Concevoir un projet de respirateur open-source

Les problèmes de disponibilité des équipements médicaux liés à la pandémie de COVID-19 mettent en lumière la nécessité d'une plus grande implication dans le développement de dispositifs médicaux, tant à l'échelle individuelle qu'à celle de l'industrie électronique en général. Deux raisons expliquent que l'industrie médicale reste incapable d'accroître la fabrication des respirateurs : un nombre relativement faible de fabricants de respirateurs traditionnels et des perturbations au niveau de l'approvisionnement. Pour contrer cette situation, bon nombre d'entreprises de fabrication en dehors du domaine médical se portent volontaires pour transformer leur capacité de fabrication en vue de construire des respirateurs. Par ailleurs, de nombreuses personnes et entreprises travaillent au développement et à la promotion d'une technologie de respirateur open-source afin d'améliorer l'accès des patients à ces dispositifs dans le monde entier.

Respirateurs et COVID-19

Les patients gravement touchés par le coronavirus peuvent nécessiter une assistance respiratoire. Ceux sévèrement atteints peuvent développer un syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA). Le SDRA consiste en l'incapacité pour les poumons d'absorber par eux-mêmes l'oxygène nécessaire. Les patients atteints du SDRA présentent une mortalité plus élevée et peuvent nécessiter plusieurs jours de ventilation mécanique pendant le traitement. Avec la pandémie de COVID-19, le nombre de patients nécessitant des soins respiratoires a augmenté de manière dramatique. Dans de nombreuses régions du monde, le coût élevé des respirateurs ou leur pénurie continuent de restreindre l'accès des patients à un traitement et entraînent des décès qui pourraient être évités.

Informations sur les respirateurs

Le rôle d'un respirateur mécanique est de faire entrer et sortir du gaz au niveau des poumons afin d'apporter de l'oxygène et d'éliminer le dioxyde de carbone. Les respirateurs modernes utilisent la respiration artificielle à pression positive pour faire pénétrer du gaz dans les poumons à une fréquence respiratoire régulière. La Figure 1 montre un exemple de profil de simulation des rampes et des flux de pression d'un respirateur mécanique à l'inspiration et à l'expiration. Un respirateur implémente ce type de profil avec différentes limites et fréquences lorsqu'il est utilisé pour traiter un patient.

Figure 1 : Forme d'onde d'un respirateur. (Source de l'image : Trinamic)

Les respirateurs utilisent typiquement la puissance pneumatique ou électrique pour fournir la pression et le flux utilisés pendant la ventilation. Différents capteurs et différentes commandes dans le respirateur mécanique sont utilisés pour opérer des cycles entre les modes inspiratoires (inspiration) et expiratoires (expiration). La Référence 1, Equipment in Anaesthesia and Critical Care: A complete guide for the FRCA fournit des informations intéressantes et une référence de base pour comprendre la conception et la terminologie de base des respirateurs.

Projet de respirateur open-source de Trinamic (TOSV)

Trinamic (qui fait maintenant partie de Maxim Integrated) affiche un long historique et des années d'expérience en électronique de contrôle de mouvement. En plus de soutenir des projets de respirateurs en cours parmi ses clients, Trinamic souhaite inspirer les ingénieurs et les entreprises médicales en proposant une conception de référence matérielle open-source pour les respirateurs.

Beaucoup de respirateurs utilisent un ventilateur à turbine centrifuge à rotation élevée entraîné par un moteur CC sans balais (BLDC), ainsi que différents capteurs afin de fournir une pression et des modes de ventilation à flux contrôlé. Grâce à son expérience avec les moteurs BLDC à faible induction, Trinamic a également adopté cette approche, ce qui a donné naissance à son projet de respirateur open-source (TOSV) public. Trinamic a développé une conception de démonstration de faisabilité (Figure 2) basée sur des circuits intégrés de commande moteur TMC4671 et d'attaque de grille TMC6100 entraînant un ventilateur à turbine en pression positive continue (CPAP).

Figure 2 : Démonstration de faisabilité. (Source de l'image : Trinamic)

L'utilisation de la plateforme d'évaluation TMC6100+TMC4671-EVAL-KIT a permis à l'équipe de Trinamic de développer un micrologiciel et d'obtenir rapidement une démonstration de faisabilité opérationnelle avec une turbine CPAP. Ce kit est un ensemble incluant une carte Landungsbrücke de microcontrôleur, deux cartes de montage en pont Eselsbrücke, une carte de contrôleur de mouvement TMC4671-EVAL et une carte de circuit d'attaque TMC6100-EVAL. Ces cartes se connectent les unes aux autres, offrant ainsi un accès aisé aux connexions électriques nécessaires pour contrôler le moteur et communiquer avec les capteurs.

Parallèlement au développement du micrologiciel sur la plateforme d'évaluation, une autre équipe d'ingénierie a développé une carte à circuit imprimé personnalisée et compacte contenant les circuits des cartes TMC4671 et TMC6100, du microcontrôleur et de l'interface. Le matériel et le micrologiciel obtenus, développés par les équipes d'ingénierie de Trinamic, ont constitué le projet TOSV (Figure 3).

Figure 3 : Schéma fonctionnel de la conception de référence TOSV. (Source de l'image : Trinamic)

L'objectif du projet TOSV est de fournir une référence de conception matérielle pour contrôler le ventilateur et les capteurs, ainsi que le micrologiciel afin d'assurer les fonctions de base du respirateur. La Figure 3 montre les principaux blocs fonctionnels implémentés dans la conception. L'empreinte de la carte à circuit imprimé a été conçue pour une connexion à une carte Raspberry Pi, offrant ainsi une plateforme d'ordinateur monocarte disponible rapidement afin de développer des fonctionnalités au niveau système.

La carte d'évaluation de la conception de référence et le micrologiciel TMC4671+TMC6100-TOSV-REF qui en résultent sont disponibles. D'autres supports liés à la conception de référence TOSV incluent des schémas, de la documentation sur les cartes à circuit imprimé, des nomenclatures, des dessins CAO, un micrologiciel et des exemples d'interface utilisateur Python. Ils sont tous accessibles via le lien GitHub TrinamicOpenSourceVentilator-TOSV de Trinamic.

Conclusion

Le projet TOSV est un bon exemple de matériel et de micrologiciel open-source développés pour le bien commun et dans l'intérêt de tous. En exploitant son expérience avec les moteurs CC sans balais à rotation élevée et en l'appliquant à un système de respirateur, Trinamic a pu développer des blocs de référence pour le matériel et pour le micrologiciel à destination des particuliers et des entreprises, qui pourront les utiliser, les implémenter dans leurs projets de développement et les modifier.

Références :

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. Source de la référence