作者：陸向陽
自去（2019）年底新冠肺炎（COVID-19）開始傳播，至今（2020）年已蔓延各國。由於疫情猛快發展，許多防疫相關物資與設備均出現短缺，對此創客圈也積極投入各項發展，期對防疫有所助益，例如自製額溫槍、口罩紫外線消毒器等，另外呼吸器（Ventilator）也一樣短缺，各國均緊急搶購，因此也有提出自製呼吸器的構想，如麻省理工學院（MIT）即提出E-Vent（Emergency Ventilator）的緊急呼吸器開源專案。
MIT E-Vent Unit 002（Source）
E-Vent原設定以100美元成本即能實現，但持續開發的結果已增至400、500美元，即便如此依然較3萬美元以上的正規呼吸器低廉，依然具有應急、普及效果。E-Vent目前尚在開發中，並等待美國食藥局（FDA）批准。
E-Vent如何以平價方式實現呼吸協助功效？其電子控制方面的設計為何？本文以下將對此進行觀察探索。（以2020年4月9日版的新設計為準）
MIT的E-Vent，圖右即有藍色的氣袋與銀色金屬的壓臂、承座；圖左下黑盒即為呼吸器電子控制部份。（Source）
MIT V-Vent電子控制設計
MIT E-Vent電子控制系統架構如下圖，由圖中可看出其主控電路板原先是用Arduino Uno，但在追加多項新設計後Uno的I/O接腳數已不夠用，現在已改用創客很熟悉的Arduino Mega。
MIT E-Vent電子控制設計概要圖。（Source）
MIT E-Vent電子控制系統的重要單元介紹如下：
1. 馬達驅動與控制
圖為Toyota擋風玻璃雨刷馬達（Source）
首先在馬達驅動、控制方面，運用Mega上的4支數位輸出I/O接腳連接馬達驅動器電路板，接腳以脈寬調變（PWM）方式輸出信號對馬達進行操控，並由驅動電路板以較大的電能驅動直流減速馬達（gearmotor）。官網上提到研究過程中曾嘗試使用步進馬達，但在負載改變時不好控制而作罷，因而使用直流減速馬達，有關馬達的選擇亦可參考本連結。
馬達控制是採閉迴路循環控制，所謂閉迴路是採用編碼器偵測馬達的轉速，而後將轉速訊號傳遞給Mega，再由Mega透過演算方式調整PWM控制輸出，如此反覆循環。
馬達驅動電路板部份為了力求低廉及取得便利性，可考慮用Arduino系列本來就在用的馬達驅動子電路板（shield），另外也建議電路板最好已內建編碼器，以及在溫度過高、電流過高時能即時反應，還有能耐住可能的隨機尖峰電流，需能承受達15A。
MIT官方資料也建議可參考採用BasicMicro的Roboclaw Solo馬達控制器，此控制電路板上的韌體程式已具有PID控制演算（屬電機的自動控制領域）。馬達進一步會推動壓臂，壓臂擠壓氣袋，壓臂的角度資訊也會以電位計（Potentiometers, POT）的信號方式傳遞給Mega，以便對壓臂狀態有所掌握。
Roboclaw Solo 30A, 34VDC Motor Controller
2. 患者肺部壓力感測器
壓力感測器用來接收患者肺部的壓力數值，該壓力會先轉換成等比例的電壓信號後傳遞給Mega。壓力感測器用來確認患者吸氣的最大值，以及在輔助模式（將於後述）運作下，患者嘗試呼吸時能扮演觸動器的角色，觸動機器運作以協助呼吸。壓力感測器的要求包含：
- 須能感測正負壓力
- 最高可感測達100cm水柱的壓力（最高壓力值為40cm，然在此設定為最高值的兩倍以策安全）
- 精度達5cm水柱
壓力感測器的裝設位置也必須注意，必須接在氣袋的感測口或整體氣流的某個位置，並盡可能靠近患者並穿透各氣閥。
3. 輸入調整
E-Vent設有4個調整旋鈕，每個旋鈕其實即是一個最大阻值約10k歐姆的可變電阻（即前述的電位計），阻值因旋鈕轉動而改變進而改變電壓，改變的電壓以類比形式輸入給Mega，Mega再以其內建的ADC轉換成數位數值，進而調整控制。4個旋鈕功用如下：
- 旋鈕1，吸氣量（Tidal Volume, TV），馬達驅動壓臂去壓氣袋，可以有0%（完全放開）～100%（完全壓縮）的氣量調整，一般介於200～800mL間，依據患者體重而定。
- 旋鈕2，每分鐘呼吸次數（Breaths Per Minute, BPM，也稱為Respiratory Rate, RR），從0到最大值，最大值依據臨床文件，一般在8～30間。
- 旋鈕3，呼氣/吸氣比例（I:E ratio），一樣依據臨床文件。比例指的是時間，建議一開始設1:2（呼氣時間為吸氣時間的2倍），一般是在1:1～1:3間，目前有些新冠肺炎患者使用1:4。
- 旋鈕4，靈敏度的臨界值設定，在輔助控制模式（於後述）下若患者自己嘗試吸氣，則會使PEEP（Positive End-Expiratory Pressure，呼氣末端正壓）壓力產生1～5cm水柱的變化，調整靈敏度可因應此一變化，以便能適時觸動機器協助患者呼吸。
兩次呼吸週期的氣流、氣壓、氣量圖。（Source）
4. 開關
E-Vent有一個電源開關、一個緊急停止開關（E-Stop鈕），緊急停止開關也可以就是主電源開關，只要這個開關能做到立即切斷所有E-Vent電力即可，此主要用在可讓人立刻取下壓臂上的氣袋，直接用手工持續壓氣袋。E-Vent還有一個模式切換開關，可選擇氣量控制（由機器控制呼吸）或輔助控制（患者仍有呼吸能力但需要機器協助呼吸）。
E-Vent還有兩個臨時鈕，一個是暫時讓警報靜音的鈕，一個是調整前述4個旋鈕的值後，按下該鈕才會讓Mega讀取新的調整值。最後還有一個限位開關（微動開關）用來感測壓臂是否確實歸位。
5. 數值輸出與警告
從一開始的概念圖看E-Vent似乎只想用簡單的七段顯示器來構成顯示，但之後立刻改成16 x 2的文字型LCD顯示器，而最新的作法是改成20 x 4的文字型LCD顯示器，以便更完整顯示相關資訊。而前面提到的警報聲即透過一個蜂鳴器來實現。
E-Vent文字型LCD顯示器顯示輸入（左）與輸出（右）數值。（Source）
6. 電源設計
整個E-Vent使用12V直流系統供電，同樣著眼於設計簡單與零件方便取得，所以交流轉直流部份使用簡單的H電橋實現整流，且為了避免電壓擺盪須加上電容濾波。
Mega上所需的5V電力是透過7805之類的線性降壓元件直接取得，線性降壓的缺點是能源轉換效率較低，優點是電壓準位穩定。E-Vent根據尖離峰運作的用電計算至少需要5.8A電流，如此12 x 5.8 = 69.6，供電器最好能有70瓦以上的能耐。
上述為室內電源插座下的供電設計，但MIT也提出在建築停電下的供電設計，即直接採用汽車的直流電瓶來供電（尖峰電流需達5A），電池最好能持續提供運作2～3小時，以待建築恢復電力。有關用電計算亦可參考此處：https://e-vent.mit.edu/mechanical/power-calculation/
另外MIT也建議搭配不斷電系統（UPS），不斷電系統的電能最好能供E-Vent在發出警報聲下仍可持續運作30分鐘直到醫護人員因警報聲回神關注，目前名義上採美國APC或德國施耐德電機（Schneider Electric）的產品。
其他
MIT官方說明中也提及SD記憶卡、一個欠電壓的偵測接腳以及一個燈號，但沒有進一步說明，估計燈號是在系統錯誤時亮起以提醒醫護人員。
小結
上述僅為E-Vent的一部份說明，其他也包含壓力的控制，如輸入氣道的壓力須限制在40cm水柱下，強烈建議採用能固定在40cm的被動式機械排氣閥，即便機器故障了，在毫無電力支持下也能將氣壓限制在40cm以下。
另也建議能調控進氣的溫濕度，或患者為新冠肺炎患者時，須在排氣處加裝HEPA過濾以免病毒擴散，氣袋尺寸亦有定義等。此外近期也開始定義警報狀態，目前已定義出6種警報，限於篇幅與專長範疇（需機械背景或醫護背景）必須打住。
E-Vent僅是目前多種自製呼吸器專案的一款，也有使用樹莓派的呼吸器專案，如pandemic-ventilator-2.0或其他呼吸器專案，期待各專案均能順利推展，早日共同克服疫情。
使用樹莓派的開源呼吸器專案pandemic-ventilator-2.0（Source）
（責任編輯：王姵文）
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