デューク大学の研究者は、患者間で人工呼吸器を分割する解決策についてFDAの承認を求めている
発行日:ダーラム – デューク大学の研究者らは、患者間で人工呼吸器を分割する際に、より安全で効率的な人工呼吸器を実現する回避策を考案した。
各患者に送られる空気の量を制御する一連の生体適合性のある 3D プリント部品と、これらの部品のどれを使用するかを決定するための数十万時間にわたる複雑なコンピュータ シミュレーションを備えたこの革新的なシステムは、FDA の緊急承認を申請しました。使用。
「パンデミック中に初期に現れたニーズの1つは、患者の換気の必要性であり、必要な人工呼吸器の量が世界中の多くの都市にストレスを与えている」とデューク大学で生物医工学の博士号取得を目指している心臓外科研修医のムアス・ビシャウィ氏は語った。 。 「この需要を満たす戦略の 1 つは、T コネクタまたは Y コネクタを使用して 2 人の患者を 1 台の人工呼吸器に装着することであり、技術的には機能するはずですが、独自の課題も伴います。私たちは、デューク大学やその他の病院で必要になった場合に、人工呼吸器の患者固有の機能の一部を復元できるシステムを望んでいました。」
人工呼吸器は、特定の圧力、量、呼吸数、酸素レベルで患者の肺に空気を送り込む複雑な機械です。通常、サポートしている患者と対話し、怪我を引き起こす可能性のある空気量を提供しているかどうか、または患者が自発呼吸を始めているかどうかを自動的に感知します。
しかし、人工呼吸器が複数の患者に分割されると、単一の患者を感知して応答できなくなるため、多くの安全アラームと測定基準が失われます。それは、医療スタッフが設定した速度で酸素を豊富に含む空気をチューブに送り込むという単一のタスクを実行する、はるかに愚かな機械になります。
これは、患者ごとに異なる呼吸要件がある場合に問題が発生します。
「2 つの風船を考えてください。1 つは厚い壁、もう 1 つは薄い壁です。同じレベルの力で両方を膨らませようとすると、薄壁の風船ははるかに大きくなるでしょう」とビシャウィ氏は言いました。 「これは患者の肺が直面しているのと同じ課題です。コンプライアンスのレベルは異なります。ある人にとって完璧な空気の充填圧力と同じでも、他の人にとっては不十分である可能性があり、場合によっては肺が過剰に膨らむ可能性もあります。」
そこで、解決策の 1 つは、人工呼吸器に頼らずに、各患者に合わせて空気の流れを調整する方法を見つけることです。そこからビシャウィのエンジニアとしての訓練が始まりました。
エンジニアのように考える
ビシャウィは医師としてのキャリアの初期に、満たされていない臨床ニーズの解決策を探るためにデューク州の隅々から学生を集めることを目的とした実験的なクラスに参加しました。学生は時間をかけて臨床医の仕事を観察し、特定のことがどのように行われるのか、なぜ行われるのかについて質問し、起業家的解決策に適している可能性のある欠点をブレインストーミングしてから、設計、プロトタイピング、市場調査の完了、ビジネス計画の実行に取り組みます。
このクラスは、現在ビシャウィがアドバイザーを務めるデューク・デザイン・ヘルス・フェロー・プログラムの前身となった。
「私は基本的に過去 4 年間、エンジニアリングの世界で生き、呼吸することをサポートされている臨床医でした」と、最近博士論文の弁護に成功したビシャウィ氏は語った。 「私は当社のエンジニアの能力や言語の話し方を知っています。このプログラムや医学部と工学部との他のプログラムのおかげで、このプロジェクトはこれほど迅速かつ高いレベルで開始することができました。」
工学帽をかぶったビシャウィ氏は、人工呼吸器を 2 人の患者に分けて使用する場合に、人工呼吸器の個人用機能の一部を復元するのに役立つアイデアを思いつきました。彼は、各患者が適切な量の圧力を受けられるように、空気の流れを制限できる抵抗器を使用することについて疑問に思いました。このアイデアは、流体の流れの世界的専門家である博士課程顧問のジョージ・トラスキーから流れと抵抗について学んだことからインスピレーションを得て、彼は何年も前にそのコースを受講しました。しかし、臨床現場で役立つためには、医療提供者は各患者にどの制限装置を使用すべきかを自信を持って知っている必要があります。
週末をクラウドで過ごす
この困難な問題を解決するために、ビシャウィ氏は、以前のプロジェクトで一緒に働いていたエンジニア、アマンダ・ランドルズ氏、アルフレッド・ウィンボーン氏、およびデューク大学生物医科学助教授のビクトリア・ストーバー・モルデカイ氏に頼った。 Randles 氏は、細胞レベルで血流をシミュレートできる高度な並列計算アルゴリズムの開発に過去 10 年を費やしてきました。しかし、空気も液体であるため、ビシャウィ氏は、さまざまなレベルのコンプライアンスで人工呼吸器と患者の肺を通る空気の流れをシミュレートするようにプログラムを適応できないか尋ねました。
ランドルズさんは、彼女の研究室で働く医学生のマイケル・カプラン氏と、同研究室の博士号取得候補者であるシンバ・チディヤグワイ氏と協力することになった。落とし穴: この問題を解決するには、世界最大級のクラウド サーバーの 1 つで 500,000 時間のランタイムが必要になります。
人間の肺のように機能する袋を備えた 3D プリントされた抵抗器部品にテキストメッセージを送信し、人工呼吸器がそれぞれに適切な量の圧力を供給していることを確認する実験セットアップ。
「私はデューク大学の情報技術局に連絡して、これを実現するための計算能力を見つけるのを手伝ってくれないかどうかを確認しました」とランドルズ氏は言いました。 「それは水曜日のことでした。」 48 時間以内に、Microsoft Azure での時間を確保し、そのサポート チームが週末を通じて Randles のチームと協力して、実行がスムーズに進むことを確認しました。 「それを実現するには、確立された関係と信頼が本当に必要です」と彼女は言いました。
同時に、ビシャウィ氏はデューク エンジニアリングの起業家精神担当副学部長であるケン ガル氏に、生体適合性、毒性学、必要な設計基準を満たす抵抗器部品を 3D プリントする方法を見つけるための支援を求めました。次にガル氏は、ビシャウィ氏をダラムに本拠を置く彼の新興企業の 1 つであるrestor3d に結び付けました。restor3d は外科医と協力して、解剖学的フィット感が強化され、優れた統合特性を備えた金属およびポリマーの 3D プリント インプラントを通じて人体の再建と修復を改善しています。
restor3d の Nathan Evans、Michael Kim、Rajib Shaha の協力を得て、コラボレーションが拡大し、さまざまなシナリオのプロトタイプが迅速に作成され、それらを使用するための暫定的なプロトコルが考案されました。このデバイスは、ステレオリソグラフィー (SLA) として知られる 3D プリンティングの形式を利用する、低コストのベンチトップ マシンで製造されました。また、一連のプロトタイプを作成し、ICU の人工呼吸器と手術室の人工呼吸器でテストしました。また、この取り組みには、デビッド・マクラウド氏とアン・チェリー氏を含むデューク大学の麻酔科医のグループと、呼吸療法士のジェイミー・カピエロ氏も協力した。
デューク社は、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックによる人工呼吸器不足に直面している病院にデータと仕様を無料で提供している。病院が製造施設と運用品質システムにアクセスできる場合、その仕様を使用して病院内で使用する製品を構築できます。あるいは、FDA の緊急承認が得られれば、restor3d は独自の内部機能を持たない病院システムに製品を提供できるようになります。
「この臨床チームは驚異的でした」とビシャウィ氏は語った。 「私たちは数週間にわたって週に複数回集まり、一連の高度なテストを完了して、モデルを検証し、安全機能に関する重要なデータを臨床医に提供するために臨床的に関連するテストデータを開発しました。」
設計を決定した後、グループはレジェンド テクニカル サービスのコーリー キャンベル氏に依頼し、生体適合性テストを無料で完了してもらい、マイクロフト メディカル LLC の社長である DVM ウィリアム ウステンバーグ氏も同様に無料で毒物学リスク評価を完了させました。
そのためのアプリがあります
テスト済みのデバイスと、その最適な使用方法に関する徹底的に精査されたデータがあれば、あとは必要な人に情報を提供するだけです。 CrossComm の最高技術責任者である Don Shin のおかげで、そのためのアプリが登場しました。
「私たちはこのツールをできるだけ安全で使いやすいものにしたかったのです」と Bishawi 氏は言います。 「CrossComm は、コンピューターのモデル データを使用して、人工呼吸器のスプリッターと抵抗器が使いやすいようにする美しいアプリを開発しました。」
Microsoft クラウド ネットワーク上で計算された約 100 テラバイトの計算データが、アプリからアクセスできるわずか数ギガバイトのグラフに抽出されました。臨床医は患者と人工呼吸器に関する必要なデータを入力するだけで、アプリが抵抗器の最適な組み合わせを出力して、両方が適切な量の空気を確実に受け取れるようにします。計算はすでに行われているため、応答時間はすぐに得られます。また、アプリはクラウド上に保存されたデータを利用するため、より多くのデータが利用可能になり、ユーザーがフィードバックを提供し始めると、チームはグラフを更新できます。
現在、病院がこのイノベーションの使用を開始するには、FDA の許可が必要です。この情報を広めるために、このコラボレーションはデューク大学ライセンス・ベンチャー局と連携し、このテクノロジーとアプリの特許取得を支援し、パンデミック下で必要とする人はすぐに無料で利用できるようになります。
「デューク大学は幸運にも、分割人工呼吸器に頼る必要がなかったのです」とビシャウィ氏は語った。 「でも、まだそうなる可能性はあるので、これを尻ポケットに入れておくのはいいことだ。そして、命を救うために私たちのテクノロジーを必要としている可能性のある病院は世界中に他にもたくさんあります。これは展開時の最後の努力ですが、データなしで行う必要があるわけではありませんし、安全性を高めるための最善の努力である必要もありません。これが私たちの目標でした。」
(C)デューク大学
元の記事の出典: WRAL TechWire
