新しい医療機​​器の設計

Jun 08, 2023

ES227 チーム ハートステップ: メイシー ウィエゾレック、ハリニ カンナン、ダニエル ムラス、ジョーイ リュー。 (エリザ・グリンネル/SEAS)

光のトンネルは人体との接触を検知できるでしょうか? 手首の筋肉の硬直を監視することで、パーキンソン病について何がわかるでしょうか? 市販のウェアラブル デバイスを臨床研究に応用できますか? 自動昇降装置は、高齢者が家中をより安全に移動できるようになるでしょうか?

ハーバード大学ジョン A. ポールソン工学応用科学大学院 (SEAS) の学生は、「ES227: 医療機器設計」でこれら 4 つの質問すべてに取り組みました。 このコースは、コナー・ウォルシュ氏、ポール・A・メーダー工学・応用科学教授、リンゼー・モイヤー氏（生体医工学学部研究部門アソシエートディレクター）の共同指導のもと、学生にデバイス設計プロセス全体を案内しました。 ES227 が提供されるのは 4 年間で初めてであり、Science and Engineering Complex (SEC) で提供されるのは初めてです。

「このコースが再び提供されることに興奮しています」とウォルシュ氏は語った。 「私たちの生徒たちは皆、他のクラスで学んだことを現実世界の設計プロジェクトに応用し、現実世界の関係者と協力するというアイデアを高く評価しています。」

ウォルシュとモイヤーはクラスを 4 つのグループに分け、それぞれに広範な医学的課題を与えました。 その後、このコースでは、問題と主要な関係者の定義から、潜在的な解決策の反復とテスト、プロトタイプの構築に至るまで、すべての設計段階を通過しました。

「当初は、すぐに設計したいという彼らの欲求にブレーキをかけ、利害関係者にインタビューし、問題の状況を理解することにもっと時間を費やしてもらう必要がありました」とモイヤー氏は語った。

ES227 チーム右：ルーベン・フォンセカ、ラクレイン・マグラナハン、ソフィア・カストーレ、キャサリン・ペイン、ベルサベ・ケルカイ。 (エリザ・グリンネル/SEAS)

クラスは学期を大まかに 3 つに分けました。 最初の 3 分の 1 は問題の特定に焦点を当て、その後、最終プロジェクトのアイデア出しと選択が続きました。 第 3 段階では実装とプロトタイピングに重点が置かれ、授業はオープン ラボの時間として機能することがよくありました。

「最初の 1 か月半以内に私たちがエンジニアリング ソリューションを彼らに持ち込んだとしても、彼らは『いや、それについて話しているのではありません。問題を定義し続けてください』と言うでしょう」と若手機械工学集中者のソフィア・カストーレ氏は語った。 。 「何かを視覚化し、それに命を吹き込むのはとても大変でした。私たちの授業の多くは理論的なもので、好きなだけ理論化することができますが、それは本当のエンジニアリングではありません。結局のところ、実際にそれを行う必要があります。何かを構築して、それが実際に機能することを確認してください。」

問題と関係者が定義されると、各グループは自由に解決策を考え出すことができました。 Castore 氏と機械工学科 3 年生の Lachlain McGranahan 氏は、リニア アクチュエータとフット ペダルを使用して人を座位から立位まで持ち上げる自立型デバイス UpRight の設計に協力しました。 このような機器は高齢者施設で見られるが、マクグラナハン氏のチームは自宅で監督なしで使用できる機器を構築した。

「彼らが怪我をしていないかどうかを監視する人は誰もいないので、家に持ち帰るのに十分な手頃な価格のものを手に入れることができるのは本当に強力です」とマクグラナハンさんは語った。 「コースの早い段階でコナーが特に強調していたのは、最終製品をどうしたいのかを忘れていることです。実際にデザインについて考えることは忘れて、問題が何であるかをできるだけ自分に知らせてください。これは非常に役に立ちます。解決策にすぐに飛び込んでください。何を探しているのかわかりません。」

ES227 チーム SPARC: チェルシー カンピージョ ロドリゲス、サラ カバナー、ダニエル スミス、マルセル トルネ ビジャセビル。 (エリザ・グリンネル/SEAS)

マクグラナハン氏のグループには複数の機械工学の学生が含まれており、機械的な解決策を導き出しました。 しかし、生物工学とコンピューターサイエンスの大学院生で構成された別のチームは、パーキンソン病患者の硬直を定量化するアルゴリズムを開発することで課題に取り組みました。 彼らは、ハーバード大学とウィス研究所で開発された新しいウェアラブルひずみセンサーを使用しました。

「私たちは、計算に関する共通の関心に基づいて、よりデータ主導型のプロジェクトに引き寄せられました」と、G1 Ph.D のサラ・キャバナ氏は述べています。 生物工学の学生。 「本当にユニークな経験でした。この授業は、クイズや試験のある伝統的な授業を受けるのではなく、一学期にわたる研究プロジェクトのようなものでした。」

理論を実際のデザインに適用することは、クラスの生徒たちのお気に入りの側面の中で繰り返し取り上げられたテーマでした。 システム思考の学習、つまり、終わりのない課題を、主要な関係者とともに明確に定義された問題に変えて、具体的な解決策を導き出すプロセスも、もう 1 つでした。

Harini Kannan 氏のチーム、HeartStep Solutions は、長期間にわたってデータを収集できる低コストの心拍数モニターと加速度計を構築し、研究や医療介入の目的により適したウェアラブル デバイスにしました。

「現実世界への応用、そして何かを考え、非常に独創的なソリューションを提案、開発できることは、私の従来の機械工学コースとは明らかに異なります。」と 3 年生のカンナンは言いました。 「このクラスの最初の 3 分の 1 は、問題の背景と現在市販されているデバイスについて学ぶことに費やされました。これは、その後のエンジニアリング コースやそれ以降のコースでも活用できる、非常に貴重なスキルです。」

RoundHouse Technologies は、衝撃の力を記録できる光受容センサーを開発しました。 これはテコンドー競技の蹴りを記録するためのもので、ボディシールドやヘッドギアに蹴りを記録することで得点が加算されます。 RoundHouse のセンサーは光学トンネルを投影し、光の変形に基づいて衝撃スコアを作成します。

Roundhouse Technologies のメンバー、Kade Kelsch 氏 (左) と Olisaneme Okonkwo 氏が光学トンネル センサーをデモしています。 (エリザ・グリンネル/SEAS)

ES227 チーム Roundhouse Technologies: Olisaneme Okonkwo、Kade Kelsch、Clayton Donhauser、Nathaniel DeLucca、テコンドーの達人 Dan Chuang。 (エリザ・グリンネル/SEAS)

「衝撃の力によってトンネルの形状が変化します」と、機械工学科の集中学科3年生のナサニエル・デルーカ氏は語った。 「トンネルの断面積を小さくすると、トンネルを通過できる光の量が減ります。」

今学期の成功に後押しされて、ウォルシュ氏は今後もこのコースを毎年開講することが目標だと語った。

「デザインの観点からより多くの直観を得るということは、このクラスからしか得られないことです」と、チーム RoundHouse Technologies の生物工学科 3 年生の Olisaname Okonkwo 氏は言います。 「他の多くのクラスは計算を学び、一連の問題を解くことを目的としていますが、これは非常に広範な問題を解決し、問題を解決策を見つけることができる部分に分解する方法を実際に理解することでした。」

トピック：学術、生物工学、コンピュータサイエンス、材料科学および機械工学、光学/フォトニクス、ロボット工学、テクノロジー

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マット・ゴイスマン | [email protected]

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