新型コロナウイルス感染拡大に伴い開発が進む「大量生産向けの人工呼吸器」とは？

世界中で感染者が急増している新型コロナウイルス感染症により、人工呼吸器などの医療機器も大量に必要とされています。そのため、医療機器メーカーだけでなく、電気機器メーカーのダイソンや、自動車メーカーであるフォードなども、国の要請を受け人工呼吸器の生産を行っています。大量生産が急務である人工呼吸器について、生産の効率化に焦点を当てた「Mechanical Ventilator Milano(MVM)」を、プリンストン大学の物理学教授であるクリスティアーノ・ガルビアーティ氏らの研究チームが提案しています。

Mechanical Ventilator Milano (MVM): A Novel Mechanical Ventilator Designed for Mass Scale Production in Response to the COVID-19 Pandemics
https://arxiv.org/abs/2003.10405

Physicists unveil new simplified ventilator for COVID-19 patients – Physics World
https://physicsworld.com/a/physicists-unveil-new-simplified-ventilator-for-covid-19-patients/

新型コロナウイルス感染症の重症患者は、多くが肺炎を発症するため、肺に酸素を送り込み、吐き出した二酸化炭素を除去する人工呼吸器が必要とされています。また、人工呼吸器には、供給される酸素の圧力および量を、患者の自然な呼吸に合わせて自動で調節する機能も求められています。

ガルビアティ氏らの研究チームは、2020年3月19日から人工呼吸器の設計に取り組み始め、わずか4日後の2020年3月23日に(PDFファイル)イギリスの医薬品・医療製品規制庁の基準を満たす人工呼吸器、MVMを設計しました。MVMは、ウェストミンスター病院のロジャー・マンリー氏が1961年に設計した人工呼吸器を基にしており、「設計は基本的なものですが、非常に信頼性が高いことが特徴です」とガルビアティ氏は述べています。

以下の画像は1961年にロジャー・マンリー氏が設計した人工呼吸器。

ガルビアティ氏が設計したMVMの3Dモデルが以下の画像。ガルビアティ氏によると、MVMはコンパクトで、市場に出回っているほとんどの人工呼吸器よりも部品が少ない点が特徴として挙げられています。その小ささと部品の少なさから、大量生産が容易になると推測されています。

MVMは、2つの通気弁によって患者に肺の中の酸素の圧力を制御し、それぞれの弁が最高圧力と最低圧力を制御します。なお、MVMは酸素の圧力を制御することは可能ですが、患者の肺の中にある酸素の量を調節することはできません。ガルビアティ氏は、「酸素の圧力と肺の酸素量を両方制御することが、治療で厳密に必要であるかどうかは分かりません。しかし、MVMがイタリアなどの感染者が急増している地域では救命措置として活躍できるでしょう」と述べています。

「何が本当に必要なのかは定かではありません。しかし、私が言えるのは、何の治療も受けられない患者がまだ数多くいるということです。酸素の圧力制御だけの人工呼吸器でも、医療の現場においては価値があるでしょう」とガルビアティ氏は語っています。

ガルビアティ氏らの研究チームは2020年3月20日にMVMの動作テストを行った後、レビュー・改善・実装プロセス高速化のため、科学者や医療関係者に向けて論文を共有するウェブサイト、arXivにMVMの設計と機能を記した論文を公開しました。これにより、2015年にノーベル物理学賞を受賞したアーサー・マクドナルド氏や、アメリカのフェルミ国立加速器研究所、スイスの欧州原子核研究機構からもMVMへの支援が集まっています。

MVMが実用化に向けて進んでいる中、ウイルス感染防止のために外出制限を設ける国が増えており、「本当に十分な速さで人工呼吸器を生産できるかどうか」が問題として挙げられています。マクドナルド氏は、「その答えはまだわかりません。しかし、非常にやる気のある多くの協力者が、MVMの実用化に向けて取り組みを続けています」と語っています。

MVMは、2020年3月28日頃からプロトタイプの製造が開始され、その後は病院への可及的に速やかな導入が予定されています。