Wie man Beschäftigte des Gesundheitswesens vor COVID-19 schützen kann: Verhinderung der Krankheitsübertragung in Krankenhäusern.

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Forscher entwickeln einfache und kostengünstige Hilfsmittel – wie ein Heimbeatmungsgerät -, um Patienten effektiver zu behandeln und die Übertragung von Krankheiten in Krankenhäusern zu verhindern.

Die rasche Ausbreitung von COVID-19 überwältigte Krankenhäuser, die nicht in der Lage waren, die steigende Zahl von Patienten zu bewältigen, von denen viele ein Beatmungsgerät und andere Intensivpflegegeräte benötigten. Solche Bedingungen können das medizinische Personal einem Risiko aussetzen. Jetzt untersuchen Forscher Methoden zur Erhöhung der Sicherheit und Wirksamkeit im Krankenhaus während der Pandemie.

Ein Mangel an lebensrettenden Beatmungsgeräten, die in der Regel jeweils rund 30.000 Dollar kosten, trifft Krankenhäuser besonders hart.

“Durch den Bau eines einfachen und billigen Beatmungsgeräts können wir dazu beitragen, diese Belastung für das medizinische Personal zu verringern”, sagte Mohamed Amine Abassi, ein Doktorand der Strömungsmechanik.

Auf der Grundlage eines Prototyps, der von seinem Berater, dem Ingenieurprofessor Xiaofeng Liu, entworfen wurde, führte Abassi zusammen mit Kollegen der San Diego State University und der University of California San Diego die Bemühungen an, ein solches Gerät aus leicht erhältlichen Teilen – Kunststoffschläuche, Druckventile, Luftbefeuchter – und einer Luftversorgung zu bauen. Dann testeten sie es.

Vorläufige Ergebnisse, die auf der 73. Jahrestagung der Abteilung für Flüssigkeitsdynamik der American Physical Society vorgestellt wurden, deuten darauf hin, dass das Beatmungsgerät wesentliche Anforderungen der Food and Drug Administration erfüllt. Es ist bei drei Parametern – Luftdruck, Inspirationszeit und positiver exspiratorischer Enddruck (PEEP) – vollständig kontrollierbar, wobei weitere Kontrollen geplant sind.

Abassi und Liu gehen davon aus, dass die Beatmungsgeräte nicht nur überlastete Krankenhäuser in den Vereinigten Staaten, sondern auch in Entwicklungsländern und ländlichen Gebieten mit begrenzter medizinischer Infrastruktur unterstützen werden. “Wenn sie sie zu Hause bauen können, können sie sie auch benutzen”, sagte Abassi. “Und Sie können viele dieser Beatmungsgeräte in sehr kurzer Zeit bauen”.

Patienten an Beatmungsgeräten, die an einigen für COVID-19 relevanten Lungenerkrankungen mit zugrunde liegenden chronischen Lungenkrankheiten leiden, erhalten häufig Medikamente wie Albuterol über einen Endotrachealtubus. Diese Behandlung entspannt die Bronchialmuskulatur und verbessert den Luftstrom in die verengten Atemwege der Lunge.

Eine Gruppe der Lehigh University und der University of Arkansas for Medical Sciences suchte nach den effektivsten Methoden zur Verabreichung von Albuterol über ein Beatmungsgerät.

Ariel Berlinski und seine Gruppe führten an der Universität von Arkansas Experimente zur Charakterisierung von Aerosolen durch. Rahul Rajendran in Lehigh nutzte die Ergebnisse, um die Medikamentenverabreichung durch Berechnungen zu untersuchen.

“Das Forschungsziel bestand darin, die Effizienz der Medikamentenverabreichung zu evaluieren, wenn der Zerstäubertyp und seine Platzierung im Beatmungskreislauf variiert wurden”, sagte Arindam Banerjee, ein Mitglied der Gruppe und Lehigh-Professor für Maschinenbau und Mechanik.

Die Forscher fanden heraus, dass ein Zerstäuber mit vibrierenden Maschen (statt eines Düsenzerstäubers), der auf der trockenen Seite des Luftbefeuchters platziert wird, die höchste Dosis an die Lunge abgibt. Die Verabreichung von Albuterol durch Intubation wirkt am effektivsten bei kleineren Partikeln, während die orale Verabreichung bei größeren Partikeln effizienter ist.

“Unsere Ergebnisse sind für die Behandlung mit einem mechanischen Beatmungsgerät von entscheidender Bedeutung”, sagte Banerjee.

Selbst unter optimalen Bedingungen besteht für Beschäftigte im Gesundheitswesen immer noch das Risiko, an COVID-19 zu erkranken. Ein neuer Beatmungsapparat könnte die ausgeatmeten Aerosole reduzieren, von denen bekannt ist, dass sie das Virus übertragen, das die Krankheit verursacht.

Forscher der Liberty-Universität und von Vapotherm fragten sich, wie gängige Atemwegsbehandlungen die Aerosolemissionen beeinflussen würden. Also beschlossen sie, ein vorgeschlagenes Design für eine PVC-Gesichtsmaske zu testen, die an die Absaugung angeschlossen ist und eine Hochgeschwindigkeits-Nasen-Insufflationskanüle enthält – die Art von Schlauchgerät, das der Nase Sauerstoff zuführt.

Dann modellierten sie unter Einbeziehung medizinischer Experten ein Krankenhauszimmer mit zwei Patienten und vier Pflegern unter Verwendung hoch entwickelter Berechnungstechniken. Ihrem Modell zufolge gelangen, wenn die Patienten das neue Gerät tragen, weniger Partikel zu den Pflegekräften.

“Es stellt eine kostengünstige Möglichkeit dar, die Ausbreitung der luftübertragenen Ansteckung zu reduzieren, indem man Verbrauchsmaterialien verwendet, die bereits in Krankenhauszimmern zu finden sind”, sagte der Doktorand der Ingenieurwissenschaften, Reid Prichard. “Dies wird auch nach dem Ende der Pandemie ein wichtiges Instrument bleiben.

Eine andere Gruppe der University of South Florida unter der Leitung des Maschinenbau-Doktoranden Anthony Perez untersucht, was mit jeglichen Aerosol-Kontaminanten geschieht, die Patienten in einen Isolierraum eines Krankenhauses abgeben – und wie schnell die Kontaminanten den Raum verlassen.

“Da viele Krankenhäuser ihre Kapazität erreichen, erfordert die Gewährleistung, dass ein Krankenhauszimmer nach einem aerosolerzeugenden Verfahren – oder nach der Entnahme eines früheren Patienten, damit das Hygienepersonal den Raum vorbereiten kann – sicher betreten werden kann, erhebliche Ausfallzeiten”, sagte Perez.

Den Forschern zufolge gehen die Lüftungsempfehlungen der Centers for Disease Control and Prevention davon aus, dass erregerhaltige Aerosole in einem Raum perfekt vermischt sind. Mit Hilfe numerischer Simulationen stellt die Gruppe fest, dass unvollkommene Mischungsbedingungen einen erheblichen Einfluss darauf haben, wie schnell die Belüftung den Weg

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