Wie die University of Minnesota und DigiKey in kurzer Zeit Beatmungsgeräte für den Einsatz gegen COVID-19 entwickelten

Die University of Minnesota und DigiKey haben zusammengearbeitet, um schnell ein einfaches, grundlegendes Beatmungsgerät zu entwerfen und zur Verfügung zu stellen, das schnell und kostengünstig hergestellt werden kann, um am neuen Coronavirus leidenden Patienten zu helfen. Es ist eine von vielen Bemühungen, die derzeit von Unternehmen wie Dyson, Medtronic, Ford, GE, GM und anderen unternommen werden und die denjenigen, die in medizinischen Einrichtungen auf der ganzen Welt an vorderster Front kämpfen, Hoffnung gibt, dass sie in der Lage sein werden, die Bedürfnisse ihrer Patienten zu erfüllen.

Wie das Beatmungsgerät der University of Minnesota (Abbildung 1) entstand und sich schnell vom Konzept zur Realität bewegte, ist eine faszinierende Geschichte von Einfallsreichtum, Disziplinübergreifung und unternehmensübergreifender Zusammenarbeit in Krisenzeiten. Es ist nur ein Beispiel von vielen. Lesen Sie hier, wie es begann und sich entwickelte.

Abbildung 1: Das Design des von der University of Minnesota in Zusammenarbeit mit DigiKey entwickelten Ventilators begann am 15. März. (Bildquelle: Aaron Tucker, University of Minnesota)

Der Anästhesiologie-Stipendiat der University of Minnesota, Dr. Steve Richardson, begann um den 15. März mit der Herstellung eines kostengünstigen Notfallbeatmungsgerätes, wobei er Geräte und Ressourcen von befreundeten biomedizinischen Ingenieuren und anderen privaten Unternehmen bezog.

Dr. Richardson sprach mit einem seiner Freunde, der ein biomedizinischer Ingenieur ist, über das Projekt und begab sich in den Operationssaal der Universität, um einige Ideen auszuprobieren, während er in einem Lehrbuch aus den 1950er Jahren recherchierte, um zu sehen, welche Arten von Konstruktionen für ein schnelles und einfaches Beatmungsgerät machbar wären. Nur wenige Stunden später hatte er einen einfachen, aber voll funktionsfähigen Prototyp, der die Aufgabe erfüllen würde.

Er rief mehrere Unternehmen an und sagte ihnen, dass er als Anästhesist an diesem einfachen Beatmungsgerät arbeitet, um beim Ausbruch von COVID-19 zu helfen, und bat um ein Gespräch mit den CEOs. Er erhielt Hilfe von verschiedenen privaten Unternehmen mit Ausrüstungsherstellung und Ingenieurskenntnissen.

Wenn die FDA ihre Zustimmung gibt, könnte Richardson sehr schnell mit der Skalierung der Produktion beginnen. Es sah so aus, als ob sie in der Lage sein würden, Tausende davon in etwa drei Wochen zu produzieren. Die Kosten würden nur einen kleinen Prozentsatz eines Standardbeatmungsgerätes, wie sie in Krankenhäusern verwendet werden, ausmachen.

Ich habe einige Leute sagen hören, dass sie niemals von einem „billigen“ Beatmungsgerät abhängen wollten. Ich persönlich hätte lieber etwas Einfaches und Grundlegendes als gar nichts, wenn es dazu kommt.

Wie sich herausstellte, ähnelt das Design von Dr. Richardson denjenigen, die in vielen Krankenwagen verwendet werden (Abbildung 2). Doch anstatt dass jemand den Beutel manuell zusammendrückt, um den Patienten zu beatmen und am Leben zu erhalten, wird der Pumpvorgang elektronisch gesteuert und durch eine Mechanik ausgeführt.

Abbildung 2: Das neue Beatmungsgerät ähnelt einem üblicherweise in der Ambulanz verwendeten manuellen Beatmungsgerät, aber die Pumpwirkung wird durch eine Mechanik erreicht. (Bildquelle: Ambu USA)

Während der Recherche für diesen Beitrag konnte ich mit Aaron Tucker, einem Laborleiter/technischen Entwicklungskoordinator am Earl E. Bakken Medical Devices Center, sprechen. Aaron ist ein Doktorand des Maschinenbaus, der an Dr. Richardsons Programm arbeitet. (Abbildung 3).

Abbildung 3: Laborleiter/Technischer Entwicklungskoordinator Aaron Tucker mit einem Prototyp des Beatmungsgerätes (Bildquelle: Aaron Tucker, University of Minnesota)

Aaron Tucker erklärte sich freundlicherweise bereit, an einer kurzen Befragung teilzunehmen, bei der es um das Programm, die Beteiligung von DigiKey und den Fortschritt des Programms ging:

Steve Taranovich: Was führte zur Wahl von DigiKey für die Beschaffung der benötigten Komponenten? Wird es der einzige Anbieter sein?

Aaron Tucker: Wir haben in den letzten Wochen eng mit einer Reihe von Unternehmen zusammengearbeitet, darunter DigiKey, Teknic, Protolabs, Electronic Systems Inc., MGC Diagnostics und der UMN Medical School.

Was DigiKey anbelangt, so wussten wir bereits über ihre enormen JIT-Fähigkeiten (Just-in-Time) Bescheid, und wir haben schon früh eine ausgezeichnete Verbindung zu Randall Restle hergestellt. Ihr Turnaround war in den letzten Wochen bemerkenswert, und ohne sie hätten wir unsere ersten 25 Prototypen nicht herstellen können.

Steve Taranovich: Wer wird diese zusammenbauen? Und wo werden sie zusammengebaut?

Aaron Tucker: Wir arbeiten mit einer Reihe von lokalen Unternehmen für medizinische Geräte aus Minnesota zusammen, um die Prototypen in ihren Einrichtungen in Minnesota zu montieren.

Steve Taranovich: Wie sieht es mit den Kosten aus? Wer wird dafür bezahlen?

Aaron Tucker: Bis zum Abschluss unserer Prüfung der Herstellbarkeit des Designs sind wir uns über die Kosten im Unklaren.

Steve Taranovich: Wie viele wollen Sie bauen?

Aaron Tucker: Die Nachfrage nach diesen Beatmungsgeräten ist noch unbekannt. Einige Prognosen gehen allein für die USA von Hunderttausenden aus. Da sich die Situation ständig ändert, ist es unser Ziel, sehr schnell Tausende von Geräten bereitzustellen und die US-Nachfrage dann neu zu bewerten.

Steve Taranovich: Gibt es Pläne, den Entwurf an andere weiterzugeben, damit diese beim Bau helfen können? Vielleicht andere Universitäten?

Aaron Tucker: Wir planen, eine Open-Source-Lizenz über die University of Minnesota einzurichten. Wir wollen ein Design anbieten, das auch an Orten hergestellt werden kann, wo teure, hochwertige Ausrüstungen nicht zur Verfügung stehen. Wir hoffen, dass wir zu einem Entwurf gelangen können, der in anderen Ländern mit weniger verfügbaren Investitionsgütern hergestellt werden kann.

Steve Taranovich: Wie lange würde es dauern, eine Einheit in Produktion fertigzustellen?

Aaron Tucker: Wir hoffen, diese Informationen innerhalb der nächsten Woche zu erhalten.

Steve Taranovich: Wer kontrolliert das fertige Produkt? Wie wird es getestet?

Aaron Tucker: Die Herstellerfirma wird Tests und Inspektionen durchführen.

Anhaltende Bemühungen bei der Entwicklung von Beatmungsgeräten

Abbildung 4: Laut Kari Jesme, Vertriebsleiterin bei DigiKey, arbeiten die Teams der Bereiche Vertrieb, Technik, Wertschöpfung und Anwendungssupport des Unternehmens mit der University of Minnesota und vielen anderen, die den Bedarf an Beatmungsgeräten im ganzen Land unterstützen. (Bildquelle: DigiKey)

Aus der Sicht von DigiKey ist die Zusammenarbeit Teil der laufenden Bemühungen zur Unterstützung von Mitarbeitern des Gesundheitswesens an der Front, sowohl direkt durch lokale Hilfsmaßnahmen in seiner Heimatstadt Thief River Falls als auch indirekt durch die Versorgung der University of Minnesota und der vielen anderen, die an der Entwicklung von Beatmungsgeräten mit den elektronischen Komponenten, der Hardware und der technischen Unterstützung, die sie benötigen.

„DKE unternimmt viele Dinge in Abstimmung mit unseren bestehenden Kunden, Lieferanten und unserem internen Team, um sicherzustellen, dass wir so viele Menschen wie möglich unterstützen können“, sagte Kari Jesme, Vertriebsleiterin von DigiKey für die zentralen USA und Mexiko (Abbildung 4).

„Unser Verkaufsteam hat mit vielen unserer Kunden zusammengearbeitet, die den Bedarf an Beatmungsgeräten im ganzen Land unterstützen, einige, die diese Geräte normalerweise herstellen, sowie die vielen anderen, wie die University of Minnesota, die die Herausforderung angenommen haben und nun ihre Einrichtungen zur Unterstützung der Sache nutzen“.

Es ist ein massives, unternehmensweites Unterfangen, das ein Zeichen für den globalen Wandel ist. Beispiel:

• Die Wertschöpfungsabteilung von DigiKey stellt Kabelkonfektionen her, um zahlreiche Bestellungen im Bereich von 10.000 und mehr gleichzeitig zu unterstützen.
• Sein Zuliefererteam arbeitet fleißig mit den Zulieferern zusammen, um die Versorgung mit Teilen zur Unterstützung des zusätzlichen Bedarfs aufrechtzuerhalten, und führt täglich Gespräche, um zu versuchen, noch mehr der hochgradig verwendeten Komponenten in diesen Geräten zu erhalten.
• Das Ingenieurteam hat sich verstärkt um die Vermehrung von Kanälen und Möglichkeiten bemüht, um bei Bedarf alternative Komponenten zu finden oder möglicherweise zusätzliche Quellen zu erschließen und bei der Komplettierung von Entwürfen zu helfen.
• Dasselbe Team unterstützt die Kunden bei bestehenden und neuen Designs und hilft dabei, Designs schnell zur Produktion zu bringen - manchmal innerhalb von Tagen.

„Wir hatten am vergangenen Wochenende einen Kunden, der Teile benötigte, um bis heute einige funktionierende Beispiele für ein Beatmungsgerät zu erhalten“, sagte Jesme. „Wir konnten mit dem PDC (Produktvertriebszentrum) zusammenarbeiten, um die Bestellung gestern zu kommissionieren, und der Kunde kam und holte sie ab. Und heute haben sie ein laufendes Muster. Dabei haben sie bei der Auswahl der Teile sehr eng mit einem unserer AEs (Anwendungstechniker) zusammengearbeitet“.

Neben der Verkabelung umfassen diese Produkte auch Netzteile, Encoder und Steckverbinder.

„Unsere Lagerkapazitäten an Komponenten, die Mehrwertdienste, die Beziehungen, die wir sowohl auf der Lieferanten- als auch auf der Kundenseite des Unternehmens haben, zusammen mit unserem erstaunlichen Produktvertriebsteam und den Beziehungen, die wir mit unseren Logistikpartnern haben, um dringend benötigte Komponenten in dieser sehr kritischen Zeit zu liefern, machen uns sehr dankbar, dass wir unseren kleinen Beitrag zur Bekämpfung dieser Pandemie leisten können“.

Zu den vielen Unternehmen, die daran arbeiten, Beatmungsgeräte in großen Mengen zu liefern, gehört Dyson, ein für Staubsauger bekanntes Unternehmen. Der Gründer, James Dyson, erhielt einen direkten Anruf des britischen Premierministers Boris Johnson, der um Hilfe bat. Innerhalb von 10 Tagen hatten er und sein Team das CoVent entworfen. Andere, die jetzt weltweit massiv an der Entwicklung von Beatmungsgeräten arbeiten, sind Medtronic, Ford, GE und GM, um nur einige zu nennen.

Fazit

Ich bin stolz auf die Kreativität und die konstruktive Zusammenarbeit dieser Ärzte, Ingenieure, Techniker, Hersteller und Vertreiber, die in einer großen globalen Krise die Herausforderung angenommen haben, um zu helfen. Das Virus respektiert weder Geschäftspläne noch Grenzen und hat auch das Leben zu Hause gestört und zu viele gefährdet, als dass man sie jetzt noch zählen könnte. Es hat aber auch das Beste im Menschen zum Vorschein gebracht und damit werden wird letztlich das Virus besiegen.