Entwicklung eines neuen medizinischen Geräts

Oct 10, 2023

ES227-Team HeartStep: Maycee Wieczorek, Harini Kannan, Daniel Mhrous und Joey Liu. (Eliza Grinnell/SEAS)

Könnte ein Lichttunnel den Kontakt mit einem menschlichen Körper erkennen? Was kann uns die Überwachung der Steifheit der Handgelenksmuskulatur über die Parkinson-Krankheit sagen? Können kommerzielle tragbare Geräte für die klinische Forschung angepasst werden? Würde ein automatisiertes Hebegerät älteren Menschen dabei helfen, sich sicherer durch ihr Zuhause zu bewegen?

Studierende der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben sich in „ES227: Medical Device Design“ mit allen vier dieser Fragen befasst. Der Kurs wurde gemeinsam von Conor Walsh, Paul A. Maeder-Professor für Ingenieurwissenschaften und Angewandte Wissenschaften, und Linsey Moyer, stellvertretender Leiter des Grundstudiums in Biomedizintechnik, geleitet und führte die Studierenden durch den gesamten Gerätedesignprozess. Es ist das erste Mal seit vier Jahren, dass ES227 angeboten wird, und das erste Mal überhaupt im Science and Engineering Complex (SEC).

„Wir freuen uns, dass wir den Kurs wieder anbieten“, sagte Walsh. „Unsere Studenten schätzen alle die Idee, das, was sie in anderen Kursen gelernt haben, auf reale Designprojekte anzuwenden und mit realen Stakeholdern zusammenzuarbeiten.“

Walsh und Moyer teilten die Klasse in vier Gruppen ein, von denen jede eine umfassende medizinische Herausforderung erhielt. Anschließend durchlief der Kurs alle Entwurfsphasen, von der Definition des Problems und der wichtigsten Stakeholder über die Iteration und das Testen potenzieller Lösungen bis hin zum Bau eines Prototyps.

„Zu Beginn mussten wir ihren Wunsch, sofort zu entwerfen, bremsen und sie dazu bringen, mehr Zeit damit zu verbringen, Stakeholder zu befragen und die Problemlandschaft zu verstehen“, sagte Moyer.

ES227-Team UpRight: Ruben Fonseca, Lachlain McGranahan, Sofia Castore, Katherine Pane und Bersabeh Kelkai. (Eliza Grinnell/SEAS)

Die Klasse teilte das Semester grob in Drittel ein. Das erste Drittel konzentrierte sich auf die Problemidentifizierung, gefolgt von der Ideenfindung und Auswahl eines endgültigen Projekts. Die dritte Phase konzentrierte sich auf die Implementierung und das Prototyping, wobei der Unterricht oft als offene Laborzeit stattfand.

„Wenn wir ihnen in den ersten anderthalb Monaten technische Lösungen anbieten würden, würden sie sagen: ‚Nein, darüber reden wir nicht. Definieren Sie Ihr Problem weiter‘“, sagte Sofia Castore, eine Junior-Fachkraft für Maschinenbau . „Es ging viel darum, etwas zu visualisieren und es zum Leben zu erwecken. Viele unserer Kurse sind theoretisch und man kann so viel theoretisieren, wie man will, aber das ist nicht wirklich das, was Ingenieurwesen ausmacht. Letztendlich muss man es tatsächlich tun.“ Bauen Sie etwas und stellen Sie sicher, dass es tatsächlich funktioniert.

Nachdem das Problem und die Beteiligten definiert waren, hatte jede Gruppe die Freiheit, eine Lösung zu finden. Castore und der Maschinenbaustudent im dritten Jahr, Lachlain McGranahan, halfen bei der Entwicklung von UpRight, einem freistehenden Gerät, das einen Linearantrieb und ein Fußpedal verwendet, um eine Person aus der sitzenden in die stehende Position zu heben. Während solche Geräte in Seniorenheimen zu finden sind, hat McGranahans Team eines entwickelt, das ohne Aufsicht zu Hause verwendet werden kann.

„Es gibt niemanden, der darauf achtet, dass sie sich nicht verletzen. Deshalb ist es wirklich wirkungsvoll, etwas Erschwingliches dabei zu haben, das man mit nach Hause schicken kann“, sagte McGranahan. „Eine Sache, die Conor zu Beginn des Kurses wirklich betonte, war, dass er vergessen hatte, wie das Endprodukt aussehen sollte. Vergessen Sie, tatsächlich über Designs nachzudenken, und informieren Sie sich einfach so gut wie möglich über das Problem. Das ist wirklich hilfreich, denn wenn Sie Tauchen Sie einfach direkt in die Lösung ein, Sie wissen nicht, wonach Sie suchen.

ES227-Team SPARC: Chelsey Campillo Rodriguez, Sarah Cavanagh, Daniel Smith und Marcel Torné Villasevil. (Eliza Grinnell/SEAS)

Zu McGranahans Gruppe gehörten mehrere Studenten des Maschinenbaus, was zu einer mechanischen Lösung führte. Doch ein anderes Team – bestehend aus Doktoranden der Bioingenieurwissenschaften und Informatik – stellte sich dieser Herausforderung und entwickelte Algorithmen zur Quantifizierung der Rigidität bei Parkinson-Patienten. Sie nutzten neuartige, tragbare Dehnungssensoren, die an der Harvard University und dem Wyss Institute entwickelt wurden.

„Wir haben uns zu einem stärker datengesteuerten Projekt hingezogen, das auf unseren gemeinsamen Computerinteressen basiert“, sagte Sarah Cavanagh, G1-Doktorandin. Student im Bioingenieurwesen. „Es war eine wirklich einzigartige Erfahrung. Anstelle eines traditionelleren Kurses mit Tests und Prüfungen war dieser Kurs eher wie ein semesterlanges Forschungsprojekt.“

Die Anwendung der Theorie auf praktisches Design war ein wiederkehrendes Thema unter den Lieblingsaspekten der Studenten des Kurses. Ein weiterer Aspekt war das Erlernen des Systemdenkens, also der Prozess, eine offene Herausforderung in ein klar definiertes Problem mit wichtigen Stakeholdern umzuwandeln, das in die spezifische Lösung einfließt.

Das Team von Harini Kannan, HeartStep Solutions, hat einen kostengünstigen Herzfrequenzmesser und Beschleunigungsmesser entwickelt, der Daten über lange Zeiträume sammeln kann, was ihn zu einem besser geeigneten tragbaren Gerät für Forschungs- und medizinische Interventionszwecke macht.

„Die Anwendung auf die reale Welt und die Fähigkeit, über etwas nachzudenken und völlig unkonventionelle Lösungen vorzuschlagen und zu entwickeln, unterscheidet sich definitiv von meinen traditionelleren Maschinenbaukursen“, sagte Kannan, ein Student im dritten Jahr. „Im ersten Drittel dieses Kurses habe ich mich mit den Hintergründen des Problems und den aktuellen Geräten auf dem Markt befasst. Das ist eine wirklich wertvolle Fähigkeit, die ich in meine späteren Ingenieurkurse und darüber hinaus einbringen kann.“

RoundHouse Technologies hat einen fotorezeptiven Sensor entwickelt, der die Aufprallkraft registrieren kann. Es ist dazu gedacht, Tritte bei Taekwondo-Wettbewerben aufzuzeichnen, bei denen Punkte erzielt werden, indem Tritte gegen den Körperschutz oder die Kopfbedeckung registriert werden. Die Sensoren von RoundHouse projizieren einen optischen Tunnel und erstellen dann eine Aufprallbewertung basierend auf der Lichtverformung.

Die Roundhouse Technologies-Mitglieder Kade Kelsch (links) und Olisaneme Okonkwo demonstrieren ihren optischen Tunnelsensor. (Eliza Grinnell/SEAS)

ES227-Team Roundhouse Technologies: Olisaneme Okonkwo, Kade Kelsch, Clayton Donhauser und Nathaniel DeLucca, mit Taekwondo-Meister Dan Chuang. (Eliza Grinnell/SEAS)

„Die Kraft des Aufpralls verändert die Form des Tunnels“, sagte Nathaniel DeLucca, ein Maschinenbauingenieur im dritten Jahr. „Indem Sie die Querschnittsfläche des Tunnels verringern, verringern Sie die Lichtmenge, die durch den Tunnel dringen kann.“

Angetrieben durch den Erfolg dieses Semesters sagt Walsh, dass es das Ziel sei, den Kurs auch in Zukunft jedes Jahr anzubieten.

„In diesem Kurs kann auf einzigartige Weise mehr Intuition aus gestalterischer Sicht gewonnen werden“, sagte Olisaname Okonkwo, Bioingenieurstudentin im dritten Jahr im Team RoundHouse Technologies. „In vielen anderen Kursen geht es darum, Berechnungen zu lernen und Problemstellungen zu lösen, aber hier ging es darum, ein wirklich umfassendes Problem zu lösen und wirklich zu verstehen, wie man Probleme in Teile zerlegt, für die wir Lösungen finden können.“

Themen:Akademiker, Bioingenieurwesen, Informatik, Materialwissenschaft und Maschinenbau, Optik/Photonik, Robotik, Technologie

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