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美国工程师发挥天才想像力,设计了几款呼吸机

2020-04-30 Cabe Atwell 阅读:
美国工程师发挥天才想像力,设计了几款呼吸机
疫情初期,由于急缺呼吸机,那些原本可以活下去的生命丧失了生的机会。美国国防部专门发起了自制呼吸机的挑战赛,欲借众人的智慧与专长,解决这一严峻问题。本文精选的6款呼吸机设计令人脑洞大开,尤其是将吸奶器改造成呼吸机……

在COVID-19疫情初期,由于急缺呼吸机等医疗物资,那些原本可以活下去的患者,却丧失了生的机会。为此,各方都在积极寻求解决办法,美国国防部也专门发起了自制呼吸机的创新挑战大赛。大赛的宗旨是“集众人智慧及专长,开发低成本的机械呼吸支持系统,并可利用本地资源快速生产”。aVzednc

我们精选出了天才的工程师们快速完成的6款呼吸机设计。aVzednc

MIT的开源应急呼吸机

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图1:MIT 应急呼吸机(E-Vent)。(图片来源:MIT)aVzednc

MIT的工程师团队于3月12日启动应急呼吸机(E-Vent)项目,旨在快速推出可用的开源、低成本呼吸机。其设计的关键在于使用了一个Ambu袋,这是一种手动塑料袋复苏器,在许多医院里,这种Ambu袋已经大量使用。设计团队开发了一种机械系统来挤压和释放Ambu袋,以此使该过程自动化并延长Ambu袋的使用时间,这是人类无法做到的。为了维持患者的生命,呼吸机在两周的时间内需要提供大约一百万次“呼吸”, 意外故障可能危及生命,因此必须确保这个系统不会损坏Ambu袋,并且可以控制。在不到一周的时间里,团队就开始对原型进行首次实际测试,目前正用心开发该项目以确保患者安全。aVzednc

MPS的开源“自动袋瓣面罩呼吸机”

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图2:MPS开发的自动袋瓣面罩呼吸机。(图片来源: MPS)aVzednc

MPS的工程部门参考MIT E-Vent和其他开源项目,设计了自己的呼吸器。这一简单的机械设计结合了机械、3D打印、2D切割、商用传动系统组件,以及电源和电机系统标准组件。他们目前在医生的指导下,使用肺模拟测试机来测试其设计,然后对设计进行修改、增加功能并进行校准,以确保呼吸机正常工作。MPS在电机控制和电源方面所具备的专长,有助于使正常的手动泵过程快速实现自动化,扩大了面罩呼吸器的使用范围。aVzednc

BLU3将潜水系统改作呼吸机

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图3:BLU3建议将潜水系统设计改为呼吸机。(图片来源: BLU3)aVzednc

潜水设备制造商BLU3向大赛提交了自己的呼吸机设计方案,它将现有的产品Nemo(一种水面供气潜水系统)作为其解决方案的核心。由于采用现有的制造流程,他们可以很轻松地将已有的经验用于其他工厂来扩大生产。其设计构想是,稍微修改一下软件,将Nemo的电子调节器用作呼吸检测器,增加的成本却很少。BLU3表示,他们每周能够生产大约2500台呼吸机,在两周内可以启动。呼吸机可以连续工作,由墙壁电源或12V电池供电。aVzednc

OnScale启动BreathEasy项目

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图4:OnScale的BreathEasy项目针对患者肺部进行数字建模,以确定是否需要对患者上呼吸机。(来源:OnScale)aVzednc

云工程仿真平台提供商OnScale对于如何更好地利用呼吸机并挽救生命有不同的想法。他们启动了一个新项目,通过多物理场(multiphysics)FEA/CFD供应商、医疗设备制造商、工程师和医生之间的密切合作,为COVID-19患者创建孪生肺,帮助医生改善患者的预后。目前医生只能依靠从教科书中学到的知识来判断是否需要对患者上呼吸机,而如果使用对患者肺部的数字建模,则可以准确预测患者血氧浓度,从而在关键时刻做出正确决定。如果预测更准确,就可以最大程度提高呼吸机的利用率。OnScale预测,就算利用率只提高10%,也可以挽救数千人的生命。aVzednc

吸奶器摇身变为呼吸机

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图5:马里兰大学Techport的工程师将吸奶器改造为低成本呼吸机。(图片来源:马里兰大学Techport)aVzednc

马里兰大学Techport的工程师则不是再利用已有的制造程序,而是设计出一种方法,将旧的吸奶器(很多都压在箱底)改装成呼吸机。Brandi Gerstner刚当妈妈时,有很长一段时间都在使用吸奶器。她想出了一种办法,使用X-ACTO刀和螺丝刀,将吸奶泵的吸力反转,使空气排出而不是吸入。由马里兰大学的4名工程师组成的团队在此基础上进行改进,使排出空气的时间与建议的吸气-呼气节奏同步,并使用紧急传感器来确保气压稳定。开发团队已在胸科医生的专业协助下使用呼吸机测试套件,他们称可以利用捐赠的吸奶泵快速生产呼吸机,每台价格仅约250美元,这远远低于目前每台30,000美元的售价。aVzednc

Raspberry Pi方案

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图6:Raspberry Pi的方案可降低成本,加快生产医用呼吸机的速度。(图片来源:Raspberry Pi)aVzednc

Raspberry Pi售价5美元的单板机非常适合作控制板,它可能是用来降低医用呼吸机成本并加快生产速度最合适的产品。基于此,Raspberry Pi基金会保留了一些库存,以便需要时能够快速为呼吸机制造商供货。由于控制板涉及的元器件数量较多,通常很难进行大规模生产,但Raspberry Pi首席执行官Eben Upton表示,他们是按“库存”而不是按“订单”进行生产,因此能更好地应对大批量需求。这款板子价格便宜、元器件不密集,却具有足够的处理能力,可以满足呼吸机相对适中的需求。目前美国还没有测试过的RPi版呼吸机,不过哥伦比亚的一个医疗小组目前正在测试一种模型。我们可能会看到,这些单板机可以降低成本并快速满足应用需求,特别是在各方鼓励工程师积极开发自己的解决方案时。aVzednc

(原文刊登于ASPENCORE旗下EETimes英文网站,参考链接:6 Fast Ventilator Designs Volunteered by Engineers,由Jenny Liao编译。)aVzednc

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Cabe Atwell
机械工程师/EE Times资深博主。Cabe Atwell是一名居住在芝加哥地区的电气工程师。
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