Tue, 19 May, 2020
Das TWI Technology Centre Wales freut sich, die University of Wales Trinity St. David (UWTSD) bei der Entwicklung eines 3D-gedruckten Atemunterstützungssystems unterstützt zu haben, das Patienten mit Atembeschwerden aufgrund des Coronavirus helfen soll.
Die Ingenieure der UWTSD begannen mit der raschen Entwicklung eines hocheffizienten, 3D-gedruckten, Venturidüsen-basierten Atemunterstützungssystems, nachdem sie von der walisischen Regierung und der Industrie aufgefordert worden waren, additiv gefertigte CPAP-Beatmungssysteme für SARS-CoV-2-Patienten mit Atembeschwerden zu entwickeln, bei denen die die Spontanatmung des Patienten mit einem dauerhaften, während Ein- und Ausatmung aufrechterhaltenen Überdruck kombiniert wird (CPAP: continuous positive airway pressure, kontinuierlicher positiver Luftdruck).
Das Projektteam, das Mitte April 2020 zusammengestellt wurde, wird von Graham Howe und Luca Pagano von MADECymru zusammen mit Prof. Peter Charlton, Richard Morgan und John Hughes von der Fakultät für Ingenieurwesen der Universität geleitet. Das Team besteht aus Mitarbeitern mit ingenieurwissenschaftlicher Erfahrung und stützt sich bei der Durchführung wichtiger rechnergestützter Modellierungen auf das Fachwissen von John Hughes, einem der Ingenieurstudenten im letzten Studienjahr an der UWTSD.
Die Lösung für das System wurde durch die Auswertung eines Postgraduierten-Projekts der School of Engineering an der UWTSD geschaffen, in dem die potenzielle Nutzung des Venturi-Effekts für die Beatmungstherapie skizziert wurde. Fachleute des Gesundheitswesens und Industriegruppen bestätigten, dass die größte Herausforderung für die SARS-CoV-2-Beatmungstherapie der hohe Sauerstoffverbrauch war. Dieser hohe Bedarf ist auf die Anzahl aktiver Patienten und die daraus resultierende geringe Sauerstoffverfügbarkeit infolge der Überlastung der Infrastruktur und der durch ineffiziente, vorhandene Geräte verursachten Verluste zurückzuführen. Das bedeutet, dass der Sauerstoffverbrauch der Hauptparameter für den Optimierungs- und Modellierungsprozess ist.
Der Venturi-Effekt wird insbesondere für Ejektor-Strahlpumpen in Hydraulik- und Gassystemen genutzt. Wenn ein Volumenstrom aus einer entsprechend konstruierten Düse ausströmt, kann er eine Sekundärflüssigkeit oder ein Gas mitreißen. Physikalisch optimierte Düsengeometrien ermöglichen den Anschluss eines Venturisystems an die in Krankenhäusern verfügbaren Sauerstoffleitung, um ein geregeltes, unter Druck stehendes Luft-/Sauerstoffgemischs für den zu beatmenden Patienten bereitzustellen. Eine elektrische Versorgung ist dabei nicht erforderlich.
Die erste experimentelle Validierung wurde am 6. Mai 2020 im Singleton Hospital in Swansea durchgeführt. Die Tests gaben dem Team die Möglichkeit, die Leistung der physischen Prototypen mit den analytischen und rechnerischen Modellen zu vergleichen, die zuvor für den Entwurf und die Optimierung der Systemgeometrie verwendet wurden. Dieser Validierungstest zeigte, dass das System in der Lage ist, 40 % bzw. 65 % inspiratorischen Sauerstofffraktion (FiO2) bei einem Sauerstoff-Volumenstrom von 2 bzw. 6 Litern pro Minute zu liefern. Die Tests beweisen, dass eine solche Konfiguration die meisten der verfügbaren CPAP-Geräte übertreffen kann. Die Venturisysteme zeigen ein Potential zur Abgabe von 24 % FiO2 bei einem Sauerstoff-Volumenstrom von weniger als 1 Liter pro Minute.
Das Ziel des Teams ist es, eine Lösung zu entwickeln, die für Gesundheitsbehörden aus bedürftigen Ländern frei zugänglich ist. Im Hinblick auf die erforderliche dezentrale Herstellung hat das Team bereits eine Reihe verschiedener maßgeschneiderter Lösungen entwickelt. Es sind eine Reihe verschiedener Montageoptionen möglich, die handelsübliche medizinische Schaltungsverbinder oder ein vollständig 3D-gedrucktes System umfassen können (das Foto zeigt einen Prototyp, der zurzeit getestet wird). All diese Optionen können über eine leicht erhältliche, kostengünstige, verstellbare Anästhesie-Maske, die von einer 3D-gedruckten Schiene gehalten wird, mit dem Patienten verbunden werden.
Ein Vorproduktionsprototyp wurde erstellt, wobei das Wales Centre for Advanced Batch Manufacture (CBM) Unterstützung bei der additiven Fertigung leistete und das TWI Technology Centre Wales durch Computertomographie und zerstörungsfreie Prüfung bei der Toleranzabweichungsanalyse half. Der 3D-gedruckte, voll funktionsfähige Prototyp könnte in seiner endgültigen Form möglicherweise ein herunterladbares Plug-and-Play-Gerät sein, das überall auf der Welt verfügbar ist. Das System kann auch mit Standard-PEEP-Ventilen und Virenfiltern verbunden werden, um sowohl Patienten als auch Mitarbeiter zu schützen (PEEP: positive end-expiratory pressure, positiver endexspiratorischer Druck). All dies zu Materialkosten im Wert von 5,50- 6,75 €.
Graham Howe, Principal Research Fellow für Advanced Manufacturing an der UWTSD, sagte: „Es war eine herausforderungsvolle, aber lohnende Erfahrung, mit einem multidisziplinären Team von Ingenieuren der Universität zusammenzuarbeiten, von denen jeder sein eigenes Fachwissen einbrachte, um die Entwicklung dieses Geräts voranzutreiben. Wir haben auch hervorragende Unterstützung von unseren langjährigen Industriepartnern erhalten, ohne die wir diese Arbeit nicht hätten vollenden können. Dieses Projekt hat gezeigt, was erreicht werden kann, wenn sich Organisationen im Sinne des Gemeinwohls zusammenschließen, und wir hoffen, dass dieses Gerät dazu beitragen wird, die fantastische Arbeit zu unterstützen, die das Personal des staatlichen Gesundheitswesens NHS an vorderster Front bei der Behandlung von Covid-19-Patienten leistet.“
TWI ist stolz darauf, UWTSD bei diesem wichtigen Projekt unterstützt zu haben, und wird das gesamte System nun einer umfassenden Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse sowie weiteren Tests unterziehen.
