Hack The Crisis: Ingenieurstudenten stellen DIY-Beatmungsgeräte her

Allein in New York City sollen Tausende von Atemgeräten benötigt werden, die nicht in ausreichender Anzahl verfügbar sind. Medizinische Hersteller haben die Produktion hochgefahren. General Motors, das nach dem Defence Production Act tätig ist, gab bekannt, dass es bis August 30 000 Einheiten ausliefern wird. Sogar Unternehmen wie Dyson und Tesla springen ins Getümmel.

In den USA verwendete Beatmungsgeräte sind jedoch hochentwickelte, hochentwickelte Maschinen, die zwischen $ 5, 000 und $ 5 0,000 kosten und viele spezialisierte Komponenten von einer Vielzahl von Lieferanten benötigen - viele von ihnen die offshore sind, wenig Personal haben oder derzeit gesperrt sind.

Als pragmatische Alternative haben Studenten der Brown School of Engineering der Rice University ein Grundgerät aus handelsüblichen Teilen entwickelt, das die Belüftung in Krankenhausqualität gewährleistet und dennoch nur ein paar hundert Dollar kostet.

Die Grundlagen von Beatmungsgeräten sind ziemlich einfach. Coronavirus kann Entzündungen in der Lunge verursachen, die Membranen blockieren, die Sauerstoff aus der Luft in das Blut übertragen. Beatmungsgeräte am Krankenbett helfen dabei, Luft in die Lunge zu drücken, um sie zu öffnen. Der Patient bekommt mehr Sauerstoff und hat die Möglichkeit, sich zu stabilisieren und zu erholen.

Im vergangenen Jahr entwarf und baute ein hochrangiges Team von Studenten des Bio- und Maschinenbaus, die in der Oshman Engineering Design Kitchen (OEDK) von Rice arbeiten, ein kostengünstiges Gerät, das die Komprimierung von manuellen Beutelventilmasken automatisiert. Ein BVM besteht aus einer flexiblen Luftkammer, die an einer Gesichtsmaske befestigt ist. Durch Drücken des Beutels wird Luft durch ein Einwegventil in die Lunge von intubierten Patienten gedrückt, die selbst Schwierigkeiten beim Atmen haben. Diese Masken werden seit fast 70 Jahren verwendet und werden normalerweise von medizinischem Notfallpersonal getragen. Jedes Jahr werden weltweit mehr als 100 Millionen BVMs hergestellt.

Es ist jedoch schwierig, Masken länger als ein paar Minuten von Hand zusammenzudrücken. Das automatisierte System kann diese Aufgabe stundenlang ausführen. Die Schüler verwendeten einen Standardmotor $ 25 und einen Mikrocontroller $ 5 , um das System mit Strom zu versorgen und zu programmieren. Der „Kompressor“ der Einheit ist eine Zahnstangenvorrichtung, die hauptsächlich aus 3 D-bedruckten Kunststoffteilen mit angebrachten Paddeln besteht, die den Beutel zyklisch zusammendrücken. Sie gingen davon aus, dass das Gerät in ressourcenarmen Krankenhäusern in Entwicklungsländern oder in Notfällen, in denen tragbare Beatmungsgeräte Mangelware sind, nützlich sein würde.

Jetzt, da die COVID-19-Krise tobt, strömen Anfragen an die Universität, um Pläne für den frühen Prototyp zu finden. Die Mitarbeiter von Rice's OEDK rüsteten den Studentenprototyp schnell zu einer robusteren ApolloBVM-Einheit auf, die für medizinische Zwecke ausgelegt und gleichzeitig wirtschaftlich genug ist, um als Einwegartikel betrachtet zu werden.

Der ApolloBVM besteht aus einigen 3 D-gedruckten und lasergeschnittenen Teilen, aber die meisten Komponenten sind über Online-Händler und Baumärkte leicht erhältlich. Dazu gehören goBilda-Motoren von Servo City, Zahnräder und Befestigungselemente von McMaster-Carr sowie elektrische Teile von Mouser. Ambu macht das grundlegende BVM. Ein bei Amazon erworbenes Arduino-Board erleichtert die Programmierung, mit der Benutzer die Luftzufuhrrate für Patienten anpassen können.

Die automatisierte BVM-Einheit wurde für weniger als 250 US-Dollar gebaut, was deutlich weniger kostet als die von kommerziellen Einstiegslüftern.

Das Gerät nimmt Sauerstoff auf Wand- oder Tankbasis über eine Standard-Niederdruck-Einlassöffnung auf. Über ein LCD-Display können Benutzer die Betriebsparameter einstellen und die Komprimierung starten oder stoppen. Die Steuerelemente verfügen über Einstellungen für Erwachsene, Kinder und Kinder, die derzeit Atemfrequenzen von 5 bis 30 Schlägen pro Minute (in Schritten von 1 Schlägen pro Minute) und Volumen von 300 bis {{6} zulassen. } ml (in Schritten von 50 ml), variabler Überdruck und einstellbare inspiratorische: exspiratorische Verhältnisse. Die ApolloBVM ist ungefähr 14 × 16 × 7 in. in der Größe und wiegt weniger als 10 lb, wodurch es für die Verwendung auf einem tragbaren Nachttisch geeignet ist. Es wird von 120 Vac mit 0010010 lt; 15 W Stromverbrauch angetrieben.

Seit Rice im März die Fertigstellung eines neuen Prototyps durch das Team angekündigt hat 27, haben Hunderte von Klinikern, Ingenieuren, Herstellern und Heimwerkern aus mehr als 50 Ländern Informationen über das Projekt angefordert. Die Open-Source-Pläne für die ApolloBVM wurden online veröffentlicht und sind weltweit frei verfügbar.

Das Verteidigungsministerium ist eine der an ApolloBVM interessierten Gruppen. Die US-Marine forderte mehrere Institutionen auf, Vorschläge zur Entwicklung eines kostengünstigen mechanischen Lüftungsunterstützungssystems einzureichen, das mit allgemein verfügbaren Ressourcen schnell hergestellt werden kann. "Dies ist so einfach wie möglich, mit allen leicht verfügbaren Teilen", sagte Danny Blacker, OEDKs Konstruktionsleiter.

Aufgrund der anhaltenden Verbreitung des Coronavirus und des sich abzeichnenden Mangels an Beatmungsgeräten auf der ganzen Welt könnte ApolloBVM COVID-19-Patienten helfen, die weniger schwer krank sind, während sie auf die Verfügbarkeit eines Standard-Beatmungsgeräts für Krankenhäuser warten. "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 von OEDK.

"Dies wird einen Unterschied in Krankenhäusern bewirken, in denen keine Beatmungsgeräte mehr vorhanden sind", sagte Dr. Rohith Malya, Assistenzprofessor für Notfallmedizin am Baylor College of Medicine und Berater des Rice Engineering-Teams. „Diejenigen, die Beziehungen zu einer Produktionsstätte haben, die diese schnell produzieren kann, sollten die FDA-Genehmigung für den Notfall einholen. Wir arbeiten vor Ort, um dies zu erreichen. “

In Labortests mit einer künstlichen Lunge lieferte der neueste Prototyp 24 Stunden lang ununterbrochen Luft, bis das Gerät ausgeschaltet wurde. Die nächsten Schritte sind Tests mit menschlichen Patienten in Zusammenarbeit mit dem Texas Medical Center und die Zusammenarbeit mit Herstellern, die die Produktion eines Krankenhausgeräts ankurbeln möchten.