Motivație

Situația actuală la nivel mondial și local, marcată de o pandemie nemaiîntâlnită în istoria recentă,  inspiră în fiecare dorința de a contribui la atenuarea efectelor prin orice mijloace disponibile. În contextul acesta, ne alăturăm eforturilor generale prin a pune în practică experiența de inginerie și dezvoltare rapidă în încercarea de a contracara efectele pandemiei de COVID-19. Astfel, Romanian InSpace Engineering, alături de colaboratorii săi (ISS, Cugir, ICPE și mulți altora cărora le suntem recunoscători pentru ajutor), propune un model de ventilator mecanic având costuri reduse și ușor de realizat din piese generice disponibile în lanțurile de distribuție, și elemente imprimate 3D.

Cerințe

Încă de la început, un întreg set de cerințe de nivel înalt a fost stabilit cu scopul de a garanta că ventilatorul poate fi fabricat la scară largă, din piese și materiale care sunt la îndemână. În acest context, folosindu-ne de experiența pe care o avem cu platforme de prototipare rapidă precum Arduino, Raspberry Pi dar și cu motoare pas cu pas, am decis să pornim construcția ventilatorului de la aceste componente.

La nivel de sistem, am început cu o muncă de documentare în domeniul ventilatoarelor medicale cu scopul de a identifica cerințele generale. Mai mult, am luat legătura cu medici cu experiență cu scopul de a avea o mai bună înțelegere a funcționării ventilatoarelor deja existente. Cu ajutorul cadrelor medicale am definit o interfață grafică și de control care poate fi intuitivă operatorului și este similară cu cele deja folosite.  O parte dintre cerințele sistemului sunt prezentate mai jos:

• Volum: 100 – 800 mL
• Presiune maximă de operare: 40 cmH2O
• Respirații pe minut: 8 – 35
• Rata inspirație/expirație: între 1:4 și  4:1 cu un increment de 0.1
• Valvă de siguranță: setată la 60 cmH2O
• Valvă PEEP: 5-20 cmH2O
• Filtre HEPA la porturile de intrare și de ieșire ale pompei, cu scopul de preveni contaminarea sistemului

Vedere de ansamblu a designului

Sistemul este format din 3 blocuri:

• Pompă mecanică
• Unitatea de calcul (OBC)
• Interfața cu utilizatorul

 

Pompa mecanică

Pompa mecanică este realizată dintr-o țeavă de apă din polipropilena (PPR) ca și componentă de bază. Pistonul și restul componentelor de plastic sunt realizate din POM (Acetal). Mecanismul de acționare al pompei folosește componente de la imprimante 3D pentru controlul de-a lungul axei Z, cu modificări minore. Un motor pas cu pas standard de tip NEMA, controlat de o placă Arduino e folosit și dedicat cu scopul de a implementa modurile operaționale impuse de personalul medical, printr-un set de cerințe. 
O valvă PEEP standard e folosită ca o valvă unidirecțională pentru calea de admisie, în timp ce calea de ieșire este controlată de o valvă expiratorie de la un balon de resuscitare care integrează o valvă PEEP, o valvă de curgere unidirecțională și o valvă de siguranță pe circuitul de expirație. Ventilatorul integrează 2 filtre HEPA 16 pentru admisia și ieșirea fluxului de aer.

Unitatea de calcul

OBC controlează pompa în funcție de parametrii de intrare: volumul livrat/inspirație, presiunea aerului, debit,rata de respirații pe minut, raportul de inspirare/expirare, FiO2 (fracția de oxigen inspirat). OBC-ul joacă rolul și unei conexiuni între interfața utilizatorului și pompa mecanică, citind presiunea aerului și ieșirile senzorilor de debit și trimițându-i către modul de interfață a utilizatorului. Parametrii de intrare ai OBC-ului sunt fixați de către personalul medical folosind șase codificatoare rotative. 

Interfața cu utilizatorul

Această componentă e formată dintr-un computer Raspberry Pi cu un display de 7 inchi. O aplicație specială a fost dezvoltată pentru afișarea digitală a parametrilor de intrare și a datelor senzorilor. Primim continuu cerințe și feedback de la medici cu scopul de a realiza o interfață cât mai intuitivă și ușor de folosit.
   

Diagrama de funcționare a sistemului este prezentată în imaginea de mai jos.

Modul de operare al sistemului

O aplicație dedicată a fost creată în strânsă colaborare cu medicii și personalul medical cu scopul de a dezvolta o interfață cât mai similară celor deja instalate în spitale.  Schema de funcționare a interfeței este prezentată în imaginea de mai jos:

Diagrama interfeței cu utilizatorul

VentilaThor-ul poate fi operat în 3 moduri distincte: modul Volum constant (“Tidal Volume control”), modul “Pressure control” și modul “Assisted”.  Modul Tidal Volume control are 2 sub-opțiuni care implică un debit constant sau un debit în scădere.

Modurile operaționale sunt selectate de utilizator prin butonul corespunzător. Funcționalitatea celorlalte butoane depinde de modul selectat.

Graficele în timp real afișează presiunea, debitul și volumul total.  Valorile acestor parametrii sunt citiți de pe senzorii integrați. De exemplu, în modul “Pressure control”, operatorul poate citi în timp real volumul corespunzător unei presiuni setate.

În acest moment, interfața este în lucru și senzorii sistemului sunt în proces de calibrare.  

Starea proiectului

O versiune finală a pompei mecanice este în lucru și va fi finalizată la finalul lui aprilie. În paralel vor fi implementate în decursul câtorva zile îmbunătățiri ale aplicației. Carcasa pentru întregul sistem este deja proiectată și urmează să fie fabricată. 

Pe viitor

Discuțiile cu autoritățile locale pentru înregistrare și aprobare la nivel național produsul sunt deja în desfășurare. În același timp, componentele și lanțul de livrare de componente și materiale este pus la punct pentru a se face asamblarea și integrarea în cel mai scurt timp a mai multor unități.