کرونا و تکنولوژی

کرونا و تکنولوژیبخش صنعتی بارقهنویسندگان : مهدی نوروزی / امیر حسین جوادی / متین عنادر اوایل ماه مارس که بیماری COVID-19 بالأخره به عنوان یک همه ­گیری جهانی شناحته شد، متخصصان و پژوهشگران در نقاط مختلف جهان با اولویت قرار دادن این بیماری، شروع به طراحی روش­ ها و دستگاه­ های جدید برای پیشگیری و درمان آن کردند. حالا و بعد از گذشت حدود 6 ماه، برخی از این تلاش ­ها در حوزه ­های مختلف به نتیجه رسیده ­است.تنفس مصنوعی:«ونتیلاتور» یا همان دستگاه تنفس مصنوعی، در انواع مختلف و با قابلیت ­ها­ و پیچیدگی متفاوت ساخته می­شود، ولی همۀ آن­ها برای افرادی که مشکل تنفسی دارند یا کلاً نمی­توانند نفس بکشند، یک کار اساسی انجام می ­دهند: وارد کردن اکسیژن به ریه­ ها و در برخی موارد، خارج کردن کربن ­دی ­اکسید از آن ­ها. درمان این افراد در موارد نسبتاً خفیف به روش «غیر­تهاجمی» انجام می ­شود؛ یعنی یک ماسک تنفسی تنگ، هوای فشرده­ را به دهان و بینی بیمار می­ رساند. اما موارد شدیدتر با استفاده از روشی «تهاجمی» مورد معالجه قرار می­ گیرند؛ به این معنا که به وسیلۀ یک لوله، از داخل دهان یا سوراخی در گردن بیمار، به نای دسترسی پیدا می ­کنند. البته در این روش، بیمار باید تا زمانی که توانایی تنفسش را به­ دست آورد در وضعیت بیهوشی قرار بگیرد.با توجه به شیوۀ کنترل گازها (به وسیله حجم، فشار یا جریان گاز) و نوع درمان، فناوری ساخت ونتیلاتور تغییر می­ کند. ونتیلاتورها باید چندین عملیات را با قابلیت اطمینان بالا اجرا کنند؛ مثلاً باید اکسیژن را با غلظتی بالاتر از غلظت محیط تامین کنند و اجازه بدهند که کربن ­­دی ­اکسید از ریه ­های بیمار خارج شود. هوایی که آن ­ها فراهم می­ کنند، باید گرم و مرطوب و عاری از باکتری­ ها و عوامل بیماری­ زا باشد. به علاوه، آنها باید مجهز به سنسورها و نرم­ افزارهایی باشند که اگر ماسک یا لوله جا­به ­جا شد، تنفس بیمار نامنظم یا ضعیف شد و یا سرعت آن تغییر کرد، این موارد را تشخیص دهند. این دستگاه­ ها باید به شکلی طراحی بشوند که همیشه کاملاً تمیز باشند و تا جای ممکن، عوامل بیماری­ زای بازدم بیمار را در جایی محبوس کنند. به علاوه، این گونه سیستم ­ها باید با زیرساخت­ ها و شیوه­ های درمانی موجود در بیمارستان ­ها سازگار باشند.در ابتدای همه­ گیری و با توجه به شیوع سریع بیماری و تعداد بیماران بدحال، پیش­بینی ­ها نشان از کمبود شدید ونتیلاتور در مراکز درمانی می­ داد. بنابراین، در سراسر دنیا گروه­ ها و افراد زیادی به­ سرعت شروع به ساخت انواع مختلف آن کردند. در یک بررسی جهانی، بیش از صد پروژۀ ونتیلاتور Open-Source یافت شده که جزئیات آن­ها را می­ توانید در اینجا ببینید. ما هم چند نمونه از این طراحی­ ها را معرفی می ­کنیم:یکی از زیرمجموعه ­های شرکت Dan T. Moore که وظیفه ­اش تولید کامپوزیت ­های فلزی برای ترمز خودروها بود، با الهام از کیسه ­های احیای دستی، نوعی ونتیلاتور به نام SecondBreath ساختند. کیسۀ احیای دستی به یک درمانگر آموزش­ دیده این امکان را می ­دهد که تنفس مصنوعی را با فشردن یک کیسۀ لاستیکی متصل به یک ماسک انجام دهد. این کیسه ­ها ساده و قابل انعطاف هستند ولی به یک اپراتور آموزش ­دیده نیاز دارند. طرح اولیۀ این گروه، یک فشارندۀ خودکار بود. در ادامه، آن­ ها با اولویت قرار دادن سادگی و کم ­هزینه بودن دستگاه به بررسی خصوصیات ضروری برای یک دستگاه تنفس مصنوعی پرداختند. نتیجه، ساخت دستگاهی بود که می­ تواند به صورت مطمئن کیسه را برای روزها فشرده کند و به ­سادگی برای پزشکانی که به ونتیلاتورهای پیشرفته ­تر عادت دارند قابل استفاده است. این دستگاه هم­چنین تعدادی سنسور و هشداردهنده برای تشخیص تغییر یا خرابی دارد.جسم بنفش ­رنگ درون تصویر، همان کیسه احیاءست. در حین کار، یک قطعة متحرک کیسه را فشار می ­دهد تا هوا به ریه­ های بیمار وارد شود.شرکت Virgin Orbit هم که سازندۀ پرتابگرهای هوایی برای ماهواره­ های کوچک است، با تعلیق برنامه­ های موشکی خود، شروع به ساخت ونتیلاتوری بر مبنای فشردن کیسۀ احیاء کرد. از نظر آن ­ها یکی از چالش­ های بزرگ پیش ­رو، آسیب دیدن زنجیرۀ تأمین قطعات اولیه در اثر شیوع بیماری بود. به همین دلیل تصمیم گرفتند تا دستگاه را بدون نیاز به وسایل پیچیده یا خاص بسازند یا در غیر این صورت، آن ­ها را از شرکتی بدون سابقۀ تولید تجهیزات پزشکی تهیه کنند. برای مثال آن­ ها به جای ساخت یک موتور از صفر، از چیزی استفاده کردند که در همه جای یک شهر کوچک یافت می­شد: موتور برف­پاک ­کن Toyota Camry 2010، یکی از رایج ­ترین خودروهای منطقه.شرکت Virgin Orbit چند صد دستگاه از ونتیلاتور خود ساخته است که با فشردن یک کیسه (زردرنگ)، هوا را به ریۀ بیمار وارد می کند.یکی از آماده­ ترین مجموعه­ ها برای تولید ونتیلاتوری جدید پس از شیوع بیماری، مرکز تجهیزات پزشکی دانشگاه Minnesota بود که پیش از این هم روی طراحی و توسعه تجهیزات جدید پزشکی کار می­ کرد. آن­ ها هم با درنظر گرفتن حداقل­های لازم برای زنده نگه­ داشتن بیمار، ونتیلاتور Coventor را طراحی کردند که بر اساس فشردن کیسه­ های احیای موجود در بازار کار می­ کند. نواقص این دستگاه، که یکی از ارزان­ترین ونتیلاتورهاست، با همکاری شرکت Boston Scientific برطرف شد و به­ سرعت به تایید FDA (سازمان غذا و داروی آمریکا) رسید.دستگاه Coventor احتمالا تنها ونتیلاتوری است که تولید انبوه می ­شود. Boston Scientific نیز در حال تولید 3000 دستگاه از آن با قیمت کمتر از 1000 دلار برای هر دستگاه است.در ناسا هم، متخصصین آزمایشگاه پیشرانۀ جت(JPL) به فکر ساخت ونتیلاتور افتادند. ویژگی مدنظر آن ­ها، سادگی و قابل ساخت بودن دستگاه بود. آن­ ها می­ خواستند ونتیلاتورشان به عنوان یک طراحی Open-Source، در دسترس هر سازنده­ ای در هر جای جهان باشد و با در اختیار داشتن قطعات لازم، هرکسی با حداقل ابزارهای ممکن بتواند ونتیلاتور را در حدود 45 دقیقه سرهم کند.در نهایت، JPL توانست دو ونتیلاتور کم ­هزینۀ متفاوت طراحی کند که سرهم ­کردن آن ­ها نیز آسان است. عملکرد هیچ ­یک از این دو بر مبنای کیسه ­های احیاء نیست؛ یکی از آن­ها به وسیلۀ یک سیستم نیوماتیک، از انرژی ذخیره شده در منبع گاز بیمارستان برای برقراری جریان هوا استفاده می ­کند، در حالی که دیگری به دلیل داشتن یک کمپرسور جداگانه، در موقعیت ­هایی که گاز فشرده در دسترس نباشد مورد استفاده قرار می ­گیرد. این دو طراحی علاوه بر تامین نیازهای مختلف، احتمال توقف تولید به دلیل کمبود قطعات را هم کاهش می­دهند؛ برای مثال، یک مدار چاپی که متشکل از یک میکروکنترلر ساده با کد Arduino است، در هر دو طراحی قابل استفاده است.در نهایت، پس از آزمایش­ ونتیلاتور­ها با دستگاه شبیه ­ساز تنفس انسان و ایجاد تغییرات نهایی، آن­ها استاندارهای مدنظر FDA را (که به اندازۀ استانداردهای خود ناسا سخت­گیرانه نبودند!) برآورده کردند.مطابق سنت ناسا، گروه JPL ونتیلاتور خود را با یک مخفف جذاب نامگذاری کرد: VITAL (Ventilator Intervention Technology Accessible Locally)یکی دیگر از طرح ­های متفاوت، مربوط به شرکت Maingear، سازندۀ کامپیوترهای gaming، است. آن ­ها ونتیلاتور خود را با بهینه ­سازی یک ونتیلاتور اضطراری که مدت­ هاست در ایتالیا و سوئیس استفاده می­ شود، ساختند. برای تطبیق آن با COVID-19، مهندسین بخش­ هایی از دستگاه که در تماس با بیمارند را یکبار مصرف طراحی کردند تا نیاز به شست ­و شو نداشته­ باشند و ریسک انتقال عفونت کاهش پیدا کند. به علاوه، آن ­ها با بازنویسی برخی نرم­ افزارها، شیوۀ کنترل دستگاه را ساده ­تر کردند و محفظه­ ای شبیه کیس کامپیوتر برای دستگاه طراحی کردند تا بتواند روی قفسه ­های استاندارد تجهیزات درمانی قرار گیرد یا به کمک چرخ جا به­ جا شود.این دستگاه به وسیلۀ یک رابط لمسی روی یک تبلت یا یک دستگیرۀ مکانیکی کنترل می­ شود.تا به حال، تعدادی ونتیلاتور جدید، از جمله همۀ موارد بالا، مجوز FDA را برای استفاده در شرایط اضطراری دریافت کرده­ اند. البته این مجوز تنها در دورۀ همه­ گیری بیماری و در صورت نبود ونتیلاتورهای استاندارد اعتبار دارد.با توجه به بررسی انجام شده در مجلة «Chest» در سال 2014، برخی از این ونتیلاتورهای حداقلی و ساده، به خصوص طراحی­ های مبتنی بر کیسه­ های احیاء، ویژگی ­های لازم برای درمان و مراقبت از بیماران تنفسی را ندارند و می ­توانند مشکل ­ساز شوند؛ برای مثال، استفاده از روش فشردن کیسۀ احیاء، در مواردی مثل فلج­اطفال که عضلات تنفسی فلج شده­ اند کاربرد دارد. اما در بیماری­ های تنفسی عفونی، بخش­هایی از ریه که خاصیت ارتجاعی خود را از دست داده­ اند در کنار بخش­ های سالم ریه قرار دارند بنابراین اگر هوا رسانی کاملاً دقیق و کنترل­ شده نباشد به دلیل اختلاف میزان ارتجاع، ریه ممکن است آسیب ببیند. مشکل دیگر این است که برخی از این دستگاه­ ها اجازۀ تنفس مستقل به بیمار نمی ­دهند بنابراین بیمار همیشه باید در حالت بیهوشی باشد. این کار، به جز کاهش شدید تجهیزات بیهوشی، می­ تواند خطرناک هم باشد. علاوه بر این مشکلات، به دلیل جدید بودن این دستگاه­ ها، کادر درمانی باید بتوانند خود را با آن ­ها تطبیق دهند و این کار در شرایط اوج همه­ گیری و خستگی کادر درمان امکان ­پذیر نیست.با وجود ارزشمند بودن نوآوری و تلاش­ های همۀ این سازندگان، شاید بهتر باشد که هزینه، وقت و نیروی کار در راستای تولید ونتیلاتورهای مطمئن­تر و یا دیگر تجهیزات موردنیاز مثل ماسک، دستکش و سایر لوازم پیشگیری کننده مصرف شود. https://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/the-great-ventilator-rushمحرک عصبی:برای کمک به بیمارانی که دچار مشکلات تنفسی خفیف هستند، شرکت ElectroCore روش متفاوتی ابداع کرده است. آن­ها دستگاهی کوچک برای تحریک غیرتهاجمی عصب «واگ» (Vagus) ساخته­اند. این وسیله، با ارسال قطاری از پالس­های الکتریکی به این عصب، از روی پوست در ناحیۀ گردن، می ­تواند به بزرگسالان درگیر COVID-19، که دچار تنگی ­­نفس هستند کمک کند.اعصاب واگ، یک زوج عصب مهم هستند که در دوطرف گردن قرار دارند. آن­ها مغز را به بسیاری از اندام­ های بدن مثل قلب، ریه ­ها و دستگاه گوارشی وصل می ­کند و وظیفۀ کنترل اعمال غیرارادی آن ­ها را دارند. تا به حال از تحریک این عصب، که راه ارتباطی مهمی به قسمت ­های داخلی مغز است، برای درمان صرع، میگرن و انواعی از افسردگی استفاده می ­شد. شرکت ElectroCore هم با اینکه کار خود را با تمرکز بر دستگاه تنفسی شروع کرده بود اما تا قبل شیوع کرونا، این دستگاه را برای درمان میگرن و سردردهای حاد و مزمن عرضه می­کرد. بعد از شیوع COVID-19، آن­ها با تحقیق روی این دستگاه متوجه شدند که با اعمال 25 پالس از یک سیگنال 5 کیلوهرتزی در هر ثانیه، به مدت دو دقیقه (مشابه درمان میگرن) می ­توانند اثرات تنفسی مطلوبی ایجاد کنند.اما این دستگاه با دو روش به بهبودی مبتلایان کرونا کمک می­ کند. ارسال پالس­ های الکتریکی به سمت مغز باعث ارسال فرمان­ هایی به ریه ­ها و باز شدن کیسه­ های هوایی انتهای آن­ ها می­ شود؛ به علاوه، ارسال این پالس­ ها به اندام­ های داخلی، با کاهش تولید «سیتوکین» (Cytokine) نوعی اثر ضدالتهابی ایجاد می­ کند. (سیتوکین ­ها دسته ­ای از پروتئین­ ها هستند که سلول­ ها برای مخابرۀ وجود آلودگی از آن ­ها استفاده می ­کنند. تولید بیش از حد این ماده، که در مبتلایان COVID-19 هم دیده شده، باعث حملۀ سیستم ایمنی به اندام ­ها و­ تخریب آن ­ها می­شود.)این دستگاه مجوز FDA در شرایط اضطراری را دریافت کرده اما به نظر می­ رسد که این روش درمان، کاربردهای بیشتری در آینده داشته باشد.https://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/devices/handheld-vagus-nerve-stimulator-gets-emergency-approval-for-covid19-useماسک های الکتریکی:فناوری­ ها به جز حوزۀ درمان در پیشگیری نیز در حال پیشرفت هستند. می ­دانیم یکی از روش ­های محدود کردن شیوع COVID-19 ماسک­ زدن است، اما مهندسین دانشگاه Indiana به تازگی ادعا کرده ­اند که الیاف تولید کننده میدان الکتریکی می­ توانند ویروس کرونا را حتی غیرفعال هم بکنند.طی شش سال اخیر Chandan Sen، مدیر مرکز دارو و مهندسی ترمیمی دانشکده ­ی پزشکی دانشگاه Indiana، در حال پژوهش روی فناوری فیبرهای «الکتروسیوتیک» (Electroceutical) با نام تجاری V.Dox Technology بوده ­اند. این فناوری متشکل از الگوهای ماتریسی از ذرات نقره و روی است که بر روی موادی مانند پنبه یا پلی ­استر قرار می ­گیرند. زمانی که این ذرات در معرض یک محیط رسانا مانند نوعی ژل یا عرق بدن قرار می­ گیرند، طی واکنش اکسایش-کاهش، الکترون­ ها از روی به نقره انتقال می­ یابند و ولتاژی در حدود 0.5 ولت ایجاد می­ کند. این تکنولوژی اکنون به شکل چسب ­زخم و برای مقابله با ایجاد و رشد عفونت ­های باکتریایی استفاده می ­شود.در این الیاف، هنگامی که نانوذرات روی و نقره در معرض رطوبت می­ گیرند یک باتری ضعیف ایجاد می ­کنند.با شروع همه­ گیری COVID-19، Sen و گروهش به این فکر افتادند که آیا این فناوری می ­تواند مثل باکتری ­ها روی ویروس­ ها هم اثر داشته باشد یا نه. تحقیقات موجود نشان می ­داد ویروس ­ها برای اتصال به میزبان و تشکیل ژنوم، به نیروی الکتروستاتیک نیاز دارند. آن ­ها امیدوار بودند که یک میدان الکتریکی بیرونی بتواند این نیرو را مختل کند و ویروس را از بین ببرد. آن ­ها با همکاری یکی از متخصصین ژنتیک دانشگاه، آزمایشی روی الیاف الکتروسیوتیک انجام دادند: الیاف را برای مدت 1 یا 5 دقیقه در معرض نوعی کروناویروس خوکی قرار دادند و پس از همان دقیقۀ اول شواهدی بر تجمع بیش­ از حد ذرات درون ویروس و ناپایداری آن­ ها پیدا کردند. این نشان می­ داد که میدان الکتریکی ضعیف باعث تغییرات ساختاری مخرب در ویروس ­ها شده ­است. در مرحلۀ بعد آزمایش، آن­ها این ویروس­ های تغییر یافته را در مجاورت مجموعه­ ای از سلول­ ها قرار دادند و مشاهده کردند که ویروس ­ها قدرت ایجاد عفونت را از دست داده­ اند. این آزمایش، اخیراً روی نوعی کروناویروس انسانی نیز انجام شده و نتایج مشابهی به ­دست آمده ­است.البته هنوز نحوۀ تاثیر میدان الکتریکی روی ویروس ­ها دقیقاً مشخص نشده و همچنین تاثیر این روش روی ویروس مدنظر ما یعنی SARS-CoV-2 هنوز در دست بررسی است. اما در صورت تایید این روش، می ­توان این الیاف را در تولید ماسک­ ها به ­کار برد و برای تامین رطوبت موردنیاز الیاف هم می ­توان از هیدروژل ­ها (پلیمرهایی با قابلیت جذب آب) و همچنین رطوبت موجود در بازدم استفاده کرد. به علاوه، میدان ­های الکتریکی ضعیف برای تصفیه­ ی هوا در فضاهای عمومی و ضدعفونی سطوح در اتاق ­های عمل نیز قابل استفاده­ اند.پاورقی: Electroceuticals: دسته ­ای از مواد و دستگاه­ها که بر مبنای تحریک مدارهای عصبی کار می­کنندhttps://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/devices/using-weak-electric-fields-to-make-viruskilling-face-masksما را در تلگرام دنبال کنید.