Progettare un ventilatore open-source

La carenza di apparecchiature medicali legata alla pandemia da COVID-19 mette in evidenza la necessità di un maggior coinvolgimento nello sviluppo di dispositivi medici, sia da parte di singoli individui che di tutto il settore dell'elettronica. Il numero relativamente basso di produttori di ventilatori tradizionali combinato a disagi nella supply chain continua a minare la capacità del settore medicale di aumentare la capacità di produzione dei ventilatori. Per far fronte a questa situazione, molti produttori che non appartengono al settore medicale si sono offerti a convertire la propria capacità produttiva per la produzione di ventilatori. Inoltre, diverse aziende e individui stanno collaborando allo sviluppo e alla promozione di tecnologia open-source per ventilatori, con lo scopo di migliorare l'accesso dei pazienti ai ventilatori, a livello globale.

I ventilatori e il COVID-19

I pazienti affetti da coronavirus in fase acuta possono richiedere un supporto ventilatorio. I malati in forma grave possono sviluppare la sindrome da distress respiratorio acuto (ARDS), che è l'incapacità dei polmoni di assorbire autonomamente una quantità adeguata di ossigeno. I pazienti affetti da ARDS presentano una mortalità più elevata e possono richiedere diversi giorni di ventilazione meccanica durante le cure. La pandemia da COVID-19 ha portato a una crescita enorme di pazienti che necessitano di cure respiratorie. In molte parti del mondo, il costo elevato o la mancanza di ventilatori limita l'accesso dei pazienti alle cure e causa decessi che potrebbero essere evitati.

Informazioni sui ventilatori

Il ruolo del ventilatore meccanico è quello di pompare dentro e fuori dai polmoni il gas per fornire ossigeno e rimuovere il biossido di carbonio. I ventilatori moderni usano la ventilazione a pressione positiva (PPV) per spingere gas nei polmoni a una velocità respiratoria regolare. La Figura 1 mostra un profilo di simulazione di esempio delle rampe e dei flussi di pressione di un ventilatore meccanico durante le fasi di inspirazione ed espirazione. Un ventilatore implementa questo tipo di profilo con diversi limiti e velocità quando viene utilizzato per curare un paziente.

Figura 1: Forma d'onda di un ventilatore (Immagine per gentile concessione di Trinamic)

In genere i ventilatori utilizzano l'energia pneumatica o elettrica per fornire la pressione e il flusso utilizzati durante la ventilazione. All'interno del ventilatore meccanico sono utilizzati diversi sensori e controlli per passare dalla fase inspiratoria a quella espiratoria. Il riferimento 1, Equipment in Anaesthesia and Critical Care: A complete guide for the FRCA, contiene informazioni utili per comprendere la progettazione di base di un ventilatore e la terminologia.

Progetto per ventilatore open-source Trinamic (TOSV)

Trinamic (ora parte di Maxim Integrated) ha una lunga storia e anni di esperienza nell'elettronica per il controllo del movimento. Oltre a sostenere progetti per i ventilatori per i propri clienti, desidera ispirare ingegneri e aziende medicali fornendo un progetto di riferimento hardware open-source per i ventilatori.

Molti ventilatori utilizzano una ventola a turbina centrifuga ad elevato valore di giri/min, comandata da un motore BLDC in combinazione con diversi sensori, per garantire pressione e modalità di ventilazione controllate da flusso e pressione. Grazie all'esperienza maturata con i motori BLDC a bassa induzione, anche Trinamic ha adottato questo approccio con il progetto pubblico TOSV (ventilatore open-source Trinamic). Trinamic ha sviluppato un proof of concept (Figura 2) basato sul controllo motori di TMC4671 e gate driver in CI di TMC6100 che comandano una ventola a turbina CPAP.

Figura 2: Proof of concept (Immagine per gentile concessione di Trinamic)

L'utilizzo della piattaforma di valutazione TMC6100+TMC4671-EVAL-KIT ha permesso al team Trinamic di sviluppare il firmware e far funzionare rapidamente il proof of concept con una turbina CPAP. Il kit è composto da una scheda MCU Landungsbrücke, due schede ponte Eselsbrücke, una scheda per il controllo del movimento TMC4671-EVAL e una scheda driver TMC6100-EVAL. Le schede si collegano tra di loro, garantendo accesso semplice ai collegamenti elettrici che servono per controllare il motore e interfacciandosi con i sensori.

Mentre il firmware veniva sviluppato sulla piattaforma di valutazione, un altro team di ingegneri sviluppava una PCB personalizzata con fattore di forma compatto, contenente TMC4671, TMC6100, microcontroller e circuiteria di interfaccia. L'hardware e il firmware risultante sviluppati dai team di ingegneri di Trinamic si sono trasformati nel progetto TOSV (Figura 3).

Figura 3: Diagramma a blocchi del progetto di riferimento TOSV (Immagine per gentile concessione di Trinamic)

L'obiettivo di TOSV è fornire un riferimento per la progettazione hardware per controllare la soffiante, i sensori e il firmware per le funzioni di ventilazione di base. La Figura 3 mostra i principali blocchi funzionali implementati nel progetto. L'ingombro della PCB è stato progettato per inserirsi in un Raspberry Pi e fornire una piattaforma informatica a monoscheda facilmente reperibile per sviluppare le funzionalità a livello di sistema.

La scheda di valutazione del progetto di riferimento TOSV TMC4671+TMC6100-TOSV-REF e il firmware sono disponibili. I materiali collaterali del progetto di riferimento TOSV includono gli schemi, la documentazione PCB, le distinte base, i disegni CAD, il firmware ed esempi di interfaccia utente Python. Tutti i materiali collaterali sono accessibili sul sito di Trinamic al link TrinamicOpenSourceVentilator-TOSV GitHub.

Conclusione

Il progetto TOSV è un ottimo esempio di hardware e firmware open-source sviluppati per il bene comune e nell'interesse di tutti. Sfruttando la propria esperienza con i motori BLDC ad elevato valore di giri/min e applicandola a un sistema di ventilazione, Trinamic ha sviluppato blocchi di riferimento hardware e firmware che possono essere sfruttati come punto di partenza per lo sviluppo e modificati sia da individui che da aziende.

Riferimenti:

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. Sorgente di riferimento