[論文レビュー] Prototype of an affordable pressure-controlled emergency mechanical ventilator for COVID-19

A Pereira, L Lopes+22 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2020

Respiratory Support and Mechanisms参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、COVID-19パンデミック期におけるリソース制限のある環境を想定し、低コストで圧力制御型の機械的換気装置のプロトタイプを提示している。一般的な産業用部品とシンプルな製造方法を用いて構築されており、呼吸数、吸気・呼気時間比、FiO2の調整が可能な圧力制御連続 mandatory 通気を提供する。低所得国における供給不足に直面する状況において、実用的で安価な代替手段を提供する。

ABSTRACT

We present a viable prototype of a simple mechanical ventilator intended as a last resort to ventilate COVID-19 patients. The prototype implements the pressure-controlled continuous mandatory ventilation mode (PC-CMV) with settable breathing rates, inspiration/expiration time ratios and FiO2 modulation. Although safe, the design aims to minimize the use of technical components and those used are common in industry, so its construction may be possible in times of logistical shortage or disruption or in areas with reduced access to technical materials and at a moderate cost, affordable to lower income countries. Most of the device can be manufactured by modest technical means and construction plans are provided.

研究の動機と目的

• 低所得国におけるCOVID-19パンデミック期の機械的換気装置の深刻な不足を解消すること。
• 圧力制御連続 mandatory 通気（PC-CMV）モードで動作する換気装置の設計。
• 物流の混乱時においても、専門的または希少な技術的部品に依存しないようにすること。
• 最低限の技術的手段と広く入手可能な材料を用いての製造を可能にし、現地での生産を支援すること。
• オープンな製造計画を提供し、未発達地域への複製と展開を促進すること。

提案手法

• 空気道圧力を制御するシンプルな制御機構を用いて圧力制御換気を実装する。
• 電磁弁、圧力調節器、チューブなど、信頼性と入手可能性を考慮した標準的な産業用部品を用いる。
• 呼吸数、吸気/呼気時間比、およびシンプルな混合室によるFiO2調節のための調整可能な設定を統合する。
• 複雑な電子回路やマイコンに依存せず、気動制御に依存して動作するように設計する。
• 圧力モニタリングとフェイルセーフ機構を組み込んで、バロトラウマを防ぐ安全性を確保する。
• 基本的な機械工作機器と入手可能な材料を用いた複製が可能な詳細な製造計画を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般的な産業用部品のみを用いて、信頼性の高い圧力制御型機械的換気装置を構築できるか？
• RQ2 このデバイスは、最小限の技術的基盤と現地で入手可能な材料でどの程度製造可能か？
• RQ3 プロトタイプは、呼吸数やI:E比といった重要な換気パラメータを十分に制御できるか？
• RQ4 臨床的用途に適した安全で調整可能なFiO2レベルをデバイスが提供できるか？
• RQ5 公共の健康緊急事態の際、この設計は低リソース環境でスケーラブルかつ複製可能か？

主な発見

• プロトタイプは、調整可能な呼吸数およびI:E比を備えた圧力制御連続 mandatory 通気を正常に提供した。
• シンプルなガス混合によりFiO2レベルを調整可能で、個別に適合した酸素供給が可能である。
• 高度な電子部品を必要とせず、標準的な産業用部品のみで安全に動作する。
• 大多数の部品は、基本的な機械工作工具を用いて現地で製造可能であり、低リソース環境での生産を支援する。
• 詳細な製造計画が提供されており、現地の技術者や医療従事者が複製および改造が可能である。
• 換気装置の不足が深刻な状況下で、低コストかつスケーラブルなソリューションとしての実現可能性が示された。