere di team di ricercatori della VCU. Pidcoe sta anche lavorando a un progetto separato per uno splitter che modificherebbe un normale ventilatore in modo che la pompa possa sostenere fino a quattro pazienti.

"Abbiamo creato una cultura di collaborazione in VCU che consente alle persone di avviare progetti come questi a livello di base, " disse Henry J. Donahue, dottorato di ricerca, l'Alice T. e William H. Goodwin Jr. Professor e illustre presidente del Dipartimento di ingegneria biomedica e membro del comitato operativo presso il C. Kenneth and Dianne Wright Center for Clinical and Translational Research, che supporta gli studi clinici e la ricerca medica presso la VCU.

La presenza del dipartimento, così come quello dell'Istituto di Ingegneria e Medicina, che Donahue co-dirige, all'interno della Facoltà di Ingegneria e della Scuola di Medicina si presta a progetti interdisciplinari, Ha aggiunto.

I dispositivi di ventilazione sono solo una parte della rapida risposta della comunità VCU alle esigenze mediche e dei pazienti alla luce della pandemia. I ricercatori hanno iniziato gli studi clinici per un farmaco sperimentale a marzo. La rivista Time ha recentemente presentato uno studente laureato in VCU per il suo rapido lavoro nella stampa 3D di schermi facciali per operatori sanitari. E il mese scorso il laboratorio di microbiologia clinica VCU Health ha sviluppato in modo indipendente un test COVID-19.

Dall'ingegneria, Il progetto di Nicholson ha trovato la sua strada per Brent Fagg all'Innovation Gateway di VCU. Fagg ha aiutato a brevettare il dispositivo di Nicholson, anche se intendono rendere gli schemi scaricabili gratuitamente per tutti.

"Il brevetto e il copyright ci consentono di concedere ad altre persone il permesso di usarlo, anche se è gratis, " Ha detto Fagg. "Ma scaricarlo e assemblarlo non è pratico per alcuni ospedali in questo momento, quindi stiamo anche cercando partner di produzione per scalare rapidamente la produzione".

È qui che entra in gioco la VCU School of the Arts.

Matt Woolman, il decano ad interim della scuola per la ricerca, innovazione e studi universitari, redigerà e progetterà linee guida e manuali di assemblaggio per i produttori e gli utenti che desiderano realizzare il dispositivo. Woolman ha reclutato un collega nel Center for the Creative Economy, Garreth Blackwell, dottorato di ricerca, sviluppare un sito web, e insieme stanno creando opzioni di denominazione nella loro qualità di esperti di usabilità e designer di esperienze utente.

"Gli ingegneri sono bravi a trovare una soluzione e a progettare un risultato che risolva un problema, e il nostro punto di forza è aiutare gli ingegneri a umanizzare il prodotto, "disse Woolman, che è anche direttore esecutivo del Center for the Creative Economy di VCU. "In questo particolare progetto, aiuteremo gli altri a produrre le parti, assemblare il prodotto e utilizzarlo in modo sicuro ed efficiente."

Il Wright Center di VCU sta contribuendo con esperienza e guida attraverso il complesso processo della Food and Drug Administration. Il Collegio delle Professioni Sanitarie apre le sue aree di formazione per il collaudo delle apparecchiature. L'Health Innovation Consortium della Virginia ha fornito un finanziamento iniziale cruciale. E il Centro per l'innovazione da Vinci di VCU sta guidando un team che affronta il problema della catena di approvvigionamento:come assicurarsi che le forniture semplici di cui ha bisogno questo dispositivo non si esauriscano.

"In questo caso, con tutto l'hardware, componenti di dispositivi medici e parti stampate in 3D in mano, si dovrebbe avere un ventilatore funzionante entro poche ore, " disse Cartin.

Prepararsi all'ondata

L'approvazione della FDA sul dispositivo di Nicholson è ancora in attesa, ed è pronto a notare che nessuno di questi dispositivi sostituisce un normale ventilatore. Però, vuole che i sistemi sanitari e gli operatori sanitari siano preparati per uno scenario peggiore che spera non si realizzi.

L'esperienza di collaborazione è stata fonte di ispirazione per Nicholson, che è tornato al VCU l'anno scorso dopo la sua residenza a Boston.

"Francamente è stato piuttosto sorprendente vedere tutto questo funzionare, " Egli ha detto.