Alla händer på däck: Covid-19 ingenjörsteam samlas från varje hörn på Duke

DURHAM – I början av 2020 var Dr. Alejandro Pinos uppmärksamhet fokuserad på att designa och patentera matningsrör som kan täppa till sig själva samtidigt som han ägnar sig åt ett stipendium för lunglära och intensivvård vid Duke University School of Medicine.

Bara några månader senare vände ett nytt coronavirus upp och ner på världen, och matningsrör var inte längre Pinos mest pressande projekt.

"Alla våra kolleger som arbetade med forskning har dragits in för att hjälpa till med krisen," sa Pino, som nu spenderar mycket mer tid på rotation och arbetar i frontlinjen för att ta hand om COVID-19-patienter på Duke University Hospital. "Och ingen av oss kan se vår familj eller våra vänner. Jag känner mig skyldig bara jag går ut med min hund eftersom jag arbetar med covid-19 patienter dagligen och inte vill utsätta andra människor för fara. Det är mycket att hantera.”

Men Pino har inte gett upp sitt uppfinningsrika arbete helt och hållet – i stället har han, tack vare ett innovativt campus-omfattande partnerskap, övergått till det hoppfulla arbetet med att designa lösningar för att hjälpa till att skydda patienterna, sig själv och sina andra hälsoarbetare.

”Alla våra stipendiater som arbetade med forskning har dragits in för att hjälpa till med krisen. Och ingen av oss kan se vår familj eller våra vänner. Jag känner mig skyldig bara jag går ut med min hund eftersom jag arbetar med covid-19 patienter dagligen och inte vill utsätta andra människor för fara. Det är mycket att hantera.”

Pino arbetade på sin matningsslangsinnovation som stipendiat i Duke Design Health Program, ett universitetsomfattande initiativ som leds av Duke Engineering som tar med tvärvetenskapliga team av studenter in i den kliniska miljön för att aktivt identifiera, validera och lösa tidigare ouppfyllda utmaningar. Och medan hans fokus har förändrats, har Pinos samarbete med ingenjörskollegor vuxit sig ännu starkare under den senaste månaden, eftersom han och andra Design Health-stipendiater fungerar som en direkt länk mellan ingenjörer som snabbt försöker lösa nya behov och klinikerna de försöker hjälpa .

Det är på den starka grund som redan lagts av samarbeten över campus som Duke Design Health, Duke MEDx och Duke Engineering Entrepreneurship (EngEn) som fakultet, personal och studenter snabbt har byggt upp Dukes nya COVID-19 Engineering Response Team.

Inom fyra veckor efter bildandet har teamet sammanfogat en fullt fungerande pipeline som driver teknikhandsken från problemupptäckt, till snabb prototypframställning komplett med fälttester och dokumentation, till att leverera slutliga lösningar till vårdgivare. De har redan färdigställt två produkter – 3D-tryckta ansiktsskydd som massproduceras och en 3D-printad del som hjälper till att förvandla en befintlig ortopedisk operationsrock/hjälm till en motordriven övertrycksdräkt med filtrerad luft som erbjuder högsta skyddsnivå vårdgivare kan göra.

Och med mer än sju team som arbetar med en lång rad utmaningar, är de bara igång.

SPINNA TRÅDER TILL EN WEB

Medan Covid-19 Engineering Response Team slogs samman snabbt, började det genom ett urval av samtal på hjälp. Chip Bobbert, senior ingenjör och tillverkningsarkitekt vid Duke's Innovation Co-Lab, hade blivit kontaktad om att använda Co-Labs många 3D-skrivare för att skapa ansiktsskydd. Ken Gall, biträdande dekan för entreprenörskap vid Duke Engineering, hade blivit kontaktad med idén att förvandla en operationsrock till en motordriven luftrenande respirator (PAPR). Eric Richardson, docent i biomedicinsk teknik och chef för Duke Design Health, hade blivit kontaktad av ett Fortune 50-företag för att ta reda på hur man tillverkar lågkostnadsventilatorer.

På en annan skola kan dessa och andra spirande projekt ha fortsatt på olika spår. Men eftersom så många relationer och program knyter Duke Engineering ihop med Duke School of Medicine och School of Nursing, gick möjligheten att slå samman resurser inte obemärkt förbi.

"Jag hade ett telefonsamtal med Ravi och Ken helgen efter att allt började stängas [för social distansering], och vi insåg att vi behövde formalisera alla dessa projekt till en sammanhållen ansträngning," sa Richardson, på tal om Ravi Bellamkonda, Vinik Dekanus vid Pratt School of Engineering. "I slutet av veckan hade vi samordnat team för att fokusera på specifika projekt."

Detta steg visade sig vara avgörande. Istället för att blint kasta ner en tunnel mot färdiga produkter tog COVID-19 Engineering Response Team under ledning av Richardson, Gall och Paul Fearis en vecka på sig att ta ett steg tillbaka, nå ut genom sina befintliga nätverk inom hälso- och sjukvården och identifierade precis vad prioriterade behov verkligen var.

"Medan världen sprang runt med huvudet i händerna och hanterade massor av förfrågningar om personlig skyddsutrustning, ventilatorer och liknande, tog vi beslutet att ta ett andetag, sakta ner och snabbt prata med sjukhuset", säger Fearis, en senior lektor i biomedicinsk teknik. "Vi är i en unik position där allt vi behöver göra är att gå över vägen och fråga,"Är det här på riktigt? Vad hjälper egentligen? Och hur bra måste det vara? Och vi fick engagemang från sjukhuset tillbaka i spader, vilket verkligen gav oss dragkraft snarare än att vi snurrade på hjulen."

"Det faktum att vårt svar har varit så välorganiserat är helt och hållet möjliggjort av att ingenjörs- och medicinhögskolorna är så nära varandra, både metaforiskt och fysiskt", säger Donna Crenshaw, verkställande direktör för Duke MEDx, ett gemensamt initiativ mellan Dukes ingenjörer och medicinska skolor för att främja tvärvetenskapligt samarbete. "Det fanns redan så många kommunikationskanaler mellan oss. Utan dessa skulle det ha tagit månader att organisera det vi har satt ihop på veckor.”

UPPRAMPNING

Efter att behoven bedömts och arbetsgrupper bildats började Covid-19 Engineering Response Team att arbeta. Mindre än tre veckor efter att teamet bildades var färdiga projekt redan på väg ut genom dörren med nya på väg ner för gäddan.

Det första projektet som realiserades var att anpassa befintliga planer för en 3D-printad ansiktsskärm så att den kunde massproduceras av ett lokalt företag. Efter att ha testat cirka 100 mönster landade ett team under ledning av Bobbert på sin prototyp av ett 3D-printat pannband som bildar ett ansiktsskydd när det fästs på en laserskuren polykarbonatlins, som är en lätt plastbit med hög slagtålighet.

Längs vägen, med stöd från Ryan Shaw, docent och Elizabeth C. Clipp Term Chair of Nursing, testade mer än två dussin Duke-sköterskor, sjuksköterskestudenter och läkare de 3D-printade ansiktsskydden i ett simuleringslabb och fastställde att de uppfyllde säkerhetsstandarder och kunde saneras för återanvändning. Liknande ansträngningar för testning och validering av andra enheter pågår också.

"Det som verkligen slog många när vårt ansiktsskydd kom ut var att vi hade gjort tester på det," sa Gall. "Många ställen hade redan bilder på ansiktsskydd som de hade producerat online. Det tog lite längre tid för oss att få ut vårt, men testet skilde sig från vad andra hade gjort. Och testningen spelar roll. Det gjorde stor skillnad."

Det andra projektet för att se dagens ljus var en 3D-utskriven enhet som kan montera filter på en operationshjälm för att förvandla den till en Powered Air Purifying Respirator eller PAPR. PAPRs – som inkluderar återanvändbara andningsskydd som helt täcker vårdpersonalens ansikten och en batteridriven blåsare som drar luft genom filter eller patroner för att hålla dräkten ventilerad, atmosfären andas och visiret rent – ger en av de högsta nivåerna av skydd för hälsan vårdpersonal. Dessa är den personliga skyddsutrustningen som föredras för vårdpersonal som utför mer invasiva procedurer som att intubera patienter. Hittills har mer än 97 grupper fått tillgång till licensen och 34 från USA, Kanada, Australien, Norge och Storbritannien har laddat ner designen och instruktionerna, som kan användas utan kostnad i ett år.

Teamet utvecklade den 3D-utskrivna delen för PAPR under ledning och vägledning av Duke ortopedisk ryggradskirurg Melissa Erickson, som ursprungligen kontaktade dem med behovet och möjlig lösning.

"Vi har de här hjälmarna som vi bär under artroplastikoperationer och vi började undra, 'Kan dessa användas igen?'" sa Erickson. "Om det finns nationell brist på PPE och PAPR, kanske vi kan använda saker som vi har gott om på sjukhuset och göra ändringar för att kunna öka mängden personlig skyddsutrustning vi har för vårdpersonal."

ALLA HÄNDER OMBORD

Med all hjälp de kan få, förlitar sig COVID-19 Engineering Response Team på talangerna hos ingenjörsstudenter.

Juniorer i Duke Biomedical Engineering Fellows-programmet, som erbjuder praktisk designupplevelse genom kurser och praktik, spelar en integrerad del i flera projekt. Till exempel använde Design Fellow Spencer Moavenzadeh CAD-spännings-/töjningsanalyser för att simulera ansiktsskyddens ramar och föreslå sätt att styva upp dem.

"Jag har också ett team av juniorer som arbetar med en resurssnål ventilatordesign", säger programledaren Dr Mark Palmeri, docent i praktiken av biomedicinsk ingenjörskonst. "Det finns många konstruktioner där ute för AMBU-bag-baserade fläktar med öppen källkod, men många har missat målet och inte fått grepp. Den här gruppen vill lära av dessa ansträngningar och föreslå något som faktiskt är användbart.”

Samtidigt har seniorerna Max Sondland och Dimitrios Bailas, som håller på att slutföra sin kurs i maskinkonstruktionsdesign, blivit anlitade av sin lärare för att hjälpa till att skapa säkrare utrymmen för att behandla patienter. Förutom deras normala kursbelastning, har paret arbetat med ett team som leds av operationsboende Konstantinos Economopoulos med prototyper och testning av ett isoleringstält med negativt tryck för patienter som utökar behandlingsplatserna samtidigt som risken för kliniker minskar. I samarbete med School of Nursing's Health Innovation Lab kan teamet göra en prototyp av sin enhet tvärs över gatan från Duke University Hospital. Detta ger enkel åtkomst för arbetande läkare att ge feedback.

"De har varit extremt effektiva när det gäller att utveckla ventilationssystemet och tagit det från en idé till att testa på mindre än en vecka", säger Neal Simmons, Gendell Family Associate Professor of the Practice of Mechanical Engineering and Materials Science. "Vi hade inte kunnat utveckla den här idén lika snabbt eller effektivt utan deras intellekt, skicklighet och hårda arbete."

Ännu andra team arbetar med 3D-printade "splitters" som gör en enda ventilator tillgänglig för mer än en patient och en intubationsaerosolsköld. Att hänga med i alla dessa projekt är Erika Segear, biträdande direktör för Dukes Office of Regulatory Affairs and Quality, som tillhandahåller regulatorisk expertis och skapar dokumentationen som beskriver specifikationer och testinformation som kommer att tillhandahållas med varje enhet och delas med andra team över hela landet.

Och idéerna och enheterna fortsätter att komma.

”Det är roligt att arbeta med extremt duktiga människor och ha ett brådskande och meningsfullt mål. Jag tror att vi alla är utmattade, men vi känner att vi gör ett inflytande, säger Richardson.

Sjuksköterskeprofessorn Margie Molloy testar prototypen i Duke University School of Nursings Health Innovation Lab under ledning av professor Ryan Shaw.

KORT- OCH LÅNGSIKTIGA INVESTERINGAR

Enligt Gall är en av nyckelbitarna som satte ihop hela pusslet finansiering, mycket tack vare Allan Kirk, ordförande för avdelningen för kirurgi vid Duke University School of Medicine.

"Allan och jag är grannar, så vi ses ofta", sa Gall. "Vi pratade på säkert avstånd och han berättade för mig om de akuta behov som sjukhuset stod inför. När vi började bygga produkter och köpa in material gick jag fram till Allan och han klev in direkt för att hjälpa till. Kirurgis generösa ekonomiska stöd gjorde det möjligt för oss att turboladda projekten.” Hälsosystemets Perioperativa företag lutade sig också in med omedelbart stöd.
Eric Richardson provar PAPR han hjälpte till att designa och producera med Dr. Melissa Erickson vid sin sida.

Utan att oroa sig för att finansieringen skymte över deras huvuden kunde COVID Engineering Response Team till exempel köpa en pizzaugn med hög temperatur för att värma upp och böja ansiktsskydden för att passa deras 3D-printade pannband. Alla i gruppen är överens om att stödet från varje dekanus och prefekt för att låta dem fokusera sin tid på dessa projekt har varit avgörande. De är också överens om att de ursprungliga investeringarna som möjliggör denna snabbrörliga, storskaliga insats går år tillbaka i tiden.

MEDx skapades 2015 av framåttänkande ledare i Schools of Medicine och Pratt School of Engineering med stöd från provost Sally Kornbluth. Initiativet ger bränsle till samarbete och teamvetenskap genom att ge startfinansiering för nya gemensamma forskningsprojekt, utbildningsmöjligheter och evenemang för att få igång nya samarbeten mellan människor från båda skolorna.

Duke Innovation Co-Lab, ett community makerspace med tekniska resurser, programmering och faciliteter för att kickstarta framgångsrika idéer, lanserades 2016 med en hel vägg med mer än 80 3D-skrivare. Duke har också riktat sin uppmärksamhet mot design, rekryterat lärare och erbjudit kurser under det första året fram till ett dedikerat mastercertifikat för design av medicintekniska produkter i biomedicinsk teknik. Ännu mer nyligen lanserade Duke Engineering Duke Engineering Entrepreneurship (EngEn för kort), som innehåller ett erfaret team av entreprenörer som arbetar som instruktörer, mentorer och ledare i en rad utbildningsmöjligheter, program och resurser för lärare, studenter och personal.

"Fröet till alla våra ansträngningar under de senaste veckorna lades långt före den här krisen, och de har vårdats och vuxit fram eftersom nytt ledarskap också har insett deras värde", säger Gall, som leder EngEn och är biträdande direktör för MEDx. "Dessa program är direkt ansvariga för att mycket av COVID-19 Engineering Response Team till och med är här på Duke just nu."

"Vår strategi att rekrytera mycket begåvade designingenjörer som har ett djupt intresse för undervisning och sedan låta dem "självorganisera" sig för att göra stora saker byggde upp den underliggande intellektuella kapaciteten hos Duke som nu har organiserats som Duke EngEn och COVID- 19 Engineering Response Team, säger Bellamkonda. "Vi hade ingen möjlighet att förutse covid-19, men här är vi, med att de står i centrum för Dukes covid-svar till stöd för våra Duke Health-kollegor. Det är en fröjd att se detta "drömlag" i aktion, inte bara för att de är smarta, utan för att de bryr sig mycket om att göra världen bättre."

FANTASTISKA MÄNNISKOR

Ändå är det kanske genom nuvarande och före detta Duke Design Health Fellows som man verkligen kan förstå sin smidighet hos COVID-19 Engineering Response Team.

Den senaste klassen av stipendiater – de flesta av dem medicinska invånare, sjuksköterskedoktorander och ingenjörsstudenter – började redan i augusti 2019 på Design Health boot camp, där de utbildades att göra observationsforskning i Duke Health kliniska miljöer för att identifiera ouppfyllda behov. Under loppet av den sommaren och de efterföljande terminerna lärde sig stipendiaten design och affärsprocesser och kämpade för team av studenter från hela universitetet för att möta de behov de hade identifierat.

Sedan slog covid-19 till. Samtalet från sjukhuset gick ut och stipendiater som Pino, Economopoulos och Muath Bishawi, en invånare i hjärtkirurgi som doktorerar i biomedicinsk teknik och rådgivare till Design Health-programmet, bytte tillbaka till kliniker. Kollegan Jackie Vaughn, en erfaren sjuksköterska mitt i att avsluta sin doktorsexamen, började slå ner barriärer och öppna dörrar över hela sjukhuset för Bishawi, Konstantinos, Alejandro och resten av arbetsgruppen.

"Bokstavligen över en natt gick de från att vara våra studenter till att rädda liv, samtidigt som de tittade genom linsen vi hade gett dem för att identifiera verkliga behov i realtid som dyker upp på sjukhuset, föra dem tillbaka till arbetsgruppen och börja på att lösa dem”, sa Fearis. "Ärligt talat är de häpnadsväckande människor."

Efter att ha utbildats i att förstå det verkliga behovet hos en patient eller läkare, oavsett vad de säger, och vad som kan hanteras av deras kompetens, är dessa "häpnadsväckande människor" Covid-19 Engineering Response Teams ögon och öron på intensivvården enhetens golv.

"Som läkare lär vi oss mycket om observation av patienter och fysiska undersökningar och hur man drar slutsatser från dem," sa Pino. "Det jag har funnit mest användbart från Design Health-programmet är att ha lärt mig att observera från en ingenjörs- eller innovatörs perspektiv, hitta lösningar för våra patienter och till och med ifrågasätta lösningar som redan finns."

Med få indikationer på hur länge pandemin kan pågå, vet ingen när deras liv kan återgå till något sken av det normala. Men med varje identifierat problem, varje innovation testad och varje problem löst, känner alla involverade i COVID-19 Engineering Response Team att de hjälper världen att komma lite närmare.

Och ju förr desto bättre. Ingen vill att deras vänner och familj ska komma till skada.

”Vi har att göra med många 'studenter', men det slår verkligen till när man inser att studenten du skämtade med eller kritiserade i går kväll bokstavligen satte sitt liv i fara i morse; för det är vad de gör”, sa Fearis. "Jag tror att de respekterar oss som "professorer" - men inte i närheten av så mycket som vi respekterar dem som människor."

(C) Duke University

Ursprunglig artikelkälla: WRAL TechWire