Low-cost, rapidly deployable emergency mechanical ventilators during the COVID-19 pandemic in a developing country: Comparing development feasibility between bag-valve and positive airway pressure designs

Abstract

The COVID-19 pandemic disrupted the world by interrupting most supply chains, including that of the medical supply industry. The threat imposed by export restriction measures and the limitation in the availability of mechanical ventilators posed a higher risk for smaller, developing countries, used to importing most of their technologies. To actively respond to the possible device shortage, the initiative "Ventilators for Panama" was established and was able to develop two different, non-competing, open-source hardware mechanical ventilator models for emergency use in case of shortages: one based on a bag-valve design and another based on positive airway pressure. The aim of this article is to compare both devices in terms of feasibility and functionality. Results from the functional testing show that both devices perform within specification, as the error percentage is lower than 5% for the desired pressure values and a standard deviation of less than 0.5 for all cases. Clinical Relevance-This study shows the feasibility of quickly deploying two different mechanical ventilator designs for emergency use and their effectiveness.

Design and validation of a low-cost, emergency mechanical ventilator in response to the pandemic caused by Covid-19.

“…Estos componentes fueron escogidos debido a su compatibilidad con la mezcla aire/oxígeno, además de contar con coeficientes de válvula (kv) adecuados para esta aplicación. Una descripción más detallada sobre la selección y la interconexión de estos componentes se puede encontrar en [7], [11].…”

“…En Chile, un ventilador mecánico basado en bolsa auto-expandible fue diseñado y logró superar las pruebas clínicas [6]. En Panamá, en abril de 2021, se culminó el proyecto "Ventiladores por Panamá" en el cual se fabricaron dos prototipos de ventiladores mecánicos: uno basado en la bolsa auto-expandible y uno de tipo presión positiva intermitente [7].…”

“…Con respecto a los modelos desarrollados en Panamá, ambos prototipos presentados en [7] fueron validados mediante pruebas preclínicas en un modelo animal porcino luego de haber pasado por validaciones mediante maniquíes para pruebas respiratorias (Fig. 1).…”

“…Sin embargo, no se utilizaron los componentes más adecuados para el prototipado de un ventilador convencional debido a la falta de insumos y a la fuerte demanda de equipos biomédicos, además de las restricciones de importación por parte de los países fabricantes, tanto de ventiladores como de sus piezas constituyentes. El trabajo presentado en [7] tiene dos diferencias importantes en comparación al resto de los desarrollos hechos en la región consultados: primero, uno de los diseños presentados es un ventilador de tipo presión positiva intermitente, es decir, usa aire y oxígeno a presión en lugar de la bolsa auto-expandible. Segundo, es un diseño open-source (código abierto), con el código fuente, archivos de impresión 3D, placas de circuito y todo lo necesario para su replicación (disponible en [8]).…”

“…El prototipo de VM de presión positiva intermitente desarrollado en [7] fue optimizado con el propósito de mejorar su confiabilidad y su seguridad. Para ello, se implementó un controlador lógico programable (PLC) y se construyó un nuevo diseño estructural, como se observa en la Fig.…”