大流行期间输送救生氧气

在去年春天意大利Covid-19疫情爆发的高峰期，医生和卫生保健专业人员面临着痛苦的决定。医院里的呼吸机已经用完了，这迫使医生们选择哪些病人有最好的生存机会，哪些没有。

“那是意大利非常艰难的时期，”来自意大利的机械工程研究生丹尼尔•维沃纳(Daniele Vivona)回忆道。三月初，Vivona和麻省理工学院电化学能源实验室(EEL)的一组研究人员开始设计一个计划，开发一种氧气浓缩器，或许有一天可以帮助医院，比如意大利的医院，为急需氧气的病人输送氧气。

“传统上，我们的实验室用电子打破分子，产生能量载体，”机械工程教授、EEL项目主任杨少宏解释说。“我们想弄清楚如何利用我们在电化学方面的专业知识，用它来制造一种设备，制造一种氧气浓缩器，然后输送给病人。”

Shao-Horn的团队是开发技术帮助世界各地医院为Covid-19和其他呼吸道疾病患者提供救命氧气的几个团队之一。

一种低成本的便携式氧气浓缩器

作为起点，邵霍恩和她在EEL的团队接触了波士顿地区以及意大利和韩国的医生，以更好地了解他们的需求。除了提供可在野战医院或发展中国家等基础设施有限的地方采用的解决方案外，他们还着手制造一种低成本的便携式氧气浓缩器，以改善Covid-19患者过多的医院的临床管理。

产生的装置类似于一个典型的电化学电池。水和空气通过一个阴极电池，产生负电子。水通过催化H2O2膜，在被阳极带正电之前，帮助从空气中分离氧气。通过氧气压缩机后，纯氧流入氧气罐，在那里它可以很容易地输送和用于治疗病人。

博士后C. John Eom一直致力于改善器件的阴极和阳极，而博士后朱云光则专注于H2O2膜的化学研究。

随着该团队继续研究集中器，他们正在研究它可以帮助医生拯救生命的各种方法，包括将病人从重症监护病房(ICU)运送到手术室。

Eom说:“我们希望有一个足够便携的设备，病人可以在家里使用，我们为医生提供了更多的选择，以解决各种需要向病人输送氧气的情况。”

开源通风设计

麻省理工学院领导的另一个项目“麻省理工学院紧急呼吸机小组”(MIT Emergency Ventilator Team)的动力来自于意大利医院的呼吸机耗尽的故事。“大约在意大利的新闻报道描述呼吸机由于短缺而定量配给时，这个项目开始了，当时可用的数据显示，大约10%的Covid – 19患者需要重症监护室，”2008年毕业生亚历山大·斯洛克姆(Alexander Slocum Jr.)说。

斯洛克姆jr .)曾与他的父亲老亚历山大·斯洛克姆教授Walter m .可能和a .淡褐色的机械工程,以及研究科学家妮娃Hanumara SM 06,博士12,和他们一起开发了一种计划发布一个开源设计公司全球可以用来制造低成本的通风供紧急使用。

“我们意识到，作为研究人员，我们最好的角色是支持那些比我们更有能力执行和生产呼吸机的人，”Hanumara回忆说。“因此，我们集中精力开发安全低成本通风的基本要求，并以此为基础，进行参考硬件和软件设计。”

这个团队后来扩大到包括麻省理工学院的研究生和校友，其中包括麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室丹妮拉·罗斯(Daniela Rus)教授小组的三人。他们使用了2010年机械工程2.75(医疗设备设计)课程中开发的一种设计作为起点。曾在美国陆军服役的西点军校毕业生金伯利·荣格(Kimberly Jung)担任了团队的“执行官员”，将整个团队团结在一起。

通过从临床社区收集的见解，他们开发了多个原型迭代，编写代码，并进行了动物研究。随着工作的进展，它被发布到一个开源网站上。在几个月内，超过24,000人注册进入该网站。

哈努马拉说:“自3月以来，国际社会对我们的工作作出了巨大而谦卑的反应。该团队重新聚焦于帮助世界各地的团体改进设计和部署呼吸机。从阿富汗的一个全是女孩的机器人小组到纽约、爱尔兰、印度、智利和摩洛哥的小组，哈努马拉和麻省理工学院的紧急呼吸机小组一直在帮助其他人开发适合本国需求的解决方案。

分离呼吸机治疗多个病人

卡尔·范·塔塞尔(Karl Van Tassel, 1925年)机械工程职业发展教授乔瓦尼·特拉韦索(Giovanni Traverso)与来自布里格姆妇女医院(Brigham and Women’s Hospital)、马萨诸塞州总医院(Massachusetts General Hospital)和飞利浦(Philips)的合作者一起，采用了一种不同的方法来解决呼吸机短缺的问题。由20岁的博士后Shriya Srinivasan领导的这项研究，开发了一种分离呼吸机的方法，这样它就可以同时治疗两个，甚至更多的病人，而不是一个人。他们的方法只是在没有足够的呼吸机来满足需要时的最后手段。

Traverso说:“我们认为这是一个机会，我们可能能够帮助因Covid-19而面临呼吸机短缺的医院。”“当其他团队在开发新的呼吸机时，我们的方法是解决人们不能制造自己的呼吸机或增加所有呼吸机的容量的情况。我们想帮助他们了解如何进一步扩大他们目前的能力。”

把呼吸机分开给两个病人使用会带来一系列后勤问题，包括匹配流速，给两个可能有不同需求的病人输送相同量的氧气。斯里尼瓦桑说:“以前的设计不能为每个患者提供定制治疗的能力，因为他们总是会有不同的需求。”“我们的方法密切关注这方面，并为每个患者定制体积和压力。”

Traverso补充说:“我们知道分离呼吸机是一个主要的挑战，所以我们的目标是了解挑战是什么，并解决它们，使使用一台呼吸机治疗多个患者成为可行的。

为了应对这些挑战，Srinivasan和Traverso在分流式呼吸机上增加了两个流量阀。医疗保健专业人员可以使用这些瓣膜为每个病人定制氧气流量。该团队还增加了新的安全措施，包括压力释放阀和警报，以确保患者在病情变化时不会接受过多或过少的氧气。

该研究小组成功地测试了他们的新方法，在人工肺的帮助下，并通过同时给两头猪通气。与麻省理工学院紧急呼吸机小组一样，该小组正与国际团体合作，将分流式呼吸机技术推广到需要额外基础设施治疗Covid-19等呼吸道疾病患者的国家。他们的研究发表在《科学转化医学》(Science Translational Medicine)杂志上，该团队启动了一个非营利项目Prana，以帮助支持这项研究的传播。

斯里尼瓦桑说:“我们还与印度、孟加拉国和委内瑞拉的大型医疗系统和初创企业合作，将该系统推广到那些呼吸机短缺、买不起紧急呼吸机的农村城镇。”

尽管方法不同，这三个研究小组有一个共同的中心目标:为那些依赖氧气生存的人提供氧气。无论是通过电化学反应、开放源呼吸机设计，还是分离呼吸机，这项研究都可以帮助医院应对Covid-19病例的进一步激增，并在未来发生大流行时制定解决方案。