Los investigadores de Duke buscan la aprobación de la FDA para una solución para dividir los ventiladores entre pacientes
Fecha de publicación:DURHAM – Investigadores de la Universidad de Duke han diseñado una solución para hacer que los ventiladores sean más seguros y eficientes al dividirlos entre pacientes.
Con un conjunto de piezas biocompatibles impresas en 3D para controlar la cantidad de aire que se envía a cada paciente y cientos de miles de horas de complejas simulaciones por computadora para decidir cuál de esas piezas usar, el innovador sistema ha sido presentado para la aprobación de emergencia de la FDA para usar.
"Una de las primeras necesidades que surgieron durante la pandemia fue la necesidad de ventilar a los pacientes, y el volumen de ventiladores necesarios ha estresado a muchas ciudades de todo el mundo", dijo Muath Bishawi, residente en cirugía cardíaca que cursa un doctorado en ingeniería biomédica en Duke. . “Una estrategia para satisfacer esta demanda es utilizar conectores T o Y para colocar a dos pacientes en un ventilador, lo que técnicamente debería funcionar, pero presenta sus propios desafíos. Queríamos un sistema que, si alguna vez fuera necesario en Duke o en cualquier otro lugar, pudiera restaurar algunas de las características específicas del paciente del ventilador”.
Un ventilador es una máquina compleja que empuja aire hacia los pulmones de un paciente a presiones, volúmenes, tasas de respiración y niveles de oxígeno específicos. Por lo general, interactúa con el paciente al que apoya y detecta automáticamente si está proporcionando volúmenes de aire que podrían causar lesiones o si el paciente comienza a respirar por sí solo.
Pero cuando un ventilador se divide entre varios pacientes, pierde muchas de sus alarmas y métricas de seguridad porque ya no puede detectar ni responder a un solo paciente. Se convierte en una máquina mucho más tonta que realiza una sola tarea: empujar aire rico en oxígeno a través de un tubo a cualquier velocidad que el personal médico lo establezca.
Esto presenta un problema cuando diferentes pacientes tienen diferentes necesidades respiratorias.
“Piense en dos globos, uno con una pared gruesa y el otro con una pared delgada. Si intentas inflar ambos con el mismo nivel de esfuerzo, el globo de paredes delgadas se hará mucho más grande”, dijo Bishawi. “Este es el mismo desafío que enfrentan los pulmones de los pacientes. Tienen diferentes niveles de cumplimiento. La misma presión de llenado de aire que es perfecta para uno podría no ser suficiente para otra persona o incluso podría inflar demasiado sus pulmones”.
Entonces, una solución es encontrar una manera de adaptar el flujo de aire a cada paciente sin tener que depender del ventilador para hacer el trabajo pesado. Ahí fue donde entró en juego la formación de Bishawi como ingeniero.
PENSAR COMO UN INGENIERO
Al principio de su carrera médica, Bishawi participó en una clase experimental diseñada para reunir a estudiantes de todos los rincones de Duke para explorar soluciones a necesidades clínicas no satisfechas. Los estudiantes dedican tiempo a observar a los médicos trabajar, hacer preguntas sobre cómo y por qué se hacen ciertas cosas, intercambiar ideas sobre deficiencias que podrían estar maduras para una solución empresarial y luego se ponen a trabajar en el diseño, la creación de prototipos, la realización de investigaciones de mercado y la implementación de un plan de negocios.
Esa clase fue precursora de lo que ahora se ha convertido en el programa Duke Design Health Fellows, del cual Bishawi es ahora asesor.
"Básicamente, he sido un médico que ha recibido apoyo para vivir y respirar en el mundo de la ingeniería durante los últimos cuatro años", dijo Bishawi, quien recientemente defendió con éxito su tesis doctoral. “Conozco a nuestros ingenieros, cuáles son sus capacidades y cómo hablar el idioma. Este programa y otros entre la facultad de medicina y de ingeniería son los que han permitido que este proyecto despegue tan rápido y a tan alto nivel”.
A Bishawi se le ocurrió una idea para ayudar a restaurar parte de la funcionalidad personalizada de un ventilador cuando se divide entre dos pacientes. Se preguntó sobre el uso de resistencias que puedan restringir el flujo de aire, asegurando que cada paciente reciba la cantidad adecuada de presión. Esta idea se inspiró en lo que aprendió sobre flujo y resistencia de su asesor de doctorado George Truskey, un experto mundial en flujo de fluidos, y cuyo curso tomó años antes. Pero para que alguna vez sean útiles en un entorno clínico, los proveedores de atención médica tendrían que saber con confianza qué restrictores deberían usarse con cada paciente.
PASAR UN FIN DE SEMANA EN LA NUBE
Para ayudar a resolver este desafiante problema, Bishawi recurrió a una ingeniera con la que había trabajado en un proyecto anterior, Amanda Randles, profesora adjunta de ciencias biomédicas Alfred Winborne y Victoria Stover Mordecai en Duke. Randles ha pasado la última década desarrollando un algoritmo informático altamente paralelo capaz de simular el flujo sanguíneo a nivel celular. Pero el aire también es un líquido, por lo que Bishawi preguntó si podía adaptar su programa para simular el flujo de aire a través de un ventilador y los pulmones de los pacientes con diferentes niveles de cumplimiento.
Randles se puso a trabajar con Michael Kaplan, un estudiante de medicina que trabajaba en su laboratorio, y Simba Chidyagwai, un candidato a doctorado en su laboratorio. El problema: necesitarían 500.000 horas de tiempo de ejecución en uno de los servidores en la nube más grandes del mundo para resolver el problema.
Una configuración experimental que envía mensajes de texto a las piezas de resistencia impresas en 3D con bolsas que actúan como pulmones humanos para garantizar que los ventiladores sigan suministrando la cantidad correcta de presión a cada uno.
"Me comuniqué con la Oficina de Tecnología de la Información de Duke para ver si podían ayudarme a encontrar el poder computacional para lograrlo", dijo Randles. "Eso fue un miércoles". En 48 horas, habían asegurado el tiempo en Microsoft Azure, cuyo equipo de soporte trabajó con el equipo de Randles durante un fin de semana asegurándose de que las ejecuciones se desarrollaran sin problemas. "Realmente se necesitan relaciones establecidas y confianza para que eso suceda", dijo.
Al mismo tiempo, Bishawi se acercó a Ken Gall, decano asociado de emprendimiento en Duke Engineering, para que le ayudara a descubrir cómo imprimir en 3D piezas de resistencia que cumplan con los estándares de biocompatibilidad, toxicología y diseño requeridos. Gall, a su vez, conectó a Bishawi con una de sus nuevas empresas con sede en Durham, restor3d, que trabaja con cirujanos para mejorar la reconstrucción y reparación del cuerpo humano a través de implantes impresos en 3D de metal y polímero con un ajuste anatómico mejorado y propiedades integradoras superiores.
Con la ayuda de Nathan Evans, Michael Kim y Rajib Shaha de restor3d, la creciente colaboración produjo rápidamente prototipos para diferentes escenarios y ideó protocolos tentativos para usarlos. Los dispositivos se produjeron en máquinas de sobremesa de bajo coste que utilizan una forma de impresión 3D conocida como estereolitografía (SLA). También produjeron una serie de prototipos y los probaron en ventiladores de UCI y en ventiladores de quirófano. También ayudó con este esfuerzo un grupo de anestesiólogos de Duke, incluidos David MacLeod y Anne Cherry, así como el terapeuta respiratorio Jhaymie Cappiello.
Duke está poniendo los datos y las especificaciones a disposición de los hospitales que enfrentan escasez de ventiladores debido a la pandemia de COVID-19. Si un hospital tiene acceso a instalaciones de fabricación y a un sistema de calidad operativo, podrá utilizar las especificaciones para fabricar el producto para su propio uso interno. Alternativamente, una vez que se otorgue la aprobación de emergencia de la FDA, restor3d tendrá capacidad para proporcionar productos para sistemas hospitalarios que no tengan sus propias capacidades internas.
"Este equipo clínico fue fenomenal", dijo Bishawi. "Nos reunimos varias veces por semana durante algunas semanas y completamos una serie de pruebas sofisticadas para desarrollar datos de prueba clínicamente relevantes para validar el modelo y proporcionar a los médicos datos importantes sobre características de seguridad".
Después de decidirse por un diseño, el grupo recurrió a Corey Campbell de Legend Technical Services, quien completó las pruebas de biocompatibilidad de forma gratuita, y a William Wustenberg, DVM, presidente de Mycroft Medical LLC, quien completó la evaluación de riesgos toxicológicos, también de forma gratuita.
HAY UNA APLICACIÓN PARA ESO
Con dispositivos probados y datos minuciosamente examinados sobre cómo usarlos mejor, todo lo que quedaba era hacer llegar la información a quienes la necesitaban. Y gracias a Don Shin, director técnico de CrossComm, ahora existe una aplicación para eso.
"Queríamos que esta herramienta fuera lo más segura y fácil de usar posible", afirmó Bishawi. "CrossComm desarrolló una hermosa aplicación que utiliza datos del modelo de computadora para garantizar que los divisores y resistencias del ventilador sean fáciles de usar".
Aproximadamente 100 terabytes de datos computacionales calculados en la red en la nube de Microsoft se destilaron en un gráfico de solo unos pocos gigabytes de tamaño al que la aplicación puede acceder. Los médicos simplemente ingresan los datos requeridos sobre sus pacientes y ventiladores, y la aplicación escupe la mejor combinación de resistencias a usar para garantizar que ambos reciban la cantidad correcta de aire. Como los cálculos ya están hechos, el tiempo de respuesta es inmediato. Y debido a que la aplicación se basa en datos guardados en la nube, el equipo puede actualizar sus gráficos a medida que haya más datos disponibles y los usuarios comiencen a brindar comentarios.
Ahora se necesita la autorización de la FDA para que los hospitales comiencen a utilizar esta innovación. Para ayudar a correr la voz, la colaboración trabajó con la Oficina de Licencias y Empresas de Duke, que ayudó a patentar la tecnología y la aplicación que pronto estarán disponibles de forma gratuita para cualquiera que la necesite durante la pandemia.
"Duke tiene suerte porque no hemos tenido que recurrir a ventiladores divididos", dijo Bishawi. “Pero aún podríamos hacerlo, por lo que es bueno tener esto en nuestro bolsillo trasero. Y hay muchos otros hospitales en todo el mundo que podrían necesitar nuestra tecnología para ayudar a salvar vidas. Este es un último esfuerzo cuando se implementa, pero eso no significa que tenga que estar sin datos, o que sea el mejor esfuerzo para hacerlo más seguro. Este era nuestro objetivo al hacer esto”.
(C) Universidad de Duke
Fuente del artículo original: WRAL TechWire
