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Gemeinsam kreativ gegen Corona
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Ingenieure entwickeln Prototyp für ein einfaches Beatmungsgerät

Meldungen über knapp werdende Beatmungskapazitäten haben während der ersten Corona-Welle im Frühjahr den Ernst der Lage greifbar gemacht. Einen Weg aus dem gesundheitlichen Notstand zu finden, hat sechs Ingenieure der TU Kaiserslautern dazu motiviert, ihre fachlichen Kenntnisse einzusetzen. Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer, der den Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik an der TU Kaiserslautern innehat, haben sie den Prototyp für einen einfachen und kostengünstigen mobilen Beatmungsassistenten entwickelt.

Von Unispectrum live • Julia Reichelt

Der entscheidende Impuls kam aus Kanada. Dort hatten zwei Krankenhäuser im März einen Wettbewerb ausgeschrieben, um dem Engpass an Beatmungskapazitäten entgegenzuwirken. „Prof. Sauer ist darauf aufmerksam geworden und hat uns gefragt, ob wir uns nicht auch vorzustellen könnten, ein kostengünstiges Beatmungsgerät zu entwickeln“, so Dominik Meffert, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik. Das war im Frühjahr 2020.

Dann ging es an die Entwicklung. „Unser Konzept sah vor, dass wir mithilfe einfacher Technik die manuelle Beatmung mit einem Ambu-Beutel, wie er im Rettungswesen zum Einsatz kommt, automatisieren“, erklärt Meffert. „Unser Beatmungsassistent kann somit Überbrückungshilfe leisten, bis ein professionelles Gerät zur Verfügung steht.“ Sein Kollege Michel Werner ergänzt: „Uns hat dabei angetrieben, eine Lösung für Pandemie-Szenarien zu finden, wie sie während der ersten Welle in Italien aufgetreten sind. Dort mussten Ärzte viele Patienten*innen notgedrungen zum Sterben nach Hause schicken.“

Ins Lastenheft eingeflossen sind die Ergebnisse einer intensiven Literaturrecherche und Gespräche mit medizinischem Fachpersonal. „Ein Bekannter von mir arbeitet beim Rettungsdienst, der Sohn von Prof. Sauer ist Anästhesist. Der Input von diesen und weiteren Experten, die tagtäglich mit Beatmungstechnik arbeiten, hat uns geholfen die Minimalanforderungen an das Gerät definieren.“

Es muss nicht immer kompliziert sein

Der gesamte Aufbau sollte, was die Beschaffung der (für den medizintechnischen Einsatz zugelassenen) Bauteile betrifft, idealerweise nicht mehr als 300 Euro kosten. Bei einem Beschaffungspreis zwischen 300 und 500 Euro landeten die Ingenieure letztlich. Zudem hat das Team Wert darauf gelegt, dass die Komponenten leicht zu beschaffen bzw. weltweit verfügbar sind.

Der erste Meilenstein, ein funktionstüchtiger Aufbau, war im Sommer erreicht. „Bis zum Herbst haben wir den mobilen Beatmungsassistenten dann noch weiter optimiert, so dass sich jetzt auch die Atemparameter in einem medizinisch sinnvollen Bereich abbilden lassen“, ergänzt Meffert. „Die Tests haben wir mit einer speziellen Prüflunge durchgeführt.“

Die Funktionsweise des Beatmungsassistenten: Ein elektrisch gesteuerter Arm drückt in seiner Abwärtsbewegung Luft aus einem Ambu-Beutel. Über eine damit verbundene Schaltbox lassen sich die Atemparameter – Tidalvolumen (Luftvolumen pro Atemzug), Frequenz und Atemzeitverhältnis (Zeit zwischen Ein- und Ausatmen) einstellen. Integriert ist auch ein Netzteil, welches das Gerät bei Stromausfall noch eine gute Stunde weiter in Betrieb hält. Der Druck, mit dem die Luft in die Lunge einströmt, ist zwar nicht automatisch steuerbar. Jedoch ließe sich er über ein zusätzliches Ventil auf einen Maximalwert begrenzen, so dass das Gerät – bei gleichzeitiger Nutzung eines kleineren Beatmungsbeutels – zum Beispiel auch Säuglinge versorgen könnte. Zudem besteht die Möglichkeit, über einen Adapter ein Reservoir-Beutel anzubringen, der an die in Kliniken genutzten Sauerstofflaschen passt, was für das Beatmen von älteren Patient*innen relevant sein kann.

Vergleich mit einem konventionellen Beatmungsgerät

Was schon angeklungen ist, stellt Prof. Sauer eindeutig klar: „Es handelt sich bei unserem Prototyp nicht um ein vollumfänglich mit Sensorik ausgestattetes Hightech-Gerät, wie es im Klinikalltag genutzt wird. Die Funktion des Geräts muss ständig überwacht werden – sprich, der Patient sollte unter kontinuierlicher Aufsicht sein“, erklärt Prof. Sauer. „Zum Beispiel könnte es passieren, dass der Beatmungsbeutel aus Kunststoff nach einer gewissen Gebrauchsdauer nicht mehr richtig expandiert. Auch fehlen unserem Beatmungsassistenten viele der sensiblen Einstellungen, die professionelle Respiratoren serienmäßig mit sich bringen. Ein Hightech-Apparat war aber auch nie Ziel unseres Projekts.“

Das unterstreicht auch Werner: „Unser Gedanke war es einen rudimentären Bausatz für Notsituationen zur Verfügung zu stellen. Wir sind auf einem Wissenslevel gestartet, wo wir noch nicht wussten, wie sich die Pandemie weiterhin entwickelt und welche Rolle das Beatmen bzw. die richtige Form des Beatmens bei der Behandlung von Corona-Patient*innen spielt.“

Nichtsdestoweniger funktioniert der Prototyp. Konzept und Entwicklung hat das Team dokumentiert. Und sich auch schon weiterführende Gedanken gemacht, wie sich beispielsweise die ein- und ausströmende Luft im System besser trennen lassen könnten. „Gerne stellen wir unser Design und unser Wissen zur Verfügung, wenn im medizinischen Bereich Interesse daran besteht. Unser besonderer Dank gilt an dieser Stelle der Metallwerkstatt der TUK, die uns bei der Fertigung der Bauteile unterstützt hat.“

 

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Auf dem Titelfoto sind abgebildet: (v.l.n.r.) Projektleiter Prof. Sauer (Mitte) umringt von seinen wissenschaftlichen Mitarbeitern Michel Werner, Flavien Foko Foko, Attila Gonda, Tim Schollmayer, Dominik Meffert und Thirumanikandan Subramanian.

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Michel Werner (links) und Dominik Meffert zeigen die zentralen Komponenten des Beatmungsassistenten: Links die Ambu-Flasche aus transparentem Kunststoff, aus der die Luft gedrückt wird, und rechts der Schaltkasten, mit dem sich die Atemparameter einstellen lassen.

Bild des Benutzers Julia Reichelt
Erstellt
am 02.11.2020 von
Julia Reichelt