隨著 COVID-19 的迅速蔓延，全球衛(wèi)生系統(tǒng)因需要診斷、隔離和治療的人數(shù)眾多而日益不堪重負(fù)。從人員配備、快速可靠的檢測設(shè)施到醫(yī)院病床和關(guān)鍵醫(yī)療級設(shè)備的可用性，各方面都存在明顯不足。問題的規(guī)模和廣度不僅需要醫(yī)務(wù)人員和科學(xué)家等一線工作人員做出同樣實(shí)質(zhì)性的響應(yīng)，還需要有時間、設(shè)施和知識的熟練公眾做出有意義的貢獻(xiàn)，以促進(jìn)全球的綜合響應(yīng)。在這里，我們總結(jié)了基于免費(fèi)和開源科學(xué)和醫(yī)療硬件 (FOSH) 以及個人防護(hù)設(shè)備 (PPE) 的社區(qū)驅(qū)動方法，這些方法目前正在開發(fā)和部署，以支持全球?qū)?COVID-19 預(yù)防、患者治療和診斷的響應(yīng)。
發(fā)布日期： 2020 年 4 月 24 日

介紹
最近幾天和幾周，世界各國政府呼吁工業(yè)界解決全球應(yīng)對新冠肺炎疫情的關(guān)鍵缺陷，例如生產(chǎn)更多的個人防護(hù)設(shè)備 (PPE)、呼吸機(jī)和診斷工具 [ 1 , 2 ]。雖然這是任何國家應(yīng)對疫情的重要組成部分，但現(xiàn)有工業(yè)界應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的能力可能不足 [ 3 – 5 ]。此外，這種方法將首先解決相關(guān)行業(yè)所在地區(qū)的短缺問題，而不是全球短缺問題，而且在經(jīng)濟(jì)受到重創(chuàng)的時候，通過這一過程生產(chǎn)的醫(yī)療級設(shè)備和套件將價格不菲。顯然，產(chǎn)品創(chuàng)新和新穎的制造流程是必不可少的。

在這里，獲取急需工具和設(shè)備的一種補(bǔ)充途徑是免費(fèi)和開源（科學(xué)和醫(yī)療）硬件(FOSH)。FOSH 遵循開源軟件的精神，其中工具的所有藍(lán)圖均在適當(dāng)?shù)脑S可下免費(fèi)提供，以便任何人都可以研究、學(xué)習(xí)、修改、定制和商業(yè)化它們 [ 6、7 ] 。對FOSH的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，它在災(zāi)難情況下至關(guān)重要的關(guān)鍵優(yōu)勢：基于許多人的貢獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)快速和分布式開發(fā)，這些大多數(shù)人都在遠(yuǎn)程工作 [ 8、9 ]。考慮到許多受 COVID-19 影響的國家實(shí)施的社交距離措施，這是非常有利的。FOSH 的實(shí)施成本通常要低得多 [ 10 ]，并且易于適應(yīng)本地資源，這是開放硬件方法的另一個關(guān)鍵優(yōu)勢。

最后，或許是最重要的一點(diǎn)，任何新的硬件設(shè)計或其改進(jìn)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(qū)提供有意義的支持。后者的重要性怎么強(qiáng)調(diào)也不為過：不同的社區(qū)在訓(xùn)練有素的工作人員、醫(yī)療耗材和機(jī)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并不適用，因此任何全球響應(yīng)都必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。在這里，F(xiàn)OSH 方法的諸多好處使其能夠快速進(jìn)行本地部署，從而可以繞過傳統(tǒng)生產(chǎn)鏈，在受影響地區(qū)出現(xiàn)時靈活地為其提供物資。雖然這在世界范圍內(nèi)都很有用，但對于那些傳統(tǒng)上通信聯(lián)系較少和/或醫(yī)療和科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施通常不太發(fā)達(dá)的地區(qū)來說，它可能尤其重要 [ 11 ]。

支持全球衛(wèi)生系統(tǒng)的 FOSH 方法
近年來，科學(xué)家、工程師和業(yè)余愛好者越來越多地聯(lián)合開發(fā)和測試大量令人印象深刻的開源和先進(jìn)工具，這些工具以某種方式涉及現(xiàn)代生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和災(zāi)難響應(yīng)的各個方面（例如 [ 12 – 23 ]）。例如，在 2011 年福島核災(zāi)難發(fā)生后，Safecast [ 9 ] 開發(fā)了 FOSH 蓋革計數(shù)器以及一個開放獲取的日志系統(tǒng)，從而繪制了該地區(qū)由公民科學(xué)驅(qū)動的大規(guī)模核污染地圖 [ 9 ]。現(xiàn)在，同一個團(tuán)隊正在加緊應(yīng)對 COVID-19 的挑戰(zhàn) [ 24 ]。與當(dāng)前形勢相關(guān)的其他社區(qū)驅(qū)動的 FOSH 設(shè)計包括簡單的工具，例如 DIY 口罩 [ 25、26 ] 或用于調(diào)節(jié)呼吸機(jī)管道氣流的 3D 打印閥門 [ 27 ]，以及用于診斷的最先進(jìn)的科學(xué)儀器，例如自動移液機(jī)器人 [ 28 ]、酶標(biāo)儀 [ 29 ] 以及各種醫(yī)療工具和用品 [ 22 ]。各種進(jìn)一步的舉措正在順利進(jìn)行中，包括針對 FOSH 呼吸機(jī)的眾多設(shè)計 [ 30 – 38 ]。在這里，我們簡要概述了當(dāng)前可用的設(shè)計和正在進(jìn)行的社區(qū)項(xiàng)目的最新進(jìn)展，這些項(xiàng)目旨在利用 FOSH 為全球應(yīng)對當(dāng)前危機(jī)做出有意義的貢獻(xiàn)（另見方框 1）。在 COVID-19 的特定背景下，我們重點(diǎn)介紹了一組可用的項(xiàng)目，主要圍繞以下內(nèi)容：

個人防護(hù)設(shè)備（PPE），如口罩和護(hù)目鏡患者治療，重點(diǎn)關(guān)注呼吸機(jī)診斷工具，重點(diǎn)關(guān)注科學(xué)設(shè)備和測試套件

建筑個人防護(hù)設(shè)備（PPE）
現(xiàn)在購買現(xiàn)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(xiàng)。同樣，醫(yī)院也快用完了醫(yī)務(wù)人員專用的個人防護(hù)設(shè)備 (PPE)，這些設(shè)備通常包括口罩和護(hù)目鏡，以及專用服裝和手套。在這里，我們將重點(diǎn)介紹 DIY 口罩和護(hù)目鏡（圖 1、表 1）。

首先，重要的是要考慮需要什么級別的防護(hù)。例如，口罩種類繁多，用途和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)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，通過捕捉大飛沫來減少感染的傳播，例如在咳嗽和打噴嚏后。這種口罩很容易在家制作（例如 [ 52 ]，表 1A），但人們一般不認(rèn)為它們是一種有效的預(yù)防感染的方式 [21、22、35]。盡管如此，有人認(rèn)為它們可以減少病毒顆粒從感染者體內(nèi)傳播[ 53 ] 。最近一篇有影響力的論文 [ 54 ] 詳細(xì)闡述了這一點(diǎn)，但這項(xiàng)研究并沒有研究 SARS-CoV-2，也沒有研究無癥狀攜帶者的可能傳播（另見 [ 55 ]）。另一項(xiàng)針對四名 COVID-19 患者的研究發(fā)現(xiàn)，醫(yī)用口罩無法有效防止 SARS-CoV2 的傳播 [ 56 ]。是否應(yīng)建議公眾使用醫(yī)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(wèi)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(guān)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，美國疾病控制中心 (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(qū)傳播嚴(yán)重的地區(qū) [ 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(yī)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平的保護(hù)，例如，醫(yī)務(wù)人員在照顧感染患者時會使用這種口罩。與醫(yī)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，并且口罩內(nèi)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(shí)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(shù)飛沫小得多。此類口罩的性能標(biāo)準(zhǔn)受到嚴(yán)格監(jiān)管 [ 48-51 ]，任何 DIY 復(fù)制這些口罩的方法都必須仔細(xì)參考這些規(guī)定，這些規(guī)定在各地也可能有所不同。因此，對現(xiàn)有和即將推出的 N95 類 FFR 原型進(jìn)行受控測試至關(guān)重要。此外，如果佩戴不當(dāng)，它們最終可能和醫(yī)用口罩沒什么用 [ 57 ]。為了保護(hù)眼睛，N95 可以與緊身護(hù)目鏡或面罩結(jié)合使用。

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

或者，醫(yī)務(wù)人員也可以使用防濺外科口罩（IIR，耐 160 mmHg）和面罩 [ 42 ]。后一種組合可能比 N95 口罩 [ 56 ]更容易達(dá)到監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，部分原因是它們不需要緊密貼合皮膚。在線搜索很快就能找到幾種面罩（和 IIR [44]）的設(shè)計，相關(guān)測試的水平也各不相同 [ 64,65 ]（表 1C、圖1E）。例如，3D Crowd 是一個總部位于英國的公民網(wǎng)絡(luò)，正在動員志愿者生產(chǎn) DIY 面罩并送到醫(yī)院和醫(yī)療機(jī)構(gòu) [ 66 ]。通過“The Big Print” ，他們已經(jīng)收集了 370,000 個單位的請求。目前有 5,500 多名志愿者正在生產(chǎn)其中的 80,000 個。另一種方法是基于現(xiàn)有的全臉呼吸管面罩 [ 67 ]，它可以有效地用作面罩和護(hù)目鏡的組合。諸如此類的努力，包括其重要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，都可以通過最少的投資輕松擴(kuò)大規(guī)模。與口罩相比，它們也可能更容易消毒以供重復(fù)使用 [ 68 , 69 ]。

此外，更專業(yè)的個人防護(hù)裝備也在積極開發(fā)中。這包括用于診斷的 DIY 檢測室（檢測前需要在生物安全 2 級設(shè)施 BSL2 中進(jìn)行病毒滅活，見下文）和 DIY 氣霧劑盒，例如用于給患者插管（圖 1F、表 1D）。與所有醫(yī)療設(shè)備一樣，這些也需要監(jiān)管部門的批準(zhǔn) [ 48-51 ]。

PPE 的建筑材料選擇
應(yīng)仔細(xì)考慮建筑材料。例如，有人認(rèn)為 3D 打印材料的孔隙率可能使其成為制作口罩的危險選擇，因?yàn)樗鼈兛赡苁共《撅w沫長時間存在 [ 68 ]。材料本身可能存在的間隙（例如由于打印過程中起泡或分層不完美）進(jìn)一步增加了擔(dān)憂的空間。在撰寫本文時，我們尚不清楚上述幾點(diǎn)的可用數(shù)據(jù)。同樣，在激光切割零件時，應(yīng)仔細(xì)權(quán)衡使用丙烯酸樹脂與使用可與丙烯酸樹脂發(fā)生反應(yīng)的酒精或過氧化氧對其進(jìn)行消毒的需要。如果可用，并且手邊的激光切割機(jī)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?？稍诖颂幷业?DIY PPE 消毒指南 [ 70 ]。在整個過程中，考慮由于建筑過程本身而可能造成的質(zhì)量變化也很重要。

FOSH 呼吸機(jī)
呼吸機(jī)是一種醫(yī)療設(shè)備，通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通過插管或正壓面罩 (PPM) 的恒定氣流進(jìn)行治療。在更嚴(yán)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(xiàn)代呼吸機(jī)可以將氣體的釋放與任何剩余的自然呼吸嘗試同步。在其他情況下，呼吸機(jī)可以完全接管（通常與患者鎮(zhèn)靜相結(jié)合）。在治療結(jié)束時，必須小心地讓患者脫離呼吸機(jī)。一般來說，使用呼吸機(jī)會帶來感染風(fēng)險，包括肺炎、肺損傷和氧中毒。后兩者有時可能與設(shè)備使用不當(dāng)有關(guān)（例如氣壓過高和/或氧氣濃度過高）。

從技術(shù)角度來看，呼吸機(jī)可以簡單到手動操作的壓縮袋（氣囊面罩 - BVM），也可以復(fù)雜到完全計算機(jī)化的機(jī)器，可調(diào)節(jié)氣體壓力、濕度、氣體相對濃度以及循環(huán)速率，同時進(jìn)行實(shí)時測量以監(jiān)測患者狀況。一些更現(xiàn)代的系統(tǒng)增加了這種復(fù)雜性，使它們更適合長期使用，因?yàn)樗鼈兡芨玫啬M生理狀況，并可根據(jù)患者的特定需要進(jìn)行調(diào)整。美國國立衛(wèi)生研究院 (NIH) 對呼吸機(jī)及其使用進(jìn)行了概述 [ 71 ]，包括各種接口類型、呼吸機(jī)功能和本文未涉及的其他細(xì)節(jié)。英國最近也發(fā)布了自己的醫(yī)院用呼吸機(jī)規(guī)范 [ 72 ]。

目前，醫(yī)院對 COVID-19 患者使用非侵入式呼吸系統(tǒng)存在爭議，因?yàn)榇祟愊到y(tǒng)可能會產(chǎn)生氣溶膠，從而增加感染他人的風(fēng)險 [ 73 ]。盡管如此，一些人認(rèn)為，在某些情況下，非侵入式呼吸系統(tǒng)還是有用的 [ 74 ]，而且隨著情況惡化，此類系統(tǒng)的使用可能會增加。然而，只有侵入式呼吸系統(tǒng)才能在必要時完全接管呼吸。

現(xiàn)在，用于患者護(hù)理的呼吸機(jī)已經(jīng)很有限，在不久的將來這種情況可能會更加嚴(yán)重 [ 75–77]。當(dāng)前為解決這一僵局所做的努力包括停止選擇性手術(shù)以釋放現(xiàn)有系統(tǒng) [78 ] 、重新啟用倉庫中棄用的型號，以及呼吁工業(yè)界提高產(chǎn)量 [ 1 , 79 ]。與此同時，世界各地的不同團(tuán)體正在召集他們的社區(qū)來設(shè)計 FOSH 解決方案，以幫助提高呼吸機(jī)的可用性（圖 2、表 2）。一些示例包括開發(fā)完整和獨(dú)立的系統(tǒng) [ 80 , 81 ]、手動呼吸機(jī)的自動化 [ 31 , 33 , 37 ] 以及修理現(xiàn)有但停用的設(shè)備，例如使用 3D 打印的替換零件 [ 82 , 83 ]。許多項(xiàng)目都在積極尋找具有不同背景的合作者。有創(chuàng)使用的 FOSH 呼吸機(jī)需要實(shí)施基于傳感器的反饋系統(tǒng)，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(jī)器是否在按預(yù)期運(yùn)行，并且不會對患者造成更多傷害。