【科技.未來】續命呼吸機缺貨 車廠「轉行」可以救急?

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當升斗市民在搶口罩,新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)患者卻要爭奪另一緊絀的救命資源—呼吸機。上月底有報道指,確診新冠肺炎的72歲意大利神父Giuseppe Berardelli將教區為他購買的呼吸機主動轉贈予年輕患者,自己最終病逝。消息引起廣泛關注。

根據世界衞生組織(WHO),80%的新冠肺炎患者症狀輕微,毋須住院治療,但每六個患者就有一個出現重症和呼吸困難。倫敦帝國學院一份報告估算,因新冠肺炎住院的患者中,有30%可能需要借助機器呼吸。於是,歐美多間大型製造業者近日都主動或被政府要求投身呼吸機生產。然而,這些製造商要從生產汽車、飛機等轉為生產非本行的呼吸機,運作效率和實際效益有多高呢?

新冠肺炎疫情虐肆下,呼吸機的需求大大增加,多處地方都出現短缺的情形。(路透社)

當患者需要借助呼吸機續命時,醫生就會為患者插喉至呼吸道,按患者需要把空氣混合額外氧氣泵入肺部。呼吸機的加濕器可以調整向病人輸送氧氣中的濕度和溫度,保持與患者體溫一致;也可以調校空氣和氧氣輸入肺部的速度、氧氣混合量、每分鐘呼吸的次數、患者呼吸時的空氣潮氣量(tidal volume)等。一些症狀較輕的患者或可不需使用這種侵入式的呼吸機,而是用面罩、鼻罩和口罩等非侵入式呼吸機輔助呼吸。

在現時嚴重的疫情下,全球呼吸機嚴重短缺。美國紐約州州長科莫(Andrew Cuomo)在上月底就公開投訴聯邦政府的呼吸機供應不足:「你選擇了那26,000人去死,因為你只送了400個呼吸機來。」設計和生產呼吸機的困難不在於它們的功能,而是必須確保機器能在高風險的環境下以極其可靠的方式運作。有份設計三款呼吸機開源設計的工程師Mauricio Toro說得直接:「生產它之所以有挑戰性,是因為(呼吸機)無法運作的話,患者很可能會死。」

通用汽車協助Ventec Life Systems生產呼吸機,更成功於本月14日比原定計劃提早交付第一批呼吸機。 (GM)

各大型製造業者如空中巴士(Airbus)、勞斯萊斯(Rolls-Royce)、西門子(Siemens)等近日都開始設法參與生產呼吸機,即使這不是它們的本行,但歐美各國政府認為可以借助他們的生產能力應付需求。現時,英國公營醫療服務機構「國民保健服務」(NHS)只有約8,000個呼吸機,首相約翰遜3月中要求各行業的製造商協助生產共3萬個呼吸機,以應付疫情。美國總統特朗普上月底亦引用《國防生產法》(Defense Production Act),下令企業如3M、福特汽車(Ford)、通用電氣(GE)等生產呼吸機和口罩。

從生產汽車到呼吸機

與其自己從頭開始設計研製,不少製造商希望幫助現存的呼吸機專門生產商增加產量。上月中,通用汽車(GM)宣布支援位於印第安納州的工廠生產醫療設備商Ventec Life Systems,以幫助這間小規模的生產商提高呼吸機產量。該公司每月產量一般約為200部,GM將有1,000名員工返回崗位組裝這些機器,預計首批呼吸機可於本月中交付,到5月中至6月初時,每月產量可達10,000部。

車廠福特與GM Healthcare聯手,預計在本月20日起生產Airon無需用電的呼吸機Model-AE,100天內生產50,000部。(Ford)

福特和GM旗下的GE醫療上月中也宣布合作增加生產Airon的呼吸機。這間小公司的「簡化」設計呼吸機以氣壓運作,毋須用電,已獲美國食品及藥物管理局(FDA)核准,但產能嚴重不足,一般每天只能生產兩至三部呼吸機。福特一支團隊花了一個周末拆開Airon的呼吸機,3D掃描了約250個零件,並拆開和重組配件。他們又拍攝生產的每個步驟來簡化工人培訓,規劃了需要多少工作站加快速度,以及需要什麼工具和設備,並聯絡供應商確保一切就緒。福特計劃於本月20日那周開始生產,預期可在100天內生產50,000部呼吸機,並逐步達至每月30,000部的產量。電動車生產商Tesla亦宣布將會重開位於紐約州的太陽能電池板工廠,生產Medtronic的呼吸機。

在疫情嚴重的意大利,政府已要求國內呼吸機生產商Siare將每月正常產量提高至三倍。車廠快意佳士拿集團(FCA)表示,在法拉利(Ferrari)和控股公司Exor的支持下,它在意大利北部的工廠已生產了首批電動氣閥,是呼吸機的一個重要零件。FCA說,Siare估計能藉此把呼吸機總生產時間縮減30至50%。

平治F1車隊與倫敦大學學院合作設計CPAP呼吸機,供能自行呼吸的輕微患者使用,把傳統呼吸機留給最需要的重症病人。(Mercedes AMG F1)

平治一級方程式車隊(Mercedes-AMG F1)則以略為不同的方式幫忙。上月底,他們與倫敦大學學院合作,改良了現有的連續正壓呼吸器(CPAP)設計。從首次會談到產出首個成品,平治車隊僅花了不足100小時。這呼吸裝置已獲英國藥品和保健產品監管局(MHRA)核准。這種呼吸器早已用於睡眠窒息症患者,它向呼吸困難的患者提供穩定氧氣,但主要針對症狀較輕、能夠自行呼吸的患者,可以在標準病房中使用。有份參與改良的倫敦大學學院重症加護顧問Mervyn Singer解釋:「這些裝置可以確保呼吸機這種現時有限的資源只用於重症患者,有助拯救生命。它們將首先在倫敦大學學院醫院(UCLH)測試,我們希望它們能夠在全英國的醫院發揮作用,減少對重症加護人員和床位的需求,以及在毋須使用侵入式換氣下幫助患者康復。」

英國皇家聯合醫院麻醉學和重症加護醫學教授Tim Cook補充:「如果患者可以使用CPAP,那麼他們可以由專科護士照顧,毋須深切治療部(ICU)護士。一般病房可能需要兩個護士和一個醫生照顧十個病人,但ICU內十個病人可能需要五至十個護士和三至四個醫生。ICU需要的成本和人力大得多,也更複雜和危險。」

傳統呼吸機與非侵入式CPAP呼吸機比較。(香港01製圖)

倫敦大學學院表示,CPAP裝置已在中國和意大利的醫院中用於治療新冠病毒感染者,並有報道指大約一半的新冠肺炎患者可因而避免使用呼吸機。經過臨床試驗後,平治和其他一級方程式車隊預計每天可生產多達1,000個CPAP裝置。

改良設計作為補充

有些科技公司和科學家沒有直接輔助專業呼吸機生產商,而是想以其他呼吸機設計來幫助應對疫情。以出品吸塵機和乾手機聞名的戴森(Dyson)上月底獲英國政府下單提供10,000部呼吸機。Dyson聲稱在接單10天後已設計並製造出專為新冠肺炎而設的CoVent呼吸機,目前正以人體測試。CoVent能安裝在病床上,增加便攜性,有需要時可切換以電池供電,因此能更方便應用於野外醫院,例如近日啟用的倫敦南丁格爾醫院。創辦人James Dyson私人資助了額外5,000個CoVent,當中1,000個捐給英國,其餘捐贈予國外醫院。

維珍軌道以簡單的金屬片、摩打和急救氣泵,製成平價呼吸機以加快生產。 (Virgin Orbit)

當一部精密可靠的呼吸機索價25,000至50,000美元之間,以現時需求量,恐令醫院難以負擔,衛星發射技術公司維珍軌道(Virgin Orbit)就希望以簡化和低成本的呼吸機來解決此一難題。他們最近製作了一款裝置,將人工急救蘇醒球(Ambu bag)改裝成呼吸器。那是一種急救常用的手壓式膠囊,他們利用摩打轉動一個形狀像薯仔的凸輪,再將一塊金屬板壓向膠囊泵氣,取代人手操作。

為了能快速大規模生產,維珍軌道設計時以控制三個關鍵變量為目標:每分鐘呼吸次數可由改變摩打速度控制;潮氣量(從袋子中排出的空氣量)和吸氣呼氣曲線(吸氣和呼氣所花時間)則以更換組件調節。要改變潮氣量,可把壓向膠囊的金屬塊換成較大或較小塊;旋轉凸輪的形狀(可換成較圓的凸輪)決定了壓縮膠囊時間,因而決定了吸氣呼氣率。維珍軌道特殊項目副總裁Will Pomerantz向科技媒體The Verge說:「我們不是醫生,也不是醫療設備製造商,這不是我們的背景,我們對這些人表示敬意。但另一方面,我們有很多工程師,有一個很好的工廠,也有一個很好的製造工廠機械車間。總有一些東西我們可嘗試。」

美國麻省理工學院(MIT)的團隊最近展開的E-Vent計劃亦有類似的低成本呼吸機設計,正準備提交予FDA在「緊急使用授權」下快速審核,並將設計在網上公開。

麻省理工科學家近日製作的簡化呼吸機,並把設計開源予大眾參考使用。(MIT News)

意念類似的還有英國牛津大學和倫敦國王學院工程師、麻醉師和外科醫生組成的OxVent團隊。他們近日研製的呼吸機原型同樣使用了人工蘇醒球,放在密封的玻璃盒內,在醫院可將壓縮空氣輸入盒中擠壓蘇醒器,再經喉管將混合了額外氧氣的新鮮空氣泵入患者體內。「我們的目標是能夠使用市場上可用的組件和材料來生產這些原型,以便大家可以在大學實驗室之類製造這裝置。」倫敦國王學院人類生理學高級講師Federico Formenti說。他認為這些貌似簡陋的呼吸機亦有其角色:「創造出新的設計與現有款式的呼吸機互補,可以有助滿足需求。生產商不能一夜之間就轉型,不能直接將一級方程式的零件放入呼吸機,需要時間。」因此,他們這種機器並非要取代現有的呼吸機,而是在疫情最嚴重之時為患者提供支援,並在「醫院沒有標準呼吸機的情況下,為患者提供另一個選項支持呼吸」。

比起經驗證和核准的款式,新設計需要克服一些挑戰。例如呼吸機所用的材料應能夠抵受磨損、不容易傳播病毒,並適用於化學劑或紫外線等多種清潔方式。呼吸機畢竟要由專業醫護操作,因此它們的操作方式也應該盡量與現有款式類似,或者盡量簡單。這一點對應對現時疫情尤其重要,例如美國國家醫學科學院(NAM)就建議醫院「把培訓人手操作呼吸機的需要減至最低」。

當然還要通過安全測試。美國FDA和英國MHRA都因應疫情,在上月修改了呼吸機和其他醫療設備相關指引,以加快審批生產程序,方便非傳統呼吸機生產商轉換供應商和材料,更容易調整生產線。但英國商務大臣岑浩文(Alok Sharma)強調,Dyson和其他供應商製造的呼吸機必須滿足監管要求,才能由「國民保健服務」使用。

Dyson近日宣佈研發出自家設計的呼吸機,正等待監管部門核准使用。(路透社)

不如資助專業廠家

雖然這些製造業者誠意可加,但也有不少專家和呼吸機業者質疑這些經驗不足的製造商可以幫多少忙。設計和製造呼吸機過程毫不簡單,有業者亦懷疑汽車製造商是否有能力生產。位於瑞士的Hamilton Medical是呼吸機主要製造商,其行政總裁Jens Hallek指出,生產呼吸機需要特定的材料和組件,以及專門知識。其美國分公司行政總裁Bob Hamilton更明言:「這不是錢和人手夠不夠的問題。呼吸機是高度專業化的救生機械,需要格外小心和精確製造。因此,它需要訓練有素的人來做,而且需要時間。」

ICU使用的呼吸機通常具有許多組件,包括壓力產生器、病人呼吸迴路、吸氣流量調節器,以及一堆感應器、過濾器、氣閥和警報器。愛丁堡大學汽車業專家及管理系教授Nick Oliver就質疑:「要汽車製造商或任何並不精通醫療器械生產的製造商幫忙的想法,都非常天真。在汽車業中,我想不到有任何產品能夠類似呼吸機那樣,令空氣和氧氣四處移動。」

呼吸機主要製造商Hamilton Medical質疑,車廠即使有大型設施,卻欠缺專業科知識。(路透社)

所以,Hamilton Medical有別於一些行家,未有與汽車製造商合作,並對這樣做的效用有所保留。Hamilton解釋:「只是將設備組裝起來是不夠的,還必須進行相應測試,而且,美國每個醫療製造商都需要得到FDA核准,這並不容易。我們認為,在已有的專業技術和批准下擴大生產才更有效率。」即使是與福特和GE醫療合作的Airon,其行政總裁Eric Gjerde也坦言,就算是最好的團隊,若不習慣製造醫療器械,也難以快速轉型。他認為這種做法在生產某些組件上可行,但提醒「交到不知道自己在做什麼的人手上,會太危險」。

對於想要自行研製呼吸機的「新晉」生產商,呼吸機大型製造商ResMed行政總裁Mick Farrell就寧願他們協助原有業者提高產量,而不是爭奪稀少的資源:「當我們得到其他人的幫助時,例如大型電動車製造商,我們會說『太好了』!其實不需要另一條終端生產線,我們要的是鋰離子電池,又或者是太空製造商那裏的某個組件。」

繼續閱讀︰多方增產呼吸機 尚要克服什麼問題?

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上文節錄自第209期《香港01》周報(2020年4月14日)《續命呼吸機缺貨 車廠「轉行」救急 幫了多少忙?》。

更多周報文章︰【01周報專頁】

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