Som svar på ett trängande behov av fler ventilatorer för att behandla kritiskt sjuka COVID-19-patienter, ett team som leds av ingenjörer vid Johns Hopkins University utvecklar och prototyper en 3D-tryckt splitter som gör att en enda ventilator kan behandla flera patienter. Även om medicinsk personal har uttryckt oro över säkerheten och effektiviteten av att dela ventilatorer, teamet har utformat det här verktyget för att ta itu med dessa problem.

"Det ligger en tonvikt just nu på att använda teknik för att utveckla lösningar med öppen källkod för många aspekter av COVID-19-krisen, men speciellt för ventilatordesign och produktion, sa Sung Hoon Kang, en biträdande professor i maskinteknik vid Johns Hopkins Whiting School of Engineering som leder ett team som inkluderar ICU-intensivister och lungspecialister vid Johns Hopkins School of Medicine. "Ett tillvägagångssätt är att använda en ventilator för att behandla flera patienter. Även om detta är möjligt, det måste vara säkert för alla patienter. Det innebär att se till att varje patient får den vård de behöver, utan att förkorta någon. Det här är vad vi ville skapa."

Ett allvarligt lungtillstånd som kallas akut andningssyndrom, eller ARDS, är den vanligaste dödsorsaken för COVID-19-patienter. Hos individer med ARDS, vätska ansamlas i lungorna, begränsa mängden syre i blodomloppet och beröva vitala organ det syre de behöver för att fungera korrekt. Tillståndet måste hanteras av en ventilator.

När covid-19-utbrottet sprider sig, många vårdinrättningar brottas med brist på de maskiner som behövs för att behandla de sjukaste patienterna. Sådana brister har redan effektivt kraschat sjukvårdssystemet i Italien, som för närvarande rapporterar världens högsta antal covid-19-relaterade dödsfall på mer än 13, 000.

En del medicinsk personal har uttryckt oro över bruket att dela ventilatorer. Först, att ansluta flera patienter till samma ventilator kan sprida bakterier och skapa en chans för korskontaminering. En annan oro är att en ventilator som delas av flera personer inte skulle ge dem alla den nödvändiga nivån av syre, vilket kan leda till dåliga patientresultat och hög dödlighet.

Enligt Kang, teamets nya design syftar till att skydda mot dessa risker. Den nya designen inkluderar en luftflödesregulator och flödesmätare, så att läkare kan övervaka och justera luftflödet för varje patient. Luftvolymsregulatorn är ett viktigt tillägg eftersom varje intuberad patient kräver olika flödeskontroll. Teamet lägger också till ett filter för att förhindra korskontaminering mellan patienter-viktigt eftersom tidiga rapporter tyder på att de som utsätts för flera infekterade människor upplever sämre resultat.

Delaren måste också vara lätt att distribuera, med tanke på hur brådskande behovet är.

"Vi behöver en robust design, men en som kan produceras med en relativt enkel tillverkningsprocess som 3D-utskrift, säger Christopher Shallal, en medlem av teamet och en junior med inriktning biomedicinsk teknik. "Vi överväger också de olika förhållandena och inställningarna där människor kan skriva ut ventilatorsplitterna. Till exempel, de kanske inte har en högupplöst skrivare tillgänglig. Så vi har skalbarhet i åtanke när vi designar."

Klyvning av ventilatorer är en experimentell akutbehandling som har använts tidigare under svåra omständigheter, som under efterdyningarna av skjutningen i Las Vegas 2017, när splitter användes för att stabilisera skadade men i övrigt friska unga vuxna. Men att dela en ventilator för att behandla flera patienter i olika stadier av lungsvikt innebär en ny och något skrämmande uppsättning designutmaningar, enligt Julie Caffrey, biträdande professor i plastik och rekonstruktiv kirurgi vid Johns Hopkins Medicine och en medlem av teamet.

"Att använda samma ventilatorinställningar för ARDS-patienter med olika lungkompatibilitet kan vara mycket osäkert. En patient kan få för mycket luft, den andra kanske inte får tillräckligt, " förklarar Caffrey. "Med ARDS, Ventilatorstrategier för att förbättra överlevnaden används ofta för att administrera låg tidalvolym och högre tryck. Om du inte kan hantera det, du riskerar att orsaka ytterligare trauma på lungor som redan är mycket förlamade. Det är mycket viktigt att när vi delar en ventilator, vi kan fortfarande ställa in ventilatorn för den specifika patienten."

Teamet har tagit fram prototypen och hoppas kunna slutföra och börja testa sin design på modelllungor inom några veckor. När det godkänts av FDA, de planerar att publicera sin design med öppen källkod för andra att använda.

"Målet här är att snabbt få den här tekniken till sjukhus runt om i världen - och rätt till de människor som behöver den mest, " säger Helen Xun, medlem i teamet och en tredjeårs medicinsk student vid Johns Hopkins School of Medicine.