TED日本語 - エリカ・フランクル: どこでも麻酔器


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TED日本語 - エリカ・フランクル: どこでも麻酔器

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The universal anesthesia machine


Erica Frenkel






I'm going to talk to you today about the design of medical technology for low resource settings. I study health systems in these countries. And one of the major gaps in care, almost across the board, is access to safe surgery. Now one of the major bottlenecks that we've found that's sort of preventing both the access in the first place and the safety of those surgeries that do happen is anesthesia. And actually, it's the model that we expect to work for delivering anesthesia in these environments.

Here we have a scene that you would find in any operating room across the U.S. or any other developed country. In the background there is a very sophisticated anesthesia machine. And this machine is able to enable surgery and save lives because it was designed with this environment in mind. In order to operate, this machine needs a number of things that this hospital has to offer. It needs an extremely well-trained anesthesiologist with years of training with complex machines to help her monitor the flows of the gas and keep her patients safe and anesthetized throughout the surgery. It's a delicate machine running on computer algorithms, and it needs special care, TLC, to keep it up and running, and it's going to break pretty easily. And when it does, it needs a team of biomedical engineers who understand its complexities, can fix it, can source the parts and keep it saving lives.

It's a pretty expensive machine. It needs a hospital whose budget can allow it to support one machine costing upwards of 50 or $ 100,000. And perhaps most obviously, and perhaps most importantly -- and the path to concepts that we've heard about kind of illustrate this -- it needs infrastructure that can supply an uninterrupted source of electricity, of compressed oxygen and other medical supplies that are so critical to the functioning of this machine. In other words, this machine requires a lot of stuff that this hospital can not offer.

This is the electrical supply for a hospital in rural Malawi. In this hospital, there is one person qualified to deliver anesthesia, and she's qualified because she has 12, maybe 18 months of training in anesthesia. In the hospital and in the entire region there's not a single biomedical engineer. So when this machine breaks, the machines they have to work with break, they've got to try and figure it out, but most of the time, that's the end of the road. Those machines go the proverbial junkyard. And the price tag of the machine that I mentioned could represent maybe a quarter or a third of the annual operating budget for this hospital.

And finally, I think you can see that infrastructure is not very strong. This hospital is connected to a very weak power grid,one that goes down frequently. So it runs frequently, the entire hospital, just on a generator. And you can imagine, the generator breaks down or runs out of fuel. And the World Bank sees this and estimates that a hospital in this setting in a low-income country can expect up to 18 power outages per month. Similarly compressed oxygen and other medical supplies are really a luxury and can often be out of stock for months or even a year.

So it seems crazy, but the model that we have right now is taking those machines that were designed for that first environment that I showed you and donating or selling them to hospitals in this environment. It's not just inappropriate, it becomes really unsafe.

One of our partners at Johns Hopkins was observing surgeries in Sierra Leone about a year ago. And the first surgery of the day happened to be an obstetrical case. A woman came in, she needed an emergency C-section to save her life and the life of her baby. And everything began pretty auspiciously. The surgeon was on call and scrubbed in. The nurse was there. She was able to anesthetize her quickly, and it was important because of the emergency nature of the situation. And everything began well until the power went out. And now in the middle of this surgery, the surgeon is racing against the clock to finish his case, which he can do -- he's got a headlamp. But the nurse is literally running around a darkened operating theater trying to find anything she can use to anesthetize her patient, to keep her patient asleep. Because her machine doesn't work when there's no power. And now this routine surgery that many of you have probably experienced, and others are probably the product of, has now become a tragedy. And what's so frustrating is this is not a singular event; this happens across the developing world. 35 million surgeries are attempted every year without safe anesthesia.

My colleague, Dr. Paul Fenton, was living this reality. He was the chief of anesthesiology in a hospital in Malawi, a teaching hospital. He went to work every day in an operating theater like this one, trying to deliver anesthesia and teach others how to do so using that same equipment that became so unreliable, and frankly unsafe, in his hospital. And after umpteen surgeries and, you can imagine, really unspeakable tragedy, he just said, "That's it. I'm done. That's enough. There has to be something better." So he took a walk down the hall to where they threw all those machines that had just crapped out on them -- I think that's the scientific term -- and he just started tinkering. He took one part from here and another from there, and he tried to come up with a machine that would work in the reality that he was facing.

And what he came up with was this guy, the prototype for the Universal Anesthesia Machine -- a machine that would work and anesthetize his patients no matter the circumstances that his hospital had to offer. Here it is back at home at that same hospital, developed a little further,12 years later, working on patients from pediatrics to geriatrics.

Now let me show you a little bit about how this machine works. Voila! Here she is. When you have electricity, everything in this machine begins in the base. There's a built-in oxygen concentrator down there. Now you've heard me mention oxygen a few times at this point. Essentially, to deliver anesthesia, you want as pure oxygen as possible, because eventually you're going to dilute it essentially with the gas. And the mixture that the patient inhales needs to be at least a certain percentage oxygen or else it can become dangerous. But so in here when there's electricity, the oxygen concentrator takes in room air. Now we know room air is gloriously free, it is abundant, and it's already 21 percent oxygen. So all this concentrator does is take that room air in, filter it and send 95 percent pure oxygen up and across here where it mixes with the anesthetic agent.

Now before that mixture hits the patient's lungs, it's going to pass by here -- you can't see it, but there's an oxygen sensor here -- that's going to read out on this screen the percentage of oxygen being delivered. Now if you don't have power, or, God forbid, the power cuts out in the middle of surgery, this machine transitions automatically, without even having to touch it, to drawing in room air from this inlet.

Everything else is the same. The only difference is that now you're only working with 21 percent oxygen. Now that used to be a dangerous guessing game, because you only knew if you had given too little oxygen once something bad happened. But we've put a long-life battery backup on here. This is the only part that's battery backed up. But this gives control to the provider, whether there's power or not, because they can adjust the flow based on the percentage of oxygen they see that they're giving their patient.

In both cases, whether you have power or not, sometimes the patient needs help breathing. It's just a reality of anesthesia. The lungs can be paralyzed. And so we've just added this manual bellows. We've seen surgeries for three or four hours to ventilate the patient on this.

So it's a straightforward machine. I shudder to say simple; it's straightforward. And it's by design. And you do not need to be a highly trained, specialized anesthesiologist to use this machine, which is good because, in these rural district hospitals, you're not going to get that level of training. It's also designed for the environment that it will be used in.

This is an incredibly rugged machine. It has to stand up to the heat and the wear and tear that happens in hospitals in these rural districts. And so it's not going to break very easily, but if it does, virtually every piece in this machine can be swapped out and replaced with a hex wrench and a screwdriver. And finally, it's affordable. This machine comes in at an eighth of the cost of the conventional machine that I showed you earlier. So in other words, what we have here is a machine that can enable surgery and save lives because it was designed for its environment, just like the first machine I showed you.

But we're not content to stop there. Is it working? Is this the design that's going to work in place? Well we've seen good results so far. This is in 13 hospitals in four countries, and since 2010, we've done well over 2,000 surgeries with no clinically adverse events. So we're thrilled. This really seems like a cost-effective, scalable solution to a problem that's really pervasive. But we still want to be sure that this is the most effective and safe device that we can be putting into hospitals.

So to do that we've launched a number of partnerships with NGOs and universities to gather data on the user interface, on the types of surgeries it's appropriate for and ways we can enhance the device itself. One of those partnerships is with Johns Hopkins just here in Baltimore. They have a really cool anesthesia simulation lab out in Baltimore. So we're taking this machine and recreating some of the operating theater crises that this machine might face in one of the hospitals that it's intended for, and in a contained, safe environment, evaluating its effectiveness. We're then able to compare the results from that study with real world experience, because we're putting two of these in hospitals that Johns Hopkins works with in Sierra Leone, including the hospital where that emergency C-section happened.

So I've talked a lot about anesthesia, and I tend to do that. I think it is incredibly fascinating and an important component of health. And it really seems peripheral, we never think about it, until we don't have access to it, and then it becomes a gatekeeper. Who gets surgery and who doesn't? Who gets safe surgery and who doesn't? But you know, it's just one of so many ways that design, appropriate design, can have an impact on health outcomes. If more people in the health delivery space really working on some of these challenges in low-income countries could start their design process, their solution search, from outside of that proverbial box and inside of the hospital -- in other words, if we could design for the environment that exists in so many parts of the world, rather than the one that we wished existed -- we might just save a lot of lives.

Thank you very much.


本日お話するのは 資源が乏しい環境での医療技術のデザインについてです 低資源環境国の医療機器を研究しています 全体的にみて例外なく 最も大きな差がでる事の一つは 安全に手術ができるかどうかです 判明した主要なボトルネックのひとつは そもそも手術ができるかどうかと 手術できた場合には手術中に 安全に麻酔がかけられるかどうかです そこで 考えたのは 厳しい環境で麻酔をかけられる 装置の仕組です

こちらは米国や他の先進国では よく見る典型的な手術室の光景です 奥には非常に高性能な 麻酔器があります この機械には手術を可能にし 人命を救う力があります 先進国の環境を前提にして 設計されたので洗練されています この機械を動作させるには病院側で色々と 準備する必要があります この複雑な機械の使用には長年に渡る厳しい訓練を 受けた麻酔医が必要になります 手術中ずっとモニターを監視しながら 患者を安全に麻酔状態に保てる 麻酔医でなくてはいけません 麻酔器はコンピュータアルゴリズム制御の非常に繊細な機械で 簡単に壊れてしまうため長く使用するには 特別に優しく配慮する必要があります 壊れてしまうと機械の複雑さや壊れる箇所を知っていて 修理できて修理部品を調達できて 生命を救える状態にできる 生物医学技師のチームが必要です

麻酔器はかなり高くつく機械なのです 麻酔器を1台使うのに 病院側の予算としては 5万超か10万ドルは必要になります そして その中でもおそらく 最もはっきりして最も重要なのは 紹介した機能概念からなんとなく お分かりかと思いますが インフラが必要ということです インフラによって 絶え間の無い電力供給や 圧縮酸素や 医療用品などの 麻酔器の稼働に 非常に不可欠なものを提供します 言いかえれば 麻酔器は画像の様な病院では支えきれない 多くの資源を必要とします

この画像はマラウイの地方病院に 電源供給している配電盤です この病院には有資格の 麻酔科医が一人います この彼女は 12カ月もしくは18カ月の 麻酔研修を受けているので 資格がありふさわしい人です この病院にもこの地域全体としても 生物医学技師はひとりもいません 麻酔器が故障したら 使用する麻酔機械が 壊れたら なんとか問題を突き止めようと 努力しますがほとんどの場合には なす術がなくなります 故障した麻酔器は地区の廃棄場に捨てられます この話の麻酔器の価格は おそらくこの病院の年間予算の 4分の1ないし3分の1に 匹敵します

ここまでくれば インフラがそれほど良くないと分かると思います この病院が使用する貧弱な電源網では 頻繁に電源供給が停止します 病院全体がただひとつの発電機に 依存することが頻繁に起こります 想像にやすいですが 発電機が故障したり 燃料が無くなったりします 世界銀行の試算によれば 低所得国のこのような環境の病院では ひと月に18に及ぶほどの停電が 発生する可能性があります 同様に圧縮酸素やほかの医療用品は とても高価なもので 時には何カ月や一年に渡ってまで 手元にないことがありえます

全くおかしな状況ではありますが 現在の援助の仕方では 先進国の環境ようにデザインされた 麻酔器を乏しい環境にある病院に 寄付したり販売しているため 環境適合ができないばかりか 安全性も著しく損なわれます

1年ほど前にジョン・ホプキンス大学病院の 共同研究者がシエラレオネの 外科医を調査しました その日の最初の手術はたまたま産科の手術でした 女性が運ばれてきて母子の命を救う為には 帝王切開が必要でした 手術はさい先良く始まりました 外科医は待機して洗浄を済ませ入室しました 看護師も待機していました 麻酔医は迅速に麻酔をかけました 緊急手術を行う性質から考えて迅速さは重要でした 停電してしまうまでは 全てが順調なすべりだしでした 手術のまっただなかで 外科医はこの手術を終わらせるべく一刻を争って駆け続けます 頭部の手術灯があるから続けられます 看護師は真っ暗になった手術室で 患者の麻酔を継続させて患者が麻酔状態を保つように 正に駆けまわりながら 何かが無いか探します 麻酔器は電源が断たれると動作しないからです ここにいる医師の皆さんが日常的に行っている手術 もしくは この術式によって誕生できた人もいる手術が 悲劇となってしまいました 途上国ではこんなことが1回限りの偶然ではなく 日常的に起こっています 安全な麻酔が無い中でのこのような手術が 毎年3500万件も行われています

同僚のポール・フェントン医師は こんな手術を続けていました 彼はマラウイの病院で麻酔医長をしています この病院は研修指導病院です 毎日働きに行き病院の 画面に出ている公開手術室で 毎日麻酔をかけ 研修者が患者に麻酔をかけられるよう指導します 彼の病院にある 安定を大きく欠いた 安全性のない 同じ種類の麻酔器を使ってです 数えくれないくらいの手術をして 語り切れないほどの悲劇を目の当たりにして 彼は言いました 「もういい やめだ もうこりごりだ 何かもっといい方法があるはずだ」 彼は病院の廊下を歩き これまでの手術を 台無しにした壊れた機械の廃棄所に来ました これは科学的な試みの時間と思いました 彼はただただ色々いじりはじめました 彼はここからそこから部品部品を集めて 直面している現実環境でも動作する 機械を創りだそうとしていました

そして彼が作ったのがこれです 「どこでも麻酔器」の試作品です どのような病院環境であっても 動作し患者に 麻酔をかけることができる機械です 12年間を経て先程の病院に 多少なりとも発展した麻酔機が帰ってきました 小児科から老年科の患者に対して使われています

さぁどんな風にしてこの機械が動くのかご紹介します ジャーン これがそうです 電源がある場合には全ての 動作は下の方から開始されます 内蔵型酸素圧縮機が下の方についています 酸素については既に何度か言及してきましたよね 麻酔をかけるには基本的に できるかぎり純度の高い酸素が必要です 最終的にはその酸素を麻酔ガスと 混ぜて使用するからです 患者が吸入する際には 酸素濃度が一定値に達していないと 患者にとってガスが危険なものにもなります この機械は電源がある場合には 酸素圧縮機が部屋の空気を取り込みます 部屋の空気は見事なほどに無料だと分かっていますし 豊富にあり しかも必要な 21パーセントの酸素を既に含んでいます 圧縮機が行うのは手術室の空気を取り込み清浄し 濃度95パーセントの酸素を 上へ送り ここら辺で 麻酔物質と混ぜ合わせます

この混合物が 患者の肺に入る前に この部分を通って 見えませんがここに酸素センサがあり 供給されている酸素濃度を 画面に映し出して示します もし電気が使えない場合には また 起きないと良いですが 手術中に電源が切れた場合でも 何かを操作する必要も全くなく 自動的にモードを切り替えて 部屋の空気をここから取り入れるようになります

空気の取入以外は変化しません その唯一の違いは 21パーセントの酸素を相手にしていることです 給気はかつてはあてずっぽうで危険でした なぜなら何かが 悪化するまで酸素が足りなかったことが分からなかったのです 大容量バッテリーをここに入れるようにしました ここだけがバッテリを予備電源としています 予備で電源を加えましたが濃度計があるので 電源が有っても無くても 手術中に酸素濃度を見て 給気を制御し 患者に与えている酸素濃度を調整できます

患者への人口呼吸は 電源の有無に関わらず 必要になることがあります 麻酔の問題の一つとして肺を麻痺させてしまうことがあります この為手動式の ふいご を加えました 3時間も4時間も手動ポンプで呼吸させる 手術も見たことがあります

これは機構が複雑化されていない機械なのです 単純というとゾッとしますので 複雑化されていないと言います 複雑にしないよう意図されたデザインです こうすれば 麻酔器を使う為の 高度な研修も 麻酔専門医も不要になります このことは求められている研修を確保できていない 地方病院にとっては好都合です 麻酔器は使用される環境に合わせて作られています

この麻酔器は考えられないほど頑丈で 地方の地域病院で 熱や摩擦や損傷にも 耐えられるようにできています ですからそんなに簡単には壊れません もし壊れた場合でも事実上どんな部品でも 6角レンチとドライバーで 取り替えて備え付けられます 最後に値段は手頃な設定です 麻酔器は先程お見せした 従来の機械の 8分の1の値段で買うことができます つまりは ここにある機械は 最初に紹介した従来の麻酔器と同じように 手術を可能にし生命を救える機械なのです 環境に合うように作られたからです

でもここまででは満足しませんでした きちんと動作するでしょうか? 現場で思い通りに使えるでしょうか? ええ これまでは良い結果が出ています この機械は4ヶ国の13の病院にあります そして2010年から 2000件以上の 手術をしてきていますが 臨床で有害事象は起きていません 大変喜ばしいことです 麻酔器は蔓延している問題に対して 費用対効果が高く 拡大してゆける解決策に思えます それでもこの機械が病院で 使用する機械として最も効果的かつ 最も安全な装置か確信を得たいのです

この為に NGOや大学との 提携を開始し 操作方法の情報や どんな手術に使用されるのが良いのかや 装置そのものを改良する方法を 調べてきました 提携のひとつにここバルチモアの ジョン・ホプキンス大学病院があります 病院はバルチモアにすごい麻酔試験研究所を持っています なので私達の麻酔器を持ち込んで 麻酔器が手術室で直面するであろう 危機的な状況を再現しています 実際に使用される病院で 制御された安全な環境で 効果の度合いを評価しています この研究の結果を実際の経験と 比較することができました ジョン・ホプキンスがシエラレオネで 共同研究する病院や 先程の帝王切開をした 病院に2台の麻酔器を置いているからです

麻酔について多くを語りましたが意図したことです 麻酔は信じられないくらい興味深く 健康の重要な構成要素です 周辺要素だと思われていますが いざ使えなくなると 麻酔は生死を分ける重要な存在だと 初めて気づかされるわけです 手術を受けられる人と受けられない人? 安全に受けられる人と受けられない人? しかし もちろん 数多くの 適切なデザインが健康に良い影響をもたらす 方法のひとつにすぎません もし医療業界でより多くの人が 低所得国の困難をなんとかしようとしている人が デザイン方法を 解決策探しを 既知の枠組の外からの視点や 病院の現場からの視点で つまり 無いものを望むのではなく 世界の多くに存在している環境に合うように 意図して創るのであれば 多くの命を救うことができるでしょう



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