Como médicos em todo o país, Benjamin Nicholson, M.D., sabe que a onda está chegando.

O médico do departamento de emergência viu as previsões para a disseminação do COVID-19 e sabe que existe um suprimento finito de ventiladores em todo o país para dar suporte ao número crescente de pacientes que apresentam sintomas respiratórios do novo coronavírus.

Nicholson, que também é instrutor clínico na Escola de Medicina da Virginia Commonwealth University, teve uma ideia:e se ele pudesse levar um ressuscitador manual, a máscara de válvula de bolsa usada por socorristas e vista em todos os programas de TV médicos, e automatizar? E se ele pudesse disponibilizar os planos para outros sistemas ou prestadores de saúde, qualquer pessoa com acesso a algumas ferramentas e uma impressora 3-D?

O dispositivo precisava ser simples e capaz de ser montado rapidamente. "E precisa ser algo que alguém com meu nível de formação técnica possa criar, "Nicholson disse.

Três semanas atrás, ele contatou Charles Cartin, Ph.D., professor associado de engenharia mecânica e nuclear e diretor de makerspaces na Faculdade de Engenharia da VCU, e Adam Hamel, o técnico do Laboratório de Inovação em Engenharia Mecânica e Nuclear, com essa ideia. Breve, especialistas em cuidados respiratórios, codificadores, engenheiros, designers gráficos, enfermeiras, administradores de negócios, professores e alunos de todos os campi da VCU estavam prontos para projetar e promover um produto que eles esperam salvar vidas na Virgínia e em todo o país.

É um dos muitos projetos iniciados desde o início da crise do COVID-19 que utiliza a infraestrutura interdisciplinar de pesquisa e inovação já instalada na VCU - e a serviço da comunidade que depende da VCU Health.

“Uma caixa de peças e um processo passo a passo para colocá-las juntas '

Em casos graves do vírus, infecta e inflama os pulmões, enchendo-os com fluido e detritos. Um ventilador, em essência, substitui mecanicamente o papel que os pulmões desempenhariam, trazendo oxigênio para um corpo e removendo dióxido de carbono.

Para tornar a ideia de Nicholson uma realidade, Cartin e Hamel precisaram projetar os elementos físicos (pás, alavancas, etc.) de um dispositivo simples que caberia em um ressuscitador manual.

"Abordamos isso da mesma forma que educamos os alunos de engenharia, "Cartin disse." Eles precisam de um conjunto de materiais e instruções claras. É mais ou menos como quando você estava na aula de oficina do ensino médio. Fornecemos uma caixa de peças e um processo passo a passo para colocá-las juntas. "

Peter Pidcoe, Ph.D., D.P.T., professor e assistente do Departamento de Fisioterapia da Faculdade de Profissões da Saúde da VCU, escreveu o software que informa ao dispositivo o que fazer.

Um desafio, entre outros, era o elemento de precisão. Os socorristas e outros prestadores de cuidados de saúde devem bombear máscaras de válvula de bolsa com as mãos, portanto, a quantidade de ar que um paciente recebe depende da força e da frequência da compressão. Os pacientes que apresentam problemas pulmonares causados ​​por COVID-19 precisam de algo mais preciso e preciso, que o dispositivo automatizado pode fazer. A equipe está animada com os primeiros testes de seu dispositivo.

"É incrivelmente preciso, "disse Nicholson, que se formou na Escola de Medicina da VCU em 2015. "Nossos testes ... mostraram a consistência da máquina; estávamos com 1 a 2 mililitros de diferença de volume de respiração para respiração."

Um desafio que eles não tinham:fazer tudo acontecer em várias disciplinas em tempo recorde.

"É com essa rede de pessoas da VCU que fico animado, "disse Pidcoe, diretor do Laboratório de Engenharia e Biomecânica. "Mandei e-mails para cinco pessoas dizendo:"Eu tenho uma ideia; preciso de ajuda." Dentro de uma hora, Recebi 12 respostas de pessoas para as quais nem mandei um e-mail, dizendo:"Como podemos ajudar e do que você precisa? '"

O dispositivo para suportar a máscara de válvula de bolsa deve custar cerca de US $ 500 para montar. Algumas peças podem ser compradas em uma loja de ferragens local; outros podem ser impressos em 3D. A montagem requer uma chave Allen, uma chave de fenda, um par de alicates, uma serra e cola.

"É como uma mini-ventilação, "Pidcoe disse." Não tem todos os sinos e assobios que um ventilador tem, mas certamente é apropriado para manter e administrar alguém. "

A equipe está em contato com um fabricante no oeste da Virgínia que tem interesse em produzi-los e vendê-los a preço de custo. E a equipe espera que outros sigam o exemplo.

Respondendo rapidamente às necessidades médicas

O aparelho é um dos dois projetos de ventiladores em andamento por equipes de pesquisadores da VCU. A Pidcoe também está trabalhando em um projeto separado para um divisor que modificaria um ventilador regular para que a bomba pudesse sustentar até quatro pacientes.

"Nós criamos uma cultura de colaboração na VCU que permite que as pessoas comecem projetos como esses em um nível básico, "disse Henry J. Donahue, Ph.D., Alice T. e William H. Goodwin Jr. Professora e ilustre presidente do Departamento de Engenharia Biomédica e membro do comitê de operações do C. Kenneth e Dianne Wright Center for Clinical and Translational Research, que apóia ensaios clínicos e pesquisas médicas na VCU.

A presença do departamento, bem como do Instituto de Engenharia e Medicina, que Donahue co-dirige, dentro da Faculdade de Engenharia e Faculdade de Medicina se presta a projetos interdisciplinares, ele adicionou.

Os dispositivos de ventilação são apenas parte da rápida resposta da comunidade VCU às necessidades médicas e dos pacientes à luz da pandemia. Os pesquisadores começaram os testes clínicos para um medicamento de tratamento experimental em março. A revista Time recentemente apresentou um aluno de pós-graduação da VCU por seu rápido trabalho na impressão de protetores faciais em 3D para profissionais da área médica. E no mês passado, o laboratório de microbiologia clínica da VCU Health desenvolveu de forma independente um teste COVID-19.

Da engenharia, O projeto de Nicholson chegou a Brent Fagg no Innovation Gateway da VCU. Fagg ajudou a patentear o dispositivo de Nicholson, embora eles pretendam tornar os esquemas gratuitos para download para todos.

"A patente e os direitos autorais nos permitem dar permissão a outras pessoas para usá-lo, mesmo que seja de graça, "Fagg disse." Mas baixar e montar não é prático para alguns hospitais no momento, portanto, também estamos procurando parceiros de fabricação para escalar a produção rapidamente. "

É aí que entra a Escola de Artes VCU.

Matt Woolman, o reitor associado interino da escola para pesquisa, inovação e estudos de pós-graduação, elaborará e projetará diretrizes e manuais de montagem para os fabricantes e usuários que desejam fabricar o dispositivo. Woolman recrutou um colega no Centro para a Economia Criativa, Garreth Blackwell, Ph.D., para desenvolver um site, e juntos eles estão criando opções de nomenclatura em sua capacidade de especialistas em usabilidade e designers de experiência do usuário.

"Os engenheiros são ótimos em encontrar uma solução e projetar um resultado que resolva um problema, e nós ajudamos os engenheiros a humanizar o produto, "disse Woolman, que também é diretor executivo do Centro de Economia Criativa da VCU. "Neste projeto em particular, vamos ajudar outros a fabricar as peças, montar o produto e usá-lo com segurança e eficiência. "

O Wright Center da VCU está contribuindo com experiência e orientação através do complexo processo da Food and Drug Administration. O College of Health Professions está abrindo suas áreas de treinamento para testes de equipamentos. O Consórcio de Inovação em Saúde da Virgínia forneceu um financiamento inicial crucial. E o Centro da Vinci para Inovação da VCU está liderando uma equipe que trata da questão da cadeia de suprimentos:como garantir que os suprimentos simples de que esse dispositivo precisa não acabem.

"Nesse caso, com todo o hardware, componentes de dispositivos médicos e peças impressas em 3D disponíveis, deve-se ter um ventilador funcionando dentro de horas, "Cartin disse.

Preparando-se para a onda

A aprovação do FDA para o dispositivo de Nicholson ainda está pendente, e ele é rápido em notar que nenhum desses dispositivos substitui um ventilador regular. Contudo, ele quer que os sistemas e provedores de saúde estejam preparados para o pior cenário que ele espera que não se concretize.

A experiência colaborativa foi inspiradora para Nicholson, que voltou para a VCU no ano passado após sua residência em Boston.

"Tem sido realmente incrível ver tudo isso funcionando, " ele disse.