[논문 리뷰] The HEV Ventilator Proposal

J. Buytaert, Abud, A. Abed외 29명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 01.

Spacecraft and Cryogenic Technologies참고 문헌 1인용 수 28

한 줄 요약

HEV 벤틸레이터 제안서는 표준 병원 인프라와 의료 운영 모드, 특히 환자 예후에 중요한 PRVC 및 SIMV-PC 모드와 호환되며, 오픈소스 설계, 오프더섀프 컴포넌트, 의료 전문가 및 기관과의 협업을 통해 빠른 프로토타이핑과 배포를 가능하게 하는 저비용, 신속 제작이 가능한 벤틸레이터 설계를 제안한다. 2020년 3월까지 기능성 시범기구가 제작되어 핵심 '버퍼 개념'을 검증하였으며, WHO 협력 하에 학술 기관 및 산업 제조 파트너와의 협업을 통해 코로나19 패닉 기간 동안 병원 현장에서의 확장 가능한 배포를 가능하게 하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 코로나19 패닉 기간 동안 전 세계적으로 발생한 벤틸레이터 부족 문제를 해결하기 위해, 빠르게 제작이 가능한 저비용의 벤틸레이터 설계를 제안한다.
• 특히 환자 예후에 중요한 PRVC 및 SIMV-PC 모드와 호환되며, 표준 병원 인프라와 의료 운영 방식에 적합한 설계를 확보한다.
• 환자 호흡이 정지할 경우 강제 통기로 자동 전환되는 실패 안전 장치를 통해 환자의 안전을 우선시한다.
• 오픈소스 설계, 오프더섀프 컴포넌트, 의료 전문가 및 기관과의 협업을 통해 빠른 프로토타이핑과 배포를 가능하게 한다.
• 학술 기관 파트너십 및 WHO 협력 하에 산업 제조를 통한 이중 경로를 통해 병원 현장에서의 확장 가능성을 확보한다.

제안 방법

• 벤틸레이터는 2리터의 버퍼 부피를 사용하며, 빠른 동작하는 입구 솔레노이드 밸브를 통해 목표 압력(P1)으로 압력을 공급한 후, 출력 밸브를 통해 숨을 내쉬게 한다.
• 2–5 bar의 입력 압력에서 약 200 mbar의 출력 압력으로의 압력 조절은 압력 조절 밸브를 통해 이루어지며, 안전하고 일관된 공급 압력을 보장한다.
• tidal 부피는 버퍼 압력의 변화(P1에서 P2로)와 고정된 버퍼 부피를 기반으로 산술적으로 계산되며, 실제 기상 법의 근사치를 사용해 실시간 추정을 수행한다.
• 시스템은 이중 제어 아키텍처를 사용한다: 실시간 밸브 및 센서 제어를 위한 아두이노와, 사용자 인터페이스 및 경고 관리 기능을 위한 라즈베리파이.
• PEEP 수준은 버퍼와 환자 회로 내 잔류 압력을 제어하여 expiration 기간 동안 폐포 붕괴를 방지한다.
• 환자 자발적 호흡이 감지되지 않을 경우 자동으로 강제 통기로 전환되며, 분당 호흡량과 압력의 지속적 모니터링을 통해 안전성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력 조절 버퍼 시스템을 기반으로 한 저비용 오픈소스 벤틸레이터 설계가 PRVC 및 SIMV-PC와 같은 임상적으로 유의미한 통기 모드를 달성할 수 있는가?
• RQ2 버퍼 기반의 압력 공급 메커니즘은 환자의 통기성 및 저항 변화에 관계없이 일관된 tidal 부피를 안정적으로 제공할 수 있는가?
• RQ3 글로벌 보건 긴급 상황에 대응하여 오프더섀프 컴포넌트와 오픈소스 소프트웨어를 활용해 빠르게 프로토타입을 개발하고 검증할 수 있는가?
• RQ4 자발적 호흡과 강제 호흡 사이클에서 환자의 안전을 확보하기 위해 필요한 핵심 안전 및 제어 기능은 무엇인가?
• RQ5 학술 기관 및 산업 제조 파트너십을 통해 병원 현장에 배포 가능한 설계를 어떻게 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 2020년 3월 27일까지는 성공적으로 작동하는 시범기구가 제작되고 테스트되었으며, 이는 버퍼 기반의 압력 공급 메커니즘이 통기 지원에 실현 가능함을 확인하였다.
• 두 개의 솔레노이드 밸브, 버퍼 챔버, 압력 센서만으로도 안정적인 압력 조절과 제어된 부피 공급이 가능했다.
• 이중 제어 아키텍처(아두이노 + 라즈베리파이)는 실시간 제어와 임상 환경에 적합한 사용자 우수 인터페이스를 가능하게 하였으며, 안전 기능을 위한 경고 기능도 구현하였다.
• 설계는 모든 요구되는 모드를 지원한다: PRVC, SIMV-PC, CPAP, PEEP이며, PEEP 수준은 폐포 붕괴를 방지하기 위해 유지된다.
• 프로토타입은 환자 자발적 호흡이 감지되지 않을 경우 자동으로 강제 통기로 전환되어 치명적인 상황에서 환자의 안전을 확보하였다.
• 학술 기관 및 산업 제조 파트너와의 협업을 통해 신속한 배포 경로가 확립되었으며, WHO와의 협력 하에 글로벌 확장이 진행 중이다.