Covid-19 08.01.2021, 07:00 Uhr

Corona: Ingenieure leisten lebenswichtigen Beitrag

Wenn Patienten an Covid-19 erkrankt sind, müssen Ärzte helfen. Deren Arbeit wird durch Maschinenbau-Ingenieure aber erst möglich, vor allem bei knappen technischen Ressourcen. Ein Überblick.

Maschinenbau-Ingenieure haben verschiedene Technologien zur Versorgung von Covid-19-Patienten entwickelt.
Foto: panthermedia.net/jovanjaric

Maschinenbau-Ingenieure haben verschiedene Technologien zur Versorgung von Covid-19-Patienten entwickelt.

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Schon während der ersten Pandemie-Welle zeigte sich, wie dringend Ärzte Medizintechnik benötigen, um Patienten mit Covid-19 versorgen zu können. Je nach Schweregrad der Lungenerkrankung benötigen Betroffene entweder zusätzlichen Sauerstoff oder müssen maschinell beatmet werden. Geräte wurden zuerst in Italien knapp, später in den USA und in anderen europäischen Ländern.

Auch während der zweiten Corona-Welle drohen Versorgungsengpässe. Maschinenbau-Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge haben deshalb mehrere technologische Lösungen für Krankenhäuser entwickelt. Oft reichen Bordmittel aus, um Patienten zu behandeln.

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Corona: Kostengünstige, mobile Sauerstoff-Konzentratoren 

Sauerstoff-Konzentratoren reichern Sauerstoff aus der Umgebungsluft an. Portable Geräte erreichen einen Durchsatz von bis zu zehn Litern pro Minute bei Sauerstoff-Konzentrationen von bis zu 96%. Sie eignen sich, um Patienten mit leichtem oder mittelschwerem Covid-19 zu versorgen. Doch die Geräte wurden – und werden – knapp.

Um hier zu unterstützen, kontaktierte Yang Shao-Horn, Professorin für Maschinenbau am MIT, Ärzte aus den USA, aus Italien und Südkorea. Sie wollte verstehen, welche Funktionalitäten ein ideales System für Krankenhäuser haben sollte. Dann machte sie sich mit ihrem Team an die Arbeit. Der Aufbau ähnelt einer elektrochemischen Zelle, wie man sie bei Batterien verwendet. Gleichzeitig wurde eine spezielle Filtermembran zur Trennung und Reinigung entwickelt. Nach dem Durchgang durch einen Kompressor gelangt nahezu reiner Sauerstoff in einen Tank als Zwischenspeicher. Von dort aus kann das Gas zur Behandlung von Patienten verwendet werden.

„Wir hoffen, dass unser mobiles System dazu beiträgt, Patienten auch zu Hause zu versorgen, und wir bieten Ärzten mehr Möglichkeiten, um verschiedene Situationen zu meistern, in denen Sauerstoff benötigt wird“, sagt C. John Eom vom MIT. Er hat vor allem die Membrantechnologie entwickelt.

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Beatmungsgeräte im Open-Source-Design

Nicht immer reicht es aus, Patienten Sauerstoff über eine Gesichtsmaske zu geben. Bei schwerem Covid-19 werden Betroffene maschinell beatmet. Meldungen von italienischen Krankenhäusern, dass Beatmungsgeräte fehlen, führten zur Gründung des MIT Emergency Ventilator Teams.

Grundlage des Open-Source-Projekts waren einfache Beatmungsbeutel, wie sie in jedem Krankenhaus zur Verfügung stehen. Diese sind so konzipiert, dass sie von einem Arzt oder Sanitäter manuell bedient werden, um beispielsweise einen Patienten mit Herzstillstand zu beatmen. Wie bei einem stationären Gerät wird ein Schlauch in die Atemwege des Patienten eingeführt. Anschließend pumpt man Luft durch Drücken und Lösen des flexiblen Beutels in die Lunge. Die Innovation der MIT-Arbeitsgruppe war, ein mechanisches System für das periodische Zusammendrücken und Entlasten des Beutels zu entwickeln, das sich leicht steuern lässt. Die Technologie muss zuverlässig und ausfallsicher sein. Etwa eine Million Zyklen sind im Schnitt erforderlich, um Patienten mit Covid-19 zwei Wochen lang zu beatmen, bis die akute Phase von Covid-19 überstanden ist.

Maschinenbau-Ingenieure am MIT entwickelten mehrere Prototypen, schrieben Codes für die Steuereinheit und führten Tierstudien durch. Danach veröffentlichten sie alle Informationen online. Innerhalb weniger Wochen registrierten sich 24.000 Personen, um Informationen abzurufen. Gruppen aus aller Welt helfen den MIT-Experten, ihr Design weiter zu optimieren.

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Nutzung von Beatmungsgeräten für mehrere Patienten  

Doch MIT-Forscher hatten eine weitere Idee: Fehlen kommerzielle Beatmungsgeräte in Krankenhäusern, könnte man den Luftstrom einer Maschine für mehrere Patienten nutzen. Das Konzept ist nicht neu, doch Ärzte hatten Bedenken, ob dies auf Kosten der Sicherheit geht. Mehrere internationale Ärzteverbände hatten davon abgeraten – zu Unrecht, wie sich zeigte.

Maschinenbau-Ingenieure entwickelten spezielle Durchflussventile und bauten sie in Abzweigungen von Beatmungsgeräten ein. Ziel ist, in jeder Abzweigung die Luftmenge individuell zu regulieren. Ihr Setup umfasst auch Druckentlastungsventile, die verhindern, dass zu viel Luft in die Lunge eines Patienten gelangt, sowie Alarmfunktionen, falls sich der Durchfluss ändert. Zum Aufbau verwendeten Forscher Teile, die normalerweise in einem Krankenhaus verfügbar sind. Viele der Komponenten gibt es auch in Baumärkten.

Ein handelsübliches Beatmungsgerät erzeugt genug Luftdruck, um sechs bis acht Patienten gleichzeitig zu versorgen. Das Forschungsteam empfiehlt jedoch nicht, mehr als zwei Personen anzuschließen, weil die Steuerung dann recht kompliziert wird. Tests mit künstlichen Lungen und mit zwei Schweinen, die gleichzeitig beatmet wurden, verliefen erfolgreich.

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Von Michael van den Heuvel

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