듀크 연구원들은 환자들 사이에 인공호흡기를 분할하는 솔루션에 대한 FDA 승인을 모색하고 있습니다.
게시 날짜:더럼 – 듀크 대학의 연구원들은 인공호흡기를 환자들에게 분할할 때 더 안전하고 효율적으로 만들 수 있는 해결 방법을 고안했습니다.
각 환자에게 공급되는 공기의 양을 제어하기 위한 일련의 생체 적합성 3D 프린팅 부품과 이러한 부품 중 어느 것을 사용할지 결정하기 위한 수십만 시간의 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 갖춘 이 혁신적인 시스템은 긴급 FDA 승인을 위해 제출되었습니다. 사용.
Duke에서 생체의학 공학 박사 과정을 밟고 있는 심장외과 레지던트인 Muath Bishawi는 "팬데믹 기간 동안 등장해야 했던 초기 요구 사항 중 하나는 환자에게 인공호흡을 실시해야 하는 것이었고, 필요한 인공호흡기의 양으로 인해 전 세계 많은 도시에 스트레스가 발생했습니다"라고 말했습니다. . “이러한 요구를 충족하기 위한 한 가지 전략은 T 또는 Y 커넥터를 사용하여 두 명의 환자를 하나의 인공호흡기에 배치하는 것입니다. 이는 기술적으로는 작동해야 하지만 자체적인 과제가 있습니다. 우리는 Duke나 다른 곳에서 필요할 경우 인공호흡기의 환자별 기능 중 일부를 복원할 수 있는 시스템을 원했습니다."
인공호흡기는 특정 압력, 양, 호흡률 및 산소 수준으로 환자의 폐에 공기를 밀어넣는 복잡한 기계입니다. 일반적으로 지원하는 환자와 상호 작용하여 부상을 유발할 수 있는 공기량을 제공하는지 또는 환자가 스스로 호흡을 시작하는지 자동으로 감지합니다.
그러나 인공호흡기를 여러 환자에게 분할하면 더 이상 단일 환자를 감지하고 대응할 수 없기 때문에 많은 안전 경보 및 측정 기준이 손실됩니다. 그것은 단일 작업, 즉 의료진이 설정한 속도에 관계없이 산소가 풍부한 공기를 튜브를 통해 밀어내는 훨씬 더 멍청한 기계가 됩니다.
이는 환자마다 호흡 요구 사항이 다를 때 문제가 됩니다.
“벽이 두꺼운 풍선 두 개와 벽이 얇은 풍선 두 개를 생각해 보세요. 동일한 노력으로 두 가지를 모두 팽창시키려고 하면 벽이 얇은 풍선이 훨씬 더 커질 것입니다.”라고 Bishawi는 말했습니다. “이것은 환자의 폐가 직면한 것과 동일한 문제입니다. 그들은 서로 다른 수준의 준수를 가지고 있습니다. 한 사람에게 딱 맞는 동일한 공기 충전 압력이 다른 사람에게는 충분하지 않을 수도 있고 심지어 폐를 과도하게 부풀릴 수도 있습니다.”
그렇다면 한 가지 해결책은 인공호흡기에 의존하여 무거운 작업을 수행할 필요 없이 각 환자의 공기 흐름을 맞춤화하는 방법을 찾는 것입니다. 엔지니어로서 Bishawi의 훈련이 시작된 곳이 바로 여기입니다.
엔지니어처럼 생각하기
의료 경력 초기에 Bishawi는 Duke의 모든 곳에서 학생들을 모아 충족되지 않은 임상 요구 사항에 대한 솔루션을 탐색하기 위해 고안된 실험 수업에 참여했습니다. 학생들은 임상의가 작업하는 것을 관찰하고, 특정 작업이 수행되는 방법과 이유에 대해 질문하고, 기업가적 솔루션에 적합할 수 있는 단점을 브레인스토밍한 다음 설계, 프로토타이핑, 시장 조사 완료 및 사업 계획 실행에 착수합니다.
이 수업은 현재 Bishawi가 고문으로 활동하고 있는 Duke Design Health Fellows 프로그램의 전신이었습니다.
최근 박사 학위 논문을 성공적으로 방어한 Bishawi는 “저는 기본적으로 지난 4년 동안 엔지니어링 세계에 살고 숨쉬도록 지원받는 임상의였습니다.”라고 말했습니다. “저는 우리 엔지니어들의 역량과 언어 구사 방법을 잘 알고 있습니다. 이 프로그램과 의과대학과 공과대학 간의 다른 프로그램 덕분에 이 프로젝트가 그토록 빠르고 높은 수준으로 시작될 수 있었습니다.”
Bishawi는 엔지니어링 모자를 쓰고 두 명의 환자에게 인공호흡기를 분할할 때 인공호흡기의 맞춤형 기능 중 일부를 복원하는 데 도움이 되는 아이디어를 생각해 냈습니다. 그는 공기 흐름을 제한하여 각 환자가 적절한 양의 압력을 받도록 할 수 있는 저항기를 사용하는 방법에 대해 궁금해했습니다. 이 아이디어는 그가 수년 전에 수강했던 유체 흐름 분야의 세계 전문가이자 박사 과정 지도교수인 George Truskey로부터 흐름과 저항에 대해 배운 내용에서 영감을 받았습니다. 그러나 임상 환경에서 유용하게 사용하려면 의료 서비스 제공자는 각 환자에게 어떤 제한기를 사용해야 하는지 확신을 가지고 알아야 합니다.
클라우드에서 주말 보내기
이 어려운 문제를 해결하기 위해 Bishawi는 이전 프로젝트에서 함께 작업했던 엔지니어인 Duke의 생명과학부 Alfred Winborne 및 Victoria Stover Mordecai 조교수인 Amanda Randles에게 도움을 요청했습니다. Randles는 지난 10년 동안 세포 수준에서 혈류를 시뮬레이션할 수 있는 고도의 병렬 컴퓨팅 알고리즘을 개발해 왔습니다. 그러나 공기도 액체이기 때문에 Bishawi는 인공호흡기와 환자의 폐를 통과하는 공기 흐름을 다양한 수준의 순응도로 시뮬레이션하도록 프로그램을 조정할 수 있는지 물었습니다.
Randles는 자신의 연구실에서 일하는 의대생인 Michael Kaplan과 그녀의 연구실에서 박사 과정을 밟고 있는 Simba Chidyagwai와 함께 작업하게 되었습니다. 문제점: 문제를 해결하려면 세계 최대 규모의 클라우드 서버 중 하나에서 500,000시간의 런타임이 필요합니다.
인간의 폐처럼 작동하는 백이 포함된 3D 프린팅된 저항기 부품에 문자 메시지를 보내 인공호흡기가 여전히 각 장치에 정확한 양의 압력을 공급하고 있는지 확인하는 실험 설정입니다.
Randles는 “저는 Duke의 정보 기술 부서에 연락하여 이 작업을 수행할 수 있는 컴퓨팅 성능을 찾는 데 도움을 줄 수 있는지 알아보았습니다.”라고 말했습니다. “수요일이었어요.” 48시간 이내에 그들은 Microsoft Azure에 대한 시간을 확보했고, 지원 팀은 주말 동안 Randles의 팀과 협력하여 운영이 원활하게 진행되도록 했습니다. “이를 실현하려면 확고한 관계와 신뢰가 필요합니다.”라고 그녀는 말했습니다.
동시에 Bishawi는 Duke Engineering의 기업가 정신 부학장인 Ken Gall에게 필요한 생체 적합성, 독성학 및 설계 표준을 충족하는 저항기 부품을 3D 프린팅하는 방법을 찾는 데 도움을 요청했습니다. Gall은 Bishawi를 그의 Durham 기반 스타트업 회사 중 하나인 Restor3d와 연결했습니다. Restor3d는 향상된 해부학적 적합성과 우수한 통합 특성을 갖춘 금속 및 폴리머 3D 프린팅 임플란트를 통해 인체의 재건 및 복구를 개선하기 위해 외과의사와 협력하고 있습니다.
Restor3d의 Nathan Evans, Michael Kim 및 Rajib Shaha의 도움으로 협력이 확대되면서 다양한 시나리오에 대한 프로토타입을 빠르게 제작하고 이를 사용하기 위한 임시 프로토콜을 마련했습니다. 이 장치는 SLA(광조형술)로 알려진 3D 프린팅 형식을 활용하는 저가형 벤치탑 기계에서 생산되었습니다. 또한 일련의 프로토타입을 제작하여 ICU 인공호흡기 및 수술실 인공호흡기에서 테스트했습니다. 또한 David MacLeod와 Anne Cherry, 호흡기 치료사 Jhaymie Cappiello를 포함한 Duke 마취과 의사 그룹도 이러한 노력을 도왔습니다.
듀크는 코로나19 팬데믹으로 인해 인공호흡기 부족에 직면한 병원에 데이터와 사양을 무료로 제공하고 있습니다. 병원이 제조 시설과 운영 품질 시스템을 이용할 수 있는 경우 사양을 사용하여 자체 내부용 제품을 제작할 수 있습니다. 또는, 긴급 FDA 승인이 승인되면, Restor3d는 자체 내부 기능이 없는 병원 시스템에 제품을 제공할 수 있는 능력을 갖게 됩니다.
Bishawi는 "이 임상팀은 정말 놀라웠습니다."라고 말했습니다. "우리는 몇 주 동안 일주일에 여러 번 만나 모델을 검증하고 임상의에게 안전 기능에 대한 중요한 데이터를 제공하기 위해 임상적으로 관련된 테스트 데이터를 개발하기 위한 일련의 정교한 테스트를 완료했습니다."
디자인을 결정한 후 그룹은 무료로 생체 적합성 테스트를 완료한 Legend Technical Services의 Corey Campbell과 독성학 위험 평가를 무료로 완료한 Mycroft Medical LLC의 사장인 William Wustenberg에게 문의했습니다.
이를 위한 앱이 있습니다
테스트된 장치와 이를 가장 잘 사용하는 방법에 대해 철저하게 조사된 데이터를 통해 남은 것은 정보가 필요한 사람들에게 정보를 전달하는 것뿐이었습니다. 그리고 CrossComm의 최고 기술 책임자인 Don Shin 덕분에 이제 이를 위한 앱이 탄생했습니다.
Bishawi는 "우리는 이 도구를 최대한 안전하고 사용자 친화적으로 만들고 싶었습니다."라고 말했습니다. "CrossComm은 인공호흡기 스플리터와 저항기를 쉽게 사용할 수 있도록 컴퓨터 모델 데이터를 사용하는 아름다운 앱을 개발했습니다."
Microsoft 클라우드 네트워크에서 계산된 약 100테라바이트의 계산 데이터가 앱에서 액세스할 수 있는 불과 몇 기가바이트 크기의 차트로 정제되었습니다. 임상의가 환자와 인공호흡기에 대해 필요한 데이터를 입력하기만 하면 앱은 둘 다 정확한 양의 공기를 공급받는 데 사용할 수 있는 최상의 저항기 조합을 제공합니다. 계산이 이미 완료되었기 때문에 응답 시간은 즉각적입니다. 그리고 앱은 클라우드에 보관된 데이터를 사용하므로 더 많은 데이터를 사용할 수 있고 사용자가 피드백을 제공하기 시작하면 팀은 차트를 업데이트할 수 있습니다.
이제 병원이 혁신을 사용하려면 FDA 승인이 필요합니다. 널리 알리기 위해 Duke의 Office of Licensing and Ventures와 협력하여 팬데믹 기간 동안 필요한 모든 사람이 곧 무료로 사용할 수 있는 기술과 앱의 특허를 획득하는 데 도움을 주었습니다.
Bishawi는 “Duke는 분할식 인공호흡기에 의존할 필요가 없다는 점에서 운이 좋았습니다.”라고 말했습니다. “그래도 그럴 수도 있으니 뒷주머니에 넣어두면 좋아요. 그리고 전 세계적으로 생명을 구하기 위해 우리의 기술이 필요한 병원이 많이 있습니다. 이는 배포 시 최후의 노력이지만 데이터가 없어야 하거나 더 안전하게 만들기 위해 최선을 다해야 한다는 의미는 아닙니다. 이것이 우리의 목표였습니다.”
(다) 듀크대학교
원본 기사 출처: WRAL TechWire
