利用開放硬體減輕新冠肺炎對全球衛生系統的負擔

隨著 COVID-19 的迅速蔓延，全球衛生系統因需要診斷、隔離和治療的人數眾多而日益不堪重負。從人員配備、快速可靠的檢測設施到醫院病床和關鍵醫療級設備的可用性，各方面都存在明顯不足。問題的規模和廣度不僅需要醫務人員和科學家等第一線工作人員做出同樣實質的回應，還需要有時間、設施和知識的熟練公眾做出有意義的貢獻，以促進全球的綜合回應。在這裡，我們總結了基於免費和開源科學和醫療硬體(FOSH) 以及個人防護設備(PPE) 的社群驅動方法，這些方法目前正在開發和部署，以支援全球對COVID-19 預防、患者治療和診斷的響應。發佈日期： 2020 年 4 月 24 日

介紹最近幾天和幾週，世界各國政府呼籲工業界解決全球應對新冠肺炎疫情的關鍵缺陷，例如生產更多的個人防護設備 (PPE)、呼吸機和診斷工具 [ 1 , 2 ]。雖然這是任何國家應對疫情的重要組成部分，但現有工業界應對這項挑戰的能力可能不足 [ 3 – 5 ]。此外，這種方法將首先解決相關產業所在地區的短缺問題，而不是全球短缺問題，而且在經濟受到重創的時候，透過這個過程生產的醫療級設備和套件將價格不菲。顯然，產品創新和新穎的製造流程是不可或缺的。

在這裡，獲取急需工具和設備的一種補充途徑是免費和開源（科學和醫療）硬體(FOSH)。 FOSH 遵循開源軟體的精神，其中工具的所有藍圖均在適當的許可下免費提供，以便任何人都可以研究、學習、修改、定制和商業化它們 [ 6,7 ] 。對FOSH的研究和實踐經驗表明，它在災難情況下至關重要的關鍵優勢：基於許多人的貢獻實現快速和分散式開發，這些大多數人都在遠距工作 [ 8,9 ]。考慮到許多受 COVID-19 影響的國家實施的社交距離措施，這是非常有利的。 FOSH 的實施成本通常要低得多 [ 10 ]，並且易於適應本地資源，這是開放硬體方法的另一個關鍵優勢。

最後，或許是最重要的一點，任何新的硬體設計或其改進從定義上來說都是全球可用的。任何具備必要知識、工具和時間的人都可以利用這些知識為其所在社區提供有意義的支持。後者的重要性怎麼強調也不為過：不同的社區在訓練有素的工作人員、醫療耗材和機器以及診斷工具的可用性方面面臨著不同的限制。因此，在一個地方的限制可能在另一個地方並不適用，因此任何全球回應都必須根據當地的實際情況進行調整。在這裡，FOSH 方法的許多好處使其能夠快速進行本地部署，從而可以繞過傳統生產鏈，在受影響地區出現時靈活地為其提供物資。雖然這在世界範圍內都很有用，但對於那些傳統上通信聯繫較少和/或醫療和科學基礎設施通常不太發達的地區來說，它可能尤其重要 [ 11 ]。

支援全球衛生系統的FOSH 方法近年來，科學家、工程師和業餘愛好者越來越多地共同開發和測試大量令人印象深刻的開源和先進工具，這些工具以某種方式涉及現代生物學、醫學和災難應變的各個面向（例如[ 12 – 23 ]）。例如，在 2011 年福島核災發生後，Safecast [ 9 ] 開發了 FOSH 蓋革計數器以及一個開放取用的日誌系統，從而繪製了該地區由公民科學驅動的大規模核污染地圖 [ 9 ]。現在，同一個團隊正在加緊應對 COVID-19 的挑戰 [ 24 ]。與當前情況相關的其他社區驅動的FOSH 設計包括簡單的工具，例如DIY 口罩[ 25、26 ] 或用於調節呼吸機管道氣流的3D 列印閥門[ 27 ]，以及用於診斷的最先進的科學儀器，例如自動移液機器人[ 28 ]、酶標儀[ 29 ] 以及各種醫療工具和用品[ 22 ]。各種進一步的措施正在順利進行中，包括針對 FOSH 呼吸器的眾多設計 [ 30 – 38 ]。在這裡，我們簡要概述了目前可用的設計和正在進行的社區計畫的最新進展，這些計畫旨在利用 FOSH 為全球應對當前危機做出有意義的貢獻（另見方框 1）。在 COVID-19 的特定背景下，我們重點介紹了一組可用的項目，主要圍繞以下內容：

個人防護設備（PPE），如口罩和護目鏡患者治療，重點在於呼吸器診斷工具，並專注於科學設備和測試套件

建築個人防護裝備（PPE）現在購買現成的口罩變得越來越困難，人們自然而然地開始尋找可以作為有用替代品的 DIY 選項。同樣，醫院也快用完了醫務人員專用的個人防護設備 (PPE)，這些設備通常包括口罩和護目鏡，以及專用服裝和手套。在這裡，我們將重點介紹 DIY 口罩和護目鏡（圖 1、表 1）。

首先，重要的是要考慮需要什麼程度的防護。例如，口罩種類繁多，用途和監管標準也各不相同 [ 48-51 ]。一些較簡單的口罩（通常稱為外科口罩）供感染者使用，透過捕捉大飛沫來減少感染的傳播，例如在咳嗽和打噴嚏後。這種口罩很容易在家中製作（例如 [ 52 ]，表 1A），但人們一般不認為它們是一種有效的預防感染的方式 [21、22、35]。儘管如此，有人認為它們可以減少病毒顆粒從感染者體內傳播[ 53 ] 。最近一篇有影響力的論文 [ 54 ] 詳細闡述了這一點，但這項研究並沒有研究 SARS-CoV-2，也沒有研究無症狀攜帶者的可能傳播（另見 [ 55 ]）。另一項針對四名 COVID-19 患者的研究發現，醫用口罩無法有效防止 SARS-CoV2 的傳播 [ 56 ]。是否應建議民眾使用醫用口罩，以及在何種特定情況下使用，仍是一個爭論不休的問題。在撰寫本文時，世界衛生組織 (WHO) 建議：

如果你身體健康，只有在照顧疑似 2019-nCoV 感染者時才需要戴口罩。如果您咳嗽或打噴嚏，請戴上口罩。有關各種口罩的作用和用途的最新摘要，請參閱其官方建議 [ 57 ]。值得注意的是，美國疾病管制中心 (CDC) 目前建議在難以維持其他社交距離措施的公共場所佩戴口罩，尤其是在社區傳播嚴重的地區 [ 58 ]。此外，其他國家也有可能效仿，尤其是在世界重新開放之際。

與醫用口罩不同，所謂的 N95 過濾式面罩呼吸器 (FFR) 旨在為佩戴者提供高水準的保護，例如，醫務人員在照顧感染患者時會使用這種口罩。與醫用口罩不同的是，這種口罩旨在密封以防止空氣從皮膚和口罩之間的縫隙中溜走，並且口罩內含有專門的過濾器，可作為阻擋小至 0.3 微米的顆粒的物理屏障。這仍然比實際病毒（約 0.12 微米）大 [ 59 ]，但比打噴嚏或咳嗽時噴出的大多數飛沫小得多。此類口罩的性能標準受到嚴格監管 [ 48-51 ]，任何 DIY 複製這些口罩的方法都必須仔細參考這些規定，這些規定在各地也可能有所不同。因此，對現有和即將推出的 N95 類 FFR 原型進行受控測試至關重要。此外，如果佩戴不當，它們最終可能和醫用口罩沒什麼用 [ 57 ]。為了保護眼睛，N95 可以與緊身護目鏡或面罩結合使用。

目前，市場上有許多不同類型的口罩DIY 設計，從基於餐巾紙、布或胸罩罩杯的簡單視頻教程（表1A）[ 60-62 ] 到3D 打印選項[ 63 ]，再到同行評審的科學研究中開發和/或測試的設計[ 25、26 ]（圖1）。有些設計非常有效 [ 25 ]，但據我們所知，迄今為止沒有一個完全符合監管標準。不過，隨著設計目前每天都在發布，這種情況可能很快就會改變。表 1B總結了本文撰寫時可用的 DIY N95 項目子集。

或者，醫護人員也可以使用防濺外科口罩（IIR，耐 160 mmHg）和麵罩 [ 42 ]。後者組合可能比 N95 口罩 [ 56 ]更容易達到監管標準，部分原因是它們不需要緊密貼合皮膚。線上搜尋很快就能找到幾種面罩（和 IIR [44]）的設計，相關測試的水平也各不相同 [ 64,65 ]（表 1C、圖1E）。例如，3D Crowd 是一個總部位於英國的公民網絡，正在動員志工生產 DIY 面罩並送到醫院和醫療機構 [ 66 ]。透過「The Big Print」 ，他們已經收集了 37 萬個單位的請求。目前有 5,500 多名志工正在生產其中的 80,000 個。另一種方法是基於現有的全臉呼吸管面罩 [ 67 ]，它可以有效地用作面罩和護目鏡的組合。諸如此類的努力，包括其重要的實驗驗證，都可以透過最少的投資輕鬆擴大規模。與口罩相比，它們也可能更容易消毒以供重複使用 [ 68 , 69 ]。

此外，更專業的個人防護裝備也在積極開發中。這包括用於診斷的DIY 檢測室（檢測前需要在生物安全2 級設施BSL2 中進行病毒滅活，見下文）和DIY 氣霧劑盒，例如用於給患者插管（圖1F、表1D） 。與所有醫療設備一樣，這些也需要監管部門的批准 [ 48-51 ]。

PPE 的建築材料選擇應仔細考慮建築材料。例如，有人認為 3D 列印材料的孔隙率可能使其成為製作口罩的危險選擇，因為它們可能使病毒飛沫長時間存在 [ 68 ]。材料本身可能存在的間隙（例如由於印刷過程中起泡或分層不完美）進一步增加了擔憂的空間。在撰寫本文時，我們尚不清楚上述幾點的可用數據。同樣，在雷射切割零件時，應仔細權衡使用丙烯酸樹脂與使用可與丙烯酸樹脂發生反應的酒精或過氧化氧對其進行消毒的需要。如果可用，並且手邊的雷射切割機可以處理（許多不能），聚碳酸酯或聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PETG) 板材可能是更安全的選擇。可在此處找到 DIY PPE 消毒指南 [ 70 ]。在整個過程中，考慮由於建築過程本身而可能造成的品質變化也很重要。

FOSH 呼吸器呼吸器是一種醫療設備，透過輸送空氣或其他混合氣體來支持或接管患者呼吸。能夠自主呼吸的患者通常透過插管或正壓面罩 (PPM) 的恆定氣流進行治療。在更嚴重的情況下，患者需要插管（將管子插入患者的氣道）。在這種情況下，一些現代呼吸機可以將氣體的釋放與任何剩餘的自然呼吸嘗試同步。在其他情況下，呼吸器可以完全接管（通常與患者鎮靜相結合）。在治療結束時，必須小心地讓患者脫離呼吸器。一般來說，使用呼吸機會帶來感染風險，包括肺炎、肺部損傷和氧中毒。後兩者有時可能與設備使用不當有關（例如氣壓過高和/或氧氣濃度過高）。

從技術角度來看，呼吸器可以簡單到手動操作的壓縮袋（氣囊面罩- BVM），也可以複雜到完全電腦化的機器，可調節氣體壓力、濕度、氣體相對濃度以及循環速率，同時進行即時測量以監測患者狀況。一些較現代的系統增加了這種複雜性，使它們更適合長期使用，因為它們能更好地模擬生理狀況，並可根據患者的特定需求進行調整。美國國立衛生研究院 (NIH) 對呼吸機及其使用進行了概述 [ 71 ]，包括各種介面類型、呼吸機功能和本文未涉及的其他細節。英國最近也發布了自己的醫院用呼吸器規範 [ 72 ]。

目前，醫院對 COVID-19 患者使用非侵入式呼吸系統存在爭議，因為此類系統可能會產生氣溶膠，增加感染他人的風險 [ 73 ]。儘管如此，有些人認為，在某些情況下，非侵入式呼吸系統還是有用的 [ 74 ]，而且隨著情況惡化，此類系統的使用可能會增加。然而，只有侵入式呼吸系統才能在必要時完全接管呼吸。

現在，用於病患照護的呼吸器已經很有限，在不久的將來這種情況可能會更加嚴重 [ 75–77]。目前為解決這一僵局所做的努力包括停止選擇性手術以釋放現有系統 [78 ] 、重新啟用倉庫中棄用的型號，以及呼籲工業界提高產量 [ 1 , 79 ]。同時，世界各地的不同團體正在召集他們的社區來設計 FOSH 解決方案，以幫助提高呼吸器的可用性（圖 2、表 2）。一些例子包括開發完整和獨立的系統 [ 80 , 81 ]、手動呼吸器的自動化 [ 31 , 33 , 37 ] 以及修理現有但停用的設備，例如使用 3D 列印的替換零件 [ 82 , 83 ]。許多計畫都在積極尋找具有不同背景的合作者。有創使用的 FOSH 呼吸器需要實施基於感測器的回饋系統，以測量壓力、二氧化碳和氧氣水平、潮氣量和死腔體積以及空氣濕度。這些都是必要的測量，可以了解機器是否按預期運行，並且不會對患者造成更多傷害。