由于COVID-19大流行最初导致呼吸机短缺，我们的团队重新考虑了大约15年前首次提出并发表的解决方案:使用一台呼吸机同时治疗多名患者。虽然大多数疫情最严重的地区现在都有足够的呼吸机容量，但在服务不足的地区仍然存在共享呼吸机的潜在需求。
共用呼吸机的主要挑战是，通气参数必须针对不同肺生理的患者进行调整。当一个简单的t型分离器从一个呼吸机向两个病人提供空气时，潮汐卷(在一次呼吸或呼吸机循环中进入病人肺部的空气量)对于低呼吸的病人来说显著减少呼吸遵守(肺扩张的能力)。
我们的跨学科团队1已经开发了一种机械呼吸机模型，可以支持两名肺顺应性不匹配的患者。金宝app这个模型，在Simulink中开发金宝app®使用Simscape™块，将呼吸流映射到一个电路，其中体积等于充电，流量等于电流，压力等于电压，空气流动阻力等于电阻，以及顺应电容(图1)。
图1所示。金宝app包含Simscape模块的共享通风机设计的Simulink模型。
利用该模型，我们证明了改进的分裂器设计的可行性。我们证明，理论上可以通过在每个吸入通道中引入可变阻力和在每个呼气通道中引入单向阀来控制一个病人独立于另一个病人的潮气量。
虽然带有可变电阻和阀门的改进分流器设计显示出了前景，但还有其他临床问题有待解决，如潜在的交叉污染。为了帮助研究人员在这些问题上开发改进的设计，我们在金宝app文件交换．
在Matlab和Simulink中开发呼吸机模型金宝app
我们通过开发MATLAB开始了这个项目®基于手推微分方程的简单通风机t型分流器设计模型。虽然这个数学模型取得了令人满意的结果，但修改起来很麻烦。向模型中添加元素涉及推导额外的方程，然后在MATLAB代码中实现它们。
要使模型更容易理解和修改，我们使用Simscapt块在Simulink中重新实现它。金宝appIn the Simulink model, frictional and entry losses due to tubing are represented as electrical resistors, the lung air volumes as capacitors, the ventilator’s pressure source as a voltage source, a one-way valve as a diode, and an open/closed valve as a switch. Each patient is represented as a module with a resistor to model upper airway resistance and a capacitor to model the compliance of the lungs and chest wall. Resistance and capacitance parameter values are adjusted for different patient physiologies. To validate the model, we ran simulations and compared the results with those produced by our MATLAB model.
有了Simulink中的基本通风机模型，我们小组的成员更容易用设计想法金宝app进行实验。可以简单地通过从Simscape库中拖拽组件来添加新元素。
由于疫情相关的停机，我们进行了远程工作和协作，因此我们很快就想出了一种新的设计:一个改进的分配器，包括两个可变电阻和两个二极管，用于独立控制输送到每个患者模块的电流(图2)。
图2。顶部:带有标准分流器的通风机模型。下:带有分路器的呼吸机模型，包括二极管和额外的电阻(红色部分)，用于独立控制流向每个病人。
使用和共享物理模型而不是代码的能力增加了开发的速度，因为在物理世界中的对象和模型元素之间存在一对一的映射。在Simulink中工作的另一个优点是能够插入示波器来查看随时间金宝app变化的信号(图3)。例如，要查看肺和气管内管之间的压差，我们可以在患者模块的电阻和电容之间的节点插入一个示波器，并在整个模拟过程中看到压力的变化。这些能力使我们能够从概念发展到可行的解决方案，并在几周内完成论文。
图3。Scope模拟输出，显示电压，电流和电荷随时间的变化。
控制系统开发
一旦我们看到我们可以通过改进的分流器设计来独立地调整每个病人的气流，我们就开始开发控制策略，为不同肺顺应性的病人提供理想的气流。我们专注于那些能够以相对较少的额外成本实施的策略。例如，我们避免了需要昂贵的新传感器的方法，而倾向于低成本的改变，如增加部分管道以增加阻力或简单地调整通风机的压力分布。
在这个阶段的项目中,我们开发了一个MATLAB算法估算流动被交付给每个病人在inhale-exhale周期(图4)。该算法采用一系列适合相当于resistance-compliance流测量值和确定为每个病人潮汐卷。
图4。共用一台呼吸机的两名患者的流量与时间图。
我们表明，通过仅调整呼吸机压力并加入或移除管子，可以向其对特定生理量身定制的潮数提供患者。
正在进行的研究
目前，我们正在使用3d打印的单向阀开发一个现实世界的实现方案。这个设置将使我们能够在实验室验证我们的模拟结果，并将作为进一步研究的原理证明。此外，我们正在探索模型中需要改进的几个领域。例如，当前的模型假设在吸气和呼气时阻力水平相同。我们正在更新模型以捕捉不同程度的阻力。
在我们模拟的设计可以用于治疗病人之前，还有其他的临床问题需要解决。我们承认，其中一些问题将非常具有挑战性，需要进一步详细研究，以开发创新的解决方案。金宝搏官方网站尽管如此，我们希望一种易于理解和修改的共享呼吸机模型的可用性将有助于加速这一领域的研究。
确认
我们感谢我们的同事对这个项目的贡献:Edward Costar, Denis Doorly, Caroline H. Kennedy, Frances Tait，和Steven Niederer。
1我们的跨学科项目团队包括从伦敦帝国学院，伦敦帝国学院的计算流体动力学，3D印刷，重症监护，麻醉学和医疗物理学领域的专家。
