新型冠状病毒感染症(COVID-19)的呼吸机正在加紧研制
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来自英国政府的电话。COVID-19正在席卷英国，虽然英国国家卫生服务体系(National Health Service)手头有8000台呼吸机，但他们预计在最糟糕的情况下需要3万台。即使老牌通风机制造商开足马力，也无法满足需求。此外，旅行限制导致全球供应链出现零部件短缺。
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，为临床医生提供了多种设置，8个警报，以及自定义的空气和氧气混合。
因此，政府发布了呼吸机挑战赛，要求几家英国公司从头开始设计新的设备，这些设备可以用当地的部件快速制造。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，我们接到了来自内阁办公室的电话，说‘请这样做’。”那是星期五。医疗技术部门的一组高级顾问和技术主管整个周末都在工作。
“我周一来上班，有一大堆未接电话。我登录了我的邮箱，我被邀请参加为期两天的研讨会。我在想，‘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，研究出了一大堆不同的概念。”
他们最终选择了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——但有很多功能。临床医生将能够设置吸气压力，氧气水平，呼吸频率，吸气和呼气时间的比例。此外，它将有八个警报，如病人断开、气道阻塞、潮气量超出界限和超压。它还将有一个定制的搅拌机，用于混合纯氧和普通空气。
剑桥咨询公司使用模拟加速了通风机的设计，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所有内容，那么项目时间就不可能实现。建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，运行模拟，可以无休止地调整。
大部分工作都是用MATLAB完成的®和仿真软件®．该团队通过连接表示数学函数的块来使用图形化编程。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。每当设计中的一个块被调整时，模拟让他们测试系统级操作。
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:“它必须很好地为肺部提供空气，以一种肺部可以真正吸入空气的方式。”“你不能只是打开一个风扇，然后想，‘好吧，这将是我的呼吸机。’”
Simscape中的气动系统模型。图片来源:剑桥咨询公司
“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。我们可以用模拟的速度。这真的很酷。”
Sean Thompson是剑桥咨询公司的高级机电工程师
基本的呼吸机和肺模型由MathWorks提供，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的肺，”他说。
建立呼吸机模型，并编写控制它的算法，涉及到结对编程，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，他将在模型中实现这些指令。编码的可视化本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，看着它一步一步地通过程序，一大堆图表在运行——那是那个事件，那是那个事件，那是那个事件。”
“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，”汤普森说。“这意味着我们可以获得系统中所有这些真正有用的见解。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。我们可以用模拟的速度。这真的很酷。”
当设计开始成形时，大约在项目进行到三分之一的时候，团队建造了一个物理原型，并将其连接到一台5000年美国手语呼吸模拟器，作为一个物理肺模型。通风机仍然由计算机上的算法控制(多亏了Simulink Desktop Real-Time™)，不过，其设置类似于硬件在环钻机。
尽管模拟很强大，但硬件测试也很重要。硬件测试还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，并测试呼吸机的极限，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，剑桥咨询公司遇到了一个难题。通风机的要求改变了。最初，这个想法是把肺当作呼吸中的被动伙伴，惰性的袋子，可以充气和放气。但是在计时器上进行机械通气会在几天后造成肺损伤。如果患者从镇静状态中恢复过来，而计时器与自然呼吸不一致，这种不适可能会非常严重。作为回应，药品和保健产品监管机构(MHRA)要求采用自主呼吸模式，在这种模式下，呼吸2022世界杯八强谁会赢？机将从患者的肺部获取线索。
汤普森让他的肺模型主动呼吸，然后花了一个下午的时间，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项任务。他说:“在被要求这样做的两天内，我们让它与测试肺一起工作。”“这是我做过的最神奇的事情之一。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 Dashboard块来制作交互式界面。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提示，该团队调整了他们的模型，并在短短两天内完成了一个工作测试肺。
“不到一周，”Curzi说，“我们就能通过视频电话向MHRA专家小组演示整个工作系统。Simulink模型拥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?”如果你这么做了呢?“他们试图用力打破它。但事实并非如此。效果很好，他们对结果也很满意。”
保持简单
这个团队面临着许多挑战。首先是时间压力。这种范围的项目需要各种工程专业知识，但也需要人为因素、采购、项目管理和临床方面的专家。所有这些团队(最高时约200人)在7周内并行工作，许多人加班，一些人睡在办公室。而且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搅拌器，在后期被重新设计或更换，但由于具有不同的机械特性，它们极大地改变了系统动态:这需要团队在项目的后期重新设计、实现和测试一些报警算法。
设计团队在连接到通风机的传感器和电磁阀(中间)的PC上运行Simulink模型(屏幕右侧)。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，而且很简单。“你可以用两只手来数元器件的数量，”Curzi说。谈到他自己的贡献，他说:“我真的很自豪能做出简单而强大的东西。”“作为一名工程师，开发复杂的系统很有诱惑力，但其复杂性使得在所有情况下证明安全性和稳健性变得更加困难。使用几个基本模块就可以开发出可靠的警报和辅助呼吸算法，只需要几行代码就可以实现和测试。简单的系统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。”
为再次出现的需求做好准备
在呼吸机交付的前一天，剑桥咨询公司得知它不再需要了。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。“我们开发了这种呼吸机，希望人们不再需要它。”
工程师们学到了很多东西，并发现这种经历非常有益。“这些东西通常需要几年的时间来开发，”Curzi说。“能够在40天内看到从空白画布到将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将进入临床试验的实物的全面发展，真是太棒了。”
Max Curzi是剑桥咨询公司的高级软件工程师
“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，这是我在职业生涯中不太可能重复的经历。这是一个惊人的观点，只要你足够努力，就有可能实现。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赛，但如果需要，设计已经准备好了。
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