Diseño de un proyecto de ventilador de código abierto

Los problemas de disponibilidad de equipos médicos relacionados con la pandemia de COVID-19 ponen de relieve la necesidad de una participación más amplia en el desarrollo de dispositivos médicos tanto por parte de las personas como de la industria electrónica en general. Una cantidad relativamente pequeña de fabricantes de ventiladores tradicionales combinada con interrupciones en la cadena de suministro sigue afectando la capacidad de la industria médica para aumentar la capacidad de fabricación de ventiladores. Para combatir esto, muchas empresas de fabricación no médica se están ofreciendo para cambiar la capacidad de fabricación a la construcción de ventiladores. Además, varias empresas e individuos están trabajando para desarrollar y promover la tecnología de ventiladores de código abierto como un medio para mejorar el acceso de los pacientes a los ventiladores a nivel mundial.

Los ventiladores y la pandemia de COVID-19

Los pacientes gravemente afectados por el coronavirus pueden requerir asistencia respiratoria. Las personas gravemente afectadas pueden desarrollar ARDS (síndrome de dificultad respiratoria aguda). El ARDS es la incapacidad de los pulmones para absorber el oxígeno adecuado por sí mismos. Los pacientes con ARDS sufren mayor índice de mortalidad y pueden requerir varios días de ventilación mecánica durante el tratamiento. La pandemia de COVID-19 ha provocado un aumento impresionante de pacientes que necesitan atención respiratoria. En muchas partes del mundo, el alto costo o la falta de ventiladores continúan limitando el acceso de los pacientes al tratamiento y provocan muertes innecesarias.

Antecedentes del ventilador

La función del ventilador mecánico es mover el gas hacia adentro y hacia afuera de los pulmones para proporcionar oxígeno y eliminar el dióxido de carbono. Los ventiladores modernos utilizan PPV (ventilación con presión positiva) para empujar el gas hacia los pulmones a una frecuencia respiratoria regular. La Figura 1 muestra un perfil de simulación de ejemplo de los aumentos y flujos de presión para un ventilador mecánico durante la inhalación y la exhalación. Un ventilador implementa este tipo de perfil con varios límites y velocidades cuando se usa para tratar a un paciente.

Figura 1: Forma de onda del ventilador. (Fuente de la imagen: Trinamic)

Los ventiladores suelen utilizar energía neumática o eléctrica para proporcionar la presión y el flujo utilizados durante la ventilación. Se utilizan varios sensores y controles dentro del ventilador mecánico para alternar entre los modos inspiratorio (inhalación) y espiratorio (exhalación). La Referencia 1, Equipment in Anaesthesia and Critical Care: A complete guide for the FRCA, proporciona buenos antecedentes y un punto de partida para comprender el diseño y la terminología básicos del ventilador.

Proyecto de TOSV

Trinamic (ahora parte de Maxim Integrated) tiene una larga historia y años de experiencia en electrónica de control de movimiento. Además de respaldar los proyectos de ventiladores en curso relacionados con los clientes, Trinamic quiere inspirar a los ingenieros y a las empresas médicas proporcionando un diseño de referencia de hardware de código abierto para ventiladores.

Muchos ventiladores utilizan un ventilador de turbina centrífugo de altas RPM accionado por un motor BLDC en combinación con varios sensores para proporcionar modos de ventilación controlados por presión y flujo. Debido a su experiencia trabajando con motores BLDC de baja inducción, Trinamic también adoptó este enfoque, lo que dio lugar al proyecto público de TOSV (ventilador de código abierto Trinamic). Trinamic desarrolló una prueba de diseño de concepto (Figura 2) basada en el control de motor TMC4671 y los circuitos integrados de controlador de compuerta TMC6100 que accionan un ventilador de turbina CPAP.

Figura 2: Prueba de concepto. (Fuente de la imagen: Trinamic)

El uso de la plataforma de evaluación TMC6100+TMC4671-EVAL-KIT permitió al equipo de Trinamic desarrollar el firmware y poner rápidamente la prueba de concepto en funcionamiento con una turbina CPAP. El kit es un conjunto de una placa MCU Landungsbrücke, dos placas puente Eselsbrücke, una placa de controlador de movimiento TMC4671-EVAL, así como una placa de controlador TMC6100-EVAL. Las tarjetas se conectan entre sí para proporcionar un fácil acceso a las conexiones eléctricas necesarias para controlar el motor e interactuar con los sensores.

Mientras se desarrollaba el firmware en la plataforma de evaluación, otro equipo de ingeniería desarrolló una PCB personalizada de factor de forma pequeño que contenía el TMC4671, el TMC6100, el microcontrolador y los circuitos de interfaz. El hardware y el firmware resultantes desarrollados por los equipos de ingeniería de Trinamic se convirtieron en el proyecto de TOSV (Figura 3).

Figura 3: Diseño de referencia del diagrama de bloques del TOSV. (Fuente de la imagen: Trinamic)

El objetivo del TOSV es proporcionar una referencia de diseño de hardware para el control del ventilador y los sensores, así como firmware para las funciones básicas del ventilador. La Figura 3 muestra los principales bloques funcionales implementados en el diseño. El espacio de la PCB se diseñó para conectarse a una Raspberry Pi, lo que proporciona una plataforma de computadora de placa única fácilmente disponible para desarrollar la funcionalidad a nivel del sistema.

La placa y el firmware de evaluación de diseño de referencia TMC4671+TMC6100-TOSV-REF resultantes están disponibles. La garantía de diseño de referencia del TOSV incluye esquemas, documentación de PCB, listas de materiales, dibujos CAD, firmware y ejemplos de interfaz de usuario de Python. Se puede acceder a toda la garantía en el enlace de GitHub TrinamicOpenSourceVentilator-TOSV de Trinamic.

Conclusión

El proyecto de TOSV es un buen ejemplo de hardware y firmware de código abierto en desarrollo para el bien de todos. Para aprovechar su experiencia en la conducción de motores BLDC de altas RPM y aplicarla a un sistema de ventilación, Trinamic ha desarrollado bloques de referencia de hardware y firmware para que tanto las personas como las empresas los utilicen, desarrollen y modifiquen.

Referencias:

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. Fuente de referencia