Новый портативный прибор для оценки функции лёгких у лошадей
Измерение функции лёгких у лошадей — сложная задача, так как они, подобно маленьким детям, не могут выполнять команды «задержать дыхание» или «не двигаться». Это затрудняет диагностику астмы лошадей — состояния, которое является второй по значимости причиной снижения работоспособности у спортивных лошадей после хромоты.
«Эти лошади очень выносливы, и состояние часто протекает бессимптомно, кроме более медленного времени забега. Но они выигрывают или проигрывают гонки на сотые доли секунды, поэтому достаточно небольшого повреждения дыхательной системы, чтобы отбросить лошадь с первого места в конец пелотона», — говорит Мелисса Мазан, профессор медицины крупных животных.
Существующие системы тестирования громоздки, и клиентам приходится везти лошадей в клинику. Задача заключалась в создании портативного устройства для диагностики на месте.
Принцип работы: метод прерывания
Вдохновением послужил метод, используемый в педиатрии — система прерывания (interrupt system). Ребёнок дышит через маску с датчиком, и очень быстрый затвор на доли секунды перекрывает дыхание. За это короткое время давление в лёгких выравнивается с давлением в маске.
«Чтобы получить сопротивление дыхательных путей, нужно измерить поток воздуха и давление. Метод прерывания позволяет сделать и то, и другое», — объясняет Мазан.
Разработка устройства
В 2018 году Мазан предложила идею Кристен Венделл, доценту машиностроения, в качестве дипломного проекта для студентов. Задача была комплексной и включала:
- Измерение объёмного расхода воздуха
- Создание быстродействующей и бесшумной затворной системы
- Программирование и электронные датчики
Студенты Томас Кунс, Кристофер Симотас и Брайан Бэрроуз (выпуск 2019 года) разделились на две группы: одна работала над измерением потока, другая — над давлением и затвором.
Ключевые инженерные challenges:
- Высокая стоимость датчиков объёмного расхода.
- Создание большого пневматического клапана, срабатывающего за 300 миллисекунд и при этом бесшумного, чтобы не испугать лошадь.
Неожиданные решения: необходимые компоненты были найдены в нестандартных местах: большой пневматический клапан — у поставщика товаров для автодомов (RV) (используется в туалетных системах), а другие пневматические части — в магазине товаров для Хэллоуина.
После успешной защиты дипломного проекта выпускники продолжили сотрудничество с Мазан. Они дорабатывали прототип и тестировали его на лошадях в кампусе в Графтоне.
Тестирование: Лошадь дышит через прозрачную пластиковую маску, на передней части которой расположены расходомер и клапан. Датчики давления по обе стороны маски измеряют разницу давлений при кратковременном закрытии клапана. Лошади переносят процедуру хорошо и, по наблюдениям, не замечают прерывания.
Текущий статус и результаты
После паузы, вызванной пандемией COVID-19, работа возобновилась. Мазан активно проводит клинические испытания.
Результаты: Данные, полученные с помощью нового устройства, сравнимы с «золотым стандартом» — эзофагеальным баллонным пневматическим методом. «Совпадение измерений сопротивления очень высокое», — говорит Мазан. Однако новый метод несравнимо проще, так как не требует введения баллона в пищевод лошади.
Следующие шаги — завершение процесса патентования и поиск компании для коммерциализации устройства. Для инженеров-выпускников возможность стать соавторами патента на медицинское устройство в начале карьеры — уникальный опыт.