Tutti sul ponte: il team di risposta tecnica al COVID-19 si riunisce da ogni angolo della Duke

DURHAM – All’inizio del 2020, l’attenzione del Dr. Alejandro Pino si è concentrata sulla progettazione e il brevetto di tubi di alimentazione in grado di sbloccarsi da soli, perseguendo allo stesso tempo una borsa di studio in pneumologia e terapia intensiva presso la Duke University School of Medicine.

Solo pochi mesi dopo, un nuovo coronavirus ha sconvolto il mondo e le sonde per l’alimentazione non erano più il progetto più urgente di Pino.

“Tutti i nostri colleghi che stavano lavorando alla ricerca sono stati coinvolti per aiutare con la crisi”, ha detto Pino, che ora trascorre molto più tempo a rotazione, lavorando in prima linea per prendersi cura dei pazienti COVID-19 al Duke University Hospital. “E nessuno di noi può vedere la propria famiglia o i propri amici. Mi sento in colpa semplicemente portando a spasso il mio cane perché lavoro quotidianamente con pazienti affetti da COVID-19 e non voglio mettere in pericolo altre persone. È molto da gestire.

Ma Pino non ha rinunciato del tutto al suo lavoro creativo: invece, grazie a una partnership innovativa a livello di campus, si è concentrato sul lavoro pieno di speranza di progettare soluzioni per aiutare a proteggere i pazienti, se stesso e i suoi colleghi operatori sanitari.

“Tutti i nostri colleghi che stavano lavorando alla ricerca sono stati coinvolti per aiutare a superare la crisi. E nessuno di noi può vedere la propria famiglia o i propri amici. Mi sento in colpa semplicemente portando a spasso il mio cane perché lavoro quotidianamente con pazienti affetti da COVID-19 e non voglio mettere in pericolo altre persone. È molto da gestire.

Pino stava lavorando all'innovazione del suo tubo di alimentazione come membro del Programma sanitario Duke Design, un'iniziativa a livello universitario guidata da Duke Engineering che porta team interdisciplinari di studenti nell'ambiente clinico per identificare, convalidare e risolvere attivamente sfide precedentemente non affrontate. E anche se il suo obiettivo è cambiato, la collaborazione di Pino con i colleghi ingegneri è diventata ancora più forte nell'ultimo mese, poiché lui e gli altri ricercatori di Design Health fungono da collegamento diretto tra gli ingegneri che cercano di risolvere rapidamente i bisogni emergenti e i medici che stanno cercando di aiutare. .

È sulle solide basi già gettate dalle collaborazioni tra campus come Duke Design Health, Duke MEDx e Duke Engineering Entrepreneurship (EngEn) che docenti, personale e studenti hanno rapidamente costruito il nuovo COVID-19 Engineering Response Team di Duke.

Nel giro di quattro settimane dalla formazione, il team ha messo insieme una pipeline pienamente operativa che gestisce le sfide ingegneristiche dalla scoperta del problema, alla prototipazione rapida completa di test e documentazione sul campo, fino alla fornitura di soluzioni finali agli operatori sanitari. Hanno già completato due prodotti: visiere stampate in 3D che vengono prodotte in serie e una parte stampata in 3D che aiuta a trasformare un camice/elmetto chirurgico ortopedico esistente in una tuta a pressione positiva alimentata ad aria filtrata che offre il massimo livello di protezione possono fare i caregiver.

E con più di sette team impegnati su un'ampia gamma di sfide, siamo solo all'inizio.

FILARE IN UNA RETE

Sebbene il team di risposta tecnica al COVID-19 si sia unito rapidamente, ha iniziato con una serie di richieste di aiuto. Chip Bobbert, ingegnere senior e architetto di fabbricazione presso il Duke’s Innovation Co-Lab, è stato contattato per utilizzare le numerose stampanti 3D del Co-Lab per creare visiere. Ken Gall, preside associato per l'imprenditorialità presso la Duke Engineering, era stato contattato con l'idea di trasformare un camice chirurgico in un respiratore purificatore d'aria (PAPR). Eric Richardson, professore associato di ingegneria biomedica e direttore della Duke Design Health, era stato contattato da una società Fortune 50 per capire come produrre ventilatori a basso costo.

In un’altra scuola, questi e altri progetti in erba avrebbero potuto proseguire su binari separati. Ma poiché sono così tante le relazioni e i programmi che legano la Duke Engineering alla Duke School of Medicine e alla School of Nursing, l’opportunità di mettere in comune le risorse non è passata inosservata.

"Ero al telefono con Ravi e Ken il fine settimana dopo che tutto aveva iniziato a chiudere [per distanziamento sociale], e ci siamo resi conto che dovevamo formalizzare tutti questi progetti in uno sforzo coeso", ha detto Richardson, parlando di Ravi Bellamkonda, il Vinik Preside della Pratt School of Engineering. “Entro la fine della settimana avevamo coordinato i team per concentrarci su progetti specifici”.

Questo passaggio si è rivelato cruciale. Invece di correre alla cieca lungo un tunnel verso i prodotti finiti, il team di risposta tecnica al COVID-19 guidato da Richardson, Gall e Paul Fearis ha impiegato una settimana per fare un passo indietro, raggiungere le reti esistenti nel sistema sanitario e identificare proprio ciò che i bisogni prioritari erano davvero.

“Mentre il mondo correva con la testa tra le mani affrontando tonnellate di richieste di DPI, ventilatori e simili, abbiamo deciso di prendere fiato, rallentare e parlare rapidamente con l’ospedale”, ha affermato Fearis, un anziano docente di ingegneria biomedica. “Siamo in una posizione unica in cui tutto ciò che dobbiamo fare è attraversare la strada e chiederci: 'È reale? Cosa aiuterà davvero? E quanto deve essere buono?' E abbiamo ottenuto di nuovo un impegno da parte dell’ospedale, che è ciò che ci ha dato davvero trazione piuttosto che farci girare le ruote.

"Il fatto che la nostra risposta sia stata così ben organizzata è interamente reso possibile dal fatto che le scuole di ingegneria e di medicina sono così vicine l'una all'altra, sia metaforicamente che fisicamente", ha affermato Donna Crenshaw, direttore esecutivo di Duke MEDx, un'iniziativa congiunta tra l'ingegneria di Duke e scuole di medicina per favorire la collaborazione interdisciplinare. “C’erano già tanti canali di comunicazione tra noi. Senza quelli, ci sarebbero voluti mesi per organizzare ciò che abbiamo messo insieme in settimane”.

RAMPING UP

Dopo aver valutato le esigenze e formato i gruppi di lavoro, il team di risposta tecnica al COVID-19 si è messo al lavoro. Meno di tre settimane dopo la formazione del team, i progetti completati stavano già uscendo e ne stavano arrivando di nuovi.

Il primo progetto da realizzare è stato l’adattamento dei piani esistenti per una visiera stampata in 3D in modo che potesse essere prodotta in serie da un’azienda locale. Dopo aver testato circa 100 progetti, un team guidato da Bobbert è arrivato al prototipo di una fascia stampata in 3D che forma una visiera quando fissata a una lente in policarbonato tagliata al laser, che è un pezzo di plastica leggero con elevata resistenza agli urti.

Lungo il percorso, con il supporto di Ryan Shaw, professore associato e presidente della cattedra infermieristica Elizabeth C. Clipp, più di due dozzine di infermieri della Duke, studenti laureati in infermieristica e professionisti medici hanno testato gli schermi facciali stampati in 3D in un laboratorio di simulazione e hanno stabilito che soddisfacevano gli standard di sicurezza e potevano essere disinfettati per il riutilizzo. Sono in corso anche sforzi simili per testare e convalidare altri dispositivi.

"Ciò che ha davvero colpito molte persone quando è uscita la nostra visiera è che avevamo effettuato dei test su di essa", ha affermato Gall. “Molti posti avevano già immagini di visiere prodotte online. Ci è voluto un po' più tempo per far uscire il nostro, ma i test si sono differenziati rispetto a quello che avevano fatto gli altri. E i test contano. Ha fatto una grande differenza”.

Il secondo progetto a vedere la luce è stato un dispositivo stampato in 3D in grado di montare filtri su un casco chirurgico per trasformarlo in un respiratore purificatore dell’aria o PAPR. I PAPR, che includono cappucci respiratori riutilizzabili che coprono completamente i volti degli operatori sanitari e un ventilatore alimentato a batteria che aspira l'aria attraverso filtri o cartucce per mantenere la tuta ventilata, l'atmosfera traspirante e la visiera pulita, forniscono uno dei più alti livelli di protezione per la salute operatori sanitari. Questi sono i DPI preferiti dagli operatori sanitari che eseguono procedure più invasive come l'intubazione dei pazienti. Ad oggi, più di 97 gruppi hanno avuto accesso alla licenza e 34 da Stati Uniti, Canada, Australia, Norvegia e Regno Unito hanno scaricato il progetto e le istruzioni, che possono essere utilizzate gratuitamente per un anno.

Il team ha sviluppato la parte stampata in 3D per il PAPR sotto la guida e la guida del chirurgo ortopedico della colonna vertebrale della Duke Melissa Erickson, che inizialmente si è rivolto a loro con la necessità e la possibile soluzione.

"Abbiamo questi caschi che indossiamo durante l'intervento di artroplastica e abbiamo iniziato a chiederci: 'Possono essere riutilizzati?'", ha affermato Erickson. “Se ci sono carenze nazionali di DPI e PAPR, forse possiamo utilizzare le cose di cui abbiamo in abbondanza in ospedale e apportare modifiche per poter aumentare la quantità di dispositivi di protezione individuale di cui disponiamo per gli operatori sanitari”.

TUTTE LE MANI SUL PONTE

Prendendo tutto l’aiuto possibile, il team di risposta ingegneristica al COVID-19 fa affidamento anche sul talento degli studenti universitari di ingegneria.

I ragazzi del programma Duke Biomedical Engineering Fellows, che offre esperienza pratica di progettazione attraverso corsi e stage, svolgono un ruolo fondamentale in diversi progetti. Ad esempio, il Design Fellow Spencer Moavenzadeh ha utilizzato analisi CAD di sollecitazione/deformazione per simulare i telai delle visiere e proporre modi per irrigidirli.

“Ho anche un team di ragazzi che lavora su un progetto di ventilatore con risorse limitate”, ha affermato il leader del programma, il dottor Mark Palmeri, professore associato di ingegneria biomedica. “Esistono molti progetti di ventilatori open source basati su sacche AMBU, ma molti hanno mancato l’obiettivo e non hanno guadagnato terreno. Questo gruppo sta cercando di imparare da questi sforzi e proporre qualcosa che sia effettivamente utile”.

Nel frattempo, gli anziani Max Sondland e Dimitrios Bailas, che stanno completando il corso di progettazione della pietra miliare di ingegneria meccanica, sono stati incaricati dal loro insegnante di contribuire a creare spazi più sicuri per curare i pazienti. Oltre al normale carico di lavoro, la coppia ha lavorato con un team guidato dal residente in chirurgia Konstantinos Economopoulos prototipando e testando una tenda di isolamento del paziente a pressione negativa che espande le posizioni di trattamento riducendo al contempo il rischio per i medici. In collaborazione con l'Health Innovation Lab della School of Nursing, il team è in grado di prototipare il proprio dispositivo di fronte al Duke University Hospital. Ciò fornisce un facile accesso ai medici che lavorano per fornire feedback.

"Sono stati estremamente efficaci nello sviluppo del sistema di ventilazione, portandolo dall'idea al test in meno di una settimana", ha affermato Neal Simmons, professore associato della Gendell Family Associate of the Practice of Mechanical Engineering and Materials Science. “Non avremmo potuto sviluppare questa idea in modo così rapido ed efficace senza il loro intelletto, abilità e duro lavoro”.

Eppure altri team stanno lavorando su “splitter” stampati in 3D che rendano un singolo ventilatore accessibile a più di un paziente e uno schermo aerosol per intubazione. A tenere il passo con tutti questi progetti è Erika Segear, direttore associato dell'Ufficio per gli affari normativi e la qualità della Duke, che fornisce competenze normative e crea la documentazione che delinea le specifiche e le informazioni sui test che verranno fornite con ciascun dispositivo e condivise con altri team a livello nazionale.

E le idee e i dispositivi continuano ad arrivare.

“È divertente lavorare con persone di grande talento e avere un obiettivo urgente e significativo. Penso che siamo tutti esausti, ma sentiamo che stiamo avendo un impatto", ha detto Richardson.

La professoressa infermieristica Margie Molloy testa il prototipo nel laboratorio di innovazione sanitaria della Duke University School of Nursings guidato dal professor Ryan Shaw.

INVESTIMENTI A BREVE E LUNGO TERMINE

Secondo Gall, uno dei pezzi chiave che mette insieme l'intero puzzle è il finanziamento, grazie in gran parte ad Allan Kirk, presidente del Dipartimento di Chirurgia della Scuola di Medicina della Duke University.

"Allan e io siamo vicini, quindi ci vediamo spesso", ha detto Gall. “Stavamo parlando a distanza di sicurezza e mi ha parlato dei bisogni urgenti che l’ospedale stava affrontando. Quando abbiamo iniziato a costruire prodotti e ad acquistare materiali, mi sono rivolto ad Allan e lui è intervenuto immediatamente per aiutarmi. Il generoso sostegno finanziario di Surgery ci ha permesso di dare il turbo ai progetti”. Anche l'impresa perioperatoria del Sistema Sanitario si è impegnata con un sostegno immediato.
Eric Richardson prova il PAPR che ha contribuito a progettare e produrre con la dottoressa Melissa Erickson al suo fianco.

Senza la preoccupazione dei finanziamenti incombenti sulle loro teste, il COVID Engineering Response Team è stato in grado, ad esempio, di acquistare un forno per pizza ad alta temperatura per riscaldare e piegare le visiere per adattarle alle fasce stampate in 3D. Tutti nel gruppo concordano sul fatto che il sostegno di ogni preside e capo dipartimento nel consentire loro di concentrare il proprio tempo su questi progetti è stato fondamentale. Concordano inoltre sul fatto che gli investimenti originali che hanno consentito questo sforzo rapido e su larga scala risalgono ad anni fa.

MEDx è stato creato nel 2015 da leader lungimiranti delle Facoltà di Medicina e della Pratt School of Engineering con il supporto del Rettore Sally Kornbluth. L’iniziativa alimenta la collaborazione e la scienza di gruppo fornendo finanziamenti iniziali per nuovi progetti di ricerca congiunti, opportunità educative ed eventi per innescare nuove collaborazioni tra persone di entrambe le scuole.

Il Duke Innovation Co-Lab, un makerspace comunitario con risorse tecnologiche, programmazione e strutture per far ripartire idee di successo, è stato lanciato nel 2016 con un'intera parete di oltre 80 stampanti 3D. Duke ha inoltre rivolto la sua attenzione al design, reclutando docenti e offrendo corsi durante il primo anno fino a un master dedicato alla progettazione di dispositivi medici in ingegneria biomedica. Ancora più recentemente, Duke Engineering ha lanciato Duke Engineering Entrepreneurship (EngEn in breve), che prevede un team esperto di imprenditori che lavorano come istruttori, mentori e leader in una serie di opportunità educative, programmi e risorse per docenti, studenti e personale.

"I semi di tutti i nostri sforzi nelle ultime settimane sono stati gettati ben prima di questa crisi, e sono stati coltivati e cresciuti man mano che anche la nuova leadership ha realizzato il loro valore", ha affermato Gall, che co-dirige EngEn ed è direttore associato di MEDx. "Questi programmi sono direttamente responsabili del fatto che gran parte del team di risposta tecnica al COVID-19 sia anche qui alla Duke in questo momento."

"La nostra strategia di reclutare ingegneri progettisti di grande talento che abbiano un profondo interesse per l'insegnamento e di consentire loro di 'auto-organizzarsi' per fare grandi cose ha sviluppato la capacità intellettuale di base della Duke che ora è stata organizzata come Duke EngEn e il COVID- 19 Engineering Response Team”, ha affermato Bellamkonda. “Non avevamo modo di anticipare il COVID-19, ma eccoci qui, con loro in prima linea nella risposta al COVID di Duke a sostegno dei nostri colleghi di Duke Health. È una gioia vedere questo “dream team” in azione, non solo perché sono intelligenti, ma perché si preoccupano profondamente di rendere il mondo migliore”.

ESSERI UMANI SORPRENDENTI

Tuttavia, è forse attraverso gli attuali ed ex Duke Design Health Fellows che l’agilità del team di risposta tecnica al COVID-19 può essere veramente compresa.

La classe più recente di ricercatori, la maggior parte dei quali specializzandi in medicina, dottorandi infermieristici e studenti laureati in ingegneria, ha iniziato nell'agosto 2019 presso il campo di addestramento di Design Health, dove sono stati addestrati a fare ricerca osservativa in contesti clinici di Duke Health per identificare risultati insoddisfatti esigenze. Nel corso dell'estate e dei semestri successivi, i ricercatori hanno imparato i processi di progettazione e aziendali e hanno sostenuto team di studenti provenienti da tutta l'università per soddisfare le esigenze che avevano individuato.

Poi è arrivato il COVID-19. La chiamata dall'ospedale è partita e ragazzi come Pino, Economopoulos e Muath Bishawi, specializzando in cardiochirurgia che consegue un dottorato di ricerca in ingegneria biomedica e consulente del programma Design Health, sono tornati a essere medici. La collega Jackie Vaughn, un'infermiera esperta nel bel mezzo della finalizzazione del suo dottorato di ricerca, ha iniziato ad abbattere le barriere e ad aprire le porte in tutto l'ospedale per Bishawi, Konstantinos, Alejandro e il resto della squadra della task force.

“Letteralmente da un giorno all’altro sono passati dall’essere nostri studenti al salvare vite umane, guardando allo stesso tempo attraverso la lente che avevamo dato loro per identificare i bisogni reali e in tempo reale che emergevano in ospedale, riportandoli nella task force e imbarcandosi per risolverli”, ha detto Fearis. "Onestamente sono esseri umani sorprendenti."

Essendo stati addestrati a comprendere le reali necessità di un paziente o di un medico, indipendentemente da ciò che dicono, e da ciò che può essere affrontato con le loro competenze, questi "straordinari esseri umani" sono gli occhi e le orecchie del team di risposta tecnica al COVID-19 nei reparti di terapia intensiva pavimento dell'unità.

"Come medici, impariamo molto sull'osservazione dei pazienti e sugli esami fisici e su come trarre conclusioni da questi", ha affermato Pino. "Ciò che ho trovato più utile nel Design Health Program è aver imparato a osservare dal punto di vista dell'ingegneria o dell'innovatore, trovando soluzioni per i nostri pazienti e persino mettendo in discussione soluzioni già esistenti."

Con poche indicazioni su quanto a lungo potrebbe durare la pandemia, nessuno sa quando le loro vite potrebbero tornare a una parvenza di normalità. Ma con ogni problema identificato, ogni innovazione testata e ogni problema risolto, tutti i soggetti coinvolti nel team di risposta tecnica al COVID-19 hanno la sensazione di aiutare il mondo ad avvicinarsi un po' di più.

E prima è, meglio è. Nessuno vuole che i propri amici e familiari siano in pericolo.

“Abbiamo a che fare con molti 'studenti', ma colpisce davvero nel segno quando ci si rende conto che lo studente con cui stavi scherzando o criticando ieri sera ha letteralmente messo in pericolo la sua vita stamattina; perché è quello che fanno”, ha detto Fearis. "Penso che ci rispettino come 'professori', ma neanche lontanamente quanto noi li rispettiamo come esseri umani."

(C) Università Duke

Fonte articolo originale: WRAL TechWire