醫師和工程師如何合作並快速生產醫用冠狀病毒防護面罩

由於缺乏重要的防護裝備,NewYork-Presbyterian醫院與哥倫比亞大學 (Columbia University) 的工程師聯手設計並製造了自己的面罩,以保護醫療工作者免受冠狀病毒感染。

Dr. Anil Lalwani wearing a face shield designed to protect healthcare workers from coronavirus.

Jeffrey Kysar 在近期的一個週四收到了一封NewYork-Presbyterian醫院發來的緊急電子郵件。

這家醫院需要更多面罩。作為哥倫比亞大學工程和應用科學學院 (School of Engineering and Applied Science) 機械工程系 (Department of Mechanical Engineering) 的系主任,他能否找到一種方法來加速面罩設計和生產的過程,以提供給治療冠狀病毒疑似病人的醫療工作者?

Kysar 教授表示:「我們對竄升至每天 50,000 個的面罩需求感到非常驚訝。」

他打了個電話。工程學院的學生和教職員立刻組織召開虛擬會議,集體研討,合作設計。很快,NewYork-Presbyterian醫院和Columbia University Irving醫學中心的醫師加入了視訊會議,並立即給出了回饋和建議。

Kysar 稱:「他們當時全員出動。我完全被他們的反應震驚了。」

七十二小時後, NewYork-Presbyterian醫院批准了一款面罩樣品,開始用其醫療工作者進行測試。同時,工程學院也開始在其新的創客空間每天大量生產 1000 個面罩,直到製造商的大批面罩到貨。醫務人員的實地測試獲得了成功,NewYork-Presbyterian醫院已擴大規模,進行大量生產,每天交貨 5 萬個面罩。

Anil Lalwani 醫生醫生參與了設計過程,他是NewYork-Presbyterian醫院/ Columbia University Irving醫學中心手術期間服務的醫學主任、哥倫比亞大學瓦格羅斯內外科醫師學院 (Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons) 耳鼻喉科 – 頭頸外科副主席和人工耳蝸計畫副主任,他稱:「是醫學與工程學的合作實現了這一切。工程師是完美主義者。你不會相信他們想要精確到多少毫米,而外科醫師只想趕快完成它。所以精度和速度的結合造就了這一次跨領域的合作及執行。」

 

像餅乾模型一樣

醫療工作者在治療 COVID-19(冠狀病毒引起的疾病)疑似或確診病人時,會在其口罩上疊加戴上塑料護罩。這些護罩保護醫療工作者免受傳播病毒之飛沫(如咳嗽和打噴嚏出來的飛沫)傳染。 NewYork-Presbyterian醫院的焊工式護罩是一次性的,從前額向下覆蓋整個面部。這個設計的成本不到一美元,幾秒鐘內便可完成。

在 NewYork-Presbyterian醫院負責採購和戰略性採購的副總裁 Anand Joshi 博士告訴設計團隊一個關鍵的要求是:「我們必須能夠非常快速地製造出很多這樣的東西。」

這家製造工廠位於康乃迪克州,使用一種叫模切的工藝,Kysar 稱:「這其實和用餅乾模型切出麵團形狀沒什麼區別。」這種工業方法速度快,每天可以生產 5 萬多個面罩。

為加快生產速度,醫療工作者在幾個地方自己折疊塑料平片,把它變成可穿戴的面罩。

Joshi 博士稱,醫療工作者們在現場裝配「非常簡單」。

一週的時間很「了不起」

在Joshi 博士向工程學院求助的那個週四後,團隊在第二天設計出了幾個版本,並將它們做成模型樣品,與 NewYork-Presbyterian醫院分享。那週週六早上,機械工程講師 Yevgeniy Yesilevskiy 乘坐空無一人的地鐵,親自將樣品送到 Yoko Furuya 醫生的家。 Yoko Furuya 醫生是 NewYork-Presbyterian醫院感染預防與控制 (Infection Prevention & Control) 的醫學主任、哥倫比亞大學瓦格羅斯內外科醫師學院傳染病科 (Division of Infectious Diseases) 的內科學副教授。她建議在頂部加一條泡棉,這樣更加安全。雖然面罩通常是兩片,但增加第二片會減慢製造過程;即使是多幾秒鐘也會拖延大量生產。此外,在設計中加入泡沫可能會使開始大量生產的時間推遲長達兩週。團隊重新開始工作,做了一些調整,但還是保持一片式面罩。

週六晚上,Yesilevskiy 借了一輛車,開車把更新後的樣品送到 NewYork-Presbyterian醫院/Weill Cornell 醫學中心 ,David Calfee 醫生站在外面等待交接。Calfee 醫生是 NewYork-Presbyterian 感染預防與控制的醫學主任、哥倫比亞大學瓦格羅斯內外科醫師學院傳染病科的內科學教授,他與當晚戴這款面罩的加護病房醫師分享了這款面罩的情況。那天深夜,Calfee 醫生和 Furuya 醫生批准了這款面罩。

哥倫比亞大學的設計師們幾乎拜訪了紐約市內及周邊的所有塑料批發商,以找到按規格裁剪的塑料薄片,這樣他們就可以在製造商產能提升前自己切割面罩。那週週日晚上,第一批塑料到貨。Yesilevskiy 和兩名合作設計師把貨從卡車上卸下來,拖上樓,然後開始用水刀切割機把薄片摞起來。這臺機器太新了,他們只能邊用邊學。他們徹夜未眠,大量生產面罩。Yesilevskiy 稱:「我的 Fitbit 量步器計算出,那天我走了 23 英里。」

很快,設計團隊向臨床醫師交付了 200 個面罩以供測試,而創客空間開始每天生產 1000 個面罩。在 Yesilevskiy 將樣品親手交給 NewYork-Presbyterian醫院兩名醫師的一週後,製造商交付了 8250 個面罩,這樣醫療工作者們便可以試用工業版面罩了。為了迴應醫療工作者的反饋,設計團隊最近再次做了輕微調整,縮短了面罩的長度。 NewYork-Presbyterian醫院已擴大規模,每天交付 5 萬個面罩。隨着 COVID-19 疫情即將達到頂峯,防護面罩也日趨重要。

哥倫比亞科技風險投資公司 (Columbia Technology Ventures) 執行董事、哥倫比亞大學智慧財產和技術轉移高級副總裁 Orin Herskowitz 表示:「大學創新通常需要幾年甚至十年才能對病人產生影響。在一週的時間內能產生如此積極的影響是真的很了不起。哥倫比亞大學工程團隊設計的這款面罩和其他面罩,目前正在紐約市的其他醫院,以及歐洲、泰國和全球各地使用或生產。」

Lalwani 博士補充道:「這款設計簡單、優雅、功能性強的面罩,有效地保護了我們醫療工作者,使其免受 COVID-19 感染。作為醫學中心大家庭的一員,很高興能看到工程師和醫師在混亂和不確定的時局下合作,一起保護一線醫療工作者。」