Medizinelektronik

Sensoren in modernen Beatmungsgeräten – Teil 2

21. Februar 2022, 14:00 Uhr | Andreas Alt (Sensirion)
Beatmungsgerät im Krankenhaus
Dossier Beatmungsgeräte: Die Luftbrücke der Medizintechnik
© phonlamaiphoto/AdobeStock

Vorteile in der Flussmessung durch proximale Sensorik

Während es im ersten Teil vor allem um die aktuellen Trends und Methoden in der künstlichen Beatmung ging, widmen wir uns im zweiten Artikel nun den eingesetzten Flusssensoren. Ihre wichtigste Aufgabe ist die genaue Messung von Atemgasfluss, Volumen und Druck. Dafür ist inzwischen von der Neonatologie ausgehend akzeptiert, dass die beste Messposition möglichst nahe, also proximal, beim Patienten ist. So können die Patienten mit möglichst genauen Tidalvolumen beatmet und die Einflüsse der Beatmungskreislaufzusammensetzung nahezu vollständig eliminiert werden. 

Insbesondere für neonatologische und pädiatrische Anwendungsfälle, bei denen es auf die zuverlässige Messung kleinster Flüsse ankommt, hat sich die proximale Flussmessung inzwischen durchgesetzt. Weitere Vorteile sind die verzögerungsfreie Atemsignalerfassung, auf die das Beatmungsgerät noch schneller reagieren kann, und die Detektion von Leckagen. Insbesondere der Einsatz eines proximalen Sensors bei der Leckagenreduktion erweist sich sowohl bei der volumenkontrollierten als auch der druckkontrollierten Beatmung als hilfreich, um die Ursachen für Überwachungs- und Triggerprobleme zu reduzieren. 

Schritthalten der Sensortechnologie

Proximale Sensoren (Einweg und Mehrweg) für die Erwachsenenbeatmung
Proximale Sensoren (Einweg und Mehrweg) für die Erwachsenenbeatmung
© Sensirion

Die Weiterentwicklung der Beatmungsgeräte war immer auch an die zur Verfügung stehende Sensortechnologie gekoppelt. Von den anfangs eingesetzten Schwebekörper-Durchflussmesser über Flussmessungen mit Differenzdrucksensoren an Blenden oder Heizdraht-Anemometern hat sich auch die Sensormesstechnik stark weiterentwickelt, um mit den steigenden Anforderungen der Beatmungsgeräte Schritt zu halten. Eine Weiterentwicklung des Heizdraht-Anemometers ist die CMOSens-Technologie von Sensirion, die in allen Massenflusssensoren und Differenzdrucksensoren des Unternehmens zum Einsatz kommt. Das so entstandene Portfolio deckt heute alle Sensoranforderungen eines Beatmungsgerätes ab – sowohl Beatmungsanwendungen der Erwachsenen-Therapie als auch der Neonatologie: 

  • Inspiratorische Sensorlösung, zur genauen und verzögerungsfreien Steuerung des Gebläses und zur Überwachung des inspiratorischen Luftflusses
  • Exspiratorische Sensorlösung zum Abgleich der vom Patienten ausgeatmeten Luft mit der inspiratorisch beatmeten Luft 
  • Proximale Sensorlösung zur Messung der inhalierten und exhalierten Luft direkt beim Patienten mit höchster Genauigkeit 

Da sowohl die exspiratorischen als auch die proximalen Sensoren mit feuchter oder kontaminierter Luft des Patienten in Kontakt kommen, ist hier ein Austausch oder eine Reinigung unverzichtbar. Aus diesem Grund lassen sich alle Mehrwegsensorlösungen mit verschiedenen Methoden von Waschen bis hin zu Autoklavieren (135 °C, >2 bar Druck und 100% relativer Feuchte) reinigen.

Anforderungen an die (proximale) Flusssensoren

Einige der wichtigsten Unterschiede zur Vorgängertechnologie, den Heizdraht-Anemometern, bestehen darin, dass die modernen Durchflusssensoren ein digitales und vollständig kalibriertes und temperaturkompensiertes Ausgangssignal ausgeben. Damit können sie direkt und ohne vorgängige, zeitraubende oder periodisch zu wiederholender Kalibration beim Patienten eingesetzt werden. Darüber hinaus erlauben die Sensoren symmetrisch in beide Richtungen zu messen. Dabei benötigen sie keinen Nullpunktabgleich, driftet nicht mit der Zeit davon und muss über die Sensorlebensdauer nicht kalibriert werden. 

Die Technologie erlaubt außerdem einen hysteresefreien und positionsunabhängigen Einsatz mit einem dynamischen Messbereich und einer hohen Messempfindlichkeit. Da das Messsignal direkt im Sensor verarbeitet wird und die digitalen Messwerte ausgegeben werden, fallen keine weiteren kostspieligen Bauteile wie A/D-Wandler für den Einsatz an. 

Die Anforderungen an die proximalen Durchflusssensoren sind oft vielseitig und herausfordernd. Sie müssen zuverlässig und zugleich kostengünstig sein, eine hohe Langzeitstabilität bieten und darüber hinaus zahlreiche weitere beatmungsgerätespezifische Eigenschaften (beispielsweise ein geringer Druckabfall, ein geringes Totraumvolumen, einen bidirektionalen Messbereich und eine hohe Empfindlichkeit) erfüllen. Außerdem gelten besonders hohe Anforderungen in Bezug auf hygienische Sterilisation, da die Patienten mit Luft in Kontakt kommen, die potenziell mit Krankheitserregern kontaminiert ist. 

Die Achillesferse aller am Markt befindlichen Luftflusssensoren ist der Einsatz in Kombination mit Befeuchtungsgeräten. Insbesondere die hohe Feuchtigkeit durch Kondensation zu makroskopischen Tropfen in kühleren Teilen des Beatmungskreislaufes macht Probleme. Als Lösung für diesen schwierigen, aber weitverbreiteten Anwendungsfall werden alle proximalen und exspiratorischen Sensoren von Sensirion mit einem zusätzlichen externen Heizelement ausgestattet. Der Betrieb dieses Heizelements mit maximal 0,5 W reicht aus, um Kondensation im Sensor zuverlässig zu verhindern und damit einen langzeitstabilen und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Fazit & Ausblick

Der Einsatz und die Verbreitung von Beatmungsgeräten werden auch in Zukunft aufgrund der zunehmenden Zahl Lungenerkrankungen weiter stark wachsen. Moderne Beatmungsgeräte stellen dabei stets steigende Anforderungen an die Sensorik, um die Patienten und deren Therapie in den Mittelpunkt stellen zu können. Die CMOSens-Technologie begründete eine neue Generation von Flusssensoren, die sich bereits millionenfach im Feld bei CPAP-Geräten oder im Automobilbereich bewährt haben. Die Vorteile für Beatmungsgeräte sind dabei evident. 


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