オープンソースエンジニア、COVID-19対応で低コスト人工呼吸器を設計

人工呼吸器は肺に酸素を送り込み二酸化炭素を排出するため、重症COVID-19患者に不可欠です。ウイルスは肺の繊毛を損傷し、粘液蓄積と二次感染を引き起こして酸素吸収を阻害します。世界中の病院が人工呼吸器不足に直面する中、マスク、呼吸器、綿棒、医薬品、人工呼吸器のグローバルな製造拡大が開始されました。人工呼吸器は呼吸を助け、COVID-19の中核的課題は肺の閉塞です。

これに対応し、エンジニア、医師、研究者のコミュニティが協働的なオープンソースイニシアチブを立ち上げ、人工呼吸器の設計と製造を開始。3Dプリンティングなどの迅速製造技術を用い、スペアパーツと機器をオンデマンドで生産しています。

図1：プロフェッショナル人工呼吸器（画像：Hamilton Medical）

人工呼吸器の仕組み

これらの機械は、患者の口や鼻から挿入したチューブを通じて空気を送り込み、酸素を供給し二酸化炭素を除去します。現代の人工呼吸器は組み込みコンピュータで電子制御され、最高レベルの信頼性が求められる生命維持システムに分類されます。

プロジェクト群

GitHubなどで公開されている多数の低コスト人工呼吸器設計が、病院供給不足時のギャップを埋めています。急性肺危機を支援可能ですが、直接医療状態に影響するため、専門的な医療監督が必須です。特に高圧での不適切な使用には重大なリスクが伴います。

低コストオープンソース人工呼吸器デバイス（PAPR）

このGitHubプロジェクト（図2）は、正しく使用すれば命を救える控えめで安価な人工呼吸器を提供します。プログラマブルな呼吸数10〜16回/分、ピーク気道圧最大45 cmH₂Oまで対応可能ですが、20 cmH₂O以上は危険です。周囲の空気（21% O₂）を使用し、より高い酸素濃度には専用医療機器が必要。プロジェクトは改良に開放されており、作成者は量産パートナーを募集中。部品入手性に制約がある可能性があり、設計は意図的にミニマルです。将来的にはウイルス拡散防止機能の組み込みも検討されています。デバイスはすでに感染した環境でのみ動作し、飛沫封じ込めが必須です。制御はArduinoで管理し、停電対策のセーフガードを統合すべきです。

図2：人工呼吸器プロジェクト（画像：GitHub）

パンデミック人工呼吸器

Instructablesで公開されているこのDIY人工呼吸器は、入手しやすい部品を使用（図3）。病院が十分な人工呼吸器を調達できない緊急時の生命維持ソリューションとして意図されています。需要が供給を上回る見込みの中、設計はシンプルながら現代的な電子制御を採用。木材、テープ、ビニール袋、ネジ込みチューブ、ソレノイドバルブ、磁気スイッチ、PLCを使用。ハードウェアとソフトウェアの両面で継続的な改良が進められています。プロトタイプは実験的であり安全性試験を受けていないことを明記し、認定医師のみが使用すべきとしています。デバイスは木製ベルローズユニット、バルブ、配管、PLC、配線、スイッチ、電源で構成され、18×21×0.5インチの合板ボードに搭載。直接作用型ソレノイドバルブとテフロンテープ付きネジ込み継手が必要。ベルローズは大型フリーザーバッグを合板とヒンジで補強して構築（図4参照）。PLCはAutomation DirectのDirect Logic 06 DO-06DRを使用。低コストで柔軟性が高く、無料プログラミングソフトウェアが利用可能。他のPLCへの置き換えも可能です。24 V電源とオン/オフスイッチでシステムを起動。ラダーロジックプログラムは以下のように動作します：

• ベルローズが満杯になるまで（上部磁気スイクローズ）、バルブ1を開きバルブ2を閉じる
• バルブ1を閉じ、バルブ2を開き、バルブ3を閉じて患者へ空気を送る
• 下部磁気スイッチが閉じたら、バルブ2を閉じバルブ1を開いてベルローズを再充填
• タイマーでバルブ3を開放し患者の肺をデフレート。タイマー満了後、バルブ2を開きバルブ3を閉じて次のサイクルへ

配線図は以下の通りです：

• 入力
  • X0 上部ベルローズ磁気スイッチ
  • X1 下部ベルローズ磁気スイッチ
  • X2 オン/オフスイッチ
  • C0 24 V
  • すべてグラウンドにリターン
• 出力
  • Y0 未使用
  • Y1 吸気バルブ（V2）
  • Y2 呼気バルブ（V3）
  • Y3 ベルローズ充填バルブ（V1）
  • C0 120 VACライン
  • すべてライン中性にリターン

図4：パンデミック人工呼吸器の構造詳細（画像：TEMPO.CO）

>> 追加の人工呼吸器設計プロジェクトについては、姉妹サイトEEWebで公開された完全版記事をご覧ください。