Инженеры открытого кода проектируют дешевые вентиляторы для борьбы с COVID‑19

Вентиляторы поддерживают кислород в легких и удаляют углекислый газ, делая их незаменимыми для тяжелых случаев COVID‑19. Вирус повреждает реснички легких, вызывая накопление слизи и вторичные инфекции, препятствующие всасыванию кислорода. Поскольку больницы по всему миру сталкиваются с дефицитом вентиляторов, запущена глобальная волна производства — масок, респираторов, швабр, лекарств и вентиляторов. Вентиляторы обеспечивают дыхание; центральная проблема COVID‑19 — закупорка легких.

В ответ сообщество инженеров, клинистов и исследователей запустило совместную открытую инициативу по проектированию и производству вентиляторов. Используя 3D‑печать и другие методы быстрого производства, проект создает запасные части и оборудование по запросу.

Рисунок 1: Профессиональный вентилятор (Источник: Hamilton Medical)

Как работают вентиляторы?

Эти машины подают кислород и удаляют CO₂, закачивая воздух через трубку, вставленную в рот или нос пациента. Современные вентиляторы электронно управляются встроенными компьютерами и классифицируются как жизненно‑критические системы, требующие высочайших стандартов надежности.

Проекты

Множество низкобюджетных проектов вентиляторов — многие на GitHub — заполняют пробелы, когда больничных запасов недостаточно. Они могут поддерживать острые легкие кризисы, но напрямую влияют на медицинское состояние, поэтому обязателен профессиональный медицинский надзор. Неправильное использование, особенно при высоких давлениях, несет серьезные риски.

Дешевый open‑source вентилятор (PAPR)

Этот GitHub‑проект (Рисунок 2) предлагает скромный, доступный вентилятор, способный спасти жизнь при правильном применении. Дает программируемую дыхательную частоту 10–16 вдохов/мин и пиковое давление в дыхательных путях до 45 см H₂O; однако давления выше 20 см H₂O опасны. Устройство использует атмосферный воздух (21% O₂); более высокие концентрации требуют специализированного медоборудования. Проект открыт для улучшений, автор ищет партнеров для массового производства. Доступность компонентов может быть ограничена, дизайн намеренно минимален. Будущие итерации могут включать меры против распространения вируса. Устройство работает только в уже зараженных средах, где необходимо содержание капель. Управление — через Arduino; нужны защиты от отключений питания.

Рисунок 2: Проект вентилятора (Источник: GitHub)

Pandemic Ventilator

Доступен на Instructables, этот DIY вентилятор использует легко доступные компоненты (Рисунок 3). Предназначен как аварийное средство поддержки жизни. С больницами, не способными закупить достаточно вентиляторов, спрос, вероятно, превысит предложение. Дизайн прост, но включает современное электронное управление. Применяются дерево, скотч, полиэтиленовые пакеты, резьбовые трубки, соленоидные клапаны, магнитные выключатели и ПЛК. Проект постоянно дорабатывается по железу и софту. Четко указано: прототип экспериментален, не проходил тесты безопасности; использовать могут только сертифицированные клиницисты. Устройство состоит из деревянного мехового блока, клапанов, трубок, ПЛК, проводов, выключателей, БП, смонтированных на фанерной плате 18×21×0.5 дюйма. Требуются прямодействующие соленоидные клапаны и резьбовые фитинги с тефлоновой лентой. Мех сделан из большого пакета для морозилки, усилен фанерой и петлями (Рисунок 4). ПЛК — Direct Logic 06 DO‑06DR от Automation Direct — дешевый, гибкий блок с бесплатным ПО программирования. Другие ПЛК допустимы. 24‑В БП и вкл/выкл запускают систему. Ладдер‑программа работает так:

• Открыть Клапан 1, закрыть Клапан 2, пока мех не наполнится (верхний магнитный выключатель замкнется).
• Закрыть Клапан 1, открыть Клапан 2, закрыть Клапан 3 — выдох воздуха к пациенту.
• Когда нижний магнитный выключатель замкнется, закрыть Клапан 2 и снова открыть Клапан 1 для наполнения меха.
• Таймер позволяет легким сдуться с открытым Клапаном 3; по истечении таймера Клапан 2 открывается, Клапан 3 закрывается — начинается следующий цикл.

Схема подключения:

• Входы
  • X0 верхний магнитный выключатель меха
  • X1 нижний магнитный выключатель меха
  • X2 вкл/выкл выключатель
  • C0 24 В
  • Все возвраты на землю
• Выходы
  • Y0 не используется
  • Y1 вдохной клапан (V2)
  • Y2 выдохной клапан (V3)
  • Y3 клапан наполнения меха (V1)
  • C0 120‑В переменка
  • Все возвраты на ноль линии

Рисунок 4: Детали конструкции Pandemic Ventilator (Источник: TEMPO.CO)

>>> Продолжение о дополнительных усилиях по проектированию вентиляторов в полной статье, изначально опубликованной на нашем партнерском сайте EEWeb.