Когда дело доходит до медицинских процедур, лошади подобны маленьким детям, говорит Мелисса Мазан, V93, профессор медицины крупных животных в Школе ветеринарной медицины Каммингса. Лошади не обязательно будут выполнять просьбы оставаться на месте или задерживать дыхание, что делает невероятно трудной проверку функции их легких, что необходимо для успеха спортсменов-лошадей.

«Лошадиная астма является важной причиной плохой работы высокопроизводительных лошадей, уступая только хромоте, и проблемой качества жизни для пожилых лошадей с хроническими заболеваниями, которые могут стать практически инвалидами. Лошади с прогрессирующим заболеванием не являются тяжелыми». диагностировать на ферме, но у молодых спортивных лошадей его практически невозможно обнаружить», — говорит Мазан.

Часто это бесшумное состояние, за исключением более медленного бега, поскольку эти лошади в очень хорошей форме. Но, добавляет она, они выигрывают или проигрывают скачки с разницей в сотые доли секунды, поэтому «достаточно небольшого повреждения дыхательной системы, чтобы вывести лошадь с первого места в конец стаи».

Больница для крупных животных — один из немногих центров в Соединенных Штатах, который проводит тестирование функции легких в клинических случаях у лошадей, но клиентам приходится ехать в Графтон, потому что системы тестирования сложны. Это создает проблему, которая мучила Мазан на протяжении десятилетий: как больница может диагностировать функцию легких у лошадей, которых они не могут привести в клинику?

«Нам нужно выяснить, оказывают ли дыхательные пути лошади большее сопротивление потоку воздуха, чем обычно», — говорит Мазан. «Если сопротивление высокое, то работа дыхания должна увеличиться, а это работа, которую лошадь не может вложить в галоп или прыжки».

В медицине функцию легких можно измерить с помощью портативных тестов, известных как пикфлоуметры, которые измеряют, сколько воздуха входит и выходит из легких. Они требуют, чтобы испытуемый сделал большой вдох и выдох, пока его легкие не опустеют. Но у детей проверка функции легких часто проводится с использованием метода, не требующего соблюдения таких инструкций.

Это называется системой прерывания, и идея состоит в том, что ребенок носит маску или мундштук с датчиком для измерения входящего и выходящего воздуха, и, поскольку он дышит регулярно, очень быстрый затвор прерывает дыхание на долю секунды. Это так быстро, что дети даже не замечают.

«Идея состоит в том, что если вы перестанете дышать на очень короткое время, давление в ваших легких уравновесится с давлением внутри этой маски», — говорит Мазан. «Чтобы получить сопротивление, вы должны иметь возможность измерять поток воздуха и давление. Метод прерывания позволяет вам делать и то, и другое».

Она почувствовала, что что-то подобное может работать и с лошадьми, и у нее начала формироваться идея портативного устройства для проверки функции легких лошадей.

Изобретение ветеринарного инструмента

В 2018 году Мазан поделилась своей идеей с Кристен Венделл, адъюнкт-профессором машиностроения в Инженерной школе, которая искала проекты, которые ее студенты четвертого курса могли бы выполнить для своего задания по проектированию. Она пытается найти клиентов, у которых есть потребности в механическом дизайне, но не обязательно ресурсы, знания или время, чтобы сделать это самостоятельно, а ее ученики работают над проектом как своего рода услуга для клиентов.

«Когда доктор Мазан рассказала мне о своей идее, я был так взволнован тем, что она согласуется с задачами, которые я хотел, чтобы мои студенты решили», — вспоминает Венделл. «Это была очень многогранная проблема проектирования с точки зрения необходимых концепций машиностроения, таких как поток жидкости, конструкция машины, вес и геометрия, электронные датчики и компьютерное программирование».

Студенты Венделла имели возможность выбирать между несколькими возможными проектами, но привлекательность сложности задачи и работы с живыми лошадьми была очень велика. Несколько студентов приняли вызов Мазана, в том числе Томас Кунс, Кристофер Симотас и Брайан Бэрроуз, все E19. Первоначальной целью было не создание всего устройства; скорее сначала разработать детали, которые удовлетворяли потребности, изложенные Мазаном.

Команда разделилась на две небольшие группы: одна занималась измерением расхода воздуха, а другая — давлением. Кунс и Симотас были в команде воздушного потока и столкнулись с двумя основными препятствиями. Во-первых, датчики объемного расхода могут быть очень дорогими. Вторая проблема заключалась в том, что измерение объемного расхода воздуха или того, сколько воздуха проходит, с помощью менее дорогих датчиков скорости воздуха очень сложно. Бэрроуз был в группе давления, где основное внимание уделялось тому, чтобы система затвора, которая вызывала остановку дыхания, работала плавно и позволяла точно считывать перепад давления.

«Нашей задачей было создать систему, которая могла бы прерывать дыхание всего на 300 миллисекунд», — объясняет Бэрроуз, который сейчас работает в iRobot. «Заставить большой клапан двигаться с такой скоростью было достаточно сложно, но нам также нужно было, чтобы он был тихим, чтобы не спугнуть лошадь».

Хотя команда, как сообщается, немного поработала над этими проблемами, они в конечном итоге нашли творческие решения в самых неожиданных местах. Например, команда искала большой пневматический клапан, и несколько инженерных компаний сказали Мазан, что того, что ей нужно, не существует. Однако в итоге она нашла ключевые детали у продавца транспортных средств для отдыха, который использует большие пневматические клапаны в туалетных системах для жилых автофургонов, и в магазине товаров для Хэллоуина, поскольку в украшениях на Хэллоуин часто используется пневматика для достижения своих жутких эффектов.

«Что затрудняет работу по проектированию, так это то, что вы не решаете проблему с четким ответом. Вам нужно понять, чего пытается достичь клиент и какие, с инженерной точки зрения, наиболее важные проблемы, которые необходимо решить для достижения этой цели», — говорит Кунс.

Группа регулярно представляла свой прототип Венделлу и Мазану в течение семестра для демонстраций и циклов обратной связи, и Венделл говорит, что все они получили пятерку за свой завершающий проект.

«В конце семестра профессор Венделл создала на доске матрицу, в которой каждый классный проект был указан напротив различных инженерных дисциплин, таких как материалы, программирование и теплопередача. интерфейс с. К нашему удивлению, наши поразили каждую из них», — говорит Симотас, который сейчас работает в Raytheon Technologies. «Мы очень гордились тем, как много мы смогли сделать, и были впечатлены всеми инструментами, которые мы приобрели в нашем наборе инструментов за четыре года. Это был отличный и вдохновляющий опыт обучения».

Хотя они справились с поставленной Мазаном задачей, устройство было далеко не завершенным. Кунс, Симотас и Бэрроуз выпустились весной 2019 года, и Мазан был впечатлен тем, насколько далеко они продвинулись в разработке дизайна. Она спросила, хотят ли они продолжить совместную работу над устройством, и все они ответили «да», потому что им нравились заразительная энергия и страсть Мазана во время работы над этим «веселым побочным проектом».

В оставшуюся часть года они построили большую часть устройства и посетили кампус Графтона, чтобы встретиться с Мазаном и протестировать прототип на пациентах-лошадях. Лошади дышат только через нос, но прозрачная пластиковая маска надевается на их нос и рот, чтобы маска оставалась на месте. «Лошади привыкли носить такие вещи, как удила или недоуздки, и они очень хорошо это переносят», — говорит Мазан. «В передней части маски есть отверстие, в котором расположены расходомер и клапан. Лошади просто нормально дышат через него, клапан закрывается, а датчик давления с каждой стороны маски измеряет разницу между давлением внутри и снаружи. маска.»

Прежде чем команда протестировала устройство на лошади, Мазан использовала себя в качестве подопытного кролика. Она надела маску и дала мужу кнопку, закрывающую клапан, чтобы прервать дыхание, так что она не могла предвидеть, когда это произойдет. По ее словам, прерывание было настолько быстрым, что она никогда не замечала никаких препятствий. И после тестирования устройства на живых лошадях , у которых легкие намного больше и дыхание медленнее, чем у людей, команда обнаружила, что они вообще не заметили прерывания.

В начале 2020 года Мазан и выпускники инженерных специальностей встретились с поверенными в области интеллектуальной собственности, чтобы узнать, смогут ли они запатентовать свою систему. Когда разразилась пандемия COVID-19, сотрудничество на некоторое время прекратилось. Мазан сама возилась с системой из дома, отвечая на предложения юристов укрепить устройство и сделать его более патентоспособным.

Для инженеров, которые работали с Mazan, возможность того, что их имя могло быть в патенте на медицинское устройство на столь раннем этапе их инженерной карьеры, поразительна. «Я работаю на факультете Тафтса уже шесть лет, и за это время это единственная патентная заявка, которую я видел, вышедшую из краеугольного камня машиностроения», — говорит Венделл. «Были некоторые до моего приезда, но это происходит очень редко».

Где сейчас все обстоит

Совсем недавно, с помощью масок для лица, вакцин и экспресс-тестов, групповая работа возобновилась, хотя команда стала немного меньше, поскольку Кунс сейчас работает над докторской диссертацией. в области машиностроения в Мичиганском университете. Mazan активно проводит клинические испытания. На данный момент результаты невероятно многообещающие.

«Когда мы сравниваем его с нашим золотым стандартом, который называется пневматическим методом пищеводного баллона, точность очень высока. Мы получаем одинаковые измерения сопротивления с помощью обоих методов», — говорит Мазан. «Вы можете спросить: «Если это золотой стандарт, почему бы вам не делать это постоянно?» Потому что это гигантская боль в шее. Вы должны буквально протолкнуть воздушный шар им в нос, и они должны проглотить его в пищевод. Лошади, которые не привыкли к этому процессу, будут возражать».

Мазан намерен вернуться с командой юристов, чтобы оформить патент на устройство и, надеюсь, найти компанию, которая хотела бы его продать. «Я всегда говорю инженерам, что никто не разбогатеет на этом», — смеется она. «Это просто весело, и я надеюсь, что это будет полезно».