Conception d'un nouveau dispositif médical

May 01, 2023

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

Un tunnel de lumière pourrait-il détecter le contact avec un corps humain ? Que peut nous apprendre la surveillance de la rigidité des muscles du poignet sur la maladie de Parkinson ? Les appareils portables commerciaux peuvent-ils être adaptés à la recherche clinique ? Un appareil de levage automatisé aiderait-il les personnes âgées à se déplacer de manière plus sûre dans leur domicile ?

Les étudiants de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont abordé ces quatre questions dans "ES227 : Medical Device Design". Co-animé par Conor Walsh, professeur Paul A. Maeder d'ingénierie et de sciences appliquées, et Linsey Moyer, directrice associée des études de premier cycle en génie biomédical, le cours a guidé les étudiants tout au long du processus de conception du dispositif. C'est la première fois que ES227 est proposé en quatre ans, et la toute première fois au Science and Engineering Complex (SEC).

"Nous sommes ravis que le cours soit à nouveau proposé", a déclaré Walsh. "Nos étudiants apprécient tous l'idée d'appliquer ce qu'ils ont appris dans d'autres classes à des projets de conception réels et de travailler avec des parties prenantes du monde réel."

Walsh et Moyer ont divisé la classe en quatre groupes, chacun d'eux ayant reçu un vaste défi médical. Le cours a ensuite parcouru toutes les étapes de la conception, de la définition du problème et des principales parties prenantes, à l'itération et au test de solutions potentielles, jusqu'à la construction d'un prototype.

"Au début, nous avons dû freiner leur désir de concevoir immédiatement et les amener à passer plus de temps à interroger les parties prenantes et à comprendre le paysage du problème", a déclaré Moyer.

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

La classe a divisé le semestre à peu près en tiers. Le premier tiers s'est concentré sur l'identification du problème, suivi de l'idéation et de la sélection d'un projet final. La troisième étape s'est concentrée sur la mise en œuvre et le prototypage, avec des classes travaillant souvent comme du temps de laboratoire ouvert.

"Si nous leur apportions des solutions d'ingénierie au cours du premier mois et demi, ils diraient:" Non, nous ne parlons pas de cela. Continuez à définir votre problème "", a déclaré Sofia Castore, une jeune concentratrice en génie mécanique. "C'était beaucoup de visualiser quelque chose et de lui donner vie. Beaucoup de nos cours sont théoriques, et vous pouvez théoriser tout ce que vous voulez, mais ce n'est pas vraiment ce qu'est l'ingénierie. En fin de compte, vous devez réellement construire quelque chose et vous assurer que cela fonctionne réellement."

Une fois le problème et les parties prenantes définis, chaque groupe avait ensuite la liberté de proposer une solution. Castore et Lachlain McGranahan, étudiant en génie mécanique de troisième année, ont aidé à concevoir UpRight, un dispositif autonome qui utilise un actionneur linéaire et une pédale pour faire passer une personne de la position assise à la position debout. Bien que de tels appareils puissent être trouvés dans les maisons de soins pour personnes âgées, l'équipe de McGranahan en a construit un qui pourrait être utilisé sans supervision à la maison.

"Personne ne surveille pour s'assurer qu'ils ne se blessent pas, donc pouvoir avoir quelque chose d'assez abordable pour l'envoyer chez eux est vraiment puissant", a déclaré McGranahan. "Une chose que Conor a vraiment soulignée au début du cours était d'oublier ce que vous vouliez que le produit final soit. Oubliez de penser réellement aux conceptions et informez-vous autant que possible sur le problème. C'est vraiment utile parce que si vous plongez directement dans la solution, vous ne savez pas ce que vous cherchez."

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

Le groupe de McGranahan comprenait plusieurs étudiants en génie mécanique, ce qui a conduit à une solution mécanique. Mais une autre équipe - composée d'étudiants diplômés en bioingénierie et en informatique - a relevé le défi en développant des algorithmes pour quantifier la rigidité chez les patients atteints de la maladie de Parkinson. Ils ont utilisé de nouveaux capteurs de contrainte portables développés à l'Université de Harvard et au Wyss Institute.

"Nous nous sommes tournés vers un projet davantage axé sur les données basé sur nos intérêts informatiques collectifs", a déclaré Sarah Cavanagh, titulaire d'un doctorat G1. étudiant en génie biologique. "Ce fut une expérience vraiment unique. Au lieu de suivre un cours plus traditionnel, avec des quiz et des examens, ce cours ressemblait plus à un projet de recherche d'un semestre."

L'application de la théorie à la conception pratique était un thème récurrent parmi les aspects préférés des étudiants de la classe. L'apprentissage de la pensée systémique, le processus de transformation d'un défi ouvert en un problème clairement défini avec les principales parties prenantes qui informe la solution spécifique, en était un autre.

L'équipe de Harini Kannan, HeartStep Solutions, a construit un moniteur de fréquence cardiaque et un accéléromètre à faible coût qui peuvent collecter des données sur de longues périodes, ce qui en fait un appareil portable plus approprié à des fins de recherche et d'intervention médicale.

"L'application au monde réel et la capacité de réfléchir à quelque chose et de proposer et développer des solutions très originales sont définitivement différentes de mes cours de génie mécanique plus traditionnels", a déclaré Kannan, un étudiant de troisième année. "Le premier tiers de ce cours a été consacré à l'apprentissage du contexte du problème et des appareils actuels sur le marché. C'est une compétence très précieuse que je peux apporter à mes cours d'ingénierie ultérieurs et au-delà."

RoundHouse Technologies a créé un capteur photoréceptif capable d'enregistrer la force de l'impact. Il est destiné à enregistrer les coups de pied dans les compétitions de taekwondo, dans lesquelles les points sont marqués en enregistrant des coups de pied sur le bouclier corporel ou le couvre-chef. Les capteurs de RoundHouse projettent un tunnel optique, puis créent un score d'impact basé sur la déformation de la lumière.

Kade Kelsch, à gauche, et Olisaneme Okonkwo, membres de Roundhouse Technologies, font la démonstration de leur capteur de tunnel optique. (Eliza Grinnell/SEAS)

Équipe ES227 Roundhouse Technologies : Olisaneme Okonkwo, Kade Kelsch, Clayton Donhauser et Nathaniel DeLucca, avec le maître de taekwondo Dan Chuang. (Eliza Grinnell/SEAS)

"La force de l'impact modifie la forme du tunnel", a déclaré Nathaniel DeLucca, un concentrateur de troisième année en génie mécanique. "En réduisant la section transversale du tunnel, vous réduisez la quantité de lumière qui peut traverser le tunnel."

Alimenté par le succès de ce semestre, Walsh dit que l'objectif est d'avoir le cours offert chaque année à l'avenir.

"Gagner plus d'intuition du point de vue de la conception est quelque chose qui ne peut être acquis que dans ce cours", a déclaré Olisaname Okonkwo, étudiante en troisième année en bio-ingénierie de l'équipe RoundHouse Technologies. "Beaucoup d'autres cours portent sur l'apprentissage des calculs et la résolution d'ensembles de problèmes, mais il s'agissait de résoudre un problème très large et de vraiment comprendre comment décomposer les problèmes en éléments pour lesquels nous pouvons trouver des solutions."

Les sujets:Universitaires, Bioingénierie, Informatique, Science des matériaux et génie mécanique, Optique / Photonique, Robotique, Technologie

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