Open‑source ingenieurs ontwerpen goedkope ventilatoren ter versterking COVID‑19-respons

Ventilatoren handhaven zuurstof in de longen en verwijder kooldioxide, wat ze onmisbaar maakt voor ernstige COVID‑19-gevallen. Het virus beschadigt longcilia, wat slijmopbouw en secundaire infecties veroorzaakt die zuurstofopname hinderen. Terwijl ziekenhuizen wereldwijd worstelen met ventilatortekorten, is een wereldwijde opschaling in productie gelanceerd – maskers, respiratoren, prikkers, medicijnen en ventilatoren. Ventilatoren maken ademen mogelijk; de centrale COVID‑19-uitdaging is longblokkade.

Als reactie lanceerde een gemeenschap van ingenieurs, clinici en onderzoekers een collaboratief open‑source-initatief om ventilatoren te ontwerpen en produceren. Met behulp van 3D-printen en andere snelle productietechnieken creëert het project reserveonderdelen en apparatuur op aanvraag.

Figuur 1: Een professionele ventilator (Afbeelding: Hamilton Medical)

Hoe werken ventilatoren?

Deze machines leveren zuurstof en verwijder kooldioxide door lucht te pompen door een buis die in de mond of neus van de patiënt wordt geplaatst. Moderne ventilatoren worden elektronisch bestuurd door ingesloten computers en geclassificeerd als levenscritische systemen, die de hoogste betrouwbaarheidseisen stellen.

De projecten

Talrijke goedkope ventilator-ontwerpen – veel gehost op GitHub – vullen gaten wanneer ziekenhuisvoorraden ontoereikend zijn. Terwijl ze acute longcrises kunnen ondersteunen, beïnvloeden ze direct medische condities, dus professioneel medisch toezicht is verplicht. Onjuist gebruik, met name bij hoge druk, brengt significante risico's met zich mee.

Goedkope open‑source ventilator-apparaat (PAPR)

Dit GitHub-project (Figuur 2) biedt een bescheiden, betaalbare ventilator die levens kan redden als correct gebruikt. Het levert een programmeerbare ademhalingsfrequentie van 10–16 ademhalingen per minuut en kan piekluchtwegdrukken tot 45 cmH₂O bereiken; drukken boven 20 cmH₂O zijn echter gevaarlijk. Het apparaat gebruikt omringende lucht (21% O₂); hogere zuurstofconcentraties vereisen speciale medische apparatuur. Het project blijft open voor verbetering en de maker zoekt partnerschappen voor massaproductie. Componentbeschikbaarheid kan beperkt zijn, en het ontwerp is bewust minimaal. Toekomstige iteraties kunnen virale‑spreidingsmitigatie incorporeren. Het apparaat werkt alleen in al‑geïnfecteerde omgevingen, waar druppelinclusie essentieel is. Besturing wordt beheerd via een Arduino; beveiliging tegen stroomuitval moet geïntegreerd zijn.

Figuur 2: Een ventilator-project (Afbeelding: GitHub)

De Pandemie Ventilator

Beschikbaar op Instructables, gebruikt deze DIY-ventilator gemakkelijk beschikbare componenten (Figuur 3). Het is bedoeld als een noodgeval levensondersteuningsoplossing. Met ziekenhuizen die onvoldoende ventilatoren kunnen inkopen, zal de vraag waarschijnlijk het aanbod overschrijden. Het ontwerp is eenvoudig maar integreert moderne elektronische controle. Het gebruikt hout, tape, plastic zakken, gedraaide buizen, solenoid-kleppen, magnetische schakelaars en een PLC. Het project wordt continu verfijnd in zowel hardware als software. Het stelt duidelijk dat het prototype experimenteel is en geen veiligheidstests heeft ondergaan; alleen gecertificeerde clinici mogen het gebruiken. Het apparaat bestaat uit een houten balg-eenheid, kleppen, pijpen, een PLC, draden, schakelaars en een voeding, allemaal gemonteerd op een 18 × 21 × 0,5‑inch multiplexplank. Direct‑werkende solenoid-kleppen en gedraaide fittingen met Teflon-tape zijn vereist. De balg is geconstrueerd uit een grote vriezerzak, versterkt met multiplex en scharnieren (zie Figuur 4). De gebruikte PLC is een Direct Logic 06 DO‑06DR van Automation Direct – een goedkope, flexibele eenheid met gratis programmeersoftware. Andere PLC's mogen worden vervangen. Een 24‑V voeding en een aan/uit-schakelaar starten het systeem. Het ladder‑logica-programma werkt als volgt:

• Open Klep 1 en sluit Klep 2 tot de balg vol is (bovenste magnetische schakelaar sluit).
• Sluit Klep 1, open Klep 2, en sluit Klep 3 om lucht naar de patiënt te laten uidademen.
• Wanneer de onderste magnetische schakelaar sluit, sluit Klep 2 en open Klep 1 opnieuw om de balg te vullen.
• Een timer laat de longen van de patiënt uidademen met Klep 3 open; na verloop van de timer opent Klep 2 en sluit Klep 3 om de volgende cyclus te beginnen.

Hier is het bedradingsschema:

• Ingangen
  • X0 bovenste balg magnetische schakelaar
  • X1 onderste balg magnetische schakelaar
  • X2 aan/uit-schakelaar
  • C0 24 V
  • Alle returns naar ground
• Uitgangen
  • Y0 ongebruikt
  • Y1 inademingsklep (V2)
  • Y2 uidademingsklep (V3)
  • Y3 balg vulklep (V1)
  • C0 120‑VAC lijn
  • Alle returns naar lijn neutraal

Figuur 4: Sommige details van de constructie van de Pandemie Ventilator (Afbeelding: TEMPO.CO)

>>> Lees verder over additionele ventilator-ontwerppogingen beschreven in het complete artikel oorspronkelijk gepubliceerd op onze zus‑site, EEWeb.