Under de senaste tre veckorna, ett team av forskare, ingenjörer och läkare vid University of Vermont har utvecklat en ny design – och byggt en fungerande modell – för en enkel, billig ventilator.

"Vi tror att dessa kan rullas ut mycket snabbt och vara effektiva i nödsituationer, " säger University of Vermonts lungexpert Jason Bates som leder den nya insatsen som svar på den spirande globala coronavirusepidemin – och den enorma bristen på ventilatorer som kan behövas för att behandla människor.

Kallade kärleksfullt "Vermontilator, "preliminära beräkningar tyder på att UVM-ventilatorn "kan produceras snabbt och i stort antal för några hundra dollar per enhet i delar och material, " säger Bates.

Alternativt tillvägagångssätt

Till skillnad från andra improviserade nödventilationskonstruktioner, som nu bearbetas runt om i världen, UVM -teamets tillvägagångssätt använder ett alternativt sätt att hjälpa kritiskt sjuka patienter att andas. Det kallas "airway pressure release ventilation" eller APRV.

Denna APRV-metod kan vara särskilt användbar för patienter som lider av det nya viruset. "En av de viktigaste komplikationerna från covid-19 kallas akut andnödsyndrom, en sjukdom där lungorna fylls med en inflammatorisk vätska, " förklarar Dr. Anne Dixon, chef för lungsjukdomar och intensivvårdsmedicin vid University of Vermont Medical Center och Larner College of Medicine. "Många av dessa patienter blir beroende av en ventilator under ganska långa perioder."

Den nya ventilatorn kan hjälpa dessa patienter genom att blåsa upp deras lungor med långa inandningar av luft, som hålls uppblåsta vid ett konstant och relativt högt tryck, Bates förklarar. Sedan "med jämna mellanrum, korta utandningar är tillåtna under vilka lungorna driver ut koldioxid, " han säger.

Denna APRV-metod är motsatsen till ett normalt andningsmönster – och kan tillåta patienter med COVID-19 att undvika, eller minska, lungskadorna som är förknippade med sjukdomen och med längre perioder på en ventilator.

I mer än femton år, Jason Bates – professor vid både UVM:s Larner College of Medicine och College of Engineering and Mathematical Sciences – har forskat om den typ av lungskador som uppstår under sjukdomar som läkare nu ser hos patienter med covid-19. En traditionell rädsla är att en ventilator kan orsaka skada från överinflation av lungorna. Men Bates forskning är en del av en växande mängd bevis som visar nästan motsatsen:att den största risken för många patienter kommer när delar av lungorna kollapsar. Sedan, det skadade och ömtåliga slemhinnan i lungan kommer samman, pinnar, och sedan skalas isär — om och om igen.

"Denna isärflagningsprocess är extremt skadlig för själva slemhinnan och kan skada den till den grad att vätska kan läcka in i lungorna från kapillärerna som rinner genom den, " säger Bates. "När det här börjar hända, skadorna från skalning blir värre, orsakar respiratorinducerad lungskada att utvecklas på ett sätt som är svårt att vända. "

APRV kan undvika detta problem. "Detta ventilationssätt anses vara särskilt säkert och icke-skadligt för patienter med akut andningsbesvär, säger Dr. Dixon som har stöttat projektet.

En topp närmar sig

APRV-metoden är också till hjälp för ingenjörerna som designar den nya ventilatorn. Genom att använda detta enklare andningsmönster kunde teamet vid UVM:s IMF Labs bygga prototypen Vermontilator med en enkel mekanism. Till skillnad från en traditionell ventilator - en mycket komplex utrustning som kan kosta mer än $25, 000 - den Vermont-byggda maskinen monterades snabbt av en kommersiellt tillgänglig motor som driver en roterande skiva, konventionella medicinska slangar, och andra relativt enkla delar. Teamets prototyp byggdes med hjälp av en 3D-skrivare och bearbetningsutrustning, med bitar som lätt kan fräsas eller gjutas, och monterade. Bates krediterar den extraordinära skickligheten hos UVM-ingenjörerna Jake Kittell, Mike Lane, Carl Silver och Guy Kennedy som kritiska till projektets snabba framsteg.

"Vi har tagit bort resurser från våra andra projekt för att arbeta med det här och killarna jobbar hela helgen, säger Lane, direktören för UVM:s IMF Labs. "Vi vet att vi har ett mycket begränsat fönster för att bli framgångsrika, kanske bara veckor innan den här [epidemin] toppar i Vermont."

Dr Dixon håller med. "De står inför en katastrofal brist på ventilatorer i New York. Vi hör från våra kollegor där att de försöker använda maskiner som vi använder för patienter med obstruktiv sömnapné och försöker ventilera människor genom att koppla två patienter till en ventilator. Bara galna saker som jag aldrig har hört talas om i min livstid, " säger hon. "Denna nya ventilator har fantastisk potential att hjälpa snabbt. Det är inte bara enkelt – det är innovativt och elegant."

Designen är på väg att överlämnas till FDA för akut granskning, och teamet arbetar med Vermont Manufacturing Extension Center, UVM Health Network, UVM Foundation, delstaten Vermont, och andra partners för att säkra finansiering, och anlita kvalificerade tillverkare. De samarbetar också med UVM Innovations för att utveckla en strategi för immateriella rättigheter och affärsmodell för att producera ett stort antal av enheterna.