Cuando se trata de procedimientos médicos, los caballos son como niños pequeños, dice Melissa Mazan, V93, profesora de medicina de animales grandes en la Escuela de Medicina Veterinaria de Cummings.
por Ángela Nelson, Universidad de Tufts
Los caballos no cumplirán necesariamente con las solicitudes de quedarse quietos o contener la respiración, lo que hace que sea increíblemente difícil evaluar su función pulmonar, que es esencial para el éxito de los atletas equinos.
«El asma equina es una causa importante de bajo rendimiento para los caballos de alto rendimiento, solo superada por la cojera, y un problema de calidad de vida para los caballos mayores con enfermedades crónicas que pueden convertirse esencialmente en discapacitados respiratorios. Los caballos con enfermedades avanzadas no son difíciles para diagnosticar en la granja, pero en los caballos atléticos jóvenes, puede ser casi imposible de detectar», dice Mazan.
A menudo es una condición silenciosa, además de un tiempo de carrera más lento, ya que estos caballos están muy en forma. Pero, agrega, ganan o pierden carreras por centésimas de segundo, por lo que «solo se necesita un pequeño insulto al sistema respiratorio para llevar a un caballo del primer lugar al final de la manada».
El Hospital for Large Animals es uno de los únicos centros en los Estados Unidos que realiza pruebas de función pulmonar en casos clínicos equinos, pero los clientes tienen que viajar a Grafton porque los sistemas de prueba son elaborados. Esto plantea un problema que ha afectado a Mazan durante décadas: ¿Cómo puede el hospital diagnosticar la función pulmonar en caballos que no pueden llevar a la clínica?
“Lo que estamos buscando es si las vías respiratorias del caballo presentan más resistencia de lo normal al flujo de aire”, dice Mazan. «Si la resistencia es alta, entonces el trabajo de respiración tiene que aumentar, que es un trabajo que un caballo no puede realizar al galopar o saltar».
En medicina humana, la función pulmonar se puede medir mediante pruebas portátiles conocidas como medidores de flujo máximo, que miden la cantidad de aire que entra y sale de los pulmones. Requieren que la persona que se somete a la prueba inhale profundamente y exhale con fuerza hasta que sus pulmones estén vacíos. Pero con los niños, las pruebas de función pulmonar a menudo se realizan mediante un método que no exige que sigan dichas instrucciones.
Se llama sistema de interrupción, y la idea es que el niño use una máscara o boquilla con un sensor para medir el aire que entra y sale, y mientras respira regularmente, un obturador muy rápido corta la respiración por una fracción de segundo. Es tan rápido que los niños ni siquiera se dan cuenta.
«La idea es que si cortas la respiración por un tiempo muy corto, la presión dentro de tus pulmones se equilibra con la presión dentro de la máscara», dice Mazan. «Para obtener resistencia, debe poder medir el flujo de aire y la presión. El método de interrupción le permite hacer ambas cosas».
Ella sintió que algo similar podría funcionar con los caballos, y comenzó a formarse una idea para un dispositivo portátil para evaluar la función pulmonar equina.
Inventar una herramienta veterinaria
En 2018, Mazan le presentó su idea a Kristen Wendell, profesora asociada de ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería, quien estaba buscando proyectos que sus estudiantes de cuarto año pudieran completar para su tarea de diseño final. Ella trata de encontrar clientes que tengan necesidades de diseño mecánico, pero no necesariamente los recursos, el conocimiento o el tiempo para hacerlo por su cuenta, y sus estudiantes trabajan en el proyecto como una especie de servicio para los clientes.
«Cuando la Dra. Mazan me habló de su idea, me entusiasmó mucho la alineación con los tipos de problemas que quería que abordaran mis alumnos», recuerda Wendell. «Era un problema de diseño muy multifacético en términos de los conceptos de ingeniería mecánica necesarios, como el flujo de fluidos, el diseño de máquinas, el peso y la geometría, los sensores electrónicos y la programación de computadoras».
Los estudiantes de Wendell tuvieron la oportunidad de elegir entre un puñado de posibles proyectos, pero el atractivo de la complejidad del problema y el trabajo con caballos vivos era muy fuerte. Varios estudiantes aceptaron el desafío de Mazan, incluidos Thomas Coons, Christopher Simotas y Brian Barrows, todos E19. El objetivo original no era crear el dispositivo completo; en lugar de desarrollar primero piezas que satisficieran las necesidades descritas por Mazan.
El equipo se dividió en dos grupos más pequeños: uno se centró en determinar la medición del flujo de aire y el otro se centró en la presión. Coons y Simotas estaban en el equipo de flujo de aire y se encontraron con dos obstáculos principales. La primera fue que los sensores de flujo volumétrico pueden ser muy costosos. El segundo problema fue que medir el flujo de aire volumétrico, o cuánto aire pasa, con sensores de velocidad de aire menos costosos es muy difícil. Barrows estaba en el equipo de presión, donde el enfoque principal era hacer que el sistema de obturación, que causó la interrupción de la respiración, funcionara sin problemas y permitiera una lectura precisa del diferencial de presión.
«Nuestra tarea era crear un sistema que pudiera interrumpir la respiración durante solo 300 milisegundos», explica Barrows, que ahora trabaja para iRobot. «Conseguir que una válvula grande se moviera tan rápido fue lo suficientemente desafiante, pero también necesitábamos que fuera silenciosa para evitar asustar al caballo».
Aunque, según los informes, el equipo hizo girar bastante sus ruedas en esos problemas, terminaron encontrando soluciones creativas en lugares sorprendentes. Por ejemplo, el equipo estaba buscando una válvula neumática grande y varias empresas de ingeniería le dijeron a Mazan que lo que ella quería no existía. Sin embargo, terminó encontrando piezas clave a través de un minorista de vehículos recreativos, que usa válvulas neumáticas grandes en los sistemas de inodoros de vehículos recreativos, y de una tienda de suministros de Halloween, ya que las decoraciones de Halloween a menudo usan neumáticos para lograr sus efectos espeluznantes.
«Lo que dificulta el trabajo de diseño es que no estás resolviendo un problema con una respuesta clara. Necesitas entender lo que el cliente está tratando de lograr y cuáles, desde una perspectiva de ingeniería, son los problemas más importantes a resolver para lograrlo. «, dice Coons.
El grupo presentó su prototipo a Wendell y Mazan regularmente durante el semestre para demostraciones y ciclos de retroalimentación, y Wendell dice que todos obtuvieron una A en su proyecto final.
«Al final del semestre, la profesora Wendell creó una matriz en la pizarra con cada proyecto de clase enumerado frente a varias disciplinas de ingeniería como materiales, programación y transferencia de calor. Luego pidió a nuestra clase que reflexionara sobre cuál de las disciplinas hizo nuestros proyectos. Para nuestra sorpresa, el nuestro golpeó a cada uno de ellos», dice Simotas, quien ahora trabaja para Raytheon Technologies. «Nos sentimos muy orgullosos de todo lo que pudimos lograr y quedamos impresionados por todas las herramientas que habíamos adquirido en nuestro cinturón de herramientas durante nuestros cuatro años. Fue una experiencia de aprendizaje excelente e inspiradora».
Aunque lograron el desafío que presentó Mazan, el dispositivo estaba lejos de estar completo. Coons, Simotas y Barrows se graduaron en la primavera de 2019, y Mazan quedó impresionado con lo lejos que llevaron el diseño. Ella preguntó si querían seguir colaborando en el dispositivo, y todos dijeron que sí, porque amaban la energía contagiosa y la pasión de Mazan mientras trabajaban en este «proyecto paralelo divertido».
Durante el resto del año, construyeron más dispositivos y visitaron el campus de Grafton para reunirse con Mazan y probar el prototipo en pacientes equinos. Los caballos solo respiran por la nariz, pero se les coloca una máscara de plástico transparente sobre la nariz y la boca para ayudar a que la máscara permanezca en su lugar. «Los caballos están acostumbrados a usar cosas, como bocados o cabestros, y lo toleran muy, muy bien», dice Mazan. «En la parte delantera de la máscara hay una abertura donde se encuentran el medidor de flujo y la válvula. Los caballos simplemente respiran normalmente, la válvula se cierra y un transductor de presión a cada lado de la máscara mide la diferencia entre la presión interna y externa. la máscara.»
Antes de que el equipo probara el dispositivo en un caballo, Mazan se usó a sí misma como conejillo de indias. Se puso la máscara y le dio a su esposo poder sobre el botón que cierra la válvula para interrumpir la respiración, por lo que no podía anticipar cuándo sucedería. La interrupción fue tan rápida que nunca notó ningún impedimento, dice. Y después de probar el dispositivo en caballos vivos , que tienen pulmones mucho más grandes y una respiración más lenta que los humanos, el equipo descubrió que no parecían notar la interrupción en absoluto.
A principios de 2020, Mazan y los ex alumnos de ingeniería se reunieron con abogados de propiedad intelectual para ver si podían patentar su sistema. Cuando llegó la pandemia de COVID-19, la colaboración se detuvo por un tiempo. Mazan modificó el sistema ella misma desde su casa, respondiendo a las sugerencias de los abogados para reforzar el dispositivo y hacerlo más fácil de patentar.
Para los ingenieros que trabajaron con Mazan, la posibilidad de que su nombre pueda estar en una patente de dispositivo médico tan temprano en sus carreras de ingeniería es asombrosa. «He estado en la facultad de Tufts durante seis años, y en ese tiempo, esta es la única solicitud de patente que he visto salir de la piedra angular de la ingeniería mecánica», dice Wendell. «Hubo algunos antes de mi llegada, pero es muy raro que esto ocurra».
Donde están las cosas ahora
Más recientemente, con la ayuda de máscaras faciales, vacunas y pruebas rápidas, el trabajo en grupo se reanudó, aunque el equipo es un poco más pequeño ya que Coons ahora está haciendo un doctorado. en ingeniería mecánica en la Universidad de Michigan. Mazan está profundamente metido en las pruebas clínicas. Hasta ahora, los resultados son increíblemente prometedores.
«Cuando lo comparamos con nuestro estándar de oro, que se llama método neumático con balón esofágico, la fidelidad es muy alta. Obtenemos las mismas medidas de resistencia con ambos métodos», dice Mazan. «Podrías preguntar, ‘si ese es el estándar de oro, ¿por qué no lo haces todo el tiempo?» Porque es un dolor gigante en el cuello. Tienes que pasar literalmente un globo por la nariz y tienen que tragarlo hacia el esófago. Los caballos que no están acostumbrados a este proceso se opondrán».
Mazan tiene la intención de volver con el equipo legal para completar la patente del dispositivo y, con suerte, encontrar una empresa a la que le gustaría venderlo. «Siempre les digo a los ingenieros que nadie se va a hacer rico con esto», se ríe. «Es divertido, y espero que sea útil».
