Le défi
- Concevoir un ventilateur conforme aux exigences réglementaires
- Facile à fabriquer à partir de composants peu coûteux
- Utilise des pièces génériques faciles à trouver
Solution
- Transducteurs de pression industriels OMEGA série PXM 309
- Transmetteur sur Rails DIN OMEGATXDIN 1620
Résultats
- Conception robuste du ventilateur, adapté aux soins intensifs
- Aucun composant spécialisé ou provenant de la chaîne d'approvisionnement médicale n'est obligatoire
- Faible coût, fabrication et maintenance rapides et faciles
Le défi
La pandémie de COVID-19 a créé une demande mondiale en ventilateurs, avec environ 880 000 unités supplémentaires nécessaires. Les fabricants de respirateurs existants ont du mal à produire suffisamment de respirateurs pour répondre à la demande, principalement en raison de perturbations dans la chaîne d'approvisionnement et d'une diminution des stocks de composants spécialisés.
Pour tenter de combler cette lacune, le Service britannique de réglementation des médicaments et des produits de santé (MHRA) du ministère de la Santé et des Affaires sociales a publié des spécifications techniques pour le développement d'un système de respirateurs « minimalement acceptable » et rapidement fabriqué.
Une équipe d'experts multidisciplinaires de l'Imperial College de Londres a relevé le défi, notamment le Dr Joseph Sherwood, chercheur à la RAEng au département de bio-ingénierie, ainsi que son co-responsable technique, le Dr Michael Madekurozwa, du département de bio-ingénierie, le professeur James Moore, titulaire de la chaire Bagrit en conception de dispositifs médicaux, et le Dr Jakob Mathiszig-Lee, chercheur honoraire et anesthésiste senior au Royal Brompton Hospital.
Cependant, ils ne voulaient pas se contenter de concevoir un ventilateur viable, ils voulaient en construire un qui résoudrait les problèmes fondamentaux sous-jacents liés à la pénurie de ventilateurs.
« La principale raison pour laquelle le défi du ventilateur a été lancé est que les grands fabricants de ventilateurs ne disposaient pas de suffisamment de pièces », a déclaré le Dr Sherwood. « La plupart des modèles existants comportent des vannes proportionnelles et des capteurs de débit complexes, et il n'y en a tout simplement pas assez en stock. »
Le Dr Sherwood a fait remarquer que la plupart des respirateurs sont conçus pour fonctionner avec des vannes proportionnelles provenant d'un seul fournisseur. « C'est là le nœud du problème : il est tout simplement impossible de se procurer un grand nombre de ces vannes », a-t-il déclaré. « Notre approche consistait à offrir les mêmes fonctionnalités que les ventilateurs des unités de soins intensifs, mais en trouvant des composants alternatifs qui ne puiseraient pas dans la chaîne d'approvisionnement des ventilateurs. »
L'équipe s'était également fixé l'objectif ambitieux de concevoir un ventilateur peu coûteux, viable pour une utilisation à long terme au-delà de la crise, et pouvant être fabriqué rapidement et facilement dans différentes parties du monde. S'ils parvenaient à atteindre ces objectifs, ils pourraient aider les pays disposant de budgets et de ressources limités à accéder plus facilement aux ventilateurs dont ils ont tant besoin.
La solution
Le ventilateur conçu par le Dr Sherwood et son équipe, appelé JAMVENT, utilise uniquement des produits standard, aucun n'est conçu sur mesure. Et bon nombre de ces produits, tels que les transducteurs de pression industriels de la série OMEGA PXM 319 et le transmetteur sur rail DIN OMEGA TXDIN 1620, étaient des composants que le Dr Sherwood avait dans son laboratoire et qu'il utilisait pour d'autres projets de recherche.
« Nous n'avions pas le temps de passer commande et d'attendre la livraison, alors nous avons simplement utilisé ce que nous avions », explique le Dr Sherwood, qui précise qu'ils ont assemblé un prototype fonctionnel en trois jours.
Les composants essentiels de la conception du ventilateur sont les soupapes, qui sont de simples électrovannes marche-arrêt fournies par un large éventail de fabricants différents, au lieu des vannes proportionnelles complexes utilisées dans d'autres modèles de ventilateurs. Deux des soupapes contrôlent le mélange d'air et d'oxygène dans un réservoir de deux litres, tandis que la pression est surveillée par un transducteur de pression de la série PXM 319. La valve d'inhalation s'ouvre alors pour délivrer l'air au patient, la pression en aval étant surveillée par un deuxième PXM319.
« La chute de pression à travers la valve est très prévisible sur la base des principes de la dynamique des fluides, ce qui nous permet de calculer très précisément le débit entre le réservoir et le patient », explique le Dr Sherwood. « Cela évite d'avoir à acheter des débitmètres, qui sont également en pénurie. »
La concentration en oxygène de l'air expiré est surveillée à l'aide d'un capteur d'oxygène, et un Omega TXDIN 1620 est utilisé pour amplifier le signal de manière propre. La valve d'expiration présente une faible résistance au débit, ce qui permet une expiration rapide, ce qui est très important lorsque la résistance des poumons est élevée, comme chez les patients atteints de COVID-19.
Le système de ventilation est conçu pour fournir le volume sélectionné par le clinicien pour chaque respiration tout en minimisant la pression dans les poumons. Il fonctionne en mode PRVC (Pressure Regulated Volume Control) et dispose de modes supplémentaires qui peuvent prendre en charge la respiration spontanée et le maintien de la PEP pendant l'aspiration.
De plus, la conception n'utilise pas de masques à valve et ballon, qui sont à la base de la plupart des ventilateurs d'urgence, mais que l'équipe a jugés difficiles à trouver et peu durables. Elle a plutôt opté pour une bouteille de deux litres, qui lui a fourni un volume de gaz compressible suffisant pour obtenir la fonctionnalité dont elle avait besoin.
La flexibilité de la conception permet d'utiliser le ventilateur avec les conduites d'alimentation en gaz des hôpitaux ou avec les pressions plus faibles générées par les concentrateurs d'oxygène. Il s'agissait d'une fonctionnalité importante pour atteindre l'objectif de rendre le ventilateur plus accessible dans les régions du monde où les ressources sont limitées, qui souffrent souvent d'un manque d'accès aux infrastructures d'approvisionnement en gaz.
Les résultats
La plupart des dispositifs médicaux mettent cinq ans à être commercialisés et coûtent entre 30 et 100 millions de dollars. Cependant, un prototype fonctionnel de JAMVENT a été développé avec un budget modeste de 55 000 dollars, auquel s'ajoute la valeur inestimable du temps consacré bénévolement par les nombreuses personnes impliquées dans le projet. Et, en moins d'un mois, l'équipe a démontré les performances obligatoires du programme RMVS de la MHRA. Des plans sont en cours avec plusieurs partenaires industriels pour la fabrication à grande échelle du dispositif.
La conception du JAMVENT est non seulement révolutionnaire en termes de prix abordable et de flexibilité, mais elle répond également à tous les objectifs initiaux de l'équipe, notamment :
- Conception robuste adaptée à une utilisation à long terme
- Répond à toutes les capacités obligatoires pour un ventilateur de soins intensifs
- Facile et peu coûteux à fabriquer (coût estimé des composants : 1 900 $/1 500 £)
- Ne nécessite aucun composant spécialisé ou provenant de la chaîne d'approvisionnement médicale
- Les pièces sont standard et disponibles auprès de divers fabricants
- Électronique simple pour une fabrication et un entretien faciles
- Conception ouverte et modulaire offrant une plus grande flexibilité pour la fabrication locale
« Dans un certain sens, c'était une façon assez innovante d'aborder le problème, car nous ne voulions pas seulement créer un ventilateur d'urgence, nous voulions concevoir quelque chose qui n'ajouterait pas de pression aux fabricants ou aux chaînes d'approvisionnement existants », a déclaré le Dr Sherwood.
Plus qu'innovant, le JAMVENT est décrit par Forbes comme une « merveille d'ingénierie frugale » et une « innovation potentielle qui pourrait changer la donne sur le marché des dispositifs médicaux » et qui « a le potentiel de bouleverser le marché en démontrant une approche supérieure ».
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Écrit par : Dan Schultz
Mise à jour le : 30 octobre 2025
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