Aç, Kapat, Ölç

Sene 2007, araba lastiklerinin nitrojen ile otomatik şişirilmesi ile ilgili olarak Ankara Ostim’de bir firma için freelancer olarak elektronik kart tasarlıyorum. Hisarüstü’ndeki bahçeli gecekonduya getirdiğim 10 barlık yağlı bir kompresör ve bir yedek lastik ile yaklaşık 2 yıl süren çalışma sonucunda ortaya çıkan kontrol kartı ve algoritma — o zamanki benzin istasyonlarında bulunan , firmanın da distribütörlüğünü yaptığı , Avustralya kökenli otomatik lastik şişirici cihazdan farklı olarak — bisiklet ya da kamyon farketmeksizin, her ebatta lastiği, hızlı ve güvenli şekilde şişirebiliyor.

Şişirilecek lastiğin, bir nevi elastik direncini hesaplayarak ve kulakları çınlasın Kadri Özçaldıran hocamın kontrol dersleri sayesinde, gerekli PID katsayılarını otomatik ayarlayarak, hedef basınç değerine olan süreyi tahminleme suretiyle şişirme işlemini gerçekleştiriyor. Minik iterasyonlarla… valfi aç , valfi kapat, basıncı ölç..

Karşılığını -o zamanlar- alamadığımı düşündüğüm bu işin sonucunda, patenti alınan ve hala ihracatı yapılan bir cihaz ortaya çıkıyor. Benzer bir konuda 10 yıl çalışmayacağıma dair bir anlaşma imzalayarak, tüm donanım ve yazılım dosyalarını teslim ediyorum.

Nefes Al , Nefes Ver, Bekle..

Tarih 24 Mart 2020. BBC’de şu haber geçiyor. İtalya’da 72 yaşındaki rahip Giuseppe Berardelli, kasaba halkının kendisi için aldığı solunum cihazını tanımadığı bir gence verdikten sonra vefat etti. Aklıma yakınlarım geliyor. Türkiye’de yeterli sayıda ventilatör var mı? Olası bir acil durumda bu ventilatörlere ulaşılabilir mi? Bir ventilatör nedir , ne kadar zor olabilir ? Lastik şişirmekten farkı nedir? Uyku tutmuyor.. Nefes al, nefes ver, düşün..

İlk araştırmalarımın sonucunda; tüm fonksiyonları olan bir ventilatörün oldukça karmaşık ve fiyatı 10 bin dolarlardan başladığını öğreniyorum. Peki belli bir amaca hizmet eden , gündelik parçalardan oluşan bir ventilatör yapılamaz mı? Soruyu tanımlayabilirsem başlayacağım.. Bir kaç hafta sonra sorumu buluyorum: En yalın ventilatör nasıl olmalıdır?

Ventilatör Problemi (En yalın ventilatör nasıl olmalıdır?)

Bir ventilatör düşünün ki;

Yapımı basit olsun. 3D yazıcılardan çıkan parçalar kullanılmasın. Sürekliliği ve güvenilirliği kanıtlanmış standart parçalardan oluşsun. Kısa sürede üretilebilsin. Gereksiz hiç bir aksam ve fonksiyonu olmasın. Cihazı kullanmak için minimum sayıda ve asgari bilgi düzeyinde sağlık çalışanı yeterli olsun. Erişimi kolay olsun. Yanlış kullanıma izin vermesin. Ve tabi ki tüm tıbbi acil durum ventilatör gereksinimlerini (https://www.gov.uk/government/publications/coronavirus-covid-19-ventilator-supply-specification/rapidly-manufactured-ventilator-system-specification) karşılasın.

Açık kaynak ya da değil, en temel bir ventilatörlerde bile set edilmesi gereken en az 4 değer var. Ve ticari bir ventilatör ortalama 100–200 parçadan oluşuyor.

Aklımdaki ventilatör ise — hala düşüncem değişmedi- düğmesiz, hastanın ciğerini tanıyan bir cihaz. Basınç ve hacim değerlerini, nefes alıp verme oranını , solunum periodunu ve oksijen yüzdesini kendisi ayarlayabilen, ya da en fazla, hastanın durumuna göre, hastalığın fazını ve ventilatör çalışma modunu seçmek amacıyla bir ya da iki düğmesi olan ve 20–30 standart mekanik parçadan oluşan bir ventilatör.

Covid-19 ile birlikte Dünyada 100’den Fazla Ventilatör Projesi Ortaya Çıkıyor.

Covid-19 salgını sonrası ventilatör ihtiyacı nedeniyle (ki bazı afrika ülkelerinde sayılarının 2–3 adet olduğunu okumuştum), dünyada çoğu açık kaynak 100’den fazla proje ortaya çıkıyor.

Aşağıda NASA’nın ürettiği ventilatör, ön yüzü gördüğümüz kadarıyla en yalınlarından.

Açık kaynak projelerin yüzde 90’ı , BVM (Balon Valf Maske) ya da Ambu set denilen plastik suni solunum hacimlerin sıkıp bırakılmasıyla ilgili. Ambu set, üzerindeki valfler , hortumlar ve hazneler ile hazır bir mekanik çalışma ortamı sağlıyor. Ancak çoğu sağlık uzmanı , gerekli kontrol şartlarını sağlayamaması nedeniyle, Covid-19 vakalarında faydadan çok zarar vereceği görüşünde.

100’den fazla açık kaynak ventilatör projesine aşağıdaki linkten ulaşılabiliyor.

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1inYw5H4RiL0AC_J9vPWzJxXCdlkMLPBRdPgEVKF8DZw/edit#gid=0

Projeleri detaylı incelediğinizde sadece 1–2 tanesinin yoğum bakım ünitesi standartları seviyesine yaklaşabildiğini görebiliyoruz.

Ne var ki çok kişinin çözüm için uğraşması problemin çözüldüğü anlamına gelmiyor.

Bir de , neredeyse her ülkede devlet desteğiyle ventilatör üretme misyonunu yüklenmiş büyük firmalar var. Büyük firmalar, paydaşlarıyla, onlar da kendi alanlarında uzmanlaşmış küçük küçük firmalarla çalıştıklarından, tedarik ve üretim zinciri sonunda 5–10 bin dolar maliyetleri bulan, karmaşık ve ulaşılması güç cihazlar ortaya çıkması muhtemel.. ya da onaylı bir cihazın hiç üretilememesi…

Dünyadaki en başarılı örneklerden biri olarak, ülkemizdeki küçük bir ventilatör girişiminin , devlet koordinasyonuyla, alanlarında uzman (ve bu projede kar göz etmeyen) özel ve kamu kuruluşlarıyla buluşturularak, bir aydan kısa süre içerisinde, çok fonksiyonlu ve yüksek teknoloji ürünü bir ventilatörün seri üretime geçirilmesini gösterebiliriz.

Mayıs ayı sonuna kadar 5bin adet üretilmesi planlanan bu ventilatörlerin bir kısmı, Türkiye’nin şu an ihtiyacı olmadığından, diğer ülkelere bağış yapılmakta ve ihraç edilmekte.

Yalın ventilatör problemimize dönecek olursak;

Küçük meraklı bir tekne, büyük gemilerden hızlı yön değiştirebilir ve daha çok şey keşfedebilir.

Öyleyse küçük düşünmek gerek bazen.. hem de çok küçük.

İlk Denemeler

Evde , oksijen yoğunlaştırıcı dahil, ihtiyacım olan hemen herşey var. Yıllardır kullandığım envai çeşit mikroişlemci , Raspberry pi modüller, pnömatik rakorlar, valfler, 12 yıllık bir kompresör ve -belirtmeden geçemeyeceğim- hayata geçememiş bir otopark araç sayım projesinden kalan, araçların yoldaki hortumların üzerinden geçerek oluşturduğu küçük basınç farklarını ölçmek için kullandığım 100cm-H2O ve 20cm-H2O basınç aralıklarında çalışan sensörler (MPXV5010DP ve MPVX7002DP) var ki bu sensörler , havayolu basıncını ve akışını ölçmek için bu ülkede ve dünyanın çoğu yerinde “ulaşılabilir” yegane sensörler.

İlk yaptığım prototip:

Henüz test ciğerlerin ne kadar önemli olduğunun farkında değil iken, elimdeki doğrudan çekmeli valfleri test etme amaçlı yaptığım bir prototip.

Gerçekçi bir test için ise, akciğer direncinin (havanın sürtünmesi ) ve kompliyans’ının (birim basınç değişimine karşı gösterdiği hacim değişimi ) bilinen değerlerde olması gerekiyor.

Sonraki denemelerimde , özellikle aşağıdaki linkteki yazıyı okuduktan sonra, test-ciğerler için cam damacana kullanıyorum.

https://medium.com/@RobertLeeRead/how-to-make-your-own-accurate-test-lungs-for-testing-emergency-ventilators-2d68fe5ac460

Peki mekanik ventilasyon işlemi bu kadar basit mi?

Mekanik Ventilasyon

Öncelikle doktor olmadığımın altını çizerek, bir paragraf ile ventilasyonu özetlemeye çalışacağım:

Diyafram kası, omurilik soğanından gelen sinyallerle, kasılıp gevşeyerek akciğerler içinde basınç farkı oluşturuyor. Bu basınç ile şişip-inen, ortalama 400 milyon alveol ile onları saran kılcal damarlar arasındaki oksijen-karbondioksit değişiminin yetersiz olduğu durumlarda (ki buna Akut Solunum Sıkıntısı Sendromu deniyor) , hastalar (genellikle ilaç ile sakinleştirilip) ventilatöre bağlanarak yaşamsal faaliyetlerini sürdürüyor.

Ventilatör vasıtasıyla, kandaki oksijen basıncı ve solunan oksijen oranı’ nın (PaO2/FiO2) belli seviyelerde tutulması amaçlanıyor.

Pasif solunum sisteminin basınç-hacim matematiksel modeli şu şekilde formülize ediliyor.

Basınç(t)=Hacim(t)/Komplians + Direnç x Akış(t)

Ventilatörlerde sabitlediğiniz değere göre, basınç kontrollü ventilasyon (PCV) ya da hacim kontrollü (VCV) ventilasyon deniyor.

Bir de fonksiyonel olarak, ACV (Assist Kontrol Ventilasyon) , SIMV (Senkron, aralıklı, zorunlu ventilasyon) gibi ana çalışma modları var. Ventilatörün, doğal solunumu algılaması ve hasta ile senkron olması önemli bir özellik.

Yalın da olsa bir ventilatörün test edilmesi gereken , yardım ve zaman gerektiren bir çok parçası var. Eşimin twitter’da rastladığı bir yazı ile, bu parçaları birleştirmektense, bir bütünün bir parçası olma ihtimali ağır basıyor.

CSSALT Ventilatör Çalışma Grubuna Katılmam

Eşimin twitter’da rastladığı bir yazı , Florifa Üniversitesi’nin ventilatör için açık destek çağrısından bahsediyor. Gereksinim dökümanları net ve yalın. Çoğunlukla doktorların ve amatör radyocuların biraraya geldikleri , ulaşılabilir ve FDA (Amerika Gıda ve İlaç İdaresi) onaylı bir ventilatör yapmayı amaçlayan , CSSALT (University of Florida Center for Safety, Simulation, and Advanced Learning Technologies) çalışanlarının yürüttüğü bu gruba üyelik başvurum bir hafta içerisinde kabul ediliyor. Amacım gelişmeleri yakalamak, sensör , mikroişlemciler ve pnömatik tecrübemle ne kadar yardım edebilirim görmek.

Çalışma grubunun hedeflediği ventilatör cihazının şeması:

Ventilatörün tüm gereksinim dökümanlarına buradan ulaşabilirsiniz.

Open-Source Ventilator Project

Temel Ventilatör Problemleri ve CSSALT Çalışma Grubunda Bulunan Bazı Çözümler:

Anestezi uzmanı ve amatör radyocu Gordon Gibby’nin lokomotifliğini yaptığı çalışma grubu çoğu konuda ilerleme sağlamış. PVC borudan hortumlar, arduino mikroişlemci , sensör seçimleri, akış ölçer, yüksek basınç koruma ve anti-boğulma valfleri tamam görünüyor.

PVC hortumları , giriş çıkış portları için sağlam bir alt yapı sunuyor ve ticari ventilatörlerdeki standart 22mm çaplı solunum devreleriyle uyumlu.

Grupta tartışılan 3 ana problem ve bulunan çözümler ise şunlar:

1-Düşük dirençli nefes-verme solenoid valfi sorunu:

Önemli problemlerden biri , nefes-verme tarafında, düşük havayolu dirençli bir valf bulabilmek. 20mm ve üzeri çaplı doğrudan tetiklemeli valfler oldukça pahalı.

Grupta, Marc Alan tarafından sunulan, aşağıda fotoğrafını gördüğünüz çözüm; Rainbird marka bahçe sulama vanası modifiye edilerek, valfin elektrikli solenoid yerine, hava basıncı ile kontrol edilerek, uzaktan pilot uygulamalı valfe dönüştürülmesi. Bu sayede geri tepki basıncı olmayan, düşük dirençli bir valf ortaya çıkıyor. Grupta , Bob Benedict’in yaptığı 2 milyon açma-kapama testi başarılı.

2-Aktif PEEP sensörü:

PEEP (nefes verme sonundaki havayolu basıncının atmosfer basıncından bir miktar üstünde tutulması) alveollerin tamamen boşalıp içe çökmesini engellemek , yeniden şişirilmesini kolaylaştırmak ve oksijen emilini artırmak maksadıyla, solunum sonunda belli bir basınçta(5–10cm-H20 kadar) hava bırakılması anlamına geliyor. Bu PEEP basıncı tamamen mekanik valflerle sağlandığı gibi, aktif olarak, nefes verme valfinin erken kapatılması ile de sağlanabiliyor. Bu yazının da sonraki bölüm başlığının konusu, aktif PEEP problemi üzerine yaptığım çalışmalarla ilgili. Aktif PEEP valfinin avantajı , basınç değerinin hastanın durumuna göre, yazılımsal olarak değiştirilebilmesi.

3-Akış Sensörü:

MPVX7002DP sensörü ve PVC’lerden yapılan Venturi tüp , akış sensörü sorununu çözüyor. Grup’ta Bill Schmidt’in akış sensörü kodunu alttaki linkte bulabilirsiniz.

Aşağıda Bill Schmitt’in akış sensörü kodu.

https://github.com/DRWJSCHMIDT/OSVentFLow

Anti-Boğulma Valfi (PVC Boru üzerine kısmi olarak yapıştırlan bir zar ile yapılıyor) ve 3D ‘den yapılmış yüksek-basınç koruma ve PEEP valfi gruptaki diğer çözümlerden.

3D printer parçalarını saymazsak, içime sinmeyen , ancak müdahale etmek için biraz geç kalınmış 2 şey var, birincisi karakter LCD kullanımı, diğeri ise diferensiyel basınç sensörü yerine BMP280 mutlak basınç sensörlerinin kullanımı.

Yazının bundan sonraki kısmında üzerinde çalıştığım Aktif Peep’ten bahsedeceğim.

Aktif PEEP Çalışmaları

Çalışma grubunun kurucularında Gordon, aktif peep problemine yoğunlaşmış durumda , yaptığı çalışmaları gün bazında paylaşıyor. Gerçekleşen PEEP değeri ile istenilen aktif PEEP değerinde sapmalar var ve dolayısıyla yeni methodlar gelistirecek gönüllüler arıyor. Bu arada kendisi de Adaptive Finite Impulse Response Filter ile sorunu çözmeye çalışıyor.

Aklıma 2007 yılındaki çözüm geliyor. Daha ilk solunumda PEEP basıncını elde etmek için gerekli zamanlamayı verebilecek bir çözüm.

Aktif PEEP Çözümü İçin İlk Deneyler.

Aktif peep uygulaması çok popüler değil, yaptığım her testin sonucunu ulaşabildiğim yayınlanmış makaleler ile teyit ederek ilerliyorum.

Yukarıda 15 litrelik cam damacana ve 8mm çıkış hortumu kullanarak ( 10 ml/cm-H2O kompliyans ve 5cm-H2O/litre/saniye direnç değerlerine sahip bir test akciğeri üzerinde denemeler yapıyorum.) PEEP basıcının üstünde bir değerde valfi kapatıp ölçüm yapıyorum. Aç, Kapa, Ölç. Aç, Kapa, Ölç.. Ve sonunda PEEP basıncını tek solunumda 0.3cm-H2O doğrulukta tahminleyebiliyorum.

Aktif PEEP basıncını tahminlemede bir başka alternatif

Grupta , RC zaman sabitinin (direnç x kompliyans) hesaplamada yardımcı olacak kimsenin olup olmadığı soruluyor. Araştırmalarımı , neredeyse bir grafikten başka, hiç kaynak bulamadığım, zaman katsayısı üzerine yoğunlaştırıyorum.

Tek yapmak gereken “t” için denklemi çözüp mikroişlemci koduna dönüştürmek.

t=RC.ln P/Po

Plato basıncının 0.37 değerine düştüğünde geçen süreyi kaydettiğimizde tam isabet. C program kodunu da burda paylaşayım..

İlk çözümden farklı olarak bu çözümde, valf kapatıldığında, statik PEEP basıncı ilk hesaplanan değerin 5–10cm-H2O üzerine çıkabiliyor. Ancak 4–5 solunumda, hataların toplanması ile istenilen değere yakınsıyor.

Aktif PEEP üzerine Gordon’un da PID ve valf zamanını belli bir fazda kontrol etme ile ifade edilebilcek bir methodu daha var. Hepsi de başarılı denilebilir. Geriye, yoğun testlerinin yapılması ve zaman kalıyor.

Grup kurucusu Gordon Gibby’nin dediğine göre bu gruptaki aktif PEEP ile ilgili çözümlerin The American Society of Anesthesiologists ’de yayınlanması söz konusu. Ve gelecek sonbaharda American Society of Anesthesiologists’e sunulması hedefiyle iki potansiyel özet makale çıkarılıyor.

FDA ventilatörün Acil Durum Yetkilendirilmesi için iki aşamalı bir incelemeden geçiriyor. Nisan ayında onaylanan tasarım incelemesinden sonra ikinci aşamada olan bir dizi yoğun testerden geçmesi gerekiyor.

Gordon, 8 mayıs tarihi itibari ile büyük haberi veriyor.
Her biri 30 ardışık solunum ve 6 farklı ventilatör kontrol stratejisi
için ayrı ayrı gerçekleştirilen onlarca testin hepsi oldukça başarılı geçiyor.
(PEEP basıncı 1cm-H2O doğrulukta ve akış hacimleri %10 ‘dan az sapıyor.)

Mayıs’ın son haftası itibari ile prototip durumda olan kontrol kartı revize edilerek üretilebilir hale geliyor.

Şu an için, parçalarin üretimi ile ilgili FDA’nın beklediği bazı cevaplar ve etkileşimli incelemeler sonrası FDA onayının alınması bekliyoruz.

Düşüncesi bile olağanüstü: Boşa gittiğini düşündüğünüz uğraşılarınızın karşılığını, belki de ilk FDA onaylı , yoğun bakım ünitesi standartlarında ventilatörlerinden birine bir katkıda bulunarak, kimbilir seneler sonra 72 yaşında bir adamın nefesinde almak… Hiç kimse adına yapmadınız ve hiç bir yerde isminiz geçmese bile..

Nefes al, nefes ver , yaşa

İnsan kimi zaman herşeyin bir sonu olduğunu düşünüyor, tüm uğraşlarının boşuna olduğunu…Kimi zamansa — hayatın ne kadar kırılgan ve uçucu olduğunu farkettiğimiz bu günlerde olduğu gibi- bir nefes bile olsa karşılığı , aslında hiç bir uğraşın, hiç bir emeğin, hiç bir şeyin boşuna olmadığını…

İlk aldığımız nefesten son verdiğimiz nefese kadar, hepsi birbiriyle bağlantılıyken , aldıklarımızın toplamının verdiklerimizin toplamına eşit olduğu bir hayatta, sonun bir önemi var mı gerçekten?

Hayatımızda, işimizde sonucunu almadığımızı düşündüğümüz şeylerin hepsinin karşılığını almıyor muyuz aslında. Hem de o anda.

Son olarak, bu yazıya nefes veren, vesile olan herkese teşekkür ederim.

Başkan KALEZADE – Türk Hava Yolları