오픈소스 엔지니어들, 코로나19 대응 위한 저비용 인공호흡기 설계

인공호흡기는 폐에 산소를 유지하고 이산화탄소를 배출해 중증 코로나19 환자에게 필수적이다. 바이러스는 폐 섬모를 손상시켜 점액 축적과 이차 감염을 유발하고 산소 흡수를 방해한다. 전 세계 병원들이 인공호흡기 부족에 시달리는 가운데, 마스크, 호흡기, 면봉, 의약품, 인공호흡기 제조의 글로벌 증산이 시작되었다. 인공호흡기는 호흡을 가능하게 하며, 코로나19의 핵심 과제는 폐쇄된 폐다.

이에 대응해 엔지니어, 임상의, 연구자 커뮤니티가 협력적 오픈소스 이니셔티브를 출범해 인공호흡기 설계와 생산에 나섰다. 3D 프린팅과 기타 신속 제조 기술을 활용해 예비 부품과 장비를 주문형으로 제작한다.

그림 1: 전문 인공호흡기 (이미지: Hamilton Medical)

인공호흡기 작동 원리

이 기계들은 환자의 입이나 코에 삽입된 튜브를 통해 공기를 펌핑해 산소를 공급하고 이산화탄소를 제거한다. 현대 인공호흡기는 임베디드 컴퓨터로 전자 제어되며 생명을 유지하는 시스템으로 분류되어 최고 수준의 신뢰성 표준을 요구한다.

주요 프로젝트들

깃허브(GitHub) 등에 호스팅된 수많은 저비용 인공호흡기 설계가 병원 공급 부족 시 공백을 메운다. 급성 폐 위기 상황에서 생명을 구할 수 있지만, 직접적으로 의료 상태에 영향을 미치므로 전문 의료진의 감독이 필수다. 특히 고압에서 부적절한 사용은 상당한 위험을 수반한다.

저비용 오픈소스 인공호흡기 장치 (PAPR)

이 깃허브 프로젝트(그림 2)는 올바르게 사용 시 생명을 구할 수 있는 겸손하고 저렴한 인공호흡기를 제공한다. 분당 10~16회 프로그래밍 가능한 호흡수를 제공하며 최대 45cmH₂O 기도 압력에 도달할 수 있으나, 20cmH₂O 이상은 위험하다. 장치는 주변 공기(21% O₂)를 사용하며, 더 높은 산소 농도는 전용 의료 장비가 필요하다. 프로젝트는 개선에 열려 있으며 제작자는 양산을 위한 파트너십을 모색 중이다. 부품 가용성이 제한될 수 있으며 설계는 의도적으로 최소화되었다. 향후 반복에서는 바이러스 확산 완화 기능이 추가될 수 있다. 이 장치는 이미 감염된 환경에서만 작동하며 비말 차단이 필수적이다. 제어는 아두이노(Arduino)로 관리되며 정전 대비 안전장치가 통합되어야 한다.

그림 2: 인공호흡기 프로젝트 (이미지: GitHub)

팬데믹 인공호흡기 (The Pandemic Ventilator)

인스트럭터블스(Instructables)에서 이용 가능한 이 DIY 인공호흡기는 쉽게 구할 수 있는 부품을 사용한다(그림 3). 비상 생명 유지 솔루션으로 의도되었다. 병원이 충분한 인공호흡기를 조달 못 해 수요가 공급을 초과할 가능성이 높다. 설계는 단순하면서도 현대적 전자 제어를 통합했다. 나무, 테이프, 비닐봉지, 나사관, 솔레노이드 밸브, 마그네틱 스위치, PLC를 사용한다. 하드웨어와 소프트웨어 모두에서 지속적으로 개선되고 있다. 프로토타입이 실험적이며 안전 테스트를 거치지 않았음을 명시하며, 오직 인증된 임상의만 사용해야 한다. 장치는 나무 풀무 유닛, 밸브, 파이프, PLC, 전선, 스위치, 전원 공급장치로 구성되며 18×21×0.5인치 합판 보드에 장착된다. 직접 작동 솔레노이드 밸브와 테플론 테이프를 감은 나사 피팅이 필요하다. 풀무는 대형 냉동 백으로 제작되며 합판과 경첩으로 보강된다(그림 4 참조). 사용된 PLC는 오토메이션 다이렉트(Automation Direct)의 다이렉트 로직 06 DO-06DR로, 무료 프로그래밍 소프트웨어를 갖춘 저비용 유연 유닛이다. 다른 PLC로 대체 가능. 24V 전원 공급장치와 온오프 스위치로 시스템을 시작한다. 래더 로직 프로그램은 다음과 같이 동작한다:

• 밸브 1을 열고 밸브 2를 닫아 풀무가 가득 찰 때까지(상단 마그네틱 스위치 닫힘).
• 밸브 1 닫고, 밸브 2 열고, 밸브 3 닫아 환자에게 공기 배출.
• 하단 마그네틱 스위치가 닫히면 밸브 2 닫고 밸브 1 다시 열어 풀무 재충전.
• 타이머로 밸브 3 열어 환자 폐 수축 허용; 타이머 만료 후 밸브 2 열고 밸브 3 닫아 다음 사이클 시작.

배선도는 다음과 같다:

• 입력
  • X0 상단 풀무 마그네틱 스위치
  • X1 하단 풀무 마그네틱 스위치
  • X2 온오프 스위치
  • C0 24V
  • 모든 리턴 그라운드
• 출력
  • Y0 미사용
  • Y1 흡기 밸브 (V2)
  • Y2 호기 밸브 (V3)
  • Y3 풀무 충전 밸브 (V1)
  • C0 120-VAC 라인
  • 모든 리턴 라인 중성

그림 4: 팬데믹 인공호흡기 구조 세부 사항 (이미지: TEMPO.CO)

>> 자매 사이트 EEWeb에 원래 게재된 전체 기사에서 추가 인공호흡기 설계 노력을 계속 읽어보세요.