带eMotionTM智能电机控制和备用电池的MPS开源急救呼吸机
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简介
2020 年 3 月，COVID-19新冠肺炎疫情迅速传播，全球急救呼吸机的短缺成为人们最大的担忧之一。呼吸机需求的激增预示着其很快就会供不应求。MPS团队也尝试在这场危机中贡献一份力量。尽管MPS并不是医疗设备制造商，但其工程师和设计师在电力电子和电机控制方面拥有丰富的经验。将其专业积淀应用于呼吸机、呼吸器和呼吸机类设备的技术架构，MPS期望能够助力抗击这次的全球性大瘟疫。
本文将介绍MPS 开源“急救呼吸机”的开发过程，同时也展示MPS 电源解决方案在增强任意电子系统设计与开发方面发挥的作用。
设计基准
解决迫在眉睫的呼吸机短缺问题有哪些具体需求？MPS在思考这个问题时寻求了创客/DIY 社区的帮助。这将我们引向麻省理工学院（MIT）一个技术和医疗团队开发的急救呼吸机项目，E-Vent。E-Vent 是一个开源项目，它致力于为世界各地的团队提供临床和设计参考信息，从而通过自动化手动气囊阀面罩 (BVM) 来制作他们自己的急救用呼吸机（见图 1）。
图1: 麻省理工学院的第3版E-Vent原型(1)
注：
1) 图片来源：麻省理工学院。
一个正规的呼吸机是很复杂的机器（见图 2）。它不仅仅简单地压迫空气进出患者肺部，还控制空气量、流速、氧气含量，甚至控制空气温度和湿度。此外，呼吸机还必须监测可能危及患者的任何情况，并触发适当警报或纠正措施。
图2: 呼吸机和气囊阀面罩（BVM）图示(2) (3)
注：
2)图片来源 Dräger.
3)图片来源Ambu.
相比之下，自动化 BVM（例如 E-Vent 系统）并不是一个功能齐全的呼吸机。 虽然自动化 BVM可以提供机械换气，并包含基本的安全监测，但它只是紧急情况下使用的过渡设备，用于自动执行手动过程。自动化BVM 仅用于维持患者呼吸，直到有正规的呼吸机可用，它允许医务人员将之同时用于多名患者。
“呼吸机”一词被广泛用于描述提供机械换气的设备，但我们有必要区分紧急情况下使用的自动化BVM 设备与全功能呼吸机。BVM 设备是一种可能造成医疗风险的过渡设备，应仅在必要时使用。
设计优化的MPS急救呼吸机
MPS 的设计遵循了MIT 的 E-Vent 系统主要架构，它采用Arduino 微控制器来处理用户输入、监测关键参数并驱动直流电机以挤压 BVM，同时通过无缝电池备份改善了电源管理，并利用无刷直流 (BLDC) 智能电机改进了电机控制。这种新型设计集成了市面上已有的传动系统组件，创建出一个非常紧凑的呼吸设备（见图 3）。
图3: MPS开源“急救呼吸机”第2版原型
其主要集成组件包括以下设备：
- MP2759, 带电源路径管理功能的开关充电器（作为 EV2759-Q-01A评估板的一部分）。
- MPM3510A, 同步降压变换器模块（作为 EVM3510A-QV-00A评估板的一部分）。
- MP3910A, 升压 PWM 控制器（作为 EV3910A-S-00A评估板的一部分）。
当然，我们可以将这些组件集成在一块定制的PCB上，但为了缩短开发时间，我们利用了每个器件已有的预制评估板，并同时创建了一个紧凑的解决方案。
图4: MPS急救呼吸机系统功能模块
在该方案中，EV2759-Q-01A从标准 19V 交流电源适配器（例如笔记本电脑上使用的适配器）中获取主要输入电源，可以为呼吸机系统供电，还可以为呼吸机备用电池充电。EV2759-Q-01A的最大输入电压为 36V，可以集成 1 至 6 节串联电池，具有不同的电池调节电压和最大 3A 充电电流（见图 5）。
本方案采用的电池为14.8V、4S、6000mAh锂电池组，这种电池组广泛应用于遥控车和小型机器人。如果交流电源被断开，系统的电源和操作并不会受到干扰，急救呼吸机可以在停电或运送患者的过程中继续运行。同时，EV2759-Q-01A还可配置为在交流断电发生时触发告警；电源恢复后，解除告警。
图5: MPS EV2759板和备用电池
MPM3510A 用于降低主系统电压，为 Arduino 微控制器提供持续、稳定的电源。Arduino微控制器是控制系统的器件，因此需要可靠且准确的电源供应。 MPM3510A可适应4.5V 至 36V 的宽输入电压范围，并提供低至 0.8V 的可调输出和1.2A 的连续负载电流能力。
MP3910A用于提升主系统电压，以为24V BLDC 智能电机供电。与 Arduino微控制器一样，电机驱动器也需要可靠的电源才能保持一致的性能。对急救呼吸机系统而言，不一致的电机性能将导致不准确的空气输送。而MP3910A具有标准的 9V 至 14V 输入电压范围，能够严格调节输出24V电压，从而提供足够的电流以满足峰值功率电机的需求。
图6: MPS EV3910A (左) 和EVM3510A (右)
用于挤压 BVM 的电机为MPS的 EVKT-MSM942077-24，这是一款集成了MPS 智能电机模块 (MMP742077-24-C)的77W BLDC 智能电机，其外形尺寸为 42mm (NEMA-17)。EVKT-MSM942077-24是MPS的eMotionTM 伺服驱动模块和套件 系统系列产品之一。该电机通过 RS485 连接到 Arduino微控制器，并使用 MPS自己开发的“MSMMotor.h” Arduino库命令进行控制。
EVKT-MSM942077-24 提供了功能强大、紧凑且简单的解决方案，它使BLDC 电机控制变得更加容易。在其智能电机模块中，集成有一个磁性角度位置传感器、一个磁场定向控制器 (FoC) 和电源驱动器（见表 1）。该器件提供RS485 和 PULSE/DIR 两种输入接口选项，具有77W 连续功率输出和 0.3° 的位置分辨率。EVKT-MSM942077-24 允许设计人员使用电流测量来实现归位程序，以检测机械挤压臂在“打开”方向，何时接触到内置的机械挡块。这种内置挡块在电机启动期间设定零位，从而确保了一致的性能。由于无需单独的归位开关而简化了系统设计（参见图 7）。
表1: 智能电机模块组件
| MPS 器件 | 描述 | 数量 |
| MP6570 | 带高精度角度传感器的三相 BLDC 控制器 | 1 |
| MP6710 | eMotion SystemTM伺服电机控制器 | 1 |
| MPM3510A | 带集成电感的36V/1.2A同步降压变换器 | 1 |
| MP1907A | 100V、2.5A高频半桥栅极驱动器 | 3 |
| MPQ2013A | 40V、150mA低静态电流线性稳压器 | 2 |
图 7：启动时执行归位操作的呼吸机系统
MPS 急救呼吸机的机械设计非常简单，而且它尽可能地采用了标准的市售零件。在不采用市售零件的情况下，该解决方案可以结合简单的定制机械部件，例如，3D 打印符合BVM 形状的挤压板。
机械设计的技术需求提供了在不同吸气与呼气 (I:E) 比率下每分钟呼吸次数 (BPM) 的指定范围。根据 MIT 项目提供的 BPM 和 I:E 比率范围，以及他们对挤压 BVM 的力度要求建议，我们 计算出采用EVKT-MSM942077-24时所需的齿轮减速。我们安装了一个标准100:1 变速箱和齿轮组，最终得到200:1的减速比，达到了所需的速度和扭矩水平。其他组件（例如压力传感器、报警蜂鸣器、显示面板、按钮、旋钮和开关）都是标准组件，系统设计人员可以用任何等效部件来代替。
图8: 由电机和 100:1 行星齿轮箱提供输入的传动系统主齿轮
自MPS 创建了第一个功能原型之后，该项目通过视频、项目网站和网络外展得到迅速传播。很多个人和团体都了解了我们的开发过程，并在集成该方案特有的电气特性方面提供了帮助。不过，MPS并没有将该设计付诸生产。该方案出台之时，许多呼吸机制造商已经面临供应短缺的问题，而新冠肺炎的治疗方案也没有将重点放在呼吸问题上，尤其是像 BVM 这样的紧急使用呼吸机。但MPS仍然设计了第2个版本的原型，以备未来之需（参见图 9）。
图 9：MPS 的开源“急救呼吸机”（左侧为第 1 版，右侧为第 2 版）
结语
MPS 在此感谢 MIT E-Vent 项目和创客社区中的无数个人，他们都是这个全球协作项目的贡献者。来自社区的想法为我们开发这种紧急情况下使用的呼吸机提供了重要的参考资料。同时，我们诚挚感谢圣克拉拉谷医疗中心 (SCVMC) 的医疗团队所付出的时间与精力，他们在肺模拟器上测试该设备，帮助我们完善了系统的设计细节，例如 BVM 挤压板形状和扭矩要求。
要了解MPS自动化BVM设备采用的设计或组件（包括完整的 BOM、3D 设计文件和 Arduino 控制代码），请查看开源呼吸机项目页面。
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