加州大学圣地亚哥分校的工程师和医生合作，用3d打印改造和建造呼吸机

学生、教职员工应对COVID-19疫情的关键挑战之一

手动到自动:加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的一组工程学生和教师开发了一种设备，可以将手动呼吸机转换为自动呼吸机。该系统使用3d打印部件压缩袋子，将空气推入患者肺部。

尽管全国各地的大学校园都关闭了，以减缓新型冠状病毒的传播，但加州大学圣地亚哥分校的一组工程师和医生正在迅速开发简单、即用的呼吸机，以便在需要时部署。

该项目于几周前启动，当时有消息称，意大利北部流行COVID-19的社区陷入了困境。

“我们听到的最大的一件事是，没有足够的呼吸机来治疗所有进入医院的病人，”加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程系和外科学系的教授詹姆斯·弗兰德(James Friend)说。“很明显，如果我们不小心，我们可能会陷入同样的境地。”

呼吸机是一种医疗设备，当患者无法自主呼吸时，它可以将空气从患者的肺部吸入和排出。COVID-19的主要症状之一是呼吸困难;大约1%的感染病毒的人需要通风来支持他们的恢复，有时需要几个星期。

意大利的情况促使加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程系助理教授、加州大学圣地亚哥分校卫生部助理朗尼·彼得森(Lonnie Petersen)博士联系她的医学和工程同事，提出了一项新的合作，以快速生产简单的呼吸机，这种呼吸机易于制造，易于用于支持危机中的患者。

彼得森说:“我们立即得到了工作人员和教职员工的大量支持，所有人都在努力让这个项目启动。”“我们的社区非常重视这一威胁，并采取相应行动。”

第一步是与麻醉师和呼吸治疗师就呼吸机的最低要求达成共识。其次是确定工程师是否可以合理地生产它们，以及多快。

几天内，来自弗雷德和彼得森实验室的一组研究人员，包括研究生Aditya Vasan、William Connacher、Jeremy Sieker和Reiley Weekes，开始使用预制部件和3D打印机制造设备。他们的第一个目标是将现有的手动呼吸机模型转换为自动呼吸机，能够在没有人工干预的情况下提供呼吸辅助。

工程专业的学生和教师正在开发一种简单的设备，使用3d打印的部件和现成的组件，将现有的手动通风系统转换为自动通风系统。

现有的人工设计的特点是，一个口罩戴在病人的脸上，还有一个可以用手挤压的袋子，把空气推入病人的肺部。该团队正在设计一种可以代替挤压的机器，让医生和护士有时间解决其他问题。

博士生瓦桑说:“我们正在3d打印可以连接到电机上的部件，以压缩手动呼吸机的袋子。”“这使我们能够控制按压的速度和量，帮助患者呼吸。”

3D打印的优势在于，它可以用于快速生产定制部件。与传统制造方法相比，这种设备可以在小范围内制造得更快。

雅各布斯工程学院纳米工程教授陈绍琛说:“只要使用正确的材料，3D打印可以用于生产各种各样的工具，以对抗COVID-19。”“这对整个N95口罩来说并不好，但它可以用于生产检测棉签，甚至是医护人员的面罩。”

与此同时，彼得森的团队正在等待更多的部件，以使用电动泵构建更复杂的呼吸机。她说:“我们的目标是尽快推出功能齐全的设备。”“一旦我们有了基本的系统并开始运行，我们就可以开始添加层次的复杂性和自动化。这些额外的层将包括高级的气压和流量调节，以实现更具体的疾病和患者量身定制的呼吸支持。”

第一批呼吸机很简单，但目标是在需要时随时准备一些东西。

但简单的设计并不是该团队的唯一目标。

一个更广泛的目标和志愿者需要

彼得森说:“我们正在为呼吸机和操作呼吸机的专业人员短缺做准备。”“问题很快变成了‘我们如何调整可用的呼吸机来支持多个患者?我们如何才能创造出更多更便于员工使用的呼吸机?’”

其他项目包括收集和清点氧气供应，以应对当地医院不断增加的需求;将其他气压机，如cpap和bi - pap改装为通风机;并改造现有的呼吸机以服务更多的患者。

西德尼·梅里特(Sidney Merritt)博士展示了一个内部压力测量设备，目前正在测试用于一个系统，该系统旨在将单个呼吸机拆分为最多4名患者服务。

该团队希望在几天内就能有功能原型，并与麻醉师合作，在应用于患者之前，准备在模拟器中进行测试。

彼得森说:“通常情况下，这样的产品的生产时间是几个月，甚至几年。”“通过在现有技术的基础上同时采取多个步骤，我们的目标是将这个时间线缩短到几周。”

在寻找无法3d打印的部件并从外部供应商那里获得这些部件时，目前最大的障碍是聚集足够多的人来组装这些设备。

由于努力减少冠状病毒的接触和减缓COVID-19的传播，加州大学圣地亚哥分校基本上是封闭和空旷的。研究生团队继续工作，这要感谢雅各布斯工程学院院长给予的特殊例外。

彼得森说:“这是一个团队的努力。“我们可以利用其他工程师的帮助。我们很乐意听到有实际工程经验的学生、员工和教职员工能够帮助我们完成这个项目。”

合资格的志愿者请电邮:UCSDVentilatorEngHelp@gmail.com

分裂通风

与此同时，彼得森的同事、加州大学圣地亚哥分校卫生学院麻醉学临床副教授西德尼·梅里特(Sidney Merritt)博士正在与一个包括美国海军和洛克希德·马丁公司人员在内的团队合作，开发一种3d打印系统，用于分离为一名患者设计的呼吸机，这样最多可以同时供四名患者使用。

梅里特说:“我们在网上找到了一个文件，向我们展示了如何做到这一点。”“我们一直在与海军和其他人合作，用不同的材料打印它们，并在通风机上进行测试，到目前为止，它是有效的。我们能够在每条输液管上施加足够的压力，足以同时为四名患者提供服务。”

现在的挑战是找到阀门，可以调节系统中每个病人的压力，并监测每个病人的个人气压，允许支持每个病人的特定需求所需的精细控制。梅里特说:“只要我们把阀门弄好，再过几天就能把它们安装好并投入使用。”

西德尼·梅里特(Sidney Merritt)博士和美国海军和洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)的团队正在使用3d打印部件开发一种系统，将原本为单个患者设计的呼吸机转换为最多4名患者同时使用。

“形势将非常严峻，”她继续说道。“我们需要所有可用的工具，以便我们准备好治疗患者，因为我们仍然不知道有多少人会生病。”

尽管存在障碍，但该团队表示，来自同事和大学领导层的支持和倡导让他们不知所措。例如，加州大学全球冲突与合作研究所(IGCC)捐助了1万美元，以协助开发原型。

彼得森说:“加州大学圣地亚哥分校的家庭在这件事上真的很团结。”“从院长、主席、教职员工到学生，不管我们和谁交谈过，每个人都竭尽所能地帮助这个项目。它真的把社区团结在了一起。每个人都在朝着同一个方向前进。虽然工作中可能会遇到一些不愉快的事情，但在这样一个支持性的环境中工作是非常好的。”

Casper Petersen博士是骨科外科的助理项目科学家，他与Lonnie Petersen共同领导这个项目。这个不断壮大的团队的其他成员包括Daniel Lee博士;Preetham Suresh博士;William Mazzei博士;Matthew Follansbee博士;Micheal Vanietti博士;Hemal Patel博士;加州大学圣地亚哥分校健康中心的Theodore Vallejos;高通研究所的Mark Stambaugh;以及雅各布学院航空航天工程系教授塔尼亚·森本(Tania Morimoto)。