Einfach zu bauendes tragbares Beatmungsgerät für COVID-19-Patienten: Konzept und Herausforderungen

Einleitung

Atemwegserkrankungen und Atemversagen sind sowohl in Industrie- als auch in Entwicklungsländern ein großes Problem der öffentlichen Gesundheit. Diese globale Herausforderung wurde durch die COVID-19-Pandemie stark verschärft, die zu einem dringenden Bedarf an zusätzlichen Beatmungsgeräten geführt hat (Tian et al. 2020). Selbst Industrieländer wie Spanien, Italien und die Vereinigten Staaten leiden unter einem Mangel an diesen teuren Beatmungsgeräten, deren Herstellung zudem relativ viel Zeit erfordert (Folmer 2020).

Es gibt zwei Arten von Beatmungsgeräten. Die eine presst lediglich mechanisch ein bestimmtes Luftvolumen in die Lunge, ohne zu berücksichtigen, ob die Patientin oder der Patient Luft einatmen oder ausatmen möchte. Fast alle diese Geräte beruhen auf dem herkömmlichen Beatmungsbeutel mit Maske (bag valve mask, BVM) (Hess und Kacmarek 1996). Ein BVM ist ein Kunststoffbeutel, den medizinisches Fachpersonal von Hand zusammendrücken kann; er bietet daher eine kostengünstige und einfache Möglichkeit, Luft in die Lunge zu pressen. Tatsächlich setzen Ersthelfer BVMs bei Patienten ein, die nicht atmen, anstatt eine Mund-zu-Mund-Beatmung durchzuführen. Alle auf einem BVM basierenden Beatmungsgeräte sind im Wesentlichen Roboterarme, die den Beutel in einer festgelegten Frequenz immer wieder zusammendrücken. Diese Geräte lassen sich schnell und in großer Stückzahl herstellen, doch da es sich bei ihnen lediglich um Pumpen handelt, die Luft in die Lunge der Patienten pressen, können sie nur bei Patienten unter Vollnarkose oder bei Patienten eingesetzt werden, die dem Tode nahe sind und deren Lunge nicht mehr funktioniert. Der Einsatz eines solchen Geräts bei einem bewusstseinsklaren Patienten würde die Gefahr eines tödlichen Barotraumas bergen, das entsteht, wenn der menschliche Körper einem unangemessenen Luftdruck ausgesetzt wird (Diaz und Heller 2020).

Die zweite Art von Beatmungsgeräten ist weiter entwickelt. Diese Geräte werden derzeit auf Intensivstationen zur Behandlung von COVID-19-Patienten (und anderen) eingesetzt, denn sie sind intelligent genug, um zu erkennen, ob die Patientin oder der Patient Luft einziehen oder ausstoßen möchte, und helfen ihr oder ihm dann, den gewünschten Vorgang auszuführen (Medtronic 2020a). Ein Beatmungsgerät dieser Art verfügt über zahlreiche Sensoren, die mit dem menschlichen Körper interagieren, und die Luft wird anhand der Sensordaten gezielt und präzise zugeführt. So bietet etwa das Beatmungsgerät Puritan Bennett 980, ein Hochleistungsgerät der Spitzenklasse, fortschrittliche Synchronisationswerkzeuge, mit denen das medizinische Personal das Gerät auf die individuellen Bedürfnisse jedes Patienten einstellen und so während des gesamten Atemzugs die passende Unterstützung bieten kann (Medtronic 2020b). Solche Geräte sind jedoch sehr komplizierte Maschinen, sodass ihre Herstellung in großen Stückzahlen sehr teuer und zeitaufwendig ist.

Aufgrund des durch die COVID-19-Epidemie verursachten Mangels an Beatmungsgeräten liefert sich die Welt derzeit ein Wettrennen um die Entwicklung eines praktikablen Beatmungssystems, das günstig und einfach herzustellen ist. Viele engagierte Ingenieure, die helfen wollen, stellen ihr Fachwissen freiwillig zur Verfügung, um ein kostengünstiges Beatmungsgerät zu entwickeln, das jede entsprechend umgerüstete Produktionsstätte bauen könnte (Pearce et al. 2020; Powers und Miller 2020). Die überwiegende Mehrheit der vorgeschlagenen Lösungen verwendet einen BVM und stützt sich auf eine 2010 veröffentlichte Forschungsarbeit des MIT (Al Husseini et al. 2010). Ein Beispiel ist der automatisierte manuelle Beatmungsbeutel, den das MIT E-Vent Project Team (2020) vorgeschlagen hat. Einige Lösungen – wie der einzigartige Entwurf, den wir in der vorliegenden Arbeit vorschlagen – sind jedoch völlig neue Beatmungsgeräte-Designs. Im Internet kursieren verschiedene neue Konzepte, doch viele davon beruhen auf einer Hin-und-her-Bewegung des Motors, die ein relativ komplexes Steuerungssystem erfordert. Um die Verfügbarkeit von Beatmungsgeräten zu maximieren (und die Komplexität ihrer Herstellung zu minimieren), halten wir es für wichtig, ein Design zu entwickeln, das auf einer unidirektionalen Bewegung beruht. In unserer jüngst im Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration (einer Zeitschrift von Springer Nature) veröffentlichten technischen Notiz schlagen wir daher ein neues, einfaches und leicht zu bauendes Beatmungsgerät-Design vor. Diese technische Notiz wurde von Badre El Majid, Aboubakr El Hammoumi, Saad Motahhir, Ambar Lebbadi und Abdelaziz El Ghzizal verfasst.

Designkonzept

Das einzigartige Konzept des vorgeschlagenen Beatmungsgeräts ist in den Abb. 1 und 2 dargestellt. Es besteht aus einem Luftbehälter aus Kunststoff, zwei Scheiben aus Holz oder Kunststoff (feste und bewegliche Scheibe), einem biegsamen Draht, zwei Rückschlagventilen, einem Gleichstrommotor und einem Stützgehäuse (Führungszylinder).

Abb. 1: 3D-Ansicht des zusammengebauten Beatmungsgeräts.

Abb. 2: 3D-Ansicht der Bauteile des Beatmungsgeräts

Wie in Abb. 1 zu sehen ist, ist der Motor in der Mitte der oberen Scheibe befestigt. Im Zustand EIN (Abb. 3a) ist der Motor aktiviert und versetzt die obere Scheibe in eine Drehung in eine Richtung. Die Bewegung des Motors bewirkt, dass sich der Draht biegt. Dadurch wird die untere Scheibe nach oben gezogen, was die Luft im Behälter unter Druck setzt. Diese komprimierte Luft wird anschließend durch das Rückschlagventil in die Schläuche geleitet. Dieser Zustand entspricht der Einatmungsphase.

 Im Zustand AUS (Abb. 3b) wird der Motor freigegeben. Die untere Scheibe bewegt sich dann unter dem Einfluss ihres Eigengewichts und der nachlassenden Spannung des Drahtes, der in seine Ausgangslage zurückkehrt, nach unten. Da der Druck in der Lunge höher ist als der Druck im Luftbehälter, saugt das Gerät Luft aus der Lunge des Patienten an. Der Zustand AUS entspricht somit der Ausatmungsphase. Der Wechsel zwischen den Zuständen EIN und AUS erzeugt die Atmung. Andererseits bewirkt die Bewegung des biegsamen Drahtes zurück in seine Ausgangslage, dass sich der Motor in die entgegengesetzte Richtung dreht; er kann daher als Dynamo zur Stromerzeugung genutzt werden und so die Batterie aufladen. Dadurch wäre unsere Lösung weniger von externer Stromversorgung abhängig.

Abb. 3: Ansicht des Beatmungsgeräts im Zustand EIN (a) und AUS (b).

Zusätzliche Komponenten, die in Abb. 2 nicht dargestellt sind, könnten ebenfalls integriert werden, um unser Konzept zu verbessern. Beispiele für solche Komponenten sind:

• Ein Temperatursensor (etwa der kostengünstige Sensor DS18B20) an der unteren Scheibe zur Messung der Lufttemperatur
• Ein Heizwiderstand an der oberen Scheibe zur Regelung der Lufttemperatur
• Ein Drucksensor (etwa der kostengünstige Sensor MPXV5050GP) zur Messung des Drucks im Luftbehälter
• Eine kleine wiederaufladbare Batterie zur Stromversorgung
• Ein Summer, der akustische Alarme erzeugt, wenn zum Beispiel der Motor nicht richtig funktioniert oder die Batterie schwach ist
• Zwei LEDs (rot und grün), die den Batteriestatus anzeigen (niedriger oder hoher Ladezustand)
• Ein LCD-Display (20 × 4 Zeichen) zur Anzeige von Betriebsdaten des Systems (Temperatur im Luftbehälter, Batteriestatus usw.)
• Eine Stopp-/Start-Taste für das System.

Alle Komponenten würden von einer kostengünstigen eingebetteten Platine wie einem Arduino oder ESP32 (einer Steuer- und Datenerfassungsplatine) gesteuert.

Herausforderungen

Aufbauend auf den vielversprechenden Ergebnissen der ersten Entwicklungsarbeiten am beispiellosen, in dieser Erfindung vorgestellten Beatmungsgerätekonzept wird derzeit daran gearbeitet, verschiedene Aspekte des Geräts zu optimieren und die Sicherheit der Patienten beim Betrieb des Geräts zu gewährleisten. Im Einzelnen umfasst diese Arbeit:

• Die Bestimmung der optimalen Abmessungen der Baugruppe, insbesondere des Durchmessers der Scheibe und der Höhe des Luftbehälters in Abhängigkeit vom maximal erforderlichen Luftvolumen.
• Die Bestimmung des optimalen Durchmessers und Materials für den biegsamen Draht sowie der optimalen Anzahl der Drähte.
• Die Wahl eines geeigneten Gleichstrommotors (Drehmoment, Drehzahl).
• Wird das Drehmoment des Motors auf jeden Draht aufgebracht, hängt der Abstand zwischen der festen und der beweglichen Scheibe von der Biegesteifigkeit des Drahtes ab. Eine Änderung des Abstands zwischen den Scheiben verändert das Luftvolumen im Behälter. Daher sind analytische Berechnungen erforderlich, die das Drehmoment mit den Drahtparametern (z. B. Anzahl, Durchmesser, Elastizitätsmodul und Länge) in Beziehung setzen.
• Die Reibung zwischen der oberen Scheibe und der Halterung muss untersucht und optimiert werden: Die Passung zwischen oberer Scheibe und Halterung muss eng genug sein, um nennenswerte Luftverluste zu verhindern, darf aber nicht so eng sein, dass sie den Motor und den Aufstieg der unteren Scheibe im Zustand EIN verlangsamt.
• Das Internet der Dinge (IoT) und eines seiner innovativsten Werkzeuge, die Blockchain, müssen umgehend genutzt werden, um den Weg für die Entwicklung innovativer Beatmungsgeräte in naher Zukunft zu ebnen.
• Das Hinzufügen präziser und kostengünstiger Sensoren (zur Messung z. B. von Druck, Volumen und Fluss), die Informationen liefern, mit denen der Anwender das Atemzugvolumen, den Inspirationsdruck, die Atemzüge pro Minute und das Verhältnis von Ein- zu Ausatmung steuern und überwachen kann, um so die Patientensicherheit zu wahren und die Luft gezielt und präzise zuzuführen.
• Dieses neuartige Beatmungssystem wird nach medizinischen Standards wie ISO 80601, ISO 5367 und IEC 62304 entwickelt.

Autor: Saad Motahhir (ENSA, SMBA University, Fès, Marokko.)