杜克大學研究人員尋求 FDA 批准在患者之間分配呼吸機的解決方案

2020年9月9日

達勒姆 – 杜克大學的研究人員設計了一種解決方法，使呼吸機在分配給患者時更安全、更有效率。

該創新系統透過一套生物相容性 3D 列印零件來控制推向每位患者的空氣量，並經過數十萬小時的複雜電腦模擬來決定使用哪些零件，該創新系統已提交 FDA 緊急批准使用。

在杜克大學攻讀生物醫學工程博士學位的心臟外科住院醫師Muath Bishawi 表示：「大流行期間出現的早期需求之一是為患者提供呼吸機，所需的呼吸機數量為世界上許多城市帶來了壓力。「滿足這項需求的一個策略是使用 T 或 Y 連接器將兩名患者置於一台呼吸機上，這在技術上應該可行，但也存在其自身的挑戰。我們想要一個系統，如果杜克大學或其他任何地方需要的話，可以恢復呼吸機的一些患者特定功能。

呼吸器是一種複雜的機器，它以特定的壓力、容量、呼吸頻率和氧氣水平將空氣推入患者的肺部。它通常與其所支撐的患者進行交互，自動感應是否提供可能導致受傷的氣量，或者患者是否開始自主呼吸。

但是，當呼吸機被分配給多名患者時，它會失去許多安全警報和指標，因為它無法再感知單一患者並對其做出回應。它變成了一台愚蠢得多的機器，只能完成一項任務——以醫務人員設定的任何速率將富氧空氣推入管道。

當不同的患者有不同的呼吸需求時，這就出現了問題。

「想像兩個氣球，一個氣球壁厚，另一個氣球壁薄。如果你嘗試用相同的力氣來為兩者充氣，薄壁氣球就會變得更大，」比沙維說。「這與患者肺部面臨的挑戰相同。他們有不同程度的合規性。對於一個人來說完美的相同充氣壓力可能對其他人來說不夠，甚至可能使他們的肺部過度膨脹。

因此，一個解決方案是找到一種方法來為每位患者量身定制氣流，而不必依賴呼吸機來完成繁重的工作。這就是比沙維開始接受工程師訓練的地方。

像工程師一樣思考

在其醫學生涯的早期，比沙維參加了一個實驗班，該課程旨在將杜克大學各個角落的學生聚集在一起，探索未滿足的臨床需求的解決方案。學生花時間觀看臨床醫生的工作，詢問如何以及為何完成某些事情，集體討論創業解決方案可能成熟的缺點，然後開始設計、原型製作、完成市場研究和實施商業計劃。

該課程是現在杜克大學設計健康研究員計畫的前身，比沙維現在是該計畫的顧問。

「在過去的四年裡，我基本上是一名臨床醫生，在工程世界中生活和呼吸，」比沙維說，他最近成功完成了他的博士論文答辯。「我了解我們的工程師，了解他們的能力以及如何說這種語言。這個計畫以及醫學院和工程學院之間的其他計畫使得這個計畫能夠如此迅速地在如此高的水平上起飛。

比沙維戴上工程帽，想出了一個主意，當呼吸器分配給兩名患者時，可以幫助恢復呼吸器的一些個人化功能。他想知道如何使用可以限制氣流的電阻器，確保每個患者都受到適當的壓力。這個想法的靈感來自於他從博士生導師喬治·特魯斯基（George Truskey）那裡學到的關於流動和阻力的知識，喬治·特魯斯基是流體流動方面的世界專家，他多年前就修過該課程。但為了在臨床環境中發揮作用，醫療保健提供者必須清楚知道每位患者應該使用哪些限制。

在雲端度過週末

為了幫助解決這個具有挑戰性的問題，Bishawi 向他在之前的專案中共事過的工程師阿曼達·蘭德爾斯(Amanda Randles) 尋求幫助，他是杜克大學生物醫學科學的阿爾弗雷德·溫伯恩(Alfred Winborne) 和維多利亞·斯托弗·莫迪凱(Victoria Stover Mordecai) 助理教授。蘭德斯在過去十年中一直在開發一種高度並行的計算演算法，能夠在細胞層級模擬血流。但空氣也是液體，因此 Bishawi 詢問她是否可以調整她的程序，以模擬通過呼吸器和具有不同順應性水平的患者肺部的氣流。

蘭德斯與在她的實驗室工作的醫學生邁克爾·卡普蘭 (Michael Kaplan) 和在她的實驗室工作的博士生辛巴·奇迪亞格瓦伊 (Simba Chidyagwai) 一起工作。問題是：他們需要在世界上最大的雲端伺服器之一上運行 50 萬小時才能解決問題。

一項實驗裝置向 3D 列印的電阻片發送短信，這些袋子的作用類似於人肺，以確保呼吸機仍然向每個電阻片提供正確的壓力。

「我聯繫了杜克大學資訊科技辦公室，看看他們是否可以幫助我找到實現這一目標的運算能力，」蘭德斯說。 “那是在星期三。”在 48 小時內，他們獲得了 Microsoft Azure 的時間，其支援團隊與 Randles 的團隊一起度過了一個週末，確保運作順利。「你確實需要建立良好的關係和信任才能實現這一目標，」她說。

同時，Bishawi 聯繫了杜克大學工程學院創業副院長 Ken Gall，尋求協助，以了解如何 3D 列印符合所需生物相容性、毒理學和設計標準的電阻器零件。反過來，Gall 將Bishawi 與他位於達勒姆的一家新創公司Restor3d 聯繫起來，該公司與外科醫生合作，透過金屬和聚合物3D 列印植入物來改善人體的重建和修復，這些植入物具有增強的解剖學貼合性和卓越的整合特性。

在 Restor3d 的 Nathan Evans、Michael Kim 和 Rajib Shaha 的幫助下，不斷發展的合作迅速為不同場景製作了原型，並提出了使用它們的暫定協議。這些設備是在低成本桌上型機器上生產的，這些機器利用了一種稱為立體光刻 (SLA) 的 3D 列印形式。他們還生產了一系列原型，並在 ICU 呼吸機和手術室呼吸機上進行了測試。杜克大學麻醉師團隊（包括 David MacLeod 和 Anne Cherry）以及呼吸治療師 Jhaymie Cappiello 也為這項工作提供了幫助。

杜克大學正在向因 COVID-19 大流行而面臨呼吸機短缺的醫院免費提供數據和規格。如果醫院能夠使用製造設施和營運品質體系，他們將能夠使用這些規範來建構供自己內部使用的產品。另外，一旦獲得 FDA 緊急批准，restor3d 將有能力為不具備內部能力的醫院系統提供產品。

「這個臨床團隊非常出色，」比沙維說。 “我們每週會面多次，持續幾週，並完成了一系列複雜的測試，以開發臨床相關的測試數據，以驗證模型並為臨床醫生提供有關安全特性的重要數據。”

確定設計後，團隊求助於 Legend Technical Services 的 Corey Campbell，免費完成了生物相容性測試，以及 Mycroft Medical LLC 總裁 William Wustenberg, DVM，也免費完成了毒理學風險評估。

有一個應用程式可以做到這一點

有了經過測試的設備和經過徹底審查的關於如何最好地使用它們的數據，剩下的就是將資訊提供給需要的人。感謝 CrossComm 技術長 Don Shin，現在有一個應用程式可以實現這一點。

“我們希望讓這個工具盡可能安全且用戶友好，”Bishawi 說。 “CrossComm 開發了一款漂亮的應用程序，它使用電腦模型數據來確保呼吸機分流器和電阻器易於使用。”

在 Microsoft 雲端網路上計算的大約 100 TB 的運算資料被提煉成一個只有幾 GB 大的圖表，可供應用程式存取。臨床醫生只需輸入有關患者和呼吸器的所需數據，應用程式就會給出最佳的電阻組合，以確保兩者都接收到正確的空氣量。由於計算已經完成，因此回應時間是立即的。由於該應用程式從雲端保存的數據中提取數據，因此團隊可以隨著更多數據可用並且用戶開始提供反饋來更新其圖表。

現在醫院需要 FDA 批准才能開始使用這項創新。為了幫助傳播訊息，此次合作與杜克大學許可和風險投資辦公室合作，為該技術和應用程式申請了專利，這些技術和應用程式很快將免費提供給在大流行期間需要的任何人。

「杜克很幸運，因為我們不必求助於分離式呼吸機，」比沙維說。「但我們仍然可能，所以把它放在我們的後口袋裡真是太好了。世界上還有很多其他醫院可能需要我們的技術來幫助拯救生命。這是部署時的最後努力，但這並不意味著它必須沒有數據，或盡最大努力使其更安全。這就是我們這樣做的目標。

(C) 杜克大學

原文來源： WRAL 技術線