新型コロナウイルスのパンデミックにより、患者の呼吸を助ける医療機器が深刻に不足しています。
これを受け、UCLとF1チームのMercedes-AMG HPPのエンジニアたちが協力し、重症患者の呼吸を支援する持続的気道陽圧（CPAP）装置を開発しました。
UCLの医用物理学教授クレア・エルウェルが、チームがいかに短期間で装置を製造し、支援のため最前線へ届けることができたのかを説明します。
新型コロナウイルスのパンデミックが世界のほぼすべての国に広がるなか、呼吸補助を必要とする入院患者の数は前例のない水準に達しつつあります。メーカーにとって容易ではありませんが、追加の人工呼吸器を大量に迅速生産することは難しく、必要な機器の供給と需要に不均衡が生じる可能性があります。
この問題を緩和するため、UCL（私が勤めるロンドンの大学）とF1エンジンメーカーMercedes-AMG HPPのエンジニアチームは、持続的気道陽圧（CPAP）装置を大量に製造しようと全力で取り組んできました。この装置は、一般に睡眠時無呼吸症候群の治療に使われるものと似ており、重度の呼吸障害がある患者を支援することで、最重症患者のために人工呼吸器を確保できます。
新型コロナウイルスに関するあらゆる事柄と同様、何よりも速さが重要です。チームは、既存製品のリバースエンジニアリングと新設計の作成から、試験と規制当局の承認を経て本格生産に至るまでを、10日足らずで成し遂げました。
1か月以内に、英国政府の目標を達成する1万台が納入されました。メルセデスはノーサンプトン州ブリックスワースの施設全体を転用し、1日1,000台を生産しました。設計図と製造手順は現在、世界各地の政府、メーカー、研究者、医療専門家に無償で公開されています。1週間以内に、25か国の1,300を超えるチームに共有されました。
このプロジェクトの驚異的なスピードを可能にしたのは、UCL医療工学研究所の枠組みのもとで連携した、確立済みの学術、産業、臨床分野の協力関係でした。チームは、明確に定められた差し迫ったニーズに集中するため、速やかに動員されました。
プロジェクトは、ティム・ベイカー機械工学教授が、メルセデスAMG HPPの長年の協力者であるアンディ・カウエルとベン・ホジキンソンに連絡したことから始まりました。3月18日、彼らは機械工学を学ぶ学生向けにロンドン中心部に最近開設された施設、MechSpaceで会いました。
ベイカーはメルセデスのエンジニアたちに、UCL病院の集中治療医学教授、マーヴィン・シンガーから譲り受けた一般的なCPAPフロージェネレーターを見せ、簡潔にこう伝えました。「これがもっと必要です」。シンガーは、イタリアと中国の医師から連絡を受け、新型コロナウイルス感染症患者の管理にCPAPが重要な補助手段となるという経験を聞いていました。
持続的な圧力
機械換気とは異なり、CPAPでは患者の気管にチューブを挿入する必要がありません。その代わり、持続的な気圧（通常の大気圧よりわずかに高い圧力）をフェイスマスクを通して加え、気道を開いた状態に保ち、酸素を多く含む空気を患者に供給します。鎮静を必要とせず、患者が呼吸するために要する労力を減らします。
CPAPフロージェネレーターは、ベンチュリ効果と呼ばれる現象を利用して作動します。高速の酸素噴流が周囲の室内空気を取り込み、酸素を多く含む空気を高流量で送り出します。機械式バルブで圧力と酸素濃度を調整できます。
この設計の優れた点は、可動部品がないことです。そのためチームは、あらゆる寸法を細かく測定し、3Dコンピューターモデルと製造図面に起こすことで、装置をリバースエンジニアリングできました。
その後の2日間、MechSpaceはプロジェクトのピットレーンとなり、メルセデスチームのエンジニアたちはF1業界で培った専門知識を生かして、設計と試作品の製造を急ピッチで進めました。元UCL学生のジェイミー・ロビンソン、アレックス・ブレイクスリー、イスマイル・アフマドの3人も技術を提供しました。とりわけ、製造工程の基盤となるコンピューター設計を管理・保存するため、ロビンソンが在学中に開発した商用ソフトウェア（Mashoom）を使用しました。
メルセデスチームのレーシング精神が、驚異的な速さでプロセスを前進させました。ホジキンソンは、MechSpaceの入口をくぐってからブリックスワースの商用生産ラインで試作品用の材料を切断するまで、24時間以内に完了させるという課題を突きつけました。チームは目標に届きませんでしたが、遅れはわずか2時間でした。
チームが昼夜を問わず作業するなか、メンバーの一人が、洗面用品や着替えなどの必需品を買い足しに出かけました。最寄りの店で買ったTシャツが思いがけずチームのユニフォームとなり、そのロゴがCPAPシステムの名称、UCL-Venturaに採用されました。
規制当局の承認
医療機器の規制当局による承認には長い時間がかかり、何年も要する場合があります。しかしチームは、特許切れの装置であるRespironics WhisperFlowのリバースエンジニアリングに意図的に焦点を絞りました。この装置はNHSで数十年にわたり使用されていました。そのため、英国医薬品・医療製品規制庁（MHRA）から迅速に使用承認を得ることができました。
レベッカ・シプリー教授が率いるUCL医療工学研究所を通じてすでに築かれていた連携関係も、このプロジェクトを迅速に進めるうえで重要でした。
チームは複数の業界パートナーと緊密に連携し、酸素センサーやマスクなど、ほかの主要な規制対象部品の在庫状況を確認し、供給を手配しました。Mark Iの設計は3月27日、UCL病院と関連病院の患者を対象とする臨床試験に入り、4日後に政府の発注が確定しました。
トム・ピーチ、トム・ラッシュトン、ピーター・ウェストン、ジェームズ・ウィーバーをはじめとするUCLの機械工学者たちは、隣接するホテルに寝泊まりしながら、MechSpaceで全力の作業を続けています。装置のMark II版はすでに承認され、システムに必要な酸素量が大幅に減りました。そしてこの設計が、COVID-19への世界的な対応に向けて公開されました。
連携、革新、そして知識の実用化を通じて、この学際的なチームは十分な速さで取り組みを進め、この病気との闘いの最前線に不可欠な医療技術を届けることができました。
