【導讀】2020 年 3 月,COVID-19新冠肺炎疫情迅速傳播,全球急救呼吸機的短缺成為人們最大的擔憂之一。呼吸機需求的激增預示著其很快就會供不應求。MPS團隊也嘗試在這場危機中貢獻一份力量。盡管MPS并不是醫(yī)療設備制造商,但其工程師和設計師在電力電子和電機控制方面擁有豐富的經(jīng)驗。將其專業(yè)積淀應用于呼吸機、呼吸器和呼吸機類設備的技術架構,MPS期望能夠助力抗擊這次的全球性大瘟疫。
本文將介紹MPS 開源“急救呼吸機”的開發(fā)過程,同時也展示MPS 電源解決方案在增強任意電子系統(tǒng)設計與開發(fā)方面發(fā)揮的作用。
設計基準
解決迫在眉睫的呼吸機短缺問題有哪些具體需求?MPS在思考這個問題時尋求了創(chuàng)客/DIY 社區(qū)的幫助。這將我們引向麻省理工學院(MIT)一個技術和醫(yī)療團隊開發(fā)的急救呼吸機項目,E-Vent。E-Vent 是一個開源項目,它致力于為世界各地的團隊提供臨床和設計參考信息,從而通過自動化手動氣囊閥面罩 (BVM) 來制作他們自己的急救用呼吸機(見圖 1)。
圖1: 麻省理工學院的第3版E-Vent原型(1)
注:
1) 圖片來源:麻省理工學院。
一個正規(guī)的呼吸機是很復雜的機器(見圖 2)。它不僅僅簡單地壓迫空氣進出患者肺部,還控制空氣量、流速、氧氣含量,甚至控制空氣溫度和濕度。此外,呼吸機還必須監(jiān)測可能危及患者的任何情況,并觸發(fā)適當警報或糾正措施。
圖2: 呼吸機和氣囊閥面罩(BVM)圖示(2) (3)
注:
2)圖片來源 Dräger.
3)圖片來源Ambu.
相比之下,自動化 BVM(例如 E-Vent 系統(tǒng))并不是一個功能齊全的呼吸機。 雖然自動化 BVM可以提供機械換氣,并包含基本的安全監(jiān)測,但它只是緊急情況下使用的過渡設備,用于自動執(zhí)行手動過程。自動化BVM 僅用于維持患者呼吸,直到有正規(guī)的呼吸機可用,它允許醫(yī)務人員將之同時用于多名患者。
“呼吸機”一詞被廣泛用于描述提供機械換氣的設備,但我們有必要區(qū)分緊急情況下使用的自動化BVM 設備與全功能呼吸機。BVM 設備是一種可能造成醫(yī)療風險的過渡設備,應僅在必要時使用。 設計優(yōu)化的MPS急救呼吸機
MPS 的設計遵循了MIT 的 E-Vent 系統(tǒng)主要架構,它采用Arduino 微控制器來處理用戶輸入、監(jiān)測關鍵參數(shù)并驅動直流電機以擠壓 BVM,同時通過無縫電池備份改善了電源管理,并利用無刷直流 (BLDC) 智能電機改進了電機控制。這種新型設計集成了市面上已有的傳動系統(tǒng)組件,創(chuàng)建出一個非常緊湊的呼吸設備(見圖 3)。
圖3: MPS開源“急救呼吸機”第2版原型
其主要集成組件包括以下設備:
1. MP2759, 帶電源路徑管理功能的開關充電器(作為 EV2759-Q-01A評估板的一部分)。
2. MPM3510A, 同步降壓變換器模塊(作為 EVM3510A-QV-00A評估板的一部分)。
3. MP3910A, 升壓 PWM 控制器(作為 EV3910A-S-00A評估板的一部分)。
當然,我們可以將這些組件集成在一塊定制的PCB上,但為了縮短開發(fā)時間,我們利用了每個器件已有的預制評估板,并同時創(chuàng)建了一個緊湊的解決方案。
圖4: MPS急救呼吸機系統(tǒng)功能模塊
在該方案中,EV2759-Q-01A從標準 19V 交流電源適配器(例如筆記本電腦上使用的適配器)中獲取主要輸入電源,可以為呼吸機系統(tǒng)供電,還可以為呼吸機備用電池充電。EV2759-Q-01A的最大輸入電壓為 36V,可以集成 1 至 6 節(jié)串聯(lián)電池,具有不同的電池調節(jié)電壓和最大 3A 充電電流(見圖 5)。
本方案采用的電池為14.8V、4S、6000mAh鋰電池組,這種電池組廣泛應用于遙控車和小型機器人。如果交流電源被斷開,系統(tǒng)的電源和操作并不會受到干擾,急救呼吸機可以在停電或運送患者的過程中繼續(xù)運行。同時,EV2759-Q-01A還可配置為在交流斷電發(fā)生時觸發(fā)告警;電源恢復后,解除告警。
圖5: MPS EV2759板和備用電池
MPM3510A 用于降低主系統(tǒng)電壓,為 Arduino 微控制器提供持續(xù)、穩(wěn)定的電源。Arduino微控制器是控制系統(tǒng)的器件,因此需要可靠且準確的電源供應。 MPM3510A可適應4.5V 至 36V 的寬輸入電壓范圍,并提供低至 0.8V 的可調輸出和1.2A 的連續(xù)負載電流能力。
MP3910A用于提升主系統(tǒng)電壓,以為24V BLDC 智能電機供電。與 Arduino微控制器一樣,電機驅動器也需要可靠的電源才能保持一致的性能。對急救呼吸機系統(tǒng)而言,不一致的電機性能將導致不準確的空氣輸送。而MP3910A具有標準的 9V 至 14V 輸入電壓范圍,能夠嚴格調節(jié)輸出24V電壓,從而提供足夠的電流以滿足峰值功率電機的需求。
圖6: MPS EV3910A (左) 和EVM3510A (右)
用于擠壓 BVM 的電機為MPS的EVKT-MSM942077-24,這是一款集成了MPS 智能電機模塊 (MMP742077-24-C)的77W BLDC 智能電機,其外形尺寸為 42mm (NEMA-17)。EVKT-MSM942077-24是MPS的eMotionTM 伺服驅動模塊和套件系統(tǒng)系列產(chǎn)品之一。該電機通過 RS485 連接到 Arduino微控制器,并使用 MPS自己開發(fā)的“MSMMotor.h” Arduino庫命令進行控制。
EVKT-MSM942077-24提供了功能強大、緊湊且簡單的解決方案,它使BLDC 電機控制變得更加容易。在其智能電機模塊中,集成有一個磁性角度位置傳感器、一個磁場定向控制器 (FoC) 和電源驅動器(見表 1)。該器件提供RS485 和 PULSE/DIR 兩種輸入接口選項,具有77W 連續(xù)功率輸出和 0.3° 的位置分辨率。EVKT-MSM942077-24 允許設計人員使用電流測量來實現(xiàn)歸位程序,以檢測機械擠壓臂在“打開”方向,何時接觸到內置的機械擋塊。這種內置擋塊在電機啟動期間設定零位,從而確保了一致的性能。由于無需單獨的歸位開關而簡化了系統(tǒng)設計(參見圖 7)。
表1: 智能電機模塊組件
圖 7:啟動時執(zhí)行歸位操作的呼吸機系統(tǒng)
MPS 急救呼吸機的機械設計非常簡單,而且它盡可能地采用了標準的市售零件。在不采用市售零件的情況下,該解決方案可以結合簡單的定制機械部件,例如,3D 打印符合BVM 形狀的擠壓板。
機械設計的技術需求提供了在不同吸氣與呼氣 (I:E) 比率下每分鐘呼吸次數(shù) (BPM) 的指定范圍。根據(jù) MIT 項目提供的 BPM 和 I:E 比率范圍,以及他們對擠壓 BVM 的力度要求建議,我們 計算出采用EVKT-MSM942077-24時所需的齒輪減速。我們安裝了一個標準100:1 變速箱和齒輪組,最終得到200:1的減速比,達到了所需的速度和扭矩水平。其他組件(例如壓力傳感器、報警蜂鳴器、顯示面板、按鈕、旋鈕和開關)都是標準組件,系統(tǒng)設計人員可以用任何等效部件來代替。
圖8: 由電機和 100:1 行星齒輪箱提供輸入的傳動系統(tǒng)主齒輪
自MPS 創(chuàng)建了第一個功能原型之后,該項目通過視頻、項目網(wǎng)站和網(wǎng)絡外展得到迅速傳播。很多個人和團體都了解了我們的開發(fā)過程,并在集成該方案特有的電氣特性方面提供了幫助。不過,MPS并沒有將該設計付諸生產(chǎn)。該方案出臺之時,許多呼吸機制造商已經(jīng)面臨供應短缺的問題,而新冠肺炎的治療方案也沒有將重點放在呼吸問題上,尤其是像 BVM 這樣的緊急使用呼吸機。但MPS仍然設計了第2個版本的原型,以備未來之需(參見圖 9)。
圖 9:MPS 的開源“急救呼吸機”(左側為第 1 版,右側為第 2 版)
結語
MPS 在此感謝 MIT E-Vent 項目和創(chuàng)客社區(qū)中的無數(shù)個人,他們都是這個全球協(xié)作項目的貢獻者。來自社區(qū)的想法為我們開發(fā)這種緊急情況下使用的呼吸機提供了重要的參考資料。同時,我們誠摯感謝圣克拉拉谷醫(yī)療中心 (SCVMC) 的醫(yī)療團隊所付出的時間與精力,他們在肺模擬器上測試該設備,幫助我們完善了系統(tǒng)的設計細節(jié),例如 BVM 擠壓板形狀和扭矩要求。
要了解MPS自動化BVM設備采用的設計或組件(包括完整的 BOM、3D 設計文件和 Arduino 控制代碼),請查看開源呼吸機項目頁面。
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