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设计开源呼吸机项目
与新型冠状病毒大流行相关的医疗设备的供货问题凸显了个人和整个电子行业都需要更广泛地参与医疗设备开发。相对较少的传统呼吸机制造商以及供应链中断情况会继续影响医疗行业在提高呼吸机制造能力方面的推动力。为解决此问题，许多非医疗制造公司正在加紧转而制造呼吸机。此外，多家公司和个人正在努力开发和推广开源呼吸机技术，以此让全球范围内更多的患者能够使用呼吸机。
呼吸机和新型冠状病毒
冠状病毒感染严重的患者可能需要呼吸支持。那些受到严重影响的患者可能会发展为急性呼吸窘迫综合症 (ARDS)。ARDS 的症状是病人的肺无法自主吸收足够的氧气。ARDS 患者死亡率较高，在治疗期间可能需要在数天内借助呼吸机呼吸。新型冠状病毒大流行导致需要呼吸护理的患者数量猛增。在全球许多地方，高成本或缺乏呼吸机持续限制患者获得治疗的机会并造成不必要的死亡。
呼吸机背景知识
机械式呼吸机的作用是将气体输入和抽出肺部，以此为病人提供氧气并排出二氧化碳。现代呼吸机使用正压通气 (PPV) 方式将气体以有规律的呼吸速率压入患者肺部。图 1 显示了在吸气和呼气过程中机械呼式吸机的压力斜坡和气流量的模拟曲线。当用于患者治疗时，呼吸机会在各种限制和速率下实现这种曲线。
图 1：呼吸机波形。（图片源：Trinamic）
呼吸机通常以气力或电力为动力提供换气期间所需的压力和空气流量。机械呼吸机内的各种传感器和控制器用于在吸气和呼气模式之间循环工作。参考 1，麻醉和重症监护设备：FRCA 的完整指南，提供了良好的背景知识和基本参考信息，有助于读者理解呼吸机的基本设计和术语。
Trinamic 的开源呼吸机 (TOSV) 项目
Trinamic 现属于 Maxim Integrated，在运动控制电子领域拥有悠久的历史和多年的经验。除了支持正在进行的与客户相关的呼吸机项目外，Trinamic 还希望通过提供呼吸机开源硬件参考设计来激发工程师和医疗公司的灵感。
许多呼吸机通过 BLDC 电机驱动型高转速离心风机结合各种传感器来实现由压力和流量控制的呼吸模式。由于在低电感 BLDC 电机使用方面有着丰富的经验，Trinamic 也采用了这种方法，以此推出公共 TOSV（Trinamic 开源呼吸机）项目。Trinamic 基于 TMC4671 电机控制和驱动 CPAP 涡轮风扇的 TMC6100 栅极驱动器 IC 开发出一种概念验证设计（图 2）。
图 2：概念验证。（图片源：Trinamic）
Trinamic 团队通过 TMC6100+TMC4671-EVAL-KIT 评估平台来开发固件，并迅速获得概念验证并与 CPAP 涡轮一起运行。该套件的组件包括一块 MCU Landungsbrücke 板、两块 Eselsbrücke 桥接板、一块 TMC4671-EVAL 运动控制器板以及一块 TMC6100-EVAL 驱动器板。将这些板插在一起，即可轻松获得电机控制和传感器连接接口所需的电气连接。
在评估平台上开发固件的同时，另一个工程团队则开发出一块包含 TMC4671、TMC6100、微控制器和接口电路的小型定制 PCB。Trinamic 工程团队由此开发出的最终硬件和固件便成为 TOSV 项目（图 3）。
图 3：TOSV 参考设计的框图。（图片源：Trinamic）
TOSV 的目标是提供用于控制风机和传感器的硬件参考设计，以及用于呼吸机基本功能的固件。图 3 显示了设计中实现的主要功能块。PCB 封装设计为可插入 Raspberry Pi，从而为开发系统级功能提供了现成的单板计算机平台。
由此构建的 TMC4671+TMC6100-TOSV-REF TOSV 参考设计评估板和固件已上市销售。TOSV 参考设计手册包括原理图、PCB 文档、BOM、CAD 图、固件和 Python 用户界面示例。您可通过 Trinamic 的 Trinamic OpenSourceVentilator-TOSV GitHub 链接访问该项目的所有资源。
总结
TOSV 项目是开源硬件和固件开发的一个很好的例子，可以让所有人都从中大受裨益。通过利用他们在驱动高转速 BLDC 电机方面的经验并将其应用于呼吸机系统，Trinamic 为个人和公司开发出硬件和固件参考模块，供个人和公司使用、开发和修改。
参考资料：
1 – Aston D, Rivers A, Dharmadasa A: Equipment in Anaesthesia and Critical Care: A complete guide for the FRCA.Royal College of General Practitioners.2013.参考资源
关于此作者
Scott Raeker 是 DigiKey 的首席应用工程师，自 2006 年加入公司以来就一直主要负责协助无线领域的客户。他在电子行业有着超过 35 年的经验，并拥有明尼苏达大学的电气工程学位。业余时间 Scott 喜欢打理他的世纪之交农舍。
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