Covid19

Ventilator designs : Resuscitator

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System concept

Demonstrator, prior to assembly

  • pressure vessel, built from wastewater plumbing
  • pressure vessel output lid, also made from wastewater plumbing components. attached are the air supply tube with patient valve and balloon and the pneumatic controlled release or exhalation valve.
  • the solenoid valve island which translates electric commands to applied pressurized air.
  • the programmable logic controller (PLC) steering the valves
  • the inline air throttle regulating the ventilation speed
  • the pressure vessel input lid with the off-the-shelf resuscitator already attached
  • no pressure sensors (mentioned in the system chart) are used in this early stage
  • input side, intake of resuscitator visible

    black pipe to patient, pressure input, release valve

    Construction

    Basic idea is to compress a resuscitator by means of compressed air.

    Find a pressure vessel the resuscitator fits in, we used wastewater tubing. We cut a hole in one lid where the resuscitator intake side fits in neatly. The resuscitator outlet side - where usually the patient valve is attached - leads through an adaptor locally made on a lathe to a piece of spiral tube . A second adapter provides the passage of the tube throught the output side bulkhead. From there by means of a ventilation hose the patient valve, mouthpiece or intubation tube are attached When compressed the resuscitator moves, so we decided for a 'curved' design of the pressure vessel to allow the resuscitator to move freely in the vessel without pulling off its output tube.

    One input port for pressurized air is drilled into the pressure vessel, we placed it onto the input lid. A bigger hole, 22mm in diameter (may vary) is drilled into the pressure wessel and a pneumatic cylinder with a plug on its piston rod is mounted above the hole. During inhalation the plug blocks the exit hole, for exhalation the plug is retracted.

    compressed air is attached to two solenoid valves. One provides air for the compression cycle, the other drives the cylinder of the pressure release valve accordingly. Compressed air is not fed to the patient when all is intact, it just drives the system. It should be oilfree nevertheless to avoid deterioration of the resuscitator material - and not to harm the patient in the case that the resuscitator-to-tube connection should break inside the vessel

    An adjustable air throttle is inserted in the air pipe between the first solenoid and the vessel input port. Displacement speed is controlled by adjusting the throttle. Tidal volume ist approximately displacement speed * solenoid open time.

    Operating cycle

    For inhalation the controller closes the release valve and opens the solenoid1 for the required time to achieve the correct tidal volume. The resuscitator compresses and feeds air to the patient. After the required plateau phase the controller opens the vessel release valve, the resuscitator thus refills, the patient exhales.

    Das ganze auf Deutsch

    Grundlegendes Konzept ist der Betrieb eines Beatmungsbeutels mit Druckluft

    Andere Arbeitsgruppen an MIT, McGill sowie RWTH Aachen planen Beatmungsbeutel mit mechanischen Vorrichtungen zu komprimieren, wir halten für einfacher, dasselbe mit Druckluft zu machen, auch wird der Beatmungsbeutel IMHO so weniger belastet. Lebensdauer zählt, COVID-Patienten brauchen 2..4 Wochen Atemhilfe !

    Der Beatmungsbeutel wird in ein Druckgefäß eingebaut, wir nehmen dazu Kanalrohrformteile. In eine der Endplatten wird ein Loch geschnitten, welches die Ansaugseite des Beutels auf die Außenseite führt. Die Ausgangsseite des Beutels wird durch einen aus Kunststoff gedrehten Adapter mit einem Spiralschlauch verbunden. Dieser ended an einer Schottdurchführung (beidseitiger Schlauchstutzen mit Verschraubung mittendrin), evtl käuflich zu bekommen, hier mangels Recherche selbst gedreht. Die Schottverschraubung sitzt im ausgangsseitigen Deckel des Kanalrohres, zusammen mit dem Druckeingang und dem Entlüftungsventil (release valve). Wir haben ein gebogenes Kanalrohr mitverwendet, um den Schlauch vom Beutel zur Schottverschraubung auch gebogen legen zu können, damit der Schlauch bei Kompression des Beutels nicht vom dortigen Adapter gezogen wird.

    Druckluft wird 2 Magnetventilen zugeführt. Das erste speist über eine einstellbare Drossel (Festo, Rexroth o.ä.) den Druckeingang des Druckgefäßes, das zweite Ventil steuert einen Pneumatikzylinder, der das Druckentlastungsventil öffnet oder schließt. An der Drossel wird der Beatmungsvolumenstrom eingestellt, der resultierende Patienten-Beatmungsvolumenstrom wird duch Druckdifferenz zwischen Beutel und Druckgefäß 2..5 % unter dem an dieser Drossel eingestellten liegen.

    Ein Atemzyklus

    Der Controller schließt das Entlastungsventil und beaufschlagt per Ventil 1 die Drossel mit Luft. Der Druck im Gefäß komprimiert den Beatmungsbeutel, Einatemluft fließt zum Patienten. Tidalvolumen ist ca. (Volumenstrom * Öffnungszeit) Nach der voreingestellten Zeit stoppt der Zustrom. Sobald nach der Plateauphase der Controller das Entlastungventil öffnet, entweicht der Überdruck im Druckgefäß, der Beatmungsbeutel entspannt sich, der Innendruck fällt, er zieht Frischluft nach, und der Patient atmet aus, weil auch ein evtl vorhandenes Patientenventil wieder auf Spontanatmung zurückschaltet.

    Das konventionelle Design mit Beatmungsbeuteln hat Grenzen, relativ schnell werden aber die Beatmungsbeutel, die Patientenventile, welche Ein- und Ausatemphasen steuern (in meinem Video das Ding zwischen schwarzem Spiralschlauch und Luftballonadapter) nicht mehr verfügbar sein. Ein Mitarbeiter eines der großen Player in diesem Markt hat mir das in einer Antwortmail auch schon durch die Blume zu verstehen gegeben: Dier Fertigung ist hochgefahren, aber es wird wohl nicht reichen. Dann müssen radikalere Designs ran (Atemluft aus dem Kompressor statt indirekt über den Ambu-Beutel), mit evtl höherem Risiko für die Patienten, aber .. solange ein Großteil überlebt ? Was würde Hippokrates sagen ?