オープンソース人工呼吸器プロジェクトの設計

COVID-19パンデミックに関連した医療機器の入手性の問題は、個人とエレクトロニクス業界全体が医療機器開発に広く関与する必要性を浮き彫りにしています。従来の人工呼吸器メーカーの数が比較的少なく、かつサプライチェーンに混乱が生じているため、医療業界が人工呼吸器の製造能力を向上させる能力に影響が出続けています。これに対処するために、医療以外の多くの製造企業が製造能力を人工呼吸器の構築にシフトしています。　　　さらに、複数の企業や個人が、世界中の患者の人工呼吸器へのアクセスを高める手段として、オープンソースの人工呼吸器技術の開発と普及に取り組んでいます。

人工呼吸器とCOVID-19

新型コロナウイルス感染症により重症化した患者は、呼吸器のサポートが必要になることがあります。重症化した患者は、急性呼吸窮迫症候群（ARDS）を発症する可能性があります。ARDSは、肺が自力で十分な酸素を吸収できない症状です。ARDS患者は死亡率が高く、治療中に数日間の機械式人工呼吸を必要とすることがあります。COVID-19パンデミックにより、呼吸器による治療を必要とする患者が劇的に増加しました。世界の多くの地域では、人工呼吸器が高額であったり、不足していたりすることにより、患者の治療へのアクセスが制限され、結果として防げたはずの死を招いています。

人工呼吸器の背景

機械式人工呼吸器の役割は、肺にガスを出し入れして酸素を供給し、二酸化炭素を除去することです。最新の人工呼吸器は陽圧換気（PPV）を使用して、一定の呼吸速度でガスを肺に送り込みます。図1は、機械式人工呼吸器の吸気と呼気時の圧力ランプと流量のシミュレーションプロファイル例を示しています。人工呼吸器は、患者の治療に使用される場合、このタイプのプロファイルをさまざまな制限と速度で実行します。

図1：人工呼吸器の波形。（画像提供：Trinamic）

人工呼吸器は通常、空気圧または電力を使用して、換気中に使用される圧力と流量を提供します。機械式人工呼吸器内のさまざまなセンサと制御は、吸気モードと呼気モード間の切り替えに使用されます。 参照資料1の『Equipment in Anaesthesia and Critical Care: A complete guide for the FRCA』（下記を参照）は、基本的な人工呼吸器設計と用語を理解するための有益な背景情報や基本的なリファレンスを提供します。

Trinamicオープンソース人工呼吸器（TOSV）プロジェクト

Trinamic（現在はMaxim Integratedの一部）は、モーション制御エレクトロニクスの分野で長い歴史と長年の経験を持っています。現在進行中の顧客関連の人工呼吸器プロジェクトをサポートすることに加えて、Trinamicは、人工呼吸器向けのオープンソースのハードウェアリファレンス設計を提供することで、エンジニアや医療会社にインスピレーションを与えたいと考えています。

多くの人工呼吸器では、BLDCモータで駆動される高RPMの遠心タービンファンとさまざまなセンサを組み合わせて、圧力と流量を制御した換気モードを提供しています。低誘導のBLDCモータを使用した経験から、Trinamicもこのアプローチを採用し、公開TOSV（Trinamicオープンソース人工呼吸器）プロジェクトを立ち上げました。Trinamicは、CPAPタービンファンを駆動するTMC4671モータ制御とTMC6100ゲートドライバICをベースにして概念実証設計（図2）を開発しました。

図2：概念実証。（画像提供：Trinamic）

TMC6100+TMC4671-EVAL-KIT評価プラットフォームを使用することで、Trinamicチームは、ファームウェアを開発し、CPAPタービンを使用した概念実証を迅速に実行に移すことができました。キットは、MCU Landungsbrückeボード1枚、Eselsbrückeブリッジボード2枚、TMC4671-EVALモーションコントローラボード1枚、TMC6100-EVALドライバボード1枚のセットです。これらのボードは互いに接続することで、モータの制御やセンサとのインターフェースに必要な電気的接続に簡単にアクセスできます。

評価プラットフォーム上でファームウェアを開発する一方で、別のエンジニアリングチームは、TMC4671、TMC6100、マイクロコントローラ、インターフェース回路を含むスモールフォームファクタのカスタムPCBを開発しました。このようにしてTrinamicのエンジニアリングチームが開発したハードウェアとファームウェアがTOSVプロジェクトとなりました（図3）。

図3：TOSVリファレンス設計のブロック図。（画像提供：Trinamic）

TOSVの目標は、ブロワとセンサの制御のためのハードウェア設計リファレンスと、基本的な人工呼吸器機能のためのファームウェアを提供することです。図3は設計に実装された主な機能ブロックを示しています。PCBのフットプリントはRaspberry Piに接続できるように設計されており、システムレベルの機能を開発するためのシングルボードコンピュータプラットフォームを容易に利用できるようになっています。

結果として、TMC4671+TMC6100-TOSV-REF TOSVリファレンス設計評価ボードとファームウェアが入手可能です。TOSVリファレンス設計の資料には、回路図、PCBドキュメント、BOM、CAD図面、ファームウェア、およびPythonユーザーインターフェース例が含まれています。すべての資料は、TrinamicのTrinamicOpenSourceVentilator-TOSV GitHubリンクからアクセスできます。

まとめ

TOSVプロジェクトは、オープンソースのハードウェアとファームウェアが、社会全体の利益のために開発され、すべての人の利益になっている良い例です。高RPM BLDCモータの駆動経験を生かし、人工呼吸器システムに応用することで、Trinamicは個人や企業が使用、開発、変更できるハードウェアとファームウェアのリファレンスブロックを開発したのです。

参照資料：

1 – Aston D、Rivers A、Dharmadasa A: Equipment in Anaesthesia and Critical Care: A complete guide for the FRCA.Royal College of General Practitioners.2013.参照資料情報