《Frontiers in Public Health》：Simple and easy to build mechanical ventilator for pandemic health crises in resource-limited areas
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背景：COVID-19大流行暴露了机械通气机的严重短缺，尤其是在资源匮乏的环境中。全球供应链中断以及对专业化组件的依赖，凸显了对可规模化、本地化制造的紧急呼吸支持替代方案的需求。目的：描述并评估一种简化型机械通气机，该设备对供应链依赖性极低，由广泛可得的汽车部
背景：COVID-19大流行暴露了机械通气机的严重短缺，尤其是在资源匮乏的环境中。全球供应链中断以及对专业化组件的依赖，凸显了对可规模化、本地化制造的紧急呼吸支持替代方案的需求。目的：描述并评估一种简化型机械通气机，该设备对供应链依赖性极低，由广泛可得的汽车部件和简单硬件组件组装而成，旨在作为最后的急救解决方案。方法：该通气机基于往复式气泵，由汽车挡风玻璃雨刮电机驱动，耦合至平行轴波纹管和易于组装的被动膜阀，仅需标准五金店可购得的材料、最低限度的工具和基本手工技能即可完成。通气机性能通过使用模拟重症成人（R=20 cmH?O·s/L, C=15 mL/cmH?O）和儿科（R=50 cmH?O·s/L, C=10 mL/cmH?O）患者的肺部模型进行台架测试评估。概念验证在四头体重50 kg的健康猪上进行机械通气实现。结果：根据台架测试，该设备可输送高达600 mL的潮气量和高达45次/分钟的呼吸频率，并可施加最高10 cmH?O的呼气末正压（PEEP），覆盖了大多数儿科和成人的通气范围。体内概念验证显示，该通气机能够将动脉血气维持在目标范围内。通气机制造的详细技术细节已在开源视频教程中提供。讨论：尽管存在局限性，这款低成本通气机作为原型展现了充分的性能。虽然不能替代商用的重症监护通气机，但其简便性、自主性以及对脆弱供应链的低依赖性，为资源受限的紧急情况提供了挽救生命的可行选项。
研究背景与意义
COVID-19大流行揭示了全球范围内机械通气机的严重短缺，尤其在资源匮乏地区更为突出。全球供应链的中断和对专业化医疗组件的依赖，使得常规通气机在突发公共卫生事件中的可及性受到极大限制。现有的简化通气机设计往往仍依赖于压缩空气源、电子传感器或医疗级组件，这些在供应链断裂时同样难以获取。因此，开发一种对全球供应链依赖性极低、可由当地常见材料和基本技能快速组装的应急通气机，成为应对未来呼吸道大流行的迫切需求。本研究旨在设计并评估一款基于经典机械原理、仅使用汽车行业通用部件（如挡风玻璃雨刮电机和传动轴波纹管）及简单五金材料的简化型容积控制通气机，作为无其他替代方案时的最终急救手段。
研究方法与技术路线
研究人员采用了一种基于往复式气泵的机械设计方案。核心技术包括：1）使用标准汽车挡风玻璃雨刮电机作为动力源，其本身集成了旋转电机、减速齿轮和连杆机构，可直接产生往复直线运动，并通过简单的直流电机调速器调节呼吸频率（12-45次/分钟）。2）采用汽车传动轴波纹管作为气体置换元件，两个波纹管并联安装以增大潮气量（VT），并通过带有曲柄的可变长度调节机构在不中断通气的情况下手动改变冲程幅度，从而调节VT（最高达600 mL）。3）设计了三种被动式膜阀（V1、V2、V3），均由泵腔内的压力变化自动驱动，无需主动控制元件。其中V1和V2为利用塑料文件夹片制成的瓣阀，V3为利用乳胶或丁腈手套薄膜制成的柔性膜阀，三者均使用PVC管件组装。4）采用浸入水柱的传统方法设定呼气末正压（PEEP），并使用水柱U形管压力计连续监测气道压力，该压力计同时具备安全泄压阀功能。性能评估分为两部分：首先使用可调阻力（R）和顺应性（C）的物理肺模型（SmartLung）进行台架测试，模拟重症成人（R=20 cmH?O·s/L, C=15 mL/cmH?O）和儿科（R=50 cmH?O·s/L, C=10 mL/cmH?O）患者；随后在四头健康成年猪（48-52 kg）身上进行了体内概念验证。
研究结果
3.1 台架性能
台架测试表明，该通气机在高阻力、低顺应性的病理模型中表现良好。在成人阻塞性-限制性肺模型上，可输送高达600 mL的VT，足以对85 kg患者实施保护性通气（6 mL/kg）。在儿科高阻力、低顺应性模型上，能以45次/分钟的频率输送90 mL VT。吸气流量呈正弦波样模式，接近生理性吸气波形。施加10 cmH?O PEEP后，压力和流量信号在呼气相出现轻微振荡。电力消耗方面，成人模型在无PEEP和10 cmH?O PEEP下分别为7.3 W和12.0 W；儿科模型则分别为18.5 W和20.1 W。通过调整频率和幅度，该通气机能在二氧化碳产量高达350 mL/min的条件下维持正常呼气末二氧化碳分压（EtCO?）为35 mmHg，覆盖了成人和儿童的代谢需求。U形管压力计在成人通气频率（≤25次/分钟）下监测效果满意，但在更高的儿科频率下性能下降。更重要的是，当人为堵塞呼气出口时，U形管压力计有效发挥了安全阀作用，将气道压力限制在约44 cmH?O，防止了肺部过度膨胀。
3.2 体内性能：猪模型通气
在四头健康猪上的概念验证显示，该通气机能轻松有效地维持通气。在平均VT为391±7 mL、呼吸频率19.3±2.1次/分钟、PEEP为5.5±0.5 cmH?O的设置下，动物的生理参数均在正常范围：动脉血二氧化碳分压（PaCO?）为38.3±2.1 mmHg，动脉血氧分压（PaO?）为188.3±25.0 mmHg（吸入氧浓度FiO?=0.4），心率为70.7±6.8 bpm，动脉血压（最大/最小）为137.7±6.8/81.3±3.1 mmHg。通气机提供的呼吸周期高度重复，VT的变异系数小于1%。通过调整呼吸频率，可以精确调控PaCO?水平。
讨论与结论
讨论部分指出，本研究的目的是开发一种性能可靠的生命支持设备，而非尖端通气机。该设备的优势在于完全避免了压缩空气源、高压鼓风机、电子传感器、商业化阀门和复杂控制系统，其核心部件——雨刮电机和波纹管——因其在汽车工业中的广泛应用而具有极高的可获得性和耐用性。例如，一块标准12 V汽车电池（80 A·h）可为成人患者持续供电约5.5天（无PEEP）或3.4天（有PEEP）。然而，研究人员也明确承认了设计的局限性：非医疗级材料的使用、压力和容积仅为间接测量、缺乏闭环控制和报警系统、长期耐用性未经测试等。这些局限是出于“最后手段”的设计初衷而被有意接受的。研究人员强调，尽管制造过程看似简单，但该设备的构建和使用必须在具备相应工程学和医学知识的专业人员监督下进行。结论部分翻译如下：
在资源匮乏环境下的呼吸道大流行卫生紧急情况下，所提出的这种对供应链依赖性极低的通气机，或遵循相同设计策略的轻微变体，可以为那些原本无法获得这种救命疗法的患者提供一种最终的急救工具。
