Unbemannte Luftfahrzeuge oder UAVs werden häufig für Aufgaben eingesetzt, die für die herkömmliche Luftüberwachung als zu gefährlich angesehen werden, z. B. die Kartierung von Eisschollen in der Arktis oder die Überwachung von Waldbränden in Kalifornien. Da sie relativ billig, klein, tragbar und unter Wolkendecke wendig sind, wurden Drohnen in großem Umfang für geografische Vermessungen, Umweltkatastrophen, Überwachung und Bildaufzeichnung eingesetzt. In den letzten Jahren haben diese Flugroboter jedoch die Fähigkeit verbessert, Muster zu erkennen, Daten in Echtzeit abzurufen und Hindernisse zu erkennen. Dies macht sie ideal für die Beförderung einiger außergewöhnlich kostbarer Güter: menschlicher Organe.
Joseph Scalea, Assistenzprofessor für Chirurgie am Medical Center der University of Maryland, hat begonnen, Drohnen mit Kühlern und Biosensoren zu testen, mit denen der Gesundheitszustand eines Organs während seiner Flugreise überwacht werden kann - der erste Entwurf dieser Art in den letzten 65 Jahren des Organtransports. Scalea hat ein Patent für seine Technologie „Human Organ Monitoring Apparatus for Long Distance Travel“ (HOMAL) angemeldet, mit der die biophyisiologischen Eigenschaften (Temperatur, Druck, Vibration, Höhe) eines Organs gemessen werden. Zusammen mit einer Online-Plattform mit Organ-GPS ermöglicht dieses Gerät Ärzten und Krankenhäusern, den Standort und den Status des Organs in Echtzeit anzuzeigen, fast wie bei einem Pizzaboten oder einem Uber-Autodienst. Während die Transplantationswissenschaft ein sich wahrscheinlich entwickelndes Gebiet ist, bringt Scaleas Projekt die Forschungsbank ans Krankenbett und erhöht dadurch die Lebensfähigkeit von Blut- und Gewebeproben, die über Entfernungen von Hunderttausenden von Meilen schnell gehütet werden müssen.
Bevor der UAV-Transport von Organen zur klinischen Realität werden kann, sind jedoch noch einige erhebliche Hürden zu überwinden. Welche ethischen Einwände haben Spender, Patienten oder deren Ärzte gegen die Idee, ein Organ auf einer Drohne ohne Piloten zu senden? Wird sich die Orgel während des Fluges verschlechtern? Wie können Krankenhäuser und die Luftfahrtindustrie den Zustrom unbemannter Flugroboter in den begrenzten Luftraum des Landes bewältigen? Wer ist schliesslich dafür verantwortlich, wenn eine Drohne ihr Organ nicht oder nicht rechtzeitig an den vorgesehenen Empfänger liefert?
Wenn ein Patient ein Organ braucht, ist jede Sekunde wichtig. In der Chirurgie wird diese kritische Phase als kalte Ischämie bezeichnet: die Zeit zwischen der Abkühlung eines Organs nach der Verringerung seiner Blutversorgung und der Zeit, in der es durch Wiederherstellung seiner Blutversorgung erwärmt wird. Ab dem Moment, in dem es aus dem Körper entfernt wird, beginnt sich das Gewebe zu verschlechtern, sodass ein schneller Transport Vorrang hat. Das derzeitige System, eine Niere oder ein Herz von Punkt A nach Punkt B zu bringen, umfasst jedoch ein komplexes Netzwerk von Kurieren und Verkehrsflugzeugen. Dies bedeutet häufige Verzögerungen, fehlende Verbindungen und sogar Organverluste.
In den USA werden jedes Jahr rund 33.000 verstorbene Organe transplantiert und transportiert. Nach der Entnahme aus Spendern werden Lebern, Herzen, Augen, Milz und anderen Körperteilen sorgfältig verpackt und auf Eis aufbewahrt (ein Vorgang, der bis zu zwei Stunden dauert) Sie beginnen ihre Reise mit einer Reihe von Kurieren. Zuerst müssen die Organe zum Flughafen transportiert werden, wo sie auf einen kommerziellen Flug warten (dies kann bis zu 10 Stunden dauern), dann zu den Gepäckabfertigern, die die Organe mit anderer Fracht beladen. Oft bringt ein zweiter Charterflug (ein Hubschrauber) die Organe zum Zielkrankenhaus, wo sie von Handlern entladen und zur Blutentnahme und Biopsie festgehalten werden, bevor sie wieder per Kurier zu einer Organblutbank gebracht werden, wo ein Chirurg kann zuletzt abrufen.
Der gesamte Vorgang dauert in der Regel 24 Stunden (und das berücksichtigt keine Verzögerungen auf dem Asphalt) und kostet durchschnittlich 6.000 US-Dollar, während ein Charterflug - das üblichere Transportmittel für Organe, die zwischen Krankenhäusern in verschiedenen Städten fliegen müssen - dies kann $ 40.000 überschreiten. Die Technologie von Scalea verspricht eine drastische Zeit- und Kostenersparnis: Bei einer Gesamtreisestrecke von beispielsweise 1.000 Meilen und einer Drohne, die mit 200 Meilen pro Stunde fliegt (die Hälfte der Geschwindigkeit von Verkehrsflugzeugen), könnte ein Organ von Krankenhaus A in Krankenhaus gebracht werden B in fünf Stunden, mit jeweils zwei Stunden für Verpackung und Transplantation, wodurch mehr als 50 Prozent der Reisezeit eingespart werden. Das derzeitige System mit seinen zahlreichen Verbindungen und Verzögerungsmöglichkeiten macht die Drohnenabgabe von Organen daher zu einer praktikablen Alternative, insbesondere in Fällen, in denen ein Organempfänger Tausende von Kilometern von seinem Spender entfernt ist.
Scalea stellt sich täglich den Herausforderungen des Organtransports, einem Unterfangen, bei dem es oft um Leben oder Tod geht. „Als Chirurg liebe ich es, den Menschen sagen zu können, dass sie noch 10 Jahre leben können“, erklärt er. „Zu lernen, dass ich das nicht kann, weil eine Orgel beispielsweise ihren Anschlussflug verpasst hat, ist nicht im gesunden Menschenverstand.“ Scalea war entschlossen, eine Alternative zu entwickeln. Er wusste, dass die Technologie bereits existierte; Die eigentliche Herausforderung bestand darin, strategische Beziehungen zu Ingenieuren, Herstellern, Investoren, Klinikern und privaten Luftfahrtunternehmen zu pflegen, um die gewaltige Logistik zu überwinden, ein Körperteil von einem Punkt auf der Welt zum anderen zu bringen. „Der Organtransport ist meine Leidenschaft und meine Mission“, sagt der Chirurg. "Es wieder zu erneuern, ist mein Karriereziel geworden."
Vor drei Jahren wandte sich Scalea an das Department of Engineering der University of Maryland und baute einen Prototyp sowie eine Technologie, mit der sowohl ein Arzt als auch ein Drohnen-Controller den Status eines Organs in der Luft überwachen können. Das Team entschied sich für den DJI M600 Pro für sein Experiment, da die sechs Motoren direkt unter den jeweiligen Rotoren liegen. Dies bedeutet, dass die Rotoren von einem intelligenten Kühlfach ferngehalten werden. Diese Trennung würde sicherstellen, dass ein Organ von jeglicher Wärme verschont bleibt, die von den Motoren der Drohne erzeugt wird. Während des drei Meilen langen Testfluges im März 2018 wurden echte Organe eingesetzt und vom Start bis zur Landung sorgfältig überwacht. Sie zeigten nach ihrer Flugreise keine physiologischen Probleme.
Das Team stand vor einigen anfänglichen Herausforderungen: Eine Drohne so klein zu machen, dass die Nutzlast nicht wesentlich erhöht wird, und zu beurteilen, ob Höhenänderungen die Lebensfähigkeit der Organe beeinträchtigen würden. (Es stellt sich heraus, dass Organe wie Taucher „die Biegungen“ erleiden können, wenn sie zu schnell in die Höhe aufsteigen.) Zusätzlich zu statischen Tests am Boden - stellen Sie sicher, dass die Kommunikation zwischen der App, der IT-Plattform und dem Gerät funktioniert sicher - Scalea bewertete seinen Prototyp auch bei verschiedenen Temperaturen und Vibrationskräften. Zukünftige Tests werden versuchen, die Organfunktion in sich ändernden Umgebungen vorherzusagen.
Zur gleichen Zeit baute Scalea sein privates Unternehmen Transplant Logistics and Informatics auf und gründete eine formelle Partnerschaft mit dem United Network for Organ Sharing, der gemeinnützigen Organisation, die das Organtransplantationssystem des Landes verwaltet.
Er begann auch einen Dialog mit der Federal Aviation Administration (FAA), dem Leitungsgremium, das letztendlich über das Schicksal der durch Drohnen unterstützten Organtransporte entscheiden kann. Derzeit beschränkt das Luftfahrtgesetz den Flug von Drohnen auf weniger als 400 Fuß über dem Boden mit einer Geschwindigkeit von 100 Meilen pro Stunde oder weniger und schreibt vor, dass Drohnen in Sichtweite geflogen werden, dh mit einem sichtbaren Pfad zwischen UAV und Fluglotsen .
Das Gesetz muss in naher Zukunft nicht unbedingt geändert werden, da die FAA derzeit festgelegte Verzichtserklärungen für Drohnen ausstellt. Wenn jedoch Drohnen ausliefernde Organe zur Norm werden, sind möglicherweise spezifischere Vorschriften erforderlich. Obwohl die in Scaleas Experiment eingesetzte Drohne nur anderthalb Meilen weit geflogen ist, strebt das Team längere Strecken an (der durchschnittliche Orgelflug zwischen Krankenhäusern in den USA beträgt ungefähr 400 Meilen) und entwirft die Modelle dementsprechend. Der nächste Schritt? Durchführen einer tatsächlichen Transplantation mithilfe der Drohnenabgabe - eine Leistung, die laut Scalea in weniger als einem Jahrzehnt möglich sein könnte.
Das Gerät ermöglicht zusammen mit einer Online-Plattform mit Organ-GPS Ärzten und Krankenhäusern, den Standort und den Status des Organs in Echtzeit anzuzeigen. (Joseph Scalea) Da UAVs zur Realität des Stadtverkehrs werden, ist es eine wichtige (und keineswegs unbedeutende) Herausforderung, Drohnen davon abzuhalten, auf andere Objekte zu stoßen: Flugzeuge in der Luft, Fußgänger auf dem Boden, Vögel oder Gebäude irgendwo dazwischen. Aus technischer Sicht bedeutet dies eine klare Gestaltung sowohl der Maschine als auch ihrer Mission. Eine Drohne, die zur Entbindung von Nieren zwischen zwei Krankenhäusern in derselben Stadt eingesetzt wird, kann sich stark von einer Drohne unterscheiden, mit der beispielsweise Blut von Columbus nach Cleveland transportiert wird. Das Gewicht und die Leistungsanforderungen hängen von der Nutzlast, der Entfernung und der Fluggeschwindigkeit ab, die zu Beginn festgelegt werden müssen.
Wind und Sicht sind zusätzliche Komplikationen für Drohnen, die derzeit weder durch Eis noch durch Wolkendecken fliegen können. Laut Jim Gregory, Professor für Maschinenbau an der Ohio State University und Direktor des Aerospace Research Center der Universität, sind diese mechanischen Probleme gewaltig, aber nicht unüberwindbar . Gregory hat sich auf die Schnittstelle von Aerodynamik und Drohnen spezialisiert, ein Forschungsgebiet, das alles von der Drohnenpfadplanung in einer stürmischen Windumgebung bis zum Situationsbewusstsein der Bodenkontrolle umfasst.
Beim Testen von UAVs im Flug betont Gregory (der in seiner Freizeit auch gern Flugzeuge steuert) drei entscheidende Faktoren: die Fähigkeit, Hindernisse zu erkennen und zu vermeiden, eine robuste Steuerverbindung zwischen Drohne und bodengestütztem Bediener aufrechtzuerhalten und die Fähigkeit, a Autonomie der Maschine - das bedeutet, die Sicherheit eines autonomen Systems zu beweisen. "Es gibt ein gutes Argument für die Lieferung von Organen mit Drohnen", sagt er. „Was es einfacher macht als die Idee von Amazon, ein Luftpaket auszuliefern, ist, dass eine Drohne, die Organe liefert, von einer gut kontrollierten Umgebung in eine andere gut kontrollierte Umgebung transportiert wird“, erklärt er. In der Tat sind Krankenhäuser bereits mit Hubschraubern ausgestattet, die organtragende UAVs aufnehmen können, und ein Großteil der Infrastruktur für die Zustellung ist bereits vorhanden.
Gregorys neuestes Projekt umfasst eine 33 Meilen lange Luftstrecke, die sich durch den Luftraum in Columbus, Ohio, bewegt. "Wir haben eine Art Korridor für sicheren UAV-Verkehr geschaffen", sagt er. Diese vom Ohio Department of Transportation finanzierte Landstraße am Himmel könnte bald als ausgewiesener Pfad für Drohnen dienen. die hoffnung ist, dass es eher in zusammenarbeit mit stadtplanern entwickelt werden kann.
Zu diesem Zweck werden die Bodenkontroller während der gesamten Fahrt der Drohne auf dem Laufenden bleiben, was eines Tages zu einem System der unbemannten Flugsicherung führen könnte. Gegenwärtig melden die meisten Drohnen ihre Position per Onboard-GPS - ähnlich wie die von Flugzeugen verwendeten Systeme -Verkehrskontrolle für Verkehrsflugzeuge. Wenn sich der Mensch jedoch 35.000 Fuß über der Erde bewegt, überwacht die FAA unser Fahrzeug auch per Radar: Ein Transponder sendet seinen Standort wiederholt über das so genannte Automatic Dependent Surveillance Broadcast (ADS-B). Natürlich ist die Überwachung von Drohnen durch die FAA eine neue Grenze, über die auf der FAA-Konferenz in Baltimore im Juni dieses Jahres zweifellos ernsthaft diskutiert werden wird. "Ich weiß nicht, ob die FAA genau festgelegt hat, wie die Drohnenüberwachung funktionieren wird", sagt Gregory. "Einige befürworten ADS-B, aber das System könnte überlastet werden, wenn so viele Drohnen herumfliegen."
Kurzfristig können die UAVs von Scalea, die Organe abgeben, die Zeiten für kalte Ischämie verkürzen und die Überlebensrate für isolierte Patienten verbessern, die auf eine Organtransplantation warten. Langfristig können sie uns dabei helfen, die Organallokation zu maximieren, dh die geografischen Beschränkungen der Organe zu beseitigen, sodass sie jederzeit und überall eingesetzt werden können. Dies ist für die weltweite Erweiterung der Organspenderpools von entscheidender Bedeutung.
"Die Zukunft steht unmittelbar bevor, als wir alle denken", sagt Scalea.
