密集的努力让COVID-19通风大流行
创建一个新的设计在47天英国通风机的挑战
2020年3月13日,剑桥顾问技术咨询公司在英国,从英国政府接到一个电话。COVID-19席卷全国,而国家卫生服务有8000个呼吸器,他们预计需要30000年的最糟糕的情况。即使建立了通风机制造商全速前进,他们不能够满足需求。更重要的是,旅行限制创建零件短缺,全球供应链。
在47天,剑桥顾问公司设计了一个简单的新风机,为临床医生提供了几个设置,8警报,一个自定义的混合空气和氧气。
政府颁布了通风机的挑战,要求几家英国公司从头开始设计新设备,可以快速地与当地的部分。公司有几个星期。
“第一天,我们有一个来自内阁办公室的电话说,请这样做,”肖恩·汤普森说,剑桥大学高级机电一体化工程师顾问。“这是星期五。一个团队高级顾问和技术领先的医疗技术部门整个周末工作。
“我周一出现,我有一大堆错过了电话。我登录我的电子邮件,我被邀请参加两天的工作坊的固体。我想,‘哦,不,这是怎么回事?”所以,30或40人的团队在商业坐了两天,就打碎了一大堆不同的概念。”
他们降落在一个相对简单的设计只有两个sensors-airway按压力和吸气流特性。临床医生能够设置吸气压力、氧气水平,呼吸速率,吸气和呼气时间的比率。此外,它将为病人断开,有八个警报气道阻塞,潮汐卷界外,超压。也有一个定制的搅拌器混合纯氧和常规的空气。
剑桥顾问使用模拟加速呼吸机的设计,包括半实物仿真。图片来源:剑桥顾问
从虚拟到现实
项目的时间是不可能的,如果他们不得不开始设计和测试所有物理部件。建设和重建机器太慢。相反,他们首先建立它在软件,运行模拟,他们可以调整没完没了地。
大部分的工作是完成了MATLAB®和仿真软件®。该团队使用图形编程通过连接块,数学函数来表示。图书馆的物理组件Simscape™,如弹簧和阀,使团队创建模型的肺和呼吸机。每次都让他们测试系统级模拟操作的一个街区的设计调整。
即使是最简单的通风设计是一个棘手的问题。”这一份好工作提供空气的肺的肺的方式可以把空气,“说Kirthi Devleker, MathWorks高级产品经理。“你不能打开风扇,然后想,“好吧,这就是我的呼吸机。”
在Simscape气动系统模型。图片来源:剑桥顾问
“没有足够的时间来确定一个组件,秩序,在实验室里对其进行测试,然后做出决定。我们可以在仿真的速度。这是很酷的。”
肖恩·汤普森高级机电一体化工程师在剑桥顾问
基本的呼吸机和肺模型由MathWorks,但是汤普森扩展。肺模型基本上是一个擅长制造活塞和弹簧缓冲器,”和实际模型的人类肺很好,”他说。
建筑通风模型,编写算法控制,参与结对编程,汤普森坐在电脑前在和别人视频通话。他的合作者,各负责一个方面的系统,将给高层指令,他会在模型中实现它们。编码的视觉性质和结果可视化工具,允许非编程人员理解发生了什么。“我们可以让它运行,看通过程序步骤,一大堆图表的的事件,该事件,该事件,”他说。
“仿真软件图形化编程访问的特性使它容易进入我们的很多同事的专长,”汤普森说。“这意味着我们可以得到所有的这些系统非常有用的见解。由于加速时间表,没有足够的时间来确定一个组件,秩序,在实验室中测试它,然后做决定。我们可以在仿真的速度。这是很酷的。”
一旦设计开始成形,大约三分之一的项目,团队建立了一个物理原型和连接起来的5000年美国手语肺呼吸模拟器,它作为一个物理模型。通风机仍控制算法在计算机上(由于仿真软件桌面实时™),不过,在设置类似于半实物平台。
尽管模拟,测试硬件是很重要的。硬件测试也有助于团队校准软件模型。在软件中,团队可以更快地进行迭代设计,测试通风机的限制而不用担心造成硬件损坏。
改变计划
中途项目、剑桥顾问收到了弧线球。呼吸机的需求发生了变化。最初,他们的想法是治疗肺部呼吸作为被动的伙伴,惰性袋充气和放气。但机械通风一个计时器可引起肺损伤后几天。如果病人摆脱镇静和计时器不结合自然呼吸,不舒服可以极端。作为回应,药物和保健产品监管署(MHRA)要求自主呼吸模式,在通风机将其线索从病人的2022世界杯八强谁会赢？肺部。
汤普森得到了他的肺模型积极呼吸,然后花了一个下午看看他能通风机算法检测呼吸,尽管机器的缺乏这样一个任务的理想传感器。“我们这两天内处理测试肺被要求这样做,”他说。“这是我工作过的最奇妙的一件事。我们所有人在这个大的集成环境,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,让我们难以置信的快速发展这个复杂的特征。”
马克斯•Curzi高级软件工程师在剑桥顾问,在仿真软件控制面板设计和实现它看起来就像在设备上,使用仿真软件仪表板模块进行交互的接口。这证明了关键当MHRA想检查应对新的需求。
仪表盘的仿真软件模型根据实际设备的UI。图片来源:剑桥顾问
当需求改变包括自主呼吸模式,在通风机将其线索从病人的肺,团队适应他们的模型和一个工作在仅仅两天测试肺。
Curzi说,“一个星期内,我们能够展示完整的工作系统MHRA的专家小组在一个视频电话。仿真软件模型都旋钮、仪表和按钮的实时系统,可以控制通风机。在通话过程中,他们要求与通风机在各种场景中,说“好吧,如果你这样做呢?如果你这样做呢?“他们试图打破它的压力。但它没有。它工作得很好,他们对结果很满意。”
保持简单
团队面临许多挑战。首先是时间压力。这个范围的项目所需的各种工程技术,而且人为因素的专家,采购,项目管理,和临床。所有这些团队(大约有200人在顶峰)在平行流七周,很多加班,睡在办公室。和赋值没有定义良好的某些方面。基本组件,如压力调节器和天然气混合器,在后期重新设计或取代,但是通过不同的力学特性,他们明显改变了系统动力学:这需要团队重新设计,实现和测试一些警报算法在项目的后期阶段。
设计团队运行仿真软件模型(屏幕右边),在PC上连接的传感器和电磁阀通风筒(中间)。现实的病人行为模拟使用人工肺,手语- 5000(左)。图片来源:剑桥顾问
最终的设计工作,所花费用的一小部分商业通风费用,很简单。
但是最终的设计工作,所花费用的一小部分商业通风费用,很简单。“你可以依靠两只手组件的数量,“Curzi说。关于自己的贡献,“我真的很骄傲的东西很简单,健壮,”他说。“作为一名工程师,开发复杂的系统是很有吸引力的,但复杂性很难证明安全性和鲁棒性在所有场景。使用一些基本块允许警报和辅助呼吸算法的发展那将是强劲的,需要几行代码来实现和测试。简单系统以可预测的方式失败,所以它是容易证明通风机安全使用一旦失效模式占。”
准备好了应该出现的需要
在通风机交付之前的一天,剑桥顾问将不再需要学习。需求在英国是谢天谢地没有伟大的最坏的预测模型。经常发生的医疗设备,Curzi说。“我们开发了通风机希望,它将不需要。”
工程师们学到了很多,发现非常有益的经验。“这些东西通常需要数年时间来开发,“Curzi说。“能够看到完整的发展,从一个空白的画布上物理的东西将进入临床试验,在40天很棒。”
“能够看到完整的发展,从一个空白的画布上物理的东西将进入临床试验,在40天很棒。”
马克斯•Curzi高级软件工程师在剑桥顾问
“从个人的角度来看,”汤普森说,“这个项目是一次难以置信的经历,这是我不可能重复在我的职业生涯。这是一个惊人的观点是可能的如果你想要实现什么它足够坚固。我很感激这个独特的东西的一部分。”
在英国已停了通风机的挑战,设计应该是需要做好准备。
