Open Breath («Открытое дыхание») – проект, реализуемый группой итальянских инженеров из Турина, который нацелен на создание эффективного функционального аппарата ИВЛ с открытым исходным кодом. Специалисты разрабатывают профессиональное медицинское оборудование с расширенным функционалом, обеспечивающее вентиляцию легких у пациента, находящегося в стационаре, в течение месяца, что часто необходимо при лечении COVID-19. Польская компания Zortrax недавно поддержала «Открытое дыхание», поставив 3D-принтер M300 Dual LPD Plus и комплект расходных филаментов к нему.

Изготовление редких компонентов

Коронавирус по-прежнему не сдает позиций, и ежедневное количество заболевших наглядно подтверждает серьезность ситуации. Пандемия уже унесла более 24 тысяч жизней в Италии, а число новых случаев выявления болезни колеблется в области 3000 каждый день.
3D-печать аппарата ИВЛ с помощью 3D-принтеров Zortrax позволяет разработчикам медицинской аппаратуры существенно экономить ресурсы. У проекта возникали проблемы, которые могли спровоцировать значительные задержки. Изначально предполагалось, что вентилятор будет изготовлен из листового металла. Более геометрически сложные детали планировалось фрезеровать из стали на станках с ЧПУ. Но распространение COVID-19 прогрессировало так быстро, что итальянское правительство ввело несколько ограничений, и компании, с которыми сотрудничали Туринские инженеры, внезапно закрылись, а проект остался без необходимых запчастей и ресурсов.

Фрезерование элементов вентилятора на оборудовании с ЧПУ стало задерживать реализацию проекта, поскольку компоненты требовалось дополнительно заказывать и переправлять в сборочный цех, на что иногда уходило несколько дней. Один из инженеров, участвующих в разработке и обладающий весомым опытом в аддитивном производстве, предложил использовать 3D-принтеры. Инженеры наладили трехмерную распечатку всех деталей, которые раньше предполагалось изготавливать с помощью фрезерной обработки с ЧПУ. Это сэкономило много времени, которое было использовано для усовершенствования самой машины.

Конструкция аппарата

ИВЛ, который изготавливают инженеры «Открытого дыхания», представляет собой передовое и довольно сложное устройство.

Фото: Zortrax

Активно применяемый стандартный ручной мешок для искусственной вентиляции лёгких  — это относительно простое компактное приспособление с ручным управлением, обычно используемое в качестве оборудования для проведения поддерживающих процедур в машинах скорой помощи. При наличии небольших технических доработок данное устройство можно автоматизировать, подключив к двигателю. Но врачи утверждают, что такое решение эффективно только в течение первых двух часов.

Поэтому аппарат ИВЛ Open Breath будет снабжен более продвинутыми опциями, например, средствами управления, позволяющими врачам устанавливать скорость откачки и точное давление воздуха, попадающего в легкие пациента. Команда внедрила в оборудование режим SIMV (синхронизированная прерывистая принудительная вентиляция). Эта функция, также известная как запуск дыхания, уже есть в некоторых имеющихся в продаже аппаратах ИВЛ и используется, когда терапия близка к завершению, а пациент скоро будет отключен от аппаратуры. С точки зрения результативности процедуры лечения режим запуска очень важен, поскольку главная цель – дать больному возможность жить и функционировать без искусственного жизнеобеспечения. Параметры вентиляции можно контролировать и управлять ими удаленно, чтобы сократить время, затрачиваемое на посещение пациентов. Чтобы требуемые опции стали реальностью, команде «Открытого дыхания» пришлось спроектировать все с нуля – от оборудования до систем управления и алгоритмов работы устройства.

Аппарат ИВЛ должен получиться относительно дешевым, простым в изготовлении и сборке, несложным в эксплуатации. Ученые получили большую поддержку со стороны промышленности и университетов. Даже инженеры, работающие в Европейском центре ядерных исследований в Женеве, Швейцария, консультировали специалистов проекта Open Breath, внося свой вклад в разработку.

3D-печать деталей аппарата ИВЛ с двойной экструзией

Принтер Zortrax M300 Dual LPD Plus, отправленный польским производителем для поддержки Open Breath, представляет собой широкоформатную машину, способную печатать одновременно двумя материалами: один предназначен для изготовления самой модели, а другой – для построения водорастворимых поддерживающих структур без необходимости механического удаления опор. M300 Dual может печатать как геометрически сложные, так и относительно большие детали. Обе эти функции оказались решающими при печати аппарата ИВЛ.

Фото: Zortrax

Проект «Открытое дыхание» разветвился на два пути. Первый – тот, который планировался изначально и предполагал, что вентилятор будет сделан из металлических частей. Для проверки конструкции используются 3D-принтеры в качестве инструмента быстрого прототипирования. Но когда изготовление металлической детали ИВЛ начало становиться труднодоступным, поскольку все больше итальянских предприятий закрывались, инженеры пришли к выводу, что можно использовать элементы, распечатанные на 3D-принтере, таким способом решив проблемы недостающих деталей. Этот переход потребовал определенных изменений конструкции, и поэтому сформировался второй параллельный проект, которые находятся в стадии разработки.

В версии для 3D-печати перечень компонентов, изготовленных на 3D-принтерах Zortrax, включает корпуса для двигателей и кодировщиков. Оба элемента должны обеспечивать хорошую изоляцию и защищать оборудование от вибраций. Именно здесь двойная экструзия и большое пространство для сборки становятся действительно важными. Команда печатает детали, которые превышают габариты камеры Zortrax M200. Использование меньшего по размеру принтера вынудило бы специалистов внести существенные изменения в дизайн. Запчасти проектируются с учетом использования болтов или других крепежных элементов, которые нужны исключительно для сборки двух и более частей вместе. Но размер – это одно, а форма – совсем другое.

Фото: Zortrax

Open Breath создает изделия со сложной внутренней архитектурой. Это означает, что в проектных моделях есть труднодоступные места, оттуда невозможно без проблем удалить поддерживающие структуры. Водорастворимые поддержки решают эту задачу, поскольку промывка объектов позволяет легко удалять опоры, частично застрявшие в детали. Модели, напечатанные на M300 Dual, получаются более точными и механически прочными, чем если бы они были изготовлены на меньшей машине, функционирующей с одним экструдером.

Гонки на время

Ситуация в Италии действительно похожа на войну – врачи и медсестры по всей стране сражаются на передовой и несут большие потери. Команде проекта «Открытое дыхание» некогда терять время, поэтому разработчики спешат сделать оборудование доступным как можно скорее. На данный момент у команды Open Breath собраны оба прототипа: металлический и с деталями, напечатанными на 3D-принтере. В настоящее время проводятся испытания, чтобы убедиться, что все режимы аппарата ИВЛ работают должным образом. Если все испытания пройдут успешно, то дизайн конструкции будет бесплатно опубликован для всех.

Фото: Zortrax