Desde el principio de la pandemia de Covid-19 en desarrollo, quedó claro que una necesidad crítica en las próximas semanas y meses serían los ventiladores, los dispositivos que pueden salvar vidas y que mantienen el flujo de aire hacia un paciente cuya capacidad para respirar está fallando.

Al ver un déficit potencial de cientos de miles de tales unidades, el profesor de ingeniería mecánica Alex Slocum Sr. y otros ingenieros del MIT se pusieron en acción, reuniendo rápidamente a un equipo de voluntarios con experiencia en diseño mecánico, electrónica y controles, y un equipo de médicos con experiencia clínica en el tratamiento de afecciones respiratorias. Empezaron a trabajar juntos sin parar para desarrollar una alternativa económica y compartir lo que aprendieron en el camino. El objetivo era un diseño que pudiera producirse lo suficientemente rápido, potencialmente en todo el mundo, para marcar una diferencia real en la crisis inmediata.

En muy poco tiempo lo consiguieron.

Hace poco más de un mes desde que se reunió el equipo, comenzó en la ciudad de Nueva York la producción de los primeros dispositivos basados ​​directamente en su trabajo. Un grupo que incluye a 10XBeta, Boyce Technologies y Newlab ha comenzado la producción de una versión llamada Spiro Wave, en estrecha colaboración con el equipo del MIT. El consorcio espera entregar rápidamente cientos de unidades para satisfacer las necesidades inmediatas de los hospitales de Nueva York y, eventualmente, de otros hospitales de todo el país.

Mientras tanto, el equipo, llamado MIT E-Vent, ha continuado su investigación para desarrollar aún más el diseño. La próxima iteración será más compacta, tendrá un sistema de accionamiento ligeramente diferente y agregará una función respiratoria clave. Su objetivo general es centrarse en la seguridad y la funcionalidad y fabricación sencillas. 10XBeta, tanto en Nueva York como en Johannesburgo, junto con Vecna ​​Technologies y NN Life Sciences en el área de Boston, participan en este esfuerzo. 10XBeta fue fundado por el ex alumno del MIT Marcel Botha SM '06.

La última versión del diseño del ventilador de emergencia del equipo MIT E-Vent se somete a pruebas en su laboratorio. Cortesía del equipo E-Vent del MIT

Un desafío de diseño complejo

Alexander Slocum Jr. SB '08, SM '10, PhD '13, ingeniero mecánico que ahora es residente de cirugía en el Medical College of Wisconsin, trabajó en estrecha colaboración con su padre, Slocum Sr., y el científico investigador del MIT Nevan Hanumara MS ' 06, PhD '12 para ayudar a liderar el aumento inicial.

“Los números son aterradores, para decirlo sin rodeos”, dice Slocum Jr. “Este proyecto comenzó en la época de los informes de noticias de Italia que describían que los ventiladores estaban racionados debido a la escasez, y los datos disponibles en ese momento sugerían que alrededor del 10 por ciento de los pacientes con covid necesitarían una UCI”. Una de sus primeras tareas fue estimar la posible escasez de ventiladores, utilizando recursos como el Plan de Respuesta a la Pandemia de los CDC y la literatura sobre la utilización de recursos de cuidados intensivos. “Estimamos que era posible una escasez de alrededor de 100,000 200,000 a XNUMX XNUMX ventiladores para abril o mayo”, dice.

Hanumara, quien es uno de los líderes de proyecto del equipo E-Vent, dice que el equipo tiene la intención de ofrecer pautas de código abierto, en lugar de planes o kits detallados, que servirán como recursos para habilitar equipos capacitados en todo el país y el mundo, como como grupos de ingeniería basados ​​en hospitales, empresas de fabricación de dispositivos biomédicos y grupos industriales, para desarrollar sus propias versiones específicas, teniendo en cuenta las cadenas de suministro locales.

“Hay una razón por la que no tenemos un solo plan exacto [en el página web del NDN Collective ]”, dice Hanumara. “Tenemos información y diseños de referencia, porque esto no es algo que deba hacer un aficionado a la casa. Queremos enfatizar que no es trivial crear un sistema que pueda proporcionar ventilación de manera segura”.

"Vimos todos estos diseños publicados en línea, lo cual es increíble que tanta gente quisiera ayudar", dice Slocum Jr. "Pensamos que el mejor primer paso sería identificar los requisitos funcionales clínicos mínimos para una ventilación segura, comparar eso con lo informado métodos para el manejo de pacientes ventilados con Covid, y utilícelos para ayudarnos a elegir un diseño”.

El principio detrás del dispositivo existente es ciertamente bastante simple: tome una bolsa de reanimación de emergencia (Ambu es una marca común), que los hospitales ya tienen en grandes cantidades y que está diseñada para apretarse con la mano. La automatización de la compresión, utilizando un par de paletas curvas impulsadas por un motor, permitiría una rápida ampliación. Pero hay mucho más, dice Hanumara: "Los controles son realmente complicados y han requerido muchas iteraciones a medida que crecía nuestra comprensión del desafío clínico y de seguridad".

Slocum Jr. agrega: “Los pacientes con covid a menudo requieren ventilación durante una semana o más, y en casos más largos eso significaría alrededor de un millón de respiraciones. Las paletas están diseñadas específicamente para fomentar el contacto rodante a fin de minimizar el desgaste de la bolsa”.

El punto de partida fue un diseño desarrollado una década atrás como proyecto de equipo de estudiantes en la clase 2.75 (Diseño de Dispositivos Médicos) del MIT, impartido por Slocum Sr. y Hanumara. Los equipos le dio al nuevo proyecto una importante ventaja para abordar el problema del diseño ahora, ya que avanzan rápidamente en estrecha consulta con los profesionales clínicos.

Esa participación integral de los médicos “es una diferencia clave entre nosotros y muchos de los demás” que trabajan en este problema de ingeniería, dice Kimberly Jung, estudiante de maestría en ingeniería mecánica del MIT.

Jung, quien previamente sirvió cinco años en el ejército de los EE. UU., obtuvo una maestría en administración de empresas en la Universidad de Harvard y comenzó un negocio de especias que actualmente es el empleador más grande de mujeres en Afganistán, se ha desempeñado como oficial ejecutivo del equipo y como parte del departamento de ingeniería. equipo. Ella dice que “hay muchas personas y muchas pequeñas empresas que están tratando de crear soluciones para ventiladores de bajo costo. El problema es que simplemente no se han adherido a las pautas clínicas, como el volumen corriente, la relación entre inspiración y espiración, la frecuencia de respiración por minuto, las presiones máximas y la monitorización clave para la seguridad. Desarrollar estos requisitos clínicos y traducirlos en requisitos de diseño de ingeniería requiere mucho tiempo y esfuerzo. Este es un proceso de investigación y desarrollo de un año que se ha condensado en varias semanas”.

Un equipo se reúne

Otros se incorporaron al equipo a medida que el proyecto avanzaba. Coby Unger, diseñador industrial e instructor del MIT Hobby Shop, comenzó a construir los primeros prototipos en el taller de máquinas. Jung reclutó a su compañera de clase y vecina, Shakti Shaligram SM '19, para que la ayudara con el mecanizado, y también trajo a Michael Detienne, ingeniero eléctrico y miembro de MITERS makerspace. Dos estudiantes del MIT Maker Workshop ayudaron con la fabricación inicial con material prestado del taller del Laboratorio de Fabricación y Productividad del MIT. En busca de sensores de presión, Hanumara contactó a David Hagan PhD '20, CEO de una empresa derivada del MIT llamada QuantAQ, y se unió al equipo. Eric Norman, un experto en comunicaciones que había trabajado con Hanumara en otro proyecto del MIT, implementó rápidamente el sitio web.

Al darse cuenta de que los sistemas de retroalimentación y control eran cruciales para la operación segura del dispositivo, el equipo decidió desde el principio que necesitaban la ayuda de especialistas en esa área. Daniela Rus, jefa del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT, sugirió al científico investigador Murad Abu-Kalaf y a los estudiantes graduados Teddy Ort y Brandon Araki, quienes aceptaron con entusiasmo unirse al equipo de voluntarios. El compañero de cuarto de Ort, Amado Antonini SM '18, también se unió al equipo para ayudar con los controles de motor.

Mientras tanto, Slocum Jr. reclutó al ex alumno Albert Kwon SB '08, HST '13, anestesiólogo en Westchester Medical Center y profesor asistente de anestesiología en New York Medical College, para unirse al proyecto desde el principio. A Kwon se le concedió una licencia de su trabajo en Westchester para dedicar tiempo al proyecto, brindando orientación clínica sobre los tipos de controles y sistemas de seguridad necesarios para que el dispositivo funcione de manera segura. “El Centro Médico de Westchester lo abandonó, lo cual es muy especial, y ha estado trabajando para traducir lo técnico a lo clínico y explicar los escenarios que encajan con un sistema simplificado como este”, dice Hanumara. Jay Conor, cirujano en Mt. Auburn Hospital y parte del equipo de enseñanza del curso de Diseño de Dispositivos Médicos, Christoph Nabzdyk, anestesiólogo cardiotorácico y médico de cuidados intensivos en Mayo Clinic y colega de Kwon desde hace mucho tiempo, y Dirk Varelmann, otro anestesiólogo de Brigham and Women's Hospital, y muchos otros médicos asesoraron al equipo de E-Vent del MIT.

Una chispa para ayudar a otros a llenar el vacío

“Si bien nuestro diseño no puede reemplazar un ventilador con todas las funciones”, enfatiza Hanumara, “proporciona funciones de ventilación clave que permitirán que las instalaciones de atención médica bajo presión racionen mejor sus ventiladores de UCI y recursos humanos, en un mal escenario”.

En cierto modo, dice, "estamos haciendo retroceder el reloj, volviendo a los parámetros centrales de la ventilación". Antes de que los sensores y controles electrónicos de hoy estuvieran disponibles, “los médicos estaban capacitados para ajustar los ventiladores en función de observar directamente las respuestas fisiológicas del paciente. Entonces, sabemos que es factible. … El propio paciente es un sensor razonable”.

Si bien el gobierno federal ahora ha establecido contratos con grandes empresas de fabricación para comenzar a producir ventiladores para ayudar a satisfacer la necesidad urgente, ese proceso llevará tiempo, dice Jung, dejando una brecha significativa para que algo satisfaga la necesidad mientras tanto. “Lo más rápido que estos grandes fabricantes pueden girar es de unos dos meses”, dice ella.

“Esta necesidad probablemente será aún más pronunciada en los mercados emergentes”, agrega Hanumara.

El equipo no planea lanzar directamente su propia producción, ni siquiera proporcionar un conjunto único y detallado de planes. “Nuestro objetivo es presentar un diseño de referencia realmente sólido”, dice Hanumara, “y, hasta cierto punto, ayudar a los grandes grupos a escalarlo. Hemos compartido grandes aprendizajes con nuestros colaboradores de la industria local”. Dependerá de los equipos locales adaptar el diseño a los materiales y piezas que pueden obtener de manera confiable y las necesidades particulares de sus hospitales.

Él dice que “su equipo de ingeniería mecánica y eléctrica tendrá que averiguar qué hay en su cadena de suministro y qué métodos de fabricación tienen fácilmente disponibles para ellos y adaptar el diseño. Los diseños básicos están destinados a ser realmente adaptables, pero pueden requerir modificaciones. ¿Qué motores pueden obtener? ¿Qué controladores y controladores de motores debe examinar el equipo eléctrico? ¿Qué nivel de controles y seguridades requieren sus médicos para su población de pacientes y cómo debería reflejarse esto en el código? Por lo tanto, no podemos sacar un kit exacto”, dice Hanumara.

La esperanza es proporcionar una chispa para iniciar equipos en todas partes para desarrollar y adaptar aún más el concepto, dice Hanumara. “Siempre que se demuestre la seguridad clínica, probablemente veremos muchos de estos en todo el mundo, con algo de ADN compartido por nosotros, así como sabores locales. Y creo que será hermoso, porque significará que la gente de todas partes está trabajando duro para ayudar a sus comunidades”.

“Estoy muy orgulloso del equipo”, dice Jung, “por cómo cada uno de nosotros ha dado un paso al frente y se ha mantenido firme a pesar de los desafíos internos y externos. Todos tenemos una misión en mente, que es salvar vidas, y eso es lo que nos ha mantenido unidos y nos ha convertido en una peculiar familia del MIT”.