令人耳目一新的技术改善了新冠肺炎患者的治疗效果
新冠肺炎大流行引起了一场历史性的全球危机。自从一年前疫情爆发以来，各国政府的公共卫生响应如同一辆蹒跚而行的旧车。另一方面，私营部门的技术创新者则在积极解决疫情带来的一些棘手的临床挑战。许多极具创意的思维来自那些核心业务并不在卫生保健部门的创新者。
这是一个关于肺呼吸支持的话题。疫情的爆发导致了全球卫生保健领域严重缺乏呼吸机——为丧失肺功能的患者提供机械呼吸的机器。几家技术行业的创新企业正在通过改进呼吸机，使之在不堪重负的重症监护环境之外更有效、更广泛地改善呼吸机的患者治疗效果。
Project BreathEasy是一项倡议，旨在为人类肺部创造一个“数字孪生体”的项目，帮助医生做出更明智的决定，包括选择呼吸机的设置和患者使用呼吸机的时间，从而使稀缺的重症监护资源得到更有效的利用。这一倡议由加利福尼亚州雷德伍德城的云分析公司OnScale和马萨诸塞州阿灵顿的高级计算流体动力学（CFD）解算器公司LEXMA发起。
同时，位于加利福尼亚州奥克兰的变革技术研究所（ITT）正在开发iPAP（即智能正压机）。通过将BiPAP机与集成的氧气浓缩器相结合，iPAP可以在初级保健机构为新冠肺炎患者提供无创肺部支持。对于缺乏呼吸机的地方（例如低收入国家的偏远地区），它也很有用。
安大略省政府在加拿大多伦多与欧特克技术中心观察网络的孵化公司ForceN进行了接洽，希望解决加拿大呼吸机压力传感器短缺的问题。ForcenN的ForceFilm力觉传感系统的厚薄如同纸张，可在机器人、汽车、航空航天和其它高可靠性行业中提供“数字触感”。ForceN已经快速将其专有技术制作了原型，不仅可以解决压力传感器短缺的问题，还可以提高新一代呼吸机的压力敏感性。
BreathEasy的数字孪生
航空航天工程师Ian Campbell负责Project BreathEasy的多学科团队。“我对人体肺部的第一手了解有限，”Campbell说，“但我知道如何在大规模可扩展的云超级计算机上运行计算流体动力学仿真模型。为此，我建立了一家名为OnScale的公司来开展这一工作。”
随着新冠肺炎危机的蔓延，Campbell开始寻找应用这些专业知识的方法。很显然，医生需要对每个患者进行单独评估，因为感染会以不同的方式攻击每个人的肺部。OnScale和LEXMA的工程师利用主要来自CT扫描的数据，为每个患者的肺部创建了一套3D仿真（数字孪生），进行个体病例评估。
Campbell说：“去年三月份，当我们第一次开发这一功能时，医生问：‘我是否要给这个患者插管？如果插管，每个呼吸周期的压力和空气量应该是多少？我应该让患者插管多长时间？在不同的持续时间和设置下，我的预期结果是什么？’”
时间就是生命。如果刚送来的患者出现新冠肺炎症状，医生将要求进行CT扫描，提供3D数据以生成仿真模型。“然后，我们的解决方案可以模拟气体进入肺部，肺部从气体中吸取氧气，等等，”Campbell说道。“我们可以在云超级计算机上非常快速地运行建模。”这一过程会提出一系列建议，其中最重要的一条就是要不要插管。
传统上，医生使用脉搏血氧饱和度、物理分析和教科书示例来决定是否为患者插管。治疗流行性感冒有很好的模型，但新冠肺炎的模型是新的，并且在不断变化。Campbell说，数字孪生为管理治疗效果提供了更好的分析框架。
Project BreathEasy打算创建一个人工智能模型作为分析框架。目前，只获得了来自几百名患者的少量数据。该模型的预测能力将随着数据集的增长而增加。Campbell的团队正在与多家呼吸机制造商合作，以收集更多的患者数据。
据推测，数字孪生将使医生能够更详细地评估患者，从而带来更好的临床效果、更短的插管时间以及更有效的资源管理。Campbell说：“如果没有足够的设备，患者就会死亡。”
ITT初级保健阶段的肺呼吸支持
ITT是一个非营利组织，其成立的目的是通过为低收入国家促进适当的技术来解决粮食不安全、财富不平等和人权等全球性的宏观问题。ITT专注于像撒哈拉以南非洲小规模太阳能发电和村级卫生这样的挑战，以及与健康相关的项目。
“接着就发生了新冠肺炎，”ITT首席运营官Noha El-Ghobashy说道。ITT调查了在非洲部署低成本呼吸机的可行性。El-Ghobashy认为，困难在于90%以上的非洲人只有初级保健设施。她说：“他们无法住进配备了ICU病床、训练有素的专业人员和可靠的氧气供应的三级医院。”
非洲的新冠肺炎患者需要在正压下输送氧气，使肺泡保持开放。这就是BiPAP的功能，后者是第一世界国家患者在基层医疗机构或在家中经常用来控制睡眠呼吸暂停的机器。它不需要氧气管线或氧气罐，但这些在低收入国家都很稀缺。
El-Ghobashy说，BiPAP本身可能不是新冠肺炎的解决方案，但如果与氧气浓缩器结合使用，它有助于管理新冠肺炎患者的护理。她说，这里的诀窍是精确控制正压并使氧气浓度最大化，并将整个解决方案的成本保持在500美元以下，使新兴经济体能够承受这一成本。
iPAP将BiPAP机的简约性和低成本与呼吸机的关键功能结合在一起，并整合了氧气浓缩器和脉搏血氧仪，以控制血氧度和压力。最重要的是，这一装置带有紫外线消毒器，可处理患者从口罩呼出的气体，以保护医生和工作人员免受气溶胶感染。通过装置或智能手机可控制血氧浓度和压力。
一个“O2pus”装置将包括面罩、管路、阀门和消毒器，并且将在iPAP开发期间与标准型BiPAP机一起分别推出和销售。
El-Ghobashy说，撒哈拉以南非洲的卫生基础设施极为薄弱。例如，可靠的氧气供应是一个重大的限制因素。ITT考察了开发出医用氧气业务的当地企业家，但发现他们在财务上都缺乏可持续性。因此，为了解决撒哈拉以南的氧气短缺问题，ITT推出了自己的由赠款资助的“特许经营模式”，作为iPAP的一项单独计划，为当地企业建立中型制氧厂提供资本和技术援助。慈善资金用于“降低”本地初创公司的风险，有望在短时间内实现商业可持续性。
ITT希望在印度、中国、马来西亚和东欧的多个地点生产iPAP系统，以避免呼吸机营销商经历在大流行开始时出现的供应链中断困境。
ForceN的压力传感
ForceN成立于2015年，专攻外科和工业机器人技术。“我们为外科手术机器人制造了专门的力传感器，这样，机器人就可以感觉到施加在人体上的力,”ForceN的首席执行官Rob Brooks说。“我们的日常工作就是机器人技术和高可靠性自动化。”
ForceN制造的薄膜嵌入了微小的力觉传感器，可产生数据来测量压在该薄膜上并使薄膜变形的力。在外科医生的指尖感觉到有压力的地方，ForceN的传感器可配合机器人系统和医疗设备，测量生命攸关的力，从而帮助外科医生进行手术。
ForceN公司有关新冠肺炎的研发，是其业务发展副总裁Angad Sandhu在一个周六晚上接到加拿大汽车零配件制造商协会（APMA）创新副总裁Warren Ali的电话后开始的。APMA在继续与安大略省政府合作并在呼吸机生产方面提供支持。
“呼吸机需要压力传感器，”Sandhu说。“目前市场上许多呼吸机使用的传感器都是由霍尼韦尔（Honeywell）在美国制造的，主要用于美国市场。令人担忧的是，加拿大呼吸机制造商可能无法及时获得这些压力传感器来挽救生命。”
ForceN（以最低的资金投入，在大流行封锁期间使用临时开发设施）迅速开发出了霍尼韦尔传感器的替代产品。Brooks说，霍尼韦尔最终提高了产量来满足市场需求，但是由于ForceN的快速原型设计和数字化制造，加拿大呼吸机制造商现在有了备用货源。
压力传感器控制进入患者肺部的气体流量和气体压力。即使是健康的肺也只能承受一定的压力。“我们要的是一个尽可能控制患者呼吸道压力的系统，以便防止瘀伤，”Brooks说。“强行输入气体确实会损害患者的肺部。ICU级呼吸机通常有四到五个传感器控制压力和气体成分。”
ForceN以往在医疗级制造方面的经验使其具有监管认证的优势。Brooks说：“我们不是呼吸机的最终制造商，因此我们不是申请监管部门批准的单位。但是我们已经知道美国和加拿大的批准程序的运作方式。”
在许多国家，政府资助的团队会组合起来，集中制造业务，生产更多的呼机机，修理老旧的或损坏的机器并找出被遗忘的库存。这些都是商业和政治方面的问题。世界上准备最充分的政府已经开始给本国的医疗保健提供者一些喘息的空间，不仅考虑购买足够的呼吸机，还在注意如何利用其现有的资源实现最佳效果。那应该是企业家做出最直接贡献的用武之地。