Как инженеры NASA за месяц разработали аппарат вентиляции легких для пациентов с COVID-19

Фото: Sander Ilvest

Работая инженером в Лаборатории реактивного движения NASA, Дэвид Ван Бурен обычно занимается разработкой и созданием приборов для космических телескопов или роботов, которые будут исследовать другие миры в нашей Солнечной системе. Но в течение последнего месяца Ван Бурен и группа его коллег работали над проектом, который для них был неизученной территорией: требовалось создать аппарат для вентиляции легких, чтобы помочь пациентам, больным COVID-19. Об этом пишет The Verge.

Хотя у Ван Бурена был некоторый опыт в области медицинской инженерии, он никогда раньше не проектировал вентиляторы раньше. Но он и его коллеги из Лаборатории реактивного движения привыкли делать вещи, которые им не доводилось создавать в прошлом. Более того, они привыкли делать вещи, в создании которых опыта нет ни у кого.

«Когда к нам приходит ученый и говорит, что они хотят отправиться на луну Юпитера, сверлить там лед и посмотреть, что под ним, этого никто раньше не делал, - рассказывает Ван Бурен. - Мы привыкли смотреть на новые проблемы - на предметы, которые люди не делали раньше или, по крайней мере, мы не делали раньше, - и выяснять, как их сделать».

После бурных 37 дней исследований, планирования и переделки группа инженеров лаборатории создала прототип, который они называют вентилятором VITAL. Белая цифровая коробка с дыхательной трубкой; сам вентилятор, который находится где-то между сложными высокопроизводительными вентиляторами, нужными самым больным пациентам; и простая амбулаторная сумка, которую можно использовать как временную меру для быстрого выдавливания воздуха в легкие. Команда не хотела вмешиваться в производство более cерьезных вентиляторов, поэтому вентилятор VITAL предназначен для пациентов, которые нуждаются в поддержке дыхания, но не находятся в самых тяжелых условиях. Это временный инструмент, рассчитанный на три-четыре месяца в больнице.

VITAL создан специально для людей с COVID-19, которые и помогли определить его дизайн. «Он урезан во всем и сохраняет лишь те функции, которые необходимы пациентам с COVID-19», - говорит Ван Бурен.

В течение января и февраля Ван Бурен следил за новостями о распространении COVID-19 в Китае с растущей обеспокоенностью. Пандемии занимали его ум совспышки H1N1 в 2009 году, когда его дочь пришлось госпитализировать из-за нового штамма гриппа.

Когда в начале марта стало ясно, что в Вашингтоне и Калифорнии идет широкое распространение COVID-19, Ван Бурен начал всерьез концентрироваться на том, что он может сделать, чтобы помочь. Ранние модели предполагали, что в больницах не будет достаточных мощностей или оборудования, чтобы справиться с наплывом пациентов с COVID-19. Ван Бурен пришел к выводу, что его лаборатория может быть полезным активом в борьбе. Однажды он наткнулся на Роба Мэннинга, главного инженера лаборатории, в столовой центра, и они начали говорить о том, что они могут сделать.

 «Мы оба думали, учитывая обстоятельства, что, возможно, проекты, на которые мы тратили свое время, могут быть сейчас не самыми важными темами для нас, на фоне того, что, по нашему общему мнению, должно было случиться», - говорит Ван Бурен.

Мэннинг нашел деньги, чтобы сформировать небольшую команду, и проект стартовал 16 марта. Группа связалась с пульмонологом по имени Михаил Гуревич, который десятилетиями работал над вентиляторами. Он пришел и рассказал команде точные требования, которые были необходимы для вентиляторов, в то время как сотрудник ЛРД делал подробные записи на гигантской доске.

«Мы более или менее применили шаблон, который используем, когда строим аппарат для приземления на Марс и, скажем, сверлим поверхность и проводим измерения того, что внизу, - говорит Ван Бурен. - Мы общаемся с учеными. В этом случае мы связались с врачами относительно того, что именно нужно, чтобы мы могли затем разработать инструмент - или, в данном случае, вентилятор».

В конце концов к проекту присоединились другие люди из ЛРД, включая Мишель Истер. Обычно она работает на механизмах, известных как приводы. Эти двигатели используются для развертывания или вращения таких инструментов, как солнечные батареи, во время миссии.

«Приводы часто представляют собой комбинацию механизмов и электроники», - говорит Истер The Verge. - И это именно то, что представляет собой устройство VITAL; это механизм, который управляется встроенной электроникой, и такой дизайн, как по мне, очень удобен».

Чтобы создать VITAL, команда пыталась использовать как можно больше стандартных, готовых деталей, таких как трубки, моторы, клапаны и электронные дисплеи. В этом случае любому, кто будет производить устройство в будущем, не нужно будет специально заказывать что-либо необходимое для более совершенного вентилятора. Команда увидела, что компании и поставщики стремятся помочь в поставках, которые можно масштабировать. И когда у них не оказывалось того, что было нужно ЛРД, они давали свои рекомендации.

«Компании просто открывали свои картотеки и давали нам имена своих конкурентов, - говорит Истер. - Это не то, что вы ожидаете от бизнес-подхода. Но люди просто отказались от традиционного взгляда на конкуренцию».

В конце концов, команда остановилась на окончательном дизайне VITAL. Поскольку аппарат предназначен для пациентов с COVID-19, он сосредоточен на деликатной подаче воздуха в скованные легкие - отличительный признак вируса. Такие легкие расширяются с трудом, поэтому пациентам трудно получить достаточное количество воздуха, чтобы дышать. VITAL предназначен для обеспечения достаточного давления воздуха для пациентов, чтобы раздуть их легкие, но не настолько, чтобы легкие чрезмерно расширялись. Машина также обеспечивает, чтобы легкие не сдулись полностью. У пациентов с COVID-19 наблюдается повреждение легких, которое делает стенки легких воспаленными и липкими. Если весь воздух выходит из легких и стенки соприкасаются друг с другом, они могут слипаться и затруднять повторное открытие. Таким образом, VITAL старается держать легкие слегка раздутыми, каждый раз когда пациент выдыхает.

Теперь, когда у команды был рабочий прототип, она перешла к экологическим испытаниям с устройством. Всякий раз, когда NASA отправляет космический корабль в другой мир, каждое транспортное средство должно подвергаться воздействию экстремальных условий - таких как широкомасштабный перепад температур, интенсивные вибрации, громкие звуки и т.д. - чтобы понять, сможет ли оно выдержать суровую космическую среду. Многие из тех же тестов необходимы и для квалификации медицинского оборудования, и ЛРДрасполагает возможностями для такого тестирования, включая гигантскую вакуумную камеру и установки для встряски оборудования.

«Мы строим космические корабли, а не медицинское оборудование, но в них много схожих элементов, потому что они оба должны быть системами с чрезвычайно высокой надежностью - по разным причинам», - говорит Истер.

"Что касается космического корабля, то, как только вы отправите его в космос, вы уже не сможете пойти и починить его. Поэтому мы должны убедиться, что он абсолютно идеален и работает точно так, как мы ожидаем в любых условиях. Что касается медицинских устройств, мы связываем их с человеком; мы должны убедиться, что не причиним кому-либо вред. Они оба очень, очень важны".

Поскольку Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов поощряет организации к быстрому созданию новых устройств для борьбы с COVID-19, многие тесты, обычно необходимые для сертификации оборудования, больше не нужны. Но ЛРД все еще нужно было выполнить высотное тестирование, чтобы увидеть, будет ли машина работать в таких местах, как, например, высокогорный Денвер. Им также необходимо провести тестирование на электромагнитные помехи, чтобы определить, может ли VITAL работать нормально, если кто-то, скажем, разговаривает поблизости по мобильному телефону .

30 апреля ЛРД получила от Управления сообщение о том, что VITAL получит разрешение на экстренное использование. Теперь, когда они получили одобрение, команда отправит проект в компании, которые могут массово производить VITAL и доставлять вентиляторы в нуждающиеся больницы. 

«Мы не занимаемся производством, - говорит Ван Бурен. - Мы делаем один или два образца и отправляем их на Марс, Сатурн или куда-то еще. И поэтому мы привлекли пару компаний, чтобы те помогли нам понять аспекты массового производства».

Пока непонятно, чем будет заниматься команда, когда вентилятор VITAL будет выпущен в мир. Многие из членов команды поставили свои обычные проекты на паузу, чтобы как можно скорее подготовить этот вентилятор. Скорее всего, они очень скоро вернутся к созданию межпланетных космических зондов, но краткий опыт работы в медицинском мире их очень воодушевил.

«Я думаю, что все в команде рады, что мы смогли внести позитивный, вклад в виде своих мозгов и командной работы, - говорит Истер. - Это определенно помогает нам почувствовать свои силы в этой бессильной ситуации».