設計開源呼吸器專案

新冠肺炎 (COVID-19) 的相關醫療設備取得難度提升，凸顯了個人和整體電子產業更廣泛參與醫療裝置開發的需求。傳統呼吸器製造商極少，加上供應鏈的破壞，持續影響醫療產業增加呼吸器產量的能力。為了因應此情況，許多非醫療製造商採取行動，將製造產能轉換至建造呼吸器。此外，多家公司及個人均投注心力，開發和宣傳開源呼吸器技術，以期讓全球更多病患能取用呼吸器。

呼吸器和新冠肺炎 (COVID-19)

症狀嚴重的新冠肺炎病患需要呼吸支援，更嚴重還會導致急性呼吸窘迫症候群 (ARDS)。ARDS 的症狀為肺部無法自行吸入足夠的氧氣。ARDS 的患者具有高死亡率，在治療時需要使用多天的人工呼吸器。新冠肺炎 (COVID-19) 疫情大幅增加病患對呼吸照護的需求。全球許多地區都因為呼吸器的高成本或缺乏而讓病患無法獲得治療，導致死亡。

呼吸器背景

人工呼吸器用於協助將氣體從肺部移入和移出，以提供氧氣及移除二氧化碳。現代呼吸器使用正壓呼吸器 (PPV) 將氣體以正常的呼吸速率推入肺中。圖 1 顯示在吸入和呼出時，人工呼吸器的壓力高點和氣流示範模擬曲線。使用呼吸器治療病患時，會採用此類型曲線，並具有多種限制和速率。

圖 1：呼吸器波形。(圖片來源：Trinamic)

呼吸器通常使用氣動或電力，在運作時，提供壓力和氣流。人工呼吸器在吸氣 (吸入) 和吐氣 (呼出) 模式循環時，使用內部多個感測器和控制器。 參考資料 1，麻醉和重症照護設備：FRCA 的完整指南 (Equipment in Anaesthesia and Critical Care: A complete guide for the FRCA)，針對呼吸器基本設計和術語，提供良好的背景資料和基礎參考。

Trinamic 開源呼吸器 (TOSV) 專案

Trinamic (現為 Maxim Integrated 旗下) 具有多年的動作控制電子經驗。Trinamic 除了持續支援客戶的呼吸器相關專案，更期望藉由提供呼吸器開源硬體公版設計，啟發工程師和醫療公司。

許多呼吸器運用由 BLDC 馬達驅動的高 RPM 離心渦輪風扇，結合多種感測器，提供壓力和氣流控制呼吸器模式。Trinamic 在低感應 BLDC 馬達具備豐富的經驗，因此能運用相同方法，執行公共 Trinamic 開源呼吸器 (TOSV) 專案。Trinamic 開發概念驗證設計 (圖 2)，以 TMC4671 馬達控制和 TMC6100 閘極驅動器 IC 為基礎，驅動 CPAP 渦輪風扇。

圖 2：概念驗證。(圖片來源：Trinamic)

Trinamic 團隊使用 TMC6100+TMC4671-EVAL-KIT 評估平台開發韌體、快速取得概念驗證，並且以 CPAP 渦輪運作。此套件包含一個 MCU Landungsbrücke 板、兩個 Eselsbrücke 橋接板、一個 TMC4671-EVAL 動作控制板，以及一個 TMC6100-EVAL 驅動器板。同時插入這些板件，可輕鬆存取電子連接，用於控制馬達以及介接感測器。

除了在評估平台上開發韌體，還有一組工程團隊負責開發小型外型的客製化 PCB，涵蓋 TMC4671、TMC6100、微控制器和介面電路。Trinamic 所開發的硬體和韌體組成 TOSV 專案 (圖 3)。

圖 3：TSOV 公版設計方塊圖。(圖片來源：Trinamic)

TOSV 旨在提供硬體公版設計，用以控制送風機和感測器，以及呼吸器基本功能的韌體。圖 3 顯示在設計中實作的主要功能區塊。PCB 的覆蓋區用於插入 Raspberry Pi，提供現成可用的單板電腦平台，用於開發系統級功能。

提供組成的 TMC4671+TMC6100-TOSV-REF TOSV 公版設計評估板和韌體。TOSV 公版設計附帶線路圖、PCB 文件、物料清單、CAD 繪圖、韌體，以及 Python 使用者介面範例。所有附帶品皆可透過 Trinamic 的 TrinamicOpenSourceVentilator-TOSV GitHub 連結存取。

結論

TOSV 是用於增進人類全體福祉的開源硬體和韌體之良好範例。Trinamic 運用驅動高 RPM BLDC 馬達的經驗在呼吸器系統，為個人和公司開發硬體和韌體公版模塊，以便進行使用、開發、改良。

參考資料：

1 – Aston D, Rivers A, Dharmadasa A: Equipment in Anaesthesia and Critical Care: A complete guide for the FRCA.Royal College of General Practitioners.2013.參考資料