Combater a COVID-19, uma bomba de cada vez

Em resposta à pandemia da COVID-19, o projeto Winnipeg Ventilator teve de fazer algumas escolhas críticas no design e seleção de componentes, particularmente para o motor utilizado no design da bomba mecânica.

Face ao aumento no número de casos de COVID-19 em todo o mundo, o governo canadiano rapidamente se preocupou com o número de ventiladores que tinham disponíveis no caso de números excessivos de situações hospitalares. Embora a Organização Mundial de Saúde (OMS) compreenda que quase oitenta por cento das pessoas que contraem o vírus melhoram por si próprias, uma vez que um paciente entra no hospital, as hipóteses de necessitar de um ventilador podem aumentar consideravelmente. Essencialmente, um ventilador requer que o paciente seja intubado (um tubo inserido para além das cordas vocais e nas vias respiratórias, sendo selado para assegurar um fluxo adequado), o que permite que o ar seja bombeado para dentro e para fora do peito e pulmões, tal como a respiração normal, até o paciente se recuperar. Com a necessidade mundial, os países estavam rapidamente a tentar preencher a lacuna entre o número de pacientes que precisavam de um ventilador e o número de ventiladores disponíveis.

O Winnipeg Ventilator 2.0 (concebido e fabricado pela StarFish Medical) é um ventilador mecânico para ser utilizado em situações de emergência, para complementar a disponibilidade de ventiladores atualmente aprovados e comercializados em caso de surto, em casos para além da capacidade normal. O ventilador tinha de ser muito flexível, de modo a satisfazer uma variedade de necessidades dos pacientes em momentos diferentes. Por exemplo, os pulmões podem ser muito rígidos ou nada rígidos e os requisitos de oxigénio nestas condições podem variar muito. Um ventilador tem também de ser suficientemente versátil para fornecer uma gama de modos e concentrações de oxigénio em função das respostas dos doentes aos tratamentos.

O Winnipeg Ventilator é um sistema em carrinho que é controlado digitalmente através da utilização do firmware incorporado e uma interface de utilizador que consiste em vários botões e interruptores. Os parâmetros medidos são apresentados ao utilizador nos ecrãs analógicos e digitais, permitindo-lhe adaptar precisamente as necessidades de cada paciente individual. O dispositivo monitoriza o volume corrente inspiratório, pressão das vias respiratórias, %O2 e frequência respiratória. Inclui também uma série de alarmes destinados a reconhecer quando os valores medidos estão fora dos parâmetros aceitáveis. A duração esperada de utilização por paciente é de até catorze dias de ventilação contínua.

Algumas características essenciais do Winnipeg Ventilator 2.0 incluem a compatibilidade com fontes de oxigénio, tanto de parede como de garrafa, a utilização de ar ambiente em vez de precisar de uma fonte de ar, bem como uma interface intuitiva e fácil de usar. Os utilizadores tinham de ter acesso imediato a todos os parâmetros e definições sem necessitar de efetuar ajustes complicados. Todas as unidades possuem um sistema integrado de alimentação de reserva de bateria e são fáceis de manobrar e transportar.

Era essencial que a StarFish Medical pudesse obter o volume de componentes — incluindo os motores — necessário para o elevado número de unidades de produção que tinham de produzir.

Seleção do motor

A StarFish Medical tinha utilizado os motores maxon para vários projetos anteriores e considerou-os altamente eficientes e, sobretudo, fiáveis. Os motores são fornecidos com uma grande quantidade de dados técnicos úteis para cada modelo, o que normalmente torna menos difícil reduzir as escolhas a algumas opções. No entanto, o projeto avançava tão rapidamente que a equipa da StarFish Medical foi forçada a fazer uma primeira escolha de motor antes de determinar os requisitos exatos para o projeto. O objetivo principal na altura era encontrar um motor que estivesse facilmente disponível e que oferecesse uma margem de desempenho suficiente para um sucesso garantido.

O apoio técnico da maxon, em colaboração com a equipa de design da StarFish Medical, propôs um motor sem escovas e sem engrenagem, que foi selecionado com base nos requisitos de aplicação e na disponibilidade em fornecer o motor de forma adequada e num curto espaço de tempo. A capacidade da fábrica StarFish Medical foi assegurada pela Coreia do Sul, de modo a satisfazer o calendário inicial da procura. 

A adaptação do design original para utilizar um motor DC sem escovas acrescentou alguns desafios interessantes ao processo de design. Felizmente, a equipa da StarFish Medical já tinha experiência anterior neste tipo de ajustes e foi capaz de adaptar os seus planos de design existentes para efetuar a troca de forma simples e rápida. Para complementar as suas capacidades de design, a StarFish Medical encontrou o motor elétrico maxon simples de utilizar. A StarFish Medical desenvolveu software e hardware personalizado para tirar o máximo partido da seleção do motor, em vez de utilizar uma opção normalizada, pronta a usar.

Após uma cuidadosa ponderação de design, a StarFish Medical optou por utilizar os motores EC-i 52 da maxon para o projeto Winnipeg Ventilator.

Requisitos do motor do ventilador e operação

O motor aciona um atuador com fuso de esferas, que controla a posição do êmbolo para fornecer as “respirações” do ventilador ao paciente. A equipa da StarFish Medical optou por um motor de 200 watts, o que lhes conferiu alguma margem de manobra para variações de binário e velocidade. Os requisitos incluíam uma velocidade máxima de 215 mm/s, aceleração máxima de 7,2 m/s2, rampa de aceleração/desaceleração a uma velocidade máxima de 0,05 s e um número de ciclos de 1,5 M a 15 M. Um dos requisitos flexíveis para a operação passava pela necessidade de o sistema ter de mudar muito rapidamente de um curso de inalação para um curso de exalação, caso o ventilador detetasse alguma dificuldade respiratória por parte do paciente.

A StarFish Medical efetuou uma encomenda inicial de 7500 motores EC-i52 com sensores de efeito ENX Hall (ver imagem). Devido ao seu anel íman otimizado, estes motores oferecem uma densidade de binário muito elevada e um binário de retenção baixo. O rotor interno multipolos é extremamente dinâmico. Globalmente, o sólido design do motor, que utiliza flanges em aço e uma caixa em aço, torna-o adequado para uma vasta gama de aplicações onde o desempenho e os longos ciclos de funcionamento são necessários.

A seleção do motor certo para o seu design pode, por vezes, mudar de rumo quando a disponibilidade se torna um fator primário. Trabalhar com um parceiro com experiência e competência na sua indústria e que seja sensível às suas necessidades de entrega é fundamental para fazer uma seleção que satisfaça os seus requisitos. No caso do Winnipeg Ventilator, a maxon conseguiu recorrer à sua experiência e conhecimento, resultantes dos longos anos de trabalho com empresas médicas, para ajudar com sugestões sobre a seleção de produtos que satisfizessem as necessidades urgentes da StarFish Medical.