问题

疫情期间医疗资源短缺,如何自制一台呼吸机?

回答
在疫情期间,医疗资源紧张,尤其是呼吸机这种关键的医疗设备,其短缺问题确实给许多家庭和医护人员带来了巨大的压力。面对这样的困境,一些有技术背景的人员尝试自行改装或制作简易呼吸机,以应对燃眉之急。

需要强调的是,自制呼吸机是一项极其复杂且充满风险的操作,需要高度的专业知识、精密的计算、严格的消毒以及对医疗安全的高度责任感。 任何未经专业指导的尝试都可能导致严重后果,甚至危及生命。这里所探讨的内容,仅为对技术原理的科普性介绍,绝对不鼓励也没有条件在没有专业团队和设备的情况下进行实际操作。 真正的医疗级呼吸机制造,需要遵循极其严格的行业标准和审批流程。

理解呼吸机的工作原理是基础

一台基本的呼吸机,其核心功能是将空气(通常是混合了氧气的空气)以一定的压力和流量,规律性地输送到患者的肺部,帮助他们呼吸。它需要做到以下几点:

1. 气体供给与混合: 需要稳定的氧气和空气来源,并能按照设定的比例混合。
2. 压力控制: 能够施加设定的压力,将气体推入肺部,并控制最大压力,防止对肺部造成损伤。
3. 流量控制: 控制单位时间内输送的气体体积。
4. 潮气量控制: 设定每次通气输送的气体体积。
5. 呼吸频率控制: 设定每分钟的呼吸次数。
6. 呼气功能: 允许患者在机器停止输气时,能够顺畅地呼出气体。
7. 安全监测与报警: 监测气道压力、潮气量等关键参数,并在出现异常时发出警报。
8. 消毒与无菌: 所有与患者接触的部分都必须经过严格的消毒,以防止感染。

简易呼吸机的基本思路(仅为原理性说明)

一些简易的呼吸机尝试,通常会围绕“如何用非医疗设备模拟上述功能”展开。其核心逻辑是利用某种驱动力,将经过过滤和混合的气体,按照一定的节奏推入患者体内。

1. 气体来源:

压缩空气/氧气瓶: 这是最直接的来源。但需要连接减压阀来控制压力。
环境空气 + 氧气浓缩器: 如果有条件获得医用氧气浓缩器,可以将环境空气浓缩成高浓度氧气,然后与过滤后的环境空气混合。

2. 驱动与输送:

气泵/鼓风机: 一些尝试会使用高压气泵(如汽车轮胎充气泵)或强大的鼓风机来提供动力。但这类设备往往难以精确控制压力和流量,且噪音大。
注射器/气囊加压: 最原始的思路,比如使用大型注射器或手动挤压呼吸球囊(Ambu Bag)来提供单次通气。这种方式完全依赖人工操作,无法实现规律性、精确性的机械通气,并且容易疲劳,难以维持稳定的治疗。

3. 压力与流量控制:

阀门与限压装置: 这是最关键也是最难的部分。需要设计或集成一些阀门,来控制气体的进入和排出,并且设置安全限压阀,防止压力过高。
定时器/机械联动: 为了实现规律性通气,需要有某种装置来定时打开和关闭气路的阀门,或者控制驱动装置的周期性工作。这可能涉及到简单的电子定时器、电机驱动的凸轮结构,甚至是在非常简陋的条件下,通过人工手动操作配合节拍器。

4. 过滤与消毒:

空气过滤器: 必须使用高效的颗粒物过滤器(如HEPA过滤器),来去除空气中的细菌、病毒和灰尘。
消毒: 所有与气体接触的管路、阀门等,都需要进行严格的物理或化学消毒。

一个(非常简化的)概念模型(仅作示例,不代表可行性)

想象一下,我们可以利用以下几个模块:

模块一:气体混合与过滤
一个经过严格消毒的医用氧气瓶,通过一个精密减压阀连接。
一个强大的、可调速的静音鼓风机,从经过HEPA过滤的环境空气中吸入空气。
一个混合腔,将来自氧气瓶和鼓风机的空气按比例混合。这个比例的控制非常关键,可能需要一个流量计或一个简易的比例阀。
出口处需要一个更高级的过滤系统,确保进入患者体内的气体是洁净的。

模块二:驱动与控制
一个带有精确控制接口的伺服电机,驱动一个往复式活塞(类似于发动机活塞)或者一个旋转式叶轮,来压缩混合气体。
一套机械或电子控制系统,来精确控制电机的转速、行程(如果是活塞)以及工作周期,从而模拟设定的呼吸频率、潮气量和吸气/呼气比。
一个压力传感器,实时监测输出气道的压力。
一个安全限压阀,当压力超过设定阈值时自动泄压。

模块三:接口与监测
一段经过消毒的医用级硅胶管路,连接到患者的气管插管或面罩。
一个简单的流量计,用于粗略估计吸入/呼出的气体量。
(理想情况下)一个简单的压力报警装置。

自制过程中可能遇到的巨大挑战和风险:

1. 精度控制: 医疗级呼吸机对气体压力、流量、潮气量的控制精度要求极高。任何微小的偏差都可能对患者造成伤害。自制设备很难达到这种精度。
2. 安全性:
压力过高: 导致肺气压伤,甚至气胸。
压力过低: 无法有效通气。
气体污染: 未经充分过滤和消毒的气体可能导致严重感染。
材料不兼容: 部分塑料或橡胶材料在接触高浓度氧气时可能易燃,或者释放有害物质。
电气安全: 如果使用电源驱动,需要考虑电气安全问题。
3. 气密性: 整个管路系统需要高度气密,任何泄漏都会影响通气效果。
4. 呼吸力学: 肺部弹性、阻力等个体差异很大,需要呼吸机能够根据患者情况进行动态调整,这对于简易设备几乎不可能实现。
5. 呼气末正压(PEEP): 许多现代呼吸机都支持PEEP,以维持肺泡开放,防止肺不张。自制设备很难实现这一功能。
6. 监测与反馈: 缺乏准确的监测和反馈机制,无法评估治疗效果和及时调整参数。
7. 消毒与无菌: 设备的反复消毒和维护成本高昂且技术要求严格。

真正的解决方案:

在任何情况下,最安全、最有效的途径是依靠正规的医疗机构和经过专业认证的医疗设备。 如果出现医疗资源短缺,我们应该:

遵循医护人员的指导: 即使资源有限,医护人员也更有能力在现有条件下最大化利用设备。
支持和呼吁: 通过正规渠道支持医疗物资的生产和调配,呼吁社会各界关注并解决医疗资源短缺问题。
学习和科普: 了解呼吸机等医疗设备的基本原理,可以帮助我们更好地理解和支持医疗系统的工作,但切勿将其转化为未经授权的实践。

再次强调,以上内容仅是基于对呼吸机工作原理的粗浅理解而进行的理论探讨,旨在说明其复杂性,绝不代表可以或应该尝试自制。 在疫情期间,尊重专业、依靠科学,是保障生命安全最重要的前提。

网友意见

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【新智元导读】国外达人手把手教你自己制作低成本开源呼吸机,只需网购面罩、管子和一些必要零件,接上arduino开发板,就能DIY一个重症呼吸机,危难时候绝对救命!而意大利重灾区医院利用3D打印的呼吸机阀门成功解救了10名重症患者。

报告:末日庇护所,呼吸机已耗尽!

如今新冠肺炎在全球开始爆发,医疗资源陡然就紧张了起来。如果有一天,住院治疗期间对肺炎患者最宝贵的治疗仪器——呼吸机——耗尽,该怎么办?国外DIY高手说不怕,我来教你自己动手制作低成本呼吸机,危难时刻或许能救命!



警告/免责声明请在专业人士陪同或指导下进行。我们不建议在不具备适当的医疗知识的前提下,贸然动手。凡事三思而后行!作者也提出要求,希望有专业的肺科医生来验证整个呼吸机的有效性。

目前还需要解决的几个问题

  1. 一位肺科医生,给出专业建议的那种。毕竟这涉及到生死问题
  2. 使用简单的充气泵进行测试并实现相同的压力控制
  3. 我们是否可以仅通过观察电动机电流来检测呼吸周期?添加气压传感器可能会使构造复杂化,不过使用简单的电流感测电阻就容易得多
  4. 开发一种更好的解决方案来解决接口口径问题。当前的解决方案将需要一堆胶带来产生足够的压力
  5. 作者手头的一些零件可能不是很好买到
  6. 需要一个防止系统在断电时变得不安全的解决方案。作者坦言对此不太了解,希望给出建议

DIY呼吸机需要用到的材料

持续气道正压通气(CPAP)设备是个人用于治疗睡眠呼吸暂停的常用设备,因此比较好买到。作者使用的是Respironics REMStar的产品,价格不到20美元。

Arduino兼容的Nano/Clone可控制电机速度,呼吸周期并处理用户输入。只需下载Arduino IDE对微控制器软件进行编程。

无刷直流电动机电子速度控制器,电流至少为10A。

用于输入控制的按钮或开关。该代码循环经过5个压力级别,然后双击以在CPAP和BiPAP/Fixed PEEP模式之间切换。

可处理至少5A电流的12v直流电源。鼓风机运转良好,并且呼吸周期会产生电压降,如果电源不够强的话,这会使Arduino重启。

管子和面罩。CPAP面罩很容易买到。

可选的内置12v备用电池。

制作一个鼓风机

这是完整的系统,带有面罩,管路,泵,12v电池和开关。强烈建议使用直流电源,因为电池只能使用约3-4小时。在电池没电的情况下戴上口罩可能会导致危险的二氧化碳堆积。

下面是鼓风机的特写。它只是一个BLDC电动机来驱动鼓风机,附带了一个小型ESC和Arduino(从技术上讲是Teensy2.0 ++,但现在代码已更改为Arduino Nano)。它上面有一个3d打印的锥形软管适配器。



可以使用Arduino IDE对微控制器软件进行编程。该软件将经过简短的初始化过程来配置ESC,然后从最低的CPAP设置开始。可以使用开关在压力水平之间循环,然后双击以在操作模式之间循环。

下面是电子设备的示意图。



制作口罩/牙套

作者使用的Resmed AitFit F20口罩。如果你手头没有口罩,也可以像下图这样使用一个牙套。



用上足够的胶带之后差别也不是很大。还需要一些松紧带将口罩固定在嘴上。密封性不要太好,留一点缝隙让二氧化碳能够排出,不会聚集在管子里。

上买家秀:



意大利医院通过3D打印为重症复活设备制造阀门

由于意大利目前疫情严重,医疗资源损耗量激增,意大利北部的一家医院的重症复活设备急需阀门,但是货源短缺,于是位于米兰的FabLab的利用3D打印技术,在较短时间内迅速制作出大量的阀门,解了这家位于疫情重灾区的布雷西亚医院的燃眉之急,10名患者及时用上了呼吸机。


呼吸机开源地址:

github.com/jcl5m1/venti

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