Entwurf eines Open-Source-Beatmungsgeräts

Fragen der Verfügbarkeit medizinischer Geräte im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie unterstreichen die Notwendigkeit einer breiteren Beteiligung an der Entwicklung medizinischer Geräte sowohl durch Einzelpersonen als auch durch die gesamte Elektronikindustrie. Eine relativ kleine Anzahl traditioneller Hersteller von Beatmungsgeräten in Kombination mit Unterbrechungen in der Lieferkette beeinträchtigt weiterhin die Fähigkeit der medizinischen Industrie, die Produktionskapazität für Beatmungsgeräte zu erhöhen. Um dem entgegenzuwirken, verlagern viele nicht-medizinische Herstellerfirmen ihre Produktionskapazitäten auf den Bau von Beatmungsgeräten. Darüber hinaus arbeiten mehrere Unternehmen und Einzelpersonen an der Entwicklung und Förderung der Open-Source-Beatmungstechnologie als Mittel zur Verbesserung des Zugangs von Patienten zu Beatmungsgeräten weltweit.

Beatmungsgeräte und COVID-19

Patienten, die akut vom Coronavirus betroffen sind, können auf Atemunterstützung angewiesen sein. Schwerstbetroffene können ein akutes Atemnotsyndrom (ARDS) entwickeln. ARDS ist die Unfähigkeit der Lunge, aus eigener Kraft ausreichend Sauerstoff aufzunehmen. ARDS-Patienten leiden unter einer höheren Mortalität und können während der Behandlung eine mehrtägige mechanische Beatmung benötigen. Die COVID-19-Pandemie hat zu einem dramatischen Anstieg der Patienten geführt, die eine Atemwegsbehandlung benötigen. In vielen Teilen der Welt schränken die hohen Kosten oder der Mangel an Beatmungsgeräten weiterhin den Zugang der Patienten zur Behandlung ein und führen zu unnötigen Todesfällen.

Beatmungsgeräte - Hintergrund

Die Aufgabe des mechanischen Beatmungsgeräts besteht darin, Gas in die Lunge hinein und aus ihr heraus zu transportieren, um Sauerstoff bereitzustellen und Kohlendioxid zu entfernen. Moderne Beatmungsgeräte verwenden Überdruckbeatmung (PPV), um Gas mit einer regelmäßigen Atemfrequenz in die Lungen zu drücken. Abbildung 1 zeigt ein beispielhaftes Simulationsprofil der Druckrampen und Ströme für ein mechanisches Beatmungsgerät während der Ein- und Ausatmung. Ein Beatmungsgerät setzt diese Art von Profil mit verschiedenen Grenzen und Raten um, wenn es zur Behandlung eines Patienten eingesetzt wird.

Abbildung 1: Wellenform des Beatmungsgeräts. (Bildquelle: Trinamic)

Beatmungsgeräte verwenden in der Regel pneumatische oder elektrische Energie, um den während der Beatmung verwendeten Druck und Fluss bereitzustellen. Verschiedene Sensoren und Regeleinheiten innerhalb des mechanischen Beatmungsgeräts werden verwendet, um zwischen inspiratorischen (Einatmen) und exspiratorischen (Ausatmen) Modi zu wechseln. Referenz 1, Ausrüstung in der Anästhesie und Intensivpflege: Ein vollständiger Leitfaden für die FRCA, bietet gute Hintergrundinformationen und eine grundlegende Referenz zum Verständnis der grundlegenden Beatmungsgerätekonstruktion und -terminologie.

Projekt für ein Open-Source-Beatmungsgerät (TOSV) von Trinamic

Trinamic (jetzt Teil von Maxim Integrated) hat eine lange Geschichte und jahrelange Erfahrung in der Bewegungssteuerungselektronik. Neben der Unterstützung laufender Beatmungsgeräteprojekte seiner Kunden, möchte Trinamic Ingenieure und medizinische Unternehmen durch die Bereitstellung eines Open-Source-Hardware-Referenzdesigns für Beatmungsgeräte inspirieren.

Viele Beatmungsgeräte verwenden einen von einem BLDC-Motor angetriebenen Turbinen-Radialventilator mit hoher Drehzahl in Kombination mit verschiedenen Sensoren, um druck- und strömungsgesteuerte Beatmungsmodi zu ermöglichen. Aufgrund der Erfahrung in der Arbeit mit induktionsarmen BLDC-Motoren hat Trinamic diesen Ansatz ebenfalls übernommen, was zu dem öffentlichen TOSV-Projekt (Trinamic Open-Source Ventilator) führte. Trinamic entwickelte eine Machbarkeitsstudie (Abbildung 2) basierend auf der Motorsteuerung TMC4671 und den Gate-Treiber-ICs TMC6100, die einen CPAP-Turbinenlüfter treiben.

Abbildung 2: Machbarkeitsstudie. (Bildquelle: Trinamic)

Die Verwendung der Evaluierungsplattform TMC6100+TMC4671-EVAL-KIT ermöglichte es dem Trinamic-Team, Firmware zu entwickeln und die Machbarkeitsstudie mit einer CPAP-Turbine schnell umzusetzen. Das Kit besteht aus einem MCU-Board mit der Bezeichnung Landungsbrücke, zwei Brückenplatinen mit der Bezeichnung Eselsbrücke, einem Motorsteuerungsboard TMC4671-EVAL sowie der Treiberplatine TMC6100-EVAL. Zusammengesteckt bieten die Boards einen einfachen Zugang zu den elektrischen Anschlüssen, die für die Steuerung des Motors und den Anschluss von Sensoren erforderlich sind.

Während der Entwicklung der Firmware auf der Evaluierungsplattform entwickelte ein anderes Ingenieurteam ein passendes Board mit kleinem Formfaktor, das den TMC4671, den TMC6100, den Mikrocontroller und die Schnittstellenschaltung enthält. Die daraus resultierende Hard- und Firmware, die von den Ingenieurteams von Trinamic entwickelt wurde, wurde zum TOSV-Projekt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Blockdiagramm des TOSV-Referenzdesigns. (Bildquelle: Trinamic)

Das Ziel von TOSV ist es, eine Hardware-Designreferenz für die Steuerung des Gebläses und der Sensoren sowie eine Firmware für grundlegende Beatmungsfunktionen bereitzustellen. Abbildung 3 zeigt die wichtigsten im Entwurf implementierten Funktionsblöcke. Der Footprint des Boards wurde so ausgelegt, dass es an einen Raspberry Pi angeschlossen werden kann, wodurch eine leicht verfügbare Einplatinen-Computerplattform für die Entwicklung von Funktionen auf Systemebene entsteht.

Das resultierende TOSV-Referenzdesign-Evaluierungsboard TMC4671+TMC6100-TOSV-REF und die Firmware sind verfügbar. Zum TOSV-Referenzdesign gehören Schaltpläne, Board-Dokumentation, Stücklisten, CAD-Zeichnungen, Firmware und Beispiele für Python-Benutzeroberflächen. Alle Begleitmaterialien sind über den Link TrinamicOpenSourceVentilator-TOSV GitHub von Trinamic verfügbar.

Fazit

Das TOSV-Projekt ist ein gutes Beispiel für Open-Source-Hardware und -Firmware, die für das Allgemeinwohl zum Nutzen aller entwickelt wird. Durch die Nutzung ihrer Erfahrung mit dem Antrieb von BLDC-Motoren mit hoher Drehzahl und deren Anwendung auf ein Beatmungsgerätesystem hat Trinamic Hardware- und Firmware-Referenzblöcke entwickelt, die sowohl von Einzelpersonen als auch von Unternehmen verwendet, weiterentwickelt und modifiziert werden können.

Referenzen:

1 - Aston D, Rivers A, Dharmadasa A: Ausrüstung in der Anästhesie und Intensivpflege: Ein vollständiger Leitfaden für die FRCA.Royal College of General Practitioners.2013. Quelle der Referenz