Insinyur Open-Source Mendesain Ventilator Biaya Rendah untuk Mendukung Respons COVID-19

Ventilator mempertahankan oksigen di paru-paru dan mengeluarkan karbon dioksida, menjadikannya tidak tergantikan untuk kasus COVID-19 yang parah. Virus merusak cili paru-paru, menyebabkan penumpukan lendir dan infeksi sekunder yang menghambat penyerapan oksigen. Saat rumah sakit di seluruh dunia kesulitan dengan kekurangan ventilator, lonjakan manufaktur global—masker, respirator, tupai, obat, dan ventilator—telah diluncurkan. Ventilator memungkinkan bernapas; tantangan utama COVID-19 adalah blokir paru-paru.

Sebagai tanggapan, komunitas insinyur, klinsian, dan peneliti meluncurkan inisiatif kolaborasi open-source untuk merancang dan memproduksi ventilator. Menggunakan pencetakan 3D dan teknik manufaktur cepat lainnya, proyek ini menciptakan bagian cadangan dan peralatan sesuai permintaan.

Figure 1: Sebuah ventilator profesional (Gambar: Hamilton Medical)

Bagaimana ventilator bekerja?

Mesin ini menyampaikan oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida dengan memompa udara melalui tabung yang dimasukkan ke mulut atau hidung pasien. Ventilator modern dikontrol secara elektronik oleh komputer tertanam dan diklasifikasikan sebagai sistem kritis kehidupan, menuntut standar keandalan tertinggi.

Proyek-proyek

Banyak desain ventilator biaya rendah—banyak dihosting di GitHub—mengisi kesenjangan ketika persediaan rumah sakit tidak mencukupi. Sementara mereka dapat mendukung krisis paru-paru akut, mereka secara langsung mempengaruhi kondisi medis, sehingga pengawasan medis profesional wajib. Penggunaan yang tidak tepat, terutama pada tekanan tinggi, menimbulkan risiko signifikan.

Perangkat ventilator open-source biaya rendah (PAPR)

Proyek GitHub ini (Figure 2) menawarkan ventilator yang sederhana dan terjangkau yang dapat menyelamatkan nyawa jika digunakan dengan benar. Ia menyampaikan frekuensi napas yang dapat diprogram 10–16 napas per menit dan dapat mencapai tekanan saluran napas puncak hingga 45 cmH₂O; namun, tekanan di atas 20 cmH₂O berbahaya. Perangkat menggunakan udara sekitar (21% O₂); konsentrasi oksigen yang lebih tinggi membutuhkan peralatan medis khusus. Proyek ini tetap terbuka untuk perbaikan dan pencipta mencari kemitraan untuk produksi massal. Ketersediaan komponen mungkin terbatas, dan desain sengaja minimal. Iterasi mendatang dapat mengintegrasikan mitigasi penyebaran virus. Perangkat hanya beroperasi di lingkungan yang sudah terinfeksi, di mana penahanan titik droplets esensial. Kontrol dielola melalui Arduino; perlindungan terhadap padam listrik harus diintegrasikan.

Figure 2: Proyek ventilator (Gambar: GitHub)

The Pandemic Ventilator

Tersedia di Instructables, ventilator DIY ini menggunakan komponen yang mudah didapatkan (Figure 3). Ini dimaksudkan sebagai solusi dukungan hidup darurat. Dengan rumah sakit yang tidak dapat memperoleh cukup ventilator, permintaan kemungkinan akan melebihi pasokan. Desainnya sederhana namun mengintegrasikan kontrol elektronik modern. Ia menggunakan kayu, pita, kantong plastik, tabung beruta, katup solenoid, saklet magnet, dan PLC. Proyek ini terus dyingkatkan baik dalam hardware maupun perangkat lunak. Ini secara jelas menyatakan bahwa prototipe bersifat eksperimental dan belum melalui pengujian keamanan; hanya klinsian yang bersertifikat yang boleh menggunakannya. Perangkat terdiri dari unit bellows kayu, katup, pipa, PLC, kabel, saklet, dan sumber daya, semuanya dipasang pada paplan plywood 18 × 21 × 0,5 inci. Katup solenoid langsung bekerja dan fitting beruta dengan pita Teflon diperlukan. Bellows dibuat dari kantong freezer besar, diperkuat dengan plywood dan goyang (lihat Figure 4). PLC yang digunakan adalah Direct Logic 06 DO-06DR oleh Automation Direct—unit hemat biaya dan fleksibel dengan perangkat lunak pemrograman gratis. PLC lain dapat diganti. Sumber daya 24-V dan saklet on/off memulai sistem. Program logika tangga bekerja sebagai berikut:

• Buka Katup 1 dan tutup Katup 2 sampai bellows penuh (saklet magnet atas tertutup).
• Tutup Katup 1, buka Katup 2, dan tutup Katup 3 untuk menghembuskan udara ke pasien.
• Ketika saklet magnet bawah tertutup, tutup Katup 2 dan buka kembali Katup 1 untuk mengisi ulang bellows.
• Timer memungkinkan paru-paru pasien untuk mengembung dengan Katup 3 terbuka; setelah timer habis, Katup 2 terbuka dan Katup 3 tertutup untuk memulai siklus berikutnya.

Ini adalah diagram kabel:

• Input
  • X0 saklet magnet bellows atas
  • X1 saklet magnet bellows bawah
  • X2 saklet on/off
  • C0 24 V
  • Semua kembali ke ground
• Output
  • Y0 tidak digunakan
  • Y1 katup masuk (V2)
  • Y2 katup keluar (V3)
  • Y3 katup isi bellows (V1)
  • C0 garis 120-VAC
  • Semua kembali ke netral garis

Figure 4: Beberapa detail konstruksi Pandemic Ventilator (Gambar: TEMPO.CO)

>> Lanjutkan membaca tentang upaya desain ventilator tambahan yang dijelaskan dalam artikel lengkap yang awalnya diterbitkan di situs saudara kami, EEWeb.