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Covid-19 Beatmungsgeräte schneller mit Open-Source-Technik entwickeln

Gezieltes Versorgen mit Sauerstoff ist für akut an Covid-19 Erkrankte oft die letzte Rettung. Eine Open-Source-Motorregelung kann das Entwickeln dringend benötigter Beatmungsgeräte beschleunigen.

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Mit einer zunächst improvisierten „Testlunge“ hat das Trinamic Team die Beatmungsfunktion 
getestet. Die Wärmflasche hat einen der menschlichen Lunge ähnelnden mechanischen Widerstand.
Mit einer zunächst improvisierten „Testlunge“ hat das Trinamic Team die Beatmungsfunktion 
getestet. Die Wärmflasche hat einen der menschlichen Lunge ähnelnden mechanischen Widerstand.
(Bild: Trinamic)

Die Covid-19-Pandemie bringt Gesundheitssysteme weltweit an ihre Grenzen. Selbst in einigen europäischen Ländern, die eigentlich über gut ausgebaute Gesundheitssysteme verfügen, überschritt die Zahl der intensivpflichtigen Patienten teilweise die der verfügbaren Intensivbetten und vor allem die der Beatmungsplätze. Weltweit haben sich daraufhin innerhalb kürzester Zeit Firmen, Forschungs-Institute und Gruppen von Makern zusammengetan, um schnell mehr oder weniger improvisierte Beatmungsgeräte zu entwickeln.

Gleichzeitig haben Staaten Investitions-Initiativen in Beatmungsgeräte für einen Zeithorizont nach der akuten Phase dieser Pandemie in einem Umfang gestartet, den einzelne etablierte Hersteller nicht bedienen können. Innerhalb weniger Tage erreichten Trinamic von überall aus der Welt Anfragen, von Entwicklern und Ingenieuren, mit der Bitte um technische Unterstützung. Das Trinamic Team hat beschlossen, sofort an einer Open-Source Referenzimplementierung zu arbeiten, die innerhalb von Wochen Geräteentwicklern weltweit zur Verfügung steht und die Kern-Regelungsfunktion eines modernen Beatmungsgerätes abbildet.

Motorisierte Beatmungsbeutel: Risiken bei Langzeitbeatmung

Eine Vielzahl der Entwicklerteams haben in den letzten Wochen auf ein Design gesetzt, dass Studenten des MIT schon 2010 publizierten, dass auf der motorischen Ansteuerung eines manuellen Beatmungsbeutels basiert. Es ist nach dem Hersteller Ambu A/S auch als Ambu-Beutel bekannt. Das Konzept beinhaltet die motorische Kompression des Beutels, die die Handbewegung eines Menschen simuliert. Dazu verwenden die Entwickler Hebelmechaniken oder Gurte, die von Motoren – in vielen Fällen Schrittmotoren – angetrieben werden, weil diese im niedrigen Drehzahlbereich über hinreichend Drehmoment verfügen. Trinamic hat innerhalb kurzer Zeit neben dem Team der Universität von Minnesota Entwickler weltweit mit der Ansteuerung und Auswahl der Schrittmotoren unterstützt. Dieses Verfahren ist für kurzzeitige Beatmung im Notfall erprobt und kann der akuten Unterversorgung mit Sauerstoff Abhilfe schaffen.

Im Falle einer Erkrankung mit COVID-19 ist allerdings in der Regel eine Beatmungs-Therapie über mehrere Tage erforderlich. Es wird angenommen, dass diese weitgehend ungeregelten Beatmungsgeräte durch überdehnen der Lunge Langzeitschäden wie das Akute Respiratorische Distress Syndrom (ARDS) verursachen können. Während erfahrenes medizinisches Personal bei der händischen Beatmung in der Lage ist, schnell auf potenziell schädigende Fehler zu reagieren, muss ein automatisches Beatmungsgerät mit entsprechender Sensorik ausgestattet sein, um auf zu hohe Drücke, Volumina, oder Atemfrequenzen schnell reagieren zu können.

Moderne Beatmungsgeräte basieren typischerweise auf einer schnell drehenden, dynamisch gesteuerten Zentrifugal-Turbine mit einem BLDC Motor. Zusammen mit Druck und Volumenstrom-Sensorik ermöglicht dieser Aufbau sowohl Druck- als auch Flow-geregelte Beatmungsmodi. Das Trinamic-Team hat sich daher auf dieses Konzept fokussiert. Daraus entstand das von öffentliche TOSV-(Trinamic Open-Source Ventilator)-Projekt, das sich zum Ziel gesetzt hat, eine komplette Referenzhardware mit Steuerung des Blowers, sowie der notwendigen Sensorik zur Verfügung zu stellen. Die mitgelieferte Firmware sollte grundlegende Beatmungsverfahren unterstützen.

Turbinen für Beatmungsgeräte sind schwer zu bekommen

Speziell für Geräte, die noch während der ersten Welle der Pandemie zum Einsatz kommen sollen, galten zunächst die Turbinen als Engpass. Aufgrund der großen Drehzahlen ist der 3D-Druck dieser Komponenten nur begrenzt möglich. Daher hat das Trinamic Team im ersten Schritt eine Vielzahl an Einheiten beschafft, die für die großvolumig produzierten CPAP (Continuous Positive Airway-Pressure) Heimbeatmungsgeräte verbaut werden und dadurch in deutlich größerer Stückzahl gefertigt werden. In der Regel erreichen auch diese Turbinen den minimal erforderlichen Druck von 50 cm Wassersäule (ca. 40 mbar). Die Anforderungen wurden aus der „Code Life Ventilator Challenge“ der Montreal General Hospital Foundation abgeleitet. Das Team hat Turbinen unterschiedlicher Europäischer und Asiatischer Hersteller, getestet und katalogisiert, die die Anforderungen erfüllen. Für diese Turbinen werden geeignete Parametersätze angeboten.

Um noch schneller zu einer funktionstüchtigen Lösung zu kommen, hat das Team die Entwicklung von Hardware und Software vollständig parallelisiert. Dabei kam das modulare Evaluationskonzept „Landungsbrücke“ zum Tragen, in dem schnell die komplette Systemarchitektur inklusive der Sensorik und des schnellen Servoreglers TMC4671 aufgebaut wurde. Da die Entwicklung der Motorsteuerung entfiel, konnte innerhalb weniger Tage erstmals eine Beatmung simuliert werden. Zeitgleich fand die Integration derselben Architektur auf einem einzigen PCB statt, sowie die Entwicklung einer Benutzeroberfläche zur Demonstration. Bereits zwei Wochen nach Entwicklungsstart lag eine fertig integrierte, funktionstüchtige Elektronik vor.

Aus vorherigen Erfahrungen mit der Ansteuerung von Turbinen in CPAP-Geräten war klar: Die besondere Herausforderung ist die schnelle und dynamische Ansteuerung der niederinduktiven BLDC-Motoren. Dabei ist eine Abwägung zwischen einer hohen Schaltfrequenz und den dadurch bedingten Schaltverlusten sowie den Stromripple und den damit verbundenen Stator-Verlusten erforderlich. Ein dritter Weg wäre die Verwendung von großen Induktivitäten im Strompfad, die aber zum einen die Fertigung erheblich verteuert, zum anderen auch die Dynamik der Regelung begrenzen.

Das Trinamic Team hat sich hier für eine höhere Schaltfrequenz entschieden. Verwendet wird hierfür der integrierten Servo-Regler TMC4671, der unabhängig vom verwendeten Mikrocontroller eine PWM Frequenz und einen Stromregler-Takt von 100 kHz erzeugt. Mit dieser Schaltfrequenz konnte gegenüber einer Frequenz von 25 kHz die Stromaufnahme des Systems bei gleicher Performance um bis zu 15 Prozent gesenkt werden.

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Druck- und volumenbasierte Beatmungsmodi

Die Software des TOSV-Moduls stellt eine Druck- und Flow-Regelung, und darauf aufbauend druck- und volumenbasierte Beatmungsmodi zur Verfügung. Um Drucksensoren verschiedener Hersteller zu unterstützen ist eine Aufsteckkarte für I2C und Analog-Sensoren vorgesehen. Eigens für die Anforderungen des Beatmungsgerätes wurde ein Protokoll geschaffen, dass abgeleitet vom proprietären, lange etablierten Motion-Control spezifischen Protokoll TMCL einen sehr einfachen Zugriff auf die Beatmungsfunktionen bietet und damit die Steuerung von einem Single-Board Computer, oder Industrie-PC über UART erlaubt.

Für die Benutzeroberfläche und sowie übergeordnete Kontrollfunktionen kann das Board auf einen Single-Board Computer aufgesteckt werden. Im Implementierungsbeispiel wurde ein Raspberry Pi mit einem Touchscreen-Display verwendet. Zur Überwachung werden die Druck- und Flow-Signale, sowie die Hall-Signale der Turbine unverarbeitet an den übergeordneten Rechner durchgereicht. Zusätzlich werden für analoge Sensoren mit diskreter Schaltungstechnik erzeugte Warnsignale bei Schwellenüberschreitungen als Interrupt an den Kontrollrechner gesendet.

Das Entwicklungsprojekt sowohl der Hardware, als auch der Firm- und Software mit allen Quelldaten wurden von vorneherein unter MIT-Lizenz veröffentlicht [5]. Die Elektroniken sollen innerhalb kurzer Zeit über die Distribution verfügbar sein, um Entwicklern weltweit leichten Zugriff zur Weiterentwicklung der Software zu ermöglichen. Auch andere Hersteller haben in dieser nicht dagewesenen Lage beschlossen, mit ungewöhnlichen Maßnahmen zu unterstützen. So hat der amerikanische Beatmungsgeräte-Hersteller Medtronik sein Design von einem kommerziellen portablen Beatmungsgerät komplett Open Source gestellt. Der britische Staubsauger-Hersteller Dyson und der amerikanische Automobilhersteller Tesla haben sogar komplette Beatmungsgeräte entwickelt.

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