明尼蘇達大學與 DigiKey 如何快速設計出適用於 COVID-19 的呼吸器

明尼蘇達大學攜手 DigiKey，快速設計並推出一款簡易的基本呼吸器。此呼吸器造價便宜且可快速投產，能為新冠肺炎患者提供幫助。其他公司目前也付出諸多努力，包括 Dyson、Medtronic、Ford、GE 與 GM 等。這些努力將為在全球醫療院所奮戰的第一線人員帶來希望，以便滿足病患的需求。

明尼蘇達大學的呼吸器 (圖 1) 如何誕生並迅速從概念化為現實，是個令人著迷的故事，不僅涉及獨創性、跨學科知識，更展現不同公司在危機關頭攜手合作的精神。這只是許多例子中的一個，以下介紹此呼吸器的源起與發展過程。

圖 1：3 月 15 日，明尼蘇達大學開始與 DigiKey 攜手開發呼吸器的設計。(圖片來源：Aaron Tucker，明尼蘇達大學)

明尼蘇達大學麻醉系研究員 Steve Richardson 博士從生物醫學工程師友人及其他私人公司取得設備與資源，並於 3 月 15 日左右開始製作低成本的應急呼吸器。

Richardson 博士在與一位從事生物醫學工程的朋友聊過此專案後，便前往大學手術室嘗試一些想法，同時他還研究了一本 1950 年代的教科書，以瞭解哪種設計可快速做出簡易的呼吸器。短短幾小時後，他做出一個簡易但能完全正常工作的原型。

他致電多家公司，表示自己是名麻醉師，正在研究一款簡易的呼吸器來幫助應對 COVID-19 疫情，希望能與公司執行長談話。許多在設備製造與工程領域具有豐富經驗的私人公司，紛紛伸出援手。

如果獲得 FDA 的核准，Richardson 很快就能著手擴大生產。他們大概能在三週左右的時間生產數千個呼吸器。成本將比醫院標準呼吸器便宜很多。

我聽到有些人說，自己絕對不想戴「廉價」的呼吸器。就我個人而言，我寧願使用簡易的基本款，也不願到頭來什麼都沒有。

事實證明，Richardson 博士的設計與許多救護車內使用的設計類似 (圖 2)。只不過抽吸動作是透過電子方式控制並以機械方式實現，而不是用手擠壓氣囊來幫助病患通氣並維持生命。

圖 2：新款呼吸器類似於救護車裡常用的手動呼吸器，只不過是以機械方式實行抽吸。(圖片來源：Ambu USA)

在撰寫這篇文章進行研究的過程中，我聯繫到 Aaron Tucker，他是 Earl E. Bakken 醫療設備中心的實驗室主管／技術開發協調員。Aaron 是一名機械工程博士候選人，正在推動 Richardson 博士的計畫。(圖 3)。

圖 3：實驗室主管／技術開發協調員 Aaron Tucker 與呼吸器原型 (圖片來源：Aaron Tucker，明尼蘇達大學)

Aaron Tucker 親切地接受簡短的採訪，說明這項計畫、DigiKey 如何參與以及此計畫的進展：

Steve Taranovich：是什麼原因讓您選擇向 DigiKey 採購所需的元件？DigiKey 會是您唯一的供應商嗎？

Aaron Tucker：我們過去幾週和多家公司密切合作，包括 DigiKey、Teknic、Protolabs、Electronic Systems Inc.、MGC Diagnostics，以及明尼蘇達大學醫學院。

關於 DigiKey，我們早就知道他們有強大的及時供貨 (JIT) 能力，也跟 Randall Restle 建立良好的關係。過去幾週，DigiKey 的交貨速度非常快，若少了他們，我們不可能製造出首批 25 個原型。

Steve Taranovich：這些呼吸器將由誰組裝？又會在何處組裝？

Aaron Tucker：我們正在與明尼蘇達州多家本地的醫療器材公司合作，在其位於州內的設施中製造和組裝這些呼吸器。

Steve Taranovich：這些呼吸器的成本多少？由誰支付？

Aaron Tucker：我們還沒有完成可製造性設計審查，因此還不能確定成本。

Steve Taranovich：打算生產多少呼吸器？

Aaron Tucker：市場對這些呼吸器的需求尚不清楚。光是美國，有些預測已達到數十萬個。由於情況不斷變化，我們的目標是迅速提供數千個呼吸器，然後再重新評估美國的需求。

Steve Taranovich：有沒有計畫將設計交給其他人，請他們幫忙生產這些呼吸器？比如其他大學？

Aaron Tucker：我們計畫透過明尼蘇達大學設立開源授權。我們想要提供一種設計，即便是使用較便宜、非高階的設備也能製造。我們希望這種設計能夠在其他較缺乏資本設備的國家或地區中製造。

Steve Taranovich：生產一台呼吸器需要多長時間？

Aaron Tucker：我們希望在下週獲得此資訊。

Steve Taranovich：成品將由誰來檢驗？又該如何測試？

Aaron Tucker：將由製造公司進行測試與檢驗。

持續推動呼吸器設計進展

圖 4：DigiKey 的銷售經理 Kari Jesme 表示，公司的銷售、工程、加值、經銷及應用支援團隊皆與明尼蘇達大學以及其他許多人士合作，支援美國國內的呼吸器需求。(圖片來源：DigiKey)

DigiKey 一直在支援第一線的醫護人員，此次合作只是努力的一部分。我們透過家鄉錫夫里弗福爾斯市的本地對外工作直接提供支援，同時亦會向明尼蘇達大學團隊及其他許多開發呼吸器的機構提供所需的電子元件、硬體以及技術支援，為醫護人員提供間接支援。

「DKE 正與我們現有的客戶、供應商及內部團隊展開協作，確保能盡可能支援更多人員，」DigiKey 美國中部與墨西哥區銷售經理 Kari Jesme 表示 (圖 4)。

「我們的銷售團隊與許多支援全國呼吸器需求的客戶進行合作。有些客戶平常就是製造這類裝置，而有些客戶，比如明尼蘇達大學，則是想利用自家設施為這次疫情出一份力。」

這是涉及全公司的大型合作計畫，同時也象徵著全球正遭逢巨變。例如：

• DigiKey 的加值部門不斷製作纜線組件，可一次支援 10,000 件以上的眾多訂單。
• 供應商團隊正與供應商通力合作以維持零件的供應，藉此支援額外的需求，同時每天都會進行溝通，針對器材中頻繁使用的元件試著取得更多供貨量。
• 工程團隊已緊鑼密鼓透過多方管道和機會，尋找必要的替代元件，或盡可能提供額外的貨源並協助完成設計。
• 這些團隊目前也支援客戶進行既有的設計以及一些新設計作業，並幫助其快速實現設計投產 (有時只需要短短幾天)。

「我們有個客戶，週末需要零件，以便在今天做出一些能用的呼吸器樣品，」Jesme 說。「我們與產品經銷中心合作，在昨天完成訂單撿貨，客戶前來取貨後，今天就做出可運作的樣品了。他們與我們某位應用工程師密切合作，挑選合適的零件。」

除了纜線外，這些產品還包含電源供應器、編碼器和連接器。

「我們透過 [元件] 庫存優勢、加值服務、與供應商及客戶之間的業務關係、令人讚嘆的產品經銷團隊，以及與物流合作夥伴的良好關係，因此能在這個非常時期供應迫切需求的元件，為對抗疫情貢獻綿薄之力，我們對此非常欣慰。」

許多公司正努力供應大量呼吸器，其中包括知名吸塵器製造商 Dyson。英國首相強生曾直接致電該公司創辦人 James Dyson，向他尋求協助。他和團隊在 10 天內就設計出 CoVent 呼吸器。Medtronic、Ford、GE 和 GM 等更多業者，現也在全球大規模開發呼吸器。

結論

我對這些博士、工程師、技術人員、製造商與經銷商在創意和設計上的協作深感驕傲，他們迅速為這場重大的全球危機貢獻自身心力。病毒的傳染不分商業計畫或國界，更干擾了人們的居家生活並危及到無數人的生命。但是，病毒也激發出人性最光輝的一面，對此我們也心存感激。