有关呼吸机的一切

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。 

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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。

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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）

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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。

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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

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