关于呼吸机的一切

由于世界上新诊断肺炎的确诊病例数已超过100万,各国仍不断听到呼吸机严重短缺的消息。 你为什么需要呼吸机?呼吸机的核心原理是什么?全球呼吸机短缺有多严重?跨国制造公司的老板能及时弥补通风机的产能吗?在这篇文章中,我们将了解呼吸机的一切。 01 首先,你为什么需要呼吸机? 作为一种急性呼吸道传染病,新皇冠肺炎的主要靶器官是我们的呼吸中枢——肺。当病

由于世界上新诊断肺炎的确诊病例数已超过100万,各国仍不断听到呼吸机严重短缺的消息。

你为什么需要呼吸机?呼吸机的核心原理是什么?全球呼吸机短缺有多严重?跨国制造公司的老板能及时弥补通风机的产能吗?在这篇文章中,我们将了解呼吸机的一切。

01

首先,你为什么需要呼吸机?

作为一种急性呼吸道传染病,新皇冠肺炎的主要靶器官是我们的呼吸中枢——肺。当病毒感染变得更加严重时,人类的免疫活动就会变得更加强烈。肺血管的渗透性增加,因此更多的免疫细胞和化学因子进入肺组织。

然而,这一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,患者会出现呼吸困难甚至呼吸衰竭。

新皇冠病毒(来源:RML国家免疫研究所)

一旦发生急性呼吸衰竭,病人将在几分钟内死亡。因此,对于呼吸衰竭的患者来说,呼吸机是一个救命稻草。当然,呼吸机不能治疗新发肺炎,它的功能只是暂时替代病人的自主呼吸功能的全部或部分,从而为病人的免疫系统赢得宝贵的时间。

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在理解了呼吸机的重要性之后,让我们来看看呼吸机是如何工作的。

正常情况下,人体依靠胸腔容积变化引起的压差来呼吸。当我们吸气时,隔膜收缩并向下移动。同时,肋间外部肌肉收缩,肋骨上移。这两个动作导致胸腔容积增加,内部气压小于等于0+气压,因此空气从高气压流向低气压以产生吸力。相反,会产生呼气。

呼吸的关键是压力差(来源:维基)

这种运动以每分钟120次的速度周而复始,产生了我们正常的呼吸。现在你可以深呼吸,感受大自然赋予我们的神奇和奇妙的功能。

简而言之,呼吸的关键是压差。当身体的自主呼吸遇到问题,无法提供这种压差时,就使用呼吸机。

现代呼吸器在供气方面可分为三种类型:第一种类型是通过壁氧管道或钢瓶产生的高压氧气提供气压;第二种是非高压壁氧,它通过压缩机提供所需的空气压力。第三种方法是使用涡轮机吹入空气,室内空以产生所需的空气压力。

这三种方法都是正压通气。基本原理类似于吹气球,但气压的来源不同。

当然,除了提供一定压力的氧气混合气体,呼吸机还需要温度控制和加湿设备以及几个传感器来监测吸入和呼出气体的压力、温度、湿度和其他指标。

根据使用方式的不同,呼吸机可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气管切开术。

这是正压通气呼吸机的示意图(来源:accessmedicine)

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了解了呼吸机的原理后,我们可以进一步了解全球呼吸机短缺的严重程度。

事实上,客观评估全球呼吸机差距并不容易。首先,我们需要知道每个国家的呼吸机数量、呼吸机的地理分布、可用于治疗新诊断肺炎的呼吸机数量、需要呼吸机治疗的患者比例、呼吸机的周转时间以及呼吸机的供应速度和病例的增长率。

首先,让我们看看美国。

在世界上所有国家中,美国的重症监护室财力最雄厚。下图是有力的证据。美国每10万人中有34.7个重症监护室床位,居世界首位。它大约是意大利的3倍,英国的6倍,中国的10倍。

全球重症监护室床位分布情况(资料来源:国家统计局)

同时,美国的呼吸器数量也是世界上最多的。根据美国医院协会2009年的一项调查,美国有62,000台全功能呼吸机在运行。此外,许多医院仍保留着大量老式呼吸机,共计98738台。除了国家战略储备中的12,000套呼吸器外,美国的呼吸器数量超过了170,000套。

单看这个数字,美国呼吸器的短缺似乎并不严重。

然而,应该注意的是,美国的重症监护室占用率通常在60%到70%之间,如果按照这个比率计算,只有40%的呼吸机可以用于治疗新发肺炎。根据这一计算,美国应该有大约70,000台呼吸机可以用来治疗新诊断的肺炎。

但这仍然是一个理想的模式。因为这种流行病的严重程度因州而异。以流行病最严重的纽约州为例。目前,纽约州有超过110,000例确诊病例。

根据纽约州州长科莫之前的通知,纽约州12%的新诊断肺炎患者住院治疗,3%入住重症监护室。如果假设所有进入重症监护室的病人都需要呼吸支持,纽约州至少需要3000台呼吸机。

据州长科莫称,纽约州的呼吸器数量为7000个。如果其中40%用于治疗新诊断的肺炎,纽约州的呼吸机已经处于紧急状态。幸运的是,纽约州昨天收到了中国捐赠的1000台呼吸机。

最近,州长科莫(Tuyuan:官方网站,纽约)非常受欢迎。

这里,我们只考虑了现有患者的呼吸机需求。此前,帝国理工大学的研究人员估计,如果不采取干预措施,美国新发肺炎的死亡人数将达到220万。

最近,根据帝国理工学院的模型和其他全球预测模型,美国白宫得出结论,如果美国严格执行隔离和预防措施,预计到7月底,美国将有10万至20万人死于新诊断的肺炎。

白宫预测模型(来源:白宫)

换句话说,尽管美国拥有世界上最多的呼吸器,但它仍然无法应对疫情。

当然,我们没有计算呼吸机在这里的周转时间。如果考虑这个因素,呼吸机的实际间隙数据将是一个复杂的数学问题。问题的关键是曲线是否能被展平。如果它能被压平,它将大大减轻呼吸机的运行。如果没有,有必要在短时间内增加呼吸机的供应量。

准确计算呼吸机间隙的数量是一个复杂的数学问题(来源:推特)

目前,美国临床专家已经开始制定指南,指导医疗机构在呼吸机短缺的情况下做出取舍。

其他国家的情况甚至不如美国乐观,因为美国有着丰富的家庭背景。

数据显示,英国国民保健系统中的呼吸器数量只有8000个。如果这些呼吸器中有40%可用于治疗新发肺炎患者,那么将有3000多种呼吸器可供使用。从目前英国确诊的近50,000人来看,呼吸器也供不应求。英国国家医疗服务系统预测英国对呼吸器的需求将达到3万。

看看意大利,欧洲流行病的眼睛。由于缺乏呼吸器和病床,意大利医生不得不优先考虑年轻患者。

呼吸机的短缺也导致价格上涨。据英国广播公司报道,英国一台呼吸机的价格从2.7万美元飙升至9.6万美元。

而且在更多的情况下,高价买不到呼吸机。

以色列摩萨德情报机构表示,所有国家都在利用一切手段抢购有限的防毒面具。目前,摩萨德通过各种渠道从国外购买了25000个N95口罩、20000个病毒检测包、1000万个手术口罩和27个口罩。周三,另外160台呼吸机将被运往以色列。

这是一个无休止的评论(来源:推特)

在抢购呼吸器的人群中,除了政府机构,还有许多顶级亿万富翁。《莫斯科时报》报道称,一位俄罗斯顶级大亨在莫斯科郊外的一栋豪华别墅里设立了一个临时诊所,并为其配备了一台呼吸机以应对紧急情况。

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在了解了呼吸机的短缺之后,让我们来看看呼吸机的生产能力。

呼吸机作为一种生命支持设备,不属于医院基本配置中大量配备的产品。例如,在我国,1000张病床医院的呼吸器数量约为50个。

同时,由于呼吸机的使用寿命相对较长,一般可使用8年。因此,在正常情况下,全球呼吸器的年生产能力并不大。世界顶级通风机制造商的月生产能力一般在1000台以内,美国国内通风机制造商的年生产能力约为50000台。

随着通风机的短缺,各种通风机制造商都在努力扩大生产能力。然而,生产能力的扩大也遇到了许多问题。

首先是备件短缺。一台呼吸机大约有400个配件,供应链遍布全球。受疫情影响,核心配件仍供不应求。此外,大多数制造商依赖人工组装呼吸器,熟练的组装人员也供不应求。

世界主要重症监护病房呼吸机制造商(来源:维基)

随着呼吸机制造商生产能力的有限增加,其他制造商也加入了呼吸机制造商的行列。

以英国为例。英国只有几家生产能力非常有限的小型通风机制造商。目前,这些公司正在与其他制造伙伴合作提供产能。与此同时,英国政府向戴森订购了10,000台通风机。

戴森拥有非常先进的家用电器生产线,但从未生产过呼吸机。但戴森并不孤单。他们正与剑桥的一家高科技医疗设备公司合作,开发一种可以快速大规模生产的呼吸机。目前,戴森已经完成了原型的设计,正在等待监管当局的批准。

在这方面,美国走得更远。

3月27日,特朗普宣布开始战时生产许可证,并敦促福特和通用汽车加快生产呼吸器。

特朗普宣布推出战时生产许可证(来源:白宫)

让汽车制造商生产呼吸器并不是为了赶去医院。事实上,汽车制造业可能是地球上最复杂的制造业之一,它具有在短时间内大量生产高科技设备的可靠能力。在历史上,汽车制造商也曾数次成为深度充电,并做出了巨大贡献。以福特为例。第二次世界大战期间,战斗机是在紧急情况下生产的。

为了纪念1970年阿波罗13号的“0+计划”,福特及其合作伙伴将呼吸机攻击项目命名为“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困难。毕竟,一辆汽车大约有3000个零件,而一个通风机大约有400个零件。

通用汽车及其合作伙伴正在加快呼吸器的开发

与此同时,福特并没有从零开始,其合作伙伴通用医疗已经向福特派出了一个专家小组。福特的呼吸机专利来自佛罗里达州的一家小型私人公司——爱龙公司。这家公司专门从事高科技气动生命支持产品的研发,过去每天只能生产2台呼吸机。

与传统的ICU呼吸机相比,Airon呼吸机结构更简单,批量生产速度更快。然而,一些医生对这种呼吸机能否满足新诊断肺炎患者的治疗需求表示担忧。

Airon对这个问题的回答是,目前没有研究表明哪种特定的呼吸机更有利于治疗新诊断的肺炎。爱龙的产品满足了美国食品和药物管理局目前对呼吸器的需求。

据《华盛顿邮报》报道,目前,福特的工作人员已经扫描了300多个部分的通风机,并试图通过计算机模拟找到最有效的组装方法。

与此同时,福特利用其庞大的汽车零部件供应商网络,要求他们生产呼吸机所需的零部件。他们的第一个原型可能会在本周初推出。

福特和通用医疗计划在本月底前生产1500台呼吸机,在7月4日前生产50000台呼吸机。7月初以后,他们的生产能力可以达到每月30,000台。

福特汽车生产通风机的时间表(来源:福特官方网站)

尽管汽车公司正在以最快的速度生产呼吸器,但美国的许多专家仍然担心这些呼吸器的供应可能跟不上疫情的蔓延。

华盛顿大学的专家估计,到4月中旬的高峰期,美国将需要补充32,000个呼吸器。目前,政府只有10,000只股票。到6月1日,美国对呼吸器的需求将下降到2000个。

除了这些正规部队之外,一些非政府组织也在利用自己的力量提供简单的呼吸机,这些呼吸机具有开放的来源和容易获得的原材料。在GITHUB上,你可以看到各种开源呼吸机。

然而,这些开源呼吸机可能更舒适。面对激增的患者,很少有医疗机构能够将这些产品批量用于临床。

开源简易呼吸机(来源:英国广播公司)

总的来说,发达国家正在想方设法解决呼吸机短缺的问题。世界上最严重的问题可能仍在冰川下。

例如,在人口超过1亿的菲律宾,呼吸器的数量只有1263个。此外,非洲有些地区的医疗资源极其匮乏。如果这些国家和地区爆发大规模流行病,后果将是非常灾难性的。

~我希望那些被疫情摧毁的国家能够幸存~

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