COVID-19 met één pomp tegelijk bestrijden

Als reactie op de COVID-19-epidemie stond het Winnipeg Ventilator-project voor enkele cruciale keuzes bij het ontwerp van de mechanische pomp. Het ging daarbij ook om welke onderdelen moesten worden gekozen, met name voor de motor.

Geconfronteerd met een toename van coronapatiënten wereldwijd, maakte de Canadese regering zich al snel zorgen over het aantal beschikbare beademingsapparaten als het aantal ziekenhuisopnames verder zou stijgen. Hoewel de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) ervan uitgaat dat bijna tachtig procent van de met het virus besmette mensen op eigen kracht beter wordt, is de kans dat een patiënt een beademingsapparaat nodig heeft aanzienlijk in geval van een ziekenhuisopname. Bij een beademingsapparaat wordt de patiënt geïntubeerd (er wordt een beademingsbuis langs de stembanden in de luchtweg gebracht en aan het eind zit een ballonnetje dat wordt opgeblazen om te voorkomen dat lucht ontsnapt), zodat net als bij een normale ademhaling lucht in en uit de borstkas en de longen kan worden gepompt tot de patiënt weer op eigen kracht kan ademen. Door het toenemende aantal patiënten ontstond een snel stijgende wereldwijde vraag naar beademingsapparatuur, omdat elk land op zoek was naar beademingsapparaten.

De Winnipeg Ventilator 2.0 (ontworpen en geproduceerd door StarFish Medical) is een mechanisch beademingsapparaat dat in noodsituaties kan worden ingezet als tijdens piekmomenten het aantal beschikbare gangbare goedgekeurde beademingsapparaten ontoereikend zou zijn. Dit mechanische beademingsapparaat moest flexibel inzetbaar zijn voor de uiteenlopende behoeften van patiënten. Longen kunnen bijvoorbeeld erg stug of juist slap zijn (compliantie) en de zuurstofbehoefte kan dan sterk variëren. Een beademingsapparaat moet daarnaast uiteenlopende zuurstofconcentraties kunnen leveren, afhankelijk van de reactie van de patiënt op de behandeling.

De Winnipeg Ventilator staat op een verrijdbare basis en wordt digitaal bestuurd door middel van de ingebouwde firmware en de gebruikersinterface bestaande uit verschillende toetsen, knoppen en schakelaars. De gebruiker kan de gemeten parameters aflezen op de analoge en digitale displays, zodat alles nauwkeurig op de behoeften van de patiënt kan worden ingesteld. Het apparaat bewaakt het inspiratoir ademvolume, de luchtwegdruk, het zuurstofpercentage en de ademhaling. Het heeft diverse alarmfuncties die inschakelen wanneer de gemeten waarden buiten de aanvaardbare parameterwaarden liggen. De verwachte behandelingsduur per patiënt bedraagt maximaal veertien dagen bij continue beademing.

De Winnipeg Ventilator 2.0 onderscheidt zich door zijn compatibiliteit met zuurstofbronnen, via de zuurstoftoevoer in de wand, met een zuurstofcilinder of door gebruikmaking van omgevingslucht, en door zijn intuïtieve en gebruiksvriendelijke interface. Gebruikers moeten immers gemakkelijk toegang hebben tot alle parameters en instellingen zonder dat hiervoor ingewikkelde handelingen nodig zijn. De eenheden hebben elk een geïntegreerde noodaccu en kunnen eenvoudig worden verplaatst en vervoerd.

Omdat er veel eenheden geproduceerd moesten worden, was het erg belangrijk dat StarFish Medical over voldoende onderdelen kon beschikken.

Motorkeuze

StarFish Medical had voor haar projecten al eerder motoren van maxon gebruikt en vond ze zeer efficiënt en bovenal betrouwbaar. Voor elk motormodel zijn tal van nuttige technische gegevens beschikbaar, waardoor de keuze kon worden verkleind tot enkele modellen. Het project kwam echter in een stroomversnelling, waardoor het team van StarFish Medical al een motor moest kiezen voordat de exacte projectvereisten waren vastgesteld. Hoofddoel was toen om een motor te kiezen die direct leverbaar was en voldoende vermogen leverde om het project te laten slagen.

In overleg met het ontwerpteam van StarFish Medical stelde de technische ondersteuning van maxon voor om een borstelloze motor zonder tandwieloverbrenging te gebruiken. Dit was de beste optie, gezien de toepassingseisen, de beschikbaarheid en de korte levertijd. De fabriekscapaciteit voor StarFish Medical werd Zuid-Korea gevonden, zodat aan de aanvankelijke vraag kon worden voldaan. 

Met deze borstelloze gelijkstroommotor moest het oorspronkelijke ontwerp worden aangepast, wat enkele uitdagingen opleverde in het ontwerpproces. Maar gelukkig had het team van StarFish Medical al ervaring met dergelijke modificaties en konden ze hun bestaande ontwerp vrij eenvoudig aanpassen. StarFish Medical vond dat de elektromotor van maxon goed op het ontwerp aansloot en eenvoudig kon worden toegepast. In plaats van voor een kant-en-klare standaardoptie te kiezen, ontwikkelde StarFish Medical aangepaste software en hardware voor de maxon motor.

Na zorgvuldige overweging heeft StarFish Medical maxon EC-i 52 motoren gekozen voor het Winnipeg Ventilator-project.

Vereisten en werking van de motor voor het beademingsapparaat

De motor drijft een kogelomloopspil aan die de zuigerpositie regelt zodat het beademingsapparaat de in- en uitademingen voor de patiënt kan verzorgen. Het StarFish Medical team koos voor een motor van 200 W die flexibiliteit bood wat betreft variaties in koppel en snelheid. De eisen omvatten een maximumsnelheid van 215 mm/s, een maximumversnelling van 7,2 m/s2, een versnellings-/vertragingscurve tot een maximumsnelheid van 0,05 s en 1,5 tot 15 miljoen cycli. Een van de vereisten voor de werking was dat het systeem snel van inademing naar uitademing kon overschakelen als het beademingsapparaat onrust bij de patiënt waarnam.

StarFish Medical plaatste een eerste bestelling van 7.500 EC-i52 motoren met ENX hall-sensoren (zie afbeelding). Door hun verbeterde magneetring bieden deze motoren een zeer hoge koppeldichtheid en een laag restkoppel. De meerpolige interne rotor is uiterst dynamisch. Het solide ontwerp van de motor, met stalen flenzen en een stalen behuizing, maakt hem geschikt voor uiteenlopende toepassingen waarbij prestaties en lange bedrijfscycli vereist zijn.

Het kiezen van de juiste motor voor uw ontwerp kan soms lastig zijn als de beschikbaarheid een bepalende factor wordt. Door samen te werken met een partner die ervaring en expertise in uw branche heeft en die de leveringszekerheid onderschrijft, kunt u een motor kiezen die aan uw eisen voldoet. Omdat maxon al vele jaren met medische bedrijven samenwerkt en veel kennis en ervaring heeft opgebouwd, kon het StarFish Medical helpen bij de productkeuze en aan de dringende vraag voldoen.