人工呼吸機(jī)是一種能夠起到預(yù)防和治療呼吸衰竭，挽救及延長(zhǎng)病人生命的至關(guān)重要的醫(yī)療設(shè)備，可以讓感染COVID-19的病患得以持續(xù)呼吸或免于因肺部堵塞導(dǎo)致的呼吸困難。因?yàn)樵摬《驹谶M(jìn)入人體后會(huì)侵襲肺部并造成纖維化；當(dāng)人體感染這種病毒時(shí)，肺部堆積大量粘液，二度感染的風(fēng)險(xiǎn)增加，進(jìn)而造成呼吸障礙。MbResmc

在當(dāng)前新冠病毒在全球范圍內(nèi)持續(xù)發(fā)酵的背景下，我們面臨著許多緊急狀況，其中，許多醫(yī)療系統(tǒng)由于確診患者日益增加而幾乎崩潰，原因之一就在于呼吸機(jī)的嚴(yán)重短缺。MbResmc

由于COVID-19在全球范圍內(nèi)迅速傳播，新增的病患持續(xù)增加，許多醫(yī)院的重要醫(yī)療物資告急。值得慶幸的是，許多產(chǎn)業(yè)和企業(yè)自發(fā)“跨行”，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)包括口罩、棉簽、藥物和呼吸機(jī)等醫(yī)療物資增援戰(zhàn)“疫”。MbResmc

在這個(gè)迫切需要呼吸機(jī)等醫(yī)療設(shè)備的時(shí)候，擁有技術(shù)能力的開發(fā)者們發(fā)起了一項(xiàng)大型開源計(jì)劃，開始規(guī)劃并生產(chǎn)可協(xié)助患者(包括呼吸機(jī))的醫(yī)療設(shè)備。這項(xiàng)專案吸引了數(shù)百名工程師、醫(yī)學(xué)專業(yè)人員和研究人員的參與。還有許多設(shè)計(jì)人員采用3D打印以及其他技術(shù)，用來按需制造零部件和設(shè)備。MbResmc

MbResmc

圖1：專業(yè)的人工呼吸機(jī)（來源：Hamilton Medical）MbResmc

呼吸機(jī)的原理

要自制呼吸機(jī)，首先要了解其工作原理。簡(jiǎn)單來說，其作用是讓氧氣進(jìn)入肺部并排出二氧化碳，幫助病患順利呼吸。氧氣量可以通過監(jiān)視器加以控制。呼吸機(jī)連接一條管子到患者的嘴或鼻子?，F(xiàn)代的人工呼吸機(jī)由小型嵌入式電腦進(jìn)行控制，并被視為攸關(guān)生命的重要系統(tǒng)，必須采取嚴(yán)格的預(yù)防措施，以確保其可靠性。MbResmc

開發(fā)專案

當(dāng)醫(yī)院和家中缺少足夠的可用設(shè)備時(shí)，各種不同的呼吸機(jī)設(shè)計(jì)(其中有許多都出現(xiàn)在GitHub)即發(fā)揮了重要作用。多項(xiàng)開發(fā)專案的想法都著重于打造低成本的基本呼吸機(jī)，以便在發(fā)生嚴(yán)重肺部疾病時(shí)協(xié)助呼吸。然而，這些設(shè)備也可能影響到人們的醫(yī)療狀況。因此，必須先咨詢醫(yī)師，而不是單純?cè)诰W(wǎng)上尋找資訊。因?yàn)槭褂煤粑鼨C(jī)存在相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在高壓環(huán)境下使用。MbResmc

低成本的開源呼吸機(jī) (PAPR)

在GitHub上有一款低成本的開發(fā)專案(圖2)，如果使用得當(dāng)，可以挽救許多生命。該設(shè)備能夠編程呼吸頻率(例如每分鐘10-16次呼吸)，并可能產(chǎn)生高達(dá)45cmH2O的峰值氣道壓力(但最好不要超過20cmH2O，以避免危險(xiǎn))。它只會(huì)推進(jìn)大氣(含21%的氧氣)。至于如果需要其他充氧率，則必須使用專業(yè)的設(shè)備；但圖2的設(shè)備在沒有其他選擇的緊急情況下非常有用且十分寶貴。MbResmc

該專案目前仍在征求更多建議。事實(shí)上，短期內(nèi)可能會(huì)有某些元件不容易取得。這款呼吸機(jī)算是相當(dāng)小型的，因此要在其中設(shè)計(jì)足以防范病毒傳播的全方位系統(tǒng)并不容易。MbResmc

但它其實(shí)只用于在被感染的環(huán)境中工作——在此環(huán)境中，空氣中散布著含有病毒的飛沫。操作管理可以采用Arduino。此外，還應(yīng)該研究系統(tǒng)和解決方案，以避免在停電時(shí)造成危險(xiǎn)。MbResmc

MbResmc

圖2：人工呼吸機(jī)開發(fā)專案（來源：GitHub）MbResmc

抗疫專用呼吸機(jī)

這是在Instructables的一款開發(fā)專案The Pandemic Ventilator，大部份都采用易于使用的零部件 (圖3)。盡管它完全是由DIY打造的，但目的同樣在于挽救生命。它可用于作為緊急呼吸機(jī)。在此疫情日趨嚴(yán)峻的情況下，需要使用呼吸機(jī)治療的人數(shù)很快就會(huì)超過目前可用的設(shè)備數(shù)量，但醫(yī)院不可能買足所有患者需要的呼吸機(jī)數(shù)量。MbResmc

這款呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，但是使用了現(xiàn)代化的電子控制系統(tǒng)。采用木頭、膠帶、塑料袋、螺紋管、電磁閥、電磁開關(guān)和PLC等，硬件和軟件功能也會(huì)不斷地更新和改善。根據(jù)對(duì)于該專案回報(bào)的警告說，目前的設(shè)備原型僅具有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，尚未?jīng)過任何安全測(cè)試。MbResmc

事實(shí)上，呼吸機(jī)本身就是具有潛在危險(xiǎn)的設(shè)備，建議在持有醫(yī)師執(zhí)照的專業(yè)人士指導(dǎo)下使用。MbResmc

這款呼吸機(jī)設(shè)計(jì)基本上是由波紋管單元組成，該波紋管單元?jiǎng)t由木材、閥門和管道組成；此外，設(shè)計(jì)中還有PLC控制器、一些電線和開關(guān)以及電源等。整個(gè)設(shè)備安裝在一塊18×21×0.5英寸的膠合板上，并配備常開和常閉閥門。MbResmc

MbResmc

圖3： The Pandemic Ventilator呼吸機(jī)開發(fā)專案（來源：Instructionables）MbResmc

從圖4可以進(jìn)一步看到其構(gòu)造細(xì)節(jié)。閥門之間通過管道連接，并以T型連接波紋管與波紋管單元中心對(duì)齊的方式安裝。在此使用的是鐵氟龍(Teflon)涂裝的螺紋管件。波紋管是通過底部的兩個(gè)膠合板件擰緊到背板上而制成的。磁鐵固定在波紋管靠近傳感器桿的一端，而傳感器則固定在傳感器桿上。MbResmc

為了制作用于波紋管的袋子，我使用一個(gè)較大的Ziploc來鏈袋。切掉夾鏈部后份，再插入0.5吋的塑膠管至中心，然后用膠帶密封并加固邊緣。管道應(yīng)該從袋中伸出足夠遠(yuǎn)的距離，才能滑過0.25吋的末端。波紋管袋的膠帶接縫應(yīng)該置于膠合板部分的底部。安裝鉸鏈蓋后再安裝頂部17吋部分。將4吋長(zhǎng)的0.25吋托架螺栓、兩個(gè)螺母和兩個(gè)墊圈夾在一起。 PLC單元是Automation Direct的Direct Logic 06 DO-06DR，其價(jià)格低廉、足夠靈活且有許多免費(fèi)軟體可供編程，但也可以使用其他PLC單元并編寫自己的控制程式。除了PLC，您還需要24V電源和1個(gè)開關(guān)來啟動(dòng)系統(tǒng)。MbResmc

該程式是以Ladder Logic編寫的，其基本工作原理如下：MbResmc

1. 打開Valve 1，然后關(guān)閉Valve 2直到波紋管裝滿為止，這在頂部電磁開關(guān)關(guān)閉時(shí)顯示。
2. 接著關(guān)閉Valve 1，打開Valve 2，然后關(guān)閉Valve 3，以便波紋管放氣并將空氣泵送至患者。
3. 當(dāng)波紋管降低到下限時(shí)，下方電磁開關(guān)關(guān)閉，然后Valve 2關(guān)閉，Valve 1重新打開以重新填充波紋管。
4. 計(jì)時(shí)器讓患者的肺在Valve 3打開時(shí)放氣。當(dāng)計(jì)時(shí)器到期時(shí)，Valve 2開啟，Valve 3關(guān)閉以開始下一個(gè)呼吸周期。

MbResmc

圖4：The Pandemic Ventilator呼吸機(jī)的構(gòu)造細(xì)節(jié)（來源：TEMPO.CO）MbResmc

以二手汽車零部件打造的呼吸設(shè)備

TEMPO.CO上的另一開發(fā)專案是非常簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，而且使用從亞馬遜(Amazon)購買的汽車零部件，無需使用微控制器(MCU)，如圖5。該系統(tǒng)使用繼電器和開關(guān)以及隨處可用的汽車零件。該專案有助于解決當(dāng)前醫(yī)院設(shè)備的短缺問題。 TEMPO.CO的制作者使用壓縮機(jī)、空氣過濾器、空氣調(diào)節(jié)器、多個(gè)閥門、氣缸，甚至使用ULPA過濾器，可用于以過濾掉被感染患者排出的被污染空氣。該設(shè)計(jì)可過濾0.12微米的微粒。MbResmc

MbResmc

圖5：采用汽車零件打造的呼吸機(jī)結(jié)構(gòu)（來源：Business Insider）MbResmc

結(jié)合浮潛面罩和3D列印的呼吸機(jī)

有助于醫(yī)院對(duì)抗新型冠狀病毒的另一項(xiàng)創(chuàng)新是改造市場(chǎng)上現(xiàn)有的浮潛面罩，制作成緊急人工呼吸面罩(圖6)。由于在當(dāng)前的緊急時(shí)刻，醫(yī)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(jī)。因此，Isinnova的這項(xiàng)專案使用Decathlon運(yùn)動(dòng)用品，期望至少能解決一小部分問題。MbResmc

它雖然為醫(yī)護(hù)專業(yè)人員和病人提供了另一種選擇，但只有在醫(yī)院傳統(tǒng)使用的呼吸機(jī)不足等緊急狀況下，才能使用這種3D列印呼吸面罩。因?yàn)檫@種呼吸面罩和閥門畢竟未經(jīng)認(rèn)證，其使用必須取得患者的同意以及簽署聲明。MbResmc

MbResmc

圖6：結(jié)合浮潛面罩的呼吸機(jī)MbResmc

VentilatorPAL呼吸機(jī)

VentilatorPAL是因應(yīng)全球COVID-19患者迅速增加而呼吸機(jī)數(shù)量卻急劇減少而設(shè)計(jì)的。這是一種高品質(zhì)、低成本的開源呼吸機(jī)，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(yī)療公司即可快速建構(gòu)完成，你自己也可以使用免費(fèi)提供的原理圖來制作一部這臺(tái)基本呼吸機(jī)。此外，VentilatorPAL呼吸機(jī)是開源、低成本、簡(jiǎn)單易用且易于建構(gòu)的，可以在緊急情況下提供給COVID-19患者使用。MbResmc

MbResmc

圖7：The VentilatorPAL呼吸機(jī)MbResmc

雙人用呼吸機(jī)

意大利波隆那大學(xué)(Università di Bologna)醫(yī)學(xué)和外科科學(xué)系發(fā)明了一種新的電子電路。該設(shè)備由意大利Intersurgical公司制造，通過過分離電路的方式為兩名患者同時(shí)提供輔助呼吸。如果自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)位于同一臺(tái)機(jī)器中，則該設(shè)備可以正常運(yùn)作。MbResmc

設(shè)計(jì)人員希望永遠(yuǎn)不必有患者需要使用到這套設(shè)備，因?yàn)槟蔷捅硎厩闆r真的很嚴(yán)重了，可以說醫(yī)療系統(tǒng)已經(jīng)完全崩潰。該設(shè)備可以挽救幾個(gè)人的生命，但僅在緊急情況擴(kuò)大且呼吸機(jī)不足時(shí)才使用。MbResmc

結(jié)論

呼吸機(jī)是一種復(fù)雜的設(shè)備，需要技術(shù)純熟的人員才能正確使用，而且還需要獲得醫(yī)師的批準(zhǔn)，這意味著大多數(shù)的家用專案可能只能在家中緊急時(shí)用，而無法用于醫(yī)院中。MbResmc

編譯：Susan Hong 責(zé)編：ElaineMbResmc

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