Universitäten bauen kostengünstige Beatmungsgeräte zur Behandlung von COVID-19-Patienten

Universitäten bauen kostengünstige Beatmungsgeräte zur Behandlung von COVID-19-Patienten

Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher / MIT

Da der anhaltende Anstieg der COVID-19-Fälle die Kapazität der globalen Gesundheitssysteme belastet, treten Universitäten auf der ganzen Welt in die Knie, um den dringenden Bedarf an Beatmungsgeräten zu decken.

Die durch das neuartige Coronavirus verursachte Krankheit bringt Krankenhäuser auf der ganzen Welt bereits an ihre Grenzen. In Krankenhäusern in verschiedenen Regionen der USA fehlt praktisch alles, von Masken bis hin zu Arbeitskräften. Das vielleicht dringlichste Problem für Gesundheitsdienstleister ist der Mangel an Beatmungsgeräten. Beatmungsgeräte, die Luft über Schläuche an die Lunge von Patienten liefern, sind ein entscheidendes Instrument bei der Behandlung der aggressiven Atemwegserkrankung.

Ähnlich wie bei einer Lungenentzündung greift das Coronavirus die Atemwege an, füllt die Lunge mit Flüssigkeit und erschwert den Patienten das Atmen. Nur die schwersten COVID-19-Fälle - etwa 2.3 Prozent der Patienten - benötigen Beatmungsgeräte, aber diejenigen, die dies tun, werden ohne sie sterben. 

In den USA gibt es rund 160,000 Beatmungsgeräte. Obwohl die Kapazität noch nicht erreicht wurde, nähern sich einige Krankenhäuser in den am stärksten betroffenen Gebieten. In der vergangenen Woche haben einige New Yorker Krankenhäuser auf „Beatmungsgeräte-Sharing“ zurückgegriffen, bei dem zwei Patienten mit demselben Beatmungsgerät behandelt werden.

International haben sich die am stärksten betroffenen Gesundheitssysteme mit ähnlichen Ressourcenproblemen befasst. In Italien waren einige Krankenhäuser gezwungen, die Versorgung zu rationieren, um Ressourcen von älteren Patienten und Patienten mit geringerer Überlebenschance wegzuleiten.

In Erwartung einer Verschlechterung der Engpässe haben der private und der öffentliche Sektor mobilisiert, um Ventilatoren in großem Maßstab herzustellen. Autohersteller, darunter Ford, Tesla und GM, haben begonnen, Produktionsstätten auf die Herstellung von Ventilatoren umzustellen. Und Tesla wird zusätzliche, von der FDA zugelassene Beatmungsgeräte zur sofortigen Verwendung an Krankenhäuser in seiner Lieferregion weltweit liefern, ohne dass für das Gerät oder die Lieferung Elon Musk eine Gebühr erhoben wird twitterte vor zwei Tagen.

Eine Reihe von Universitäten in den USA und auf der ganzen Welt haben Projekte zur Entwicklung kostengünstiger Beatmungsgeräte initiiert, die schnell gebaut und verteilt werden können. Die Projekte unterscheiden sich in ihrer Herangehensweise, aber alle haben das Ziel, den Zugang zu Notlüftungssystemen in Gebieten mit Engpässen zu verbessern. Diese kostengünstigen Beatmungsgeräte im DIY-Stil verwenden Haushaltsgegenstände, Produkte, die in Baumärkten, Arduino-Boards und gängigen medizinischen Artikeln erhältlich sind, und könnten Leben retten.

Hier ein Blick auf einige der Beatmungsgeräte, die an Universitäten auf der ganzen Welt hergestellt werden:

  • Rice University

An der Rice University hat ein Team von Studenten und Ingenieuren, das in Zusammenarbeit mit dem kanadischen globalen Gesundheitsdesign-Team Metric Technologies arbeitet, eine automatisiertes Beutelventil-Beatmungssystem Die Produktion kostet nur 300 US-Dollar. 

Das Beatmungsgerät besteht aus einer mechanischen Vorrichtung, die eine Standard-Beutelventilmaske zusammendrückt. Beutelventile werden normalerweise von Notfallpersonal bei der Durchführung von HLW verwendet und normalerweise manuell betätigt: Der Bediener drückt den Beutel zusammen und drückt Luft in die Lunge des Patienten. Sie liefern effektiv Luft an Patienten, lassen sich jedoch nur schwer länger als einige Minuten von Hand bedienen. 

Das von Forschern der Rice University hergestellte System automatisiert diesen Prozess. 

Im Prototyp komprimiert ein mechanisches Gerät, das hauptsächlich aus 3D-gedruckten und lasergeschnittenen Teilen besteht, das Beutelventil. Mithilfe eines Arduino-Boards kann das Gerät so programmiert werden, dass die Luftzufuhrrate zur Lunge an die Bedürfnisse verschiedener Patienten angepasst wird. 

Bildnachweis: Jeff Fitlow / Rice University

Zukünftige Versionen des Geräts werden voraussichtlich zusätzliche Motoren und Sensoren enthalten, um den Luftstrom zur Lunge weiter zu regulieren. Ab sofort soll das Gerät keine größeren Beatmungsgeräte ersetzen, die derzeit zur Behandlung von Patienten in kritischem Zustand eingesetzt werden.

"Das unmittelbare Ziel ist ein Gerät, das gut genug funktioniert, um unkritische COVID-19-Patienten stabil zu halten und größere Beatmungsgeräte für kritischere Patienten freizugeben", sagte Amy Kavalewitz, Geschäftsführerin der Oshman Engineering Design Kitchen der Rice University, in einer Pressemitteilung.

  • University of Florida

An der Universität von Florida entwarfen Forscher eine Open-Source-Prototyp eines kostengünstigen Beatmungsgeräts Verwendung gängiger Hardware-Zubehörteile, einschließlich PVC-Wasserleitungen und Rasensprinklerventile. 

Das Projekt wurde von dem langjährigen UF-Anästhesie-Prozessor Samsun Lampotang in Abstimmung mit dem UF-Simulationsingenieur David Lizdas und Gordon Gibby, einem Elektrotechniker und ehemaligen UF-Professor für Anästhesiologie, geleitet. 

Das DIY-Lüftungssystem verwendet einen Transistortreiber, der mit einem Standard-Amateurfunk-Gleichstromnetzteil betrieben werden kann, und eine Arduino-basierte Steuerungssoftware, mit der die Atemfrequenz präzise eingestellt werden kann. 

Das Team arbeitet derzeit an der Entwicklung von Sicherheitsfunktionen, um die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen. Details zum Beatmungsgerät, einschließlich eines Open-Source-Diagramms und eines Software-Repositorys, sind über a verfügbar Website für das Projekt erstelltDies ermöglicht jedem, der über die Ressourcen verfügt, das DIY-Beatmungsgerät neu zu erstellen. 

Insgesamt kann die Maschine für nur 125 bis 250 US-Dollar gebaut werden.

  • University of Illinois in Urbana-Champaign

An der Universität von Illinois in Urbana-Champaign hat ein Team von mehr als 40 Forschern die „Illinois RapidVent, “Ein funktionierender Prototyp für ein Notfallbeatmungsgerät für COVID-19-Patienten. 

Bildnachweis: University of Illinois in Urbana-Champaign

Der Illinois RapidVent kann an eine leicht verfügbare Sauerstoffquelle oder einen Sauerstofftank angeschlossen werden und Patienten in regelmäßigen Abständen mit druckgesteuertem Sauerstoff versorgen. Der Prototyp hat bisher mehr als 75 Stunden oder mehr als 125,000 Atemzyklen gelaufen und seine Leistung entspricht der von handelsüblichen Beatmungsgeräten.

  • University of Minnesota

Forscher an der University of Minnesota sind dabei, a skalierbares, kostengünstiges Beatmungssystem Entwickelt für den schnellen Einsatz bei Gesundheitsdienstleistern. 

Das System umfasst einen Rahmen, der mit Metallstempeln versehen, 3D-gedruckt oder aus modifizierten Konsumgütern hergestellt werden kann, und einen mechanischen Aktuator, der automatisch ein Beutelventil pumpt.

Bildnachweis: University of Minnesota
  • Massachusetts Institute of Technology

MIT eröffnet a Projekt zur Entwicklung des Beatmungsgeräts das begann und endete vor einem Jahrzehnt. 

Im Jahr 2010 entwarf eine Gruppe von MIT-Studenten und -Fakultäten ein Design für ein Notfallbeatmungsgerät, das wie die Prototypen der Rice University und der University of Minnesota ein Beutelventil zum Pumpen von Luft verwendet. 

Das ursprüngliche Forschungsteam veröffentlichte einen Artikel in der Zeitschrift für Medizinprodukte skizziert das Design, produziert aber nie das Beatmungsgerät. Nach Beginn des COVID-19-Ausbruchs haben freiwillige Ingenieure, Ärzte und Informatiker am MIT das Projekt wiedereröffnet und bauen weiter auf dem Design für Patienten auf, die mit dem neuartigen Coronavirus infiziert sind. 

Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Das MIT-Design wird voraussichtlich Teile zwischen 400 und 500 US-Dollar kosten. 

Die Hoffnung ist, dass unkonventionelle Hersteller wie Autohersteller sie in kurzer Zeit in großem Maßstab produzieren können. Wie bei den anderen Modellen wird nicht erwartet, dass das Gerät Beatmungsgeräte auf der Intensivstation ersetzt, sondern es kann in Notsituationen verwendet werden oder andere Beatmungsgeräte für bedürftigere Patienten freigeben.

  • Universität Oxford und King's College London

Forscher am Oxford und am King's College London haben eine Open-Source-Beatmungsgerät das wurde für staatliche Tests genehmigt. 

Das Modell, synchronisiert OxVent, verwendet ein Beutelventil, um Patienten Luft zuzuführen, und besteht aus Materialien, die in der Lieferkette des National Health Service (NHS) leicht verfügbar sind. 

Bildnachweis: University of Oxford und King's College London

Das Beatmungsgerät wurde von der Regulierungsbehörde für Arzneimittel und Gesundheitsprodukte (MHRA) für Tests auf Sicherheit und Verwendbarkeit grünes Licht gegeben. Wenn OxVent genehmigt wird, wird es von der medizinischen Produktionsfirma Smith and Nephew hergestellt und könnte innerhalb von Wochen für eine breite Anwendung verfügbar sein.

  • Universität von Costa Rica

Die Universität von Costa Rica (UCR) hat eine gebaut Notbeutelventilventilator basierend auf Blaupausen aus dem OxyGEN-Projekt in Spanien.

Das Beatmungsgerät des OxyGEN-Projekts, das von jungen Ingenieuren in Barcelona als COVID-19 in Italien entworfen wurde, wurde aus Holz gebaut und verwendete ein Beutelventil, um Luft zu liefern. 

Das Modell von UCR, das als Respira UCR bezeichnet wurde, besteht nicht aus Holz, hat jedoch die gleiche allgemeine Struktur wie das OxyGEN-Beatmungsgerät. Das Design wurde optimiert, um es effizienter und für die Verwendung durch medizinisches Fachpersonal in Costa Rica geeignet zu machen.

Bildnachweis: Laura Rodríguez Rodríguez
  • Costa Rica Institut für Technologie

Am Costa Rica Institute of Technology entwickeln Forscher zwei kostengünstige Prototypen

Einer dieser Prototypen ist ein Originaldesign der School of Industrial Production Engineering für ein mechanisches Beatmungsgerät, das aus kostengünstigen 3D-gedruckten Acrylteilen hergestellt wird. 

Bildnachweis: Ignacio Mora Watson

Das andere Design basiert auf einem im Handel erhältlichen Prototyp, der aus England stammt. Es verwendet einen Satz Kolben und Adapter, um ein Beutelventil zu komprimieren, das den Patienten Luft zuführt. Dieses Design ist kostengünstig und kann schnell hergestellt werden.

Bildnachweis: Adrián Quesada

Fazit

Die Bekämpfung von COVID-19 erfordert internationale Anstrengungen, Beiträge und Opfer von Menschen in allen Bereichen der Gesellschaft. Zum Glück setzen sich unsere Universitätsprofessoren und Wissenschaftler an die Spitze, um einzigartige, visionäre Lösungen für Lieferengpässe in dieser Krisenzeit zu liefern.

Die University Network