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呼吸机制造是大问题 国产替代仍不可一蹴而就
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呼吸机制造是大问题 国产替代仍不可一蹴而就

2020-05-11 10:35:49 来源:半导体器件应用网 作者:欧蕾伊 点击:12109

【大比特导读】在疫情下的世界,关键医疗设备呼吸机资源严重短缺,其中从疫情中快速恢复的中国有望在此融入国产关键元器件,与其相关的关键器件成长潜力巨大,另外,未来医疗健康设备需求也会越来越大,其对元器件的需求也会呈高速增长之势。

2020年开头到现在,几乎什么都绕不开疫情,疫情下的世界,我们都在为口罩、额温枪、核酸检测试剂以及呼吸机等医疗必备品疯狂着,也是首次让我们意识到,在危机面前谁都很难做到真正的独善其身。随着全球确诊患者日益增多,从“一罩难求、一枪难求、核酸检测试剂不足”的情况到关键医疗设备呼吸机资源严重短缺等问题,似乎已经要让不少地区的医疗系统接近崩溃。

截止4月26日数据显示,全球累计确诊人数已突破284万,且增长势头不减,一方面美国成为了全球疫情最严重的国家,各个州每天都要为呼吸机设备问题和联邦政府的隔空交锋,另一方面其他国家与地区疫情也并不乐观,每天也要东奔西走地求购相关呼吸机资源。足以可见,在此暂时没有特效药的背景下,呼吸机等相关医疗资源成为了唯一的“救命稻草”。另外,呼吸机还有分按照使用人群、连接方式、功能用途、驱动方式的区别,并不是所有情况一概通用。

呼吸机即是希望

在全球范围内,新冠肺炎(Covid-19)可分轻症或重症,对于目前轻症患者来说,大概率是用不到呼吸机,而对于重症患者来说,呼吸机很大程度上决定了生死,也是现阶段主要支持治疗的方法,呼吸机能辅助或替代患者的呼吸功能,将氧气泵送到血液中,再循环到所有的重要器官。是不是听起来很简单,但实际上,呼吸机需要与患者生命体征相配合,比如,呼吸机要时刻监测患者的气道压力,然而由于每个患者的肺部容积不同,对呼吸机的功能要求也不同。

根据世界卫生组织WHO信息显示,每六个新冠肺炎患者中,会出现一个重症患者并需要呼吸器,在疫情爆发的全球,所有医疗机构的呼吸机远远不足给所有病人使用,在意大利甚至发生医生需要选择呼吸机给救治机率较高的病人使用的状况,英国也正在经历这样的过程,而在美国,根据美国医院协会的预测模型显示,最糟糕的情况下,可能需要约有96万人需要使用呼吸机。

融入国产关键元器件

目前中国是全球最先从疫情中恢复的国家,而且让各行各业有序地复工复产,所以各国政府只能将希望的目光投向中国,并根据多家中国呼吸机制造商表示,近期来自国外的订单一直猛增。但由于国内医疗行业起步较晚,呼吸机制造业中的高端技术和零部件仍掌握在国外厂商手中,而且一台呼吸机是由数百个零部件组装而成的,供应链常常需横跨天南地北,所以呼吸机资源紧张的问题仍然很严重。

呼吸机的拆解图(来源:venteclife)

呼吸机的拆解图(来源:venteclife)

面对这庞大的呼吸机市场缺口需求,中国自主生产的中低端呼吸机能否具备竞争优势?易良盛科技(天津)有限公司研发总监许宏彦在接受大比特资讯记者采访时就表示,其实我们具有全产业链的优势,目前大部分配件都已能国产。就以易良盛科技为例,旗下的霍尔芯片是呼吸机电机里的核心传感器芯片,之前呼吸机电机基本为国外品牌产品,这次疫情造成供货不足给了国内优秀电机企业机会。易良盛科技及我们的电机客户因为有十几年的技术积累,产品的稳定性和可靠性已经和国外产品不相上下。

另外,由于海外订单的暴增,中国呼吸机制造业潜力将有机会被进一步激发,但呼吸机是一种极其复杂的设备,其中关键核心器件之一MCU的重要性也不言而喻,因为在呼吸器用的主机控制、仪表显示、传感器模组、蓝牙传输模组与电机控制模组,皆需要MCU来做控制,而且相对也需要较高的技术含量,就关于这方面,灵动微电子电机技术经理黄中隽举例到,灵动微的MM32系列MCU产品已能满足呼吸机的下述需求:

首先在呼吸器主控模块需要与周边模块沟通以及需要高速计算,可使用灵动微MM32F103系列产品,使用32位 Arm® Cotex -M3处理器内核,最高工作频率可达96MH,存储器高达128K字节,闪存程序存储器高达20K字节的SRAM,并且有丰富的通信接口,包括UART、I2C、SPI、CAN、USB等。

其次在电机驱动模块,可使用灵动微专为电机驱动打造的SPIN系列,SPIN系列使用了32位 Arm® Cotex -M0处理器内核,最高工作频率可达72MH钬,电机驱动方案可支持了无感方波、有霍方波、无感FOC与有霍FOC驱动。

最后在无线蓝牙模块,可使用MM32W0系列,支持蓝牙协议: Bluetooth Specification V4.2 BLE,并具备超低功耗控制器:支持 SLEEP、STOP 和 STANDBY 低功耗模式,下载模式支持了Bootloader 支持片内 Flash、UART 在线用户编程(IAP)/空中在线升级(OTA),相关的产品灵动微都提供了丰富的参考例程。

由此可见,这些技术在国产呼吸机中能够基本满足市场需求,虽然不同等级的呼吸机在基础模式与监测上差距不大,但高端呼吸机其他特色功能还会有很多,因此我们要对中国呼吸机行业的发展潜力保持乐观,并要对国产关键元器件自主研发有信心。

大环境波动下的产业链与国产替代

每当提到全球产业链与国产替代,就不得不谈及一下中国和世界之间究竟是怎么样的一种依赖关系,究竟是谁在依赖谁,还是双方确实都来到密不可分的地步,早前贸易战的大环境波动的的确确对全球和中国企业造成一定影响,再到如今中国呼吸机制造更是困难重重,具体表现在呼吸机成品交货前却卡在呼吸机比例阀、电磁阀、传感器、涡轮风机等关键半导体组件不能及时供应,因为这些关键组件要从瑞士、美国、法国、英国、德国和日本等国家的公司进口。

特别是高端MCU、各类传感器等主要器件的缺乏是我们需要面对的现实问题,灵动微电子电机技术经理黄中隽认为,在MCU市场方面,至少八成的的份额都在前十大供应商手上,十大供应商都为欧美日的半导体公司。

特别是在MCU高端领域几乎是为零,国内只在中低端领域佔了5%左右,本身MCU就要主张注重高效能、低功耗、高稳定性、高整合性与生态体系,这一过程也不是一蹴而就的事情,因此增加国内厂商的份额是需要时间与技术的精进才可能达成。

灵动微电子电机技术经理黄中隽

灵动微电子电机技术经理黄中隽

江苏润石科技有限公司销售总监董晨则认为,例如传感器的精度和可靠性要求较高,目前也主要还是欧美日在扮演供应商的角色,所以这部分还需要国内同行共同攻克技术难关。

易良盛科技(天津)有限公司研发总监许宏彦也表达了同样意见,他认为,我们在高端、复杂的产品上和国外还有很大差距,当然这主要是我们厂商的整体规模还不是很大,在系统上的研究及产品应用引领上和国外同行还有很大差距。

可想而知,差距让“国产替代”已经不是一句简单的口号了,现实情况就是原本一个处于垂直细分的小众医疗器械,被推到国产制造的风口浪尖上,即使大部分芯片领域能够实现国产替代,但在具体关键应用的性能指标、产品种类仍需努力。因此未来持续的资本与人才投入,结合国内独特的市场优势与成本优势,连接上下游厂商打造国内的生态链,才是一条突破“依赖”的必经之路。

当然,目前国外疫情日趋加重,想要单靠中国制造产能依然显得些杯水车薪。对此,英飞凌科技股份公司管理委员会成员兼首席营销官Helmut Gassel博士表示,“作为功率半导体市场的全球领导者,我们在极短的时间内,已生产出了约3800万片的功率半导体芯片,用于呼吸机的生产制造。 随着全球对医疗器械的需求快速增长,众多设备制造商正在扩产或调整重点产品。目前英飞凌方面已经采购了足够的原材料,建立了包括替代货运路线在内的物流链,以便向客户持续交付货物,快速提供必要的元器件,以及时满足他们的特殊需求。”

英飞凌科技股份公司管理委员会成员兼首席营销官Helmut Gassel博士

英飞凌科技股份公司管理委员会成员兼首席营销官Helmut Gassel博士

趋势:市场增量 从医疗行业开始

不可否认的是,现阶段呼吸机的需求和疫情趋势呈正比,并且会维持相当长一段时间,直到全球疫情得到控制。根据Research and Markets数据显示,由于对呼吸机的需求激增,全球呼吸机市场预计将从2019年的24亿美元增长到2020年的约121亿美元,因为这些对治疗关键的新冠肺炎(Covid-19)患者至关重要。预计到2023年,市场将稳定下来,达到42亿美元,复合年增长率为14.7%。

至于疫情如何影响呼吸机市场,甚至是未来半导体行业市场的趋势,ams大中华区医疗事业部总监方杨认为,疫情的到来对全球医疗健康设备市场有很大的促进作用,除了呼吸机,需求比较大的领域还有医疗影像设备,体外诊断设备,监护设备,和生命体征监测设备等。

ams大中华区医疗事业部总监方杨

ams大中华区医疗事业部总监方杨

因此,站在ams的角度来看,与其相关的关键器件成长潜力巨大,并从中短期时间内来看,智能化要求更多的高性能元器件进入医疗设备,相对应呈现高集成度,低功耗的技术方向的高端元器件的占比也会显著提高,而从长期来看的话,会加速下一代技术的迭代。

此外,具体来看,精度的提高有赖于医疗相关的传感器和半导体元器件的高精度设计,例如内置的ADC的bit数,信号调理电路的整体设计等。

而减少设备的体积有两个方向的考量,“第一个是新技术的替代。例如超声设备,传统的换能器要实现设备的便携,牺牲的精度又允许通过医疗认证,目前业内在研究压电式MEMS超声波换能器(PMUT)或者电容式MEMS超声波换能器(CMUT)的技术和商用可行性。第二个就是现有技术的器件集成,例如把光电二极管PD和信号调理,数模转换集成为模拟前端器件,提高性能的同时降低成本,实现更小的设备体积。”方杨最后补充道。

如何开辟新战场

其实就本次疫情而言,是核心部件的国产替代另一种机会,因为再大的疫情都有结束的一日,在这之前是否重新让我们去思考一些关于产业配件供应、生产线设计、物流运输、客户选择标准、市场新方向的关系等问题,这种思考不仅仅是对自身核心部件的审视,同时也包含一种坚持研发创新、寻找新趋势,从而一点点地摆脱对外依靠。

对于新战场而言,易良盛科技(天津)有限公司研发总监许宏彦表示,相信在疫情过后人们对健康会更加重视,未来医疗健康设备需求也会越来越大,其对元器件的需求也会呈高速增长之势。

具体需求会下沉哪些应用方向呢?江苏润石科技销售总监董晨给出了答案,他认为,疫情在缓解之后,高端医疗电子设备会逐渐向家用设备转变,例如血氧仪、心率检测、血压计等,很多家庭会储备一台备用或者做日常监测用,尤其随着中国老龄化的加剧和远程医疗系统的普及,家庭便携式医疗电子设备的需求会越来越大。

不仅如此,ams大中华区医疗事业部总监方杨表示,便携式医疗电子设备还会下沉到体检机构,敬老养老院和健康管理机构,因为便携式医疗电子设备具有高精度、小型化和快速诊断的特点,可以无障碍地让人们从日常生活开始重视身体健康管理。

他还认为,人工智能(AI)和机器学习(Machine Learning)以及云服务应是高端医疗设备中重点关注的新方向,当然,现阶段医疗设备云服务还停留在企业私有云,各家设备厂商拥有自己的算法,不同医院之间的数据也很难互通,因此无论从体制上,还是操作上都很难实现真正的协同,这个方面有待于国家从政策层面,行业规范层面进行自上而下的推动标准统一。

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