【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(yōu)之一。呼吸機需求的激增預示著(zhù)其很快就會(huì )供不應求。MPS團隊也嘗試在這場(chǎng)危機中貢獻一份力量。盡管MPS并不是醫療設備制造商，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(zhuān)業(yè)積淀應用于呼吸機、呼吸器和呼吸機類(lèi)設備的技術(shù)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(kāi)源“急救呼吸機”的開(kāi)發(fā)過(guò)程，同時(shí)也展示MPS 電源解決方案在增強任意電子系統設計與開(kāi)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(wèn)題有哪些具體需求？MPS在思考這個(gè)問(wèn)題時(shí)尋求了創(chuàng )客/DIY 社區的幫助。這將我們引向麻省理工學(xué)院（MIT）一個(gè)技術(shù)和醫療團隊開(kāi)發(fā)的急救呼吸機項目，E-Vent。E-Vent 是一個(gè)開(kāi)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(guò)自動(dòng)化手動(dòng)氣囊閥面罩 (BVM) 來(lái)制作他們自己的急救用呼吸機（見(jiàn)圖 1）。
圖1: 麻省理工學(xué)院的第3版E-Vent原型(1)
注：
1) 圖片來(lái)源：麻省理工學(xué)院。
一個(gè)正規的呼吸機是很復雜的機器（見(jiàn)圖 2）。它不僅僅簡(jiǎn)單地壓迫空氣進(jìn)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(lái)源 Dräger.
3)圖片來(lái)源Ambu.
相比之下，自動(dòng)化 BVM（例如 E-Vent 系統）并不是一個(gè)功能齊全的呼吸機。 雖然自動(dòng)化 BVM可以提供機械換氣，并包含基本的安全監測，但它只是緊急情況下使用的過(guò)渡設備，用于自動(dòng)執行手動(dòng)過(guò)程。自動(dòng)化BVM 僅用于維持患者呼吸，直到有正規的呼吸機可用，它允許醫務(wù)人員將之同時(shí)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，但我們有必要區分緊急情況下使用的自動(dòng)化BVM 設備與全功能呼吸機。BVM 設備是一種可能造成醫療風(fēng)險的過(guò)渡設備，應僅在必要時(shí)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 系統主要架構，它采用Arduino 微控制器來(lái)處理用戶(hù)輸入、監測關(guān)鍵參數并驅動(dòng)直流電機以擠壓 BVM，同時(shí)通過(guò)無(wú)縫電池備份改善了電源管理，并利用無(wú)刷直流 (BLDC) 智能電機改進(jìn)了電機控制。這種新型設計集成了市面上已有的傳動(dòng)系統組件，創(chuàng )建出一個(gè)非常緊湊的呼吸設備（見(jiàn)圖 3）。
圖3: MPS開(kāi)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(kāi)關(guān)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(kāi)發(fā)時(shí)間，我們利用了每個(gè)器件已有的預制評估板，并同時(shí)創(chuàng )建了一個(gè)緊湊的解決方案。
圖4: MPS急救呼吸機系統功能模塊
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 節串聯(lián)電池，具有不同的電池調節電壓和最大 3A 充電電流（見(jiàn)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(chē)和小型機器人。如果交流電源被斷開(kāi)，系統的電源和操作并不會(huì )受到干擾，急救呼吸機可以在停電或運送患者的過(guò)程中繼續運行。同時(shí)，EV2759-Q-01A還可配置為在交流斷電發(fā)生時(shí)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 用于降低主系統電壓，為 Arduino 微控制器提供持續、穩定的電源。Arduino微控制器是控制系統的器件，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 的連續負載電流能力。
MP3910A用于提升主系統電壓，以為24V BLDC 智能電機供電。與 Arduino微控制器一樣，電機驅動(dòng)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，能夠嚴格調節輸出24V電壓，從而提供足夠的電流以滿(mǎn)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(dòng)模塊和套件系統系列產(chǎn)品之一。該電機通過(guò) RS485 連接到 Arduino微控制器，并使用 MPS自己開(kāi)發(fā)的“MSMMotor.h” Arduino庫命令進(jìn)行控制。
EVKT-MSM942077-24提供了功能強大、緊湊且簡(jiǎn)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(gè)磁性角度位置傳感器、一個(gè)磁場(chǎng)定向控制器 (FoC) 和電源驅動(dòng)器（見(jiàn)表 1）。該器件提供RS485 和 PULSE/DIR 兩種輸入接口選項，具有77W 連續功率輸出和 0.3° 的位置分辨率。EVKT-MSM942077-24 允許設計人員使用電流測量來(lái)實(shí)現歸位程序，以檢測機械擠壓臂在“打開(kāi)”方向，何時(shí)接觸到內置的機械擋塊。這種內置擋塊在電機啟動(dòng)期間設定零位，從而確保了一致的性能。由于無(wú)需單獨的歸位開(kāi)關(guān)而簡(jiǎn)化了系統設計（參見(jiàn)圖 7）。
表1: 智能電機模塊組件
圖 7：?jiǎn)?dòng)時(shí)執行歸位操作的呼吸機系統
MPS 急救呼吸機的機械設計非常簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shù)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 (BPM) 的指定范圍。根據 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(shí)所需的齒輪減速。我們安裝了一個(gè)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(kāi)關(guān)）都是標準組件，系統設計人員可以用任何等效部件來(lái)代替。
圖8: 由電機和 100:1 行星齒輪箱提供輸入的傳動(dòng)系統主齒輪
自MPS 創(chuàng )建了第一個(gè)功能原型之后，該項目通過(guò)視頻、項目網(wǎng)站和網(wǎng)絡(luò )外展得到迅速傳播。很多個(gè)人和團體都了解了我們的開(kāi)發(fā)過(guò)程，并在集成該方案特有的電氣特性方面提供了幫助。不過(guò)，MPS并沒(méi)有將該設計付諸生產(chǎn)。該方案出臺之時(shí)，許多呼吸機制造商已經(jīng)面臨供應短缺的問(wèn)題，而新冠肺炎的治療方案也沒(méi)有將重點(diǎn)放在呼吸問(wèn)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(gè)版本的原型，以備未來(lái)之需（參見(jiàn)圖 9）。
圖 9：MPS 的開(kāi)源“急救呼吸機”（左側為第 1 版，右側為第 2 版）
結語(yǔ)
MPS 在此感謝 MIT E-Vent 項目和創(chuàng )客社區中的無(wú)數個(gè)人，他們都是這個(gè)全球協(xié)作項目的貢獻者。來(lái)自社區的想法為我們開(kāi)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(shí)，我們誠摯感謝圣克拉拉谷醫療中心 (SCVMC) 的醫療團隊所付出的時(shí)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的設計細節，例如 BVM 擠壓板形狀和扭矩要求。
要了解MPS自動(dòng)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(kāi)源呼吸機項目頁(yè)面。
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