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Das Gemeinschaftsgefühl geht viral

VdH
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Einerseits kann der Wettbewerbsdruck eine große Motivation und ein Motor für Innovationen sein. Andererseits wird dadurch das Potenzial der Schwarmintelligenz herabgesetzt. Wenn Wissenschaftler wie Robert Koch und Louis Pasteur zusammengearbeitet hätten, anstatt miteinander zu konkurrieren, hätten sie vielleicht noch viel mehr Leben retten können. Oder nehmen wir folgendes Beispiel für außergewöhnlichen Erfolg: Wikipedia hat die Effizienz der Schwarmintelligenz unter Beweis gestellt und gezeigt, dass die Überprüfung durch die Gemeinschaft zu einer höheren Verlässlichkeit der Informationen führt, als jedes Redaktionsteam bieten könnte.

Ein Team vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat das Gemeinschaftsprojekt „E-Vent“ ins Leben gerufen, um den Mangel an medizinischen Beatmungsgeräten zu beseitigen. In diesem Artikel werden die Ziele, Lösungen und Probleme des Teams kurz vorgestellt und erläutert, wie das Gemeinschaftsgefühl dabei helfen kann, Schwierigkeiten zu überwinden.

Die Atmung: eine hochentwickelte biologische Funktion

Viele Teams in verschiedenen Ländern waren und sind an der Entwicklung von Open-Source-Beatmungsgeräten für den medizinischen Einsatz beteiligt. Viele von ihnen sind sich der Probleme nicht bewusst, denen man bei der Interaktion mit oder Simulation einer so ausgeklügelten biologischen Funktion wie der Atmung gegenübersteht. Die menschliche Atmung ist weit mehr als das Blasen von Luft in einen Ballon und das Herauslassen der Luft aus diesem Ballon.

Zunächst einmal erfüllt die Atmung einen Zweck: Der Körper benötigt Sauerstoff (O2) aus der Umgebungsluft und muss Kohlendioxid (CO2) ausstoßen. Dieser konstante Gasaustausch ist eine wesentliche Voraussetzung für den Stoffwechsel. Ohne O2 sterben Ihre Zellen ab (beginnend mit Ihren Gehirnzellen). Bei zu viel CO2 (auch Kohlensäure genannt) wird Ihr Blut sauer, was wiederum Funktionsstörungen von Nerven und Muskeln verursacht und Sie früher oder später umbringt.

Taucher sind sich der Schäden durch zu viel O2 für Lunge und Gehirn bewusst. Zu wenig CO2 verursacht andererseits eine Alkalose. Dazu kann es kommen, wenn man zu schnell atmet („Hyperventilation“). Das Ein- und Ausatmen mit einem an den Mund gepressten Kunststoffbeutel im Falle einer Hyperventilation bewirkt nichts anderes, als den CO2-Gehalt erneut auf physiologische Werte zu erhöhen.

Druck beeinflusst den Gasaustausch in Ihrer Lunge. Aus diesem Grund müssen Mount-Everest-Touristen beim Anstehen bis zum Gipfel reinen Sauerstoff einatmen und aus diesem Grund fallen Sauerstoffmasken bei einem plötzlichen Druckverlust im Flugzeug herunter. Starker Druck kann jedoch auch eine zerstörerische Kraft auf die kleinen für den Gasaustausch zuständigen Lungenbläschen namens „Alveolen“ ausüben. Wenn ihre empfindlichen Wände zerstört werden, kann Gas zwischen Brustkorb und Lunge gelangen. Dadurch wird die Lunge komprimiert, sodass kein Gas mehr ausgetauscht werden kann (als „Pneumothorax“ bezeichnet).

Unter normalen („physiologischen“) Bedingungen wird die Einatmung von Ihren Brustmuskeln eingeleitet. Sie dehnen die Lunge aus, sodass ein Unterdruck (im Vergleich zum Umgebungsdruck) in den Alveolen und Bronchien entsteht (die Röhrchen, die die Alveolen mit der Luftröhre, der „Trachea“, verbinden). Dadurch wird Luft in die Lunge gesaugt. Wenn sich die Muskeln entspannen, drücken die elastischen Strukturen von Brust und Lunge die Luft wieder heraus. Das Gewebe der Atemwege ist flexibel und elastisch, wodurch sich ihr Durchmesser verändert. Und natürlich ist das Gesamtlungenvolumen begrenzt. Die genannten Parameter erzeugen eine typische Druckkurve:

Wenn versucht wird, mit einem Gerät diese physiologische Funktion zu unterstützen oder zu ersetzen, muss es diese Kurve bis zu einem bestimmten Grad nachbilden. Allerdings genau umgekehrt: Überdruck drückt die Luft in die Lunge. Solange Lunge und Brust ausreichend elastisch sind, wird die Luft beim Ausatmen herausgedrückt, ohne dass das Gerät verwendet werden muss.

Ich möchte nicht zu sehr ins Detail gehen, aber man kann sich vorstellen, dass eine kranke Lunge („pathologische Atmung“) im Vergleich zur physiologischen Atmung unterschiedliche Bedürfnisse hat. Es besteht zudem ein großer Unterschied bei der Unterstützung der Spontanatmung („assistierte oder augmentierte Beatmung“) im Vergleich zur Atmung eines Patienten ohne Spontanatmung („mandatorische oder kontrollierte Beatmung“). In letzterem Fall ist der Patient bewusstlos und toleriert extern angewandten Druck, während der Patient in ersterem Fall dazu neigt, „gegen das Gerät zu atmen“. Daher müssen Beatmungsgeräte in der Lage sein, die Spontanatmung zu erkennen und sich an die Atemfrequenz des Patienten anzupassen.

Beatmungsgeräte für den professionellen Einsatz verfügen über verschiedene Betriebsmodi (z. B. assistiert, kontrolliert, druckkontrolliert = PCV, Pressure Controlled Ventilation, volumenkontrolliert = VCV, Volume Controlled Ventilation oder CPPV, Continuous Positive Pressure Ventilation und viele mehr). Sie liefern außerdem einen konstanten grundlegenden Überdruck, um die Atemwege „offen zu halten“ (auch „PEEP“ genannt = Positive End-Expiratory Pressure, positiver endexspiratorischer Druck).

Noch anspruchsvoller wird es, wenn man die nicht invasive Beatmung (mit einer Maske, die über Nase und Mund gelegt wird) mit der invasiven Beatmung (mit einem in die Luftröhre eingeführten Tubus) vergleicht. Eine Maske ist nicht immer vollständig abgedichtet und ein Gerät muss Undichtigkeiten berücksichtigen.

Können Sie sich jetzt vorstellen, wie ausgefeilt ein Beatmungsgerät sein muss? Es muss die Druckkurve, das Atemvolumen, die Atemfrequenz (was im „Minutenvolumen“ resultiert) aufrechterhalten und eine geschulte Person muss in der Lage sein, diese Werte kontinuierlich an den individuellen und aktuellen Zustand des Patienten anzupassen.  

Hervorragende Argumentation statt populistischer Sprüche

Für die Konstruktion solcher hochentwickelten Geräte ist ein Entwicklungsteam erforderlich, das die biologischen und medizinischen Fakten kennt und Anwendungsprobleme bei verschiedenen Konfigurationen voraussehen kann. Obwohl ich die Hilfsbereitschaft all jener Menschen zu schätzen weiß, die mit Open-Source-Beatmungsprojekten begonnen haben, befürchte ich, dass vielen in der Heimwerkergemeinschaft diese Fähigkeiten fehlen. Ende März 2020 wurde dieser Bericht veröffentlicht: „A review of open source ventilators for COVID-19 and future pandemics“ (Eine Prüfung von Open-Source-Beatmungsgeräten für COVID-19 und zukünftige Pandemien). Die Schlussbetrachtung ist nicht sehr ermutigend: Die Ergebnisse dieser Prüfung zeigen, dass für die getesteten und von Experten begutachteten Systeme keine vollständige Dokumentation vorlag und die offenen Systeme, die dokumentiert wurden, sich entweder in den sehr frühen Phasen der Konstruktion befanden (manchmal sogar ohne Prototyp) und im Wesentlichen nur grundlegend getestet wurden (wenn überhaupt).

Als ich mir die Online-Dokumentation des Projekts „E-Vent“ („MIT Emergency Ventilator“) angesehen habe, war ich von dem wissenschaftlichen Ansatz des Teams sehr beeindruckt. Während andere Teams ihre Projekte mit Schwerpunkt auf Medienreaktionen veröffentlichen, beschreibt das MIT-Team seine Arbeit auf differenzierte und akademische Weise. Zunächst hat es klare Ziele für sein Projekt festgelegt. Obwohl beispielsweise in Artikeln wie diesem angedeutet wurde, dass E-Vent für eine Arzneimittelzulassung infrage kommen würde, wurde klar und deutlich gesagt, dass kein Antrag gestellt werde, da es keinen Bedarf dafür gebe. Dennoch konzentriert sich das Team auf die Erfüllung sämtlicher Anforderungen für eine Arzneimittelzulassung für Notfallbeatmungsgeräte. Es betont zudem, dass dies kein Projekt für typische Heimwerker sei, da ein solches Gerät gemäß den Anforderungen der FDA (US-Arzneimittelbehörde, NHS in Großbritannien) gefertigt werden müsse. Die Festlegung der Mindestanforderungen wurde von einem Team aus Ärzten mit umfassender klinischer Erfahrung, darunter im Bereich Anästhesie und Intensivmedizin, durchgeführt.

Die US-Arzneimittelbehörde FDA und das britische NHS haben offizielle Anforderungen für Notbeatmungsgeräte veröffentlicht:

Enforcement Policy for Ventilators and Accessories and Other Respiratory Devices During the Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) Public Health Emergency (Durchsetzungsrichtlinie für Beatmungsgeräte und Zubehör sowie andere Atemgeräte während der Notlage im Bereich der öffentlichen Gesundheit aufgrund von COVID-19)

Specification for ventilators to be used in UK hospitals during the coronavirus (COVID-19) outbreak (Spezifikation für Beatmungsgeräte, die in Krankenhäusern in Großbritannien während des Ausbruchs von COVID-19 verwendet werden)

Das MIT-Projektteam hat eine Risikoanalyse veröffentlicht, die innerhalb der Gemeinschaft diskutiert werden soll. Ich liebe diese Art von Professionalität!

Das MIT-Team fasst die funktionalen Anforderungen mit der folgenden Aussage perfekt zusammen: „Wir sind uns dessen bewusst und möchten für jeden, der ein kostengünstiges Notfallbeatmungsgerät herstellen möchte, betonen, dass die Nichtbeachtung dieser Faktoren zu schweren Verletzungen mit bleibenden Schäden oder zum Tod führen kann.“

Ein weiterer Aspekt, der mich beim Lesen der Seiten des MIT-Projekts sehr beeindruckt hat, war der professionelle Fokus auf nicht funktionale Anforderungen:

Materialliste und Herstellerkenntnisse: Jedes Teil, das zum Bau des E-Vent-Geräts verwendet wird, muss ohne Weiteres in großen Mengen erhältlich sein. Die Fertigungsprozesse müssen einfach einzurichten sein.

Die Lebensdauer mechanischer Teile ist entscheidend: Während einer Beatmung von drei Wochen arbeitet das Gerät täglich rund um die Uhr und durchläuft mehr als eine Million Zyklen. Jedes verwendete Material wird auf Erfüllung dieser Anforderungen an eine längere Lebensdauer geprüft (z. B. keine Aluminiumgetriebe).

Das MIT-Team verfolgt den Ansatz, ein Handbeatmungsgerät zu verwenden, das als „Ambu-Beatmungsbeutel“ bezeichnet wird (auch „Handbeatmungsbeutel“). Dieser Beutel wird in Notfällen von Rettungssanitätern verwendet, um Patienten zu reanimieren. Er kann mit einer Maske versehen sein (Beatmungsbeutel) oder er kann an Endotrachealtuben angeschlossen werden. Er ist erschwinglich und millionenfach verfügbar.

Beim E-Vent-Projekt wird ein elektronisch gesteuerter Motor verwendet, der ein Getriebe antreibt, um zwei Hebel zu bewegen, die den Beutel komprimieren. Der Antrieb, der den Beutel zusammendrückt, ist Teil eines geschlossenen Regelkreises, der Sensoren enthält.

Mit freundlicher Genehmigung der Forscher von MIT

Das Team hat andere Ansätze wie die Verwendung von CPAP-Geräten, die für die Therapie von Schlafapnoe verwendet werden, verworfen. Medizinische Experten weltweit sind sich einig, dass akutes Lungenversagen („Acute Respiratory Distress Syndrome“, das bei einem schweren Verlauf von COVID-19 auftreten kann) ohne invasive Beatmung („Intubation“) nicht behandelt werden kann. Daher könnte die Beatmung mit Beatmungsmasken nur eine temporäre Lösung für Atemnot durch Sauerstoffmangel sein.

Zahlreiche andere Teams, die sich für diesen Weg entschieden haben, haben nicht gründlich über dieses Problem nachgedacht: Bei ihren Lösungen besteht die Gefahr, dass das Coronavirus mit der ausgeatmeten Luft aerosoliert wird. Dies stellt ein hohes Risiko für das medizinische Personal dar, insbesondere in Zeiten des Mangels an Schutzausrüstung, und muss unbedingt vermieden werden. Das MIT-Team hat dieses Risiko erkannt.

Schwarmintelligenz zur Problemlösung einsetzen

Das E-Vent-Projekt war mit vielen Herausforderungen konfrontiert. Einige der Probleme sind immer noch nicht gelöst. Das Team hat sich jedoch nicht nur für ein Open Source-Projekt entschieden, um perfekte Ergebnisse zu teilen, sondern es hofft zudem, dass die weltweite Gemeinschaft seine Gedanken kommentiert und bei Problemen helfen kann.

Lassen Sie mich nur eine dieser Herausforderungen nennen, die oft von anderen Teams nicht einmal in Betracht gezogen wird:

Als Kind dachte ich, ich hätte die coolste Entdeckung aller Zeiten gemacht: Ich wollte einen zwei Meter langen Schlauch an meinen Schnorchel anschließen, damit ich stundenlang unter Wasser tauchen konnte, ohne dass Wasser in den Schnorchel gelangt. Ohne einen weisen Erwachsenen, der mir erklärte, dass ich mein Leben riskieren würde, hätte ich wahrscheinlich als Fischfutter geendet. Das Problem wird als „Totraum“ bezeichnet: Die ausgeatmete Luft vermischt sich mit der Frischluft im Schlauch. Das erneute Einatmen dieses Gemisches verringert die O2-Konzentration. Noch schlimmer: Dies erhöht die CO2-Konzentration weit über den toxischen Wert hinaus.

Mit einem Beatmungsgerät muss ein ähnliches Problem berücksichtigt werden. Der Totraum muss so klein wie möglich sein. Ein Handbeatmungsgerät hat eine „Ausatemöffnung“, die direkt am „Patientenanschluss“ angeschlossen ist. Unter normalen Bedingungen befindet sich nur ein sehr kurzer Schlauch zwischen dem Endotrachealtubus und dem Patientenanschluss. Ein Zweiwegeventil („Patientenventil“, gesteuert durch die Druckdifferenz zwischen Beutel und Lunge) leitet den Luftstrom entweder von der Lunge zur Ausatemöffnung oder vom Beutel zu den Lungen. An der Ausatemöffnung kann ein PEEP-Ventil angebracht sein.

Das bedeutet, dass während der Ausatmung „verbrauchte“ Luft (mit hoher CO2-Konzentration) nicht in einen größeren Raum, sondern über das Patientenventil und ein kleines Stück Schlauch direkt in die Umgebungsluft gelangt.

Mit dem E-Vent-Gerät sieht die Sache jedoch anders aus: Zwischen dem Patientenventil und dem Endotrachealtubus befindet sich ein größerer Schlauch. Dieser Schlauch vergrößert den Totraum drastisch, was ein hohes Risiko für eine CO2-Intoxikation darstellen könnte. Das Team sagt, dass in einem 1 m langen Schlauch mit einem Nenndurchmesser von 2 cm ein unzulässiger Totraum von 314 ml vorhanden sei, dessen Luft der Patient einatmet und ausatmet und dabei nicht mit Sauerstoff versorgt wird. Und, dass eine Möglichkeit, das Patientenventil des Handbeatmungsgeräts näher an den Patienten zu bringen, entscheidend für die Lösung dieses Problems sei. Standard-Beatmungskreisläufe haben zwei Schenkel, einen für die Inspiration und einen für die Exspiration, sodass Gase vom Beatmungsgerät wieder aufgefangen werden können. Ein-Schenkel-Beatmungskreisläufe mit einen distal angeordneten Patientenventil seien bereits auf dem Markt vorhanden, aber nicht unbedingt optimal für die Verwendung mit einem manuellen Beatmungsgerät geeignet. Die Lösung dieses Problems erfordere Kreativität – nach seinem besten Wissen stelle kein Hersteller von Handbeatmungsgeräten eine zugelassene Lösung her und kein Hersteller stelle alle Teile her, die sich korrekt zusammensetzen lassen.

Diese und andere Probleme erfordern Kreativität. Und die kombinierte Kreativität vieler Menschen kann geballt sein. Das MIT-Team möchte, dass Personen sich an seinen Online-Diskussionen beteiligen. Und wenn Sie sich die Seite ansehen, auf der dieses Problem behandelt wird, werden Sie feststellen, dass es bereits eine potenzielle Lösung gibt. Das Team sagt, dass konstruktive Kommentare von allen Personen willkommen seien, die einen Beitrag leisten möchten. Dies sei für die Sicherstellung einer weltweiten Teamarbeit unerlässlich.

Machen Sie mit!

Ich bin überaus glücklich, die Möglichkeit zu haben, für so viele kreative Leser zu schreiben. Und ich bin mir sicher, dass einige der über 800.000 registrierten DesignSpark-Mitglieder der DesignSpark-Familie in der Lage sein werden, das E-Vent-Projekt um großartige Kommentare und Ideen zu bereichern. Sehen Sie sich das Projekt an unter

https://e-vent.mit.edu/

Ihr Beitrag zu diesem Projekt könnte Leben retten. Und natürlich hat das Team einen Link für finanzielle Unterstützung bereitgestellt. DesignSpark folgt seinen Aktivitäten und informiert Sie, sobald neue Informationen über das E-Vent-Projekt vorliegen.

Lassen Sie mich diesen Artikel mit einem Zitat von der Website des E-Vent-Projekts abschließen:

Letztendlich sind unsere Gedanken bei allen medizinischen Fachkräften an vorderster Front, bei den Patienten, die gegen diese Krankheit kämpfen, bei denjenigen, die weltweit Lebensmittelgeschäfte, Apotheken und kritische Infrastrukturen am Laufen halten, und bei allen, die von dieser Pandemie betroffen sind.

 

Volker de Haas started electronics and computing with a KIM1 and machine language in the 70s. Then FORTRAN, PASCAL, BASIC, C, MUMPS. Developed complex digital circuits and analogue electronics for neuroscience labs (and his MD grade). Later: database engineering, C++, C#, industrial hard- and software developer (transport, automotive, automation). Designed and constructed the open-source PLC / IPC "Revolution Pi". Now offering advanced development and exceptional exhibits.

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