【導讀】2020 年 3 月
，COVID-19新冠肺炎疫情迅速傳播，全球急救呼吸機的短缺成為人們最大的擔憂之一。呼吸機需求的激增預示著其很快就會供不應求。MPS團隊也嚐試在這場危機中貢獻一份力量。盡管MPS並不是醫療設備製造商，但其工程師和設計師在電力電子和電機控製方麵擁有豐富的經驗。將其專業積澱應用於呼吸機、呼吸器和呼吸機類設備的技術架構
，MPS期望能夠助力抗擊這次的全球性大瘟疫。

本文將介紹MPS 開源“急救呼吸機”的開發過程，同時也展示MPS 電源解決方案在增強任意電子係統設計與開發方麵發揮的作用。

設計基準

解決迫在眉睫的呼吸機短缺問題有哪些具體需求？MPS在思考這個問題時尋求了創客/DIY 社區的幫助。這將我們引向麻省理工學院（MIT）一個技術和醫療團隊開發的急救呼吸機項目，E-Vent。E-Vent 是一個開源項目，它致力於為世界各地的團隊提供臨床和設計參考信息，從而通過自動化手動氣囊閥麵罩 (BVM) 來製作他們自己的急救用呼吸機（見圖 1）。

圖1: 麻省理工學院的第3版E-Vent原型(1)

注： 

1) 圖片來源：麻省理工學院。 

一個正規的呼吸機是很複雜的機器（見圖 2）。它不僅僅簡單地壓迫空氣進出患者肺部
，還控製空氣量、流速、氧氣含量
，甚至控製空氣溫度和濕度。此外，呼吸機還必須監測可能危及患者的任何情況，並觸發適當警報或糾正措施。

圖2: 呼吸機和氣囊閥麵罩（BVM）圖示(2) (3)

注： 

2)圖片來源 Dräger. 

3)圖片來源Ambu. 

相比之下，自動化 BVM（例如 E-Vent 係統）並不是一個功能齊全的呼吸機。 雖然自動化 BVM可以提供機械換氣，並包含基本的安全監測，但它隻是緊急情況下使用的過渡設備

，用於自動執行手動過程。自動化BVM 僅用於維持患者呼吸，直到有正規的呼吸機可用
，它允許醫務人員將之同時用於多名患者。

“呼吸機”一詞被廣泛用於描述提供機械換氣的設備，但我們有必要區分緊急情況下使用的自動化BVM 設備與全功能呼吸機。BVM 設備是一種可能造成醫療風險的過渡設備，應僅在必要時使用。 設計優化的MPS急救呼吸機

MPS 的設計遵循了MIT 的 E-Vent 係統主要架構


，它采用Arduino 微控製器來處理用戶輸入

、監測關鍵參數並驅動直流電機以擠壓 BVM

，同時通過無縫電池備份改善了電源管理，並利用無刷直流 (BLDC) 智能電機改進了電機控製。這種新型設計集成了市麵上已有的傳動係統組件，創建出一個非常緊湊的呼吸設備（見圖 3）。

圖3: MPS開源“急救呼吸機”第2版原型

其主要集成組件包括以下設備：

1. MP2759, 帶電源路徑管理功能的開關充電器（作為 EV2759-Q-01A評估板的一部分）。

2. MPM3510A, 同步降壓變換器模塊（作為 EVM3510A-QV-00A評估板的一部分）。

3. MP3910A, 升壓 PWM 控製器（作為 EV3910A-S-00A評估板的一部分）。

當然，我們可以將這些組件集成在一塊定製的PCB上，但為了縮短開發時間
，我們利用了每個器件已有的預製評估板，並同時創建了一個緊湊的解決方案。

圖4: MPS急救呼吸機係統功能模塊

在該方案中，EV2759-Q-01A從標準 19V 交流電源適配器（例如筆記本電腦上使用的適配器）中獲取主要輸入電源，可以為呼吸機係統供電，還可以為呼吸機備用電池充電。EV2759-Q-01A的最大輸入電壓為 36V，可以集成 1 至 6 節串聯電池，具有不同的電池調節電壓和最大 3A 充電電流（見圖 5）。

本方案采用的電池為14.8V、4S
、6000mAh鋰li電dian池chi組zu，這zhe種zhong電dian池chi組zu廣guang泛fan應ying用yong於yu遙yao控kong車che和he小xiao型xing機ji器qi人ren。如ru果guo交jiao流liu電dian源yuan被bei斷duan開kai
，係xi統tong的de電dian源yuan和he操cao作zuo並bing不bu會hui受shou到dao幹gan擾rao，急ji救jiu呼hu吸xi機ji可ke以yi在zai停ting電dian或huo運yun送song患huan者zhe的de過guo程cheng中zhong繼ji續xu運yun行xing。同tong時shi，EV2759-Q-01A還可配置為在交流斷電發生時觸發告警；電源恢複後
，解除告警。

圖5: MPS EV2759板和備用電池

MPM3510A 用於降低主係統電壓，為 Arduino 微控製器提供持續、穩定的電源。Arduino微控製器是控製係統的器件，因此需要可靠且準確的電源供應。 MPM3510A可適應4.5V 至 36V 的寬輸入電壓範圍
，並提供低至 0.8V 的可調輸出和1.2A 的連續負載電流能力。

MP3910A用於提升主係統電壓，以為24V BLDC 智能電機供電。與 Arduino微wei控kong製zhi器qi一yi樣yang，電dian機ji驅qu動dong器qi也ye需xu要yao可ke靠kao的de電dian源yuan才cai能neng保bao持chi一yi致zhi的de性xing能neng。對dui急ji救jiu呼hu吸xi機ji係xi統tong而er言yan，不bu一yi致zhi的de電dian機ji性xing能neng將jiang導dao致zhi不bu準zhun確que的de空kong氣qi輸shu送song。而erMP3910A具有標準的 9V 至 14V 輸入電壓範圍，能夠嚴格調節輸出24V電壓，從而提供足夠的電流以滿足峰值功率電機的需求。

圖6: MPS EV3910A (左) 和EVM3510A (右)

用於擠壓 BVM 的電機為MPS的EVKT-MSM942077-24
，這是一款集成了MPS 智能電機模塊 (MMP742077-24-C)的77W BLDC 智能電機，其外形尺寸為 42mm (NEMA-17)。EVKT-MSM942077-24是MPS的eMotionTM 伺服驅動模塊和套件係統係列產品之一。該電機通過 RS485 連接到 Arduino微控製器
，並使用 MPS自己開發的“MSMMotor.h” Arduino庫命令進行控製。

EVKT-MSM942077-24提供了功能強大
、緊湊且簡單的解決方案，它使BLDC 電機控製變得更加容易。在其智能電機模塊中，集成有一個磁性角度位置傳感器、一個磁場定向控製器 (FoC) 和電源驅動器（見表 1）。該器件提供RS485 和 PULSE/DIR 兩種輸入接口選項，具有77W 連續功率輸出和 0.3° 的位置分辨率。EVKT-MSM942077-24 允許設計人員使用電流測量來實現歸位程序
，以檢測機械擠壓臂在“打開”方fang向xiang
，何he時shi接jie觸chu到dao內nei置zhi的de機ji械xie擋dang塊kuai。這zhe種zhong內nei置zhi擋dang塊kuai在zai電dian機ji啟qi動dong期qi間jian設she定ding零ling位wei，從cong而er確que保bao了le一yi致zhi的de性xing能neng。由you於yu無wu需xu單dan獨du的de歸gui位wei開kai關guan而er簡jian化hua了le係xi統tong設she計ji（參見圖 7）。

表1: 智能電機模塊組件

圖 7：啟動時執行歸位操作的呼吸機係統

MPS jijiuhuxijidejixieshejifeichangjiandan，erqietajinkenengdicaiyonglebiaozhundeshishoulingjian。zaibucaiyongshishoulingjiandeqingkuangxia，gaijiejuefangankeyijiehejiandandedingzhijixiebujian，liru，3D 打印符合BVM 形狀的擠壓板。

機械設計的技術需求提供了在不同吸氣與呼氣 (I:E) 比率下每分鍾呼吸次數 (BPM) 的指定範圍。根據 MIT 項目提供的 BPM 和 I:E 比率範圍，以及他們對擠壓 BVM 的力度要求建議
，我們 計算出采用EVKT-MSM942077-24時所需的齒輪減速。我們安裝了一個標準100:1 變速箱和齒輪組，最終得到200:1的減速比，達到了所需的速度和扭矩水平。其他組件（例如壓力傳感器、報警蜂鳴器、顯示麵板、按鈕、旋鈕和開關）都是標準組件
，係統設計人員可以用任何等效部件來代替。

圖8: 由電機和 100:1 行星齒輪箱提供輸入的傳動係統主齒輪

自MPS 創建了第一個功能原型之後，該項目通過視頻、項xiang目mu網wang站zhan和he網wang絡luo外wai展zhan得de到dao迅xun速su傳chuan播bo。很hen多duo個ge人ren和he團tuan體ti都dou了le解jie了le我wo們men的de開kai發fa過guo程cheng，並bing在zai集ji成cheng該gai方fang案an特te有you的de電dian氣qi特te性xing方fang麵mian提ti供gong了le幫bang助zhu。不bu過guo，MPS並(bing)沒(mei)有(you)將(jiang)該(gai)設(she)計(ji)付(fu)諸(zhu)生(sheng)產(chan)。該(gai)方(fang)案(an)出(chu)台(tai)之(zhi)時(shi)，許(xu)多(duo)呼(hu)吸(xi)機(ji)製(zhi)造(zao)商(shang)已(yi)經(jing)麵(mian)臨(lin)供(gong)應(ying)短(duan)缺(que)的(de)問(wen)題(ti)，而(er)新(xin)冠(guan)肺(fei)炎(yan)的(de)治(zhi)療(liao)方(fang)案(an)也(ye)沒(mei)有(you)將(jiang)重(zhong)點(dian)放(fang)在(zai)呼(hu)吸(xi)問(wen)題(ti)上(shang)，尤(you)其(qi)是(shi)像(xiang) BVM 這樣的緊急使用呼吸機。但MPS仍然設計了第2個版本的原型，以備未來之需（參見圖 9）。

圖 9：MPS 的開源“急救呼吸機”（左側為第 1 版
，右側為第 2 版）

結語

MPS 在此感謝 MIT E-Vent 項(xiang)目(mu)和(he)創(chuang)客(ke)社(she)區(qu)中(zhong)的(de)無(wu)數(shu)個(ge)人(ren)
，他(ta)們(men)都(dou)是(shi)這(zhe)個(ge)全(quan)球(qiu)協(xie)作(zuo)項(xiang)目(mu)的(de)貢(gong)獻(xian)者(zhe)。來(lai)自(zi)社(she)區(qu)的(de)想(xiang)法(fa)為(wei)我(wo)們(men)開(kai)發(fa)這(zhe)種(zhong)緊(jin)急(ji)情(qing)況(kuang)下(xia)使(shi)用(yong)的(de)呼(hu)吸(xi)機(ji)提(ti)供(gong)了(le)重(zhong)要(yao)的(de)參(can)考(kao)資(zi)料(liao)。同(tong)時(shi)
，我(wo)們(men)誠(cheng)摯(zhi)感(gan)謝(xie)聖(sheng)克(ke)拉(la)拉(la)穀(gu)醫(yi)療(liao)中(zhong)心(xin) (SCVMC) 的醫療團隊所付出的時間與精力
，他們在肺模擬器上測試該設備
，幫助我們完善了係統的設計細節

，例如 BVM 擠壓板形狀和扭矩要求。

要了解MPS自動化BVM設備采用的設計或組件（包括完整的 BOM、3D 設計文件和 Arduino 控製代碼），請查看開源呼吸機項目頁麵。

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