Einweg-Sensoren für proximale Durchflussmessungen

Author: Daniel Träutlein, Product Manager, Medical

In der Vergangenheit war die Entscheidung für ein bestimmtes Verfahren zur Massenflussmessung in Beatmungsgeräten eine mühevolle und schwierige Aufgabe. Seit kurzem sind aber Durchflusssensor-Lösungen verfügbar, die ein vollständig kalibriertes und temperaturkompensiertes Ausgangssignal bieten.

Proximale Durchflusssensoren sind in Beatmungsgeräten für intubierte Patienten, sowie bei der nicht-invasiven Beatmung von Patienten in Krankenhäusern, häuslichen Pflegesituationen und Notaufnahmen weit verbreitet. Bei Anwendungen, die von der Neonatal- bis hin zur Erwachsenenpflege reichen, sind die Anforderungen für proximale Durchflusssensoren vielseitig und herausfordernd. Die Sensoren müssen zuverlässig und kostengünstig sein, eine hohe Langzeitstabilität bieten und darüber hinaus zahlreiche weitere Eigenschaften erfüllen. Für proximale Durchflusssensoren gelten ausserdem besonders hohe Anforderungen in Bezug auf hygienische Sterilisation, da die Patienten mit Luft in Kontakt kommen, die potentiell mit Krankheitserregern kontaminiert werden kann.

Massenflussmessverfahren für proximale und exspiratorische Messungen

Es sind bereits einige Sensorlösungen auf dem Markt erhältlich, die mittels Autoklavieren oder anderen Methoden sterilisiert werden können. Diese Sensoren nutzen alle eins von zwei Messverfahren: Die Hitzdraht-Anemometrie, oder die Differentialdruckmessung über einer Blende oder einer variablen Blende, um die Empfindlichkeit bei niedrigen Volumenströmen zu erhöhen. Beide Messverfahren haben spezifische Vorteile. Allerdings besteht bei allen Sensoren – unabhängig vom gewählten Messverfahren – die Problematik der Sterilisation. Der Reinigungs- und Sterilisationsprozess muss mit grosser Sorgfalt erfolgen, um die Sensoren nicht zu beschädigen.

Ein proximaler Einweg-Durchflusssensor kann somit eine sichere und kostengünstige Alternative (in Bezug auf die Gesamtbetriebskosten) zur Wiederverwendung von Sensoren darstellen. Sensirion bietet jetzt den ersten MEMS-basierten Einweg-Proximal-Durchflusssensor. Im Unterschied zu bestehenden Produkten sind die SFM3300 Sensoren vollständig kalibriert, während die heutzutage verwendeten Hitzdrahtsensoren vor Gebrauch kalibriert werden müssen. Ein vollständig kalibrierter Sensor spart Zeit, so dass sich das Krankenhauspersonal auf andere Aufgaben konzentrieren kann.

Funktionsweise der proximalen und exspiratorischen Flussmessung

Neben der Druckmessung stellt die Flussmessung eine der wichtigsten Herausforderungen bei Beatmungsgeräten dar. Zur Vereinfachung beschränkt sich die folgende Ausführung auf Überdruck-Beatmungsgeräte, bei denen der Patient entweder über eine Maske (nicht-invasiv) oder durch Intubation oder Tracheostomie (beide invasiv) mit dem Gerät verbunden ist. Moderne Beatmungsgeräte bieten eine breite Auswahl an Anwendungsmodi – zum Beispiel druckgeregelt, durchflussgeregelt und viele weitere. Bei Patienten, die nicht selbstständig atmen können, kann der Trigger für die nächste Inhalation über einen Timer eingestellt werden. Bei einem spontan atmenden Patienten ist das allerdings komplizierter. Im letzteren Fall muss die Atmung des Patienten schnellstmöglich erkannt werden, um eine gute Synchronisierung zwischen dem Gerät und dem Patienten zu erreichen. Zu diesem Zweck werden wir nachfolgend die Position des Sensors betrachten und später auf die Auswirkung der Sensorposition und der Triggerempfindlichkeit eingehen.

Das Ende der Exspirationsphase muss neben den Triggern zum Einleiten des nächsten Atemzyklus zusätzlich über eine Messgrösse bestimmt werden – das Volumen, den Massenfluss, die Zeit oder den Druck. Diese wird als Grenzgrösse bezeichnet. Ausserdem muss die Durchflussregelung zwischen dem Trigger und der Grenze über eine dieser Messgrössen festgelegt werden.

Die Trigger für patientengetriggerte Beatmung können entweder auf das Druck- oder das Massenfluss-Signal eingestellt werden. Wenn Drucksignale als Trigger verwendet werden, ist es schwer, die gewünschte Empfindlichkeit zu erreichen. Das liegt hauptsächlich daran, dass Drucksensoren einen Drift über die Zeit aufweisen. Um eine zuverlässige Triggerempfindlichkeit ohne falsche Trigger sicherzustellen, ist daher eine häufige Nullpunktabgleich erforderlich.

Dank ihrer exzellenten Stabilität besitzen Flusssensoren in der proximalen Auslegung eine sehr schnelle Reaktion und eine hohe Empfindlichkeit. Bei der exspiratorischen Platzierung des Durchflusssensors sind die Stabilität und die Empfindlichkeit gleich, aber die Signalerkennung ist verzögert, die Strömung durch den exspiratorischen Schlauch kommt später am Sensor an. Die exspiratorische Massenflussmessung bietet gegenüber der proximalen Anordnung auch andere Vorteile, zum Beispiel die Verringerung des Risikos einer Kontamination mit Schleim. Auf der anderen Seite wird die proximale Messung durch tieferliegende Lecks weniger stark beeinträchtigt.

Wie zuvor erwähnt, kann die inspiratorische Phase über das Volumen, den Massenfluss, den Druck oder sogar die Zeit bestimmt werden. Dasselbe gilt für die Durchflussregelung zwischen dem Trigger und der Grenze der inspiratorischen Phase. Das Krankenhauspersonal kann zum Beispiel eine zeitgesteuerte Einatmung und eine zeitgesteuerte Grenze als Beatmungseinstellung wählen. In diesem Fall muss der Durchfluss zwischen diesen beiden Punkten geregelt werden. Eine andere Einstellung verwendet möglicherweise andere Parameter für den Trigger, die Grenze und die Regelung. Die Kombination der Parameter kann aus medizinischen Gründen gewählt werden, oder einfach nur entsprechend der Präferenz der Person, die das Beatmungsgerät aufbaut. Die Überwachung von Druck-, Massenfluss- und Volumenwerten über der Zeit ermöglicht es, Veränderungen im Zustand des Patienten zu beobachten, wie zum Beispiel eine verringerte Lungenkapazität.

Druckgesteuerte Grenzen hängen stark von der Übereinstimmung des Beatmungssystems ab, welche sich beim Austauschen des Systems ändern kann oder wenn sich die Position der Röhren und Schläuche verändert. Zum Beispiel kann eine stärkere Krümmung im Schlauch eine Auswirkung haben.

Die Übereinstimmung des Beatmungssystems hat nur geringe Auswirkungen auf die Messung und Integration des Flusssignals, wenn der Sensor in der proximalen Anordnung platziert wird. Dasselbe gilt allerdings nicht für die exspiratorische Massenflussmessung. In diesen Fällen sind die Druck- und Massenflusssignale hilfreich, um den Einfluss der Übereinstimmung hervorzuheben. Proximale Massenflussmessungen sind durch Lecks in grösserem Abstand zum Patienten – zum Beispiel durch Verbinden von Luftbefeuchtern und Inhalatoren – weniger stark beeinträchtigt.

Auch wenn wir zweifellos einen Trend zu intelligenteren und adaptiveren Beatmungsmodi erkennen können, so basieren die zugrunde liegenden Verfahren weiterhin auf den vorangehend beschriebenen Druck-, Massenfluss-, Volumen- und zeitbasierten Werten.

Platzierung von Durchflusssensoren: Proximale versus exspiratorische Anordnung

Hier müssen wir zwischen Einschlauch- und Doppelschlauchsystemen unterscheiden. In einem Doppelschlauchsystem haben der inspiratorische und der exspiratorische Zweig jeweils einen eigenen Schlauch. Der inspiratorische und der exspiratorische Schlauch laufen im Y-Stück zusammen und die letzten Zentimeter zum Patienten führen einen gemeinsamen Abschnitt. In der Inspirationsphase strömt die Luft durch den inspiratorischen Schlauch zum Y-Stück und von dort zum Patienten. In der Exspirationsphase strömt die Luft zum Y-Stück, schliesst dort eine Klappe, die ein Rückströmen in den inspiratorischen Schlauch verhindert, und öffnet den exspiratorischen Schlauch. In einem Einschlauchsystem führt nur ein Schlauch vom Beatmungsgerät zum Patienten. Vor dem Patienten befindet sich ein Exspirationsventil, das die Luft bei der Inhalation vom Beatmungsgerät zum Patienten durchlässt. In der Exspirationsphase wird dieses Ventil geöffnet und die Luft strömt in die Umgebung aus.

In beiden Fällen kann der Sensor zur Messung des inspiratorischen Flusses im Gerät platziert werden, wo der Sensor nicht mit feuchter oder kontaminierter Luft in Kontakt kommt. Bei Einschlauchsystemen kann der exspiratorische Fluss nur mit einem proximalen Durchflusssensor gemessen werden; andernfalls ist nur der inspiratorische Fluss bekannt und die Anzahl möglicher Beatmungsmodi begrenzt. In einem Doppelschlauchsystem kann sowohl eine proximale als auch eine exspiratorische Durchflusssensor-Lösung zum Einsatz kommen. Die proximale Massenflussmessung hat aufgrund der Nähe zum Patienten Vorteile in Bezug auf die Auslöseempfindlichkeit. Andererseits gibt es durch die grosse Nähe zusätzliche Herausforderungen, wie die Kontamination mit Schleim, welche bei einer exspiratorischen Anordnung leichter kontrolliert werden kann.

Die meisten Hersteller von Beatmungsgeräten verwenden die proximale Anordnung für neonatale Patienten; gegebenenfalls unter Verwendung spezieller Sensoren. Im Gegensatz dazu verwenden einige Hersteller die proximale Anordnung für erwachsene Patienten und andere die exspiratorische Anordnung.

Die Massenflussmesser der SFM3300-Serie können sowohl in der proximalen und der exspiratorischen Anordnung eingesetzt werden. Die proximale Anordnung bietet die höchstmögliche Auslöseempfindlichkeit, während die exspiratorische Anordnung besser geeignet ist, um die Vielzahl an Zulaufbedingungen zu regeln und damit im Gegenzug die genaueren Durchflussmesswerte liefert.

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