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一种简单的注射器是一种新型医疗设备的灵感来源,它是昂贵的 CPAP 机器的低成本替代品。

时间:2023-10-10   访问量:89

最初只是课堂作业,现在已成为解决关键医疗保健问题的工具。这种医疗设备是由莱斯大学的学生团队开发的,用于混合氧气和空气,为资源匮乏地区的早产儿提供挽救生命的呼吸支持。

这个四人团队自称为“阿凡达最后的空气搅拌机”,以向非常合适的动画系列致敬,在莱斯大学 Oshman 工程设计厨房 (OEDK) 的全球健康 360 课程中团结起来,目标是开发一种简单的、廉价的空气搅拌机,无需电源即可工作。

“我得到了生物工程师和非生物工程师的混合体,我真的强调你并不局限于你所带来的东西。生物工程师不需要做所有的工程,非生物工程师也不需要做所有的写作,”该小组的导师、理查兹-科图姆光学光谱和成像实验室的教授 Meaghan Bond 解释道。米。“他们能够跨越这些学科并学习新技能。”

该团队由生物工程专业的哈兰·库克(Harlan Cook)和布伦南·基奥(Brennan Keogh)组成,他们都是即将升入高年级的学生,生物科学专业的莱奥拉·马克苏德(Leora Maksoud)和人类学专业的奥哈斯·邓布雷(Ojas Dumbre)都是即将升入的三年级学生。专注于资源匮乏环境中新生儿护理的全球健康 360 课程向团队介绍了氧气混合问题,并为他们匹配了医疗保健导师、德克萨斯医学中心的新生儿学家 Chiamaka Aneji 和工程导师、工程师 Madeleine Weld在莱斯360。

“显然,我们正在美国开展这个项目,但我们希望了解生活在撒哈拉以南非洲或其他资源匮乏地区的人们的观点,而不是假设我们认为这些医院会发生什么,但是确实是医生和工程师所说的,”邓布雷说。
 

怎么运行的

尽管在集思广益的过程中出现了使用电池、压缩气体甚至气泵为设备供电等想法,但当团队偶然发现一篇提到使用文丘里效应的论文时,他们灵光一现。

“我们认为,这是完美的——它不使用电力,”库克说。“论文提到改变喷嘴和出口孔之间的距离会如何改变氧气浓度。我们想,有什么方法可以让文丘里管来回线性移动,奥哈斯说,注射器怎么样?”

该团队以标准 60 毫升注射器为灵感,设计并 3D 打印了原型。库克解释说,注射器管内有一个经过改造的柱塞,其中有一根空心管,可以让纯氧通过注射器管。管子的末端是一个文丘里喷嘴,它可以减小管子的直径,从而加速该过程中的空气速度。

“空气加速实际上会导致该区域的压力下降,因此我们在注射器的该区域切了一个孔,以允许外部空气进入,”他说。“因此,当压力下降时,它会吸入外部空气,与氧气混合,这就是患者接收到的空气。”

通过前后移动喷射器,用户将改变喷射距离,从而改变与氧气混合的外部空气量。“因此,当它非常靠近这个孔口时,你会得到很高的浓度,而当你将其向后移动时,你会得到越来越低的浓度,”库克说。在目前的状态下,该设备只需调整喷射距离即可混合 95% 至 30% 的特定量的氧气。
 

发现解决方案

据世界卫生组织称,每年出生的 240 万早产儿中,高达 95% 需要呼吸支持。“全球新生儿早产死亡的主要原因是呼吸窘迫综合征,”马克苏德补充道。

她说,在资源丰富的环境中,这种支持通常由 CPAP 机器提供,这些机器将氧气和空气混合在一起,为这些婴儿提供适当的混合物。但在资源匮乏的环境中,此类氧气空气混合机非常难以获得,且成本高昂且对电力的依赖。医疗保健提供者通常会对新生儿使用纯氧,但这可能导致失明和肺部损伤。

该团队与 Aneji 合作确定空气混合装置的设计标准并确定目标。

其中之一是确保设备能够提供连续的定制氧气浓度。另一个目标是确保设备的成本尽可能低,目标是每台设备的成本低于 10 美元。

自给自足、不依赖电力以及与任何现有氧气管的兼容性至关重要。“我们的另一个重要标准是耐用性,”邓布雷说。“该设备能够承受清洁、消毒,并且在多次使用后仍能正常工作。”

马克苏德指出,尽管确实存在一些低成本空气搅拌机,但许多仍然基本上无法使用。

“就全球健康的设计过程而言,通常最好的解决方案不一定是最复杂的,而是最准确地确定临床需求并最有效地利用可用资源来满足它的解决方案,”她说。“在我们的案例中,事实上我们知道有这些低成本的空气混合器可用,但在可及性方面仍然存在巨大差距,这促使我们想到了注射器的想法,我们认为这将最有效地解决难以接近的问题到可用的设备。”

下一步

在短短四个月的时间里,团队从任务转向原型设计和测试设备。尽管可以可靠地改变氧气浓度,但仍然存在流速下降的一些问题。

库克说:“因此下一步将进一步开发它并解决流速问题,以便仍有足够的空气进入患者体内以发挥 CPAP 的作用。”

使用不同类型的打印机和材料在一定程度上有所帮助。“我们开始使用长丝沉积打印机尝试打印管材,但发现背压很大,因此流量相当低,”Keogh 解释道。“我们继续使用 SLA 打印机,发现在制造干净的内胎方面取得了更大的成功。由于当空气流过内管时,你限制了内管的半径,因此内管内任何更多的摩擦或粗糙度都会大大降低流速。”

对文丘里射流的不同参数、不同角度、直径喷嘴和材料进行的试验也显示出改进。现在学年已经结束,该团队的项目工作也已结束。但他们的工作将在接下来的几个月内得到评估,以确定正确的前进道路。

“该计划将继续评估学生的项目,”邦德说。“他们中的一些人继续攻读另一轮本科生,一些人则参加回发奖学金,其中研究生将专注于某个特定项目一两年。确实有所不同。”

希望该设备的开发将继续发挥其全部潜力,并最终实现大规模生产并分发到有需要的地区。

“针对资源匮乏地区的设计可以改善各地每个人的生活。这不仅仅适用于资源匮乏地区,”库克补充道。“这些低成本设备也可以帮助这里的人们。”

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