2020年3月13日，剑桥顾问是英格兰的技术咨询，收到英国政府的呼吁。Covid-19正在席卷全国，而国家卫生服务手头有8,000名呼吸机，他们期望在最坏情况下需要30,000个。即使建立的呼吸机制造商在前方的全部蒸汽上工作，它们也无法满足需求。更重要的是，旅行限制正在全球供应链中的零件缺少。
仅需47天，剑桥顾问设计了一款简单的新通风机，为临床医生，八个警报和空气和氧气的定制组合提供了多种设置。
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。
“一天，我们接到了内阁办公室的电话，”请这样做，“剑桥顾问的高级机电一体化工程师Sean Thompson说。“星期五来了。MED技术部门的高级顾问和技术领导团队在整个周末工作。
“我星期一出现，我有一大堆错过的电话。我登录了我的电子邮件，我被邀请到两天的研讨会。我想知道，'哦，不，发生了什么事？'，所以，我们在商业周围的所有人都有30或40人坐了两天，只是通过一大堆不同的概念来粉碎。“
他们降落的是一种相对简单的设计，只有两个传感器 - 气道压力和吸气流量 - 但很多功能。临床医生将能够设定吸气压力，氧气水平，呼吸速率和吸气和呼气时间的比例。此外，患者断开，气道阻塞，潮气量出界外八个危险，横向八个警报，以及超压。它还将具有定制搅拌器，用于混合纯氧和常规空气。
剑桥顾问使用模拟加速了呼吸机的设计，包括环路仿真。图片信用：剑桥顾问
从虚拟到现实
如果他们必须设计和测试以物理部件开始的所有内容，项目时序将无法实现。建造和重建机器太慢了。相反，他们首先在软件中建立它，运行模拟，它们可以无休止地调整。
这项工作的大部分都是用matlab完成的®和模拟万博1manbetx®。该团队通过连接表示数学函数的块来使用图形编程。Simscape™的物理组件图书馆，如弹簧和阀门，使团队能够创建肺和呼吸机的型号。仿真让它们每次调整设计中的一个块时都会测试系统级操作。
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。图片信用：剑桥顾问
“没有足够的时间来识别组件，订购它，在实验室中测试它，然后做出决定。我们可以以模拟的速度。那真的很酷。“
剑桥顾问的高级机电一体化工程师Sean Thompson
基本呼吸机和肺模型由MathWorks提供，但汤普森扩展到它们上。肺模型基本上是一种带有弹簧和阻尼器的气体驱动的活塞，“这实际上很好地模拟了人类的肺部，”他说。
建立呼吸机模型，并编写控制它的算法，涉及对编程，汤普森坐在电脑上，同时在与团队中的其他人的视频通话。他的合作者，每个对系统的一个方面负责的人都将提供高级指令，他将在模型中实施它们。编码的视觉性质和用于可视化结果的工具允许非编程师理解正在发生的事情。“我们可以留下它在那里运行，看着它的程序，一大堆图表，这是那个事件，这就是那个事件，这就是那个事件，”他说。
“Simulink中图形编程的无障碍性质使我们能够轻松地利用我们许多同事的专业知识，”汤普森说。万博1manbetx“这意味着我们可以让所有这些真正有用的见解进入系统。由于加速时间表，没有足够的时间来识别组件，订购它，在实验室中测试它，然后做出决定。我们可以以模拟的速度。那真的很酷。“
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ASL 5000.呼吸模拟器，充当物理肺模型。呼吸机仍然由计算机上的算法控制（由于Simulink Desktop Real-Time™），在类似于硬件循环钻机中的设置中。万博1manbetx
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。
改变计划
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s manbetx 845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。”
Cambridge顾问的高级软件工程师Max Curzi采用了控制面板设计并在Simulink中实现了它，只要它将在设备上查看，使用Simulink仪表板块进行交互式界面。万博1manbetx当MHRA想检查他们对新要求的回应时，这证明这是至关重要的。
基于万博1manbetx设备实际UI的仪表板面板的Simulink模型。图片信用：剑桥顾问
当要求改变为包括自发呼吸模式时，呼吸机将从患者的肺部提示，该团队适应了他们的模型，只需两天就有工作测试肺。
“在一周内，”Curzi说：“我们能够向视频通话中的MHRA专家组展示完整的工作系统。Simu万博1manbetxlink模型具有真实系统的所有旋钮，仪表和按钮，可以实时控制呼吸机。在通话期间，他们要求在各种场景中与呼吸机互动，说'好的，如果你这样做怎么办？如果你这样做了什么？“他们试图强调它打破它。但它没有。它运作良好，他们对结果感到满意。“
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(右侧万博1manbetx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。图片信用：剑桥顾问
最终的设计工作，成本一小部分商业呼吸机的成本，并且很简单。
但最终设计的工作，成本一小部分商业呼吸机的成本，并且很简单。“你可以依靠两只手数的组件数量，”Curzi说。关于他自己的贡献，“我真的很自豪地制作简单又强壮的东西，”他说。“作为工程师，开发复杂的系统很诱人，但复杂性使得在所有场景下难以证明安全性和鲁棒性。使用一些基本块允许开发警报和辅助呼吸算法，这将是强大的，需要几行代码来实现和测试。简单的系统以可预测的方式失败，因此可以更容易证明呼吸机可以安全使用，一旦占用了故障模式。“
准备好需要重新获得
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。”
工程师学到了很多东西，发现了丰富的经验。“这些事情通常需要多年的发展，”Curzi说。“能够看到完全发展，从空白画布到将进入临床试验的物理物品，在40天内很棒。”
“能够看到完全发展，从空白画布到将进入临床试验的物理物品，在40天内很棒。”
Cambridge顾问的高级软件工程师Max Curzi
“从个人角度来看，汤普森说：”这个项目是一种令人难以置信的经历，这是我专业生涯中不太可能重复的事情。如果你努力努力，这是一个惊人的看法。我很感激这是一个独一无二的东西的一部分。“
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。
