FDA批准由粒子物理社区设计的呼吸机

从3月19日到5月1日，短短六周时间里，由普林斯顿大学(Princeton)的克里斯蒂安·加尔比亚蒂(Cristian Galbiati)领导的一个由物理学家和工程师组成的国际团队将呼吸机从概念上带入了FDA的审批程序。

5月3日，美国食品和药物管理局(FDA)宣布，根据FDA的紧急使用授权，米兰机械呼吸机(MVM)在美国使用是安全的，这有助于在危机期间支持公共卫生。

由普林斯顿大学的克里斯蒂安·加尔比亚蒂(Cristian Galbiati)领导的一个大型国际团队致力于设计、测试和最终确定米兰机械通风机(MVM)，这是一种低成本的通风机，旨在缓解covid19造成的设备短缺。在获得FDA批准后，生产已经开始，首批20台呼吸机已经送往医院。全量生产将于下周开始，预计初期产量为每天50台风机。

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这种呼吸机是普林斯顿大学物理学教授加尔比亚蒂(Galbiati)的创意。加尔比亚蒂通常领导一个名为dark -20k的暗物质实验。在被禁闭的米兰，一个被COVID-19重创的城市，加尔比亚蒂听说了呼吸机短缺的消息，想要帮助解决这个问题。

加尔比亚蒂说:“危机感很明显。“很明显，许多病人需要呼吸协助。”

他与其他研究人员合作开发了一种通风设备，这种设备的元件很少，可以用常见的部件快速生产出来。暗物质研究人员在设计和使用复杂的气体处理系统和复杂的控制系统方面有着丰富的经验，这与机械通风设备的能力是相同的。

加尔比亚蒂说:“普林斯顿大学为暗物质项目提供了15年多的有力支持，该项目旨在用一种基于氩的探测器发现暗物质。”“为此，我们必须应对独特的挑战，如开发从地幔气井中提取同位素枯竭氩的特殊技术，以及开发数百米高的低温精馏塔以进一步净化氩。”如果没有普林斯顿的支持，这一切都不可能实现。我们的科学合作已发展到包括来自100个机构的近400名科学家，其中包括许多在气体技术领域具有很强的专业知识和专门知识的天才研究人员。当时机到来的时候，我们准备把注意力转向发展机械通风设备的问题，并在这种情况下使用合作的集体智慧。”

消息迅速传开，来自9个国家的工程师和物理学家——尤其是意大利、美国和加拿大——纷纷伸出援手。那些通常花费时间建造和运行精密探测器的专家们很快运用了他们的技能，并自愿花时间来建造一个用于精密肺部的装置。

“我们从粒子物理学的合作方式中获得了巨大的好处，”费米国家加速器实验室中微子部门的负责人史蒂夫·布莱斯(Steve Brice)说。“这个结构已经有了大型的、国际性的、多学科的团体。我们可以重新调整这种结构，做一些不同的事情，你可以更快地行动。”

MVM的灵感来自于60年代建造的Manley通风机。这种设计简单、便宜、紧凑，只需要压缩氧气(或医用空气)和电源即可运行。Mojtaba“Moji”Safabakhsh是普林斯顿等离子体物理实验室制造组的负责人，他是最初设计团队的一员，每周工作七天。作为一名机械工程师，他在设计该设备的几个方面提供了专业知识。设计变量包括音量和压力控制——例如，当系统代替病人呼吸时，需要什么样的阀门，电源如何工作，以及软件组件。

萨法巴赫什说:“我们必须了解供应链上有哪些零部件，我们能得到哪些硬件，我就如何使用这些零部件提供了我的专业知识。”设计必须简单，使用现成的零件。

现代扭曲的经典曼利设计来自电子和控制系统。“我们专注于软件，让硬件尽可能地最小化，”斯蒂芬·波尔迪斯(Stephen Pordes)说，他是欧洲核子研究组织(CERN)“黑暗面”(DarkSide)的成员。

该项目并不仅限于暗物质研究人员。在研究原型的过程中，该团队与医生、医疗设备制造商和监管机构合作，以确保他们正在为医务人员制造一些有价值、易于使用的东西，这些东西具有强大的供应链，可以快速生产出来。

克里斯蒂安·Galbiati

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C. Todd Reichart, Department of Chemistry

“关键问题之一是如何在机器的技术功能和操作人员如何与机器本身进行交互之间进行转换，”与意大利前线医生保持联络的意大利中微子物理学家埃琳娜·格拉梅利尼(Elena Gramellini)说。

工业界和医学界的专家随时可以提供咨询;医生们在复杂的呼吸模拟器上测试了MVM原型机。伦巴第是此次大流行疫情最严重的地区之一，来自该地区covid19病房的麻醉师在为该单元的设计提供详细指导方面发挥了特殊作用。由于合作者遍布10个不同的时区，各种系统的工作几乎可以昼夜不停地进行，使得MVM从3月23日发布预印本到5月1日获得FDA批准。

“作为粒子物理学家，我们的DNA里有跨越国界的实时合作，”加尔比亚蒂说。“随着边境的扩大和供应链变得更加困难，能够进行国际合作对我来说仍然是希望的灯塔。重要的是要看到，当病毒以喷气式飞机的速度在全世界传播时，研究却以互联网的速度在传播。如果有一种方法可以击败这种病毒，那就是研究能取得成功。”

虽然物理学家习惯于远距离合作，但远程工作和社交距离增加了新的复杂性。在家里工作的研究人员无法进入他们的实验室——或者他们需要测试的所有部件。相反，他们通过互联网连接各种组件。因此，意大利的微控制器可以连接和接收在美国编写的软件，然后让某人在加拿大的触摸屏上测试接口。

到4月初，在临时3d打印盒中完成的MVM样机已经通过了意大利的严格测试，并与世界各地的合作者进行了合作。

格兰萨索科学研究所(Gran Sasso Science Institute)教授、意大利国家核物理研究所(INFN)前所长费尔南多•费罗尼(Fernando Ferroni)表示:“这项努力表明，粒子物理学界关注基础研究在满足社会需求方面的应用。”“由于这个社区的组织水平和共同的愿景，以一种非常有效的方式应用数百人的努力是可能的。这确实是一个惊人的结果。”

最终的结果是一个带有现成部件的开源呼吸机，MVM团队希望能在短时间内缩小供需差距。硬件和软件设计将被公开，因此，原则上，世界上任何人都可以制作自己的版本。模块化设计还可以根据零件在世界不同地区的可用性进行调整。此外，MVM专门针对COVID-19患者，提供两种关键模式——完全通气和更温和的呼吸支持——只需按下一个按钮。大多数传统的通风机需要按六个按钮或在不同的工作模式之间切换才能完成同样的工作。Galbiati现在正与Elemaster和其他制造商合作，生产通风设备，并把它们送到最需要的地方。

2015年诺贝尔物理学奖得主、加拿大MVM项目负责人阿瑟·麦克唐纳(Arthur McDonald)曾在上世纪80年代在普林斯顿大学(Princeton)任教。“每个人都在为此努力，因为他们认为这是一种他们可以利用自己的技能来帮助解决全球危机的方式。我们非常感谢我们团队成员的贡献，以及我们得到的所有外部支持。”

“MVM是一种新的范式，它展示了基础研究可以对社会产生的不可思议的影响，这要归功于它产生新知识和技术创新的独特能力;它还强调了国际和多学科合作应对新时代重大挑战的重要性，”加尔比亚蒂说。“我们的机械呼吸机米兰现在是一个现实，我们希望它将有助于挽救许多人的生命。”

普林斯顿大学在MVM上的合作者包括高级研究物理学家Peter Elmer、物理学高级技术人员Bert Harrop和普林斯顿材料科学与技术研究所(PRISM);安德里亚·伊安尼，普林斯顿大学物理系博莱西诺总工程师;大卫·兰格，计算物理学家;李信然，物理学研究生;丹尼尔·马洛，普林斯顿大学埃文斯·克劳福德1911年物理学教授;哈维尔·罗穆阿德斯，物理学博士后研究员;Mojtaba Safabakhsh是普林斯顿等离子体物理实验室工程和技术基础设施制造组的负责人;杰夫·汤普森是电气工程助理教授，也是棱镜项目的联合教员。