Alle Mann an Deck: Das technische Reaktionsteam für COVID-19 versammelt sich an jeder Ecke bei Duke

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DURHAM – Anfang 2020 konzentrierte sich Dr. Alejandro Pinos Aufmerksamkeit auf die Entwicklung und Patentierung von Ernährungssonden, die sich von selbst verstopfen können, während er gleichzeitig ein Stipendium für Pneumologie und Intensivpflege an der Duke University School of Medicine absolvierte.

Nur wenige Monate später stellte ein neuartiges Coronavirus die Welt auf den Kopf und Ernährungssonden waren nicht mehr Pinos dringlichstes Projekt.

„Alle unsere Stipendiaten, die an der Forschung arbeiteten, wurden hinzugezogen, um bei der Bewältigung der Krise zu helfen“, sagte Pino, der jetzt viel mehr Zeit im Rotationsverfahren verbringt und an vorderster Front arbeitet, um COVID-19-Patienten am Duke University Hospital zu versorgen. „Und keiner von uns kann unsere Familie oder unsere Freunde sehen. Ich fühle mich schuldig, wenn ich nur mit meinem Hund spazieren gehe, weil ich täglich mit COVID-19-Patienten arbeite und andere Menschen nicht gefährden möchte. Es ist eine Menge zu bewältigen.“

Aber Pino hat seine erfinderische Arbeit nicht ganz aufgegeben – stattdessen hat er sich dank einer innovativen, campusweiten Partnerschaft der hoffnungsvollen Arbeit zugewandt, Lösungen zu entwickeln, die dazu beitragen, Patienten, sich selbst und seine Kollegen im Gesundheitswesen zu schützen.

„Alle unsere Stipendiaten, die an der Forschung arbeiteten, wurden hinzugezogen, um bei der Bewältigung der Krise zu helfen. Und keiner von uns kann unsere Familie oder unsere Freunde sehen. Ich fühle mich schuldig, wenn ich nur mit meinem Hund spazieren gehe, weil ich täglich mit COVID-19-Patienten arbeite und andere Menschen nicht gefährden möchte. Es ist eine Menge zu bewältigen.“

Pino arbeitete als Fellow an der Innovation seiner Ernährungssonde Duke Design Gesundheitsprogramm, eine universitätsweite Initiative unter der Leitung von Duke Engineering, die interdisziplinäre Studententeams in das klinische Umfeld bringt, um bisher ungelöste Herausforderungen aktiv zu identifizieren, zu validieren und zu lösen. Und während sich sein Fokus geändert hat, ist Pinos Zusammenarbeit mit Ingenieurskollegen im letzten Monat noch stärker geworden, da er und andere Design Health-Stipendiaten als direkte Verbindung zwischen Ingenieuren, die versuchen, aufkommende Anforderungen schnell zu lösen, und den Klinikern, denen sie helfen möchten, fungieren .

Auf der starken Grundlage, die bereits durch campusübergreifende Kooperationen wie Duke Design Health, Duke MEDx und Duke Engineering Entrepreneurship (EngEn) gelegt wurde, haben Lehrkräfte, Mitarbeiter und Studenten schnell das neue COVID-19 Engineering Response Team von Duke aufgebaut.

Innerhalb von vier Wochen nach seiner Gründung hat das Team eine voll funktionsfähige Pipeline zusammengestellt, die den technischen Spießrutenlauf von der Problemerkennung über die schnelle Prototypenerstellung mit Feldtests und Dokumentation bis hin zur Bereitstellung endgültiger Lösungen für Pflegekräfte umfasst. Sie haben bereits zwei Produkte fertiggestellt: 3D-gedruckte Gesichtsschutzschilde, die in Massenproduktion hergestellt werden, und ein 3D-gedrucktes Teil, das dabei hilft, einen vorhandenen orthopädischen OP-Kittel/Helm in einen Überdruckanzug mit gefilterter Luft zu verwandeln, der ein Höchstmaß an Schutz bietet Betreuer können es tun.

Und da mehr als sieben Teams an einer Vielzahl von Herausforderungen arbeiten, stehen sie erst am Anfang.

Fäden in ein Netz spinnen

Während das COVID-19 Engineering Response Team schnell zusammenwuchs, begann es mit einer Reihe von Hilferufen. Chip Bobbert, der leitende Ingenieur und Fertigungsarchitekt im Innovation Co-Lab von Duke, wurde gebeten, die zahlreichen 3D-Drucker des Co-Labs zur Herstellung von Gesichtsschutzschilden zu nutzen. Ken Gall, stellvertretender Dekan für Unternehmertum bei Duke Engineering, wurde mit der Idee angesprochen, einen OP-Kittel in ein Atemschutzgerät (Powered Air Purifying Respirator, PAPR) umzuwandeln. Eric Richardson, außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik und Direktor von Duke Design Health, wurde von einem Fortune-50-Unternehmen kontaktiert, um herauszufinden, wie man kostengünstige Beatmungsgeräte herstellen kann.

An einer anderen Schule wären diese und andere aufstrebende Projekte möglicherweise getrennt voneinander weitergegangen. Aber weil Duke Engineering durch so viele Beziehungen und Programme mit der Duke School of Medicine und der Duke School of Nursing verbunden ist, blieb die Möglichkeit, Ressourcen zu bündeln, nicht unbemerkt.

„Ich habe am Wochenende, nachdem alles geschlossen wurde [wegen sozialer Distanzierung], mit Ravi und Ken telefoniert und uns wurde klar, dass wir alle diese Projekte zu einer zusammenhängenden Anstrengung formalisieren mussten“, sagte Richardson über Ravi Bellamkonda, den Vinik Dekan der Pratt School of Engineering. „Am Ende der Woche hatten wir Teams koordiniert, die sich auf bestimmte Projekte konzentrieren konnten.“

Dieser Schritt erwies sich als entscheidend. Anstatt blind durch einen Tunnel in Richtung fertiger Produkte zu stürzen, nahm sich das COVID-19 Engineering Response Team unter der Leitung von Richardson, Gall und Paul Fearis eine Woche Zeit, um einen Schritt zurückzutreten, über ihre bestehenden Netzwerke im Gesundheitssystem Kontakt aufzunehmen und herauszufinden, was genau das ist Prioritätsbedürfnisse waren wirklich.

„Während die Welt mit dem Kopf in den Händen herumlief und unzählige Anfragen nach PSA, Beatmungsgeräten und Ähnlichem bearbeitete, trafen wir die Entscheidung, durchzuatmen, langsamer zu fahren und schnell mit dem Krankenhaus zu sprechen“, sagte Fearis, ein Senior Dozent für Biomedizintechnik. „Wir befinden uns in einer einzigartigen Situation, in der wir nur über die Straße gehen und fragen müssen: ‚Ist das echt?‘ Was hilft wirklich? Und wie gut muss es sein?‘ Und das Krankenhaus hat uns damals in Hülle und Fülle engagiert, was uns wirklich Anklang gegeben hat, statt dass wir durchdrehen mussten.“

„Die Tatsache, dass unsere Reaktion so gut organisiert war, ist ausschließlich darauf zurückzuführen, dass die Ingenieurs- und Medizinfakultäten so nahe beieinander liegen, sowohl metaphorisch als auch physisch“, sagte Donna Crenshaw, Geschäftsführerin von Duke MEDx, einer gemeinsamen Initiative von Duke's Engineering und Medizinische Fakultäten fördern die interdisziplinäre Zusammenarbeit. „Es gab bereits so viele Kommunikationskanäle zwischen uns. Ohne diese hätte es Monate gedauert, das zu organisieren, was wir in Wochen zusammengestellt haben.“

Hochfahren

Nachdem der Bedarf ermittelt und Arbeitsgruppen gebildet worden waren, machte sich das COVID-19 Engineering Response Team an die Arbeit. Weniger als drei Wochen nach der Teambildung standen bereits abgeschlossene Projekte auf dem Weg zur Tür und neue kamen auf den Markt.

Das erste Projekt, das realisiert wurde, bestand darin, bestehende Pläne für einen 3D-gedruckten Gesichtsschutz so anzupassen, dass er von einem lokalen Unternehmen in Massenproduktion hergestellt werden konnte. Nach dem Testen von etwa 100 Designs landete ein von Bobbert geleitetes Team auf dem Prototyp eines 3D-gedruckten Stirnbandes, das einen Gesichtsschutz bildet, wenn es an einer lasergeschnittenen Polycarbonat-Linse befestigt wird, einem leichten Stück Kunststoff mit hoher Schlagfestigkeit.

Unterwegs testeten mit Unterstützung von Ryan Shaw, außerordentlicher Professor und Elizabeth C. Clipp Term Chair of Nursing, mehr als zwei Dutzend Duke-Krankenschwestern, Krankenpflegestudenten und Mediziner die 3D-gedruckten Gesichtsschutzschilde in einem Simulationslabor und stellten fest, dass sie geeignet sind erfüllten die Sicherheitsstandards und konnten zur Wiederverwendung desinfiziert werden. Ähnliche Bemühungen zum Testen und Validieren anderer Geräte werden ebenfalls durchgeführt.

„Was vielen Leuten wirklich auffiel, als unser Gesichtsschutz auf den Markt kam, war, dass wir ihn getestet hatten“, sagte Gall. „Viele Orte hatten bereits Bilder von Gesichtsschutzschilden, die sie online hergestellt hatten. Es hat etwas länger gedauert, bis wir unser Exemplar herausgebracht haben, aber die Tests waren anders als die, die andere durchgeführt hatten. Und das Testen ist wichtig. Es hat einen großen Unterschied gemacht.“

Das zweite Projekt, das das Licht der Welt erblickte, war ein 3D-gedrucktes Gerät, mit dem Filter an einem OP-Helm befestigt werden können, um daraus ein Powered Air Purifying Respirator oder PAPR zu machen. PAPRs – zu denen wiederverwendbare Atemschutzhauben gehören, die das Gesicht des Gesundheitspersonals vollständig bedecken, und ein batteriebetriebenes Gebläse, das Luft durch Filter oder Kartuschen saugt, um den Anzug belüftet, die Atmosphäre atmungsaktiv und das Visier klar zu halten – bieten einen der höchsten Gesundheitsschutzstufen Pflegekräfte. Dies ist die bevorzugte PSA für medizinisches Personal, das invasivere Eingriffe wie die Intubation von Patienten durchführt. Bisher haben mehr als 97 Gruppen auf die Lizenz zugegriffen und 34 aus den USA, Kanada, Australien, Norwegen und dem Vereinigten Königreich haben das Design und die Anweisungen heruntergeladen, die ein Jahr lang kostenlos genutzt werden können.

Das Team entwickelte das 3D-gedruckte Teil für das PAPR unter der Leitung und Anleitung der orthopädischen Wirbelsäulenchirurgin Melissa Erickson von Duke, die ursprünglich mit dem Bedarf und einer möglichen Lösung an sie herantrat.

„Wir haben diese Helme, die wir bei Endoprothetik-Operationen tragen, und wir begannen uns zu fragen: ‚Können diese wiederverwendet werden?‘“, sagte Erickson. „Wenn es landesweit einen Mangel an PSA und PAPRs gibt, können wir vielleicht Dinge verwenden, die wir im Krankenhaus reichlich haben, und Änderungen vornehmen, um die Menge an persönlicher Schutzausrüstung für Gesundheitspersonal zu erhöhen.“

ALLE MANN AN DECK

Das COVID-19 Engineering Response Team nutzt jede Hilfe, die es bekommen kann, und verlässt sich auch auf die Talente von Ingenieurstudenten.

Nachwuchskräfte des Duke Biomedical Engineering Fellows-Programms, das durch Kurse und Praktika praktische Designerfahrung bietet, spielen eine wichtige Rolle in mehreren Projekten. Beispielsweise nutzte Design Fellow Spencer Moavenzadeh CAD-Spannungs-/Dehnungsanalysen, um die Gesichtsschutzrahmen zu simulieren und Möglichkeiten zu deren Versteifung vorzuschlagen.

„Ich habe auch ein Team von Junioren, die an einem ressourcenschonenden Beatmungsgerätdesign arbeiten“, sagte Programmleiter Dr. Mark Palmeri, außerordentlicher Professor für biomedizinische Technik. „Es gibt viele Designs für Open-Source-Beatmungsgeräte auf der Basis von AMBU-Beuteln, aber viele haben ihr Ziel verfehlt und sich nicht durchgesetzt. Diese Gruppe möchte aus diesen Bemühungen lernen und etwas vorschlagen, das tatsächlich nützlich ist.“

Unterdessen wurden die Senioren Max Sondland und Dimitrios Bailas, die ihren Maschinenbau-Kurs für Schlusssteindesign absolvieren, von ihrem Lehrer gebeten, dabei zu helfen, sicherere Räume für die Behandlung von Patienten zu schaffen. Neben ihrem normalen Kurspensum arbeiteten die beiden mit einem Team unter der Leitung des Assistenzarztes Konstantinos Economopoulos an der Entwicklung und Erprobung eines Unterdruck-Isolationszelts für Patienten, das die Behandlungsplätze erweitert und gleichzeitig das Risiko für Kliniker verringert. In Zusammenarbeit mit dem Health Innovation Lab der School of Nursing ist das Team in der Lage, einen Prototyp seines Geräts gegenüber dem Duke University Hospital zu entwickeln. Dies bietet berufstätigen Ärzten einen einfachen Zugang zur Abgabe von Feedback.

„Sie waren bei der Entwicklung des Lüftungssystems äußerst effektiv und haben es von der Idee bis zum Test in weniger als einer Woche umgesetzt“, sagte Neal Simmons, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften bei der Familie Gendell. „Ohne ihren Intellekt, ihr Können und ihre harte Arbeit hätten wir diese Idee nicht so schnell und effektiv entwickeln können.“

Wieder andere Teams arbeiten an 3D-gedruckten „Splittern“, die ein einzelnes Beatmungsgerät für mehr als einen Patienten zugänglich machen, sowie an einem Intubations-Aerosolschutz. Erika Segear, stellvertretende Direktorin des Duke’s Office of Regulatory Affairs and Quality, hält bei all diesen Projekten auf dem Laufenden. Sie stellt regulatorisches Fachwissen zur Verfügung und erstellt die Dokumentation mit Spezifikationen und Testinformationen, die mit jedem Gerät bereitgestellt und mit anderen Teams im ganzen Land geteilt werden.

Und es kommen immer wieder Ideen und Geräte.

„Es macht Spaß, mit äußerst talentierten Menschen zusammenzuarbeiten und ein dringendes und bedeutungsvolles Ziel zu haben. Ich denke, wir sind alle erschöpft, aber wir haben das Gefühl, etwas zu bewirken“, sagte Richardson.

Krankenpflegeprofessorin Margie Molloy testet den Prototyp im Health Innovation Lab der Duke University School of Nursing unter der Leitung von Professor Ryan Shaw.

KURZ- UND LANGFRISTIGE INVESTITIONEN

Laut Gall ist eines der Schlüsselelemente, die dieses ganze Puzzle zusammenfügen, die Finanzierung, was zu einem großen Teil Allan Kirk, dem Leiter der Abteilung für Chirurgie an der Duke University School of Medicine, zu verdanken ist.

„Allan und ich sind Nachbarn, deshalb sehen wir uns oft“, sagte Gall. „Wir unterhielten uns aus sicherer Entfernung und er erzählte mir von den dringenden Bedürfnissen, mit denen das Krankenhaus konfrontiert war. Als wir anfingen, Produkte zu bauen und Materialien einzukaufen, wandte ich mich an Allan, und er sprang sofort ein, um zu helfen. Die großzügige finanzielle Unterstützung von Surgery ermöglichte es uns, die Projekte voranzutreiben.“ Auch das perioperative Unternehmen des Gesundheitssystems meldete sich mit sofortiger Unterstützung.
Eric Richardson probiert das PAPR aus, das er mitentworfen und produziert hat, zusammen mit Dr. Melissa Erickson an seiner Seite.

Ohne sich Sorgen um die drohende Finanzierung machen zu müssen, konnte das COVID Engineering Response Team beispielsweise einen Hochtemperatur-Pizzaofen kaufen, um die Gesichtsschutzschilde zu erhitzen und zu biegen, damit sie zu ihren 3D-gedruckten Stirnbändern passen. Alle in der Gruppe sind sich einig, dass die Unterstützung aller Dekane und Abteilungsleiter dabei, ihnen die Möglichkeit zu geben, ihre Zeit auf diese Projekte zu konzentrieren, von entscheidender Bedeutung war. Sie sind sich auch darin einig, dass die ursprünglichen Investitionen, die diese schnell voranschreitende, groß angelegte Anstrengung ermöglichten, Jahre zurückreichen.

MEDx wurde 2015 von zukunftsorientierten Führungskräften der Schools of Medicine und der Pratt School of Engineering mit Unterstützung von Provost Sally Kornbluth gegründet. Die Initiative fördert die Zusammenarbeit und Teamwissenschaft, indem sie Startkapital für neue gemeinsame Forschungsprojekte, Bildungsangebote und Veranstaltungen bereitstellt, um neue Kooperationen zwischen Menschen beider Schulen anzustoßen.

Das Duke Innovation Co-Lab, ein Community-Makerspace mit Technologieressourcen, Programmen und Einrichtungen zur Umsetzung erfolgreicher Ideen, wurde 2016 mit einer gesamten Wand aus mehr als 80 3D-Druckern ins Leben gerufen. Duke hat sein Augenmerk auch auf Design gerichtet, Lehrkräfte rekrutiert und Kurse im ersten Studienjahr angeboten, bis hin zu einem speziellen Master-Zertifikat für Design medizinischer Geräte in biomedizinischer Technik. Noch vor kurzem hat Duke Engineering Duke Engineering Entrepreneurship (kurz: EngEn) ins Leben gerufen, bei dem ein erfahrenes Team von Unternehmern als Ausbilder, Mentoren und Führungskräfte in einer Reihe von Bildungsangeboten, Programmen und Ressourcen für Lehrkräfte, Studenten und Mitarbeiter arbeitet.

„Der Grundstein für all unsere Bemühungen der letzten Wochen wurde lange vor dieser Krise gelegt und wurde genährt und weiterentwickelt, da auch die neue Führung ihren Wert erkannt hat“, sagte Gall, Co-Leiter von EngEn und stellvertretender Direktor von MEDx. „Diese Programme sind direkt dafür verantwortlich, dass ein Großteil des COVID-19 Engineering Response Teams derzeit überhaupt hier bei Duke ist.“

„Unsere Strategie, hochtalentierte Designingenieure zu rekrutieren, die ein großes Interesse an der Lehre haben, und ihnen dann die Möglichkeit zu geben, sich selbst zu organisieren, um großartige Dinge zu leisten, hat die zugrunde liegende intellektuelle Kapazität bei Duke gestärkt, die jetzt als Duke EngEn und das COVID-19 organisiert ist.“ 19 Engineering Response Team“, sagte Bellamkonda. „Wir hatten keine Möglichkeit, COVID-19 vorherzusehen, aber hier sind wir, und sie stehen im Mittelpunkt der COVID-Reaktion von Duke zur Unterstützung unserer Kollegen von Duke Health. Es ist eine Freude, dieses „Dreamteam“ in Aktion zu sehen, nicht nur, weil es klug ist, sondern weil es ihm sehr am Herzen liegt, die Welt besser zu machen.“

ERSTAUNLICHE MENSCHEN

Dennoch ist es vielleicht den aktuellen und ehemaligen Duke Design Health Fellows zu verdanken, dass die Flexibilität des COVID-19 Engineering Response Teams wirklich verstanden werden kann.

Die jüngste Klasse von Stipendiaten – die meisten von ihnen sind Assistenzärzte, Doktoranden der Krankenpflege und Doktoranden der Ingenieurwissenschaften – starteten bereits im August 2019 im Bootcamp von Design Health, wo sie darin geschult wurden, Beobachtungsforschung in klinischen Umgebungen von Duke Health durchzuführen, um unerfüllte Anforderungen zu identifizieren Bedürfnisse. Im Laufe dieses Sommers und der folgenden Semester lernten die Stipendiaten Design- und Geschäftsprozesse kennen und setzten sich für Studententeams aus der gesamten Universität ein, um auf die von ihnen ermittelten Bedürfnisse einzugehen.

Dann kam COVID-19. Der Anruf aus dem Krankenhaus erging und Stipendiaten wie Pino, Economopoulos und Muath Bishawi, Assistenzarzt für Herzchirurgie, Doktor der Biomedizintechnik und Berater des Design Health-Programms, wechselten wieder in den Klinikberuf. Kollegin Jackie Vaughn, eine erfahrene Krankenschwester, die gerade dabei war, ihre Doktorarbeit abzuschließen, begann überall im Krankenhaus Barrieren niederzureißen und Türen für Bishawi, Konstantinos, Alejandro und den Rest des Task-Force-Teams zu öffnen.

„Im wahrsten Sinne des Wortes über Nacht wurden sie von unseren Schülern zu Menschen, die Leben retteten, während sie gleichzeitig durch die Linse, die wir ihnen gegeben hatten, blickten, um in Echtzeit auftretende, reale Bedürfnisse im Krankenhaus zu erkennen, sie zurück zur Task Force zu bringen und einzuschiffen bei der Lösung dieser Probleme“, sagte Fearis. „Ehrlich gesagt sind sie erstaunliche Menschen.“

Diese „erstaunlichen Menschen“ wurden darin geschult, die wahren Bedürfnisse eines Patienten oder Klinikers zu verstehen, unabhängig davon, was sie sagen, und was mit ihren Fähigkeiten bewältigt werden kann. Sie sind die Augen und Ohren des COVID-19 Engineering Response Teams auf der Intensivstation Boden der Einheit.

„Als Ärzte lernen wir viel über die Beobachtung von Patienten und körperlichen Untersuchungen und wie wir daraus Schlussfolgerungen ziehen können“, sagte Pino. „Was mir am Design Health-Programm am meisten geholfen hat, ist, dass ich gelernt habe, aus der Perspektive eines Ingenieurs oder Innovators zu beobachten, Lösungen für unsere Patienten zu finden und sogar bereits bestehende Lösungen in Frage zu stellen.“

Da es kaum Hinweise darauf gibt, wie lange die Pandemie andauern könnte, weiß niemand, wann ihr Leben wieder einigermaßen normal werden könnte. Aber mit jedem identifizierten Problem, jeder getesteten Innovation und jedem gelösten Problem haben alle Beteiligten des COVID-19 Engineering Response Teams das Gefühl, dass sie der Welt dabei helfen, ein kleines Stück näherzukommen.

Und je früher, desto besser. Niemand möchte, dass seine Freunde und Familie in Gefahr sind.

„Wir haben mit vielen ‚Studenten‘ zu tun, aber es trifft einen wirklich, wenn einem klar wird, dass der Student, mit dem man gestern Abend gescherzt oder kritisiert hat, heute Morgen buchstäblich sein Leben in Gefahr gebracht hat; denn das ist es, was sie tun“, sagte Fearis. „Ich denke, sie respektieren uns als ‚Professoren‘ – aber bei weitem nicht so sehr wie wir sie als Menschen respektieren.“

(C) Duke University

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire