众房汇
众房汇,创新让买房更容易

有关呼吸机的一切

- 万物科学说明书© - 阅 1

封面

本文来自微信公众号:万物科学说明书(ID:gh_6b77cf04c1d0),作者:万物,题图来自IC photo


随着全球新冠肺炎确诊病例突破100万,各国呼吸机严重匮乏的新闻不绝于耳。


那么,为什么需要呼吸机?呼吸机的核心原理是什么?全球呼吸机短缺有多严重?跨界制造业大佬能否及时弥补呼吸机产能?这篇文章我们就来看看有关呼吸机的一切。 


01


首先,为什么需要呼吸机? 


作为一种急性呼吸道传染病,新冠肺炎的主要靶向的器官,就是我们的呼吸中枢——肺。当病毒感染加重时,人体免疫活动也会更加激烈。肺部血管的通透性随之增加,以便更多的免疫细胞和化学因子进入肺部组织。


然而,这个过程也会导致大量液体从血管进入肺组织,从而增加呼吸阻力。当这种情况加剧时,患者就会出现呼吸困难,甚至呼吸衰竭。


新冠病毒(图源:NIAID-RML)


一旦发生急性呼吸衰竭,患者会在几分钟之内死亡。所以,对于遭遇呼吸衰竭的病人来说,呼吸机就是救命机。当然,呼吸机并不能治疗新冠肺炎,它的作用只是暂时全部或者部分接替病人的自主呼吸功能,为患者免疫系统赢得宝贵的时间。


02


了解了呼吸机的重要性,我们再来看呼吸机如何工作。


正常情况下,人体依靠胸腔体积变化造成的压力差进行呼吸。当我们吸气时,膈肌收缩,横膈膜向下移动;同时肋间外肌收缩,肋骨上移。这两个动作导致胸腔体积增大,内部气压小于空气压力,于是气体从高气压流向低气压,产生吸气。反之,产生呼气。


呼吸的关键在于压力差(图源:wiki)


这个动作以每分钟12~20次的速度周而复始,就产生了我们正常的呼吸。现在你可以深呼吸一下,感受大自然赋予我们的这个神奇而美妙的功能。


简而言之,呼吸的关键在于气压差。当人体的自主呼吸遇到问题,无法提供这种气压差的时候,呼吸机就派上了用场。


现代呼吸机从气体供应方式上可以分为三种:第一种是由墙壁氧气管道或者钢瓶产生的高压氧气提供气压;第二种是非高压的墙壁氧气,经过压缩机提供所需的气压;第三种方式是,用涡轮机将室内空气鼓入,产生所需的气压。


这三种方式都是正压通气,基本原理都类似于吹气球,只是气体压力来源不同。


当然,呼吸机除了提供一定压力的氧气混合气体之外,还需要控温和加湿设备,以及若干传感器,监测吸入以及呼出气体的压力,温度,湿度等各项指标。


按照使用方式的不同,呼吸机又分为无创呼吸机和有创呼吸机。无创呼吸机使用氧气面罩,而有创呼吸机必须使用气管插管,或者气管切开。


这是一个正压通气呼吸机的原理图(图源:accessmedicine)


03


了解了呼吸机的原理,我们进一步来看,全球呼吸机匮乏到底有多严重。


事实上,要客观评估全球呼吸机的缺口并不容易。首先我们需要知道各个国家呼吸机的保有量,呼吸机的地域分布,可以用于新冠肺炎救治的呼吸机数量,确诊患者中需要呼吸机治疗的比例,呼吸机的周转时间,以及呼吸机的补给速度与病例增长速度。


先来看美国。


在世界所有的国家里,美国在ICU领域的家底是最厚的。下面这张图就是强有力的佐证。美国每10万人的ICU床位为34.7张,居全球之首。大约是意大利的3倍,英国的6倍,中国的10倍。


全球各国ICU床位分布(图源:statista)


同时,美国呼吸机的保有量也是全球第一。根据美国医院协会2009年的一项调查,美国有62000台现役全功能呼吸机。除此之外,不少医院还保留着大量老式呼吸机,总量有98738台。再加上国家战略储备的12000台,美国呼吸机的保有量在17万台以上。


单看这个保有量,美国呼吸机短缺问题似乎并不严重。


但是需要注意的是,美国ICU的占有率通常在60%~70%之间,如果按照这个比例算,能够投入到新冠肺炎治疗的呼吸机可能只有4成。如此算来,美国应该大约有7万台呼吸机可以用于新冠肺炎的救治。


但这仍然是个理想模型。因为美国各州的疫情严重程度差异很大。以疫情最为严重的纽约州为例,目前纽约州的确诊病例已经超过11万。


按照纽约州州长科莫此前的通报,纽约州确诊的新冠肺炎患者中,有12%接受住院治疗,3%进入ICU治疗。如果假定所有进入ICU的患者,都需要呼吸支持,那么纽约州至少需要3000多台呼吸机。


而根据州长科莫的介绍,纽约州的呼吸机保有量为7000台。如果其中4成用于新冠肺炎的救治,那么目前纽约州的呼吸机已经告急。好在昨天,纽约州收到了中国的1000台呼吸机捐赠。


最近异常火爆的州长科莫(图源:纽约州官网)


到这里,我们还只考虑了存量患者的呼吸机需求量。此前帝国理工大学的研究人员预估,如果不采取任何干预措施,美国因新冠肺炎死亡的人数将达到220万。


近期,美国白宫根据帝国理工大学的模型,并结合全球其他预测模型得出:如果美国严格实施隔离和预防措施,那么预计到7月底,美国将有10~20万人死于新冠肺炎。


白宫的预测模型(图源:white house)


也就是说,即便美国有全球最高的呼吸机保有量,面对爆发的疫情,也仍然力不从心。


当然,这里我们并没有计算呼吸机的周转时间。如果考虑这个因素的话,呼吸机的实际缺口数据将是一个复杂的数学问题。问题的关键是能否将曲线拉平,如果能压平,将极大缓解呼吸机的挤兑现象。如果不能,就需要短期内提高呼吸机的供给量。


准确计算呼吸机的缺口数量是个复杂的数学问题(图源:twitter)


目前,美国临床专家已经开始着手制定指南,以便在呼吸机紧缺的状况下,指导医疗如何做取舍。


相比家底雄厚的美国,其他国家的状况就更不乐观了。


数据显示,英国NHS的呼吸机保有量仅为8000台,如果这些呼吸机中有4成可以投入新冠肺炎患者的救治,那么可用的呼吸机将有3000多台。以目前英国接近5万的确诊量来看,呼吸机也非常紧缺。NHS预测,英国呼吸机的需求量将达到3万台。


再看欧洲疫情的风眼意大利。由于呼吸机和医院床位的缺乏,意大利医生不得不优先治疗更年轻的患者。


呼吸机的紧缺,也造成价格水涨船高。BBC报道称,在英国,某款呼吸机的价格从27000美金飞涨到96000美金。


而在更多的情况下,高价也无法买到呼吸机。


以色列摩萨德情报部门称,各国都在利用一切办法抢购有限的呼吸机。目前,摩萨德已经通过各种渠道从国外购买了25,000个N95呼吸面罩,20,000份病毒检测工具包,1,000万个外科口罩以及27台呼吸机。本周三,还将有160台呼吸机被运送到以色列。


这是一条一言难尽的评论(图源:twitter)


呼吸机抢购潮中,除了政府机构之外,还有不少顶级富豪。《莫斯科时报》报道称,一位俄罗斯顶级富豪,在莫斯科郊外的豪华别墅内搭建了临时诊所,并配备了呼吸机,以备不时之需。


04


了解了呼吸机的短缺情况之后,我们再来看呼吸机的产能。


呼吸机作为一种生命支持设备,在医院的基础配置中,并不属于大量配备的产品。比如在我国,1000张床位的医院,呼吸机的装备数量大概在50台左右。


同时,由于呼吸机的寿命相对较长,一般可以使用7~8年。所以常态下,全球呼吸机的年产能并不大。全球最顶尖的呼吸机制造商月产能普遍都在1000台以内,美国本土呼吸机厂商年产能在5万台左右。


随着呼吸机的短缺,各个呼吸机厂商都在努力扩增产能。但是产能的扩增也遇到了不少问题。


首先是配件短缺的问题。一台呼吸机大约有400个左右的配件,供应链遍布全球,受疫情影响,目前核心配件仍然处于短缺状态。此外,大部分厂商的呼吸机装配依靠人工,而熟练的装配工目前也非常缺乏。


全球主要ICU呼吸机生产厂商(图源:wiki)


在呼吸机厂商产能提升有限的情况下,其他制造业厂商也加入了制造呼吸机的大军。


以英国为例。英国本土只有几家小型的呼吸机生产厂商,产能非常有限。目前这些公司正在和其他制造业的伙伴合作,以提供产能。同时,英国政府向戴森订购了10000台呼吸机。


戴森拥有非常先进的家用电器生产线,但从没生产过呼吸机。不过戴森不是孤军助战,他们正在和位于剑桥的一家高科技医疗设备公司合作,开发能够快速量产的呼吸机。目前戴森已经完成了原型机的设计,正在等待监管部门的审批。


在这方面,美国的步子更大。


3月27日,特朗普宣布启动战时生产许可,督促福特和通用汽车两大厂商加紧制造呼吸机。


特朗普宣布启动战时生产许可(图源:white house)


让汽车制造商生产呼吸机并不是病急乱投医。事实上,由于汽车制造业可能是地球上最复杂的制造业之一,具有在短时间内批量生产高科技设备的可靠能力。历史上,汽车制造商也曾若干次成为急先锋,立下汗马功劳。以福特汽车为例,二战期间就应急生产过战斗机。


为了向1970年阿波罗13号太空计划致敬,福特和合作伙伴一起,将这项呼吸机突击项目命名为“阿波罗计划”。


对于汽车制造业来说,制造呼吸机在技术上并不是难事。毕竟一辆汽车的零部件在3000个左右,而一台呼吸机的零部件则有400个左右。


通用汽车正在和合作伙伴加紧开发呼吸机(图源:《华盛顿邮报》)


同时,福特并不是从零做起,合作伙伴GE医疗已经向福特派出了专家团队。而福特要生产的呼吸机专利则来自于佛罗里达一家小型私人公司Airon。这家公司专门从事高科技气动生命支持产品的研发,以往每天只能产出1~2台呼吸机。


Airon的呼吸机相对传统ICU呼吸机,结构更简单,量产速度也将更快。不过对于这种呼吸机是否能满足新冠肺炎患者救治的需求,部分医生表示了一定的担忧。


对于这个问题,Airon公司的回应是,目前没有研究表明哪一种特定呼吸机对于新冠肺炎的救治更有利,Airon公司的产品满足FDA目前对呼吸机的需求。


根据《华盛顿邮报》的报道,目前,福特的工作人员已经扫描了呼吸机的300多个零件,并通过计算机模拟,试图找到最有效的组装方式。


同时,福特利用其庞大的汽车零配件供应商网络,要求他们生产呼吸机所需的零部件。他们的第一台原型机可能在本周初下线。


福特和GE医疗计划到本月底生产1500台呼吸机,在7月4日前生产5万台呼吸机。而7月初以后,他们的产能可以达到每月3万台。


福特汽车生产呼吸机时间表(图源:福特官网)


虽然汽车企业正在以最快的速度生产呼吸机,但是美国不少专家还是担忧,这些呼吸机的供应可能追不上疫情蔓延的速度。


华盛顿大学的专家评估,到四月中旬的高峰时期,美国将需要补充32000台呼吸机,现在政府的库存仅有10000台。而到了到6月1日,美国的呼吸机需求将降至2,000。


除了这些正规军之外,若干民间组织也都在用自己的力量提供开源的,原材料易于获取的简易呼吸机。在GITHUB网站上,就可以看到各种各样的开源呼吸机。


不过,这些开源呼吸机或许安慰的意义更大,面对汹涌而来的病人,很少有医疗机构能够将这些产品批量用在临床上。


一种开源的简易呼吸机(图源:bbc)


总体说来,发达国家都在想尽各种办法解决呼吸机短缺的问题。而这个世界目前真正最严峻的问题可能依然在冰川下。


比如以菲律宾为例,一个人口超过1亿的国家,呼吸机的保有量只有1263台。另外还有医疗资源极端贫乏的非洲地区,如果这些国家和地区爆发大规模的疫情,那么结果将是非常灾难性的。


希望那些饱受疫情摧残的国家,能挺过来~


本文来自微信公众号:万物科学说明书(ID:gh_6b77cf04c1d0),作者:万物

相关文章
  • 虎嗅 解读2018:我们处在一个什么样的技术浪潮当中?
    - 阅 1

    本文来自微信公众号:InfoQ(ID:infoqchina),作者:徐川,编辑:小智。 最近经济寒冬的说法越来越多,身边的互联网企业裁员的也有不少,越是寒冬,我们越需要了解趋势,找准前进的方向。过去几年,互联网各种“风口”此起彼伏

  • 虎嗅 想成为时间的朋友,要问答这四个问题
    - 阅 1

    这两天,罗胖的2018时间的朋友跨年演讲,又成为很多群热议的话题。然而,复读者众,大多数人只不过需要一些金句和新概念武装自己的朋友圈,却鲜少有人真正去探究今年真正的“小趋势”是什么,而这才是走上成为时间的朋友的第一步。

  • 虎嗅 民谣最后的夜晚
    - 阅 3

    来源:北方公园NorthPark(ID:northpark2018) 作者:老月亮 编辑:木村拓周 昨天,张玮玮宣布暂停所有的演出及相关工作,化身新媒体小编开始写公众号了。他的公众号叫“白银饭店”,与他和郭龙正式发行的第一张也是唯一一张专

取消

感谢您的支持,我会继续努力的!

扫码打赏,你说多少就多少
我要打赏

打开微信扫一扫,即可进行扫码打赏哦