为COVID-19大流行大力生产呼吸机
在47天内为英国呼吸机挑战创造一个新的设计
2020年3月13日，剑桥顾问英国一家技术咨询公司，接到了英国政府的电话。COVID-19正在席卷英国，尽管英国国家卫生服务体系手头有8000台呼吸机，但他们预计在最坏的情况下需要3万台。即使老牌呼吸机制造商全力生产，也无法满足需求。此外，旅行限制造成了全球供应链的零部件短缺。
在短短47天内，剑桥咨询公司设计了一种简单的新型呼吸机，为临床医生提供多种设置，8个警报，以及定制的空气和氧气混合。
因此，政府发起了呼吸机挑战，要求几家英国公司从头开始设计新的呼吸机，可以用本地部件快速制造。这些公司有几周的时间来做这件事。
剑桥咨询公司(Cambridge Consultants)高级机电工程师肖恩•汤普森(Sean Thompson)表示:“第一天，我们接到内阁办公室打来的电话，说‘请这么做’。”“这是星期五。医疗技术部门的一组高级顾问和技术领导整个周末都在工作。
“我周一去上班，有一堆未接来电。我登录了我的邮箱，我被邀请参加整整两天的研讨会。我想，‘哦，不，这是怎么回事?’于是，我们三四十人组成的团队花了两天时间，讨论了一大堆不同的概念。”
他们最终得到的是一个相对简单的设计，只有两个传感器——气道压力和吸气流速——但有很多特点。临床医生将能够设定吸气压力，氧气水平，呼吸频率，吸气和呼气时间的比率。此外，它还会有8个警报，用于处理病人断网、气道阻塞、潮气量超标和超压等情况。它还会有一个定制的搅拌器，用来混合纯氧和普通空气。
剑桥咨询公司使用模拟加速了呼吸机的设计，包括硬件在环模拟。图片来源:剑桥咨询公司
从虚拟到现实
如果他们必须从物理部件开始设计和测试一切，那么项目时间就不可能实现。制造和重建这台机器的速度太慢了。相反，他们首先在软件中构建它，运行可以无休止地调整的模拟。
大部分工作都是用MATLAB完成的®和仿真软件®．该团队通过连接代表数学函数的块来使用图形编程。Simscape™中的物理组件库，如弹簧和阀门，使团队能够创建肺和呼吸机的模型。每当设计中的某个块被调整时，他们就可以通过模拟测试系统级的操作。
即使是最简单的通风机也很难设计。MathWorks的高级产品经理Kirthi Devleker说:“它必须以一种肺能真正吸入空气的方式，很好地向肺部提供空气。”“你不能打开风扇，然后想，‘好吧，那将是我的呼吸机。’”
Simscape中的气动系统模型。图片来源:剑桥咨询公司
“我们没有足够的时间来确定一个组件，订购它，在实验室进行测试，然后做出决定。我们可以以模拟的速度前进。这真的很酷。”
剑桥咨询公司的高级机电工程师肖恩·汤普森说
基本的呼吸机和肺模型是由MathWorks提供的，但汤普森对它们进行了扩展。肺模型基本上是一个带有弹簧和阻尼器的气体驱动活塞，“这实际上很好地模拟了人类肺，”他说。
建立呼吸机模型，并编写控制它的算法，涉及结对编程，汤普森坐在电脑前，与团队中的其他人进行视频通话。他的合作者，每个人负责系统的一个方面，将给出高级指令，他将在模型中实现它们。编码的可视化性质和可视化结果的工具都允许非程序员理解发生了什么。他说:“我们可以让它在那里运行，看着它在程序中逐步运行，一大堆图表在运行——这就是那个事件，那就是那个事件，那就是那个事件。”
汤普森说:“Simulink中图形编程的可访问性使我们很容易利用许多同事的专业知识。”“这意味着我们可以得到所有这些对系统非常有用的见解。由于进度加快，没有足够的时间来确定一个组件，订购它，在实验室测试它，然后做出决定。我们可以以模拟的速度前进。这真的很酷。”
一旦设计开始成型，大约在项目进行到三分之一的时候，团队就建立了一个物理原型，并将其连接到一个5000年美国手语呼吸模拟器，作为一个物理肺模型。然而，呼吸机仍然由计算机上的算法控制(多亏了Simulink Desktop Real-Time™)，其设置类似于硬件在环钻机。
尽管模拟功能强大，硬件测试还是很重要的。硬件测试也帮助团队校准软件模型。在软件方面，该团队可以更快地迭代设计，测试呼吸机的极限，而不用担心对硬件造成损坏。
计划的改变
在项目进行到一半的时候，剑桥咨询公司收到了一个问题。呼吸机的要求改变了。最初，这个想法是把肺当做呼吸的被动伙伴，惰性的袋子，可以充气和放气。但是用计时器进行机械通气会在几天后造成肺损伤。如果患者在镇静结束后，计时器与自然呼吸不一致，这种不适感可能会非常严重。作为回应，英国药品和保健产品监管局(MHRA)要求使用自发呼吸模式，在这种模式下，呼2022世界杯八强谁会赢？吸机将从患者的肺部获取信号。
汤普森让他的肺模型主动呼吸，然后花了一个下午看看他是否能让呼吸机算法检测呼吸，尽管机器缺乏理想的传感器来完成这一任务。他说:“我们在被要求这样做的两天内就让它与测试肺一起工作了。”“这是我参与过的最了不起的事情之一。通过我们所有人在这个大的集成环境中工作，试图解决所有这些不同的技术问题，我们建立了这个基础设施，让我们以难以置信的速度开发这个复杂的功能。”
剑桥咨询公司(Cambridge Consultants)的高级软件工程师Max Curzi采用了控制面板的设计，并在Simulink中实现了它，使其看起来就像在设备上一样，使用Simulink仪表盘块制作了一个交互界面。当MHRA想要检查他们对新要求的反应时，这被证明是至关重要的。
基于设备实际UI的仪表板的Simulink模型。图片来源:剑桥咨询公司
当要求改变为包括自主呼吸模式时，呼吸机将从患者的肺部获得信号，该团队调整了他们的模型，并在短短两天内就有了一个工作的测试肺。
“在一周内，”Curzi说，“我们能够通过视频电话向MHRA的专家小组演示完整的工作系统。Simulink模型具有真实系统的所有旋钮、仪表和按钮，可以实时控制通风机。在电话中，他们要求在各种情况下与呼吸机互动，说“好吧，如果你这样做呢?”如果你那样做了呢?“他们试图通过施加压力来打破它。但它没有。效果很好，他们对结果很满意。”
保持简单
这个团队面临许多挑战。首先是时间压力。这样规模的项目需要各种各样的工程专业知识，但也需要人力因素、采购、项目管理和临床方面的专家。所有这些团队(高峰期约200人)在7周内并行工作，许多人加班，一些人在办公室睡觉。任务的某些方面在一开始并没有很好地定义。基本组件，如压力调节器和气体混合器，在后期进行了重新设计或更换，但由于具有不同的机械特性，它们显著地改变了系统动态:这要求团队在项目的后期重新设计、实现和测试一些报警算法。
设计团队在一台PC上运行Simulink模型(屏幕向右)，PC连接着传感器和通气机的电磁阀(中间)。使用人工肺ASL-5000(左)模拟真实的患者行为。图片来源:剑桥咨询公司
最终的设计成功了，成本只是商用呼吸机的一小部分，而且很简单。
但最终的设计成功了，成本只是商用呼吸机的一小部分，而且简单。“你用两只手就能数出组件的数量，”Curzi说。至于他自己的贡献，他说:“我真的很自豪能做出简单而健壮的东西。”“作为一名工程师，开发复杂的系统很有吸引力，但复杂性使其更难证明在所有情况下的安全性和鲁棒性。使用一些基本的块允许开发警报和辅助呼吸算法，这将是健壮的，需要几行代码来实现和测试。简单的系统会以可预测的方式发生故障，因此，一旦考虑到故障模式，就更容易证明呼吸机是安全的。”
做好准备，当需要再次出现
在呼吸机交付的前一天，剑桥咨询公司得知不再需要它了。值得庆幸的是，英国的需求没有最坏情况模型预测的那么大。Curzi说，这种情况经常发生在医疗设备上。“我们发明了呼吸机，希望人们不再需要它。”
工程师们学到了很多，发现这段经历非常有价值。Curzi说:“这些东西通常需要数年的开发时间。”“能够在40天内看到从空白画布到进入临床试验的实物的全面发展，真是太棒了。”
“能够在40天内看到从空白画布到进入临床试验的实物的全面发展，真是太棒了。”
剑桥咨询公司的高级软件工程师Max Curzi说
“从个人角度来看，”汤普森说，“这个项目是一次难以置信的经历，我不太可能在我的职业生涯中重复这种经历。这是一个惊人的观点，只要你足够努力，就有可能取得成功。我很感激能参与到这种独特的活动中来。”
虽然英国已经暂停了呼吸机挑战，但设计已经准备好了，如果需要的话。
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