在2020年早春,电话和电子邮件开始涌入威斯康辛大学麦迪逊分校的机械工程系:“我们没有足够的呼吸机。你能设计别的东西吗?”几周后,“好吧,我们有足够的呼吸机;现在我们需要个人防护装备(PPE)、面罩和N95口罩。”突然又有一个求助电话打来:“我们认为,我们必须给每一个与Covid-19患者接触的人安装一个电动空气净化呼吸器——我们的人手不够,现有的人也没有完成工作!”当地医院在各个方面都需要援助。
威斯康星大学机械工程学院副教授埃里克·奥伯斯塔(Erick Oberstar)和威斯康星大学工程学院的其他几名教职员工和终身教授感到了压力,他们在所有学生离开后被允许留在校园。他回忆道:“那是一场情绪的过山车。”“我们中有六七个人放弃了其他一切,还有十几个人在做贡献。在过去的两个月里,我们每周工作120个小时,尽我们所能帮助别人。情况很糟糕。生命就靠它了。”
作为生物医学工程博士候选人,Oberstar在电气工程方面接受培训,并在机械工程系担任教学职务。偶然的是,他目前在定量血流分析方面的博士研究为大流行期间医院的PAPR设备改造提供了关键工具。
奥伯斯达在临床CT扫描方面有丰富的经验,2014年,他被任命为计量实验室Micro-CT机器的负责人。“那是我们第一次发现Volume Graphics,”他说,但他的资源有限。后来,该部门获得了一台更高功率的CT扫描仪,用于一个赞助项目,并获得了Volume Graphics公司VGSTUDIO MAX的研究许可。该软件套件提供CT扫描数据的数字分析和可视化,允许用户无损地检查物体内部的各种性能特征。奥伯斯塔说:“到COVID-19危机出现时,我已经非常擅长使用这个工具,知道它能做什么。”
地表铺面问题依然存在
虽然第一次需要呼吸机的呼吁促使工程师们采取了行动,但随着当地医院需求的变化,最大的挑战竟然是papr。医院获得了额外的空气净化呼吸器,但他们没有足够的替换部件,以保持现有库存在电池充电的最佳周转时间内正常工作。更复杂的是,他们手头全部的papr“车队”来自四个不同的制造商。
PAPR由一个腰包组成,里面有一个电池驱动的鼓风机,它将周围的空气通过高效过滤器,并将净化后的空气通过软管排出,然后通向头盔。每个治疗传染病患者的医护人员都被包裹在一套密封的全身防护服中,在一个自给自足的单元中是安全的,它不断引入清洁空气,同时将病毒挡在外面。
PAPR是非常有效的,但驱动鼓风机的电池只能使用4个小时(有时根据电池型号可达12个小时),然后需要几个小时的充电——在此期间,整个PAPR套装都不能使用。医院没有任何替换电池可以立即更换。在现有的鼓风机中,过滤器的使用寿命已经接近尾声,在供应链中没有替代品。
“所以,我们面临两个问题。一个是过滤器过期,另一个是电池运行时间问题,”奥伯斯塔说。“这些PAPR设备必须全天候为医护人员提供,这意味着我们需要找到替代能源来使用,而与防护服配套的原始OEM电池正在充电。我们研究了许多不同PAPR制造商的复杂几何形状,以及各种不同的电池形状和滤波器,我们需要弄清楚如何把一些东西插入到所有这些现有的接口上。这对我们来说就像阿波罗13号的时刻。方栓,圆孔。”
一种创新的替代能源:电动工具
当工程师们开始思考如何应对这一多方面的挑战时,他们意识到,电动工具设备可以作为可充电电池和高质量空气过滤器的绝佳替代基础设施。是的,就是那些电池驱动的钻头、商店真空吸尘器等,以及那些在操作这些工具时用来防止混凝土灰尘和其他空气微粒的过滤器。
首先,过滤器问题。该团队从当地公司密尔沃基工具(Milwaukee Tool)采购的工业过滤器经过测试,发现符合国家职业安全与健康研究所(NIOSH)的效率规定。FDA已发布紧急使用授权,允许在经过NIOSH批准的符合其标准的医疗保健环境中使用papr。对niosh批准的papr的修改可能会使它们超出FDA的EUA范围,FDA和CDC通常建议医院和医疗保健提供者在可行的情况下只使用niosh批准的N95口罩替代品。然而,当所有其他fda批准和NIOSH批准的选项都已用尽时,修改为使用符合NIOSH标准的工业过滤器的papr可以帮助填补医疗保健设置中的空白。
奥伯斯塔说:“工业工作场所的过滤器使用HEPA(高效微粒空气)过滤器,就像医院的设备一样。”“我们意识到,如果我们扩大工业过滤器的表面积,它们可能会满足NIOSH对COVID-19病毒颗粒大小的过滤效率的要求。”经过一系列的测试和重新设计,该团队提出了一个三过滤器的设计,该设计将适合PAPR鼓风机的管道系统,提供足够的表面积,成为一个可行的过滤器替代品。
复杂的部分是如何精确匹配密封的几何形状,将重新设计的过滤器集成到管道系统中,以达到密封的目的。许多部件可以很容易地用3D打印出来,但要达到完全密封的过滤组件的精确尺寸却不容易。
这就是来自Volume Graphics的ct数据分析和可视化支持发挥作用的地方。卷图客户支持协调员Kamil Szepanski使用软件中的多材料功能,使用大学CT设备的数据重建图像,分割出橡胶垫圈、过滤材料和塑料树脂的各个几何形状。该软件通过分析每种材料的不同密度,为产品开发过程提供支持。
数字工具也帮助解决了电池问题。工程师们找到了直接出售的电动工具电池,它有适配器,可以将电压从18伏降至PAPR吹风机所需的12伏。但适配器与现有的papr的几何形状不匹配。该团队对每一种适配器进行了ct扫描,使用VGSTUDIO MAX来分割其塑料外壳的几何形状,并设计了可以集成到PAPR组装中的定制连接器。
“危机”逆向工程
在大流行关闭期间,Volume Graphics的Szepanski与威斯康辛大学的团队远程工作了数周。他说:“他们基本上是用ct扫描所有涉及的交配表面,然后我们帮助使用扫描数据对它们进行逆向工程。”
Szepanski记得的一项突出任务是,电池盖上的内部锁扣机制需要精确复制,这样适配器才不会掉下来。“这很有挑战性,因为电池外壳的结构非常复杂,有很多接触区,”他回忆道。
“我们绝对是在逆向工程中度过危机。在真空中,我们无法完成的事情是不可能完成的。我们会处于这样一个阶段,我们试图做的事情似乎是不可能的,然后其他人会站出来说,‘哦,我可以完成它。’所有的团队合作帮助我们做出了真正的改变。”
团队合作还在继续。该医院使用的面罩设计现已走向全球,该设计由该校工程学院的格兰杰工程设计创新实验室(Grainger Engineering design Innovation Laboratory)设计。另一个工程团队正在使用Volume Graphics软件分析复合材料中的纤维取向。与此同时,Oberstar继续完善他的papr滤波器参数。现在,他正在使用Volume Graphics公司的软件进行一个组件逆向工程项目,这是他博士工作的一部分,他将用于卡车升降闸门的大型线性驱动器的设计修改为向患者注射碘造影剂以成像他们的血管的设备。
了下:破解危机:战胜COVID-19