Liksom läkare över hela landet, Benjamin Nicholson, M.D., vet att ökningen kommer.

Akutläkaren har sett förutsägelserna för spridningen av COVID-19 och vet att det finns en begränsad tillgång till ventilatorer över hela landet för att stödja det växande antalet patienter som upplever andningssymtom på det nya coronaviruset.

Nicholson, som också är klinisk instruktör vid Virginia Commonwealth University's School of Medicine, hade en idé:Tänk om han kunde ta en manuell återupplivning, påsventilmask som används av de första respondenterna och ses på alla medicinska tv -program, och automatisera det? Och tänk om han kunde göra planerna tillgängliga för andra hälsosystem eller leverantörer, någon med tillgång till några verktyg och en 3D-skrivare?

Enheten behövde vara enkel och kunna monteras snabbt. "Och det måste vara något som någon med min tekniska bakgrund skulle kunna sätta ihop, "Sa Nicholson.

Tre veckor sedan, han kontaktade Charles Cartin, Ph.D., docent i maskin- och kärnteknik och chef för makerspaces i VCU's College of Engineering, och Adam Hamel, tekniker för Mechanical and Nuclear Engineering Innovation Lab, med den idén. Snart, andningsspecialister, kodare, ingenjörer, grafiska formgivare, sjuksköterskor, affärsadministratörer, lärare och studenter från hela VCU:s campus var redo att designa och marknadsföra en produkt som de hoppas kommer att rädda liv i Virginia och över hela landet.

Det är ett av många projekt som har påbörjats sedan COVID-19-krisen började och som utnyttjar den tvärvetenskapliga forsknings- och innovationsinfrastrukturen som redan finns på VCU-och i tjänst för samhället som förlitar sig på VCU Health.

"En låda med delar och en steg-för-steg-process för att sätta ihop dem"

I allvarliga fall av viruset, det infekterar och tänder lungorna, fylla dem med vätska och skräp. En ventilator, i huvudsak, mekaniskt ersätter den roll lungorna skulle spela, föra in syre i kroppen och ta bort koldioxid.

För att göra Nicholsons idé verklighet, Cartin och Hamel behövde designa de fysiska elementen (paddlar, spakar, etc.) på en enkel enhet som skulle passa runt en manuell återupplivning.

"Vi behandlade det på samma sätt som vi utbildar ingenjörsstudenter, "Cartin sa." De behöver en uppsättning material och tydliga instruktioner. Det är ungefär som när det gick i gymnasiet. Vi ger dig en låda med delar och en steg-för-steg-process för att sätta ihop dem. "

Peter Pidcoe, Ph.D., D.P.T., en professor och assisterande ordförande vid Institutionen för sjukgymnastik vid VCU's College of Health Professions, skrev programvaran som berättar för enheten vad den ska göra.

En utmaning, bland andra, var elementet i precision. Första respondenterna och andra vårdgivare måste pumpa väskventilmasker för hand, så mängden luft som en patient får beror på pressens styrka och frekvens. Patienter som upplever lungnöd orsakad av COVID-19 behöver något mer exakt och exakt, vilket den automatiska enheten kan göra. Teamet är glada över tidiga tester av deras enhet.

"Det är otroligt korrekt, "sade Nicholson, som tog examen från VCU:s medicinska högskola 2015. "Våra tester ... visade maskinens konsistens; vi hade 1 till 2 milliliter volymskillnad från andetag till andetag."

En utmaning de inte hade:Att få allt att hända inom flera discipliner på rekordtid.

"Det är det här nätverket av människor på VCU som jag blir upphetsad över, "sa Pidcoe, chef för Engineering and Biomechanics Lab. "Jag skickade ut e -postmeddelanden till fem personer som sa:"Jag har den här idén; jag behöver hjälp." Inom en timme, Jag fick 12 svar från personer som jag inte ens mailade och sa:"Hur kan vi hjälpa till och vad behöver du?"

Enheten som stöder påsventilmasken förväntas kosta cirka 500 dollar att montera. Vissa delar kan köpas i en lokal järnaffär; andra kan skrivas ut i 3D. Montering kräver en insexnyckel, en skruvdragare, ett par trådskärare, en bågfil och lim.

"Det är som en miniventil, "Sa Pidcoe." Den har inte alla klockor och visselpipor som en ventilator har, men det är verkligen lämpligt för att behålla och hantera någon. "

Teamet har kontakt med en tillverkare i västra Virginia som är intresserad av att producera och sälja dem till pris. Och laget hoppas att andra kommer att följa efter.

Svarar snabbt på medicinska behov

Enheten är ett av två ventilatorprojekt i verk av forskargrupper vid VCU. Pidcoe arbetar också med en separat design för en splitter som skulle modifiera en vanlig ventilator så att pumpen kunde hålla upp till fyra patienter.

"Vi har skapat en kultur för samarbete på VCU som gör att människor kan starta projekt som dessa på gräsrotsnivå, "sa Henry J. Donahue, Ph.D., Alice T. och William H. Goodwin Jr. professor och framstående ordförande för Institutionen för biomedicinsk teknik och medlem i operationskommittén vid C. Kenneth och Dianne Wright Center for Clinical and Translational Research, som stöder kliniska prövningar och medicinsk forskning vid VCU.

Avdelningens närvaro, liksom institutet för teknik och medicin, som Donahue medregisserar, inom College of Engineering och School of Medicine lämpar sig för tvärvetenskapliga projekt, han lade till.

Ventilatoranordningarna är bara en del av VCU -samhällets snabba svar på medicinska och patientbehov mot bakgrund av pandemin. Forskare påbörjade kliniska prövningar av ett experimentellt läkemedel i mars. Tidningen Time presenterade nyligen en VCU-doktorand för sitt snabba arbete med 3D-ansiktsskydd för medicinska arbetare. Och förra månaden utvecklade VCU Health kliniskt mikrobiologilaboratorium oberoende ett COVID-19-test.

Från teknik, Nicholsons projekt hittade vägen till Brent Fagg på VCU:s Innovation Gateway. Fagg hjälpte till att patentera Nicholsons enhet, även om de tänker göra schemat gratis att ladda ner för alla.

"Patentet och upphovsrätten tillåter oss att ge andra människor tillstånd att använda det, även om det är gratis, "Fagg sa." Men att ladda ner och montera det är inte praktiskt för vissa sjukhus just nu, så vi tittar också på tillverkningspartners för att snabbt skala produktionen. "

Det är där VCU School of the Arts kommer in.

Matt Woolman, skolans tillfälliga associerade dekanus för forskning, innovation och forskarutbildning, kommer att utarbeta och utforma monteringsriktlinjer och manualer för tillverkare och användare som vill göra enheten. Woolman rekryterade en kollega i Center for the Creative Economy, Garreth Blackwell, Ph.D., att utveckla en webbplats, och tillsammans skapar de namnalternativ i sin egenskap av användbarhetsexperter och användarupplevelsedesigners.

"Ingenjörer är bra på att komma med en lösning och utforma ett resultat som löser ett problem, och där vi kommer in hjälper ingenjörer att humanisera produkten, "sa Woolman, som också är verkställande direktör för VCU:s Center for Creative Economy. "I det här projektet, vi hjälper andra att tillverka delarna, montera produkten och använd den säkert och effektivt. "

VCU:s Wright Center bidrar med expertis och vägledning genom den komplexa processen Food and Drug Administration. College of Health Professions öppnar sina utbildningsområden för utrustningstestning. Virginia's Health Innovation Consortium gav avgörande tidig finansiering. Och VCU:s da Vinci Center for Innovation leder ett team som hanterar frågan om leveranskedjan:Hur man ser till att de enkla förbrukningsmaterial som den här enheten behöver inte tar slut.

"I detta fall, med all hårdvara, medicintekniska komponenter och 3D-tryckta delar i handen, man bör ha en fungerande ventilator inom timmar, Sa Cartin.

Förbereder sig för uppsvinget

FDA -godkännande på Nicholsons enhet väntar fortfarande, och han konstaterar snabbt att ingen av dessa enheter ersätter en vanlig ventilator. Dock, han vill att hälso- och sjukvårdssystem och leverantörer är förberedda på ett värsta scenario som han hoppas inte kommer att förverkligas.

Samarbetsupplevelsen har varit inspirerande för Nicholson, som återvände till VCU förra året efter sin vistelse i Boston.

"Det har varit uppriktigt sagt fantastiskt att faktiskt se allt detta fungera, " han sa.