由于新冠疫情的影響，現在全球各國對呼吸機的需求量快速增長，醫院需要呼吸機來幫助重癥新冠患者保持呼吸，然而，醫院和衛生部門表示，呼吸機的供應跟不上持續上升的病例數量，這促使制造商緊急加速生產更多的呼吸機。

據外媒報道，美國最近與制造商簽署了一個價值超過25億美元的新合同，預計到5月8日，通用電氣、美敦力和其他制造商計劃向美國戰略國家儲備交付6,190臺新呼吸機，到6月1日將要交付29,510臺，而到2020年底時，將要交付137,431臺新呼吸機。

目前，不僅傳統的呼吸機廠商開足馬力，加大生產力度外，像通用電氣、福特汽車、特斯拉、蘭博基尼等汽車廠商也紛紛加入了呼吸機的生產企業行列，就連富士康也聯手美敦力準備在美國威斯康星工廠生產呼吸機。

可即便如此，呼吸機的需求量短期內之內仍然難以滿足。為何呼吸機不會像我們年初緊缺的口罩和額溫槍一樣，在中國制造工廠加足馬力后，一兩個月時間就將產能提升至可以滿足需求的水平呢？

呼吸機需求大，產能低

據公開資料顯示，目前主導呼吸機市場的是國外企業，比如美敦力、德爾格、Vyaire Medical、哈美頓醫療公司、Getinge和飛利浦等。其中，哈美頓、德爾格、Getinge和北京宜安瓜分了全球半數市場。

據ADI中國區醫療行業市場總監彭智峰介紹，呼吸機其實在醫療器械產品分類中是一個需求量不大的產品類別，平常醫院的呼吸內科，一般會有幾臺無創呼吸機，只有ICU病房才會配備有創呼吸機，但數量不會太多。而且呼吸機在醫院內屬于耐用品，一般使用壽命會在六年以上，有的甚至會超過10年。因此，傳統呼吸機廠商每年的產能都不會很大。

比如平常年份，飛利浦每周的產量大概是1000臺左右，意大利的Siare每周產量約為75臺，德國的德爾格和瑞典的Getinge每周產量約200臺，瑞士Hamilton每周產量約為560臺。幾大廠商加起來產能也就2045臺一周。而有機構預計，目前全球的呼吸機缺口可能達到了近百萬臺，面對現在如此大量的需求，產能即便翻倍也難以滿足。

呼吸機生產壁壘高

跟口罩和額溫槍能夠快速提升產能不同，呼吸機的產能很難快速爆發。因為呼吸機的生產壁壘比較高，屬于二類或三類醫療設備。

根據國家藥品監督管理局發布的2017年版《醫療器械分類目錄》，家用呼吸支持設備（非生命支持）、睡眠呼吸暫停治療設備屬于二類醫療器械，一般用于家庭；治療呼吸機（生命支持）、急救和轉運用呼吸機、高頻呼吸機、家用呼吸機（生命支持）屬于三類醫療器械。

圖1：呼吸機分類和管理類別。

根據我國的醫療器械分類標準，第二類是具有中度風險，需要嚴格控制管理以保證其安全、有效的醫療器械；第三類是具有較高風險、需要采取特別措施嚴格控制管理以保證其安全、有效的醫療器械。

按照規定，在我國，第二類、第三類醫療器械實行產品注冊管理。申請第二類醫療器械產品注冊，注冊申請人應當向所在地省、自治區、直轄市人民政府食品藥品監督管理部門提交注冊申請資料。申請第三類醫療器械產品注冊，注冊申請人應當向國務院食品藥品監督管理部門提交注冊申請資料。

這個過程一般需要短則一兩年，長則三到五年的時間，不過，現在疫情期間，有關部門可能會加速審批過程。

除了嚴格的管理標準，呼吸機的供應鏈也很復雜。一臺呼吸機相當于一個精密的氣體輸送工控系統，需要上千個零部件。其中任何一個零部件出現問題，整個設備可能就無法正常運轉了。

圖2：Venteclife的呼吸機零部件拆解圖。

在這些零部件中，比較關鍵的有渦輪風機、傳感器、芯片、電磁閥、氧氣源等等，有的零部件仍然依賴分布在世界各地的國際供應商。

比如，誼安的一位負責人在接受媒體采訪時透露，其關鍵核心元件渦輪均為瑞士進口。還有一些國產呼吸機廠商用的比例閥和比例閥控制器、傳感器等也需要進口。

TE傳感器事業部的Peter Li向<電子發燒友網>透露，最近呼吸機用的傳感器需求量也暴增，未來可能會跟年初的紅外傳感器一樣緊俏。

我國外交部長王毅在4月7日與瑞士聯邦委員兼外長卡西斯通電話還特意提到，希望瑞士能夠大幅增加呼吸機零部件的供給，助力企業提高產量，緩解各國燃眉之急。

另外，據市場傳言，NXP的壓力傳感器目前代理接單的數量已經遠遠大于原廠的排程，缺貨將在Q2都無法得到緩解。

開源方案會緩解呼吸機需求嗎？

為了滿足需求，美敦力在3月31日，正式公布了PB 560呼吸機設計文檔，包括制造夾具，印刷電路板圖紙，多個物料清單（BOM）和3D CAD文件。

4月1日，該公司還發布了軟件源代碼文件。隨后還提供了其他BOM和設備所有信息的最終文檔包。

這樣的開源方案可以緩解呼吸機的需求嗎？可能也未必，因為PB 560的設計在十多年前已經完成了，選用的器件也都是十年前的，現在要是再用這些器件去制造的話，如何購買到這些器件也是一個問題。如果改用其他芯片替代的話，驗證也需要時間。

圖3：美敦力開源的560呼吸機氣動框圖。

圖4：PB 560電源管理PCBA框架圖。

除了傳統呼吸機廠商的開源方案，還有一些動手能力強的網友開始自制呼吸機，并開源出來，比如美國加利福尼亞的 Johnny Lee 的方案是，將低成本CPAP（連續氣道正壓通氣）鼓風機改裝成基礎呼吸機。

圖5：Johnny Lee 的方案實物圖。

需要的材料基本都可以從網上購買到，包括CPAP鼓風機（20美元）、Arduino Nano/Clone開發板（28美元）、直流無刷電動機電子速度控制器、控制開關、可處理5A電流的12V直流電源、霍爾磁傳感器、面罩和管路和空氣凈化裝置等。其中包括鼓風機、面罩、空氣凈化裝置還提供3D打印的圖紙。

圖6：Johnny Lee 的方案原理圖。

除此之外，美國明尼蘇達大學開發設計的Coventor呼吸機已經得到了美國食品和藥物管理局（FDA）的授權可以進行生產了。該項目試圖打造一種可以提供跟現有呼吸機同等水平救生護理能力但成本要低得多的呼吸機，從而起到迅速擴大生產并使需要這些設備的衛生機構負擔得起的目的。

圖7：Coventor呼吸機。

Coventor呼吸機成為了首款獲得FDA緊急使用許可(EUA)的新型呼吸機。EUA，就像它的名字一樣即不是完整的傳統醫療設備批準，而是出于緊急情況而提供的一個臨時授權。

該團隊開發的U of M’s Coventor跟臺式機一般大小，制造成本大概在1000美元左右，相較于傳統呼吸機的2萬~2.5萬美元的價格，這能大大減輕許多醫療機構的負擔。

據悉，醫療設備制造商Medtronic和Boston Scientific都參與了這一呼吸機的設計開發工作。另外，明尼蘇達大學在4月16日宣布他們將Coventor的規格數據對外開源從而使其能在全球范圍內展開生產。

半導體廠商的方案

目前很多半導體廠商和電子產業鏈廠商都為醫療設備制造企業開通了綠色通道，很多廠商都有自己的呼吸機解決方案，比如NXP、Microchip、Maxim、瑞薩等等。

ST的CPAP和呼吸機

連續正氣壓呼吸機（CPAP）保持肺泡開放并防止肺泡在呼氣階段完全塌陷，從而幫助患者呼吸。在CPAP系統中最重要的方面是需要調節氣流控制，以補償高度、面罩移動和泄漏，以及加熱、加濕、氣道呼吸支持等特性。

根據ST官網的介紹，ST的電機控制集成電路可幫助實施非常精確的運動配置文件，減少聲學噪音，提高了患者的舒適性。此外，ST還提供一系列MEMS運動、壓力和濕度傳感器、高性能STM32微控制器、以及高精度運算放大器和低功耗調節器，幫助開發先進的CPAP呼吸機。

圖8：ST的CPAP和呼吸機解決方案。（圖片來源：ST官網）

Maxim的CPAP解決方案

Maxim的CPAP解決方案包括一個小型風機，用于產生一定的正空氣壓力，該氣壓被引入睡眠呼吸暫停癥患者的口腔，保持呼吸道敞開，緩解或消除呼吸暫停癥狀。

該呼吸機包括氣壓可調節風機，氣壓變化由微控制器嵌入式系統控制。嵌入式系統包含空氣監測傳感器和電機控制傳感器。

面罩壓力由輸入傳感器監測，測量溫度、濕度和壓力。與電機相關的傳感器包括：電機繞組電流輸入檢測和電機電壓檢測，此外，還有溫度傳感器等。

系統輸出包括：電機速度、蜂鳴報警或語音報警。

用戶界面主要包括開/關、壓力控制按鈕，壓力指示。對于較昂貴的系統，系統指示可使用背光LED實現，價位較低的系統可使用簡單的信號燈LED。

有些CPAP呼吸機為電池供電的便攜式設計，但大多數采用電網供電(床頭插座)。電網供電設備也可以包括電池備份，以便在斷電時正常工作。

圖9：Maxim的CPAP解決方案，藍色部分Maxim可以提供相應的器件。（圖片來源：Maxim官網）

NXP的呼吸機解決方案

NXP的這個參考設計方案是用來治療睡眠呼吸暫停綜合癥，以房置呼吸系統肌肉阻塞起到的。因為CPAP可以通過持續監控系統壓力與呼吸機電機控制調速相結合來保持恒定氣流。在該解決方案中，NXP可以提供MCU、電源管理、電機驅動和壓力傳感器等芯片。

圖10：NXP的呼吸機解決方案。（圖片來源：NXP官網）

Microchip的呼吸機解決方案

Microchip的呼吸機解決方案采用了dsPIC數字信號控制器，該控制器可以實現多電機控制策略，包括無感BLDC的控制。

圖11：Microchip的呼吸機解決方案。（圖片來源：Microchip官網）

TI的醫療呼吸機解決方案

在醫療呼吸機解決方案中，TI主要提供電機驅動器和電源管理芯片。

圖12：TI的醫療呼吸機解決方案。（圖片來源：TI官網）

瑞薩電子的呼吸機解決方案

圖：瑞薩電子的呼吸機參考方案。

除了這些半導體大廠提供的呼吸機解決方案，國內也有半導體企業提供了一些參考方案，比如安路科技，只是他們的解決方案還只是在與客戶的接洽當中，還沒真正用于量產產品當中。
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