Combattere il COVID-19 una pompa alla volta

In risposta alla pandemia di COVID-19, il progetto Winnipeg Ventilator ha dovuto compiere delle scelte critiche nella progettazione e nella scelta dei componenti, in particolare per il motore utilizzato nelle pompe meccaniche.

Di fronte alla crescita del numero di casi di COVID-19 nel mondo, il governo canadese ha dovuto rapidamente analizzare il numero di ventilatori disponibili in caso di un'impennata dei ricoveri ospedalieri. Sebbene l'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) sia consapevole del fatto che quasi l'ottanta percento delle persone che contrae il virus guarisce da solo, una volta che un paziente viene ricoverato in ospedale, le probabilità che necessiti di un ventilatore possono aumentare notevolmente. Fondamentalmente, un ventilatore richiede che il paziente sia intubato (con un tubo inserito oltre le corde vocali nelle vie respiratorie e messo a tenuta in modo da assicurare un flusso adeguato) per consentire che l'aria venga pompata nel torace e nei polmoni, come avviene nella normale respirazione, fino alla guarigione del paziente. Con questa emergenza mondiale, i paesi hanno cercato di colmare velocemente questo il tra il numero di pazienti che necessitano di ventilazione e il numero di ventilatori disponibili.

Il ventilatore Winnipeg 2.0 progettato e prodotto da StarFish Medical è un ventilatore meccanico da utilizzare in situazioni di emergenza per compensare la disponibilità dei ventilatori attualmente approvati e sul mercato in caso di un'impennata dei casi oltre la normale capacità. Il ventilatore doveva essere sufficientemente versatile in modo da supportare una serie di esigenze del paziente in diversi momenti. Ad esempio, i polmoni possono essere molto irrigiditi o non esserlo affatto e il fabbisogno di ossigeno in queste condizioni può variare notevolmente. Inoltre un ventilatore deve essere sufficientemente flessibile per fornire una gamma di modalità e concentrazioni di ossigeno in base alla risposta del paziente alla terapia.

Il ventilatore Winnipeg è un sistema carrellato, comandato digitalmente mediante l'uso di un firmware integrato e di un'interfaccia utente formata da vari pulsanti, manopole e interruttori. I parametri misurati vengono mostrati all'utente su display analogici e digitali e consentono una regolazione di precisione in base alle esigenze di ogni singolo paziente. Il dispositivo monitora il volume respiratorio, la pressione delle vie respiratore, la percentuale di O2 e la frequenza respiratoria. Comprende inoltre una serie di allarmi che rilevano quando i valori misurati superano parametri accettabili. La durata d'uso prevista per paziente è pari a un massimo di quattordici giorni di ventilazione continua.

Alcune caratteristiche chiave del ventilatore Winnipeg 2.0 comprendono la compatibilità con l'alimentazione di ossigeno a parete o in bombola, l'uso dell'aria ambiente invece di una mandata dell'aria e un'interfaccia intuitiva e di facile utilizzo. Gli utenti devono poter accedere rapidamente a tutti i parametri e impostazioni senza complicate esigenze di impostazione. Ogni unità dispone di un' alimentazione integrata di riserva a batteria ed è facile da movimentare e trasportare.

È stato fondamentale che StarFish Medical potesse avere la quantità di componenti, inclusi i motori, necessari per l'alto numero di unità di produzione di cui avevano bisogno.

Scelta del motore

In passato la StarFish Medical aveva già utilizzato i motori maxon per una serie di progetti e li aveva trovati molto efficienti ma soprattutto affidabili. I motori vengono forniti con numerosi dati tecnici utili per ogni modello e ciò consente di semplificare la scelta limitandola solamente ad alcune opzioni. Tuttavia, il progetto stava progredendo così velocemente che il team di StarFish Medical è stato obbligato a definire in anticipo i requisiti precisi per il progetto. In questo momento l'obiettivo principale consisteva nel trovare un motore che fosse immediatamente disponibile e che fornisse un margine di prestazioni sufficiente a garantirne il successo.

L'assistenza tecnica maxon, in collaborazione con il team di progettazione di StarFish Medical, ha proposto un motore senza spazzole senza riduttore scelto sulla base dei requisiti applicativi e alla disponibilità in modo da potere fornire il motore in tempi molto brevi. La capacità di fabbrica della StarFish Medical è stata assicurata tramite la Corea del Sud per soddisfare la domanda iniziale. 

La modifica del design originale per l'uso di un motore DC senza spazzole ha apportato alcune sfide interessanti al processo di progettazione. Fortunatamente, il team di StarFish Medical aveva già esperienza nelle modifiche di questo tipo ed è riuscito ad adattare gli schemi di progettazione esistenti per realizzare questo cambiamento in modo semplice e rapido. Per bilanciare le capacità di progettazione, StarFish Medical ha ritenuto il motore elettrico di maxon particolarmente facile da utilizzare. StarFish Medical ha sviluppato software e hardware personalizzati per sfruttare al meglio la scelta del motore invece di utilizzare una soluzione standard preconfezionata.

Dopo un'attenta valutazione del design, StarFish Medical ha scelto di utilizzare i motori EC-i 52 di maxon per il progetto Winnipeg Ventilator.

Requisiti e funzionamento del motore del ventilatore

Il motore aziona un attuatore a ricircolo di sfere che comanda la posizione del pistone per permettere al ventilatore di far “respirare” il paziente. Il team di StarFish Medical ha scelto un motore da 200 watt che ha permesso un certo margine di manovra per coppia e velocità. I requisiti prevedevano una velocità massima di 215 mm/s, un'accelerazione massima di 7,2 m/s2, una rampa di accelerazione/decelerazione a una velocità massima di 0,05 s e un numero di cicli da 1,5M a 15M. Uno dei requisiti flessibili per il funzionamento prevedeva che il sistema passasse velocemente da un ciclo di inalazione a un ciclo di esalazione non appena il ventilatore rileva sofferenza del paziente.

StarFish Medical ha effettuato un ordine iniziale di 7500 motori EC-i52 con sensori Hall ENX (vedere immagine). Grazie all'anello magnetico ottimizzato, questi motori offrono una densità di coppia molto elevata e una bassa coppia di cogging. Il rotore interno multipolo è estremamente dinamico. Nel complesso, il robusto design del motore con flange e alloggiamento in acciaio lo rende adatto a un'ampia gamma di applicazioni che richiedono prestazioni e cicli di funzionamento prolungati.

Quando la disponibilità è un fattore chiave selezionare il motore giusto per la progettazione può richiedere un rapido cambiamento di rotta. Collaborare con un partner che abbia l'esperienza e la competenza nel proprio settore e comprenda le esigenze di fornitura è fondamentale nel fare la scelta giusta per le proprie esigenze. Nel caso del ventilatore Winnipeg, maxon è stata in grado di utilizzare l'esperienza e le conoscenze acquisite in molti anni di collaborazione con aziende mediche per proporre suggerimenti sulla scelta del prodotto che rispondesse alle esigenze impellenti di StarFish Medical.