Der Preis für ein typisches Beatmungsgerät in Krankenhausqualität liegt bei über 25.000 US-Dollar. Das VentilAid-Beatmungsgerät kostet weniger als 200 US-Dollar. Die Entwicklung von Standard-Beatmungsgeräten dauert viele Jahre. Dieses Beatmungsgerät wurde in nur drei Wochen gebaut. Die Hersteller herkömmlicher Beatmungsgeräte schützen ihre Konstruktionen sehr sorgfältig. Die Entwickler von VentilAid hingegen haben ihre vollständige technische Dokumentation im Internet veröffentlicht. Jeder kann die Entwürfe kostenlos herunterladen und diese auf einem 3D-Drucker ausdrucken. So kann man VentilAid kurz und bündig beschreiben: ein kostengünstiges, 3D-druckbares Open-Source-Beatmungsgerät.
Die Idee für das Beatmungsgerät stammt von der polnischen Firma Urbicum. „VentilAid ist das, was wir ein ‚Beatmungsgerät der letzten Chance’ nennen. Es könnte etwa 50% der Patienten in Krankenhäusern helfen, die noch bei Bewusstsein sind und deren Lungen noch (teilweise) arbeiten. Es ist nicht dazu gedacht, professionelle Beatmungsgeräte zu ersetzen oder Patienten zu retten, die überhaupt nicht mehr in der Lage sind, zu atmen. Unser Ziel ist nicht, Geräte zu schaffen, die hunderttausend US-Dollar oder mehr kosten. Unsere Geräte sollen die Ärzte entlasten, damit sie professionelle Beatmungsgeräte an Patienten weitergeben können, die sich in kritischeren Zuständen befinden”, sagt Szymon Chrupczalski, Miterfinder von Ventil-Aid.
Ein einfaches Beatmungsgerät ist nicht das, was Ärzte brauchen
Weltweit gibt es mehrere Dutzend Projekte, die sich mit dem Bau eines Open-Source-Beatmungsgeräts befassen. Am Anfang sah der erste VentilAid-Prototyp wie dieser aus. Es handelte sich um ein sehr einfaches Gerät, obwohl es die gleichen technischen Parameter wie professionelle Beatmungsgeräte hatte, z.B. Drucklevels. Das Team hatte geplant, es noch weiter zu vereinfachen. Nur dass die Ärzte, die sie wegen des Geräts konsultierten, sie schließlich von dieser Idee abrückten.
„Die Ärzte erklärten uns, wie das Coronavirus die Lungen allmählich zerstört. Wenn ein mäßig kranker Patient in einem früheren Stadium Sauerstoff erhält, bevor er kritisch wird, ist die Wahrscheinlichkeit grösser, dass sich sein Zustand verbessert oder zumindest nicht verschlechtert. Ein Beatmungsgerät wie dieses wird das Gesundheitswesen entlasten, weil die Zahl der Menschen in kritischen Zuständen wahrscheinlich nicht zunehmen wird”, sagt Bartosz Wilk, der Sprecher des Unternehmens. Deshalb brauchen Ärzte kein Basisgerät als solches, denn mit einem komplexeren Gerät kann ein einzelner Arzt oder eine Krankenschwester mehrere Patienten überwachen und auf diese Weise mehr Patienten helfen”, fügt Szymon hinzu.
Inzwischen wurde die Idee hinter VentilAid geändert. Es geht jetzt nicht mehr darum, das einfachste Beatmungsgerät herzustellen, das es gibt. Es geht darum, ein technisch ausgefeilteres Beatmungsgerät zu bauen – aber dafür zu sorgen, dass es so erschwinglich und unkompliziert wie möglich ist, damit es auch in entlegenen Teilen der Welt problemlos gebaut werden kann.
Open-Source-Projekt
„Technisch gesehen ist ein Beatmungsgerät eigentlich ein recht einfaches Gerät. Die technischen Aspekte sind keine Herausforderung. Die größte Herausforderung ist die Software, z.B. schnelle Datenlesbarkeit, Parametereinstellungen, Sensoren”, erklärt Szymon Chrupczalski. Die Software von Beatmungsgeräten ist extrem kompliziert. Mit Software und Sensoren sind professionelle Geräte zum Beispiel in der Lage, den Gasdruck jederzeit auf dem richtigen Niveau zu halten und an den Atemrhythmus des Patienten anzupassen. Sie überwachen die Atemparameter nonstop und können das medizinische Personal alarmieren, wenn der Patient bewusstlos wird oder die Maske abrutscht. „Unter normalen Umständen hätten Unternehmen Jahre gebraucht, um diese Art von Software zu entwickeln. Aber uns bleiben keine Jahre. Wir haben nur Wochen. Was wir auch brauchen, ist Wissen über technische und medizinische Aspekte, das aus praktischer Erfahrung stammt”, sagt Szymon.
Multidisziplinäre Zusammenarbeit
Urbicum ist ein Team von Ingenieuren, allerdings ist ihr Spezialgebiet 3D-Drucker. Sie sind keine Medizintechniker. Deshalb baten sie das Word Wide Web um Hilfe. Sie luden die technische Dokumentation und die Liste der Kriterien für das Gerät auf die Website von GitLab hoch. Die Neuigkeiten verbreiteten sich im Internet wie ein Lauffeuer. Menschen aus der ganzen Welt schlossen sich dem Projekt an. Ingenieure, Wissenschaftler, Ärzte, 3D-Druck-Spezialisten, Servicetechniker für Beatmungsgeräte und so viele andere. Die Beatmungstechniker erwiesen sich als besonders hilfreich, da sie eine Unmenge an technischen Details zur Verfügung stellten. Die Erfinder schätzen, dass etwa eintausend Personen verschiedene Formen von Hilfe angeboten haben.
Lösungsvorschläge, wie technische Probleme gelöst werden können oder welche neuen Funktionalitäten nützlich sein könnten, werden an die Kernmannschaft, die die Ingenieure und Mitarbeiter von Urbicum sind, geschickt. Das Team setzt neue Ideen um und testet diese aus. Darüber hinaus werden ständig aktualisierte Beatmungsgeräteversionen und neue Lösungen mit den Krakauer Krankenhausärzten besprochen. Wenn sie die ersten Tests bestehen, trägt das Team diese dann in die technische Dokumentation ein. Wenn neue Schwierigkeiten auftauchen oder die Ärzte angeben, dass gewisse Änderungen erforderlich sind, bitten Entwickler von VentilAid die Mitarbeiter des Netzwerks, bei der Erstellung der technischen Dokumentation zu helfen.
Funktionsfähiger Prototyp
Auf diese Weise wurden neuere, schnellere und billigere Problemlösungen gefunden, die die komplexen Lösungen ersetzen können, die derzeit in professionellen Beatmungsgeräten verwendet werden. Ein gutes Beispiel für einen solchen Ansatz ist ein System, das die Sauerstoffzufuhr reguliert. „In professionellen Beatmungsgeräten gibt es spezialisierte Dosierventile und Kontrollsensoren. Wir haben unsere eigene Lösung gefunden. Sie ist vergleichbar mit der Kombination eines Luft- und Sauerstoffmischers mit einem System, das Sauerstoff ansaugt. Der Sauerstoff strömt aus einem Tank oder von einem Generator und wird dann in eine Komponente (die wir erfunden und in 3D ausgedruckt haben) entlüftet, die Sauerstoffdosen abgibt, während der Patient einatmet.“
„Es geht hier nicht darum, Gas zu verschwenden”, erklärt Szymon Chrupczalski. Eine weitere innovative Lösung besteht darin, die Position der Filter am Beatmungsgerät zu verändern. „Indem wir den Filter weiter vom Patienten weg verschoben haben, ist es uns gelungen, eine schnellere und genauere Atemreaktion hervorzurufen. Wir eliminieren das Risiko eines plötzlichen Druckanstiegs, zum Beispiel durch Husten oder einen Druckabfall unter die empfohlenen Werte”, so Bartosz Wilk weiter.
Erstes Open-Source-Beatmungsgerät, das klinisch getestet wurde
Der funktionsfähige Prototyp von VentilAid ist fertig. Die Optik dieses Universalbeatmungsgeräts ist nicht gerade beeindruckend. Nichtsdestotrotz ist dieser graue 3D-gedruckte Kasten mit nur wenigen Zylindern für die spezifischen Bedürfnisse bestimmter COVID-Patienten konzipiert. Er wurde für die nicht-invasive Beatmung mit einem Sauerstofflieferanten konzipiert, der sowohl im CPAP- als auch im BiPAP-Modus funktioniert. Er unterstützt den Patienten beim Atmen, verhindert das Kollabieren der Lungenbläschen, passt sich dem Atemrhythmus des Patienten an und überwacht seinen Zustand. Das Gerät warnt den Arzt, sobald sich einer dieser Parameter zu verschlechtern beginnt. „Die Anästhesisten, mit denen wir zusammenarbeiten, haben bereits überprüft, dass es möglich ist, damit zu atmen”, erklärt Szymon.
Die meisten Komponenten werden auf 3D-Druckern ausgedruckt, aber das Gerät kann auch mit anderen Technologien hergestellt werden, z.B. auf einer Fräsmaschine oder mit Spritzgussmaterialien, die in Krankenhäusern leicht desinfiziert werden können. Die Hersteller versuchten, so viele erschwingliche und leicht zugängliche medizinische Komponenten wie möglich in ihrem Produktionsprozess zu verwenden. Das Gerät ist über medizinische Schläuche und Filter mit dem Patienten verbunden, und in die medizinischen Filter wird nur Sauerstoff eingespeist. Diese Art von Lösungen sind dazu da, um das Sicherheitsniveau aufrechtzuerhalten.
In wenigen Tagen sollen klinische Tests an der Universitätsklinik in Białystok (Polen) beginnen. Die Ergebnisse sollten innerhalb weniger Wochen bekannt sein. In der Zwischenzeit haben die Erfinder von Ventilaid damit begonnen, im Internet Spenden zu sammeln. Sie wollen Geld für die Produktion der ersten Serie von Beatmungsgeräten sammeln. VentilAid kann auf der Website Odpalprojekt.pl unterstützt werden.