Transcript

A Guide To Designing Low-Cost Ventilators for COVID-19

From Real Engineering · Episode page · Watch on YouTube

· 16 min · 2,112 words · 21 timestamped sections

This is the full, timestamped transcript of "A Guide To Designing Low-Cost Ventilators for COVID-19", an episode of Real Engineering published April 4, 2020 (16 min, about 2,112 words). It mentions 16 people, works and ideas, including Real Science, MedlifeCrisis, Physics of the Everyday, إم آي تي, الرضح الضغطي.

What is discussed, and when

  1. – 3:00: Brilliant
  2. – 6:00: Real Science
  3. – 12:00: MedlifeCrisis
  4. – 15:00: Brilliant, Physics of the Everyday

Notable quotes from "A Guide To Designing Low-Cost Ventilators for COVID-19"

  • هذه الحلقة مقدمة من موقع حل المشكلات «Brilliant» الذي يعلمك طريقة تفكير المهندسات والمهندسين.
    about Brilliant · at
  • الرضح الضغطي (جرح يسببه ضغط الهواء). [3] لا بد لنا – إن أردنا أن نفهم الرضح الضغطي – أن نعرف كيفية عمل الرئتين في الظروف الطبيعية، فلنسمع درسًا قصيرًا بعنوان «الميكانيكا الحيوية في التنفس» من قناة «Real Science» الشقيقة.
    about Real Science · at
  • وعليه فقد استشرت «روهِن فرانسس» وهو طبيب يدير قناة «MedlifeCrisis»، وطلبت منه أن يشرح لنا بعض الأشياء الأخرى التي لا بد من أن تكون حاضرة في بالنا نحن المهندسين حين نقوم بتصميم هذه الآلات.
    about MedlifeCrisis · at
  • لقد رأينا أن تصميم المعدات الطبية – كأجهزة التنفس – يتضمن مفاهيم فيزيائية وهندسية معقدة، وعلى موقع «Brilliant» مساقات ممتازة بعنوان «Physics of the Everyday» يكشف عن خبايا العالم المحيط بنا!
    about Physics of the Everyday · at

Who and what is mentioned in this episode?

Companies & orgs

Products & tech

Concepts & topics

Places & events

Sponsors

Full transcript with timestamps

هذه الحلقة مقدمة من موقع حل المشكلات «Brilliant» الذي يعلمك طريقة تفكير المهندسات والمهندسين. الموضوع لا يحتاج إلى مقدمات؛ فالعالم أجمع يتكلم عن الشيء نفسه. قلب كوفيد 19 العالم رأسًا على عقب خلال أسابيع قليلة، والبشرية تبذل جهودًا حثيثة للسيطرة على هذه الجائحة الجديدة. كوفيد-19 ماضٍ في انتشاره السريع بين المجتمعات. أعراضه خفيفة عند كثير من المصابين، أما البقية فيطرحهم واهنين؛ إذ يضعف قدرة الرئتين على شهق الأكسجين وزفر ثاني أكسد الكربون من والى الدم، فيشُقٌّ الأمر عليهم أكثر فأكثر، حتى يصبحوا اضعف من ان يتنفسوا بأنفسهم [1] المرضى الذين يدخلون المستشفيات بهذه الأعراض يحتاجون إلى تدخل طبي ينجيهم من الاختناق.

لسوء الحظ ليس لدينا علاج. افضل علاج طبي حالي هو إعانة الرئتين بأجهزة تنفس آلي. لكن المستشفيات تشهد تدفقًا من المرضى يفوق عدد الأجهزة المتوفرة بكثير. لهذا تصاعدت أصوات تدعو كل الجهات القادرة على تصنيع أجهزة التنفس إلى مد يد العون في دفع هذا الأذى عن البشرية جمعاء. في بلدة «جالواي» مسقط رأسي هناك يقع المعمل الرئيسي لتصنيع أجهزة التنفس عند شركة «مِدترُنِك» [2] (وقد عملت لصالحها قدرًا من الزمن). هنا تصنع الشركة جهازًا اسمه «بيورِتَن بِنِت 980»: واحد من أجود أنواع أجهزة التنفس الآلي عالية الأداء يعين الأطباء في مساعيهم للتغلب على الالتهاب الرئوي (ذات الرئة) الفيروسي الذي يعاني منه المرضى، لكنه آلة معقدة التركيب.

ينتج المعمل في الوقت الراهن 225 وحدة أسبوعيًا، ويتجه إلى سحب العاملات والعاملين من معمل تصنيع الدعامات (الذي كنت أعمل فيه) من أجل رفع القدرة الإنتاجية إلى 500 وحدة أسبوعيًا. غير أن هذا المعدل لا يكاد يفي بالاحتياج الذي لم يبلغ أقصاه حتى الآن. وفي الأفق يلوح هاجس: قريبًا ستعجز المستشفيات في بلدان كأمريكا كما عجزت مثيلاتها في إيطاليا تفق عدد الهائل من المرضى. وقد بادر مهندسون كثر – يملؤهم الحماس وحب الخير – إلى تطوير أجهزة تنفس يسهل تصنيعها في أي مصنع أو معمل – بعد تكييفه لذلك – بتكلفة منخفضة. كل التصميمات التي رأيتها تقوم على تقنية واحدة: القناع ذي الكيس والصمام.

هذا الجهاز يتكون من كيس بلاستيكي تضغطه عاملة الرعاية الصحية بيدها فتفرغ الهواء منه. يستخدم المسعفون الاوليون هذا الجهاز حين يجدون مريضاً لا يقوم بالتنفس، وهو بديل عن الإنعاش الفموي. إنه وسيلة سهلة زهيدة الثمن لإدخال الهواء في الرئتين قسرًا. وهذه التصميمات كلها ليست إلا أذرع آلية تضغط الكيس بمعدل معين من دون كلل لإدخال الهواء عنوة. صنع هذه الأجهزة – بسرعة وبأعداد هائلة – ممكن لكن أجهزة التنفس ليست مجرد الات تجبر الهواء ان يدخل في رئات المرضى. تواجه الطبيبات والأطباء في الوقت الراهن معضلة الحد من أحد الآثار الجانبية التي تنشأ عن التنفس الآلي: الرضح الضغطي (جرح يسببه ضغط الهواء). [3] لا بد لنا – إن أردنا أن نفهم الرضح الضغطي – أن نعرف كيفية عمل الرئتين في الظروف الطبيعية، فلنسمع درسًا قصيرًا بعنوان «الميكانيكا الحيوية في التنفس» من قناة «Real Science» الشقيقة.

تتحكم في التنفس عادةً مجموعتان من العضلات: [4] الحجاب الحاجز (وهو عضلة كبيرة تفصل بين البطن وبين الصدر)، والعضلات الوربية (وهي العضلات التي بين ضلوع القفص الصدري). حين تشهقين ينقبض الحجاب الحاجز متحركًا نحو جوف البطن، وتنقبض العضلات الوربية الخارجية بين الضلوع فتجعل قفصك الصدري يرتفع. هاتان الحركتان تفسحان حيزًا أكبر داخل الجوف الصدري (الذي فيه رئتاكِ.) زيادة الحيز هذه تسبب انخفاضاً في ضغط الهواء النسبي داخل الجوف، لكن ضغط الهواء خارج الجسم كما هو، ولهذا يدخل الجسم هواء بفعل الضغط الجوي، ليملأ الرئتين، ويتعادل مستويا الضغط.

نلاحظ هنا أن انخفاض الضغط السالب في هذه الحالة هو ما يستحث عملية الشهيق. لا تُنفَخ الرئتان كالبالونة، وإنما تتمددان كي يتعادل الضغط الجوي. عند الزفير يكون العكس؛ إذ يرتفع الضغط داخل الرئتين عن الضغط الجوي قليلاً، فيخرج الهواء منهما. لا سبيل إلى محاكاة هذه العملية بالتنفس الصناعي، فليس له إلا أن يُدخِل الهواء عنوة إلى الرئتين فينفخهما كالبالونة. وإذا لم نتحكم في هذه العملية بدقة فقد يعاكس ضغط الهواء حركة الحجاب الحاجز والعضلات الوربية ويتجاوز السعة القصوى للحويصلات الهوائية. الحويصلات الهوائية أكياس ضئيلة متصلة بالشعيرات الدموية تفسح مجالاً لتوزيع الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين الدم وبين الرئتين.

لا بد للحويصلات من أن تكون بالغة الرقة كي تؤدي وظيفتها، وهذا يجعلها أنسجة هشة جدًا. إذا مُدِّدت الحويصلات أكثر من قدرتها فقد تلتهب في أحسن الأحوال أو تتمزق في أسوأها. وهذا ما يُسمَّى: الرضح الضغطي. [5] يزداد الأمر صعوبة على صعوبته لمرضى متلازمة الضائقة التنفسية الحادة كالذين يعانون من كوفيد 19. فهم معرضون أكثر من غيرهم إلى هذا العرض الجانبي الذي يسببه التنفس الآلي؛ [6] إذ إن الحويصلات الهوائية التي تغمرها السوائل تعجز عن استقبال الهواء فيرتفع الضغط أكثر في الحويصلات الأخرى التي تظل قادرة على العمل. هذا اسوء ما يمكن ان ما نصنع إما أتلفنا أنسجة الرئة السليمة الباقية في جسم مريض مشكلته اصلاً هي تلف أنسجة الرئتين.

ليس هذا نفعًا، بل ضرر! يتجنب الطبيب إتلاف الحويصلات باختيار إعدادات جهاز التنفس بحرص. أهم الإرشادات في ذلك: تحديد حجم الهواء الوارد إلى الرئتين وضغطه بأقل حد ممكن. [7] وعليه فلا بد من أن تُضاف إلى أجهزة التنفس (التي يُراد لها أن تكون منخفضة التكلفة) وسيلة للتحكم في هذه الإعدادات. مثل هذا التصميم لا يسمح بالتحكم – فيما يبدو لي – في حجم الهواء المضخوخ إلا بتقريب ذراع الدفع من مركز دوران اسطوانة نقل الحركة (الكامة)، لكنه لا يمكِّن مستخدمته من التحكم في المتغيرات. هذا الجهاز يضر أكثر مما ينفع على الأرجح. لا أنكر حسن نية المصممة أو المصمم — لكن ما يمنعها من أن تقرأ عن تصميم أجهزة التنفس كما فعلتُ أنا؟ أما شركات تُقدَّر قيمتها بملايين الدولارات كـ«فِرجِن أوربِت» تتكاسل عن البحث في وظيفة أجهزة التنفس وتتسرع في تصنيع جهاز ثم تدعي ابتكارها إياه من أجل الدعاية فلا ألتمس لها عذرًا ولا فضلاً.

بل إنها نصبت لافتة تحمل اسمها خلفيةً للفيديو! ما توصلت إليه أن أول تصميم طرح استخدام قناع الكيس والصمام كان في مشروع قدمته عام 2010 مجموعة من طلاب وطالبات «إم آي تي». هذه الورقة منشورة على الإنترنت منذ زمن، وإذا كانت هي المصدر الذي تنقل المصممات والمصممون عنه فقد أغفلن وأغفلوا أفكارًا ذكية واردة فيها. [8] يضم التصميم المطروح في الورقة مقياسًا للتنفس يقيس معدل دفق الهواء الخارج من الجهاز ويُحساب نسبته إلى الوقت فيصبح بذلك قياس حجم الهواء المضخوخ إلى الرئتين ممكنًا. تُرسَل هذه القيمة بعد ذلك إلى وحدة تحكم قادرة على إملاء قوة الضغط على الكيس من أجل تغيير حجم الهواء المُورَّد إلى الرئتين.

وبهذا يصير الجهاز قادرًا على مراوحة ضخ الهواء بين 200 ملم وبين 750 ملم. هذا التصميم أفضل، وقد يصح استخدامه حين لا يكون عنه بديل. لكنه منقوص. وحدة التحكم في معدل الأنفاس تعمل بالقياس الزمني: بين 5 أنفاس وبين 30 نفسًا في الدقيقة. يُسمَّى هذا نفسًا قسريًا، لأن لآلة وحدها تقرره، وتجبر المريض على التنفس شاء أو أبى. هذا طبعًا مؤلم، ويستلزم شلّ حركة المريض بالتخدير، لكنه قد يزيد الرضح الضغطي سوءًا إذا قاوم الحجاب الحاجز والعضلات الوربية عملية الشهيق. أما أجهزة التنفس عالية الأداء فلا تؤدي إلى ذلك عادةً (رغم أنها قادرة على العمل بالطريقة نفسها)، وذلك لأنها تحذو حذو جسم المريض في تسلسُل النَفَس، فالمريض قادر على التنفس، لكن ينقصه الدعم لأنه مُنهك من المحاولة.

لا بد للآلة إذن من علامة تأتيها من جسم المريض تحثها على بدء دورة النَفَس وأخرى تحثها على إنهائها. وثمة سبل عدة إلى ذلك: إحداها الضغط؛ إذ يكون لها مِجَسٌّ يستشعر انخفاض الضغط في مجرى الهواء فتعرف الآلة أن التجويف الصدري في تمدُّد. الثانية: التدفق؛ إذ يكون لها مِجَسٌّ يستشعر معدل تدفق الهواء إلى الرئتين. الثالثة: مِجَسٌّ يستشعر النشاط الكهربي في الحجاب الحاجز فتعرف الآلة أن الحجاب في حالة انقباض من أجل تمديد التجويف الصدري. يستلزم الأمر أيضًا مُعالِجات دقيقة تتحلى بالسرعة البالغة في استقبال المؤشرات والعمل استجابةً لها.

لم أر هذا المكون الضروري في أي من التصميمات منخفضة التكلفة. وهو مكون ضروري حقًا! أحد أصعب مراحل التنفس الصنعي: مساعدة المريض على الاستغناء عنه. إن شَلّ حركة المريض بالتخدير من أجل استخدام جهاز التنفس تجعل عودته إلى التنفس الطبيعي من تلقاء نفسه أمرًا بالغ الصعوبة. ثمة فيض من اعتبارات التصميم التي ينبغي أن تؤخذ في الاعتبار. لقد درستُ هندسة الطب الحياتي، وهذا المجال يركز بقدر لا بأس به على موضوعات مثل «الممارسة الجراحية» تدرِّسنا إياها طبيبات وأطباء، لا مهندسات ولا مهندسين. وأول ما علمتنا إياه الطبيبات والأطباء أن أولى خطوات التصميم استشارة المستخدِم أي الطبيب.

وعليه فقد استشرت «روهِن فرانسس» وهو طبيب يدير قناة «MedlifeCrisis»، وطلبت منه أن يشرح لنا بعض الأشياء الأخرى التي لا بد من أن تكون حاضرة في بالنا نحن المهندسين حين نقوم بتصميم هذه الآلات. شكرًا لك يا «براين». لقد عرفتم أن كثيرًا من مرضى كوفيد 19 يبلغون مرحلة يعانون فيها من أعراض تشبه أعراض الضائقة التنفسية الحادة، وهي لا تقتصر على امتلاء الحويصلات الهوائية بالسوائل مما يجعل تبادل الغازات أصعب، وإنما يُرجَّح فيها أن تنغلق الحويصلات كليًا عقب كل زفرة. يحدث ذلك لأن مناطق الرئة التي يطولها المرض تمسي عاجزة عن إنتاج خوافض التوتر السطحي.

خوافض التوتر السطحي الرئوية مادة مبهرة تنتجها الخلايا الحويصلية (السنخية) تبطن بها نفسها، وتمنع هذه المادة الحويصلات من الانغلاق حين انقباض الرئتين. هكذا تعمل الرئتان السليمتان! أما في متلازمة الضائقة التنفسية الحادة فتنغلق الحويصلات حين الزفير – أو تنغلق أقسام بكاملها من الرئة – ويُسمَّى ذلك الانخماص أو الهمود الرئوي. وإذا أردنا أن نجبرها على الانفتاح في كل نَفَس فسنحتاج إلى زيادة الضغط، وهذا يؤدي إلى ارتفاع خطر الرضح الرئوي ارتفاعًا كبيرًا. لهذا نستخدم ما يُسمَّى بضغط نهاية الزفير الإيجابي لتجنُّب تلك المساوئ. عادةً أشرح هذا المفهوم بمثال: تصوري أنك في سيارة مندفعة وأن رأسك خارج النافذة وفمك مفتوح.

،بالمناسبة لا أنصحك بفعل ذلك، فلن يمتلئ فمك بالحشرات فقط، وإنما سيتشكل ضغط هوائي مستمر على مجرى الهواء فيصعِّب عليك الزفير قليلاً. هذا هو ضغط نهاية الزفير الإيجابي! إنه ضغط إيجابي مستمر يمنع الحويصلات الهوائية من الانغلاق عقب كل زفرة، ويفتح مناطق الرئة التي انغلقت ويحفزها على العمل. في مرض كوفيد 19 صرنا نرى المرضى في حاجة إلى مثل هذا الضغط بمستويات مرتفعة جدًا وبتحكم دقيق من أجل تثبيت مستوى الأكسجين وحماية الرئتين، وهذا هدف يتعذر تحقيقه بالأكياس البسيطة التي تعمل بضغط اليد. الآليات التي رأيتها حتى الآن قد تؤدي إلى رضح ضغطي أو volu-trauma أو كليهما.

معظم مرضى كوفيد 19 يظلون يستخدمون أجهزة التنفس لأسابيع. قد تفيدهم الأكياس التي تعمل بضغط اليد في اليوم الأول مثلاً حين يكون المريض مُخدَّرًا تخديرًا عميقًا، لكنها لن تكون مناسبة حين نحاول تخفيف التخدير. كما أن الجزء العلوي من المجرى الهوائي مسؤول عن تدفئة الهواء وترطيبه قبل دخوله الرئتين، أما الأنبوب الرغامي – الذي يدخل إلى المجرى السفلي مباشرة – فيُخرج المجرى العلوي من المعادلة. ومن غير وظائف التدفئة والترطيب التي تقوم بها أجهزة التنفس الحديثة ستتلف أنسجة الرئة بسرعة. وهذا... ليس جهاز تنفس! بل إنه جهاز تخدير. أجهزة التنفس مشغولة حاليًا، وحتى هذا الجهاز الضخم لا يقوم إلا بأبسط وظائف التنفس.

نحن في حاجة إلى مزيد من أجهزة التنفس، لكن الأهم: ممرضات الرعاية المركزة وممرضيها ومُعالِجات التنفس ومُعالجيه اللواتي تُشغِّلن الأجهزة، وإنتاج هؤلاء المختصات والمختصين يستغرق وقتًا أطول بكثير. كما ترون الان... التنفس الصناعي أكثر تعقيدًا من مجرد ضخ الهواء إلى جسم المريض. فالترطيب والتحكم في الضغط والحجم وضبط نسبة الأكسجين ضبطًا دقيقًا يستلزم عمليات آلية أعقد من مضخات الكيس والصمام. تصميم أجهزة التنفس المناسبة للغرض بمكونات سهلة التصنيع زهيدة الثمن مبتغى صعب، لكني على ثقة أننا سنتوصل إلى منتج صالح قريبًا، خصوصًا أن هذه المشكلة ليست مستجدة.

البلدان الفقيرة تعاني منذ سنين من نقص المستلزمات الطبية زهيدة الثمن، وثمة منتجات مثل هذا الذي صممه مهندس هندي واجهة الاستخدام فيه هاتف يعمل بنظام أندرويد. هذا الجهاز يُباع في السوق قبل بدء الجائحة بزمن طويل، وقد صُمِّم لإعانة العائلات الفقيرة على معالجة مرضاها في البيت، وعليه فإن له ميزة أخرى هي أن تشغيله يتطلب قدرًا أقل من التدريب الطبي. لم أجد عن قدراته إلا القليل، لكن الشركة تلقت من الحكومة الهندية قدرًا هائلاً من الطلبات. المؤسف أن الحكومة الهندية قد منعت تصدير الأجهزة الطبية، لكن الشركة المُصنِّعة ماضية في ترخيص التصميم.

هذه الجائحة محنة لنا جميعًا، وأتمنى ألا يشعر المشاهدون بأن هذا الفيديو تبكيت وتحبيط للمهندسات والمهندسين اللذين يحاولون المساعدة بحسن نية. فاستخراج الأخطاء أسهل كثيرًا من الانكباب على إبداع تصميم جديد. هذه ليست إلا محاولة لدفع الناس في الاتجاه الصحيح. مهمة هذه القناة: تشجيع مهندسات المستقبل ومهندسيه، ولهذا جعلت هذا الفيديو برعاية «Brilliant».ملاحظة: من هنا يبدأ اعلان يستمر لنهاية الفيديو في الوقت الراهن يريد كثيرون موارد للرياضيات والعلوم يطَّلعوا عليها عبر الإنترنت، منهم طالبات وطلبة يريدون التعلُّم ومهنيات ومهنيون يريدون الاطلاع على أحدث التطورات ومحِبَّات ومحبون للعلم عندهم شغف لفهم العالم.

موقع «Brilliant» مناسب لكل هذه الأغراض. لقد رأينا أن تصميم المعدات الطبية – كأجهزة التنفس – يتضمن مفاهيم فيزيائية وهندسية معقدة، وعلى موقع «Brilliant» مساقات ممتازة بعنوان «Physics of the Everyday» يكشف عن خبايا العالم المحيط بنا! في هذه المساقات تتعلمين كيف يُستخدم سلوك الغازات المثالية حين تتمدد في تصميم الثلاجات، وكيف تتدرج متطلبات عضلات الجسم مع تدرُّج حجمه من الفأر إلى الفيل. يمكنك الموقع من تحديد أهدافك ثم المضي لتحقيقها بالتدريج. يسهِّل «Brilliant» الموضوعات بالعروض التفاعلية وبتطبيق الموبايل الذي تجدينه في متناول يدك أينما كنت.

سواءً كنت تتحلى بالفضول أو تريد تحسين مهارات حل المشكلات أو ترغب في تقوية قدراتك التحليلية فاشترك في «Brilliant Premium» كي تتعلم يومًا بعد يوم. المحتوى الذي يقدمه موقع «Brilliant» في مجالات الرياضيات والعلوم وعلوم الحاسب يحفز الدماغ ويأخذ بيدك إلى إجادة تلك الموضوعات من خلال تفكيك المفاهيم المعقدة وتقديمها في صورة مبسطة. ستبدأ بالعروض التفاعلية الممتعة، ولن تلبث حتى تبلغ درجات من العلم لم تخطر لك على بال.

Questions about this episode

What is discussed in "A Guide To Designing Low-Cost Ventilators for COVID-19"?

In order: 0:00 Brilliant; 3:00 Real Science; 9:00 MedlifeCrisis; 12:00 Brilliant, Physics of the Everyday.

What is mentioned in this Real Engineering episode?

16 people, works and ideas are mentioned, including Real Science, MedlifeCrisis, Physics of the Everyday, إم آي تي, الرضح الضغطي, الميكانيكا الحيوية في التنفس. Each one on this page links to its own page with every episode that mentions it.

How long is "A Guide To Designing Low-Cost Ventilators for COVID-19"?

The episode runs 16 min; the transcript is about 2,112 words in 21 timestamped sections.

More from Real Engineering

About this transcript: the episode's spoken words as captioned on YouTube, split into timestamped sections. Reclip.Me locates every person, work and idea in the text, keeps the time it is first named, and quotes the words around it verbatim. Last updated June 28, 2025.