eng
В борьбе с пандемией объединяются усилия специалистов в области вирусологии, микробиологии, микросистемной техники, электроники.
Хай-тек vs COVID 19…
М. Макушин, И. Черепанов
Всемирная организация здравоохранения объявила пневмонию COVID 2019, вызываемую вирусом SARS-CoV 2, глобальной пандемией. Есть ли у человечества высокотехнологичный ответ этому вызову? Да. Это методы диагностики и лечения, дезинфекции, разрабатываются лекарственные средства и вакцины, специфичные к COVID 19. Развитие высокотехнологичных отраслей промышленности дошло до такого этапа, когда прорывы совершаются скорее не в узко-специализированной области, а на стыке нескольких научных дисциплин и производственных технологий. В борьбе с пандемией объединяются усилия специалистов в области вирусологии, микробиологии, микросистемной техники, электроники и т. д.
Информация о пандемии пневмонии COVID 2019, вызываемой коронавирусом SARS-CoV 2, по-прежнему заполняет ленты новостных агентств. Реакцию электронной промышленности на это событие можно условно рассматривать по нескольким направлениям: создание средств диагностики и лечения, изменение бизнес-моделей, использование ситуации в своих целях и т. п.
К средствам диагностики можно отнести тепловидение, компьютерную томографию и приборы тестирования на вирус. Одним из важнейших типов оборудования, используемого при лечении больных, являются аппараты искусственной вентиляции легких (ИВЛ). В качестве средств обеззараживания электронная промышленность в основном предлагает приборы на основе ультрафиолетовых светодиодов (УФ СИД).
Эпидемия COVID 19 в КНР, по всей видимости, преодолена. Так, в г. Шэньчжэнь (провинция Гуандун, юг страны), одном из крупнейших производственных комплексов электроники, с 24 февраля начали возобновлять работу промышленные предприятия [1]. К концу марта были сняты ограничения в эпицентре пандемии г. Ухань (провинции Хубэй, центральный Китай). Однако сохраняется возможность второй волны заболевания – осенью.
За пределами КНР многие электронные фирмы пересматривают прогнозы своих прибылей на 2020 год. Так уже сделали корпорации Broadcom (Сан-Хосе, шт. Калифорния) и Infineon (Мюнхен, ФРГ), а Applied Materials (Санта-Клара, шт. Калифорния), NXP Semiconductors (Эйндховен, Нидерланды) и ON Semiconductor (Феникс, шт. Аризона) сообщили об ожидающемся сокращении доходов за I кв. текущего года. Infineon, например, ожидает падения доходов за I кв. на 50–150 млн долл. Нижняя граница отражает сложившуюся ситуацию, а верхняя – ожидания в случае ее ухудшения. У корпорации On Semiconductor аналогичные предположения – снижение продаж до 1,275–1,325 млрд долл. по сравнению с более ранними оценками в 1,355–1,405 млрд долл. [2]. После введения с 17 марта ограничений по COVID 19 во Франции корпорация STMicroelectronics (Женева, Швейцария) объявила о временной приостановке деятельности, что коснется 50% занятых. Возможна задержка с вводом в строй опытной линии по производству GaN приборов в г. Тур [3]. Подобных примеров сейчас великое множество.
ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ОРГАНОВ ВЛАСТИ
Если оставить за скобками карантинные мероприятия, то, с точки зрения организации производства необходимого оборудования и применения лекарственных средств, можно отметить два примера из деятельности американских властей. Так, президент США Дональд Трамп начал применять закон «Об оборонной промышленности» (Defense Production Act, DPA, 1950 г. с последующими изменениями и дополнениями). Этот закон позволяет правительству контролировать цены, объемы производства, заработной платы и др. Также он предусматривает контроль за экономическими параметрами в целях обеспечения национальной безопасности, изъятие собственности в целях национальной безопасности, требование от предприятий приоритетного исполнения ими контрактов и заказов, связанных с обороной и т. д. Несмотря на повышенную потребность почти во всех видах медицинского снабжения – от перчаток до масок, от тест-наборов до лекарств и аппаратов искусственной вентиляции легких, Трамп использовал DPA пока только один раз – 27 марта 2020 года он приказал корпорации General Motors немедленно приступить к производству аппаратов ИВЛ [4].
Кроме того, Управление по контролю качества пищевых продуктов и медикаментов (FDA) Министерства здравоохранения и социальных услуг США активно использует практику выдачи «Разрешений на использование лекарственных препаратов в чрезвычайных ситуациях» (Emergency Use Authorization, EUA). Это временные разрешения в процессе утверждения новых лекарств или новых показаний к ранее одобренным препаратам на их применение во время объявленной чрезвычайной ситуации (до завершения полного цикла процесса утверждения этих препаратов или их новых показаний) [5].
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
По данной тематике уже издаются специализированные исследования. Так, корпорация International Data Corporation (IDC, Фремингем, шт. Массачусетс) провела исследование «Влияние COVID 19 на прогноз мирового рынка полупроводниковых приборов» (Impact of COVID 19 on the Worldwide Semiconductor Market Forecast), в котором представлена методика оценки воздействия пандемии на рынок с использованием четырех сценариев, оценивающих диапазон возможных результатов. Каждый сценарий основан на различных предположениях и степени серьезности воздействия COVID 19 на деятельность высокотехнологичных фирм. Для каждого сценария выбран ряд критических факторов для формирования обновленного прогноза [6]. Также по данным IDC расходы конечных пользователей в 2020 году на ИТ инфраструктуру (серверные и корпоративные системы хранения данных) сократятся. При текущем вероятном сценарии продажи серверов снизятся на 3,4% (88,6 млрд долл.), а расходы на закупку внешних корпоративных систем хранения данных (external enterprise storage systems, ESS) снизятся на 5,5% (до 28,7 млрд долл.) [7].
Аналогичного подхода придерживается исследовательская фирма Juniper Research (Саннивэйл, шт. Калифорния), прогнозирующая возможное сокращение продаж интеллектуальных приборов примерно на 42 млрд долл. в течение следующих девяти месяцев. В рамках проведенного анализа был изучен ряд основных вертикально-интегрированных цепочек поставок, обеспечивающих изготовление таких конечных электронных систем, как смартфоны, планшетные ПК, потребительская робототехника, умные динамики и интеллектуальная носимая электроника. По результатам исследования сформулированы три сценария возможного развития ситуации, отражающие слабое, среднее и сильное воздействие на рынок последствий пандемии COVID 2019 [8].
Сокращение производства
Отмечается, что в случае сильного воздействия пандемии на рынок в ближайшие девять месяцев производство смарт-приборов сократится более чем на 80 млн шт. Причиной станут возможные задержки поставок и / или дефицит таких компонентов, как процессоры, дисплеи, источники питания и т. д. Все это может привести к срыву темпов производства у конечных поставщиков, включая корпорации Apple, Samsung, Amazon, Xiaomi и Huawei. Все они должны быть готовы к заполнению любых прорывов в их цепочках поставок – для удовлетворения спроса на их продукцию.
Также прогнозируется, что на смартфоны в течение следующих девяти месяцев будет приходиться большая часть дефицита смарт-приборов, что составляет более 85% возможных недопоставок. Предполагается, что вирус может также вызвать более долгосрочные проблемы, в том числе затруднения при разработке новых приборов и конечных электронных систем. Кроме того, финансовая неопределенность от воздействия вируса означает, что спрос будет ниже, в результате чего поставщики не смогут полностью восстановить потери от продажи своей продукции.
«Устойчивые» стратегии производителей
Исследование Juniper Research показало, что производителям интеллектуальных приборов необходимо диверсифицировать базы поставщиков компонентов. Утверждается, что это позволит обеспечить заполнение возможных пробелов в цепочке поставок.
В модели «производство точно в срок» слабым звеном всегда была устойчивость цепочек поставок. Эта модель предполагает такую организацию цепочек поставок, которая обеспечивает своевременную поставку компонентов непосредственно перед этапом изготовления конечной системы. В качестве страховки работоспособности данной модели всегда создавался определенный объем товарно-материальных запасов. Но в современной ситуации, как полагают специалисты Juniper Research, обладание полным ассортиментом товарно-материальных запасов может оказаться слишком дорогостоящим, и теперь поставщики должны рассмотреть вопрос о создании перечня «стратегических» компонентов [8].
Способы стимулирования производства
Поставщики медицинского оборудования не только наращивают собственное производство аппаратов ИВЛ, но и делают многое, чтобы другие производители, не работавшие ранее на рынке медицинского оборудования, могли наладить свое собственное производство медицинской техники. Так, корпорация Medtronic выложила в открытый доступ документацию на аппарат ИВЛ PB560: руководство по эксплуатации и обслуживанию, проектно-сметную и технологическую документацию, схемную документацию и технические условия на проектирование. Вскоре будут представлены программируемые коды и другая информация. Это предоставит широкому кругу производителей, изобретателей, стартапов и научных учреждений возможность быстрого проектирования новых конструкций ИВЛ и наращивания их производства.
Аппарат ИВЛ PB560 не нов, он выпускается с 2010 года и сейчас продается в 35 странах мира. Но он прост, технологичен в производстве и отвечает современным требованиям борьбы с COVID 19 [9]. Чего в этом действии больше – благотворительности или желания, воспользовавшись ситуацией, распродать запасы нереализованной продукции и расширить круг пользователей своих технологий, сказать трудно.
СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ
Тепловизоры
Технология тепловидения была разработана сначала для военных, а затем для гражданских применений, таких как термография, средства наблюдения, пожаротушения, автомобильная электроника, охотничьи принадлежности и т. д. Повышенная температура тела человека, один из основных симптомов заболевания, легко контролируется с помощью тепловизоров, работающих в диапазоне волн от 8 до 14 мкм. Это помогает идентифицировать инфицированных среди огромных скоплений людей, например, в аэропортах, на вокзалах и т. д.
По данным исследования группы Yole Développement (Лион, Франция), в 2019 году было отгружено более 1,5 млн тепловизоров на сумму более 4,5 млрд долл. Предполагается, что мировой рынок тепловизоров увеличится с 4,3 млрд долл. в 2018 году до 6,7 млрд долл. в 2024-м (рис. 1).
Безусловно, в будущем тепловизоры получат более широкое распространение для повышения безопасности на границах, в аэропортах и т. п. Вероятно, к фирмам-разработчикам тепловизоров, таким как FLIR, HikVision, Guide IR, Zhejiang Dali, Testo, Fluke и Seek Thermal, добавятся многие другие [10].
ПЦР методика:
MEMS обеспечивают лучшие результаты
В целом, следует отметить, что в настоящее время существует два типа средств тестирования. Это портативные / переносные приборы, облегчающие диагностику по месту лечения («у кровати больного», по месту обращения в амбулаторный / первичный пункт оказания неотложной / скорой помощи – point of care, POC), а также стационарное оборудование (используемое в клинических условиях, с жестким или колесно-стоечным монтажом) (табл. 1).
Первоначально в основе всех методов обнаружения вируса SARS-CoV 2 лежал анализ обратной транскрипционной полимеразной цепной реакции (ОТ-ПЦР / PCR) в реальном масштабе времени. Этот тест требует в первую очередь знания генома вируса. Результаты работ по секвенированию полного генома SARS-CoV 2 была впервые опубликована китайскими учеными 10 января 2020 года. После этого международной группе ученых, возглавляемой специалистами из ФРГ, потребовалось всего семь дней, чтобы опубликовать первый протокол тестирования образцов анализов пациентов, в настоящее время принятый ВОЗ. Уже ведется работа по обнаружению вируса с помощью других методов обнаружения, которые могут быть быстрее и дешевле в реализации, таких как тестирование на антитела или тесты CRISPR-Cas13.
Традиционные ПЦР средства обладают длительным циклом достижения результатов. Кроме того, они малочувствительны при низкой вирусной нагрузке в образце мазка тестируемых образцов, что может привести к значительному количеству ложноотрицательных результатов. Технология MEMS дает два основных преимущества для ПЦР: меньший размер по сравнению с обычными ПЦР приборами и интеграция анализа содержимого множественных микропотоков. Обогреватели и реакционные MEMS камер обладают малой тепловой массой, что значительно ускоряет цикл нагрева-охлаждения и обеспечивает получение результата за считанные минуты. Интеграция микропотоков при обработке образцов и реагентов позволила создать новые методы, такие как цифровая ПЦР (digital PCR) и микрокапельная цифровая ПЦР (Droplet dPCR, ddPCR). Такие приборы обеспечивают высокий уровень параллелизма операций тестирования, что позволяет существенно повысить чувствительность и сократить время тестирования. Результаты первоначального исследования (еще не подтвержденные дальнейшими клиническими испытаниями) показали, что ddPCR прибор имеет в 500 раз меньший порог обнаружения SARS-CoV 2, чем у традиционных ПЦР приборов. Это означает, что когда образец пациента имеет низкую вирусную нагрузку, ddPCR прибор имеет гораздо более высокий шанс правильно идентифицировать инфицированного пациента по сравнению с традиционной ПЦР.
Недавно сотрудники Исследовательского института электроники и телекоммуникаций и биотехнологической фирмы Genesystem (обе – г. Тэджон, Республика Корея) разработали прототип недорогой портативной системы ПЦР с полиимидной (полимерной) камерой, микронагревателем и встроенным КМОП формирователем сигналов изображения для оптического считывания результатов (рис. 2).
Как бы это ни звучало, но пандемия COVID 19 открывает новые перспективы перед изготовителями MEMS и микропотоковых приборов, с одной стороны, а с другой – расширяет аналитический инструментарий медиков и биологов [5].
Компьютерная томография
Косвенный диагноз COVID 19 можно поставить с использованием компьютерной томографии (КТ). Многие из тяжелых осложнений, вызванных COVID 19, возникают из-за пневмонии. Это можно увидеть на КТ как «затемнение по типу матового стекла», поэтому КТ использовалась в качестве диагностического инструмента на ранних этапах эпидемии в больницах в КНР, а теперь и по всему миру. Из-за своей высокой чувствительности КТ в настоящее время является методом визуализации, выбранным для диагностики и мониторинга пациентов с COVID 19. Объем продаж средств компьютерной томографии в 2018 году составил около 4 млрд долл., сейчас же рост их продаж предсказать трудно. Все основные поставщики КТ-сканеров работают в тесном сотрудничестве с больницами и правительственными ведомствами в различных странах мира. Такое взаимодействие позволяет облегчить установку новых КТ сканеров и их использование на местах. Недавнее появление на этом рынке китайских игроков с более дешевыми системами может оказать существенное влияние на текущий кризис, особенно в развивающихся странах [10].
СРЕДСТВА ЛЕЧЕНИЯ / УХОДА ЗА БОЛЬНЫМИ
Наиболее часто в контексте борьбы с COVID 19 упоминаются аппараты ИВЛ, предназначенные для принудительной подачи газовой смеси (кислород и сжатый осушенный воздух) в легкие для насыщения крови кислородом и удаления из легких углекислого газа (табл. 2). Некоторые стационарные аппараты ИВЛ могут одновременно обслуживать несколько пациентов. В таких приборах, как правило, есть возможность индивидуальной подстройки режима вентиляции.
Однако безопасны ли сами ИВЛ? По данным Forbes, в Нью-Йорке до 80% погибших от пандемии были подключены к аппаратам ИВЛ. К подобным сообщениям следует относиться осторожно. Во-первых, к ИВЛ подключают наиболее тяжелых больных, а в этой категории смертность всегда намного выше, чем в среднем. Во-вторых, неожиданно широкое использование аппаратов ИВЛ привело к тому, что их не всегда используют подготовленные к этому врачи, а для ослабленных болезнью пациентов крайне важна правильная настройка аппарата ИВЛ. Так что дело не столько в самой технике, сколько в ее использовании. Кроме того есть вопросы стерилизации и т. д. [14].
Важным средством оптимизации работы аппаратов ИВЛ может стать технология «цифровых двойников». Недавно корпорации OnScale и LEXMA приступили к совместным работам по созданию индивидуальных «цифровых двойников» легких пациентов, которые могут точно предсказать уровень насыщенности крови кислородом и скорость кровотока. Это существенно поможет врачам принимать критические решения относительно использования аппаратов ИВЛ. Каждый «цифровой двойник» содержит данные компьютерной томографии и рентгенографии, наборы данных моделирования воздушного потока и кровотока в легких, обновляемые в реальном масштабе времени. Для повышения скорости и точности прогнозирования используются средства искусственного интеллекта, обученные по моделируемым и измеренным данным пациента [15].
СРЕДСТВА ДЕЗИНФЕКЦИИ / СТЕРИЛИЗАЦИИ
Если говорить о мерах дезинфекции, то самой распространенной практикой является использование химических средств. Еще один вариант дезинфекции – использование коротковолновых УФ-СИД (ультрафиолет С, УФ-С, длина волны излучения 280–100 нм) и СИД, работающих в дальней УФ области спектра (ДУФ, длина волны излучения 122–200 нм).
Ультрафиолетовое излучение обладает способностью убивать вирусы и бактерии, разрушая их ДНК, а также может использоваться для стерилизации. Наиболее эффективны в этом плане по мощности излучения и компактности – приборы и системы на основе УФ-С СИД. В 2019 году их рынок был довольно мал – всего 108 млн долл. Но из-за пандемии некоторые фирмы все активнее используют УФ излучение. Например, шанхайская фирма Yanggao (общественный транспорт) превратила обычный моечный бокс в камеру дезинфекции с УФ-С излучением для автобусов, сократив 40-минутный процесс до пяти минут. Предполагается что в дальнейшем УФ-С СИД найдут более широкое применение (рис. 3).
Производители УФ СИД обнаружили, что запросы клиентов на их продукцию за февраль 2020 года выросли в среднем более чем в пять раз. Например, фирма Seoul Viosys (Ансан, Республика Корея) при первоначальном размещении акций (IPO) столкнулась с тем, что за короткое время спрос на ее акции превысил предложение более чем в 900 раз [10].
Что касается ДУФ, то недавно корпорация Sensor Electronic Technology (SETi, Колумбия, Ю. Каролина) представила средство стерилизации, способное уничтожить вирус SARS-CoV 2 за 30 с. Утверждается, что за это время гибнет до 99,9% короновирусов. Тестирование было осуществлено совместно с Университетом Корё (Корейский университет, Сеул). При разработке ДУФ СИД использовался сложный (составной) полупроводниковый материал, созданный SETi совместно с материнской корпорацией Seoul Viosys [20].
* * *
В предложенном кратком обзоре охвачены далеко не все возможности электронной промышленности по борьбе с COVID 19. Тем не менее надо отметить, что мировая электронная промышленность оказалась в высокой степени готова к пандемии. Во-первых, существуют обширные производственные мощности, которые можно быстро перенастроить на выпуск необходимой продукции. Во-вторых, подход проектирования на основе стандартизированных блоков, модулей и платформ существенно упрощает и ускоряет разработку новой продукции. В третьих, доступен огромный рынок аттестованных сложно функциональных блоков, в которых воплощена вся необходимая интеллектуальная собственность. В четвертых, существует разветвленная сеть центров проектирования, оснащенных различными типами инструментальных средств САПР, способных быстро проектировать необходимые системы и их комплектующие. Главное, что проявляется в сложившейся ситуации – готовность быстрого реагирования различных отраслей промышленности, научного сообщества и органов власти на складывающуюся ситуацию, их совместная работа.
ЛИТЕРАТУРА
Китайский источник инфо 2020-02-28.
Nitin D. Infineon Withdraws 2020 Outlook as Industry Visibility Falls // EE Times. 03.26.2020.
Pelé Stop A-F. Cut or Maintain European Chip Production Amid Covid 19 // EE Times. 03.24.2020.
Jorgensen B. Supply Chain 101: The DPA Won't „Cure“ Covid 19 // EE Times. 03.31.2020.
Fitzgerald A. M. and Khademolhosseini F. MEMS in the Fight Against Covid 19 // EE Times magazine. 04.01.2020.
Davis S. COVID 19 To Have Significant Effect on Worldwide Semiconductor Market in 2020, According to IDC // Semiconductor-digest. March 19. 2020.
Worldwide Server and Enterprise Storage Systems Markets Will Decline in 2020, Impacted by the COVID 19 Pandemic, According to IDC // Semiconductor Digest. March 27. 2020.
Davis S. Juniper Research: Coronavirus to Cause $42 Billion Revenue Gap in Global Consumer Device Shipments over the Next 9 Months // Semiconductor-digest. March 26. 2020.
Medtronic Continuing to Increase Ventilator Production to Address COVID 19 Pandemic // Semiconductor Digest. March 26. 2019.
Damianos D., Clerc S., Villien M., Mounier E., Boulay P. Coronavirus COVID 19 pandemic: How can technologies help to detect and stem the deadly virus? // I-Micronews. 03.19. 2020.
Abbott launches molecular point-of-care test to detect novel coronavirus in as little as five minutes // I-Micronews. March 30. 2020.
BioMérieux receives emergency use authorization for BIOFIRE® COVID 19 test // I-Micronews. March 24. 2020.
Mesa Biotech receives emergency use authorization from FDA for a 30 minute point of care molecular COVID 19 test // I-Micronews. March 25. 2020.
Таиров Р. В Нью-Йорке зафиксировали 80%-ную смертность среди подключенных к ИВЛ пациентов с коронавирусом. Forbes. 9 апреля 2020.
Davis S. OnScale Launches Project BreathEasy: Digital Twins of Lungs to Improve COVID-19 Patients Outcomes // Semiconductor Digest. April 14.2020
https://www.semiconductor-digest.com/2020/04/14/onscale-launches-project-breatheasy-digital-twins-of-lungs-to-improve-covid-19-patients-outcomes/
SynoVent E3. Ventilators.
Respironics Trilogy 202.
Illinois RapidVent Emergency Ventilator Developed for COVID 19 patients // Semiconductor Digest. April 1. 2020.
Medtronic Continuing to Increase Ventilator Production to Address COVID 19 Pandemic // Semiconductor Digest. March 26. 2019.
SETi's Violeds Technology Proves 99,9% Sterilization of Coronavirus (COVID 19) in 30 Seconds // Semiconductor Digest. April 2. 2020.
М. Макушин, И. Черепанов
Всемирная организация здравоохранения объявила пневмонию COVID 2019, вызываемую вирусом SARS-CoV 2, глобальной пандемией. Есть ли у человечества высокотехнологичный ответ этому вызову? Да. Это методы диагностики и лечения, дезинфекции, разрабатываются лекарственные средства и вакцины, специфичные к COVID 19. Развитие высокотехнологичных отраслей промышленности дошло до такого этапа, когда прорывы совершаются скорее не в узко-специализированной области, а на стыке нескольких научных дисциплин и производственных технологий. В борьбе с пандемией объединяются усилия специалистов в области вирусологии, микробиологии, микросистемной техники, электроники и т. д.
Информация о пандемии пневмонии COVID 2019, вызываемой коронавирусом SARS-CoV 2, по-прежнему заполняет ленты новостных агентств. Реакцию электронной промышленности на это событие можно условно рассматривать по нескольким направлениям: создание средств диагностики и лечения, изменение бизнес-моделей, использование ситуации в своих целях и т. п.
К средствам диагностики можно отнести тепловидение, компьютерную томографию и приборы тестирования на вирус. Одним из важнейших типов оборудования, используемого при лечении больных, являются аппараты искусственной вентиляции легких (ИВЛ). В качестве средств обеззараживания электронная промышленность в основном предлагает приборы на основе ультрафиолетовых светодиодов (УФ СИД).
Эпидемия COVID 19 в КНР, по всей видимости, преодолена. Так, в г. Шэньчжэнь (провинция Гуандун, юг страны), одном из крупнейших производственных комплексов электроники, с 24 февраля начали возобновлять работу промышленные предприятия [1]. К концу марта были сняты ограничения в эпицентре пандемии г. Ухань (провинции Хубэй, центральный Китай). Однако сохраняется возможность второй волны заболевания – осенью.
За пределами КНР многие электронные фирмы пересматривают прогнозы своих прибылей на 2020 год. Так уже сделали корпорации Broadcom (Сан-Хосе, шт. Калифорния) и Infineon (Мюнхен, ФРГ), а Applied Materials (Санта-Клара, шт. Калифорния), NXP Semiconductors (Эйндховен, Нидерланды) и ON Semiconductor (Феникс, шт. Аризона) сообщили об ожидающемся сокращении доходов за I кв. текущего года. Infineon, например, ожидает падения доходов за I кв. на 50–150 млн долл. Нижняя граница отражает сложившуюся ситуацию, а верхняя – ожидания в случае ее ухудшения. У корпорации On Semiconductor аналогичные предположения – снижение продаж до 1,275–1,325 млрд долл. по сравнению с более ранними оценками в 1,355–1,405 млрд долл. [2]. После введения с 17 марта ограничений по COVID 19 во Франции корпорация STMicroelectronics (Женева, Швейцария) объявила о временной приостановке деятельности, что коснется 50% занятых. Возможна задержка с вводом в строй опытной линии по производству GaN приборов в г. Тур [3]. Подобных примеров сейчас великое множество.
ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ОРГАНОВ ВЛАСТИ
Если оставить за скобками карантинные мероприятия, то, с точки зрения организации производства необходимого оборудования и применения лекарственных средств, можно отметить два примера из деятельности американских властей. Так, президент США Дональд Трамп начал применять закон «Об оборонной промышленности» (Defense Production Act, DPA, 1950 г. с последующими изменениями и дополнениями). Этот закон позволяет правительству контролировать цены, объемы производства, заработной платы и др. Также он предусматривает контроль за экономическими параметрами в целях обеспечения национальной безопасности, изъятие собственности в целях национальной безопасности, требование от предприятий приоритетного исполнения ими контрактов и заказов, связанных с обороной и т. д. Несмотря на повышенную потребность почти во всех видах медицинского снабжения – от перчаток до масок, от тест-наборов до лекарств и аппаратов искусственной вентиляции легких, Трамп использовал DPA пока только один раз – 27 марта 2020 года он приказал корпорации General Motors немедленно приступить к производству аппаратов ИВЛ [4].
Кроме того, Управление по контролю качества пищевых продуктов и медикаментов (FDA) Министерства здравоохранения и социальных услуг США активно использует практику выдачи «Разрешений на использование лекарственных препаратов в чрезвычайных ситуациях» (Emergency Use Authorization, EUA). Это временные разрешения в процессе утверждения новых лекарств или новых показаний к ранее одобренным препаратам на их применение во время объявленной чрезвычайной ситуации (до завершения полного цикла процесса утверждения этих препаратов или их новых показаний) [5].
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
По данной тематике уже издаются специализированные исследования. Так, корпорация International Data Corporation (IDC, Фремингем, шт. Массачусетс) провела исследование «Влияние COVID 19 на прогноз мирового рынка полупроводниковых приборов» (Impact of COVID 19 on the Worldwide Semiconductor Market Forecast), в котором представлена методика оценки воздействия пандемии на рынок с использованием четырех сценариев, оценивающих диапазон возможных результатов. Каждый сценарий основан на различных предположениях и степени серьезности воздействия COVID 19 на деятельность высокотехнологичных фирм. Для каждого сценария выбран ряд критических факторов для формирования обновленного прогноза [6]. Также по данным IDC расходы конечных пользователей в 2020 году на ИТ инфраструктуру (серверные и корпоративные системы хранения данных) сократятся. При текущем вероятном сценарии продажи серверов снизятся на 3,4% (88,6 млрд долл.), а расходы на закупку внешних корпоративных систем хранения данных (external enterprise storage systems, ESS) снизятся на 5,5% (до 28,7 млрд долл.) [7].
Аналогичного подхода придерживается исследовательская фирма Juniper Research (Саннивэйл, шт. Калифорния), прогнозирующая возможное сокращение продаж интеллектуальных приборов примерно на 42 млрд долл. в течение следующих девяти месяцев. В рамках проведенного анализа был изучен ряд основных вертикально-интегрированных цепочек поставок, обеспечивающих изготовление таких конечных электронных систем, как смартфоны, планшетные ПК, потребительская робототехника, умные динамики и интеллектуальная носимая электроника. По результатам исследования сформулированы три сценария возможного развития ситуации, отражающие слабое, среднее и сильное воздействие на рынок последствий пандемии COVID 2019 [8].
Сокращение производства
Отмечается, что в случае сильного воздействия пандемии на рынок в ближайшие девять месяцев производство смарт-приборов сократится более чем на 80 млн шт. Причиной станут возможные задержки поставок и / или дефицит таких компонентов, как процессоры, дисплеи, источники питания и т. д. Все это может привести к срыву темпов производства у конечных поставщиков, включая корпорации Apple, Samsung, Amazon, Xiaomi и Huawei. Все они должны быть готовы к заполнению любых прорывов в их цепочках поставок – для удовлетворения спроса на их продукцию.
Также прогнозируется, что на смартфоны в течение следующих девяти месяцев будет приходиться большая часть дефицита смарт-приборов, что составляет более 85% возможных недопоставок. Предполагается, что вирус может также вызвать более долгосрочные проблемы, в том числе затруднения при разработке новых приборов и конечных электронных систем. Кроме того, финансовая неопределенность от воздействия вируса означает, что спрос будет ниже, в результате чего поставщики не смогут полностью восстановить потери от продажи своей продукции.
«Устойчивые» стратегии производителей
Исследование Juniper Research показало, что производителям интеллектуальных приборов необходимо диверсифицировать базы поставщиков компонентов. Утверждается, что это позволит обеспечить заполнение возможных пробелов в цепочке поставок.
В модели «производство точно в срок» слабым звеном всегда была устойчивость цепочек поставок. Эта модель предполагает такую организацию цепочек поставок, которая обеспечивает своевременную поставку компонентов непосредственно перед этапом изготовления конечной системы. В качестве страховки работоспособности данной модели всегда создавался определенный объем товарно-материальных запасов. Но в современной ситуации, как полагают специалисты Juniper Research, обладание полным ассортиментом товарно-материальных запасов может оказаться слишком дорогостоящим, и теперь поставщики должны рассмотреть вопрос о создании перечня «стратегических» компонентов [8].
Способы стимулирования производства
Поставщики медицинского оборудования не только наращивают собственное производство аппаратов ИВЛ, но и делают многое, чтобы другие производители, не работавшие ранее на рынке медицинского оборудования, могли наладить свое собственное производство медицинской техники. Так, корпорация Medtronic выложила в открытый доступ документацию на аппарат ИВЛ PB560: руководство по эксплуатации и обслуживанию, проектно-сметную и технологическую документацию, схемную документацию и технические условия на проектирование. Вскоре будут представлены программируемые коды и другая информация. Это предоставит широкому кругу производителей, изобретателей, стартапов и научных учреждений возможность быстрого проектирования новых конструкций ИВЛ и наращивания их производства.
Аппарат ИВЛ PB560 не нов, он выпускается с 2010 года и сейчас продается в 35 странах мира. Но он прост, технологичен в производстве и отвечает современным требованиям борьбы с COVID 19 [9]. Чего в этом действии больше – благотворительности или желания, воспользовавшись ситуацией, распродать запасы нереализованной продукции и расширить круг пользователей своих технологий, сказать трудно.
СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ
Тепловизоры
Технология тепловидения была разработана сначала для военных, а затем для гражданских применений, таких как термография, средства наблюдения, пожаротушения, автомобильная электроника, охотничьи принадлежности и т. д. Повышенная температура тела человека, один из основных симптомов заболевания, легко контролируется с помощью тепловизоров, работающих в диапазоне волн от 8 до 14 мкм. Это помогает идентифицировать инфицированных среди огромных скоплений людей, например, в аэропортах, на вокзалах и т. д.
По данным исследования группы Yole Développement (Лион, Франция), в 2019 году было отгружено более 1,5 млн тепловизоров на сумму более 4,5 млрд долл. Предполагается, что мировой рынок тепловизоров увеличится с 4,3 млрд долл. в 2018 году до 6,7 млрд долл. в 2024-м (рис. 1).
Безусловно, в будущем тепловизоры получат более широкое распространение для повышения безопасности на границах, в аэропортах и т. п. Вероятно, к фирмам-разработчикам тепловизоров, таким как FLIR, HikVision, Guide IR, Zhejiang Dali, Testo, Fluke и Seek Thermal, добавятся многие другие [10].
ПЦР методика:
MEMS обеспечивают лучшие результаты
В целом, следует отметить, что в настоящее время существует два типа средств тестирования. Это портативные / переносные приборы, облегчающие диагностику по месту лечения («у кровати больного», по месту обращения в амбулаторный / первичный пункт оказания неотложной / скорой помощи – point of care, POC), а также стационарное оборудование (используемое в клинических условиях, с жестким или колесно-стоечным монтажом) (табл. 1).
Первоначально в основе всех методов обнаружения вируса SARS-CoV 2 лежал анализ обратной транскрипционной полимеразной цепной реакции (ОТ-ПЦР / PCR) в реальном масштабе времени. Этот тест требует в первую очередь знания генома вируса. Результаты работ по секвенированию полного генома SARS-CoV 2 была впервые опубликована китайскими учеными 10 января 2020 года. После этого международной группе ученых, возглавляемой специалистами из ФРГ, потребовалось всего семь дней, чтобы опубликовать первый протокол тестирования образцов анализов пациентов, в настоящее время принятый ВОЗ. Уже ведется работа по обнаружению вируса с помощью других методов обнаружения, которые могут быть быстрее и дешевле в реализации, таких как тестирование на антитела или тесты CRISPR-Cas13.
Традиционные ПЦР средства обладают длительным циклом достижения результатов. Кроме того, они малочувствительны при низкой вирусной нагрузке в образце мазка тестируемых образцов, что может привести к значительному количеству ложноотрицательных результатов. Технология MEMS дает два основных преимущества для ПЦР: меньший размер по сравнению с обычными ПЦР приборами и интеграция анализа содержимого множественных микропотоков. Обогреватели и реакционные MEMS камер обладают малой тепловой массой, что значительно ускоряет цикл нагрева-охлаждения и обеспечивает получение результата за считанные минуты. Интеграция микропотоков при обработке образцов и реагентов позволила создать новые методы, такие как цифровая ПЦР (digital PCR) и микрокапельная цифровая ПЦР (Droplet dPCR, ddPCR). Такие приборы обеспечивают высокий уровень параллелизма операций тестирования, что позволяет существенно повысить чувствительность и сократить время тестирования. Результаты первоначального исследования (еще не подтвержденные дальнейшими клиническими испытаниями) показали, что ddPCR прибор имеет в 500 раз меньший порог обнаружения SARS-CoV 2, чем у традиционных ПЦР приборов. Это означает, что когда образец пациента имеет низкую вирусную нагрузку, ddPCR прибор имеет гораздо более высокий шанс правильно идентифицировать инфицированного пациента по сравнению с традиционной ПЦР.
Недавно сотрудники Исследовательского института электроники и телекоммуникаций и биотехнологической фирмы Genesystem (обе – г. Тэджон, Республика Корея) разработали прототип недорогой портативной системы ПЦР с полиимидной (полимерной) камерой, микронагревателем и встроенным КМОП формирователем сигналов изображения для оптического считывания результатов (рис. 2).
Как бы это ни звучало, но пандемия COVID 19 открывает новые перспективы перед изготовителями MEMS и микропотоковых приборов, с одной стороны, а с другой – расширяет аналитический инструментарий медиков и биологов [5].
Компьютерная томография
Косвенный диагноз COVID 19 можно поставить с использованием компьютерной томографии (КТ). Многие из тяжелых осложнений, вызванных COVID 19, возникают из-за пневмонии. Это можно увидеть на КТ как «затемнение по типу матового стекла», поэтому КТ использовалась в качестве диагностического инструмента на ранних этапах эпидемии в больницах в КНР, а теперь и по всему миру. Из-за своей высокой чувствительности КТ в настоящее время является методом визуализации, выбранным для диагностики и мониторинга пациентов с COVID 19. Объем продаж средств компьютерной томографии в 2018 году составил около 4 млрд долл., сейчас же рост их продаж предсказать трудно. Все основные поставщики КТ-сканеров работают в тесном сотрудничестве с больницами и правительственными ведомствами в различных странах мира. Такое взаимодействие позволяет облегчить установку новых КТ сканеров и их использование на местах. Недавнее появление на этом рынке китайских игроков с более дешевыми системами может оказать существенное влияние на текущий кризис, особенно в развивающихся странах [10].
СРЕДСТВА ЛЕЧЕНИЯ / УХОДА ЗА БОЛЬНЫМИ
Наиболее часто в контексте борьбы с COVID 19 упоминаются аппараты ИВЛ, предназначенные для принудительной подачи газовой смеси (кислород и сжатый осушенный воздух) в легкие для насыщения крови кислородом и удаления из легких углекислого газа (табл. 2). Некоторые стационарные аппараты ИВЛ могут одновременно обслуживать несколько пациентов. В таких приборах, как правило, есть возможность индивидуальной подстройки режима вентиляции.
Однако безопасны ли сами ИВЛ? По данным Forbes, в Нью-Йорке до 80% погибших от пандемии были подключены к аппаратам ИВЛ. К подобным сообщениям следует относиться осторожно. Во-первых, к ИВЛ подключают наиболее тяжелых больных, а в этой категории смертность всегда намного выше, чем в среднем. Во-вторых, неожиданно широкое использование аппаратов ИВЛ привело к тому, что их не всегда используют подготовленные к этому врачи, а для ослабленных болезнью пациентов крайне важна правильная настройка аппарата ИВЛ. Так что дело не столько в самой технике, сколько в ее использовании. Кроме того есть вопросы стерилизации и т. д. [14].
Важным средством оптимизации работы аппаратов ИВЛ может стать технология «цифровых двойников». Недавно корпорации OnScale и LEXMA приступили к совместным работам по созданию индивидуальных «цифровых двойников» легких пациентов, которые могут точно предсказать уровень насыщенности крови кислородом и скорость кровотока. Это существенно поможет врачам принимать критические решения относительно использования аппаратов ИВЛ. Каждый «цифровой двойник» содержит данные компьютерной томографии и рентгенографии, наборы данных моделирования воздушного потока и кровотока в легких, обновляемые в реальном масштабе времени. Для повышения скорости и точности прогнозирования используются средства искусственного интеллекта, обученные по моделируемым и измеренным данным пациента [15].
СРЕДСТВА ДЕЗИНФЕКЦИИ / СТЕРИЛИЗАЦИИ
Если говорить о мерах дезинфекции, то самой распространенной практикой является использование химических средств. Еще один вариант дезинфекции – использование коротковолновых УФ-СИД (ультрафиолет С, УФ-С, длина волны излучения 280–100 нм) и СИД, работающих в дальней УФ области спектра (ДУФ, длина волны излучения 122–200 нм).
Ультрафиолетовое излучение обладает способностью убивать вирусы и бактерии, разрушая их ДНК, а также может использоваться для стерилизации. Наиболее эффективны в этом плане по мощности излучения и компактности – приборы и системы на основе УФ-С СИД. В 2019 году их рынок был довольно мал – всего 108 млн долл. Но из-за пандемии некоторые фирмы все активнее используют УФ излучение. Например, шанхайская фирма Yanggao (общественный транспорт) превратила обычный моечный бокс в камеру дезинфекции с УФ-С излучением для автобусов, сократив 40-минутный процесс до пяти минут. Предполагается что в дальнейшем УФ-С СИД найдут более широкое применение (рис. 3).
Производители УФ СИД обнаружили, что запросы клиентов на их продукцию за февраль 2020 года выросли в среднем более чем в пять раз. Например, фирма Seoul Viosys (Ансан, Республика Корея) при первоначальном размещении акций (IPO) столкнулась с тем, что за короткое время спрос на ее акции превысил предложение более чем в 900 раз [10].
Что касается ДУФ, то недавно корпорация Sensor Electronic Technology (SETi, Колумбия, Ю. Каролина) представила средство стерилизации, способное уничтожить вирус SARS-CoV 2 за 30 с. Утверждается, что за это время гибнет до 99,9% короновирусов. Тестирование было осуществлено совместно с Университетом Корё (Корейский университет, Сеул). При разработке ДУФ СИД использовался сложный (составной) полупроводниковый материал, созданный SETi совместно с материнской корпорацией Seoul Viosys [20].
* * *
В предложенном кратком обзоре охвачены далеко не все возможности электронной промышленности по борьбе с COVID 19. Тем не менее надо отметить, что мировая электронная промышленность оказалась в высокой степени готова к пандемии. Во-первых, существуют обширные производственные мощности, которые можно быстро перенастроить на выпуск необходимой продукции. Во-вторых, подход проектирования на основе стандартизированных блоков, модулей и платформ существенно упрощает и ускоряет разработку новой продукции. В третьих, доступен огромный рынок аттестованных сложно функциональных блоков, в которых воплощена вся необходимая интеллектуальная собственность. В четвертых, существует разветвленная сеть центров проектирования, оснащенных различными типами инструментальных средств САПР, способных быстро проектировать необходимые системы и их комплектующие. Главное, что проявляется в сложившейся ситуации – готовность быстрого реагирования различных отраслей промышленности, научного сообщества и органов власти на складывающуюся ситуацию, их совместная работа.
ЛИТЕРАТУРА
Китайский источник инфо 2020-02-28.
Nitin D. Infineon Withdraws 2020 Outlook as Industry Visibility Falls // EE Times. 03.26.2020.
Pelé Stop A-F. Cut or Maintain European Chip Production Amid Covid 19 // EE Times. 03.24.2020.
Jorgensen B. Supply Chain 101: The DPA Won't „Cure“ Covid 19 // EE Times. 03.31.2020.
Fitzgerald A. M. and Khademolhosseini F. MEMS in the Fight Against Covid 19 // EE Times magazine. 04.01.2020.
Davis S. COVID 19 To Have Significant Effect on Worldwide Semiconductor Market in 2020, According to IDC // Semiconductor-digest. March 19. 2020.
Worldwide Server and Enterprise Storage Systems Markets Will Decline in 2020, Impacted by the COVID 19 Pandemic, According to IDC // Semiconductor Digest. March 27. 2020.
Davis S. Juniper Research: Coronavirus to Cause $42 Billion Revenue Gap in Global Consumer Device Shipments over the Next 9 Months // Semiconductor-digest. March 26. 2020.
Medtronic Continuing to Increase Ventilator Production to Address COVID 19 Pandemic // Semiconductor Digest. March 26. 2019.
Damianos D., Clerc S., Villien M., Mounier E., Boulay P. Coronavirus COVID 19 pandemic: How can technologies help to detect and stem the deadly virus? // I-Micronews. 03.19. 2020.
Abbott launches molecular point-of-care test to detect novel coronavirus in as little as five minutes // I-Micronews. March 30. 2020.
BioMérieux receives emergency use authorization for BIOFIRE® COVID 19 test // I-Micronews. March 24. 2020.
Mesa Biotech receives emergency use authorization from FDA for a 30 minute point of care molecular COVID 19 test // I-Micronews. March 25. 2020.
Таиров Р. В Нью-Йорке зафиксировали 80%-ную смертность среди подключенных к ИВЛ пациентов с коронавирусом. Forbes. 9 апреля 2020.
Davis S. OnScale Launches Project BreathEasy: Digital Twins of Lungs to Improve COVID-19 Patients Outcomes // Semiconductor Digest. April 14.2020
https://www.semiconductor-digest.com/2020/04/14/onscale-launches-project-breatheasy-digital-twins-of-lungs-to-improve-covid-19-patients-outcomes/
SynoVent E3. Ventilators.
Respironics Trilogy 202.
Illinois RapidVent Emergency Ventilator Developed for COVID 19 patients // Semiconductor Digest. April 1. 2020.
Medtronic Continuing to Increase Ventilator Production to Address COVID 19 Pandemic // Semiconductor Digest. March 26. 2019.
SETi's Violeds Technology Proves 99,9% Sterilization of Coronavirus (COVID 19) in 30 Seconds // Semiconductor Digest. April 2. 2020.
Отзывы читателей
