En ce qui concerne les procédures médicales, les chevaux sont comme de jeunes enfants, explique Melissa Mazan, V93, professeur de médecine des grands animaux à la Cummings School of Veterinary Medicine. Les chevaux ne se conforment pas nécessairement aux demandes de rester immobiles ou de retenir leur souffle, ce qui rend extrêmement difficile le test de leur fonction pulmonaire, qui est essentielle au succès des athlètes équins.
« L’asthme équin est une cause importante de mauvaises performances pour les chevaux de haute performance, juste après la boiterie, et un problème de qualité de vie pour les chevaux plus âgés atteints de maladies chroniques qui peuvent devenir essentiellement des infirmes respiratoires. Les chevaux atteints d’une maladie avancée ne sont pas difficiles diagnostiquer à la ferme, mais chez les jeunes chevaux athlétiques, il peut être presque impossible à détecter », explique Mazan.
C’est souvent une condition silencieuse, autre qu’un temps de course plus lent, car ces chevaux sont très en forme. Mais, ajoute-t-elle, ils gagnent ou perdent des courses au centième de seconde, il suffit donc « d’une petite insulte au système respiratoire pour amener un cheval de la première place à l’arrière du peloton ».
L’Hospital for Large Animals est l’un des seuls centres aux États-Unis à effectuer des tests de la fonction pulmonaire sur des cas cliniques équins, mais les clients doivent se rendre à Grafton car les systèmes de test sont élaborés. Cela pose un problème qui tourmente Mazan depuis des décennies : comment l’hôpital peut-il diagnostiquer la fonction pulmonaire chez les chevaux qu’il ne peut pas amener à la clinique ?
« Ce que nous recherchons, c’est si les voies respiratoires du cheval présentent plus de résistance que la normale au flux d’air », explique Mazan. « Si la résistance est élevée, alors le travail de respiration doit augmenter, ce qui est un travail qu’un cheval ne peut pas mettre au galop ou au saut. »
En médecine humaine, la fonction pulmonaire peut être mesurée à l’aide de tests portables appelés débitmètres de pointe, qui mesurent la quantité d’air entrant et sortant des poumons. Ils exigent que la personne testée prenne une grande inspiration et expire avec force jusqu’à ce que ses poumons soient vides. Mais avec les enfants, les tests de la fonction pulmonaire sont souvent effectués à l’aide d’une méthode qui n’exige pas qu’ils suivent de telles instructions.
C’est ce qu’on appelle le système d’interruption, et l’idée est que l’enfant porte un masque ou un embout buccal avec un capteur pour mesurer l’air entrant et sortant, et comme il respire régulièrement, un obturateur très rapide coupe la respiration pendant une fraction de seconde. C’est tellement rapide que les enfants ne le remarquent même pas.
« L’idée est que si vous coupez la respiration pendant une très courte période, la pression dans vos poumons s’équilibre avec la pression à l’intérieur de ce masque », explique Mazan. « Pour obtenir une résistance, vous devez être capable de mesurer le débit d’air et la pression. La méthode d’interruption vous permet de faire les deux. »
Elle a estimé que quelque chose de similaire pourrait fonctionner avec les chevaux, et l’idée d’un appareil portable pour tester la fonction pulmonaire équine a commencé à se former.
Inventer un outil vétérinaire
En 2018, Mazan a présenté son idée à Kristen Wendell, professeure agrégée de génie mécanique à la School of Engineering, qui recherchait des projets que ses étudiants de quatrième année pourraient réaliser pour leur mission de conception. Elle essaie de trouver des clients qui ont des besoins en conception mécanique mais pas nécessairement les ressources, les connaissances ou le temps pour les faire eux-mêmes, et ses étudiants travaillent sur le projet comme une sorte de service aux clients.
« Lorsque le Dr Mazan m’a parlé de son idée, j’étais tellement enthousiasmé par l’alignement avec les types de problèmes que je voulais que mes étudiants abordent », se souvient Wendell. « C’était un problème de conception à multiples facettes en termes de concepts d’ingénierie mécanique requis, tels que l’écoulement des fluides, la conception de la machine, le poids et la géométrie, les capteurs électroniques et la programmation informatique. »
Les étudiants de Wendell ont eu la possibilité de choisir entre une poignée de projets possibles, mais l’attrait de la complexité du problème et du travail avec des chevaux vivants était très fort. Plusieurs étudiants ont accepté le défi de Mazan, dont Thomas Coons, Christopher Simotas et Brian Barrows, tous E19. L’objectif initial n’était pas de créer l’ensemble de l’appareil ; plutôt pour développer d’abord des pièces qui satisfaisaient les besoins définis par Mazan.
L’équipe s’est divisée en deux petits groupes, l’un s’est concentré sur la détermination de la mesure du débit d’air et l’autre sur la pression. Coons et Simotas faisaient partie de l’équipe du flux d’air et ils se sont heurtés à deux obstacles principaux. La première était que les capteurs de débit volumétrique peuvent être très coûteux. Le deuxième problème était qu’il est très difficile de mesurer le débit d’air volumétrique, ou la quantité d’air qui passe, avec des capteurs de vitesse d’air moins chers. Barrows faisait partie de l’équipe de pression, où l’objectif principal était de faire en sorte que le système d’obturation, qui a provoqué l’interruption de la respiration, fonctionne en douceur et permette une lecture précise du différentiel de pression.
« Notre tâche consistait à créer un système capable d’interrompre la respiration pendant seulement 300 millisecondes », explique Barrows, qui travaille maintenant pour iRobot. « Faire en sorte qu’une grande valve se déplace aussi rapidement était déjà assez difficile, mais nous avions également besoin qu’elle soit silencieuse pour éviter d’effrayer le cheval. »
Bien que l’équipe ait apparemment beaucoup tourné les roues sur ces problèmes, elle a fini par trouver des solutions créatives dans des endroits surprenants. Par exemple, l’équipe recherchait une grande vanne pneumatique et plusieurs sociétés d’ingénierie ont dit à Mazan que ce qu’elle voulait n’existait pas. Cependant, elle a fini par trouver des pièces clés auprès d’un détaillant de véhicules de loisirs, qui utilise de grandes vannes pneumatiques dans les systèmes de toilettes de VR, et dans un magasin de fournitures d’Halloween, car les décorations d’Halloween utilisent souvent des pneumatiques pour obtenir leurs effets effrayants.
« Ce qui rend le travail de conception difficile, c’est que vous ne résolvez pas un problème avec une réponse claire. Vous devez comprendre ce que le client essaie de réaliser et quels sont, d’un point de vue technique, les problèmes les plus importants à résoudre pour y parvenir, » dit Coons.
Le groupe a présenté son prototype à Wendell et Mazan régulièrement tout au long du semestre pour des démonstrations et des cycles de rétroaction, et Wendell dit qu’ils ont tous obtenu un A sur leur projet de synthèse.
« À la fin du semestre, le professeur Wendell a créé une matrice au tableau avec chaque projet de classe répertorié dans diverses disciplines d’ingénierie telles que les matériaux, la programmation et le transfert de chaleur. Elle a ensuite demandé à notre classe de réfléchir à laquelle des disciplines nos projets interface avec. A notre grande surprise, les nôtres ont touché chacun d’entre eux », déclare Simotas, qui travaille maintenant pour Raytheon Technologies. « Nous étions très fiers de tout ce que nous avons pu accomplir et avons été impressionnés par tous les outils que nous avions acquis dans notre ceinture à outils au cours de nos quatre années. Ce fut une expérience d’apprentissage formidable et inspirante. »
Bien qu’ils aient réussi le défi lancé par Mazan, l’appareil était loin d’être terminé. Coons, Simotas et Barrows ont obtenu leur diplôme au printemps 2019, et Mazan a été impressionné par la mesure dans laquelle ils ont poussé le design. Elle leur a demandé s’ils voulaient continuer à collaborer sur l’appareil, et ils ont tous dit oui, car ils ont adoré l’énergie et la passion contagieuse de Mazan tout en travaillant sur ce « projet parallèle amusant ».
Pendant le reste de l’année, ils ont construit une plus grande partie de l’appareil et se sont rendus sur le campus de Grafton pour rencontrer Mazan et tester le prototype sur des patients équins. Les chevaux ne respirent que par le nez, mais un masque en plastique transparent recouvre leur nez et leur bouche pour aider le masque à rester en place. « Les chevaux sont habitués à porter des choses, comme des mors ou des licols, et ils le tolèrent très, très bien », explique Mazan. « A l’avant du masque se trouve une ouverture où se trouvent le débitmètre et la valve. Les chevaux respirent normalement à travers, la valve se ferme et un transducteur de pression de chaque côté du masque mesure la différence entre la pression à l’intérieur et à l’extérieur. le masque. »
Avant que l’équipe ne teste l’appareil sur un cheval, Mazan s’est utilisée comme cobaye. Elle a enfilé le masque et a donné à son mari le pouvoir sur le bouton qui ferme la valve pour interrompre la respiration, de sorte qu’elle ne pouvait pas anticiper quand cela se produirait. L’interruption a été si rapide qu’elle n’a jamais remarqué d’obstacle, dit-elle. Et après avoir testé l’appareil sur des chevaux vivants, qui ont des poumons beaucoup plus gros et une respiration plus lente que les humains, l’équipe a découvert qu’ils ne semblaient pas du tout remarquer l’interruption.
Au début de 2020, Mazan et les anciens ingénieurs ont rencontré des avocats en propriété intellectuelle pour voir s’ils pourraient breveter leur système. Lorsque la pandémie de COVID-19 a frappé, la collaboration s’est arrêtée pendant un certain temps. Mazan a elle-même bricolé le système depuis chez elle, répondant aux suggestions des avocats pour renforcer l’appareil et le rendre plus prêt pour les brevets.
Pour les ingénieurs qui ont travaillé avec Mazan, la possibilité que leur nom puisse figurer sur un brevet de dispositif médical si tôt dans leur carrière d’ingénieur est stupéfiante. « Je suis à la faculté de Tufts depuis six ans, et pendant cette période, c’est la seule demande de brevet que j’ai vue sortir de la pierre angulaire de l’ingénierie mécanique », déclare Wendell. « Il y en a eu avant mon arrivée, mais c’est très rare que cela se produise. »
Où en sont les choses maintenant
Plus récemment, avec l’aide de masques faciaux, de vaccins et de tests rapides, le travail de groupe a repris, bien que l’équipe soit légèrement plus petite puisque Coons poursuit actuellement un doctorat. en génie mécanique à l’Université du Michigan. Mazan est plongé dans les tests cliniques. Jusqu’à présent, les résultats sont incroyablement prometteurs.
« Lorsque nous le comparons à notre étalon-or, appelé méthode pneumatique par ballonnet œsophagien, la fidélité est très élevée. Nous obtenons les mêmes mesures de résistance avec les deux méthodes », explique Mazan. « Vous pourriez demander, ‘si c’est l’étalon-or, pourquoi ne le fais-tu pas tout le temps?’ Parce que c’est une douleur géante dans le cou. Vous devez littéralement leur passer un ballon dans le nez et ils doivent l’avaler dans l’œsophage. Les chevaux qui ne sont pas habitués à ce processus s’y opposeront. »
Mazan a l’intention de revenir avec l’équipe juridique pour compléter le brevet sur l’appareil et, espérons-le, trouver une entreprise qui aimerait le vendre. « Je dis toujours aux ingénieurs que personne ne va s’enrichir avec celui-ci », rit-elle. « C’est juste amusant, et j’espère que ce sera utile. »