[論文レビュー] The HEV Ventilator Proposal

J. Buytaert, Abud, A. Abed+29 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2020

Spacecraft and Cryogenic Technologies参考文献 1被引用数 28

ひとこと要約

HEV ベンチレーター提案では、市販部品を用いた圧力制御バッファシステムに基づく低コストで迅速に製造可能なベンチレーター設計を提示しており、PRVC、SIMV-PC、CPAPモードに加えPEEP対応を実現している。2020年3月までに動作確認用デモンストレーターが完成し、コロナ禍期の病院でのスケーラブルな展開を可能にするために、オープンソース設計の共有と医療・産業パートナーとの連携を実施した。

ABSTRACT

We propose the design of a ventilator which can be easily manufactured and integrated into the hospital environment to support COVID-19 patients. The unit is designed to support standard ventilator modes of operation, most importantly PRVC (Pressure Regulated Volume Control) and SIMV-PC (Synchronised Intermittent Mandatory Ventilation) modes. The unit is not yet an approved medical device and is in the concept and prototyping stage. It is presented here to invite fast feedback for development and deployment in the face of the COVID-19 pandemic.

研究の動機と目的

• コロナ禍期の世界的なベンチレーター不足に対処するため、迅速に製造可能な低コストのベンチレーター設計を提示すること。
• 特に患者の予後にとって重要なPRVCおよびSIMV-PCモードを含む、標準病院インfraや医療運用モードと互換性を持つこと。
• 患者の自発的呼吸が停止した場合に強制的換気モードに自動フェイルオーバーするフェイルセーフ機構により、患者の安全を最優先すること。
• オープンソース設計、市販部品、医療専門家・機関との連携を活用することで、迅速なプロトタイプ開発と展開を可能にすること。
• 学術パートナーによる生産とWHO協力による産業的製造の二重ルートを活用し、スケーラビリティを実現すること。

提案手法

• ベンチレーターは2リットルのバッファ体積を備え、高速作動するインletソレノイドバルブにより目標圧力（P1）に圧力を高め、その後出力バルブを通じて呼吸を供給する。
• 2–5 barの入力圧力を約200 mbarの出力圧力に圧力レギュレータを用いて制御することで、安全で一貫した供給圧力を実現する。
• tidal volumeは、バッファ圧力の変化（P1からP2）と固定バッファ体積に基づき、理想気体法の近似式を用いてリアルタイムで推定する。
• 二重コントローラアーキテクチャを採用：Arduinoがバルブおよびセンサーのリアルタイム制御を担当し、Raspberry Piがユーザーインターフェースおよびアラーム管理を担当する。
• 呼気期における肺胞の崩壊を防ぐために、バッファおよび患者回路内の残留圧力を制御することでPEEPレベルを維持する。
• 患者の自発的呼吸が検出されない場合に自動で強制換気モードにフェイルオーバーする機構を備え、呼吸量および圧力の継続的モニタリングにより安全性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力制御バッファシステムに基づく低コストでオープンソースのベンチレーター設計が、PRVCやSIMV-PCといった臨床的に重要な換気モードを達成できるか？
• RQ2 バッファベースの圧力供給メカニズムが、患者の呼気抵抗やコンプライアンスの変動に関係なく一貫した tidal volume を安定して供給できるか？
• RQ3 世界的な健康危機に応じて、市販部品とオープンソースソフトウェアを活用した迅速なプロトタイプ開発と検証が可能か？
• RQ4 自発的呼吸および強制的呼吸サイクルにおいて、患者の安全を確保するために必要な主な安全機能および制御機能は何か？
• RQ5 学術的および産業的パートナーシップを通じて、病院での展開に適したスケーラブルな設計が実現できるか？

主な発見

• 2020年3月27日までに、機能的なデモンストレーターが成功裏に製作およびテストされ、バッファベースの圧力供給メカニズムが換気支援に有効であることが確認された。
• 2つのソレノイドバルブ、バッファチャンバ、圧力センサーのみで、安定した圧力制御と制御された tidal volume 供給が実現した。
• 二重コントローラアーキテクチャ（Arduino + Raspberry Pi）により、リアルタイム制御と臨床現場向けの使いやすいインターフェースが実現され、安全機能を備えたアラーム機能も実装された。
• 設計はPRVC、SIMV-PC、CPAP、PEEPをすべて対応しており、肺胞の崩壊を防ぐためにPEEPレベルを維持する。
• 患者の自発的呼吸が途切れた場合に自動で強制換気モードに切り替わる機能が実証され、深刻な状況下でも患者の安全が確保された。
• 学術機関および産業パートナーを介した迅速な展開ルートが確立され、WHOとの連携を通じて世界的なスケーラビリティが進行中である。