抽象
目的在低收入/中等收入国家(低收入国家)的商业呼吸机的当前定价明显限制了其有效性,因此有相当数量的患者急性/慢性呼吸衰竭不能得到适当治疗。我们的目标是设计并测试一个负担得起的和易于构建双水平无创呼吸机的压力,允许在中低收入国家通风严重不足的减少。
方法通风机是用现成的材料制造的通过e-commerce and was based on a high-pressure blower, two pressure transducers and an Arduino Nano controller with a digital display (total retail cost <75 USD), with construction details provided open source for free replication. The ventilator was evaluated, and compared with a commercially available device (Lumis 150 ventilator; Resmed, San Diego, CA, USA): 1) in the bench setting using an actively breathing patient simulator mimicking a range of obstructive/restrictive diseases; and b) in 12 healthy volunteers wearing high airway resistance and thoracic/abdominal bands to mimic obstructive/restrictive patients.
结果T型he designed ventilator provided inspiratory/expiratory pressures up to 20/10 cmH2个O、 分别在台架试验和志愿者试验中,没有错误的触发或循环。负荷呼吸受试者的呼吸困难评分(1-10分)从5.45±1.68分(无支架)下降到2.83±1.66分(p<0.005),与商用呼吸机(2.80±1.48;p=1.000)无显著性差异。
结论低成本,易于构建无创通气机进行类似的高品质的商业装置中,与它的开源硬件的描述中,这将允许自由复制和在低收入国家使用,有利于该救生疗法的应用程序来病人谁否则无法处理。
抽象
在资源方面的患者不能由给定的常规装置的成本负担不起机械通气进行处理;这里一个低成本,易于构建与免费开放的复制访问细节呼吸机的设计和测试188滚球软件https://bit.ly/34UcbWp
介绍
无创机械通气(NIV)是一种广泛使用和接受治疗慢性呼吸系统疾病,并且在一些情况下,它也是有创通气选项的备选患者所引起的各种病因的[急性呼吸衰竭1个]。虽然在低收入和中等收入国家(LMIC)正压通气最频繁侵入提供,NIV的好处正在被越来越多的认可。事实上,出于成本和易用性的原因很明显,NIV似乎不仅是一种有效,也是一个特别合适的方法,以生活在发展中国家的低收入经济体[患者提供呼吸支持2个]。这是因为在这些地区重大疾病的负担特别大的相关性,预计将增加与日益增长的城市化,新兴流行病和扩大进入医院[2个]. 此外,医疗保健人员配置成本、基础设施需求和繁重的供应品供应限制了低成本医疗中心设备齐全的重症监护室的发展[三]. 因此,这些国家对机械通气机等具有成本效益的医疗设备的需求可能会大大增加。此外,机械通气器成本高昂,这明显限制了它们的可用性,因此,也限制了LMICs中充分治疗大量急性和慢性呼吸衰竭患者的能力。鉴于目前冠状病毒的流行,这些问题更加明显,即使是工业化经济体也面临着可供使用的呼吸机数量的严重短缺,以满足这种疾病的需求,因此,无创性呼吸支持对于某些患者或作为一种临时的桥梁是有价值的[4个,5个]。
慈善捐赠医疗器械可能有助于为低分子量药物缺乏资源的地区提供机械呼吸机,但这些举措充满了相当大的局限性。事实上,捐赠商用设备是昂贵的,只是部分有效,因为据报道,多达50%的捐赠设备由于缺乏足够的维护和无法获得备件而无法使用[6个]. 此外,捐赠很难持续,因为它们需要长期的承诺,例如提供设备提供服务。在这方面,可替代的解决方案是基于在内部制造压力支撑装置[7个,八]可减少呼吸机的严重短缺中低收入国家。因此,本研究的目的是设计和测试一种新型的低成本的双层压力支持呼吸机,并提供开放获取详细的技术信息,从而允许自由和不受限制地复制和实施。188滚球软件为了确定该装置的足够的性能,台架测试是基于良好控制的条件下进行模拟的上阻塞性/限制性疾病,共同的被广泛接受的方法来测试呼吸支持治疗装置[9个–18]。然后,与以下现有文献[19–21],原型呼吸机中经受阻塞性限制性加载的呼吸,以模仿患者需要NIV呼吸道疾病的健康志愿者进行了测试。
方法
呼吸机介绍
呼吸机的设计成本低廉,易于构建,提供了一个开源的硬件描述,允许自由复制。原型是用现成的材料制造的通过电子商务:高压风机及其驱动程序(WM7040;宁波奉化市伟成电机厂,浙江,中国),两个压力传感器(XGZP6847005KPG; CFSensor,芜湖,安徽,中国)和一个Arduino纳米控制器用数字显示。压力和流量在所述通气机的出口处连续测量,并送入其设置有一个定制的代码来检测灵感和过期,并相应地触发吸气和由鼓风机产生的呼气压力控制器。呼吸机可以定时或自发定时模式运行(患者自发呼吸的协助,如果没有检测到病人的努力定时呼吸是根据救援频率触发)。T型he retail cost of this ventilator prototype was <75 USD, and includes all required electronic circuits and power source. Of note, this cost could be considerably reduced by wholesale purchasing. All the technical information and detailed circuit schematics and the controller code required to build this ventilator (including optional enclosure by conventional 3D printer) is available for release under free terms following the open-source hardware approach in the补充材料.图1示出的外部和原型的内部的图像。
台架试验
为了评估良好控制的条件下的新颖双水平压力通风机的性能,原型在台架试验使用主动患者模拟器模拟的患者具有不同水平的阻塞/限制性疾病的呼吸力学(评价图2). 呼吸系统模型的被动部分是可变阻力-顺应性(R-C)肺模型(成人智能肺;IMT分析,瑞士Buchs)。为了实现主动呼吸模型,模拟肺部的被动R-C系统被封闭在与负压源相连的圆柱形盒子中(图2),如在详细地解释补充材料.图3显示了应用于被动模型的模拟胸膜压力示例,以实现主动患者模型,该模型结合了两个呼吸频率(15和20 次呼吸·分钟-1个)和三个负峰值压力振幅(- 6、- 9、- 12 cmH)2个O) 是的。为了测试呼吸机,设置了四个呼吸R-C系统,模拟一个患有轻度疾病的患者、一个单纯阻塞性患者(阻力增加)、一个单纯限制性患者(顺应性降低)和一个同时患有阻塞和限制性疾病的患者(表格1)。两个呼吸频率是根据疾病的电平(用于和不同的吸气努力分别设置表格1)。如图图2,the performance of the ventilator prototype was assessed by connecting it to the patient simulator through flexible conventional tubing (2 m length, 22 mm diameter), including a 5-mm diameter orifice at the nasal mask to create an intended air leak orifice to avoid rebreathing, as it is set in conventional clinical applications. The experimentally measured pressure–flow (P–五在这个意泄漏')之间的关系(五“≈10·P0.48;五'在L·分钟-1个,P在CMH2个O) 导致最小持续空气流量更新为20 L·min-1个for a nasal pressure of 4 cmH2个O型。我n addition to the intentional air leak, we eventually also included a non-intentional air leak (5 mm diameter orifice) to simulate the real-life leaks observed in patients subjected to NIV owing to poor mask fit on the patient's face (表格1)。T型his unintended leak created air flow leaks of 30 and 40 L·min-1个at nasal pressure values of 10 and 18 cmH2个O,分别。
为此,对风机样机进行了16种不同模拟工况(表格1),在临床实践中应用NIV时覆盖现实生活中的设置。为了比较起见,同样的16度台架试验的条件也适用于高性能市售机械呼吸机(150 LUMIS,VPAP ST;瑞思迈)(使用默认设置)。在测试过程中,鼻压力,流量和模拟胸膜压力信号测定(图2)使用Fleisch气速描记器(Metabo,Epalinges,Switzerland)和压力传感器(Celesco,Toronto,Canada;Validyne,Northridge,CA,USA)以100 Hz记录。随后,通过对流量信号的积分(经过适当的零流量校正)对潮汐量进行数字计算。吸气触发延迟是指从吸气负压(模拟胸膜)开始下降到鼻压开始升高的时间[22]。
在健康志愿者呼吸机测试
呼吸机原型在从大学环境中招募的12名健康志愿者(5名女性)中进行了测试。他们的平均年龄为32.4±5.8岁,平均年龄为±3岁SEbody mass index was 23.3±2.0 kg·m-2个.为了模仿对应于志愿者被指示以增加其气道阻力和降低其呼吸顺应性需要NIV患者的呼吸负荷,如在详细地解释补充材料. 该方案由NIV的一位呼吸理疗师执行。志愿者坐在舒适的扶手椅上,配有一个用于监测血氧饱和度的手指脉搏血氧计(腕部2个,型号3150;Nonin医疗,普利茅斯,MN,USA)。First, they were allowed to get familiar with the use of a nasal mask and NIV for 3 min. To this end, they were connected to a noninvasive ventilator (Lumis 150, VPAP ST) through conventional nasal mask and tubing, with inspiratory and expiratory pressures set to 8 and 4 cmH2个O、 分别是。随后,受试者装备了阻力和限制性负荷,并在负荷呼吸后自发(无支撑)呼吸2 分钟,志愿者被要求在视觉模拟量表上对他/她的呼吸不适感进行评分,其中1表示自发的正常呼吸,10表示他们认为无法忍受的最大呼吸不适。然后,他们被连接到一个机械呼吸机,吸气和呼气压力分别设置为16和6 cmH2个O、 分别处于自发触发模式,备用频率为12 呼吸·分钟-1个. 这个呼吸机要么是被测试的原型,要么是随机确定的商用高性能设备(Lumis 150,VPAP ST;默认设置)。在2分钟结束时,再次要求受试者对其呼吸不适进行评分,在不中断或不通知受试者的情况下,将呼吸机转到另一个装置上2 分钟,然后再次要求志愿者对不适进行评分。换气机(原型机或商用)的这个过程重复了两次。最后分配给每个呼吸机的不适评分是对应于每个设备的三个周期的平均得分。任何错误的触发或循环,如通过检查实时鼻压信号和受试者的呼吸活动所观察到的,由理疗师登记。
统计
在台架试验中,通过配对t检验,将获得的数据与样机和商用呼吸机进行比较,评估不同的研究变量。在与自愿受试者的测试中,通过配对t检验对正态分布变量和Wilcoxon符号秩和检验非正态分布变量,比较个体不受机械支持和两个呼吸机支持时的不适评分。p<0.05被认为具有统计学意义。
结果
台架试验
图4表示记录在台架试验模拟与轻微的疾病两者的原型和商业换气患者的一个鼻腔压力和呼吸流量信号的例子。在商业设备中的压力波形接近方波信号而由原型产生的压力增加,并且更顺利地下降。一致的是,由商业通气机引起的吸气流量经历了吸入的开始突然增加,同时通过原型引起的流量增加较多逐步。
T型he ventilator prototype performance was comparable to the commercial ventilator and provided inspiratory and expiratory pressures (up to 16 and 8 cmH2个O、 分别)在所述16种不同的模拟条件下进行测试时,无缺陷触发或循环。图S1示出记录在16度测试的条件下,显示出该原型在所有情况下表现之(因为是市售装置)中的压力波形(图中未示出)。图5a是示出测得的最大吸气和呼气最小压力和,分别设定在所述通气机的控制面板中的相应的目标值之间的差的奥特曼类型的图。一个ctual minimal expiratory pressures set to range 4–8 cmH2个O型differed by <1 cmH2个ø从目标值,在分别的原型和商业通气机的情况下,正的和负的差异。一个ctual peak inspiratory pressures, set to range 10–16 cmH2个O、 系统性地高于两个呼吸机的目标值,大于(约1.5 cmH2个O)在原型呼吸机的情况。当与商业呼吸机(图5b和c)的延迟时间相比,在原型中的触发延迟无统计学差异显著。一个lthough statistically significant, the inspiratory tidal volumes achieved with both ventilators in the 16 different test conditions were similar (difference of 40 mL on average) (figure 5b and c).
健康志愿者呼吸负荷试验
在有电阻和限制性负载的志愿者中进行的测试为呼吸机原型在人类中应用的可行性提供了积极的结果。与健康受试者预期的一样,与无支撑基线(97.0±1.3%)相比,在整个试验期间,血氧饱和度均未下降:分别为96.8±1.0%(p=0.51)和96.8±0.9%(p=0.23),使用原型和商用呼吸机时。如所示图6, 12例受试者呼吸负荷不适评分为5.45±1.68。当原型呼吸机支持负荷患者呼吸时,这些值显著降低到2.83±1.66 (p<0.005)。有趣的是,呼吸困难的缓解实际上与使用高性能商用呼吸机的效果相同(2.80±1.48;p = 1.000)。三种呼吸不适测量方法的变异性未观察到显著差异(p=0.208;平均SD0.61分)。图7礼物鼻腔压力的一个例子,并且当原型换气装置中,设置为NIV吸气和呼气压力的相当大的值,被施加到加载呼吸志愿者,示出的压力波形是合适的,并且所述通气机顺利跟着流信号因为没有检测到错误的触发循环的呼吸受试者的图案。图S2结果表明,在没有受试者吸气时,原型呼吸机能够触发强制通气循环。
讨论
在此,我们描述了一种非常低成本的双层压力支撑呼吸机,它易于制造,可用于发展中国家资源不足的地区或在大流行情况下使用,例如目前由于新型冠状病毒而造成的大流行,而在应对流感季节的医院条件已经很紧张。在台架测试和人体适用性试验中获得的结果证实,新设计的低成本呼吸机的性能与目前可用的商用呼吸机相当。具体来说,该设备在台架测试(高负载阻抗和意外泄漏)和阻塞性限制性负载呼吸测试的压力条件下都能正常工作。
通风机基于模块化结构(图1b)只需要基本的电子培训,使整个组装简单明了。设备模块通过紧凑的电线互连,因此,这种设计可以根据需要独立地简单地更换每个模块。该设置不需要预先校准程序,因为压力传感器是热校正的,并提供了工厂校准。有趣的是,当呼吸机打开时,一个自动的常规过程会自动测试并数字校正传感器零信号中的任何漂移。用气速计检测流量,气速计包括分离两个压力传感器的管段中的轻微收缩。由于这种孔板状电阻是非线性的,传感器上的压降信号被实时数字线性化(通过计算平方根)。当吸气流量低于一定百分比(通常为30-50%)时,循环(吸气末)就被确定了[23],吸气峰的由用户选择),流量信号不需要校准。除了硬件组件,Arduino的代码控制呼吸机(其也提供开放式接入)可以在任何时候重新上传,从而允许简单的更新到所述通气机的功能在低收入国家,与本地或远程更新的代码。188滚球软件例如,廉价的高(或低)压力声学报警可以很容易地添加。此外,为了估计流量非线性电阻可以用线性呼吸速度描记来代替测量流量,以及相关的吸入体积(尽管这会增加成本并且需要定期校准)。此外,呼吸机控制可以适合于考虑到在此情况下,组件被连接在呼吸机输出和所述管连接到患者的面罩之间加湿器引起的压降。值得注意的是,对于呼吸机建设所提出的方式使中低收入国家完全控制程序,以使其适应当地情况,并因应市场的可用性更新所使用的组件的连接最终用户。此外,继续从支持和协作经验的团队在国外是很容易和容易可行。在什么时候最复杂的设备似乎需要,只能通过一个非常有竞争力和特色产业,这种设计的低成本设备的简单性和性能的情况下提供提醒我们有必要回到基础,作为一个时间多的理由和实施NIV还没有充分地从开拓时候这种疗法的开发[24]改变。
台架试验进行采用常用类型的积极呼吸的患者模拟器[9个–11,16,18],模仿患者的呼吸机械改变(梗阻和/或限制)的宽光谱,包括正常和高呼吸频率。此外,通气机被再现的意外泄漏,临床实践NIV期间经常遇到一个环境条件下进行测试。16个不同的台架试验设置(表格1用于评估通气机)所覆盖的宽范围的条件即无创通风机在现实生活中的临床应用暴露于。台架试验结果表明,无论应力试验条件下,原型呼吸机没有故障触发或循环所提供的目标二值压力(图5A),并与合适的触发延迟(图5b和c),从而能够具有良好的同步在模拟病人的吸气努力。在原型呼吸机的反馈控制系统的相对简单解释观察到的压力波形的形状稍有不同在大范围内的试验条件(图5A),并且也有利于在吸气峰压的少量增加的决定因素的解释。而商业装置施加一个几乎正方形的压力信号,由原型产生的压力波形显示出逐步增加和在吸气压力减小(图4)。这与作为比较器使用的商用设备可能配备了更强大(因此昂贵)的反馈系统来控制其鼓风机的事实是一致的。然而,其他几款商用呼吸机的吸气压力模式与原型机相似(图4a和c)[25]. 事实上,在一些商用设备中,吸气压力增加的斜率是用户可以设置的参数之一,因为吸气压力的过早增加过快可能会导致患者不适(图4b(d)不模仿生理性吸气模式,其特征是流量的逐渐增加。尽管潮气量不是由压力支持通气机控制的直接结果变量,但值得注意的是,原型通气机产生的潮气量与商用设备产生的潮气量相似(图5c),进一步支持呼吸机原型在模拟病人中产生吸气压力波形和足够潮气量的适用性(表格1)。
适用性试验研究是在经受阻塞性和限制性呼吸负荷健康志愿者进行。该模型广泛用于在文献中,以模拟呼吸系统的机械负载调查通风[19–21]和模拟呼吸困难[26,27]。事实上,阻塞,限制我们应用到我们的志愿者水平导致呼吸不适评分(图6),类似于通过加载呼吸最近的报告,以模拟呼吸困难中设置的那些[26,27]. 在测试呼吸机原型在人体中的适用性时获得的结果表明,与台架试验类似,没有错误的触发或循环事件,压力波形与商用呼吸机中典型观察到的压力波形相似(图7和图S2),并且呼吸不适的缓解实际上与商用呼吸机所达到的效果相同(图6)。
除了上面讨论的方法和技术问题外,这里提出的工作要求我们具体解决医疗器械研究中通常缺乏的两个方面:1)工业/商业模式;和b)安全/伦理问题。实际上,在这项工作中,我们提出了一种在室内和本地建造通风机的替代程序,即在传统医疗器械工业市场之外。毫无疑问,以工业为基础的传统生产链,包括设计、制造和商业化,在医疗体系中发挥着关键作用。因此,工业界大量投资于研究和开发(R&D),并将新知识从实验室工作台转化为患者床边。换言之,医疗器械行业寻找并提供提高生活质量的创新解决方案。不幸的是,这种以工业为基础的模式很难适用于通常资源匮乏的低收入环境,在这种环境下,向人民提供甚至足够的基本服务都是一项挑战。传统工业模式不适用于低模集成电路的主要原因是,标准工业生产方案也适用于完全非营利性的公司,其成本远远超出了设备制造所严格要求的成本。
绝大多数医疗器械公司都是中小型公司,在欧洲(占所有医疗技术公司的95%)和美国(占80%)雇佣人数都少于50人[28]。此外,这些公司主要位于美国和加拿大(占全球市场的49%)、欧洲(27%)、日本(7%)和中国(6%),它们在全球都受到高度监管,以确保其创新和高科技产品在整个生命周期以及上市前和上市后的安全和性能[28]. 与许多其他行业不同,研发支出是医疗器械公司的重要成本组成部分。这些公司平均将收入的6%至12%用于研发投资[29],具有一些特殊的公司或创业招致更高R&d成本(> 20%)。平均销售,一般及行政开支,其中包括约三分之一的总收入的营销,广告和促销费用和一般管理费用,账户[三十]. 重要的是,销售商品的成本(衡量医疗器械公司生产其产品所需的总成本,包括劳动力、材料成本、租金和公用事业成本)占收入的35%到40%[三十],其余的费用要税收,利息和折旧。因此,比例过大医疗器械公司的收入是被称为超出制造自己的产品所需要的费用。相反,在该方法中,我们描述了这项工作,因为呼吸机组件进行本地或直接连接到当地的技术合作伙伴,所发生的那些部件的采购和组装设备的实际劳动力成本,两者相关的唯一成本它们分别是低得益于电子商务和劳动力成本中低收入国家。值得注意的是,这里提出的方法可能不是只允许通风的充足供应,以患者[31–34],而且还可以促进当地产业网络的发展中低收入国家[35–37]。
关于安全和伦理问题,它强调的是重要的开发和测试可用如今市场上是由发达国家的医生和研究人员在内部构建设备的开发成为可能,而这些在NIV设备创新的设计,测试和改进的患者获得相应的标记前[24]。尽管如此,在内部提出了呼吸这里没有传统的FDA / CE认证。显然,这样的审批程序确保放入市场的医疗器械是安全可靠的,并且因此极为重要,也对目前在医疗保健方面取得的进展作出了贡献。然而,在获得FDA / CE标签是一个过程,主要设计为业发达的国家,是中低收入国家的财政资源方面非常昂贵。虽然这些国家没有要求这样昂贵的过程复杂的基础架构,简化或即席可以通过当地主管部门或医院伦理委员会提供审批手续。然而,特别是在光利用工业通风设备的不存在可替代的,即离开病人未经处理随之而来的后果。在这种困难的情况下,道德权衡向富有同情心的医疗器械使用,一机制已经到位在发达国家未标记的疗法,可考虑。
总之,我们设计了低成本易组装与两个板凳测试,并在自愿受试者性能优异等特点呼吸机。如果像预期的,从这些初步的结果,临床现场测试是有利的,这种低价格的设备可以使提供给患者中低收入国家的呼吸支持,否则谁也有这个可能挽救生命的治疗无访问,以及升级在艰苦的情况下,例如由呼吸道病毒传染病实行通气支持的可用性。
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- 收到2020年3月25日。
- 认可的2020年4月8日。
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