Biomedicínská laboratoř v krabici pomáhá inženýrům v zemích s nízkými a středními příjmy

Ve světě, a zejména v zemích s nízkými a středními příjmy (LMIC), značná část populace postrádá přístup k základním zdravotnickým službám. Ačkoli existuje mnoho faktorů přispívajících k omezenému přístupu, v mnoha LMIC hraje významnou roli selhávající nebo zastaralé vybavení.

„Ti z nás, kteří zkoumali zdravotnické systémy v LMIC, znají takzvané ‚hřbitovy vybavení‘,“ říká Nevan Hanumara SM '06, PhD '12, vědecký pracovník na MIT v oddělení strojírenství, popisující hromady rozbitého, importovaného vybavení, často s nálepkami označujícími jejich původ od dárců.

„Při zkoumání hlavních příčin selhání a vyřazení lékařského vybavení z provozu v LMIC zjišťujeme, že místní biomedicínští inženýři skutečně nemohou provádět údržbu kvůli řadě problémů,“ říká.

Mezi tyto problémy patří: konstrukční nedostatky – systémy navržené pro mírné, klimatizované nemocnice a stabilizovanou energii si nevedou dobře v oblastech s nestabilním přívodem energie, prachem, vysokými teplotami a vlhkostí a nepřetržitým používáním; nedostatečný dodavatelský řetězec – díly objednané v USA dorazí za několik dní, zatímco díly objednané do východní Afriky mohou trvat měsíce; a omezený přístup k odborníkům – mimo hlavní metropolitní oblasti je biomedicínských inženýrů nedostatek.

Hanumara, Leroy Sibanda SM '24, nedávný absolvent s dvojitým diplomem v managementu a elektrotechnice a informatike (EECS), a Anthony Pennes '16, technický instruktor v EECS, začali přemýšlet, co by se dalo změnit, kdyby se místní biomedicínští inženýři skutečně podíleli na návrhu zařízení, která mají na starosti udržovat.

Pennes, který vede kurz 2.75/6.4861 (Návrh lékařských přístrojů), mezi jinými kurzy, vyvinul před několika lety praktické cvičení z biosenzorů a mechatroniky jako součást výuky. Hanumara se začal zajímat o rozšíření tohoto kurikula tak, aby mělo větší dopad.

Tři jako tým a s podporou MIT International Science and Technology Initiatives (MISTI), MIT Jameel World Education Lab a Priscilla King Gray Public Service Center vytvořili praktický kurz, cvičení a osnovy podporované tím, co nyní nazývají sadou „Biomedicínská laboratoř v krabici“.

Sibanda, pocházející z Bulawaya v Zimbabwe, přináší do projektu další životní zkušenosti. Říká, že přátelé po celém kontinentu hovoří o skvělém praktickém základním a středním vzdělání a terciárním vzdělávání, které klade velký důraz na teorii. Důsledkem je podle něj množství absolventů, kteří jsou absolutně skvělí v teorii, ale méně zkušení v pokročilých praktických konceptech.

„Každý, kdo kdy musel budovat systémy, které musí obstát v reálných podmínkách, rozumí propastné rozdílu mezi tím, jak vypočítat teoreticky perfektní ‚x‘ a být schopen implementovat reálné řešení s dostupnými materiály,“ říká Sibanda.

Hanumara a Sibanda cestovali na konci roku 2024 do Nairobi v Keni a Mbarary v Ugandě, aby otestovali svou sadu a teorii, vyučovali třídenní mini-kurzy biomedicínských inovací na univerzitě Kenyatta a na Mbararské univerzitě vědy a techniky (MUST), přičemž Pennes poskytoval vzdálenou podporu z kampusu MIT.

S osnovami založenými na kurzu 2.75 byly laboratoře navrženy tak, aby propojily teorii s praxí, zvyšovaly se v komplexnosti a konfrontovaly studenty s reálnými problémy biomedicínského hardwaru a senzorů, jako jsou slabé signály, okolní šum, artefakty pohybu, ladění a přesná montáž.

Pennes říká, že cílem mini-kurzů bylo přizpůsobit projekt reálným zkušenostem studentů biomedicínského inženýrství v regionu. „Jedním z problémů, s nimiž se v tomto regionu setkávají, není jen nedostatek vybavení, ale i nemožnost jej udržovat,“ říká. „Nějaká organizace přijde a věnuje tisíce dolarů na chirurgické osvětlení; pak se spálí napájecí zdroj a organizace se už nikdy nevrátí, aby to opravila.“

Ale to je jen začátek problému, dodává. Inženýři často zjišťují, že design není otevřený a neexistuje žádná příručka, takže je nemožné najít schéma zapojení uvnitř darovaného, proprietárního systému. „Musíte prozkoumat rozebrané součástky, abyste zjistili, zda dokážete rozpoznat původní cíle výrobce při zapojení, a vymyslet opravu,“ říká Pennes.

V jednom příkladu si vzpomíná, že viděl darovanou obrazovku pro prohlížení rentgenových snímků – skříňku s podsvícením, používanou k podsvícení filmu, aby technici mohli snímek přečíst – se spálenou žárovkou. „Obrazovka je osvětlena patentovanou žárovkou, takže když se spálila, nemohli ji vyměnit,“ vzpomíná.

Místní biomedicínští inženýři si nakonec uvědomili, že mohou vzít několik běžných fluorescenčních žárovek a umístit je do krabice. „Potom jakoby z improvizovaných součástek zapojili dráty, aby vše fungovalo. Zdravotnickou technologii si upravíte, jak jen dokážete.“

Právě tento praktický, vynalézavý přístup k řešení problémů se tým snaží propagovat – a je to přístup, který je na MIT velmi dobře známý. „Nejsme jen lidé s nápady, kteří napíšou článek a je hotovo – chceme vidět, jak se to aplikuje,“ říká Hanumara. „Proto z MIT vychází tolik startupů.“

Moduly kurzu prezentované na univerzitách Kenyatta a MUST zahrnovaly „Zapojení optického LED – fotodetektorového impulzního detektoru“, „Pájení DPS a testování 3-vodičového EKG“ a „Montáž a programování injekční pumpy“. Každý modul je navržen tak, aby byl samostatným učením a sada je doprovázena USB flash diskem s 96stránkovou laboratorní příručkou napsanou Sibandou a veškerým potřebným softwarem, což je důležité, když je přístup k internetu nespolehlivý. Třetí cvičení týkající se injekční pumpy je k dispozici prostřednictvím otevřeného přístupu z časopisu Biomedical Engineering Education.

„Naším posláním bylo ukázat nadšeným mladým biomedicínským inženýrům praktickou kulturu ‚mens-et-manus‘ (‚mysl a ruka‘), která je základem MIT, a povzbudit je k rozvoji jejich talentu a ambicí jako inženýrů a inovátorů,“ říká Hanumara. „Chtěli jsme jim pomoci, aby se mohli podílet na vývoji vysoce kvalitních, na kontext přizpůsobených technologií, které zlepšují poskytování zdravotní péče v jejich vlastním regionu.“

Příspěvek na LinkedIn napsaný Hanumarou sdílel zamyšlení studentů nad jejich zkušenostmi s materiálem. „Každá laboratoř – od pulsoximetrie a EKG po prototypování injekční pumpy – oživila koncepty z učebny a ukázala mi reálné aplikace toho, co studujeme,“ napsala Muthoni Muriithi, studentka univerzity Kenyatta. „Používání breadboardů, kódování mikrokontrolérů, pájení součástek a analýza biologických dat v reálném čase mi pomohly pochopit, kolik pečlivého návrhu a přesnosti je potřeba k vytvoření spolehlivých zdravotnických nástrojů.“

Zpětná vazba poskytnutá studenty z obou institucí již pomáhá informovat aktualizace materiálů a budoucí pilotní programy.

Sibanda říká, že další klíčovou věcí, kterou tým sleduje, je to, co se děje po skončení sezení, poté, co instruktoři odejdou. „Nejde jen o nabídku zdroje,“ říká. „Je důležité pochopit, co studenti považují za nejdůležitější, zejména sami.“

Hanumara souhlasí. „[Pennes] navrhl základní desku, kterou používáme, aby byla multifunkční. Nedotkli jsme se žádné z funkcí, které do ní zabudoval – chceme vidět, co s nimi studenti udělají. Také chceme vidět, co dokážou s mentálním rámcem,“ říká a dodává, že tento přístup je důležitý pro to, aby se studenti mohli zabývat zkoumáním, vynalézáním a nakonec rozšiřováním svých vlastních nápadů.

Projekt dále řeší další problém, který tým zjistil na začátku: problémy s dodavatelským řetězcem. V souladu s posláním budování místních kapacit byla celá sada sestavena v Nairobi společností Gearbox Europlacer, která provozuje jedinou automatizovanou linku na výrobu desek plošných spojů ve východní Africe a má licenci na výrobu mikrokontrolérů Raspberry Pi. „Studentům jsme nic neřekli,“ říká Hanumara, „ale nechali jsme na nich, aby si všimli, že jejich desky plošných spojů a mikrokontroléry nesly nápis ‚Vyrobeno v Keni‘.“

„Trvání na místní výrobě nás chrání před pastí, kterou vytváří tolik vybavení darovaného do východní Afriky – máte jednu z těchto položek a pokud se některá její část rozbije, nikdy ji nemůžete vyměnit,“ říká Pennes. „Mít místně pořízené položky znamená, že pokud potřebujete další součástku nebo si vymyslíte zajímavý vedlejší projekt, máte nákupní seznam a můžete si pořídit vše, co potřebujete.“

„Na základě našeho experimentu s ‚Biomedicínskou laboratoří v krabici‘,“ říká Hanumara, „chceme spolupracovat s našimi kolegy ve východní Africe, abychom dále zkoumali, co lze navrhnout a vyrobit s nadšeným mladým talentem a schopnostmi v regionu.“

Hanumarův příspěvek na LinkedIn také poděkoval spolupracujícím profesorům June Madete a Dean Johnes Obungoloch, z univerzity Kenyatta a MUST, a Latiff Cherono, výkonnému řediteli Gearboxu. Tým doufá, že nakonec celý kurz zveřejní v otevřeném zdrojovém formátu.