코로나19와의 투쟁, 한 번에 한 펌프

코로나19 팬데믹에 대응하여 Winnipeg Ventilator 프로젝트는 특히 기계식 펌프 설계에 사용되는 모터에 대한 설계 및 구성품 선택에서 몇 가지 중요한 선택을 해야 했습니다.

전 세계적으로 코로나19 발병 사례가 증가함에 따라, 캐나다 정부는 병원 입원 사례가 과잉될 경우 사용할 수 있는 인공호흡기 수를 신속하게 조사했습니다. 세계보건기구(WHO)는 바이러스에 감염된 사람들 중 거의 80%가 저절로 낫는다고 파악하고 있지만, 환자가 일단 병원에 입원하면 인공호흡기가 필요할 가능성은 상당히 높아질 수 있습니다. 기본적으로 인공호흡기는 환자에게 삽관(튜브를 성대를 지나 기도로 삽입하고 공기가 적절하게 흐를 수 있도록 밀봉)하여 환자가 회복될 때까지 정상적인 호흡처럼 공기가 가슴과 폐 안팎으로 펌핑될 수 있도록 합니다. 전 세계적인 수요 증가로 인해 여러 국가에서는 인공호흡기가 필요한 환자 수와 사용 가능한 인공호흡기 수 사이의 격차를 빠르게 메우기 위해 노력했습니다.

Winnipeg Ventilator 2.0(StarFish Medical 사에서 설계 및 제조)은 정상 용량을 초과하는 사례가 급증하는 경우, 현재 승인되고 판매되는 인공호흡기의 가용성을 보완하기 위해 응급 상황에서 사용하기 위한 기계식 인공호흡기입니다. 경우에 따라 이 호흡기는 환자의 다양한 요구를 유연하게 지원합니다. 예를 들어, 폐는 매우 뻣뻣하거나 전혀 뻣뻣하지 않을 수 있으며 이러한 조건에서 산소 요구량은 매우 다양할 수 있습니다. 또한, 인공호흡기는 치료에 대한 환자의 반응에 따라 다양한 모드와 산소 농도를 전달할 수 있을 만큼 다용도로 사용할 수 있어야 합니다.

Winnipeg Ventilator 인공호흡기는 내장된 펌웨어와 다양한 버튼, 노브 및 스위치로 구성된 사용자 인터페이스를 사용하여 디지털 방식으로 제어되는 카트 기반 시스템입니다. 측정된 매개변수는 아날로그 및 디지털 디스플레이를 통해 사용자에게 표시되므로 각 개별 환자의 요구 사항에 맞추어 정밀하게 조정할 수 있습니다. 이 장치는 일회 호흡량, 기도압, O2% 및 호흡수를 모니터링합니다. 또한, 이 장치에는 측정값이 허용 가능한 매개변수를 벗어나는 경우를 인식하도록 연결된 여러 경보 장치가 장착되어 있습니다. 환자 한 명당 예상 사용 기간은 연속적인 인공호흡일 때 최대 14일입니다.

Winnipeg Ventilator 2.0의 일부 주요 기능에는 벽형 및 병형 산소 공급원과의 호환성, 공기 공급장치가 필요하지 않은 주변 공기 사용, 직관적이고 사용하기 쉬운 인터페이스가 포함됩니다. 사용자는 복잡한 설정 요구 사항 없이 모든 매개변수 및 설정에 즉시 액세스할 수 있어야 했습니다. 각 장치에는 통합형 배터리 백업 전원 시스템이 있으며 조작 및 운반하기가 쉽습니다.

StarFish Medical 사는 생산해야 하는 많은 수의 생산 장치에 필요한 물량의 구성품(모터 포함)을 확보할 수 있어야 했습니다.

모터의 선택

StarFish Medical 사는 과거 여러 프로젝트에서 맥슨의 모터를 사용해 본 결과 높은 효율성과 가장 중요한 신뢰성을 확인했습니다. 모터는 각 모델에 많은 유용한 기술 데이터와 함께 제공되므로 일반적으로 몇 가지 옵션으로 선택 범위를 좁히는 것은 어렵지 않습니다. 그러나 프로젝트가 너무 빨리 진행되어 StarFish Medical 팀은 프로젝트에 대한 정확한 요구 사항을 결정하기 전에 먼저 모터를 선택해야 했습니다. 당시 주요 목표는 쉽게 구할 수 있고 성공을 보장할 수 있는 충분한 성능의 실적을 제공하는 모터를 찾는 것이었습니다.

맥슨의 기술 지원팀은 StarFish Medical 사의 설계 팀과 협력하여 애플리케이션의 요구 사항 및 짧은 리드 타임과 함께 모터를 적절하게 공급할 수 있는 가용성을 기반으로 선택한, 기어 장치가 없는 브러시리스 모터를 제안했습니다. StarFish Medical 사의 생산량은 한국을 통해 확보하여 초기 수요 일정을 맞출 수 있었습니다. 

원래 설계를 브러시리스 DC 모터를 사용하도록 조정함으로써, 설계 프로세스에 몇 가지 흥미로운 과제가 추가되었습니다. 다행스럽게도 StarFish Medical 팀은 이러한 조정에 대한 사전 경험이 있었고 기존 설계 계획을 조정하여 빠르고 쉽게 전환할 수 있었습니다. StarFish Medical 사는 설계 능력에 걸맞은 모터로서, 맥슨의 전기 모터가 사용하기에 적격이라는 사실을 확인했습니다. StarFish Medical 사는 이미 만들어진 표준화된 옵션을 사용하는 대신 모터 선택을 최대한 활용하기 위해 맞춤형 소프트웨어 및 하드웨어를 개발했습니다.

설계를 신중하게 고려한 후, StarFish Medical 사는 Winnipeg Ventilator 프로젝트에 맥슨의 EC-i 52 모터를 사용하기로 결정했습니다.

인공호흡기 모터의 요구 사항 및 작동

모터는 인공호흡기에서 나온 “산소”를 환자에게 제공하기 위해 피스톤 위치를 제어하는 볼 스크루 액추에이터를 구동시킵니다. StarFish Medical 팀은 토크와 속도의 변화에 대한 기동성을 제공하는 200와트 모터를 선택하였습니다. 이 요구 사항에는 최대 속도 215mm/s, 최대 가속도 7.2m/s2, 최대 속도 0.05초까지의 가속/감속 램프, 1.5M에서 15M까지의 사이클 수가 포함되었습니다. 작동에 대한 유연한 요구 사항 중 하나는 인공호흡기가 환자의 고통을 감지하면 시스템이 들숨 행정에서 날숨 행정으로 매우 빠르게 변경되는 것이었습니다.

StarFish Medical 사는 ENX 홀 효과 센서가 장착된 7,500개의 EC-i52 모터를 초기에 주문했습니다(이미지 참조). 이 모터는 최적화된 자석 링으로 인해 매우 높은 토크 밀도와 낮은 코깅 토크를 제공합니다. 다극 내부 회전자는 매우 역동적입니다. 전반적으로 강철 플랜지와 강철 하우징을 사용하는 모터의 견고한 설계는 성능과 긴 듀티 사이클을 요구하는 광범위한 애플리케이션에 적합합니다.

가용성이 주요 요인이 되는 경우, 설계에 적합한 모터를 선택하는 것이 때때로 크게 바뀔 수 있습니다. 자신의 업계에서 경험과 전문 지식을 가지고 있고 배송 요구 사항에 민감한 파트너와의 협력이 자신의 요구 사항을 충족시키는 선택에 중요합니다. Winnipeg Ventilator 인공호흡기의 경우, 맥슨은 StarFish Medical 사의 긴급한 요구 사항을 충족하기 위한 제품 선택의 제안을 돕기 위해 의료 회사와 수년간 협력한 경험과 지식을 사용할 수 있었습니다.