Опубликовано : Сен 04, 2020

Сложное моделирование позволяет сплит-вентиляторам пройти проверку FDA в чрезвычайных ситуациях

,
Сложное моделирование повышает эффективность сплит-вентиляторов до срочной проверки FDA
Новый набор деталей, напечатанных на 3D-принтере, и соответствующее приложение делают такие аппараты ИВЛ намного безопаснее для пациентов. Предоставлено: Университет Дьюка.
Исследователи из Университета Дьюка разработали обходной путь, чтобы сделать аппараты ИВЛ более безопасными и эффективными при разделении их между пациентами.

С набором биосовместимых деталей с трехмерной печатью для контроля количества воздуха, подаваемого к каждому пациенту, и сотнями тысяч часов сложных компьютерных симуляций, чтобы решить, какую из этих частей использовать, была представлена ​​инновационная система. для экстренного разрешения FDA для использования.

«Одной из первых потребностей, возникших во время пандемии, была необходимость в вентиляции пациентов, а количество необходимых аппаратов искусственной вентиляции легких вызвало стресс во многих городах по всему миру», — сказал Муат Бишави, специалист по кардиохирургии, доктор наук. . в биомедицинской инженерии в Duke. «Одна из стратегий удовлетворения этого спроса заключается в использовании T- или Y-соединителей для подключения двух пациентов к одному аппарату ИВЛ, что технически должно работать, но сопряжено со своими проблемами. Мы хотели систему, которая, если она когда-либо понадобится в Duke или где-либо еще, может восстановить некоторые индивидуальные особенности аппарата ИВЛ. «

Аппарат ИВЛ — это сложный аппарат, который нагнетает воздух в легкие пациента с определенным давлением, объемом, частотой дыхания и уровнем кислорода. Обычно он взаимодействует с пациентом, которого поддерживает, автоматически определяя, подает ли он объемы воздуха, которые могут вызвать травмы, или пациент начинает дышать самостоятельно.

Но когда аппарат ИВЛ разделен между несколькими пациентами, он теряет множество сигналов тревоги и показателей безопасности, потому что он больше не может воспринимать и реагировать на одного пациента. Это становится намного более глупой машиной, которая выполняет единственную задачу — проталкивает богатый кислородом воздух через трубку с любой скоростью, установленной медицинским персоналом.

Это создает проблему, когда у разных пациентов разные потребности в дыхании.

«Представьте себе два воздушных шара: один с толстой стенкой, а другой с тонкой стенкой. Если вы попытаетесь надуть оба с одинаковым усилием, тонкостенный воздушный шар станет намного больше», — сказал Бишави. . «Это та же проблема, с которой сталкиваются легкие пациентов. У них разные уровни комплаентности. То же самое давление наполнения воздухом, которое идеально подходит для одного, может быть недостаточно для кого-то другого или даже может вызвать чрезмерное наполнение легких».

Таким образом, одно из решений — найти способ настроить поток воздуха для каждого пациента, не полагаясь на вентилятор для выполнения тяжелой работы. Вот тут-то и пригодилось обучение Бишави на инженера.

Мыслить как инженер

В начале своей медицинской карьеры Бишави принял участие в экспериментальном классе, призванном собрать студентов со всех уголков Дьюка для поиска решений неудовлетворенных клинических потребностей. Студенты проводят время, наблюдая за работой клиницистов, задают вопросы о том, как и почему выполняются определенные действия, проводят мозговой штурм над недостатками, которые могут быть полезны для предпринимательского решения, а затем приступают к работе над проектированием, прототипированием, завершением исследования рынка и реализацией бизнес-плана.

Этот курс был предшественником того, что теперь стало программой Duke Design Health Fellows, консультантом которой теперь является Бишави.

«Я в основном был клиницистом, которому помогали жить и дышать миром инженерии в течение последних четырех лет», — сказал Бишави, который недавно успешно защитил свою докторскую степень. Тезис. «Я знаю наших инженеров, каковы их возможности и как говорить на этом языке. Эта программа и другие программы между медицинской и инженерной школами — вот что позволило этому проекту так быстро и на таком высоком уровне взлететь»

Надев свою инженерную фуражку, Бишави пришел к идее помочь восстановить некоторые индивидуальные функции аппарата ИВЛ, когда он разделен между двумя пациентами. Он задумался об использовании резисторов, которые могут ограничивать поток воздуха, гарантируя, что каждый пациент получает должное давление. Эта идея была вдохновлена ​​тем, что он узнал о потоке и сопротивлении из своей докторской диссертации. советник Джордж Траски, мировой эксперт по потокам жидкости, курс которого он прошел много лет назад. Но чтобы быть полезными в клинических условиях, медицинские работники должны с уверенностью знать, какие ограничители следует использовать для каждого пациента.

Проведение выходных в облаке

Чтобы помочь решить эту сложную проблему, Бишави обратился к инженеру, с которым работал над предыдущим проектом, Аманде Рэндлс, Альфреду Винборну и Виктории Стовер Мордекаи, доценту биомедицинских наук в Duke. Рэндлс потратил последнее десятилетие на разработку высокопараллельного вычислительного алгоритма, способного моделировать кровоток на клеточном уровне. Но воздух — тоже жидкость, поэтому Бишави спросила, может ли она адаптировать свою программу для имитации потока воздуха через вентилятор и легкие пациентов с разными уровнями комплаенса.

Сложное моделирование позволяет сплит-аппаратам ИВЛ подвергаться экстренной проверке FDA
В аппаратах искусственной вентиляции легких установлены новые резисторы, напечатанные на 3D-принтере, для обеспечения безопасности каждого пациента. Предоставлено: Университет Дьюка.

Рэндлс пришлось работать с Майклом Капланом, студентом-медиком, работающим в ее лаборатории, и Симбой Чидягваи, доктором философии. кандидат в ее лаборатории. Загвоздка: для решения проблемы им потребуется 500 000 часов работы на одном из крупнейших облачных серверов в мире.

«Я обратился в Управление информационных технологий Герцога, чтобы узнать, могут ли они помочь мне найти вычислительную мощность, чтобы осуществить это», — сказал Рэндлс. «Это было в среду». В течение 48 часов они выделили время в Microsoft Azure, группа поддержки которого работала с командой Рэндлса в течение выходных, следя за тем, чтобы запуски проходили гладко. «Для этого вам действительно нужны налаженные отношения и доверие», — сказала она.

В то же время Бишави обратился к Кену Галлу, заместителю декана по предпринимательству в Duke Engineering, за помощью в том, чтобы разобраться, как можно печатать на 3D-принтере детали резисторов, которые соответствуют требуемым стандартам биосовместимости, токсикологии и проектирования. Галл, в свою очередь, связал Бишави с одной из его стартапов в Дареме, restor3d, которая работает с хирургами над улучшением реконструкции и восстановления человеческого тела с помощью металлических и полимерных имплантатов с трехмерной печатью с улучшенной анатомической посадкой и превосходной интегративной способностью. свойства.

С помощью Натана Эванса, Майкла Кима и Раджиба Шаха из restor3d, растущее сотрудничество быстро создало прототипы для различных сценариев и разработало предварительные протоколы для их использования. Устройства производились на недорогих настольных машинах, в которых использовалась форма трехмерной печати, известная как стереолитография (SLA). Они также изготовили серию прототипов и протестировали их на аппаратах искусственной вентиляции легких, а также в операционных. В этом также помогала группа анестезиологов Duke, в том числе Дэвид Маклауд и Энн Черри, а также респираторный терапевт Джейми Каппиелло.

Герцог предоставляет данные и спецификации в свободный доступ больницам, столкнувшимся с нехваткой аппаратов ИВЛ из-за пандемии COVID-19. Если больница имеет доступ к производственным объектам и операционной системе качества, они смогут использовать спецификации для создания продукта для собственного внутреннего использования. В качестве альтернативы, как только будет выдано экстренное одобрение FDA, restor3d будет иметь возможность предоставлять продукты для больничных систем, которые не имеют собственных внутренних возможностей.

«Эта клиническая бригада была феноменальной, — сказал Бишави. «Мы встречались несколько раз в неделю в течение нескольких недель и завершили серию сложных тестов для получения клинически значимых тестовых данных, чтобы подтвердить модель и предоставить клиницистам важные данные о характеристиках безопасности».

Определившись с дизайном, группа обратилась к Кори Кэмпбеллу из Legend Technical Services, который бесплатно прошел тестирование на биосовместимость, и Уильяму Вустенбергу, DVM, президенту Mycroft Medical LLC, который завершил оценку токсикологического риска, также бесплатно заряд.

Сложное моделирование позволяет сплит-вентиляторам пройти проверку FDA в чрезвычайной ситуации
Экспериментальная установка, в которой напечатанные на 3D-принтере элементы резистора помещаются в пакеты, которые действуют как легкие человека, чтобы убедиться, что вентиляторы по-прежнему подают правильное давление на каждый из них. Предоставлено: Университет Дьюка.

Для этого есть приложение

Имея проверенные устройства и тщательно проверенные данные о том, как их лучше использовать, все, что оставалось, — это довести информацию до тех, кто в ней нуждается. И благодаря Дону Шину, главному техническому директору CrossComm, теперь есть приложение для этого.

«Мы хотели сделать этот инструмент максимально безопасным и удобным для пользователя», — сказал Бишави. «CrossComm разработала прекрасное приложение, которое использует данные компьютерной модели, чтобы убедиться, что разделители и резисторы вентилятора просты в использовании».

Примерно 100 терабайт вычислительных данных, вычисленных в облачной сети Microsoft, были преобразованы в диаграмму размером всего несколько гигабайт, к которой приложение может получить доступ. Клиницисты просто вводят необходимые данные о своих пациентах и ​​аппаратах ИВЛ, а приложение предлагает лучшую комбинацию резисторов, чтобы гарантировать, что оба они получают правильное количество воздуха. Поскольку расчеты уже выполнены, время отклика наступает немедленно. А поскольку приложение использует данные, хранящиеся в облаке, команда может обновлять свои диаграммы по мере того, как становится доступным больше данных, и пользователи начинают предоставлять отзывы.

Теперь больницам необходимо разрешение FDA, чтобы они начали использовать нововведение. Чтобы помочь распространить информацию, сотрудничество сотрудничало с Duke’s Office of Licensing and Ventures, которое помогло запатентовать технологию и приложение, которые вскоре будут бесплатно доступны всем, кто в них нуждается во время пандемии.

«Герцогу повезло в том, что нам не пришлось прибегать к разделительным вентиляторам», — сказал Бишави. «Но мы все еще можем, так что это приятно иметь в нашем заднем кармане. И есть много других больниц по всему миру, которым могут понадобиться наши технологии, чтобы спасти жизни. Это последняя попытка, когда она будет развернута, но это не означает, что он должен быть без данных или изо всех сил, чтобы сделать его более безопасным. Это было нашей целью сделать это. «/p>

Spread the love

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *