全体人员齐心协力：COVID-19 工程响应团队从杜克大学的各个角落集合

达勒姆 – 2020 年初，亚历杭德罗·皮诺 (Alejandro Pino) 博士的注意力集中在设计能够自行疏通的饲管并获得专利，同时还在杜克大学医学院攻读肺病学和重症监护奖学金。

仅仅几个月后，一种新型冠状病毒让世界发生了翻天覆地的变化，饲管不再是皮诺最紧迫的项目。

皮诺说：“我们所有从事研究工作的研究员都被拉来帮助应对这场危机。”皮诺现在花更多的时间轮流工作，在杜克大学医院的前线照顾 COVID-19 患者。 “我们谁也看不到我们的家人或朋友。我只是遛狗就感到内疚，因为我每天都在与 COVID-19 患者打交道，不想危及其他人。有很多事情需要处理。”

但皮诺并没有完全放弃他的创造性工作，相反，由于全校范围内的创新合作伙伴关系，他已经转向充满希望的工作，设计解决方案以帮助保护患者、他自己和他的卫生工作者同事。

“我们所有从事研究的同事都被拉来帮助应对这场危机。我们谁也看不到我们的家人或朋友。我只是遛狗就感到内疚，因为我每天都在与 COVID-19 患者打交道，不想危及其他人。有很多事情需要处理。”

皮诺作为一名研究员正在致力于他的饲管创新 杜克大学设计健康计划是由杜克大学工程学院牵头的一项全校范围内的计划，将跨学科的学生团队带入临床环境，积极识别、验证和解决以前未遇到的挑战。虽然他的重点发生了变化，但皮诺与工程同事的合作在过去一个月里变得更加紧密，因为他和其他设计健康研究员成为试图快速解决新兴需求的工程师和他们试图帮助的临床医生之间的直接联系。

正是在杜克设计健康、杜克 MEDx 和杜克工程创业 (EngEn) 等跨校园合作奠定的坚实基础上，杜克大学的教职员工和学生迅速组建了新的 COVID-19 工程响应团队。

在组建后的四个星期内，该团队已经合并了一条完全可操作的管道，该管道运行着从问题发现到快速原型制作以及现场测试和文档记录，再到向护理人员提供最终解决方案的工程挑战。他们已经完成了两款产品——正在批量生产的 3D 打印面罩，以及有助于将现有整形外科手术服/头盔转变为动力过滤空气正压服的 3D 打印部件，提供最高级别的保护护理人员可以做到。

超过七个团队致力于应对各种挑战，但他们才刚刚开始。

将线纺成网

虽然 COVID-19 工程响应团队迅速团结起来，但它是从各种求助电话开始的。杜克大学创新联合实验室的高级工程师兼制造架构师 Chip Bobbert 曾被接洽，希望能够使用该联合实验室的多台 3D 打印机来制造面罩。杜克大学工程学院负责创业的副院长 Ken Gall 提出了将手术服改造成电动空气净化呼吸器 (PAPR) 的想法。一家财富 50 强公司联系了生物医学工程副教授兼杜克大学设计健康中心主任埃里克·理查森 (Eric Richardson)，询问如何生产低成本呼吸机。

在另一所学校，这些项目和其他新兴项目可能会继续沿着不同的轨道发展。但由于如此多的关系和项目将杜克大学工程学院与杜克大学医学院和护理学院联系在一起，因此汇集资源的机会并没有被忽视。

理查森在谈到 Vinik 的拉维·贝拉姆孔达 (Ravi Bellamkonda) 时说：“周末，在一切都开始关闭（为了保持社交距离）后，我与拉维和肯通了电话，我们意识到我们需要将所有这些项目正式化为一项有凝聚力的努力。”普拉特工程学院院长。 “到本周末，我们已经协调团队专注于特定项目。”

事实证明，这一步至关重要。由 Richardson、Gall 和 Paul Faris 领导的 COVID-19 工程响应团队并没有盲目地沿着隧道快速走向成品，而是花了一周的时间后退一步，通过医疗保健系统中的现有网络进行接触，并确定了需要做什么确实是优先需求。

“当全世界都在忙着处理大量对个人防护装备、呼吸机等的需求时，我们决定喘口气，放慢速度，迅速与医院交谈，”高级护理人员费里斯说。生物医学工程讲师。 “我们处于一个独特的位置，我们所要做的就是穿过马路并问，‘这是真的吗？什么会有真正的帮助？它必须有多好？我们得到了医院的大力支持，这才是真正给我们带来动力的原因，而不是让我们原地踏步。”

杜克大学 MEDx 的执行董事唐娜·克伦肖 (Donna Crenshaw) 表示：“我们的应对措施组织得如此井然，完全是因为工程学院和医学院无论是在比喻意义上还是在物理上都非常接近。”医学院促进跨学科合作。 “我们之间已经存在很多沟通渠道。如果没有这些，我们需要几个月的时间才能整理出我们在几周内整理出来的内容。”

加速

在评估需求并组建工作组后，COVID-19 工程响应团队开始工作。团队组建后不到三周，已完成的项目已经开始交付，新的项目也正在陆续推出。

第一个要实现的项目是调整现有的 3D 打印面罩计划，以便当地公司可以批量生产。在测试了大约 100 种设计后，Bobbert 领导的团队开发出了 3D 打印头带原型，该头带在连接到激光切割聚碳酸酯镜片（一种具有高抗冲击性的轻质塑料片）时形成面罩。

在此过程中，在副教授兼 Elizabeth C. Clipp 护理学任期主席 Ryan Shaw 的支持下，超过 20 名杜克大学护士、护理研究生和医疗专业人员在模拟实验室中测试了 3D 打印面罩，并确定它们的效果符合安全标准，可以消毒以供重复使用。其他设备的测试和验证的类似工作也在进行中。

“当我们的面罩问世时，真正令很多人震惊的是我们已经对其进行了测试，”加尔说。 “很多地方已经在网上发布了他们生产的面罩的照片。我们花了稍长的时间才完成测试，但与其他人所做的测试相比，测试有所不同。测试很重要。这产生了很大的变化。”

第二个面世的项目是一种 3D 打印设备，可以将过滤器安装到手术头盔上，将其变成动力空气净化呼吸器 (PAPR)。 PAPR 包括可重复使用的呼吸头罩，可完全覆盖医护人员的脸部，以及电池供电的鼓风机，可将空气通过过滤器或滤筒，以保持防护服通风、大气透气和面罩清洁，为健康提供最高级别的保护之一护理人员。对于执行更具侵入性操作（例如为患者插管）的医护人员来说，这些是首选的个人防护装备。迄今为止，已有超过 97 个团体获得了该许可证，其中来自美国、加拿大、澳大利亚、挪威和英国的 34 个团体已下载了设计和说明，可免费使用一年。

该团队在杜克大学骨科脊柱外科医生 Melissa Erickson 的领导和指导下开发了 PAPR 的 3D 打印部件，Melissa Erickson 最初向他们提出了需求和可能的解决方案。

“我们在关节置换手术中佩戴这些头盔，我们开始想知道，‘这些头盔可以重新利用吗？’”埃里克森说。 “如果全国范围内出现个人防护装备和个人防护装备短缺的情况，也许我们可以使用医院里有充足的物品，并进行修改，以增加我们为医护人员提供的个人防护装备的数量。”

所有的手放在桌上

COVID-19工程响应小组在获得所有可以获得的帮助的同时，也依赖于工程本科生的才能。

杜克生物医学工程研究员计划的大三学生通过课程和实习提供实践设计经验，在多个项目中发挥着不可或缺的作用。例如，设计研究员 Spencer Moavenzadeh 使用 CAD 应力/应变分析来模拟面罩框架，并提出加固它们的方法。

“我还有一个初级团队致力于低资源呼吸机设计，”项目负责人、生物医学工程实践副教授马克·帕尔梅里 (Mark Palmeri) 博士说。 “基于 AMBU 袋的开源呼吸机有许多设计，但许多设计都没有达到目标，并且没有获得关注。该小组希望从这些努力中学习并提出一些真正有用的东西。”

与此同时，正在完成机械工程顶点设计课程的高年级学生马克斯·桑德兰(Max Sondland)和迪米特里奥斯·拜拉斯(Dimitrios Bailas)被老师指派帮助创造更安全的空间来治疗病人。除了正常的课程负荷外，两人还与外科住院医师 Konstantinos Economopoulos 领导的团队合作，对负压患者隔离帐篷进行原型设计和测试，该帐篷扩大了治疗地点，同时降低了临床医生的风险。该团队与护理学院的健康创新实验室合作，在杜克大学医院街对面制作了他们的设备原型。这为工作临床医生提供了轻松提供反馈的途径。

“他们在开发通风系统方面非常有效，在不到一周的时间里从一个想法到进行了测试，”詹德尔家族机械工程和材料科学实践副教授尼尔·西蒙斯 (Neal Simmons) 说。 “如果没有他们的智慧、技能和辛勤工作，我们不可能如此快速有效地提出这个想法。”

然而，其他团队正在研究 3D 打印的“分流器”，使一台呼吸机可供多名患者使用，并配备一个插管气溶胶防护罩。杜克大学监管事务和质量办公室副主任 Erika Segear 负责跟踪所有这些项目，她负责提供监管专业知识并创建概述规格和测试信息的文档，这些文档将随每个设备提供并与全国其他团队共享。

想法和设备不断涌现。

“与非常有才华的人一起工作并拥有紧迫而有意义的目标是很有趣的。我认为我们都筋疲力尽了，但我们感觉我们正在产生影响，”理查森说。

护理教授 Margie Molloy 在 Ryan Shaw 教授领导的杜克大学护理学院健康创新实验室测试原型。

短期和长期投资

加尔表示，解决整个难题的关键因素之一是资金，这在很大程度上要归功于杜克大学医学院外科系主任艾伦·柯克 (Allan Kirk)。

“艾伦和我是邻居，所以我们经常见面，”加尔说。 “我们在安全距离内交谈，他告诉我医院面临的紧急需求。当我们开始制造产品和购买材料时，我找到艾伦，他立即介入提供帮助。手术室慷慨的财政支持使我们能够加速这些项目。”卫生系统的围手术期企业也立即提供了支持。
埃里克·理查森 (Eric Richardson) 与梅丽莎·埃里克森 (Melissa Erickson) 博士一起尝试了他帮助设计和生产的 PAPR。

例如，无需担心资金问题，新冠肺炎工程响应团队能够购买高温披萨烤箱来加热和弯曲面罩，以适应他们的 3D 打印头带。小组中的每个人都同意，每位院长和部门负责人的支持让他们将时间集中在这些项目上至关重要。他们还一致认为，促成这一快速发展、大规模努力的最初投资可以追溯到多年前。

MEDx 于 2015 年由医学院和普拉特工程学院的具有前瞻性思维的领导者在教务长 Sally Kornbluth 的支持下创立。该计划通过为新的联合研究项目、教育机会和活动提供种子资金来促进合作和团队科学，从而激发两所学校人员之间的新合作。

杜克大学创新联合实验室是一个社区创客空间，拥有技术资源、编程和设施，可推动成功的创意，于 2016 年推出，整面墙有 80 多台 3D 打印机。杜克大学还一直将注意力转向设计，招募师资并在大一新生提供课程，直至提供专门的生物医学工程医疗器械设计硕士学位证书。最近，杜克大学工程学院推出了杜克工程创业项目（简称EngEn），该项目由经验丰富的企业家团队担任讲师、导师和领导者，为教职员工、学生和员工提供一系列教育机会、项目和资源。

“过去几周我们所有努力的种子早在这场危机之前就已播下，并且随着新领导层也意识到其价值而得到培育和成长，”EngEn 联合领导者、EngEn 副董事 Gall 表示。 MEDx。 “这些项目直接负责 COVID-19 工程响应团队的大部分人员，甚至现在就在杜克大学。”

“我们的战略是招募对教学有浓厚兴趣的才华横溢的设计工程师，然后让他们‘自我组织’去做伟大的事情，这在杜克大学建立了基础智力能力，现在已经被组织为杜克大学恩恩恩和新冠病毒- 19 工程响应小组”，Bellamkonda 说道。 “我们无法预测 COVID-19，但我们来了，他们是杜克大学应对新冠肺炎疫情的前沿和中心，为杜克大学健康部门的同事提供支持。看到这支‘梦之队’的行动真是令人高兴，不仅因为他们很聪明，还因为他们非常关心让世界变得更美好。”

令人惊叹的人类

尽管如此，也许只有通过现任和前任杜克设计健康研究员才能真正理解 COVID-19 工程响应团队的灵活性。

最近一届的研究员——其中大多数是住院医师、护理博士生和工程研究生——于 2019 年 8 月开始在设计健康训练营，在那里他们接受培训，在杜克大学健康中心的临床环境中进行观察性研究，以确定未满足的条件需要。在那个夏天和随后的几个学期中，这些研究员学习了设计和业务流程，并支持来自整个大学的学生团队来满足他们所确定的需求。

然后，新冠肺炎 (COVID-19) 来袭。医院的电话打了过去，皮诺、伊科诺莫普洛斯和穆斯·比沙维（Muath Bishawi）等人重新回到了临床医生的岗位。穆斯·比沙维是一名心脏外科住院医师，正在攻读生物医学工程博士学位，也是设计健康项目的顾问。杰基·沃恩 (Jackie Vaughn) 是一位经验丰富的护士，正在完成博士学位，她开始为比沙维、康斯坦丁诺斯、亚历杭德罗和工作组的其他成员扫清障碍，为医院各处敞开大门。

“一夜之间，他们从我们的学生变成了拯救生命，同时通过我们为他们提供的视角来识别医院中出现的实时、现实的需求，将他们带回工作组并开始解决这些问题，”菲尔里斯说。 “老实说，他们是令人惊讶的人类。”

这些“令人惊叹的人”接受过培训，了解患者或临床医生的真正需求，无论他们说什么，也不管他们的技能可以解决什么问题，他们是 COVID-19 工程响应团队在重症监护方面的眼睛和耳朵单位楼层。

“作为医生，我们学到了很多关于患者观察和体检以及如何从中得出结论的知识，”皮诺说。 “我发现设计健康计划最有帮助的是学会如何从工程或创新者的角度进行观察，为我们的患者找到解决方案，甚至质疑已经存在的解决方案。”

由于几乎没有迹象表明这种流行病会持续多久，没有人知道他们的生活何时会恢复正常。但随着每个问题的识别、每个创新的测试以及每个问题的解决，参与 COVID-19 工程响应团队的每个人都感觉他们正在帮助世界变得更加接近。

而且越早越好。没有人希望他们的朋友和家人受到伤害。

“我们与许多‘学生’打交道，但当你意识到昨晚你开玩笑或批评的那个学生今天早上确实把他们的生命置于危险之中时，这真的很击中要害；因为这就是他们所做的，”菲尔里斯说。 “我认为他们尊重我们‘教授’，但远不及我们尊重他们作为人。”

(C) 杜克大学

原文来源： WRAL 技术线