【導(dǎo)讀】2020 年 3 月，COVID-19新冠肺炎疫情迅速傳播，全球急救呼吸機(jī)的短缺成為人們最大的擔(dān)憂之一。呼吸機(jī)需求的激增預(yù)示著其很快就會供不應(yīng)求。MPS團(tuán)隊(duì)也嘗試在這場危機(jī)中貢獻(xiàn)一份力量。盡管MPS并不是醫(yī)療設(shè)備制造商，但其工程師和設(shè)計(jì)師在電力電子和電機(jī)控制方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。將其專業(yè)積淀應(yīng)用于呼吸機(jī)、呼吸器和呼吸機(jī)類設(shè)備的技術(shù)架構(gòu)，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(jī)”的開發(fā)過程，同時(shí)也展示MPS 電源解決方案在增強(qiáng)任意電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)方面發(fā)揮的作用。
設(shè)計(jì)基準(zhǔn)
解決迫在眉睫的呼吸機(jī)短缺問題有哪些具體需求？MPS在思考這個(gè)問題時(shí)尋求了創(chuàng)客/DIY 社區(qū)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(yī)療團(tuán)隊(duì)開發(fā)的急救呼吸機(jī)項(xiàng)目，E-Vent。E-Vent 是一個(gè)開源項(xiàng)目，它致力于為世界各地的團(tuán)隊(duì)提供臨床和設(shè)計(jì)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(jī)（見圖 1）。
圖1: 麻省理工學(xué)院的第3版E-Vent原型(1)
注：
1) 圖片來源：麻省理工學(xué)院。
一個(gè)正規(guī)的呼吸機(jī)是很復(fù)雜的機(jī)器（見圖 2）。它不僅僅簡單地壓迫空氣進(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(jī)還必須監(jiān)測可能危及患者的任何情況，并觸發(fā)適當(dāng)警報(bào)或糾正措施。
圖2: 呼吸機(jī)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(gè)功能齊全的呼吸機(jī)。 雖然自動化 BVM可以提供機(jī)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(shè)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(jī)可用，它允許醫(yī)務(wù)人員將之同時(shí)用于多名患者。
“呼吸機(jī)”一詞被廣泛用于描述提供機(jī)械換氣的設(shè)備，但我們有必要區(qū)分緊急情況下使用的自動化BVM 設(shè)備與全功能呼吸機(jī)。BVM 設(shè)備是一種可能造成醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)的過渡設(shè)備，應(yīng)僅在必要時(shí)使用。 設(shè)計(jì)優(yōu)化的MPS急救呼吸機(jī)
MPS 的設(shè)計(jì)遵循了MIT 的 E-Vent 系統(tǒng)主要架構(gòu)，它采用Arduino 微控制器來處理用戶輸入、監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)并驅(qū)動直流電機(jī)以擠壓 BVM，同時(shí)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(jī)改進(jìn)了電機(jī)控制。這種新型設(shè)計(jì)集成了市面上已有的傳動系統(tǒng)組件，創(chuàng)建出一個(gè)非常緊湊的呼吸設(shè)備（見圖 3）。
圖3: MPS開源“急救呼吸機(jī)”第2版原型
其主要集成組件包括以下設(shè)備：
1. MP2759, 帶電源路徑管理功能的開關(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(dāng)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(shí)間，我們利用了每個(gè)器件已有的預(yù)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(jī)系統(tǒng)功能模塊
在該方案中，EV2759-Q-01A從標(biāo)準(zhǔn) 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(jī)系統(tǒng)供電，還可以為呼吸機(jī)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(diào)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(yīng)用于遙控車和小型機(jī)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(jī)可以在停電或運(yùn)送患者的過程中繼續(xù)運(yùn)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(fù)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(zhǔn)確的電源供應(yīng)。 MPM3510A可適應(yīng)4.5V 至 36V 的寬輸入電壓范圍，并提供低至 0.8V 的可調(diào)輸出和1.2A 的連續(xù)負(fù)載電流能力。
MP3910A用于提升主系統(tǒng)電壓，以為24V BLDC 智能電機(jī)供電。與 Arduino微控制器一樣，電機(jī)驅(qū)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(jī)系統(tǒng)而言，不一致的電機(jī)性能將導(dǎo)致不準(zhǔn)確的空氣輸送。而MP3910A具有標(biāo)準(zhǔn)的 9V 至 14V 輸入電壓范圍，能夠嚴(yán)格調(diào)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(jī)的需求。
圖6: MPS EV3910A (左) 和EVM3510A (右)
用于擠壓 BVM 的電機(jī)為MPS的EVKT-MSM942077-24，這是一款集成了MPS 智能電機(jī)模塊 (MMP742077-24-C)的77W BLDC 智能電機(jī)，其外形尺寸為 42mm (NEMA-17)。EVKT-MSM942077-24是MPS的eMotionTM 伺服驅(qū)動模塊和套件系統(tǒng)系列產(chǎn)品之一。該電機(jī)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(jìn)行控制。
EVKT-MSM942077-24提供了功能強(qiáng)大、緊湊且簡單的解決方案，它使BLDC 電機(jī)控制變得更加容易。在其智能電機(jī)模塊中，集成有一個(gè)磁性角度位置傳感器、一個(gè)磁場定向控制器 (FoC) 和電源驅(qū)動器（見表 1）。該器件提供RS485 和 PULSE/DIR 兩種輸入接口選項(xiàng)，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(shè)計(jì)人員使用電流測量來實(shí)現(xiàn)歸位程序，以檢測機(jī)械擠壓臂在“打開”方向，何時(shí)接觸到內(nèi)置的機(jī)械擋塊。這種內(nèi)置擋塊在電機(jī)啟動期間設(shè)定零位，從而確保了一致的性能。由于無需單獨(dú)的歸位開關(guān)而簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)（參見圖 7）。
表1: 智能電機(jī)模塊組件
圖 7：啟動時(shí)執(zhí)行歸位操作的呼吸機(jī)系統(tǒng)
MPS 急救呼吸機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)非常簡單，而且它盡可能地采用了標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合簡單的定制機(jī)械部件，例如，3D 打印符合BVM 形狀的擠壓板。
機(jī)械設(shè)計(jì)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(shù) (BPM) 的指定范圍。根據(jù) MIT 項(xiàng)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)100:1 變速箱和齒輪組，最終得到200:1的減速比，達(dá)到了所需的速度和扭矩水平。其他組件（例如壓力傳感器、報(bào)警蜂鳴器、顯示面板、按鈕、旋鈕和開關(guān)）都是標(biāo)準(zhǔn)組件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以用任何等效部件來代替。
圖8: 由電機(jī)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(gè)功能原型之后，該項(xiàng)目通過視頻、項(xiàng)目網(wǎng)站和網(wǎng)絡(luò)外展得到迅速傳播。很多個(gè)人和團(tuán)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(shè)計(jì)付諸生產(chǎn)。該方案出臺之時(shí)，許多呼吸機(jī)制造商已經(jīng)面臨供應(yīng)短缺的問題，而新冠肺炎的治療方案也沒有將重點(diǎn)放在呼吸問題上，尤其是像 BVM 這樣的緊急使用呼吸機(jī)。但MPS仍然設(shè)計(jì)了第2個(gè)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(jī)”（左側(cè)為第 1 版，右側(cè)為第 2 版）
結(jié)語
MPS 在此感謝 MIT E-Vent 項(xiàng)目和創(chuàng)客社區(qū)中的無數(shù)個(gè)人，他們都是這個(gè)全球協(xié)作項(xiàng)目的貢獻(xiàn)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(jī)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(yī)療中心 (SCVMC) 的醫(yī)療團(tuán)隊(duì)所付出的時(shí)間與精力，他們在肺模擬器上測試該設(shè)備，幫助我們完善了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，例如 BVM 擠壓板形狀和扭矩要求。
要了解MPS自動化BVM設(shè)備采用的設(shè)計(jì)或組件（包括完整的 BOM、3D 設(shè)計(jì)文件和 Arduino 控制代碼），請查看開源呼吸機(jī)項(xiàng)目頁面。
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