Covid-19: Unis und Autohersteller entwickeln Beatmungsgeräte
Steigt die Zahl an Patienten mit schwerer Lungenentzündung nach einer SARS-CoV-2-Infektion, könnte die Zahl an Beatmungsgeräten in Deutschland knapp werden. Jetzt zeigen Ingenieure, welche Alternativen es gibt.
Beatmungsbeutel lassen sich zu Beatmungsgeräten umfunktionieren – etwa bei Patienten mit COVID-19.
Foto: panthermedia.net/tonodiaz
Noch hält sich der SARS-CoV-2-Ausbruch – verglichen mit Nachbarländern – bundesweit im Rahmen. Das Robert Koch-Institut listet auf seiner Website 42.288 Infektionen und 253 Todesfälle (Stand 27.03.2020, 10:00 Uhr). Oftmals verläuft Covid-19, so der Name der neuen Lungenerkrankung, ohne lebensbedrohliche Symptome.
Ob das so bleibt, ist fraglich. In Italien fehlten vor allem Beatmungsgeräte, um Schwerkranke zu versorgen. Deutschlandweit gibt es laut Zahlen medizinischer Fachgesellschaften 25.000 Beatmungsplätze. Das reicht derzeit aus; Prognosen zum weiteren Verlauf sind jedoch nicht möglich. So scheint es in Deutschland weniger Schwerkranke als in Italien zu geben, ohne dass sich Ärzte die Unterschiede erklären können. Doch Klinikleiter gehen auf Nummer sicher und bestellen weitere Beatmungsgeräte – oft ohne Erfolg.
Neue Felder für Automobilhersteller
Stefan Dräger, Vorstandsvorsitzender der Drägerwerk Verwaltungs AG, einem großen Hersteller, hat inzwischen die Kapazitäten hochgefahren, doch es gibt Grenzen. „Mir ist bewusst, dass all unsere Bemühungen den aktuellen Bedarf auf der Welt nur zum Teil decken können“, sagt Dräger. Als Schwachstellen nennt er einerseits Zulieferer, andererseits aber auch Kapazitäten. Jedes dieser Medizinprodukte muss vor der Auslieferung getestet werden.
Automobilhersteller könnten diese Lücke schließen. Eine entsprechende Expertise bei der Teilefertigung ist vorhanden. In den meisten Werken steht die Fahrzeugproduktion ohnehin still. VW kündigte an, per 3D-Druck Kunststoffteile oder Prototypen anfertigen zu wollen. Sobald die behördlichen Anforderungen bekannt seien, könne man starten. Weitere Details nannte der Wolfsburger Konzern nicht; Medizintechnik wäre eine neue Sparte. Neben der Zulassung gilt die Vorlaufzeit als Herausforderung. Möglicherweise braucht man bereits in wenigen Wochen zusätzliche Beatmungsgeräte. Deshalb versuchen Universitäten, aus vorhandenen, bereits zugelassenen Tools Beatmungsgeräte zu bauen.
Aus der Schlafmedizin in die Corona-Therapie
Physiker der Philipps-Universität Marburg erinnerten sich an Geräte zur Behandlung von Schlafapnoe, also des kurzzeitigen Atemstillstands während der Nachtruhe. Zur Therapie werden schon lange sogenannte CPAP-Geräte eingesetzt. Das Kürzel steht für Continuous Positive Airway Pressure, sprich eine nicht invasive Beatmung per Maske mit Überdruck. Die Geräte sind weit verbreitet – etwa zwei Millionen befinden sich in deutschen Haushalten.
Die Marburger Experten haben auf der Basis eine Lösung zur nicht invasiven Beatmung von Covid-19-Patienten entwickelt. Dazu müssen unterschiedliche Druckwerte beim Ein- und Ausatmen erreicht werden. Kommerzielle CPAP-Systeme leisten dies nicht. Deshalb wurde eine intelligente Box zwischen CPAP-Gerät und Beatmungsschlauch angebracht. Sie besteht aus einem Klappensystem und einem Mikrocontroller, um alternierende Druckniveaus einzustellen.
Die Klappe reguliert durch Öffnen und Schließen den Luftdruck in der Beatmungsmaske. Sie wird von einem Servomotor bewegt, der wiederum von einem Mikrocontroller gesteuert wird. Für diese Einheit wurde ein Code zur Steuerung geschrieben. Es sind auch Anschlüsse vorgesehen, über die ein Covid-19-Patient bei Bedarf mit Sauerstoff versorgt werden kann. Mehrere Prototypen liefen bei Labortests einwandfrei.
Das Gerät kann weitgehend per 3D-Druck in großer Stückzahl hergestellt werden. Elektronische Komponenten wie der Mikrocontroller und der Servomotor sind bundesweit in großer Menge zu erwerben. Es handelt sich um keine klassischen Medizinprodukte.
Beatmungsbeutel umrüsten
Nicht in allen Ländern sind ausreichend viele CPAP-Geräte vorhanden. Deshalb haben Teams der Uni Marburg eine frühere Idee des Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, perfektioniert.
Der Schlüssel zu der einfachen, kostengünstigen Beatmungsalternative ist ein handbetätigter Plastikbeutel, der Beutelventil-Beatmungsbeutel oder Ambu Bag. Dieser ist so konzipiert, dass er manuell bedient werden kann, etwa im Rettungswagen. Wie bei einem Beatmungsgerät wird ein Schlauch in die Atemwege des Patienten eingeführt. Anschließend wird die Luft durch Drücken und Lösen des flexiblen Beutels in die Lunge gepumpt.
Die Innovation bestand darin, ein mechanisches System zum regelmäßigen Zusammendrücken und Expandieren des Ambu-Bags zu entwickeln. Entscheidend ist, den Beutel nicht zu beschädigen. Die Einheit muss auch steuerbar sein, damit die abgegebene Luftmenge und der abgegebene Druck auf den jeweiligen Patienten einegstellt werden können. Das Gerät muss sehr zuverlässig sein, da ein unerwarteter Ausfall des Geräts tödlich sein kann. Etwa eine Million Zyklen wären erforderlich, um einen Patienten über einen Zeitraum von zwei Wochen zu beatmen, was bei Covid-19 realistisch ist.
Für den Prototypen haben Marburger Physiker vorgesehen, die Maske auf dem Gesicht des Patienten dauerhaft zu fixieren. Außerdem wird ein PEEP-Ventil eingebaut. PEEP steht für positiven Druck in der Lunge am Ende der Ausatmung (positive end-expiratory pressure). Hinzu kommen mechanische Komponenten, um den Ballon permanent in einem bestimmten Muster zusammendrückt. Sie werden per Einplatinencomputer gesteuert.
Von der Idee zu den Prototypen – in 48 Stunden
„Die Prototypen zeigen, dass die Idee prinzipiell funktioniert und werden jetzt schnell verbessert“, schreiben die Entwickle auf ihrer Website. „Keine 48 Stunden zuvor war das nur eine grobe Zeichnung auf einer Tafel.“ Und Harald Renz, ärztliche Geschäftsführer des Marburger Universitätsklinikums, ergänzt: „Unsere Oberärzte bestätigen, dass man die entwickelten Geräte als ‘last line of defense‘ zur Beatmung einsetzen würde, wenn man keine andere Möglichkeit mehr hätte.“
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