CPAP Helm - Dive out of COVID

Inspiration

[DE] Der Virus COVID-19 ist durch das Auftreten diffuser Symptome und hohem Ansteckungspotential schwer berechenbar. Obwohl die Mehrheit der Infizierten milde Symptome zeigt, kann COVID-19 v.a. bei Personen aus Risikogruppen zu Atemproblemen und lebensbedrohlichen Lungenentzündungen führen. Beatmung rettet Leben. Patienten mit schweren COVID-19 Symptomen sind auf eine invasive Beatmung angewiesen. Invasive Beatmungsgeräte sind allerdings nur in begrenzter Anzahl vorhanden. Sollte es zu Situationen kommen, in denen die Anzahl der Betroffenen die Anzahl der Beatmungsgeräte überschreitet, können nicht alle Patienten entsprechend ihrer Symptome versorgt werden. An diesen Punkt setzt der bereits kommerziell verfügbare „Starmed-Helm“ an. Die CPAP-Beatmung (Engl. für continuous positive airway pressure) ermöglicht eine dauerhafte Beatmung betroffener Patienten. Diese nichtinvasive Beatmung kann Patienten mit intakter Lungenfunktion, milden Symptomen oder Patienten zum Zeitpunkt der Nachbehandlung, mit Sauerstoff versorgen. Dadurch können die lebensrettenden invasiven Beatmungsgeräte für die Patienten freigehalten werden, die sie tatsächlich benötigen. Wir entwickeln ein nicht invasives Beatmungsgerät nach Vorbild des „Starmed Helmets“. Dabei legen wir einen besonderen Fokus auf die Verwendung von einfachen, weit verbreiteten Komponenten. Anhand frei zugänglicher Baupläne („open Hardware“) kann die Oxysphere Beatmungsglocke weltweit regional nachproduziert werden und eine Ergänzung zu vorhandenen Beatmungssystemen sein. Durch die Nutzung lokaler Ressourcen kann die „Oxysphere“ schnell, und nach Bedarf auch in hoher Stückzahl bereitgestellt werden Beatmungsglocken bieten u. a. folgende Vorteile:

Inhärente sichere Nutzung für Pflegepersonal und Patient/innen
Möglicher Einsatz mit Magensonde
Keine Leckagen
Patient kann während der Behandlung reden
Keine aktive Atemgasklimatisierung notwendig

[EN] COVID-19 shows diffuse symptoms and is highly contagious. Consequently it's spread is hard to predict. While the majority of the infected patients shows mild symptoms, COVID-19 can cause severe breathing problems, especially within groups of persons that at a higher risk for breathing problems and pneumonia. Ventilation saves lives. We have developed a non-invasive ventilator with simple, widely available and inherently safe components (CPAP). Non-invasive ventilators are required to provide oxygen to patients whose lungs are still functioning. Patients with severe COVID-19 symptoms will require invasive ventilation - the CPAP helmet is unlikely to be suitable for this. However, the CPAP helmet can be used for patients that are still responsive and have enough stamina to sustain their breathing function. This applies to patients with milder symptoms as well as patients who are discharged from the critical care unit. This is intended to help increasing the availability of beds in critical care units. Respiratory helmets are already commercially available, f. e. "Starmed helmet". The “Starmed helmet” is used for none invasive ventilation (NIV). Advantages of a CPAP hood in medical terms include: • Possible usage with stomach tube • No leaks • Patient can talk during the treatment • No active breathing gas conditioning necessary

The Oxysphere bubble helmet can be built with simple and widespread components. Thus it can be produced at scale in a short time, if there is a rapid increase of patients with severe symptoms resulting in high demand for ventilation systems..

Operating mode

[DE] Funktionsweise der Beatmungsglocke: Aus dem zentralen Verteilsystem für medizinische Druckluft und Sauerstoff wird über manuell einstellbare Nadelventile zeitlich gleichbleibend die Gaszufuhr auf einen geeigneten Volumenstrom mit dem gewünschten Sauerstoffanteil eingestellt. Das Gasgemisch wird über einen Luftschlauch einer Glocke zugeführt, die den Kopf des Patienten umschließt. Der zugeführte Luft-Sauerstoff-Strom bläst dabei auf Mund und Nase des Patienten. Der Druck in der Glocke (5-20 mbar) wird durch ein einstellbares Auslass-Überdruckventil oder über ein einfaches Drosselventil geregelt. Die Abluft steigt eher langsam, über einen Zeitraum von mehreren Sekunden durch ein relativ dickes Rohr auf, in dessen Zentrum eine UV-Röhrenleuchte installiert ist. Zusätzlich wird dabei noch das Zyklon-Prinzip genutzt um größere Aerosol-Tröpfchen abzuscheiden (dasselbe Prinzip wird auch in beutellosen Staubsaugern verwendet). Zur Befestigung des Helms werden Tragegurte unterhalb der Schultern angelegt. Diese bilden eine Zugentlastung gegen den Luftdruck, der den Helm sonst nach oben wegdrücken würde.

[EN] A central tube system, which is common in most hospitals, feeds medical pressurized air and oxygen each to a needle-valve which can be adjusted manually to deliver a constant volume flow of an air/CO2 mixture at the required composition. The gas is then fed into a diver-style helmet from transparent plastic foil. The typical pressure inside is 20 mbar above the ambient air. A spring-regulated valve can be set to generate this pressure as desired. The exhaust airflow is then fed into a UV-sterilisation tube, which uses the principle of zyclone separation and the antimicrobial UV- light from a neon-tube shaped light source. To keep the helmet from lifting up, straps are fastened below the shoulders when necessary.

How I built it

[DE] Die Überdruck Haube kann mit einem industriellen Spänesack gebaut werden. Für Anschlüsse von Schläuchen und Ventilen können Klemmverbindungen mittels 3D-Druck hergestellt werden. Alternativ können Drehverschlüsse von PET-Flaschen zur Verbindung genutzt werden. Um die kontinuierliche Beatmung zu garantieren, ist ein Überdruckventil vorgesehen. Um Anschlüsse und Arbeitszeit zu sparen wird die Druckluft bereits in der Zuleitung mit zusätzlichem Sauerstoff vermischt und befeuchtet. Die kontaminierte Abluft vom Patienten wird durch einen UV-Filter von Viren (und Bakterien) gereinigt. Ein solcher Filter kann aus einem PVC-Rohr gefertigt werden. Im Inneren des Rohrs wird eine UV-Lampe installiert. Die Abluft vom Patienten wird über eine Bohrung mit entsprechendem Rohranschluss in die UV-Filterröhre eingeleitet und ist beim Durchströmen des Rohres für einige Sekunden dem intensiven UV Licht ausgesetzt.

[EN] The positive pressure hood can be made from an industrial used chip bag. The tube connectors can be made as clamped / glued connections from 3D-printed parts or from PE-bottle parts that are welded to the hood. A pressure relief valve should be integrated for safety reasons. To reduce the number of connectors and working time, the pressurized air is mixed with oxygen. Optionally the gases can be moistened before being fed into the hood. The contaminated exhaust air from the patient is cleaned with an UV-filter system. Such a filter can easy be made with a PVC-tube with sealed end-cap. A UV-light is mounted inside the tube. The exhaust-air from the patient is introduced to the filter through a hole, which is fitted with a tube connector.

Challenges & Accomplishments

[DE] Es war ein inspirierender Prozess. Innerhalb weniger Stunden konnten wir bereits auf einen kreativen und fruchtbaren Prozess blicken. Die flüssige Zusammenarbeit und das schnelle und kontinuierliche Entwickeln von Prototypen waren sehr motivierend. Zusätzlich haben wir den Umgang mit vielen neuen Werkzeugen zur Online-Zusammenarbeit gelernt. Ungewöhnliche Ideen waren willkommen, sodass wir aus einer Vielzahl von Möglichkeiten eine einfache und leicht umsetzbare Lösung entwickeln konnten. In der letzten Woche haben wir weiter an Problemen und Lösungsmöglichkeiten gearbeitet, sodass wir diese Woche bereits über einen voll funktionsfähigen Prototypen verfügen und Feedback-Gespräche mit Experten/ Expertinnen und Praktizierenden führen. Des Weiteren teilen wir unsere Erfahrungen und Daten mit anderen „Makern“ und sind konzentrieren uns auf Informationsvermittlung und Netzwerkarbeit.

[EN] Inspiring process. We just met some hours ago online and have already gone through a very creative and fruitful development. Enabling us and others to start building the first prototypes and see fast results, was very motivating. Furthermore, everyone learned to use the new collaboration tools fast, which enabled us to communicate in an efficient thought digital way. Unconventional ideas were welcomed - making simple and easy to accomplish solutions possible. Within the last week, we could further develop several prototypes.

Lessons learned

[DE] Die Dinge immer wieder neu denken. Mit viel Begeisterung Ergebnisse umsetzen, in einem Team mit Leuten die sich zuvor nicht kannten.

[EN] Never stop thinking and rethinking. Great people and actionable results.

What's next for CPAP Helm - Dive into COVID-19

[DE] Wir arbeiten aktuell an der Entwicklung und der Produktion von ersten Exemplaren. Mit Kontakten zur Industrie und FabLabs bereiten wir ein breites “Rollout” vor.

[EN] We are currently developing and building the helmet and are seeking your support. With contacts in the industry and fab labs we will bring the concept to scale.