오픈 소스 인공 호흡기 프로젝트 설계

COVID-19 팬데믹과 관련된 의료용 장비의 가용성 문제는 개인과 전체 전자 산업 모두가 의료용 장치 개발에 더 광범위하게 참여해야 할 필요성을 강조합니다. 비교적 적은 기존 인공 호흡기 제조업체와 공급망 중단이라는 현실이 결합되어 인공 호흡기 제조 능력을 증가시키는 의료 산업의 능력에 계속적으로 영향을 미칩니다. 이 문제를 해결하기 위해 여러 비의료 제조 회사들은 인공 호흡기를 구축하도록 제조 용량을 증강시키고 있습니다. 추가적으로, 여러 회사와 개인들은 전 세계적으로 환자들이 인공 호흡기를 획득할 수 있는 수단으로서 오픈 소스 인공 호흡기 기술을 개발 및 증진하기 위해 노력하고 있습니다.

인공 호흡기와 COVID-19

코로나바이러스에 감염된 환자들은 호흡기 지원이 필요할 수 있습니다. 상황이 심각한 경우 급성 호흡 곤란 증후군(ARDS)으로 진행될 수 있습니다. ARDS는 폐가 스스로 적절한 산소를 흡수하지 못하는 것입니다. ARDS 환자들의 경우 사망률이 더 높으며 치료 중 며칠 동안 기계적 환기가 필요할 수 있습니다. COVID-19 팬데믹으로 인해 호흡기 치료를 필요로 하는 환자의 수가 급격하게 증가했습니다. 전 세계 여러 지역에서, 높은 비용 또는 인공 호흡기 부족 현상은 환자가 치료를 받는 데 계속적인 제약이 되고 있으며 결과적으로 불필요한 사망이 발생하고 있습니다.

인공 호흡기에 대한 배경 지식

기계식 인공 호흡기의 역할은 폐의 안과 밖으로 가스를 이동시켜 산소를 공급하고 이산화탄소를 제거하는 것입니다. 최신 인공 호흡기는 양압 환기(PPV)를 사용하여 규칙적인 호흡 속도로 폐에 가스를 밀어 넣습니다. 그림 1은 흡입 및 호기 동안 기계식 인공 호흡기에 대한 압력 램프 및 흐름의 시뮬레이션 프로파일 예를 보여줍니다. 인공 호흡기는 환자를 치료할 때 사용되는 다양한 제한 및 속도로 이 유형의 프로파일을 구현합니다.

그림 1: 인공 호흡기 파형. (이미지 출처: Trinamic)

인공 호흡기는 일반적으로 공압 또는 전기 전력을 사용하여 호흡 동안 사용되는 압력 및 흐름을 제공합니다. 흡기(들숨) 및 호기(날숨) 모드 사이를 순환하기 위해 기계식 인공 호흡기 내에 다양한 센서 및 제어가 사용됩니다. 참고 자료 1, Equipment in Anaesthesia and Critical Care: A complete guide for the FRCA는 기본 인공 호흡기 설계 및 용어를 이해하는 데 도움이 되는 배경 지식과 기준 레퍼런스를 제공합니다.

Trinamic 오픈 소스 인공 호흡기(TOSV) 프로젝트

Trinamic(현재 Maxim Integrated의 자회사)은 동작 제어 전자 부품에서 오랜 이력과 경험을 보유하고 있습니다. 진행 중인 고객 관련 인공 호흡기 프로젝트를 지원하는 것 외에도, Trinamic은 인공 호흡기를 위한 오픈 소스 하드웨어 참조 설계를 제공함으로써 엔지니어와 의료 회사에 영감을 주고자 합니다.

대부분의 인공 호흡기는 다양한 센서와 결합된 BLDC 모터로 구동되는 고 RPM 원심 터빈 팬을 사용하여 압력 및 흐름 제어 인공 호흡 모드를 제공합니다. 저 유도용량 BLDC 모터를 사용한 경험 덕분에 Trinamic은 이 접근 방식을 함께 채택하여 공개 TOSV(Trinamic 오픈 소스 인공 호흡기) 프로젝트를 생성했습니다. Trinamic은 TMC4671 모터 제어와, CPAP 터빈 팬을 구동하는 TMC6100 게이트 구동기 IC를 기본으로 하는 개념 설계 증명 개발했습니다.

그림 2: 개념 증명 (이미지 출처: Trinamic)

TMC6100+TMC4671-EVAL-KIT 평가 플랫폼 사용을 통해 Trinamic 팀은 펌웨어를 개발하고 CPAP 터빈을 가동시키는 개념 증명을 신속하게 획득할 수 있습니다. 이 키트는 MCU Landungsbrücke 기판 1개, Eselsbrücke 브리지 기판 2개, TMC4671-EVAL 동작 컨트롤러 기판 1개, TMC6100-EVAL 구동기 기판 1개로 구성된 세트입니다. 이러한 기판들이 서로 연결되어 모터를 제어하고 센서와 인터페이싱하는 데 필요한 전기적 연결에 손쉽게 액세스할 수 있도록 합니다.

평가 플랫폼에 대한 펌웨어를 개발하는 동안, 또 다른 엔지니어링 팀은 TMC4671, TMC6100, 마이크로 컨트롤러, 인터페이스 회로망을 포함하는 소형 폼 팩터 맞춤형 PCB를 개발했습니다. Trinamic의 엔지니어링 팀에 의해 개발된 이 하드웨어 및 펌웨어는 TOSV 프로젝트가 되었습니다(그림 3).

그림 3: 제품 구성도 TOSV 참조 설계. (이미지 소스: Trinamic)

TOSV의 목표는 브라우저 및 센서 제어를 위한 하드웨어 설계 레퍼런스와 기본 인공 호흡기 기능을 위한 펌웨어를 제공하는 것입니다. 그림 3은 설계에 구현된 주요 기능 블록을 보여줍니다. PCB의 풋프린트는 Raspberry Pi에 연결되도록 설계되어, 시스템 수준 기능을 개발하기 위한 지속적으로 사용 가능한 단일 기판 컴퓨터 플랫폼을 제공합니다.

결과로 생성되는 TMC4671+TMC6100-TOSV-REF TOSV 참조 설계 평가 기판 및 펌웨어를 사용할 수 있습니다. TOSV 참조 설계 보충 자료에는 회로도, PCB 설명서, BOM, CAD 도면, 펌웨어, Python 사용자 인터페이스 예제가 포함됩니다. 모든 보충 자료는 Trinamic의 TrinamicOpenSourceVentilator-TOSV GitHub 링크에서 액세스할 수 있습니다.

결론

TOSV 프로젝트는 모든 사람에게 혜택을 제공하는 공익을 위해 개발되는 오픈 소스 하드웨어 및 펌웨어에 대한 좋은 예입니다. 높은 RPM BLDC 모터를 구동하고 이를 인공 호흡기 시스템에 적용하는 경험을 활용하여 Trinamic은 개인과 회사 모두에서 사용, 개발 및 수정할 수 있는 하드웨어 및 펌웨어 참조 블록을 개발했습니다

참고 자료:

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. Reference Source