【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驗。將其專業積淀應用于呼吸機、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”的開發過程，同時也展示MPS 電源解決方案在增強任意電子系統設計與開發方面發揮的作用。
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客/DIY 社區的幫助。這將我們引向麻省理工學院（MIT）一個技術和醫療團隊開發的急救呼吸機項目，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，呼吸機還必須監測可能危及患者的任何情況，并觸發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）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測，但它只是緊急情況下使用的過渡設備，用于自動執行手動過程。自動化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療風險的過渡設備，應僅在必要時使用。 設計優化的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 微控制器來處理用戶輸入、監測關鍵參數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組件，創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，但為了縮短開發時間，我們利用了每個器件已有的預制評估板，并同時創建了一個緊湊的解決方案。
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 節串聯電池，具有不同的電池調節電壓和最大 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運行。同時，EV2759-Q-01A還可配置為在交流斷電發生時觸發告警；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系列產品之一。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設計（參見圖 7）。
表1: 智能電機模塊組件
圖 7：啟動時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 (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主齒輪
自MPS 創建了第一個功能原型之后，該項目通過視頻、項目網站和網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。該方案出臺之時，許多呼吸機制造商已經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 項目和創客社區中的無數個人，他們都是這個全球協作項目的貢獻者。來自社區的想法為我們開發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療中心 (SCVMC) 的醫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的設計細節，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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