缺口20万？只差这套呼吸机方案！

根据世卫组织发布的最新数据，截至北京时间4月1日19时，全球新冠肺炎确诊病例累计达872101例，累计死亡43254人，已报告病例的国家和地区共计202个。

按照这个数据来看，抛去约10%的危重症患者，结合一线的治疗情况，剩下患者中至少1/3要呼吸机辅助吸氧，短时期内由于不能共享，全球仅目前实际需要的呼吸机预计已超过20万台。

呼吸机作为一项能人工替代自主通气功能的有效手段，已普遍用于各种原因所致的呼吸衰竭、呼吸支持治疗和急救复苏中，在现代医学领域内占有十分重要的位置。在此次新冠状病毒引起的肺炎疫情中，呼吸机能帮助呼吸衰竭的患者进行机械通气，同样也发挥着重要的作用。

呼吸机的拆解图（来源：venteclife）

呼吸机根据不同的工作方式有不同的原理，主要有以下几种：

1、间隙性正压通气。这种方式下的吸气相是正压，而呼气相的压力则为零。依据的工作原理是：呼吸机在吸气相的时候会产生正压，患者会将气体压入到肺内，当压力上升到一定的水平时候，或者是吸入的容量达到一定水平，那么呼吸机就会停止供气，呼气阀也会相继跟着打开，病人的胸廓和肺就会产生被动性的萎陷，产生呼气。

2、间隙性正、负压通气。在这种工作状态下，呼吸机的吸气相为正压，呼气相则为负压。所应用的工作原理是呼吸机在吸气相以及呼气相的时候均可以起到一定作用。

3、持续型的正压气道通气。这种工作状态指的是病人在自主呼吸的条件下，以及整个的呼吸周期内，都加以一定的正压。所应用的工作原理是：吸气相给予正压，呼气相给予阻力，使吸、呼气相均高于大气压。

4、压力支持通气。吸气压随吸气开始，随吸气流速减少到一定程度而结束。压力恒定，受吸气流速调节，每次吸气均得到压力支持，可随需要不同设定。

谊安医疗AS100系列家用呼吸机
（图片来源：谊安医疗官网）

现有的呼吸机产品，其主控系统大多基于单片机来实现，对于功能强一些的产品就需要使用高端单片机，这样使得系统的成本比较高，而且外围的接口模块较多，结构复杂。为了更好了解呼吸机市场，小编整理了市场上主流的呼吸机芯片及传感器设计方案，以飨读者（如有不足，欢迎补充）。

德州仪器

德州仪器的呼吸机方案设计可帮助创建可靠而精确的通风系统。下一代通风设备通常需要：

1、对阀门、电机和电磁阀进行可靠地控制，以形成不间断的氧气流量

2、对流量、温度和湿度进行精确传感

3、高效的电源管理和较长的电池寿命

图片来源：德州仪器官网

此外，德州仪器还有一个整体的呼吸机设计方案，通过对三个电流相位中的至少两个相位和为电机驱动桥供电的直流总线电压进行监控，可以实际控制直流电机。

对相电流来说，有两种方法可以使用：高侧或低侧。直接相位测量或高侧方法需要高速差动放大器或电流并联监视器，这种方法通常更为精确。低侧方法测量接近于半桥接地并使用更为简单的放大器，虽然成本更低，但是精度也更低。直流电机由离散FET驱动。强烈推荐您使用TI的DRV系列，它提供了具有散热保护功能的集成驱动器和桥接器，并且体积更小具有更高的精度和效率。

图片来源：德州仪器官网

微处理器负责执行多个操作，其中包括对压力信号进行采样和计算所需的气道压力及流量，以便与电机进行通信。要高效实时地完成这些操作，需要高速、低功耗、高度集成的微处理器。高质量DSP可被用于此类应用，同时也能为病患提供极度安静的环境。

方案链接：

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

恩智浦

恩智浦技术持续正压气道通气(CPAP)呼吸机能够治疗睡眠呼吸暂停综合症，防止呼吸系统肌肉阻塞气道。CPAP呼吸机可以通过持续监控系统压力与呼吸机电机控制调速相结合来保持恒定气流。

图片来源：恩智浦官网

方案链接：

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

美信

持续气道正压通气（CPAP）是一种呼吸通气，最初是为对抗睡眠呼吸暂停而开发的，至今仍是其主要用途。睡眠期间气道肌肉放松时，气道可能会部分阻塞。这会导致血液中的氧含量降低，并引起深度睡眠的唤醒或唤醒。

美信的呼吸机方案通过提供连续的压缩空气源来维持正气压，面罩形成了对脸部的密封。只有这种空气压力才能保持呼吸道畅通，而不是空气的实际运动。

图片来源：美信官网

压力传感器将面罩/输送软管中施加的空气压力反馈给微处理器控制器。该微处理器控制器管理压缩机的电动级，以保持产生所需气压所需的正确风扇速度。系统监视和控制所需的主要子功能可以划分如下：

1、空气软管环境感测涵盖空气压力，但也可能包括空气温度，湿度和流速。

2、压缩机电动机构反馈类似于所有电动机构，必须提供一些反馈以保持转矩和/或速度控制。通常，必须提供相电流或并联电流以及转子反馈。

3、电动机激励这是产生波形的必要条件，既可以在电动机中感应出电流，又可以产生引起运动的转矩。

4、与技术人员/医生的通讯接口这要求能够显示信息以及医疗队的输入命令和控件。这可以包括LCD驱动程序和触摸屏控制器，以及用于发出声音通信警报（例如蜂鸣声和声音）的手段。

方案链接：

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

意法半导体

意法半导体的电机控制集成电路帮助实施非常精确的运动配置文件，减少了声学噪音，提高了患者的舒适性。此外，意法半导体还提供一系列MEMS运动、压力和湿度传感器、高性能STM32微控制器、以及高精度运算放大器和低功耗调节器，帮助开发先进的CPAP呼吸机。

图片来源：意法半导体官网

方案链接：

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芯片作为主控，提出了一种正压呼吸机的系统控制方案。正压呼吸机通过增加气道内压力的方法将空气送入肺内，肺内的压力增大使肺腔扩张。然后减压，当压力失去后，肺腔组织的弹性使肺部收缩到原来的形状，把二氧化碳呼出体外。目前大部分呼吸机都是利用这种增加气道内压力的方法给病人送气的。

一般采用直流电机控制的气压，电机的控制为PWM信号，调节PWM信号的占空比和周期可以控制电机的转速。FPGA逻辑可以产生高精度的PWM信号，气压控制平缓、精准，提供舒适稳定的气压。

直流电机工作后将气流送至面罩内，面罩内有压力传感器，压力传感器把压力转换为电流信号，送到主控板需要通过ADC采集。安路的EF2M45LG144 SoC集成双ADC，可以采集高达 15 路模拟信号。获得气压数据后对气流进行回馈调节，可以防止突然间的误动作、气管漏气、以及供电电压波动带来的压力精度偏移。

安路SoC是集成了 FPGA、MCU、ADC和Flash的单芯片系统，框图如下：

图片来源：安路科技官网

安路EF2M45LG144 器件在呼吸机系统控制方案上有下面几个优点：

1、支持高达 114 个通用IO，可以连接按键、显示、通讯等更多外部接口。

2、内置CortexM3 硬核，工作频率125MHz，集成I2C、SPI、Uart等外设，片内大容量SRAM作为MCU工作需要的ROM、RAM，是一个完备的单片机系统。单片机系统可完成参数设置、数据传输、状态显示、管理交互等功能。

3、MCU通过AHB总线和FPGA逻辑交互，完成PWM信号的参数配置，逐步调节PWM Step，这样不会使气流忽大忽小，让患者的呼吸系统感到不适。

4、内置ADC，采集高达 15 路模拟信号。

5、内置Flash，存储MCU程序、FPGA配置，芯片上电后，MCU、FPGA两个部分都可以启动工作。

持续正压通气（CPAP）呼吸机装置用于强迫可呼吸空气进入肺部，在整个呼吸周期内人为地施以一定程度的气道内正压。如果病人出现呼吸暂停，CPAP呼吸机可以根据预设的频率进行必要的机械通气。TE提供的传感器方案可以持续精确控制气流，压力和湿度，以保持患者的舒适和安全。

气体流量传感器

图片来源：TE官网

气体流量传感器设计用于测量进入系统的氧气水平，以确保充足的空气供应。TE Connectivity（TE）热膜式气体流量传感器有单向和双向设计，使得传感器可进行正向和负向空气流量测量。

血氧传感器

图片来源：TE官网

血氧传感器可帮助医生诊断睡眠呼吸暂停。测量血氧浓度是衡量睡眠期间呼吸效率的重要信号之一。有时患者完成呼吸动作，但不吸入足够的氧气进入肺部，因此血液中的氧气浓度显著降低。血氧传感器包括专用光电元件和完整的传感器解决方案。脉搏血氧饱和度测量（SpO2）产品系列包括可重复使用的指夹式探头，软硅胶指套探头和一系列一次性传感器组件。

板装式压力传感器

图片来源：TE官网

就性能和准确性而言，压力测量对CPAP系统至关重要。板装式压力传感器从气室开始，嵌入装置的各处。诸如MS4515系列之类的压力传感器可以测量压力并将信息输送到显示器，而且比传统测量更加精确。MS4515压力传感器也可用于测量鼓风机后的空气压力; 该传感器与MS5525系列具有小压力量程，高过载倍数的特点。

测量呼吸压力对于系统运作至关重要。操作期间，带泵的呼吸机可检测到呼吸压力的变化和振动，如打鼾。呼气期间的二氧化碳水平可以使用差压传感器进行计算。通过使用可以测量2英寸水柱压力差的差压传感器，CPAP系统可以更好地了解患者的二氧化碳输出以调节输入压力。

方案链接：

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

瑞萨电子

瑞萨电子和IDT携手，结合瑞萨电子Synergy S7系列高性能MCU和IDT领先的气体或液体流量传感器模块打造CPAP流量传感器，这种组合适用于CPAP和高速液体流量控制系统。