Une pompe pour combattre le COVID-19

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En réponse à la pandémie de COVID-19, le projet de ventilateur de Winnipeg a dû faire des choix critiques en matière de conception et de sélection des composants, en particulier pour le moteur utilisé dans la conception de la pompe mécanique.

Face à l'augmentation du nombre de cas de COVID-19 dans le monde, le gouvernement canadien a rapidement jeté un regard inquiet sur le nombre de ventilateurs dont il disposait en cas de débordement de cas dans les hôpitaux. Bien que l'Organisation mondiale de la santé (OMS) sache que près de quatre-vingt pour cent des personnes qui attrapent le virus se rétablissent d'elles-mêmes, dès qu'un patient entre à l'hôpital, les chances qu'il ait besoin d'un ventilateur peuvent augmenter considérablement. Pour l'essentiel, un ventilateur exige que le patient soit intubé (un tube inséré au-delà des cordes vocales et dans les voies respiratoires, puis scellé pour assurer une bonne circulation), ce qui permet de pomper et d'évacuer l'air dans la poitrine et les poumons, tout comme une respiration normale, jusqu'à ce que le patient se rétablisse. Compte tenu des besoins mondiaux, les pays ont rapidement essayé de combler l'écart entre le nombre de patients nécessitant un ventilateur et le nombre de ventilateurs disponibles.

Le Winnipeg Ventilator 2.0 (conçu et fabriqué par StarFish Medical) est un ventilateur mécanique destiné à être utilisé dans des situations d'urgence pour compléter la disponibilité des ventilateurs actuellement approuvés et commercialisés en cas d'afflux de cas dépassant la capacité normale. Le ventilateur devait être très flexible afin de répondre à une variété de besoins des patients à différents moments. Par exemple, les poumons peuvent être très rigides ou pas du tout, et les besoins en oxygène dans ces conditions peuvent varier considérablement. Un ventilateur doit également être suffisamment polyvalent pour fournir une gamme de modes et de concentrations d'oxygène en fonction des réponses du patient aux traitements.

Le Winnipeg Ventilator est un système sur chariot qui est contrôlé numériquement par l'intermédiaire d'un micrologiciel intégré et d'une interface utilisateur composée de divers boutons, commandes et interrupteurs. Les paramètres mesurés sont affichés à l'utilisateur sur les écrans analogiques et numériques, ce qui lui permet de s'adapter finement aux besoins de chaque patient. L'appareil surveille le volume courant inspiré, la pression des voies respiratoires, le %O2 et la fréquence respiratoire. Il comprend également un certain nombre d'alarmes destinées à reconnaître les valeurs mesurées qui se situent en dehors des paramètres acceptables. La durée d'utilisation prévue par patient est de quatorze jours maximum de ventilation continue.

Parmi les principales caractéristiques du Winnipeg Ventilator 2.0, citons la compatibilité avec les sources d'oxygène murales et en bouteille, l'utilisation de l'air ambiant plutôt que de nécessiter une alimentation en air, et une interface intuitive et facile à utiliser. Les utilisateurs devaient pouvoir accéder facilement à tous les paramètres et réglages sans avoir à effectuer des réglages compliqués. Les unités disposent toutes d'un système d'alimentation de secours par batterie intégré et sont faciles à manœuvrer et à transporter.

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Il était essentiel que StarFish Medical puisse obtenir le volume de composants, y compris les moteurs, nécessaire pour le grand nombre d'unités de production qu'elle devait réaliser.

Sélection du moteur

StarFish Medical avait utilisé les moteurs maxon pour un certain nombre de projets antérieurs et les avait trouvés très efficaces mais surtout fiables. Les moteurs sont livrés avec un grand nombre de données techniques utiles pour chaque modèle, ce qui rend généralement moins difficile de réduire le choix à quelques options. Pourtant, le projet avançait si vite que l'équipe de StarFish Medical a été contrainte de faire un premier choix de moteur avant de déterminer les exigences exactes du projet. L'objectif principal à ce moment-là était de trouver un moteur facilement disponible et offrant une marge de performance suffisante pour garantir le succès.

Le support technique de maxon, en collaboration avec l'équipe de conception de StarFish Medical, a proposé un moteur sans balais et sans engrenage qui a été sélectionné en fonction des exigences de l'application et de la disponibilité pour fournir le moteur de manière adéquate et dans un délai court. La capacité de l'usine de StarFish Medical a été assurée par la Corée du Sud pour répondre au calendrier initial de la demande.

L'adaptation de la conception originale pour utiliser un moteur DC sans balais a ajouté quelques défis intéressants au processus de conception. Heureusement, l'équipe de StarFish Medical avait déjà l'expérience de tels ajustements et a pu adapter ses plans de conception existants pour effectuer le changement rapidement et facilement. Pour compléter ses capacités de conception, StarFish Medical a trouvé que le moteur électrique maxon était facile à utiliser. StarFish Medical a développé un logiciel et un matériel personnalisés pour tirer pleinement parti de la sélection du moteur plutôt que d'utiliser une option standardisée prête à l'emploi.

Après un examen approfondi de la conception, StarFish Medical a choisi d'utiliser les moteurs EC-i 52 de maxon pour le projet du ventilateur de Winnipeg.

Exigences et fonctionnement du moteur du ventilateur

Le moteur entraîne un actionneur à vis à billes qui contrôle la position du piston pour fournir des "respirations" du ventilateur au patient. L'équipe de StarFish Medical a choisi un moteur de 200 watts, ce qui lui a donné une certaine marge de manœuvre pour les variations de couple et de vitesse. Les exigences comprenaient une vitesse maximale de 215 mm/s, une accélération maximale de 7,2 m/s2, une rampe d'accélération/décélération jusqu'à une vitesse maximale de 0,05 s, et un nombre de cycles de 1,5M à 15M. L'une des exigences de flexibilité de l'opération était que le système puisse passer très rapidement d'une course d'inspiration à une course d'expiration si le ventilateur détectait une détresse du patient.

StarFish Medical a passé une première commande de 7.500 moteurs EC-i52 avec des capteurs à effet Hall ENX (voir image). Grâce à leur anneau magnétique optimisé, ces moteurs offrent une densité de couple très élevée et un faible couple de cogging. Le rotor interne multipolaire est extrêmement dynamique. Dans l'ensemble, la conception solide du moteur, qui utilise des brides en acier et un carter en acier, permet de l'adapter à une large gamme d'applications où les performances et les longs cycles de fonctionnement sont nécessaires.

La sélection du bon moteur pour votre conception peut parfois prendre un tournant brutal lorsque la disponibilité devient un facteur primordial. Travailler avec un partenaire qui a l'expérience et l'expertise de votre industrie et qui est sensible à vos besoins de livraison est la clé pour faire une sélection qui répond à vos exigences. Dans le cas du Winnipeg Ventilator, maxon a pu utiliser son expérience et ses connaissances acquises au cours de nombreuses années de collaboration avec des entreprises médicales pour faire des suggestions sur la sélection des produits afin de répondre au besoin urgent de StarFish Medical.

 

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