Wenn es um medizinische Verfahren geht, sind Pferde wie kleine Kinder, sagt Melissa Mazan, V93, Professorin für Großtiermedizin an der Cummings School of Veterinary Medicine. Pferde werden Aufforderungen, ruhig zu bleiben oder die Luft anzuhalten, nicht unbedingt nachkommen – was es unglaublich schwierig macht, ihre Lungenfunktion zu testen, was für den Erfolg von Pferdesportlern unerlässlich ist.
„Asthma bei Pferden ist eine wichtige Ursache für Leistungsschwäche bei Hochleistungspferden, gleich nach Lahmheit, und ein Problem für die Lebensqualität älterer Pferde mit chronischen Erkrankungen, die im Wesentlichen zu Atemkrüppeln werden können. Pferde mit fortgeschrittener Erkrankung sind nicht schwer auf dem Hof zu diagnostizieren, aber bei jungen sportlichen Pferden kann es fast unmöglich sein, es zu entdecken“, sagt Mazan.
Es ist oft ein stiller Zustand, abgesehen von einer langsameren Laufzeit, da diese Pferde sehr fit sind. Aber, fügt sie hinzu, sie gewinnen oder verlieren Rennen mit Hundertstelsekunden, also braucht es „nur eine kleine Beleidigung für die Atemwege, um ein Pferd vom ersten Platz ans Ende des Rudels zu bringen“.
Das Hospital for Large Animals ist eines der wenigen Zentren in den Vereinigten Staaten, das Lungenfunktionstests an klinischen Fällen von Pferden durchführt, aber Kunden müssen nach Grafton reisen, weil die Testsysteme aufwendig sind. Dies wirft ein Problem auf, das Mazan seit Jahrzehnten plagt: Wie kann das Krankenhaus die Lungenfunktion bei Pferden diagnostizieren, die es nicht in die Klinik bringen kann?
„Was wir suchen, ist, ob die Atemwege des Pferdes dem Luftstrom mehr Widerstand als normal entgegensetzen“, sagt Mazan. „Wenn der Widerstand hoch ist, muss die Atemarbeit zunehmen, die ein Pferd beim Galoppieren oder Springen nicht leisten kann.“
In der Humanmedizin kann die Lungenfunktion mit tragbaren Tests gemessen werden, die als Peak-Flow-Meter bekannt sind und messen, wie viel Luft in die Lunge ein- und austritt. Sie erfordern, dass die zu testende Person tief ein- und kräftig ausatmet, bis ihre Lungen leer sind. Aber bei Kindern werden Lungenfunktionstests oft mit einer Methode durchgeführt, die nicht verlangt, dass sie solche Anweisungen befolgen.
Es wird Unterbrechungssystem genannt, und die Idee ist, dass das Kind eine Maske oder ein Mundstück mit einem Sensor trägt, um die ein- und ausströmende Luft zu messen, und während es regelmäßig atmet, unterbricht ein sehr schneller Verschluss die Atmung für den Bruchteil einer Sekunde. Es ist so schnell, dass Kinder es nicht einmal bemerken.
„Die Idee ist, dass, wenn Sie die Atmung für eine sehr kurze Zeit unterbrechen, der Druck in Ihrer Lunge mit dem Druck in dieser Maske ausgleicht“, sagt Mazan. „Um Widerstand zu bekommen, muss man in der Lage sein, Luftstrom und Druck zu messen. Mit der Interrupt-Methode ist beides möglich.“
Sie hatte das Gefühl, dass etwas Ähnliches auch bei Pferden funktionieren könnte, und so entstand die Idee für ein tragbares Gerät zum Testen der Lungenfunktion von Pferden.
Ein Veterinärwerkzeug erfinden
Im Jahr 2018 brachte Mazan ihre Idee zu Kristen Wendell, außerordentliche Professorin für Maschinenbau an der School of Engineering, die nach Projekten suchte, die ihre Studenten im vierten Jahr für ihre Schlussstein-Designaufgabe abschließen könnten. Sie versucht, Kunden zu finden, die mechanische Konstruktionsanforderungen haben, aber nicht unbedingt die Ressourcen, das Wissen oder die Zeit, um sie selbst auszuführen, und ihre Studenten arbeiten an dem Projekt als eine Art Dienstleistung für die Kunden.
„Als Dr. Mazan mir von ihrer Idee erzählte, war ich so begeistert von der Ausrichtung auf die Art von Problemen, die meine Studenten angehen sollten“, erinnert sich Wendell. „Es war ein sehr facettenreiches Designproblem in Bezug auf die erforderlichen mechanischen Konstruktionskonzepte wie Fluidströmung, Maschinendesign, Gewicht und Geometrie, elektronische Sensoren und Computerprogrammierung.“
Wendells Studenten hatten die Möglichkeit, zwischen einer Handvoll möglicher Projekte zu wählen, aber der Reiz der Komplexität des Problems und der Arbeit mit lebenden Pferden war sehr stark. Mehrere Studenten nahmen Mazans Herausforderung an, darunter Thomas Coons, Christopher Simotas und Brian Barrows, alle E19. Das ursprüngliche Ziel war nicht, das gesamte Gerät zu erstellen; sondern zunächst Teile zu entwickeln, die die von Mazan skizzierten Anforderungen erfüllten.
Das Team teilte sich in zwei kleinere Gruppen auf – eine konzentrierte sich auf die Messung des Luftstroms und die andere auf den Druck. Coons und Simotas waren im Air-Flow-Team, und sie stießen auf zwei Haupthindernisse. Der erste war, dass Volumenstromsensoren sehr kostspielig sein können. Das zweite Problem war, dass die Messung des volumetrischen Luftstroms oder der Menge der vorbeiströmenden Luft mit weniger teuren Luftgeschwindigkeitssensoren sehr schwierig ist. Barrows gehörte zum Druckteam, wo das Hauptaugenmerk darauf lag, dass das Verschlusssystem, das die Atemunterbrechung verursachte, reibungslos funktionierte und eine genaue Druckdifferenzmessung ermöglichte.
„Unsere Aufgabe war es, ein System zu entwickeln, das die Atmung nur für 300 Millisekunden unterbrechen kann“, erklärt Barrows, der jetzt für iRobot arbeitet. „Ein großes Ventil dazu zu bringen, sich so schnell zu bewegen, war herausfordernd genug, aber wir mussten es auch leise machen, um das Pferd nicht zu erschrecken.“
Obwohl das Team bei diesen Problemen Berichten zufolge ziemlich viel an den Rädern gedreht hat, fanden sie am Ende kreative Lösungen an überraschenden Stellen. Beispielsweise suchte das Team nach einem großen Pneumatikventil, und mehrere Ingenieurbüros teilten Mazan mit, dass das, was sie wollte, nicht existierte. Schlüsselteile fand sie jedoch bei einem Freizeitfahrzeug-Händler, der große pneumatische Ventile in Wohnmobil-Toilettensystemen verwendet, und in einem Geschäft für Halloween-Zubehör, da Halloween-Dekorationen oft Pneumatik verwenden, um ihre gruseligen Effekte zu erzielen.
„Was die Konstruktionsarbeit schwierig macht, ist, dass Sie ein Problem nicht mit einer klaren Antwort lösen. Sie müssen verstehen, was der Kunde zu erreichen versucht und was aus technischer Sicht die wichtigsten Probleme sind, die gelöst werden müssen, um dies zu erreichen. “, sagt Coons.
Die Gruppe präsentierte Wendell und Mazan regelmäßig während des Semesters ihren Prototypen für Demonstrationen und Feedback-Zyklen, und Wendell sagt, dass sie alle eine Eins für ihr Schlusssteinprojekt verdient haben.
„Am Ende des Semesters erstellte Professor Wendell eine Matrix an der Tafel, in der jedes Klassenprojekt gegenüber verschiedenen Ingenieurdisziplinen wie Materialien, Programmierung und Wärmeübertragung aufgelistet war. Dann bat sie unsere Klasse, darüber nachzudenken, welche der Disziplinen unsere Projekte durchgeführt haben Schnittstelle mit. Zu unserer Überraschung hat unsere jeden einzelnen von ihnen getroffen“, sagt Simotas, der jetzt für Raytheon Technologies arbeitet. „Wir waren sehr stolz darauf, wie viel wir erreichen konnten, und waren beeindruckt von all den Werkzeugen, die wir in unseren vier Jahren in unserem Werkzeuggürtel erworben hatten. Es war eine großartige und inspirierende Lernerfahrung.“
Obwohl sie die von Mazan gestellte Herausforderung bewältigten, war das Gerät noch lange nicht fertig. Coons, Simotas und Barrows haben im Frühjahr 2019 ihren Abschluss gemacht, und Mazan war beeindruckt, wie weit sie mit dem Design gegangen sind. Sie fragte, ob sie weiterhin an dem Gerät zusammenarbeiten wollten, und alle sagten ja, weil sie Mazans ansteckende Energie und Leidenschaft bei der Arbeit an diesem „lustigen Nebenprojekt“ liebten.
Für den Rest des Jahres bauten sie weitere Geräte und besuchten den Campus von Grafton, um sich mit Mazan zu treffen und den Prototyp an Pferdepatienten zu testen. Pferde atmen nur durch die Nase, aber eine durchsichtige Plastikmaske wird über Nase und Mund geführt, damit die Maske an Ort und Stelle bleibt. „Pferde sind daran gewöhnt, Dinge wie Gebisse oder Halfter zu tragen, und sie vertragen das sehr, sehr gut“, sagt Mazan. „An der Vorderseite der Maske befindet sich eine Öffnung, in der sich der Durchflussmesser und das Ventil befinden. Die Pferde atmen einfach normal durch, das Ventil schließt und ein Druckwandler auf jeder Seite der Maske misst den Unterschied zwischen dem Innen- und Außendruck die Maske.“
Bevor das Team das Gerät an einem Pferd testete, benutzte Mazan sich selbst als Versuchskaninchen. Sie setzte die Maske auf und gab ihrem Mann die Macht über den Knopf, der das Ventil schließt, um die Atmung zu unterbrechen, sodass sie nicht vorhersehen konnte, wann es passieren würde. Die Unterbrechung sei so schnell gewesen, dass sie nie ein Hindernis bemerkt habe, sagt sie. Und nachdem das Gerät an lebenden Pferden getestet wurde, die viel größere Lungen haben und langsamer atmen als Menschen, stellte das Team fest, dass sie die Unterbrechung anscheinend überhaupt nicht bemerkten.
Anfang 2020 trafen sich Mazan und die Ingenieur-Alumni mit Anwälten für geistiges Eigentum, um zu sehen, ob sie ihr System möglicherweise patentieren lassen könnten. Als die COVID-19-Pandemie ausbrach, wurde die Zusammenarbeit für eine Weile eingestellt. Mazan bastelte selbst von zu Hause aus an dem System und reagierte auf Vorschläge der Anwälte, um das Gerät abzusichern und patentfähiger zu machen.
Für die Ingenieure, die mit Mazan zusammengearbeitet haben, ist die Möglichkeit, dass ihr Name so früh in ihrer Karriere als Ingenieur auf einem Patent für ein Medizinprodukt stehen könnte, erstaunlich. „Ich bin seit sechs Jahren an der Tufts-Fakultät, und in dieser Zeit ist dies die einzige Patentanmeldung, die ich gesehen habe, die aus dem Schlussstein des Maschinenbaus hervorgegangen ist“, sagt Wendell. „Vor meiner Ankunft gab es einige, aber das passiert sehr selten.“
Wo die Dinge jetzt stehen
In jüngerer Zeit wurde die Gruppenarbeit mit Hilfe von Gesichtsmasken, Impfstoffen und Schnelltests wieder aufgenommen, obwohl das Team etwas kleiner ist, da Coons jetzt einen Ph.D. in Maschinenbau an der University of Michigan. Mazan steckt tief in klinischen Tests. Bisher sind die Ergebnisse unglaublich vielversprechend.
„Wenn wir es mit unserem Goldstandard vergleichen, der als pneumatische Ösophagus-Ballon-Methode bezeichnet wird, ist die Genauigkeit sehr hoch. Wir erhalten mit beiden Methoden die gleichen Messwerte für den Widerstand“, sagt Mazan. „Sie könnten fragen: ‚Wenn das der Goldstandard ist, warum machst du das nicht die ganze Zeit?‘ Weil es ein riesiger Schmerz im Nacken ist. Sie müssen ihnen buchstäblich einen Ballon durch die Nase führen und sie müssen ihn in die Speiseröhre schlucken. Pferde, die an diesen Vorgang nicht gewöhnt sind, werden Einspruch erheben.“
Mazan beabsichtigt, mit der Rechtsabteilung zurückzukehren, um das Patent für das Gerät abzuschließen und hoffentlich ein Unternehmen zu finden, das es verkaufen möchte. „Ich sage den Ingenieuren immer, dass damit niemand reich wird“, lacht sie. „Es macht einfach Spaß, und ich hoffe, es wird nützlich sein.“