Beatmungsgerät, Bild: Lee

Beatmungsgeräte und Sauerstoffkonzentratoren sind ein Anwendungsbereich für Miniatur-Magnetventile. Bild: Lee

| von Peter Becker, Bartenbach AG für Lee

Nach wie vor bestimmt die Pandemie das Weltgeschehen: An vielen Orten der Welt steuern die Corona-Infektionszahlen gerade erst auf ihren vorläufigen Höhepunkt zu. Ein Impfstoff ist kurzfristig nicht verfügbar. Bei schweren Verläufen der Krankheit spielt die Atemwegstherapie eine zentrale Rolle, insbesondere mit Beatmungs- und Sauerstoffgeräten.

Aber nicht nur in der aktuellen Krise sind diese Geräte essenziell für die Gesundheit der Atemwegserkrankten: Viele Menschen sind im täglichen Leben auf sie angewiesen. Hierzu zählen vorrangig Personen, die unter chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) und Asthma leiden. Bei der COPD kommt es zu einer Verengung der Atemwege (Obstruktion), die im Verlauf der Zeit meistens zunimmt. Diese nicht heilbare Krankheit wird zumeist mit mobilen Inhalationsgeräten therapiert. Auch Asthmatiker nutzen diese Geräte, um die Sauerstoffsättigung im Blut zu erhöhen und so einer Atemnot entgegenzuwirken. 

Die Nachfrage nach Beatmungsgeräten mit höherer Funktionalität nimmt zu: Natürlich sollen die Units zuverlässig und leistungsfähig sein – aber auch zunehmend mobil. Dafür benötigen die Hersteller von Medizintechnik extrem kleine und leichte Komponenten, die wenig Strom verbrauchen, allerdings ohne Kompromisse bei der Qualität einzugehen. Hier kommen die Miniaturkomponenten von Lee ins Spiel.

So funktioniert ein Sauerstoffkonzentrator

Miniatur-Magnetventile, Bild: Lee
Die Miniatur-Magnetventile sind in verschiedenen Varianten verfügbar. Sie zeichnen sich durch ihre Kompaktheit, ihr geringes Gewicht sowie ihren niedrigen Stromverbrauch aus. Bild: Lee

An welchen Stellen die Produkte dieser Firma in der Atemwegstherapie zum Einsatz kommen können, zeigt das Beispiel eines Sauerstoffkonzentrators. Die Luft, die wir atmen, besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78 Prozent) und Sauerstoff (21 Prozent). Die Funktion eines Sauerstoffkonzentrators besteht darin, Luft mit Sauerstoff anzureichern und einem Patienten zuzuführen. Ein Kompressor wird verwendet, um Luft durch eine Reihe von Filtern beziehungsweise Membranen, sogenannte Molekularsiebe, zu drücken. Diese Molekularsiebe entziehen der Luft den Stickstoff und geben letztlich hoch dosierten Sauerstoff ab. Magnetventile kommen in diesen Geräten unter anderem zum Einsatz, um den Luftdurchfluss zu steuern, den Sauerstoffdurchfluss zu regeln und den Sauerstofftank bei Bedarf zu entlüften.

Auch beim Beatmungsgerät geht es darum, die richtige Menge Sauerstoff zu dosieren und zu überwachen. Diese Aufgabe muss mit besonderer Präzision erfüllt werden, da bei der Zwangsbeatmung sonst im schlimmsten Fall die Lunge beschädigt wird.

Hier und an anderen Stellen in den Geräten werden zur fixen Reduktion des maximalen Volumenstroms zum großen Teil Drosseln der Lee-IMH-Gruppe verwendet. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um 2,5 Millimeter kleine Einpresspatronen mit einer zu 100 Prozent kalibrierten und geprüften Drosselöffnung.

„Mit 25 Millionen Schaltzyklen halten die Ventile quasi ewig.“

Jürgen Prochno, Geschäftsführer, Lee Hydraulische Miniaturkomponenten

Stromverbrauch entscheidet über den Erfolg

Zu den besagten Magnetventilen, die in Beatmungsgeräten und Sauerstoffkonzentratoren verwendet werden, gehören hauptsächlich die Baureihen LHD, LHL und LHQ. Doch wieso setzen die Hersteller dieser Geräte auf diese Ventile? Die anhaltende Nachfrage nach kleineren und leichteren, tragbaren Beatmungs- und Analysegeräten zwingt Unternehmen dazu, ihre Produkte zu überarbeiten, wobei die Zuverlässigkeit erhalten bleiben muss. Insbesondere die Batterielebensdauer ist ein Faktor, der über Erfolg und Misserfolg eines Produkts entscheiden kann. Dementsprechend dürfen die verbauten Komponenten nur minimal Strom verbrauchen. Hier spielen impulsgesteuerte Magnetventile wie die LHL-Serie oder die „Spike-and-Hold“-betriebenen LHD- und LHQ-Magnetventile ihre Vorteile gegenüber konventionell geschalteten Ventilen aus.

Blendengruppe, Bild: Lee
Präzisionskalibrierten Blenden werden ebenfalls in diagnostischen und therapeutischen Beatmungsgeräten eingesetzt. Bild: Lee

Das LHL ist ein kompaktes Steuerventil, das sich durch einen sehr niedrigen Stromverbrauch (bis lediglich 5,5 Millijoule pro Schaltung) und eine geringe Wärmeableitung auszeichnet. Das Magnetventil ist in einer zwei-Port- oder drei-Port-Konfiguration erhältlich und benötigt nur kurzzeitige Stromimpulse (mindestens zehn Millisekunden), um in den jeweiligen Durchflusszustand zu schalten und in diesem zu bleiben. Der Vorteil eines impulsgesteuerten Magnetventils besteht darin, dass es keinen Strom verbraucht, keine Wärme und kein elektrisches Rauschen erzeugt, wenn es über einen längeren Zeitraum in einem bestimmten Strömungszustand gehalten wird. Für tragbare Geräte ebenfalls wichtig: Die Kleinstkomponente ist federleicht, im wahrsten Sinne des Wortes. Die kleinste Ausführung wiegt lediglich 2,5 Gramm.

Diese Eigenschaften in Verbindung mit einem Design, das ein zuverlässiges, stabiles Schaltverhalten auf kleinstem Raum bietet, sind ideal für batteriebetriebene Anwendungen in der Atemtherapie. Aber auch in der Molekulardiagnostik oder in Patientensimulatoren werden die Ventile verwendet. Jürgen Prochno ergänzt: „Die Ventile der Serie LHL sind für einen zuverlässigen und vor allem langfristigen Betrieb konstruiert. Durch die hohe Varianten- und Konfigurationsvielfalt können wir gemeinsam mit unseren Kunden die optimale Lösung für die individuelle Anforderung finden und zur Verfügung stellen.“

Keine lauten Klicks am Patientenbett

Doch nicht nur hinsichtlich des Stromverbrauchs haben die Ventile Vorteile in medizinischen Anwendungen: Das Piepen der Kontrollinstrumente in einem Operationsraum kennt jeder und ist ein gelernter auditiver Reiz im Krankenhaus-Setting. Aber es gibt auch Geräusche, die von Patienten oder Nutzern medizinischer Geräte als unangenehm empfunden werden. Hierzu gehören Klickgeräusche, die durch auslösende Magnetventile verursacht werden können. Wenn ein Magnetventil erregt wird, gibt es ein inhärentes Klickgeräusch, das durch den Metall-Metall-Kontakt des beweglichen Ankers und des stationären Kerns verursacht wird.

Um dieses Problem zu lösen und somit zum Wohlbefinden von Patienten und Operierenden beizutragen, wurde das HDI-Magnetventil (High Density Interface)der Serie LHQ mit sogenannter Whisper Technology ausgestattet. Diese Technologie reduziert die Betätigungsgeräusche der Magneten um 50 Prozent. Damit verursacht das drei-Wege-Magnetventil einen Schall von weniger als 37 Dezibel, gemessen in einem Abstand von 25 Zentimeter bei einer Ventilzyklusfrequenz von zehn Hertz.

Sauerstoffkonzentratoren, Bild: Lee
Die Hersteller von Sauerstoffkonzentratoren streben danach, ihre Geräte so leicht und portabel wie möglich zu gestalten, ohne Leistung oder Batteriekapazität negativ zu beeinflussen. Bild: Lee

Aufgrund dieses niedrigen Geräuschprofils, der geringen Größe und seiner Zuverlässigkeit eignet sich das HDI-Magnetventil gut für Luft- und Schwachgasanwendungen wie Beatmungsgeräte, Patientensimulatoren, Dialysegeräte, Patientenmonitore und andere bettseitige medizinische Geräte. „Die LHQ-Magnetventile sind nicht nur leise und kompakt, sie sind auch sehr wirtschaftlich“, meint Prochno. „Mit 25 Millionen Schaltzyklen halten die Ventile quasi ewig. Darüber hinaus zeichnen sie sich dadurch aus, dass sie nahezu keine Leckage aufweisen.“

Auf einen Blick

In der Medizintechnik und ganz besonders in der Beatmungstechnik sind hohe Leistung und Zuverlässigkeit gefragt. Dass die Erkrankten die korrekte Dosis Sauerstoff erhalten, ungestört von Gerätelärm, ist auch den Miniaturfluidik-Experten von Lee zu verdanken.

Miniatur-Hydraulik für Raumfahrt, Automobile und Medizintechnik

Die Firma Lee war ein Pionier in der Flüssigkeitsströmungstechnologie und gilt als Innovationsführer in der Mikrofluidik. Das Unternehmen stellt Miniatur-Magnetventile, Rückschlagventile, Sicherheitsventile und präzisionskalibrierte Blenden her, die unter anderem in diagnostischen und therapeutischen Beatmungsgeräten eingesetzt werden. Das familiengeführte Unternehmen mit Hauptsitz im US-Staat Connecticut wurde 1948 gegründet und beschäftigt heute mehr als 1.000 Mitarbeiter an verschiedenen Standorten rund um den Globus.

Die deutsche Niederlassung firmiert als Lee Hydraulische Miniaturkomponenten in Sulzbach (Taunus). Deren Geschäftsführer Jürgen Prochno erläutert: „Seit mehr als 70 Jahren fertigen wir fluidtechnische Miniaturkomponenten für die anspruchsvollsten Märkte, von der Raumfahrt bis zur Medizintechnik.“

Wo Produkte des Herstellers uns im Alltag begegnen, zeigt ein Blick in die Historie des Unternehmens. Leighton Lee II begann seine Karriere mit der Lohnfertigung von Kraftstoffreglern für die ersten Strahltriebwerke der 40er-Jahre. Mit seiner Erfindung des Dichtstopfens in Expansionsbauweise, den sogenannten Lee Plugs, gründete er 1948 die Firma The Lee Company. Die Dichtstopfen öffneten neue Perspektiven in der Konstruktion von Ventilblöcken für die Hydrauliksysteme in Fahrzeugen und Flugkörpern. Bis heute sind mehr als 500 Millionen von ihnen in Fluggeräten auf der ganzen Welt verbaut worden.

„Jeder, der schon einmal mit einem Flugzeug geflogen ist, musste sich auf unsere Produkte verlassen, zum Beispiel bei der Steuerung der Triebwerke und Landeklappen et cetera. Hier kommen unter anderem Drossel-, Überdruck- und Rückschlagventile zum Einsatz.

In medizinischen Anwendungen – und vor allem in der Beatmungstechnik – finden vorrangig unsere kalibrierten Drosseln und Magnetventile Verwendung“, erklärt Jürgen Prochno. Das US-Unternehmen beliefert heute neben der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizin- und Analysetechnik auch die Automotive-Branche und den Maschinenbau.

vorkonfigurierte Steuerblöcke, Bild: Lee
Es steht eine Vielzahl an vorkonfigurierten Steuerblöcken zur Verfügung, um Maschinenherstellern die Montage und Installation zu vereinfachen. Bild: Lee

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