Hochdynamischer #Radiallüfter - Leiser Atemhelfer für den medizinischen Einsatz

06.12.2018 15:23

Hochdynamischer #Radiallüfter - Leiser Atemhelfer für den medizinischen Einsatz

Atemaussetzer im Schlaf, auch Schlafapnoe genannt, betreffen viele Menschen über 40 Jahren. Eine bewährte Therapieform unterstützt körpereigene Atmungsreflexe durch geregeltes Einblasen von Luft in die Lungen.

Atemaussetzer im Schlaf, auch Schlafapnoe genannt, betreffen viele Menschen über 40 Jahren. Die Zahl der betroffenen liegt im zweistelligen Prozentbereich, das Verhältnis Männer zu Frauen etwa 5 zu 1, Tagesmüdigkeit und Aufmerksamkeitsdefizit sind die offensichtlichen Auswirkungen der Krankheit. Da sie unbehandelt auch zu eher versteckten Folgeerkrankungen wie Bluthochdruck, Herzinsuffizienz (verminderte Herzleistung), Herzrhythmusstörungen oder Herzinfarkt führen kann, muss man sie behandeln. Eine bewährte Therapieform unterstützt die körpereigenen Atmungsreflexe durch geregeltes Einblasen von Luft in die Lungen.

Ein neuer, hochdynamischer Radiallüfter unterstützt nun die Atmung durch die geregelte Zufuhr von frischer Luft. Der leichte, effiziente Kleinlüfter eignet sich auch gut für langen Akkubetrieb, beispielsweise für ein mobiles Schlaftherapiegerät. Weitere Einsatzmöglichkeiten in der Medizintechnik sind u. a. die Intensivbeatmung, die Schleimmobilisation und die mobile Luftfiltertechnik z. B. bei Atemschutzgeräten.

Bei medizinischen Geräten und deren Komponenten werden besonders hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit  gestellt. Gerade beim Hausgebrauch von Apnoegeräten oder dem Einsatz als Beatmungsgerät auf der Intensivstation ist auch eine möglichst einfache Handhabung wichtig. Wird z. B. nachts ein Beatmungsgerät genutzt, muss ein solches Gerät natürlich ortsnah im Schlafzimmer am Bett stehen und darf dort durch Betriebsgeräusche den gesunden Schlaf nicht stören. Um diese Forderungen sicher umzusetzen, entwickelte der Lüfter- und Antriebsspezialist ebm-papst aus St. Georgen im Schwarzwald den Radiallüfter RV45 für Beatmungsgeräte und ähnlich dynamische Anwendungen, der diese Anforderungen erfüllt; sicher, zuverlässig, effizient und leise.

Wie funktioniert Beatmung?

Die Technik dahinter ist einfach zu verstehen: Ein vom Lüfter erzeugter Luftüberdruck bläst die Lunge auf und unterstützt so die eigene Atmung. Doch die Tücke liegt im Detail: Die Anwendung erfordert eine hohe Dynamik des Lüfters. Jedoch ist Laufruhe bei dynamischem Betrieb nicht einfach umzusetzen. Hintergrund der dynamischen Volumenstrom- und Druckregelung der Atemluft sind die biologischen Eigenschaften der Atmung. So ist es oft notwendig, bei Beginn der Beatmungssequenz kurzzeitig einen hohen „Aufblasdruck“ zu erzeugen. Dieser Druck hebt das schlaffe Gaumensegel an und erlaubt so der nachfolgenden Luft das Einströmen in die Luftröhre. Dieser „Aufblasdruck“ darf aber nur ganz kurz anliegen und er muss schnell, jedoch nicht schlagartig, ansteigen um dem Gewebe die nötige Zeit zum Ausdehnen bzw. Ausweichen zu geben.

Nach dem Öffnen des Gaumensegels muss der Druck schnell auf das vom Arzt vorgegebene Einatemniveau zurückgeführt und konstant gehalten werden. Je nach eigener Atmung des Patienten sind dazu die unterstützende Fördermenge und der Druck ständig anzupassen. Zum Ausatmen muss der Druck dann wieder schnell, doch auch hier nicht schlagartig abfallen, um ein ungehindertes Ausströmen der Atemluft zu erlauben. Dabei kann man für die Atem-Dynamik ungefähr von 200 ms Regelzeit bei Volumenströmen um etwa 150 l/min und Druckschwankungen von 400 Pa auf 2.000 Pa Überdruck ausgehen. Der Druck sollte dabei so niedrig wie möglich gehalten werden und keinesfalls über 3.500 Pa liegen, um Lungenschäden zu vermeiden.

Der einstellbare hohe Volumenstrom ist dagegen wichtig, um gegebenenfalls Leckagen, z. B. an der Atemmaske durch schlechten Sitz oder bei Bartträgern, sicher kompensieren zu können. Um die nötige Variation bei Volumenstrom und Druck in der Praxis zu regeln, muss daher die Drehzahl des Radiallüfters schnell hoch bzw. heruntergefahren werden. Der strömungstechnisch und motorisch auf Dynamik optimierte Kompaktlüfter RV45 liefert dazu die erforderliche Aerodynamik und Antriebstechnik. Trotz der stark schwankenden Fördermenge erfordert der Einsatz bei Nacht neben dem Bett absolute Laufruhe, Lärm würde die nächtliche Erholung des Patienten und gegebenenfalls die des Partners im Zimmer stören.

Technik im medizinischen Dienst

Wie lassen sich nun die unterschiedlichen Anforderungen in ein möglichst universell einsetzbares Produkt umsetzen? Grundvoraussetzung ist der Einsatz FDA-konformer Werkstoffe für medienberührenden Teile, die weltweit alle einschlägigen Vorschriften erfüllen. Parallel dazu wurde die gesamte Aerodynamik des Lüfters dem Einsatzzweck angepasst. Sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Drehzahlen wurden so die Strömungsgeräusche der Luft deutlich verringert. Der RV45 wurde für den Einsatz in CPAP-Geräten und Beatmungsgeräten mit automatischer Druckanpassung (APAP/auto APA und BiLevel/BIPAP) entwickelt. Dabei wurden die Mechanik, der Motor und die Aerodynamik so gestaltet, dass sie sich gegenseitig unterstützen, um die unterschiedlichen Anforderungen durch Synergien zu erreichen.

Je nach medizinischem Gerät kann der Anwender auch seine eigene, spezifisch optimierte Steuerung einsetzen.

Um das Radialgebläse für einen möglichst breiten Einsatzbereich optimal auszustatten, wählten die Schwarzwälder Spezialisten als Antrieb einen hochdynamisch ausgelegten, elektronisch kommutierten Innenläufermotor. Das geringe Trägheitsmoment des mit einem Neodymmagneten bestückten Rotors kommt der geforderten Dynamik entgegen. Die in aufwendiger Simulation und mit vielen Testläufen entwickelte Magnet- und Spulenauslegung optimiert diese Eigenschaft weiter. Gleichzeitig wurden das Rastmoment sowie die Körperschallanregung minimiert und die Effizienz verbessert. Da beim EC-Motor im Wesentlichen nur die Lager einem Verschleiß unterliegen, konnte durch den Einsatz wartungsfreier Kugellager mit spezieller Fettschmierung die Lebensdauer auf 50.000 Stunden L10IPC (25 °C) nach den verschärften, hauseigenen ebm-papst-Testbedingungen erhöht werden. Das entspricht rund 6.250 Nächten oder ca. 17 Jahren bei 8 Stunden Schlaf pro Nacht.

Weil bei einem Radiallüfterrad die Fördermenge (linear) und der Förderdruck (quadratisch)  mit der Drehzahl ansteigen, erlaubt die hohe Drehzahl von bis zu 50.000 U/min, den Lüfter sehr kompakt aufzubauen. Die Motorsteuerung ist extern vorgesehen und nicht im RV45 enthalten, das bietet Vorteile bei der Abstimmung des Lüfters auf die jeweilige Aufgabe. Je nach medizinischem Gerät kann so der Anwender auch seine eigene, spezifisch optimierte Steuerung einsetzen.

Für einen breiten Bereich an Standardaufgaben oder den schnellen Testbetrieb steht jedoch auch ein speziell auf den Motor abgestimmtes Ansteuermodul des Herstellers bereit. Dieses sogenannte „Power-Modul RV45“ eignet sich zur einfachen Ansteuerung und bietet so eine Plug & Play-Lösung für den Kunden. Dies ist hauptsächlich im Industriebereich gefordert wie zum Beispiel für die dynamische Belüftung von Brennstoffzellen, in der Luftfiltertechnik, bei Verpackungsmaschinen, Rauchmeldeanlagen, der Leiterplattenproduktion oder Abluftanlagen für Löt- und Schweißgase sowie Atemschutzgeräte und ähnlichem. Eine Ausführung des RV45 mit Hall-IC-Sensoren im Motor, für eine einfachere Eigenentwicklung der Ansteuerelektronik, ist als Kundenoption verfügbar.

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