呼吸機原理
人工呼吸機是一種能夠起到預防和治療呼吸衰竭，挽救及延長病人生命的至關重要的醫療設備，可以讓感染COVID-19的病患得以持續呼吸或免於因肺部堵塞導致的呼吸困難。因為該病毒在進入人體後會侵襲肺部並造成纖維化；當人體感染這種病毒時，肺部堆積大量粘液，二度感染的風險增加，進而造成呼吸障礙。
在當前新冠病毒在全球範圍內持續發酵的背景下，我們面臨著許多緊急狀況，其中，許多醫療系統由於確診患者日益增加而幾乎崩潰，原因之一就在於呼吸機的嚴重短缺。
由於COVID-19在全球範圍內迅速傳播，新增的病患持續增加，許多醫院的重要醫療物資告急。值得慶幸的是，許多產業和企業自發「跨行」，在儘可能短的時間內生產包括口罩、棉籤、藥物和呼吸機等醫療物資增援戰「疫」。
在這個迫切需要呼吸機等醫療設備的時候，擁有技術能力的開發者們發起了一項大型開源計劃，開始規劃並生產可協助患者(包括呼吸機)的醫療設備。這項專案吸引了數百名工程師、醫學專業人員和研究人員的參與。還有許多設計人員採用3D列印以及其他技術，用來按需製造零部件和設備。
圖1：專業的人工呼吸機（來源：Hamilton Medical）
呼吸機的原理
要自制呼吸機，首先要了解其工作原理。簡單來說，其作用是讓氧氣進入肺部並排出二氧化碳，幫助病患順利呼吸。氧氣量可以通過監視器加以控制。呼吸機連接一條管子到患者的嘴或鼻子。現代的人工呼吸機由小型嵌入式電腦進行控制，並被視為攸關生命的重要系統，必須採取嚴格的預防措施，以確保其可靠性。
開發專案
當醫院和家中缺少足夠的可用設備時，各種不同的呼吸機設計(其中有許多都出現在GitHub)即發揮了重要作用。多項開發專案的想法都著重於打造低成本的基本呼吸機，以便在發生嚴重肺部疾病時協助呼吸。然而，這些設備也可能影響到人們的醫療狀況。因此，必須先諮詢醫師，而不是單純在網上尋找資訊。因為使用呼吸機存在相當大的風險，尤其是在高壓環境下使用。
低成本的開源呼吸機 (PAPR)
在GitHub上有一款低成本的開發專案(圖2)，如果使用得當，可以挽救許多生命。該設備能夠編程呼吸頻率(例如每分鐘10-16次呼吸)，並可能產生高達45cm H2O的峰值氣道壓力(但最好不要超過20cm H2O，以避免危險)。它只會推進大氣(含21%的氧氣)。至於如果需要其他充氧率，則必須使用專業的設備；但圖2的設備在沒有其他選擇的緊急情況下非常有用且十分寶貴。
該專案目前仍在徵求更多建議。事實上，短期內可能會有某些元件不容易取得。這款呼吸機算是相當小型的，因此要在其中設計足以防範病毒傳播的全方位系統並不容易。
但它其實只用於在被感染的環境中工作——在此環境中，空氣中散布著含有病毒的飛沫。操作管理可以採用Arduino。此外，還應該研究系統和解決方案，以避免在停電時造成危險。
圖2：人工呼吸機開發專案（來源：GitHub）
抗疫專用呼吸機
這是在Instructables的一款開發專案The Pandemic Ventilator，大部份都採用易於使用的零部件 (圖3)。儘管它完全是由DIY打造的，但目的同樣在於挽救生命。它可用於作為緊急呼吸機。在此疫情日趨嚴峻的情況下，需要使用呼吸機治療的人數很快就會超過目前可用的設備數量，但醫院不可能買足所有患者需要的呼吸機數量。
這款呼吸機的設計非常簡單，但是使用了現代化的電子控制系統。採用木頭、膠帶、塑膠袋、螺紋管、電磁閥、電磁開關和PLC等，硬體和軟體功能也會不斷地更新和改善。根據對於該專案回報的警告說，目前的設備原型僅具有實驗目的，尚未經過任何安全測試。
事實上，呼吸機本身就是具有潛在危險的設備，建議在持有醫師執照的專業人士指導下使用。
這款呼吸機設計基本上是由波紋管單元組成，該波紋管單元則由木材、閥門和管道組成；此外，設計中還有PLC控制器、一些電線和開關以及電源等。整個設備安裝在一塊18×21×0.5英寸的膠合板上，並配備常開和常閉閥門。
圖3：The Pandemic Ventilator呼吸機開發專案（來源：Instructionables）
從圖4可以進一步看到其構造細節。閥門之間通過管道連接，並以T型連接波紋管與波紋管單元中心對齊的方式安裝。在此使用的是鐵氟龍(Teflon)塗裝的螺紋管件。波紋管是通過底部的兩個膠合板件擰緊到背板上而製成的。磁鐵固定在波紋管靠近傳感器杆的一端，而傳感器則固定在傳感器杆上。
為了製作用于波紋管的袋子，我使用一個較大的Ziploc來鏈袋。切掉夾鏈部後份，再插入0.5吋的塑膠管至中心，然後用膠帶密封並加固邊緣。管道應該從袋中伸出足夠遠的距離，才能滑過0.25吋的末端。波紋管袋的膠帶接縫應該置於膠合板部分的底部。安裝鉸鏈蓋後再安裝頂部17吋部分。將4吋長的0.25吋託架螺栓、兩個螺母和兩個墊圈夾在一起。PLC單元是Automation Direct的Direct Logic 06 DO-06DR，其價格低廉、足夠靈活且有許多免費軟體可供編程，但也可以使用其他PLC單元並編寫自己的控制程式。除了PLC，您還需要24V電源和1個開關來啟動系統。
該程式是以Ladder Logic編寫的，其基本工作原理如下：
打開Valve 1，然後關閉Valve 2直到波紋管裝滿為止，這在頂部電磁開關關閉時顯示。
接著關閉Valve 1，打開Valve 2，然後關閉Valve 3，以便波紋管放氣並將空氣泵送至患者。
當波紋管降低到下限時，下方電磁開關關閉，然後Valve 2關閉，Valve 1重新打開以重新填充波紋管。
計時器讓患者的肺在Valve 3打開時放氣。當計時器到期時，Valve 2開啟，Valve 3關閉以開始下一個呼吸周期。
圖4：The Pandemic Ventilator呼吸機的構造細節（來源：TEMPO.CO）
以二手汽車零部件打造的呼吸設備
TEMPO.CO上的另一開發專案是非常簡單的設計，而且使用從亞馬遜(Amazon)購買的汽車零部件，無需使用微控制器(MCU)，如圖5。該系統使用繼電器和開關以及隨處可用的汽車零件。該專案有助於解決當前醫院設備的短缺問題。TEMPO.CO的製作者使用壓縮機、空氣過濾器、空氣調節器、多個閥門、氣缸，甚至使用ULPA過濾器，可用於以過濾掉被感染患者排出的被汙染空氣。該設計可過濾0.12微米的微粒。
圖5：採用汽車零件打造的呼吸機結構（來源：Business Insider）
結合浮潛面罩和3D列印的呼吸機
有助於醫院對抗新型冠狀病毒的另一項創新是改造市場上現有的浮潛面罩，製作成緊急人工呼吸面罩(圖6)。由於在當前的緊急時刻，醫療院所中的口罩、手套等幾乎所有的工具都面臨耗盡的危機。因此，Isinnova的這項專案使用Decathlon運動用品，期望至少能解決一小部分問題。
它雖然為醫護專業人員和病人提供了另一種選擇，但只有在醫院傳統使用的呼吸機不足等緊急狀況下，才能使用這種3D列印呼吸面罩。因為這種呼吸面罩和閥門畢竟未經認證，其使用必須取得患者的同意以及籤署聲明。
圖6：結合浮潛面罩的呼吸機
VentilatorPAL呼吸機
VentilatorPAL是因應全球COVID-19患者迅速增加而呼吸機數量卻急劇減少而設計的。這是一種高品質、低成本的開源呼吸機，任何人都可以購買或建造(圖7)。該專案由FreeBreathing.org提供，但可完全自行組裝或作為套件提供，非醫療公司即可快速建構完成，你自己也可以使用免費提供的原理圖來製作一部這臺基本呼吸機。此外，VentilatorPAL呼吸機是開源、低成本、簡單易用且易於建構的，可以在緊急情況下提供給COVID-19患者使用。
圖7：The VentilatorPAL呼吸機
雙人用呼吸機
義大利波隆那大學(Università di Bologna)醫學和外科科學系發明了一種新的電子電路。該設備由義大利Intersurgical公司製造，通過過分離電路的方式為兩名患者同時提供輔助呼吸。如果自動調節通風機的測量系統位於同一臺機器中，則該設備可以正常運作。
設計人員希望永遠不必有患者需要使用到這套設備，因為那就表示情況真的很嚴重了，可以說醫療系統已經完全崩潰。該設備可以挽救幾個人的生命，但僅在緊急情況擴大且呼吸機不足時才使用。
生產呼吸機難在哪？
疫情全面爆發後，歐美國家湧現了一大批企業加入「跨界」生產呼吸機的隊列，但生產呼吸機、口罩和洗手液不同，有較高的技術壁壘：
1.零部件需求多。以口罩來說，主要需要無紡紗布和熔巖布兩種主要原料，而一臺呼吸機有上千個零部件，來自全球各地，呼吸機研發在歐洲，製造在中國，配套在全球。比如一臺呼吸機產品設計是在德國，組裝生產是在中國，中間的零部件又是全球採購。對於動輒使用2-3萬小時的機器來說，硬體穩定、耐用尤為重要，關鍵零部件裡渦輪風機可能是放在德國或者瑞士生產（比如瑞士的micronel），又比如傳感器可能來自於瑞士或者美國的霍尼韋爾，再如微型比例閥可能來自於德國或者日本（比如SMC），軟體也有可能來自於印度。
2.認證周期長。額溫槍屬於二類醫療器械，呼吸機屬於三類醫療器械，二類和三類的劃分代表著危險級別，三類是醫療器械中的最高級別。註冊備案的時間一般在一年半，加上臨床試驗有些需要更久。
除此之外，出口到國外還要獲得出口國家許可：美國需要美國食品藥品監督管理局（FDA，Foodand Drug Administration）認證，出口到歐盟需要自由銷售證書或CE標誌，出口到日本需要PMDA註冊，每個國家的規則稍有不同。所以目前來說，有機會的企業僅存有在這一領域深耕的企業，跨行業入局者基本沒有機會（除非在本土獲得特殊審批）。
即便非常時期各國也開啟審批綠色通道，但「跨界」生產醫療設備並沒有那麼簡單，生產一臺呼吸機可能要花費多達40天的時間，組裝呼吸機也需要訓練有素的工作人員。複雜的工藝、認證、產業鏈的複雜程度，這些都限制了呼吸機產能的提升。
美敦力呼吸機圖紙公開
據外媒報導，美敦力已經把呼吸機的技術資料都公開了，對於其他想從事呼吸機生產的人來說是契機但是不熟悉的企業進入仍然不容易，產線和體系建立、產品臨床和註冊需要大量時間，建議這個比較適合有同類產品的企業去生產。
結論
呼吸機是一種複雜的設備，需要技術純熟的人員才能正確使用，而且還需要獲得醫師的批准，這意味著大多數的家用專案可能只能在家中緊急時用，而無法用於醫院中。
來源：電子工程專輯
(參考原文：Low-Cost Ventilators To Fight COVID-19，by Giovanni Di Maria)
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