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。
「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
