【科技防疫】MIT E-Vent開源平價呼吸器之電子設計剖析

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)

陸向陽

Author: 陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。

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