Diseño de un nuevo dispositivo médico

Mar 16, 2023

Equipo ES227 HeartStep: Maycee Wieczorek, Harini Kannan, Daniel Mhrous y Joey Liu. (Eliza Grinnell/SEAS)

¿Podría un túnel de luz detectar el contacto con un cuerpo humano? ¿Qué puede decirnos el seguimiento de la rigidez de los músculos de la muñeca sobre la enfermedad de Parkinson? ¿Se pueden adaptar los dispositivos portátiles comerciales para la investigación clínica? ¿Un dispositivo de elevación automatizado ayudaría a los ancianos a moverse de manera más segura por sus hogares?

Los estudiantes de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) abordaron estas cuatro preguntas en "ES227: Diseño de dispositivos médicos". Co-impartido por Conor Walsh, Paul A. Maeder Profesor de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, y Linsey Moyer, Directora Asociada de Estudios de Pregrado en Ingeniería Biomédica, el curso llevó a los estudiantes a través de todo el proceso de diseño del dispositivo. Es la primera vez que se ofrece ES227 en cuatro años, y la primera vez en el Complejo de Ciencia e Ingeniería (SEC).

"Estamos emocionados de que el curso se vuelva a ofrecer", dijo Walsh. "Todos nuestros estudiantes aprecian la idea de aplicar lo que han aprendido en otras clases a proyectos de diseño del mundo real y trabajar con partes interesadas del mundo real".

Walsh y Moyer dividieron la clase en cuatro grupos, a cada uno de los cuales se le asignó un amplio desafío médico. Luego, el curso recorrió todas las etapas de diseño, desde la definición del problema y las partes interesadas clave, hasta la iteración y prueba de posibles soluciones, hasta la construcción de un prototipo.

"Al principio, tuvimos que poner freno a su deseo de diseñar de inmediato y hacer que pasaran más tiempo entrevistando a las partes interesadas y comprendiendo el panorama del problema", dijo Moyer.

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

La clase dividió el semestre aproximadamente en tercios. El primer tercio se centró en la identificación del problema, seguido de la ideación y selección de un proyecto final. La tercera etapa se centró en la implementación y creación de prototipos, con clases que a menudo funcionaban como tiempo de laboratorio abierto.

"Si les trajimos alguna solución de ingeniería en el primer mes y medio, dirían: 'No, no estamos hablando de eso. Siga definiendo su problema'", dijo Sofia Castore, una concentradora junior de ingeniería mecánica. . "Fue mucho visualizar algo y hacer que cobrara vida. Muchas de nuestras clases son teóricas, y puedes teorizar todo lo que quieras, pero eso no es realmente lo que es la ingeniería. Al final del día, necesitas realmente construye algo y asegúrate de que realmente funcione".

Con el problema y las partes interesadas definidos, cada grupo tuvo la libertad de encontrar una solución. Castore y el estudiante de tercer año de ingeniería mecánica Lachlain McGranahan ayudaron a diseñar UpRight, un dispositivo independiente que utiliza un actuador lineal y un pedal para elevar a una persona de una posición sentada a una de pie. Si bien estos dispositivos se pueden encontrar en hogares de ancianos, el equipo de McGranahan construyó uno que podría usarse sin supervisión en el hogar.

"Nadie está mirando para asegurarse de que no se lastimen, por lo que poder tener algo lo suficientemente asequible para enviar a casa con ellos es realmente poderoso", dijo McGranahan. "Una cosa que Conor realmente enfatizó al principio del curso fue olvidarse de lo que quería que fuera el producto final. Olvídese de pensar en los diseños e infórmese tanto como sea posible sobre cuál es el problema. Eso es realmente útil porque si simplemente sumérgete en la solución, no sabes lo que estás buscando".

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

El grupo de McGranahan incluía a varios estudiantes de ingeniería mecánica, lo que llevó a una solución mecánica. Pero otro equipo, compuesto por estudiantes graduados en bioingeniería e informática, abordó su desafío mediante el desarrollo de algoritmos para cuantificar la rigidez en pacientes con enfermedad de Parkinson. Utilizaron sensores de tensión novedosos y portátiles que se desarrollaron en la Universidad de Harvard y el Instituto Wyss.

"Gravitamos hacia un proyecto más basado en datos basado en nuestros intereses computacionales colectivos", dijo Sarah Cavanagh, G1 Ph.D. estudiante de bioingeniería. "Fue una experiencia realmente única. En lugar de tomar una clase más tradicional, con pruebas y exámenes, esta clase fue más como un proyecto de investigación de un semestre".

La aplicación de la teoría al diseño práctico fue un tema recurrente entre los aspectos favoritos de la clase de los estudiantes. El pensamiento sistémico de aprendizaje, el proceso de convertir un desafío abierto en un problema claramente definido con las partes interesadas clave que informan la solución específica, fue otro.

El equipo de Harini Kannan, HeartStep Solutions, construyó un monitor de frecuencia cardíaca y un acelerómetro de bajo costo que pueden recopilar datos durante largos períodos de tiempo, lo que lo convierte en un dispositivo portátil más adecuado para fines de investigación e intervención médica.

"La aplicación al mundo real y poder pensar en algo y proponer y desarrollar soluciones muy innovadoras es definitivamente diferente de mis cursos de ingeniería mecánica más tradicionales", dijo Kannan, un estudiante de tercer año. "Pasé el primer tercio de esta clase aprendiendo sobre los antecedentes del problema y los dispositivos actuales en el mercado. Esa es una habilidad realmente valiosa que puedo llevar a mis cursos de ingeniería posteriores y más allá".

RoundHouse Technologies creó un sensor fotorreceptor que puede registrar la fuerza del impacto. Está destinado a registrar patadas en competiciones de taekwondo, en las que se anotan puntos al registrar patadas en el protector corporal o en el casco. Los sensores de RoundHouse proyectan un túnel óptico y luego crean una puntuación de impacto basada en la deformación de la luz.

Kade Kelsch, izquierda, y Olisaneme Okonkwo, miembros de Roundhouse Technologies, demuestran su sensor de túnel óptico. (Eliza Grinnell/SEAS)

Equipo ES227 Roundhouse Technologies: Olisaneme Okonkwo, Kade Kelsch, Clayton Donhauser y Nathaniel DeLucca, con el maestro de Taekwondo Dan Chuang. (Eliza Grinnell/SEAS)

"La fuerza del impacto cambia la forma del túnel", dijo Nathaniel DeLucca, un concentrador de ingeniería mecánica de tercer año. "Al reducir el área de la sección transversal del túnel, se reduce la cantidad de luz que puede atravesar el túnel".

Impulsado por el éxito de este semestre, Walsh dice que el objetivo es que el curso se ofrezca cada año en el futuro.

"Obtener más intuición desde la perspectiva del diseño es algo que se puede obtener de manera única en esta clase", dijo Olisaname Okonkwo, estudiante de bioingeniería de tercer año en el equipo de RoundHouse Technologies. "Muchas otras clases tratan sobre el aprendizaje de cálculos y la resolución de conjuntos de problemas, pero esta fue la resolución de un problema realmente amplio y la comprensión real de cómo dividir los problemas en partes para las que podemos encontrar soluciones".

Temas:Académicos, Bioingeniería, Ciencias de la Computación, Ciencia de los Materiales e Ingeniería Mecánica, Óptica/Fotónica, Robótica, Tecnología

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