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Beatmungsgeräte Aufatmen – dank exzellenter Mikrofluidik

Corona bestimmt seit rund einem Jahr das Weltgeschehen. Bei besonders schweren Verläufen der Krankheit ist eine professionelle Versorgung und Atemwegstherapie unumgänglich, um Leben zu retten.

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Miniaturventile sind entscheidende Komponenten für Beatmungsgeräte.
Miniaturventile sind entscheidende Komponenten für Beatmungsgeräte.
(Bild: Lee)

In Beatmungsgeräten – aber auch vielen anderen medizintechnischen Geräten – leisten Miniaturmagnetventile von Lee ihren Beitrag, damit Patienten schnell wieder durchatmen können.

Nach wie vor befinden wir uns inmitten der gravierendsten Pandemie seit mehr als 100 Jahren. Covid-19 bestimmt das Weltgeschehen. Impfstoffe wurden in Rekordzeit entwickelt, aber ein Ende des Abstandhaltens oder der Maskenpflicht ist aktuell zumindest in Deutschland noch nicht in Sicht. An vielen Orten in der Welt befindet man sich in der zweiten oder dritten Corona-Welle. Die Krankheit und die Bekämpfung ihrer Symptome sind somit nach wie vor von größter Relevanz. Üblicherweise sind die Symptome von Covid-19 eher unspezifisch und grippeähnlich. Die besonders schweren Krankheitsverläufe zeichnen sich jedoch in der Regel durch Atemprobleme bis hin zum Atemstillstand aus. Dementsprechend müssen viele dieser Patienten künstlich beatmet werden. In der Notfallbehandlung spielt die Atemwegstherapie, insbesondere mit Beatmungs- und Sauerstoffgeräten, somit eine zentrale Rolle.

Die Hersteller von Sauerstoffkonzentratoren streben danach, ihre Geräte so leicht und portabel wie möglich zu gestalten, ohne Leistung oder Batteriekapazität negativ zu beeinflussen.
Die Hersteller von Sauerstoffkonzentratoren streben danach, ihre Geräte so leicht und portabel wie möglich zu gestalten, ohne Leistung oder Batteriekapazität negativ zu beeinflussen.
(Bild: Lee)

Aber nicht nur in der aktuellen Krise, in welcher wir uns alle befinden, sind Beatmungs- und Atem­überwachungsgeräte essenziell für die Gesundheit der Atemwegserkrankten. Viele Menschen sind im täglichen Leben auf diese Geräte angewiesen. Hierzu zählen vorrangig Menschen, die unter chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) und Asthma leiden. Bei der COPD kommt es zu einer Verengung der Atemwege (Obstruktion), die im Verlauf der Krankheit meistens zunimmt. Diese nicht heilbare Krankheit wird zumeist mit mobilen Inhalationsgeräten therapiert. Auch unter Asthma Leidende nutzen diese Geräte, um die Sauerstoffsättigung im Blut zu erhöhen, um so der Atemnot entgegenzuwirken. Da die Nachfrage nach Beatmungsgeräten mit höherer Funktionalität zunimmt, stehen die Gerätehersteller vor immer neuen Herausforderungen. Natürlich sollen die Units zuverlässig und leistungsfähig sein – aber auch zunehmend mobil. Um diesen Spagat erfolgreich zu meistern, benötigen die Entwickler von medizinischen Geräten Komponenten, die sich durch ihre extreme Kompaktheit, ihr geringes Gewicht und minimalen Stromverbrauch auszeichnen, jedoch keinerlei Kompromiss hinsichtlich der Qualität bedeuten. Hier kommen die Miniaturkomponenten von Lee ins Spiel.

Miniaturkomponenten: Im Alltag unverzichtbar

Die Firma Lee war ein Pionier in der Flüssigkeitsströmungstechnologie und gilt als Innovationsführer in der Mikrofluidik. Lee bietet ein umfangreiches Sortiment an Miniatur-Magnetventilen, Rückschlagventilen, Sicherheitsventilen und präzisionskalibrierten Blenden, die in vielen diagnostischen und therapeutischen Beatmungsgeräten eingesetzt werden. Das familiengeführte Traditionsunternehmen mit Hauptsitz im US-Staat Connecticut wurde 1948 gegründet und beschäftigt heute mehr als 1.000 Mitarbeiter an zahlreichen Standorten rund um den Globus. Die deutsche Niederlassung firmiert als Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH in Sulzbach (Taunus). „Lee steht für höchste Qualität und Zuverlässigkeit. Seit mehr als 70 Jahren fertigen wir fluidtechnische Miniaturkomponenten für die anspruchsvollsten Märkte, von der Raumfahrt bis zur Medizintechnik“, erläutert Jürgen Prochno, Geschäftsführer der Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH.

Sauerstoffkonzentrator als Anwendungsbeispiel

An welchen Stellen Lee-Produkte in der Atemwegstherapie zum Einsatz kommen können, zeigt das Beispiel eines Sauerstoffkonzentrators: Die Luft, die wir atmen, besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78 Prozent) und Sauerstoff (21 Prozent). Die Funktion eines Sauerstoffkonzentrators besteht darin, angereicherten Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu erzeugen und ihn einem Patienten zuzuführen, der eine zusätzliche Sauerstofftherapie benötigt. Ein Kompressor wird verwendet, um Luft durch eine Reihe von Filtern bzw. Membranen, sogenannte Molekularsiebe, zu drücken, die der Luft den Stickstoff entziehen und letztlich hoch dosierten Sauerstoff abgeben. Magnetventile kommen in diesen Geräten u. a. zum Einsatz, um den Luftdurchfluss zu steuern, den Sauerstoffdurchfluss zu regeln und den Sauerstofftank bei Bedarf zu entlüften.

Die Miniatur-Magnetventile aus dem Hause Lee sind in verschiedenen Varianten verfügbar und zeichnen sich durch ihre Kompaktheit, ihr geringes Gewicht sowie ihren niedrigen Stromverbrauch aus.
Die Miniatur-Magnetventile aus dem Hause Lee sind in verschiedenen Varianten verfügbar und zeichnen sich durch ihre Kompaktheit, ihr geringes Gewicht sowie ihren niedrigen Stromverbrauch aus.
(Bild: Lee)

Ähnliche Anforderungen stellt auch ein Beatmungsgerät, da auch bei diesem vor allem die Abgabe der richtigen Menge Sauerstoff dosiert und überwacht werden muss. Dies muss bei Beatmungsgeräten besonders präzise vonstattengehen, da sonst im schlimmsten Fall die Lunge durch die Zwangsbeatmung zu Schaden kommen kann. Hier und an anderen Stellen in den Geräten werden zur fixen Reduktion des maximalen Volumenstroms zum großen Teil Drosseln der Lee-IMH-Gruppe verwendet. Hierbei handelt es sich z. B. um 2,5 mm kleine Einpresspatronen mit einer zu 100 Prozent kalibrierten und auf Durchsatz geprüften Drosselöffnung. Zu den besagten Magnetventilen, die in Beatmungsgeräten und Sauerstoffkonzentratoren zum Einsatz kommen, gehören hauptsächlich die Lee-Baureihen LHD, LHL und LHQ. Doch wieso setzen die Hersteller dieser Geräte auf diese Ventile? Die anhaltende Nachfrage nach kleineren und leichteren tragbaren Beatmungs- und Analysegeräten zwingt Unternehmen dazu, ihre Produkte zu überarbeiten, ohne jedoch die Zuverlässigkeit negativ zu beeinträchtigen. Insbesondere die Batterie­lebensdauer ist hier ein Faktor, der über Erfolg und Misserfolg eines Produkts entscheiden kann. Dementsprechend dürfen die verbauten Komponenten nur einen minimalen Stromverbrauch verursachen. Hier spielen impulsgesteuerte Magnetventile wie die LHL-Serie von Lee oder die „Spike-and-Hold“-betriebenen LHD- und LHQ- Magnetventile ihre Vorteile gegenüber konventionell geschalteten Ventilen aus. Das LHL ist ein kompaktes Steuerventil, das sich durch einen sehr niedrigen Stromverbrauch (bis lediglich 5,5 mJ/Schaltung) und eine geringe Wärmeableitung auszeichnet. Das Magnetventil ist in einer 2-Port- oder 3-Port-Konfiguration erhältlich und benötigt nur kurzzeitige Stromimpulse (mindestens 10 msec), um in den jeweiligen Durchfluss­zustand zu schalten und in diesem zu bleiben. Der Vorteil eines impulsgesteuerten Magnetventils besteht darin, dass es keinen Strom verbraucht, keine Wärme und kein elektrisches Rauschen erzeugt, wenn es über einen längeren Zeitraum in einem bestimmten Strömungszustand gehalten wird.

Es steht eine Vielzahl an vorkonfigurierten Steuerblöcken zur Verfügung. Das reduziert Montage- und Installationskosten.
Es steht eine Vielzahl an vorkonfigurierten Steuerblöcken zur Verfügung. Das reduziert Montage- und Installationskosten.
(Bild: Lee)

Für tragbare Geräte ebenfalls wichtig: Die Kleinstkomponente ist federleicht, im wahrsten Sinne des Wortes. Die kleinste Ausführung wiegt lediglich 2,5 g. Diese Eigenschaften in Verbindung mit einem Design, das ein zuverlässiges, stabiles Schaltverhalten auf kleinstem Raum bietet, sind ideal für batteriebetriebene Anwendungen in der Atemtherapie. Aber auch in der Molekulardiagnostik oder in Patientensimulatoren finden die Ventile Anwendung in der Medizintechnik. Prochno ergänzt weitere Vorteile: „Die Ventile der Serie LHL sind für einen zuverlässigen und vor allem langfristigen Betrieb konstruiert. Durch die hohe Varianten- und Konfigurationsvielfalt können wir gemeinsam mit unseren Kunden die optimale Lösung für die individuelle Anforderung finden und zur Verfügung stellen.“

Für möglichst angenehmes Handling: „Quiet Operation“

Doch nicht nur hinsichtlich des Stromverbrauchs haben die Ventile Vorteile in medizinischen Anwendungen: Das Piepen der Kontrollinstrumente in einem Operationsraum kennt jeder, es ist ein gelernter auditiver Reiz im Krankenhaus-Setting. Aber es gibt auch Geräusche, die von Patienten oder Nutzern medizinischer Geräte als unangenehm empfunden werden. Hierzu gehören Klickgeräusche, die durch auslösende Magnetventile verursacht werden können. Wenn ein Magnetventil erregt wird, gibt es ein inhärentes Klickgeräusch, das durch den Metall-Metall-Kontakt des beweglichen Ankers und des stationären Kerns verursacht wird.

Präzisionskalibrierte Blenden werden ebenfalls in diagnostischen und therapeutischen Beatmungsgeräten eingesetzt.
Präzisionskalibrierte Blenden werden ebenfalls in diagnostischen und therapeutischen Beatmungsgeräten eingesetzt.
(Bild: Lee)

Um dieses Problem zu lösen und somit zum Wohlbefinden von Patienten und Operierenden beizutragen, wurde das High-Density-Interface- Magnetventil (HDI) der Serie LHQ mit einer Technologie für besonders leisen Betrieb ausgestattet. Diese Technologie reduziert die Betätigungsgeräusche der Magneten um 50 Prozent. Dieses kompakte und leichte 3-Wege-Magnetventil aus dem Hause Lee verursacht lediglich einen Schall von weniger als 37 dBA, gemessen in einem Abstand von 25 cm bei einer Ventilzyklusfrequenz von 10 Hz. Aufgrund seines niedrigen Geräuschprofils, der geringen Größe und der außergewöhnlichen Zuverlässigkeit während seiner gesamten Lebensdauer eignet sich das leise arbeitende HDI-Magnetventil ideal für Luft- und Schwachgasanwendungen wie Beatmungsgeräte, Patientensimulatoren, Dialysegeräte, Patientenmonitore und andere bettseitige medizinische Geräte. „Die LHQ-Magnetventile sind nicht nur leise und kompakt, sie sind auch sehr wirtschaftlich“, meint Prochno. „Mit 25 Millionen Schaltzyklen halten die Ventile quasi ewig. Darüber hinaus zeichnen sie sich dadurch aus, dass sie nahezu keine Leckage aufweisen.“

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