Onbemande luchtvoertuigen, of UAV's, worden vaak gebruikt voor taken die als te gevaarlijk worden beschouwd voor traditionele bewaking vanuit de lucht, bijvoorbeeld het in kaart brengen van ijsschotsen in het Noordpoolgebied of het bewaken van bosbranden in Californië. Omdat ze relatief goedkoop, klein, draagbaar en manoeuvreerbaar zijn onder bewolking, zijn drones uitgebreid ingezet in geografische enquêtes, milieurampen, bewaking en beeldopname. In de afgelopen jaren hebben deze vliegende robots echter de mogelijkheid om patronen te detecteren, gegevens in realtime te verzamelen en obstakels te detecteren, ideaal voor het vervoeren van buitengewoon waardevolle vracht: menselijke organen.
Joseph Scalea, universitair docent chirurgie aan de Universiteit van Maryland Medical Center, is begonnen met het testen van drones die zijn uitgerust met koelers en biosensoren die de gezondheid van een orgaan kunnen volgen tijdens zijn luchtreis - het eerste ontwerp in zijn soort in de laatste 65 jaar van orgelvervoer. Scalea heeft een patent aangevraagd voor zijn technologie, "Human Organ Monitoring Apparatus for Long-Distance Travel" (HOMAL), dat de biofysiologische eigenschappen (temperatuur, druk, trillingen, hoogte) van een orgel meet. Dit apparaat, samen met een online platform met orgel GPS, stelt artsen en ziekenhuizen in staat om de locatie en status van het orgel in realtime te bekijken, bijna als een pizzabezorger of Uber-autoservice. Hoewel transplantatiewetenschap een aantoonbaar evoluerend veld is, brengt Scalea's onderzoekbank naar bed, waardoor de levensvatbaarheid van bloed- en weefselmonsters die snel over afstanden van honderdduizenden mijlen moeten worden getrokken, wordt vergroot.
Voordat UAV-transport van organen een klinische realiteit kan worden, blijven er echter enkele belangrijke hindernissen. Welke ethische bezwaren, indien aanwezig, zullen donoren, patiënten of hun artsen hebben op het idee om een orgaan op een niet-getekende drone te sturen? Zal het orgel tijdens de vlucht verslechteren? Hoe kunnen ziekenhuizen en de luchtvaartindustrie een toestroom van onbemande vliegende robots opvangen in het beperkte luchtruim van het land? Ten slotte, wie zal verantwoordelijk worden gehouden als een drone zijn orgaan niet of niet tijdig aan de beoogde ontvanger levert?
Wanneer een patiënt een orgaan nodig heeft, is elke seconde van belang. In chirurgie staat deze kritieke periode bekend als koude ischemie: de tijd tussen het afkoelen van een orgaan nadat de bloedtoevoer is verminderd en de tijd dat het wordt opgewarmd door de bloedtoevoer te herstellen. Vanaf het moment dat het uit het lichaam wordt verwijderd, begint het weefsel te verslechteren, waardoor snel transport een prioriteit wordt. Maar het huidige systeem om een nier of een hart van punt A naar punt B te brengen, omvat een complex netwerk van koeriers en commerciële vliegtuigen - wat betekent frequente vertragingen, gemiste verbindingen, zelfs verloren organen.
Ongeveer 33.000 overleden organen worden elk jaar in de VS getransplanteerd en getransporteerd. Zodra ze zijn verwijderd van donoren, levers, harten, ogen, milten en andere lichaamsdelen, worden ze zorgvuldig verpakt en bewaard op ijs (een proces dat tot twee uur duurt), voordat ze beginnen hun reis met een reeks koeriers. Eerst moeten orgels worden vervoerd naar de luchthaven, waar ze wachten op een commerciële vlucht (dit kan tot 10 uur duren), vervolgens naar bagagebehandelaars, die orgels met andere vracht laden; vaak brengt een tweede gecharterde vlucht (een helikopter) de organen naar het bestemmingsziekenhuis, waar ze door handlers worden gelost en worden vastgehouden voor bloedafname en biopsie, voordat ze opnieuw per koerier worden verplaatst naar een orgelbloedbank, waar een chirurg kan haal ze als laatste op.
Het hele proces duurt meestal 24 uur (en dat houdt geen rekening met vertragingen op het asfalt) en kost gemiddeld $ 6.000, terwijl een gecharterde vlucht - de meest voorkomende manier van transport voor organen die tussen ziekenhuizen in verschillende steden moeten vliegen - kan meer dan $ 40.000. Scalea's technologie belooft dramatische reistijd en kostenbesparingen: gezien een totale reisafstand van bijvoorbeeld 1000 mijl, en een drone die met 200 mijl per uur vliegt (de helft van de snelheid van commerciële vliegtuigen), kan een orgel van ziekenhuis A naar ziekenhuis worden verplaatst B in vijf uur, met aan elk uiteinde twee uur voor verpakking en transplantatie, waardoor meer dan 50 procent van de reistijd wordt geëlimineerd. Het huidige systeem, met zijn vele verbindingen en mogelijkheden voor uitstel, maakt dus de levering van orgels met drones tot een levensvatbaar alternatief, met name in gevallen waarin een ontvanger van het orgel duizenden kilometers verwijderd is van zijn of haar donor.
Scalea kampt dagelijks met de uitdagingen van het orgeltransport, een onderneming waar de inzet vaak leven of dood is. "Als chirurg vind ik het leuk om mensen te vertellen dat ze nog tien jaar te leven krijgen", legt hij uit. "Om te leren dat ik dat niet kan doen, omdat een orgel bijvoorbeeld zijn aansluitende vlucht heeft gemist, is gezond verstand." Scalea was vastbesloten om een alternatief te ontwikkelen. Hij wist dat de technologie al bestond; de echte uitdaging was om strategische relaties te ontwikkelen - met ingenieurs, fabrikanten, investeerders, clinici en particuliere luchtvaartmaatschappijen - om de formidabele logistiek van het krijgen van een lichaamsdeel van het ene punt op de wereld naar het andere te overwinnen. "Orgelvervoer is mijn passie en mijn missie", zegt de chirurg. "Het opnieuw innoveren ervan is mijn carrièredoel geworden."
Drie jaar geleden stak Scalea contact op met het Department of Engineering van de Universiteit van Maryland en ging aan de slag met het bouwen van een prototype, samen met technologie waarmee zowel een arts als de controller van een drone de status van een orgaan langs de luchtroute konden volgen. Het team koos DJI M600 Pro voor hun experiment omdat de zes motoren direct onder hun respectieve rotors liggen, wat betekent dat rotors ver van een slim koelercompartiment worden gehouden. Die scheiding zou ervoor zorgen dat een orgel gespaard blijft van alle warmte die wordt gegenereerd door de motoren van de drone. Echte orgels werden gebruikt tijdens de testvlucht van drie mijl in maart 2018 en nauwlettend gevolgd van start tot landing; ze vertoonden geen fysiologische problemen na hun luchtreis.
Het team stond voor een paar eerste uitdagingen - om een drone zo klein te maken dat deze geen significant gewicht zou toevoegen aan de nuttige last, en om te beoordelen of veranderingen in hoogte de levensvatbaarheid van organen zouden beïnvloeden. (Het blijkt dat orgels, net als duikers, 'de bochten' kunnen ondergaan wanneer ze te snel stijgen naar de hoogte.) Naast statische tests op de grond - zorgen we ervoor dat de communicatie tussen de app, het IT-platform en het apparaat veilig - Scalea beoordeelde zijn prototype ook bij verschillende temperaturen en trillingskrachten. Toekomstige tests zullen proberen de orgelfunctie in veranderende omgevingen te voorspellen.
Tegelijkertijd werkte Scalea aan de ontwikkeling van zijn privébedrijf, Transplant Logistics and Informatics, en sloot een formeel partnerschap met het United Network for Organ Sharing, de non-profitorganisatie die het orgaantransplantatiesysteem van het land beheert.
Hij begon ook een dialoog met de Federal Aviation Administration (FAA), het bestuursorgaan dat uiteindelijk het lot van drone-geassisteerde orgellevering kan beslissen. Momenteel beperkt de luchtvaartwet de drone-vlucht tot minder dan 400 voet boven de grond, met een snelheid van 100 mijl per uur of minder, en vereist dat drones in het zicht worden gevlogen - dat wil zeggen met een zichtbaar pad tussen de UAV en de controllers .
De wet hoeft niet noodzakelijkerwijs in de nabije toekomst te veranderen, omdat de FAA momenteel gespecificeerde vrijstellingen voor drones beheert, maar een meer specifieke set voorschriften kan nodig zijn als drone-leverende organen de norm worden. Hoewel de drone die in Scalea's experiment werd gebruikt slechts anderhalve mijl en terug vloog, is het team op zoek naar langere afstanden (de gemiddelde orgelvlucht tussen ziekenhuizen in de VS is ongeveer 400 mijl) en ontwerpt zijn modellen dienovereenkomstig. De volgende stap? Een daadwerkelijke transplantatie uitvoeren met behulp van drone-levering - een prestatie die volgens Scalea in minder dan een decennium mogelijk kan zijn.
Het apparaat, samen met een online platform met orgel GPS, stelt artsen en ziekenhuizen in staat om de locatie en status van het orgel in realtime te bekijken. (Joseph Scalea) Terwijl UAV's een realiteit voor stadsverkeer worden, is een belangrijke (en helemaal niet triviale) uitdaging om te voorkomen dat drones andere objecten tegenkomen: vliegtuigen in de lucht, voetgangers op de grond, vogels of gebouwen daar tussenin. Vanuit een technisch perspectief betekent dat een duidelijk ontwerp van zowel de machine als zijn missie. Een drone die wordt gebruikt voor nierafgifte tussen twee ziekenhuizen in dezelfde stad kan er heel anders uitzien dan een die wordt gebruikt om bijvoorbeeld bloed van Columbus naar Cleveland te transporteren; gewichts- en vermogensvereisten verschillen afhankelijk van de lading, afstand en vliegsnelheid, die allemaal vanaf het begin moeten worden gedefinieerd.
Wind en zicht vormen extra complicaties voor drones, die momenteel niet door ijs of bewolking kunnen vliegen - mechanische problemen die formidabel zijn maar niet onoverkomelijk, volgens Jim Gregory, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Ohio State University en directeur van het Aerospace Research Center van de universiteit . Gregory is gespecialiseerd in de kruising van aerodynamica en drones, een onderzoeksgebied dat alles omvat, van drone-padplanning in een windvlaagomgeving tot situationeel bewustzijn op de grond.
Bij het testen van UAV's benadrukt Gregory (die ook in zijn vrije tijd pilootvliegtuigen bestrijkt) drie cruciale factoren: het vermogen om obstakels te detecteren en te vermijden, een robuuste besturingskoppeling tussen drone en op de grond opererende operator te handhaven en de mogelijkheid om een machine's autonomie - dat wil zeggen de veiligheid van een autonoom systeem bewijzen. "Er is een goede zaak voor drone-levering van organen, " zegt hij. "Wat het gemakkelijker maakt dan, zeg maar, het idee van Amazon voor de levering van luchtpakketten, is dat een drone die orgel levert, van de ene goed gecontroleerde omgeving naar de andere goed gecontroleerde omgeving reist, " legt hij uit. Ziekenhuizen zijn inderdaad al uitgerust met helipads die orgel-dragende UAV's kunnen ontvangen, en een groot deel van de infrastructuur voor levering is al aanwezig.
Gregory's nieuwste project omvat een 33-mijl stuk lucht dat door het luchtruim in Columbus, Ohio reist. "We hebben een soort gang gecreëerd voor veilig UAV-verkeer", zegt hij. Deze snelweg in de lucht, gefinancierd door het Ohio Department of Transportation, zou binnenkort kunnen dienen als een aangewezen pad voor drones; de hoop is dat meer zoals het kan worden ontwikkeld in samenwerking met stadsplanners.
Daartoe zullen grondcontrollers op de hoogte blijven tijdens de reis van de drone, in wat ooit een systeem van 'onbemande vliegtuigverkeersleiding' zou kunnen vormen. Momenteel rapporteren de meeste drones hun positie via GPS aan boord - vergelijkbaar met de systemen die door de lucht worden gebruikt -verkeerscontrole voor commerciële vliegtuigen. Maar wanneer mensen 35.000 voet boven de aarde reizen, controleert de FAA ook ons vaartuig via radar: een transponder zendt herhaaldelijk zijn locatie uit via iets dat Automatic Dependent Surveillance Broadcast (ADS-B) wordt genoemd. Natuurlijk is FAA-bewaking van drones een nieuwe grens, die ongetwijfeld ernstig zal worden besproken op de FAA-conferentie in Baltimore in juni. "Ik weet niet dat de FAA precies heeft bepaald hoe dronesurveillance zal werken", zegt Gregory. "Sommigen pleiten voor ADS-B, maar het systeem kan overbelast raken als er zoveel drones rondvliegen."
Op korte termijn kunnen Scalea's orgaanafgifte UAV's koude ischemietijden verkorten en overlevingskansen verbeteren voor geïsoleerde patiënten die op orgaantransplantatie wachten; op lange termijn kunnen ze ons helpen de orgelallocatie te maximaliseren - dat wil zeggen, de geografische beperkingen wegnemen die momenteel aan orgels worden opgelegd, zodat ze overal en altijd naar toe kunnen - essentieel voor de uitbreiding van orgaandonorpools over de hele wereld.
"De toekomst is meer op handen dan we allemaal denken", zegt Scalea.
