Wszystkie ręce na pokład: zespół inżynierów zajmujących się reagowaniem na Covid-19 zbiera się w każdym zakątku Duke

DUHAM – Na początku 2020 roku uwaga dr Alejandro Pino skupiła się na projektowaniu i opatentowaniu zgłębników do karmienia, które same się udrożnią, a jednocześnie odbywał staż w zakresie pulmonologii i intensywnej terapii w Szkole Medycznej Duke University.

Zaledwie kilka miesięcy później nowy koronawirus wywrócił świat do góry nogami, a rurki do karmienia nie były już najpilniejszym projektem Pino.

„Wszyscy nasi stypendyści, którzy pracowali nad badaniami, zostali zaangażowani do pomocy w czasie kryzysu” – powiedział Pino, który obecnie spędza znacznie więcej czasu na rotacji, pracując na pierwszej linii frontu, opiekując się pacjentami z Covid-19 w szpitalu Duke University Hospital. „I nikt z nas nie może zobaczyć swojej rodziny ani przyjaciół. Czuję się winny, że wychodzę na spacer z psem, bo na co dzień pracuję z pacjentami z Covid-19 i nie chcę narażać innych ludzi na niebezpieczeństwo. To wiele do zniesienia.”

Ale Pino nie zrezygnował całkowicie ze swojej wynalazczej pracy — zamiast tego, dzięki innowacyjnemu partnerstwu obejmującemu cały kampus, skupił się na pełnej nadziei pracy polegającej na projektowaniu rozwiązań, które pomogą chronić pacjentów, siebie i swoich współpracowników.

„Wszyscy nasi stypendyści, którzy pracowali nad badaniami, zostali zaangażowani do pomocy w walce z kryzysem. I nikt z nas nie może zobaczyć swojej rodziny ani przyjaciół. Czuję się winny, że wychodzę na spacer z psem, bo na co dzień pracuję z pacjentami z Covid-19 i nie chcę narażać innych ludzi na niebezpieczeństwo. To wiele do zniesienia.”

Pino pracował nad innowacją rurki do karmienia jako pracownik naukowy w Program zdrowotny Duke Design, ogólnouniwersytecka inicjatywa prowadzona przez Duke Engineering, która wprowadza interdyscyplinarne zespoły studentów do środowiska klinicznego, aby aktywnie identyfikować, weryfikować i rozwiązywać wcześniej nierozwiązane wyzwania. I chociaż jego zainteresowania się zmieniły, współpraca Pino z kolegami z inżynierii zacieśniła się w ciągu ostatniego miesiąca jeszcze bardziej, ponieważ on i inni stypendyści Design Health stanowią bezpośredni łącznik między inżynierami próbującymi szybko rozwiązywać pojawiające się potrzeby a lekarzami, którym starają się pomóc .

Opierając się na solidnym fundamencie stworzonym już przez współpracę między kampusami, taką jak Duke Design Health, Duke MEDx i Duke Engineering Entrepreneurship (EngEn), wykładowcy, pracownicy i studenci szybko zbudowali nowy zespół ds. reagowania inżynieryjnego na Covid-19 w Duke.

W ciągu czterech tygodni od utworzenia zespół połączył w pełni operacyjny proces inżynieryjny, który obejmuje etapy od odkrycia problemu, przez szybkie prototypowanie wraz z testami w terenie i dokumentacją, aż po dostarczenie ostatecznych rozwiązań opiekunom. Stworzyli już dwa produkty — przyłbice drukowane w 3D, które są produkowane masowo, oraz część wydrukowaną w 3D, która pomaga zamienić istniejący fartuch/hełm chirurgiczny ortopedyczny w zasilany kombinezon nadciśnieniowy z filtrowanym powietrzem, zapewniający najwyższy poziom ochrony opiekunowie mogą zrobić.

A ponieważ ponad siedem zespołów pracuje nad szeroką gamą wyzwań, to dopiero początek.

Przędzenie nici w sieci

Chociaż zespół ds. reagowania inżynieryjnego na Covid-19 szybko się połączył, zaczęło się to od szeregu wezwań do pomocy. Do Chipa Bobberta, starszego inżyniera i architekta produkcji w Duke's Innovation Co-Lab, zwrócono się z prośbą o wykorzystanie wielu drukarek 3D Co-Lab do tworzenia przyłbic. Do Kena Galla, prodziekana ds. przedsiębiorczości w Duke Engineering, zwrócono się z pomysłem przekształcenia fartucha chirurgicznego w respirator z wymuszonym przepływem powietrza (PAPR). Korporacja z listy Fortune 50 skontaktowała się z profesorem inżynierii biomedycznej i dyrektorem Duke Design Health z Erikiem Richardsonem w sprawie znalezienia sposobu na produkcję tanich respiratorów.

W innej szkole te i inne początkujące projekty mogłyby być kontynuowane odrębnymi torami. Ponieważ jednak tak wiele relacji i programów łączy Duke Engineering z Duke School of Medicine i School of Nursing, możliwość połączenia zasobów nie pozostała niezauważona.

„Rozmawiałem przez telefon z Ravim i Kenem w weekend, kiedy wszystko zaczęło się zamykać [ze względu na dystans społeczny], i zdaliśmy sobie sprawę, że musimy sformalizować wszystkie te projekty w spójny wysiłek” – powiedział Richardson, mówiąc o Ravim Bellamkondzie, Viniku Dziekan Pratt School of Engineering. „Pod koniec tygodnia skoordynowaliśmy zespoły, aby skoncentrowały się na konkretnych projektach”.

Ten krok okazał się kluczowy. Zamiast ślepo brnąć tunelem w stronę gotowych produktów, zespół ds. reagowania inżynieryjnego na Covid-19 kierowany przez Richardsona, Galla i Paula Fearisa poświęcił tydzień na wycofanie się, dotarcie do istniejących sieci w systemie opieki zdrowotnej i określenie, jakie naprawdę były potrzeby priorytetowe.

„Podczas gdy świat kręcił się z głową w rękach, zajmując się tonami próśb o środki ochrony indywidualnej, respirator i tym podobne, my podjęliśmy decyzję, aby odetchnąć, zwolnić i szybko porozmawiać ze szpitalem” – powiedział Fearis, starszy specjalista ds. wykładowca inżynierii biomedycznej. „Jesteśmy w wyjątkowej sytuacji, w której wystarczy przejść przez ulicę i zapytać: «Czy to prawda?». Co naprawdę pomoże? A jak dobre to musi być? I znowu otrzymaliśmy zaangażowanie ze szpitala, co naprawdę dało nam przyczepność, a nie wprawiało nas w zawroty głowy”.

„Fakt, że nasza reakcja była tak dobrze zorganizowana, jest w całości możliwy dzięki temu, że uczelnie inżynieryjne i medyczne są tak blisko siebie, zarówno pod względem metaforycznym, jak i fizycznym” – powiedziała Donna Crenshaw, dyrektor wykonawcza Duke MEDx, wspólnej inicjatywy pomiędzy wydziałami inżynieryjnymi i medycznymi Duke uczelni medycznych w celu wspierania współpracy interdyscyplinarnej. „Istniało już między nami wiele kanałów komunikacji. Bez nich zorganizowanie tego, co udało nam się zebrać w kilka tygodni, zajęłoby miesiące”.

WZROST

Po ocenie potrzeb i utworzeniu grup roboczych Zespół Reagowania Inżynieryjnego na Covid-19 zabrał się do pracy. Niecałe trzy tygodnie po utworzeniu zespołu ukończone projekty już zmierzały do końca, a nowe szły w górę.

Pierwszym zrealizowanym projektem było dostosowanie istniejących planów przyłbicy wydrukowanej w 3D, tak aby mogła być produkowana masowo przez lokalną firmę. Po przetestowaniu około 100 projektów zespół kierowany przez Bobberta stworzył prototyp opaski na głowę wydrukowanej w 3D, która po przymocowaniu do wycinanej laserowo soczewki poliwęglanowej, która jest lekkim kawałkiem plastiku o dużej odporności na uderzenia, tworzy osłonę twarzy.

Po drodze, przy wsparciu Ryana Shawa, profesora nadzwyczajnego i katedry pielęgniarstwa Elizabeth C. Clipp Term, ponad dwa tuziny pielęgniarek, absolwentów pielęgniarstwa i pracowników służby zdrowia przetestowało wydrukowane w 3D przyłbice w laboratorium symulacyjnym i stwierdziło, że są one skuteczne. spełniają standardy bezpieczeństwa i można je odkażać w celu ponownego użycia. Trwają również podobne wysiłki w zakresie testowania i walidacji innych urządzeń.

„To, co naprawdę uderzyło wiele osób, gdy pojawiła się nasza osłona twarzy, to fakt, że przeprowadziliśmy na niej testy” – powiedział Gall. „Wiele miejsc miało już w Internecie zdjęcia wyprodukowanych przez siebie przyłbic. Wydobycie naszego zajęło nam nieco więcej czasu, ale testy różniły się od tego, co zrobili inni. A testy mają znaczenie. To zrobiło dużą różnicę.”

Drugim projektem, który ujrzał światło dzienne, było urządzenie wydrukowane w 3D, które umożliwia zamontowanie filtrów na hełmie chirurgicznym i przekształcenie go w respirator z wymuszonym oczyszczaniem powietrza, w skrócie PAPR. PAPR — obejmujące maski oddechowe wielokrotnego użytku, które całkowicie zakrywają twarz pracowników służby zdrowia oraz dmuchawę na baterie, która wciąga powietrze przez filtry lub wkłady, zapewniając wentylację kombinezonu, oddychalność atmosfery i przejrzystość wizjera — zapewniają jeden z najwyższych poziomów ochrony zdrowia pracownicy opieki. Są to preferowane środki ochrony indywidualnej dla pracowników służby zdrowia wykonujących bardziej inwazyjne procedury, takie jak intubacja pacjentów. Do tej pory ponad 97 grup uzyskało dostęp do licencji, a 34 ze Stanów Zjednoczonych, Kanady, Australii, Norwegii i Wielkiej Brytanii pobrało projekt i instrukcje, z których można korzystać bezpłatnie przez rok.

Zespół opracował wydrukowaną w 3D część dla PAPR pod kierownictwem i wskazówkami chirurga ortopedy kręgosłupa Duke'a, Melissy Erickson, która pierwotnie zwróciła się do nich z potrzebą i możliwym rozwiązaniem.

„Mamy te hełmy, które nosimy podczas operacji endoprotezoplastyki i zaczęliśmy się zastanawiać: «Czy można je wykorzystać ponownie?»” powiedział Erickson. „Jeśli w całym kraju występują niedobory środków ochrony indywidualnej i PAPR, być może moglibyśmy wykorzystać rzeczy, których mamy pod dostatkiem w szpitalu i wprowadzić modyfikacje, aby móc zwiększyć ilość środków ochrony osobistej, jakie posiadamy dla pracowników służby zdrowia”.

WSZYSTKIE RĘCE NA POKŁAD

Korzystając z wszelkiej możliwej pomocy, zespół reagowania inżynieryjnego na Covid-19 polega również na talentach studentów studiów inżynierskich.

Juniorzy z programu Duke Biomedical Engineering Fellows, który oferuje praktyczne doświadczenie w projektowaniu poprzez kursy i staże, odgrywają integralną rolę w kilku projektach. Na przykład specjalista ds. projektowania Spencer Moavenzadeh wykorzystał analizy naprężeń/odkształceń CAD do symulacji ram osłon twarzy i zaproponowania sposobów ich usztywnienia.

„Mam także zespół juniorów pracujących nad projektem respiratora o niewielkich nakładach” – powiedział lider programu, dr Mark Palmeri, profesor nadzwyczajny ds. praktyki inżynierii biomedycznej. „Istnieje wiele projektów respiratorów opartych na workach AMBU typu open source, ale wiele z nich nie trafiło w sedno i nie zyskało popularności. Ta grupa chce wyciągnąć wnioski z tych wysiłków i zaproponować coś, co jest naprawdę przydatne”.

Tymczasem seniorzy Max Sondland i Dimitrios Bailas, którzy kończą kurs projektowania zwieńczeń z zakresu inżynierii mechanicznej, zostali poproszeni przez swojego nauczyciela o pomoc w stworzeniu bezpieczniejszych przestrzeni do leczenia pacjentów. Oprócz normalnego obciążenia kursami oboje pracowali z zespołem kierowanym przez rezydenta chirurgii Konstantinosa Economopoulosa, tworząc prototypy i testując namiot izolacyjny dla pacjentów z podciśnieniem, który powiększa miejsca leczenia, zmniejszając jednocześnie ryzyko dla lekarzy. We współpracy z Laboratorium Innowacji Zdrowotnych Szkoły Pielęgniarstwa zespół jest w stanie prototypować swoje urządzenie po drugiej stronie ulicy od Szpitala Uniwersyteckiego Duke. Zapewnia to pracującym klinicystom łatwy dostęp do przekazywania informacji zwrotnych.

„Okazali się niezwykle skuteczni w opracowywaniu systemu wentylacji, przenosząc go od pomysłu do testów w niecały tydzień” – powiedział Neal Simmons, profesor nadzwyczajny rodziny Gendell w dziedzinie praktyki inżynierii mechanicznej i nauk o materiałach. „Bez ich intelektu, umiejętności i ciężkiej pracy nie moglibyśmy opracować tego pomysłu tak szybko i skutecznie”.

Jeszcze inne zespoły pracują nad wydrukowanymi w 3D „rozdzielaczami”, dzięki którym jeden respirator będzie dostępny dla więcej niż jednego pacjenta, a także intubacyjna osłona aerozolowa. Wszystkimi tymi projektami zajmuje się Erika Segear, zastępca dyrektora Biura ds. Regulacji i Jakości w Duke, która zapewnia specjalistyczną wiedzę w zakresie przepisów oraz tworzy dokumentację zawierającą specyfikacje i informacje testowe, które będą dostarczane z każdym urządzeniem i udostępniane innym zespołom w całym kraju.

Pomysłów i urządzeń wciąż przybywa.

„Przyjemnie jest pracować z niezwykle utalentowanymi ludźmi i mieć pilny i znaczący cel. Myślę, że wszyscy jesteśmy wyczerpani, ale czujemy, że wywieramy wpływ” – powiedział Richardson.

Profesor pielęgniarstwa Margie Molloy testuje prototyp w laboratorium innowacji zdrowotnych Duke University School of Nursings kierowanym przez profesora Ryana Shawa.

INWESTYCJE KRÓTKO I DŁUGOTERMINOWE

Według Galla jednym z kluczowych elementów składających się na całą tę układankę jest finansowanie, w dużej mierze dzięki Allanowi Kirkowi, kierownikowi Katedry Chirurgii w Szkole Medycznej Duke University.

„Allan i ja jesteśmy sąsiadami, więc często się widujemy” – powiedział Gall. „Rozmawialiśmy z bezpiecznej odległości, a on opowiedział mi o pilnych potrzebach szpitala. Kiedy zaczęliśmy budować produkty i kupować materiały, zwróciłem się do Allana, a on natychmiast wkroczył, aby mi pomóc. Hojne wsparcie finansowe ze strony firmy Surgery umożliwiło nam turbodoładowanie projektów.” Przedsiębiorstwo Perioperative Systemu Opieki Zdrowotnej również udzieliło natychmiastowego wsparcia.
Eric Richardson wypróbowuje PAPR, który pomógł zaprojektować i wyprodukować, mając u boku dr Melissę Erickson.

Nie martwiąc się, że fundusze zawisną im nad głowami, zespół ds. reagowania inżynieryjnego na pandemię COVID mógł na przykład kupić wysokotemperaturowy piec do pizzy, aby podgrzać i zgiąć osłony twarzy, aby pasowały do opasek na głowę wydrukowanych w 3D. Wszyscy w grupie zgadzają się, że wsparcie każdego dziekana i kierownika wydziału w umożliwieniu mu skupienia czasu na tych projektach było kluczowe. Zgadzają się również, że pierwotne inwestycje umożliwiające tak szybkie przedsięwzięcie na dużą skalę sięgają lat wstecz.

MEDx został założony w 2015 roku przez myślących przyszłościowo liderów ze szkół medycznych i Pratt School of Engineering przy wsparciu rektora Sally Kornbluth. Inicjatywa napędza współpracę i naukę zespołową, zapewniając fundusze zalążkowe na nowe wspólne projekty badawcze, możliwości edukacyjne i wydarzenia, które mają zapoczątkować nową współpracę między osobami z obu szkół.

Duke Innovation Co-Lab, społeczność twórców dysponująca zasobami technologicznymi, programowaniem i udogodnieniami umożliwiającymi realizację udanych pomysłów, została uruchomiona w 2016 r. z całą ścianą ponad 80 drukarek 3D. Duke skupił się również na projektowaniu, rekrutacji wykładowców i oferowaniu kursów od pierwszego roku aż do specjalnego certyfikatu mistrza projektowania urządzeń medycznych w zakresie inżynierii biomedycznej. Jeszcze niedawno firma Duke Engineering uruchomiła program Duke Engineering Entrepreneurship (w skrócie EngEn), w ramach którego doświadczony zespół przedsiębiorców pracuje jako instruktorzy, mentorzy i liderzy w ramach szeregu możliwości edukacyjnych, programów i zasobów dla wykładowców, studentów i personelu.

„Ziarna wszystkich naszych wysiłków w ciągu ostatnich kilku tygodni zostały zasiane na długo przed kryzysem, były pielęgnowane i rozwijane, gdy nowe kierownictwo również zdało sobie sprawę ze swojej wartości” – powiedział Gall, który współprzewodzi EngEn i jest zastępcą dyrektora ds. MEDx. „Te programy są bezpośrednio odpowiedzialne za to, że znaczna część zespołu reagowania inżynieryjnego na Covid-19 jest nawet teraz w Duke”.

„Nasza strategia polegająca na rekrutowaniu wysoce utalentowanych inżynierów-projektantów, którzy są głęboko zainteresowani nauczaniem, a następnie umożliwieniu im „samoorganizacji” w celu robienia wielkich rzeczy, zbudowała podstawowy potencjał intelektualny w Duke, który obecnie jest zorganizowany jako Duke EngEn i zespół ds. 19 Zespół reagowania technicznego” – powiedział Bellamkonda. „Nie mogliśmy przewidzieć Covid-19, ale oto jesteśmy, a oni odgrywają główną rolę w reakcji firmy Duke na Covid-19, wspierając naszych kolegów z Duke Health. Z przyjemnością obserwuję ten „zespół marzeń” w akcji, nie tylko dlatego, że są mądrzy, ale także dlatego, że bardzo zależy im na ulepszaniu świata”.

Zdumiewający ludzie

Być może jednak dzięki obecnym i byłym pracownikom Duke Design Health Fellows można naprawdę zrozumieć zwinność zespołu reagowania inżynieryjnego na pandemię COVID-19.

Najnowsza grupa stypendystów – w większości rezydentowie medycyny, doktoranci pielęgniarstwa i absolwenci inżynierii – rozpoczęła pracę w sierpniu 2019 r. na obozie dla początkujących Design Health, gdzie została przeszkolona w zakresie prowadzenia badań obserwacyjnych w warunkach klinicznych Duke Health w celu zidentyfikowania niezaspokojonych potrzeb. wymagania. W ciągu tego lata i kolejnych semestrów stypendyści poznawali procesy projektowe i biznesowe oraz wspierali zespoły studentów z całego uniwersytetu w zaspokajaniu zidentyfikowanych potrzeb.

Potem uderzył Covid-19. Rozdzwonił się telefon ze szpitala, a koledzy tacy jak Pino, Economopoulos i Muath Bishawi, rezydent kardiochirurgii, który uzyskał doktorat z inżynierii biomedycznej i doradca programu Design Health, wrócili do pracy jako klinicyści. Inna Jackie Vaughn, doświadczona pielęgniarka w trakcie kończenia doktoratu, zaczęła burzyć bariery i otwierać drzwi w całym szpitalu dla Bishawiego, Konstantinosa, Alejandro i reszty zespołu zadaniowego.

„Dosłownie z dnia na dzień przeszli od bycia naszymi uczniami do ratowania życia, jednocześnie patrząc przez pryzmat, który im daliśmy, aby identyfikować w czasie rzeczywistym, rzeczywiste potrzeby pojawiające się w szpitalu, sprowadzić ich z powrotem do grupy zadaniowej i rozpocząć nad ich rozwiązaniem” – powiedział Fearis. „Szczerze mówiąc, to zdumiewający ludzie”.

Po przeszkoleniu w zakresie rozumienia prawdziwych potrzeb pacjenta lub lekarza, niezależnie od tego, co mówią i co można rozwiązać dzięki ich umiejętnościom, ci „zdumiewający ludzie” są oczami i uszami zespołu ds. reagowania inżynieryjnego na Covid-19 na oddziale intensywnej terapii piętro jednostki.

„Jako lekarze wiele się uczymy na temat obserwacji pacjentów i badań fizykalnych oraz tego, jak wyciągać z nich wnioski” – powiedział Pino. „To, co okazało się dla mnie najbardziej pomocne w programie Design Health, to nauka obserwacji z perspektywy inżyniera lub innowatora, znajdowania rozwiązań dla naszych pacjentów, a nawet kwestionowania rozwiązań, które już istnieją”.

Mając niewiele wskazówek na temat tego, jak długo może trwać pandemia, nikt nie wie, kiedy ich życie może powrócić do pozorów normalności. Jednak po zidentyfikowaniu każdego problemu, przetestowaniu każdej innowacji i rozwiązaniu każdego problemu wszyscy zaangażowani w zespół ds. reagowania inżynieryjnego na Covid-19 mają poczucie, że pomagają światu choć trochę się do tego zbliżyć.

A im szybciej, tym lepiej. Nikt nie chce, aby jego przyjaciołom i rodzinie coś się stało.

„Mamy do czynienia z wieloma „studentami”, ale naprawdę uderza nas świadomość, że uczeń, z którym żartowałeś lub który krytykowałeś poprzedniego wieczoru, dziś rano dosłownie naraził swoje życie na niebezpieczeństwo; bo tak właśnie robią” – powiedział Fearis. „Myślę, że szanują nas jako „profesorów”, ale nie tak bardzo, jak my szanujemy ich jako istoty ludzkie”.

(C) Uniwersytet Duke'a

Oryginalne źródło artykułu: WRALTechWire