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Neue Ventilator-Prototypen setzen auf Linearantriebe

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Die sichere und effiziente Bereitstellung von Sauerstoff für Patienten.

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Beutelventilmasken, auch Ambu-Beutel (künstliche manuelle Beatmungsgeräte) genannt, werden verwendet, um Patienten, die nicht selbst atmen können, mit Sauerstoff zu versorgen. Doch obwohl sie schon viele Leben gerettet haben, sind sie für die Behandlung von Patienten mit dem Coronavirus COVID-19 nicht gut geeignet.

Das größte Manko der Maske ist, dass sie manuell zusammengedrückt werden muss, um Sauerstoff in die Lunge zu drücken. Das funktioniert für kurze Zeiträume, aber nicht für die Langzeitversorgung. Außerdem kann sie unterschiedlich viel Sauerstoff in die Lunge leiten, und der Patient muss zunächst stabilisiert werden, bevor er Sauerstoff erhält.

Nachdem sie sich Open-Source-Designs für Notfallbeatmungsgeräte angesehen hatten, setzte sich ein Team von Tolomatic-Ingenieuren zusammen und entwickelte einige neue Ideen für den Bau von Beatmungsgeräten aus Ambubeuteln. Innerhalb einer Woche hatte das Team zwei Designs entwickelt, die die schraubenbetriebenen elektrischen Aktuatoren des Unternehmens verwenden. Die Entwürfe automatisieren die Steuerung des Luftvolumens und die Häufigkeit der Luftzufuhr zum Patienten - eine deutliche Verbesserung gegenüber manuell betriebenen Ambu-Bags.

Unser Ansatz war es, einen traditionell manuellen Prozess mit elektrischen Linearantrieben zu automatisieren und sicherzustellen, dass Patienten über Tage oder Wochen hinweg mit Luft versorgt werden können. Die Aktuatoren steuern die Geschwindigkeit, Frequenz und Hublänge der Abwärtsbewegung, die Dauer der Pause und anschließend die Geschwindigkeit, Frequenz und Hublänge der Rückwärtsbewegung.

Die Aktuatoren geben Ärzten und Krankenschwestern die vollständige Kontrolle über den Sauerstofffluss, der in die Lungen des Patienten gelangt, im Gegensatz zu herkömmlichen Nocken- oder Pneumatikzylindern, die wir bei anderen Open-Source-Designs gesehen haben. Unabhängig davon, ob der Patient jung, alt, groß oder klein ist, können sie einstellen, wie viel Luft und wie häufig sie dem Patienten zugeführt wird.

Wir verwenden entweder einen elektrischen Stabaktuator oder einen stablosen elektrischen Aktuator. Beides sind schraubengetriebene Linearaktuatoren, die die Drehkraft eines Servomotors in eine lineare Bewegung umwandeln. Stangenaktuatoren haben eine Stange, die aus dem Hauptkörper des Aktuators aus- und einfährt. Stangenlose Aktuatoren haben keine Stange. Stattdessen befindet sich der Hub innerhalb des Aktuators. Für diese Anwendung benötigt der kolbenstangenlose Aktuator ein Gehäuse, um den Ambu-Beutel aufzunehmen, und der Aktuator wird an das Gehäuse montiert. Der kolbenstangenlose Aktuator ist kompakter und kann den Ambu-Beutel in seinen Schienen halten und zusammendrücken.

Die optimale Hublänge für beide Prototypen ist 2,5 Zoll, mit einer Mindestkraft von 25 lb an der Ausgangswelle. Beide sind für eine Kraft von mindestens 100 lb ausgelegt. Die Direktantriebs- (oder Inline-) Motorkonfiguration vereinfacht das Design und senkt die Kosten. Durch Hinzufügen eines Getriebes kann die Konstruktion für eine größere Anzahl von Motoren verwendet werden.

Diese neuen Designs scheinen eine Verbesserung gegenüber den Modifikationen der Ambu-Beutel zu sein, die den Prozess mit einer einseitigen Nocke oder einem pneumatischen Aktuator automatisierten. Bei diesen kann das Pflegepersonal die Hublänge nicht einstellen, sondern nur die Atemfrequenz. Infolgedessen wird an alle Patienten das gleiche Volumen abgegeben und das resultierende Bewegungsprofil entspricht nicht einem typischen Atemzyklus.

Linearantriebe hingegen können schnell beschleunigen und die Geschwindigkeit über eine bestimmte Strecke beibehalten, wodurch ein kontinuierlicheres Luftvolumen pro Kompression und ein typischerer Atemzyklus entsteht. Die vollständige Kontrolle der Bewegung durch einen Linearantrieb ermöglicht auch die Anpassung des Luftvolumens an das Alter, die Größe oder die aktuellen Bedürfnisse eines Patienten.

Die Konstruktionen bieten eine zuverlässige Langzeitleistung und ermöglichen das Hinzufügen von Alarmen im Falle von Motorfehlern und Sensoren zur Überwachung der Luftstrommenge und -qualität.

Wir sind kein Hersteller von Medizinprodukten, und dieses Design wurde von keiner Zulassungsstelle genehmigt. Diese Konzepte beschränken jedoch den Patientenkontakt auf den des bereits zugelassenen Ambu-Bags. Unsere Absicht ist es, andere Partner zu erreichen, Interesse zu wecken und zu diskutieren, wie wir gemeinsam an einem zugelassenen Design arbeiten können, das dem medizinischen Personal hilft, Leben zu retten.

Bislang haben wir mit mehreren Unternehmen gesprochen, die andere Konzepte verfolgen und an den zusätzlichen Vorteilen interessiert sind, die eine elektrische Betätigung bieten würde. Unser Unternehmen ist bereit, sein Know-how im Bereich der Bewegungssteuerung anzubieten, um bei der Lösung dieser kritischen Herausforderungen zu helfen. Unternehmen sollten sich mit uns in Verbindung setzen, um Unterstützung bei ihren Anwendungen zu erhalten.