2020年3月13日，剑桥顾问这家英国技术咨询公司接到了英国政府打来的电话。2019冠状病毒病(COVID-19)正在全国蔓延，虽然英国国民医疗服务体系(nhs)现有8000台呼吸机，但预计在最糟糕的情况下，他们需要3万台。即使老牌的通风机制造商全力生产，他们也无法满足需求。此外，旅行限制导致全球供应链出现零部件短缺。
在短短47天内，剑桥咨询公司设计了一种简单的新型呼吸机，为临床医生提供了几种设置，8个警报，以及一种自定义的空气和氧气混合物。
因此，政府发布了呼吸机挑战，要求几家英国公司从头开始设计新的设备，可以用本地部件快速制造。这些公司有几周的时间来做这件事。
“第一天，我们就接到内阁办公室打来的电话，说‘请做这个’，”剑桥咨询公司(Cambridge Consultants)高级机电一体化工程师肖恩•汤普森(Sean Thompson)表示。“这是星期五。医疗技术部门的一组高级顾问和技术领导整个周末都在工作。
“我周一去了，有一大堆未接电话。我登录了我的电子邮件，我被邀请参加为期两天的研讨会。我想，‘哦，不，发生了什么事?’于是，我们这个由30到40人组成的团队坐了两天，讨论了一大堆不同的概念。”
他们着陆的是一个相对简单的设计，只有两个传感器——气道压力和吸气流速——但有很多功能。临床医生将能够设置吸气压力、氧气水平、呼吸频率以及吸气和呼气时间的比例。此外，它将有8个警报，如病人断开连接，气道阻塞，潮气量超出界限，和超压。它还将有一个定制的搅拌机，用于混合纯氧和普通空气。
剑桥咨询公司利用仿真加速了通风器的设计，包括半环硬件仿真。图片来源:剑桥咨询公司
从虚拟到现实
如果他们必须从物理部件开始设计和测试所有东西，那么项目时间安排就不可能实现。建造和重建这台机器太慢了。相反，他们首先将其构建在软件中，运行可以不断调整的模拟。
这些工作大部分是用MATLAB完成的®和仿真软金宝app件®．该团队使用图形编程，将表示数学函数的块连接起来。Simscape™中的物理组件库，如弹簧和阀门，使团队能够创建肺和呼吸机的模型。每次设计中的一个块被调整时，模拟让他们测试系统级的操作。
即使是最简单的呼吸机也很难设计。MathWorks的高级产品经理Kirthi Devleker说:“它必须以肺部能够吸收空气的方式向肺部提供良好的空气。”“你不能只是打开一个风扇，然后想，‘好吧，这将是我的呼吸机。’”
在Simscape中的气动系统模型。图片来源:剑桥咨询公司
“我们没有足够的时间去识别一个组件，订购它，在实验室测试它，然后做出决定。我们可以用模拟的速度。这真的很酷。”
剑桥咨询公司的高级机电一体化工程师肖恩·汤普森说
MathWorks提供了基本的呼吸机和肺模型，但汤普森进一步扩展了它们。肺模型基本上是一个带有弹簧和阻尼器的气体驱动活塞，“这实际上很好地模拟了人类的肺，”他说。
建立呼吸机模型，并编写控制它的算法，涉及成对编程，汤普森坐在电脑前，与团队中的其他人进行视频通话。他的合作者(每个人负责系统的一个方面)将给出高级指令，而他将在模型中实现这些指令。编码的可视化本质和可视化结果的工具都允许非程序员理解发生了什么。他说:“我们可以让它在那里运行，看着它一步步地通过程序，一大堆图表在运行——就是那个事件，那个事件，那个事件。”
“Simulink中图形编程的易访问性使我们能够很容易地利用许多同事的专业知识，”Thompson说。金宝app“这意味着我们可以对这个系统获得所有这些真正有用的见解。由于进度的加快，没有足够的时间来确定一个组件，订购它，在实验室测试它，然后做出决定。我们可以用模拟的速度。这真的很酷。”
一旦设计开始成形，大约在项目进行到三分之一的时候，团队建造了一个物理原型，并把它连接到5000年美国手语呼吸模拟器，作为一个物理肺模型。不过，通风器仍然由计算机上的算法控制(多亏了Simulink Desktop Real-Time™)，其设置类似于在环硬件钻机。金宝app
尽管仿真功能强大，但在硬件上进行测试还是很重要的。硬件测试也帮助团队校准软件模型。在软件方面，该团队可以更快地迭代设计，并测试呼吸机的极限，而不必担心对硬件造成损害。
计划的改变
在项目进行到一半时，剑桥咨询公司收到了一个曲线球。呼吸机的要求改变了。最初的想法是把肺当作呼吸中的被动伙伴，用来充气和放气的惰性袋。但计时器上的机械通气可能会在几天后造成肺损伤。如果病人从镇静状态中恢复过来，而计时器与自然呼吸不一致，这种不适可能会非常严重。作为回应，药品和医疗保健产品监管机构(MHRA)要求使用一种自发呼吸模式，在这种模式下载188bet金宝搏下，呼吸机将根据患者的肺部来获取提示。
汤普森让他的肺模型积极呼吸，然后花了一个下午的时间，看看他能否让呼吸机算法来检测呼吸，尽管机器缺乏理想的传感器来完成这项任务。他说:“在被要求这么做的两天内，我们就把它应用在了测试肺上。”“这是我做过的最神奇的事情之一。通过我们所有人在这个大的集成环境中工作，试图解决所有这些不同的技术问题，我们构建了这个基础设施，让我们以难以置信的速度开发这个复杂的功能。”
剑桥咨询公司(Cambridge Consultants)的高级软件工程师马克斯·库兹(Max Curzi)采用了控制面板的设计，并在Simulink中实现了它，使其看起来就像在设备上一样，使用Simulink Dashboar金宝appd块创建了一个交互界面。当MHRA想要检查他们对新要求的反应时，这证明是至关重要的。
一个金宝app基于设备实际UI的仪表板面板的Simulink模型。图片来源:剑桥咨询公司
当要求改变为包括自动呼吸模式(在这种模式下，呼吸机将从患者的肺部获得提示)时，研究小组调整了他们的模型，仅在两天内就有了一个工作正常的测试肺。
“不到一周，”Curzi说，“我们就通过视频电话向MHRA专家小组展示了整个工作系统。Simu金宝applink模型拥有真实系统的所有旋钮、仪表和按钮，可以实时控制通风机。在电话中，他们要求在各种情况下与呼吸机互动，说‘好吧，如果你这样做会怎么样?如果你这样做了呢?他们试图通过强调来打破它。但它没有。效果很好，他们对结果很满意。”
保持简单
这个团队面临许多挑战。首先是时间上的压力。这种规模的项目不仅需要各种工程专业知识，还需要人的因素、采购、项目管理和临床方面的专家。所有这些团队(高峰时大约有200人)在7周的时间里并行工作，许多人加班，一些人在办公室睡觉。作业的某些方面在早期并没有很好地定义。基本组件,如压力调节器和天然气混合器,在后期重新设计或取代,但是通过不同的力学特性,他们明显改变了系统动力学:这需要团队重新设计,实现和测试一些警报算法在项目的后期阶段。
设计团队在一台电脑上运行Simulink模型(右侧金宝app屏幕)，电脑连接着通风器的传感器和电磁阀(中间)。使用人工肺ASL-5000(左)模拟真实的患者行为。图片来源:剑桥咨询公司
最终的设计奏效了，成本只是商用呼吸机的一小部分，而且很简单。
但最终的设计奏效了，成本只是商用呼吸机的一小部分，而且设计简单。“你可以用两只手数出组件的数量，”Curzi说。谈到自己的贡献，他说:“我真的很自豪能做出简单而强大的东西。”“作为一名工程师，开发复杂的系统是很诱人的，但复杂性使得在所有情况下证明安全性和健壮性变得更加困难。使用几个基本模块，就可以开发出健壮的警报和辅助呼吸算法，并需要几行代码来实现和测试。简单的系统会以可预测的方式发生故障，所以一旦考虑到故障模式，就更容易证明通风机是安全的。”
准备好迎接需求的再次出现
就在呼吸机交付的前一天，剑桥咨询公司得知不再需要呼吸机了。幸好英国的需求没有最坏情况模型预测的那么大。这种情况在医疗设备上经常发生，Curzi说。“我们开发了这种呼吸机，希望它不会被使用。”
工程师们学到了很多，并发现这一经验非常有益。“这些东西通常需要几年的时间来开发，”Curzi说。“能在40天内看到完整的发展，从一张空白画布到将进入临床试验的实物，真是太棒了。”
“能在40天内看到完整的发展，从一张空白画布到将进入临床试验的实物，真是太棒了。”
剑桥咨询公司的高级软件工程师Max Curzi说
“从我个人的角度来看，”汤普森说，“这个项目是一次令人难以置信的经历，我不太可能在我的职业生涯中重复这种经历。这是一个令人惊叹的观点，如果你足够努力，就有可能实现它。我很感激能成为如此独特的一部分。”
虽然英国暂停了“呼吸机挑战赛”，但如果需要，设计已经准备好了。
