2020年3月13日，剑桥顾问，一家英国的技术咨询公司，接到了英国政府的电话。新冠病毒-19正在席卷全国，虽然国家卫生局手头上有8000台呼吸机，但在最坏的情况下，他们预计需要30000台。即使已有的呼吸机制造商全力以赴，他们也无法生产满足需求。此外，旅行限制造成了全球供应链中零部件的短缺。
在仅仅47天的时间里，剑桥咨询公司设计了一种简单的新型呼吸机，为临床医生提供了多种设置、八个警报以及定制的空气和氧气混合。
因此，政府发布了呼吸机挑战，要求几家英国公司从地上设计新设备，可以用当地零件迅速制作。该公司有几个星期的时间来做。
剑桥咨询公司的高级机电工程师肖恩·汤普森（Sean Thompson）说：“第一天，我们接到内阁办公室的电话，说‘请做这个’。”。“那是星期五。医疗技术部的一个高级顾问和技术负责人团队工作了整个周末。
“我周一来了，我接到了一大堆未接电话。我登录了电子邮件，被邀请参加了为期两天的研讨会。我想知道，‘哦，不，怎么回事？’于是，一个由30或40人组成的团队坐了两天，讨论了一大堆不同的概念。”
他们的设计相对简单，只有两个传感器——气道压力和吸气流速，但有很多特点。临床医生可以设置吸气压力、氧气水平、呼吸频率以及吸气和呼气时间的比率。此外，它将有八个警报，如病人断开连接、气道阻塞、潮气量超出范围和超压。它还将有一个定制的混合器，用于混合纯氧和普通空气。
剑桥咨询公司通过模拟加速了呼吸机的设计，包括硬件在环模拟。图片来源：剑桥咨询公司
从虚拟到现实
如果他们不得不从物理部件开始设计和测试所有东西，那么项目的时间安排就不可能了。建造和重建这台机器的速度太慢了。相反，他们首先在软件中建造了它，运行可以无休止调整的模拟。
大部分工作是用MATLAB完成的®和Sim万博1manbetxulink®该团队通过连接表示数学函数的块来使用图形编程。Simscape中的物理组件库™, 例如弹簧和阀门，使团队能够创建肺和呼吸机的模型。模拟让他们在每次调整设计中的一个模块时测试系统级操作。
即使是最简单的呼吸机也是棘手的。“在MathWorks的高级产品经理Kirthi Devleker说：”它必须做好地向肺部提供空气，以便为肺部实际播出。““你不能只是打开一个粉丝然后思考，”好的，这将是我的呼吸器。“
气动系统模型在simscape。图片信用：剑桥顾问
“没有足够的时间来识别组件、订购组件、在实验室测试组件，然后做出决定。我们可以以模拟的速度进行。这真是太酷了。”
肖恩·汤普森，剑桥咨询公司高级机电工程师
MathWorks提供了基本的呼吸机和肺模型，但Thompson对其进行了扩展。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，并编写控制呼吸机的算法，涉及配对编程，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，他将在模型中实现这些指令。视觉nat和对编码和可视化结果的工具的理解让非程序员能够理解正在发生的事情。“我们可以让它在那里运行，看着它一步一步地通过程序，一大堆图表经过那就是那个事件，那就是那个事件，那就是那个事件，”他说。
汤普森说：“Simulink中图形编程的易访问性使我们很容易利用许多同事的专业知识。”。“这意味着我们万博1manbetx可以获得所有这些对系统非常有用的见解。由于进度加快，没有足够的时间来识别组件、订购组件、在实验室测试组件，然后做出决定。我们可以以模拟的速度进行。这真是太酷了。”
一旦设计开始塑造，大约三分之一的过程，团队建造了物理原型并将其挂钩到了ASL 5000呼吸模拟器，作为物理肺模型。呼吸机仍然由计算机上的算法控制（感谢Simulink Desktop Real Time）™), 但是，在类似于硬件在环钻机的设置中。万博1manbetx
尽管模拟的力量，但硬件的测试很重要。硬件测试还帮助团队校准了软件模型。在软件中，该团队可以更快地迭代设计并测试呼吸机的限制，而无需担心对硬件造成损坏。
改变计划
剑桥顾问中途通过该项目获得曲线球。呼吸机要求改变了。最初，这个想法是将肺部视为呼吸中的被动伙伴，惰性袋膨胀和放气。但是在计时器上的机械通风会在几天后引起肺部损坏。如果患者从镇静中出现并且计时器没有用自然呼吸对齐，那么不适可能是极端的。在回应中，药物和医疗保健产品监管机构（MHRA）要求自发呼吸模式，其中呼吸机将从患者s manbetx 845的肺部提示。
汤普森得到了他的肺模型积极呼吸，然后在下午看看他是否可以让呼吸机算法检测呼吸，尽管机器缺乏这种任务的理想传感器。“我们在被要求这样做的两天内与测试肺一起工作，”他说。“这是我曾经工作过的最神奇的事情之一。通过我们所有人在这个大型综合环境中工作，试图解决所有这些不同的技术问题，我们建立了这一基础设施，让我们令人难以置信地发展这种复杂的功能。“
剑桥咨询公司（Cambridge Consultants）的高级软件工程师马克斯·库齐（Max Curzi）采用了控制面板设计，并在Simulink中实现，使其看起来与设备上的一样，使用Simulink仪表板块制作了一个交互式界万博1manbetx面。当MHRA想要检查他们对新需求的响应时，这证明是至关重要的。
基于万博1manbetx设备实际用户界面的仪表板Simulink模型。图片来源：剑桥咨询公司
当要求改变为包括自主呼吸模式（呼吸机将从患者的肺部获取提示）时，研究小组调整了他们的模型，并在两天内进行了一次工作试验肺。
“一周之内，”库齐说，“我们能够通过视频通话向MHRA专家小组演示整个工作系统。Simulink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。在通话过程中，他们要求在各种场景中与呼吸机交互，说‘好吧，如果你这样做怎么办？如果你这样做会怎么样？他们试图万博1manbetx通过强调来打破它。但没有。效果很好，他们对结果很满意。”
把事情简单化
球队面临着许多挑战。首先，有时间压力。该范围的项目需要各种工程专业知识，也需要人类因素，采购，项目管理和临床专家。所有这些团队（约200人在山顶上）在七周内并行流行，许多工作加班，以及在办公室的一些睡觉。任务的某些方面并没有很好地定义。基本组件，如压力调节器和气体混合器，在晚期重新设计或更换，但通过具有不同的机械特性，它们显着改变了系统动态：这需要团队重新设计，实施和测试一些警报算法这个项目的一个很晚的阶段。
设计团队在挂接到呼吸机的传感器和电磁阀（中间）的P万博1manbetxC上运行Simulink Model（右侧）。使用人工肺，ASL-5000（左）模拟现实患者行为。图片信用：剑桥顾问
最终的设计成功了，成本仅为商用通风机的一小部分，而且很简单。
但最终的设计成功了，成本仅为商用呼吸机的一小部分，而且很简单。“你可以依靠双手来计算部件的数量，”Curzi说。关于他自己的贡献，“我真的为制造出简单而坚固的产品感到骄傲，”他说。“作为一名工程师，开发复杂的系统很有诱惑力，但其复杂性使得在所有情况下都难以证明安全性和鲁棒性。使用几个基本模块可以开发出鲁棒的警报和辅助呼吸算法，并且需要几行代码来实现和测试。简单的系统fail以可预测的方式，因此在考虑故障模式后，更容易证明呼吸机使用安全。”
准备好了吗
在呼吸机送达前一天，剑桥顾问得知它不再需要。英国的需求愉快地与预测的最坏情况模型一样大。Curzi说，这与医疗设备经常发生。“我们开发了希望不需要的呼吸机。”
工程师们学到了很多东西，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。“能够在40天内看到完整的开发过程，从空白画布到将进入临床试验的物理东西，真是太棒了。”
“能够在40天内看到全面发展，从空白画布到将进入临床试验的实物，真是太棒了。”
Max Curzi，剑桥咨询公司高级软件工程师
“从个人角度来看，”汤普森说，“这个项目是一次难以置信的经历，在我的职业生涯中我不太可能重复。如果你足够努力的话，这是一个关于可能实现什么的令人惊讶的观点。我很感谢成为这一独特事物的一部分。”
虽然英国暂停了呼吸机挑战，但该设计应该准备好。
