临危受命，为应对新冠打造呼吸机
投身英国呼吸机挑战赛，47 天打造新型设备
2020 年 3 月 13 日，英国一家技术咨询公司剑桥咨询公司接到英国政府的来电。当时，新冠疫情席卷整个英国。国民医疗服务体系现有呼吸机 8,000 台，但在最坏情况下预计需要 30,000 台。即使资深的呼吸机制造商全力以赴地制造，仍无法满足需求。雪上加霜的是，旅行限制影响了全球供应链，导致零部件出现短缺。
在短短 47 天内，剑桥咨询公司就设计出了一款简单的新型呼吸机。这款呼吸机提供了多种临床医生专用设置、八个警报以及自定义的空气和氧气混合气体。
鉴于此，英国政府发起了呼吸机挑战赛，要求几家英国公司从头开始设计可以利用当地零部件快速制造的新设备。这些公司仅有几周的时间来完成这项任务。
剑桥咨询公司的高级机电工程师 Sean Thompson 简单介绍了一下情况：“第一天，我们接到内阁办公室的电话，请我们完成这项任务。那天正好是星期五。医疗技术部的一批高级顾问和技术主管整个周末都在加班工作。
周一刚上班，我就收到一大堆未接电话。我登录到邮箱查看电子邮件时发现，我已经被邀请参加连续两天的研讨会。我真得很好奇工作进展到底怎样了。我们三四十人坐在一起针对一大堆不同概念展开了为期两天的激烈讨论。”
他们最终采用的是相对简单的设计。这种设计虽然只带两个传感器（即气道压力传感器和吸气流速传感器），但能提供很多功能。该设计使临床医生能够设置吸气压力、氧气水平、呼吸速率以及呼吸气时间比。此外，它提供八个警报，如患者断开连接、气道阻塞、潮气量超出界限和过压的警报。它还提供自定义混合器，用来混合纯氧和普通空气。
剑桥咨询公司使用仿真（包括硬件在环仿真）加速了呼吸机的设计。图片所有权：剑桥咨询公司
从虚拟到现实
如果他们得从物理部件入手开始所有设计和测试工作，项目是不可能如期完成的。构建和重新构建呼吸机的进度太缓慢了。他们改为先在软件中构建呼吸机，运行仿真以便不断进行调整。
大部分工作都是用 MATLAB® 和 Simulink® 完成的。该团队通过连接表示数学函数的模块来使用图形编程。Simscape™ 提供了物理组件库，如弹簧和阀门，使团队能够创建肺模型和呼吸机模型。在每次调整设计中的一个模块时，他们都可以通过仿真测试系统级运行状况。
即使是最简单的呼吸机，设计起来也不容易。MathWorks 的高级产品经理 Kirthi Devleker 说：“呼吸机必须向肺部供气良好，才能使肺部真正吸入空气。不能说只要能启动风扇，就认为它是一台呼吸机。”
Simscape 中的气动系统模型。图片所有权：剑桥咨询公司
“我们没有足够的时间来了解并订购组件，再在实验室中进行测试，然后作出决定。我们可以通过仿真加速进度。这真得太棒了。”
MathWorks 提供了基本的呼吸机和肺模型，但 Thompson 对它们进行了扩展。肺模型基本上是一个带弹簧和阻尼器的气体驱动活塞，“实际上也是对人肺构建的有效模型，”他说。
要建立呼吸机模型和编写其控制算法，需要结对编程。Thompson 坐在计算机前与团队中的其他人进行视频通话。Thompson 的协作者每人负责系统的一个方面，他们给出高级指令，由 Thompson 在模型中实现这些指令。凭借编码的可视性以及支持可视化结果的工具，非编程人员也能了解工作情况。“我们只需让它运行起来，看着它在程序中步进，然后对出现的图表指指点点，说：你看，这个就是事件甲，那个是事件乙，等等。
Simulink 中图形编程的易用性让我们可以轻松发挥许多同事的专长。”Thompson 说。“这意味着，我们可以获得所有这些非常有用的信息来帮助了解系统。由于日程紧迫，我们没有足够的时间来了解并订购组件，再在实验室中进行测试，然后作出决定。我们可以通过仿真加速进度。这真得太棒了。”
在项目进行到大约三分之一时，也就是设计初具雏形后，团队就构建了物理原型，并将其连接到用作物理肺模型的 ASL 5000 呼吸模拟器。不过，呼吸机仍由计算机上的算法控制（借助 Simulink Desktop Real-Time™），其设置类似于硬件在环试验设备。
尽管仿真功能强大，但在硬件中测试也很重要。硬件测试还有助于团队校准软件模型。在软件中，团队可以更快地迭代设计，测试呼吸机的限制，而不用担心损坏硬件。
计划发生变更
当项目进行到一半时，剑桥咨询公司迎来了新的挑战。呼吸机要求发生变化。最初的想法是将肺视为呼吸中的被动方，相当于可以充气和放气的惰性袋。但由计时器控制的机械呼吸可能会导致肺部在使用呼吸机的几天后受损。如果患者从镇静状态中醒来，而计时器与自然呼吸步调不一致，则患者的不适感可能会非常严重。为此，药品和医疗保健产品管理局 (MHRA) 要求采用自主呼吸模式。在这种模式下，呼吸机将从患者的肺部获取信号。
Thompson 让他的肺模型实现主动呼吸后，花了一下午的时间看看能否让呼吸机算法检测到呼吸，尽管呼吸机缺乏完成这项任务的理想传感器。他说，“我们在接到新要求后的两天内就用测试肺进行了试验。这是我做过的最了不起的工作之一。我们所有人都在这个大型集成环境中工作，尝试解决所有这些不同技术问题。因此，我们建立了这一基础架构，让我们以令人难以置信的速度开发出这种复杂的功能。”
剑桥咨询公司的高级软件工程师 Max Curzi 通过使用 Simulink 仪表模块创建的交互界面在 Simulink 中实现了控制面板设计，使其看起来就像真实设备一样。当 MHRA 要检查该团队的工作是否满足新要求时，事实证明，这样做是至关重要的。
基于设备实际用户界面的仪表板面板的 Simulink 模型。图片所有权：剑桥咨询公司
MHRA 要求改为采用自主呼吸模式。在此模式下，呼吸机需要从患者的肺部获取信号。该团队对其模型进行了调整，在短短两天后就推出了有效的测试肺。
Curzi 说，“在一周之内，我们就能通过视频电话向 MHRA 专家小组展示完整的工作系统。Simulink 模型拥有真实系统的所有旋钮、仪表和按钮，可以实时控制呼吸机。在通话过程中，专家小组要求在各种场景下与呼吸机交互，还要求提供各种情况下的应对之策。他们尝试给呼吸机进行压力测试，看它能否经受得住考验。事实上它经受住了考验。呼吸机运转良好，他们对结果很满意。”
简单易行
该团队面临许多挑战。首先是时间紧迫。这种规模的项目不仅需要各种工程专业知识，而且还需要人因学、采购、项目管理和临床方面的专家。所有这些团队（最多时约有 200 人）在七周内并行工作，许多人加班加点地工作，还有些人甚至睡在办公室。任务的某些方面在早期并未明确定义。基本组件（如压力调节器和气体混合器）在后期进行了重新设计或更换，但由于具有不同机械特性，它们会显著改变系统动力学特性：这就需要团队在项目的后期重新设计、实现和测试一些警报算法。
设计团队在连接到呼吸机（中间）的传感器和电磁阀的电脑上运行 Simulink 模型（屏幕右侧）。使用人工肺 ASL-5000（左侧）对实际患者行为进行模拟。图片所有权：剑桥咨询公司
最终设计简单可行，成本远低于商用呼吸机。
但最终设计简单可行，成本远低于商用呼吸机。“组件数量屈指可数，”Curzi 说。关于他自己的贡献，他说，“能创造出简单而又可靠的产品，我深感自豪。工程师往往倾向于开发复杂的系统。但事实证明，这种复杂性使得证明呼吸机在任何情况下都具有安全性和稳健性变得难上加难。我们只使用几个基本模块就开发出警报和辅助呼吸算法。这些算法运行稳健，只需几行代码即可实现和测试。简单的系统即使发生故障也可进行预测。因此，考虑到故障模式，就更容易证明呼吸机可以安全地使用。”
设计随时可用，以备不时之需
在呼吸机交付之日的前一天，剑桥咨询公司得知不再需要该产品。值得庆幸的是，英国对呼吸机的需求没有最坏情况模型预测的那么大。Curzi 说道，这种情况在医疗设备领域并不鲜见。“我们开发了呼吸机，但希望它根本就用不上。”
工程师们学到了很多东西，并且发现这段经历让他们受益匪浅。Curzi 说，“通常，这些机器需要几年的时间才能开发出来。能够在 40 天内完成整个开发，从一片空白到即将进入临床试验的实物，真是太棒了！”
能够在 40 天内完成整个开发，从一片空白到即将进入临床试验的实物，真是太棒了！”
Thompson 说，“从个人角度来看，这个项目带给我一段难以置信的经历。在我的职业生涯中，这种经历千载难逢。令人惊喜的是，只要足够努力，就可能梦想成真。能参与到这个独特的项目中，我充满感激。”
虽然英国已暂停呼吸机挑战赛，但设计随时可用，以备不时之需。
