Acil solunum cihazı ihtiyacı için fizikçiler kolları sıvadı

Yeni koronavirüs salgını nedeniyle acil suni solunum cihazı ihtiyacını karşılamak için kolları sıvayan fizikçilerden oluşan (birbirinden bağımsız) üç ekip, laboratuvar deneyimlerinden yararlanarak yeni solunum cihazları tasarlamaya giriştiler. Amaçları hızlı ve düşük maliyetle üretilebilen, sade ve güvenilir solunum cihazları tasarlamak.

Bilim ve Aydınlanma

Dünyayı kasıp kavuran Covid-19 krizi nedeniyle birçok hastanede suni solunum cihazı yetersizliğinin sıkıntısını yaşanıyor. Acil ihtiyacı karşılamak için kolları sıvayan fizikçilerden oluşan (birbirinden bağımsız) üç ekip, laboratuvar deneyimlerinden yararlanarak yeni solunum cihazları tasarlamaya giriştiler. Amaçları hızlı ve düşük maliyetle üretilebilen, sade ve güvenilir solunum cihazları tasarlamak.

Suni solunum cihazları, hastanın soluk borusuna yerleştiren bir tüpün içerisindeki basınç, akış hacmi ve oksijen yoğunluğunu kontrol altına alarak hastanın akciğerlerine giren ve çıkan havayı düzenleyen cihazlardır. Covid-19 teşhisi konulan hastaların yalnızca küçük bir bölümü solunum cihazına ihtiyaç duymasına rağmen, hastalığın yaygın olarak görüldüğü bölgelerde binlerce yeni solunum cihazına ihtiyaç duyulabileceğine dair endişeler var. Dahası toplam ihtiyaç duyulan cihaz sayısı hala belirsizliğini koruyor.

Karanlık madde üzerine çalışan fizikçiler

Karanlık madde üzerine araştırmalar yürüten ‘DarkSide Collaboration’dan bir grup fizikçi olası bir solunum cihazı krizine karşı hastaların asgari ihtiyaçlarını karşılayacak –‘Mechanical Ventilator Milano’ (MVM) isimli– yeni bir solunum cihazı  tasarımı geliştirmek üzere Mart ayının başlarında işe koyuldu. Bu proje, ekibin karanlık madde araştırmalarıyla şaşırtıcı bir uyum gösteriyor çünkü İtalya’daki Gran Sasso Ulusal Laboratuvarı’ndaki sıvı argon detektörü hassas bir gaz kontrol sistemi gerektiriyor. Ekipte yer alan, İtalya’nın Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü’nden araştırmacı Water Bonivento, Darkside’da çalışan birçok araştırmacının gaz kontrolü konusunda uzman olduğunu söylüyor.

Benzer motivasyonlar Cenevre’deki CERN’de çalışan bir grup araştırmacıyı da harekete geçirmiş. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Deneyinde çalışan Paula Collins kendilerinin de halihazırda karbondioksit ile soğutulan parçacık detektörleri kullandıklarını söylüyor. O ve meslektaşları gaz düzenleyici sistemler üzerindeki uzmanlıklarını piyasadakilere göre daha sade solunum cihazları tasarlamak için kullanmaya karar vermişler. Collins, “halihazırda yaptığımız işlerle bir solunum cihazının ihtiyaç duyduğu işler gayet iyi örtüşüyor” diyor. Ekibin geliştirdiği solunum cihazının tasarımı Nisan ayının başlarında arXiv’de (bilimsel çalışmaların ön basımlarının yayımlandığı bir çevrimiçi arşiv) yayımlandı. Bu cihazın ismine de ‘High Energy physics community Ventilator (HEV)’ (Yüksek Enerji fiziği birliği Solunum Cihazı) verildi. Fizikçilerin idare ettiği üçüncü bir grup ise Portekiz’deki Enstrümantasyon ve Deneysel Parçacık Fiziği Laboratuvarı’ndan çıktı. Ekipten Paolo Fonte, salgının yarattığı aksaklıklara rağmen kolayca elde edilebilir endüstriyel parçalar kullanılarak minimalist bir solunum cihazı tasarımı ortaya koyduklarını açıkladı.

Hedefe yönelik sade tasarım

Üç grubun da peşinde olduğu çözüm hedefe yönelik bir solunum cihazı, zira Bonivento’nun söylediğine göre tipik solunum cihazları çok işlevli cihazlar. Bunlar geniş çeşitlilikte solunum problemleri için tasarlanmış, halbuki Covid-19 hastaları oldukça benzer semptomlara sahip. Bonivento’ya göre, eğer tek bir hastalıkla mücadele edilecekse, cihaz basit tutulabilir. Ekibin sağlık uzmanlarından aldığı görüşe göre, hassas basınç kontrolü solunum cihazları için çok büyük önem taşıyor. DarkSide’ın geliştirdiği tasarım (MVM), halihazırdaki solunum cihazlarındaki gibi karmaşık motorlar ve türbinler kullanmak yerine basınç altındaki oksijeni girdi olarak alıp, valfler aracılığıyla hedeflenen basınç değerlerine (20-80 milibar arası) düşürüyor.

CERN’ün tasarımı (HEV) ise 10 litrelik bir tankı tampon olarak kullanarak basıncı kontrol altına alıyor. Girdi olarak gelen gazın basıncı tampon tankında (buffer tank) düşürülüp hastaya gönderilmeden önce kontrol edilebiliyor. Collins’e göre, tampon tankı hem güvenlik hem de güvenilirlik sağlıyor. Amaç aynı zamanda –hobicilerin kullandığı bilgisayar kartları gibi– piyasada kolayca bulunabilen ve özel teknikler gerektirmeden hızlıca montajlanabilen parçalar kullanarak tasarımı gerçekleştirmek.

Üç grup da sağlık uzmanlarından aldıkları bilgilere dayanarak çalışmalarını gerçekleştiriyor. HEV (CERN) ekibine İsviçre’deki Lozan Üniversite Hastanesi’nden anestezi uzmanı Patrick Schoettker danışmanlık yapıyor. Schoettker, “Onların fizyoloji ve vücuttaki gaz değiş tokuşu konusunda uzmanlığı yoktu, benimse boru içinde akışın fiziği hakkında fikrim yoktu. Fikirleri bir araya getirerek bir çözüm üretmeye çalıştık” diyor. Ancak Schoettker solunum cihazı yapmanın bir ‘kendi kendine yap projesi’ olmadığını söyleyerek uyarıyor; çünkü basınç veya akış hacmindeki herhangi bir problem akciğerlere zarar verebilir.

Üç tasarım da henüz test aşamasında. Şu an için en önde giden MVM; İnsan solumasını simüle eden, silikondan yapılma bir akciğerde cihazın prototip testi yapılmış. Bonivento, şu an hastanelere gönderilmek üzere beş üretim ünitesine sahip olduklarını ancak ilgili devlet birimlerinden yetkilendirme beklediklerini belirtiyor. Ekip İtalya’daki Sivil Savunma (afetlere karşı) Departmanı’yla iletişime geçmiş ve birkaç hafta içerisinde kararın açıklanması bekleniyor. Ekibin –başını Kanada’daki Queen’s Üniversitesi’nden Nobel ödüllü fizikçi Art McDonald’ın çektiği– kuzey Amerika’daki üyeleri, Kanada ve Birleşik Devletler sağlık birimlerinden sertifika almak için çalışıyorlar.

HEV ekibi ise şimdiye kadar bir demonstrasyon cihazı ve test için üç prototipi tamamlamış. Şu an prototiplerden biri ‘TestChest’ denen bir simülatörde geniş çaplı testlere tabi tutuluyor. TestChest, aralarında ağır Covid-19 hastalarında görülen ‘akut solunum sıkıntısı sendromu’ da bulunan, farklı patolojilerin yol açtığı solunum bozukluklarını simüle ederek solunum cihazlarının performansını değerlendirebiliyor. Aslında TectChest’in amacı sağlık personelini solunum cihazı kullanımı konusunda eğitmek. Ama şu an solunum cihazlarını test etmek isteyen geliştiricilerden de talep görüyor.

Hala zaman gerekiyor

Gerekli tüm testler ve sertifikalar için hala zaman gerekli. CERN ekibine yardımcı olan anestezi uzmanı Schoettker’a göre, acil durum solunum cihazlarının hastalarda kullanılmak üzere onaylanması aylar alabilir. Schoettker, bu sürenin bazı ülkeler için çok geç olabileceğini, ancak yine de yaygın hale gelmiş bu tarz solunum cihazlarının hastalığa karşı önemli bir savunma hattı oluşturabileceğini söylüyor. Bu cihazlar üzerinde çalışan fizikçiler kendi tasarımlarının kullanılıp kullanılmamasıyla ilgilenmiyor; tek istedikleri ellerinden geldiğince insanlara yardımcı olabilmek. Portekiz ekibinden Fonte, “Üç haftadır durmaksızın solunum cihazımız üzerinde çalışıyorum. Ama umarım ki buna hiç ihtiyaç olmaz” diyor.

Şunu da not etmiş olalım, fizikçilerin yanı sıra, dünya çapında aynı amaç için bir araya gelmiş mühendisler ve sağlık uzmanlarından oluşan başka ekipler de var. Bu araştırmacıların ortaya koyduğu özverili çalışmalar, bilimsel yetkinlik ve bilginin serbestçe dolaşımının insanlığın ortak faydası için bir araya geldiğinde ne kadar etkili olabileceğini gösteren güzel bir örnek.

Çeviri: Cem Oran

Kaynak:

Physicists Design Emergency Ventilators, 14 Nisan 2020, https://physics.aps.org/articles/v13/58

Editörün notu: Bu haber, Amerikan Fizik Derneği'nin (American Association of Physics - APS) elektronik yayını olan physics.aps.org sitesinde yayınlanmıştır. Haberin içeriği bilim insanlarının toplumsal sorumluluk duygusunu yansıtan değerli bir örnek olduğu için haberi tüm okurların umut verici bulacağını düşünüyoruz. 

Bununla birlikte, bilim insanlarının naif yaklaşımı ve "insanlığın ortak yararı" konusunda temel misyonlarını kendi bilimsel yetkinlikleriyle sınırlı görmeleri, üzerine düşünülmesi gereken bir konudur. Dünya'nın bir kısmında veya tamamında sarsıntılara neden olan toplumsal sorunlarda bilim insanlarının yardımlaşma duygusuyla kolları sıvaması sık rastlanan bir durum olsa da, kapitalist toplumsal formasyonun bu sarsıntılardaki etkisini tartışma eğilimi ne yazık ki yaygın değildir. Yer yer salt ampirik gözlemlerle bile kolayca ifşa edilebilen kapitalizm etkisinin bu kadar az tartışılmasının, bilim insanlarının bu etkiyi fark etmekte yetersiz kalmalarından ziyade yerleşik toplumsal formasyonu sorgulama cesaretinin yeterince yaygınlaşmamış olmasından kaynaklandığını teslim etmek zorundayız. Bu nedenle, yayınladığımız bu haberi bir grup bilim insanının fedakârlığı ve sorumluluk duygusuna yapılan bir övgüyle beraber, onlara cesaret vermek amacıyla yapılan bir çağrı olarak da okumanızı öneriyoruz.