Informações
Nível de aprovação pela UnB
Aprovado pela UnB
Nome Completo do Proponente
Daniel Mauricio Muñoz Arboleda
Matrícula UnB
1055917
Unidade acadêmica da UnB
damuz@unb.br
Link Cúrriculo Lattes
Título da Proposta
Desenvolvimento colaborativo de um protótipo de ventilador mecânico de rápida manufatura
Sumário Executivo da Proposta
A proposta consiste na adaptação de um protótipo de ventilador mecânico de hardware aberto e manufatura rápida a um baixo custo que atenda as funcionalidades mínimas indicadas pela Organização Mundial da Saúde [OMS, 2020]. Embora o protótipo a ser construído não objetiva a realização de ensaios clínicos, espera-se gerar conhecimento e ganhar experiência em curto tempo na construção de dispositivos emergenciais que permitam atender a crise de saúde derivada do combate ao COVID-19.
A presente proposta encontra-se em estágio inicial de desenvolvimento e visando atender as características de baixo custo e manufatura rápida, foram aproveitados códigos e projetos CAD de ventiladores mecânicos disponíveis nos repositórios dos grupos ao redor do mundo que já estão trabalhando no assunto. Em particular, o protótipo consiste na automação de ressuscitadores manuais do tipo AMBU, visando controlar e monitorar variáveis tais como pressão, volume e frequência de ventilação. Os designs propostos pelos grupos foram estudados e modificados para usar matérias e componentes de fácil aquisição no Distrito Federal.
Propõe-se um desenvolvimento incremental do protótipo, iniciando por uma primeira versão que permita a demonstração de uma prova de conceito. Posteriormente, a cada iteração, serão realizadas melhorarias no design mecânico e adicionadas funcionalidades para monitoramento das variáveis de interesse. O desenvolvimento será realizado principalmente nos laboratórios da Faculdade de Tecnologia e Faculdade UnB Gama, onde se conta com laboratórios para automação de processos e maquinário para usinagem e fabricação usando impressoras 3D e injeção de plástico. Através da parceria com o Centro Universitário UNICEPLAC (Gama, DF), dispõe-se da possibilidade de realizar ensaios em bancada usando manequim e sistemas de monitoramento disponíveis no curso de medicina. Através da parceria com o IFB, campus Taguatinga, conta-se com o maquinário necessário para corte a laser, usinagem e fabricação de placas de circuito impresso.
Tipo da Proposta
Palavras-chave
Ventilador mecânico, prototipagem incremental
Número de Integrantes da Equipe
17
Nome dos Integrantes da UnB
Alessandro Borges de Sousa Oliveira, Carlos Humberto Llanos Quintero, Flávio José Dutra de Moura, Guillermo Alvarez Bestard, Helmgton José Britto de Souza, Manuel Nascimento Dias Barcelos Júnior, Pablo Josué da Silva Lütkemeyer, Sandra Maria da Luz, Sandro Augusto Pavlik Haddad, Sébastien Roland Marie Joseph Rondineau, Tiago da Silva Trindade, Walter de Britto Vidal Filho, Arthur Queiroz, Daniel Carvalho, Felipe Sobrinho, Mario Pastrana.
Há integrantes externos à UnB?
Sim
Possui apoio de Grupo de Pesquisa Certificado pela UnB no CNPq?
Sim
Nome/Link do Grupo de Pesquisa certificado no CNPq pela UnB
Graco/ www.graco.unb.br, LabMicro (FGA), LabFab (FGA), Graco (FT), Laboratório de Simulação Realística (UNICEPLAC), Laboratório de fabricação mecânica (IFB), Laboratório de fabricação de PCIs (IFB)
Análise do Contexto
Nas últimas semanas, equipes médicas de diversos países têm se enfrentado com o tratamento de pacientes que buscam centros de saúde para combate ao COVID-19 e tem relatado a necessidade urgente de ventiladores mecânicos para tratamento dos casos mais graves. No cenário de colapso do sistema nacional de saúde, a falta deste tipo de equipamento coloca muitas vidas em risco. Algumas estatísticas projetadas para o cenário mundial estimam o número de pacientes requisitando hospitalização, cuidados intensivos e mortes, ante os possíveis cenários a serem adotados pelos governos. No contexto do COVID-19, as estatísticas recentemente publicadas pelo Imperial College [IC, 2020], projetam para o Brasil o seguinte número de pacientes requerendo cuidados intensivos e, provavelmente, precisando de ventilação assistida: (a) 1.527.536 pacientes em um cenário sem mitigação; 831.831 pacientes em um cenário de distanciamento social de toda a população; 702.497 pacientes em um cenário igual ao anterior, mas com reforço do isolamento social da população de risco (redução de 60% do contato social da população maior a 70 anos).
Nesse sentido, diversas equipes de médicos e engenheiros ao redor do mundo iniciaram o desenvolvimento de ventiladores mecânicos que atendam a requisitos mínimos de funcionamento e que sejam de fácil produção e baixo custo [OxyGEN, 2020], [MIT, 2020]. No dia seis de março de 2020, a Organização Mundial da Saúde publicou um DSP (Disease Commodity Package) contendo instruções técnicas para monitoramento, prevenção e controle e tratamento do COVID-19 [OMS, 2020]. Dito manual, na seção “Ventilação de pacientes para cuidado intensivo”, mostra os requisitos e normas que devem ser atendidos pelos ventiladores mecânicos. De forma similar, em vinte de março de 2020, o Departamento de Saúde e Assistência Social do Governo da Inglaterra publicou uma guia técnica “Rapidly manufactured ventilator system specification” contendo os requisitos mínimos (mandatórios) e opcionais que devem ser atendidos na fabricação rápida de ventiladores mecânicos [DHSC UK, 2020]. No documento destacam-se especificações para os modos de ventilação, pressão de inspiração e expiração, duração dos ciclos de inspiração/expiração, frequência respiratória, volume corrente, fornecimento de eletricidade, monitoramento e alarmas, assim como uma sugestão de normas técnicas que harmonizam os requisitos regulatórios. Vale a pena salientar que agências reguladoras de algumas nações do mundo estão avaliando quais requisitos podem ser ‘aliviados’ de forma segura no contexto emergencial em que se encontram os sistemas de saúde. A ANVISA publicou a RESOLUÇÃO - RDC Nº 349, DE 19 DE MARÇO DE 2020 [Anvisa349, 2020], que define os critérios e os procedimentos extraordinários e temporários para tratamento de petições de regularização de equipamentos médicos do tipo ventilador pulmonar nas condições emergenciais atuais. Com o desenvolvimento deste protótipo de ventilador pulmonar mecânico, espera-se procurar o setor empresarial no DF para produzir em quantidade, tornando assim este projeto uma opção no momento de crise extrema.
Breve Fundamentação Teórica
A ventilação mecânica (VM) é usada para tratamento de pacientes com insuficiência respiratória aguda ou crônica, mantendo as trocas gasosas através da correção da hipoxemia (baixa concentração de oxigênio no sangue) e da hipercapnia (aumento do gás carbónico no sangue). A VM faz uso de aparelhos que insuflam as vias aéreas de forma intermitente, geralmente usando ventilação por pressão positiva [CARVALHO, C. et al, 2020]. Os requisitos mínimos a serem atendidos na VM são [DHSC UK, 2020]: operação em modo ventilação; pico de pressão na inspiração (I) não maior a 37 cmH2O; controle sobre a pressão positiva (PEEP) no final da expiração (E) entre 5 e 20 cmH2O; relação E:I igual a 2; frequência respiratória de 10 a 30 rpm; volume corrente de 350, 400 e 450 ml; fornecimento elétrico com bateria para funcionamento por 20 min; monitoramento de volume corrente, frequência, pressão, PEEP e FiO2.
Objetivos e Metas
O objetivo da presente proposta é a construção de um protótipo funcional de um ventilador mecânico baseado na automação de reanimador manual AMBU e operação em modo ventilação, de forma que um volume corrente seja mantido por um fluxo de ar regulado por pressão. O protótipo deve ser de hardware e software aberto e de baixo custo, permitindo que outras instituições e/ou empresas possam replicar o protótipo com facilidade.
Para alcançar o objetivo desta proposta, foram identificadas as seguintes metas:
• Meta 1: Levantamento de especificações técnicas e requisitos regulatórios aplicáveis no desenvolvimento emergencial de dispositivos médicos no combate ao COVID-19.
• Meta 2: Projeto CAD e eletromecânico do ventilador baseado no AMBU. É importante salientar que atualmente a equipe possui duas versões do ventilador mecânico adaptadas a partir de projetos de hardware aberto. Nesta meta devem ser definidos o atuador, o mecanismo de ajuste de velocidade, mecanismo de alimentação dos circuitos eletrônicos, e especificação do banco de bateria.
• Meta 3: Fabricação incremental do protótipo do ventilador mecânico. Diversos protótipos poderão ser construídos em madeira, plástico através de manufatura aditiva usando as impressoras 3D disponíveis na UnB, acrílico usando a plotter laser disponível no IFB, ou através da injeção de plástico através das máquinas de usinagem e da adaptação da máquina de injeção de plástico disponível na FGA.
• Meta 4: Testes em bancada dos protótipos usando manequins e sistemas de monitoramento comerciais disponíveis no curso de medicina do Centro Universitário FACIPLAC.
• Meta 5: Projeto e desenvolvimento do sistema de alarme e monitoramento do ventilador mecânico. Um sistema microcontrolado será encarregado da coleta, processamento e apresentação dos sinais. Espera-se adotar técnicas de fácil usabilidade para monitoramento e apresentação das variáveis de interesse.
• Meta 6: Integração de subsistemas eletromecânico e de monitoramento e alarmes. Ensaios em bancada e usando o simulador realístico da UNICEPLAC.
• Meta 7: Documentação e disponibilização dos CADs e códigos produzidos. Com a ajuda da equipe médica desta proposta, espera-se produzir e disseminar vídeo tutoriais sobre os modos de operação e manuseio de ventiladores mecânicos comerciais. Prospecção de empresas do DF para produção em escala do ventilador pulmonar mecânico.
Metodologia
Será adotada a metodologia de gerenciamento de projeto Scrum com sprints semanais. Ferramentas como Trello e Gitlab serão usados para controle de baklog de produto, das sprints e como repositório do projeto. Reuniões remotas usando o Zoom ou Skype serão realizadas para discussão e planejamento das atividades de cada sprint. A equipe será dividida em seis frentes:
1) Projeto eletromecânico.
2) Projeto do sistema energético
3) Sistema de monitoramento e alarmes.
4) Adequação de laboratórios e prospecção de empresas para produção do ventilador.
5) Validação em bancada nos laboratórios da UNICEPLAC.
6) Documentação e geração de vídeo tutoriais.
Resultados Esperados
Espera-se ao final do projeto ter um protótipo funcional de hardware aberto de um ventilador pulmonar mecânico rapidamente manufaturado e de baixo custo que posteriormente possa ser adequado por empresas do setor de desenvolvimento de equipamentos médicos para o combate ao COVID-19. Adicionalmente, espera-se que o protótipo alcance os requisitos mínimos de operação, funcionalidade e monitoramento, conforme especificado em [DHSC UK, 2020]. Finalmente, espera-se que o projeto permita a geração e disseminação de conhecimento que possibilite a capacitação de mão de obra especializada para atuar no segmento de ventiladores mecânicos.
• Impacto social: O desenvolvimento emergencial de protótipos funcionais de um ventilador pulmonar mecânico de baixo custo pode ajudar na manutenção da vida dos pacientes do Distrito Federal e entorno que requereram cuidados intensivos para o combate ao Covid-19. Adicionalmente, através da execução desta proposta, é possível atender regiões carentes do país, onde as prefeituras não possuem recursos para aquisição de centenas de ventiladores.
• Impacto acadêmico: Espera-se que os protótipos produzidos possam ser usados na Faculdade UnB Gama e na Faculdade de Tecnologia como caso de estudo em disciplinas que abordem aspectos de projeto mecânico, projeto eletrônico, sistemas de automação e controle, engenharia biomédica, entre outros.
• Com a elaboração desta proposta, a UnB, o IFB e a UNICEPLAC poderão sensibilizar potenciais alunos do RIDE, e de outros estados, com apresentações e acesso direto à infraestrutura, para captação de um maior número de alunos na engenharia, garantindo assim a sua excelência.
• Impacto tecnológico: Esta proposta resultará em um sistema baixo custo de ventilação mecânica para o combate ao Covid-19. Isso representa um passo a mais na independência do Brasil em termos de acesso a equipamentos e tecnologia biomédica, que geralmente são importados e vendidos a um alto preço, suprindo assim um dos setores com maiores déficits comerciais. Adicionalmente, o acesso a sistemas mais econômicos propicia a democratização e acesso à tecnologia. No Distrito Federal, este sistema seria de grande importância, pois hoje, poucas instituições têm acesso a um sistema de ventilação mecânica de baixo custo e tecnologia Open Source operacional. Com esse projeto baseado em tecnologia aberta, bem conhecida no mundo acadêmico através das suas redes colaborativas internacionais, as empresas do DF serão expostas a essas tecnologias que lhes são quase sempre desconhecidas, agilizando assim o desenvolvimento da tecnologias essenciais no combate ao Covid-19. Da mesma maneira, o setor acadêmico será exposto à realidade do mundo industrial em um período de crise, extraindo conhecimento e aproveitando a sua agilidade construtiva.
• Impacto econômico: Espera-se que a execução desta proposta permita o "spin-off" de novos empreendimentos no DF e RIDE que, através desse trabalho colaborativo, estará equiparado de um embrião de indústria biomédica especializada em desenvolvimento de ventiladores mecânicos que, mesmo baseados em tecnologia aberta, atenderão aos requisitos da ANVISA a um baixo custo, desafiando o preço dos equivalentes importados.
Área de Conhecimento
Subárea de Conhecimento
Há previsão de Orçamento proveniente na unidade acadêmica?
Não
Cronograma da Execução
Meta 1: Levantamento de especificações técnicas e requisitos regulatórios
1.1 Elaboração de documento com levantamento dos requisitos regulatórios aplicáveis (UnB), Mês: 1
1.2 Elaboração de documento com levantamento dos requisitos técnicos a serem atendidos (UnB), Mês: 1
Meta 2: Projeto eletromecânico
2.1 Projeto CAD do ventilador mecânico (UnB), Mês: 1
2.2 Documento com especificação do projeto mecânico (UnB, IFB), Mês: 1
2.3 Documento com especificação do projeto eletroeletrônico (UnB, IFB), Mês: 1
Meta 3: Fabricação incremental dos protótipos
3.1 Aquisição de componentes eletromecânicos, Mês: 1
3.2 Construção do protótipo prova de conceito em MDF ou impressão 3D (UnB), Mês: 1
3.3 Primeiro refinamento do conjunto eletromecânico, Mês: 1
3.4 Construção dos protótipos em acrílico (IFB), Mês: 1 e 2
3.5 Segundo refinamento do conjunto eletromecânico, Mês: 2
3.6 Adaptação do laboratório de fabricação e da máquina de injeção de plástico (UnB), Mês: 1 e 2
3.7 Usinagem e construção de moldes para injeção de plástico (UnB, IFB), Mês: 2
3.7 Construção do protótipo final em máquina de injeção de plástico (UnB), Mês: 3
Meta 4: Testes em bancada
4.1 Preparação do laboratório de simulação realística (UNICEPLAC), Mês: 1
4.2 Realização das provas e testes em bancada com os protótipos (UNICEPLAC), Mês: 1 e 2
4.3 Elaboração de manual de uso do protótipo (UnB e UNICEPLAC), Mês: 3
Meta 5: Sistema de monitoramento e alarmes
5.1 Documento com especificação do sistema de monitoramento e alarmes (UnB), Mês: 1
5.2 Projeto eletrônico (UnB), Mês: 1
5.3 Aquisição de sensores e componentes diversos, Mês: 1
5.4 Fabricação das placas de circuito impresso (UnB, IFB), Mês: 1, 2 e 3
5.5 Ensaios em bancada (UnB), Mês: 1 e 2
5.6 Ensaios em bancada usando o simulador realístico (UNICEPLAC), Mês: 2 e 3
Meta 6: Integração dos subsistemas
6.1 Primeira integração do conjunto eletromecânico e do sistema de monitoramento e alarmes (UnB, IFB), Mês: 1
6.2 Testes em bancada (UnB, UNICEPLAC), Mês: 1 e 2
6.3 Segunda integração do conjunto eletromecânico e do sistema de monitoramento e alarmes (UnB, IFB), Mês: 2
6.4 Testes em bancada e testes no simulador realístico (UnB, UNICEPLAC), Mês: 2 e 3
Meta 7: Disponibilização e prospecção de empresas
7.1 Elaboração de vídeo-tutoriais sobre uso equipamentos comerciais de ventilação mecânica (UNICEPLAC), Mês: 1
7.2 Prospecção de empresas (UnB, IFB), Mês: 1 e 2
7.3 Disponibilização tecnológica (UnB, empresas), Mês: 2 e 3
7.4 Documentação do avanço do projeto (UnB), Mês: 1, 2 e 3
7.5 Elaboração de relatório técnico final (UnB), Mês: 3
Tempo total de execução previsto
3
