[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一款低成本、压力控制型机械通气仪原型，专为COVID-19大流行期间资源匮乏地区设计。该设备采用常见工业部件和简易制造工艺，提供可调节呼吸频率、吸呼比和FiO2的压力控制持续强制通气，为面临供应短缺的低收入国家提供一种可行且经济的替代方案。

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.

研究动机与目标

• 解决低收入国家在COVID-19大流行期间机械通气仪严重短缺的问题。
• 设计一种采用压力控制持续强制通气（PC-CMV）模式运行的通气仪。
• 最大限度减少对特殊或稀缺技术部件的依赖，以确保在物流中断期间仍可制造。
• 通过使用普通技术手段和广泛可得的材料，实现本地化生产。
• 提供开放的制造图纸，以促进在资源匮乏地区复制和部署。

提出的方法

• 采用简单控制机制实现压力控制通气，以调节气道压力。
• 使用标准工业部件（如电磁阀、压力调节器和软管）以确保可靠性和易得性。
• 集成可调节的呼吸频率、吸气/呼气时间比以及通过简单混合室实现的FiO2调节功能。
• 设计为无需复杂电子设备或微控制器，完全依赖气动控制。
• 通过压力监测和故障安全机制确保安全性，防止气压伤。
• 提供详细的制造图纸，支持使用基本机加工工具和易得材料进行复制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用常见工业部件可靠地构建压力控制型机械通气仪？
• RQ2 该设备在多大程度上可仅依赖有限的技术基础设施和本地材料制造？
• RQ3 该原型能否对呼吸频率和I:E比等关键通气参数实现足够控制？
• RQ4 该设备能否提供安全且可调节的FiO2水平，适用于临床使用？
• RQ5 该设计在公共卫生紧急情况下是否具备在低资源环境中扩展和复制的可行性？

主要发现

• 该原型成功实现了可调节呼吸频率和I:E比的压力控制持续强制通气。
• 通过简单的气体混合可调节FiO2水平，实现个体化氧疗。
• 设备仅使用标准工业部件即可安全运行，无需先进电子设备。
• 大多数部件可使用基本机加工工具制造，支持在低资源环境中本地生产。
• 提供了完整的制造图纸，使本地工程师和医疗人员能够复制和改进。
• 该设计证明了其作为低成本、可扩展解决方案在通气仪短缺期间的可行性。