Hack The Crisis: des étudiants en génie fabriquent un ventilateur de bricolage

La ville de New York aurait à elle seule besoin de milliers de machines respiratoires, qui ne sont pas facilement disponibles en nombre suffisant. Les fabricants de produits médicaux ont augmenté leur production. General Motors, opérant en vertu de la Defense Production Act, a annoncé qu'elle livrerait 30, 000 unités d'ici août. Même des entreprises comme Dyson et Tesla se lancent dans la mêlée.

Mais les ventilateurs utilisés aux États-Unis sont des machines sophistiquées et hautement conçues qui coûtent de 5 000 $ à 5 $ 0 000 chacune, et elles ont besoin de beaucoup de composants spécialisés d'un large éventail de fournisseurs - beaucoup de qui sont à l'étranger, à court de personnel ou actuellement en lock-out.

Comme alternative pragmatique, les étudiants de la Brown School of Engineering de l'Université Rice ont créé un appareil de base à partir de pièces standard qui fournit une ventilation de qualité hospitalière, mais ne coûte que quelques centaines de dollars.

Les principes fondamentaux des ventilateurs sont assez simples. Le coronavirus peut provoquer une inflammation des poumons, qui bloque les membranes qui transfèrent l'oxygène de l'air dans le sang. Les ventilateurs de chevet aident à pousser l'air dans les poumons pour les ouvrir. Le patient reçoit plus d'oxygène et a la possibilité de se stabiliser et de récupérer.

L'année dernière, une équipe senior d'étudiants en génie bio et mécanique travaillant à la cuisine Oshman Engineering Design Kitchen (OEDK) de Rice a conçu et construit un appareil rentable qui automatise la compression des masques de valve à sac manuel. Un BVM se compose d'une chambre à air flexible attachée à un masque facial. Le fait de serrer le sac force l'air à travers une valve unidirectionnelle et à pénétrer dans les poumons des patients intubés ayant de la difficulté à respirer par eux-mêmes. Ces masques sont utilisés depuis près de 70 ans et sont généralement portés par le personnel médical d'urgence. Plus de 100 millions de BVM sont fabriqués chaque année dans le monde.

Mais les masques sont difficiles à serrer à la main pendant plus de quelques minutes à la fois. Le système automatisé peut effectuer cette tâche pendant des heures. Les étudiants ont utilisé un moteur $ 25 standard et un microcontrôleur $ 5 pour alimenter et programmer le système. Le «compresseur» de l'unité est un dispositif à crémaillère composé principalement de 3 pièces en plastique imprimées en D avec des palettes fixées qui pressent cycliquement le sac. Ils prévoyaient que le dispositif serait utile dans les hôpitaux à faibles ressources des pays en développement ou lors des urgences lorsque les ventilateurs portables sont rares.

Maintenant, avec la crise du COVID-19 qui fait rage, les demandes affluent à l'université à la recherche de plans pour le premier prototype. Le personnel de l'OEDK de Rice a rapidement mis à niveau le prototype de l'élève en une unité ApolloBVM plus robuste conçue pour être de qualité médicale, et également suffisamment économique pour être considérée comme jetable.

L'ApolloBVM est constitué de certaines pièces 3 imprimées D et découpées au laser, mais la plupart des composants sont facilement disponibles auprès des détaillants en ligne et des quincailleries. Cela comprend les moteurs goBilda de Servo City, les engrenages et les fixations de McMaster-Carr et les pièces électriques de Mouser. Ambu fait le BVM de base. Et une carte Arduino, achetée auprès d'Amazon, facilite la programmation qui permet aux utilisateurs d'ajuster le taux de distribution d'air aux patients.

L'unité BVM automatisée a été construite pour moins de 250 $, un coût nettement inférieur à celui des ventilateurs commerciaux d'entrée de gamme.

Le dispositif reçoit l'oxygène à base de paroi ou de réservoir à travers un orifice d'admission standard à basse pression. Un écran LCD permet aux utilisateurs de définir les paramètres de fonctionnement et de démarrer ou d'arrêter la compression. Les contrôles ont des paramètres adulte, enfant et pédiatrique qui permettent actuellement des fréquences respiratoires de 5 à 30 bpm (par incréments de 1 bpm), des volumes de 300 à {{6} } ml (par incréments de 50 ml), pression positive variable et rapports inspiratoires / expiratoires ajustables. L'ApolloBVM mesure environ 14 × 16 × 7 pouces. de taille et pèse moins de 10 lb, ce qui le rend approprié pour une utilisation sur une table de chevet portable. Il est alimenté par 120 Vac avec 0010010 lt; 15 W de puissance.

Depuis que Rice a annoncé l'achèvement d'un nouveau prototype par l'équipe le 27 mars, des centaines de cliniciens, ingénieurs, fabricants et bricoleurs de plus de 50 pays ont demandé des informations sur le projet. Les plans open source pour ApolloBVM ont été publiés en ligne et sont disponibles gratuitement dans le monde entier.

Le ministère de la Défense est l'un des groupes intéressés par ApolloBVM. L'US Navy a invité plusieurs institutions à soumettre des propositions pour développer un système de support de ventilation mécanique à faible coût pouvant être rapidement produit avec des ressources largement disponibles. «C'est aussi simple que possible, avec toutes les pièces facilement disponibles», a déclaré Danny Blacker, superviseur de la conception technique d'OEDK.

Avec la propagation continue du coronavirus et une pénurie imminente de ventilateurs dans le monde, ApolloBVM pourrait aider les patients COVID-19 qui sont moins gravement malades en attendant la disponibilité d'un ventilateur hospitalier standard. «L'objectif immédiat est un appareil qui fonctionne suffisamment bien pour maintenir les patients COVID-19 non critiques stables et libérer des ventilateurs plus grands pour les patients plus critiques», a déclaré Amy Kavalewitz, directrice générale d'OEDK.

"Cela va faire une différence dans les hôpitaux qui manquent de ventilateurs", a déclaré le Dr Rohith Malya, professeur adjoint de médecine d'urgence au Baylor College of Medicine et conseiller de l'équipe d'ingénieurs Rice. «Ceux qui ont des relations avec une installation de production qui peut les produire rapidement doivent demander une autorisation d'urgence de la FDA. Nous travaillons localement pour y arriver. »

Lors d'essais en laboratoire avec un poumon artificiel, le dernier prototype a fourni de l'air sans interruption pendant 24 heures, jusqu'à ce que l'appareil soit éteint. Les prochaines étapes sont des tests avec des patients humains en partenariat avec le Texas Medical Center et la collaboration avec des fabricants cherchant à accélérer la production d'un appareil de qualité hospitalière.