缺口20萬?只差這套呼吸機方案!

根據世衛組織發布的最新數據，截至北京時間4月1日19時，全球新冠肺炎確診病例累計達872101例，累計死亡43254人，已報告病例的國家和地區共計202個。

按照這個數據來看，拋去約10%的危重症患者，結合一線的治療情況，剩下患者中至少1/3要呼吸機輔助吸氧，短時期內由於不能共享，全球僅目前實際需要的呼吸機預計已超過20萬臺。

呼吸機作為一項能人工替代自主通氣功能的有效手段，已普遍用於各種原因所致的呼吸衰竭、呼吸支持治療和急救復甦中，在現代醫學領域內佔有十分重要的位置。在此次新冠狀病毒引起的肺炎疫情中，呼吸機能幫助呼吸衰竭的患者進行機械通氣，同樣也發揮著重要的作用。

呼吸機的拆解圖（來源：venteclife）

呼吸機根據不同的工作方式有不同的原理，主要有以下幾種：

1、間隙性正壓通氣。這種方式下的吸氣相是正壓，而呼氣相的壓力則為零。依據的工作原理是：呼吸機在吸氣相的時候會產生正壓，患者會將氣體壓入到肺內，當壓力上升到一定的水平時候，或者是吸入的容量達到一定水平，那麼呼吸機就會停止供氣，呼氣閥也會相繼跟著打開，病人的胸廓和肺就會產生被動性的萎陷，產生呼氣。

2、間隙性正、負壓通氣。在這種工作狀態下，呼吸機的吸氣相為正壓，呼氣相則為負壓。所應用的工作原理是呼吸機在吸氣相以及呼氣相的時候均可以起到一定作用。

3、持續型的正壓氣道通氣。這種工作狀態指的是病人在自主呼吸的條件下，以及整個的呼吸周期內，都加以一定的正壓。所應用的工作原理是：吸氣相給予正壓，呼氣相給予阻力，使吸、呼氣相均高於大氣壓。

4、壓力支持通氣。吸氣壓隨吸氣開始，隨吸氣流速減少到一定程度而結束。壓力恆定，受吸氣流速調節，每次吸氣均得到壓力支持，可隨需要不同設定。

誼安醫療AS100系列家用呼吸機

（圖片來源：誼安醫療官網）

現有的呼吸機產品，其主控系統大多基於單片機來實現，對於功能強一些的產品就需要使用高端單片機，這樣使得系統的成本比較高，而且外圍的接口模塊較多，結構複雜。為了更好了解呼吸機市場，小編整理了市場上主流的呼吸機晶片及傳感器設計方案，以饗讀者（如有不足，歡迎補充）。

德州儀器

德州儀器的呼吸機方案設計可幫助創建可靠而精確的通風系統。下一代通風設備通常需要：

1、對閥門、電機和電磁閥進行可靠地控制，以形成不間斷的氧氣流量

2、對流量、溫度和溼度進行精確傳感

3、高效的電源管理和較長的電池壽命

圖片來源：德州儀器官網

此外，德州儀器還有一個整體的呼吸機設計方案，通過對三個電流相位中的至少兩個相位和為電機驅動橋供電的直流總線電壓進行監控，可以實際控制直流電機。

對相電流來說，有兩種方法可以使用：高側或低側。直接相位測量或高側方法需要高速差動放大器或電流並聯監視器，這種方法通常更為精確。低側方法測量接近於半橋接地並使用更為簡單的放大器，雖然成本更低，但是精度也更低。直流電機由離散FET驅動。強烈推薦您使用TI的DRV系列，它提供了具有散熱保護功能的集成驅動器和橋接器，並且體積更小具有更高的精度和效率。

圖片來源：德州儀器官網

微處理器負責執行多個操作，其中包括對壓力信號進行採樣和計算所需的氣道壓力及流量，以便與電機進行通信。要高效實時地完成這些操作，需要高速、低功耗、高度集成的微處理器。高質量DSP可被用於此類應用，同時也能為病患提供極度安靜的環境。

方案連結：

http://www.ti.com.cn/solution/cn/medical-ventilator?variantid=34246&subsystemid=31609#technicaldocuments

恩智浦

恩智浦技術持續正壓氣道通氣(CPAP)呼吸機能夠治療睡眠呼吸暫停綜合症，防止呼吸系統肌肉阻塞氣道。CPAP呼吸機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恆定氣流。

圖片來源：恩智浦官網

方案連結：

https://www.nxp.com.cn/applications/solutions/industrial/healthcare/continuous-positive-airway-pressure-cpap-machine:AIRWAY-PRESSURE-CPAP-MACHINE#0

美信

持續氣道正壓通氣（CPAP）是一種呼吸通氣，最初是為對抗睡眠呼吸暫停而開發的，至今仍是其主要用途。睡眠期間氣道肌肉放鬆時，氣道可能會部分阻塞。這會導致血液中的氧含量降低，並引起深度睡眠的喚醒或喚醒。

美信的呼吸機方案通過提供連續的壓縮空氣源來維持正氣壓，面罩形成了對臉部的密封。只有這種空氣壓力才能保持呼吸道暢通，而不是空氣的實際運動。

圖片來源：美信官網

壓力傳感器將面罩/輸送軟管中施加的空氣壓力反饋給微處理器控制器。該微處理器控制器管理壓縮機的電動級，以保持產生所需氣壓所需的正確風扇速度。系統監視和控制所需的主要子功能可以劃分如下：

1、空氣軟管環境感測涵蓋空氣壓力，但也可能包括空氣溫度，溼度和流速。

2、壓縮機電動機構反饋類似於所有電動機構，必須提供一些反饋以保持轉矩和/或速度控制。通常，必須提供相電流或並聯電流以及轉子反饋。

3、電動機激勵這是產生波形的必要條件，既可以在電動機中感應出電流，又可以產生引起運動的轉矩。

4、與技術人員/醫生的通訊接口這要求能夠顯示信息以及醫療隊的輸入命令和控制項。這可以包括LCD驅動程序和觸控螢幕控制器，以及用於發出聲音通信警報（例如蜂鳴聲和聲音）的手段。

方案連結：

https://www.maximintegrated.com/cn/design/technical-documents/tutorials/4/4685.html

意法半導體

意法半導體的電機控制集成電路幫助實施非常精確的運動配置文件，減少了聲學噪音，提高了患者的舒適性。此外，意法半導體還提供一系列MEMS運動、壓力和溼度傳感器、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。

圖片來源：意法半導體官網

方案連結：

https://www.st.com/zh/applications/medical-and-healthcare/cpap-and-respirators.html

安路科技

安路科技使用EF2M系列SoC晶片作為主控，提出了一種正壓呼吸機的系統控制方案。正壓呼吸機通過增加氣道內壓力的方法將空氣送入肺內，肺內的壓力增大使肺腔擴張。然後減壓，當壓力失去後，肺腔組織的彈性使肺部收縮到原來的形狀，把二氧化碳呼出體外。目前大部分呼吸機都是利用這種增加氣道內壓力的方法給病人送氣的。

一般採用直流電機控制的氣壓，電機的控制為PWM信號，調節PWM信號的佔空比和周期可以控制電機的轉速。FPGA邏輯可以產生高精度的PWM信號，氣壓控制平緩、精準，提供舒適穩定的氣壓。

直流電機工作後將氣流送至面罩內，面罩內有壓力傳感器，壓力傳感器把壓力轉換為電流信號，送到主控板需要通過ADC採集。安路的EF2M45LG144 SoC集成雙ADC，可以採集高達 15 路模擬信號。獲得氣壓數據後對氣流進行回饋調節，可以防止突然間的誤動作、氣管漏氣、以及供電電壓波動帶來的壓力精度偏移。

安路SoC是集成了 FPGA、MCU、ADC和Flash的單晶片系統，框圖如下：

圖片來源：安路科技官網

安路EF2M45LG144 器件在呼吸機系統控制方案上有下面幾個優點：

1、支持高達 114 個通用IO，可以連接按鍵、顯示、通訊等更多外部接口。

2、內置CortexM3 硬核，工作頻率125MHz，集成I2C、SPI、Uart等外設，片內大容量SRAM作為MCU工作需要的ROM、RAM，是一個完備的單片機系統。單片機系統可完成參數設置、數據傳輸、狀態顯示、管理交互等功能。

3、MCU通過AHB總線和FPGA邏輯交互，完成PWM信號的參數配置，逐步調節PWM Step，這樣不會使氣流忽大忽小，讓患者的呼吸系統感到不適。

4、內置ADC，採集高達 15 路模擬信號。

5、內置Flash，存儲MCU程序、FPGA配置，晶片上電後，MCU、FPGA兩個部分都可以啟動工作。

TE

持續正壓通氣（CPAP）呼吸機裝置用於強迫可呼吸空氣進入肺部，在整個呼吸周期內人為地施以一定程度的氣道內正壓。如果病人出現呼吸暫停，CPAP呼吸機可以根據預設的頻率進行必要的機械通氣。TE提供的傳感器方案可以持續精確控制氣流，壓力和溼度，以保持患者的舒適和安全。

氣體流量傳感器

圖片來源：TE官網

氣體流量傳感器設計用於測量進入系統的氧氣水平，以確保充足的空氣供應。TE Connectivity（TE）熱膜式氣體流量傳感器有單向和雙向設計，使得傳感器可進行正向和負向空氣流量測量。

血氧傳感器

圖片來源：TE官網

血氧傳感器可幫助醫生診斷睡眠呼吸暫停。測量血氧濃度是衡量睡眠期間呼吸效率的重要信號之一。有時患者完成呼吸動作，但不吸入足夠的氧氣進入肺部，因此血液中的氧氣濃度顯著降低。血氧傳感器包括專用光電元件和完整的傳感器解決方案。脈搏血氧飽和度測量（SpO2）產品系列包括可重複使用的指夾式探頭，軟矽膠指套探頭和一系列一次性傳感器組件。

板裝式壓力傳感器

圖片來源：TE官網

就性能和準確性而言，壓力測量對CPAP系統至關重要。板裝式壓力傳感器從氣室開始，嵌入裝置的各處。諸如MS4515系列之類的壓力傳感器可以測量壓力並將信息輸送到顯示器，而且比傳統測量更加精確。MS4515壓力傳感器也可用於測量鼓風機後的空氣壓力; 該傳感器與MS5525系列具有小壓力量程，高過載倍數的特點。

測量呼吸壓力對於系統運作至關重要。操作期間，帶泵的呼吸機可檢測到呼吸壓力的變化和振動，如打鼾。呼氣期間的二氧化碳水平可以使用差壓傳感器進行計算。通過使用可以測量2英寸水柱壓力差的差壓傳感器，CPAP系統可以更好地了解患者的二氧化碳輸出以調節輸入壓力。

方案連結：

https://www.te.com.cn/chn-zh/trends/connected-life-health-tech/medical-sensor-technology-and-applications/cpap.html

瑞薩電子

瑞薩電子和IDT攜手，結合瑞薩電子Synergy S7系列高性能MCU和IDT領先的氣體或液體流量傳感器模塊打造CPAP流量傳感器，這種組合適用於CPAP和高速液體流量控制系統。

圖片來源：瑞薩電子官網

由於每個患者自身條件不同，所需的壓力也不相同，通常需要專業的醫護人員結合多項指標才能得到適合病人的壓力，且使用過程中流量的變化也需要準確獲取。因此，精準 、靈敏的流量傳感器是衡量CPAP呼吸機性能的關鍵。

方案連結：

https://www2.renesas.cn/cn/zh/products/synergy/hardware/microcontrollers.html

霍尼韋爾

霍尼韋爾的傳感器方案可以直接應用在呼吸機產品上，幫助控制呼吸機內壓力、氣體流量、溫度和溼度。如下圖：1、2、3為壓力傳感器（不鏽鋼）；4為氣體質量流量傳感器；5和6 為溫度傳感器；7與8為低壓力傳感器（矽）；9為柔性加熱器；10為 溼度傳感器；11為霍爾效應磁傳感器集成電路。

圖片來源：霍尼韋爾官網

方案連結：

https://sensing.honeywell.com/zh-cn/ventilator-application-overview

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