开源工程师设计低成本呼吸机助力 COVID-19 应对

呼吸机维持肺部氧气并排出二氧化碳，是重症 COVID-19 病例不可或缺的设备。病毒损害肺纤毛导致粘液堆积和继发感染，阻碍氧气吸收。全球医院面临呼吸机短缺，制造业掀起全球性激增——口罩、呼吸器、拭子、药品和呼吸机。呼吸机辅助呼吸；COVID-19 核心挑战是肺部阻塞。

响应号召，工程师、临床医生和研究人员社区发起协作开源倡议设计和生产呼吸机。利用 3D 打印等快速制造技术，按需创建备件和设备。

图 1：专业呼吸机（图片：Hamilton Medical）

呼吸机如何工作？

这些机器通过插入患者口鼻的管道泵送空气来输送氧气并排出二氧化碳。现代呼吸机由嵌入式计算机电子控制，属于生命关键系统，要求最高可靠性标准。

项目概览

众多低成本呼吸机设计——许多托管于 GitHub——填补医院物资不足的空白。虽可支持急性肺部危机，但直接影响医疗状况，强制要求专业医疗监督。不当使用，特别是高压下，风险显著。

低成本开源呼吸机设备 (PAPR)

该 GitHub 项目（图 2）提供简陋、经济的呼吸机，正确使用可挽救生命。可编程呼吸频率 10-16 次/分，峰值气道压力可达 45 cmH₂O；但超过 20 cmH₂O 危险。设备使用环境空气（21% O₂）；更高氧浓度需专用医疗设备。项目开放改进，创作者寻求量产合作伙伴。元件供应可能受限，设计刻意极简。未来迭代可纳入病毒传播缓解。设备仅在已感染环境运行，需飞沫遏制。控制由 Arduino 管理；应集成断电保护。

图 2：呼吸机项目（图片：GitHub）

疫情呼吸机

Instructables 上提供的 DIY 呼吸机使用易得组件（图 3）。旨在作为紧急生命维持方案。医院无法采购足够呼吸机，需求可能超供给。设计直观却融入现代电子控制。采用木材、胶带、塑料袋、螺纹管、电磁阀、磁性开关和 PLC。项目在硬软件持续迭代。明确声明原型实验性质，未经安全测试；仅认证临床医生可使用。设备由木制风箱单元、阀门、管道、PLC、导线、开关和电源组成，安装在 18×21×0.5 英寸胶合板上。需直动式电磁阀和特氟龙胶带密封的螺纹接头。风箱由大冰箱袋制成，胶合板和铰链加固（见图 4）。PLC 为 Automation Direct 的 Direct Logic 06 DO-06DR——低成本、灵活、免费编程软件的单元。其他 PLC 可替代。24V 电源和开关启动系统。梯形逻辑程序运行如下：

打开阀门 1 关闭阀门 2，直到风箱充满（顶部磁性开关闭合）。
关闭阀门 1，打开阀门 2 关闭阀门 3，向患者呼气。
底部磁性开关闭合时，关闭阀门 2 重新打开阀门 1 给风箱补气。
定时器允许患者肺部在阀门 3 打开时排气；定时器到期后，阀门 2 打开阀门 3 关闭开始下一循环。

接线图如下：

输入
- X0 顶部风箱磁性开关
- X1 底部风箱磁性开关
- X2 开/关开关
- C0 24V
- 全部回地
输出
- Y0 未使用
- Y1 吸气阀 (V2)
- Y2 呼气阀 (V3)
- Y3 风箱充气阀 (V1)
- C0 120VAC 火线
- 全部回零线

图 4：疫情呼吸机构造细节（图片：TEMPO.CO）

>>> 继续阅读完整文章中更多呼吸机设计工作，原文发布于姊妹站 EEWeb。

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