[논문 리뷰] Prototype of an affordable pressure-controlled emergency mechanical ventilator for COVID-19

A Pereira, L Lopes외 22명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 19.

Respiratory Support and Mechanisms참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 코로나19 패닉 기간 동안 자원이 제한된 환경에서 사용하기 위해 저비용으로 압력 제어형 기계적 산소호흡기 프로토타입을 제안한다. 일반적인 산업용 부품와 단순한 제작 방법을 사용하여, 조절 가능한 호흡률, 인흡입/呼기 비율, FiO2를 갖춘 압력 제어 연속 강제 통기 모드를 제공하며, 저소득 국가에서의 수요 부족 상황에서 실현 가능하고 저렴한 대안을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 코로나19 패닉 기간 동안 저소득 국가에서 기계적 산소호흡기의 심각한 부족을 해결한다.
• 압력 제어 연속 강제 통기(PC-CMV) 모드로 작동하는 산소호흡기를 설계한다.
• 물류 차질 상황에서도 특수하거나 희귀한 기술 부품에 의존하지 않도록 최소화한다.
• 현지에서 제작이 가능하도록 단순한 기술 수단과 널리 확보 가능한 자재를 사용하여 제작을 가능하게 한다.
• 오픈 소스 제작 설계도를 제공하여 낙후된 지역에서의 복제 및 배포를 촉진한다.

제안 방법

• 공기압을 조절하는 단순한 제어 메커니즘을 사용하여 압력 제어 통기 기능을 구현한다.
• 솔레노이드 밸브, 압력 조절기, 호스와 같은 표준 산업 부품를 사용하여 신뢰성과 확보 가능성을 확보한다.
• 호흡률, 흡기/호기 시간 비율, FiO2 조절을 위한 단순 혼합 챔버를 통합하여 조절 기능을 제공한다.
• 복잡한 전자회로나 마이크로컨트롤러를 사용하지 않고, 기계적 제어에 의존하여 시스템을 운영한다.
• 압력 모니터링 및 고장 발생 시 안전 장치를 통해 기계적 손상(예: 기계적 손상)을 방지하여 안전성을 확보한다.
• 기본 기계 가공 도구와 접근 가능한 자재로 복제가 가능한 상세한 제작 설계도를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 산업 부품만을 사용하여 압력 제어 기계적 산소호흡기를 신뢰성 있게 제작할 수 있는가?
• RQ2 장비나 기술 인프라가 최소한일 경우, 얼마나 많은 부분을 현지에서 제작할 수 있는가?
• RQ3 프로토타입이 호흡률 및 I:E 비율과 같은 주요 통기 매개변수를 충분히 제어할 수 있는가?
• RQ4 장치가 임상적 사용에 적합한 안전하고 조절 가능한 FiO2 수준을 제공할 수 있는가?
• RQ5 공중보건 비상 상황에서 자원이 제한된 환경에서 이 설계가 확장 가능하고 복제 가능한가?

주요 결과

• 프로토타입은 조절 가능한 호흡률과 I:E 비율을 갖춘 압력 제어 연속 강제 통기 기능을 성공적으로 제공한다.
• 단순한 가스 혼합을 통해 FiO2 농도를 조절할 수 있어 맞춤형 산소 공급이 가능하다.
• 고급 전자기기 없이도 표준 산업 부품만으로 안전하게 작동한다.
• 대부분의 부품은 기본 기계 가공 도구로 제작이 가능하여 자원이 제한된 환경에서의 현지 제작을 지원한다.
• 제작 설계도가 제공되어 현지 엔지니어와 의료진이 복제 및 변형이 가능하다.
• 이 설계는 산소호흡기 수요 부족 상황에서 저비용으로 확장 가능한 솔루션으로 실현 가능성을 입증한다.