低成本呼吸器設計投入戰「疫」!

作者 : Giovanni Di Maria

為了對抗新型冠狀病毒(COVID-19),全世界各地的設計人員正致力於打造專用的低成本呼吸器。讓我們來看看目前有哪些專案能夠啟發設計人員創作出更多的類似裝置…

人工呼吸器的作用在於將氧氣保留在肺部並排出二氧化碳(CO2),可說是用於治療新型冠狀病毒(COVID-19)重症病例的重要工具。因為這種病毒會侵襲肺部並造成纖維化;當發生病毒感染時,肺部堆積大量粘液,並引發二度感染的風險增加,從而阻礙肺部吸收氧氣。如今在這個不確定的時期,我們面臨著許多緊急狀況,其中,許多醫療系統由於確診患者日益增加而幾乎崩潰,原因之一就在於呼吸器的嚴重短缺。

COVID-19正迅速在全球大流行。由於這種病毒的擴散速度太快,許多醫院無法立即取得可用的資源。許多產業和企業正以前所未有的速度趕製各種不同的醫療和防護裝置,例如口罩、隔離衣、快篩、藥物以及呼吸器等。人工呼吸器可以讓病患得以持續呼吸或免於呼吸困難,因為COVID-19的最大問題就是造成肺部阻塞(圖1)。

在這個迫切需要呼吸器等醫療裝置的時候,擁有技術能力的開發者們發起了一項大型開源計劃,開始規劃並生產可協助患者(包括呼吸器)的裝置。這項專案吸引了數百名工程師、醫學專業人員和研究人員的參與。還有許多設計人員採用3D列印以及其他技術,因應需求製造備用元件和設備。

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圖1:專業的人工呼吸器。
(來源:Hamilton Medical)

呼吸器如何運作?

人工呼吸器由於可讓氧氣吸入肺部並排出CO2,協助病患順利呼吸。氧氣量可以透過監視器加以控制。呼吸器連接一條管子到患者的嘴或鼻子。現代的人工呼吸器由小型嵌入式電腦進行控制,並被視為攸關生命的重要系統,必須採取嚴格的預防措施,以確保其可靠性。

開發專案

當醫院和家中缺少足夠的可用裝置時,各種不同的呼吸器設計(其中有許多都出現在GitHub)即發揮了重要作用。多項開發專案的想法都著重於打造低成本的基本呼吸器,以便在發生嚴重肺部疾病時協助呼吸。然而,這些裝置也可能影響到人們的醫療狀況。因此,必須先諮詢醫師,而不是在網路上隨機尋找任何資訊。事實上,使用呼吸器存在相當大的風險,尤其是在高壓下使用。

低成本的開源呼吸器(PAPR)

在GitHub上有一款低成本的開發專案(圖2),如果使用得當,它可以挽救許多生命。該裝置能夠編程呼吸頻率(例如每分鐘10-16次呼吸),並可能產生高達45cmH2O的峰值氣道壓力(但最好不要超過20cmH2O,以避免危險)。它只會推進大氣(含21%的氧氣)。至於如果需要其他充氧率,則必須使用專業的設備;但圖2的裝置在沒有其他選擇的緊急情況下非常有用且十分寶貴。

該專案目前仍在徵求更多建議。事實上,短期內可能會有某些元件不容易取得。這款呼吸器算是相當小型的,因此要在其中設計足以防範病毒傳播的全方位系統並不容易。但它其實只用於在被感染的環境中工作¬¬——在此環境中,空氣中散佈著含有病毒的飛沫。操作管理可以採用Arduino。此外,還應該研究系統和解決方案,以避免在停電時造成危險。

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圖2:人工呼吸器開發專案。
(來源:GitHub)

抗疫專用呼吸器

這是在Instructables的一款開發專案The Pandemic Ventilator,大部份都採用易於使用的元件 (圖3)。儘管它完全是由DIY打造的,但目的同樣在於挽救生命。它可用於作為緊急呼吸器。在此疫情日趨嚴峻的情況下,需要使用呼吸器治療的人數很快就會超過目前可用的裝置數量,但醫院不可能買足所有患者需要的呼吸器數量。

這款呼吸器的設計非常簡單,但是使用了現代化的電子控制系統。它採用木頭、膠帶、塑料袋、螺紋管、電磁閥、電磁開關和PLC等,硬體和軟體功能也會不斷地更新和改善。根據對於該專案回報的資訊警告��,目前的裝置原型僅具有實驗目的,尚未經過任何安全測試。事實上,呼吸器本身就是具有潛在危險的裝置,只能在經過訓練和認證的醫師建議下使用。

這款呼吸機設計基本上是由波紋管單元組成,該波紋管單元則由木材、閥門和管道組成;此外,設計中還有PLC控制器、一些電線和開關以及電源等。整個裝置安裝在一塊18×21×0.5英吋的膠合板上,並配備常開和常閉閥門。

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圖3: The Pandemic Ventilator呼吸器開發專案。
(來源:Instructionables)

從圖4可以進一步看到其構造細節。閥門之間透過管道連接,並以T型連接波紋管與波紋管單元中心對齊的方式安裝。在此使用的是鐵氟龍(Teflon)塗裝的螺紋管件。波紋管是透過底部的兩個膠合板件擰緊到背板上而製成的。磁鐵固定在波紋管靠近感測器桿的一端,而感測器則固定在感測器桿上。

為了製作用於波紋管的袋子,我使用一個較大的Ziploc來鍊袋。切掉夾鍊部後份,再插入0.5吋的塑膠管至中心,然後用膠帶密封並加固邊緣。管道應該從袋中伸出足夠遠的距離,才能滑過0.25吋的末端。波紋管袋的膠帶接縫應該置於膠合板部分的底部。安裝鉸鏈蓋後再安裝頂部17吋部分。將4吋長的0.25吋托架螺栓、兩個螺母和兩個墊圈夾在一起。PLC單元是Automation Direct的Direct Logic 06 DO-06DR,其價格低廉、足夠靈活且有許多免費軟體可供編程,但也可以使用其他PLC單元並編寫自己的控制程式。除了PLC,您還需要24V電源和1個開關來啟動系統。

該程式是以Ladder Logic編寫的,其基本工作原理如下:

  • 打開Valve 1,然後關閉Valve 2直到波紋管裝滿為止,這在頂部電磁開關關閉時顯示。
  • 接著關閉Valve 1,打開Valve 2,然後關閉Valve 3,以便波紋管放氣並將空氣泵送至患者。
  • 當波紋管降低到下限時,下方電磁開關關閉,然後Valve 2關閉,Valve 1重新打開以重新填充波紋管。
  • 計時器讓患者的肺在Valve 3打開時放氣。當計時器到期時,Valve 2開啟,Valve 3關閉以開始下一個呼吸週期。

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圖4:The Pandemic Ventilator呼吸器的構造細節。
(來源:TEMPO.CO)

以二手汽車元件打造的呼吸裝置

TEMPO.CO上的另一開發專案是非常簡單的設計,而且使用從亞馬遜(Amazon)購買的汽車備件,無需使用微控制器(MCU),如圖5。該系統使用繼電器和開關以及隨處可用的汽車零件。該專案有助於解決當前醫院設備的短缺問題。TEMPO.CO的製作者使用壓縮機、空氣過濾器、空氣調節器、多個閥門、氣缸,甚至使用ULPA過濾器,可用於以過濾掉被感染患者排出的被污染空氣。該設計可過濾0.12微米的微粒。

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圖5:採用汽車零件打造的呼吸器結構。
(來源:Business Insider)

結合浮潛面罩和3D列印的呼吸器

有助於醫院對抗新型冠狀病毒的另一項創新是改造市場上現有的浮潛面罩,制作成緊急人工呼吸面罩(圖6)。由於在當前的緊急時刻,醫療院所中的口罩、手套等幾乎所有的工具都面臨耗盡的危機。因此,Isinnova的這項專案使用Decathlon運動用品,期望至少能解決一小部分問題。

它雖然為醫護專業人員和病人提供了另一種選擇,但只有在醫院傳統使用的呼吸器不足等緊急狀況下,才能使用這種3D列印呼吸面罩。因為這種呼吸面罩和閥門畢竟未經認證,其使用必須取得患者的同意以及簽署聲明。

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圖6:結合浮潛面罩的呼吸器。

VentilatorPAL呼吸器

VentilatorPAL是因應全球COVID-19患者迅速增加而呼吸器數量卻急劇減少而設計的。這是一種高品質、低成本的開源呼吸器,任何人都可以購買或建造(圖7)。該專案由FreeBreathing.org提供,但可完全自行組裝或作為套件提供,非醫療公司即可快速建構完成,你自己也可以使用免費提供的原理圖來製作一部這台基本呼吸器。此外,VentilatorPAL呼吸器是開源、低成本、簡單易用且易於建構的,可以在緊急情況下提供給COVID-19患者使用。

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圖7:The VentilatorPAL呼吸器。

雙人用呼吸器

義大利波隆那大學(Università di Bologna)醫學和外科科學系發明了一種新的電子電路。該裝置由義大利Intersurgical公司製造,透過分離電路的方式為兩名患者同時提供輔助呼吸。如果自動調節通風機的測量系統位於同一台機器中,則該裝置可以正常運作。設計人員希望永遠不必有患者需要使用到這套裝置,因為那就表示情況真的很嚴重了,可以說醫療系統已經完全崩潰。該裝置可以挽救幾個人的生命,但僅在緊急情況擴大且呼吸器不足時才使用。

結論

呼吸器是一種複雜的裝置,需要技術純熟的人員才能正確使用,而且還需要獲得醫師的批准,這意味著大多數的家用專案可能只能在家中緊急時用,而無法用於醫院中。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Low-Cost Ventilators To Fight COVID-19,by Giovanni Di Maria)

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