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Bekämpfung der COVID-19-Pandemie

Renesas bringt Referenzdesign für Beatmungssysteme

16. April 2020, 9:14 Uhr | Gerhard Stelzer

Eine schnelle Lösung zur Realisierung eines Beatmungsgeräts verspricht das Referenzdesign von Renesas, das 20 ICs aus dem eigenen Haus umfasst.

Renesas hat ein Open-Source-Referenzdesign für Beatmungssysteme zur Bekämpfung der COVID-19-Pandemie entwickelt.

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Der japanische Halbleiterhersteller Renesas Electronics stellt ein neues Open-Source-Referenzdesign für Beatmungssysteme vor, mit dem sich einbaufertige Boards für medizinische Beatmungssysteme schnell realisieren lassen. Aufgrund der aktuell weiter zunehmenden COVID-19-Infektionen herrscht in vielen Ländern ein kritischer Mangel an Beatmungsgeräten. Die Nachfrage der Krankenhäuser übersteigt derzeit das Angebot.
»Die Entwickler von Renesas haben ein Referenzdesign für Beatmungssysteme entwickelt, um den Herausforderungen zu begegnen, denen die globale Gemeinschaft im Kampf gegen die COVID-19-Pandemie gegenübersteht«, erklärt Chris Allexandre, Senior Vice President, IoT & Infrastructure Business Unit bei Renesas. »Dank unseres breiten Produktportfolios und unserer Expertise im Systemdesign ermöglichen wir es unseren Kunden, die Entwicklung medizinischer Beatmungssysteme zu beschleunigen, die in Krankenhäusern oder bei den Patienten zuhause eingesetzt werden können.«
Unter Berücksichtigung mehrerer Open-Source-Designs für Beatmungsgeräte, darunter das »Medtronic PB560«, hat Renesas ein einfach zu implementierendes Referenzdesign für Beatmungssysteme bestehend aus drei Boards entwickelt. Es steuert das Atemzugvolumen und die Gasmischung, die dem Patienten zugeführt wird, und überwacht gleichzeitig den Zustand des Patienten. Das Beatmungsgerät ist tragbar und kann mit oder ohne Sauerstoffflaschen verwendet werden. Zusätzlich lässt sich ein Atemluftbefeuchter an die Ansaugöffnung des Beatmungsgeräts anschliessen. Dies wirkt insbesondere bei der Beatmung von Patienten über längere Zeiträume lindernd.
Das Referenzdesign basiert auf 20 Halbleiterbausteinen von Renesas, bestehend aus Mikrocontrollern (MCU), Leistungs- und Analog-ICs, die viele der elektrischen Funktionen der Signalkette des Beatmungsgeräts steuern. Das Systemdesign umfasst ein Sensorboard, ein Motorsteuerungsboard und Bluetooth-Kommunikation. Damit kann medizinisches Fachpersonal mehrere Patienten gleichzeitig über ein Tablet oder ein anderes mobiles Gerät überwachen. Jedes Board verfügt über eine MCU, die eine spezifische Aufgabe steuert und gleichzeitig den Status des Anschlussboards überwacht. Diese Lösung für Beatmungssysteme bietet auch ein Kontrollsystem, um eine behördliche Zulassung zu ermöglichen und die Patientensicherheit zu gewährleisten.

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Referenzdesign für Beatmungssysteme

Bei dem Referenzdesign handelt es sich um eine Lösung für ein tragbares Beatmungsgerät, das im Flur und nicht auf der Intensivstation eingesetzt wird. Dieses Gerät kann Patienten im Assistenzsteuerungs- und Druckregelungsmodus mit Hochdruck-Sauerstoff versorgen. Im Assistenzsteuerungsmodus wird einem Patienten bei jedem Einatmen ein bestimmtes Atemgasvolumen zur Verfügung gestellt. Der Flusssensor (FS1023) überwacht die Gasflussrate am Einatmungsschlauch, und eine MCU berechnet das Atemvolumen anhand der über die Zeit integrierten Rate. Die MCU steuert auch ein Sauerstoffventil und verwaltet das Sauerstoffverhältnis. Der Druckregelungsmodus stellt dem Patienten bei jedem Einatmen einen definierten Druck zur Verfügung. An die Maske ist ein proximaler Luftdrucksensor angeschlossen, um den Einatmungsdruck zu überwachen und diese Information an die MCU (RX23W) zu senden. Das Gebläse, das Druck liefert und Luft in das System bläst, wird von einer Motorsteuerungsplatine mit der MCU RX23T gesteuert. Die Kommunikation mit der MCU RX23W findet per I2C-Bus statt. Dem System lässt sich ein Luftbefeuchter hinzufügen, um den Patienten mit besser verträglicher befeuchteter Luft zu versorgen. Zur Erhöhung der Sicherheit verwendet das System zwei MCUs, die sich gegenseitig überwachen und zurücksetzen können.
Funktionen im Überblick:

Sicheres System mit zwei MCUs, die sich gegenseitig überwachen.
System verfügbar für Assistenzsteuerungsmodus und Druckregelungsmodus.
Die Hardware ist in der Lage, bei niedrigem Atemzugvolumen, Spitzendruck, Unterbrechung der Verbindung und Apnoe zu alarmieren.
Sowohl das Gasvolumen als auch die Durchflussrate werden vom Flusssensor FS1023 überwacht.
Das Sauerstoffverhältnis wird durch das Ventil geregelt, das von der MCU gesteuert und durch den Durchflusssensor überwacht wird.
Der Ausatmungsdruck wird von der MCU durch das Ausatmungsventil gesteuert.
Der Sauerstoffsensor überwacht den FiO2-Wert (Anteil des eingeatmeten Sauerstoffs).
Das Gebläse wird per Druck-/Volumenstromsensor-Feedback gesteuert.
Die LCD-Helligkeit wird durch den Lichtsensor gesteuert, der das Umgebungslicht überwacht.
Eine Batterie-Balance-Überwachung verlängert die Batterielebensdauer.