Des chercheurs de Duke demandent l’approbation de la FDA pour une solution permettant de diviser les ventilateurs entre les patients

Date publiée: 9 septembre 2020

DURHAM– Des chercheurs de l'Université Duke ont mis au point une solution de contournement pour rendre les ventilateurs plus sûrs et plus efficaces lorsqu'ils sont répartis entre les patients.

Avec un ensemble de pièces biocompatibles imprimées en 3D pour contrôler la quantité d'air poussée vers chaque patient et des centaines de milliers d'heures de simulations informatiques complexes pour décider laquelle de ces pièces utiliser, le système innovant a été soumis à l'approbation d'urgence de la FDA pour utiliser.

"L'un des premiers besoins apparus pendant la pandémie était la nécessité de ventiler les patients, et le volume de ventilateurs nécessaires a mis de nombreuses villes à travers le monde sous pression", a déclaré Muath Bishawi, résident en chirurgie cardiaque poursuivant un doctorat en génie biomédical à Duke. . « Une stratégie pour répondre à cette demande consiste à utiliser des connecteurs en T ou en Y pour placer deux patients sur un seul ventilateur, ce qui devrait techniquement fonctionner, mais comporte ses propres défis. Nous voulions un système qui, si jamais il était nécessaire chez Duke ou ailleurs, pourrait restaurer certaines fonctionnalités spécifiques au patient du ventilateur.

Un ventilateur est une machine complexe qui pousse l'air dans les poumons d'un patient à des pressions, des volumes, des fréquences respiratoires et des niveaux d'oxygène spécifiques. Il interagit généralement avec le patient qu'il soutient, détectant automatiquement s'il fournit des volumes d'air susceptibles de provoquer des blessures ou si un patient commence à respirer par lui-même.

Mais lorsqu’un ventilateur est partagé entre plusieurs patients, il perd une grande partie de ses alarmes et mesures de sécurité car il ne peut plus détecter et répondre à un seul patient. Cela devient une machine beaucoup plus stupide qui n’effectue qu’une seule tâche : pousser de l’air riche en oxygène à travers un tube à la vitesse fixée par le personnel médical.

Cela pose un problème lorsque différents patients ont des besoins respiratoires différents.

« Pensez à deux ballons, l’un avec une paroi épaisse et l’autre avec une paroi fine. Si vous essayez de gonfler les deux avec le même niveau d’effort, le ballon à paroi mince deviendra beaucoup plus gros », a déclaré Bishawi. « C'est le même défi auquel sont confrontés les poumons des patients. Ils ont différents niveaux de conformité. La même pression d’air qui est parfaite pour quelqu’un pourrait ne pas être suffisante pour quelqu’un d’autre ou pourrait même gonfler excessivement ses poumons.

Une solution consiste donc à trouver un moyen d’adapter le débit d’air à chaque patient sans avoir à compter sur le ventilateur pour faire le gros du travail. C’est là que la formation d’ingénieur de Bishawi a débuté.

PENSER COMME UN INGÉNIEUR

Plus tôt dans sa carrière médicale, Bishawi a participé à un cours expérimental conçu pour rassembler des étudiants de tous les coins de Duke pour explorer des solutions aux besoins cliniques non satisfaits. Les étudiants passent du temps à regarder les cliniciens travailler, à poser des questions sur comment et pourquoi certaines choses sont faites, à réfléchir aux lacunes qui pourraient être propices à une solution entrepreneuriale, puis à travailler sur la conception, le prototypage, la réalisation d'études de marché et la mise en œuvre d'un plan d'affaires.

Cette classe était un précurseur de ce qui est maintenant devenu le programme Duke Design Health Fellows, dont Bishawi est désormais conseiller.

« Au cours des quatre dernières années, j'ai été essentiellement un clinicien soutenu pour vivre et respirer dans un monde d'ingénierie », a déclaré Bishawi, qui a récemment soutenu avec succès sa thèse de doctorat. « Je connais nos ingénieurs, quelles sont leurs capacités et comment parler la langue. C’est ce programme et d’autres entre l’école de médecine et l’école d’ingénieurs qui ont permis à ce projet de décoller si rapidement et à un si haut niveau.

Enfilant sa casquette d'ingénieur, Bishawi a eu une idée pour aider à restaurer certaines des fonctionnalités personnalisées d'un ventilateur lorsqu'il est partagé entre deux patients. Il s'est interrogé sur l'utilisation de résistances capables de restreindre le flux d'air, garantissant ainsi que chaque patient reçoit la pression appropriée. Cette idée a été inspirée par ce qu'il a appris sur l'écoulement et la résistance auprès de son directeur de thèse George Truskey, un expert mondial en écoulement des fluides, dont il avait suivi le cours des années auparavant. Mais pour être un jour utiles en milieu clinique, les prestataires de soins de santé devraient savoir avec certitude quels restricteurs doivent être utilisés avec chaque patient.

PASSER UN WEEK-END DANS LE CLOUD

Pour aider à résoudre ce problème difficile, Bishawi s'est tourné vers un ingénieur avec lequel il avait travaillé sur un projet précédent, Amanda Randles, professeur adjoint Alfred Winborne et Victoria Stover Mordecai de sciences biomédicales à Duke. Randles a passé la dernière décennie à développer un algorithme informatique hautement parallèle capable de simuler le flux sanguin au niveau cellulaire. Mais l'air est aussi un liquide, alors Bishawi a demandé si elle pouvait adapter son programme pour simuler le flux d'air à travers un ventilateur et les poumons des patients avec différents niveaux de conformité.

Randles a travaillé avec Michael Kaplan, un étudiant en médecine travaillant dans son laboratoire, et Simba Chidyagwai, doctorante dans son laboratoire. Le hic : il leur faudrait 500 000 heures d’exécution sur l’un des plus grands serveurs cloud au monde pour résoudre le problème.

Une configuration expérimentale envoyant des SMS aux pièces de résistance imprimées en 3D avec des sacs qui agissent comme des poumons humains pour s'assurer que les ventilateurs fournissent toujours la bonne quantité de pression à chacun.

"J'ai contacté le Bureau des technologies de l'information de Duke pour voir s'ils pouvaient m'aider à trouver la puissance de calcul nécessaire pour y parvenir", a déclaré Randles. "C'était un mercredi." En 48 heures, ils avaient obtenu l'heure sur Microsoft Azure, dont l'équipe d'assistance a travaillé avec l'équipe de Randles pendant un week-end pour garantir le bon déroulement des opérations. « Pour y parvenir, il faut vraiment des relations établies et de la confiance », a-t-elle déclaré.

Dans le même temps, Bishawi a contacté Ken Gall, doyen associé pour l'entrepreneuriat chez Duke Engineering, pour l'aider à déterminer comment imprimer en 3D des pièces de résistance répondant aux normes de biocompatibilité, de toxicologie et de conception requises. Gall, à son tour, a mis Bishawi en contact avec l'une de ses startups basées à Durham, restor3d, qui travaille avec des chirurgiens pour améliorer la reconstruction et la réparation du corps humain grâce à des implants imprimés en 3D en métal et en polymère avec un ajustement anatomique amélioré et des propriétés d'intégration supérieures.

Avec l'aide de Nathan Evans, Michael Kim et Rajib Shaha de restor3d, la collaboration croissante a rapidement produit des prototypes pour différents scénarios et a élaboré des protocoles provisoires pour leur utilisation. Les appareils ont été produits sur des machines de table à faible coût qui utilisent une forme d’impression 3D connue sous le nom de stéréolithographie (SLA). Ils ont également produit une série de prototypes et les ont testés sur des ventilateurs de soins intensifs ainsi que sur des ventilateurs de salle d'opération. Un groupe d'anesthésiologistes de Duke, dont David MacLeod et Anne Cherry, ainsi que l'inhalothérapeute Jhaymie Cappiello ont également contribué à cet effort.

Duke met les données et les spécifications gratuitement à la disposition des hôpitaux confrontés à des pénuries de ventilateurs en raison de la pandémie de COVID-19. Si un hôpital a accès à des installations de fabrication et à un système qualité opérationnel, il pourra utiliser les spécifications pour fabriquer le produit pour son propre usage interne. Alternativement, une fois l’approbation d’urgence de la FDA accordée, restor3d aura la capacité de fournir des produits aux systèmes hospitaliers qui ne disposent pas de leurs propres capacités internes.

« Cette équipe clinique était phénoménale », a déclaré Bishawi. « Nous nous sommes rencontrés plusieurs fois par semaine pendant quelques semaines et avons réalisé une série de tests sophistiqués pour développer des données de test cliniquement pertinentes afin de valider le modèle et de fournir aux cliniciens des données importantes sur les caractéristiques de sécurité. »

Après avoir choisi un modèle, le groupe s'est ensuite tourné vers Corey Campbell de Legend Technical Services, qui a réalisé gratuitement les tests de biocompatibilité, et William Wustenberg, DVM, président de Mycroft Medical LLC, qui a réalisé l'évaluation des risques toxicologiques, également gratuitement.

IL Y A UNE APPLICATION POUR CELA

Avec des appareils testés et des données minutieusement vérifiées sur la meilleure façon de les utiliser, il ne restait plus qu'à transmettre les informations à ceux qui en avaient besoin. Et grâce à Don Shin, directeur technique chez CrossComm, il existe désormais une application pour cela.

"Nous voulions rendre cet outil aussi sûr et convivial que possible", a déclaré Bishawi. « CrossComm a développé une superbe application qui utilise les données du modèle informatique pour garantir que les répartiteurs et les résistances du ventilateur sont faciles à utiliser. »

Environ 100 téraoctets de données informatiques calculées sur le réseau cloud de Microsoft ont été distillés dans un graphique de quelques gigaoctets seulement accessible par l'application. Les cliniciens saisissent simplement les données requises sur leurs patients et leurs ventilateurs, et l'application génère la meilleure combinaison de résistances à utiliser pour garantir que les deux reçoivent la bonne quantité d'air. Les calculs ayant déjà été effectués, le temps de réponse est immédiat. Et comme l'application s'appuie sur des données conservées dans le cloud, l'équipe peut mettre à jour ses graphiques à mesure que davantage de données deviennent disponibles et que les utilisateurs commencent à fournir des commentaires.

L’autorisation de la FDA est désormais nécessaire pour que les hôpitaux puissent commencer à utiliser cette innovation. Pour aider à faire passer le message, la collaboration a travaillé avec le Duke's Office of Licensing and Ventures, qui a aidé à breveter la technologie et l'application qui seront bientôt disponibles gratuitement pour tous ceux qui en ont besoin pendant la pandémie.

« Duke a de la chance dans la mesure où nous n'avons pas eu à recourir à des ventilateurs séparés », a déclaré Bishawi. « Mais nous pourrions toujours le faire, donc c’est bien de l’avoir dans notre poche arrière. Et de nombreux autres hôpitaux dans le monde pourraient avoir besoin de notre technologie pour sauver des vies. Il s’agit d’un dernier effort lors du déploiement, mais cela ne signifie pas qu’il doit être dépourvu de données ou qu’il s’agit d’un effort maximal pour le rendre plus sûr. C’était notre objectif en faisant cela.

(C) Université Duke

Source originale de l’article : WRAL TechWire