COVID-19(俗稱新冠肺炎、武漢肺炎) 在各國大爆發,患者在中重度狀態時,呼吸不過來,呼吸器能幫助呼吸,爭取患者恢復的時間。當面臨這件事情,不少國家才驚覺,不僅給醫療人員使用的口罩不夠,給病人用的呼吸器,也遠遠不夠使用。生產呼吸器的大廠Medtronic,宣布免費開放其中的ㄧ款,已上市的呼吸器Puritan BennettTM 560 (PB560)設計文件,供各方生產,用來因應COVID-19的需求。除此之外,在四月初,以色列的團隊也免費分享一款低成本呼吸器AmbuVent的設計;現今,在GitHub,已經有一群熱血的研發人員,分享更多開放資源(open source)的呼吸器設計,其中低成本的設計,花費可以在數百美元到數千美元之間;其中也有設計,已經取得美國食品藥物管理局(U.S. Food and Drug Administration)的緊急使用授權(Emergency Use Authorization)。如此低的成本,相較一台要價三萬美元的專業呼吸器,令人好奇,是一般購買的呼吸器太貴了嗎?還是設計上有什麼特別的地方。如果低成本也可行,高價呼吸器的價值在哪裡?

低成本呼吸器

呼吸器是什麼?簡言之就是能夠幫助呼吸的器具。大家普遍知道的,可以是救護車上,用來幫助給予患者空氣,手動壓放的甦醒球(Ambu Bag 或BVM,  bag valve mask);近幾年,越來越多較多人知道的,則是用來提供睡眠中止患者,持續性氣壓的陽壓呼吸器(CPAP) ;或者,在加護病房的呼吸器,用來強制或輔助呼吸能力微弱,甚至沒有自主呼吸能力的患者呼吸,以上都被稱做呼吸器。後者,在加護病房使用的呼吸器,就是肺炎患者在重症時需要的設備,而這裡談到的低成本呼吸器,則是以手動壓放操作的甦醒球為基礎,進而改造的低成本設備。

手動按壓的甦醒球(Ambu Bag 或BVM, Bag Valve Mask)
低成本呼吸器,以這種手動按壓的甦醒球改造。Credit: U.S. Army New England Recruiting Battalion @flickr Public Domain Mark 1.0

「自動」按壓甦醒球

從外觀看來,改造呼吸器,一個很明顯且必要的特點,就是要能「自動」運作。因此,我們看到改造的第一個步,就是把「手動」按壓,改成自動。在網路上搜尋,可以看到數十種馬達改裝設計,將旋轉馬達的旋轉運動,轉換成直線運動,從單側或者兩側擠壓甦醒球。似乎不難啊! 再加裝個調節器,調整動作頻率和擠壓時的行程大小, 這樣只要五百元美金就完成了。如果你上網搜尋,會發現各種馬達應用的方式,很有意思,不過,有的設計相當的複雜,或許不利於量產製造。因為這篇的重點放在,思考呼吸器的低成本設計如何因應功能上的需求,在此就先不討論如何驅動以擠壓甦醒球的方法。

不能忽略的生物醫學

如果把人體的肺當做一個氣球,似乎呼吸器動作就是充放氣而已。當然,呼吸器設計不是只有上述如此。實際上,氧氣吸入後,要能達到人體肺部支氣管延伸的末端,也就是肺泡做氣體交換,再把換氣後的二氧化碳排出。以功能需求而言,可以歸納幾點在設計上的考量: 1)這個呼吸的動作,是患者主動,還是由呼吸器主導?  2) 整個肺部隨著壓力、容積變化,有什麼生理訊號的反應?  例如,肌肉運動、血氧濃度、呼吸氣的流量和肺部的壓力等 3) 肺泡能承受的最大壓力,和需要持續維持的壓力值是多少? 4) 臨床上,又有哪些操作上的需求? 以上,要怎麼和呼吸器的設計做連結呢? 第一點,在設計上要預留讓患者自主呼吸控制的功能,不能只是強制呼吸,這和未來患者脫離呼吸器後,自主呼吸的能力有關。第二點,知道整個生理反應和變化,才能根據這些反應做監控,例如說:我們知道橫膈膜在呼吸氣時的動作,就能監測這個訊號,做為機器運作的回饋,即時反應做調整;另外,也可以設計警示鈴,監視患者的狀態。 第三點,肺泡在呼吸氣時,可能完全呈現負壓(塌掉)或者被撐壞(壓力過大),造成所謂的氣壓傷(barotrauma),可能對患者有更深的傷害。而第四點,很重要的,必定和第一線的醫療人員對話,只有他們才真的知道臨床上需要滿足的需求是什麼。此外,輸入人體的氣體,要經過溫濕度調整,再送入肺部,這點也是低成本呼吸器需要納入考量的。

真的做到很精緻的設計,估計需要不少的感測器(sensor)和控制器(controller)。我們不知道,只用數百美元這樣低的成本是不是還能做得出來。必然的是,功能上要先確定完整,再來因應製造或者大量生產(scale up) 做完整考量。畢竟功能不完備的呼吸器,用了可能讓患者狀況更糟啊!

加入呼吸器世界隊

呼吸器之所以不便宜,除了商業和市場等因素,在功能上是不是完整而且細緻,以及相對的耐用和可靠性,恐怕是低成本呼吸器所沒有的。如果你對低成本呼吸器有想法,有興趣加入打造低成本呼吸器的世界隊,可以參考以下幾個網站:

Code Life Ventilator Challenge – Agorize
COVID-19 Ventilator Projects and Resources with FAQs – GitHub
MIT E-Vent | MIT Emergency Ventilator – MIT

圖片來源:U.S. Army New England Recruiting Battalion @flickr  Public Domain Mark 1.0
影片來源:I Love Innovation The 1nn0v8er



作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。