Hack The Crisis: Engineering Students Craft DIY Ventilator

Alleen al New York City heeft naar verluidt duizenden ademhalingsautomaten nodig, die niet in voldoende aantallen beschikbaar zijn. Medische fabrikanten hebben de productie opgevoerd. General Motors, opererend onder de Defense Production Act, zei dat het tegen augustus 30 000 eenheden zal leveren. Zelfs bedrijven als Dyson en Tesla springen in de strijd.

Maar ventilatoren die in de VS worden gebruikt, zijn geavanceerde, hoogontwikkelde machines die elk $ 5, 000 tot $ 5 kosten, en ze hebben veel gespecialiseerde componenten nodig van een groot aantal leveranciers - veel van die offshore, kort bemand of momenteel gesloten zijn.

Als een pragmatisch alternatief creëerden studenten van de Brown School of Engineering van de Rice University een basisapparaat van standaardonderdelen dat ventilatie van ziekenhuiskwaliteit levert, maar dat slechts een paar honderd dollar kost.

De basisprincipes van ventilatoren zijn vrij eenvoudig. Coronavirus kan ontstekingen in de longen veroorzaken, waardoor membranen worden geblokkeerd die zuurstof uit de lucht in het bloed overbrengen. Bedventilatoren helpen lucht in de longen te duwen om ze te openen. De patiënt krijgt meer zuurstof en heeft de mogelijkheid om te stabiliseren en te herstellen.

Vorig jaar ontwierp en bouwde een senior team van bio- en werktuigbouwkundestudenten werkzaam bij Rice's Oshman Engineering Design Kitchen (OEDK) een kosteneffectief apparaat dat de compressie van handmatige zakventielmaskers automatiseert. Een BVM bestaat uit een flexibele luchtkamer die aan een gezichtsmasker is bevestigd. Door in de zak te knijpen, wordt lucht door een eenrichtingsklep en in de longen van geïntubeerde patiënten gebracht die zelf moeilijk kunnen ademen. Deze maskers worden al bijna 70 jaar gebruikt en worden meestal gedragen door medisch noodpersoneel. Jaarlijks worden er wereldwijd meer dan 100 miljoen BVM's geproduceerd.

Maar maskers zijn moeilijk met de hand langer dan een paar minuten per keer te knijpen. Het geautomatiseerde systeem kan deze taak urenlang uitvoeren. De leerlingen gebruikten een standaard $ 25 motor en een $ 5 microcontroller om het systeem van stroom te voorzien en te programmeren. De 'compressor' van de unit is een tandheugelapparaat dat voornamelijk bestaat uit 3 D-geprinte plastic onderdelen met daaraan bevestigde paddles die de zak cyclisch samendrukken. Ze verwachtten dat het apparaat nuttig zou zijn in ziekenhuizen met weinig middelen in ontwikkelingslanden, of tijdens noodsituaties wanneer draagbare ventilatoren schaars zijn.

Nu de COVID-19-crisis woedt, stromen er aanvragen binnen bij de universiteit op zoek naar plannen voor het vroege prototype. Het personeel van Rice's OEDK heeft het studentenprototype snel geüpgraded naar een robuustere ApolloBVM-eenheid die is ontworpen voor medische kwaliteit en ook economisch genoeg om als wegwerpbaar te worden beschouwd.

De ApolloBVM is gebouwd met een aantal 3 D-geprinte en lasergesneden onderdelen, maar de meeste componenten zijn gemakkelijk verkrijgbaar via online retailers en bouwmarkten. Dat omvat goBilda-motoren van Servo City, tandwielen en bevestigingsmiddelen van McMaster-Carr en elektrische onderdelen van Mouser. Ambu maakt de basis BVM. En een Arduino-bord, gekocht bij Amazon, maakt programmeren mogelijk waarmee gebruikers de luchttoevoersnelheid aan patiënten kunnen aanpassen.

De geautomatiseerde BVM-unit is gebouwd voor minder dan $ 250, een prijs die aanzienlijk lager is dan die van zelfs commerciële ventilatoren op instapniveau.

Het apparaat is geschikt voor zuurstof op wand- of tankbasis via een standaard lagedrukinlaatpoort. Op een LCD-scherm kunnen gebruikers de bedrijfsparameters instellen en compressie starten of stoppen. Controles hebben instellingen voor volwassenen, kinderen en kinderen die momenteel ademhalingssnelheden van 5 tot 30 hsm (in stappen van 1 hsm) toestaan, volumes van 300 tot {{6} } ml (in stappen van 50 ml), variabele positieve druk en instelbare inspiratoire: expiratoire verhoudingen. De ApolloBVM is ongeveer 14 × 16 × 7 inch. groot en weegt minder dan 10 lb, waardoor hij geschikt is voor gebruik op een draagbaar nachtkastje. Het wordt aangedreven door 120 Vac met 0010010 lt; 15 W-stroomverbruik.

Sinds Rice de voltooiing van een nieuw prototype in maart 27 aankondigde, hebben honderden clinici, ingenieurs, fabrikanten en doe-het-zelvers uit meer dan 50 landen informatie over het project opgevraagd. De open-sourceplannen voor de ApolloBVM zijn online geplaatst en zijn wereldwijd gratis beschikbaar.

Defensie is een van de groepen die geïnteresseerd zijn in ApolloBVM. De Amerikaanse marine heeft verschillende instellingen uitgenodigd om voorstellen in te dienen voor de ontwikkeling van een goedkoop, mechanisch ondersteuningssysteem voor ventilatie dat snel kan worden geproduceerd met algemeen beschikbare middelen. "Dit is zo eenvoudig als het maar kan, met alle gemakkelijk verkrijgbare onderdelen", zegt Danny Blacker, OEDK's supervisor voor technisch ontwerp.

Met de voortdurende verspreiding van coronavirus en een dreigend tekort aan ventilatoren over de hele wereld, zou ApolloBVM COVID-19-patiënten kunnen helpen die minder ernstig ziek zijn terwijl ze wachten op de beschikbaarheid van een standaard ziekenhuisventilator. "Het directe doel is een apparaat dat goed genoeg werkt om niet-kritische COVID-19-patiënten stabiel te houden en grotere ventilatoren vrij te maken voor meer kritische patiënten", zegt Amy Kavalewitz, uitvoerend directeur van OEDK.

"Dit zal een verschil maken in ziekenhuizen zonder ventilatoren", zegt Dr. Rohith Malya, assistent-professor spoedeisende geneeskunde aan het Baylor College of Medicine en adviseur van het Rice engineering-team. “Degenen die relaties hebben met een productiefaciliteit die ze snel kan produceren, moeten de FDA-toestemming voor noodgevallen aanvragen. We werken lokaal om dat voor elkaar te krijgen. '

In laboratoriumtests met een kunstlong leverde het nieuwste prototype {0}} uur non-stop lucht, totdat het apparaat werd uitgeschakeld. De volgende stappen zijn testen met menselijke patiënten in samenwerking met het Texas Medical Center en samenwerken met fabrikanten die de productie van een apparaat van ziekenhuiskwaliteit willen opvoeren.