2020年初春,电话和电子邮件开始源源不断地打到威斯康星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,“好了,我们有足够的呼吸机;现在我们需要个人防护设备(PPE)、面罩和N95口罩。”突然,另一个呼救声响起,“我们认为我们将不得不给每一个与Covid-19患者接触的人戴上动力空气净化呼吸器(PAPR)——我们没有足够的呼吸器,而我们现有的呼吸器也无法完成任务!”当地医院在许多方面都需要援助。
威斯康星大学机械工程学院副教授埃里克·奥伯斯塔(Erick Oberstar)和其他几名教学人员以及威斯康星大学工程学院的终身教授感受到了压力。在所有学生离开后,他们被允许留在校园。他回忆道:“这就像情感的过山车。”“我们当中有六七个人放下了一切,还有十来个人在帮忙。在两个月的时间里,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。”
Oberstar是生物医学工程博士候选人,接受过电气工程培训,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设备改造提供了一个关键工具。
由于在临床场景中计算机断层扫描(CT)扫描方面有丰富的经验,Oberstar的部门早在2014年就任命他负责计量实验室的微型CT机器。“那是我们第一次发现Volume Graphics,”他说,但他的资源有限。后来,该部门为一个资助项目获得了第二台更高功率的CT扫描仪,并为Volume Graphics的VGSTUDIO MAX获得了研究许可证。该软件套件提供了CT扫描数据的数字分析和可视化,允许用户检查物体内部的各种性能特征,而不是破坏性的。奥伯斯塔说:“到COVID-19危机爆发时,我已经非常擅长使用这个工具,知道它可以做什么。”
地表铺面问题依然存在
虽然对呼吸机的第一次呼吁促使工程师们采取行动,但随着当地医院需求的发展,最大的挑战变成了papr。医院购买了更多的空气净化呼吸器,但他们没有足够的替换部件来保持现有的库存在电池充电的最佳周转时间内正常工作。更复杂的是,他们手头的全部papr“车队”来自四个不同的制造商。
PAPR由一个腰包组成,腰包里装有一个电池供电的鼓风机,鼓风机将周围的空气通过高效过滤器,将净化后的空气通过软管输送到头盔上。每个医护人员都穿着密封的全身防护服,在一个独立的单元内为感染患者工作,在不断引入清洁空气的同时将病毒挡在外面,是安全的。
PAPR非常有效,但驱动鼓风机的电池只能持续4个小时(根据电池型号,有时可达12个小时),然后需要充电数小时——在此期间,整个PAPR套装都不能工作。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接近结束,供应链中没有可用的替代品。
“所以,我们面临两个问题。一个是过期的过滤器,另一个是电池运行时间问题。”“这些PAPR设备必须全天候为医护人员提供,这意味着我们需要在西装自带的原始OEM电池充电时找到替代电源。我们正在研究来自许多不同PAPR制造商的复杂几何形状和各种不同的电池形状和过滤器,我们需要弄清楚如何把一些东西插入所有这些现有的接口。这对我们来说就像阿波罗13号时刻。方钉圆孔。”
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,电动工具设备可以为充电电池和高质量的空气过滤器提供一个极好的替代基础设施。是的,就是那些由电池驱动的钻头、车间吸尘器等,还有那些在操作这些工具时用来过滤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已经发布了紧急使用授权,允许在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的修改可能会使其超出FDA的EUA的范围,FDA和CDC通常建议医院和卫生保健提供者在可行的情况下只使用niosh批准的N95呼吸器替代品。然而,当所有其他经fda批准和NIOSH批准的选择都已用尽时,修改后使用符合NIOSH标准的工业过滤器的papr可以帮助填补卫生保健环境中的空白。
奥伯斯塔说:“工业工作场所过滤器使用高效微粒空气过滤器,就像医院设备一样。”“我们意识到,如果我们把工业过滤器放大,使其拥有更大的表面积,它们可能会满足NIOSH对COVID-19病毒粒径过滤效率的要求。”经过一系列的测试运行和重新设计,该团队提出了一个三过滤器的设计,可以适应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换。
棘手的部分是如何使密封件精确匹配几何形状,将重新设计的过滤器集成到管道系统中以达到密闭性。许多零件都可以很容易地3D打印出来,但要达到生产完全密封过滤器组件的精确尺寸却并不容易。
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。使用软件中的多材料功能,Volume Graphics客户支持协调员Kamil Szepanski使用大学CT设备的数据重新创建的图像,分割出橡胶垫圈、过滤材料和塑料树脂的单独几何形状。通过分析每种材料的不同密度,该软件为产品开发过程提供了支持。
数字工具也帮助解决了电池的挑战。工程师们找到了非处方电动工具电池,这种电池有适配器,可以将电压从18伏降至PAPR吹风机所需的12伏。但是适配器与现有的papr的几何形状不匹配。该团队对每种类型的适配器进行了ct扫描,使用VGSTUDIO MAX分割出塑料外壳的几何形状,并设计了可集成到PAPR组件中的定制连接器。
“危机”逆向工程
在疫情关闭期间,Volume Graphics的Szepanski与威斯康星大学的团队进行了数周的远程工作。他说:“他们基本上对所有相关的交配表面进行了ct扫描,然后我们协助使用扫描数据对它们进行逆向工程。”
Szepanski记得一项出色的任务是,电池盖上的内部快速锁定机制需要精确复制,这样适配器才不会掉出来。“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,”他回忆说。
“我们肯定是在逆向工程我们度过危机的方式。我们所能取得的成就在真空中是不可能实现的。我们会处在这样一个时刻: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,我可以做到。’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。该医院使用的一种面罩设计现在已经走向全球,由该大学工程学院的格兰杰工程设计创新实验室开发。另一个工程团队正在使用体积图形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的软件进行组件逆向工程项目,这是他博士工作的一部分,修改了一个用于卡车升降门的大型线性执行器的设计,该执行器可以向患者注射碘造影剂,以成像他们的血管。
了下:应对危机:策划应对COVID-19