Open-Source-Ingenieure entwickeln kostengünstige Beatmungsgeräte zur Unterstützung der COVID-19-Bewältigung

Beatmungsgeräte halten Sauerstoff in der Lunge und entfernen Kohlendioxid, was sie bei schweren COVID-19-Fällen unverzichtbar macht. Das Virus schädigt Lungenzilien, verursacht Schleimansammlung und Sekundärinfektionen, die die Sauerstoffaufnahme behindern. Da Krankenhäuser weltweit mit Beatmungsgeräte-Mangel kämpfen, wurde ein globaler Fertigungsaufschwung gestartet – Masken, Respiratoren, Abstrichstäbchen, Medikamente und Beatmungsgeräte. Beatmungsgeräte ermöglichen Atmung; die zentrale COVID-19-Herausforderung ist Lungenblockade.

Als Reaktion startete eine Gemeinschaft aus Ingenieuren, Klinikern und Forschern eine kollaborative Open-Source-Initiative zur Entwicklung und Produktion von Beatmungsgeräten. Mit 3D-Druck und anderen Rapid-Manufacturing-Techniken werden Ersatzteile und Geräte bedarfsgerecht gefertigt.

Abbildung 1: Professionelles Beatmungsgerät (Bild: Hamilton Medical)

Wie funktionieren Beatmungsgeräte?

Diese Maschinen liefern Sauerstoff und entfernen Kohlendioxid, indem sie Luft durch einen in den Mund oder die Nase des Patienten eingeführten Schlauch pumpen. Moderne Beatmungsgeräte werden elektronisch von eingebetteten Computern gesteuert und als lebenskritische Systeme klassifiziert, die höchste Zuverlässigkeitsstandards fordern.

Die Projekte

Zahlreiche kostengünstige Beatmungsgeräte-Designs – viele auf GitHub gehostet – füllen Lücken, wenn Klinikvorräte unzureichend sind. Obwohl sie akute Lungenkrisen unterstützen können, wirken sie direkt auf medizinische Zustände ein, weshalb professionelle medizinische Aufsicht zwingend ist. Unsachgemäße Nutzung, besonders bei hohen Drücken, birgt erhebliche Risiken.

Kostengünstiges Open-Source-Beatmungsgerät (PAPR)

Dieses GitHub-Projekt (Abbildung 2) bietet ein bescheidenes, erschwingliches Beatmungsgerät, das bei korrekter Anwendung Leben retten kann. Es liefert eine programmierbare Atemfrequenz von 10–16 Atemzügen pro Minute und erreicht Spitzenatemwegsdrücke bis 45 cmH₂O; Drücke über 20 cmH₂O sind jedoch gefährlich. Das Gerät nutzt Umgebungsluft (21 % O₂); höhere Sauerstoffkonzentrationen erfordern dedizierte medizinische Ausrüstung. Das Projekt bleibt offen für Verbesserungen und der Ersteller sucht Partnerschaften für Massenproduktion. Komponentenverfügbarkeit kann begrenzt sein, das Design ist bewusst minimal. Zukünftige Iterationen könnten Virenschutzmaßnahmen integrieren. Das Gerät arbeitet nur in bereits infizierten Umgebungen, wo Tröpfchen-Eindämmung essenziell ist. Steuerung erfolgt via Arduino; Schutz gegen Stromausfälle sollte integriert werden.

Abbildung 2: Ein Beatmungsgeräte-Projekt (Bild: GitHub)

Der Pandemic Ventilator

Auf Instructables verfügbar, nutzt dieses DIY-Beatmungsgerät leicht verfügbare Komponenten (Abbildung 3). Es dient als Notfall-Lebenserhaltungslösung. Da Krankenhäuser nicht genug Beatmungsgeräte beschaffen können, wird die Nachfrage das Angebot wahrscheinlich übersteigen. Das Design ist einfach, integriert aber moderne elektronische Steuerung. Es verwendet Holz, Klebeband, Plastiktüten, Gewinderohre, Magnetventile, Magnetschalter und eine SPS. Das Projekt wird kontinuierlich in Hard- und Software verfeinert. Es stellt klar, dass der Prototyp experimentell ist und keine Sicherheitstests durchlaufen hat; nur zertifizierte Kliniker sollten ihn nutzen. Das Gerät besteht aus einem Holzbälge-Modul, Ventilen, Rohren, einer SPS, Kabeln, Schaltern und Netzteil, alles auf einer 18×21×0,5-Zoll-Sperrholzplatte montiert. Direktwirkende Magnetventile und Gewindefittings mit Teflonband sind erforderlich. Der Blasebalg besteht aus einem großen Gefrierbeutel, verstärkt mit Sperrholz und Scharnieren (Abbildung 4). Die verwendete SPS ist ein Direct Logic 06 DO-06DR von Automation Direct – eine kostengünstige, flexible Einheit mit kostenloser Programmiersoftware. Andere SPS können substituiert werden. Ein 24-V-Netzteil und ein Ein/Aus-Schalter starten das System. Das Ladder-Logic-Programm arbeitet wie folgt:

• Ventil 1 öffnen, Ventil 2 schließen, bis Blasebalg voll (oberer Magnetschalter schließt).
• Ventil 1 schließen, Ventil 2 öffnen, Ventil 3 schließen, um Luft zum Patienten auszuatmen.
• Wenn unterer Magnetschalter schließt: Ventil 2 schließen, Ventil 1 wieder öffnen, Blasebalg neu füllen.
• Timer lässt Patientens Lunge mit offenem Ventil 3 entleeren; nach Ablauf Ventil 2 öffnen, Ventil 3 schließen für nächsten Zyklus.

Hier der Verdrahtungsplan:

• Eingänge
  • X0 oberer Blasebalg-Magnetschalter
  • X1 unterer Blasebalg-Magnetschalter
  • X2 Ein/Aus-Schalter
  • C0 24 V
  • Alle Returns zu Ground
• Ausgänge
  • Y0 ungenutzt
  • Y1 Einatemventil (V2)
  • Y2 Ausatemventil (V3)
  • Y3 Blasebalg-Füllventil (V1)
  • C0 120-VAC-Leitung
  • Alle Returns zu Leitungsneutral

Abbildung 4: Einige Details zum Bau des Pandemic Ventilator (Bild: TEMPO.CO)

>> Weiterlesen zu zusätzlichen Beatmungsgeräte-Entwicklungsbemühungen im vollständigen Artikel, ursprünglich auf unserer Schwesterseite EEWeb veröffentlicht.